CN115893649A - 一种可处理航天废水的mabr一体化装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种可处理航天废水的MABR一体化装置及方法，属于废水处理装置技术领域。当压力超过系统设计安全值时PLC给予相应警示。进水结束后，循环离心泵延时开启，待处理废水与循环水箱内残余水混合，污水不断地经过生物膜表面，使污染物浓度降低。当供气气源为纯氧或者空气时，对应气路打开，采取单端供氧模式，供气压力维持预定范围内。当供气压力低于设定值时，PLC系统控制气源开关补充纯氧供应。PLC控制系统实时监测系统各部分气体/液体的压力、流量及水质情况，监测设备数据传输至PLC控制装置中，PLC装置根据数据反馈综合分析并调整受控设备的开关。

Description

一种可处理航天废水的MABR一体化装置及方法

技术领域

本发明涉及一种可处理航天废水的MABR一体化装置及方法，属于废水处理装置技术领域。

背景技术

环境控制和生命保障技术实质上是实现载人航天器中消耗性物资的循环再利用过程。水是重要的消耗性物资，在废水再生系统中，废水的来源包括二氧化碳还原，降温除湿产生的冷凝水，生活废水以及航天员尿液等。微生物处理废水的方法有着环境友好、能耗低、外源物质消耗少以及水分回收率相对更高的优点，被认为是再生式生命保障系统中废水处理的发展方向。而膜生物反应器(MBR)作为水处理技术中发展较快的生物法之一，具有占地面积小、固液分离效率高、耐冲击负荷和易于自动化控制等特点，适用于占地空间有限、对自动化要求较高的环控生保系统-ECLSS环境。但传统MBR的鼓泡曝气形式存在氧气利用率低，膜污染严重，排泥量大，占地面积大、集成化装置体积笨重等缺点，在航天器中使用受限。

在微重力环境下液体的表面张力起主导作用，处于微重力环境下的流体，没有流体静压力、重力驱动对流及沉积作用，液体的定向流动和分离难以进行，传统生物膜工艺中大量曝气的运行模式在微重力环境中不具备可行性，而膜曝气生物膜反应器MABR是将膜曝气技术和生物处理技术有机相结合的一种新型、高效的污水处理技术，是膜生物反应器的一种。其技术基本原理为：微生物膜附着在透气膜表面，从透气膜表面直接获得氧；污水在透气膜周围流动时，水体中的污染物在浓差驱动和微生物吸附等作用下进入生物膜内，经过生物代谢和增殖被微生物利用，使水体中的污染物同化为微生物菌体固定在生物膜上或分解成无机代谢产物，从而实现对水体的净化。

目前，国际空间站上的生活用水等各类废水处理工艺主要采用物化方法，如美国空间站采用的蒸汽压缩蒸馏技术，和平号空间站使用的渗透膜蒸发技术，其他的物化方法还有冻干/冷冻浓缩-反渗透技术，涉及了离子交换、树脂吸附和湿式催化氧化等工艺单元。物化技术虽处理效率高，效果稳定，但能耗物耗十分高昂。本发明专利开发的处理航天废水的MABR一体装置以生化处理为核心，具有经济成本低，抗环境干扰能力强，可重复利用等显著优势。

发明内容

为了克服现有技术的不足,本发明提供一种可处理航天废水的MABR一体化装置及方法。采用MABR无泡曝气膜生物反应器为核心的航天废水一体化处理系统适用性明显，利用一体化系统可以满足对MABR运行状态进行科学管理与实时监测的需求，并及时反馈废水的处理情况。

一种可处理航天废水的MABR一体化装置，包括PLC控制装置，空气气源与一路的进气装置的手动减压阀的一端连接，手动减压阀的另一端与气体安全阀连接，气体安全阀的另一端与进气气路阀连接，进气气路阀的另一端与MABR反应器主体连接，纯氧气源与另一路的进气装置的手动减压阀的一端连接，手动减压阀的另一端与气体安全阀连接，气体安全阀的另一端与进气气路阀连接，进气气路阀的另一端与MABR反应器主体连接，MABR反应器主体分别与多水质检测仪、液体压力计、气体压力计、进水止回阀、取样/放空阀及循环水箱的一端连接，进水口与进水离心泵的一端与连接，进水离心泵的另一端与连接进水止回阀，气体压力计的另一端与气体流量计连接，气体流量计的另一端与连接排气气路阀，排气气路阀的另一端与干燥器连接，干燥器的另一端与氧气/二氧化碳传感器连接，氧气/二氧化碳传感器的另一端与气体排放口连接，循环水箱出口端与液体泄压阀连接，液体泄压阀的另一端与循环离心泵连接，循环离心泵的另一端与多水质检测仪的另一端连接，循环水箱的另一端与压力电磁阀连接，压力电磁阀的另一端及压力调节阀的一端与出水口连接，PLC控制装置分别与上述部件连接。

出水管路阀、Y型过滤器、出水止回阀及压力调节阀相互顺序连接形成出液固分离过滤装置，两个液固分离过滤装置分别连通循环水箱与出水口。

一种可处理航天废水的MABR一体化处理方法，含有以下步骤：

步骤1、MABR一体化系统由PLC系统控制各部件的开关，待处理的航天混合废水自进水经泵加压后在MABR箱体内混合，在出水口压力的作用下，已处理的废水经液固分离过滤装置排除至装置外。PLC同时通过监测液固分离期间系统压力，当压力超过系统设计安全值时PLC给予相应警示。

步骤2、进水结束后，循环离心泵延时开启，待处理废水与循环水箱内残余水混合，污水不断地经过生物膜表面，使污染物浓度降低。

步骤3、当供气气源为空气时，对应进气气路开启，空气循环流动，供气压力维持在设定范围内；当氧气含量低于预定值时，管道内气体停止循环，PLC系统控制开关补充新鲜空气供氧。

步骤4、当供气气源为纯氧时，对应气路打开，采取单端供氧模式，供气压力维持预定范围内。当供气压力低于设定值时，PLC系统控制气源开关补充纯氧供应。

步骤5、PLC控制系统实时监测系统各部分气体/液体的压力、流量及水质情况，监测设备数据传输至PLC控制装置中，PLC装置根据数据反馈综合分析并调整受控设备的开关。

本发明的优点是开发一种适用于航空航天领域中密闭环境的废水净化处理技术和一体化装置。一体化装置将微生物生化处理和膜技术无泡曝气生物膜反应器-MABR有机的结合在一起，实现航天废水的处理要求：处理密闭环境空气冷凝水、尿液、卫生废水或其混合液；除氧气或空气补给外，无其他外源物质的消耗。

可处理航天废水的一体化装置的核心为无泡曝气生物反应器MABR；系统进、出水路系统，液固分离系统，水力循环系统，纯氧/空气供氧气路系统以及MABR水箱为一体化；MABR反应器一体装置用于处理航天废水包括尿液废水，冷凝废水、卫生废水以及其他混合废水等；纯氧/空气供气双管路设计提高了系统适用性，循环水箱的设置用于降低系统废水处理的容积负荷，设置压力电磁阀保障了系统安全性。

氧源适用性广，供氧气路针对空气源或纯氧源均设置了不同的运行模式；可处理航天废水的MABR一体装置的应用场景为航天产生的废水处理领域；系统专门设置液固分离过滤装置，一体化装置可以实现进、出水均为单一液相，减少废水下级处理负担；系统设置多处压力及水质监测部件，用于保障系统安全、有效运行。

本发明设计处理能力约5L/d，水力停留时间(HRT＝12～48h)可自由调节，进水TOC为600～2500mg/L，进水总氮560～2600mg/L，实现TOC去除率≥90％，TN硝化率(转化为NO₃ ^--N的比例)≥70％，TN去除率≥50％。

本发明满足对MABR运行状态进行科学管理与实时监测的需求，并及时反馈废水的处理情况。具有占地面积小、固液分离效率高、耐冲击负荷和易于自动化控制等特点，适用于占地空间有限、对自动化要求较高的环控生保系统(ECLSS)。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语包括技术术语和科学术语具有与所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。

为便于对实施例的理解，下面将结合做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对实施例的限定。

实施例1：如图1、图2所示，一种可处理航天废水的MABR一体化装置，包括PLC控制装置，空气气源1与一路的进气装置的手动减压阀2的一端连接，手动减压阀2的另一端与气体安全阀3连接，气体安全阀3的另一端与进气气路阀4连接，进气气路阀4的另一端与MABR反应器主体27连接，纯氧气源11与另一路的进气装置的手动减压阀2的一端连接，手动减压阀2的另一端与气体安全阀3连接，气体安全阀3的另一端与进气气路阀4连接，进气气路阀4的另一端与MABR反应器主体27连接，MABR反应器主体27分别与多水质检测仪19、液体压力计26、气体压力计5、进水止回阀14、取样/放空阀15及循环水箱16的一端连接，进水口12与进水离心泵13的一端与连接，进水离心泵13的另一端与连接进水止回阀14，气体压力计5的另一端与气体流量计6连接，气体流量计6的另一端与连接排气气路阀7，排气气路阀7的另一端与干燥器8连接，干燥器8的另一端与氧气/二氧化碳传感器9连接，氧气/二氧化碳传感器9的另一端与气体排放口10连接，循环水箱16出口端与液体泄压阀21连接，液体泄压阀21的另一端与循环离心泵20连接，循环离心泵20的另一端与多水质检测仪19的另一端连接，循环水箱16的另一端与压力电磁阀17连接，压力电磁阀17的另一端及压力调节阀25的一端与出水口18连接。

出水管路阀22、Y型过滤器23、出水止回阀24及压力调节阀25相互顺序连接形成出液固分离过滤装置，两个液固分离过滤装置分别连通循环水箱16与出水口18。

PLC控制装置分别与空气气源1、手动减压阀2、气体安全阀3、进气气路阀4、气体压力计5、气体流量计6、排气气路阀7、干燥器8、氧气/二氧化碳传感器9、气体排放口10、纯氧气源11、进水口12、进水离心泵13、进水止回阀14、取样/放空阀15、循环水箱16、压力电磁阀17、出水口18、多水质检测仪19、循环离心泵20、液体泄压阀21、出水管路阀22、Y型过滤器23、出水止回阀24、压力调节阀25、液体压力计26及MABR反应器主体27连接。

实施例2：如图1、图2所示，一种可处理航天废水的MABR一体化装置，包括PLC控制装置、进水路装置、出水路装置、循环水路监测装置、空气气源供气装置、纯氧气源供气装置以及液固分离装置。

其中PLC控制装置包含了用于监测气体流量计、气体/液体压力计和多水质检测仪等设备，以及受控的气源、离心泵、气路阀门、水路阀门等相关部件组成，监测设备数据传输至PLC控制装置中，PLC装置根据数据反馈综合分析并调整受控设备的开关等。

其中进水路装置、出水路装置包含进水离心泵13、止回阀14、MABR箱体27、循环水箱16、压力电磁阀17、液体压力计26、出水管路阀22，Y型过滤器23、出水止回阀24及压力调节阀25。

其中由出水管路阀22、Y型过滤器23、出水止回阀24及压力调节阀25组成的液固分离过滤装置，为一用一备。

循环水路监测装置包含MABR箱体28、循环水箱16、液体压力计26、液体泄压阀21、循环离心泵20及多水质检测仪19。

以空气为气源时的空气供氧装置包含手动减压阀2、气体安全阀3、进气气路阀4、MABR箱体27、气体压力计5、气体流量计6、排气气路阀7、气体干燥器8及氧气/二氧化碳传感器9。

以纯氧为气源时的纯氧供气装置包含手动减压阀2、气体安全阀3、进气气路阀4、MABR箱体27、气体压力计5及排气气路阀7。

一种可处理航天废水的MABR一体化处理方法，含有以下步骤：

待处理的航天混合废水自进水离心泵13加压后泵入MABR箱体中，此时循环离心泵20停止运行，注水频率为1次/天，废水在MABR箱体内混合，出水管路阀22延迟5s开启，受出水口压力的影响，已处理的废水不断地从循环水箱经液固分离过滤装置排除至装置外，反应器准备对下一批次废水开始降解处理。

液固分离过滤装置启动时，已处理的废水经过出水管路阀22、Y型过滤器23、出水止回阀24及压力调节阀25组成的液固分离装置排出装置外，PLC同时通过液体压力计26监测液固分离期间系统压力。当压力超过系统设计安全值时，一方面提示需要对相应管路的Y型过滤器23更换，同时应切换至备用液固分离装置，另一方面，当两条分离装置使用时系统压力均高于设计值时，PLC控制压力电磁阀17应急开启，部分废水排放至装置外，为进一步维持MABR装置的稳定运行，此时应对装置连接部件以及管路进行检修。

进水结束后，进水离心泵13停止运行，进水止回阀14可以阻止装置内部液体回流，排水管路阀22关闭。延时10s后开启循环离心泵20，循环装置启动，待处理废水与循环水箱内残余水混合，有助于于降低MABR处理废水的有机负荷F/M，废水沿管道形成循环水路，污水不断地经过膜丝上的生物膜表面，污染物浓度不断降低。

当供气气源为空气时，对应进气气路阀4开启，排气气路阀7开启，供气压力维持在0.005Mpa～0.02Mpa范围内。默认氧气含量占比约为21％，在此状态下供氧时采取回路循环模式：即空气经手动减压阀2及气体安全阀3，进入MABR箱体28，空气随即在压力作用下沿内部膜丝向微生物供氧，未被利用的空气随管道输流经气体压力计5及气体流量计6随后进入干燥器8除湿，氧气/二氧化碳传感器9监测其相应数据，当氧气含量占比＞15％时，空气继续循环利用；当氧气含量≤15％时，管道内气体停止循环循环，管道气体将被排空，再次补充新鲜空气继续为装置供氧，此时监测氧气含量恢复＞15％，供氧装置再次以循环模式运行。

当供气气源为纯氧时，对应进气气路阀4打开，排气气路阀7处于常闭状态，供气压力位置范围为0.005Mpa～0.1Mpa。默认氧气含量高于99％，在为MABR装置供纯氧时采取单端供氧模式；即纯氧经手动减压阀2及气体安全阀3进入MABR箱体，空气随即沿内部膜丝向微生物供氧。当供气压力低于0.005Mpa，气源将补充纯氧供应，当供气压力在要求范围内后停止补充。

此外，装置还在MABR水箱中设置了液体压力计26，用于检测装置运行的稳定性；在MABR水箱底部设置排空阀/取样阀，用于满足微重力条件下微生物的相关实验研究。

实施例3：如图1、图2所示，一种可处理航天废水的MABR一体化处理方法,含有以下步骤：MABR一体化系统由PLC系统控制各部件的开关，待处理的航天混合废水经泵加压后在MABR箱体内混合，同时在系统压力的作用下，上次循环的已处理的废水经液固分离过滤装置排除至装置外，期间PLC系统监测系统安全性；进水结束后，系统开启待处理废水与循环水箱内残余水混合，污水不断地经过生物膜表面，使污染物浓度降低；当供气气源为空气时，对应进气气路开启，当供气气源为纯氧时，对应气路打开，采取单端供氧模式，供气压力维持在预定范围内，当氧气含量分别低于其预定值时，PLC系统控制气路系统补充新鲜氧气供应。

包括PLC控制系统，进、出水路系统，循环水路(监测)系统，空气气源供气系统，纯氧气源供气系统以及液固分离系统。利用一体化系统可以满足对MABR运行状态进行科学管理与实时监测的需求，并及时反馈废水的处理情况。

进、出水路系统包含进水离心泵、止回阀、MABR箱体、循环水箱、压力电磁阀、液体压力计、出水管路阀，Y型过滤器、出水止回阀及压力调节阀。当进、出水路系统运行时，待处理的航天混合废水自进水离心泵加压后泵入MABR箱体中，废水在MABR箱体内混合，出水管路阀延迟开启，受出水口压力的影响，已处理的废水不断地从循环水箱经液固分离过滤装置排除至装置外，反应器准备对下一批次废水开始降解处理。

循环水路(监测)系统包含MABR箱体、循环水箱、液体压力计、液体泄压阀、循环离心泵及多水质检测仪。当循环水路(监测)运行时，排水管路阀关闭，循环离心泵延时开启，循环装置使得待处理废水与循环水箱内残余水混合，污水不断地经过膜丝上的生物膜表面，污染物浓度不断降低，同时水质监测仪表定时测定水质指标，并反馈至PLC系统。

空气气源供气系统包含手动减压阀2、气体安全阀3、进气气路阀4、MABR箱体27、气体压力计5、气体流量计6、排气气路阀7、气体干燥器8及氧气/二氧化碳传感器9。当空气气源供气系统运行时，对应进气气路阀开启，排气气路阀开启，供气压力维持在预定范围内。在此状态下供氧时：空气经手动减压阀及气体安全阀，进入MABR箱体，空气随即在压力作用下沿内部膜丝向微生物供氧，同时监测气体压力及流量计，随后空气被干燥器干燥，氧气/二氧化碳传感器监测其含量，当含量低于预定值时，管道内气体停止循环，管道气体将被排空，再次补充新鲜空气继续为装置供氧。

纯氧气源供气系统包含手动减压阀、气体安全阀、进气气路阀、MABR箱体、气体压力计及排气气路阀。当空气气源供气系统运行时，对应气路阀打开，排气气路阀处于常闭状态，供气压力在预定范围内。纯氧经手动减压阀及气体安全阀进入MABR箱体。当供气压力低于设定值时，气源将及时补充纯氧。

如上，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可处理航天废水的MABR一体化装置，其特征在于,包括PLC控制装置，空气气源与一路的进气装置的手动减压阀的一端连接，手动减压阀的另一端与气体安全阀连接，气体安全阀的另一端与进气气路阀连接，进气气路阀的另一端与MABR反应器主体连接，纯氧气源与另一路的进气装置的手动减压阀的一端连接，手动减压阀的另一端与气体安全阀连接，气体安全阀的另一端与进气气路阀连接，进气气路阀的另一端与MABR反应器主体连接，MABR反应器主体分别与多水质检测仪、液体压力计、气体压力计、进水止回阀、取样/放空阀及循环水箱的一端连接，进水口与进水离心泵的一端与连接，进水离心泵的另一端与连接进水止回阀，气体压力计的另一端与气体流量计连接，气体流量计的另一端与连接排气气路阀，排气气路阀的另一端与干燥器连接，干燥器的另一端与氧气/二氧化碳传感器连接，氧气/二氧化碳传感器的另一端与气体排放口连接，循环水箱出口端与液体泄压阀连接，液体泄压阀的另一端与循环离心泵连接，循环离心泵的另一端与多水质检测仪的另一端连接，循环水箱的另一端与压力电磁阀连接，压力电磁阀的另一端及压力调节阀的一端与出水口连接，PLC控制装置分别与上述部件连接。

2.根据权利要求1所述的一种可处理航天废水的MABR一体化装置，其特征在于,出水管路阀、Y型过滤器、出水止回阀及压力调节阀相互顺序连接形成出液固分离过滤装置，两个液固分离过滤装置分别连通循环水箱与出水口。

3.一种可处理航天废水的MABR一体化处理方法，其特征在于,含有以下步骤：

步骤1、MABR一体化系统由PLC系统控制各部件的开关，待处理的航天混合废水自进水经泵加压后在MABR箱体内混合，在出水口压力的作用下，已处理的废水经液固分离过滤装置排除至装置外，PLC同时通过监测液固分离期间系统压力，当压力超过系统设计安全值时PLC给予相应警示，

步骤2、进水结束后，循环离心泵延时开启，待处理废水与循环水箱内残余水混合，污水不断地经过生物膜表面，使污染物浓度降低，

步骤3、当供气气源为空气时，对应进气气路开启，空气循环流动，供气压力维持在设定范围内；当氧气含量低于预定值时，管道内气体停止循环，PLC系统控制开关补充新鲜空气供氧，

步骤4、当供气气源为纯氧时，对应气路打开，采取单端供氧模式，供气压力维持预定范围内，当供气压力低于设定值时，PLC系统控制气源开关补充纯氧供应，

步骤5、PLC控制系统实时监测系统各部分气体/液体的压力、流量及水质情况，监测设备数据传输至PLC控制装置中，PLC装置根据数据反馈综合分析并调整受控设备的开关。

4.根据权利要求3所述的一种可处理航天废水的MABR一体化处理方法，其特征在于,当进水路系统、出水路系统运行时，待处理的航天混合废水自进水离心泵加压后泵入MABR箱体中，废水在MABR箱体内混合，出水管路阀延迟开启，受出水口压力的影响，已处理的废水不断地从循环水箱经液固分离过滤装置排除至装置外，反应器准备对下一批次废水开始降解处理。

5.根据权利要求3所述的一种可处理航天废水的MABR一体化处理方法，其特征在于,当循环水路(监测)运行时，排水管路阀关闭，循环离心泵延时开启，循环装置使得待处理废水与循环水箱内残余水混合，污水不断地经过膜丝上的生物膜表面，污染物浓度不断降低，同时水质监测仪表定时测定水质指标，并反馈至PLC系统。

6.根据权利要求3所述的一种可处理航天废水的MABR一体化处理方法，其特征在于,当空气气源供气系统运行时，对应进气气路阀开启，排气气路阀开启，供气压力维持在预定范围内。在此状态下供氧时：空气经手动减压阀及气体安全阀，进入MABR箱体，空气随即在压力作用下沿内部膜丝向微生物供氧，同时监测气体压力及流量计，随后空气被干燥器干燥，氧气/二氧化碳传感器监测其含量，当含量低于预定值时，管道内气体停止循环，管道气体将被排空，再次补充新鲜空气继续为装置供氧。

7.根据权利要求3所述的一种可处理航天废水的MABR一体化处理方法，其特征在于,当纯氧气源供气系统运行时，对应气路阀打开，排气气路阀处于常闭状态，供气压力在预定范围内。纯氧经手动减压阀及气体安全阀进入MABR箱体。当供气压力低于设定值时，气源将及时补充纯氧。

8.根据权利要求3所述的一种可处理航天废水的MABR一体化处理方法，其特征在于,含有以下步骤：MABR一体化系统由PLC系统控制各部件的开关，待处理的航天混合废水经泵加压后在MABR箱体内混合，同时在系统压力的作用下，上次循环的已处理的废水经液固分离过滤装置排除至装置外，期间PLC系统监测系统安全性；进水结束后，系统开启待处理废水与循环水箱内残余水混合，污水不断地经过生物膜表面，使污染物浓度降低；当供气气源为空气时，对应进气气路开启，当供气气源为纯氧时，对应气路打开，采取单端供氧模式，供气压力维持在预定范围内，当氧气含量分别低于其预定值时，PLC系统控制气路系统补充新鲜氧气供应。

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