楊祺，張文瑞，于錕錕

（蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730000）

空間站尿液處理技術(shù)研究及進(jìn)展

楊祺，張文瑞，于錕錕

（蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730000）

尿液處理再生技術(shù)是空間站環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)的重要組成部分之一，為了實(shí)現(xiàn)空間站水資源的循環(huán)利用和最大可能減少空間站水補(bǔ)給量，尿液再生技術(shù)的主要功能是將空間站中航天員排泄的尿液進(jìn)行收集、處理和凈化，從尿液中提取水分用于電解水制氧或航天員生活用水，從而實(shí)現(xiàn)空間站用水的回收再利用。文章介紹了目前國(guó)內(nèi)外發(fā)展較為成熟的尿液處理技術(shù)，如滲透蒸發(fā)膜技術(shù)和蒸氣壓縮蒸餾技術(shù)，以及正在研究中的新型技術(shù)：冷凍濃縮及真空旋轉(zhuǎn)蒸餾技術(shù)，并提出了未來(lái)發(fā)展方向。

空間站；尿液處理；環(huán)控生保；再生

0 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，載人航天器在空間運(yùn)行的任務(wù)周期隨之加長(zhǎng)，在以往的短周期任務(wù)中，航天員所需的消耗性物資及水可以通過(guò)地面與空間往返運(yùn)輸支持，但是在長(zhǎng)期載人飛行的空間站中，如果消耗性資源通過(guò)地面供給，則會(huì)產(chǎn)生巨大的運(yùn)輸及維護(hù)費(fèi)用。因此，必須進(jìn)行消耗性物質(zhì)回收再生利用，將一些主要的消耗品如大氣和廢水回收再生并加以利用，減少地面后勤的負(fù)擔(dān)，降低運(yùn)行費(fèi)用。

空間站環(huán)境控制和生命保障技術(shù)[1]就是實(shí)現(xiàn)航天載人器中消耗性物資的循環(huán)再利用?？臻g環(huán)境控制和生命保障技術(shù)包括氧氣再生系統(tǒng)，廢水再生系統(tǒng)，大氣壓力和成分控制，艙體溫度和濕度控制，衛(wèi)生和廢物管理[2]五個(gè)部分。

在廢水再生系統(tǒng)中，廢水的來(lái)源包括二氧化碳還原，降溫除濕產(chǎn)生的冷凝水，生活廢水及乘員尿液。其中尿液處理是廢水處理環(huán)節(jié)中較為復(fù)雜及重要的一環(huán)。文章主要簡(jiǎn)述空間尿液處理技術(shù)的基本原理，應(yīng)用情況及發(fā)展方向。

1 空間尿液處理技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

生命保障技術(shù)中的尿液處理是空間站環(huán)控生保系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)之一，為此，各航天大國(guó)都先后投入巨資和大量人力進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的研究。其中，俄羅斯主要采用滲透膜蒸發(fā)技術(shù)進(jìn)行航天員尿液再生處理，其尿液再生系統(tǒng)已于1990年1 月15日在“和平”號(hào)空間站上的Kvant-2艙段上啟用，該裝置的處理能力為5 kg的H2O/day，尿液中的水回收率為80%左右。到1999年，該裝置已從尿液中回收了6 000 kg的再生水，回收后的再生水水質(zhì)可達(dá)飲用水標(biāo)準(zhǔn)。目前在國(guó)際空間站的俄羅斯艙段中，還是采用改進(jìn)后的滲透蒸發(fā)膜處理技術(shù)。

美國(guó)最具有代表性的尿液處理技術(shù)是蒸氣壓縮蒸餾技術(shù)（VCD），從1962年起，美國(guó)開始對(duì)蒸氣壓縮蒸餾技術(shù)進(jìn)行研究，并研制成功了第一代尿液處理與再生試驗(yàn)樣機(jī)，到1991年，研制出十四代樣機(jī)。由于技術(shù)日益成熟和良好的處理效果，1992年NASA選擇蒸氣壓縮蒸餾系統(tǒng)作為空間站生保系統(tǒng)的一部分。NASA-Marshall空間飛行中心在1993～1997年間對(duì)VCD系統(tǒng)進(jìn)行了全面測(cè)試，證實(shí)了VCD系統(tǒng)作為水再生系統(tǒng)重要組成部分的適宜性。目前，美國(guó)已將這項(xiàng)技術(shù)成功應(yīng)用到國(guó)際空間站中的美國(guó)艙段中。

真空旋轉(zhuǎn)蒸餾技術(shù)也是水再生系統(tǒng)的一項(xiàng)重要技術(shù)，從1974年開始，烏克蘭基輔工學(xué)院開始進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸餾的基礎(chǔ)技術(shù)研究。1993年起，美國(guó)開始著手這項(xiàng)技術(shù)的研究。

國(guó)內(nèi)在尿液處理技術(shù)方面的起步比較晚，根據(jù)國(guó)內(nèi)載人航天的需要以及國(guó)外研究的發(fā)展趨勢(shì)，從1988年起，國(guó)內(nèi)開始對(duì)熱電膜蒸發(fā)尿處理技術(shù)進(jìn)行跟蹤研究，經(jīng)過(guò)多年的努力，已初步實(shí)現(xiàn)了水的循環(huán)再生，并在密閉實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)進(jìn)行了3人4天的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

總體來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)的載人航天事業(yè)起步較晚，技術(shù)基礎(chǔ)比較薄弱，對(duì)于尿液處理技術(shù)的研究還處于地面樣機(jī)研制階段，離工程應(yīng)用還有較大的差距。

2 尿液處理的核心技術(shù)

2.1 廢水處理基本流程

圖1所示為空間站環(huán)控生保系統(tǒng)中廢水處理的基本流程，從圖中可以看出，進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)的廢水包括航天器中乘員的生活廢水（衛(wèi)生用水、食品用水），乘員尿液及降溫除濕產(chǎn)生的冷凝水。生活廢水及降溫除濕產(chǎn)生的冷凝水由管路直接進(jìn)入水處理子系統(tǒng)，尿液經(jīng)過(guò)消毒、除臭等前處理設(shè)備預(yù)處理后進(jìn)入水處理子系統(tǒng)。由水處理子系統(tǒng)處理的再生水進(jìn)入貯水箱進(jìn)入下一次循環(huán)應(yīng)用。

圖1 廢水處理基本流程

從尿液進(jìn)入水處理子系統(tǒng)的流程可以看出，尿液處理的關(guān)鍵有三個(gè)過(guò)程：尿液的預(yù)處理過(guò)程，尿液在水處理子系統(tǒng)中的處理過(guò)程以及再生水的后處理過(guò)程。

2.2 尿液的預(yù)處理技術(shù)

尿液的預(yù)處理，即通過(guò)化學(xué)試劑抑制微生物污染物并穩(wěn)定尿液中的揮發(fā)性氨。尿液一般含有2%～4%的溶解物質(zhì)，大約一半的溶解物是尿素。一些易在尿液中繁殖的微生物，會(huì)產(chǎn)生尿素酶，催化尿素水解成氨。這種氨像其他揮發(fā)性物質(zhì)一樣，蒸餾后在水中產(chǎn)生有毒氣體，使氣體難以被利用。

為了使尿液穩(wěn)定更利于蒸餾，D.Putnam[3]研究發(fā)現(xiàn)尿液預(yù)處理方法需要達(dá)到四個(gè)要求：（1）有效的殺菌；（2）適宜的ph值，保證ph值在2～4之間；（3）氧化揮發(fā)性有機(jī)化合物；（4）穩(wěn)定自由氨和氨化合物。

H.Eugene等[4]經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，在尿液的預(yù)處理中使用過(guò)硫酸氫鉀試劑相比較其他化學(xué)試劑穩(wěn)定而有效，具有很好的消毒效果，并且處理過(guò)程中形成的固態(tài)及液態(tài)廢棄物較少，使用過(guò)硫酸氫鉀試劑后再生水中的污染物含量也較低。值得注意的是，在蒸氣壓縮蒸餾尿液處理子系統(tǒng)中使用過(guò)硫酸氫鉀預(yù)處理法時(shí)，需要在尿液中添加除沫劑。

2.3 尿液處理技術(shù)

尿液的處理流程有反滲透法、電滲透法、蒸餾法、高級(jí)氧化法和生物法，最有效地保證凈化后的水質(zhì)要求的方法是低溫蒸餾技術(shù)，目前比較成熟的技術(shù)是滲透膜蒸發(fā)技術(shù)與蒸氣壓縮蒸餾技術(shù)。

2.3.1 滲透膜蒸發(fā)尿處理技術(shù)（TIMES）

圖2為滲透膜蒸發(fā)尿處理技術(shù)原理圖。滲透膜蒸發(fā)尿處理系統(tǒng)由三部分組成，第一部分是尿液的分離與儲(chǔ)存，包括動(dòng)態(tài)尿液/空氣分離器、預(yù)處理裝置及尿液的存儲(chǔ)與運(yùn)輸部件；第二部分是蒸餾凈化部分，包括平板膜蒸發(fā)器、循環(huán)水泵與風(fēng)機(jī)、加熱器、熱交換器、膜式水/氣分離器與凈化水泵等部件；第三部分是后處理部分，主要有多層過(guò)濾器、水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)、水箱等。

蒸餾凈化部分是這一系統(tǒng)的核心，由尿液廢水與氣體兩個(gè)循環(huán)回路構(gòu)成。在尿液回路中，經(jīng)預(yù)處理的尿液通過(guò)熱交換器升溫，再通過(guò)加熱器升溫到50℃，進(jìn)入膜蒸發(fā)器中，蒸發(fā)器表面具有憎水性毛細(xì)孔，尿液中的水在這一表面蒸發(fā)，由于膜材料的特性，水蒸氣透過(guò)膜到達(dá)膜的另一側(cè)，而尿液只能在尿液回路內(nèi)循環(huán)，并被濃縮。在氣體回路內(nèi)，由于風(fēng)機(jī)不斷的鼓風(fēng)吹掃，滲透過(guò)來(lái)的水蒸氣被連續(xù)的帶走，在冷凝器內(nèi)冷凝，再經(jīng)水/氣分離器后分離得到凈化的水。凈水經(jīng)后處理及冷凝廢水處理系統(tǒng)后，水質(zhì)能達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 滲透膜蒸發(fā)尿處理技術(shù)原理圖

2.3.2 蒸氣壓縮蒸餾尿處理技術(shù)（VCD）

另外一種發(fā)展的較為完善的尿液處理技術(shù)是蒸氣壓縮蒸餾技術(shù)，包括蒸發(fā)與冷凝兩個(gè)過(guò)程，通過(guò)對(duì)蒸氣的壓縮來(lái)提高飽和溫度，再把這種過(guò)熱蒸氣冷凝在與蒸發(fā)器直接接觸的金屬表面，冷凝潛熱直接傳遞給另一側(cè)的廢水，促進(jìn)冷凝液中水份蒸發(fā)。圖3是蒸氣壓縮蒸餾系統(tǒng)原理圖。

這一技術(shù)的關(guān)鍵部件是蒸發(fā)/冷凝器，由同軸的內(nèi)、外兩個(gè)轉(zhuǎn)鼓組成，里面的轉(zhuǎn)鼓由一定的錐度，尿液在轉(zhuǎn)鼓的內(nèi)側(cè)蒸發(fā)，蒸氣導(dǎo)入轉(zhuǎn)鼓外側(cè)冷凝，從而保證了旋轉(zhuǎn)冷凝器/蒸發(fā)器有共同的熱交換體。工作時(shí)溫度為21～35℃的尿液進(jìn)入旋轉(zhuǎn)的壓力為4.8 kPa轉(zhuǎn)鼓，由于有10 g的離心力，尿液在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)表面形成一定厚度的液膜，同時(shí)自液膜中蒸發(fā)的水蒸氣在離心力的作用下，與尿液完全分離，進(jìn)入蒸氣壓縮機(jī)中壓縮，這種壓縮的過(guò)熱蒸氣在內(nèi)轉(zhuǎn)鼓外側(cè)與外轉(zhuǎn)鼓內(nèi)側(cè)所構(gòu)成的冷凝器中冷凝，冷凝潛熱直接通過(guò)內(nèi)轉(zhuǎn)鼓壁傳給內(nèi)側(cè)的液膜。由于離心力迫使液膜緊貼在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁，保證了熱的有效傳導(dǎo)。冷凝水通過(guò)水泵輸出，為蒸發(fā)的液體在尿液循環(huán)泵的作用下繼續(xù)循環(huán)。

圖3 蒸汽壓縮蒸餾系統(tǒng)原理圖

2.3.3 冷凍濃縮尿液處理技術(shù)（LIFT）

冷凍濃縮水處理技術(shù)就是利用廢水中雜質(zhì)的凝固點(diǎn)遠(yuǎn)低于水的凝固點(diǎn)的物理特性，通過(guò)創(chuàng)造低溫環(huán)境，使其中的水將雜質(zhì)排斥在外而首先以固相析出，分離固、液相、融化冰晶即可得到較純凈的水和濃縮液。該技術(shù)始于海水淡化，后來(lái)逐漸發(fā)展到造紙廠、化工廠、制藥廠等工業(yè)廢水凈化領(lǐng)域，在日本、加拿大、英國(guó)、新加坡和荷蘭等國(guó)家已有實(shí)際應(yīng)用。目前，該項(xiàng)技術(shù)已用于空間站尿液處理。

圖4是冷凍濃縮-RO的原理圖，首先利用凝固相變對(duì)尿液進(jìn)行預(yù)處理，使尿液中的水將雜質(zhì)排斥在外。而水以冰晶析出，然后再利用反滲透裝置對(duì)融冰進(jìn)行深度處理。

鑒于宇宙空間的背景溫度約為3 K，且時(shí)空分布均勻，文獻(xiàn)[6]提出了冷凍濃縮與RO（反滲透，reverse osmosis）相結(jié)合的尿處理工藝。

圖4 冷凍濃縮-RO原理圖

2.3.4 真空旋轉(zhuǎn)蒸餾尿液處理技術(shù)（VRD）

真空旋轉(zhuǎn)蒸餾尿液處理技術(shù)具有很高的水再生率，作為水再生系統(tǒng)的候選系統(tǒng)，在能耗、尺寸、體積方面也有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)性。由于其緊湊的設(shè)計(jì)和被動(dòng)的氣液分離方式，使真空旋轉(zhuǎn)蒸餾技術(shù)非常適合在真空中運(yùn)行，如圖5所示。

圖5 三級(jí)真空蒸餾系統(tǒng)示意圖

真空旋轉(zhuǎn)蒸餾又分為多種，如帶完整熱電熱泵的真空旋轉(zhuǎn)蒸餾尿液處理系統(tǒng)（VRDTHP）、帶蒸氣噴射壓縮的真空旋轉(zhuǎn)尿液處理系統(tǒng)（VRDEC）、空氣蒸發(fā)旋轉(zhuǎn)蒸餾系統(tǒng)（AERD）、多級(jí)真空旋轉(zhuǎn)蒸餾系統(tǒng)（MVRD）、帶加熱器的真空旋轉(zhuǎn)蒸餾系統(tǒng)（VRDH）等，目前國(guó)內(nèi)尚未開展此項(xiàng)技術(shù)的研究。

2.4 再生水的后處理

再生水的后處理主要是對(duì)從尿液中分離出來(lái)的再生水進(jìn)行消毒、殺菌和過(guò)濾等凈化處理，使凈化后的水滿足電解水制氧用水、生活用水及飲用水標(biāo)準(zhǔn)。其中的難點(diǎn)是殘留的有機(jī)物雜質(zhì)、氨、亞硝酸鹽和硝酸鹽離子去除[7]。為了滿足上述要求，再生水后處理單元必須對(duì)再生水進(jìn)行過(guò)濾、殺菌、離子和有機(jī)物去除等多方面的處理。

再生水的后處理分為三部分[8]：（1）活性炭過(guò)濾：活性炭過(guò)濾器分為兩個(gè)分離的過(guò)濾罐，第一個(gè)罐裝有一個(gè)生物過(guò)濾器（0.25 μm）和一個(gè)氯化銀生物殺蟲劑床，第二個(gè)罐裝有活性炭床來(lái)吸附有機(jī)物成分；（2）銀離子殺菌器：銀離子殺菌器是一個(gè)由惰性玻璃珠填裝氯化銀顆粒均勻散布的被動(dòng)式接觸床，速度低于240 mm/min的再生水由反應(yīng)床中穿過(guò)，氯化銀溶解達(dá)到飽和；（3）脫離子器：脫離子器是再生水后處理部分最后一個(gè)設(shè)備，經(jīng)多層復(fù)合過(guò)濾床和離子去除樹脂床，通過(guò)與其中的交換樹脂等材料反應(yīng)，可將水中的離子除去。

經(jīng)后處理后的再生水，水質(zhì)可以達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)，并可用于電解制氧和生活用水。

3 結(jié)束語(yǔ)

鑒于空間應(yīng)用的特殊要求，空間站的尿液處理與回收是極為復(fù)雜的，經(jīng)過(guò)各國(guó)長(zhǎng)期的研究與實(shí)驗(yàn)，已開發(fā)出多種適用于空間應(yīng)用的尿液處理系統(tǒng)，可以看出無(wú)論哪種技術(shù)，其技術(shù)核心都是通過(guò)相變從尿液中獲得較為純凈的水，并有效利用相變產(chǎn)生的潛熱。從尿液處理技術(shù)的發(fā)展過(guò)程可以看出，在今后的研究中，如何更加有效的利用相變潛熱及優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以獲得更高的水再生率等是研究的主要方向。

[1]周抗寒，傅嵐，韓永強(qiáng)，等，再生式環(huán)控生保技術(shù)研究及進(jìn)展[J].航空醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)程，2003，16（z1）：566-572.

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[4]Winkler H E，Verostko C E，Dehner G F.Urine pretreatment for waste water processing systems[R].SAE Technical Paper，1983.

[5]Jeff M Schmidt，James E Alleman.Urine Prrocessing for Water recovery via Freeze Concentration[R].SAE Technology Paper Series，2005.

[6]于濤，馬軍，張立秋，等.冷凍濃縮-RO工藝處理空間站尿液試驗(yàn)研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，38（4）：567-569.

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[8]Nuccio P P.Vapor Compression Distillation Moudule[R]. ChemtricReport3100，1975.

RESEARCH AND DEVELOPMENT OF TECHNIQUES OF URINE PROCESSING IN SPACE STATION

YANG Qi，ZHANG Wen-rui，YU Kun-kun
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Space Technology and Physics，LanzhouGansu730000，China）

Urine processing water recovery system is the most important part of the regenerative environment control and life support system.In order to implement the water reclamation in space station and reduce the dosage of water，the technique of urine processing collect and purge the water that has been used for bathing and other personal cleaning，urine，and water derived from the feces.This article reviewed the main full-developed urine processing technologies such as thermoelectric integrated membrane evaporation technology and vapor compression distillation technology.And the new developing urine processing technologies：freezen concentration and reverse osmosis technology together with vacuum rotary distillation technology.

space station；urine processing；environment control and life support system；regeneration

V444.3文獻(xiàn)識(shí)別碼：A

1006-7086（2014）06-0315-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2014.06.002

2014-08-26

楊祺（1988-），女，河南人，工程師，碩士研究生，主要從事低溫制冷方面的工作。

E-mail：qiqi94520@126.com