四源分离式马桶的设计与开发

四源分离式马桶的设计与开发

张太飞1 ,朱洪光2

（1：上海源林科技有限公司，上海，201804）（2：同济大学，上海，201804）

[摘要]

随着我国老百姓的生活条件和卫生环境不断提升。“厕所革命”这一新词被推上热搜，顾名思义就是将传统旱厕进行改造取缔。提到农村厕所，印象最深的就是脏乱差臭，为此改变这一现象，“厕所革命”工程将发挥着巨大的作用。就目前来看，水冲洗厕所是相对最佳的选择。但是对农村来说没有一套完整的污水处理系统，水冲洗厕所只会带来更大的污染。所以就需要一种干净卫生，而且省水的智能马桶。并且在应用过程中需做到安装简便、使用简单、使用范围广、便于维修保养、就地处理、废物可以资源化利用等特点。 

在党的第十九次全国人民代表大会上，习近平总书记针对如何发展乡村环境、振兴乡村作出了重要的演讲，主要的目的是要构建更加美丽和谐的乡村环境，同时对当前我国乡村存在的诸多问题进行了统一的研究分析，制定了实施“厕所革命”的必须条件，提出要在全社会范围内进行“厕所革命”，并且对农村实施“厕所革命”进行了相应的展望和目标的制定。

同济大学新农村发展研究院基于十三五国家重点研发项目，研制了四源分离厕所技术，并与上海源林公司进行合作开发。

此项技术是将大便、尿液、微冲洗水、臭气四个废物源单独分离开，分别进行处理，最终达到一种无污染、无臭气的节水如厕环境。

该成果到位后，将能够打开“厕所革命”的全新格局，让整个乡村环境更加舒适，适合人们居住，从而有效地改善农村环境。

[关键词]

四源分离 智能马桶 厕所革命

1.马桶设计的提出

20世纪90年代，我国将厕所改革工作纳入中国儿童发展规划纲要和卫生改革与发展的相关决定，在中国农村掀起一场“厕所革命”[1]。最早由联合国儿童基金会提出，厕所是表达文明的重要标志之一，改善厕所卫生面貌直接关系到国家人民的健康和环境状况。

对于农村“厕所革命”管理要求[2]，首先不能产生大量废水，再次不能产生恶臭，所以传统冲水马桶不能满足农村市场所需，同济大学新农村发展研究院与上海源林公司进行合作开发了一款四源分离式马桶[3]。此款马桶环保卫生、省水省电，杜绝了传统旱厕的脏乱差臭状况，给用户提供了一种干净卫生的使用环境。

2.马桶设计开发

2.1.马桶外观

马桶形式分好多种，常见的有分体式马桶、一体式马桶、壁挂式马桶。综合考虑，此款马桶外观做成大家熟悉的一体式马桶，水箱与底座一体化，不会藏污纳垢，清洁更方便，外观上简洁大气，占地空间更小，是现在主流的马桶类型，适合所有家庭安装。

马桶外观与传统抽水马桶类似，内部增加了机械控制系统，利用马桶盖开闭带动霍尔接近开关[4]从而达到启动与停止，可达到导尿、刮粪、冲洗和排风等功能， 排泄物在便器原位实现源分离。在如厕时候不会有臭味，过程中排风扇会开启。本产品具有节水效果，是传统马桶用水量的3%左右。外观形式如图2-1。

图2-1 马桶外观设计图

2.2.马桶机构

2.2.1.马桶内部结构介绍

通过 SolidWorks 软件进行外观建模，内部零部件分别设计并进行安装配合，模拟马桶工作动作，再通过最新的3D打印技术，把相应的构配件打印出来，材质为光敏树脂，组装后测试，最终达到设计可行性目的。

马桶可分为外壳区、粪污承接区、液体导流区、臭气排放区、臭气密封区、冲洗供水区、单片机控制区七大区域。利用如厕时候人体动作，引发机械联动，触发电控系统，再次驱动电动设备以及机械结构，完成整个使用过程。

2.2.2.马桶结构构成与特点

与传统马桶的水冲和水封不同，此马桶采用乘粪板和自闭硅胶防臭芯结构[5]，

承粪板承接粪、尿和冲洗水，并实现固液原位分离

设置液体转向分离导流机构，实现尿液和冲洗水的分管汇流

设置电机驱动承粪板推拉机构，实现承粪板上的固体粪便刮落至储粪瓮或后处理机构

粪翁与承粪板之间设置的自闭硅胶环，具有传统马桶的水封功效，保障密封避免粪翁臭气及有害微生物回流影响室内环境

设置排风装置，实现闭硅胶环与承粪板之间的小范围气封桶臭气直接排到室外，不散到厕所室内环境中

2.3.马桶动作逻辑

2.3.1.马桶正常工作逻辑

1　打开马桶盖触碰到霍尔接触开关。给出脉冲信号，引起排风机开启（过程中一直开启，什么时候停，后续介绍），同时水泵喷水2s即停。

2　大便完成后关上马桶盖，霍尔接触开关断开，给出脉冲信号，引起刮板电机运动刮板后退，直到限位位置刮板电机停，停下待5s后回位原来位置，刮板回到原来位置后，水泵再次开启，喷水6s即停，再次引起刮板电机运动刮板后退，直到限位位置刮板电机停，停下待5s后回位原来位置。

3　再次引起刮板电机运动刮板后退至回位原来位置起10s后，排风扇关闭。

2.3.2.马桶大清洗工作逻辑

1　打开马桶盖触碰到霍尔接触开关。给出脉冲信号，引起排风机开启（过程中一直开启，什么时候停，后续介绍），同时水泵喷水3s即停。水泵停后等3s启动舵机。

2　按下按钮开关，刮板电机运动刮板后退，直到限位位置刮板电机停，同时伴随水泵开启喷水2s，停止8s，一直交替喷水2s停止8s运行。

3　清洗完，关闭马桶盖，霍尔接触开关断开，给出脉冲信号，引起刮板电机运动回位原来位置，（同时水泵停止喷水），

4　待马桶盖关闭起10s后，排风扇关闭。

2.4.马桶零部件及其功能

马桶工作电压设为24V，所有用电器均为24V电压，由一台24V 3A的电源适配器提供电能。

霍尔式接近开关，开关马桶盖同时带动磁铁片离合，引起马桶工作和停止。

静音排风扇，主要作用就是工作中一直开启，将臭气排出高空排放，使马桶腔内形成负压，不会产生臭气。

直流电机，作为动力源，驱动滚珠丝杆正反转动，带动刮板来回运动。相对步进电机，其造价便宜，无需驱动模块，设置堵转电流即可实现停转。

滚珠丝杆，其内部含有钢珠、润滑脂，摩擦力极小，动力损耗小，其与直流电机之间通过弹性绕线联轴器联接，可减小转动产生的共振。

高压水泵，需要冲洗马桶时，水泵启动，在高压情况下，可以将粘连的污渍冲洗掉[6]，相对传统马桶，单次用水量为0.5L。

舵机，舵机转动角度范围设置为90°，一个脉冲对应一个动作，可以使导向漏斗通过舵机指向所需的下水管位置。

液位阀，安装在水箱壁上，水位低于设置高度时，自动补水，可防止停水时水箱有多余的水继续使用。

电池包，在停电的情况下，24V电池包可临时提供电源使马桶正常工作。

单片机，是将单片机主机（CPU、 内存和I/O接口）集成在一小块硅片上的微型机[7]。单片机又称微控制器（MCU）。具有集成度高、可靠性高、性价比高的优势。单片机也是整个马桶的核心部件之一。

2.5.马桶废弃物处理

2.5.1.粪便处理

马桶工作完，大便从承接板刮下，经过硅胶防臭芯落入储存瓮[8]。根据人每天排便量平均400-500克，按照500克计算，一家按照6口人，一年粪便量满负荷为1095千克，储存瓮容量只需做到1000L即可。半年清一次粪便可远远超过粪便发酵周期，粪便可作有机肥用于农田施肥，果园、菜园追肥等。

2.5.2.尿液处理

由于人的个体差异和饮食习惯不同，正常人一天的尿液排出量差异较大，但一般情况下，一昼夜尿液排出量应该在0.8～2.0L之间[]。一家按照6口人计算，一天一半时间在家如厕，尿量约为6L，人体尿液发酵肥料的时间取决于发酵时的温度，通常情况下在冬季时需要发酵20天左右，夏季需要发酵2-3天，按照最长时间20天来计算，需要3个60L的桶，循环转动接取尿液，可以保证每桶尿液满后在静置发酵20天，使用人的尿液做肥料进行喷洒的时候一定要加水进行稀释，以免发生烧伤作物的现象。

冲洗水处理

本产品之所以选择微水高压冲洗，是因为以往的免冲洗马桶用几次里面会结垢，发出恶臭，用户就会拒绝使用，微水高压冲洗可以达到产生废水少，清洗效果好的目的。

综上所述，大便之后，粪便几乎全部刮落入储存瓮里，少许残留粪便冲洗之后所产生的废水的含固率微乎其微，废水的处理也就变得得心应手，只需加入一个三级过滤生态箱[9]即可，一级过滤放入毛刷和紫外线杀菌灯，可以阻挡杂质，消灭水中细菌病毒、微生物、藻类等，除臭除腥。二级过滤放入过滤棉毛毯，可以阻挡50-80微米的杂质颗粒，三级过滤放入陶瓷棒和硝化菌种，可降低水中的氨氮和亚硝酸盐的浓度,达到净水功能，也可以在过滤箱内种植绿萝、水葫芦等绿植，可以起到净水作用，冲洗水经过三级过滤之后，可用于花草树木灌溉，清洒路面。

3.结论与展望

3.1. 结论

本文以“厕所革命”工程为引，引申出四源分离式马桶设计与开发，整套产品设计涉及到了很多知识领域，概括来说，利用了机电一体化技术完成了整个作品制作，合理的把机械结构和电子控制设备结合起来，各执所能展现了产品的功能。

在设计之初，通过SolidWorks软件进行电脑仿真模拟，节省了很多开发时间和步骤，通过3D打印技术，更快更准的把零部件做出来，也为设计减少了很多困难。

产品最终目的是解决农村厕所存在的脏乱差臭等问题，“厕所革命”之路是一条艰辛具有挑战之路，时间会很长，困难会很多，这也将为“厕所革命”之路披荆斩棘，砥砺奋进作出一份贡献。

3.2.展望

“厕所革命”对我国来说是具有非常大的意义的。厕所是反映一个城市文明发展的标志，从街道两边的公厕就能看出一座城市发展的前景是否前卫。

本文针对目前农村地区存在的一些厕改问题，专项研发设计了四源分离式马桶。研发展望总结如下：

农村是个庞大的市场，存在很多要解决的问题，国家近些年一直集中力量在解决三农问题[10]，“厕所革命”工程也包括与三农问题，未来推出四源分离式马桶，争取做到每家每户一台，更好的是把马桶做成全功能式移动卫生间，直接放在护院内，免去安装，还可以随处移动安放，彻底改变旱厕问题。

农村市场成熟后，适用场景可延伸至景区厕所、城镇公厕、学校厕所等。甚至可以将多楼层小区也进行改装此款马桶，这样更好的减小城市污水系统压力，也为污水处理站减轻工作，更好的为城市环保做到保驾护航。

随着人们生活越来越好，未来的马桶还会升级增加更多人性化的辅助功能，例如：增加人体大肠杆菌检测模块、人体尿检模块、紫外线杀菌除腥模块等，只有持续不断优化，产品才会更好迎合用户。

参考文献
[1].李彬倩;张梦茹;毕梦歌;陈宇杰;牛雅静;《农村经济与科技》|2021年第020期|16-18|共3页.

[2].沈峥,刘洪波,张亚雷.中国“厕所革命”的现状、问题及其对策思考[J].中国环境管理,2018,10(02):45-48.

[3].魏隆基 ；张玲. 固液分离的生态厕所[P]. 莱芜市：CN101889834A,2010-11-24.

[4].何岳明.一种霍尔接近开关[P]. 宁波市：CN1387317A，2002-12-25.

[5].王宝.一种水槽用自闭式硅胶防臭地漏[P]. 中山市：CN206768995U，2017-12-19.

[6].张烨; 张岳清.一种高压微水冲源分离一体式便器[P]. 常州市：CN211948740U，
2020-11-17

[7].王伟龙;许德生;白琨;朱月光;肖元路.基于单片机的智能马桶[P]. 阜阳市：
CN204059527U，2014-12-31

[8].纪忠义,蔡哲,宫大伟,徐德凤.农村改厕不同的便器冲水模式对三格和双瓮类型户

厕粪便无害化处理效果的影响[J].环境卫生学杂志,2013,3(04):313-315.

[9].何培松;杜西媛.污水过滤箱[P]. 常州市：CN216404023U,2022-04-29
[10].新华社.中共中央国务院关于抓好“三农”领域重点工作确保如期实现全面小康的意见[DB/OL]，http://www.gov.cn/zhengce,2020-02-05.

作者简介：张太飞（1989-），男，学士，主要从事环境领域的机械化设计。

通讯作者：朱洪光（1974-），男，博士，主要从事生物质能源工程研究。