真空厕所排水管道结垢机理研究

Vacuum toilet is the practical technology which aims at the areas which are not access to the centralized sewer or short of water resource. Scale formation inside of vacuum pipe has an effect on pipe frictional resistance of pipe, fluid transportation form, system energy consumption and design of key parts. This project first makes a comprehensive analysis of scale components from the built vacuum toilet pipeline. By means of static test and dynamic test, this study will evaluate the physical-chemical-biological variation of human faeces and urine (including flushing water) during the retention and transmitting procedure, in order to explore the possible precursor for scale formation. By means of blade-hanging experiment and vacuum pilot system, the effect of different wastes components and vacuum pipe parameters on fluid characteristic of faeces/urine and scale formation will be studied. Based on above study, associated with the interfacial mass transfer theory, thermodynamics of reactions, reaction kinetic equation and crystal growth rate equation, the mathematic model of scale formation under complicated mixed media will be simulated. By means of vacuum circulation flow device, model verification, uncertainty analysis and sensitivity analysis will be studied. Base on this model, the scale formation mechanism will be revealed, which can provide the theoretical support for antiscaling and scale removal research, as well as avoiding nutrient loss from human excreta.

真空厕所是针对无集中排水管网地区和缺水地区的实用性技术。管垢的形成对真空管道的摩擦阻力、流体输送形式、系统能耗、关键零部件设计等方面有着重要的影响。本项目首先从已建项目取样，掌握真空排水管垢的主要成分。利用静态和动态试验，研究粪尿（包括冲洗水）在真空管道中间停留和传输过程中物理化学生物特性变化规律，探索诱发管垢形成前体物的可能来源。利用挂片实验和搭建的真空排水中试系统，研究水质成分和管道参数对粪尿流变特性和管垢形成的影响。根据以上研究，结合界面传质理论、反应热力学、反应动力学方程和晶体生长速率方程，构建粪尿废水复杂环境下结晶的数学模拟模型，结合真空管道循环流模拟装置，完成模型的试验验证、不确定性分析和参数灵敏度分析。基于该数学模型，分析不同条件对结垢的影响，揭示真空排水管道中结垢的机理，为真空排水管道防垢和除垢技术的研发，防止人类排泄物的营养元素流失提供基础理论支撑。

管垢的形成对真空厕所管道的摩擦阻力、流体输送形式、系统能耗、噪声和关键零部件设计等方面有着重要的影响。本项目首先从运行多年的真空厕所管道取样分析，管垢的主要成分为羟基磷灰石、鸟粪石、碳酸钙等无机矿物。在冲洗水量小时，鸟粪石占主要比例，在冲洗水量大时，碳酸钙占主要比例，羟基磷灰石在不同稀释倍数条件下均存在。通过挂片实验发现，管道材质并不会对晶垢的成分造成显著性差异，只会对晶垢量和挂垢率产生影响。结垢前后溶液钾、钠、氯和硫酸根的浓度基本无变化。使用UPVC管和不锈钢管可以更加有效的防止管路结垢。随着自来水冲洗水量的增加，稀释越高，小便器单位纯尿液结垢量则从1.82g/L上升至2.96g/L。.管道内流体的流变学特性对管道结垢的影响很大。尿污泥浓度的少量增加可能会增加从层流到湍流的过渡速度。厕所管道中的尿液污泥在TS浓度为1.23%-3.66%之间从牛顿流体变为非牛顿流体。Herschel-Bulkley模型拟合为一种非牛顿模型来描述尿浆的剪切变稀、屈服应力行为。厕所管道系统中尿液污泥呈现出与市政污泥相似的非牛顿特性。.利用欧拉-拉格朗日离散相模型研究尿液管道系统中的颗粒运动行为。仿真结果表明，理论值与实验值吻合较好。研究了粒径，颗粒密度，颗粒形状因子和流体流速对颗粒运动行为的影响。数值计算表面最佳流速范围为0.75-1.25m/s，这对于预防管道结垢具有指导意义。.在实验室规模上研究了热活化过二硫酸盐（PDS）稳定尿液从而预防管道结垢的前处理方法。PDS产生的自由基可稳定新鲜尿液长达22天以上，且效果优于单纯加热稳定尿液。储存22天后，氮损失不到8%。对于稳定的尿液，pH值＜5.0可以显著减少储藏过程中氨挥发，阻碍了垢体的产生。这种方法可以作为抑制结垢和尿液资源化的前处理步骤，为源分离排水工程中抑垢和未来尿液的大规模资源化处理提供了新的思路。