超节水负压便器管网化技术与应用

2022-05-10侯艳锋

科学技术创新 2022年14期

侯艳锋何谦张健

（1、北京万若环境工程有限公司，北京 101318 2、万若（北京）环境工程技术有限公司，北京 101318）

人类的厕所文明，源于欧洲早期的城镇化和技术进步，在自来水普及的同时，引入了冲水马桶并成为全球推广的一个范式。如果细究欧洲过去两百年在人居卫生系统的发展过程，可以发现如今全球普及的排水模式，并非引入冲水马桶的前辈们当时可以预见到的。人类在普及冲水马桶后，大约历经了两代人的时间，才知道污水必须净化，直到二十世纪八十年代才知道污水中的营养物（氮、磷）是黑臭河的根源，并在污水净化厂增加营养物的去除工艺。直到今天人类才更加深刻认识到：生产氮肥需要消耗大量能量和碳排放；磷肥资源按人类现在的消费模式，只够三代人使用了；人类消耗的农业食品，除了能量外，这些资源都富集在人类的排泄物里（见图1）；当然还有人类尚未完全认知的化学农业无法取代的其他微量元素[1]。

图1 人类生活废水的组成

所以，“厕所革命”，除了更舒适之外，之所以叫“革命”，一定有人类可持续发展更深层次的含义。

1 传统资源化厕所

堆肥式厕所方式：在循环的解决方面，提供了一个很好的资源，但是由于其不便于入室安装以及较多的人工或机械作业，使这种方式的普及受到局限，尤其是对于空间较狭窄和人口密度较高的场所。

水冲厕所加化粪池（或瓮）的方式：由于有水冲，排泄物有一定的流动性，厕所可以在一定程度上与化粪池（或瓮）在空间上分开，从而厕所入室以及用户体验上能得到改善。但是，化粪池的容积是有限的，计算住户人家的使用次数会发现，一个常规的三格化粪池需要较频繁的清掏，无论从清掏费用、运输费用，还是碳排放上考虑，都存在缺陷。

2 超节水负压便器

无论是从卫生安全还是用户体验上，让排泄物远离人居厕所，都是很有意义的，这也是如何在厕所革命中将超节水和资源化的厕所做成一个跟常规模式相比有竞争力的重要突破点。而微水气冲厕所与负压收集管网化方式，为用户体验较好、超节水和便于集约化废物资源利用提供一个可能性。

我们先来看常规的、靠重力作为动力的传统厕具的工作原理（见图2）。冲厕时靠大量的水来抬高便器中的水位，当水位足够高出液封弯管的水位后，重力驱动便器中的水由出水口流出。通常这一水位差在10cm 以内，压力的大小相当于0.01 巴（bar）或1 千帕（kPa），很小。还有一种常规便器，通过向排污管注入部分冲厕水形成虹吸来冲厕，但在冲厕水的减少上可“挖掘”的潜力都很有限。

图2 传统便器靠水位差实现冲厕

超节水负压便器可以有效地解决这一问题，较熟悉的该类厕具是飞机、高铁上的便器，也叫真空便器。微水气冲厕所的工作压力(负压)在0.2-0.6 巴（bar），如果把便器排污管里的压力视为零的话，冲厕时相当于有2-6m水柱（1 巴的压力约等于10m 高的水柱底部的压力）所产生的压力，将便器中的水推向出水口。这个驱动力相当于传统便器的20 多倍，这是该类便器能够最有效节水的原因[2]。

超节水负压便器用于所有适用常规便器的场合，以及节水要求高、卫生要求高、同层排水的场合。超节水负压便器利用负压管道和室内大气的压力差（即抽吸作用力），使便器内污水被抽吸进入负压管道，从而实现排水。其冲水及排污（冲厕过程）由电控实现，时间控制精度高。超节水负压便器以负压为动力，可以较少的冲洗水即可达到理想的冲洗效果。

该类便器可以分成粪尿混合型和粪尿分离型，前者粪尿通过一个排污口排出便器，得到粪尿混合物，即所谓的“黑水”。后者较为特殊，虽与普通便器外形大致相同，但是盆腔被隔离的凸沿分成了大便区和小便区两个空间，大小便区分开冲厕，得到以粪便为主的排放物，即所谓的“褐水”和以尿液为主的排放物，即所谓的“黄水”（见图3）。由于负压动力为常规水冲动力的几十倍，所以更高效节水，而且由于排水时便器后面的真空阀才打开，平时严格密闭，所以更加卫生。

图3 超节水负压便器

3 负压管网化技术

飞机上的真空便器具有超节水的功能，通过在排污段产生强负压，可以用很少的冲厕水就能把废物抽吸干净。但是，这类厕所能耗高、噪音大，而且不具备将粪污远距离输送的功能。近十多年，通过大量的技术开发与工程应用实践，该类便器实现了管网化，在公共建筑和住宅已经开始规模化的应用，取得了良好的经济和环境效益。

在重力流排水模式下，管道漏损、管道错接是导致污水收集效率低的主要原因，基于微水冲气冲厕所建立起负压管网（见图4），实现粪污的高效输送具有重要的意义。

图4 利用负压集中收集废物的原理示意

任何一种技术创新都不是简单的创意，而是要有坚实的理论依据和工程实践才能保障决策的前行。需要通过大量的基础理论研究和工程实践开发了一系列原创技术，使其变为可能、可靠并拥有经济性。

中国已经实施的污水工程实践显示，由于历史原因，路面硬化在先，这就为增设污水管道带来了更多困难，增加管网开挖的费用，致使大量已建污水站形同虚设。采用管径在DN50 - DN100 的负压管道，可方便绕开障碍物，易提升、埋深浅，无泄漏，从而破解污水收集的难题。经过负压抽吸后的粪尿有很好的流动性，粪尿负压输送管网可以保证输送畅通，高频率使用的厕所通过用负压管道集中收集，使用十年后的管道内壁依然情况良好[3]。

4 技术创新

该技术秉承“零排放、微循环、可持续”原则，以超节水负压便器产品开发及负压管道化收集系统构建为基础，着力突破重力流输送排泄物的传统模式，通过以减少常规重力流用水器具的用水量、构建适用城乡排水环境源分离收集体系，形成一套全新的以超节水、碳中和为导向的资源型城乡生活给排水模式（见图5）。

图5 能量营养物回收利用模式转换

4.1 节水

该技术使排泄物被剥离后的生活废水（也称灰水）COD、氮、磷负荷大幅度降低，以灰水为原料制备再生水，作为室外用水（绿化、生态补充水、清洗水等）可显著节省外部供水。

将常规水冲厕所和超节水负压便器的耗水量进行测算，可以得出1000 人次的耗水总量的比较，显示超节水负压便器节水效果非常显著（见图6）。

图6 耗水量测算

除了节水效果，将排出的物料进行测算对比，显示超节水负压便器的排出物总量，接近无水冲堆肥厕所。而且，超节水负压便器的排出物流动性能好，便于后续的输送和处理（见图7）。

图7 排污量测算

4.2 节能

该技术应用既可以改善卫生环境，又使得延续了数千年来的农家肥返田的生态文明得以存续，不再有混合污水处理难、投资高和监管难的问题，突破了目前农村照搬城市模式所存在的瓶颈；源头分离得到的氮、磷、钾是理想的有机肥，可取代高能耗的传统化肥生产；减少了供水、替代了长距离、大口径、高成本排水管网的建设。

按照500 户使用计算：日均1500 人如厕，冲厕指标：大便1.0L/次，小便0.2 升/次。按照每天冲厕用水次数大小便比例1:5，则每人每天用水量为2L/d。常规水冲厕现行标准：大便6.0L/次，小便3 升/次，每人每天用水量为21L/d。则应用该系统每人每天节水量为19L/d，每人年节水量为6935L/a，折合为0.59 吨标准煤，CO2减排量为1.55 吨[4]。

5 应用案例

超节水负压便器管网化技术，旨在以“米田共”为镜，改变常规污水处理以能量消灭能量、以资源去除资源的老模式，构建一个全新的绿色循环系统。

2020 年天津造甲村应用超节水负压便器管网化技术，形成一种全新的改厕模式，将改厕、清污分流、负压收集、污水处理、再生水制备、有机废弃物处理、肥料生产、农业种植和土地保护，构建成绿色循环的高度有机统一体。该示范项目共涉及4200 户村民，其所产生的生活污水进行集中资源化处理，所产生的资源回收效益可惠及4000 亩耕地。

该项目的主要实施方式是通过入户安装负压气冲便器和负压收集器，从源头上分离黑水（粪便污水）和灰水（生活杂排水）。对厕所污水，负压气冲便器以负压为排水驱动力，将高浓度粪尿污水排入黑水负压管道；除粪尿以外的生活污水（灰水），采用负压收集器接纳和输送，在负压收集器内达到设定液位后自动排水至灰水负压管道。本示范项目黑水、灰水管网全长约140 公里，设负压收集中心2 座，日均最大集中处理污水约750 吨，达标后的循环利用水，每年超过25 万吨，每年可减少固体废弃物近4000 吨，发酵产出有机化肥4000 多吨，极大提升周边水环境质量。本项目实施实现了区域污水100%收集和处理回用。

2020 年7 月，中国的中央电视台多套栏目对此进行了报道，在国内影响深远。造甲村示范工程的启动与运行，近乎是已有文献记载的全球最大源分离示范项目（Jenfelder Au，600 户）的6 倍规模。同时，该项目实施后，周边邻村将进一步采用此技术，已形成推广效应。