一种用于空间站污水处理及回用的系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于空间站污水处理及回用的系统及方法，属于航天污水处理领域。一种用于空间站污水处理及回用的系统及方法，通过空间站污水处理及回用系统，引入动态调控系统，实现按需调节各种用水水量和需氧量。通过Sabatier反应器、氢氧燃料电池、水电解装置，结合甲烷燃料电池和动态分配装置作为动态调控系统。一方面，动态调控系统根据空间站不同活动用水需要合理分配并调节卫生用水、水电解装置用水及饮用水水量，保证宇航员生活和工作用水稳定；另一方面，动态调控系统实现水和氧气灵活转化，让空间站资源分配更加合理。同时便于控制水和氧气的比例，减少了现有方案氧气储存在高压密封罐所占的体积，节约空间。节约空间。节约空间。

【技术实现步骤摘要】
一种用于空间站污水处理及回用的系统及方法


[0001]本专利技术属于航天污水处理领域，尤其是一种用于空间站污水处理及回用的系统及方法。

技术介绍

[0002]载人航天是当今世界上技术极为复杂、难度极大的航天工程。它的发展离不开空间站等载人航天器的设计和制造。其中，环境控制与生命保障系统(简称环控生保系统)是载人航天器的一个关键组成部分，其基本功能是在密闭空间为航天员创造一个基本的生活条件和适宜的工作环境。空间站内的环控生保系统是在密闭狭小的空间站舱内建造一个类似地球环境的可循环系统，以实现空间站中消耗性物资的循环再利用。空间站内的环控生保系统主要包括氧气再生系统、污水处理及回用系统、大气压力和成分控制系统、舱体温度和湿度控制系统以及卫生和废物管理系统五个部分。其中，根据水源的特性以及再生水的用途，污水处理及回用系统可以分为冷凝污水(包括CO2还原产水)处理子系统、卫生污水处理子系统和尿液处理子系统。尿液处理子系统所承担的尿液处理及回用任务是污水处理及回用系统中极其重要的一环。尿液是空间站中最复杂的污水之一，尿液中除含有96％～97％的水之外，还含有尿素、氯化钠及各种酸等杂质成分，而尿素作为其中最为主要的污染物，处理难度较大。
[0003]以目前空间站处理尿液的方法看，其原理主要是依靠水的相变将水从尿液中分离出来，比如在各空间站成功应用的渗透膜蒸发技术、蒸汽压缩蒸馏技术、冷冻浓缩技术等。我国空间站采用蒸汽压缩蒸馏法处理尿液，并统一对由尿液处理子系统产生的尿蒸馏水、冷凝水收集系统产生的冷凝水和二氧化碳收集系统产生的二氧化碳还原水所构成的混合污水进行处理及回用，运行过程中存在尿液需要储存达一定量后方可进行后续处理、收集的尿液中需要加入预处理药剂抑制微生物污染物并稳定挥发性氨，成本高且对设备有腐蚀作用、蒸汽压缩蒸馏法处理尿液剩余高浓度尿素废液较多，所需设备庞大，运行能耗高且消耗品较多、多种污水混合处理难度大，不同用途的水未分级处理造成资源浪费等问题。如何解决这些问题并提高系统的水回收率，是优化空间站污水处理及回用的主要目标和方向。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种用于空间站污水处理及回用的系统及方法。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0006]一种用于空间站污水处理及回用的系统，包括舱室、气液分离器、尿液电解模块、杂质过滤器、动态分配装置、卫生用水水箱、水电解装置、CO2及N2分离器、Sabatier反应器、甲烷燃料电池、氢氧燃料电池和饮用水处理系统；
[0007]当饮用水、舱室内的氧气含量和卫生用水水箱的水位分别处于预设范围内时，则进入正常工况：
[0008]所述舱室内产生的废液进入气液分离器，经过气液分离器分离后的尿液进入尿液电解模块；尿液中的尿素在尿液电解模块中进行电解，电解产物为CO2、N2和H2，CO2和N2进入CO2及N2分离器内，H2进入Sabatier反应器内，而剩余的尿液进入杂质过滤器内，经杂质过滤器过滤的水进入动态分配装置内，经过动态分配装置的分配，一部分进入卫生用水水箱内，剩余的部分进入水电解装置内；
[0009]进入水电解装置内的水进行电解，生成H2和O2，生成的H2一部分进入氢氧燃料电池内，剩余的H2进入Sabatier反应器内，生成的O2一部分进入舱室内，剩余的O2进入甲烷燃料电池内和氢氧燃料电池内；
[0010]氢氧燃料电池内的H2和O2进行反应生成水，生成水进入饮用水处理系统，经饮用水处理系统处理后供给舱室内；
[0011]Sabatier反应器内的H2和CO2进行反应生成水和CH4，生成的CH4进入甲烷燃料电池内，生成水进入饮用水处理系统，经饮用水处理系统处理后供给舱室内；
[0012]甲烷燃料电池内CH4和O2进行反应生成水和CO2，生成水进入饮用水处理系统，经饮用水处理系统处理后供给舱室内，生成的CO2进入Sabatier反应器内参与反应。
[0013]进一步的，当饮用水的水位低于预设量，而舱室内的氧气含量和卫生用水水箱的水位处于预设范围内时，则进入第一工况：
[0014]动态分配装置将电解后经杂质过滤器过滤后的水全部分配至水电解装置内；
[0015]进入水电解装置内的水进行电解，生成H2和O2，生成的H2一部分进入氢氧燃料电池内，剩余的H2进入Sabatier反应器内，生成的O2一部分进入舱室内，剩余的O2进入甲烷燃料电池内和氢氧燃料电池内；
[0016]氢氧燃料电池内的H2和O2进行反应生成水，生成水进入饮用水处理系统，经饮用水处理系统处理后供给舱室内；
[0017]Sabatier反应器内的H2和CO2进行反应生成水和CH4，生成的CH4进入甲烷燃料电池内，生成水进入饮用水处理系统，经饮用水处理系统处理后供给舱室内；
[0018]甲烷燃料电池内CH4和O2进行反应生成水和CO2，生成水进入饮用水处理系统，经饮用水处理系统处理后供给舱室内，生成的CO2进入Sabatier反应器内参与反应。
[0019]进一步的，当饮用水水位、舱室内的氧气含量处于预设范围内时，而卫生用水水箱的水位低于预设值时，则进入第二工况：
[0020]所述舱室内产生的废液进入气液分离器，经过气液分离器分离后的尿液进入尿液电解模块；尿液中的尿素在尿液电解模块中进行电解，电解产物为CO2、N2和H2，CO2和N2进入CO2及N2分离器内，H2进入Sabatier反应器内，而剩余的尿液进入杂质过滤器内，经杂质过滤器过滤的水进入动态分配装置内，经过动态分配装置的分配，全部进入卫生用水水箱内；
[0021]水电解装置内的水进行电解，生成H2和O2，一部分H2和O2进入氢氧燃料电池内，剩余的H2进入Sabatier反应器内，另一部分O2进入甲烷燃料电池内，剩余的O2进入舱室内；
[0022]氢氧燃料电池内的H2和O2进行反应生成水；
[0023]Sabatier反应器内的H2和CO2进行反应生成水和CH4，生成的CH4进入甲烷燃料电池内；
[0024]甲烷燃料电池内CH4和O2进行反应生成的水和CO2，生成的CO2进入Sabatier反应器内参与反应；
[0025]氢氧燃料电池、Sabatier反应器和甲烷燃料电池生成的水均进入杂质过滤器，经过滤后进入动态分配装置，动态分配装置将过滤后的水分配给卫生用水水箱。
[0026]进一步的，当饮用水、卫生用水水箱的水位处于预设范围内时，而舱室内的氧气含量低于预设值时，则进入第三工况：
[0027]所述舱室内产生的废液进入气液分离器，经过气液分离器分离后的尿液进入尿液电解模块；尿液中的尿素在尿液电解模块中进行电解，电解产物为CO2、N2和H2，CO2和N2进入CO2及N2分离器内，H2进入Sabatier反应器内，而剩余的尿液进入杂质过滤器内，经杂质过滤器过滤的水进入动态分配装置内，经过动态分配装置的分配，全部进入水电解装置内；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于空间站污水处理及回用的系统，其特征在于，包括舱室(1)、气液分离器(3)、尿液电解模块(5)、杂质过滤器(6)、动态分配装置(7)、卫生用水水箱(9)、水电解装置(13)、CO2及N2分离器(14)、Sabatier反应器(16)、甲烷燃料电池(17)、氢氧燃料电池(18)和饮用水处理系统；当饮用水、舱室(1)内的氧气含量和卫生用水水箱(9)的水位分别处于预设范围内时，则进入正常工况：所述舱室(1)内产生的废液进入气液分离器(3)，经过气液分离器(3)分离后的尿液进入尿液电解模块(5)；尿液中的尿素在尿液电解模块(5)中进行电解，电解产物为CO2、N2和H2，CO2和N2进入CO2及N2分离器(14)内，H2进入Sabatier反应器(16)内，而剩余的尿液进入杂质过滤器(6)内，经杂质过滤器(6)过滤的水进入动态分配装置(7)内，经过动态分配装置(7)的分配，一部分进入卫生用水水箱(9)内，剩余的部分进入水电解装置(13)内；进入水电解装置(13)内的水进行电解，生成H2和O2，生成的H2一部分进入氢氧燃料电池(18)内，剩余的H2进入Sabatier反应器(16)内，生成的O2一部分进入舱室(1)内，剩余的O2进入甲烷燃料电池(17)内和氢氧燃料电池(18)内；氢氧燃料电池(18)内的H2和O2进行反应生成水，生成水进入饮用水处理系统，经饮用水处理系统处理后供给舱室(1)内；Sabatier反应器(16)内的H2和CO2进行反应生成水和CH4，生成的CH4进入甲烷燃料电池(17)内，生成水进入饮用水处理系统，经饮用水处理系统处理后供给舱室(1)内；甲烷燃料电池(17)内CH4和O2进行反应生成水和CO2，生成水进入饮用水处理系统，经饮用水处理系统处理后供给舱室(1)内，生成的CO2进入Sabatier反应器(16)内参与反应。2.根据权利要求1所述的用于空间站污水处理及回用的系统，其特征在于，当饮用水的水位低于预设量，而舱室(1)内的氧气含量和卫生用水水箱(9)的水位处于预设范围内时，则进入第一工况：所述舱室(1)内产生的废液进入气液分离器(3)，经过气液分离器(3)分离后的尿液进入尿液电解模块(5)；尿液中的尿素在尿液电解模块(5)中进行电解，电解产物为CO2、N2和H2，CO2和N2进入CO2及N2分离器(14)内，H2进入Sabatier反应器(16)内，而剩余的尿液进入杂质过滤器(6)内，经杂质过滤器(6)过滤的水进入动态分配装置(7)内，经过动态分配装置(7)的分配，全部进入水电解装置(13)内；进入水电解装置(13)内的水进行电解，生成H2和O2，生成的H2一部分进入氢氧燃料电池(18)内，剩余的H2进入Sabatier反应器(16)内，生成的O2一部分进入舱室(1)内，剩余的O2进入甲烷燃料电池(17)内和氢氧燃料电池(18)内；氢氧燃料电池(18)内的H2和O2进行反应生成水，生成水进入饮用水处理系统，经饮用水处理系统处理后供给舱室(1)内；Sabatier反应器(16)内的H2和CO2进行反应生成水和CH4，生成的CH4进入甲烷燃料电池(17)内，生成水进入饮用水处理系统，经饮用水处理系统处理后供给舱室(1)内；甲烷燃料电池(17)内CH4和O2进行反应生成水和CO2，生成水进入饮用水处理系统，经饮用水处理系统处理后供给舱室(1)内，生成的CO2进入Sabatier反应器(16)内参与反应。3.根据权利要求1所述的用于空间站污水处理及回用的系统，其特征在于，当饮用水水位、舱室(1)内的氧气含量处于预设范围内时，而卫生用水水箱(9)的水位低于预设值时，则
进入第二工况：所述舱室(1)内产生的废液进入气液分离器(3)，经过气液分离器(3)分离后的尿液进入尿液电解模块(5)；尿液中的尿素在尿液电解模块(5)中进行电解，电解产物为CO2、N2和H2，CO2和N2进入CO2及N2分离器(14)内，H2进入Sabatier反应器(16)内，而剩余的尿液进入杂质过滤器(6)内，经杂质过滤器(6)过滤的水进入动态分配装置(7)内，经过动态分配装置(7)的分配，全部进入卫生用水水箱(9)内；水电解装置(13)内的水进行电解，生成H2和O2，一部分H2和O2进入氢氧燃料电池(18)内，剩余的H2进入Sabatier反应器(16)内，另一部分O2进入甲烷燃料电池(17)内，剩余的O2进入舱室(1)内；氢氧燃料电池(18)内的H2和O2进行反应生成水；Sabatier反应器(16)内的H2和CO2进行反应生成水和CH4，生成的CH4进入甲烷燃料电池(17)内；甲烷燃料电池(17)内CH4和O2进行反应生成的水和CO2，生成的CO2进入Sabatier反应器(16)内参与反应；氢氧燃料电池(18)、Sabatier反应器(16)和甲烷燃料电池(17)生成的水均进入杂质过滤器(6)，经过滤后进入动态分配装置(7)，动态分配装置(7)将过滤后的水分配给卫生用水水箱(9)。4.根据权利要求1所述的用于空间站污水处理及回用的系统，其特征在于，当饮用水、卫生用水水箱(9)的水位处于预设范围内时，而舱室(1)内的氧气含量低于预设值时，则进入第三工况：所述舱室(1)内产生的废液进入气液分离器(3)，经过气液分离器(3)分离后的尿液进入尿液电解模块(5)；尿液中的尿素在尿液电解模块(5)中进行电解，电解产物为CO2、N2和H2，CO2和N2进入CO2及N2分离器(14)内，H2进入Sabatier反应器(16)内，而剩余的尿液进入杂质过滤器(6)内，经杂质过滤器(6)过滤的水进入动态分配装置(7)内，经过动态分配装置(7)的分配，全部进入水电解装置(13)内；进入水电解装置(13)内的水进行电解，生成H2和O2，生成的H2进入Sabatier反应器(16)内，生成的O2进入舱室(1)内；Sabatier反应器(16)内的H2和CO2进行反应生成水和CH4，生成水进入杂质过滤器(6)内，经杂质过滤器(6)过滤进入动态分配装置(7)内，经过动态分配装置(7)的分配进入水电解装置(13)内参与电解。5.根据权利要求1
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4任一项所述的用于空间站污水处理及回用的系统，其特征在于，所述饮用水处理系统包括依次相连的第二活性炭吸附单元(22)、第二去离子器(23)、第二消毒杀菌器(24)和饮用水水箱(25)；Sabatier反应器(16)生成的水进入第二活性炭吸附单元(22)内，而甲烷燃料电池(17)和氢氧燃料电池(18)生成的水进入第二消毒杀菌器(24)内。6.根据权利要求1
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4任一项所述的用于空间站污水处理及回用的系统，其特征在于，还包括冷凝水收集系统(19)，所述冷凝水收集系统(19)用于收集舱体(1)内的水蒸气，经过冷凝后进入饮用水处理系统内，经饮用水处理系统处理后供给舱室(1)。7.根据权利要求1
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4任一项所述的用于空间站污水处理及回用的系统，其特征在于，还
包括二氧化碳收集系统(15)，所述二氧化碳收集系统(15)用于收集舱体(1)内的二氧化碳，收集的二氧化碳进入Sabatier反应器(16)参与反应。8.一种根据权利要求1
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7任一项所述的用于空间站污水处理及回用的系统的处理及回用方法，其特征在于，包括以下操作：(1)、当饮用水、舱室(1)内的氧气含量和卫生用水水箱(9)的水位分别处于预设范围内时，则进入正常工况：所述舱室(1)内产生的废液进入气液分离器(3)，经过...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹭，张珂，王毅航，童剑涛，王海凤，杨利伟，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：