水下密閉生存空間廢水廢氣處理循環(huán)利用集成技術(shù)研究.pdf

1、水下密閉生存空間是廣泛存在于近海油氣工業(yè)和民用海洋科學(xué)領(lǐng)域的水下航行載人載體內(nèi)的特定空間環(huán)境，其為在水下長(zhǎng)期作業(yè)的工作人員提供生存居住的空間，其空間特點(diǎn)是一段時(shí)間內(nèi)與外界大氣完全隔絕的密閉空間。在這樣的密閉生存空間里，工作人員需要大量的消耗性物質(zhì)及排放大量的廢物，若僅靠地面支持系統(tǒng)供取，將會(huì)增加經(jīng)濟(jì)成本，大大影響水下密閉生存空間的工作周期。因此在水下密閉生存空間空間內(nèi)建立廢物循環(huán)再生系統(tǒng)來(lái)提供部分消耗性物質(zhì)是一項(xiàng)十分重要的任務(wù)。隨著我國(guó)

2、水下科研與相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，密閉生存空間的持續(xù)工作能力的提升研究正在起步，本研究以國(guó)內(nèi)外有關(guān)密閉生存空間廢物循環(huán)再生系統(tǒng)的研究為基礎(chǔ)，根據(jù)水下密閉空間特點(diǎn)建立了80人處理能力的廢水廢氣循環(huán)再生系統(tǒng)，并考察它們的運(yùn)行性能。
　　本研究建立了水下密閉空間內(nèi)廢水收集處理系統(tǒng)來(lái)處理多種混合廢水達(dá)到空間回用標(biāo)準(zhǔn)的集成方法。水下密閉生存空間內(nèi)產(chǎn)生的廢水主要有生理廢水、衛(wèi)生廢水和冷凝廢水，根據(jù)不同廢水特點(diǎn)，生理和衛(wèi)生混合廢水的水質(zhì)中有機(jī)質(zhì)和氨氮含

3、量較高，水量變化隨作息時(shí)間有階段性變化（COD：3000~5000 mg/L；NH3-N值在79.5~129.3 mg/L），因此采用抗負(fù)荷沖擊能力強(qiáng)的膜生物反應(yīng)器（MBR）對(duì)廢水進(jìn)行預(yù)處理，以去除大部分的COD和NH3-N。冷凝廢水中有機(jī)質(zhì)含量較低，因此和MBR出水混合后經(jīng)超濾（UF）、高級(jí)氧化技術(shù)（AOPs）、活性炭過(guò)濾和反滲透（RO）裝置以去除剩余的COD、NH3-N及濁度、LAS等。集成系統(tǒng)對(duì)COD去除率在95％以上，NH3-N

4、的去除率達(dá)到99%。廢水濁度的去除主要是靠 MBR反應(yīng)器內(nèi)微濾膜的截留作用，濾膜的截留作用幾乎不受廢水水質(zhì)、溫度和微生物活性等因素的影響。經(jīng)過(guò)高級(jí)氧化處理后LAS可以被完全去除，去除率達(dá)到100%。而殘留氨氮可以被反滲透裝置完全截留，出水氨氮濃度接近于0。
　　研究根據(jù)每天的CO2排放量建立了固態(tài)胺 CO2吸附濃縮-CO2甲烷化還原的集成系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)CO2的去除與固定化。試驗(yàn)空間內(nèi)80名工作人員每天大約排放CO2總量為56~80 k

5、g，空間內(nèi)空氣中CO2濃度的升高到0.5%會(huì)影響工作人員的正常生活，必須將 CO2濃度控制在該濃度以下。實(shí)驗(yàn)中每一周期通入0.5%的CO2流量1000 L，固態(tài)胺CO2吸附濃縮系統(tǒng)具有良好的吸附效果，在40 min時(shí)最高可達(dá)96.5%，可回收濃縮的CO2量大約為960 L左右，可將空間內(nèi)空氣中的CO2濃度控制在0.2%左右。這說(shuō)明固態(tài)胺吸附濃縮系統(tǒng)能夠有效的吸附工作人員呼吸釋放的CO2。吸附固定后，CO2甲烷化還原系統(tǒng)以Sabatier

6、反應(yīng)器為主體，當(dāng)CO2流量為1.40 L/min時(shí)，最大CO2去除率為98.6%左右，系統(tǒng)還原能力較強(qiáng)，還原產(chǎn)物甲烷和水可分別用于能量支持與氧氣再生系統(tǒng)。
　　根據(jù)工作人員需氧量與水來(lái)源建立了固體聚合物電解質(zhì)（SPE）水電解氧氣再生系統(tǒng)以滿足氧氣需求。研究建立了固態(tài)胺吸附濃縮 CO2及轉(zhuǎn)化方法，其產(chǎn)物甲烷用于能量支持，產(chǎn)物水可用于氧氣再生系統(tǒng)。水下密閉生存空間內(nèi)空氣中的氧氣濃度隨時(shí)間會(huì)逐漸較小，以能量和質(zhì)量運(yùn)輸平衡為基礎(chǔ)建立數(shù)學(xué)模

7、型確定電解池電流密度、氧（氫）產(chǎn)品壓力及工作溫度等變量因子對(duì)系統(tǒng)工作性能的影響規(guī)律，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：系統(tǒng)氧產(chǎn)量可達(dá)1976 L/h，純度為99.7%，工作性能良好可滿足設(shè)計(jì)要求。電解水產(chǎn)生的氫氣可循環(huán)用于 CO2甲烷化還原系統(tǒng)。因此，可以根據(jù)物質(zhì)流向整合固態(tài)胺 CO2吸附濃縮系統(tǒng)、CO2甲烷化還原系統(tǒng)和SPE氧氣再生系統(tǒng)以形成閉合回路，但需進(jìn)一步研究物質(zhì)匹配問(wèn)題。
　　本文建立水下密閉空間內(nèi)廢水廢氣處理集成循環(huán)利用體系。

8、空氣中的CO2經(jīng)固態(tài)胺吸附濃縮后，輸送至 Sabatier甲烷化還原系統(tǒng)發(fā)生反應(yīng)生成水與甲烷，甲烷用作能源補(bǔ)充能量，產(chǎn)生的水和部分廢水處理及回用系統(tǒng)處理凈化后的廢水一起輸送至SPE水電解系統(tǒng)氧氣再生以供工作人員呼吸，產(chǎn)生的氫氣輸送至Sabatier甲烷化還原系統(tǒng)循環(huán)利用，構(gòu)建集成系統(tǒng)以形成閉合回路。該集成技術(shù)體系能夠使廢水處理回用、廢氣處理再生及氧氣再生從而解決水下密閉生存空間內(nèi)用水困難問(wèn)題及滿足工作人員對(duì)氧氣的需求量，以增強(qiáng)水下密閉生