基于水热液化技术的生态厕所系统示范

中国农业大学水利与土木工程学院

作者：孔德亮，刘志丹，邮箱：kdl2017@cau.edu.cn

【基本情况】

针对农村、社区规模的厕所改造和粪污量大、处理不当等特点，基于水热液化技术的产油工艺包，构建生态厕所系统并现场示范。生态厕所系统于2019 年初在北京市郊区建成，其规模可以满足约300 户（每户3 人）如厕需求，经过长时间运行性能的测试，表明系统可以稳定运行。系统的核心技术是真空微水冲厕所耦合水热液化技术：无下水管道铺设、集中模块化实现厕所粪污无害化、资源化利用。目前生态厕所系统已经示范运行超过4 a，处理规模为100 kg/d，生物原油的产油率为28%（基于干质量），生物原油的热值为35.3 MJ/kg。此外，相比于传统水冲厕所节约水资源约为2 759.4 m3/a。本系统适用于农村地区、旅游景区、部队等无下水管道的场所和区域。

作为在北京市郊区的生态厕所系统示范（图1），该系统得到盖茨基金会专家组的科技鉴定，认为其具有显著的科学意义和应用价值。盖茨基金部门、孟加拉国卫生部等进行项目现场考察照片如图2 所示。

图1 生态厕所示范Figure 1 Demonstration of ecological toilets

图2 项目现场考察Figure 2 Site instruction of the project

【技术/案例原理及技术路线】

生态厕所系统包括整合在车载集装箱内部的前端厕所模块和后端连续水热液化处理模块，其系统技术原理如图3 所示。

图3 生态厕所技术原理示意Figure 3 Schematic of eco-toilet technology principle

（1）真空微水冲厕所。真空微水冲式厕所主要包括气冲坐便器、气冲小便器、负压阀、收集罐、提升罐和真空泵组以及配套的按钮和控制器等。厕所内的粪污利用系统负压抽到真空收集罐内，再利用提升泵将真空收集罐形成-0.55～-0.60 kPa 的负压，收集得到高浓度粪尿，用于后续资源化处理。

（2）进料单元。进料单元由储料罐、螺杆泵和液压输送系统等组成，螺杆泵可以泵送高浓度物料，提高了出口压力，使得粪污高效地泵送到液压缸中；液压系统采用智能化一键控制的自动化进料方式，提高了系统的自动化程度以及实验操作的安全系数；同时液压进料系统具有限位控制，避免造成液压缸脱落。

（3）反应器单元。反应器部分由预加热反应器和保温反应器组成，呈“U”型分布。预加热与保温反应器主体均为不锈钢，反应器的上下端采用英寸管道进行连接。由进料单元将粪污先输送至预加热反应器，达到一定的温度后再输送至保温反应器进行水热液化反应，系统反应时间通过进料流速和反应器的体积进行控制。

（4）产物分离单元。该部分主要由接受釜和保压系统组成，通过垫片式背压阀控制系统的反应压强和产物的持续出料，此外还有两条出料路径，这样不仅可以稳定输出产物还可以防止堵塞引起的试验终止。

（5）监控单元。监控单元包括进料单元的进料流速、反应器加热和控温以及数据的采集等。可以对在整个试验运行过程进行全方位在线监测与调控，更好地采集数据并提高其安全性。

【技术/案例特点】

（1）模块移动化：本系统是集装箱式的，把厕所和连续水热液化反应器放到集装箱内，前端厕所产生的粪便可以直接利用后端的连续水热反应器进行处理，不需要通过管道进行输送，减少过程中产生的气味和营养物质的流失，其具有模块化和可移动的特点。

（2）快速实现无害化和资源化利用：后端连续水热液化反应在高温高压的环境条件下进行，一般为十几分钟到几十分钟，与传统堆肥、厌氧发酵技术相比，能大幅节约时间并杀死粪污中的病原体和致病菌。厕所粪污转化为生物原油、水相、气相和固体产物等水热液化产物，其中生物原油可用于交通燃料，气体中含有90%以上的CO2，可以为微藻和其他植物生长提供所需碳源；水相中营养成分高，可以被提取制成肥料，用作花卉栽培、微藻培养等；固体产物常被用作土壤改良剂，从而实现粪污的无害化、资源化利用。

（3）节水降能：前端厕所采用的是真空微水冲厕所，冲水量仅为0.8 L/次，而传统水冲厕所用水量为5 L/次。同时，后端水热处理反应器无需对原料进行干燥，可以直接转化厕所粪污，降低了能耗。

【长效运行模式与机制】

（1）运行模式：建立系统运行管理机构，制定岗位人员培训方案、管理制度以及系统的应急管理措施和安全管理预案，以确保系统在安全有序的环境条件下稳定运行。

（2）运行机制：可通过监控系统监测设备的运行性能，调整运行工况，同时指导运行操作人员，维护生态厕所系统长时间稳定和安全运行，保证系统对厕所粪污的无害化处理和资源化利用。

【经济、环境及社会效益】

（1）经济效益。按照运行4 a、300 户的村庄，每户3 人和每天用厕2 次/人来计算，厕所年用水量可节约11 037.6 m3，北京市郊区现行水费为1.2 元/m3，则年节水费用约为13 245.12 元。

（2）环境效益。本技术提供了新的厕所改造模式，降低了粪污污染环境的风险，实现了厕所粪污资源化利用，改善了人居环境。

（3）社会效益。研发出的生态厕所系统已成功在北京市郊区村庄进行示范，该示范项目可为无下水管道厕所的改造和粪污的资源化处理提供参考。