本发明涉及废水处理与回用，特别是涉及一种密闭生态系统废水处理方法。
背景技术：
水的再生与循环利用是中长期载人飞行任务的必然需求，也是载人航天再生式环控生保系统关键组成部分。载人航天飞行器、近地轨道空间站、以及地外星球生存基地等密闭生态系统中污水主要由尿液、卫生废水、冷凝水、相变水(干燥废弃物产生)等组成，其中的污染物主要包括为有机物、氮、磷和其他矿物质。
目前中长期载人航天活动均采用物化技术来实现水的再生并回用于乘员饮用水及卫生用水，如SAMSONOV N M,et al.Systems forWater Reclamation from Humidity Condensate and Urine for Space Station.SAE Technical Paper,1994,941536.报道的采用“吸附/催化”技术的冷凝水回收系统(System for water reclamation from humidity condensate,SWR-C)应用于“礼炮-4”、“礼炮-6”、“礼炮-7”空间站及之后的和平号空间站(the space station“Mir”)，对收集的冷凝水进行处理后，为乘员提供饮用水、饮食制作用水和淋浴用热水。GRIGORIEV A I,et al.Regeneration ofwater at space stations.ActaAstronautica,2011,68(9–10):1567-1573.和SAMSONOV N M,et al.Experience in Development and Operation of a Regenerative System for Water Supply on Mir Space Station.SAE Technical Paper,2000,2000-01-2517.报道的包括尿液收集、化学预处理、常压膜蒸馏和吸附/催化等单元的尿液水回收系统(System for waterreclamation from urine,SWR-U)应用于和平号空间站，共回收了6000kg水，实现了80％的水回收率。CARTER L,et al.Status ofISS Water Management and Recovery.proceedings of the 43rd International Conference on Environmental Systems,Vail,CO,14-19July 2014.报道，美国在国际空间站上采用尿液处理装置(蒸汽压缩蒸馏装置)对尿液进行处理，蒸馏液进入废水处理系统(由旋转气体分离器、颗粒物过滤器、多介质过滤床以及催化氧化反应器等)中与其它废水统一进行处理，合格出水作为乘员饮用水和电解制氧用水，截止2013年4月21日，共产出约13400kg出水。
综上所述，目前空间站的水处理工艺均采用物理化学方法，其出水多用于饮用水或乘员卫生用水，而对污水中的氮、磷等矿物质元素未曾进行有效回收。未来的星球基地受控生态生保系统中，将引进大量植物并以植物为物质循环中心，建立高级再生式生命保障和物质循环系统，在受控生态生保系统中采用生物与物化技术相结合的废水处理工艺，不仅可能提高水分回收率，降低水处理过程的物质损耗，并且能够有效回收废水中的氮、磷等矿物质元素，产水可以作为优质植物营养液使用，进一步提高污水综合回收利用率，但是现有技术中还没有可以实现上述废水处理工艺的装置与方法。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种可以有效回收废水中的氮、磷等矿物质元素的密闭生态系统废水处理方法。
本发明的密闭生态系统废水处理方法，包括：
对废水进行初级过滤；
利用调节水箱对废水进行均质调节，将均质调节后的废水泵入厌氧膜生物反应器；
在厌氧膜生物反应器内培养厌氧微生物并使所述厌氧微生物对污水净化；
在好氧膜生物反应器内培养好氧微生物并使所述好氧微生物对污水净化，去除污水中的有机污染物和氨氮；
利用好氧微生物对污水净化后，对净化后水消毒。
本发明的密闭生态系统废水处理方法，其中，对废水进行初级过滤包括采用毛发过滤器去除污水中的纤维类物质，利用调节水箱对废水进行均质调节包括利用调节水箱对污水进行均量均质调节，调节时间不小于18h。
本发明的密闭生态系统废水处理方法，其中，所述在厌氧膜生物反应器内培养厌氧微生物并使所述厌氧微生物对污水净化包括：
采用配置有在线氧化还原电位传感器和氨氮传感器的外置式管式膜厌氧膜生物反应器水解过滤后的污水中的大分子物质，控制污水在厌氧膜生物反应器内停留8～12h，以使对初级过滤后的污水充分水解。
本发明的密闭生态系统废水处理方法，其中，还包括：
将厌氧微生物对污水净化产生的气体以及好氧微生物对污水净化产生的气体进行气水分离，将气水分离出的气体吸附，将气水分离出的水分排入调节水箱。
本发明的密闭生态系统废水处理方法，其中，还包括：
用管式膜对厌氧膜生物反应器排出水进行过滤，所述的管式膜运行膜通量为40～60L/(m2·h)，管式膜内混合液流速为2.5～5m/s。
本发明的密闭生态系统废水处理方法，其中，还包括：
所述厌氧膜生物反应器利用从管式膜回流的混合液对厌氧膜生物反应器内的物质进行水力均质搅拌。
本发明的密闭生态系统废水处理方法，其中，在好氧膜生物反应器内培养好氧微生物并使所述好氧微生物对污水净化，去除污水中的有机污染物和氨氮包括：
采用一体式好氧膜生物反应器去除污水中的有机污染物和氨氮，采用配置有在线pH和溶解氧传感器的一体式平板膜好氧膜生物反应器，控制污水停留时间为12～14h，完成对厌氧膜生物反应器出水中有机污染物的降解并将氨氮转化为硝酸盐氮。
本发明的密闭生态系统废水处理方法，其中，好氧膜生物反应器的平板膜的运行膜通量8～12L/(m2·h)。
本发明的密闭生态系统废水处理方法，其中，还包括向好氧膜生物反应器中投加一定量碳酸氢钾以补充进水碱度的不足，碳酸氢钾以溶液状态投加，根据在线pH测量数据控制加碱泵的启动和停止。
本发明的密闭生态系统废水处理方法，其中，利用供氧风机用于吸取空气为好氧微生物供氧，利用冲刷风机抽取好氧膜生物反应器内排出气体对平板膜进行冲刷，好氧膜生物反应器内排出气体在好氧膜生物反应器和冲刷风机之间循环。
本发明的密闭生态系统废水处理方法，其中，还包括：每隔一定时间，通过污泥回流泵将好氧膜生物反应器中的污泥回流至厌氧膜生物反应器进行消化分解。
本发明的密闭生态系统废水处理方法，其中，净化后水消毒后，对净化后水实时监测，监测项目包括：pH值、浊度、氨氮和TOC。
本发明的密闭生态系统废水处理方法，其中，将气水分离出的气体吸附所用的吸附剂为颗粒活性炭。
本发明的技术方案将生物技术与膜分离技术相耦合，大大降低了系统占用的空间，为厌氧微生物和好氧微生物提供了独立的生存栖息空间，有效提高了功能微生物活性和污染物降解效果，同时全过程保持密闭，可以对生物处理过程所释放气体进行收集净化，消除二次污染。
附图说明
图1为本发明的密闭生态系统废水处理装置的结构示意图。
图中：1初级过滤器、2调节水箱、3进水泵、4厌氧膜生物反应器、5循环泵、6管式膜组件、7好氧膜生物反应器、8平板膜组件、9自吸泵、10供氧风机、11冲刷风机、12污泥回流泵、13消毒单元、14出水水箱、15碱液储箱、16加碱泵、17气体净化单元。
具体实施方式
如图1所示，本发明的密闭生态系统废水处理装置，包括：
用于对废水进行初级过滤的初级过滤器1；
调节水箱，与初级过滤器通过管路连接；
用于培养厌氧微生物并使厌氧微生物对污水净化的厌氧膜生物反应器4，与调节水箱通过管路连接；
用于对厌氧膜生物反应器排出水进行过滤的管式膜组件6，与厌氧膜生物反应器通过管路连接；
用于培养好氧微生物并使好氧微生物对污水净化的好氧膜生物反应器7，与管式膜组件通过管路连接；
用于容纳好氧膜生物反应器排出的净化后水的出水水箱14，与好氧膜生物反应器7通过管路连接；
本发明的密闭生态系统废水处理装置，其中，还包括：
第一消毒单元、第二消毒单元，第一消毒单元、第二消毒单元分别设置于出水水箱的进水口与出水口。
本发明的密闭生态系统废水处理装置，其中，还包括：
好氧膜生物反应器的污泥出口与厌氧膜生物反应器通过污泥管连接，污泥管上设置有污泥回流泵12。
本发明的密闭生态系统废水处理装置，其中，还包括：
碱液储箱15，碱液储箱通过碱液管与好氧膜生物反应器连接，碱液管上设置有加碱泵16。
本发明的密闭生态系统废水处理装置，其中，厌氧膜生物反应器和好氧膜生物反应器分别通过管道与气体净化单元连接，气体净化单元包含气水分离部分和气体吸附部分，厌氧膜生物反应器和好氧膜生物反应器分别通过管道连接气水分离部分，气水分离部分与调节水箱通过回水管连接，气水分离部分的出气口与气体吸附部分通过管路连接，气体吸附部分的出气口与系统排气管连接。
本发明的密闭生态系统废水处理装置，其中，还包括：
好氧膜生物反应器内设置有两套曝气管路和平板膜组件8，两套曝气管路分别与供氧风机10和冲刷风机11通过管路连接，供氧风机用于吸取空气为好氧微生物供氧，冲刷风机的进气口与气体净化单元通过管路连接，冲刷风机用于从气水分离装置后抽取系统排气对平板膜组件进行冲刷。
本发明的密闭生态系统废水处理装置，其中，还包括控制系统，控制系统包括控制器、液位传感器、pH值传感器、ORP传感器、溶解氧传感器、氨氮传感器、浊度传感器和TOC传感器，液位传感器、pH值传感器、ORP传感器、溶解氧传感器、氨氮传感器、浊度传感器和TOC传感器分别设置于厌氧膜生物反应器、好氧膜生物反应器和出水水箱内，液位传感器、pH值传感器、ORP传感器、溶解氧传感器、氨氮传感器、浊度传感器和TOC传感器通过变送器与控制器连接。
本发明的密闭生态系统废水处理装置，其中，初级过滤器1包括内层与外层，外层为不锈钢壳体，内层为可拆卸式不锈钢滤网，网孔直径2～4mm，内层与外层由短管连通。
本发明的密闭生态系统废水处理装置，其中，管式膜组件6为内压式超滤或微滤膜组件。
本发明的密闭生态系统废水处理装置，其中，初级过滤器1、调节水箱2、厌氧膜生物反应器4、好氧膜生物反应器7、消毒单元13、出水水箱14、碱液储箱15和气体净化单元17均为密闭结构。
膜生物反应器是污水处理与回用领域的生物与物化技术相结合的典型工设备。膜生物反应器占地面积小、硝化效率高、出水水质稳定、剩余污泥产量低，尤其适合于密闭生态系统中的污水处理。
本发明涉及一种密闭生态系统的废水处理与回用装置。本发明的密闭生态系统废水处理装置将生物技术与膜分离技术相耦合，大大降低了系统占用的空间，为厌氧微生物和好氧微生物提供了独立的生存栖息空间，有效提高了功能微生物活性和污染物降解效果，同时全过程保持密闭，可以对生物处理过程所释放气体进行收集净化，消除二次污染。
本发明的密闭生态系统废水处理装置，其中，调节水箱2与厌氧膜生物反应器4之间设置有进水泵3。厌氧膜生物反应器4通过循环泵5与管式膜组件6连接。管式膜组件6的端口包括产水口及循环口，其中产水口通过管道与好氧膜生物反应器7连接，循环口通过管道与厌氧膜生物反应器4连接。平板膜组件8内置于好氧膜生物反应器7内，通过自吸泵9与消毒单元13连接。
厌氧膜生物反应器4为利于水力搅拌的完全混合式反应器，混合液回流口位于反应器运行液位以下。供氧风机吸取空气为好氧微生物供氧。冲刷风机从气水分离装置抽取系统排气对平板膜组件进行冲刷。
第一消毒单元、第二消毒单元为两个单独的紫外线消毒器，分别位于出水水箱14的进水口和出水口。
气体净化单元17采用的吸附剂为颗粒活性炭。
本发明的密闭生态系统废水处理装置可根据进水水质的要求，确定反应器总体积。按水解酸化特性和COD、氨氮负荷，分别配置厌氧膜生物反应器4和好氧膜生物反应器7的容积。厌氧微生物和好氧微生物分别在各自适宜的pH，HRT和负荷环境下生长富集，提高了微生物活性。通过在线监测好氧膜生物反应器7内pH和出水水箱14内氨氮值，调整系统碱度试剂投加量，保证系统对氨氮的去除效果和出水pH值的稳定。经过本发明的技术处理后，密闭生态系统废水中的有机物被高效去除，同时氮素被最大程度转化为硝酸盐氮，产水能够达到植物培养液标准，实现密闭生态系统内资源的高效循环利用。本发明的设备具有如下优点：
1.系统自动化程度高，运行操作简单，人工操作要求少，系统整体便于维护。
2.膜过滤组件可有效截留活性污泥和有机污染物，将厌氧和好氧污泥隔离在各自独立反应器内，提高了微生物活性，出水质量更高。
3.在线碱度试剂投加控制保证了氨氮的去除效果和出水pH值的稳定。
4.通过控制适宜的工艺参数并设置气体吸附装置，避免对密闭系统内空气造成污染。
5.设置独立供氧风机和冲刷风机，大大降低了系统新鲜空气需求量和系统对外排气量。
6.在出水水箱进、出水口均设置紫外消毒器，保证系统出水微生物学指标可靠。
本发明可应用于密闭生态系统以及类似的人居密闭环境的废水处理与回用。
本发明的密闭生态系统废水处理方法，包括：
对废水进行初级过滤；
利用调节水箱对废水进行均质调节，将均质调节后的废水泵入厌氧膜生物反应器；
在厌氧膜生物反应器内培养厌氧微生物并使所述厌氧微生物对污水净化；
在好氧膜生物反应器内培养好氧微生物并使所述好氧微生物对污水净化，去除污水中的有机污染物和氨氮；
利用好氧微生物对污水净化后，对净化后水消毒。
本发明的密闭生态系统废水处理方法，其中，对废水进行初级过滤包括采用毛发过滤器去除污水中的纤维类物质，利用调节水箱对废水进行均质调节包括利用调节水箱对污水进行均量均质调节，调节时间不小于18h。
本发明的密闭生态系统废水处理方法，其中，所述在厌氧膜生物反应器内培养厌氧微生物并使所述厌氧微生物对污水净化包括：
采用配置有在线氧化还原电位(ORP)传感器和氨氮传感器的外置式管式膜厌氧膜生物反应器水解过滤后的污水中的大分子物质，控制污水在厌氧膜生物反应器内停留8～12h，以使对初级过滤后的污水充分水解。
本发明的密闭生态系统废水处理方法，其中，还包括：
将厌氧微生物对污水净化产生的气体以及好氧微生物对污水净化产生的气体进行气水分离，将气水分离出的气体吸附，将气水分离出的水分排入调节水箱。
本发明的密闭生态系统废水处理方法，其中，还包括：
用管式膜对厌氧膜生物反应器排出水进行过滤，所述的管式膜运行膜通量为40～60L/(m2·h)，管式膜内混合液流速为2.5～5m/s。
本发明的密闭生态系统废水处理方法，其中，还包括：
所述厌氧膜生物反应器利用从管式膜回流的混合液对厌氧膜生物反应器内的物质进行水力均质搅拌。
本发明的密闭生态系统废水处理方法，其中，在好氧膜生物反应器内培养好氧微生物并使所述好氧微生物对污水净化，去除污水中的有机污染物和氨氮包括：
采用一体式好氧膜生物反应器去除污水中的有机污染物和氨氮，采用配置有在线pH和溶解氧传感器的一体式平板膜好氧膜生物反应器，控制污水停留时间为12～14h，完成对厌氧膜生物反应器出水中有机污染物的降解并将氨氮转化为硝酸盐氮。
本发明的密闭生态系统废水处理方法，其中，好氧膜生物反应器的平板膜的运行膜通量8～12L/(m2·h)。
本发明的密闭生态系统废水处理方法，其中，还包括向好氧膜生物反应器中投加一定量碳酸氢钾以补充进水碱度的不足，碳酸氢钾以溶液状态投加，根据在线pH测量数据控制加碱泵的启动和停止。
本发明的密闭生态系统废水处理方法，其中，利用供氧风机用于吸取空气为好氧微生物供氧，利用冲刷风机抽取好氧膜生物反应器内排出气体对平板膜进行冲刷，好氧膜生物反应器内排出气体在好氧膜生物反应器和冲刷风机之间循环。
本发明的密闭生态系统废水处理方法，其中，还包括：每隔一定时间，通过污泥回流泵将好氧膜生物反应器中的污泥回流至厌氧膜生物反应器进行消化分解。
本发明的密闭生态系统废水处理方法，其中，净化后水消毒后，对净化后水实时监测，监测项目包括：pH值、浊度、氨氮和TOC。
本发明的密闭生态系统废水处理方法，其中，将气水分离出的气体吸附所用的吸附剂为颗粒活性炭。
本发明的密闭生态系统废水处理方法可以对密闭循环系统中污水进行高效处理与回用，并且不会对密闭空间内的空气造成污染，产生的剩余污泥也极为有限。
与现有技术相比，本发明的密闭生态系统废水处理方法具有以下优点：
(1)能完成密闭系统中高强度(高有机物浓度(TOC>250mg/L)，高氨氮浓度(NH4+-N>700mg/L)，高盐度(电导率>4.0mS/cm))生活废水的处理；
(2)利用微生物的转化作用完成废水中有机物和氮素的高效转化，以取代物化方法处理过程中的催化和吸附作用，降低处理系统对催化剂和吸附剂的使用量和补给量；
(3)反应条件温和，在常温下即可高效进行，节省了有机物中温催化过程所需的能量消耗；
(4)整个反应体系为密闭体系，外排气体经过净化处理，降低了对密闭大气环境的影响。
实施例1.
请参见图1，通过添加定量的洗衣液、洗面奶、洗发水、香皂、牙膏、食用油、尿液等物质，人工调配模拟密闭生态系统生活废水(含尿液)，pH值7.5～8.0，TOC 250～300mg/L，总氮700～800mg/L，悬浮物150～200mg/L。废水置于高位废水储箱中，靠重力经初级过滤器1进入调节水箱2。经18h的均质调节后，进水泵3将调节水箱2中的废水泵送入厌氧膜生物反应器4。废水在厌氧膜生物反应器4中的停留时间为8h，经外置管式膜组件6过滤后进入好氧膜生物反应器7。好氧膜生物反应器7内溶解氧浓度2～3mg/L，自吸泵9将废水通过平板膜组件8抽出，送入出水水箱14。废水在好氧膜生物反应器7内的停留时间为12h。自吸泵按“开启4分钟、停止1分钟”周期性运行。污泥回流泵12每3天开启2分钟，将好氧膜生物反应器7内污泥回流至厌氧膜生物反应器4。30天稳定运行期的连续监测数据显示，系统出水pH值6.5～7.0，TOC≤2mg/L，氨氮≤1mg/L，浊度≤5NTU，亚硝酸盐氮≤1mg/L，系统排放氨气浓度≤0.2mg/m3(1小时平均值)，排放硫化氢浓度≤0.2mg/m3(1小时平均值)，排放甲烷浓度≤2mg/m3，排放总挥发性有机物(TVOCs)浓度≤0.5mg/m3(8小时平均值)。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。