CN113109531A - 一种变重力微生态物质转化再生系统试验装置及其试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变重力微生态物质转化再生系统试验装置及其试验方法，包括微生物反应器模块、数据采集模块、二氧化碳模块和马达模块；微生物反应器模块包括设置于机柜外壳内的反应器；反应器通过连接轴与气电滑环连接，用于反应器旋转实现反应器内部的变重力；数据采集模块包括安装于反应器一侧的pH传感器、溶解氧传感器和COD传感器；反应器的另一侧与马达模块驱动连接；反应器上安装电池组电极接线盒，电池组电极接线盒与LED灯电连接；二氧化碳模块包括与反应器连通的CO2气罐。

Description

一种变重力微生态物质转化再生系统试验装置及其试验方法
技术领域
本发明属于微生态物质试验装置的技术领域，具体涉及一种变重力微生态物质转化再生系统试验装置及其试验方法。
背景技术
随着我国城市经济的快速发展，城市规模日益膨胀，城市环境基础设施不足，大量污染物入河，水体中COD氮、磷等污染物浓度超标，河流水体污染严重，出现季节性或终年黑臭水体，生态系统结构严重失衡，影响景观及人类生产和健康，成为目前极为突出的城市水环境问题。
污水中较高的氮元素极易造成水体的富营养化，对环境造成污染，因此对污水进行深度脱氮具有重要的意义。在污水脱氮反硝化过程中需要充足的碳源，碳源的不足会使脱氮的效果受到影响，因此通常需要额外投加碳源来改善污水的碳氮比、优化脱氮条件，从而提高污水的脱氮效果。
但现有的微生物燃料电池并不具有变重力的条件，不能模拟微生物生活的更多场所，具有较大的局限性。
除此，如何获取外界资源以及处理废物是人类在外太空环境生存的重要挑战。在星球基地封闭舱室中模拟地球生态系统构建一个完备的、高度闭合的舱内元素/物质循环体系已成为越来越迫切的需求。然而，受制于当今技术发展和载人航天任务的特殊性，现有的环境控制与生命保障系统仍主要采用物理-化学方法对舱内大气、水、废弃物进行有限的处理及利用。
微生物燃料电池(MFC)是以酶或阳极微生物作为催化剂，通过其代谢作用降解有机物，实现生物质能转化为电能的装置。MFC以阳极微生物为催化剂催化氧化底物，产生电子、质子和CO2，电子传递到阳极表面并通过外接导线到达阴极，质子由质子交换膜传递到阴极，电子、质子和最终电子受体在阴极相结合被消耗，实现了高效去除污染物的同时产生电能。但是，在变重力环境下微生态物质转化研究主要依靠微重力塔、旋转仪、飞机抛物线运动、平面气浮试验系统、水浮试验系统、吊丝配重试验系统等来实现地面微/低重力模拟。然而上述装置具有模拟时间短、维护费用高、重力补偿精度不高等缺点，不利于开展长期微重力和变重力试验，无法评价外太空重力环境下微生态物质转化能力。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种变重力微生态物质转化再生系统试验装置及其试验方法，以解决或改善上述的问题。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种变重力微生态物质转化再生系统试验装置及其试验方法，其包括微生物反应器模块、数据采集模块、二氧化碳模块和马达模块；微生物反应器模块包括设置于机柜外壳内的反应器；反应器通过连接轴与气电滑环连接，用于反应器旋转实现反应器内部的变重力；数据采集模块包括安装于反应器一侧的pH传感器、溶解氧传感器和COD传感器；反应器的另一侧与马达模块驱动连接；反应器上安装电池组电极接线盒，电池组电极接线盒与LED灯电连接；二氧化碳模块包括与反应器连通的CO2气罐。
进一步地，CO2气罐与反应器连通的管路上依次安装流量计、电磁阀、单向阀和曝气膜连通。
进一步地，曝气膜安装于反应器内部。
进一步地，反应器通过传动轴活动固定于安装座上。
进一步地，马达模块包括容置于机柜外壳内的旋转马达，旋转马达的输出轴和反应器上的传动轴之间通过同步带联动相连。
进一步地，机柜外壳侧面上固定用于提供反应器光源的LED光源。
进一步地，机柜外壳内安装若干个用于记录拍摄反应器的摄像头，摄像头与显示器电性连接。
一种变重力微生态物质转化再生系统试验装置的试验方法，包括：
S1、将污水泵入反应器中；
S2、向反应器中供给二氧化碳，直至反应器中的pH值小于6.5，同时检测二氧化碳的通入量；
S3、启动旋转马达，带动反应器旋转实现污水/培养液的离心培养，同时通过旋转马达旋转让反应器内部藻类悬浮，通过控制旋转马达旋转速度达到1/6重力加速度或0.4倍重力加速度，同时检测反应器中的水质；
S4、单独将反应器取出，进行藻类检测；
S5、控制调节LED光源光照时长和强度，监测反应器水质参数；
S6、通过LED灯，检测反应器产电性能；
S7、通过摄像头拍摄微重力条件下反应器中液体/气体的流动特征。
进一步地，LED光源16小时开，8小时关；当反应器开始旋转，实时检测水质，对水质间隔采样，初始间隔时间为2分钟采集1次。
进一步地，还包括：
反应器中，若水质传感器检测到水里的溶解氧小于4mg/L时，则开启LED光源，直至溶解氧大于10时关闭LED光源，继续执行16/8小时白/黑制；若pH值大于8，则充入CO2；若pH值小于6，则关闭LED光源，当PH值大于6时，继续执行16/8小时白/黑制。
本发明提供的变重力微生态物质转化再生系统试验装置及其试验方法，具有以下有益效果：
本发明通过马达带动反应器旋转，实现反应器内物质循环流动，同时通过旋转马达旋转让反应器内部藻类悬浮，通过控制旋转马达旋转速度达到1/6重力加速度或0.4倍重力加速度，用于实现微生物的变重力环境；再根据电池组电极接线外接的LED灯检测耦合的反应器的产电性能。
本发明可面向未来长航时、深空载人航天任务，提出在空间站上运行微生态物质转化再生系统试验装置，利用空间站微弱重力特点，通过装置施加离心加速度实现变重力环境，模拟未来月球基地、火星基地，开展微生物外太空环境的适应性研究。
附图说明
图1为变重力微生态物质转化再生系统试验装置的结构图。
图2为变重力微生态物质转化再生系统试验装置的工作原理图。
图3为变重力微生态物质转化再生系统试验装置的流体原理图。
图4为变重力微生态物质转化再生系统试验装置的控制系统框图。
图5为变重力微生态物质转化再生系统试验装置试验装置布局图。
图6为供电输入接口。
其中，1、CO2气罐；2、流量计；3、电磁阀；4、单向阀；5、曝气膜；6、pH传感器；7、溶解氧传感器；8、COD传感器；9、反应器；10、旋转马达；11、气电滑环；12、同步带；13、显示器；14、曝气头；15、LED光源；16、安装座；17、传动轴；18、机柜外壳。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
根据本申请的一个实施例，参考图1，本方案的变重力微生态物质转化再生系统试验装置，包括微生物反应器9模块、数据采集模块、二氧化碳模块和马达模块。
微生物反应器9模块包括设置于机柜外壳18内的反应器9，用于作为微生物燃料电池-藻类光合生物耦合反应场所。
反应器9通过连接轴与气电滑环11连接，在旋转马达18和同步带12的配合下，用于反应器9旋转实现反应器9内部的变重力。
需要注意的是，本实施例在地面上实现的是变离心加速度，地球重力始终无法消除。而将本发明装置放入空间站中，即可将离心加速度变为重力；由于空间站基本没有重力，改变容器旋转速度就能实现重力的改变。
数据采集模块包括pH传感器6、溶解氧传感器7和COD传感器8，pH传感器6、溶解氧传感器7和COD传感器8均安装于反应器9上，用于实时采集反应器9中的水质参数。
马达模块包括旋转马达10，用于提供驱动力，带动反应器9旋转，模拟变重力环境。
反应器9的另一侧与旋转连接，反应器9上安装电池组电极接线盒，电池组电极接线盒与LED灯电连接，用于验证反应器9产生的电能。
二氧化碳模块包括与反应器9连通的CO2气罐1，CO2气罐1与反应器9连通的管路上依次安装流量计2、电磁阀3、单向阀4和曝气膜5连通。
曝气膜5安装于反应器9内部，反应器9通过传动轴17活动固定于安装座16上。
容置于机柜外壳18内的旋转马达10的输出轴和反应器9上的传动轴17之间通过同步带12联动相连。
机柜外壳18侧面上固定用于提供反应器9光源的LED光源15。
机柜外壳18内安装若干个用于记录拍摄反应器9的摄像头，摄像头与显示器13电性连接。
本发明试验装置的参数为：
机柜外壳18装置尺寸：宽440mm、高331mm、深600mm；
最大净重：≤49.0kg；
供电电压：≤28V DC(实验室电压220V，配一个降压模块220V转28V，该模板位于试验装置外)；
供电峰值：≤100W；
装置电池玻璃容器的有效容积：≤2L；
具备在线实时测量COD、溶解氧、pH值、温度等；
试验装置实现微生物变重力培养，离心加速度范围0～2g；
具备微生物燃料电池储存电和放电功能，能点亮川大LED logo；
具备数据自动采集到U盘和网络数据传送功能。
参考图2，本发明的试验方法，包括：
S1、将污水储袋中的污水手动泵入微生物燃料电池-藻类光合生物耦合的反应器9中；
S2、缓慢向反应器9中供给二氧化碳，直至反应器9中的pH值小于6.5，同时检测二氧化碳的通入量。并且，在反应器9运行过程中当反应器9中的pH值大于8时，打开CO2气罐1向反应器9中充入二氧化碳，二氧化碳的充入可利用曝气膜5来实现；
S3、通过伺服电机旋转实现污水/培养液的离心培养，同时通过旋转马达10旋转让反应器9内部藻类悬浮起来，通过控制旋转马达10旋转速度来实现1/6重力加速度(月球重力环境)或0.4倍重力加速度(火星重力环境)，同时检测反应器9中的水质，主要包括：COD、溶氧、pH值等，回路中设置膜曝气膜5，可以实现二氧化碳的充入。
S4、藻类取样，单独将反应器9取出，取出适量藻类检测。同时，为了监测污水的处理情况，反应器9设置多个传感器，可用于检测COD、温度、pH值等。
S5、通过控制光照系统调节光照时长和强度，监测反应器9水质等过程参数，研究分析微生态物质转化能力。
S6、通过电池组电极接线盒，检测耦合反应器9产电性能，同时点亮“川大”标记的LED灯。
S7、通过相机拍摄微重力条件下耦合反应器9中液体/气体的流动特征。
S8、反应器9上安装控制模块，主要控制马达、阀、相机、光照系统、LED灯、数据采集模块等，协调各部分正常工作，并具备地面遥操作功能。
S8、数据采集模块主要负责耦合反应器9中水质传感器、产电性能、二氧化碳供给量、溶解氧、pH值，COD等信号采集，具备下行遥测和数传功能。
参考图3和图4，本发明试验装置流体原理，包括：
A1、将污水灌入反应器9；
A2、启动二氧化碳管路，将部分二氧化碳充入反应器9；
A3、打开LED光源15，让反应器9微生物反应；LED光源16小时开，8小时关；
A4、待反应器9反应，同时启动旋转马达10，反应器9开始旋转，同时实时检测水质(可间隔采样，时间可设定，初始间隔时间定为2分钟采集1次)；
A5、反应器9中，若水里的溶解氧小于4mg/L时，则开启LED光源15，直至溶解氧大于4时关闭LED光源15，继续执行16/8小时白/黑制；
A6、反应器9中，若检测到pH值大于8，则充入CO2；
A7、反应器9中，若检测到pH值小于6，则关闭LED光源15，当pH值大于6时，继续执行16/8小时白/黑制；
A8、当需要取藻类样品时，关闭旋转马达10，实施取藻；
A9、由于污水为一次性的。当泵入污水后，即不予理会。二氧化碳是通过流量计2记录值。
A10、当系统内部二氧化碳使用完毕，即pH值不能调节时，永久关闭LED光源15，并将所有管路中的阀门关闭。
参考图5，本发明采用模块化设计思想，按照空间站航天基础实验机柜基础型载荷单元尺寸，各模块分区布置，便于连通、拆装和取样。
pH传感器6、溶解氧传感器7、COD传感器8、摄像头、流量计2、旋转马达10和显示器13均与控制模块连接。
参考图6，供电电压≤28V DC以及供电峰值≤100W。一次供电输入为28VDC，通过电缆连接标准模块供电接口与总控制器，将电源输入总控制器即控制模块，电源的开启由实验柜外部面板控制。为满足建造规范要求中启动电流的要求，在输入接口处设计浪涌抑制电路。通过总控制器内部DC/DC模块进行二次电源变换及稳压处理后，通过电缆适时输出，为试验装置内各设备供电。
试验过程除藻类光学反应器9需要LED灯持续提供光照外，其余阀门、泵、传感器可在需要工作时再供电，可以有效降低供电功率，暂按装置正常工作瞬时功耗不大于100W设计。
通信接口主要用于传输载荷单元的试验数据，采用百兆以太网通信。通信协议符合TCP/IP通信协议，通信速率100M。该网络芯片支持32位接口访问内部存储器，物理协议层接口完全支持使用10MBps下3类、4类、5类非屏蔽双绞线和100MBps下5类非屏蔽双绞线，完全符合IEEE 802.3u规格。它的自动协调功能将自动完成配置以最大限度地适合其线路带宽，还支持IEEE 802.3x全双工流量控制，网络变压器选择100B-1003X。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种变重力微生态物质转化再生系统试验装置，其特征在于：包括微生物反应器模块、数据采集模块、二氧化碳模块和马达模块；所述微生物反应器模块包括设置于机柜外壳内的反应器；所述反应器通过连接轴与气电滑环连接，用于反应器旋转实现反应器内部的变重力；所述数据采集模块包括安装于反应器一侧的pH传感器、溶解氧传感器和COD传感器；所述反应器的另一侧与马达模块驱动连接；所述反应器上安装电池组电极接线盒，电池组电极接线盒与LED灯电连接；所述二氧化碳模块包括与反应器连通的CO2气罐。
2.根据权利要求1所述的变重力微生态物质转化再生系统试验装置，其特征在于：所述CO2气罐与反应器连通的管路上依次安装流量计、电磁阀、单向阀和曝气膜连通。
3.根据权利要求2所述的变重力微生态物质转化再生系统试验装置，其特征在于：所述曝气膜安装于反应器内部。
4.根据权利要求1所述的变重力微生态物质转化再生系统试验装置，其特征在于：所述反应器通过传动轴活动固定于安装座上。
5.根据权利要求4所述的变重力微生态物质转化再生系统试验装置，其特征在于：所述马达模块包括容置于机柜外壳内的旋转马达，旋转马达的输出轴和反应器上的传动轴之间通过同步带联动相连。
6.根据权利要求1所述的变重力微生态物质转化再生系统试验装置，其特征在于：所述机柜外壳侧面上固定用于提供反应器光源的LED光源。
7.根据权利要求1所述的变重力微生态物质转化再生系统试验装置，其特征在于：所述机柜外壳内安装若干个用于记录拍摄反应器的摄像头，摄像头与显示器电性连接。
8.根据权利要求1-7任一所述的变重力微生态物质转化再生系统试验装置的试验方法，其特征在于，包括：
S1、将污水泵入反应器中；
S2、向反应器中供给二氧化碳，直至反应器中的pH值小于6.5，同时检测二氧化碳的通入量；
S3、启动旋转马达，带动反应器旋转实现污水/培养液的离心培养，同时通过旋转马达旋转让反应器内部藻类悬浮，通过控制旋转马达旋转速度达到1/6重力加速度或0.4倍重力加速度，同时检测反应器中的水质；
S4、单独将反应器取出，进行藻类检测；
S5、控制调节LED光源光照时长和强度，监测反应器水质参数；
S6、通过LED灯，检测反应器产电性能；
S7、通过摄像头拍摄微重力条件下反应器中液体/气体的流动特征。
9.根据权利要求8所述的变重力微生态物质转化再生系统试验装置的试验方法，其特征在于：LED光源16小时开，8小时关；当反应器开始旋转，实时检测水质，对水质间隔采样，初始间隔时间为2分钟采集1次。
10.根据权利要求9所述的变重力微生态物质转化再生系统试验装置的试验方法，其特征在于，还包括：
反应器中，若水质传感器检测到水里的溶解氧小于4mg/L时，则开启LED光源，直至溶解氧大于10时关闭LED光源，继续执行16/8小时白/黑制；若pH值大于8，则充入CO2；若pH值小于6，则关闭LED光源，当PH值大于6时，继续执行16/8小时白/黑制。
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