CN108640274A - 一种集成植物培养的废水循环利用装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种集成植物培养的废水循环利用装置，包括厌氧生物反应器、好氧生物反应器、营养液循环储箱、植物栽培盘及植物光照灯组；厌氧生物反应器、好氧生物反应器、营养液循环储箱依次连接，营养液循环储箱通过营养液输送管路与植物栽培盘连接，植物栽培盘通过营养液回流管路与营养液循环储箱连接，营养液循环储箱通过营养液回水管路与厌氧生物反应器连接，植物光照灯组设于植物栽培盘上方。本发明能够将废水处理后直接回用于植物培养，同时植物生长过程中释放的有机物可以通过废水生物处理单元进行净化处理，从而形成“微生物‑植物”的废水处理与植物培养循环生态链条，实现了废水、植物营养液的循环再生，减少了水资源消耗。

Description

一种集成植物培养的废水循环利用装置
技术领域
本发明属于废水资源化与循环利用技术领域，尤其涉及一种集成植物培养的废水循环利用装置。
背景技术
废水处理与循环利用是中长期载人飞行任务的必然需求，也是资源节约型生态系统的建设需求。载人航天飞行器、近地轨道空间站、以及地外星球生存基地等密闭循环系统中污水主要由尿液、卫生废水、冷凝水、相变水(干燥废弃物产生)等组成，其中的污染物主要包括为有机物、氮、磷和其他矿物质。
目前中长期载人航天活动均采用物化技术来实现水的再生并回用于乘员饮用水及卫生用水。如和平号空间站采用“吸附/催化”技术的冷凝水回收系统对收集的冷凝水进行处理后，为乘员提供饮用水、饮食制作用水和淋浴用热水。如国际空间站采用尿液处理装置(蒸汽压缩蒸馏装置)对尿液进行处理，蒸馏液进入废水处理系统(由旋转气体分离器、颗粒物过滤器、多介质过滤床以及催化氧化反应器等)中与其它废水统一进行处理，合格出水作为乘员饮用水和电解制氧用水。
由此可知，目前空间站的水处理工艺对废水中的氮、磷等矿物质元素未曾进行有效回收。未来的星球基地受控生态生保系统中，将引进大量植物并以植物为物质循环中心，建立高级再生式生命保障和物质循环系统。因此，需要一种能够在受控生态生保系统中采用微生物处理与植物培养相结合的废水处理工艺，以提高水分回收率，有效回收废水中的氮、磷等矿物质元素，同时完成植物营养液的净化处理，在废水处理的同时实现植物生产功能。
发明内容
本发明的目的是提供一种集成植物培养的废水循环利用装置，以实现废水、植物营养液的循环再生，减少水资源消耗。
本发明提供了一种集成植物培养的废水循环利用装置，包括厌氧生物反应器、好氧生物反应器、营养液循环储箱、植物栽培盘及植物光照灯组；
厌氧生物反应器、好氧生物反应器、营养液循环储箱依次连接，营养液循环储箱通过营养液输送管路与植物栽培盘连接，植物栽培盘通过营养液回流管路与营养液循环储箱连接，营养液循环储箱通过营养液回水管路与厌氧生物反应器连接，植物光照灯组设于植物栽培盘上方；
厌氧生物反应器及好氧生物反应器，依次用于对废水进行有机物的矿化以及氮素的硝化处理；
营养液循环储箱用于储存好氧生物反应器输送的处理水与植物栽培盘的回流营养液的混合液；
植物栽培盘用于通过植物生长吸收混合液处理水中的矿物质元素，以补充植物生长过程的矿物质元素需求；
厌氧生物反应器及好氧生物反应器还用于对定期流入的混合液进行处理，以完成植物生长过程释放至营养液中的有机物的净化。
进一步地，好氧生物反应器通过污泥回流管路与厌氧生物反应器连接，用于将剩余污泥回流至厌氧生物反应器，并完成内源消化处理。
进一步地，厌氧生物反应器及好氧生物反应器均采用外置式膜生物反应器，通过超滤膜完成固液分离。
进一步地，厌氧生物反应器及好氧生物反应器的有效容积根据进水浓度和废水处理需求进行调整，以改变水力停留时间及负荷。
进一步地，植物栽培盘为基质栽培盘或水培盘。
进一步地，植物栽培盘上部的植物生长空间可调整，以满足粮食作物及蔬菜类作物的种植需求。
进一步地，植物光照灯组采用组合式LED灯，由红、蓝、白光组成，其总体强度以及各光质强度可调，以满足不同作物生长对光质光强的要求。
进一步地，废水包括用于洗漱、淋浴的卫生废水，以及包含尿液的生活废水。
借由上述方案，通过集成植物培养的废水循环利用装置，能够将废水处理后直接回用于植物培养，同时植物生长过程中释放的有机物可以通过废水生物处理单元(厌氧生物反应器、好氧生物反应器)进行净化处理，从而形成“微生物-植物”的废水处理与植物培养循环生态链条，实现了废水、植物营养液的循环再生，减少了水资源消耗。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明一种集成植物培养的废水循环利用装置的示意图。
图中标号：
1-厌氧生物反应器；2-好氧生物反应器；3-营养液循环储箱；4-植物栽培盘；5-植物光照灯组；6-营养液回流管路；7-营养液输送管路；8-营养液回水管路；9-污泥回流管路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参图1所示，本实施例提供了一种集成植物培养的废水循环利用装置，包括厌氧生物反应器1、好氧生物反应器2、营养液循环储箱3、植物栽培盘4及植物光照灯组5；
厌氧生物反应器1、好氧生物反应器2、营养液循环储箱3依次连接，营养液循环储箱3通过营养液输送管路7与植物栽培盘4连接，植物栽培盘4通过营养液回流管路6与营养液循环储箱3连接，营养液循环储箱3通过营养液回水管路8与厌氧生物反应器1连接，植物光照灯组5设于植物栽培盘5上方；
厌氧生物反应器1及好氧生物反应器2，依次用于对废水进行有机物的矿化以及氮素的硝化处理。厌氧生物反应器1和好氧生物反应器2中分别接种厌氧微生物和好氧微生物，以完成有机物降解，氨氮硝化的功能。
营养液循环储箱3用于储存好氧生物反应器2输送的处理水与植物栽培盘4的回流营养液的混合液；
植物栽培盘4用于通过植物生长吸收混合液处理水中的矿物质元素，以补充植物生长过程的矿物质元素需求；
厌氧生物反应器1及好氧生物反应器2还用于对定期流入的混合液(回流营养液)进行处理，以完成植物生长过程释放至营养液中的有机物的净化。营养液循环储箱3中的混合液可根据有机物积累情况及净化需求，回流至厌氧生物反应器1中，进而通过厌氧生物反应器1和好氧生物反应器2完成植物生物过程所释放有机物的矿化处理，实现植物营养液的净化。
该废水循环利用装置的运行方法包括以下工序：
生活废水依次经过厌氧生物反应器1和好氧生物反应器2，完成有机物的矿化以及氮素的硝化处理，随后进入营养液循环储箱3，与回流营养液混合后进入植物栽培盘4，补充植物生长过程的矿物质元素需求；植物生长过程释放至营养液中的有机物随营养液一起回流至营养液循环储箱3，营养液循环储箱中的营养液定期进入厌氧生物反应器1中，完成营养液的净化处理。
本实施例提供的废水循环利用装置，以人的生活废水(卫生废水和尿液)为处理对象，通过生物处理手段完成废水中有机物的净化处理，用于补充植物培养过程中的水分和矿物质元素需求，同时，完成植物营养液的净化处理，确保植物营养液长期循环的安全性；在完成废水处理的同时，生产植物。从而形成“微生物-植物”的废水处理与植物培养循环生态链条。该废水循环利用装置的应用场景包括各类特殊环境下的密闭循环系统，如极地科考站，荒岛密闭生态系统，潜艇等，同时适用于自然生态景区、都市农业等各类节水型应用场景，通过该废水循环利用装置能够实现生活废水、植物营养液的循环再生，减少水资源消耗。
在本实施例中，好氧生物反应器2通过污泥回流管路9与厌氧生物反应器1连接，用于将剩余污泥回流至厌氧生物反应器1，并完成内源消化处理，从而降低系统剩余污泥产量。
在本实施例中，厌氧生物反应器1及好氧生物反应器2均采用外置式膜生物反应器，通过超滤膜完成固液分离。
在本实施例中，厌氧生物反应器1及好氧生物反应器2的有效容积可以根据进水浓度和废水处理需求进行调整，以改变水力停留时间及负荷。
在本实施例中，植物栽培盘4可以为基质栽培盘或水培盘，植物栽培盘4上部的植物生长空间可调整，以满足小麦等粮食作物及生菜等蔬菜类作物的种植需求。
在本实施例中，植物光照灯组采用组合式LED灯，由红、蓝、白光组成，其总体强度以及各光质强度可调，以满足不同作物生长对光质光强的要求。
在本实施例中，废水包括用于洗漱、淋浴的卫生废水，以及包含尿液的生活废水。
应用本实施例提供的集成植物培养的废水循环利用装置，采用实际尿液和沐浴露、牙膏等卫生用品配置模拟生活废水，其中pH值7.5～8.0，TOC250～300mg/L，总氮700～800mg/L，悬浮物150～200mg/L；设置植物栽培面积1.44m2，并按图1所示构成循环体系。废水在厌氧生物反应器中的停留时间为12h，经外置管式膜过滤后进入好氧生物反应器；废水在好氧生物反应器中的停留时间为36h，经外置管式膜过滤后进入营养液循环储箱，控制好氧生物反应器内溶解氧浓度3～5mg/L；营养液循环储箱中营养液每隔30d，回流至厌氧生物反应器中进行净化处理，控制营养液循环储箱中溶解氧浓度4～6mg/L；正常模式下，根据营养液储箱中的液位以及储箱中电导率情况控制厌氧生物反应器的进水，以保证循环系统水量平衡，同时避免循环系统盐分过量积累。运行结果表明：好氧生物反应器出水pH值6.5～7.0，TOC≤15mg/L，氨氮≤2mg/L，浊度≤5NTU，亚硝酸盐氮≤1mg/L；植物营养液中TOC 14～40mg/L，氨氮0.3～2.2mg/L。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种集成植物培养的废水循环利用装置，其特征在于，包括厌氧生物反应器、好氧生物反应器、营养液循环储箱、植物栽培盘及植物光照灯组；
所述厌氧生物反应器、好氧生物反应器、营养液循环储箱依次连接，所述营养液循环储箱通过营养液输送管路与所述植物栽培盘连接，所述植物栽培盘通过营养液回流管路与所述营养液循环储箱连接，所述营养液循环储箱通过营养液回水管路与所述厌氧生物反应器连接，所述植物光照灯组设于所述植物栽培盘上方；
所述厌氧生物反应器及所述好氧生物反应器，依次用于对废水进行有机物的矿化以及氮素的硝化处理；
所述营养液循环储箱用于储存所述好氧生物反应器输送的处理水与所述植物栽培盘的回流营养液的混合液；
所述植物栽培盘用于通过植物生长吸收所述混合液处理水中的矿物质元素，以补充植物生长过程的矿物质元素需求；
所述厌氧生物反应器及好氧生物反应器还用于对定期流入的所述混合液进行处理，以完成植物生长过程释放至营养液中的有机物的净化。
2.根据权利要求1所述的一种集成植物培养的废水循环利用装置，其特征在于，所述好氧生物反应器通过污泥回流管路与所述厌氧生物反应器连接，用于将剩余污泥回流至所述厌氧生物反应器，并完成内源消化处理。
3.根据权利要求1所述的一种集成植物培养的废水循环利用装置，其特征在于，所述厌氧生物反应器及好氧生物反应器均采用外置式膜生物反应器，通过超滤膜完成固液分离。
4.根据权利要求3所述的一种集成植物培养的废水循环利用装置，其特征在于，所述厌氧生物反应器及好氧生物反应器的有效容积根据进水浓度和废水处理需求进行调整，以改变水力停留时间及负荷。
5.根据权利要求1所述的一种集成植物培养的废水循环利用装置，其特征在于，所述植物栽培盘为基质栽培盘或水培盘。
6.根据权利要求5所述的一种集成植物培养的废水循环利用装置，其特征在于，所述植物栽培盘上部的植物生长空间可调整，以满足粮食作物及蔬菜类作物的种植需求。
7.根据权利要求1所述的一种集成植物培养的废水循环利用装置，其特征在于，所述植物光照灯组采用组合式LED灯，由红、蓝、白光组成，其总体强度以及各光质强度可调，以满足不同作物生长对光质光强的要求。
8.根据权利要求1至7任一项所述的一种集成植物培养的废水循环利用装置，其特征在于，所述废水包括用于洗漱、淋浴的卫生废水，以及包含尿液的生活废水。
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