何新星，吳大蔚，李瑩輝

（中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京100094）

1 引言

維持航天員正常生命活動(dòng)所需的水分，一方面依靠地面供應(yīng)，另一方面依靠再生系統(tǒng)提供。當(dāng)前，NASA在國(guó)際空間站飛行任務(wù)中能夠提供50%的水，2010年底起草的NASA載人航天綜合路線圖把有效提高水再生能力作為一項(xiàng)重要任務(wù)。NASA期望到2022年，95%的航天用水可以再生。要想實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，首先必須解決的是再生水質(zhì)污染問題。因此，NASA明確提出，2016年前亟待解決的技術(shù)挑戰(zhàn)是穩(wěn)定回收處理技術(shù)以獲得再生水，并控制病原體、微生物生長(zhǎng)，防止產(chǎn)生異味[1，2]。

面向我國(guó)空間站長(zhǎng)期飛行任務(wù)，提供衛(wèi)生潔凈、無毒無害的再生水作為一項(xiàng)必然的選擇，同樣需解決再生水污染問題。本文分析了再生水中污染物的主要來源，并從再生水水質(zhì)要求、水質(zhì)的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)、再生水凈化等方面對(duì)再生水污染的防治策略進(jìn)行了討論。

2 空間站水的需求

2.1 總量需求

載人航天過程中，水主要用于飲用水、食品和飲料復(fù)水、衛(wèi)生用水、醫(yī)用水、任務(wù)結(jié)束返回時(shí)攜帶、EVA用水等。

表1 國(guó)際空間站用水需求統(tǒng)計(jì)[1]

對(duì)國(guó)際空間站用水需求情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可見，維持正常飛行活動(dòng)中一名航天員一日工作生活所需水分約2.9L；如有出艙活動(dòng)，則按6h出艙活動(dòng)計(jì)算，還需增加1.4L；此外，還需為每名航天員提供5.5L醫(yī)療用水、再入前的1.0L補(bǔ)液用水。“禮炮”6號(hào)使用“進(jìn)步號(hào)”貨運(yùn)飛船補(bǔ)給的物資中，水是其中一個(gè)重要的補(bǔ)給物資，按三人乘組連續(xù)駐留一年為基準(zhǔn)，其飲水需求量約為3t[3]。如此龐大的需求，使得水再生技術(shù)成為各載人航天國(guó)家共同致力研究的一項(xiàng)重要課題。

2.2 水溫控制

為了航天員的健康，飲用水、食品復(fù)水、飲料、醫(yī)用水都有溫度要求，尤其是長(zhǎng)期飛行，航天員對(duì)冷熱飲的偏好越來越重要。

表2 國(guó)際空間站不同用途水溫要求[2]

2.3 再生水

目前，國(guó)際空間站僅從冷凝水和尿液中再生水，再生水的提供能力占總需水量的50%。水再生和管理的壽命周期費(fèi)用受到水再生系統(tǒng)的可靠性和消耗品使用程度的限制。由于存在物理、化學(xué)和微生物的可能污染，必須在再生水的實(shí)現(xiàn)過程中進(jìn)行穩(wěn)定處理，一方面可避免設(shè)備受到生物和化學(xué)污垢引起故障，防止排出氣體污染物。更重要的是，要對(duì)再生水消毒，確保安全存貯，同時(shí)殺菌劑等成分不會(huì)危害航天員的健康。

NASA希望通過提高再生生保系統(tǒng)的可靠性，從多種資源，包括衛(wèi)生保健水、洗衣水中再生水，增加總的水再生百分比，并提供可靠的監(jiān)測(cè)方式，對(duì)再生飲用水消毒和微生物控制，確保航天員健康。其具體的規(guī)劃為：2014年前，實(shí)現(xiàn)55%的水再生；2019年達(dá)到98%的水再生；到2029年，98%的再生水主要由生物系統(tǒng)（采用生物學(xué)凈化技術(shù)，盡量減少物理化學(xué)凈化技術(shù)帶來的資源消耗）提供。

3 再生水污染來源

長(zhǎng)期載人飛行中，存在著多種可能導(dǎo)致再生水污染的因素。按照污染物的來源分，污染物可來自于地面攜帶水中污染物、飛行過程污染物、航天器水中的添加劑等。表3給出了再生水中可能的污染源及其污染過程。

表3 再生水的化學(xué)污染源

按照污染物的種類分，可分為微生物污染、重金屬離子污染、有機(jī)化合物污染、無機(jī)化合物污染等。飲用水微生物污染被認(rèn)為是傳染性疾病的源，因?yàn)樗疄槲⑸锷L(zhǎng)和病原體滋生提供了載體。跟普通的水系統(tǒng)比較，即使使用了殺菌劑，再生水系統(tǒng)把各種各樣微生物帶入的可能性是存在的。在國(guó)際空間站上，不同再生水源中均檢測(cè)出了多種不同的污染物，詳見表4。

表4 不同再生水源中檢測(cè)出的污染物[1]

按照污染發(fā)生的過程分，可分為正規(guī)飛行中的污染、故障與應(yīng)急事件污染，有效載荷及空間實(shí)驗(yàn)中的污染等。在長(zhǎng)期航天飛行中，系統(tǒng)固有的長(zhǎng)壽命增加了毒性污染物積累的可能性，系統(tǒng)材料的降解過程等將會(huì)分散到各種污染物中，進(jìn)而污染水源。在長(zhǎng)期航天飛行中實(shí)施的大量空間醫(yī)學(xué)、生物學(xué)實(shí)驗(yàn)及有效載荷試驗(yàn)等，均可能構(gòu)成一個(gè)不確定的水系統(tǒng)污染源，增加了水源的不穩(wěn)定性。應(yīng)急事件和故障情況，也可能帶來額外的污染風(fēng)險(xiǎn)。

4 水質(zhì)要求

制定再生水水質(zhì)要求，是控制再生水污染、保證航天員健康的第一要素。國(guó)際載人航天史上對(duì)再生水均提出了相應(yīng)的水質(zhì)要求。通常而言，再生水水質(zhì)要求主要包括物理化學(xué)指標(biāo)限值、微生物限值和感官指標(biāo)（味覺、氣味、渾濁度、顏色、pH值）等。但針對(duì)再生水的用途不同，如飲用水、個(gè)人衛(wèi)生用水、醫(yī)用水等，水質(zhì)要求并不相同。

4.1 感官指標(biāo)

感官指標(biāo)一般包括顏色、味道和氣味、混濁度及其他物理參數(shù)。

（1）顏色：可直接根據(jù)顏色判定水質(zhì)是否對(duì)身體健康有影響或者是否已遭受污染。美、俄等國(guó)均制定了相應(yīng)的水質(zhì)顏色判別的標(biāo)準(zhǔn)（見表6），我國(guó)在水質(zhì)要求中，也明確了水質(zhì)判別的方法和要求[4]。

（2）味道和氣味：通常，味道和氣味的評(píng)價(jià)取決于人的感覺。飲用水味覺的可接受性對(duì)心理健康和生理健康都很重要。以往，美國(guó)載人飛行提供的飲用水安全、無味但并不受歡迎。這些水淡而無味，可能類似于高質(zhì)量的三次蒸餾水。而在再生水質(zhì)處理過程中，使用殺菌劑時(shí)，可能會(huì)遺留有令人討厭的味道。研究證據(jù)表明，滅菌過程和樹脂凈化過程會(huì)產(chǎn)生少量化合物，如三丁基胺，雖然這些化合物對(duì)人無毒性，但會(huì)影響水的口感。再生飲用水的提供，既要保證水質(zhì)安全、無毒無害，也要注重口感、味道等方面的可接受性。

（3）混濁度：混濁度是生物和無機(jī)物顆粒污染的指標(biāo)。過多的非生物顆粒妨礙殺菌效果，從美學(xué)上引起乘員拒用；此外，大的顆粒內(nèi)部還能隱藏微生物，造成水質(zhì)隱患。

（4）其他物理參數(shù)：溫度、導(dǎo)電性和pH值等是影響水質(zhì)可接受性的一些重要的物理參數(shù)，也應(yīng)制定相應(yīng)的限值標(biāo)準(zhǔn)，以提高水質(zhì)的可接受性。

4.2 化學(xué)指標(biāo)限值

由于污染物的出現(xiàn)率和含量在不同的廢水回收技術(shù)中是不同的，來源不同的廢水成分又是極易變化的，所以要確定產(chǎn)出水的各種成份非常困難。但從人的安全、健康角度，其中最關(guān)心的是再生水的有機(jī)物含量。

確定再生水中各種各樣有機(jī)物的含量限值是一個(gè)難題，因?yàn)檫@些化學(xué)物質(zhì)與地球上水中的化學(xué)物質(zhì)不同（地球上水中的物質(zhì)是殺蟲劑、石油制品、工業(yè)廢物、城市和農(nóng)業(yè)流水多）。慢性暴露必須考慮水的再循環(huán)引起的重復(fù)接受水中污染成分的可能性，在水再生和消毒過程中，無毒的化學(xué)衍生成分發(fā)生化學(xué)變化而成有毒產(chǎn)物（如有機(jī)鹵化物）的可能性增大。持續(xù)居留必須要把慢性效應(yīng)和急性毒性一起考慮。

水中污染物最大容許濃度既要保護(hù)航天員健康，又要防止凈化裝置過度設(shè)計(jì)。最大容許濃度基于以下考慮：（1）航天員是經(jīng)過人群篩選的健康群體；（2）水服用時(shí)間比地面短很多；（3）必須考慮航天環(huán)境對(duì)航天員的特殊生理改變，比如長(zhǎng)期飛行可能導(dǎo)致紅細(xì)胞數(shù)量減少，水的容許限值制定過程中需考慮航天員患貧血癥的可能；（4）航天員平均體重在70kg左右；（5）航天員平均消費(fèi)約2.8L/d水（包括食物中水份）。

NASA基于國(guó)際空間站任務(wù)需要，制定了飲用再生水中27種化學(xué)成分1d和10d的應(yīng)急容許濃度限值，該容許濃度允許適度風(fēng)險(xiǎn)的存在以及航天員一定的不滿意度，容許引起航天員輕微的不適（惡心、頭痛等）。另外制定了100d、1000d長(zhǎng)期飲用的最大容許濃度限值[5]，該濃度限值不允許出現(xiàn)確定的毒性效應(yīng)。

4.3 微生物限值

微生物限值的提出主要考慮沒有致病菌存在，細(xì)菌計(jì)數(shù)水平不至于引起腸道功能紊亂和其它人體的病理學(xué)效應(yīng)，表5是國(guó)際空間站飲用水微生物限值。

4.4 美、俄再生水水質(zhì)要求

美、俄制定的再生水水質(zhì)要求主要包括pH值、渾濁度、顏色、氣味、硬度、總固形物等40項(xiàng)指標(biāo)。表6中匯總了美、俄航天再生飲用水和衛(wèi)生用水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

表5 國(guó)際空間站飲用水微生物限值[1]

表6 美俄航天再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[3]

5 水質(zhì)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)是確保再生水滿足水質(zhì)要求的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)對(duì)飛行前、飛行中、飛行后水質(zhì)進(jìn)行定期及不定期的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)。

5.1 飛行前材料和水容器評(píng)估和測(cè)試

水容器評(píng)估：必須通過水質(zhì)工程師、毒理學(xué)者及其它評(píng)估，預(yù)測(cè)水容器對(duì)水質(zhì)的影響。

再生水裝置評(píng)估：必須經(jīng)過充分地面驗(yàn)證試驗(yàn)。

水容器長(zhǎng)壽命評(píng)估：水的長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存容器和運(yùn)輸容器必須經(jīng)評(píng)估，避免影響水質(zhì)。

其他評(píng)估：材料和水的相容性等。

5.2 發(fā)射前水質(zhì)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)

水樣品必須經(jīng)過嚴(yán)格檢驗(yàn)才能裝船，飛船發(fā)射前15d和3d樣品要進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)盡量縮短發(fā)射前保存時(shí)間。

水箱消毒后和水裝入水箱后第一時(shí)間采樣測(cè)試，最后一次采樣到發(fā)射必須留夠檢測(cè)報(bào)告出具時(shí)間。

5.3 飛行過程水質(zhì)監(jiān)測(cè)

必須提供水采樣能力；必須提供至少500ml水供測(cè)試使用；必須留夠著陸后測(cè)試用水；必須提供和地面技術(shù)專家的通訊通路；在線監(jiān)測(cè)設(shè)備必須能取得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，提供最小的不確定性。

基于飛行過程中監(jiān)測(cè)的困難，難以對(duì)每種目標(biāo)污染物進(jìn)行定量監(jiān)測(cè)，對(duì)再生水而言，至少需要監(jiān)測(cè)PH值、總有機(jī)碳以及滅菌劑含量，國(guó)際空間站過去一直使用總有機(jī)碳監(jiān)測(cè)裝置，2008年安裝了新一代總有機(jī)碳監(jiān)測(cè)儀。

5.4 飛行結(jié)束后對(duì)采樣水質(zhì)評(píng)價(jià)

雖然發(fā)射前評(píng)價(jià)極為重要，但并不妨礙飛行后評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)作為航天器安全設(shè)計(jì)的技術(shù)基礎(chǔ)，使用樣品袋收集飛行過程水樣，返回地面分析是目前重要的數(shù)據(jù)來源，地面實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果能提供比天上在線監(jiān)測(cè)豐富得多的數(shù)據(jù)。2006年通過俄羅斯一套叫“SVO-ZV”水輸送裝置后的水樣發(fā)現(xiàn)高濃度鎘存在，結(jié)果證實(shí)是水輸送裝置溶出，后來更換了該裝置。

5.5 微生物監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)

需對(duì)飛行前中后微生物計(jì)數(shù)以及菌落分類計(jì)數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，每個(gè)采樣點(diǎn)至少需要100ml水樣進(jìn)行微生物測(cè)試，短期飛行飲用地面攜帶水時(shí)不必進(jìn)行微生物監(jiān)測(cè)，但長(zhǎng)期飛行，使用再生水作為飲用水時(shí)必須在線監(jiān)測(cè)。

“阿波羅”飛船指令艙使用氯作為水的消毒劑，但氯加速水箱腐蝕和生物殺滅劑的消耗，碘作為航天飛機(jī)水消毒劑使用多年，但過量碘會(huì)對(duì)人的甲狀腺產(chǎn)生影響，存在潛在的毒副作用，俄羅斯使用銀作為消毒劑，但因?yàn)殂y會(huì)在金屬表面沉積，從而降低了銀的消毒作用。

再生水裝置必須具有將在線監(jiān)測(cè)有機(jī)物和微生物超標(biāo)水重新凈化的能力，例如國(guó)際空間站俄羅斯水凈化系統(tǒng)SVO-ZV曾使用0.5ppm銀離子作為滅菌劑，不幸的是，多種檢測(cè)手段表明凈化后每100ml水中菌落計(jì)數(shù)超過100個(gè)單位，為了重新凈化，加入了10L10ppm銀離子的水，結(jié)果又導(dǎo)致銀離子含量超標(biāo)。

6 再生水凈化措施

水的凈化受空間站氣體中有機(jī)物濃度，人體新陳代謝產(chǎn)物的影響，若濃度過高，會(huì)大大影響再生水凈化系統(tǒng)的效率，帶來設(shè)備負(fù)擔(dān)。

廢水為微生物滋生提供了條件，微生物滋生會(huì)產(chǎn)生無機(jī)和有機(jī)化合物，包括：氨、硫化氫、乙酸和丁酸等，除了影響航天員健康外，還會(huì)降低再生水裝置凈化能力，比如：尿的處理會(huì)導(dǎo)致PH值偏堿性，產(chǎn)生磷酸鈣和氫氧化鎂等，沉積在分子篩、管壁、閥、氣液分離器、吸收床上，甲烷和氮?dú)獾葧?huì)附著在吸收床表面和液體通道上，降低離子交換效率和活性炭活性，沉積物和氣體會(huì)增加管路和水泵阻力，另外廢物會(huì)產(chǎn)生難聞的氣味。

受微重力影響，常規(guī)的萃取、蒸餾、浮選等辦法無法使用，微重力條件下，用分子篩、氣旋分離、離心分離等方法來制造人工氣液界面，另外在空間站使用紫外輻射殺菌必須考慮人的輻射水平耐受值。水的再生系統(tǒng)通常包括如下步驟：（1）廢棄物物理化學(xué)和微生物成分的預(yù)處理；（2）從再生水過濾膜上去除雜質(zhì)；（3）再生水的礦物質(zhì)化；（4）水的保存；（5）水的加熱和冷卻。其中步驟2包括有機(jī)組分的氧化轉(zhuǎn)化及其副產(chǎn)品的清除，衛(wèi)生用水可以省略步驟3，電解制氧可以省略步驟3和5。

6.1 超濾

超濾是一種利用膜分離技術(shù)的篩分過程，以膜兩側(cè)的壓力差為驅(qū)動(dòng)力，以超濾膜為過濾介質(zhì)，在一定的壓力下，當(dāng)原液流過膜表面時(shí)，超濾膜表面密布的許多細(xì)小的微孔只允許水分子、水中的有益礦物質(zhì)和微量元素通過，而最小細(xì)菌的體積都在0.02μm以上，因此細(xì)菌以及比細(xì)菌體積大得多的膠體、鐵銹、懸浮物、泥沙、大分子有機(jī)物等都能被超濾膜截留下來，從而實(shí)現(xiàn)了凈化。

超濾膜使用一段時(shí)間后，被截留下來的細(xì)菌、鐵銹、膠體、懸浮物、大分子有機(jī)物等有害物質(zhì)會(huì)依附在超濾膜的內(nèi)表面，使超濾膜的產(chǎn)水量逐漸下降，尤其是自來水質(zhì)污染嚴(yán)重時(shí)，更易引起超濾膜的堵塞，定期對(duì)超濾膜進(jìn)行沖洗可有效恢復(fù)膜的產(chǎn)水量。

6.2 吸收

主要吸收手段有離子交換樹脂、分子篩和活性炭等。

離子交換樹脂中含有一種（或幾種）化學(xué)活性基團(tuán)，它即是交換官能團(tuán)，在水溶液中能離解出某些陽離子（如 H+或 Na+）或陰離子（如 OH－或 Cl－），同時(shí)能吸附溶液中原來存有的其他陽離子或陰離子。即樹脂中的離子與溶液中的離子互相交換，從而將溶液中的離子分離出來。

分子篩過濾的原理是：當(dāng)水流通過分子篩時(shí)，污染物粒徑大于分子篩孔隙的全部被截留下來。缺點(diǎn)是時(shí)間長(zhǎng)了之后，孔隙可能被堵塞，需要定期清理和更換。

活性炭的吸附原理是：在其顆粒表面形成一層平衡的表面濃度，再把有機(jī)物質(zhì)雜質(zhì)吸附到活性炭顆粒內(nèi)，但如果水中有機(jī)物含量高，活性炭很快就會(huì)喪失過濾功能。所以，活性炭應(yīng)定期清洗或更換。因?yàn)闈穸忍?，只有少?shù)種類活性炭能用來吸收水中污染物，活性碳作為水處理中主要去色、味、嗅、氯化物、重金屬，而活性碳沒有除菌除濁功能，反而會(huì)掉碳渣及滋生細(xì)菌，因此活性碳濾后的水還必須使用超濾膜等進(jìn)行凈化。

6.3 電化學(xué)方法

電化學(xué)凈化廢水技術(shù)是在直流電場(chǎng)的作用下，廢水污染物通過電解槽在陽極氧化或在陰極還原或發(fā)生二次反應(yīng)轉(zhuǎn)化為無害成分，最終使廢水得到凈化，方法的局限是對(duì)部分有機(jī)物的去除效率很低。此外，電凈化技術(shù)的缺點(diǎn)：①廢水中各種帶電離子在電極上競(jìng)相放電，容易發(fā)生副反應(yīng)，降低電流效率；②電極表面容易形成吸附層和產(chǎn)生氧化膜或有機(jī)聚合物而使電極極化或鈍化直至中毒，最終導(dǎo)致槽電壓升高，電流效率下降，電極性能衰退。

6.4 反滲透

反滲透方法原理是在高于溶液滲透壓的作用下，依據(jù)水能透過而污染物質(zhì)不能透過半透膜而將這些物質(zhì)和水分離開來。由于反滲透膜的膜孔徑非常小，因此能夠有效地去除水中的溶解鹽類、膠體、微生物、有機(jī)物等。反滲透是目前高純水設(shè)備中應(yīng)用廣泛的一種技術(shù)。

6.5 蒸餾

蒸餾是水凈化的傳統(tǒng)技術(shù)，尤其適用于尿液凈化，但微重力條件下必須使用旋轉(zhuǎn)裝置人造重力，加熱尿液，收集水蒸氣蒸發(fā)后的冷凝水達(dá)到凈化目的，缺點(diǎn)是部分污染物在冷凝水中存在，需要采用別的方法凈化冷凝水中污染物。

在空間站水再生裝置設(shè)計(jì)過程中，單用一種方法進(jìn)行水的凈化是不夠的，需要綜合使用以上多種方法，才能使水質(zhì)達(dá)到飲用水和衛(wèi)生用水的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

6.6 其他方法

從目前研究熱點(diǎn)來看，還有其它的方法從原理上也可用于空間站水的凈化，例如：利用臭氧、過氧化氫和輻射等手段殺菌及催化氧化污染物；光化學(xué)氧化法氧化降解污染物；微生物凈化法等，但這些方法研究還不夠充分，目前階段還沒有達(dá)到工程實(shí)現(xiàn)的要求。

7 結(jié)束語

載人空間站工程與短期載人航天飛行任務(wù)相比，面臨許多技術(shù)難題，其中再生水的使用，將會(huì)遇到很多新的航天醫(yī)學(xué)工程問題，本文結(jié)合國(guó)際空間站任務(wù)情況，重點(diǎn)分析討論了空間站再生水凈化和使用過程中面臨的再生水水源的污染來源、水質(zhì)要求、水質(zhì)凈化技術(shù)和水質(zhì)監(jiān)測(cè)等方面的問題和研究思路，希望對(duì)空間站再生水污染防治策略的提出有所幫助和促進(jìn)。 ◇

［1］NASA/SP-2010-3407.Human Integration Design Handbook（HIDH）,2010.

［2］NASA-STD-3001.Nasa Space Flight Human-System Standard.VOL 2:Human Factors,Habitability,and EnvironmentalHealth,2011.

［3］Arnauld E.Nicogossian,Oleg G.Gazenko,et al.Space Biology and Medicine.American Institute of Aeronautics and Astronautics,Washington：DC,1994.

［4］GB5749-2006生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn).中華人民共和國(guó)衛(wèi)生部，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布.

［5］JSC 63414.Spacecraft Water Exposure Guidelines（SWEGs）.NASA Johnson Space Center,2008.