申請日2013.10.08
公開(公告)日2015.07.01
IPC分類號C02F1/46
摘要
一種用于整治廢水和人類廢物的廢水處理系統(tǒng)和方法是自主式的并且沒有至城市廢水系統(tǒng)的連接和至電網(wǎng)的連接。家用馬桶和廢水處理系統(tǒng)可以通過作為電力源的光伏板來發(fā)電。該系統(tǒng)包括電化學(xué)電池，該電化學(xué)電池允許廢物流在幾小時內(nèi)被消毒至無活的細(xì)菌菌落可以被培養(yǎng)的情況。該系統(tǒng)產(chǎn)生適用于系統(tǒng)沖洗或適用于其中非飲用水是可接受的用途的液體流。該系統(tǒng)可以生成作為能夠用于產(chǎn)生電力的產(chǎn)物的氫氣。該系統(tǒng)可以生成用作肥料的硝酸鹽、尿素、氨和磷酸鹽。經(jīng)消毒的殘留的有機固體也被徹底消毒以用于作為農(nóng)業(yè)的有機土壤改良劑的潛在用途。
權(quán)利要求書
1.一種自主式廢水處理系統(tǒng)，所述自主式廢水處理系統(tǒng)沒有至城市 廢水處理系統(tǒng)的連接，包括：
電化學(xué)電池，所述電化學(xué)電池具有至少一個陽極和至少一個陰極，所 述電化學(xué)電池具有配置成接收液體形式的輸入的液體輸入端口、配置成輸 送液體形式的輸出的液體輸出端口以及配置成輸送氣體形式的輸出的氣 體輸出端口，所述電化學(xué)電池具有陽極電氣終端和陰極電氣終端;
氣體積聚裝置，所述氣體積聚裝置配置成接收和儲存來自所述電化學(xué) 電池的氣體輸出;
液體積聚裝置，所述液體積聚裝置配置成接收和儲存來自所述電化學(xué) 電池的液體輸出;
電力源，所述電力源沒有至電網(wǎng)的連接，所述電力源配置成借助于所 述陽極電氣終端和所述陰極電氣終端向所述電化學(xué)電池提供電力，所述電 力源具有配置成接收控制信號的至少一個輸入終端;
至少一個輸入端口，所述至少一個輸入端口配置成接收作為輸入流的 以尿液、糞便和廢水中的一種或更多種的形式的人為廢物;
存料罐，所述存料罐具有至所述電化學(xué)電池的所述液體輸入端口的可 控輸出連接，所述存料罐配置成接收來自所述至少一個輸入端口的所述輸 入流、保存所述接收的輸入流中的材料并且借助于所述液體輸入端口轉(zhuǎn)移 如此保存的所述材料的一部分用于在所述電化學(xué)電池中的處理;和
控制器，所述控制器具有配置成接收表示數(shù)據(jù)和指令中的一種或更多 種的輸入信號的至少一個控制器輸入端口，所述控制器具有配置成提供作 為輸出的控制信號的至少一個控制器輸出端口，所述控制器與所述電化學(xué) 電池、所述氣體積聚裝置、所述液體積聚裝置、所述電力源和所述存料罐 通信并且配置成控制它們。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自主式廢水處理系統(tǒng)，其中所述電化學(xué)電 池是光電化學(xué)電池。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自主式廢水處理系統(tǒng)，其中所述電力源包 括光伏板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自主式廢水處理系統(tǒng)，其中所述電力源包 括蓄電池。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自主式廢水處理系統(tǒng)，其中所述氣體積聚 裝置配置成儲存氫氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的自主式廢水處理系統(tǒng)，還包括配置成接收 來自所述氣體積聚裝置的氫氣并且向所述電力源供應(yīng)電力的氫-空氣燃料 電池。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自主式廢水處理系統(tǒng)，其中所述控制器是 在記錄于機器可讀介質(zhì)上的一組指令下工作的通用可編程計算機。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自主式廢水處理系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)還包 括配置成測量所述自主式廢水處理系統(tǒng)或其部件的工作參數(shù)的測量設(shè)備。
9.一種廢水處理工藝，包括以下步驟：
提供沒有至城市廢水處理系統(tǒng)的連接的自主式廢水處理系統(tǒng)，所述自 主式廢水處理系統(tǒng)包括：
電化學(xué)電池，所述電化學(xué)電池具有至少一個陽極和至少一個陰極， 所述電化學(xué)電池具有配置成接收液體形式的輸入的液體輸入端口、 配置成輸送液體形式的輸出的液體輸出端口以及配置成輸送氣體 形式的輸出的氣體輸出端口，所述電化學(xué)電池具有陽極電氣終端和 陰極電氣終端;
氣體積聚裝置，所述氣體積聚裝置配置成接收和儲存來自所述電化 學(xué)電池的氣體輸出;
液體積聚裝置，所述液體積聚裝置配置成接收和儲存來自所述電化 學(xué)電池的液體輸出;
電力源，所述電力源沒有至電網(wǎng)的連接，所述電力源配置成借助于 所述陽極電氣終端和所述陰極電氣終端向所述電化學(xué)電池提供電 力，所述電力源具有配置成接收控制信號的至少一個輸入終端;
至少一個輸入端口，所述至少一個輸入端口配置成接收作為輸入流 的以尿液、糞便和廢水中的一種或更多種的形式的人為廢物;
存料罐，所述存料罐具有至所述電化學(xué)電池的所述液體輸入端口的 可控輸出連接，所述存料罐配置成接收來自所述至少一個輸入端口 的所述輸入流、保存所述接收的輸入流中的材料并且借助于所述液 體輸入端口轉(zhuǎn)移如此保存的所述材料的一部分用于在所述電化學(xué) 電池中的處理;和
控制器，所述控制器具有配置成接收表示數(shù)據(jù)和指令中的一種或更 多種的輸入信號的至少一個控制器輸入端口，所述控制器具有配置 成提供作為輸出的控制信號的至少一個控制器輸出端口，所述控制 器與所述電化學(xué)電池、所述氣體積聚裝置、所述液體積聚裝置、所 述電力源和所述存料罐通信并且配置成控制它們;
接收以尿液、糞便和廢水中的一種或更多種的形式的人為廢物;
將所述接收的人為廢物的一部分轉(zhuǎn)移至所述電化學(xué)電池;
操作所述電化學(xué)電池以電化學(xué)處理所述人為廢物;和
從所述電化學(xué)處理的人為廢物回收經(jīng)消毒的液體廢物、氣體產(chǎn)物和農(nóng) 業(yè)肥料產(chǎn)物中的至少一種，從而整治所述接收的人為廢物。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的廢水處理工藝，其中所述廢水包括來自洗 澡和衛(wèi)生、食品制作、洗滌衣物和洗滌其他所有物的流出物中的一種或更 多種。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的廢水處理工藝，其中氯濃度在所述電化學(xué) 電池中的所述接收的人為廢物中被控制。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的廢水處理工藝，其中所述電化學(xué)電池通過 生成與所述接收的人為廢物反應(yīng)的活性氯類物質(zhì)對所述接收的人為廢物 消毒。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的廢水處理工藝，其中所述活性氯類物質(zhì) 是Cl2、HOCl、ClO-、氯自由基Cl·和氯自由基Cl2·中的一種或更多種。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的廢水處理工藝，其中操作所述電化學(xué)電 池以電化學(xué)處理所述人為廢物的所述步驟導(dǎo)致氫氣的生成。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的廢水處理工藝，其中所述氫氣被儲存在 所述氣體聚積裝置中。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的廢水處理工藝，其中所述氫氣在配置成 向所述電力源供應(yīng)電力的氫-空氣燃料電池中被消耗。
17.根據(jù)權(quán)利要求9所述的廢水處理工藝，其中所述電化學(xué)電池還包 括參比電極。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的廢水處理工藝，其中所述電化學(xué)電池的 工作電壓被控制。
說明書
自主式、PV供電的家用馬桶和廢水處理系統(tǒng)
相關(guān)申請的交叉引用
本申請要求在2012年10月8日提交的共同未決的美國臨時專利申請 序號61/710,857的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，該申請通過引用全部并入本文。
關(guān)于聯(lián)邦政府資助的研究或開發(fā)的聲明
不適用。
共同研究協(xié)議的團體名稱
不適用。
通過光盤提交的材料的援引并入
不適用。
發(fā)明領(lǐng)域
本發(fā)明大體上涉及污水處理，并且具體地涉及一種與常規(guī)的集中污水 處理系統(tǒng)斷開的人類廢物處理系統(tǒng)和方法。
發(fā)明背景
與常規(guī)的集中污水處理系統(tǒng)斷開的常規(guī)的污水處理系統(tǒng)是污水明溝 或包括人類廢物的廢物被沉積其中的流動或靜止的水體。在第三世界的許 多此類污水處理系統(tǒng)中，除了自然發(fā)生的那些過程，并沒有采用刻意的處 理。此類污水處理系統(tǒng)的某些問題在于疾病容易被轉(zhuǎn)移到接觸此類水體的 任何人，并且污水能夠污染并且經(jīng)常確實污染了日常生活中使用的地下水 補給。
近年來，主要在新興國家的環(huán)境衛(wèi)生方面存在越來越大的挑戰(zhàn)，其表 現(xiàn)是每年超過180萬五歲以下的兒童死于水傳播疾病(Corcoran等人， 2010)。在發(fā)展中國家，包括電網(wǎng)和下水道連接的社會基礎(chǔ)設(shè)施的不足需 要用于水資源管理的衛(wèi)生設(shè)施是獨立于化石燃料的且自主式的。此外，突 出水壓力增加的全球水資源模型強調(diào)了水資源管理戰(zhàn)略的重要性在于增 加水的利用率(Alcamo等人，2007)。在發(fā)達國家的市區(qū)，水處理標(biāo)準(zhǔn)已 變得更加嚴(yán)格以提高城市的可居住性，而人口密度的局部增加往往導(dǎo)致廢 水流量超過集中污水處理設(shè)施的處理能力。
現(xiàn)有技術(shù)中還已知的是Weres等人在1994年11月15日提交的美國專 利序號5,364,508，據(jù)說該專利公開了用于生產(chǎn)羥自由基并且通過氧化來分 解溶解于水中的化學(xué)物質(zhì)的電化學(xué)法。該方法利用能夠在充分正陽極電位 下工作以產(chǎn)生羥自由基的新型電極。描述了用于氧化溶解于水中的化學(xué)物 質(zhì)的完整裝置，并且討論了有利于該方法的工作條件。提出了包括除草劑、 殺蟲劑、甲苯、甲酚和氟烷基表面活性劑的氧化的氧化反應(yīng)的實施例。
現(xiàn)有技術(shù)中還已知的是Weres等人在1995年5月30日公布的美國專 利號5,419,824，據(jù)說該專利公開了一種能夠在充分正陽極電位下工作以產(chǎn) 生羥自由基并將它們釋放到溶液中的新型電極以及用于生產(chǎn)這些電極的 工藝。該專利還提供利用這些電極的電化學(xué)電池以及包括在這些電極中的 新材料。電極由鈦金屬或鈦合金構(gòu)成，該電極具有包括二氧化鈦并且也包 括氧化鈮(Ⅳ)或氧化鉭(Ⅳ)的氧化物涂層，該氧化物涂層足以在必要 的陽極極化下給予二氧化鈦充分的導(dǎo)電性。描述了電極制備工藝，該工藝 允許氧化物涂層中的鈮或鉭被還原成+4價態(tài)，并使涂層呈現(xiàn)非常穩(wěn)定的且 不可溶的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。還提供了一種用于制備鈮酸銨的工藝，鈮酸銨是電極 制造工藝中的鈮的優(yōu)選源化合物。
現(xiàn)有技術(shù)中還已知的是Weres等人在1995年8月8日公布的美國專利 號5,439,577，據(jù)說該專利公開了用于生成羥自由基并且通過氧化來分解溶 解于水中的化學(xué)物質(zhì)的電化學(xué)水處理裝置。該裝置利用能夠在充分正陽極 電位下工作以產(chǎn)生羥自由基的新型電極。
現(xiàn)有技術(shù)中還已知的是Weres在2009年2月24日公布的美國專利號 7,494,583，據(jù)說該專利公開了具有閥金屬基質(zhì)和電催化表面成分的電極以 及利用該電極的電解水凈化工藝，該電催化表面成分包括摻雜有鉍的二氧 化鈦，其中，溶解或分散于水中的有機物質(zhì)以非選擇性方式和良好的電流 效率被氧化和降解。
存在有用的而未連接到常規(guī)的集中污水處理系統(tǒng)的廢水和固態(tài)人類 廢物處理設(shè)施的需求。
發(fā)明概述
根據(jù)一方面，本發(fā)明的特征是一種沒有至城市廢水處理系統(tǒng)的連接的 自主式廢水處理系統(tǒng)。該自主式廢水處理系統(tǒng)包括：電化學(xué)電池，該電化 學(xué)電池具有至少一個陽極和至少一個陰極，該電化學(xué)電池具有配置成接收 液體形式的輸入的液體輸入端口、配置成輸送液體形式的輸出的液體輸出 端口以及配置成輸送氣體形式的輸出的氣體輸出端口，該電化學(xué)電池具有 陽極電氣終端和陰極電氣終端;氣體積聚裝置，所述氣體積聚裝置配置成 接收和儲存來自電化學(xué)電池的氣體輸出;液體積聚裝置，所述液體積聚裝 置配置成接收和儲存來自電化學(xué)電池的液體輸出;電力源，該電力源沒有 至電網(wǎng)的連接，該電力源配置成借助于陽極電氣終端和陰極電氣終端向電 化學(xué)電池提供電力，該電力源具有配置成接收控制信號的至少一個輸入終 端;至少一個輸入端口，該至少一個輸入端口配置成接收作為輸入流的以 尿液、糞便和廢水中的一個或更多種形式的人為廢物;存料罐，該存料罐 具有至電化學(xué)電池的液體輸入端口的可控輸出連接，該存料罐配置成借助 于液體輸入端口接收來自至少一個輸入端口的輸入流、保存接收的輸入流 中的材料并且借助于液體輸入端口轉(zhuǎn)移如此保存的該材料的一部分用于 在電化學(xué)電池中的處理;和控制器，該控制器具有配置成接收表示數(shù)據(jù)和 指令中的一種或更多種的輸入信號的至少一個控制器輸入端口，該控制器 具有配置成提供作為輸出的控制信號的至少一個控制器輸出端口，該控制 器與電化學(xué)電池、氣體積聚裝置、液體積聚裝置、電力源和存料罐通信并 且配置成控制它們。
在一個實施方式中，電化學(xué)電池是光電化學(xué)電池。
在另一個實施方式中，電力源包括光伏板。
在又另一個實施方式例中，電力源包括蓄電池。
在還另一個實施方式中，氣體積聚裝置配置成儲存氫氣。
在又一個實施方式中，自主式廢水處理系統(tǒng)還包括配置成接收來自氣 體積聚裝置的氫氣并且向電力源供應(yīng)電力的氫-空氣燃料電池。
在又另一個實施方式中，控制器是在記錄于機器可讀介質(zhì)上的一組指 令下工作的通用可編程計算機。
在另外的實施方式中，該系統(tǒng)還包括配置成測量自主式廢水處理系統(tǒng) 或其部件的工作參數(shù)的測量設(shè)備。
根據(jù)另一方面，本發(fā)明涉及一種廢水處理工藝。該工藝包括步驟：提 供一種沒有至城市廢水處理系統(tǒng)的連接的自主式廢水處理系統(tǒng)的步驟，該 自主式廢水處理系統(tǒng)包括：電化學(xué)電池，該電化學(xué)電池具有至少一個陽極 和至少一個陰極，該電化學(xué)電池具有配置成接收液體形式的輸入的液體輸 入端口、配置成輸送液體形式的輸出的液體輸出端口以及配置成輸送氣體 形式的輸出的氣體輸出端口，該電化學(xué)電池具有陽極電氣終端和陰極電氣 終端;氣體積聚裝置，該氣體積聚裝置配置成接收和儲存來自電化學(xué)電池 的氣體輸出;液體積聚裝置，該液體積聚裝置配置成接收和儲存來自電化 學(xué)電池的液體輸出;電力源，該電力源沒有至電網(wǎng)的連接，該電力源配置 成借助于陽極電氣終端和陰極電氣終端向電化學(xué)電池提供電力，該電力源 具有配置成接收控制信號的至少一個輸入終端;至少一個輸入端口，該至 少一個輸入端口配置成接收作為輸入流的以尿液、糞便和廢水中的一種或 更多種的形式的人為廢物;存料罐，該存料罐具有至電化學(xué)電池的液體輸 入端口的可控輸出連接，該存料罐配置成借助于液體輸入端口接收來自至 少一個輸入端口的輸入流、保存接收的輸入流中的材料并且借助于所述液 體輸入端口轉(zhuǎn)移如此保存的該材料的一部分用于在電化學(xué)電池中的處理; 以及控制器，該控制器具有配置成接收表示數(shù)據(jù)和指令中的一種或更多種 的輸入信號的至少一個控制器輸入端口，該控制器具有配置成提供作為輸 出的控制信號的至少一個控制器輸出端口，該控制器與電化學(xué)電池、氣體 積聚裝置、液體積聚裝置、電力源和存料罐通信并且配置成控制它們。該 工藝包括以下步驟：接收以尿液、糞便和廢水中的一種或更多種的形式的 人為廢物;將接收的人為廢物的一部分轉(zhuǎn)移至電化學(xué)電池;操作電化學(xué)電 池以電化學(xué)處理人為廢物;和從電化學(xué)處理的人為廢物回收經(jīng)消毒的液體 廢物、氣態(tài)產(chǎn)物和農(nóng)業(yè)肥料產(chǎn)物中的至少一種，從而整治(remediating) 接收的人為廢物。
在一個實施方式中，廢水包括來自洗澡和衛(wèi)生、食品制作、洗滌衣物 和洗滌其他所有物的流出物中的一種或更多種。
在還另一個實施方式中，氯濃度在電化學(xué)電池中的接收的人為廢物中 被控制。
在另一個實施方式中，電化學(xué)電池通過生成與接收的人為廢物反應(yīng)的 活性氯類物質(zhì)對接收的人為廢物消毒。
在又另一個實施方式中，活性氯類物質(zhì)是Cl2、HOCl、ClO-、氯自由 基Cl·以及氯自由基Cl2·中的一種或更多種。
在又一個實施方式中，操作電化學(xué)電池以電化學(xué)處理人為廢物的步驟 導(dǎo)致氫氣的生成。
在還又一個實施方式中，氫氣被儲存在氣體聚積裝置中。
在還又一個實施方式中，氫氣在配置成向電力源供應(yīng)電力的氫-空氣燃 料電池中被消耗。
在另外的實施方式中，電化學(xué)電池還包括參比電極。
在又一個實施方式中，電化學(xué)電池的工作電壓被控制。
本發(fā)明的前述的和其他的目的、方面、特征和優(yōu)點將依據(jù)下面的說明 和權(quán)利要求而變得更加明顯。
