CN101791619B - 空间永久基地有机废物处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种间永久基地有机废物处理装置，主要针对长时间、远距离的空间载人基地(如月球永久基地、火星基地)生物再生生命保障系统内有机废物(植物不可食生物量、粪便、厨余等)的循环利用问题。本装置由发酵罐体、进气预处理系统、出气冷凝系统、搅拌系统、渗滤液收集回流系统、加热控温系统、尾气处理系统、传感器系统和自动控制系统构成。本装置能够兼作好氧和厌氧发酵之用，能够对发酵过程的各主要指标进行自动监测和调节，改进了耗氧速率监测方法，改进了搅拌器的形式和控温方式。发酵产生的生物气经植物栽培基质吸附处理。渗滤液被回流至物料内用以补偿出气带出的水分。

Description

空间永久基地有机废物处理装置

技术领域

本发明涉及一种空间永久基地有机废物处理装置，主要针对长时间、远距离的空间载人基地(如月球永久基地、火星基地等)生物再生生命保障系统(Bioregenerative Life Support System，BLSS)内有机废物(植物不可食生物量、粪便、厨余等)的循环利用问题。

背景技术

生物再生生命保障系统(Bioregenerative Life Support System，BLSS)是利用高等植物和微生物等生物来生产食物、处理废物，同时再生空气和水，为航天员生命活动提供物质保障的独立、完整、复杂的系统。它是在物理化学的非再生式和再生式环控生保系统(Environmental Control and Life Support System，ECLSS)的基础上，引入了生物技术和生态平衡的理念，力图创造工程控制技术和生物技术相结合的人工小型生态环境；实现在一定的密闭空间内人和其他生物之间氧气、水分和有机物的循环再生，从而大大减少长期空间活动的地面补给，降低运行成本，并为航天员创造一个更为舒适和安全的生活环境。

BLSS中的固体废物主要分为两大类，一类是植物不可食生物量，又称植物残渣，主要由纤维素、半纤维素、木质素和少量的蜡质物质构成，约占系统固体废物总干重的90％；另一类是厨余、食物残渣，以及人体新陈代谢过程产生的粪便等。这些固体废物经过处理以后可以栽培基质或营养液的形式为植物提供营养，供其生长。从而实现物质在系统内的循环。

针对BLSS中固体废物的处理主要集中在物理化学技术上，如湿氧化(利用电解水产生的H₂O₂氧化分解有机物)等。这类技术需要消耗较多的能量，处理后的产物也很难直接循环利用(往往需要进一步处理才能用作植物营养液)。因此，有必要采用更加稳定并且能耗较低的废物处理技术。

在地面上，有机废物好氧或厌氧发酵技术已经比较成熟。但要想将其应用于BLSS中还需要解决一系列问题：装置在结构上往往不能兼作好氧和厌氧发酵，耗氧速率的测试不够稳定，物料混合不均匀，好氧发酵时物料与氧气接触不充分等。

因此在应用于BLSS之前，必须对其进行改进。首先反应器在结构上应能兼作好氧、厌氧两用，通过适宜的工艺搭配，调节处理产物的营养组成(如碳氮比、硝态氮和氨态氮的比例等)，使其适合作为植物栽培基质；其次应增强系统的自动控制能力，对各主要指标——温度、含水率、耗氧速率等能够进行连续稳定的监测；再次应通过改进通风、搅拌装置，增设控温装置等措施来提高处理效率；最后应考虑到渗滤液和生物气的处理处置问题，任何产物都要经过合理的处置，以免对系统环境造成破坏。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种空间永久基地有机废物处理装置，由发酵罐体、进气预处理系统、出气冷凝系统、搅拌系统、渗滤液收集回流系统、加热控温系统、尾气处理系统、传感器系统和自动控制系统构成。本装置能够兼作好氧和厌氧发酵之用；并且能够对发酵过程的各主要指标进行自动监测和调节；改进了耗氧速率监测方法；改进搅拌器形式和控温方式等措施加速发酵进程。发酵产生的生物气经植物栽培基质吸附处理，渗滤液被回流至物料内用以补偿出气带出的水分。

本装置采用密闭罐体构造，设有进气口和出气口。当进行好氧发酵时，通过气泵从进气口鼓入新鲜空气。当进行厌氧发酵时，首先通过气泵从进气口鼓入缺氧气体，排除装置内的氧气，然后将装置密闭进行厌氧发酵；也可以在反应过程中连续或间歇地鼓入氮气以防止装置内甲烷等气体浓度过高影响发酵反应进行。

为了实现物料的充分混合，本装置采用的搅拌器上半部为螺杆结构，下半部为平直叶桨式结构。随着搅拌器的转动，物料在轴向和环向两个方向上同时翻动，实现最大程度的混合。对于好氧发酵，这一措施增加了物料同氧气的接触面；对于厌氧发酵，也能避免发酵过程物料结块。

发酵过程各主要指标——温度、含水率、耗氧速率等通过传感器进行在线监测。在耗氧速率监测方面本装置通过测定进出气中CO₂、CH₄等的浓度来判断反应进程。本装置通过调控进气的温度来控制装置内的物料温度。装置各主要部件的运行参数(如电机转速、气泵风量、加热器温度等)通过数据采集装置读入工控机，根据物料温度、含水率和耗氧速率的监测值对搅拌器转速、气泵风量和进气温度进行自动控制。搅拌器转速和气泵风量亦可以手动调节。

好氧发酵产生的生物气温度较高，里面含有大量的水分。本装置在出气口处设置了冷凝单元，尽量减少水分流失，维持物料正常的含水率。发酵产生的生物气中含有一定浓度的恶臭气体，经植物栽培基质(主要为腐熟的)吸附，可去除其中大部分有害物质，然后再随同舱内空气一起经空气净化设施进一步处理。

发酵过程会产生一定量的渗滤液，其中含有大量的微生物。通过泵将渗滤液回流至物料内，根据物料含水率的高低来控制蠕动泵流速。通过回流，一方面增加了物料中微生物的浓度，另一方面也可以补偿出气带出的水分，维持物料含水率在适宜范围内。

附图说明

图1是本发明空间永久基地有机废物处理装置的剖视图。图中：1是渗滤液收集管阀门；2是渗滤液收集罐；3是三脚支架，用于支撑整个装置；4是液位计，用于控制渗滤液的排放，同时防止气体沿渗滤液收集管泄漏；5是锥斗，用于收集渗滤液，同时起到进气缓冲的作用；6是法兰；7是螺栓；8是筛板，上覆40目筛网，用于支撑物料和搅拌器；9是圆柱形罐体，采用立式结构(详见图2)；10是保温层；11是水泵；12是温度传感器(2支，一支用于测量物料温度，另一支用于测量环境温度)；13是水分传感器；计；15是搅拌器；16是罐体顶盖，上面设有进料口、进水口和出气口(详见图3)；17是进料口及其端盖；18是电机机架；19是电机(上部装有编码器19-1)；20是干燥管；21是电子流量计；22是气体传感器模块(监测气体温度、CO₂和CH₄浓度)；23是出气冷凝管；24是进水口；25是出气口；26是垫片；27是取样口及其内盖、端盖(详见图4)；28是出料口及其内盖、端盖(详见图4)；29是加热器；30是气泵或气瓶；31是进气管口；32是渗滤液收集管口；33是调平螺栓，用于调节水平；34是植物栽培基质(腐熟的发酵料)。

图2是图1中罐体9的俯视图。图中：9是圆柱形罐体；12是温度传感器；13是水分传感器；14是pH计；27-1是取样口支管；28-1是出料口支管。图中给出了各支管的相对位置。

图3是图1中罐体顶盖14的俯视图。图中：16是罐体顶盖；17-1是进料口；18-1是机架固定孔；24是进水孔；25是出气孔。

图4是图1中取样口27和出料口28的剖视图。图中：27-1是取样口支管(两个)；27-2是取样口内盖(两个，尼龙材料)；27-3是取样口外盖(两个，尼龙材料)；28-1是出料口支管；28-2是出料口内盖(尼龙材料)；28-3是出料口外盖(尼龙材料)。

图5是自动控制系统示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步说明。本发明所要求保护的范围并不局限于具体实施方式中所描述的范围。

实施例1

当进行好氧发酵时，图1中的30为气泵或存有一定氧浓度气体的气瓶。在生物再生生命保障系统中，氧气是非常珍贵的生保物质。某些舱室或设备输出的气体中含氧量较低或是含有较高浓度的CO₂等气体，不能用来呼吸。但是好氧发酵对气体的要求远比人要低的多，只要氧分压能满足好氧发酵要求即可。因此，在进行好氧发酵的时候可用不宜呼吸的空气作为输入气，以较低的运行成本维持好氧发酵过程。

在进行发酵之前首先要将固体废物粉碎到一定粒径，与部分腐熟的发酵料混合，并调节含水率至60％左右、pH值至中性。然后将其进料口17(图1、3)加入到发酵罐9内。物料在微生物的作用下进行好氧发酵，这个过程将产生一定的热量。保温层10为不锈钢外壳，内部填充石棉，可以有效地维持物料温度，防止发酵过程温度流失过快。电机19带动搅拌器15以5rpm的速度旋转，使物料混合均匀并与氧气充分接触。在发酵过程中，通过温度传感器12、水分传感器13和pH计14(图1、2)监测发酵过程中物料的主要物理性质的变化。通过取样口27和出料口28(图1、2)取样分析发酵物料的化学性质(有机质含量、碳氮比、碳磷比等)和生物学性质(酶活性、微生物群落结构等)。取样口和出料口有内外两层盖子(图4)，内盖用于防止物料进入取样口支管形成死角，外盖用于密封。经过10天左右的发酵，物料各主要性质趋于稳定，物料达到腐熟，此时好氧发酵过程结束。物料通过出料口28在搅拌器15的推动下排出。

气体经干燥管20b干燥后再进入电子流量计21b，以防止进气中的水分干扰测量或对传感器模块22b造成破坏。传感器模块22b监测进气中的O₂浓度、CO₂浓度、CH₄浓度，并同时监测气体温度，对监测结果进行温度补偿，传感器的测量结果经数据采集模块导入工控机。气体在进入装置之前还需要经过加热器29，加热器的温度由物料温度反馈控制。进气口31的方向朝下，在锥斗5内渗滤液的最高液面之上10mm，以防止液体倒吸。锥斗5上部和筛板8之间为气体缓冲区，能够使气体在进入发酵体之前分布均匀。在搅拌器15的配合下，气体与物料能够获得充分接触。出气口设在罐体顶盖16上(图3)。经加热器29的加热以及与发酵料的充分接触之后，气体温度较高，其水分含量较多。如果不对其进行处理，一方面会使物料的含水率快速下降，另一方面也会对后续的气体测试造成影响。因此在出气口设置了一个蛇形冷却管23。出气经过干燥管20a和电子流量计21a以后由传感器模块22a测定其中的CO₂浓度、O₂浓度和CH₄浓度。通过分析比较紧出气体中的CO₂浓度、O₂浓度和CH₄浓度，可以确定发酵过程的耗氧速率。为了防止对周围空气造成污染，从传感器22a输出的气体经植物栽培基质34进行吸附，去除其中大部分的有害成分，然后再随基地内其他空气一起经空气净化设备进一步处理。

好氧发酵过程，尤其是前期会产生较多的水分。这些水透过筛板8渗到锥斗5里即为渗滤液。锥斗5的下部装有液位计4，通过其控制电磁阀1a的通断，一方面可以防止液位过高淹没进气管口31，另一方面也可以在锥斗底部形成水封，防止气体泄漏。渗滤液被收集到储罐2内。通过物料含水率的变化反馈控制水泵11将渗滤液从进水口24(图1、3)输回至罐体内。在维持物料含水率的同时还可以增加物料中微生物的数量。

如图5所示，编码器19-1(测量电机转速)、电子流量计21(测量气泵风量)、气体传感器22测得的气体浓度、加热器温度、环境温度、物料温度、物料含水率和液位计等信号通过数据采集器输入工控机。工控机对数据进行处理和分析，输出控制信号，调节电机19转速、气泵30风量、加热器29温度、渗滤液排放电磁阀1a开关、水泵11开关和进水电磁阀1b开关等。此外，工控机将所有数据存储，以备随时调用。电机19转速和气泵30风量也可以手动调节。

实施例2

当进行厌氧发酵时，图1中的30为氮气瓶或是存有极低氧浓度气体的气瓶。在发酵前，须连续通气排出装置内的氧气，发酵过程中可以选择连续通气或间歇通气，以防止CH₄等厌氧发酵产物浓度过高影响反应过程。电机19转速为1rpm左右，其目的仅仅是防止物料结块。传感器模块22只需要测量CO₂浓度和CH₄浓度即可。其余操作与好氧发酵相类似。经过好氧和厌氧的配合处理以后的物料在性质上适宜用作植物栽培基质。

Claims (3)

1.空间永久基地有机废物处理装置，其上部设有进料口(17)、进水口(24)和出气口(25)，并固定有电机(19)可带动搅拌器(15)以0～10rpm速度旋转；电机上部装有编码器(19-1)以测速；搅拌器(15)上半部分为螺杆结构，下半部分为平直叶桨式结构；装置侧面设有三个传感器口，分别设置温度传感器(12)、含水率传感器(13)和pH计(14)；装置侧面开有两个取样口(27)和一个出料口(28)；取样口和出料口均设有内盖(27-2、28-2)和外盖(27-3、28-3)，内盖用于防止物料进入取样口支管形成死角，外盖用于密封；装置中下部有一筛板(8)，上覆20～100目筛网以承托物料；装置底部为锥斗(5)，其侧面上部设有进气口(31)，底部设有出水口(32)；进气口(31)的方向朝下，在锥斗(5)内渗滤液的最高液位之上10mm，以防倒吸；整个装置由三角支架(3)支撑；进气由气泵(30)输入，依次经过干燥管(20b)、电子流量计(21b)、气体传感器模块(22b)和加热器(29)；出气经蛇形冷却管(23)、干燥管(20a)、电子流量计(21a)和气体传感器模块(22a)，最后通入植物栽培基质(34)中；物料中的水分透过筛板(8)渗到锥斗(5)里；锥斗(5)的下部装有液位计(4)，通过其控制电磁阀(1a)的通断；渗滤液被收集到储罐(2)内，通过水泵(11)将渗滤液输回至装置内。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于，将温度传感器(12)、气体传感器模块(22)、含水率传感器(13)、电子流量计(21)、编码器(19-1)和液位计(4)采集的环境温度、物料温度、加热器温度、O₂浓度、CO₂浓度、CH₄浓度、物料含水率、气泵风量、电机转速信号经数模转换输入工控机，工控机对信号进行分析处理后输出控制信号对电机(19)转速、气泵(30)风量、加热器(29)温度、电磁阀(1)、水泵(11)进行调控。

3.如权利要求1所述装置，其特征在于，分析比较气体传感器模块(22)测得的进出气中O₂浓度、CO₂浓度和CH₄浓度的差值来确定物料在当前时刻的耗氧速率，以及物料在当前时刻进行的好氧发酵和厌氧发酵的情况。 

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