超節(jié)水負壓便器管網(wǎng)化技術(shù)與應(yīng)用

侯艷鋒 何 謙 張 健

（1、北京萬若環(huán)境工程有限公司，北京 101318 2、萬若（北京）環(huán)境工程技術(shù)有限公司，北京 101318）

人類的廁所文明，源于歐洲早期的城鎮(zhèn)化和技術(shù)進步，在自來水普及的同時，引入了沖水馬桶并成為全球推廣的一個范式。如果細究歐洲過去兩百年在人居衛(wèi)生系統(tǒng)的發(fā)展過程，可以發(fā)現(xiàn)如今全球普及的排水模式，并非引入沖水馬桶的前輩們當時可以預(yù)見到的。人類在普及沖水馬桶后，大約歷經(jīng)了兩代人的時間，才知道污水必須凈化，直到二十世紀八十年代才知道污水中的營養(yǎng)物（氮、磷）是黑臭河的根源，并在污水凈化廠增加營養(yǎng)物的去除工藝。直到今天人類才更加深刻認識到：生產(chǎn)氮肥需要消耗大量能量和碳排放；磷肥資源按人類現(xiàn)在的消費模式，只夠三代人使用了；人類消耗的農(nóng)業(yè)食品，除了能量外，這些資源都富集在人類的排泄物里（見圖1）；當然還有人類尚未完全認知的化學(xué)農(nóng)業(yè)無法取代的其他微量元素[1]。

圖1 人類生活廢水的組成

所以，“廁所革命”，除了更舒適之外，之所以叫“革命”，一定有人類可持續(xù)發(fā)展更深層次的含義。

1 傳統(tǒng)資源化廁所

堆肥式廁所方式：在循環(huán)的解決方面，提供了一個很好的資源，但是由于其不便于入室安裝以及較多的人工或機械作業(yè)，使這種方式的普及受到局限，尤其是對于空間較狹窄和人口密度較高的場所。

水沖廁所加化糞池（或甕）的方式：由于有水沖，排泄物有一定的流動性，廁所可以在一定程度上與化糞池（或甕）在空間上分開，從而廁所入室以及用戶體驗上能得到改善。但是，化糞池的容積是有限的，計算住戶人家的使用次數(shù)會發(fā)現(xiàn)，一個常規(guī)的三格化糞池需要較頻繁的清掏，無論從清掏費用、運輸費用，還是碳排放上考慮，都存在缺陷。

2 超節(jié)水負壓便器

無論是從衛(wèi)生安全還是用戶體驗上，讓排泄物遠離人居廁所，都是很有意義的，這也是如何在廁所革命中將超節(jié)水和資源化的廁所做成一個跟常規(guī)模式相比有競爭力的重要突破點。而微水氣沖廁所與負壓收集管網(wǎng)化方式，為用戶體驗較好、超節(jié)水和便于集約化廢物資源利用提供一個可能性。

我們先來看常規(guī)的、靠重力作為動力的傳統(tǒng)廁具的工作原理（見圖2）。沖廁時靠大量的水來抬高便器中的水位，當水位足夠高出液封彎管的水位后，重力驅(qū)動便器中的水由出水口流出。通常這一水位差在10cm 以內(nèi)，壓力的大小相當于0.01 巴（bar）或1 千帕（kPa），很小。還有一種常規(guī)便器，通過向排污管注入部分沖廁水形成虹吸來沖廁，但在沖廁水的減少上可“挖掘”的潛力都很有限。

圖2 傳統(tǒng)便器靠水位差實現(xiàn)沖廁

超節(jié)水負壓便器可以有效地解決這一問題，較熟悉的該類廁具是飛機、高鐵上的便器，也叫真空便器。微水氣沖廁所的工作壓力(負壓)在0.2-0.6 巴（bar），如果把便器排污管里的壓力視為零的話，沖廁時相當于有2-6m水柱（1 巴的壓力約等于10m 高的水柱底部的壓力）所產(chǎn)生的壓力，將便器中的水推向出水口。這個驅(qū)動力相當于傳統(tǒng)便器的20 多倍，這是該類便器能夠最有效節(jié)水的原因[2]。

超節(jié)水負壓便器用于所有適用常規(guī)便器的場合，以及節(jié)水要求高、衛(wèi)生要求高、同層排水的場合。超節(jié)水負壓便器利用負壓管道和室內(nèi)大氣的壓力差（即抽吸作用力），使便器內(nèi)污水被抽吸進入負壓管道，從而實現(xiàn)排水。其沖水及排污（沖廁過程）由電控實現(xiàn)，時間控制精度高。超節(jié)水負壓便器以負壓為動力，可以較少的沖洗水即可達到理想的沖洗效果。

該類便器可以分成糞尿混合型和糞尿分離型，前者糞尿通過一個排污口排出便器，得到糞尿混合物，即所謂的“黑水”。后者較為特殊，雖與普通便器外形大致相同，但是盆腔被隔離的凸沿分成了大便區(qū)和小便區(qū)兩個空間，大小便區(qū)分開沖廁，得到以糞便為主的排放物，即所謂的“褐水”和以尿液為主的排放物，即所謂的“黃水”（見圖3）。由于負壓動力為常規(guī)水沖動力的幾十倍，所以更高效節(jié)水，而且由于排水時便器后面的真空閥才打開，平時嚴格密閉，所以更加衛(wèi)生。

圖3 超節(jié)水負壓便器

3 負壓管網(wǎng)化技術(shù)

飛機上的真空便器具有超節(jié)水的功能，通過在排污段產(chǎn)生強負壓，可以用很少的沖廁水就能把廢物抽吸干凈。但是，這類廁所能耗高、噪音大，而且不具備將糞污遠距離輸送的功能。近十多年，通過大量的技術(shù)開發(fā)與工程應(yīng)用實踐，該類便器實現(xiàn)了管網(wǎng)化，在公共建筑和住宅已經(jīng)開始規(guī)模化的應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟和環(huán)境效益。

在重力流排水模式下，管道漏損、管道錯接是導(dǎo)致污水收集效率低的主要原因，基于微水沖氣沖廁所建立起負壓管網(wǎng)（見圖4），實現(xiàn)糞污的高效輸送具有重要的意義。

圖4 利用負壓集中收集廢物的原理示意

任何一種技術(shù)創(chuàng)新都不是簡單的創(chuàng)意，而是要有堅實的理論依據(jù)和工程實踐才能保障決策的前行。需要通過大量的基礎(chǔ)理論研究和工程實踐開發(fā)了一系列原創(chuàng)技術(shù)，使其變?yōu)榭赡?、可靠并擁有?jīng)濟性。

中國已經(jīng)實施的污水工程實踐顯示，由于歷史原因，路面硬化在先，這就為增設(shè)污水管道帶來了更多困難，增加管網(wǎng)開挖的費用，致使大量已建污水站形同虛設(shè)。采用管徑在DN50 - DN100 的負壓管道，可方便繞開障礙物，易提升、埋深淺，無泄漏，從而破解污水收集的難題。經(jīng)過負壓抽吸后的糞尿有很好的流動性，糞尿負壓輸送管網(wǎng)可以保證輸送暢通，高頻率使用的廁所通過用負壓管道集中收集，使用十年后的管道內(nèi)壁依然情況良好[3]。

4 技術(shù)創(chuàng)新

該技術(shù)秉承“零排放、微循環(huán)、可持續(xù)”原則，以超節(jié)水負壓便器產(chǎn)品開發(fā)及負壓管道化收集系統(tǒng)構(gòu)建為基礎(chǔ)，著力突破重力流輸送排泄物的傳統(tǒng)模式，通過以減少常規(guī)重力流用水器具的用水量、構(gòu)建適用城鄉(xiāng)排水環(huán)境源分離收集體系，形成一套全新的以超節(jié)水、碳中和為導(dǎo)向的資源型城鄉(xiāng)生活給排水模式（見圖5）。

圖5 能量營養(yǎng)物回收利用模式轉(zhuǎn)換

4.1 節(jié)水

該技術(shù)使排泄物被剝離后的生活廢水（也稱灰水）COD、氮、磷負荷大幅度降低，以灰水為原料制備再生水，作為室外用水（綠化、生態(tài)補充水、清洗水等）可顯著節(jié)省外部供水。

將常規(guī)水沖廁所和超節(jié)水負壓便器的耗水量進行測算，可以得出1000 人次的耗水總量的比較，顯示超節(jié)水負壓便器節(jié)水效果非常顯著（見圖6）。

圖6 耗水量測算

除了節(jié)水效果，將排出的物料進行測算對比，顯示超節(jié)水負壓便器的排出物總量，接近無水沖堆肥廁所。而且，超節(jié)水負壓便器的排出物流動性能好，便于后續(xù)的輸送和處理（見圖7）。

圖7 排污量測算

4.2 節(jié)能

該技術(shù)應(yīng)用既可以改善衛(wèi)生環(huán)境，又使得延續(xù)了數(shù)千年來的農(nóng)家肥返田的生態(tài)文明得以存續(xù)，不再有混合污水處理難、投資高和監(jiān)管難的問題，突破了目前農(nóng)村照搬城市模式所存在的瓶頸；源頭分離得到的氮、磷、鉀是理想的有機肥，可取代高能耗的傳統(tǒng)化肥生產(chǎn)；減少了供水、替代了長距離、大口徑、高成本排水管網(wǎng)的建設(shè)。

按照500 戶使用計算：日均1500 人如廁，沖廁指標：大便1.0L/次，小便0.2 升/次。按照每天沖廁用水次數(shù)大小便比例1:5，則每人每天用水量為2L/d。常規(guī)水沖廁現(xiàn)行標準：大便6.0L/次，小便3 升/次，每人每天用水量為21L/d。則應(yīng)用該系統(tǒng)每人每天節(jié)水量為19L/d，每人年節(jié)水量為6935L/a，折合為0.59 噸標準煤，CO2減排量為1.55 噸[4]。

5 應(yīng)用案例

超節(jié)水負壓便器管網(wǎng)化技術(shù)，旨在以“米田共”為鏡，改變常規(guī)污水處理以能量消滅能量、以資源去除資源的老模式，構(gòu)建一個全新的綠色循環(huán)系統(tǒng)。

2020 年天津造甲村應(yīng)用超節(jié)水負壓便器管網(wǎng)化技術(shù)，形成一種全新的改廁模式，將改廁、清污分流、負壓收集、污水處理、再生水制備、有機廢棄物處理、肥料生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)種植和土地保護，構(gòu)建成綠色循環(huán)的高度有機統(tǒng)一體。該示范項目共涉及4200 戶村民，其所產(chǎn)生的生活污水進行集中資源化處理，所產(chǎn)生的資源回收效益可惠及4000 畝耕地。

該項目的主要實施方式是通過入戶安裝負壓氣沖便器和負壓收集器，從源頭上分離黑水（糞便污水）和灰水（生活雜排水）。對廁所污水，負壓氣沖便器以負壓為排水驅(qū)動力，將高濃度糞尿污水排入黑水負壓管道；除糞尿以外的生活污水（灰水），采用負壓收集器接納和輸送，在負壓收集器內(nèi)達到設(shè)定液位后自動排水至灰水負壓管道。本示范項目黑水、灰水管網(wǎng)全長約140 公里，設(shè)負壓收集中心2 座，日均最大集中處理污水約750 噸，達標后的循環(huán)利用水，每年超過25 萬噸，每年可減少固體廢棄物近4000 噸，發(fā)酵產(chǎn)出有機化肥4000 多噸，極大提升周邊水環(huán)境質(zhì)量。本項目實施實現(xiàn)了區(qū)域污水100%收集和處理回用。

2020 年7 月，中國的中央電視臺多套欄目對此進行了報道，在國內(nèi)影響深遠。造甲村示范工程的啟動與運行，近乎是已有文獻記載的全球最大源分離示范項目（Jenfelder Au，600 戶）的6 倍規(guī)模。同時，該項目實施后，周邊鄰村將進一步采用此技術(shù)，已形成推廣效應(yīng)。

6 結(jié)論

筆者所在技術(shù)團隊旨在沿著一個大的綠色循環(huán)循環(huán)理念，構(gòu)建一個可操作的生態(tài)鏈系統(tǒng)，在解決目前城鎮(zhèn)污水收集、農(nóng)村廁所革命的一些實際、緊迫問題的同時，建立一種新的排水模式，不僅是中國生態(tài)文明建設(shè)中的一個“中國模式”，對世界上所有新型發(fā)展中國家都是一個重要參考和借鑒。