專利名稱：一種用于空間廢水處理的氧氣供應(yīng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于長期載人航天環(huán)控生保技術(shù)研究領(lǐng)域，特別涉及一種用于空間微重力條件下微生物處理廢水中的氧氣供應(yīng)裝置。
背景技術(shù)：
長時間、遠距離和多乘員的空間飛行是未來載人航天的發(fā)展形勢。利用生物技術(shù)， 模擬自然生態(tài)學(xué)的原理，在地外建立生物再生式的生保系統(tǒng)，從而實現(xiàn)乘員生保物資的就地再生持續(xù)供應(yīng)，是目前各航天大國的研究熱點。在生物再生式生保系統(tǒng)中，微生物作為系統(tǒng)內(nèi)的分解者，其主要作用是將系統(tǒng)內(nèi)的各種有機污染物(主要存在于廢氣、廢水和廢物中)進行分解，變成系統(tǒng)內(nèi)其它生物(如高等植物等)和乘員可直接利用的無機物(如二氧化碳、水和無機離子等)，從而使得系統(tǒng)內(nèi)的物質(zhì)得到良性循環(huán)。微生物是自然界中最廣泛的生物，對地球上物質(zhì)循環(huán)起著及其重要的作用。目前， 利用微生物技術(shù)進行城市生活廢水的處理應(yīng)用較為普遍，各種工藝也較為成熟。微生物在處理廢水過程中需要不斷供應(yīng)氧氣。如何在空間微重力條件下供應(yīng)氧氣給微生物是空間廢水處理裝置必須解決的關(guān)鍵技術(shù)。目前的廢水處理裝置中，多采用鼓泡形式直接向處理液中添加氧氣。這樣不僅容易造成空間微重力條件下氧氣利用率低、資源浪費，而且多余的氧氣還能增加系統(tǒng)的氣液分離負荷。因此，這種給微生物供應(yīng)氧氣的方式不適合空間廢水處理。目前，美、俄和歐空局等利用微生物能降解有機物的特點研制了一些廢水處理裝置，但未見氧氣供應(yīng)技術(shù)的相關(guān)報道?！逗教灬t(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程》2004，17 C3)期P196 200 的《空間微生物廢物處理地面試驗樣機研制》提到在空間微重力條件可采用膜技術(shù)進行氧氣的供應(yīng)。但由于目前的膜技術(shù)僅在地面應(yīng)用，而對膜的形式、結(jié)構(gòu)、材料和工作方式等的選擇都會影響氧氣的溶解和微生物的利用。因此，在空間微重力條件下如何合理選擇膜的材料和結(jié)構(gòu)，設(shè)置適當?shù)墓ぷ髂Ｊ剑岣哐鯕獾睦寐?，尚無成熟的技術(shù)借鑒，仍需要結(jié)合實踐進行大量的實驗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的主要技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種在空間微重力條件下廢水處理中使用的、能高效提供氧氣給待處理廢水的裝置。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是氧氣供應(yīng)裝置，在所述的氧氣供應(yīng)裝置之前串聯(lián)第一截止閥后與第二截止閥并聯(lián)，然后串聯(lián)在廢水處理中好氧處理水循環(huán)回路中。通過測量處理液中的溶解氧濃度(DO)來控制氧氣供應(yīng)裝置的工作模式。當處理液中的DO值低于設(shè)定的下限值時，開啟氧氣的供應(yīng)，氧氣供應(yīng)裝置開始工作；當處理液中的DO值高于設(shè)定的上限值時，關(guān)閉氧氣的供應(yīng)，氧氣供應(yīng)裝置停止工作。當需要對氧氣供應(yīng)裝置進行維護時，關(guān)閉第一截止閥，開啟第二截止閥；氧氣供應(yīng)裝置維護完成后，開啟第一截止閥，關(guān)閉第二截止閥。所述的氧氣供應(yīng)裝置由氧氣供應(yīng)膜組件、壓力傳感器、電磁閥、流量計、二級減壓閥和氧氣貯瓶組成。所述的氧氣供應(yīng)膜組件由殼體、上底座、下底座和膜絲組成。殼體兩端通過螺紋分別與上底座和下底座固定連接，在殼體上靠近與下底座的連接處開有氧氣入口 ；上底座上開有富氧處理液出口，下底座上開有貧氧處理液入口。膜絲位于殼體內(nèi)，膜絲兩端分別通過環(huán)氧樹脂成束封裝在殼體兩端；膜絲與膜絲間、膜絲與殼體間有空隙。所述的氧氣貯瓶中的高壓氧氣經(jīng)二級減壓閥后壓力降低，通過流量計、電磁閥、壓力傳感器與氧氣入口相連，進入氧氣脫除膜組件，通過膜絲管壁上的微孔滲透到流經(jīng)膜管中的處理液中。所述的壓力傳感器測定氧氣供應(yīng)膜組件中氧氣壓力，測得的壓力信號傳輸至廢水處理系統(tǒng)的測量控制裝置，當進入膜組件的氧氣壓力超過設(shè)定值時，控制裝置控制電磁閥關(guān)閉；當進入膜組件中的氧氣壓力低于設(shè)定值時，控制裝置控制電磁閥打開。所述的膜絲采用疏水聚偏氟乙烯(PVDF)材料。所述的膜絲為中空纖維管，管壁厚度為100 250 μ m，直徑1. 5 2. 5mm，纖維長度30. 0 40. 0cm，纖維根數(shù)100 200，通過環(huán)氧樹脂成束封裝在殼體兩端。所述的外殼、上底座、下底座均為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABQ或不銹鋼材質(zhì)； 殼體為圓柱體結(jié)構(gòu)，其直徑為5. 0 8. 0cm，長度35. 0 45. 0cm，厚度為0. 5 0. 8cm。所述的氧氣供應(yīng)采用外壓方式，即氧氣在氣體壓力的作用下從膜絲外滲透到膜絲的中空管里；廢水處理液從每根膜絲的中空管內(nèi)直接流過氧氣供應(yīng)膜組件。所述的處理液中的DO值的設(shè)定上限值為5. 0 8. Omg/L，下限值為2. O 3. Omg/ L0所述的膜組件中氧氣壓力值的設(shè)定上限值為120 125kPa，下限值為110 115kPa0所述的電磁閥和二級減壓閥之間安裝氣體流量計，用來控制氧氣的流量，保證了進入氧氣供應(yīng)膜組件的氧氣壓力穩(wěn)定。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于1、在空間廢水處理中采用膜技術(shù)供應(yīng)氧氣的方式，通過壓力傳感器測定氧氣供應(yīng)組件內(nèi)氧氣壓力，保證了氧氣能以無泡的形式進入到處理液中，提高了氧氣向處理液滲透的能力的供應(yīng)和微生物對氧氣的吸收利用率。2、本發(fā)明通過測量處理液的DO值，根據(jù)微生物的需要控制氧氣供應(yīng)量的多少，不僅提高了氧氣的使用率(可使氧氣的利用率達90%以上，遠高于傳統(tǒng)鼓泡方式的30% 50% )，而且還大大減輕了空間微重力條件下的氣液分離負荷。3、本發(fā)明的氧氣供應(yīng)組件的膜絲在殼體內(nèi)兩端固定，氧氣采用外壓式供應(yīng)方法， 即氣體從膜管外向膜管內(nèi)處理液滲透，使得膜管內(nèi)處理液中的微生物不易附著在膜管內(nèi)壁上而造成在膜內(nèi)壁面沉積。4、本發(fā)明采用處理液從膜管內(nèi)流過，克服了微生物在膜管外壁沉積而造成膜面容易污染的技術(shù)難題。5、本發(fā)明采用中空纖維膜管技術(shù)，提高了處理液和氧氣的接觸面積，增大了氧氣向處理液中的擴散。此外，本發(fā)明中的膜絲材料采用疏水聚偏氟乙烯材料，具有對氧氣滲透性高的優(yōu)點；而且膜組件通過螺紋串聯(lián)在廢水好氧處理水循環(huán)回路中，方便拆卸、更換。本發(fā)明不僅為進一步開展我國空間生物再生式生保系統(tǒng)研究奠定了重要基礎(chǔ)，也為地面進行微生物處理廢水特性等基礎(chǔ)研究提供了新的技術(shù)手段。


圖1為空間微生物處理廢水工作流程圖；圖2為本發(fā)明的空間廢水處理中氧氣供應(yīng)裝置示意圖；圖3為本發(fā)明的氧氣供應(yīng)膜組件示意圖；圖4為膜絲工作示意圖。
具體實施例方式如圖1所示的空間微生物處理廢水工作流程，在處理液循環(huán)回路9上依次串聯(lián)好氧罐1、主循環(huán)泵2、溫度控制裝置3、廢氣去除裝置4、凈水收集裝置5以及參數(shù)測量裝置8， 在氧氣供應(yīng)裝置之前串聯(lián)第一截止閥10，它們與第二截止閥11相并聯(lián)，組成的并聯(lián)回路串聯(lián)在參數(shù)測量裝置8和凈水收集裝置5之間。主循環(huán)泵2提供處理液在循環(huán)回路9中循環(huán)流動的動力。測量控制裝置8通過電信號分別與參數(shù)測量裝置8、主循環(huán)泵2、溫度控制裝置3、 廢氣脫除裝置4、凈水收集裝置5、第一截止閥10、第二截止閥11以及氧氣供應(yīng)裝置中的電磁閥16和壓力傳感器15相連。當參數(shù)測量裝置8測定處理液DO值高于設(shè)定的上限值時，關(guān)閉氧氣供應(yīng)，由于處理液中的DO被微生物吸收利用，處理液的DO下降；當處理液的DO值降低到設(shè)定值的下限值時，打開氧氣的供應(yīng)。本實施例中處理液DO值的設(shè)定上限值為7.0mg/L，設(shè)定下限值為 2. 5mg/L。氧氣供應(yīng)裝置由氧氣供應(yīng)膜組件6、壓力傳感器15、電磁閥16、流量計17、二級減壓閥18以及氧氣貯瓶19組成。氧氣供應(yīng)膜組件6由膜絲20、外殼15、上底座21和下底座 22組成。膜絲20兩端分別通過環(huán)氧樹脂23成束封裝在外殼15兩端。上底座21和下底座 22通過螺紋與外殼15兩端固定連接。在殼體15靠近下底座22附近開有氧氣入口 14。下底座22 —端設(shè)有處理液入口 13，上底座21 —端設(shè)有處理液出口 12。壓力傳感器15測定氧氣供應(yīng)膜組件6內(nèi)氧氣壓力，測得的壓力信號傳輸給測量控制裝置7 ；當所測氧氣壓力高于設(shè)定上限值時，測量控制裝置7向電磁閥16發(fā)出信號，關(guān)閉電磁閥16 ；當所測氧氣壓力低于設(shè)定下限值時，測量控制裝置7向電磁閥16發(fā)出開啟信號，電磁閥16開啟。本實例中，氧氣供應(yīng)膜組件6中氧氣壓力設(shè)定上限值為122kPa，設(shè)定下限值為112kPa。電磁閥16和二級減壓閥18之間的氣體流量計17，用來控制氧氣的流量，保證了進入氧氣供應(yīng)膜組件6的氧氣壓力穩(wěn)定。本實例中膜絲20采用的材料為疏水聚偏氟乙烯(PVDF)。本實例中的膜絲20為中空纖維管，其管壁厚度為150 μ m，直徑2. 0mm，纖維長度 35cm，纖維根數(shù)120，通過環(huán)氧樹脂23成束封裝在殼體15兩端。本實例中的外殼15、上底座21、下底座22均為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯材料；外殼15直徑為7. 0cm、長度為40. 0cm、厚度為0. 75cm。本發(fā)明的空間廢水處理中氧氣供應(yīng)裝置的動態(tài)工作過程為當處理液中的DO值低于設(shè)定下限值時，測量控制裝置7打開電磁閥16，氧氣從氧氣貯瓶19，經(jīng)二級減壓閥18 將氧氣供應(yīng)壓力減至稍高于常壓以及流量計17進一步流量的調(diào)節(jié)后，過電磁閥16，從氧氣入口 14進入到氧氣供應(yīng)膜組件6內(nèi)；然后，氧氣在氣體壓力下穿過膜絲20上微孔慢慢滲透到流經(jīng)膜管內(nèi)的處理液中，從而被微生物吸收利用。當處理液中的DO值高于設(shè)定上限值時，測量控制裝置7關(guān)閉電磁閥16，停止向氧氣供應(yīng)膜組件6供應(yīng)氧氣。在本實例中，對氧氣的無泡供應(yīng)主要是通過控制供氣膜壓力和調(diào)節(jié)供氣量來實現(xiàn)。當氧氣供應(yīng)膜組件6壓力高于設(shè)定上限值122kPa時，電磁閥16關(guān)閉；當氧氣供應(yīng)膜組件6壓力低于設(shè)定下限值112kPa時，電磁閥16開啟，氧氣從氧氣貯瓶19、經(jīng)二級減壓閥 18、氣體流量計17、電磁閥16、壓力傳感器15進入到氧氣供應(yīng)膜組件6中，在氣體壓力下穿過膜絲20上微孔慢慢滲透到流經(jīng)膜管內(nèi)的處理液中。本實例中處理液在供應(yīng)膜組件6內(nèi)的流程為含氧量少的處理液從循環(huán)回路9由氧氣供應(yīng)膜組件6的入口 13進入到膜絲20的中空纖維膜管內(nèi)，在膜管內(nèi)吸收氧氣后，從處理液出口 12流出，變?yōu)楹趿慷嗟奶幚硪?，然后進入到處理液回路9中。
權(quán)利要求
1.用于空間廢水處理的氧氣供應(yīng)裝置，其特征在于在所述的氧氣供應(yīng)裝置之前串聯(lián)第一截止閥(10)后與第二截止閥(11)并聯(lián)，然后串聯(lián)在廢水處理中好氧處理水循環(huán)回路 (9)中。當處理液中的DO值低于設(shè)定的下限值時，開啟氧氣的供應(yīng)，氧氣供應(yīng)裝置開始工作；當處理液中的DO值高于設(shè)定的上限值時，關(guān)閉氧氣的供應(yīng)，氧氣供應(yīng)裝置停止工作。當需要對氧氣供應(yīng)裝置進行維護時，關(guān)閉第一截止閥(10)，開啟第二截止閥(11)；氧氣供應(yīng)裝置維護完成后，開啟第一截止閥(10)，關(guān)閉第二截止閥(11)。所述的氧氣供應(yīng)裝置由氧氣供應(yīng)膜組件(6)、壓力傳感器(15)、電磁閥(16)、流量計 (17)、二級減壓閥(18)和氧氣貯瓶(19)組成。所述的氧氣供應(yīng)膜組件(6)由殼體(15)、上底座(21)、下底座0 和膜絲00)組成。 殼體(1 兩端通過螺紋分別與上底座和下底座0 固定連接，在殼體(1 上靠近與下底座0 的連接處開有氧氣入口(14)；上底座上開有富氧處理液出口(12)，下底座上開有貧氧處理液入口(13)。膜絲OO)位于殼體(15)內(nèi)，膜絲OO)兩端分別通過環(huán)氧樹脂 (23)成束封裝在殼體(15)兩端；膜絲OO)與膜絲OO)間、膜絲OO)與殼體(15)間有空隙。所述的氧氣貯瓶(19)中的高壓氧氣氣體經(jīng)二級減壓閥(18)后壓力降低，通過流量計 (17)、電磁閥(16)、壓力傳感器(15)與氧氣入口(14)相連，進入氧氣脫除膜組件(6)，通過膜絲OO)管壁上的微孔滲透到流經(jīng)膜管中的處理液中。所述的壓力傳感器(15)測定氧氣供應(yīng)膜組件(6)中氧氣壓力，測得的壓力信號傳輸至廢水處理系統(tǒng)的測量控制裝置(7)。當進入氧氣供應(yīng)膜組件(6)的氧氣壓力超過設(shè)定值時， 測量控制裝置(7)控制電磁閥(16)關(guān)閉；當進入氧氣供應(yīng)膜組件(6)中的氧氣壓力低于設(shè)定值時，測量控制裝置(7)控制電磁閥(16)打開。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的用于空間廢水處理的氧氣供應(yīng)裝置，其特征在于所述膜絲OO) 采用疏水聚偏氟乙烯(PVDF)材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的用于空間廢水處理的氧氣供應(yīng)裝置，其特征在于所述的膜絲OO)為中空纖維管，管壁厚度為100 250 μ m，直徑1.5 2. 5mm，纖維長度30. O 40. Ocm，纖維根數(shù)100 200，通過環(huán)氧樹脂成束封裝在殼體(1 兩端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的用于空間廢水處理的氧氣供應(yīng)裝置，其特征在于所述的外殼(15)、上底座(21)、下底座0 均為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯或不銹鋼材質(zhì)；殼體(15)為圓柱體結(jié)構(gòu)，其直徑為5. O 8. Ocm，長度35. O 45. Ocm，厚度為0. 5 0. 8cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的用于空間廢水處理的氧氣供應(yīng)裝置，其特征在于所述的氧氣供應(yīng)采用外壓方式，即氧氣在氣體壓力的作用下從膜絲OO)外滲透到膜絲OO)內(nèi)的中空管里；廢水處理液從每根膜絲OO)的中空管內(nèi)直接流過氧氣供應(yīng)膜組件(6)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的用于空間廢水處理的氧氣供應(yīng)裝置，其特征在于所述處理液中的DO值的設(shè)定上限值為5. O 8. Omg/L,下限值為2. O 3. Omg/L。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的用于空間廢水處理的氧氣供應(yīng)裝置，其特征在于所述膜組件中氧氣壓力值的設(shè)定上限值為120 125kPa，下限值為110 115kPa。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的用于空間廢水處理的氧氣供應(yīng)裝置，其特征在于所述電磁閥(16)和二級減壓閥(18)之間安裝氣體流量計(17)，用來控制氧氣的流量，保證了進入氧氣供應(yīng)膜組件的氧氣壓力穩(wěn)定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于空間廢水處理的氧氣供應(yīng)裝置，該裝置串聯(lián)在廢水處理液循環(huán)回路中。氧氣供應(yīng)裝置主要由氧氣供應(yīng)膜組件、壓力傳感器、電磁閥、流量計、減壓閥和氧氣貯瓶組成。氧氣供應(yīng)膜組件中的膜絲，采用氧氣透過性高的疏水聚偏氟乙烯(PVDF)材料制成，膜絲兩端通過環(huán)氧樹脂成束封裝在氧氣供應(yīng)膜組件殼體兩端。氧氣在適當壓力下從膜絲外通過膜管壁上的微孔進入流經(jīng)膜管內(nèi)的廢水處理液，被微生物吸收利用。氧氣供應(yīng)模式由廢水處理液的溶解氧(DO)和氧氣供應(yīng)膜組件中的氣體壓力決定。本發(fā)明不僅適用于未來空間條件下微生物處理廢水等設(shè)備，而且也為地面進行微生物處理廢水特性等基礎(chǔ)研究提供了新的技術(shù)手段。
文檔編號C02F3/34GK102241431SQ20101029222
公開日2011年11月16日 申請日期2010年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月27日
發(fā)明者唐永康, 尹永利, 秦利鋒, 艾為黨, 郭雙生 申請人:中國人民解放軍總裝備部航天醫(yī)學(xué)工程研究所