CN102241431A - 一种用于空间废水处理的氧气供应装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于空间废水处理的氧气供应装置，该装置串联在废水处理液循环回路中。氧气供应装置主要由氧气供应膜组件、压力传感器、电磁阀、流量计、减压阀和氧气贮瓶组成。氧气供应膜组件中的膜丝，采用氧气透过性高的疏水聚偏氟乙烯(PVDF)材料制成，膜丝两端通过环氧树脂成束封装在氧气供应膜组件壳体两端。氧气在适当压力下从膜丝外通过膜管壁上的微孔进入流经膜管内的废水处理液，被微生物吸收利用。氧气供应模式由废水处理液的溶解氧(DO)和氧气供应膜组件中的气体压力决定。本发明不仅适用于未来空间条件下微生物处理废水等设备，而且也为地面进行微生物处理废水特性等基础研究提供了新的技术手段。

Description

一种用于空间废水处理的氧气供应装置
技术领域
本发明属于长期载人航天环控生保技术研究领域，特别涉及一种用于空间微重力条件下微生物处理废水中的氧气供应装置。
背景技术
长时间、远距离和多乘员的空间飞行是未来载人航天的发展形势。利用生物技术，模拟自然生态学的原理，在地外建立生物再生式的生保系统，从而实现乘员生保物资的就地再生持续供应，是目前各航天大国的研究热点。在生物再生式生保系统中，微生物作为系统内的分解者，其主要作用是将系统内的各种有机污染物(主要存在于废气、废水和废物中)进行分解，变成系统内其它生物(如高等植物等)和乘员可直接利用的无机物(如二氧化碳、水和无机离子等)，从而使得系统内的物质得到良性循环。
微生物是自然界中最广泛的生物，对地球上物质循环起着及其重要的作用。目前，利用微生物技术进行城市生活废水的处理应用较为普遍，各种工艺也较为成熟。微生物在处理废水过程中需要不断供应氧气。如何在空间微重力条件下供应氧气给微生物是空间废水处理装置必须解决的关键技术。目前的废水处理装置中，多采用鼓泡形式直接向处理液中添加氧气。这样不仅容易造成空间微重力条件下氧气利用率低、资源浪费，而且多余的氧气还能增加系统的气液分离负荷。因此，这种给微生物供应氧气的方式不适合空间废水处理。
目前，美、俄和欧空局等利用微生物能降解有机物的特点研制了一些废水处理装置，但未见氧气供应技术的相关报道。《航天医学与医学工程》2004，17(3)期P196～200的《空间微生物废物处理地面试验样机研制》提到在空间微重力条件可采用膜技术进行氧气的供应。但由于目前的膜技术仅在地面应用，而对膜的形式、结构、材料和工作方式等的选择都会影响氧气的溶解和微生物的利用。因此，在空间微重力条件下如何合理选择膜的材料和结构，设置适当的工作模式，提高氧气的利用率，尚无成熟的技术借鉴，仍需要结合实践进行大量的实验。
发明内容
本发明需要解决的主要技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种在空间微重力条件下废水处理中使用的、能高效提供氧气给待处理废水的装置。
本发明的技术解决方案是：氧气供应装置，在所述的氧气供应装置之前串联第一截止阀后与第二截止阀并联，然后串联在废水处理中好氧处理水循环回路中。通过测量处理液中的溶解氧浓度(DO)来控制氧气供应装置的工作模式。当处理液中的DO值低于设定的下限值时，开启氧气的供应，氧气供应装置开始工作；当处理液中的DO值高于设定的上限值时，关闭氧气的供应，氧气供应装置停止工作。当需要对氧气供应装置进行维护时，关闭第一截止阀，开启第二截止阀；氧气供应装置维护完成后，开启第一截止阀，关闭第二截止阀。所述的氧气供应装置由氧气供应膜组件、压力传感器、电磁阀、流量计、二级减压阀和氧气贮瓶组成。所述的氧气供应膜组件由壳体、上底座、下底座和膜丝组成。壳体两端通过螺纹分别与上底座和下底座固定连接，在壳体上靠近与下底座的连接处开有氧气入口；上底座上开有富氧处理液出口，下底座上开有贫氧处理液入口。膜丝位于壳体内，膜丝两端分别通过环氧树脂成束封装在壳体两端；膜丝与膜丝间、膜丝与壳体间有空隙。所述的氧气贮瓶中的高压氧气经二级减压阀后压力降低，通过流量计、电磁阀、压力传感器与氧气入口相连，进入氧气脱除膜组件，通过膜丝管壁上的微孔渗透到流经膜管中的处理液中。所述的压力传感器测定氧气供应膜组件中氧气压力，测得的压力信号传输至废水处理系统的测量控制装置，当进入膜组件的氧气压力超过设定值时，控制装置控制电磁阀关闭；当进入膜组件中的氧气压力低于设定值时，控制装置控制电磁阀打开。
所述的膜丝采用疏水聚偏氟乙烯(PVDF)材料。
所述的膜丝为中空纤维管，管壁厚度为100～250μm，直径1.5～2.5mm，纤维长度30.0～40.0cm，纤维根数100～200，通过环氧树脂成束封装在壳体两端。
所述的外壳、上底座、下底座均为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)或不锈钢材质；壳体为圆柱体结构，其直径为5.0～8.0cm，长度35.0～45.0cm，厚度为0.5～0.8cm。
所述的氧气供应采用外压方式，即氧气在气体压力的作用下从膜丝外渗透到膜丝的中空管里；废水处理液从每根膜丝的中空管内直接流过氧气供应膜组件。
所述的处理液中的DO值的设定上限值为5.0～8.0mg/L，下限值为2.0～3.0mg/L。
所述的膜组件中氧气压力值的设定上限值为120～125kPa，下限值为110～115kPa。
所述的电磁阀和二级减压阀之间安装气体流量计，用来控制氧气的流量，保证了进入氧气供应膜组件的氧气压力稳定。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、在空间废水处理中采用膜技术供应氧气的方式，通过压力传感器测定氧气供应组件内氧气压力，保证了氧气能以无泡的形式进入到处理液中，提高了氧气向处理液渗透的能力的供应和微生物对氧气的吸收利用率。
2、本发明通过测量处理液的DO值，根据微生物的需要控制氧气供应量的多少，不仅提高了氧气的使用率(可使氧气的利用率达90％以上，远高于传统鼓泡方式的30％～50％)，而且还大大减轻了空间微重力条件下的气液分离负荷。
3、本发明的氧气供应组件的膜丝在壳体内两端固定，氧气采用外压式供应方法，即气体从膜管外向膜管内处理液渗透，使得膜管内处理液中的微生物不易附着在膜管内壁上而造成在膜内壁面沉积。
4、本发明采用处理液从膜管内流过，克服了微生物在膜管外壁沉积而造成膜面容易污染的技术难题。
5、本发明采用中空纤维膜管技术，提高了处理液和氧气的接触面积，增大了氧气向处理液中的扩散。
此外，本发明中的膜丝材料采用疏水聚偏氟乙烯材料，具有对氧气渗透性高的优点；而且膜组件通过螺纹串联在废水好氧处理水循环回路中，方便拆卸、更换。
本发明不仅为进一步开展我国空间生物再生式生保系统研究奠定了重要基础，也为地面进行微生物处理废水特性等基础研究提供了新的技术手段。
附图说明
图1为空间微生物处理废水工作流程图；
图2为本发明的空间废水处理中氧气供应装置示意图；
图3为本发明的氧气供应膜组件示意图；
图4为膜丝工作示意图。
具体实施方式
如图1所示的空间微生物处理废水工作流程，在处理液循环回路9上依次串联好氧罐1、主循环泵2、温度控制装置3、废气去除装置4、净水收集装置5以及参数测量装置8，在氧气供应装置之前串联第一截止阀10，它们与第二截止阀11相并联，组成的并联回路串联在参数测量装置8和净水收集装置5之间。主循环泵2提供处理液在循环回路9中循环流动的动力。
测量控制装置8通过电信号分别与参数测量装置8、主循环泵2、温度控制装置3、废气脱除装置4、净水收集装置5、第一截止阀10、第二截止阀11以及氧气供应装置中的电磁阀16和压力传感器15相连。
当参数测量装置8测定处理液DO值高于设定的上限值时，关闭氧气供应，由于处理液中的DO被微生物吸收利用，处理液的DO下降；当处理液的DO值降低到设定值的下限值时，打开氧气的供应。本实施例中处理液DO值的设定上限值为7.0mg/L，设定下限值为2.5mg/L。
氧气供应装置由氧气供应膜组件6、压力传感器15、电磁阀16、流量计17、二级减压阀18以及氧气贮瓶19组成。氧气供应膜组件6由膜丝20、外壳15、上底座21和下底座22组成。膜丝20两端分别通过环氧树脂23成束封装在外壳15两端。上底座21和下底座22通过螺纹与外壳15两端固定连接。在壳体15靠近下底座22附近开有氧气入口14。下底座22一端设有处理液入口13，上底座21一端设有处理液出口12。
压力传感器15测定氧气供应膜组件6内氧气压力，测得的压力信号传输给测量控制装置7；当所测氧气压力高于设定上限值时，测量控制装置7向电磁阀16发出信号，关闭电磁阀16；当所测氧气压力低于设定下限值时，测量控制装置7向电磁阀16发出开启信号，电磁阀16开启。本实例中，氧气供应膜组件6中氧气压力设定上限值为122kPa，设定下限值为112kPa。
电磁阀16和二级减压阀18之间的气体流量计17，用来控制氧气的流量，保证了进入氧气供应膜组件6的氧气压力稳定。
本实例中膜丝20采用的材料为疏水聚偏氟乙烯(PVDF)。
本实例中的膜丝20为中空纤维管，其管壁厚度为150μm，直径2.0mm，纤维长度35cm，纤维根数120，通过环氧树脂23成束封装在壳体15两端。
本实例中的外壳15、上底座21、下底座22均为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯材料；外壳15直径为7.0cm、长度为40.0cm、厚度为0.75cm。
本发明的空间废水处理中氧气供应装置的动态工作过程为：当处理液中的DO值低于设定下限值时，测量控制装置7打开电磁阀16，氧气从氧气贮瓶19，经二级减压阀18将氧气供应压力减至稍高于常压以及流量计17进一步流量的调节后，过电磁阀16，从氧气入口14进入到氧气供应膜组件6内；然后，氧气在气体压力下穿过膜丝20上微孔慢慢渗透到流经膜管内的处理液中，从而被微生物吸收利用。当处理液中的DO值高于设定上限值时，测量控制装置7关闭电磁阀16，停止向氧气供应膜组件6供应氧气。
在本实例中，对氧气的无泡供应主要是通过控制供气膜压力和调节供气量来实现。当氧气供应膜组件6压力高于设定上限值122kPa时，电磁阀16关闭；当氧气供应膜组件6压力低于设定下限值112kPa时，电磁阀16开启，氧气从氧气贮瓶19、经二级减压阀18、气体流量计17、电磁阀16、压力传感器15进入到氧气供应膜组件6中，在气体压力下穿过膜丝20上微孔慢慢渗透到流经膜管内的处理液中。
本实例中处理液在供应膜组件6内的流程为：含氧量少的处理液从循环回路9由氧气供应膜组件6的入口13进入到膜丝20的中空纤维膜管内，在膜管内吸收氧气后，从处理液出口12流出，变为含氧量多的处理液，然后进入到处理液回路9中。

Claims (8)

1.用于空间废水处理的氧气供应装置，其特征在于：在所述的氧气供应装置之前串联第一截止阀(10)后与第二截止阀(11)并联，然后串联在废水处理中好氧处理水循环回路(9)中。当处理液中的DO值低于设定的下限值时，开启氧气的供应，氧气供应装置开始工作；当处理液中的DO值高于设定的上限值时，关闭氧气的供应，氧气供应装置停止工作。当需要对氧气供应装置进行维护时，关闭第一截止阀(10)，开启第二截止阀(11)；氧气供应装置维护完成后，开启第一截止阀(10)，关闭第二截止阀(11)。
所述的氧气供应装置由氧气供应膜组件(6)、压力传感器(15)、电磁阀(16)、流量计(17)、二级减压阀(18)和氧气贮瓶(19)组成。
所述的氧气供应膜组件(6)由壳体(15)、上底座(21)、下底座(22)和膜丝(20)组成。壳体(15)两端通过螺纹分别与上底座(21)和下底座(22)固定连接，在壳体(15)上靠近与下底座(22)的连接处开有氧气入口(14)；上底座上开有富氧处理液出口(12)，下底座上开有贫氧处理液入口(13)。膜丝(20)位于壳体(15)内，膜丝(20)两端分别通过环氧树脂(23)成束封装在壳体(15)两端；膜丝(20)与膜丝(20)间、膜丝(20)与壳体(15)间有空隙。
所述的氧气贮瓶(19)中的高压氧气气体经二级减压阀(18)后压力降低，通过流量计(17)、电磁阀(16)、压力传感器(15)与氧气入口(14)相连，进入氧气脱除膜组件(6)，通过膜丝(20)管壁上的微孔渗透到流经膜管中的处理液中。
所述的压力传感器(15)测定氧气供应膜组件(6)中氧气压力，测得的压力信号传输至废水处理系统的测量控制装置(7)。当进入氧气供应膜组件(6)的氧气压力超过设定值时，测量控制装置(7)控制电磁阀(16)关闭；当进入氧气供应膜组件(6)中的氧气压力低于设定值时，测量控制装置(7)控制电磁阀(16)打开。
2.根据权利要求1的用于空间废水处理的氧气供应装置，其特征在于：所述膜丝(20)采用疏水聚偏氟乙烯(PVDF)材料。
3.根据权利要求1或2的用于空间废水处理的氧气供应装置，其特征在于：所述的膜丝(20)为中空纤维管，管壁厚度为100～250μm，直径1.5～2.5mm，纤维长度30.0～40.0cm，纤维根数100～200，通过环氧树脂(23)成束封装在壳体(15)两端。
4.根据权利要求1的用于空间废水处理的氧气供应装置，其特征在于：所述的外壳(15)、上底座(21)、下底座(22)均为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯或不锈钢材质；壳体(15)为圆柱体结构，其直径为5.0～8.0cm，长度35.0～45.0cm，厚度为0.5～0.8cm。
5.根据权利要求1的用于空间废水处理的氧气供应装置，其特征在于：所述的氧气供应采用外压方式，即氧气在气体压力的作用下从膜丝(20)外渗透到膜丝(20)内的中空管里；废水处理液从每根膜丝(20)的中空管内直接流过氧气供应膜组件(6)。
6.根据权利要求1的用于空间废水处理的氧气供应装置，其特征在于：所述处理液中的DO值的设定上限值为5.0～8.0mg/L，下限值为2.0～3.0mg/L。
7.根据权利要求1的用于空间废水处理的氧气供应装置，其特征在于：所述膜组件中氧气压力值的设定上限值为120～125kPa，下限值为110～115kPa。
8.根据权利要求1的用于空间废水处理的氧气供应装置，其特征在于：所述电磁阀(16)和二级减压阀(18)之间安装气体流量计(17)，用来控制氧气的流量，保证了进入氧气供应膜组件的氧气压力稳定。
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