CN103497013A - 受控密闭舱内废弃物发酵处理装置 - Google Patents

受控密闭舱内废弃物发酵处理装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种受控密闭舱内废弃物发酵处理装置，包括发酵反应罐和密闭红萍培养室，废弃物产生的废气经发酵反应罐上端部的排气口排出，经出气管路通往密闭红萍培养室用于红萍光合作用氧气，氧气由红萍培养室顶部的输气管路输出，经发酵反应罐上部侧壁或底部的进气口送入供废弃物的有氧降解；所述发酵反应罐的上部侧壁还设有废水出水口，废水经出水管路通往红萍培养室下腔室的集液箱，所述集液箱的水经循环水泵通过循环水管路送往红萍栽培盘供红萍光合放氧后流回集液箱；所述循环水管路上连通有输水管支路，与发酵反应罐下部侧壁的进水口相通。本发明处理并循环利用受控密闭舱内载人闭合试验过程产生的固体废弃物，有效提高物质循环闭合度。

Description

受控密闭舱内废弃物发酵处理装置
技术领域
本发明提供一种受控密闭舱内废弃物发酵处理装置，涉及空间生命科学和环境保护设备领域。
背景技术
受控生态生命保障系统（简称CELSS）可实现对氧气、水和食物的循环再生，满足航天员对氧气、水和食物的需求，又可实现对其所产生的废气、废水和废物的净化及循环利用，保障航天员的健康和工作效率，这是人类建立永久性空间站、太空远航、月球移民的必要条件。将CELSS应用于航天任务之前，必须在地球上进行受控条件的广泛研究，以降低了在空间实验的成本、危险性和后勤负担。世界各主要航天大国的空间生命支持系统的研究途径比较相似，都是先地面后空间，即先在地面建立受控密闭舱，开展CELSS模拟实验，再向空间发展。CELSS是目前世界上最先进的闭环回路生命保障技术，该系统应不需要地面进行补给，本身的碳、氧和水能形成一个独立、完整的闭式循环。在受控密闭舱内进行废弃物处理的方法很多，从不同的着眼点出发，目前已经出现了不同类型的处理装置，以微生物降解类型居多。但无论什么类型，是好氧还是厌氧，其最大的难题在于如何防止废弃物处理过程产生的有害气体和液体对密闭舱内部环境的污染。因此，在设计废弃物处理装置时，必须着重加以考虑。
随着国民经济的快速发展，人民生活水平不断提高，畜禽养殖业不断壮大，各种化肥、农药、石油化工产品广泛使用，农业面源污染相当严重，特别是有机污染。如何有效控制污染物排放，可持续利用宝贵资源，发展循环经济已成为当今全社会普遍关注的一大热点，亟需研究高效、简单、价廉又无二次污染的废弃物处理方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种受控密闭舱内废弃物发酵处理装置，处理并循环利用受控密闭舱内载人闭合试验过程产生的固体废弃物，有效提高物质循环闭合度。
本发明的技术方案在于：一种受控密闭舱内废弃物发酵处理装置，包括发酵反应罐和密闭红萍培养室，其特征在于，所述发酵反应罐内设有废料搅拌器，废弃物降解产生的废气由设于发酵反应罐上端部的排气口排出，经出气管路通往密闭红萍培养室用于红萍光合作用，所述红萍培养室内红萍释放出的氧气由红萍培养室顶部的输气管路输出，经发酵反应罐上部侧壁的第一进气口送入发酵反应罐用于废弃物的有氧降解；所述发酵反应罐的上部侧壁还设有以让废弃物发酵产生的废水排出的出水口，废水经出水管路通往红萍培养室下腔室的集液箱，所述集液箱的水经循环水泵通过循环水管路送往红萍栽培盘供红萍吸收及光合放氧后，经溢流管流回集液箱以形成闭式循环；所述循环水管路上连通有输水管支路，所述输水管支路与发酵反应罐下部侧壁的进水口相通。
进一步的，所述通往第一进气口的输气管路上依次设有循环气泵及电磁气阀A，所述输气管路在循环气泵与电磁气阀A之间还连通有输气支管，所述输气支管与发酵反应罐底部第二进气口相连通，所述输气支管上设有电磁气阀B。
进一步的，所述红萍培养室内由上至下设有若干层红萍栽培盘，所述循环水管路通往顶层红萍栽培盘，所述在通往顶层栽培盘的循环水管路上依次设有过滤阀、水阀C及流量调节阀，所述过滤阀与电磁水阀C之间还连通有输水管支路，所述输水管支路上设有电磁水阀D。
进一步的，所述每层栽培盘底部设有溢流管与下一层红萍栽培盘相连通，所述红萍栽培盘底部还设有LED灯板。
进一步的，所述发酵反应罐的盖板上开设有加料口，加料口上端设有封盖，所述发酵反应罐顶部设有电机以驱动搅拌器旋转，所述搅拌器自上至下由若干叶轮所组成，所述发酵反应罐顶部还设有与发酵反应罐相连通的PH检测控制器，所述发酵反应罐底部还设有经降解后的料渣卸料口。
进一步的，所述集液箱底部设有加热废水的加热器，集液箱上侧壁设有水位计，所述集液箱中部还设有水温探头，所述集液箱顶部与底层红萍栽培盘的溢流管连接处设有滤网。
进一步的，所述循环水泵位于集液箱底部，所述循环水管路在循环水泵与过滤阀之间还连通有回水管路，所述回水管路上设有安全阀与集液箱相连通。
进一步的，所述红萍培养室顶部还设有生活废水贮罐，所述贮罐输出端设有微量进样器，所述微量进样器输出端与顶层红萍栽培盘相连通。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：（1）本发明主要应用于受控密闭舱内载人闭合试验，将红萍养殖循环系统与发酵型生化反应器有机耦合起来，处理并循环利用密闭舱内载人试验过程产生的固体废弃物，有效提高物质循环闭合度；（2）可为在地面从事相关的空间受控生态生命保障系统的载人试验和科学研究提供技术平台，降低了空间实验的成本、危险性和后勤负担（3）对未来设施农业的发展，尤其是对未来在空间站或地外行星上建立长期居住基地，建立密闭循环型太空农场等有参考价值；（4）该系统应不需要地面进行补给，本身的碳、氧和水能形成一个独立、完整的闭式循环；（5）本发明中红萍养殖循环系统仅仅与发酵型生化反应器连接，而不与受控密闭舱内气体和液体连接，确保微生物降解过程中产生有毒有害气体和液体不对密闭舱内产生任何二次污染。 
附图说明                                                                                                   
图1为本发明的结构示意图；
图中：100-发酵反应罐  101-盖板  110-搅拌器  111-叶轮  120-排气口  121-出气管路  122-循环气泵  123-第一进气口  124-输气支管  A-电磁气阀A  B-电磁气阀B  126-第二进气口  130-出水口  131-出水管路  140-进水口  150-加料口  151-封盖  160-电机  170-PH检测控制器  180-渣卸料口  200-红萍培养室  210-输气管路  220-集液箱  221-水加热器  222-水位计  223-水温传感器  230-循环水泵  231-循环水管路  232-输水管支路  234-回水管路  235-安全阀  236-流量调节阀  237-电磁水阀A  138-电磁水阀B  240-红萍栽培盘  241-顶层红萍栽培盘  242-底层红萍栽培盘  250-溢流管  251-底层红萍栽培盘的溢流管  260-过滤阀  270-LED灯板  281-滤网  291-生活废水贮罐  292-微量进样器。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下，但本发明并不限于此。
参考图1，一种受控密闭舱内废弃物发酵处理装置，包括发酵反应罐100和密闭红萍培养室200，所述发酵反应罐内设有用于搅拌废弃物的废料搅拌器110。当循环气泵122和电磁气阀A开启，电磁气阀B关闭，废弃物经过有氧降解产生的废气由设于发酵反应罐上端部的排气口120排出，经出气管路121通往密闭红萍培养室底部，因废气会充满密闭红萍培养室以供密闭红萍培养室中红萍的光合作用释放出氧气，所述释放出的氧气经红萍培养室顶部的输气管路210送往发酵反应罐上部侧壁的第一进气口123，并与发酵反应罐内废气充分接触，提高发酵反应罐内大气氧气浓度，促进好氧微生物降解过程；当电磁气阀A关闭，电磁气阀B开启，来自输气管路氧气经输气支管124送往发酵反应罐底部的第二进气口126，从而提高发酵罐内水体中溶解氧浓度，亦具有助于好氧微生物降解废弃物的功能。
本发明中所述发酵反应罐的上部侧壁设有以让废弃物发酵降解产生的废水排出的出水口130，废水经出水口由出水管路131通往红萍培养室下腔室的集液箱220。当循环水泵230和电磁水阀C开启，电磁水阀D关闭，集液箱内的废水依次经循环水泵230及循环水管路231上的水过滤阀260、电磁水阀A、流量调节阀236、进入顶层红萍栽培盘241，供红萍营养吸收和光合作用放氧，降低水体中NH4-N、总N、总P、COD、BOD、SS等含量，提高水体中溶解氧含量。循环水流经若干层红萍栽培盘240和溢流管250后，流回集液箱形成闭式循环。当电磁水阀C关闭，电磁水阀D开启，来自集液箱内红萍吸收后的水体，依次经循环水泵及循环水管路上的过滤阀260、电磁水阀D、输水管支路232，由发酵反应罐下部侧壁的进水口140进入发酵反应罐内与发酵罐内废水充分交换，旨在提高发酵罐内水体中溶解氧浓度，进而促进好氧微生物降解过程。
本发明中，所述的循环气泵、循环水泵以及流量调节阀均在线可调，自动控制和智能管理。
本发明中所述的发酵反应罐的盖板101开设有用以向发酵反应罐内添加废弃物的加料口150，加料口上端设有封盖151，所述发酵反应罐顶部设有电机160以驱动搅拌器旋转，所述搅拌器自下至上由若干叶轮111所组成，以使氧气充分溶解在废弃物中，以提高好氧生物降解废弃物的速度，所述发酵反应罐顶部还设有PH检测控制器170以实时监控发酵反应罐内PH值。所述发酵反应罐的底部还设有经降解后的料渣卸料口180，排出的料渣用于提供食用菌类和蔬菜的种植养分。
为了防止过滤阀堵塞循环水管路无法流通，所述的红萍培养室在循环水泵与过滤阀260之间还连通有安全回水管路234，当过滤阀260堵塞，循环水泵出水经安全回水管路234和安全阀235，直接流回集液箱，同时也可清洗过滤阀。
为了从分发挥红萍培养室的内部空间，所述红萍培养室内由上至下设有若干层红萍栽培盘240，所述每层栽培盘底部设有溢流管250与下层红萍栽培盘相连通，方便经红萍吸收和光合放氧后的水流入下一层红萍栽培盘。
为了使得满足红萍的生长需求，让其进行光合作用，所述红萍栽培盘底部设有LED灯板270。
为了过滤经红萍吸收后水中的杂质（包括颗粒物和悬浮物），所述集液箱顶部与底层红萍栽培盘242的溢流管251连接处设有滤网281，所述集液箱内部设有当水温低时用以加热废水的加热器221和用于探测水温的水温探头223，集液箱侧壁设有水位计222，以实时监控集液箱中水位的高低。所述的红萍培养室顶部设有生活废水贮罐291，所述贮罐输出端设有微量进样器，所述微量进样器输出端与顶层红萍栽培盘相连通。因红萍生长繁殖速率很快，收获的红萍将带走水分，当集液箱水位过低，微量进样器292自动开启，对红萍循环养殖水体给予补给。
本发明的工作原理及过程：
将空间实验中人的排泄物及蔬菜不可食部分等废弃物填入发酵反应罐中，从第一进气口或第二进气口通入氧气用于好氧微生物降解废弃物，启动搅拌器对废弃物进行搅拌，同时从发酵反应罐底部通入清水，辅助微生物进行降解。好氧微生物降解废弃物产生废气，例如二氧化碳和有毒有害气体，经反应罐上的排气孔通入红萍培养室的栽培盘中。由于采用好氧微生物进行降解，减少了因厌氧菌代谢产生的废氨、广氨及硫化氢灯致臭物质。气体在上升过程，经过多层红萍光合作用吸收后可基本消除二氧化碳和有毒气体，同时红萍释放出氧气以供发酵反应罐中好氧生物的降解，以完成对废弃物降解过程产生废气的净化。
发酵反应罐中微生物降解的同时产生废水，废水通入红萍培养室底部的集液箱中，经由循环水泵抽取进入顶部栽培盘中以供红萍吸收，吸收后经溢流管流入下一层的栽培盘中，水在多层栽培盘中的红萍吸收有害物质后，最后经溢流管通入集液箱中再次进行循环。循环管路上设置有电磁水阀控制水的流量，同时控制输水管支路的水进入发酵反应罐中，用于好氧微生物发酵降解，以此完成对废弃物降解过程废水的净化处理。
本发明在微生物菌落的作用下，能有效安全回收废弃物中对植物生长所需的营养物质，作为理想的营养生态肥和类土壤基质等，供食用菌和蔬菜等植物生长。
以往采用好氧微生物降解人的排泄物和蔬菜不可食部分等废弃物，虽然可以大幅度减少因厌氧菌代谢产生的甲烷等烷烃类可燃物质和废胺、广胺及硫化氢等致臭物质，但好氧微生物降解过程将会消耗氧气，并产生大量二氧化碳和有毒有害气体。本发明将红萍养殖循环系统与发酵型生化反应器有机耦合起来，处理并循环利用密闭舱内载人试验过程产生的固体废弃物，有效提高物质循环闭合度。因红萍生长繁殖速率高，光合放O2能力强，只要配置一定的红萍养殖面积，就可以释放出足够的氧气，同时吸收大量的二氧化碳。红萍可以多层养殖，层间距很小，单位空间的绿色面积很大，特别是红萍具有的超强植物萃取、去污净水和净化空气的特征，较小的占地空间内就可以消纳好氧微生物降解过程中产生大量的有毒有害气体；而且，红萍养殖循环系统依靠来自于生化反应器排除的废水，加速营养吸收和生长繁殖速率，提升光合放O2和生物降解功能。本发明中，红萍养殖循环系统与发酵型生化反应器气体和液体相互连接，相辅相成，形成良性循环。
本发明中红萍养殖循环系统仅仅与发酵型生化反应器连接，而不与受控密闭舱内气体和液体连接，确保微生物降解过程中产生有毒有害气体和液体不对密闭舱内产生任何二次污染。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1. 一种受控密闭舱内废弃物发酵处理装置，包括发酵反应罐和密闭红萍培养室，其特征在于，所述发酵反应罐内设有废料搅拌器，废弃物降解产生的废气由设于发酵反应罐上端部的排气口排出，经出气管路通往密闭红萍培养室用于红萍光合作用，所述红萍培养室内红萍释放出的氧气由红萍培养室顶部的输气管路输出，经发酵反应罐上部侧壁的第一进气口送入发酵反应罐用于废弃物的有氧降解；所述发酵反应罐的上部侧壁还设有以让废弃物发酵产生的废水排出的出水口，废水经出水管路通往红萍培养室下腔室的集液箱，所述集液箱的水经循环水泵通过循环水管路送往红萍栽培盘供红萍吸收及光合放氧后，经溢流管流回集液箱以形成闭式循环；所述循环水管路上连通有输水管支路，所述输水管支路与发酵反应罐下部侧壁的进水口相通。
2. 根据权利要求1所述的受控密闭舱内废弃物发酵处理装置，其特征在于，所述通往第一进气口的输气管路上依次设有循环气泵及电磁气阀A，所述输气管路在循环气泵与电磁气阀A之间还连通有输气支管，所述输气支管与发酵反应罐底部第二进气口相连通，所述输气支管上设有电磁气阀B。
3. 根据权利要求1所述的受控密闭舱内废弃物发酵处理装置，其特征在于，所述红萍培养室内由上至下设有若干层红萍栽培盘，所述循环水管路通往顶层红萍栽培盘，所述在通往顶层栽培盘的循环水管路上依次设有过滤阀、电磁水阀C及流量调节阀，所述过滤阀与电磁水阀C之间还连通有输水管支路，所述输水管支路上设有电磁水阀D。
4. 根据权利要求 3所述的受控密闭舱内废弃物发酵处理装置，其特征在于，所述每层栽培盘底部设有溢流管与下一层红萍栽培盘相连通，所述红萍栽培盘底部还设有LED灯板。
5. 根据权利要求1所述的受控密闭舱内废弃物发酵处理装置，其特征在于，所述发酵反应罐的盖板上开设有加料口，加料口上端设有封盖，所述发酵反应罐顶部设有电机以驱动搅拌器旋转，所述搅拌器自上至下由若干叶轮所组成，所述发酵反应罐顶部还设有与发酵反应罐相连通的PH检测控制器，所述发酵反应罐底部还设有经降解后的料渣卸料口。
6. 根据权利要求1所述的受控密闭舱内废弃物发酵处理装置，其特征在于，所述集液箱底部设有加热废水的加热器，集液箱上侧壁设有水位计，所述集液箱中部还设有水温探头，所述集液箱顶部与底层红萍栽培盘的溢流管连接处设有滤网。
7. 根据权利要求1所述的受控密闭舱内废弃物发酵处理装置，其特征在于，所述循环水泵位于集液箱底部，所述循环水管路在循环水泵与过滤阀之间还连通有回水管路，所述回水管路上设有安全阀与集液箱相连通。
8. 根据权利要求1所述的受控密闭舱内废弃物发酵处理装置，其特征在于，所述红萍培养室的顶部还设有生活废水贮罐，所述贮罐输出端设有微量进样器，所述微量进样器输出端与顶层红萍栽培盘相连通。
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CN108046854A (zh) * 2018-01-06 2018-05-18 天津大学 用于重金属吸附-菌肥发酵的菌糠再利用耦合装置和方法

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