超節水負壓便器管網化技術與應用

侯艷鋒 何 謙 張 健

（1、北京萬若環境工程有限公司，北京 101318 2、萬若（北京）環境工程技術有限公司，北京 101318）

人類的廁所文明，源于歐洲早期的城鎮化和技術進步，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生系統的發展過程，可以發現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見到的。人類在普及沖水馬桶后，大約歷經了兩代人的時間，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物（氮、磷）是黑臭河的根源，并在污水凈化廠增加營養物的去除工藝。直到今天人類才更加深刻認識到：生產氮肥需要消耗大量能量和碳排放；磷肥資源按人類現在的消費模式，只夠三代人使用了；人類消耗的農業食品，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農業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”，一定有人類可持續發展更深層次的含義。

1 傳統資源化廁所

堆肥式廁所方式：在循環的解決方面，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，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會發現，一個常規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 超節水負壓便器

無論是從衛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水和資源化的廁所做成一個跟常規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化方式，為用戶體驗較好、超節水和便于集約化廢物資源利用提供一個可能性。

我們先來看常規的、靠重力作為動力的傳統廁具的工作原理（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，重力驅動便器中的水由出水口流出。通常這一水位差在10cm 以內，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 傳統便器靠水位差實現沖廁

超節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）所產生的壓力，將便器中的水推向出水口。這個驅動力相當于傳統便器的20 多倍，這是該類便器能夠最有效節水的原因[2]。

超節水負壓便器用于所有適用常規便器的場合，以及節水要求高、衛生要求高、同層排水的場合。超節水負壓便器利用負壓管道和室內大氣的壓力差（即抽吸作用力），使便器內污水被抽吸進入負壓管道，從而實現排水。其沖水及排污（沖廁過程）由電控實現，時間控制精度高。超節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和小便區兩個空間，大小便區分開沖廁，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水沖動力的幾十倍，所以更高效節水，而且由于排水時便器后面的真空閥才打開，平時嚴格密閉，所以更加衛生。

圖3 超節水負壓便器

3 負壓管網化技術

飛機上的真空便器具有超節水的功能，通過在排污段產生強負壓，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，通過大量的技術開發與工程應用實踐，該類便器實現了管網化，在公共建筑和住宅已經開始規模化的應用，取得了良好的經濟和環境效益。

在重力流排水模式下，管道漏損、管道錯接是導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（見圖4），實現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

任何一種技術創新都不是簡單的創意，而是要有堅實的理論依據和工程實踐才能保障決策的前行。需要通過大量的基礎理論研究和工程實踐開發了一系列原創技術，使其變為可能、可靠并擁有經濟性。

中國已經實施的污水工程實踐顯示，由于歷史原因，路面硬化在先，這就為增設污水管道帶來了更多困難，增加管網開挖的費用，致使大量已建污水站形同虛設。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。經過負壓抽吸后的糞尿有很好的流動性，糞尿負壓輸送管網可以保證輸送暢通，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壁依然情況良好[3]。

4 技術創新

該技術秉承“零排放、微循環、可持續”原則，以超節水負壓便器產品開發及負壓管道化收集系統構建為基礎，著力突破重力流輸送排泄物的傳統模式，通過以減少常規重力流用水器具的用水量、構建適用城鄉排水環境源分離收集體系，形成一套全新的以超節水、碳中和為導向的資源型城鄉生活給排水模式（見圖5）。

圖5 能量營養物回收利用模式轉換

4.1 節水

該技術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、生態補充水、清洗水等）可顯著節省外部供水。

將常規水沖廁所和超節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，顯示超節水負壓便器節水效果非常顯著（見圖6）。

圖6 耗水量測算

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

圖7 排污量測算

4.2 節能

該技術應用既可以改善衛生環境，又使得延續了數千年來的農家肥返田的生態文明得以存續，不再有混合污水處理難、投資高和監管難的問題，突破了目前農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化肥生產；減少了供水、替代了長距離、大口徑、高成本排水管網的建設。

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大小便比例1:5，則每人每天用水量為2L/d。常規水沖廁現行標準：大便6.0L/次，小便3 升/次，每人每天用水量為21L/d。則應用該系統每人每天節水量為19L/d，每人年節水量為6935L/a，折合為0.59 噸標準煤，CO2減排量為1.55 噸[4]。

5 應用案例

超節水負壓便器管網化技術，旨在以“米田共”為鏡，改變常規污水處理以能量消滅能量、以資源去除資源的老模式，構建一個全新的綠色循環系統。

2020 年天津造甲村應用超節水負壓便器管網化技術，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、農業種植和土地保護，構建成綠色循環的高度有機統一體。該示范項目共涉及4200 戶村民，其所產生的生活污水進行集中資源化處理，所產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，在負壓收集器內達到設定液位后自動排水至灰水負壓管道。本示范項目黑水、灰水管網全長約140 公里，設負壓收集中心2 座，日均最大集中處理污水約750 噸，達標后的循環利用水，每年超過25 萬噸，每年可減少固體廢棄物近4000 噸，發酵產出有機化肥4000 多噸，極大提升周邊水環境質量。本項目實施實現了區域污水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 倍規模。同時，該項目實施后，周邊鄰村將進一步采用此技術，已形成推廣效應。

6 結論

筆者所在技術團隊旨在沿著一個大的綠色循環循環理念，構建一個可操作的生態鏈系統，在解決目前城鎮污水收集、農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，不僅是中國生態文明建設中的一個“中國模式”，對世界上所有新型發展中國家都是一個重要參考和借鑒。