CN105107829A - 一种空间站可降解垃圾自动化处理系统及其方法 - Google Patents

Abstract

一种空间站可降解垃圾自动化处理系统及其方法，属于生物反应器自动化控制领域。所述系统主要由以下四个系统组成：垃圾暂储和粉碎系统、循环流式生物膜生物反应器、薄膜渗透蒸发系统、控制系统。该系统可完全适应微重力条件，可在空间站中处理可降解垃圾，通过对空间中生活垃圾的分解和转化，将大分子纤维素分解为寡糖，再将其生物降解为单糖，最后可转化为可回收利用的生物能源等，既可有效处理空间飞行中航天员的生活垃圾，又可以实现太空中资源的最大限度回收。

Description

一种空间站可降解垃圾自动化处理系统及其方法

技术领域

本发明属于生物反应器自动化控制领域，涉及一种应用于空间站可降解垃圾处理系统及其方法。

背景技术

未来空间站，内部空间有限，多名航天员生活会产生大量的可降解生活垃圾，如包装纸、厨房垃圾等，这些可降解生活垃圾需要通过压缩打包再运回地面，这样既占据了原本狭小的空间站生活空间，也产生了高昂的运输费用。在空间站，需要航天员完成各种的空间实验，这些也需要能源的消耗，而向空间站运输能源需要昂贵的运输费用，同时也增加了工作量。

发明内容

为了解决以上的问题，本发明提供了一种空间站可降解垃圾自动化处理系统及其操作方法，此系统能够降解部分生活垃圾，降低生活垃圾的体积和运输费用并产生生物能源。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种空间站可降解垃圾自动化处理系统，主要由以下四个系统组成：垃圾暂储和粉碎系统、循环流式生物膜生物反应器、薄膜渗透蒸发系统、控制系统，其中：

所述垃圾暂储和粉碎系统主要由垃圾储罐、粉碎机和增压泵组成，增压泵经第八电磁阀与垃圾储罐相连，垃圾储罐位于粉碎机的上端且其出料口与粉碎机的进料口相连；

所述循环流式生物膜生物反应器主要由氧气罐、废气罐、消泡剂储罐、酸储罐、碱储罐、生物膜、生物反应器、溶氧检测器、泡沫检测器、温度计、pH计、乙醇检测器和压力表组成，粉碎机的出料口通过第一电磁阀和第二电磁阀与生物反应器的进料口相连，生物反应器上设置有溶氧检测器、泡沫检测器、温度计、pH计、乙醇检测器和压力表，生物膜设置在生物反应器的内部，氧气罐经第十七电磁阀、第一除菌过滤器与生物反应器的进气口相连，生物反应器的出气口经第二除菌过滤器、第十四电磁阀与废气罐相连，消泡剂储罐经第十六电磁阀与生物反应器相连，酸储罐和碱储罐经第十五电磁阀13与生物反应器相连；

所述薄膜渗透蒸发系统主要由渗透膜、真空泵、冷阱、污水储罐、能源储罐和渗透蒸发容器组成，生物反应器的出料口经第四电磁阀、循环水泵、第五电磁阀与渗透蒸发容器的进料口相连，渗透膜安装于渗透蒸发容器中，渗透蒸发容器的气相出口经第十一电磁阀与冷阱的进料口相连，冷阱的出料口经第十三电磁阀与能源储罐相连，真空泵与冷阱连接；渗透蒸发容器的液相出口分别经第九电磁阀与污水储罐相连，经第六电磁阀与循环水泵的进水端相连；污水储罐经第八电磁阀、第六电磁阀与循环水泵相连；循环水泵的出水端经第七电磁阀、第三电磁阀与第二电磁阀的进水端相连。

所述控制系统发送指令给垃圾暂储和粉碎系统、循环流式生物膜生物反应器和薄膜渗透蒸发系统。

本发明的空间站可降解垃圾处理系统的控制过程如下：

步骤一、当垃圾储罐的垃圾体积达到总体积的1/3-1/2，启动粉碎机并增压和注水，将粉碎的原料通过第一电磁阀和第二电磁阀进入生物反应器，并继续注水，直到达到生物反应器容积的80-90％，之后关闭垃圾暂储和粉碎系统。

步骤二、启动循环水泵和第四、七、三和二电磁阀，使发酵液进行循环流动，使用溶氧检测器、泡沫检测器、温度计、pH计、乙醇检测器和压力表检测其中的各种参数，并用消泡剂和酸或碱溶液控制pH，发酵液的循环流动速度为每2-4h循环流动一次，氧气罐为微生物生长供氧气，废气罐收集产生的废气并控制反应器内部的压力。

步骤三：当发酵液的乙醇浓度达到上限，关闭第四、七、三和二电磁阀、循环水泵和生物反应器，并打开第四、五电磁阀和循环水泵，将发酵液注入渗透蒸发容器，关闭第四电磁阀，启动第六、十一和十二电磁阀，加热渗透蒸发容器，启动真空泵和冷阱，生物能源挥发并透过渗透膜，并在冷阱中冷却。

步骤四、当不再有生物能源挥发，关闭循环水泵、加热器、第五、六、十一和十二电磁阀及真空泵，打开第九电磁阀，将剩余的废液暂存入污水储罐，当达到污水储罐体积的2/3时，打开第八、六、七、十电磁阀和循环水泵，将污水注入空间站水净化处理系统，并将生物能源暂储于能源储罐。

本发明中，垃圾暂储和粉碎系统中垃圾储罐和粉碎机是一个整体，且粉碎机是低噪音或无噪音的。

本发明中，生物反应器为卧式，其外形为方形或圆形。

本发明中，生物反应器采用两套溶氧检测器、温度计、pH计、乙醇检测器。

本发明中，生物反应器中采用固定化生物膜，生物膜采用多重生物膜组件，为3-10个。

本发明中，生物膜中采用的微生物为可产生能源的微生物，其能源为可挥发性能源。

本发明中，生物反应器采用循环流动式，克服微重力环境对液体流动性的影响。

本发明中，薄膜渗透蒸发系统采用可选择透过生物能源的渗透膜，如透过乙醇或丁醇等。

本发明中，渗透蒸发容器采用循环流式，提高效率。

本发明中，渗透膜选择为以聚偏氟乙烯(PVDF)为基膜、聚二甲基硅氧烷(PDMS)为选择层制备的PDMS/PVDF复合膜，这种复合膜更加环保安全，且分离效率更好，去除率能够达到50-95％。

本发明中，冷阱是在冷却的表面上以凝结方式捕集气体的阱，与传统冷却装置相比，冷阱一方面有利于水蒸气凝结，另一方面提高了有机溶剂蒸发密度，更易于凝结。

本发明中，能源储罐的容量为10-100L。

本发明具有如下优点：

1、该系统可完全适应微重力条件，可在空间站中处理可降解垃圾，通过对空间中生活垃圾的分解和转化，将大分子纤维素分解为寡糖，再将其生物降解为单糖，最后可转化为可回收利用的生物能源等。

2、该系统能完全适应微重力环境。

3、该系统既可有效处理空间飞行中航天员的生活垃圾，又可以实现太空中资源的最大限度回收；

4、既降低了目前在空间垃圾处理方面的高昂成本，又能够节约宝贵的太空空间；

5、该系统是完全自动化的，可节省大量人力。

6、循环过程中能够保证底物与微生物的充分接触。

附图说明

图1为循环流式垃圾反应系统控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：如图1所示，本实施方式所述的空间站可降解垃圾自动化处理系统由垃圾暂储和粉碎系统、循环流式生物膜生物反应器、薄膜渗透蒸发系统和控制系统四部分组成，其中：垃圾暂储和粉碎系统主要用于储存和粉碎可降解生活垃圾，并在压力和水流的作用下，将粉碎的垃圾运入生物反应器；循环流式生物膜生物反应器主要作用在于分解和转化生活垃圾，通过分解大分子纤维素为寡糖，再分解成单糖，最后转化成生物能源等过程处理生活垃圾；薄膜渗透蒸发系统主要作用在于分离生物反应器发酵液中的生物能源等可挥发的生物能源，并暂时储存能源和反应器废水；控制系统主要目的在于控制从垃圾粉碎到乙醇发酵再到乙醇分离等整个过程，实现系统的全方位自动化。每个设备之间根据过程控制由管道和控制阀连接，具体连接关系如下：

所述垃圾暂储和粉碎系统主要由垃圾储罐1、粉碎机2和增压泵3组成，增压泵3经第八电磁阀4与垃圾储罐1相连，垃圾储罐1位于粉碎机2的上端且其出料口与粉碎机2的进料口相连；

所述循环流式生物膜生物反应器主要由氧气罐5、废气罐6、消泡剂储罐7、酸储罐8、碱储罐9、生物膜10、生物反应器11、溶氧检测器12、泡沫检测器13、温度计14、pH计15、乙醇检测器16和压力表17组成，粉碎机2的出料口通过第一电磁阀41和第二电磁阀42与生物反应器11的进料口相连，生物反应器11上设置有溶氧检测器12、泡沫检测器13、温度计14、pH计15、乙醇检测器16和压力表17。生物膜10设置在生物反应器11的内部，在该反应器中预装第一膜组件10-1、第二膜组件10-2、第三膜组件10-3三个生物膜组件，可以延长底物垃圾与微生物的接触时间，同时可以提高纤维素分解和乙醇转化这两个生物反应过程的效率。氧气罐5经第十七电磁阀18、第一除菌过滤器19与生物反应器11的进气口相连，生物反应器11的出气口经第二除菌过滤器20、第十四电磁阀21与废气罐6相连，消泡剂储罐7经第十六电磁阀22与生物反应器11相连，酸储罐8和碱储罐9经第十五电磁阀23与生物反应器11相连；

所述薄膜渗透蒸发系统主要由渗透膜24、真空泵25、冷阱26、污水储罐27、能源储罐28和渗透蒸发容器29组成，生物反应器11的出料口经第四电磁阀30、循环水泵31、第五电磁阀32与渗透蒸发容器29的进料口相连，渗透膜24安装于渗透蒸发容器29中，渗透蒸发容器29的气相出口经第十一电磁阀33与冷阱26的进料口相连，冷阱26的出料口经第十三电磁阀34与能源储罐28相连，真空泵25经第十二电磁阀35与冷阱26连接；渗透蒸发容器29的液相出口分别经第九电磁阀36与污水储罐27相连，经第六电磁阀37与循环水泵31的进水端相连；污水储罐27经第八电磁阀38、第六电磁阀37与循环水泵31相连；循环水泵31的出水端分别经第七电磁阀39、第三电磁阀40与第二电磁阀42的进水端相连，经第七电磁阀39、第十电磁阀43与空间站水净化处理系统相连。

所述控制系统用于自动化控制垃圾暂储和粉碎系统、循环流式生物膜生物反应器和薄膜渗透蒸发系统。

其具体实施步骤为：

步骤一、垃圾储罐的垃圾体积达到总体积的1/3-1/2，启动粉碎机并增压和注水，将粉碎的原料通过第一电磁阀和第二电磁阀进入生物反应器，并继续注水，直到达到生物反应器容积的80-90％，之后关闭垃圾暂储和粉碎系统。

步骤二、启动循环水泵和第四、七、三和二电磁阀，使发酵液进行循环流动，使用溶氧检测器、泡沫检测器、温度计、pH计、乙醇检测器和压力表检测其中的各种参数，并用消泡剂和酸或碱溶液控制pH，发酵液的循环流动速度为每2-4h循环流动一次。生物膜为预固定的可同步分解纤维素和发酵乙醇的酵母基因工程菌。氧气罐用于为微生物生长供氧气，而废气罐用于收集产生的废气并用于控制反应器内部的压力。

步骤三：当发酵液的乙醇浓度达到上限，关闭第四、七、三和二电磁阀、循环水泵和生物反应器，并打开第四、五电磁阀和循环水泵，将发酵液注入渗透蒸发容器，关闭第四电磁阀，启动第六、十一和十二电磁阀，加热渗透蒸发容器，启动真空泵和冷阱，生物能源挥发并透过渗透膜，并在冷阱中冷却。

步骤四、当不再有生物能源挥发，关闭循环水泵、加热器、第五、六、十一和十二电磁阀及真空泵，打开第九电磁阀，将剩余的废液暂存入污水储罐，当达到污水储罐体积的2/3时，打开第八、六、七、十电磁阀和循环水泵，将污水注入空间站水净化处理系统，并将生物能源暂储于能源储罐。

具体实施方式二：本实施方式在实施方式一的基础上，其固定生物膜的微生物为可降解纤维素，并转化成生物乙醇的基因工程菌。其步骤为：

步骤一、垃圾储罐的垃圾体积达到总体积的1/3-1/2，启动粉碎机并增压和注水，将粉碎的原料通过第一电磁阀和第二电磁阀进入生物反应器，并继续注水，直到达到生物反应器容积的80-90％，之后关闭垃圾暂储和粉碎系统。

步骤二、启动循环水泵和第四、七、三和二电磁阀，使发酵液进行循环流动，使用溶氧检测器、泡沫检测器、温度计、pH计、乙醇检测器和压力表检测其中的各种参数，并用消泡剂和酸或碱溶液控制pH，发酵液的循环流动速度为每2-4h循环流动一次。生物膜为预固定的可同步分解纤维素和发酵乙醇的酵母基因工程菌。

步骤三：当发酵液的乙醇浓度达到上限，关闭第四、七、三和二电磁阀、循环水泵和生物反应器，并打开第四、五电磁阀和循环水泵，将发酵液注入渗透蒸发容器，关闭第四电磁阀，启动第六、十一和十二电磁阀，加热渗透蒸发容器，启动真空泵和冷阱，乙醇挥发并透过乙醇分离膜，并在冷阱中冷却。

步骤四、当不再有乙醇挥发，关闭循环水泵、加热器、第五、六、十一和十二电磁阀及真空泵，打开第九电磁阀，将剩余的废液暂存入污水储罐，当达到污水储罐体积的2/3时，打开第八、六、七、十电磁阀和循环水泵，将污水注入空间站水净化处理系统，并将乙醇暂储于能源储罐。

Claims (8)

1.一种空间站可降解垃圾自动化处理系统，其特征在于所述系统由以下四个系统组成：垃圾暂储和粉碎系统、循环流式生物膜生物反应器、薄膜渗透蒸发系统、控制系统，其中：

所述垃圾暂储和粉碎系统主要由垃圾储罐、粉碎机和增压泵组成，增压泵经第八电磁阀与垃圾储罐相连，垃圾储罐位于粉碎机的上端且其出料口与粉碎机的进料口相连；

所述循环流式生物膜生物反应器主要由氧气罐、废气罐、消泡剂储罐、酸储罐、碱储罐、生物膜、生物反应器、溶氧检测器、泡沫检测器、温度计、pH计、乙醇检测器和压力表组成，粉碎机的出料口通过第一电磁阀和第二电磁阀与生物反应器的进料口相连，生物反应器上设置有溶氧检测器、泡沫检测器、温度计、pH计、乙醇检测器和压力表，生物膜设置在生物反应器的内部，氧气罐经第十七电磁阀、第一除菌过滤器与生物反应器的进气口相连，生物反应器的出气口经第二除菌过滤器、第十四电磁阀与废气罐相连，消泡剂储罐经第十六电磁阀与生物反应器相连，酸储罐和碱储罐经第十五电磁阀与生物反应器相连；

所述薄膜渗透蒸发系统主要由渗透膜、真空泵、冷阱、污水储罐、能源储罐和渗透蒸发容器组成，生物反应器的出料口经第四电磁阀、循环水泵、第五电磁阀与渗透蒸发容器的进料口相连，渗透膜安装于渗透蒸发容器中，渗透蒸发容器的气相出口经第十一电磁阀与冷阱的进料口相连，冷阱的出料口经第十三电磁阀与能源储罐相连，真空泵与冷阱连接；渗透蒸发容器的液相出口分别经第九电磁阀与污水储罐相连，经第六电磁阀与循环水泵的进水端相连；污水储罐经第八电磁阀、第六电磁阀与循环水泵相连；循环水泵的出水端经第七电磁阀、第三电磁阀与第二电磁阀的进水端相连；

所述控制系统发送指令给垃圾暂储和粉碎系统、循环流式生物膜生物反应器和薄膜渗透蒸发系统。

2.根据权利要求1所述的空间站可降解垃圾自动化处理系统，其特征在于所述生物反应器为卧式，其外形为方形或圆形。

3.根据权利要求1所述的空间站可降解垃圾自动化处理系统，其特征在于所述生物反应器采用两套溶氧检测器、温度计、pH计、乙醇检测器。

4.根据权利要求1所述的空间站可降解垃圾自动化处理系统，其特征在于所述生物反应器中采用固定化生物膜。

5.根据权利要求1所述的空间站可降解垃圾自动化处理系统，其特征在于所述生物膜采用多重生物膜组件，个数为3-10个。

6.根据权利要求1所述的空间站可降解垃圾自动化处理系统，其特征在于所述渗透膜选择为PVDF为基膜、PDMS为选择层制备的PDMS/PVDF复合膜。

7.根据权利要求1所述的空间站可降解垃圾自动化处理系统，其特征在于所述能源储罐的容量为10-100L。

8.一种利用权利要求1所述系统自动化处理空间站可降解垃圾的方法，其特征在于所述方法步骤如下：

步骤一、当垃圾储罐的垃圾体积达到总体积的1/3-1/2，启动粉碎机并增压和注水，将粉碎的原料通过第一电磁阀和第二电磁阀进入生物反应器，并继续注水，直到达到生物反应器容积的80-90％，之后关闭垃圾暂储和粉碎系统；

步骤二、启动循环水泵和第四、七、三和二电磁阀，使发酵液进行循环流动，使用溶氧检测器、泡沫检测器、温度计、pH计、乙醇检测器和压力表检测其中的各种参数，并用消泡剂和酸或碱溶液控制pH，发酵液的循环流动速度为每2-4h循环流动一次，氧气罐为微生物生长供氧气，废气罐收集产生的废气并控制反应器内部的压力；

步骤三：当发酵液的乙醇浓度达到上限，关闭第四、七、三和二电磁阀、循环水泵和生物反应器，并打开第四、五电磁阀和循环水泵，将发酵液注入渗透蒸发容器，关闭第四电磁阀，启动第六、十一和十二电磁阀，加热渗透蒸发容器，启动真空泵和冷阱，生物能源挥发并透过渗透膜，并在冷阱中冷却；

步骤四、当不再有生物能源挥发，关闭循环水泵、加热器、第五、六、十一和十二电磁阀及真空泵，打开第九电磁阀，将剩余的废液暂存入污水储罐，当达到污水储罐体积的2/3时，打开第八、六、七、十电磁阀和循环水泵，将污水注入空间站水净化处理系统，并将生物能源暂储于能源储罐。