一種無有害氣體排放的新型吸糞車

崔華勝 齊志強 王曉燕

CUI Hua-sheng et al

北京市環(huán)境衛(wèi)生設(shè)計科學研究所 北京 100028

1 前言

北京市主要采用吸糞車進行糞便清運。據(jù)統(tǒng)計，2009年北京市共抽運糞便211.24萬t，其中城八區(qū)抽運161.57萬t，占總抽運量的76.5%，郊區(qū)縣抽運量為49.67萬t，占總抽運量的23.5%。目前，糞便車以真空吸糞車為主，2009年全市共有糞便車669輛，其中真空吸糞車663輛，占車輛總數(shù)的99.1%。

目前，我國真空吸糞車仍沿用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即依靠車載真空泵制造吸糞罐內(nèi)真空環(huán)境，利用大氣壓力將糞井或化糞池中糞液壓入吸糞罐中。而發(fā)達國家一般將糞便直接排入城市污水管網(wǎng)，很少使用吸糞車。

吸糞車在制造吸糞罐內(nèi)真空時，由于罐體內(nèi)為負壓環(huán)境，糞液進入后，其中所含刺鼻有害氣體將被大量釋放。這些有害氣體被真空泵抽到吸糞罐外，排放到大氣中，不僅氣味惡臭，而且含有大量的硫化氫、甲硫醇、氨等有害成分以及多種致病細菌。根據(jù)我所1983年進行的吸糞車作業(yè)過程惡臭污染分析結(jié)果，通常人們在距離吸糞車40～60 m遠處即可聞到惡臭氣味，且臭氣滯留時間最長可達到20 min。這些惡臭氣體嚴重危害作業(yè)人員及周邊群眾身體健康，影響糞井或化糞池周圍空氣質(zhì)量，造成大氣污染。為了消除惡臭的有害氣體，目前多采用混合除臭劑或使用活性碳罐吸附的方法，但是這種方法治標不治本，而且由于吸糞作業(yè)中有害氣體釋放量大，釋放速度快，車載除臭劑或活性碳罐往往不足以完全消除惡臭氣味，除臭效果不佳，同時，若要除臭劑或活性炭發(fā)揮效果，必須每周對其進行更換，這也增加了作業(yè)成本。

為解決上述問題，我所研制了一款新型吸糞車。

2 新型吸糞車樣機研制

2.1 技術(shù)方案及原理試驗

初步的技術(shù)方案擬在糞罐中設(shè)置一層隔膜，將抽進罐內(nèi)的糞液與排出罐外的空氣隔離，從而達到消除抽吸過程中的有害氣體及致病細菌排放的目的，其原理如圖1所示。

由圖1可見，糞液抽吸過程中，由于真空泵抽走空氣腔中的空氣形成負壓，導致隔膜由位置1變化到位置2，從而使糞液腔中也形成負壓，在該負壓及大氣壓的作用下，糞井或化糞池中的糞液被抽入糞罐中。整個過程中，由于進入糞罐的糞液與抽出糞罐的空氣完全隔離，所以理論上完全不會有有害氣體及致病細菌被排放到大氣中，也不會產(chǎn)生抽冒問題。原理試驗模型如圖2所示。

該模型進行了抽吸效果及抽吸高度試驗，試驗結(jié)果證明，所采用的技術(shù)方案原理可行，模型能夠有效抽吸液體，且抽吸深度能夠達到4 m。

2.2 樣機結(jié)構(gòu)方案

2.2.1 原吸糞車結(jié)構(gòu)形式

原吸糞車主要部件包括：糞罐、氣路及水汽分離器、罐口、吊桿及進糞管、放糞機構(gòu)、放糞口、觀察窗及真空表，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

其中，放糞機構(gòu)為絲杠形式，由上到下穿過糞罐。為進行強排作業(yè)，進糞管插入糞罐內(nèi)部。此外，糞罐內(nèi)還設(shè)置有防波板，用于防止吸糞車剎車時罐內(nèi)液體突然前涌造成糞罐錯位，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.2.2 樣機結(jié)構(gòu)方案

由于目前使用的放糞機構(gòu)、進糞管及防波板結(jié)構(gòu)經(jīng)過多年驗證是最可靠、有效的結(jié)構(gòu)形式，而且是實際使用中必須具備的，因此新型吸糞車樣機方案主要技術(shù)難點在于如何在采用新技術(shù)原理的條件下盡量保持吸糞罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)，或在改變部分結(jié)構(gòu)后有效保留現(xiàn)有功能特點。

經(jīng)過討論，初步擬定了新型吸糞車樣機方案，即盡量保持現(xiàn)有糞罐結(jié)構(gòu)，并在糞罐內(nèi)部加入一組氣囊。其方案如圖5所示。

如圖5所示，罐體與現(xiàn)有吸糞車罐體結(jié)構(gòu)基本相同，也設(shè)置有防波板、罐口、進糞口、放糞口及放糞機構(gòu)。罐體內(nèi)安裝一組氣囊，圖中為表達清晰只顯示了一半氣囊的位置，另一半氣囊對稱布置。氣囊外部及罐體形成糞液腔，氣囊內(nèi)部為空氣腔，真空泵通過抽氣管路抽吸空氣腔中的氣體。抽氣管與氣囊通過管箍連接。由于氣囊具有柔韌性，因此在充氣時可以自動避開防波板、進糞口及放糞機構(gòu)。

此方案優(yōu)勢在于：方案幾乎不改變原吸糞車的罐體結(jié)構(gòu)，能夠保證工藝性；氣囊靠自身柔韌性適應罐內(nèi)障礙，無需特殊結(jié)構(gòu)；多個氣囊協(xié)同工作，如有一個損壞，可以用擋片在氣路中將其隔離，整車還能繼續(xù)作業(yè)，只損失部分效率，但需要盡快修理。其不足在于：氣囊結(jié)構(gòu)比較復雜，制作困難且成本高；氣囊只能采用較輕薄的材料制作；氣囊在罐體內(nèi)部，安裝困難。

隨后，進一步對方案進行改進。首先，將原有氣囊與抽氣管路通過管箍連接的方式改為通過法蘭盤連接的方式，以確保連接的可靠性與密封性；其次，抽氣管與氣囊連接處增加格柵防止氣囊在未抽癟前堵塞抽氣管；最后，在罐體內(nèi)部設(shè)置掛環(huán)，限制氣囊移動，以保證在抽氣過程中氣囊由下部向上部回收。

根據(jù)討論結(jié)果及改進意見，以BQJ5043GXE型吸糞車罐體尺寸為原形繪制了新型吸糞車樣機加工圖紙（僅罐體部分，其他部分與原有吸糞車一致，無需重新設(shè)計）。

新型吸糞車樣機取消了防冒器及水汽分離器；氣囊與抽氣管采用外部法蘭連接結(jié)構(gòu)，通過螺栓緊密連接；連接處還安裝有花管起到隔柵的功能，防止氣路堵塞；罐體內(nèi)部設(shè)置了三排掛環(huán)，將氣囊吊掛于罐體上部，保證抽氣時其向上回收；原有防波板及加強筋邊角處全部倒圓、去毛刺，防止劃傷氣囊；取消了原罐體的扶手，在扶手位置安放抽氣管路。三維設(shè)計總圖如圖6所示。

根據(jù)需求，制作了一組8個氣囊，制成后的氣囊如圖7所示。氣囊抽氣口處有法蘭邊，法蘭邊下部喉管進行了加厚處理，防止因長期使用造成斷裂損壞，氣囊上部及側(cè)面裝有掛環(huán)，與罐體內(nèi)掛環(huán)通過快速掛鉤連接。制成后的新型吸糞車樣機外形如圖8所示。

2.3 樣機環(huán)保性能試驗

由于新型吸糞車樣機采用了氣囊，完全隔絕了抽入罐體內(nèi)的糞液與排出罐體外的空氣之間的接觸，因此理論上完全不會產(chǎn)生臭氣及致病細菌。為了驗證新型吸糞車的環(huán)保性能，下面進行抽糞作業(yè)臭氣排放對比試驗。

試驗采用國標規(guī)定的嗅辨法，選取一處較大的糞井，分別使用新型吸糞車及傳統(tǒng)型吸糞車進行抽吸作業(yè)并采樣，采樣位置設(shè)在真空泵排氣口處。測試結(jié)果如表1所示。

表1 臭氣濃度檢測結(jié)果

由表1中可以清楚看出，新型吸糞車作業(yè)時臭氣濃度與本底值相同，而傳統(tǒng)吸糞車作業(yè)時抽氣濃度遠高于本底值，達到了本底值的10倍?？梢娦滦臀S車除臭效果明顯，達到了臭氣零排放，相對于傳統(tǒng)吸糞車具有無可比擬的環(huán)保優(yōu)勢。

2.4 樣機基礎(chǔ)性能試驗

樣機制作完成后，為驗證其工作效率等基礎(chǔ)性能與原有吸糞車的差距，課題組對其進行了基礎(chǔ)性能試驗?；A(chǔ)性能試驗內(nèi)容包括：罐體有效容積、抽吸作業(yè)速度、罐體強排效率、強排作業(yè)速度、最大抽吸深度、抽吸過程抗干擾能力以及氣囊自然回復能力。

2.4.1 罐體有效容積及抽吸作業(yè)速度

一方面，新型吸糞車內(nèi)部有氣囊，會占用一部分罐內(nèi)空間，同時，真空泵從罐內(nèi)抽走的氣體僅為氣囊內(nèi)氣體，這可能會造成新型吸糞車有效容積降低，抽吸速度下降。但另一方面，原有吸糞罐抽吸時一般抽到液面到達觀察窗1/3處就需要關(guān)閉真空泵并拔出進糞管，以防止抽冒，而新型吸糞車樣機可以一直抽到氣囊內(nèi)沒有空氣為止，因此可能會在一定程度上提高罐體有效容積。為驗證新型吸糞車樣機有效容積及抽吸作業(yè)速度，進行對比試驗結(jié)果如表2所示。

表2 罐體有效容積及抽吸作業(yè)速度對比試驗結(jié)果

由表2中可見，新型吸糞車罐體有效容積大于原有吸糞罐，而二者抽吸速度基本持平。同時，本試驗中新型吸糞車樣機可一直抽到氣囊內(nèi)沒有空氣為止，未出現(xiàn)任何異常，這也證明新型吸糞車樣機徹底解決了防冒問題。

2.4.2 罐體強排效率及強排作業(yè)速度

吸糞車通過真空泵向吸糞罐內(nèi)打氣，壓迫罐內(nèi)液體從吸糞口中排出的過程稱為強排。由于進糞管與罐體底部之間有約10 cm的距離，因此傳統(tǒng)吸糞罐不可能將罐內(nèi)液體全部排出。而新型吸糞車樣機由于內(nèi)部有氣囊，因此理論上應該可以通過氣囊的擠壓作用將罐內(nèi)液體全部排凈，為驗證新型吸糞車強排效率及強排作業(yè)速度，進行對比試驗結(jié)果如表3所示。

表3 罐體強排效率及強排作業(yè)速度對比試驗結(jié)果

由表3可見，新型吸糞車樣機強排效率大于原有吸糞罐，而二者強排作業(yè)速度基本持平。

2.4.3 最大抽吸深度

由于在實際作業(yè)中，吸糞車要抽吸低于地面的糞井中的液體，因此其抽吸深度參數(shù)很重要。一般吸糞車抽吸深度可達到4 m，使用新型吸糞車樣機進行試驗，也可抽吸4 m深處的液體，罐體及車輛都未出現(xiàn)異常，可見新型吸糞車樣機可以達到與現(xiàn)有吸糞罐持平的抽吸深度水平。

2.4.4 抽吸過程抗干擾能力

新型吸糞車樣機為了達到除臭的目的使用了氣囊，因此真空泵從罐體內(nèi)抽吸的氣體量有限，如果作業(yè)過程中罐體進糞口離開液面，將會使空氣進入罐體，造成有效容積下降。但是，由前對比試驗可知，新型吸糞車樣機有效容積大于原有吸糞罐，這在一定程度上可以彌補吸糞口進氣造成的容積損失。為此，進行了抽吸過程抗干擾能力試驗，在抽吸過程中，分5次將進糞口提出液面，每次約0.5 s，模擬實際作業(yè)情況，驗證抽吸過程中進糞口進氣對有效容積的影響。試驗結(jié)果如表4所示。

表4 抽吸過程抗干擾能力試驗結(jié)果

由表4可見，在試驗中采用的干擾方式下，新型吸糞車仍然取得了大于原有吸糞罐的抽吸量，基本有效容積的優(yōu)勢使得新型吸糞車具備了一定的抗干擾能力。當然，在實際吸糞作業(yè)中，干擾可能要大于試驗中的方式，因此，新型吸糞車需要作業(yè)人員改變操作方式。

2.4.5 氣囊自然回復能力

新型吸糞車樣機的氣囊需要充滿氣才能進行抽吸作業(yè)并達到良好的抽吸效果，但是充氣過程需要時間，該時間與強排時間接近，約100 s左右，這無疑增加了實際使用時間。此外，如果在吸糞罐打開放糞機構(gòu)自排的過程中封死進糞口，同時將氣囊與大氣連通，那么在大氣壓的作用下，氣囊能夠自動補足一定的空氣，這將使再次充氣的時間減少，提高使用效率。為驗證氣囊能夠自然回復，課題組進行了氣囊自然回復能力試驗。試驗結(jié)果如表5所示。

表5 氣囊自然回復能力試驗結(jié)果

由表5可見，氣囊具有較好的自然回復能力，回復率可達80%左右。自然回復后，氣囊僅需20 s左右即可充滿，大大提高了使用效率。但是，采用自回復必然需要封死進糞口，同時也會改變作業(yè)步驟，對操作人員使用造成一定不便。

綜合來看，新型吸糞車完全避免了有害氣體的排放，同時其專業(yè)性能與傳統(tǒng)吸糞車也較為接近，能夠滿足使用需求。

3 效益分析

從生產(chǎn)成本上來看，新型吸糞車取消了防冒器、除臭罐和水汽分離器，但增加了氣囊。防冒器、除臭罐和水汽分離器成本約為3 000元，新型吸糞車使用的4個氣囊，造價約為6 500元，如果未來批量生產(chǎn)，氣囊價格有望下降。由此可見，新型吸糞車在制造成本上高于傳統(tǒng)吸糞車，但相對于吸糞車10萬元以上的價格，其增加量還在可接受范圍內(nèi)。

從運行成本上看，傳統(tǒng)吸糞車使用中需要定期更換除臭劑，根據(jù)所用除臭劑品牌及劑量不同，費用約為1 000～3 000 元/年。傳統(tǒng)吸糞車如果抽冒就需要維修或更換真空泵，真空泵更換一次至少需要4 000 元。而新型吸糞車無需使用除臭劑，也不會有抽冒的問題，幾乎沒有油耗、人工外的其他運行成本。由此可見，新型吸糞車的運行成本低于傳統(tǒng)吸糞車。

從環(huán)境效益上看，傳統(tǒng)吸糞車雖然有除臭罐，但效果不佳，對作業(yè)區(qū)域周邊環(huán)境污染嚴重，也對作業(yè)人員身體健康造成不利影響，而新型吸糞車從原理上隔絕了臭氣，作業(yè)時可達到臭氣零排放，環(huán)境效益是傳統(tǒng)吸糞車無法比擬的。

從社會效益上看，新型吸糞車符合北京市建設(shè)環(huán)境友好型社會的發(fā)展方向，有助于提高北京市環(huán)境衛(wèi)生水平，具有明顯的社會效益。

4 結(jié)語

針對目前使用的吸糞車結(jié)構(gòu)及主要缺陷，確定了在吸糞罐中加入氣囊的技術(shù)方案，隔離抽入罐體內(nèi)的糞液與排出罐體外的空氣之間的接觸，達到減少臭氣及致病菌排放，徹底解決吸糞罐防冒問題的目的。該技術(shù)方案已經(jīng)申請得到了國家實用新型專利，專利號cn200820108815.1。

根據(jù)技術(shù)方案制作了新型吸糞車樣機，并對該樣機進行了多項性能試驗。試驗結(jié)果證明，樣機在作業(yè)過程中達到了臭氣零排放，具有原有吸糞罐難以比擬的環(huán)保優(yōu)勢。同時，該樣機完全不存在抽冒問題，還可對真空泵起到良好的保護作用。此外，該樣機各項基礎(chǔ)性能指標均達到或優(yōu)于原有吸糞罐，外形、加工工藝及操作過程也與原有吸糞罐比較相近，便于對舊罐改造、新罐加工及操作人員適應。此研究成果具有顯著的社會和環(huán)境效益，具有良好的推廣應用前景。