專利名稱：空間永久基地有機(jī)廢物處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種空間永久基地有機(jī)廢物處理裝置，主要針對長時(shí)間、遠(yuǎn)距離的空 間載人基地(如月球永久基地、火星基地等)生物再生生命保障系統(tǒng)(Bioregenerative Life Su卯ort System,BLSS)內(nèi)有機(jī)廢物(植物不可食生物量、糞便、廚余等)的循環(huán)利用 問題。
背景技術(shù)：
生物再生生命保障系統(tǒng)(Bioregenerative Life Su卯ort System, BLSS)是利用 高等植物和微生物等生物來生產(chǎn)食物、處理廢物，同時(shí)再生空氣和水，為航天員生命活動提 供物質(zhì)保障的獨(dú)立、完整、復(fù)雜的系統(tǒng)。它是在物理化學(xué)的非再生式和再生式環(huán)控生保系統(tǒng) (Environmental Control and Life Support System, ECLSS)的基石出上，弓l入了生物技術(shù) 和生態(tài)平衡的理念，力圖創(chuàng)造工程控制技術(shù)和生物技術(shù)相結(jié)合的人工小型生態(tài)環(huán)境；實(shí)現(xiàn) 在一定的密閉空間內(nèi)人和其他生物之間氧氣、水分和有機(jī)物的循環(huán)再生，從而大大減少長 期空間活動的地面補(bǔ)給，降低運(yùn)行成本，并為航天員創(chuàng)造一個(gè)更為舒適和安全的生活環(huán)境。
BLSS中的固體廢物主要分為兩大類， 一類是植物不可食生物量，又稱植物殘?jiān)?，?要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和少量的蠟質(zhì)物質(zhì)構(gòu)成，約占系統(tǒng)固體廢物總干重的90% ; 另一類是廚余、食物殘?jiān)?，以及人體新陳代謝過程產(chǎn)生的糞便等。這些固體廢物經(jīng)過處理以 后可以栽培基質(zhì)或營養(yǎng)液的形式為植物提供營養(yǎng)，供其生長。從而實(shí)現(xiàn)物質(zhì)在系統(tǒng)內(nèi)的循 環(huán)。 針對BLSS中固體廢物的處理主要集中在物理化學(xué)技術(shù)上，如濕氧化(利用電解水 產(chǎn)生的H202氧化分解有機(jī)物)等。這類技術(shù)需要消耗較多的能量，處理后的產(chǎn)物也很難直 接循環(huán)利用(往往需要進(jìn)一步處理才能用作植物營養(yǎng)液)。因此，有必要采用更加穩(wěn)定并且 能耗較低的廢物處理技術(shù)。 在地面上，有機(jī)廢物好氧或厭氧發(fā)酵技術(shù)已經(jīng)比較成熟。但要想將其應(yīng)用于BLSS 中還需要解決一系列問題裝置在結(jié)構(gòu)上往往不能兼作好氧和厭氧發(fā)酵，耗氧速率的測試 不夠穩(wěn)定，物料混合不均勻，好氧發(fā)酵時(shí)物料與氧氣接觸不充分等。 因此在應(yīng)用于BLSS之前，必須對其進(jìn)行改進(jìn)。首先反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)上應(yīng)能兼作好 氧、厭氧兩用，通過適宜的工藝搭配，調(diào)節(jié)處理產(chǎn)物的營養(yǎng)組成(如碳氮比、硝態(tài)氮和氨態(tài) 氮的比例等)，使其適合作為植物栽培基質(zhì)；其次應(yīng)增強(qiáng)系統(tǒng)的自動控制能力，對各主要指 標(biāo)——溫度、含水率、耗氧速率等能夠進(jìn)行連續(xù)穩(wěn)定的監(jiān)測；再次應(yīng)通過改進(jìn)通風(fēng)、攪拌裝 置，增設(shè)控溫裝置等措施來提高處理效率；最后應(yīng)考慮到滲濾液和生物氣的處理處置問題， 任何產(chǎn)物都要經(jīng)過合理的處置，以免對系統(tǒng)環(huán)境造成破壞。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明提供了一種空間永久基地有機(jī)廢物處理裝置，由發(fā)酵罐體、 進(jìn)氣預(yù)處理系統(tǒng)、出氣冷凝系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、滲濾液收集回流系統(tǒng)、加熱控溫系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)構(gòu)成。本裝置能夠兼作好氧和厭氧發(fā)酵之用；并且能夠?qū)?發(fā)酵過程的各主要指標(biāo)進(jìn)行自動監(jiān)測和調(diào)節(jié)；改進(jìn)了耗氧速率監(jiān)測方法；改進(jìn)攪拌器形式 和控溫方式等措施加速發(fā)酵進(jìn)程。發(fā)酵產(chǎn)生的生物氣經(jīng)植物栽培基質(zhì)吸附處理，滲濾液被 回流至物料內(nèi)用以補(bǔ)償出氣帶出的水分。 本裝置采用密閉罐體構(gòu)造，設(shè)有進(jìn)氣口和出氣口。當(dāng)進(jìn)行好氧發(fā)酵時(shí)，通過氣泵從 進(jìn)氣口鼓入新鮮空氣。當(dāng)進(jìn)行厭氧發(fā)酵時(shí)，首先通過氣泵從進(jìn)氣口鼓入缺氧氣體，排除裝置 內(nèi)的氧氣，然后將裝置密閉進(jìn)行厭氧發(fā)酵；也可以在反應(yīng)過程中連續(xù)或間歇地鼓入氮?dú)庖?防止裝置內(nèi)甲烷等氣體濃度過高影響發(fā)酵反應(yīng)進(jìn)行。 為了實(shí)現(xiàn)物料的充分混合，本裝置采用的攪拌器上半部為螺桿結(jié)構(gòu)，下半部為平 直葉槳式結(jié)構(gòu)。隨著攪拌器的轉(zhuǎn)動，物料在軸向和環(huán)向兩個(gè)方向上同時(shí)翻動，實(shí)現(xiàn)最大程度 的混合。對于好氧發(fā)酵，這一措施增加了物料同氧氣的接觸面；對于厭氧發(fā)酵，也能避免發(fā) 酵過程物料結(jié)塊。 發(fā)酵過程各主要指標(biāo)——溫度、含水率、耗氧速率等通過傳感器進(jìn)行在線監(jiān)測。在 耗氧速率監(jiān)測方面本裝置通過測定進(jìn)出氣中C02、 CH4等的濃度來判斷反應(yīng)進(jìn)程。本裝置通 過調(diào)控進(jìn)氣的溫度來控制裝置內(nèi)的物料溫度。裝置各主要部件的運(yùn)行參數(shù)(如電機(jī)轉(zhuǎn)速、 氣泵風(fēng)量、加熱器溫度等)通過數(shù)據(jù)采集裝置讀入工控機(jī)，根據(jù)物料溫度、含水率和耗氧速 率的監(jiān)測值對攪拌器轉(zhuǎn)速、氣泵風(fēng)量和進(jìn)氣溫度進(jìn)行自動控制。攪拌器轉(zhuǎn)速和氣泵風(fēng)量亦 可以手動調(diào)節(jié)。 好氧發(fā)酵產(chǎn)生的生物氣溫度較高，里面含有大量的水分。本裝置在出氣口處設(shè)置 了冷凝單元，盡量減少水分流失，維持物料正常的含水率。發(fā)酵產(chǎn)生的生物氣中含有一定濃 度的惡臭氣體，經(jīng)植物栽培基質(zhì)(主要為腐熟的)吸附，可去除其中大部分有害物質(zhì)，然后 再隨同艙內(nèi)空氣一起經(jīng)空氣凈化設(shè)施進(jìn)一步處理。 發(fā)酵過程會產(chǎn)生一定量的滲濾液，其中含有大量的微生物。通過泵將滲濾液回流 至物料內(nèi)，根據(jù)物料含水率的高低來控制蠕動泵流速。通過回流，一方面增加了物料中微生 物的濃度，另一方面也可以補(bǔ)償出氣帶出的水分，維持物料含水率在適宜范圍內(nèi)。


圖1是本發(fā)明空間永久基地有機(jī)廢物處理裝置的剖視圖。圖中1是滲濾液收集管 閥門；2是滲濾液收集罐；3是三腳支架，用于支撐整個(gè)裝置；4是液位計(jì)，用于控制滲濾液 的排放，同時(shí)防止氣體沿滲濾液收集管泄漏；5是錐斗，用于收集滲濾液，同時(shí)起到進(jìn)氣緩 沖的作用；6是法蘭；7是螺栓；8是篩板，上覆40目篩網(wǎng)，用于支撐物料和攪拌器；9是圓柱 形罐體，采用立式結(jié)構(gòu)(詳見圖2) ;10是保溫層；11是水泵；12是溫度傳感器(2支， 一支 用于測量物料溫度，另一支用于測量環(huán)境溫度)；13是水分傳感器；計(jì)；15是攪拌器；16是 罐體頂蓋，上面設(shè)有進(jìn)料口、進(jìn)水口和出氣口 (詳見圖3) ;17是進(jìn)料口及其端蓋；18是電機(jī)
機(jī)架；19是電機(jī)(上部裝有編碼器19-1) ;20是干燥管；21是電子流量計(jì)；22是氣體傳感器 模塊(監(jiān)測氣體溫度、(A和CH4濃度)；23是出氣冷凝管；24是進(jìn)水口 ；25是出氣口 ；26是 墊片；27是取樣口及其內(nèi)蓋、端蓋(詳見圖4) ;28是出料口及其內(nèi)蓋、端蓋(詳見圖4) ;29 是加熱器；30是氣泵或氣瓶；31是進(jìn)氣管口 ；32是滲濾液收集管口 ；33是調(diào)平螺栓，用于調(diào) 節(jié)水平；34是植物栽培基質(zhì)(腐熟的發(fā)酵料)。
圖2是圖1中罐體9的俯視圖。圖中9是圓柱形罐體；12是溫度傳感器；13是水
分傳感器；14是pH計(jì)；27-1是取樣口支管；28-1是出料口支管。圖中給出了各支管的相對 位置。 圖3是圖1中罐體頂蓋14的俯視圖。圖中16是罐體頂蓋；17-1是進(jìn)料口 ；18-1 是機(jī)架固定孔；24是進(jìn)水孔；25是出氣孔。 圖4是圖1中取樣口 27和出料口 28的剖視圖。圖中27_1是取樣口支管(兩 個(gè))；27-2是取樣口內(nèi)蓋(兩個(gè)，尼龍材料)；27-3是取樣口外蓋(兩個(gè)，尼龍材料)；28-1 是出料口支管；28-2是出料口內(nèi)蓋(尼龍材料)；28-3是出料口外蓋(尼龍材料)。
圖5是自動控制系統(tǒng)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍并不局限
于具體實(shí)施方式
中所描述的范圍。
實(shí)施例1 當(dāng)進(jìn)行好氧發(fā)酵時(shí)，圖1中的30為氣泵或存有一定氧濃度氣體的氣瓶。在生物再 生生命保障系統(tǒng)中，氧氣是非常珍貴的生保物質(zhì)。某些艙室或設(shè)備輸出的氣體中含氧量較 低或是含有較高濃度的C02等氣體，不能用來呼吸。但是好氧發(fā)酵對氣體的要求遠(yuǎn)比人要 低的多，只要氧分壓能滿足好氧發(fā)酵要求即可。因此，在進(jìn)行好氧發(fā)酵的時(shí)候可用不宜呼吸 的空氣作為輸入氣，以較低的運(yùn)行成本維持好氧發(fā)酵過程。 在進(jìn)行發(fā)酵之前首先要將固體廢物粉碎到一定粒徑，與部分腐熟的發(fā)酵料混合， 并調(diào)節(jié)含水率至60X左右、pH值至中性。然后將其進(jìn)料口 17(圖1、3)加入到發(fā)酵罐9內(nèi)。 物料在微生物的作用下進(jìn)行好氧發(fā)酵，這個(gè)過程將產(chǎn)生一定的熱量。保溫層io為不銹鋼外 殼，內(nèi)部填充石棉，可以有效地維持物料溫度，防止發(fā)酵過程溫度流失過快。電機(jī)19帶動攪 拌器15以5rpm的速度旋轉(zhuǎn)，使物料混合均勻并與氧氣充分接觸。在發(fā)酵過程中，通過溫度 傳感器12、水分傳感器13和pH計(jì)14(圖1、2)監(jiān)測發(fā)酵過程中物料的主要物理性質(zhì)的變 化。通過取樣口 27和出料口 28(圖1、2)取樣分析發(fā)酵物料的化學(xué)性質(zhì)(有機(jī)質(zhì)含量、碳 氮比、碳磷比等)和生物學(xué)性質(zhì)(酶活性、微生物群落結(jié)構(gòu)等)。取樣口和出料口有內(nèi)外兩 層蓋子(圖4)，內(nèi)蓋用于防止物料進(jìn)入取樣口支管形成死角，外蓋用于密封。經(jīng)過10天左 右的發(fā)酵，物料各主要性質(zhì)趨于穩(wěn)定，物料達(dá)到腐熟，此時(shí)好氧發(fā)酵過程結(jié)束。物料通過出 料口 28在攪拌器15的推動下排出。 氣體經(jīng)干燥管20b干燥后再進(jìn)入電子流量計(jì)21b，以防止進(jìn)氣中的水分干擾測量 或?qū)鞲衅髂K22b造成破壞。傳感器模塊22b監(jiān)測進(jìn)氣中的02濃度丄02濃度、C仏濃度， 并同時(shí)監(jiān)測氣體溫度，對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償，傳感器的測量結(jié)果經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊導(dǎo)入 工控機(jī)。氣體在進(jìn)入裝置之前還需要經(jīng)過加熱器29，加熱器的溫度由物料溫度反饋控制。 進(jìn)氣口 31的方向朝下，在錐斗5內(nèi)滲濾液的最高液面之上10mm，以防止液體倒吸。錐斗5 上部和篩板8之間為氣體緩沖區(qū)，能夠使氣體在進(jìn)入發(fā)酵體之前分布均勻。在攪拌器15的 配合下，氣體與物料能夠獲得充分接觸。出氣口設(shè)在罐體頂蓋16上(圖3)。經(jīng)加熱器29 的加熱以及與發(fā)酵料的充分接觸之后，氣體溫度較高，其水分含量較多。如果不對其進(jìn)行處 理，一方面會使物料的含水率快速下降，另一方面也會對后續(xù)的氣體測試造成影響。因此在出氣口設(shè)置了一個(gè)蛇形冷卻管23。出氣經(jīng)過干燥管20a和電子流量計(jì)21a以后由傳感器 模塊22a測定其中的C02濃度、02濃度和CH4濃度。通過分析比較緊出氣體中的C02濃度、 02濃度和(^4濃度，可以確定發(fā)酵過程的耗氧速率。為了防止對周圍空氣造成污染，從傳感 器22a輸出的氣體經(jīng)植物栽培基質(zhì)34進(jìn)行吸附，去除其中大部分的有害成分，然后再隨基 地內(nèi)其他空氣一起經(jīng)空氣凈化設(shè)備進(jìn)一步處理。 好氧發(fā)酵過程，尤其是前期會產(chǎn)生較多的水分。這些水透過篩板8滲到錐斗5里 即為滲濾液。錐斗5的下部裝有液位計(jì)4，通過其控制電磁閥la的通斷，一方面可以防止液 位過高淹沒進(jìn)氣管口31，另一方面也可以在錐斗底部形成水封，防止氣體泄漏。滲濾液被收 集到儲罐2內(nèi)。通過物料含水率的變化反饋控制水泵11將滲濾液從進(jìn)水口 24(圖1、3)輸 回至罐體內(nèi)。在維持物料含水率的同時(shí)還可以增加物料中微生物的數(shù)量。
如圖5所示，編碼器19-1 (測量電機(jī)轉(zhuǎn)速)、電子流量計(jì)21 (測量氣泵風(fēng)量)、氣體 傳感器22測得的氣體濃度、加熱器溫度、環(huán)境溫度、物料溫度、物料含水率和液位計(jì)等信號 通過數(shù)據(jù)采集器輸入工控機(jī)。工控機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，輸出控制信號，調(diào)節(jié)電機(jī)19 轉(zhuǎn)速、氣泵30風(fēng)量、加熱器29溫度、滲濾液排放電磁閥la開關(guān)、水泵11開關(guān)和進(jìn)水電磁閥 lb開關(guān)等。此外，工控機(jī)將所有數(shù)據(jù)存儲，以備隨時(shí)調(diào)用。電機(jī)19轉(zhuǎn)速和氣泵30風(fēng)量也可 以手動調(diào)節(jié)。
實(shí)施例2 當(dāng)進(jìn)行厭氧發(fā)酵時(shí)，圖1中的30為氮?dú)馄炕蚴谴嬗袠O低氧濃度氣體的氣瓶。在 發(fā)酵前，須連續(xù)通氣排出裝置內(nèi)的氧氣，發(fā)酵過程中可以選擇連續(xù)通氣或間歇通氣，以防止 CH4等厭氧發(fā)酵產(chǎn)物濃度過高影響反應(yīng)過程。電機(jī)19轉(zhuǎn)速為lrpm左右，其目的僅僅是防止 物料結(jié)塊。傳感器模塊22只需要測量0)2濃度和(^4濃度即可。其余操作與好氧發(fā)酵相類 似。經(jīng)過好氧和厭氧的配合處理以后的物料在性質(zhì)上適宜用作植物栽培基質(zhì)。
權(quán)利要求
空間永久基地有機(jī)廢物處理裝置，其上部設(shè)有進(jìn)料口(17)、進(jìn)水口(24)和出氣口(25)，并固定有電機(jī)(19)可帶動攪拌器(15)以0～10rpm速度旋轉(zhuǎn)。電機(jī)上部裝有編碼器(19-1)以測速。攪拌器(15)上半部分為螺桿結(jié)構(gòu)，下半部分為平直葉槳式結(jié)構(gòu)。裝置側(cè)面設(shè)有三個(gè)傳感器口，分別設(shè)置溫度傳感器(12)、水分傳感器(13)和pH計(jì)(14)。裝置側(cè)面開有兩個(gè)取樣口(27)和一個(gè)出料口(28)。取樣口和出料口均設(shè)有內(nèi)蓋(27-2、28-2)和外蓋(27-3、28-3)，內(nèi)蓋用于防止物料進(jìn)入取樣口支管形成死角，外蓋用于密封。裝置中下部有一篩板(8)，上覆20～100目篩網(wǎng)以承托物料。裝置底部為錐斗(5)，其側(cè)面上部設(shè)有進(jìn)氣口(31)，底部設(shè)有出水口(32)。進(jìn)氣口(31)的方向朝下，在錐斗(5)內(nèi)滲濾液的最高液位之上10mm，以防倒吸。整個(gè)裝置由三角支架(3)支撐。進(jìn)氣由氣泵(30)輸入，依次經(jīng)過干燥管(20b)、電子流量計(jì)(21b)、氣體傳感器模塊(22b)和加熱器(29)。出氣經(jīng)蛇形冷卻管(23)、干燥管(20a)、電子流量計(jì)(21a)和氣體傳感器模塊(22a)，最后通入植物栽培基質(zhì)(34)中。物料中的水分透過篩板(8)滲到錐斗(5)里。錐斗(5)的下部裝有液位計(jì)(4)，通過其控制電磁閥(1a)的通斷。滲濾液被收集到儲罐(2)內(nèi)，通過水泵(11)將滲濾液輸回至裝置內(nèi)。
2. 如權(quán)利要求l所述裝置，其特征在于，將溫度傳感器(12)、氣體傳感器模塊(22)、含 水率傳感器(13)、電子流量計(jì)(21)、編碼器(19-1)和液位計(jì)(4)采集的環(huán)境溫度、物料溫 度、加熱器溫度、02濃度、0)2濃度、C仏濃度、物料含水率、氣泵風(fēng)量、電機(jī)轉(zhuǎn)速等信號經(jīng)數(shù)模 轉(zhuǎn)換輸入工控機(jī)，工控機(jī)對信號進(jìn)行分析處理后輸出控制信號對電機(jī)(19)轉(zhuǎn)速、氣泵(30) 風(fēng)量、加熱器(29)溫度、電磁閥(1)、水泵(11)等進(jìn)行調(diào)控。
3. 如權(quán)利要求l所述裝置，其特征在于，分析比較氣體傳感器模塊(22)測得的進(jìn)出氣 中02濃度、C02濃度和CH4濃度的差值來確定物料在當(dāng)前時(shí)刻的耗氧速率，以及物料在當(dāng)前 時(shí)刻進(jìn)行的好氧發(fā)酵和厭氧發(fā)酵的情況。
全文摘要
本發(fā)明提供一種空間永久基地有機(jī)廢物處理裝置，主要針對長時(shí)間、遠(yuǎn)距離的空間載人基地(如月球永久基地、火星基地)生物再生生命保障系統(tǒng)內(nèi)有機(jī)廢物(植物不可食生物量、糞便、廚余等)的循環(huán)利用問題。本裝置由發(fā)酵罐體、進(jìn)氣預(yù)處理系統(tǒng)、出氣冷凝系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、滲濾液收集回流系統(tǒng)、加熱控溫系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)構(gòu)成。本裝置能夠兼作好氧和厭氧發(fā)酵之用，能夠?qū)Πl(fā)酵過程的各主要指標(biāo)進(jìn)行自動監(jiān)測和調(diào)節(jié)，改進(jìn)了耗氧速率監(jiān)測方法，改進(jìn)了攪拌器的形式和控溫方式。發(fā)酵產(chǎn)生的生物氣經(jīng)植物栽培基質(zhì)吸附處理。滲濾液被回流至物料內(nèi)用以補(bǔ)償出氣帶出的水分。
文檔編號B09B3/00GK101791619SQ201010033958
公開日2010年8月4日 申請日期2010年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月7日
發(fā)明者劉紅, 胡恩柱 申請人:北京航空航天大學(xué)