水下密閉生存空間是廣泛存在于近海油氣工業(yè)和民用海洋科學領域的水下航行載人載體內的特定空間環(huán)境，其為在水下長期作業(yè)的工作人員提供生存居住的空間，其空間特點是一段時間內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及排放大量的廢物，若僅靠地面支持系統(tǒng)供取，將會增加經(jīng)濟成本，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建立廢物循環(huán)再生系統(tǒng)來提供部分消耗性物質是一項十分重要的任務。隨著我國水下科研與相關技術的發(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，本研究以國內外有關密閉生存空間廢物循環(huán)再生系統(tǒng)的研究為基礎，根據(jù)水下密閉空間特點建立了80人處理能力的廢水廢氣循環(huán)再生系統(tǒng)，并考察它們的運行性能。 本研究建立了水下密閉空間內廢水收集處理系統(tǒng)來處理多種混合廢水達到空間回用標準的集成方法。水下密閉生存空間內產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，生理和衛(wèi)生混合廢水的水質中有機質和氨氮含量較高，水量變化隨作息時間有階段性變化（COD：3000~5000mg/L；NH3-N值在79.5~129.3mg/L），因此采用抗負荷沖擊能力強的膜生物反應器（MBR）對廢水進行預處理，以去除大部分的COD和NH3-N。冷凝廢水中有機質含量較低，因此和MBR出水混合后經(jīng)超濾（UF）、高級氧化技術（AOPs）、活性炭過濾和反滲透（RO）裝置以去除剩余的COD、NH3-N及濁度、LAS等。集成系統(tǒng)對COD去除率在95%以上，NH3-N的去除率達到99%。廢水濁度的去除主要是靠MBR反應器內微濾膜的截留作用，濾膜的截留作用幾乎不受廢水水質、溫度和微生物活性等因素的影響。經(jīng)過高級氧化處理后LAS可以被完全去除，去除率達到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)并實現(xiàn)CO2的去除與固定化。試驗空間內80名工作人員每天大約排放CO2總量為56~80kg，空間內空氣中CO2濃度的升高到0.5%會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。實驗中每一周期通入0.5%的CO2流量1000L，固態(tài)胺CO2吸附濃縮系統(tǒng)具有良好的吸附效果，在40min時最高可達96.5%，可回收濃縮的CO2量大約為960L左右，可將空間內空氣中的CO2濃度控制在0.2%左右。這說明固態(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反應器為主體，當CO2流量為1.40L/min時，最大CO2去除率為98.6%左右，系統(tǒng)還原能力較強，還原產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源建立了固體聚合物電解質（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及轉化方法，其產物甲烷用于能量支持，產物水可用于氧氣再生系統(tǒng)。水下密閉生存空間內空氣中的氧氣濃度隨時間會逐漸較小，以能量和質量運輸平衡為基礎建立數(shù)學模型確定電解池電流密度、氧（氫）產品壓力及工作溫度等變量因子對系統(tǒng)工作性能的影響規(guī)律，并通過實驗驗證，結果表明：系統(tǒng)氧產量可達1976L/h，純度為99.7%，工作性能良好可滿足設計要求。電解水產生的氫氣可循環(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，但需進一步研究物質匹配問題。 本文建立水下密閉空間內廢水廢氣處理集成循環(huán)利用體系。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)生反應生成水與甲烷，甲烷用作能源補充能量，產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，產生的氫氣輸送至Sabatier甲烷化還原系統(tǒng)循環(huán)利用，構建集成系統(tǒng)以形成閉合回路。該集成技術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用水困難問題及滿足工作人員對氧氣的需求量，以增強水下密閉生存空間的工作周期，為水下密閉生存空間廢物循環(huán)再生系統(tǒng)的進一步優(yōu)化和升級提供技術依托。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2014
【中圖分類】：X703;X701
【部分圖文】：

圖 1-1 水下密閉空間結構示意圖Fig.1-1 Diagram of cabin structure of underwater vehicle- 1 -

圖 1-2 膜分離原理Fig.1-2 The principle of membrane separation process濾 是介于微濾和納濾之間的一種膜分離過程，其原理或溶劑在一定的壓力下透過具有一定孔徑的超濾膜，表面，從而提純了大分子物質[18]。超濾膜孔徑介于 0

為工作人員提供飲用或衛(wèi)生需水量，收集的廢水主要包括生理、衛(wèi)生廢水和冷凝廢水等；（2）廢氣處理系統(tǒng)，主要去除空氣中的 CO2和部質，為工作人員提供良好的空氣環(huán)境；（3）氧氣再生系統(tǒng)，以滿足工作人員氣的需求量。論文研究技術路線如圖 1-3 所示。

【參考文獻】

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1 蘭志林;周家波;;無人水下航行器發(fā)展[J];國防科技;2008年02期

2 張世軍,謝剛;膜集成污水再生技術[J];甘肅環(huán)境研究與監(jiān)測;2002年04期

3 黃江麗,施漢昌,錢易;MF與UF組合工藝處理造紙廢水研究[J];中國給水排水;2003年06期

4 范正虹,陳福泰,陳曉婷,黃霞,馬啟敏,朱列平;微濾/反滲透凈化污水廠二級處理出水[J];中國給水排水;2005年06期

5 鄭東歡;李玉文;陳兆波;李永峰;;水下航行器艙室內CO_2的去除及O_2再生工藝系統(tǒng)設計[J];環(huán)境工程學報;2009年01期

6 ;Effect of high-strength ammonia nitrogen acclimation on sludge activity in sequencing batch reactor[J];Journal of Environmental Sciences;2010年11期

7 樊耀波，王菊思;水與廢水處理中的膜生物反應器技術[J];環(huán)境科學;1995年05期

8 李婷婷;王興戩;劉天順;李永峰;;一體式膜生物反應器處理中藥廢水的試驗研究[J];哈爾濱商業(yè)大學學報(自然科學版);2009年04期

9 周抗寒,傅嵐,韓永強,李俊榮;再生式環(huán)控生保技術研究及進展[J];航天醫(yī)學與醫(yī)學工程;2003年S1期

10 周抗寒;尹永利;王飛;;固體聚合物電解質水電解器的設計與實驗[J];航天醫(yī)學與醫(yī)學工程;2007年06期

本文編號：2814109