CN108264192A - 用于密闭环境的饮用水原位制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的用于密闭环境的饮用水原位制备方法，包括：步骤一、利用好氧膜生物反应器对空气冷凝水处理，利用好氧微生物完成对空气冷凝水中有机物的降解以及氨氮的硝化处理；步骤二、利用纳滤膜对膜生物反应器出水进行过滤截留，以去除膜生物反应器出水中部分有机物和无机盐；步骤三、纳滤膜出水通过反渗透膜，对水中的残余有机物进行进一步去除，同时去除水中的无机盐；步骤四、反渗透膜出水通过离子交换树脂完成对残余氨氮的去除；步骤五、离子交换树脂出水通过聚碘消毒和矿化处理后，制成饮用水。本发明的用于密闭环境的饮用水原位制备方法有益效果是：本发明的技术方案以生物法MBR为核心、结合纳滤反渗透膜以及离子交换等保障性工序的新工艺实现对冷凝水高效安全低耗的再生利用。
Description
技术领域
本发明涉及饮用水净化，特别是涉及一种用于密闭环境的饮用水原位制备方法。
背景技术
密闭环境如载人航天器、地面模拟密闭生态循环系统中的水循环管理至关重要，一方面要解决人和动植物的供水，另一方面又要能实现循环利用，减少外部水分的补给。
目前，美国、俄罗斯两国的载人航天器中，其水循环模式即收集密闭环境中的空气冷凝水，而后通过过滤、吸附、催化氧化、离子交换等方法去除水中的污染物质，供给宇航员生活及饮用。载人航天器由于空间狭小，总循环水量较小，人体呼吸代谢产物、设备材料释放的挥发性物质等较易富集在空气冷凝水中，导致冷凝水中污染物含量较高。根据载人飞船、国际空间站等飞行结果，可知空气冷凝水中，TOC可达170mg/L，氨氮可达40mg/L。其污染物主要是一些有机醇、酸等小分子有机物以及氨氮等无机物，其中醇类占很大部分，这些小分子极性有机物难以通过过滤吸附的方式去除，并且对于长期太空作业的载人航天器，补给过滤吸附类耗材会带来额外的成本。催化氧化对大分子有机物有较好的降解作用，但对于小分子有机物，同样存在矿化难的缺点，且催化氧化技术对于能耗要求较高。因此，对于更长期运行的密闭循环系统而言，需要寻找更为稳定低耗的处理方法。尤其对于有高等植物等生产者参与的密闭生态循环系统，其水循环的体量大大增加，对新方法的需求更显著。
根据空气冷凝水中污染物组成及含量特点，采用生物处理与物化处理相结合的方式具备较好的优势，利用微生物的分解作用完成对冷凝水中有机物的矿化降解，而后通过膜过滤、离子交换等手段去除无机污染物，能较大程度降低吸附剂、催化剂等消耗品的使用量，较大程度降低催化氧化过程的能量消耗。但是现有技术中还没有可以实现上述废水处理工艺的方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种经济高效的，生物处理与物化处理相结合的，可以满足密闭环境中人日常生活的卫生以及饮用水需求的用于密闭环境的饮用水原位制备方法。
本发明的用于密闭环境的饮用水原位制备方法，包括：
步骤一、利用好氧膜生物反应器对空气冷凝水处理，利用好氧微生物完成对空气冷凝水中有机物的降解以及氨氮的硝化处理；
步骤二、利用纳滤膜对膜生物反应器出水进行过滤截留，以去除膜生物反应器出水中部分有机物和无机盐；
步骤三、纳滤膜出水通过反渗透膜，对水中的残余有机物进行进一步去除，同时去除水中的无机盐；
步骤四、反渗透膜出水通过离子交换树脂完成对残余氨氮的去除；
步骤五、离子交换树脂出水通过聚碘消毒和矿化处理后，制成饮用水。
本发明的用于密闭环境的饮用水原位制备方法，其中，所述步骤一中的利用好氧膜生物反应器对空气冷凝水处理包括两级处理，空气冷凝水先进入一级膜生物反应器，然后再进入二级膜生物反应器，两级膜生物反应器的微生物环境相互隔离，独立控制，一级膜生物反应器中完成大部分有机物的降解，二级膜生物反应器中完成氨氮向硝氮的转化。
本发明的用于密闭环境的饮用水原位制备方法，其中，好氧膜生物反应器采用中空纤维膜完成固液分离，使微生物保留在膜生物反应器中，中空纤维膜过滤后的水进入后续处理工序，一级膜生物反应器和二级膜生物反应器分别单独安装各自的中空纤维膜。
本发明的用于密闭环境的饮用水原位制备方法，其中，一级膜生物反应器水力停留时间范围为24～96h，二级膜生物反应器水力停留时间范围为12～48h。
本发明的用于密闭环境的饮用水原位制备方法，其中，步骤二纳滤膜产生的浓水以及步骤三反渗透膜产生的浓水回流至纳滤膜前段的中间水箱后，再次通过纳滤膜和反渗透膜处理，当中间水箱中电导率达到一定数值后，将中间水箱中部分浓液外排至其他应用场所。
本发明的用于密闭环境的饮用水原位制备方法，其中，所述步骤二纳滤膜产生的水经过紫外消毒成为卫生用水。
本发明的用于密闭环境的饮用水原位制备方法，其中，所述步骤五中的离子交换树脂采用强酸性阳离子交换树脂。
本发明的用于密闭环境的饮用水原位制备方法，其中，步骤一、步骤二、步骤三、步骤四、步骤五均为全自动控制，通过中间水箱、卫生水箱以及饮用水箱的液位情况实现自动产水控制，通过膜生物反应器中的中空纤维膜、纳滤膜以及反渗透膜的跨膜压差来实现膜组件的自动反冲洗或更换提示，卫生水箱以及饮用水箱中安装pH传感器、电导率传感器以及TOC传感器，以自动检测卫生水和饮用水水质。
本发明的用于密闭环境的饮用水原位制备方法，其中，所述空气冷凝水来源于密闭舱体或密闭环境中的温湿度控制装置。
本发明的用于密闭环境的饮用水原位制备方法有益效果是：本发明的技术方案以生物法MBR为核心、结合纳滤反渗透膜以及离子交换等保障性工序的新工艺实现对冷凝水高效安全低耗的再生利用。具体有如下几点优势：
(1)高效稳定。本方法通过两级膜生物反应器的有机物降解作用，以及纳滤、反渗透等膜过滤作用，去除绝大部分有机物和无机污染物，而后通过离子交换等处理，进一步保障水中氨氮等污染物的去除效果；通过各类水箱容器中的紫外灭菌措施以及专门的聚碘消毒处理工序，充分保障了产水中的微生物学指标，高效稳定的保障了出水水质。
(2)低物质消耗。本方法中有机物的去除大部分通过微生物的分解作用去除，大大降低了后续膜过滤及离子交换的污染物去除负荷，同时不再需要吸附、催化氧化等物化的有机物去除手段，较大程度上降低了对吸附剂、催化剂等材料和设备的消耗。同时，本方法中离子交换仅用来保障最后产水中的氨氮去除效果，而大部分氨氮通过微生物氧化作用转化成了硝氮，而后被反渗透膜截留，因此离子交换的功能更多的是额外的保障性措施，其树脂消耗量很低。
(3)低能耗。本方法中微生物的分解作用在常温常压下进行，替代了需要高温高压的催化氧化工序，系统能耗得以较大程度上的降低。
附图说明
图1为实现本发明的用于密闭环境的饮用水原位制备方法的装置的结构示意图。
图中，1.一级膜生物反应器；2.二级膜生物反应器；3.中间水箱；4.纳滤装置；5.卫生水箱；6.反渗透装置；7.离子交换柱；8.聚碘消毒柱；9.矿化柱；10.饮用水箱。
具体实施方式
本发明的用于密闭环境的饮用水原位制备方法，包括：
步骤一、利用好氧膜生物反应器对空气冷凝水处理，利用好氧微生物完成对空气冷凝水中有机物的降解以及氨氮的硝化处理；
步骤二、利用纳滤膜对膜生物反应器出水进行过滤截留，以去除膜生物反应器出水中部分有机物和无机盐；
步骤三、纳滤膜出水通过反渗透膜，对水中的残余有机物进行进一步去除，同时去除水中的无机盐；
步骤四、反渗透膜出水通过离子交换树脂完成对残余氨氮的去除；
步骤五、离子交换树脂出水通过聚碘消毒和矿化处理后，制成饮用水。
本发明的用于密闭环境的饮用水原位制备方法，其中，所述步骤一中的利用好氧膜生物反应器对空气冷凝水处理包括两级处理，空气冷凝水先进入一级膜生物反应器，然后再进入二级膜生物反应器，两级膜生物反应器的微生物环境相互隔离，独立控制，一级膜生物反应器中完成大部分有机物的降解，二级膜生物反应器中完成氨氮向硝氮的转化。
本发明的用于密闭环境的饮用水原位制备方法，其中，好氧膜生物反应器采用中空纤维膜完成固液分离，使微生物保留在膜生物反应器中，中空纤维膜过滤后的水进入后续处理工序，一级膜生物反应器和二级膜生物反应器分别单独安装各自的中空纤维膜。
本发明的用于密闭环境的饮用水原位制备方法，其中，一级膜生物反应器水力停留时间范围为24～96h，二级膜生物反应器水力停留时间范围为12～48h。
本发明的用于密闭环境的饮用水原位制备方法，其中，步骤二纳滤膜产生的浓水以及步骤三反渗透膜产生的浓水回流至纳滤膜前段的中间水箱后，再次通过纳滤膜和反渗透膜处理，当中间水箱中电导率达到一定数值后，将中间水箱中部分浓液外排至其他应用场所。
本发明的用于密闭环境的饮用水原位制备方法，其中，所述步骤二纳滤膜产生的水经过紫外消毒成为卫生用水。
本发明的用于密闭环境的饮用水原位制备方法，其中，所述步骤五中的离子交换树脂采用强酸性阳离子交换树脂。
本发明的用于密闭环境的饮用水原位制备方法，其中，步骤一、步骤二、步骤三、步骤四、步骤五均为全自动控制，通过中间水箱、卫生水箱以及饮用水箱的液位情况实现自动产水控制，通过膜生物反应器中的中空纤维膜、纳滤膜以及反渗透膜的跨膜压差来实现膜组件的自动反冲洗或更换提示，卫生水箱以及饮用水箱中安装pH传感器、电导率传感器以及TOC传感器，以自动检测卫生水和饮用水水质。
本发明的用于密闭环境的饮用水原位制备方法，其中，所述空气冷凝水来源于密闭舱体或密闭环境中的温湿度控制装置，如植物蒸腾作用产生的蒸腾水汽、人体呼吸代谢排气，经冷却之后形成的冷凝水。
本发明的用于密闭环境的饮用水原位制备方法针对卫生用水(含洗漱、淋浴、冲厕等用水)和饮用水的不同水质要求，采取分质供水的模式，经过好氧MBR处理、纳滤、以及紫外消毒处理后提供卫生用水；经过反渗透、离子交换、聚碘消毒、矿化处理后提供饮用水。
本发明的用于密闭环境的饮用水原位制备方法通过全方位的灭菌措施，充分保证饮用水的微生物指标，使得出水达到直饮水标准。包括在所有水箱(中间水箱、卫生水箱、饮用水箱)中设置紫外灭菌设施，以及在饮用水净化工序中设置聚碘消毒工序。
本发明的用于密闭环境的饮用水原位制备方法可以实现密闭环境中的水再生循环。
本发明的用于密闭环境的饮用水原位制备方法以好氧膜生物反应器为核心，结合纳滤、反渗透、离子交换等手段实现对空气冷凝水高效安全低能耗的再生利用。
本发明的用于密闭环境的饮用水原位制备方法提供一种适用于密闭环境的，以密闭环境中的空气冷凝水(植物蒸腾冷凝水、人体呼吸代谢冷凝水)为处理对象，原位制备生产饮用水的方法，通过微生物处理技术与物化处理技术相结合去除水中的污染物达到卫生用水以及饮用水要求的新型再生水回用技术，具体涉及的是一种“两级好氧MBR+纳滤+反渗透+离子交换+聚碘消毒+矿化+紫外消毒”的水质深度净化技术。本发明应用场景包括各类特殊环境下的密闭循环系统，如载人航天器，空间站，极地科考站，荒岛密闭生态系统，潜艇等，通过本发明的应用实现密闭循环系统中水的循环再生，原位解决人的饮水用水需求，减少外源水分补给。
本发明的用于密闭环境的饮用水原位制备方法有益效果是：本发明的技术方案以生物法MBR为核心、结合纳滤反渗透膜以及离子交换等保障性工序的新工艺实现对冷凝水高效安全低耗的再生利用。具体有如下几点优势：
(1)高效稳定。本方法通过两级膜生物反应器的有机物降解作用，以及纳滤、反渗透等膜过滤作用，去除绝大部分有机物和无机污染物，而后通过离子交换等处理，进一步保障水中氨氮等污染物的去除效果；通过各类水箱容器中的紫外灭菌措施以及专门的聚碘消毒处理工序，充分保障了产水中的微生物学指标，高效稳定的保障了出水水质。
(2)低物质消耗。本方法中有机物的去除大部分通过微生物的分解作用去除，大大降低了后续膜过滤及离子交换的污染物去除负荷，同时不再需要吸附、催化氧化等物化的有机物去除手段，较大程度上降低了对吸附剂、催化剂等材料和设备的消耗。同时，本方法中离子交换仅用来保障最后产水中的氨氮去除效果，而大部分氨氮通过微生物氧化作用转化成了硝氮，而后被反渗透膜截留，因此离子交换的功能更多的是额外的保障性措施，其树脂消耗量很低。
(3)低能耗。本方法中微生物的分解作用在常温常压下进行，替代了需要高温高压的催化氧化工序，系统能耗得以较大程度上的降低。
实施例
一种实现本发明的用于密闭环境的饮用水原位制备方法的装置的结构如图1所示，一级膜生物反应器1、二级膜生物反应器2、中间水箱3、纳滤装置4、卫生水箱5、反渗透装置6、离子交换柱7、聚碘消毒柱8、矿化柱9、饮用水箱10依次通过管路连接在一起。箭头表示空气冷凝水净化处理的方向。
根据国际空间站中空气冷凝水水质情况，采用乙醇、乙酸、乙二醇、异丙醇、丙二醇等小分子有机物配置空气冷凝水有机成分，采用氯化铵、氯化钠、硫酸钾、硫酸钠等无机物配置空气冷凝水无机成分，所配置口空气冷凝水综合指标为TOC含量170mg/L，氨氮浓度40mg/L，总无机物含量55mg/L。模拟空气冷凝水首先进入好氧膜生物反应器中，一级膜生物反应器停留时间为24h，二级膜生物反应器水力停留时间为12h，反应器中溶解氧浓度维持在2mg/L以上；在膜生物反应器中完成大部分有机物的矿化降解，并将大部分氨氮转化成硝氮，而后通过纳滤膜过滤，拦截少部分有机物以及高价态离子，进入卫生水箱，提供卫生用水；卫生水箱中的水，后续逐步通过反渗透、离子交换、聚碘消毒完成对水中残余的小分子有机物、氨氮等无机盐以及细菌等微生物的去除，最后通过矿化柱添加适量人体需求的微量元素后进入饮用水箱，提供饮用水。最后饮用水出水水质中TOC<1mg/L；氨氮：<0.5mg/L；pH：6.7～8.2；EC:3.2～12.2uS/cm，其他各项指标也均满足《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)的要求。系统总的产水率为95.3％。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于密闭环境的饮用水原位制备方法，其特征在于，包括：
步骤一、利用好氧膜生物反应器对空气冷凝水处理，利用好氧微生物完成对空气冷凝水中有机物的降解以及氨氮的硝化处理；
步骤二、利用纳滤膜对膜生物反应器出水进行过滤截留，以去除膜生物反应器出水中部分有机物和无机盐；
步骤三、纳滤膜出水通过反渗透膜，对水中的残余有机物进行进一步去除，同时去除水中的无机盐；
步骤四、反渗透膜出水通过离子交换树脂完成对残余氨氮的去除；
步骤五、离子交换树脂出水通过聚碘消毒和矿化处理后，制成饮用水。
2.如权利要求1所述的用于密闭环境的饮用水原位制备方法，其特征在于，所述步骤一中的利用好氧膜生物反应器对空气冷凝水处理包括两级处理，空气冷凝水先进入一级膜生物反应器，然后再进入二级膜生物反应器，两级膜生物反应器的微生物环境相互隔离，独立控制，一级膜生物反应器中完成大部分有机物的降解，二级膜生物反应器中完成氨氮向硝氮的转化。
3.根据权力要求2中所述的用于密闭环境的饮用水原位制备方法，其特征在于，好氧膜生物反应器采用中空纤维膜完成固液分离，使微生物保留在膜生物反应器中，中空纤维膜过滤后的水进入后续处理工序，一级膜生物反应器和二级膜生物反应器分别单独安装各自的中空纤维膜。
4.根据权利要求3所述的用于密闭环境的饮用水原位制备方法，其特征在于，一级膜生物反应器水力停留时间范围为24～96h，二级膜生物反应器水力停留时间范围为12～48h。
5.根据权利要求4所述的用于密闭环境的饮用水原位制备方法，其特征在于，步骤二纳滤膜产生的浓水以及步骤三反渗透膜产生的浓水回流至纳滤膜前段的中间水箱后，再次通过纳滤膜和反渗透膜处理，当中间水箱中电导率达到一定数值后，将中间水箱中部分浓液外排至其他应用场所。
6.根据权利要求5所述的用于密闭环境的饮用水原位制备方法，其特征在于，所述步骤二纳滤膜产生的水经过紫外消毒成为卫生用水。
7.根据权利要求6所述的用于密闭环境的饮用水原位制备方法，其特征在于，所述步骤五中的离子交换树脂采用强酸性阳离子交换树脂。
8.根据权利要求7所述的用于密闭环境的饮用水原位制备方法，其特征在于，步骤一、步骤二、步骤三、步骤四、步骤五均为全自动控制，通过中间水箱、卫生水箱以及饮用水箱的液位情况实现自动产水控制，通过膜生物反应器中的中空纤维膜、纳滤膜以及反渗透膜的跨膜压差来实现膜组件的自动反冲洗或更换提示，卫生水箱以及饮用水箱中安装pH传感器、电导率传感器以及TOC传感器，以自动检测卫生水和饮用水水质。
9.根据权利要求8所述的用于密闭环境的饮用水原位制备方法，其特征在于，所述空气冷凝水来源于密闭舱体或密闭环境中的温湿度控制装置。
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