水下密闭生存空间废水废气处理循环利用集成技术研究

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水下密闭生存空间是广泛存在于近海油气工业和民用海洋科学领域的水下航行载人载体内的特定空间环境，其为在水下长期作业的工作人员提供生存居住的空间，其空间特点是一段时间内与外界大气完全隔绝的密闭空间。在这样的密闭生存空间里，工作人员需要大量的消耗性物质及排放大量的废物，若仅靠地面支持系统供取，将会增加经济成本，大大影响水下密闭生存空间的工作周期。因此在水下密闭生存空间空间内建立废物循环再生系统来提供部分消耗性物质是一项十分重要的任务。随着我国水下科研与相关技术的发展，密闭生存空间的持续工作能力的提升研究正在起步，本研究以国内外有关密闭生存空间废物循环再生系统的研究为基础，根据水下密闭空间特点建立了80人处理能力的废水废气循环再生系统，并考察它们的运行性能。
　　本研究建立了水下密闭空间内废水收集处理系统来处理多种混合废水达到空间回用标准的集成方法。水下密闭生存空间内产生的废水主要有生理废水、卫生废水和冷凝废水，根据不同废水特点，生理和卫生混合废水的水质中有机质和氨氮含量较高，水量变化随作息时间有阶段性变化（COD：3000~5000 mg/L；NH3-N值在79.5~129.3 mg/L），因此采用抗负荷冲击能力强的膜生物反应器（MBR）对废水进行预处理，以去除大部分的COD和NH3-N。冷凝废水中有机质含量较低，因此和MBR出水混合后经超滤（UF）、高级氧化技术（AOPs）、活性炭过滤和反渗透（RO）装置以去除剩余的COD、NH3-N及浊度、LAS等。集成系统对COD去除率在95％以上，NH3-N的去除率达到99%。废水浊度的去除主要是靠 MBR反应器内微滤膜的截留作用，滤膜的截留作用几乎不受废水水质、温度和微生物活性等因素的影响。经过高级氧化处理后LAS可以被完全去除，去除率达到100%。而残留氨氮可以被反渗透装置完全截留，出水氨氮浓度接近于0。
　　研究根据每天的CO2排放量建立了固态胺 CO2吸附浓缩-CO2甲烷化还原的集成系统并实现CO2的去除与固定化。试验空间内80名工作人员每天大约排放CO2总量为56~80 kg，空间内空气中CO2浓度的升高到0.5%会影响工作人员的正常生活，必须将 CO2浓度控制在该浓度以下。实验中每一周期通入0.5%的CO2流量1000 L，固态胺CO2吸附浓缩系统具有良好的吸附效果，在40 min时最高可达96.5%，可回收浓缩的CO2量大约为960 L左右，可将空间内空气中的CO2浓度控制在0.2%左右。这说明固态胺吸附浓缩系统能够有效的吸附工作人员呼吸释放的CO2。吸附固定后，CO2甲烷化还原系统以Sabatier反应器为主体，当CO2流量为1.40 L/min时，最大CO2去除率为98.6%左右，系统还原能力较强，还原产物甲烷和水可分别用于能量支持与氧气再生系统。
　　根据工作人员需氧量与水来源建立了固体聚合物电解质（SPE）水电解氧气再生系统以满足氧气需求。研究建立了固态胺吸附浓缩 CO2及转化方法，其产物甲烷用于能量支持，产物水可用于氧气再生系统。水下密闭生存空间内空气中的氧气浓度随时间会逐渐较小，以能量和质量运输平衡为基础建立数学模型确定电解池电流密度、氧（氢）产品压力及工作温度等变量因子对系统工作性能的影响规律，并通过实验验证，结果表明：系统氧产量可达1976 L/h，纯度为99.7%，工作性能良好可满足设计要求。电解水产生的氢气可循环用于 CO2甲烷化还原系统。因此，可以根据物质流向整合固态胺 CO2吸附浓缩系统、CO2甲烷化还原系统和SPE氧气再生系统以形成闭合回路，但需进一步研究物质匹配问题。
　　本文建立水下密闭空间内废水废气处理集成循环利用体系。空气中的CO2经固态胺吸附浓缩后，输送至 Sabatier甲烷化还原系统发生反应生成水与甲烷，甲烷用作能源补充能量，产生的水和部分废水处理及回用系统处理净化后的废水一起输送至SPE水电解系统氧气再生以供工作人员呼吸，产生的氢气输送至Sabatier甲烷化还原系统循环利用，构建集成系统以形成闭合回路。该集成技术体系能够使废水处理回用、废气处理再生及氧气再生从而解决水下密闭生存空间内用水困难问题及满足工作人员对氧气的需求量，以增强水下密闭生存空间的工作周期，为水下密闭生存空间废物循环再生系统的进一步优化和升级提供技术依托。

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作者
黄志;
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作者单位

哈尔滨工业大学;

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授予单位哈尔滨工业大学;
学科环境工程
授予学位博士
导师姓名马放;
年度 2013
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正文语种中文
中图分类废气的处理与利用;技术方法;
关键词
水下密闭生存空间; 废水处理; CO2吸附; 循环再生系统;

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