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环境友好便器研发现状的分析
来源:中国给水排水发布时间:2018/5/30 22:21:09

现代便器自从诞生以来,由粗放到卫生,由室外到室内,由旱厕到水冲,经历了200多年的发展与演变,当前室内水冲式卫生便器已经成为全世界便器的主流形式。然而,一些地区由于干旱缺水的自然条件或不够发达的经济水平,便器的普及性和卫生性尚待提高;此外,随着源分离排水理念的诞生和资源化技术的进步,粪便、尿液及其冲洗水的资源化逐渐得到重视。便器的革新几乎得到所有国家的关注,许多国际组织和机构也参与了相关的工作。如,从2011年开始,比尔和梅琳达·盖茨基金会(Bill & MelindaGates)在全球启动了“便器创新(Reinvent the Toilet Challenge)”研究项目。希望通过研发,为全世界约26亿没有下水道系统可用的人群,提供不需要市政给排水管道、不用外接电网、建设和运行维护费用经济的新型便器系统。同时,在世界范围内,很多研究单位和企业一直在探索并研发新型便器,以期从卫生、经济、节水、资源化等方面完善现有便器。本文在梳理新型便器设计现状的基础上,重点分析目前新型便器的技术特点和存在问题,以期为进一步的研发提供参考。

1. 便器的演变

现代厕所作为室内的重要的卫生设施,在11世纪的欧洲城堡建设热潮出现。最初只是将室外的粪坑移到室内一个类似于衣柜的小隔间中,直到1596年,人类发明出最早的抽水马桶,但此时它只是英国女王伊丽莎白一世的专用奢侈品。17001850年间厕所建设进入“觉醒时期(The Age of Awakening)”,U形管、三球阀等关键部件的发明完善了马桶的功能,使其逐渐在欧洲部分地区得到普及。18371901年,英国维多利亚女王统治时期成为厕所发展的“黄金时期(The GoldenAge of Toilets)”。在这期间欧洲爆发的霍乱使得人们对于便器卫生系统的重视程度大大提升,便器的结构和管道系统随之不断完善[1]1889年,英国人发明出冲洗式抽水马桶,增加了贮水箱和浮球,大大提高了实用性。从此,抽水马桶的结构形式基本固定并逐渐演变成为现今常见的室内水冲式便器,该类便器在世界范围内的便器市场中占据了绝对的主流地位。

但时至今日世界上仍有约26亿人因为自然和社会条件的限制,无法使用较为卫生的水冲便器。与此同时,传统水冲式便器的冲洗水中带有的资源和能量浪费等问题,使人们对传统水冲式便器进行了反思,同时予以了积极的针对性实践。因此,现在出现了越来越多的新型便器,如源分离便器、资源化便器等,便器结构和系统设施越来越多元化。

2. 新型便器的设计理念

针对现在被广泛使用的室内水冲式便器的缺陷和对粪尿进行资源化的需求,研发人员在新型便器的设计中从多个方面进行创新,从而使新型便器对环境更加友好:

1)对排泄物进行无害化处理,回收其中的能量、营养物质和水,使得资源尽可能实现回收利用,形成良性循环;

2)使便器系统能够独立使用,尽量避免与市政配水管网、排水管网、电网的联系,实现就地资源化,以提高资源化的效率;

3)尽可能地减少资源(如水、电等)消耗,并降低运行费用;

4)提升便器系统的耐久性和经济性,使其在较为贫困的地区也能得到可靠使用;

5)无论是发达国家还是发展中国家,新型便器都能带来更好的用户体验。

3. 新型便器系统的已有类型

当前,在包括比尔和梅琳达·盖茨基金会“便器创新”研究项目等新型便器的成果中,新型便器系统的创新性在多方面均有体现。既有源分离便器这一类直接对便器构造进行的创新,又有针对资源化处理技术进行的创新。这几类创新成果的设计特点如下:

3.1 源分离便器

源分离便器以源分离技术路线为核心,在尽量少稀释的情况下将高浓度的粪便(褐水)、尿液(黄水)分开收集,以便于后续的资源化处理与利用。无论是坐便器还是蹲便器,均可以通过改变便器的构造实现源分离。

目前最常见的源分离便器将便池分为前后两区,其中前区为小便区,通过若干小孔径的排放孔排出;后区为大便区,有一个大孔径的排放口。前后两区之间有时会通过一个陶瓷隔板分隔。对于水冲式源分离便器,在小便后冲水时仅前区出水,收集的黄水靠重力流或负压作用直接汇入专用通道。后区的排污管与粪便排污管道连接,冲水时前、后两区同时冲水。每次小便冲水仅需0.1~0.2L少量水,大便区如果采用负压排污,冲厕耗水仅需1~1.5L。由于该便器实现了黄水与褐水分离,冲洗总水量大大减小,从而达到了节水效果。瑞士产品NoMix toilets就是一种典型的源分离节水坐便器,该便器可以实现黄水和褐水的分别收集,目前已在瑞士、德国、荷兰等欧洲国家得到一定的使用,且75%以上的使用者表示该便器的卫生性、臭味控制和舒适度并不亚于传统水冲式便器。

荷兰Theo Brandwijk设计的一种新型坐便器Piet Urine Diversion Toilet,通过在排污管道起始端加装传感器和三通阀实现源分离。当传感器感应到有用户正在使用该便器时,控制三通阀的角度,将粪便和尿液导入不同的管道中。由于使用了三通阀,便器只需一个排放口,简化了源分离系统,相比于前文所说的源分离节水便器,便器体积可以更小。

3.2   资源化便器系统

该系统重点针对排泄物的资源化处理技术进行创新。目前最常用的资源化处理方式为堆肥处理和热处理,可以通过在便器底部或是外部加设资源化处理装置来实现。

3.2.1 堆肥处理的便器系统

堆肥处理的便器系统往往通过两种方式实现资源化处理:

1)通过添加特殊装置在便器阶段实现堆肥处理

德国产品Locus Toilet通过液体的蒸发和固体的堆肥实现就地资源化。通过通风管、风扇、恒温器、散热片、搅拌系统来加速排泄物中液体的蒸发,剩余固体掉落在底部的腐殖质盒子中被生物降解。其中的腐殖质能够进行定期更换。

德国产品WC der Zukunft是目前对传统便器“颠覆”最大的成果之一。从外形来说,采用了圆筒的形状,每位用户在使用前可以在便器的上边缘铺好一个生物材料制成的衬垫。从功能来说,既有源分离功能,又有资源化功能。尿液通过单独的管道排出,粪便及使用后的衬垫掉入底部进行堆肥。在堆肥区上方有一个装有自动感应装置的封盖,只有在用户坐下来的时候才会打开。

2)在便器之外设置收集坑等结构进行堆肥处理

AEROSAN组织推广的干式堆肥化便器系统采用无水冲便器,不再需要复杂的给排水管道系统,因此使用该便器系统的卫生间可以采用非传统的“十”字形排列(如图1)。4个卫生间的入口分别朝向不同的方向,中间形成的空间底部为排泄物的集中收集坑,上方支出一根较高的通风管。通风管被漆为黑色,高出卫生间顶棚2m左右。驱动通风系统运行的所有能源来自太阳能和风能。通风过程不仅可以除臭,也可以对底部的排泄物进行干燥处理,减小排泄物体积,延长每一次的使用周期。排泄物在底部进行堆肥的过程中,由于太阳能和生化反应的作用使底部维持在高温状态,可以同时使大部分病原体失活。

   

(a)

          

   (b)

1 干式堆肥化厕所系统

a)外观图;(b)平面俯视图

与传统便器相比,这类便器系统无需水冲、结构新颖且自带资源化处理设施,实用性更强,已经在海地等国家的景区和受灾地区得到一定范围的推广。

粪尿分离式无水便器系统(Urine-Diversion dehydration toilets)是新型便器系统的一大主流,目前已在孟加拉国、南非等一些国家的农村地区得到一定实践。同一卫生间中可以同时有小便器和源分离坐便器,且均为无水冲式。尿液通入渗滤井,或者与水以1:3的比例混合,可直接用于农田浇灌。粪便则排入便器下方的收集坑,同一个便器下方有两个收集坑,可以用来交替使用。用户排便后向坑中倾倒一定比例的沙土和草木灰,既可以在一定程度上除臭、杀灭病原体,又可以辅助粪便进行堆肥。且每一个收集坑都有一个通风管辅助堆肥过程(见图2)。当其中一个收集坑堆满后切换使用另一个,同时从卫生间外面打开该收集坑进行清理,清理得到的有机肥料可以回用于农田。

2 具有双收集坑的粪尿分离式无水便器系统立面图

这类便器系统之所以现在已经得到一定的推广,是因为它除了满足传统便器的功能性外,还兼顾了南亚、非洲等地区的国家农村地区的地域特点。由于当地经济水平往往不高,给排水系统并不十分健全,水冲式便器系统几乎无法得到应用。而粪尿分离式无水便器系统无需与给排水管网、电网等连接,可以建在任何地方,同时也做到了污染控制。

3.2.2 热处理的便器系统

对排泄物进行热处理的方式有焚烧、热解等技术,从而得到肥料或能量。

1)利用焚烧进行处理得到肥料

该类便器系统的资源化处理在高温下进行,得到的灰状产物可做肥料回用。

挪威产品Cinderella Toilet是一种在便器阶段就能实现焚烧功能的产品。每次使用前都通过一个收集袋收集排泄物,之后收集袋自动掉落在便器底部的燃烧室,随其中的排泄物一起焚烧成灰。每隔一段时间,从底部将燃烧室取出进行清灰工作。

2)利用水热碳化技术进行处理回收能源与资源

水热碳化技术(Hydrothermalcarbonization, HTC)是在180~200的温度范围下,使生物质浸没在水中进行碳化处理的技术。在高温高压的条件下,生物质转化为气态、液态或固态烃进行回用。英国拉夫堡大学的E. Danso-Boateng等将水热碳化技术应用于排泄物的处理,在能源和资源回收方面具有明显的优势。

该便器系统采用传统便器即可,但后续结构较为复杂。除便器和收集器外,核心装置为泵、多步反应器和分离室。收集器中的排泄物达到一定量后被泵入反应器,反应器开始加热达到一定的温度和压力,开启碳化过程。碳化产物进入分离室后,水蒸气回流对收集罐进行预热,挥发性的气态烃则被收集作补充燃料;剩余的液体和固体通过过滤分离,固体呈煤状颗粒,可做燃料对反应器进行加热,也可用作土壤改良剂;液体包含了大量盐分和小分子碳基化合物,可以通过厌氧消化池产甲烷或者通过离子交换回收盐分,离子交换得到的稀释水可以回用于便器的冲洗水系统。

水热碳化技术的应用基本实现了物质和能量的闭环,而且上述过程在24h内就可以完成。只要有足够的用户使用,就完全可以保证便器系统所需物质和能量的不间断供应。

3.2.3 利用其它处理技术的便器系统

目前有很多对排泄物资源化处理技术的报道。仅对尿液来说,处理方法可归纳为储存、脱水等预处理方法,氨氮吹脱等物理方法,磷酸铵镁沉淀等化学方法,短程硝化等生物方法以及膜处理方法等。对粪便或粪尿混合物来说,除最常见的堆肥处理和热处理技术外,还有利用等离子体气化技术将排泄物转化为燃料等。由于资源化技术的多元性,在这方面进行创新的便器系统还有很多种类型,此处不再一一赘述。

4 新型便器系统的利弊分析

由上述分析可以看出,新型便器系统通过对便器结构的改进和资源化系统的添加来实现节水、节能、资源化等目的,在很多方面得到比传统便器更加优越的性能。但也由于各自的特点带来其他弊端,如臭味逸散、操作不便、维护困难等问题。对于每个新型便器系统,需要我们进行综合考虑得到合理的评价。

4.1   新型便器系统的优势分析

4.1.1 节水性

大部分新型便器具有优良的节水性能,主要通过三种途径来实现:

1)改用源分离便器。对于水冲式便器来说,传统节水型便器冲厕用水量为小便1~3 L/次,大便3~6 L/次,而源分离便器对粪便和尿液进行分开冲水,冲水量大大减小。小便冲厕耗水量往往降至0.3 L以下。大便区冲水时,若便器后接重力管道,则耗水量降至3~5 L;若便器后接负压管道,则耗水量仅为1.2 L/次左右。

2)使用无水冲便器。新型便器中有不少无水冲式便器,不需要用水冲厕,与外界的给排水管网没有任何连接。正因如此,应用这类便器系统的卫生间非常适合在给排水管网不健全或自然条件干旱的地区使用,如粪尿分离式无水便器系统。

3)使用系统循环水。这类便器利用排泄物资源化处理后分离得到的洁净水用作冲洗水,实现了水系统的闭合循环,对整个便器系统来说,耗水量基本为0。但这也对资源化处理提出较高的技术要求,需要快速、彻底的反应系统来实现冲洗水的连续供应。利用水热碳化技术的便器系统就是较为成功的一例。

4.1.2 资源化程度

新型便器系统通过资源化处理在物质和能量回收方面有非常明显的优势。

根据现有研究,每个成人每天产生尿液约1~1.5L,其中总氮含量约为8 g/L总磷含量约为0.7 g/L。粪便中含有大量的有机物,碳元素的含量达到240 g/KgNP元素含量分别为18 g/kg3g/kg,此外还有KCaMg等金属元素。这些成分在传统便器系统中被当做废弃物冲入下水管道,是污水处理的对象。而新型便器系统对排泄物进行就地资源化处理,提取出大量有用的资源。

以粪尿分离式无水便器系统为例,若将稳定化后的尿液以1.5 L/m2的用量用于浇灌农田,则每公顷土地的氮元素含量能达到105kg,基本可以满足谷类作物的生长需求。若对尿液采用蒸发处理,50 L酸化后的尿液在26天后能得到360g 氮磷总质量分数超过2%的固体肥料。

以利用水热碳化技术的便器系统为例,经处理后得到的固体产物热值可达17000kJ/kg

源分离便器的创新之处尽管并不在于资源化技术的应用,但它将尿液与粪便从一开始就分开收集,为后续资源化方法的利用提供了便利,同样提升了资源化程度。

4.1.3 灵活性

传统便器的主流是室内水冲式便器,必须与市政给排水管网和电网相连接,安装的位置受到一定限制,而新型便器系统突破了这一限制。

Cinderella ToiletLocus Toilet等资源化便器无需水冲,既可用在室外独立的卫生间中,又可以替代室内卫生间的传统便器达到节水效果。粪尿分离式无水便器系统之所以能在南亚、非洲等国家的农村地区形成主流,就是因为其建造位置不需考虑地下管网等信息,集中或分散建造均可。在秘鲁等国家,粪尿分离式无水便器系统已被尝试应用于室内,与室外不同的是,室内与便器对应的收集坑由两个变为一个。

4.2  新型便器系统存在问题分析

4.2.1 稳定性

新型便器为实现一些特殊功能加装了新的装置或是改变了内部结构,这都使其稳定性有所下降,由于部分零部件损坏等原因使得便器无法正常使用。

1)新增部件易损坏。以源分离便器PietUrine Diversion Toilet为例,其实现源分离功能的核心装置是传感器和三通阀,一旦传感器失效不能控制三通阀的角度,三通阀会很快堵塞使得便器无法正常使用。利用水热碳化技术的便器系统资源化处理设备复杂,涉及到泵、多步反应器、分离室等结构和输配管、回流管,若其中任何一部分发生问题,都将使得资源化处理无法进行,继而引发管道堵塞、臭味逸散等问题。而且这些装置的维修工作比传统水冲系统的装置更加困难。

2)排泄物通道易堵塞。对于无水小便器和源分离无水冲式便器来说,尿液都是通过便器表面的小孔洞和细管道流到收集装置中。便器及管道内壁中往往有残存的尿液,其中的成分非常容易引起结垢,黄水收集管道在使用612月后就会普遍出现结垢堵塞问题。如果不定期维护,无法做到长期稳定地使用。

4.2.2 卫生条件

传统的室内水冲式便器需要大量冲洗水实现清洗便器内壁、形成水封防臭防虫等功能,新型便器多为无水冲或用少量水冲,很难维持良好的卫生条件。

1)新型便器的防臭防虫条件

干式堆肥化、粪尿分离式等无水冲便器系统主要通过两种方式进行臭味控制。一是在排泄物收集区上方安装高出卫生间顶棚的黑色通风管,利用太阳能和风能进行空气对流;二是在堆肥区将固体与沙土、草木灰等成分混合,进行防臭防虫。但使用通风管过于受制于自然条件,且会将臭味气体直接排入周边环境,如果卫生间建造较为集中,对周边环境的质量会造成不好的影响。使用沙土、草木灰混合堆肥的方法需要对投加比例进行合理的控制,投加过少不能充分起到防臭防虫的作用,投加过多会导致收集区的清理频率增大,肥效也会受到一定影响,但目前在这方面缺少相关报道,最适当的投加比例需要用户自己探索。

对源分离便器的小便区来说,臭味控制往往通过U形管形成水封或橡胶管防臭装置实现。U形管水封的理念同传统的水冲式便器,但对于源分离便器,由于冲洗水与尿液的比例减小,无法满足现行国家标准《卫生陶瓷》GB6952中,小档冲水稀释率不小于17的要求,置换率过小,存在传播病菌的风险,且水封高度过低,意味着阻隔臭味的能力不如传统便器。橡胶管防臭装置的原理类似于止回阀,在无尿液通过时底部粘合在一起,有尿液到达上方后,底部膨胀形成管道。但频繁改变的温度和高含盐量的尿液会加速橡胶管的老化粘结,防臭性能无法得到保障。

2)新型便器的表面清洁度

对水冲式的源分离便器来说,冲水量减小,很可能会导致便器内壁表面有固体残留,无法满足便器基本的洗净功能,但目前还没有针对源分离便器进行墨线实验测试洗净功能的报道,因此,最小冲水量仍是一个未知数。若要通过使用性能更加优良的陶瓷材料和表面光滑度更高的釉面来保证清洁度,则产品的成本会随之增加。

对于无水冲的便器,便器表面的清洁完全需要人力进行清洗和维持,存在的干扰因素更多。

4.2.3 经济性

尽管新型便器由于其节水性和资源化程度的提升而节省了许多污水处理方面的运行和处理费用,但也为了实现新功能而需要性能更加优良的材料或更多装置结构,因此成本费用会增加。如前文所说,源分离便器为了保证便器内壁的清洁度需要性能更加优良的陶瓷材料和釉面,因此材料费增加;若不改进材料性能,则维护频率和难度必然增加,由此又会引起人工费增加。

此外,经过资源化处理得到的产品产量较小,基本不可能拥有稳定的销售渠道,往往只能用户自用,所产生的经济效益并不明显。以粪尿分离式无水便器系统在孟加拉国的应用为例,当地50 kg化肥价格为15 美元,一个粪尿分离式无水便器系统的建造费用最低为150 美元左右。在实际使用中,清理工作由用户自行完成,资源化处理中需要的水、沙粒和草木灰等价格忽略不计,则可将运行费用视为0。若4人使用同一卫生间,且粪便产量为1.5kg/(×d),则每年收集的粪便量为2190 kg,相当于100 kg无机化肥,节省的费用约为30 美元。这意味着一个粪尿分离式无水便器系统需至少使用5 年以上才能体现出其经济性。而在当地乡村地区,由于自然环境恶劣、维护工作欠缺等因素,5年的使用期其实很难达到。

4.2.4 适用范围

尽管新型便器系统类型多种多样,但目前鲜有产品在市场上占有一定的分量。干式堆肥化便器系统、粪尿分离式无水便器系统和利用水热碳化技术的便器系统可以独立于其他建筑在室外建造,但这也同时意味着该类系统的适用范围主要为乡村地区或景区。若不经严格考证就将新型便器系统建于室内,会由于维护方法和便器本身在稳定性和卫生条件方面的缺陷导致很多问题。如“瑞典-中国鄂尔多斯生态卫生城镇”项目,作为世界最大的源分离示范项目,将某小区2005户居民的传统水冲式便器改为源分离无水冲式便器。结果由于居民并不能完全接受无水冲方式而自行用水清洁,使得储粪桶变成了化粪池,房间内的臭味和蚊虫问题较为突出。此外由于便器技术问题、排气设施不完善等原因均使得这项工作未能达到预期的设想。

4.2.5 舒适度和使用方便程度

大多数用户早已习惯传统便器的如厕方式,但源分离便器要实现源分离,需要每位用户在使用便器前坐(站)在特定的位置,才可能将粪便和尿液正确的排入不同的管道;德国产品WC der Zukunft将坐便器设计为圆筒状,且使用前还需要自行放置衬垫。相比传统的便器,这些产品使用起来不够舒适和方便。

以上问题增加了便器维护和管理的难度,而且新型产品往往缺少相应的规范保证其质量,这必然会导致大众对新型便器的认可度下降,新型便器在一段时间内不可能成为主流。

从用户角度来讲,新型便器的舒适度、卫生条件和节水性能是取得良好的用户体验的关键条件;从相关管理者的角度来讲,新型便器的资源化价值和经济性是关注的重点。现有新型便器系统在这些重点要素方面的特点可归纳为表1

1 新型便器系统与传统便器的特点比较

分类

相应产品

节水性

资源化程度

舒适度

卫生条件

经济性

源分离便器

NoMix Toilets

有助于资源化

同传统便器

同传统便器

成本费用可能更高

Piet Urine Diversion Toilet

有助于资源化

同传统便器

可能不及传统便器

成本费用更高

资源化便器系统

Locus Toilet

优良

同传统便器

不及传统便器

成本费用更高

WC der Zukunft

优良

不及传统便器

不及传统便器

未知

干式堆肥化便器系统

优良

同传统便器

不及传统便器

成本廉价但不够耐用

粪尿分离式无水便器系统

优良

不及传统便器

不及传统便器

可能费用更高

Cinderella Toilet

优良

同传统便器

未知

费用更高

利用水热碳化技术的便器系统

优良

同传统便器

未知

费用更高

5. 结论

新型便器相比于传统便器,在节水性能、资源化处理程度方面固然有巨大的提高,但大多存在舒适度欠佳、卫生条件、经济性较差等弊端。基于这样的研发现状,未来新型便器的设计仍将进一步加强其优良的节水性能和资源化程度。在此基础上,舒适度、卫生条件、经济性方面的不足需要重点克服。但这些问题不可能同时解决,在解决部分问题的同时必然会导致另一部分的加剧或新问题的出现,如为了维持舒适度和卫生条件,就需要增加产品材质和维护方面的费用,使得产品更加不经济。这需要研究人员和决策者结合产品特点与当地条件进行综合考虑,这样才能得到既方便使用,又能创造更多价值的环境友好便器。此外还应当注意到,尽管提高产品性能是解决问题的根本办法,但在使用前有必要对用户进行适当的维护指导,以便新型便器能够最大可能地发挥出自身价值,从而得到更多人的认可。(作者:姚越,周律,许阳宇。原文发表于2017年9月《中国给水排水》第33卷,第18期。)

 

 

 

 

 

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