一种航天生保系统尿液膜法处理装置

本发明属于空间站的环境控制与生命保障系统，尤其涉及一种航天生保系统尿液膜法处理装置。

背景技术：

1、尿处理子系统是空间站的环境控制与生命保障系统(environmental controland life support system，eclss)中极其重要的一环，其基本功能是通过技术方法从航天员尿液中提取纯水，并将其输出给水处理系统进行深度净化处理，最终实现尿液中水的回收再利用，降低空间站长期载人运行的水补给需求和运行成本。

2、但由于尿液成分复杂，特别是含有大量尿素和上百种有机和无机物质，其最主要杂质尿素是不稳定的极性非离子，易产生挥发性氨或沉积物等，容易对系统设备等造成损伤。其处理与回用是最难解决的关键问题之一。且由于空间站环境条件的特殊性，尿液处理需采用不同于常规的地面尿液处理方法进行。

3、目前应用中的空间站尿液废水处理技术分别是热电集成膜蒸发技术(thermoelectric integrated membrane evaporation subsystem，times)和蒸汽压缩蒸馏技术(vapor compression distillation，vcd)，两种技术都是对尿液进行处理以获得纯水回收，都是对传统蒸馏技术的改进和发展，技术应用已经相对成熟，运行相对稳定，纯水回收率均不低于80％，但仍存在出水氨氮、有机碳偏高，能源消耗大，需定期维护等问题。随着宇宙探索逐渐向深空迈进，空间站的尿液处理需要达到更高的水回收率和更加高效稳定的应用技术。

4、膜蒸馏(membrane distillation,md)是一种基于疏水膜的分离技术，其耦合了蒸馏法的高效水回收率和膜技术温和的操作条件，可在相对较低温度下操作，已在尿液废水处理领域得到了一定的关注。与热电集成膜蒸发技术和蒸汽压缩蒸馏技术相比，膜蒸馏具有操作简便、占地面积小、出水水质好、运动部件少、运行噪音低等优点，有望成为现有空间站尿液处理技术的备用技术。

5、现有的研究中，zhao zhiping等在论文《water regeneration from human urineby vacuum membrane distillation and analysis of membrane foulingcharacteristics》中探究了真空膜蒸馏技术处理空间站尿液在不同操作条件下的分离效能，cod(化学需氧量)去除率可达到99.3％～99.5％，氨氮去除率只有40.6％～75.1％，相应的产水率为31.9％～48.6％。

6、wang fei在论文《high-efficiency water recovery from urine by vacuummembrane distillation for space applications:water quality improvement andoperation stability》中探究了酸化预处理的情况下vmd(真空膜蒸馏)处理尿液的效能，研究发现vmd并不能去除水中的挥发性有机物，水回收率达到85％时，进一步的产水提升会受到膜润湿问题的限制，导致出水水质降低。

7、焦赟仪在论文《吸附—膜蒸馏组合工艺处理环控生保系统尿液的研究》中采用了吸附-md的组合工艺处理环控生保系统尿液，最终的处理效果可达到87％～90％脱盐率，toc(总有机碳)和tp(总磷)去除率均可达99％，但对于氨氮的去除率较低，仅为40％。

8、刘铮等在论文《真空膜蒸馏－反渗透联用技术处理尿液废水试验》中利用反渗透+md工艺对尿液进行处理，出水水质好，水回收率可达96％，但其操作需要高压条件，能耗较大。

9、volpin等在论文《optimisation of a forward osmosis and membranedistillation hybrid system for the treatment of source-separated urine》中研究了正渗透作为膜蒸馏的预处理技术回收淡水的处理效果，发现在施加最小液压的情况下，可以降低33％的氨氮跨膜通量，但是水的跨膜通量也会随之减少，对膜蒸馏过程的膜污染问题也不能有所缓解。

10、此外，中国发明专利cn202010279958.4公开了一种利用气隙md对尿液中的氮磷钾资源进行回收的方法，中国发明专利cn202111228312.4提出了采用碱性稳定化+md的组合工艺处理尿液，由于md操作过程中需升温至40℃，导致尿液化学水解，使出水氨氮浓度增加，无法满足通过尿液直接制备高质量纯水，因此无法在航天生保系中直接应用；中国发明专利cn201610494388.4公开了一种正渗透+md的方法，利用膜两侧渗透压梯度，使水从原料液侧通过正渗透膜渗透到汲取液侧，从而隔绝大部分污染物进入到md处理过程中，制约其应用的关键问题依然是无法实现对氨氮和挥发性有机物的高效截留，无法在空间站得到应用。中国专利cn202011199121.5提出了一种多膜耦合的工艺用于处理空间站废水，将膜蒸馏、反渗透、蒸发袋、超临界水氧化技术进行有机集成，主要利用膜蒸馏技术处理尿液废水，出水与其他废水处理水汇合后再进行处理，并不能直接获得高品质水回用。

11、md在操作过程中存在的氨氮和挥发性有机物跨膜导致水质不佳以及膜污染的问题亟待解决。zhang等在论文《a new insight into the low membrane fouling tendencyof liquid-liquid hollow fiber membrane contactor capturing ammonia from humanurine》中研究中发现，膜吸收可以在碱性条件下运行，高效脱除尿液中的氨和挥发性有机物，同时具有膜污染随ph升高而降低的趋势。

12、对此，亟需一种能够高效脱除尿液中的氨气，可实现连续的进出水和处理，获得高品质产水，且处理过程中膜污染程度更低的方案来解决现有的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种航天生保系统尿液膜法处理装置，以解决上述问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种航天生保系统尿液膜法处理装置，包括：

4、用于对尿液进行氨和挥发性有机物脱除的膜吸收反应器；

5、所述膜吸收反应器的尿液进口与尿液预处理系统连通，所述膜吸收反应器的尿液出口与循环加热系统进液端连通；

6、所述膜吸收反应器的处理液进口连通有吸收液循环系统的出液端，所述膜吸收反应器的处理液出口与所述吸收液循环系统的进液端连通；

7、用于对尿液进行水捕获的膜蒸馏反应器；

8、所述膜蒸馏反应器的尿液处理液进口与所述循环加热系统的出液端连通，所述膜蒸馏反应器的尿液处理液出口与所述循环加热系统的进液端连通；

9、所述膜蒸馏反应器的冷凝液进口连通有冷却收集循环系统的出液端，冷凝液出口与所述冷却收集循环系统的进液端连通。

10、优选的，所述尿液预处理系统包括用于储存尿液的料液储存罐，所述料液储存罐下方设有磁力搅拌器，所述料液储存罐顶端连通有氮气输入装置、药品输入装置，所述料液储存罐底部通过第一蠕动泵与所述尿液进口连通。

11、优选的，所述循环加热系统包括加热装置，所述加热装置上设有两个进液口，一个所述进液口与所述尿液出口连通，另一个所述进液口与所述尿液处理液出口连通；

12、所述加热装置上设有出液口，所述出液口通过第二蠕动泵与所述尿液处理液进口连通；

13、所述加热装置内设有第一温度计。

14、优选的，所述吸收液循环系统包括吸收液罐，所述吸收液罐的出液端通过第一磁力循环泵与所述处理液进口连通，所述吸收液罐的进液端连通有第一冷却装置的出液端，所述第一冷却装置的进液端与所述处理液出口连通；

15、所述吸收液罐内设有ph计。

16、优选的，所述冷却收集循环系统包括冷凝液储存罐，所述冷凝液储存罐上设有两个出水口，一个所述出水口连通有出水收集装置，另一个所述出水口与所述冷凝液进口连通，所述冷凝液储存罐的进液端通过第二磁力循环泵连接有第二冷却装置的出液端，所述第二冷却装置的进液端与所述冷凝液出口连通；

17、所述冷凝液储存罐上设有第二温度计。

18、优选的，所述膜吸收反应器包括吸收反应管体，所述尿液进口设于所述吸收反应管体底部一侧，所述尿液出口设于所述吸收反应管体顶部一侧，所述尿液进口、尿液出口通过吸收反应管体连通；

19、所述吸收反应管体内侧设有反应吸收膜，所述处理液进口设于所述吸收反应管体顶端，所述处理液出口设于所述吸收反应管体底端，所述处理液进口、处理液出口之间通过所述反应吸收膜连通。

20、优选的，所述膜蒸馏反应器包括蒸馏反应管体，所述尿液处理液进口设于所述蒸馏反应管体底部一侧，所述尿液处理液出口设于所述蒸馏反应管体顶部一侧，所述尿液处理液进口、尿液处理液出口通过蒸馏反应管体连通；

21、所述蒸馏反应管体内侧设有反应蒸馏膜，所述冷凝液进口设于所述蒸馏反应管体顶端，所述冷凝液出口设于所述蒸馏反应管体底端，所述冷凝液进口、冷凝液出口之间通过所述反应蒸馏膜连通。

22、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

23、通过设置尿液预处理系统，可以对尿液废水进行充分水解，从而得到能够进行处理的处理后的尿液。通过设置膜吸收反应器，采用膜吸收的方式技术回收尿液废水中的氨氮和部分有机物，从而得到处理过的尿液，再让处理过的尿液进入到下面的系统中对水分进行回收。通过设置膜蒸馏反应器将料液进一步分离得到高品质回用水。

24、本装置在使用时，首先向尿液预处理系统中添加脲酶并搅拌，直至尿液充分水解。向尿液预处理系统中的所述尿液中添加naoh并搅拌，直至所述尿液的ph值大于或等于12；

25、将ph值大于或等于12的所述尿液输送到膜吸收反应器进行氨氮回收。

26、将膜吸收单元处理过的尿液输送到膜蒸馏反应器进行蒸馏。

27、本发明的膜吸收处理后的尿液，氨氮回收率可达95％以上，且回收氨氮过程中，挥发性有机物也会跨膜，从而得到部分去除，使最终膜蒸馏过程出水品质得到显著提升，从而获得高品质产水并降低膜污染状况。