一种利用太阳能实现源分离尿液与粪便资源化的处理系统的制作方法

1.本发明专利涉及污水处理技术领域，具体涉及一种利用太阳能实现源分离尿液和粪便资源化的处理系统。


背景技术：

2.随着经济和技术的迅猛发展，人们生活水平不断提高，对居住环境的要求也日益提高。但对于人口密度低的农村地区来说，污水收集、垃圾处理以及厕所卫生环境尚未得到有效处理，因此，解决这些问题可显著提高广大农村地区的卫生环境。
3.研究表明，仅占生活污水总量1
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2％的人粪尿中却含有90％以上的氮、磷，这不仅会增加污水处理的负担，还浪费了其中的营养盐资源，几乎截断了农业与人居的物质交换链，因此，将人粪尿和生活污水从源头上分离收集可大大减轻污水处理负担，降低污染物排入水体的风险。而且，经过适当的处理和处置，无水冲厕所源分离尿液和粪便中的营养元素可得到有效回收，将其作为肥料施用于农田，实现营养元素的闭合循环。
4.目前，实现尿液资源化的技术有高温蒸发浓缩、冷冻结晶、磷酸铵镁盐沉淀法和反渗透等，这些方法存在以下问题：耗费能源和药品、占地面积大、处理时间长、效果不好、成本高等；源分离粪便一般通过堆肥处理后用作肥料施用，存在处理时间长、占地面积较大等问题。利用太阳能光热蒸发技术处理源分离尿液和粪便，可以实现尿液和粪便的减量化及同步资源化，该技术具有耗能小、污染少、操作简单等优势。所以，设计一种利用绿色能源实现源分离尿液和粪便资源化的处理系统是推进其可持续发展的迫切需求。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种利用太阳能实现源分离尿液与粪便资源化的处理系统，该处理系统结构简单，利用太阳能高效蒸干尿液和粪便中的水分，使尿液变成高浓度的氮、磷肥循环利用，干化后的粪便回用于农田。
6.本发明提供如下技术方案：一种利用太阳能实现源分离尿液与粪便资源化的处理系统，包括依次连通的源分离卫生器具、酸化尿液池、尿液太阳能光热蒸发装置，以及与源分离卫生器具直接连接的粪便太阳能光热蒸发装置；所述的酸化尿液池包括自动加药器，保持池内ph维持在4，以固氮除臭；
7.所述的尿液太阳能光热蒸发装置包括透明冷凝板、蒸发室、收集室、隔板、第三管道和第四管道，所述蒸发室位于所述透明冷凝板水平位置下方，所述隔板将蒸发室与收集室完全隔开，所述透光冷凝板覆盖在蒸发室上方并将冷凝水引导至收集室，收集的冷凝水通过第三管道实现冷凝回用，蒸发浓缩后的尿液成为高浓度的氮肥、磷肥从第四管道回用于农田绿地。
8.进一步地，所述的尿液太阳能光热蒸发装置的蒸发室由下至上依次包括水传输通道、隔热层、薄含水层和光热转换材料层；所述隔热层将使所述薄含水层和光热转换材料层漂浮于尿液表面，通过所述水传输通道的强吸水特性将尿液与器件相接并实现尿液蒸发。
9.进一步地，所述隔热层内设有多个上下相通的通孔，通孔内设有条状的吸水材料直接向下伸入尿液中作为引导尿液中的水向所述蒸发室表面传输的通道。粪便中的水分通过水传输通道分散到薄含水层，超亲水的薄含水层将粪便中的水分从传输通道分散到薄含水层内部并与光热转换材料层紧密接触。
10.进一步地，所述薄含水层采用超亲水的材料将尿液从所述水传输通道分散到所述薄含水层内部并与光热转换材料层紧密接触。
11.进一步地，所述隔热层的厚度为5
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10cm；所述隔热层的材质包括超吸水纤维纸和海绵中的一种或多种。
12.进一步地，所述水传输通道的材质为超吸水材料，包括编织纤维、吸水纸和吸水海绵中的一种或多种。
13.进一步地，所述光热转换材料层表面是超疏水的，避免蒸发表面盐结晶；所述光热转换材料层与所述薄含水层通过水的润湿作用以及边缘用胶水粘合在一起，尽可能减少空气对二者的紧密接触产生影响。
14.进一步地，所述光热转换材料层的厚度为0.1～1mm，由光热转换材料和支撑载体组成；所述光热转换材料包括碳基材料和有机高分子材料中的一种或多种；所述支撑载体包括棉布、无尘纸、滤纸和薄木片中的一种或多种。
15.进一步地，所述碳基材料为自炭粉、碳化生物质材料和氧化石墨烯中的一种或几种。
16.进一步地，所述有机高分子材料为聚吡咯和聚多巴胺中的一种或多种。本发明的有益效果为：
17.1、本发明提供的系统通过自流方式将源分离卫生器具的尿液和粪便分别输送至酸化尿液池和粪便太阳能光热蒸发装置中，经过酸化除臭固氮后的尿液通过注入泵输送至尿液太阳能光热蒸发装置中。在粪便太阳能光热蒸发装置中，粪便中的水分通过强吸水的传输通道输送到薄含水层，再利用黑色的光热转换材料层高效局部加热微量水，进而实现粪便的干化，干化后的粪便经过进一步的处理后回用于农田；在尿液太阳能光热蒸发装置中，隔热层使整个器件漂浮在尿液表面，减少向下的热传导，通过强吸水的水传输通道将器件连接并将尿液输送至薄含水层，强吸水的薄含水层将尿液从传输通道快速分散到薄含水层内部以及整个器件，具有较高光热转换能力的黑色光热转换材料层局部高效加热微量尿液，从而实现尿液的蒸发，蒸汽接触冷凝板成为水滴，沿倾斜的冷凝板流入收集室，收集室中的冷凝水完全满足《农田灌溉水质标准》一类以及中水回用水标准，可通过带有阀门的管道输送至农田、厕所等用水的地方，蒸发室底部的尿液蒸发浓缩为高浓度的氮肥、磷肥实现循环利用。
18.2、本发明构建了一种低成本、高效的尿液和粪便资源化的处理系统，具有以下特点：
19.(1)蒸发速率可控，光热转换材料的蒸发性能稳定；
20.(2)成本较低，制备方法简单，材料便宜易得；
21.(3)一个太阳下可实现至少0.5kg
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‑1的蒸发速率，且蒸发表面不会被污染；
22.(4)不仅可同时实现尿液的减量化和资源化，还可以实现粪便的干化；
23.(5)是一种绿色节能的符合可持续发展的处理系统。
24.3、本发明提供的系统可利用便宜易得的光热转换材料，如农村地区常见的木材，经过表面碳化可用于太阳能光热蒸发；而且，广大农村地区作为废弃物的秸秆可作为水传输通道，将尿液和粪便中的水分传输至蒸发位置。由此可看出，该技术操作灵活，可根据不同地区就地取材，适用性很高。
附图说明
25.在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
26.图1为本发明提供的系统整体示意图；
27.图2为在实验室中模拟的以桐木为基底的聚吡咯光热转换材料层在1kw
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‑2光照强度下表面温度随时间的变化曲线图。
28.图3为在实验室中模拟的以棉布为基底的聚吡咯光热转换材料层在1kw
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‑2光照强度下表面温度随时间的变化曲线图。
29.附图标记说明：
30.1.源分离卫生器具；2.酸化尿液池；3.尿液太阳能光热蒸发装置；4.粪便太阳能光热蒸发装置；5.收集室；6.透明冷凝板；7.蒸发室；8.水传输通道；9.隔热层；10.薄含水层；11.光热转换材料层；12.第一管道；13.自动加药器；14.第二管道；15.注入泵；16.隔板；17.第一阀门；18.第三管道；19.第二阀门；20.第四管道；21.地平线。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.如图1所示，为本发明一种利用太阳能实现源分离尿液与粪便资源化的处理系统，包括依次连接的源分离卫生器具1、酸化尿液池2、尿液太阳能光热蒸发装置3以及与源分离卫生器具直接相连的粪便太阳能光热蒸发装置4。尿液太阳能光热蒸发装置3包括透明冷凝板6、隔板16、蒸发室7以及收集室5，尿液太阳能光热蒸发装置3后面设计有带阀门17的第三管道18，收集室5的水可以通过第三管道18实现回用，蒸发室中浓缩的高浓度氮肥、磷肥通过第四管道20实现循环利用。
33.源分离卫生器具1可以在源头将排泄物分离，分类收集尿液和粪便，该源分离便器有两个储存口，小口为尿液储存口，大口为粪便储存口。
34.酸化尿液池2是实现尿液除臭、固氮的场所，通过自动加药器13调节尿液的ph至4，将尿液中的尿素转换为氨氮。源分离卫生器具1的尿液储存口与酸化尿液池2连接在一起，酸化尿液池2内为尿液，通过酸化作用将尿素转换为氨氮。
35.尿液太阳能光热蒸发装置3可以实现尿液的减量化以及变为高浓度氮肥、磷肥。蒸发室7中的隔热层使整个器件漂浮在尿液表面，降低了向尿液中传导的热量；强吸水的水传输通道8将尿液传输到薄含水层10，强吸水的薄含水层10将迅速扩散到薄含水层10内部并与光热转换材料层11紧密接触，光热转换材料层11具有较高的光热转换能力，当太阳光通过透明冷凝板6射入光热转换材料层11，可以实现尿液的局部高效蒸发，蒸汽接触到冷凝板
6形成水滴，顺着倾斜的冷凝板6流入收集室；经过蒸发浓缩的尿液变成高浓度的氮肥、磷肥通过第四管道20实现循环利用。
36.粪便太阳能光热蒸发装置4可以蒸发粪便中的水分，实现粪便的干化。水传输通道8将粪便中的水分传输到放置在装置上方的薄含水层10，强吸水的薄含水层10将迅速扩散到薄含水层10内部并与光热转换材料层11紧密接触，光热转换材料层11具有较高的光热转换能力，当太阳光射入光热转换材料层，可以实现粪便中水分的局部高效蒸发，蒸汽逸散到空气中，实现粪便的干化。
37.系统通过管道、阀门、注入泵将各个组分连接在一起。源分离卫生器具1通过第一管道12连接酸化尿液池2，并将尿液自流入酸化尿液池2中。酸化尿液池2和尿液太阳能光热蒸发装置3通过底端的第二管道14连接，并将酸化后的尿液注入尿液太阳能光热蒸发装置3中，酸化后的尿液实现了减量化和资源化。高浓度氮肥、磷肥通过第四管道20收集实现循环利用，累积在收集室5的净水通过第一管道18流出以实现回用。源分离卫生器具1通过注入泵15连接粪便太阳能光热蒸发装置4，并将粪便注入到粪便太阳能光热蒸发装置4中以实现粪便的干化。
38.上述利用太阳能实现源分离尿液和粪便资源化的处理系统的运行方法，包括以下步骤：
39.步骤1：尿液通过源分离卫生器具1进入酸化尿液池2，将尿液中的尿素转换为氨氮，通过自动加药器13的调控，将尿液中的ph调至4；粪便通过源分离卫生器具1进入粪便太阳能光热蒸发装置4，实现粪便的干化，水传输通道8可选用细长的聚乙烯醇海绵，它将粪便中的水分传输到放置在装置上方的薄含水层10，强吸水的薄含水层10可选用400μm的纤维吸水纸，它将迅速扩散到薄含水层10内部并与光热转换材料层11紧密接触，光热转换材料层11可以选用通过化学聚合法将聚吡咯负载在棉布上并进行疏水处理后的材料，它具有较高的光热转换能力，当太阳光射入光热转换材料层，可以实现粪便中水分的局部高效蒸发，蒸汽逸散到空气中，实现粪便的干化；
40.步骤2：尿液由酸化尿液池2进入尿液太阳能蒸发装置3，实现尿液的减量化以及资源化；蒸发室7中的隔热层9可以选用厚度为1cm的聚偏氟乙烯pvdf，促使整个器件漂浮在尿液表面，降低了向尿液中传导的热量；强吸水的水传输通道8可选用细长的聚乙烯醇海绵，它将尿液传输到薄含水层10，强吸水的薄含水层10可选用400μm的纤维吸水纸，它将迅速扩散到薄含水层10内部并与光热转换材料层11紧密接触，光热转换材料层11可以选用通过化学聚合法将聚吡咯负载在棉布上并进行疏水处理后的材料，它具有较高的光热转换能力，当太阳光通过透明冷凝板6照射在光热转换材料层11上，可以实现尿液的局部高效蒸发，蒸汽接触到冷凝板6形成水滴，顺着倾斜的冷凝板6流入收集室；经过蒸发浓缩的尿液变成高浓度的氮肥、磷肥通过第四管道20实现循环利用。
41.尿液在酸化尿液池2停留1天后，可以将ph降至5，尿液中的尿素基本全部转换为氨氮；再通过自动加药器13将尿液ph进一步降至4，尿液通过尿液太阳能光热蒸发装置3可实现减量化和资源化，积累在收集室5的净水完全满足《农田灌溉水质标准》一类标准以及中水回用水标准，可以用于冲厕、农地灌溉。蒸发浓缩的尿液变为高浓度的氮肥、磷肥可用于施肥。
42.粪便经过干化后，可用于施肥。
43.尿液太阳能光热蒸发装置和粪便太阳能光热蒸发装置一个太阳下可实现至少0.5kg
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‑1的蒸发速率，实现尿液、粪便的局部高效蒸发。太阳能作为一种清洁且可持续的能源，已经被广泛用于蒸馏、光催化、光伏发电、医学等领域。其中，光热效应可直接将太阳能转换为热能，被广泛用于脱盐、原油清理、光催化、海水淡化等领域。而将太阳能光热蒸发技术用于源分离尿液和粪便的资源回收中，不仅可以低成本地实现源分离粪便干化与源分离尿液减量化和资源化，还能将源分离尿液中的大部分水净化后回用于冲厕、灌溉。
44.实施例1：
45.本实施例中的利用太阳能实现源分离尿液的资源化处理系统的运行如上述步骤所示，其中，光热转换材料层的制备方法如下：
46.1、分别配制浓度为0.02mol
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‑1的三氯化铁水溶液和吡咯水溶液；
47.2、将厚度为900μm的桐木放置在盛有一定体积的三氯化铁水溶液的容器中，静置2h；
48.3、将配置好的吡咯水溶液缓慢导入上述容器中，过夜，清洗，烘干；获得亲水的桐木光热转换材料层；
49.4、配制的二甲基二甲氧基硅烷有机溶液，含1wt％浓硫酸的异丙醇溶液中含有10wt％的二甲基二甲氧基硅烷；
50.5、将配制的二甲基二甲氧基硅烷有机溶液转移至喷枪中，在0.05mpa高压下将其喷涂在亲水的桐木光热转换层上，喷涂均匀，膜表面干燥后，用少量去离子水清洗残留的硫酸，自然条件下晾干；获得疏水的桐木光热转换材料层；
51.上述所获得的疏水的桐木光热转换材料层在实验室中1kw
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‑2的光照强度下，以尿液为蒸发原液，在相同的蒸发结构蒸发8h所获得的平均蒸发速率为0.535kg
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‑1，蒸发过程中光热转换材料层的表面温度如图2所示。
52.实施例2
53.本实施例中的利用太阳能实现源分离尿液的资源化处理系统的运行如上述步骤所示，其中，光热转换材料层的制备方法如下：
54.1、分别配制浓度为0.02mol
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‑1的三氯化铁水溶液和吡咯水溶液；
55.2、将厚度为280μm的棉布放置在盛有一定体积的三氯化铁水溶液的容器中，静置2h；
56.3、将配置好的吡咯水溶液缓慢导入上述容器中，过夜，清洗，烘干；获得亲水的棉布光热转换材料层；
57.4、配制的二甲基二甲氧基硅烷有机溶液，含1wt％浓硫酸的异丙醇溶液中含有10wt％的二甲基二甲氧基硅烷；
58.5、将亲水的棉布光热转换材料层浸泡在配制的二甲基二甲氧基硅烷有机溶液中5s，取出后置于表面皿上，室温下放置在通风橱中晾干，用少量去离子水清洗残留的硫酸；自然条件下晾干；获得疏水的棉布光热转换材料层；
59.上述所获得的疏水的棉布光热转换材料层在实验室中1kw
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‑2的光照强度下，以尿液为蒸发原液，在相同的蒸发结构蒸发8h所获得的平均蒸发速率为0.961kg
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‑1，蒸发过程中光热转换材料层的表面温度如图3所示。
60.可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本
发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。