丁 平，趙成堅，姚菲菲，勞春峰

（1.中國航天員科研訓練中心，北京100049；2.青島海爾智能技術研發(fā)有限公司，青島266101）

空間站洗浴廢水凈化技術研究

丁 平1，趙成堅1，姚菲菲2，勞春峰2

（1.中國航天員科研訓練中心，北京100049；2.青島海爾智能技術研發(fā)有限公司，青島266101）

針對空間站在航天員長期駐留期間因洗浴等個人衛(wèi)生活動產(chǎn)生的廢水的凈化再利用需求，在對航天員洗浴廢水處理要求、洗浴廢水中污染物特性分析的基礎上，提出了一套由消泡劑預處理、蒸汽壓縮蒸餾處理和反滲透膜處理相結合的洗浴廢水凈化處理方案，并在系統(tǒng)樣機上完成了方案的可行性及技術指標的試驗測試，其中系統(tǒng)樣機的廢水處理速度為0.9～1.0 kg／h，水回收率為90%，功耗為300～320 W，回收水的主要水質指標為：總有機碳含量為2～4 mg／L，電導率為1～4μS／cm，總氮含量為1～3 mg／L，pH值為6.5～8。結果表明該方案能耗低、水回收率高、凈化水水質好，工程可用性較強。

洗浴廢水；水回收；低壓蒸餾；膜處理

1 引言

空間站運營階段航天員將長期駐留并完成大量的實驗任務，短期載人飛行常用的個人衛(wèi)生清潔方式——擦拭，已無法滿足航天員個人衛(wèi)生的需求，需要發(fā)展新的在軌個人衛(wèi)生清潔洗浴技術。國外部分已退役和現(xiàn)役的空間站采用了海綿浴、淋浴和蒸汽浴等水洗方案，其中淋浴裝置使用的最多［1?4］。然而空間站水資源十分緊缺，為解決淋浴裝置的用水問題，降低物資補給需求及運營成本，空間站還需要配備水回收、再生和循環(huán)系統(tǒng)，如和平號空間站配備了獨立的吸附／催化法衛(wèi)生廢水處理系統(tǒng)［5］，國際空間站俄羅斯艙段配備了升級的吸附／催化法衛(wèi)生廢水處理系統(tǒng)，而美國艙段使用水處理裝置統(tǒng)一處理尿液蒸餾提取水、冷凝廢水和衛(wèi)生廢水構成的混合廢水［6］。我國空間站項目實施在即，預計運營階段航天員也將長期駐留，需要配備洗浴裝置及洗浴廢水處理設備。在該背景需求下，本文提出了一種工藝流程較為簡單、處理能耗較低的洗浴廢水凈化方案，可以為未來我國空間站有水洗浴系統(tǒng)的實施提供參考。

2 洗浴廢水處理要求

2.1 洗浴廢水污染物特性分析

洗浴廢水中的污染物主要有兩個來源，一是人體皮膚排出的分泌物，二是洗浴活動中使用的洗浴液。

文獻資料表明［7］：在室溫條件下，人體皮膚分泌的汗液量少，為不顯性出汗，成人每24小時不顯性出汗量約為500 mL，這些汗液中含有99%～99.5%的水，0.5%～1.0%的無機鹽和有機鹽，包括氯、鈉、鉀、鈣、尿素和乳酸等，此外人體皮膚表面還會產(chǎn)生皮脂和皮脂腺細胞碎屑等物質，其中皮脂中又有含有膽固醇、蛋白質滲出液等物質。另外這些分泌物附著在體表時也會滋生微生物（細菌），在洗浴時均會進入洗浴廢水中。

洗浴液成分一般包括表面活性劑、皮膚護理劑和感官性添加劑三大部分，其中表面活性劑是主要成分。目前大多數(shù)沐浴液配方選用的是陰離子表面活性劑，同時也會使用部分兩性離子表面活性劑作為輔助。潤膚保濕劑一般是分子量比較大、可溶于水、沸點高的醇類物質，例如甘油、乙二醇、山梨醇、多甘醇等。感官性添加劑主要是甜菜堿等兩性表面活性劑，此外還包括一些增稠劑等［8］。

由于空間站不可能給航天員提供很多的水進行沖洗，所以航天員使用的多為特制的免沖洗型洗浴液，以減少洗浴活動的用水量，同時降低洗浴廢水的凈化難度，這些洗浴液應具有以下特點：

1）泡沫少，氣味淡，易溶于水，不易粘附在容器、管路的壁面上；

2）具有較強的去污能力，單次使用量少，易沖洗，殘留少。

2.2 水凈化系統(tǒng)指標要求

本研究項目主要從以下四項指標對系統(tǒng)方案進行了約束：

1）系統(tǒng)處理速度：不小于0.5 kg／h；

2）系統(tǒng)功耗：不大于500W；

3）水回收率：不小于90%；

4）回收水的水質：主要指標參考GB 5749?2006《生活飲用水衛(wèi)生標準》執(zhí)行。

3 洗浴廢水處理工藝設計

洗浴廢水中由于含有皮脂、鹽類、洗浴液殘留物、細菌等多種特性不同的污染物，需要凈化系統(tǒng)針對污染物的種類，采取特定的技術方法逐步去除，最后達到凈化要求。

洗浴廢水中的污染物可分為固體顆粒物、溶解性物質和微生物三大類，而溶解性物質又可細分為易揮發(fā)型物質和難揮發(fā)型物質兩種。按照上述污染物的分類方法，并考慮空間站微重力環(huán)境下水氣兩相流的特點，以及水處理系統(tǒng)對水氣混合物的分離需求，提出了圖1所示的洗浴廢水污染物分級去除方案。

根據(jù)提出的洗浴廢水凈化方案，設計了圖2所示的洗浴廢水處理工藝路線。

4 洗浴廢水處理試驗

4.1 洗浴水樣的制備

由于國內還沒有航天員在軌洗浴的報道，國外部分文獻中雖然提到了和平號空間站、國際空間站等多個空間站上航天員洗浴的內容，但也未提及洗浴廢水的指標模型。為了研究方便，本文所述的洗浴廢水處理試驗僅以地面人員、商品洗浴液，以及一般人群的洗浴活動為研究對象開展研究，其中試驗人員為青年男性，體重范圍為62～75 kg，身高范圍為1.65～1.75 m［9］，試驗季節(jié)為秋季，試驗人員7天洗一次澡，7天內的活動僅有日常生活、工作的內容，洗澡時洗浴液按2～5 g／人次使用，洗浴用水量按4～5 L／人次使用，洗浴液的品牌、種類和形成的水樣如表1所示。

表1 水樣制備Table 1 Preparation of water sam p les

4.2 小樣試驗研究

洗浴廢水小樣試驗的設計目的是對廢水凈化方案中的主要工藝環(huán)節(jié)——消泡劑預處理工藝和蒸餾處理工藝的合理性和有效性進行直接驗證。

4.2.1 試驗裝置和流程

小樣試驗的裝置及流程如圖3所示［10］，其中盛水容器和蒸餾設備主要使用了透明玻璃儀器，各玻璃儀器的連接口均為磨砂面，系統(tǒng)組裝時磨砂面上涂有少量真空脂，用于提高系統(tǒng)的密封性；三角燒瓶作為蒸發(fā)器，洗浴廢水在蒸發(fā)器內蒸發(fā)時所需的熱量由電爐提供；蛇形冷凝管使用自來水作為冷源，使三角燒瓶內產(chǎn)生的水蒸氣流過蛇形冷凝管時得到冷凝；蒸餾提取水收集瓶與真空緩沖瓶通過管路連接，其中真空緩沖瓶的容積約為10 L，遠大于蒸餾設備的容積，用于穩(wěn)定蒸餾系統(tǒng)的蒸餾壓力；真空泵為干式膜片泵，其極限工作壓力為2 kPa，抽氣速率為1.8 m3／h。設備工作時，蒸餾壓力以真空緩沖瓶上的壓力計示數(shù)為準，并通過開關閥門2，將蒸餾壓力控制在5～8 kPa（絕壓）范圍內。

4.2.2 試驗方法

試驗分兩步，第一步是將表1所述的四種水樣每樣分為兩份并用透明玻璃燒杯盛放，每份水量約為300 mL，然后第一份保持為原液，第二份按照0.5‰的質量比添加消泡劑，最后使用玻璃棒對兩個系列的樣品進行攪拌，觀察樣品的起沫現(xiàn)象并進行評價；第二步是使用圖3所示裝置對兩個系列的樣品進行減壓蒸餾，蒸餾壓力控制在5～8 kPa（絕壓）范圍內，三角燒瓶內液體的初始深度控制在8～10 mm范圍內，當液體深度減小到初始深度的1／4～1／6時，移去電爐停止蒸餾，蒸餾過程中觀察水樣的起沫現(xiàn)象并進行評價。

4.3 系統(tǒng)樣機試驗

洗浴廢水處理系統(tǒng)樣機試驗的設計目的是對提出的洗浴廢水凈化方案進行綜合評價。

4.3.1 試驗裝置和流程

根據(jù)圖2所述的洗浴廢水處理工藝路線，組建了圖4所示的系統(tǒng)樣機，其中旋轉蒸餾器是根據(jù)空間站微重力環(huán)境的特點，按照旋轉式水氣分離器原理［11?13］設計的蒸餾裝置；羅茨風機是按照低壓蒸餾系統(tǒng)漏率指標要求專門設計的密封型風機；反滲透膜組件使用了常見的卷式膜組件，其工作壓力范圍為0.35～0.45 MPa；真空泵為干式膜片泵，其極限工作壓力為2 kPa，抽氣速率為1.8 m3／h；過濾器為PP棉濾芯過濾器，過濾精度為5μm，其余配套設備為一般采購商品。

4.4 試驗方法

按照0.5‰的質量比向表1所述的四種水樣中添加消泡劑，然后在系統(tǒng)樣機上進行凈化處理試驗。具體試驗方法為：將15 L洗浴廢水注入廢水箱，啟動真空泵將羅茨風機入口壓力降低到5 kPa左右，然后啟動羅茨風機、蠕動泵及加熱器控溫，開始廢水蒸餾處理，蒸餾過程中真空泵通過間歇啟動的方式將系統(tǒng)內的不冷凝氣體排出，以保證羅茨風機入口壓力能穩(wěn)定在8～10 kPa范圍內。當廢水箱內的液體減少到原體積的90%時，停止蒸餾處理過程并對廢水箱內的濃縮液進行排放，對蒸餾水箱內的蒸餾提取水進行采樣測試，然后啟動加壓泵開始膜處理過程。膜組件產(chǎn)生的凈化水流經(jīng)聚碘樹脂交換柱滅菌后進入凈化水水箱儲存，膜組件產(chǎn)生的濃縮液流向蒸餾水箱，與蒸餾水箱內原有的蒸餾提取水混合后再次進入膜組件進行凈化處理。當蒸餾水箱內的液體減少到原體積的80%時，停止膜處理過程，并將蒸餾水箱內的濃縮液返回廢水箱，參加下一次洗浴廢水的蒸餾處理。

5 結果與分析

5.1 小樣試驗

對表1所述四種水樣分別進行攪拌試驗和減壓蒸餾試驗，結果如表2所示。小樣攪拌試驗結果表明，制備的洗浴廢水由于含有洗浴液及人體皮膚分泌的多種有機物成分，在攪拌時均會產(chǎn)生泡沫，但泡沫量與所用洗浴液的特性有關，而消泡劑能夠有效抑制洗浴廢水攪拌時泡沫的產(chǎn)生。當空間站微重力環(huán)境下使用旋轉式水氣分離器收集洗浴廢水時，首先向水氣混合物中添加一定量的消泡劑，可有效避免水氣分離器內旋轉葉片攪動洗浴廢水時泡沫現(xiàn)象的發(fā)生，保證水氣分離過程的成功實現(xiàn)。

小樣減壓蒸餾試驗結果表明，消泡劑可有效抑制洗浴廢水在減壓蒸餾過程中泡沫現(xiàn)象的發(fā)生，保證廢水與水蒸氣具有可分離性，使減壓蒸餾過程順利進行。

5.2 系統(tǒng)樣機試驗

向表1所述的四種水樣中添加消泡劑后，在系統(tǒng)樣機上進行凈化處理試驗，結果顯示各水樣的蒸餾提取水及最終凈化水外觀上均為透明清亮狀態(tài)，凈化水的水質指標如表3所示。

表2 小樣試驗結果Table 2 Test results of the of the galley p roof

表3 凈化水水質指標測試結果Table 3 Test results of the water?quality

系統(tǒng)樣機的其它主要指標如表4所示。

表4 系統(tǒng)樣機性能指標測試結果Table 4 Test results of the prototype system

1）回收水的水質

由蒸餾提取水的水質指標測試結果可知，低壓蒸餾處理工藝對使用不同洗浴液產(chǎn)生的洗浴廢水均具有良好的處理效果，說明這種處理工藝對所用洗浴液的種類不敏感，普適性較強。分析其機理，8～10 kPa壓力條件下水的沸點是41.5～45.8℃，而在該溫度條件下，洗浴廢水中大部分的污染物還未達到揮發(fā)溢出溫度，因此低壓蒸餾處理可獲得水質良好的蒸餾水。進而也可推知，隨著蒸餾壓力的繼續(xù)降低，水的沸點繼續(xù)降低，蒸餾提取水的品質也會進一步提高，但在工程應用上，由于存在蒸餾壓力越低系統(tǒng)對配套設備的密封性要求以及其它性能指標的要求越高的矛盾，因此蒸餾壓力的確定應在綜合考慮各種工程因素后合理選取。

另外，由測試結果也可看出，使用免洗型洗浴液產(chǎn)生的洗浴廢水，其蒸餾提取水的水質要略差于使用泡沫型洗浴液和無泡型洗浴液產(chǎn)生的洗浴廢水，這是由于免洗型洗浴液中含有更多的易揮發(fā)型有機化合物，當洗浴廢水進行低壓蒸餾時會有更多有機物揮發(fā)出來并隨水蒸氣進入蒸餾水中。

2）水回收率

水回收率是洗浴廢水處理工藝優(yōu)劣的重要考核指標之一，計算方法如式（1）：

式中：η為水回收率；A為系統(tǒng)廢水輸入量，kg；B為系統(tǒng)凈水輸出量，kg；A?B為系統(tǒng)濃縮液排放量。

對系統(tǒng)樣機的工作流程進行分析，可知系統(tǒng)中有兩個環(huán)節(jié)會產(chǎn)生濃縮液，即蒸餾處理濃縮液和膜處理濃縮液。蒸餾處理濃縮液是洗浴廢水初級提純后產(chǎn)生的廢液，由于蒸餾處理可提取廢水中大部分的水，因此其廢液濃度較高，已無法再使用本系統(tǒng)進行處理，需要排出系統(tǒng)。膜處理濃縮液是蒸餾提取水經(jīng)膜組件進一步提取水后產(chǎn)生的濃縮液，由于蒸餾提取水中的污染物含量很低，膜組件產(chǎn)生的濃縮液與洗浴廢水原水相比，污染物含量仍然低得多，因此可以直接排回洗浴廢水原水并再次參加前級的蒸餾處理。由上述分析可知，系統(tǒng)樣機中的膜處理環(huán)節(jié)對外并不產(chǎn)生廢液，系統(tǒng)的水回收率僅由蒸餾處理環(huán)節(jié)的水提取率決定。另外，為了保證洗浴廢水蒸餾處理時不會因為水提取率過高而導致污染物在蒸發(fā)器內析出結垢，系統(tǒng)樣機試驗時的水回收率是按照90%進行控制的。

3）系統(tǒng)能耗

水在蒸發(fā)變成水蒸氣時需要吸收大量的汽化潛熱，而水蒸氣冷凝成液態(tài)水時又會釋放出等量的潛熱，如果不對這部分熱量進行回收再利用，系統(tǒng)的蒸餾能耗將會大大增加。例如當水的蒸發(fā)速度為1 kg／h時，采用加熱器直接加熱蒸發(fā)，則加熱器純粹用于水氣化的功率就需要612 W，如果再計入蒸發(fā)器散熱造成的無效功率及其它輔助設備的功耗，系統(tǒng)的能耗將會更大。

系統(tǒng)樣機為了降低能耗，采用了蒸汽壓縮蒸餾技術［3］進行潛熱的回收再利用，具體原理如圖5所示：蒸發(fā)室產(chǎn)生的水蒸氣通過羅茨風機輸送到冷凝室，水蒸氣在輸送過程中，受到羅茨風機壓縮做功，溫度和壓力升高，從而在冷凝室和蒸發(fā)室之間形成一個溫差，使蒸發(fā)室內的廢水能夠被冷凝室內的水蒸氣加熱并蒸發(fā)，而冷凝室內的水蒸氣也能夠同時被蒸發(fā)室內的廢水冷卻而冷凝，最終實現(xiàn)潛熱的回收再利用。當蒸餾裝置的結構參數(shù)和系統(tǒng)運行參數(shù)設計合理時，潛熱的回用率可以達到很高，從而大大降低系統(tǒng)能耗。

表5對系統(tǒng)樣機中蒸餾環(huán)節(jié)工作時的功耗與采用加熱器直接加熱蒸發(fā)時的系統(tǒng)功耗進行了對比，可以看出前者功耗僅為后者的35%。

表5 系統(tǒng)樣機與直接加熱蒸發(fā)系統(tǒng)功耗對比Table 5 Comparison of unit energy consumption between the prototype system and the heating evaporation system

4）微重力環(huán)境下的低壓蒸餾

空間站環(huán)境下使用低壓蒸餾法處理廢水，首先需要解決的問題是微重力環(huán)境下蒸餾過程中水、氣混合物的分離。旋轉水氣分離方案是國內外航天領域常用的水氣分離法之一［11?12］，已在國際空間站上成功應用的尿處理裝置（UPA）中的蒸發(fā)組件（DA），更是該類設備的杰出代表［13］，該設備利用電機輸入的動力使分離腔內的水氣混合物處于旋轉狀態(tài)，利用水、氣兩種物質旋轉時離心力大小的不同使水、氣得到分離。文中所述系統(tǒng)樣機中的旋轉蒸餾器即采用了旋轉水氣分離方案，同時結合蒸汽壓縮蒸餾技術的要點，完成了組件的結構設計。從表3和表4所述試驗結果看，該組件在地面重力條件下的蒸餾處理速度和處理水質良好，潛熱回收效果明顯。但另一方面，由于微重力環(huán)境在地面很難模擬，該組件在微重力條件下的真實性能還有待后續(xù)的飛行試驗進行驗證。

6 結論

通過對空間微重力環(huán)境下的洗浴廢水處理方案及系統(tǒng)樣機進行設計與試驗，得出以下結論：

1）消泡劑能有效抑制洗浴廢水在收集和減壓蒸餾過程中泡沫的產(chǎn)生，保證設備水氣分離功能的實現(xiàn)；減壓蒸餾方案應用于洗浴廢水的初級凈化，具有對所用洗浴液種類不敏感、處理水質好、水回收率高的特點；反滲透膜用于蒸餾提取水的深度凈化，能去除水中殘存的微量污染物，使系統(tǒng)最終凈化水的水質達到或者接近飲用水的標準。

2）低壓蒸汽壓縮蒸餾能通過重復利用廢水汽化潛熱的方法，大幅降低系統(tǒng)蒸餾處理的能耗，降低幅度能達到65%以上；低壓蒸餾與反滲透處理結合時，將反滲透濃縮液返回前級與洗浴廢水混合繼續(xù)參與低壓蒸餾的工藝方法，能有效提高系統(tǒng)的水回收率，使之達到90%。

3）低壓蒸餾是本文所述水凈化系統(tǒng)中對重力條件敏感的主要環(huán)節(jié)，是系統(tǒng)微重力環(huán)境適應性設計的重點，實驗研究中使用的旋轉蒸餾器是一臺自主研發(fā)的蒸餾設備，樣機試驗表明該設備在地面條件下蒸餾功能正常，后續(xù)需要通過飛行試驗對其微重力環(huán)境下的性能進行進一步測試。

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Study on Treatment Technology of Bathing W astewater in Space Station

DING Ping1，ZHAO Chengjian1，YAO Feifei2，LAO Chunfeng2
（1.China Astronauts Research and training center，Beijing 100094，China；2.Qingdao Haier Intelligent Technology Research and Development Co.，Ltd.Qingdao 266101，China）

Personal cleansing activities such as bathing will consume much water and produce wastewater when the astronauts reside in space station.Wastewater treatmentand reclamation is very important for the reduction of the supply burden.After analyzing the needs of bathing wastewater treatment and the characteristics of themajor pollutants，a scheme for bathing wastewater treatment with antifoaming agent pretreatment，steam compression distillation processing and reverse osmosis membrane processing was proposed，and the experimental study was carried out on the prototype. The test results of the prototype showed that the processing speed ofwastewaterwas0.9～1.0 kg／h，the recovery rate ofwater was 90%，and the power consumption of system was 300～320 W.The main water quality indicators of the purified water were as follows：the total organic carbon content was 2～4 mg／L，the electrical conductivity was 1～4μS／cm，the total nitrogen content was 1～3 mg／L，and the pH value was 6.5～8.The proposed scheme of bathing wastewater treatment has the advantages of low power consumption，high recovery rate and high quality effluent.

bathing wastewater；water reclamation；vacuum distillation processing；reverse osmosis membrane processing

X703

A

1674?5825（2017）01?0039?06

2015?12?08；

2017?01?09

載人航天預先研究項目（040102）

丁平，男，碩士，助理研究員，研究方向為環(huán)控生保水回收與水管理。E?mail：dp?xjtu?2004j＠163.com