一種空間站可降解垃圾自動(dòng)化處理系統(tǒng)及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于生物反應(yīng)器自動(dòng)化控制領(lǐng)域，涉及一種應(yīng)用于空間站可降解垃圾處理系統(tǒng)及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]未來(lái)空間站，內(nèi)部空間有限，多名航天員生活會(huì)產(chǎn)生大量的可降解生活垃圾，如包裝紙、廚房垃圾等，這些可降解生活垃圾需要通過(guò)壓縮打包再運(yùn)回地面，這樣既占據(jù)了原本狹小的空間站生活空間，也產(chǎn)生了高昂的運(yùn)輸費(fèi)用。在空間站，需要航天員完成各種的空間實(shí)驗(yàn)，這些也需要能源的消耗，而向空間站運(yùn)輸能源需要昂貴的運(yùn)輸費(fèi)用，同時(shí)也增加了工作量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決以上的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種空間站可降解垃圾自動(dòng)化處理系統(tǒng)及其操作方法，此系統(tǒng)能夠降解部分生活垃圾，降低生活垃圾的體積和運(yùn)輸費(fèi)用并產(chǎn)生生物能源。
[0004]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0005]—種空間站可降解垃圾自動(dòng)化處理系統(tǒng)，主要由以下四個(gè)系統(tǒng)組成:垃圾暫儲(chǔ)和粉碎系統(tǒng)、循環(huán)流式生物膜生物反應(yīng)器、薄膜滲透蒸發(fā)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，其中:
[0006]所述垃圾暫儲(chǔ)和粉碎系統(tǒng)主要由垃圾儲(chǔ)罐、粉碎機(jī)和增壓栗組成，增壓栗經(jīng)第八電磁閥與垃圾儲(chǔ)罐相連，垃圾儲(chǔ)罐位于粉碎機(jī)的上端且其出料口與粉碎機(jī)的進(jìn)料口相連；
[0007]所述循環(huán)流式生物膜生物反應(yīng)器主要由氧氣罐、廢氣罐、消泡劑儲(chǔ)罐、酸儲(chǔ)罐、堿儲(chǔ)罐、生物膜、生物反應(yīng)器、溶氧檢測(cè)器、泡沫檢測(cè)器、溫度計(jì)、PH計(jì)、乙醇檢測(cè)器和壓力表組成，粉碎機(jī)的出料口通過(guò)第一電磁閥和第二電磁閥與生物反應(yīng)器的進(jìn)料口相連，生物反應(yīng)器上設(shè)置有溶氧檢測(cè)器、泡沫檢測(cè)器、溫度計(jì)、PH計(jì)、乙醇檢測(cè)器和壓力表，生物膜設(shè)置在生物反應(yīng)器的內(nèi)部，氧氣罐經(jīng)第十七電磁閥、第一除菌過(guò)濾器與生物反應(yīng)器的進(jìn)氣口相連，生物反應(yīng)器的出氣口經(jīng)第二除菌過(guò)濾器、第十四電磁閥與廢氣罐相連，消泡劑儲(chǔ)罐經(jīng)第十六電磁閥與生物反應(yīng)器相連，酸儲(chǔ)罐和堿儲(chǔ)罐經(jīng)第十五電磁閥13與生物反應(yīng)器相連；
[0008]所述薄膜滲透蒸發(fā)系統(tǒng)主要由滲透膜、真空栗、冷阱、污水儲(chǔ)罐、能源儲(chǔ)罐和滲透蒸發(fā)容器組成，生物反應(yīng)器的出料口經(jīng)第四電磁閥、循環(huán)水栗、第五電磁閥與滲透蒸發(fā)容器的進(jìn)料口相連，滲透膜安裝于滲透蒸發(fā)容器中，滲透蒸發(fā)容器的氣相出口經(jīng)第十一電磁閥與冷阱的進(jìn)料口相連，冷阱的出料口經(jīng)第十三電磁閥與能源儲(chǔ)罐相連，真空栗與冷阱連接；滲透蒸發(fā)容器的液相出口分別經(jīng)第九電磁閥與污水儲(chǔ)罐相連，經(jīng)第六電磁閥與循環(huán)水栗的進(jìn)水端相連；污水儲(chǔ)罐經(jīng)第八電磁閥、第六電磁閥與循環(huán)水栗相連；循環(huán)水栗的出水端經(jīng)第七電磁閥、第三電磁閥與第二電磁閥的進(jìn)水端相連。
[0009]所述控制系統(tǒng)發(fā)送指令給垃圾暫儲(chǔ)和粉碎系統(tǒng)、循環(huán)流式生物膜生物反應(yīng)器和薄膜滲透蒸發(fā)系統(tǒng)。
[0010]本發(fā)明的空間站可降解垃圾處理系統(tǒng)的控制過(guò)程如下:
[0011]步驟一、當(dāng)垃圾儲(chǔ)罐的垃圾體積達(dá)到總體積的1/3-1/2，啟動(dòng)粉碎機(jī)并增壓和注水，將粉碎的原料通過(guò)第一電磁閥和第二電磁閥進(jìn)入生物反應(yīng)器，并繼續(xù)注水，直到達(dá)到生物反應(yīng)器容積的80-90%，之后關(guān)閉垃圾暫儲(chǔ)和粉碎系統(tǒng)。
[0012]步驟二、啟動(dòng)循環(huán)水栗和第四、七、三和二電磁閥，使發(fā)酵液進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)，使用溶氧檢測(cè)器、泡沫檢測(cè)器、溫度計(jì)、PH計(jì)、乙醇檢測(cè)器和壓力表檢測(cè)其中的各種參數(shù)，并用消泡劑和酸或堿溶液控制PH，發(fā)酵液的循環(huán)流動(dòng)速度為每2_4h循環(huán)流動(dòng)一次，氧氣罐為微生物生長(zhǎng)供氧氣，廢氣罐收集產(chǎn)生的廢氣并控制反應(yīng)器內(nèi)部的壓力。
[0013]步驟三:當(dāng)發(fā)酵液的乙醇濃度達(dá)到上限，關(guān)閉第四、七、三和二電磁閥、循環(huán)水栗和生物反應(yīng)器，并打開第四、五電磁閥和循環(huán)水栗，將發(fā)酵液注入滲透蒸發(fā)容器，關(guān)閉第四電磁閥，啟動(dòng)第六、十一和十二電磁閥，加熱滲透蒸發(fā)容器，啟動(dòng)真空栗和冷阱，生物能源揮發(fā)并透過(guò)滲透膜，并在冷阱中冷卻。
[0014]步驟四、當(dāng)不再有生物能源揮發(fā)，關(guān)閉循環(huán)水栗、加熱器、第五、六、十一和十二電磁閥及真空栗，打開第九電磁閥，將剩余的廢液暫存入污水儲(chǔ)罐，當(dāng)達(dá)到污水儲(chǔ)罐體積的2/3時(shí)，打開第八、六、七、十電磁閥和循環(huán)水栗，將污水注入空間站水凈化處理系統(tǒng)，并將生物能源暫儲(chǔ)于能源儲(chǔ)罐。
[0015]本發(fā)明中，垃圾暫儲(chǔ)和粉碎系統(tǒng)中垃圾儲(chǔ)罐和粉碎機(jī)是一個(gè)整體，且粉碎機(jī)是低噪音或無(wú)噪音的。
[0016]本發(fā)明中，生物反應(yīng)器為臥式，其外形為方形或圓形。
[0017]本發(fā)明中，生物反應(yīng)器采用兩套溶氧檢測(cè)器、溫度計(jì)、pH計(jì)、乙醇檢測(cè)器。
[0018]本發(fā)明中，生物反應(yīng)器中采用固定化生物膜，生物膜采用多重生物膜組件，為3-10個(gè)。
[0019]本發(fā)明中，生物膜中采用的微生物為可產(chǎn)生能源的微生物，其能源為可揮發(fā)性能源。
[0020]本發(fā)明中，生物反應(yīng)器采用循環(huán)流動(dòng)式，克服微重力環(huán)境對(duì)液體流動(dòng)性的影響。
[0021]本發(fā)明中，薄膜滲透蒸發(fā)系統(tǒng)采用可選擇透過(guò)生物能源的滲透膜，如透過(guò)乙醇或丁醇等。
[0022]本發(fā)明中，滲透蒸發(fā)容器采用循環(huán)流式，提高效率。
[0023]本發(fā)明中，滲透膜選擇為以聚偏氟乙烯(PVDF)為基膜、聚二甲基硅氧烷(PDMS)為選擇層制備的PDMS/PVDF復(fù)合膜，這種復(fù)合膜更加環(huán)保安全，且分離效率更好，去除率能夠達(dá)到 50-95%。
[0024]本發(fā)明中，冷阱是在冷卻的表面上以凝結(jié)方式捕集氣體的阱，與傳統(tǒng)冷卻裝置相比，冷阱一方面有利于水蒸氣凝結(jié)，另一方面提高了有機(jī)溶劑蒸發(fā)密度，更易于凝結(jié)。
[0025]本發(fā)明中，能源儲(chǔ)罐的容量為10-100L。
[0026]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0027]1、該系統(tǒng)可完全適應(yīng)微重力條件，可在空間站中處理可降解垃圾，通過(guò)對(duì)空間中生活垃圾的分解和轉(zhuǎn)化，將大分子纖維素分解為寡糖，再將其生物降解為單糖，最后可轉(zhuǎn)化為可回收利用的生物能源等。
[0028]2、該系統(tǒng)能完全適應(yīng)微重力環(huán)境。
[0029]3、該系統(tǒng)既可有效處理空間飛行中航天員的生活垃圾，又可以實(shí)現(xiàn)太空中資源的最大限度回收；
[0030]4、既降低了目前在空間垃圾處理方面的高昂成本，又能夠節(jié)約寶貴的太空空間；[0031 ] 5、該系統(tǒng)是完全自動(dòng)化的，可節(jié)省大量人力。
[0032]6、循環(huán)過(guò)程中能夠保證底物與微生物的充分接觸。
【附圖說(shuō)明】
[0033]圖1為循環(huán)流式垃圾反應(yīng)系統(tǒng)控制示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說(shuō)明，但并不局限于此，凡是對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。
[0035]【具體實(shí)施方式】一:如圖1所示，本實(shí)施方式所述的空間站可降解垃圾自動(dòng)化處理系統(tǒng)由垃圾暫儲(chǔ)和粉碎系統(tǒng)、循環(huán)流式生物膜生物反應(yīng)器、薄膜滲透蒸發(fā)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)四部分組成，其中:垃圾暫儲(chǔ)和粉碎系統(tǒng)主要用于儲(chǔ)存和粉碎可降解生活垃圾，并在壓力和水流的作用下，將粉碎的垃圾運(yùn)入生物反應(yīng)器；循環(huán)流式生物膜生物反應(yīng)器主要作用在于分解和轉(zhuǎn)化生活垃圾，通過(guò)分解大分子纖維素為寡糖，再分解成單糖，最后轉(zhuǎn)化成生物能源等過(guò)程處理生活垃圾；薄膜滲透蒸發(fā)系統(tǒng)主要作用在于分離生物反應(yīng)器發(fā)酵液中的生物能源等可揮發(fā)的生物能源，并暫時(shí)儲(chǔ)存能源和反應(yīng)器廢水；控制系統(tǒng)主要目的在于控制從垃圾粉碎到乙醇發(fā)酵再到乙醇分離等整個(gè)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全方位自動(dòng)化。每個(gè)設(shè)備之間根據(jù)過(guò)程控制由管道和控制閥連接，具體連接關(guān)系如下:
[0036]所述垃圾暫儲(chǔ)和粉碎系統(tǒng)主要由垃圾儲(chǔ)罐1、粉碎機(jī)2和增壓栗3組成，增壓栗3經(jīng)第八電磁閥4與垃圾儲(chǔ)罐I相連，垃圾儲(chǔ)罐I位于粉碎機(jī)2的上端且其出料口與粉碎機(jī)2的進(jìn)料口相連；
[0037]所述循環(huán)流式生物膜生物反應(yīng)器主要由氧氣罐5、廢氣罐6、消泡劑儲(chǔ)罐7、酸儲(chǔ)罐8、堿儲(chǔ)罐9、生物膜10、生物反應(yīng)器11、溶氧檢測(cè)器12、泡沫檢測(cè)器13、溫度計(jì)14、pH計(jì)15、乙醇檢測(cè)器16和壓力表17組成，粉碎機(jī)2的出料口通過(guò)第一電磁閥41和第二電磁閥42與生物反應(yīng)器11的進(jìn)料口相連，生物反應(yīng)器11上設(shè)置有溶氧檢測(cè)器12、泡沫檢測(cè)器13、溫度計(jì)14、pH計(jì)15、乙醇檢測(cè)器16和壓力表17。生物膜10設(shè)置在生物反應(yīng)器11的內(nèi)部，在該反應(yīng)器中預(yù)裝第一膜組件10-1、第二膜組件10-2、第三膜組件10-3三個(gè)生物膜組件，可以延長(zhǎng)底物垃圾與微生物的接觸時(shí)間，同時(shí)可以提高纖維素分解和乙醇轉(zhuǎn)化這兩個(gè)生物反應(yīng)過(guò)程的效率。氧氣罐5經(jīng)第十七電磁閥18、第一除菌過(guò)濾器19與生物反應(yīng)器11的進(jìn)氣口相連，生物反應(yīng)器11的出氣口經(jīng)第二除菌過(guò)濾器20、第十四電磁閥21與廢氣罐6相連，消泡劑儲(chǔ)罐7經(jīng)第十六電磁閥22與生物反應(yīng)器11相連，酸儲(chǔ)罐8和堿儲(chǔ)罐9經(jīng)第十五電磁閥23與生物反應(yīng)器11相連；