CN109718695A - 一种空间站尿液废水模拟配置设备及配置方法 - Google Patents

Abstract

一种空间站尿液废水模拟配置设备，包括可移动机柜、收集单元、定量添加单元、预混单元、存储单元、智能控制单元、供电单元。通过各单元间相互配合，本发明实现了在地面条件下模拟空间站上尿液废水配置流程，完成对航天员尿液的自动收集和实时配置，验证了空间站上尿液废水配置流程的合理性及可靠性，同时解决了太空新型尿液废水处理技术研究所需的尿液废水配置及供应问题；触摸显示屏实时显示设备运行流程及状态信息等，并可通过触摸完成设备参数输入和设定，实现了人机交互；集成了短信收发功能，通过短信方式可获取放置于不同位置的多台设备信息及远程控制设备运行状态，大大提高了尿液收集和配置效率。

Description

一种空间站尿液废水模拟配置设备及配置方法

技术领域

本发明涉及一种空间站尿液废水模拟配置设备及配置方法，特别涉及一种针对空间站中航天员尿液废水的模拟配置设备及配置方法，属于水处理领域。

背景技术

空间站是世界尖端技术，也是我国空间技术发展的方向。中国将于2020年左右建成的空间站，将成为中国空间科学和新技术研究实验的重要基地，届时会有多名宇航员在空间站内长期生活、工作。空间站需要定期补给，代价非常高，因此必须采用再生式环境控制与生命保障系统，实现废水的闭路循环。而空间站废水中，尿液的处理难度最大且最为关键。尿液中含有高浓度的有机物、氨、氮和盐，现有地面环境下污水处理方法在太空微重力环境下均无法有效使用。因此，需在地面环境下，收集航天员尿液并通过添加定量预处理剂和水，配置成模拟空间站上待处理的航天员尿液废水，用于太空条件下新型尿液废水处理技术的研究、测试及验证等。

当前，所需的尿液废水均由人工定期收集尿液并手动进行配置，存在诸多问题和不足。一是无法对每次航天员的尿液进行实时配置，只能定期收集到一定量后再统一进行配置，此时早期收集的尿液经过一段时间放置后再添加预处理剂，处理效果会大打折扣，导致后端尿液废水处理技术的研究试验及结果评估会存在较大偏差；二是在配置时需将收集到的不同航天员的尿液量逐一进行人工测量，然后根据配比计算预处理剂及水的添加量，再通过多种量具配合进行精确添加，工作量大且极易出错。一旦配比计算或添加过程出现问题，会导致收集的尿液全部作废，只能重新收集和配置，时间成本及人力成本较高；三是无法模拟空间站上尿液废水配置流程，无法对该配置技术进行地面试验和验证。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种空间站尿液废水模拟配置设备及配置方法，实现了在地面条件下模拟空间站上工作流程，自动收集航天员尿液，并向尿液中添加预处理剂和冲洗水，然后储存到尿液废水储箱。在该过程中，设备可自动识别收集尿液量，自动完成预处理剂与冲洗水的定量添加，以及与尿液的主动混合，最后收集进入尿液废水储箱，实现尿液废水的自动收集和自动配置的功能，验证了空间站上尿液废水配置流程的合理性及可靠性，解决了太空新型尿液废水处理技术研究所需的尿液废水自动配置及供应问题。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种空间站尿液废水模拟配置设备，包括收集单元、控制单元、定量添加单元、预混单元、存储单元；

所述收集单元用于收集尿液并输出给所述预混单元；所述控制单元用于控制所述定量添加单元向所述预混单元中添加预处理剂和或冲洗水；所述预混单元用于配制尿液废水，然后将尿液废水储存到所述存储单元中。

上述空间站尿液废水模拟配置设备，所述收集单元还设有用于将尿液排出的出尿口。

上述空间站尿液废水模拟配置设备，所述定量添加单元还设有预处理剂箱、冲洗水箱、第一液位监测传感器；第一所述液位监测传感器用于同时监测所述预处理剂箱内预处理剂的液位和所述冲洗水箱内冲洗水的液位，并将监测结果发送给所述控制单元。

上述空间站尿液废水模拟配置设备，所述定量添加单元还设有定量泵和电磁阀，所述控制单元能够控制定量泵和电磁阀向所述预混单元中添加预处理剂和或冲洗水。

上述空间站尿液废水模拟配置设备，所述定量添加单元的冲洗水通过收集单元后进入所述预混单元。

上述空间站尿液废水模拟配置设备，所述预混单元还设有第二液位监测传感器、预混容器；所述第二液位监测传感器用于监测所述预混容器内尿液的液位，并将监测结果发送给所述控制单元。

上述空间站尿液废水模拟配置设备，所述预混单元还设有电机、搅拌装置，所述电机用于带动搅拌装置搅拌预混容器内的液体。

上述空间站尿液废水模拟配置设备，所述存储单元还设有第三液位监测传感器、尿液废水储箱、输出泵；所述第三液位监测传感器用于监测所述尿液废水储箱内尿液废水的液位；所述控制单元还用于控制所述输出泵将所述尿液废水储箱内的尿液废水泵出。

上述空间站尿液废水模拟配置设备，所述控制单元根据所述预混单元内尿液的液位和尿液废水的预设配置比例，控制所述定量添加单元的定量泵和电磁阀向所述预混单元中添加预处理剂和或冲洗水。

上述空间站尿液废水模拟配置设备，所述控制单元还设有用于数据显示和与用户进行数据交互的显示屏，所述控制单元能够根据用户要求设置尿液废水的预设配置比例。

上述空间站尿液废水模拟配置设备，所述控制单元还设有用于报警的报警装置，当所述定量添加单元和或所述存储单元出现异常时，所述控制单元的报警装置报警。

上述空间站尿液废水模拟配置设备，所述控制单元还设有与用户进行数据交互的送短信收发模块，当送短信收发模块收到用户发送的尿液废水的预设配置比例后，所述控制单元能够根据尿液废水的预设配置比例。

上述空间站尿液废水模拟配置设备，所述尿液废水的预设配置比例为以下质量百分含量的组份：

尿液70.5％～71.0％、预处理剂1.0％～1.5％、其余为冲洗水。

上述空间站尿液废水模拟配置设备，还包括可移动机柜，所述收集单元、定量添加单元、预混单元、存储单元、控制单元均安装在可移动机柜上。

上述空间站尿液废水模拟配置设备，还包括供电单元，所述供电单元用于为所述收集单元、控制单元、定量添加单元、预混单元、存储单元供电。

上述空间站尿液废水模拟配置设备，所述供电单元包括但不限于电池或者外接电源。

一种空间站尿液废水配置方法，采用尿液、预处理剂、水进行混合配置，所述空间站尿液废水包括以下质量百分含量的组份：

尿液70.5％～71.0％、预处理剂1.0％～1.5％、其余为水。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明实现了尿液的自动收集、液位的自动识别、预处理剂及冲洗水的自动和定量添加及主动混合、尿液废水的自动存储等功能，全程无需人工参与，解决了太空新型尿液废水处理技术研究所需的尿液废水配置及供应问题，自动化程度高，克服了现有人工方式效率低、工作量大的缺陷。

(2)可对每次航天员的尿液进行实时配置，尿液收集后立刻添加预处理剂及冲洗水，保证了预处理剂对尿液的处理效果，为后端尿液废水处理技术的研究试验及结果评估的准确性提供保证。

(3)安装了触摸显示屏，可实时显示设备运行流程、各箱体空满状态及报警点信息等，并可通过触摸完成设备参数输入和设定，实现人机交互；

(4)集成了短信收发模块，使得一名测试人员可及时获取放置于不同位置的多台设备信息，同时可通过短信指令远程控制设备运行状态，极大地提高了收集和配置效率，降低了人力成本。

(5)模拟了空间站上尿液废水配置流程，通过长时间使用和运行，对该配置技术进行充分的地面试验和验证，确保流程设置合理性及可靠性。

附图说明

图1为本发明空间站尿液废水模拟配置设备的主视示意图；

图2为本发明空间站尿液废水模拟配置设备的侧视示意图；

图3为本发明空间站尿液废水模拟配置设备的内部连接示意图；

图4为本发明空间站尿液废水模拟配置的工艺流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

一种空间站尿液废水模拟配置设备，包括可移动机柜、收集单元、定量添加单元、预混单元、存储单元、智能控制单元、供电单元；所述可移动机柜包括柜体100、吊环螺栓101、侧板102、合页或卡扣103、脚轮104、轮锁105；所述收集单元包括小便收集器200、管路a201、管路b202、管路a电磁阀203、管路b电磁阀204；所述定量添加单元包括预处理剂箱300、预处理剂管路302、冲洗水箱301、冲洗水管路303、箱盖304、第一液位监测传感器305、定量泵306、第一电磁阀307、冲洗水补充管路308；所述预混单元包括预混容器400、第二液位监测传感器401、电机402、搅拌装置403；所述存储单元包括尿液废水储箱500、尿液废水管路501、第三液位监测传感器502、尿液废水存储泵503、第二电磁阀504、尿液废水输出管路505、尿液废水输出泵506；所述智能控制单元包括单片机或PLC或DSP600、触摸显示屏601、报警装置602、短信收发模块603；所述供电单元700不限于电池供电或者外接电源。

可移动机柜中，所述吊环螺栓101安装于所述柜体100顶部，所述侧板102通过所述合页或卡扣103安装于柜体左右侧面，所述脚轮104固定于柜体100底部，所述轮锁105安装于脚轮104上，如图1所示。

收集单元中，所述小便收集器200安装于柜体正面，所述管路a201连接小便收集器出尿口和预混容器，所述管路b201连接小便收集器出尿口至下水道；所述管路a电磁阀203和所述管路b电磁阀204分别置于管路a201和管路b202中，如图2所示。

定量添加单元中，所述预处理剂添加管路302连接预处理剂箱300和预混容器400；所述冲洗水添加管路303连接冲洗水箱301至小便收集器200入水口；所述第一液位监测传感器305用于预处理剂和冲洗水液位；所述定量泵306及第一电磁阀307安装于预处理剂管路302及冲洗水管路303上；所述冲洗水补充管路308接至自来水口，如图3和图4所示。

预混单元中，所述第二液位监测传感器401用于监测预混容器400内尿液量，并通过智能控制单元实现预处理剂和冲洗水的定量添加；所述电机402安装于预混容器上，并与所述搅拌装置403连接，搅拌装置403的搅拌杆及搅拌叶片伸入预混容器内400。

存储单元中，所述尿液废水存储管路501连接预混容器400及尿液废水储箱500，所述第三液位监测传感器502用于监测尿液废水储箱500内液位；所述尿液废水存储泵503及第二电磁阀504安装于尿液废水管路501上；所述尿液废水输出管路505通过管路上输出泵506将尿液废水泵出。

智能控制单元中，采用单片机或PLC或DSP600用于实现对设备信息采集及控制；所述显示屏601不限于触摸显示屏，用于设备信息显示及参数输入；所述报警装置602不限于声、光报警器，用于异常状态时报警提示；所述短信收发模块603可将设备运行状态或者故障信息通过短信的方式发送给试验人员，同时试验人员可通过短信指令控制设备运行状态。

供电单元中，所述供电单元700不限于电池供电或者外接电源及其配套电路；电池或者外接电源实现对设备供电，配套电路用于将电池输出电压或者外接电源电压转换为设备所需电压。

所述预处理剂箱300、冲洗水箱301、预混容器400、尿液废水储箱500的箱体采用但不限于塑料材质、不锈钢材质等；管路a电磁阀203、管路b电磁阀204、第一电磁阀307、第二电磁阀504的阀体采用但不限于塑料材质、不锈钢材质等；管路a201、管路b202、冲洗水管路303、冲洗水补充管路308、尿液废水管路501、尿液废水输出管路505的管路采用但不限于塑料材质、不锈钢材质等；保证各液体不会与之发生化学反应或者腐蚀情况。所述箱体的箱盖304、507每个至少包含两种，一种箱盖安装到箱体上具良好的密封性，保证设备在移动时储箱不会因振动或者倾斜等原因导致内部液体泄漏；另一种箱盖上设有通气孔，便于设备使用过程中箱体内外压力一致确保液体顺利流出。所述各箱体液位监测传感器不限于接触式和非接触式，不限于光电式和超声波式，用于监测各箱体内液位液量。所述各箱体之间液体的流动，不限于通过箱体高低放置利用重力实现流动，不限于通过泵等动力装置实现液体流动。

所述空间站尿液废水包括以下质量百分含量的组份：

尿液70.5％～71.0％、预处理剂1.0％～1.5％、其余为水。所述预处理剂为酸性溶液。

实施例：

空间站尿液废水模拟配置设备，包括可移动机柜、收集单元、定量添加单元、预混单元、存储单元、智能控制单元、供电单元。收集单元完成尿液收集，通过定量添加单元完成预处理剂和冲洗水的定量添加，通过预混单元的搅拌装置完成尿液、预处理剂和冲洗水三者的主动混合，最后将配置好的尿液废水存储至存储单元。智能控制单元实现对设备运行状态的采集、控制及人机交互。供电单元则用于设备供电。上述所有单元集成于可移动机柜中，便于设备移动。

对于该设备的可移动机柜中，吊环螺栓101安装于柜体100顶部，优选的，侧板102通过卡扣103安装于柜体100左右侧面，脚轮104固定于柜体底部，轮锁105安装于脚轮104上，便于设备移动和锁止。

收集单元中，优选的，壁挂式小便收集器200安装于柜体100正面，航天员尿液通过小便收集器200进入后端相应管路。设备正常运行时，尿液会沿管路a201进入预混容器400，此时管路a电磁阀203打开，管路b电磁阀204关闭；当尿液废水储箱500已满或者设备出现故障无法正常运行，尿液会沿管路b202排至下水道，此时，管路b电磁阀204打开，管路a电磁阀203关闭。

尿液进入预混容器400后，第二液位监测传感器401自动检测和识别预混容器400内尿液量，优选的，PLC600会自动采集液位数据并根据预先设定的添加配比，计算出本次预处理剂添加量及冲洗水添加量，通过控制预处理剂和冲洗水定量泵306的启停实现定量添加。预处理剂定量泵启动后，存储于预处理剂箱300中的预处理剂沿管路302添加至预混容器400；冲洗水定量泵启动后，存储在冲洗水箱301中的冲洗水沿管路303先进入小便收集器200，起到冲洗作用，然后沿管路a201添加至预混容器400。箱盖304安装于箱体口，用于密封预处理剂箱300及冲洗水箱301。当第一液位监测传感器305检测到冲洗水箱301空时，可通过接至自来水口的冲洗水补充管路308补充冲洗水；当检测到冲洗水箱301满时，可通过声光报警装置602发出告警，提示停止补充冲洗水。在预处理剂和冲洗水添加过程中，若第二液位监测传感器401检测到预混容器400已满，可通过安装于各管路上第一电磁阀307自动断开管路，保证设备运行安全。

PLC600检测到预处理剂及冲洗水添加完毕后，安装于预混容器400上的电机402会按预先设定转速及运行时间开始运行，带动与之相连的搅拌装置403转动，通过伸入预混容器400内搅拌杆及搅拌叶片搅动尿液、预处理剂及冲洗水，使三者充分混合。

混合完毕后，PLC控制尿液废水存储泵503运行，将预混容器400内的尿液废水沿尿液废水管路501泵入尿液废水储箱500。当预混容器400内第二液位监测传感器401检测到预混容器400空时，表示尿液废水已全部泵入尿液废水储箱500中，此时PLC可停止尿液废水存储泵503。第三液位监测传感器502检测到尿液废水储箱500满时，可控制安装于尿液废水存储管路501上的第二电磁阀504断开管路，同时通过声光报警装置602发出告警。试验人员通过打开控制尿液废水输出管路505上的输出泵506，将尿液废水泵出。废水储箱箱盖507用于密封尿液废水储箱。

在设备运行全过程中，PLC用于实现对设备状态的采集及控制，既可实现自动运行模式，也能设置为手动运行模式。在各箱体出现液位空或满状态时，PLC除了控制声光报警装置602发出告警外，会将相关信息同步输出在触摸显示屏601上显示，使得报警信息一目了然。同时，设备运行状态或者故障信息可设定通过短信收发模块603以短信的方式发送给试验人员，同时试验人员可通过短信指令控制设备运行状态。此外，通过触摸显示屏601或者键盘等输入装置完成设备参数输入、设定运行模式等，实现人机交互。

设备的供电单元700可选用电池或者外接电源实现对设备中传感器、电磁阀、报警装置等供电，配套电路则用于将电池输出电压或者外接电源电压转换为设备所需电压。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (17)

1.一种空间站尿液废水模拟配置设备，其特征在于：包括收集单元、控制单元、定量添加单元、预混单元、存储单元；

所述收集单元用于收集尿液并输出给所述预混单元；所述控制单元用于控制所述定量添加单元向所述预混单元中添加预处理剂和或冲洗水；所述预混单元用于配制尿液废水，然后将尿液废水储存到所述存储单元中。

2.根据权利要求1所述的一种空间站尿液废水模拟配置设备，其特征在于：所述收集单元还设有用于将尿液排出的出尿口。

3.根据权利要求1所述的一种空间站尿液废水模拟配置设备，其特征在于：所述定量添加单元还设有预处理剂箱(300)、冲洗水箱(301)、第一液位监测传感器(305)；第一所述液位监测传感器(305)用于同时监测所述预处理剂箱(300)内预处理剂的液位和所述冲洗水箱(301)内冲洗水的液位，并将监测结果发送给所述控制单元。

4.根据权利要求1所述的一种空间站尿液废水模拟配置设备，其特征在于：所述定量添加单元还设有定量泵(306)和电磁阀(307)，所述控制单元能够控制定量泵(306)和电磁阀(307)向所述预混单元中添加预处理剂和或冲洗水。

5.根据权利要求4所述的一种空间站尿液废水模拟配置设备，其特征在于：所述定量添加单元的冲洗水通过收集单元后进入所述预混单元。

6.根据权利要求1所述的一种空间站尿液废水模拟配置设备，其特征在于：所述预混单元还设有第二液位监测传感器(401)、预混容器(400)；所述第二液位监测传感器(401)用于监测所述预混容器(400)内尿液的液位，并将监测结果发送给所述控制单元。

7.根据权利要求5所述的一种空间站尿液废水模拟配置设备，其特征在于：所述预混单元还设有电机(402)、搅拌装置(403)，所述电机(402)用于带动搅拌装置(403)搅拌预混容器(400)内的液体。

8.根据权利要求1所述的一种空间站尿液废水模拟配置设备，其特征在于：所述存储单元还设有第三液位监测传感器(502)、尿液废水储箱(500)、输出泵(506)；所述第三液位监测传感器(502)用于监测所述尿液废水储箱(500)内尿液废水的液位；所述控制单元还用于控制所述输出泵(506)将所述尿液废水储箱(500)内的尿液废水泵出。

9.根据权利要求1所述的一种空间站尿液废水模拟配置设备，其特征在于：所述控制单元根据所述预混单元内尿液的液位和尿液废水的预设配置比例，控制所述定量添加单元的定量泵(306)和电磁阀(307)向所述预混单元中添加预处理剂和或冲洗水。

10.根据权利要求1所述的一种空间站尿液废水模拟配置设备，其特征在于：所述控制单元还设有用于数据显示和与用户进行数据交互的显示屏(601)，所述控制单元能够根据用户要求设置尿液废水的预设配置比例。

11.根据权利要求1所述的一种空间站尿液废水模拟配置设备，其特征在于：所述控制单元还设有用于报警的报警装置(602)，当所述定量添加单元和或所述存储单元出现异常时，所述控制单元的报警装置(602)报警。

12.根据权利要求1所述的一种空间站尿液废水模拟配置设备，其特征在于：所述控制单元还设有与用户进行数据交互的送短信收发模块(603)，当送短信收发模块(603)收到用户发送的尿液废水的预设配置比例后，所述控制单元能够根据尿液废水的预设配置比例。

13.根据权利要求9或10或12所述的一种空间站尿液废水模拟配置设备，其特征在于：所述尿液废水的预设配置比例为以下质量百分含量的组份：

尿液70.5％～71.0％、预处理剂1.0％～1.5％、其余为冲洗水。

14.根据权利要求1所述的一种空间站尿液废水模拟配置设备，其特征在于：还包括可移动机柜，所述收集单元、定量添加单元、预混单元、存储单元、控制单元均安装在可移动机柜上。

15.根据权利要求1所述的一种空间站尿液废水模拟配置设备，其特征在于：还包括供电单元，所述供电单元用于为所述收集单元、控制单元、定量添加单元、预混单元、存储单元供电。

16.根据权利要求15所述的一种空间站尿液废水模拟配置设备，其特征在于：所述供电单元包括但不限于电池或者外接电源。

17.一种空间站尿液废水配置方法，其特征在于：采用尿液、预处理剂、水进行混合配置，所述空间站尿液废水包括以下质量百分含量的组份：

尿液70.5％～71.0％、预处理剂1.0％～1.5％、其余为水。