用于太空环境的有机废物原位利用装置及沼气制造方法

1.本发明涉及空间站废物处理技术领域，尤其涉及一种用于太空环境的有机废物原位利用装置及沼气制造方法。


背景技术：

2.在长达一年的在深空探测任务中，平均每位宇航员所产生的生活垃圾达650公斤，这些生活垃圾所占用着一定的栖息空间，若直接抛掷太空必然会造成一定安全隐患。
3.目前国际空间站中会将宇航员产生的co2与水电解产生的氢气，氢气与co2进一步在sabatier反应器中反应产生水、甲烷，甲烷可气体直接排放至太空。另外排泄物、食物残渣由货运飞船运送至地球大气层焚烧处理。由于宇宙运输成本极高，上述太空中生活垃圾对处理方法使宇宙探测特别是空间站的建设费用居高不下，从而阻碍宇宙探测特别是空间站技术的发展。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供一种用于太空环境的有机废物原位利用装置，包括底座、发酵筒和离心筒；
5.所述底座两端分别设有第一支座、第二支座，所述底座中部设有中部支座；
6.所述第一支座上设有搅拌驱动组件，所述发酵筒位于中部支座和第一支座之间；
7.发酵筒一端设有连接管，并通过连接管固定于所述中部支座上，所述发酵筒另一端设有搅拌轴，所述搅拌轴一端连接于所述离心驱动组件上，另一端延伸至所述发酵筒内；发酵搅拌组件驱动所述搅拌轴转动；
8.所述第二支座上设有离心驱动组件；所述离心筒位于中部支座和第二支座之间；
9.所述离心筒两端分别可转动设置于中部支座和第二支座之间，所述离心驱动组件与所述离心筒相连；离心驱动组件驱动离心筒转动；所述离心筒内设有旋流离心板；
10.所述连接管连通所述发酵筒和所述离心筒，且所述连接管上设有第一电动阀，所述连接管内设有可通过气体和液体的过滤膜，所述离心筒的内腔通过所述离心筒远离中部底座的一端上的开口连通有第二电动阀，第二电动阀的出口套设有气体采集袋。
11.进一步地，所述旋流离心板包括固定块以及多个扇叶板，扇叶板连接于固定块以使旋流离心板成锥形结构，相邻的扇叶板之间设有间隙，所述固定块固定安装于所述离心筒内壁，所述旋流离心板与所述离心筒同轴设置。
12.进一步地，所述离心筒两端分别设有第一旋转支架、第二旋转支架，所述第一旋转支架可转动连接于所述中部支座上，所述第二旋转支架可转动设置于第二支座，所述第一旋转支架和所述第二旋转支架轴向均设连通孔，第一旋转支架上的连通孔连通连接管和离心筒的内腔，第二旋转支架上的连通孔连通离心筒和第二电动阀的入口。
13.进一步地，所述第二支座上设有安装孔，所述第二旋转支架远离所述离心筒的端部转动安装于所述安装孔内，并且所述安装孔与所述第二旋转支架上的连通孔连通，所述
第二电动阀安装于所述安装孔内，并且所述第二电动阀的入口与所述安装孔连通。
14.进一步地，所述发酵筒远离所述第一支座的一端开口并设有密封该开口的密封盖，所述密封盖与所述连接管固定连接，所述连接管远离所述中部支座的一端伸入所述发酵筒的内腔；发酵筒另一端设有密封孔，所述搅拌轴穿过所述密封孔。
15.进一步地，所述搅拌轴包括转动轴杆以及多个搅拌片，所述转动轴杆穿过所述密封孔，其一端与所述搅拌驱动组件相连，另一端延伸至发酵筒内，所有搅拌片均为l形杆，且所有搅拌片均连接于一连接套上，所述连接套固定连接于转动轴杆延伸至发酵筒内的端部上。
16.进一步地，所述发酵筒筒壁为双层结构，其内设有保温腔，所述保温腔内填充为保温介质。
17.进一步地，所述搅拌驱动组件包括第一驱动电机，所述第一驱动电机固定于第一支座上，第一驱动电机通过齿轮组与所述转动轴杆相连；所述离心驱动组件包括第二驱动电机，所述第二驱动电机固定于第二支座上，所述第二驱动电机通过齿轮组与所述第二旋转支架相连。
18.进一步地，所述发酵筒内还设有温度传感器以及沼气浓度传感器，所述第一电动阀上设有压力传感器。
19.本发明还提供一种在太空环境中利用有机废物原位沼气制造方法，该方法使用上述用于太空环境的有机废物原位利用装置，该方法包括如下步骤：
20.s1：对有机废物原位利用装置进行密封测试；
21.s2：打开发酵筒，将发酵物装入发酵筒内，并安装好发酵筒，其中发酵物包括按比例配置的菌落、沼气催化剂和有机肥料；
22.s3：启动搅拌驱动组件，对发酵物搅拌加速发酵反应进行；实时监测发酵筒内温度、压力以及沼气浓度，直至通过监测值判断出发酵筒内发酵反应完全；
23.s4：开启第一电动阀，发酵筒内的气体和液体穿过连接管内的过滤膜进入离心筒内，完成固体残渣和沼气、液体的分离；
24.s5：在第二电动阀上套接气体采集袋，启动分离搅拌组件，分离搅拌组件带动离心筒转动，进入离心筒内的沼气和液体在旋流离心板的离心作用下分离，其中液体部分靠近离心筒内壁，沼气聚集在离心筒轴向中心部位，开启第二电动阀，气体部分在压力作用下进入气体采集袋中，完成沼气和液体的分离以及沼气的收集。
25.本发明一种用于太空环境的有机废物原位利用装置及沼气制造方法的有益效果为：本发明设计的有机废物原位利用装置，依据沼气工程的方法，利用了微生物所分泌的“高效”催化剂-分解酶将发酵物分解与水解发酵阶段的产物在胞内反应产生乙酸、co2、水等小分子化合物，以及最后甲烷菌落大量繁殖将有机物、氢气、二氧化碳转化产生甲烷(稀缺的航天液态燃料成分)、沼渣(可作为种植肥料)。使太空(空间站)中产生的生活垃圾转化为有用物质，使太空垃圾无需运送会地球处理，并为太空宇航员的生活提供必要物质，进而降低宇宙探测、空间站的建设费用，促进宇宙探测特别是空间站技术的发展；同时本发明的有机废物原位利用装置的包括离心筒，离心筒转动可将进入其内的液体和气体通过离心力分离，使气体部分位于离心筒轴心，并通过收集袋收集，该方案解决了太空的无重力环境下气体液体难以分离的问题，保证沼气能被有效提取。
附图说明
26.图1是本发明实施例用于太空环境的有机废物原位利用装置的第一立体图俯视图。
27.图2是本发明实施例用于太空环境的有机废物原位利用装置的第二立体图俯视图。
28.图3是本发明实施例用于太空环境的有机废物原位利用装置的剖面图。
29.图4是图3中搅拌片54的结构示意图。
30.图5是图3中旋流离心板8的结构示意图。
31.图6是图3中第一旋转支架的结构示意图。
32.图中：1-底座，2-第一支座，21-第一驱动电机，3-第二支座，31-第二驱动电机，4-中部支座，5-发酵筒，51-密封盖，52-保温腔，53-转动轴杆，54-搅拌叶，6-离心筒，61-第一旋转支架，62-第二旋转支架，7-连接管，71-第一电动阀，8-旋流离心板，81-固定块，82-扇叶板。
具体实施方式
33.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
34.请参考图1至图6，一种用于太空环境的有机废物原位利用装置，包括底座1、发酵筒5和离心筒6。
35.所述底座1两端分别设有第一支座2、第二支座3，所述底座1中部设有中部支座4；所述第一支座2上设有搅拌驱动组件，所述发酵筒5位于中部支座4和第一支座1之间；发酵筒5一端设有连接管7，且发酵筒5的该端部通过连接管7固定于所述中部支座4上，所述发酵筒5另一端设有搅拌轴，所述搅拌轴一端连接于所述离心驱动组件上，另一端延伸至所述发酵筒5内；发酵搅拌组件驱动所述搅拌轴转动；所述发酵筒5内装有发酵物，发酵物为按比例配置的菌落、沼气催化剂和有机废料，发酵筒5用于使发酵物在其内发酵产生沼气(发酵物发酵过程也会有液体产生)。所述搅拌轴在搅拌驱动组件带动转动，搅拌发酵物，加速发酵过程。
36.所述第二支座3上设有离心驱动组件；所述离心筒6位于中部支座4和第二支座3之间；所述离心筒6两端分别可转动设置于中部支座4和第二支座3之间，所述离心驱动组件与所述离心筒6相连；离心驱动组件驱动离心筒6转动；所述离心筒6内设有旋流离心板8；中部支座4为上设有通孔结构，从而使所述连接管7连通所述发酵筒5和所述离心筒6，且所述连接管7上设有第一电动阀71，所述连接管7内设有过滤膜，本实施例中所述过滤膜为疏水微孔滤膜，过滤膜可以使发酵产物中液体和沼气进入离心筒3内，并且阻挡固体杂质，实现发酵产物中固体和气、液体的分离。
37.所述离心筒6端部中心设有第二电动阀，第二电动阀内设有透气阻水滤膜，第二电动阀出口处设有气体收集袋，所述离心筒6在离心驱动组件带动下转动，其中旋流离心板8在转动过程中，使密度大的水分通过离心力移动至离心筒6内壁附近，而使密度小的气体聚集在离心筒6轴线附近；所述第二电动阀上套有气体收集袋，离心筒6的分离完成后，第二电动阀开启，可使离心筒6轴线附近的气体(沼气)进入气体收集袋内，实现沼气的回收，同时
实现发酵产物的气、液分离。所述离心筒6上还设有排水孔，所述排水孔上连接吸液泵，吸液泵用于吸出离心筒6内剩余的液体。
38.进一步地，所述旋流离心板8包括固定块81以及多个扇叶板82，所有的扇叶板82连接于固定块81，使旋流离心板8成锥形结构，相邻的扇叶板82之间设有间隙，所述旋流离心板8与所述离心筒6同轴设置，且固定块81通过固定结构固定于离心筒6内，其随离心筒6同步转动。扇叶板82之间间隙可使气体向离心筒6连接第二电动阀的端部移动。
39.进一步地，所述离心筒6两端分别设有第一旋转支架61、第二旋转支架62，所述第一旋转支架61可转动连接于所述中部支座4上，所述第二旋转支架可转动设置于第二支座3，所述第一旋转支架61和所述第二旋转支架62轴向均设连通孔，所述第二支座3上设有安装孔，所述安装孔与所述第二旋转支架62连通，所述第二电动阀安装于所述安装孔内。第一旋转支架61、第二旋转支架61上的连通孔用于使离心筒6能与发酵筒5和气体收集袋连通。
40.所述发酵筒5一端设有密封盖51，发酵筒5采用亚克力板结构；所述发酵筒5筒壁为双层结构，其内设有保温腔51，所述保温腔51内填充有保温介质，保温可具有一定温度的为水。所述密封盖51连接与所述连接管7上，另一端底部设有密封孔，所述搅拌轴位于所述密封孔内。具体地，所述搅拌轴包括转动轴杆53以及多个搅拌片54，所述转动轴杆53位于所述密封孔内，其一端与所述搅拌驱动组件相连，另一端延伸至发酵筒5内，所有搅拌片54均为l形杆，且所有搅拌片54均连接于一连接套上，所述连接套固定连接于转动轴杆53延伸至发酵筒5内的端部上。
41.进一步地，所述搅拌驱动组件包括第一驱动电机21，所述第一驱动电机21固定于第一支座2上，第一驱动电机21通过齿轮组与所述转动轴杆相连；所述离心驱动组件包括第二驱动电机31，所述第二驱动电机21通过齿轮组与传动杆相连，所述传动杆通过齿轮组与所述第二转动支架62相连。
42.进一步地，该装置还包括温度传感器以及沼气浓度传感器以及stm32单片机，其中温度传感器以及沼气浓度传感器均设置于所述发酵筒5内，以检测发酵筒5内发酵状态，压力传感器设置于第一电动阀上，所述压力传感器为气压计。stm32单片机同时与温度传感器、压力传感器以及沼气浓度传感器、第一驱动电机21、第二驱动电机31、第一电动阀71、第二电动阀相连，stm32单片机控制该装置自动运行。stm32单片机还通过esp8266模块以tcp/ip协议的方式将发酵过程的数据传递至空间站的终端设备上。
43.该有机废物原位利用装置的工作原理如下：首先发酵筒5内发酵物产生沼气、液体以及发酵残渣，发酵残渣与沼气、液体通过滤膜分离，沼气、液体进入离心筒6内，离心筒6将沼气、液体通过离心运动分离，其中气体通过气体收集袋收集，液体通过吸液泵抽出。
44.本发明的实施例还提供一种在太空环境中利用有机废物原位沼气制造方法，该方法使用太空环境的有机废物原位利用装置，该方法包括步骤：
45.s1：对有机废物原位利用装置进行密封测试；
46.其中密封测试的过程如下：在发酵筒5内装满汽水，摇晃后启动第一电动阀门71，一部分气液进入离心筒6内，关闭第一电动阀门71，同时启动离心驱动组件，带动离心筒6转动，并打开第二电动阀，部分气体压入气体采集袋中，观察整个过程中有无液滴泄露；
47.s2：打开发酵筒5，将发酵物装入发酵筒5内，并安装好发酵筒5，其中发酵物包括按比例配置的菌落、沼气催化剂和有机废料；
48.s3：启动搅拌驱动组件，对发酵物搅拌，加速发酵反应进行；实时监测发酵筒5内温度、压力(气压)以及沼气浓度，当电动阀上显示的气压过大达到pb时，打开电动阀进行排除气液直到气压显示到pa，使得发酵罐内的气压保持在(pa，pb)范围内，直至沼气浓度与压力值不再变化，则判断出发酵筒5内发酵反应完全；
49.s4：开启第一电动阀71，发酵筒5内的气体和液体穿过连接管7内的过滤膜进入离心筒6内，完成固体残渣和沼气、液体的分离；
50.s5：在第二电动阀上套接气体采集袋，启动分离搅拌组件，分离搅拌组件带动离心筒6转动，进入离心筒6内的沼气和液体在旋流离心板8的离心作用下分离，其中液体部分靠近离心筒6内壁，沼气聚集在离心筒6轴向中心部位，开启第二电动阀，打开第二电动阀后，气体收集袋开始鼓气，气体收集袋袋口设有透气阻水滤膜，通过透气阻水滤膜滤掉一部分大液滴，直到气体收集袋()与离心筒间压强差变为0(气体收集袋上设有压力计，气体收集袋压力计示数不在变化说明压强差变为0)，不再有气体进入气体采集袋中，完成沼气和液体的分离以及沼气的收集。
51.在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本技术请求保护的范围。
52.在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
53.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于太空环境的有机废物原位利用装置，其特征在于：包括底座、发酵筒和离心筒；所述底座两端分别设有第一支座、第二支座，所述底座中部设有中部支座；所述第一支座上设有搅拌驱动组件，所述发酵筒位于中部支座和第一支座之间；发酵筒一端设有连接管，并通过连接管固定于所述中部支座上，所述发酵筒另一端设有搅拌轴，所述搅拌轴一端连接于所述离心驱动组件上，另一端延伸至所述发酵筒内；发酵搅拌组件驱动所述搅拌轴转动；所述第二支座上设有离心驱动组件；所述离心筒位于中部支座和第二支座之间；所述离心筒两端分别可转动设置于中部支座和第二支座之间，所述离心驱动组件与所述离心筒相连；离心驱动组件驱动离心筒转动；所述离心筒内设有旋流离心板；所述连接管连通所述发酵筒和所述离心筒，且所述连接管上设有第一电动阀，所述连接管内设有可通过气体和液体的过滤膜，所述离心筒的内腔通过所述离心筒远离中部底座的一端上的开口连通有第二电动阀，第二电动阀的出口套设有气体采集袋。2.根据权利要求1所述的一种用于太空环境的有机废物原位利用装置，其特征在于：所述旋流离心板包括固定块以及多个扇叶板，扇叶板连接于固定块以使旋流离心板成锥形结构，相邻的扇叶板之间设有间隙，所述固定块固定安装于所述离心筒内壁，所述旋流离心板与所述离心筒同轴设置。3.根据权利要求1所述的一种用于太空环境的有机废物原位利用装置，其特征在于：所述离心筒两端分别设有第一旋转支架、第二旋转支架，所述第一旋转支架可转动连接于所述中部支座上，所述第二旋转支架可转动设置于第二支座，所述第一旋转支架和所述第二旋转支架轴向均设连通孔，第一旋转支架上的连通孔连通连接管和离心筒的内腔，第二旋转支架上的连通孔连通离心筒和第二电动阀的入口。4.根据权利要求3所述的一种用于太空环境的有机废物原位利用装置，其特征在于：所述第二支座上设有安装孔，所述第二旋转支架远离所述离心筒的端部转动安装于所述安装孔内，并且所述安装孔与所述第二旋转支架上的连通孔连通，所述第二电动阀安装于所述安装孔内，并且所述第二电动阀的入口与所述安装孔连通。5.根据权利要求3所述的一种用于太空环境的有机废物原位利用装置，其特征在于：所述发酵筒远离所述第一支座的一端开口并设有密封该开口的密封盖，所述密封盖与所述连接管固定连接，所述连接管远离所述中部支座的一端伸入所述发酵筒的内腔；发酵筒另一端设有密封孔，所述搅拌轴穿过所述密封孔。6.根据权利要求5所述的一种用于太空环境的有机废物原位利用装置，其特征在于：所述搅拌轴包括转动轴杆以及多个搅拌片，所述转动轴杆穿过所述密封孔，其一端与所述搅拌驱动组件相连，另一端延伸至发酵筒内，所有搅拌片均为l形杆，且所有搅拌片均连接于一连接套上，所述连接套固定连接于转动轴杆延伸至发酵筒内的端部上。7.根据权利要求5所述的一种用于太空环境的有机废物原位利用装置，其特征在于：所述发酵筒筒壁为双层结构，其内设有保温腔，所述保温腔内填充为保温介质。8.根据权利要求5所述的一种用于太空环境的有机废物原位利用装置，其特征在于：所述搅拌驱动组件包括第一驱动电机，所述第一驱动电机固定于第一支座上，第一驱动电机通过齿轮组与所述转动轴杆相连；所述离心驱动组件包括第二驱动电机，所述第二驱动电
机固定于第二支座上，所述第二驱动电机通过齿轮组与所述第二旋转支架相连。9.根据权利要求1所述的一种用于太空环境的有机废物原位利用装置，其特征在于：所述发酵筒内还设有温度传感器以及沼气浓度传感器，所述第一电动阀上设有压力传感器。10.一种在太空环境中利用有机废物原位沼气制造方法，该方法使用如权利要求1-9任意一项所述用于太空环境的有机废物原位利用装置，该方法包括如下步骤：s1：对有机废物原位利用装置进行密封测试；s2：打开发酵筒，将发酵物装入发酵筒内，并安装好发酵筒，其中发酵物包括按比例配置的菌落、沼气催化剂和有机肥料；s3：启动搅拌驱动组件，对发酵物搅拌加速发酵反应进行；实时监测发酵筒内温度、压力以及沼气浓度，直至通过监测值判断出发酵筒内发酵反应完全；s4：开启第一电动阀，发酵筒内的气体和液体穿过连接管内的过滤膜进入离心筒内，完成固体残渣和沼气、液体的分离；s5：在第二电动阀上套接气体采集袋，启动分离搅拌组件，分离搅拌组件带动离心筒转动，进入离心筒内的沼气和液体在旋流离心板的离心作用下分离，其中液体部分靠近离心筒内壁，沼气聚集在离心筒轴向中心部位，开启第二电动阀，气体部分在压力作用下进入气体采集袋中，完成沼气和液体的分离以及沼气的收集。

技术总结
本发明提供一种用于太空环境的有机废物原位利用装置及沼气制造方法，该装置包括底座、发酵筒和离心筒；底座两端分别设有第一支座、第二支座，底座中部设有中部支座；第一支座上设有搅拌驱动组件，发酵筒位于中部支座和第一支座之间；第二支座上设有离心驱动组件；离心筒位于中部支座和第二支座之间，连接管连通发酵筒和离心筒，连接管内设有可通过气体和液体的过滤膜。本发明的有益效果为：该方法通过该装置可使太空中产生的生活垃圾转化为有用物质，使太空垃圾无需运送会地球处理，并为太空宇航员的生活提供必要物质，进而降低宇宙探测、空间站建设的费用，促进宇宙探测特别是空间站技术的发展。间站技术的发展。间站技术的发展。


技术研发人员：张晶晶 舒展 贺予柯 吕勇 樊子扬
受保护的技术使用者：中国地质大学（武汉）
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/9/7