申请日2013.10.08
公开(公告)日2015.07.01
IPC分类号C02F1/46
摘要
一种用于整治废水和人类废物的废水处理系统和方法是自主式的并且没有至城市废水系统的连接和至电网的连接。家用马桶和废水处理系统可以通过作为电力源的光伏板来发电。该系统包括电化学电池，该电化学电池允许废物流在几小时内被消毒至无活的细菌菌落可以被培养的情况。该系统产生适用于系统冲洗或适用于其中非饮用水是可接受的用途的液体流。该系统可以生成作为能够用于产生电力的产物的氢气。该系统可以生成用作肥料的硝酸盐、尿素、氨和磷酸盐。经消毒的残留的有机固体也被彻底消毒以用于作为农业的有机土壤改良剂的潜在用途。
权利要求书
1.一种自主式废水处理系统，所述自主式废水处理系统没有至城市 废水处理系统的连接，包括：
电化学电池，所述电化学电池具有至少一个阳极和至少一个阴极，所 述电化学电池具有配置成接收液体形式的输入的液体输入端口、配置成输 送液体形式的输出的液体输出端口以及配置成输送气体形式的输出的气 体输出端口，所述电化学电池具有阳极电气终端和阴极电气终端;
气体积聚装置，所述气体积聚装置配置成接收和储存来自所述电化学 电池的气体输出;
液体积聚装置，所述液体积聚装置配置成接收和储存来自所述电化学 电池的液体输出;
电力源，所述电力源没有至电网的连接，所述电力源配置成借助于所 述阳极电气终端和所述阴极电气终端向所述电化学电池提供电力，所述电 力源具有配置成接收控制信号的至少一个输入终端;
至少一个输入端口，所述至少一个输入端口配置成接收作为输入流的 以尿液、粪便和废水中的一种或更多种的形式的人为废物;
存料罐，所述存料罐具有至所述电化学电池的所述液体输入端口的可 控输出连接，所述存料罐配置成接收来自所述至少一个输入端口的所述输 入流、保存所述接收的输入流中的材料并且借助于所述液体输入端口转移 如此保存的所述材料的一部分用于在所述电化学电池中的处理;和
控制器，所述控制器具有配置成接收表示数据和指令中的一种或更多 种的输入信号的至少一个控制器输入端口，所述控制器具有配置成提供作 为输出的控制信号的至少一个控制器输出端口，所述控制器与所述电化学 电池、所述气体积聚装置、所述液体积聚装置、所述电力源和所述存料罐 通信并且配置成控制它们。
2.根据权利要求1所述的自主式废水处理系统，其中所述电化学电 池是光电化学电池。
3.根据权利要求1所述的自主式废水处理系统，其中所述电力源包 括光伏板。
4.根据权利要求1所述的自主式废水处理系统，其中所述电力源包 括蓄电池。
5.根据权利要求1所述的自主式废水处理系统，其中所述气体积聚 装置配置成储存氢气。
6.根据权利要求5所述的自主式废水处理系统，还包括配置成接收 来自所述气体积聚装置的氢气并且向所述电力源供应电力的氢-空气燃料 电池。
7.根据权利要求1所述的自主式废水处理系统，其中所述控制器是 在记录于机器可读介质上的一组指令下工作的通用可编程计算机。
8.根据权利要求1所述的自主式废水处理系统，其中所述系统还包 括配置成测量所述自主式废水处理系统或其部件的工作参数的测量设备。
9.一种废水处理工艺，包括以下步骤：
提供没有至城市废水处理系统的连接的自主式废水处理系统，所述自 主式废水处理系统包括：
电化学电池，所述电化学电池具有至少一个阳极和至少一个阴极， 所述电化学电池具有配置成接收液体形式的输入的液体输入端口、 配置成输送液体形式的输出的液体输出端口以及配置成输送气体 形式的输出的气体输出端口，所述电化学电池具有阳极电气终端和 阴极电气终端;
气体积聚装置，所述气体积聚装置配置成接收和储存来自所述电化 学电池的气体输出;
液体积聚装置，所述液体积聚装置配置成接收和储存来自所述电化 学电池的液体输出;
电力源，所述电力源没有至电网的连接，所述电力源配置成借助于 所述阳极电气终端和所述阴极电气终端向所述电化学电池提供电 力，所述电力源具有配置成接收控制信号的至少一个输入终端;
至少一个输入端口，所述至少一个输入端口配置成接收作为输入流 的以尿液、粪便和废水中的一种或更多种的形式的人为废物;
存料罐，所述存料罐具有至所述电化学电池的所述液体输入端口的 可控输出连接，所述存料罐配置成接收来自所述至少一个输入端口 的所述输入流、保存所述接收的输入流中的材料并且借助于所述液 体输入端口转移如此保存的所述材料的一部分用于在所述电化学 电池中的处理;和
控制器，所述控制器具有配置成接收表示数据和指令中的一种或更 多种的输入信号的至少一个控制器输入端口，所述控制器具有配置 成提供作为输出的控制信号的至少一个控制器输出端口，所述控制 器与所述电化学电池、所述气体积聚装置、所述液体积聚装置、所 述电力源和所述存料罐通信并且配置成控制它们;
接收以尿液、粪便和废水中的一种或更多种的形式的人为废物;
将所述接收的人为废物的一部分转移至所述电化学电池;
操作所述电化学电池以电化学处理所述人为废物;和
从所述电化学处理的人为废物回收经消毒的液体废物、气体产物和农 业肥料产物中的至少一种，从而整治所述接收的人为废物。
10.根据权利要求9所述的废水处理工艺，其中所述废水包括来自洗 澡和卫生、食品制作、洗涤衣物和洗涤其他所有物的流出物中的一种或更 多种。
11.根据权利要求9所述的废水处理工艺，其中氯浓度在所述电化学 电池中的所述接收的人为废物中被控制。
12.根据权利要求9所述的废水处理工艺，其中所述电化学电池通过 生成与所述接收的人为废物反应的活性氯类物质对所述接收的人为废物 消毒。
13.根据权利要求12所述的废水处理工艺，其中所述活性氯类物质 是Cl2、HOCl、ClO-、氯自由基Cl·和氯自由基Cl2·中的一种或更多种。
14.根据权利要求12所述的废水处理工艺，其中操作所述电化学电 池以电化学处理所述人为废物的所述步骤导致氢气的生成。
15.根据权利要求14所述的废水处理工艺，其中所述氢气被储存在 所述气体聚积装置中。
16.根据权利要求14所述的废水处理工艺，其中所述氢气在配置成 向所述电力源供应电力的氢-空气燃料电池中被消耗。
17.根据权利要求9所述的废水处理工艺，其中所述电化学电池还包 括参比电极。
18.根据权利要求17所述的废水处理工艺，其中所述电化学电池的 工作电压被控制。
说明书
自主式、PV供电的家用马桶和废水处理系统
相关申请的交叉引用
本申请要求在2012年10月8日提交的共同未决的美国临时专利申请 序号61/710,857的优先权和权益，该申请通过引用全部并入本文。
关于联邦政府资助的研究或开发的声明
不适用。
共同研究协议的团体名称
不适用。
通过光盘提交的材料的援引并入
不适用。
发明领域
本发明大体上涉及污水处理，并且具体地涉及一种与常规的集中污水 处理系统断开的人类废物处理系统和方法。
发明背景
与常规的集中污水处理系统断开的常规的污水处理系统是污水明沟 或包括人类废物的废物被沉积其中的流动或静止的水体。在第三世界的许 多此类污水处理系统中，除了自然发生的那些过程，并没有采用刻意的处 理。此类污水处理系统的某些问题在于疾病容易被转移到接触此类水体的 任何人，并且污水能够污染并且经常确实污染了日常生活中使用的地下水 补给。
近年来，主要在新兴国家的环境卫生方面存在越来越大的挑战，其表 现是每年超过180万五岁以下的儿童死于水传播疾病(Corcoran等人， 2010)。在发展中国家，包括电网和下水道连接的社会基础设施的不足需 要用于水资源管理的卫生设施是独立于化石燃料的且自主式的。此外，突 出水压力增加的全球水资源模型强调了水资源管理战略的重要性在于增 加水的利用率(Alcamo等人，2007)。在发达国家的市区，水处理标准已 变得更加严格以提高城市的可居住性，而人口密度的局部增加往往导致废 水流量超过集中污水处理设施的处理能力。
现有技术中还已知的是Weres等人在1994年11月15日提交的美国专 利序号5,364,508，据说该专利公开了用于生产羟自由基并且通过氧化来分 解溶解于水中的化学物质的电化学法。该方法利用能够在充分正阳极电位 下工作以产生羟自由基的新型电极。描述了用于氧化溶解于水中的化学物 质的完整装置，并且讨论了有利于该方法的工作条件。提出了包括除草剂、 杀虫剂、甲苯、甲酚和氟烷基表面活性剂的氧化的氧化反应的实施例。
现有技术中还已知的是Weres等人在1995年5月30日公布的美国专 利号5,419,824，据说该专利公开了一种能够在充分正阳极电位下工作以产 生羟自由基并将它们释放到溶液中的新型电极以及用于生产这些电极的 工艺。该专利还提供利用这些电极的电化学电池以及包括在这些电极中的 新材料。电极由钛金属或钛合金构成，该电极具有包括二氧化钛并且也包 括氧化铌(Ⅳ)或氧化钽(Ⅳ)的氧化物涂层，该氧化物涂层足以在必要 的阳极极化下给予二氧化钛充分的导电性。描述了电极制备工艺，该工艺 允许氧化物涂层中的铌或钽被还原成+4价态，并使涂层呈现非常稳定的且 不可溶的结晶结构。还提供了一种用于制备铌酸铵的工艺，铌酸铵是电极 制造工艺中的铌的优选源化合物。
现有技术中还已知的是Weres等人在1995年8月8日公布的美国专利 号5,439,577，据说该专利公开了用于生成羟自由基并且通过氧化来分解溶 解于水中的化学物质的电化学水处理装置。该装置利用能够在充分正阳极 电位下工作以产生羟自由基的新型电极。
现有技术中还已知的是Weres在2009年2月24日公布的美国专利号 7,494,583，据说该专利公开了具有阀金属基质和电催化表面成分的电极以 及利用该电极的电解水净化工艺，该电催化表面成分包括掺杂有铋的二氧 化钛，其中，溶解或分散于水中的有机物质以非选择性方式和良好的电流 效率被氧化和降解。
存在有用的而未连接到常规的集中污水处理系统的废水和固态人类 废物处理设施的需求。
发明概述
根据一方面，本发明的特征是一种没有至城市废水处理系统的连接的 自主式废水处理系统。该自主式废水处理系统包括：电化学电池，该电化 学电池具有至少一个阳极和至少一个阴极，该电化学电池具有配置成接收 液体形式的输入的液体输入端口、配置成输送液体形式的输出的液体输出 端口以及配置成输送气体形式的输出的气体输出端口，该电化学电池具有 阳极电气终端和阴极电气终端;气体积聚装置，所述气体积聚装置配置成 接收和储存来自电化学电池的气体输出;液体积聚装置，所述液体积聚装 置配置成接收和储存来自电化学电池的液体输出;电力源，该电力源没有 至电网的连接，该电力源配置成借助于阳极电气终端和阴极电气终端向电 化学电池提供电力，该电力源具有配置成接收控制信号的至少一个输入终 端;至少一个输入端口，该至少一个输入端口配置成接收作为输入流的以 尿液、粪便和废水中的一个或更多种形式的人为废物;存料罐，该存料罐 具有至电化学电池的液体输入端口的可控输出连接，该存料罐配置成借助 于液体输入端口接收来自至少一个输入端口的输入流、保存接收的输入流 中的材料并且借助于液体输入端口转移如此保存的该材料的一部分用于 在电化学电池中的处理;和控制器，该控制器具有配置成接收表示数据和 指令中的一种或更多种的输入信号的至少一个控制器输入端口，该控制器 具有配置成提供作为输出的控制信号的至少一个控制器输出端口，该控制 器与电化学电池、气体积聚装置、液体积聚装置、电力源和存料罐通信并 且配置成控制它们。
在一个实施方式中，电化学电池是光电化学电池。
在另一个实施方式中，电力源包括光伏板。
在又另一个实施方式例中，电力源包括蓄电池。
在还另一个实施方式中，气体积聚装置配置成储存氢气。
在又一个实施方式中，自主式废水处理系统还包括配置成接收来自气 体积聚装置的氢气并且向电力源供应电力的氢-空气燃料电池。
在又另一个实施方式中，控制器是在记录于机器可读介质上的一组指 令下工作的通用可编程计算机。
在另外的实施方式中，该系统还包括配置成测量自主式废水处理系统 或其部件的工作参数的测量设备。
根据另一方面，本发明涉及一种废水处理工艺。该工艺包括步骤：提 供一种没有至城市废水处理系统的连接的自主式废水处理系统的步骤，该 自主式废水处理系统包括：电化学电池，该电化学电池具有至少一个阳极 和至少一个阴极，该电化学电池具有配置成接收液体形式的输入的液体输 入端口、配置成输送液体形式的输出的液体输出端口以及配置成输送气体 形式的输出的气体输出端口，该电化学电池具有阳极电气终端和阴极电气 终端;气体积聚装置，该气体积聚装置配置成接收和储存来自电化学电池 的气体输出;液体积聚装置，该液体积聚装置配置成接收和储存来自电化 学电池的液体输出;电力源，该电力源没有至电网的连接，该电力源配置 成借助于阳极电气终端和阴极电气终端向电化学电池提供电力，该电力源 具有配置成接收控制信号的至少一个输入终端;至少一个输入端口，该至 少一个输入端口配置成接收作为输入流的以尿液、粪便和废水中的一种或 更多种的形式的人为废物;存料罐，该存料罐具有至电化学电池的液体输 入端口的可控输出连接，该存料罐配置成借助于液体输入端口接收来自至 少一个输入端口的输入流、保存接收的输入流中的材料并且借助于所述液 体输入端口转移如此保存的该材料的一部分用于在电化学电池中的处理; 以及控制器，该控制器具有配置成接收表示数据和指令中的一种或更多种 的输入信号的至少一个控制器输入端口，该控制器具有配置成提供作为输 出的控制信号的至少一个控制器输出端口，该控制器与电化学电池、气体 积聚装置、液体积聚装置、电力源和存料罐通信并且配置成控制它们。该 工艺包括以下步骤：接收以尿液、粪便和废水中的一种或更多种的形式的 人为废物;将接收的人为废物的一部分转移至电化学电池;操作电化学电 池以电化学处理人为废物;和从电化学处理的人为废物回收经消毒的液体 废物、气态产物和农业肥料产物中的至少一种，从而整治(remediating) 接收的人为废物。
在一个实施方式中，废水包括来自洗澡和卫生、食品制作、洗涤衣物 和洗涤其他所有物的流出物中的一种或更多种。
在还另一个实施方式中，氯浓度在电化学电池中的接收的人为废物中 被控制。
在另一个实施方式中，电化学电池通过生成与接收的人为废物反应的 活性氯类物质对接收的人为废物消毒。
在又另一个实施方式中，活性氯类物质是Cl2、HOCl、ClO-、氯自由 基Cl·以及氯自由基Cl2·中的一种或更多种。
在又一个实施方式中，操作电化学电池以电化学处理人为废物的步骤 导致氢气的生成。
在还又一个实施方式中，氢气被储存在气体聚积装置中。
在还又一个实施方式中，氢气在配置成向电力源供应电力的氢-空气燃 料电池中被消耗。
在另外的实施方式中，电化学电池还包括参比电极。
在又一个实施方式中，电化学电池的工作电压被控制。
本发明的前述的和其他的目的、方面、特征和优点将依据下面的说明 和权利要求而变得更加明显。