空间站尿液处理技术研究及进展

杨祺，张文瑞，于锟锟

（兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，甘肃兰州 730000）

空间站尿液处理技术研究及进展

杨祺，张文瑞，于锟锟

（兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，甘肃兰州 730000）

尿液处理再生技术是空间站环境控制和生命保障系统的重要组成部分之一，为了实现空间站水资源的循环利用和最大可能减少空间站水补给量，尿液再生技术的主要功能是将空间站中航天员排泄的尿液进行收集、处理和净化，从尿液中提取水分用于电解水制氧或航天员生活用水，从而实现空间站用水的回收再利用。文章介绍了目前国内外发展较为成熟的尿液处理技术，如渗透蒸发膜技术和蒸气压缩蒸馏技术，以及正在研究中的新型技术：冷冻浓缩及真空旋转蒸馏技术，并提出了未来发展方向。

空间站；尿液处理；环控生保；再生

0 引言

随着航天技术的发展，载人航天器在空间运行的任务周期随之加长，在以往的短周期任务中，航天员所需的消耗性物资及水可以通过地面与空间往返运输支持，但是在长期载人飞行的空间站中，如果消耗性资源通过地面供给，则会产生巨大的运输及维护费用。因此，必须进行消耗性物质回收再生利用，将一些主要的消耗品如大气和废水回收再生并加以利用，减少地面后勤的负担，降低运行费用。

空间站环境控制和生命保障技术[1]就是实现航天载人器中消耗性物资的循环再利用。空间环境控制和生命保障技术包括氧气再生系统，废水再生系统，大气压力和成分控制，舱体温度和湿度控制，卫生和废物管理[2]五个部分。

在废水再生系统中，废水的来源包括二氧化碳还原，降温除湿产生的冷凝水，生活废水及乘员尿液。其中尿液处理是废水处理环节中较为复杂及重要的一环。文章主要简述空间尿液处理技术的基本原理，应用情况及发展方向。

1 空间尿液处理技术国内外发展现状

生命保障技术中的尿液处理是空间站环控生保系统中的重要环节之一，为此，各航天大国都先后投入巨资和大量人力进行了长达数十年的研究。其中，俄罗斯主要采用渗透膜蒸发技术进行航天员尿液再生处理，其尿液再生系统已于1990年1 月15日在“和平”号空间站上的Kvant-2舱段上启用，该装置的处理能力为5 kg的H2O/day，尿液中的水回收率为80%左右。到1999年，该装置已从尿液中回收了6 000 kg的再生水，回收后的再生水水质可达饮用水标准。目前在国际空间站的俄罗斯舱段中，还是采用改进后的渗透蒸发膜处理技术。

美国最具有代表性的尿液处理技术是蒸气压缩蒸馏技术（VCD），从1962年起，美国开始对蒸气压缩蒸馏技术进行研究，并研制成功了第一代尿液处理与再生试验样机，到1991年，研制出十四代样机。由于技术日益成熟和良好的处理效果，1992年NASA选择蒸气压缩蒸馏系统作为空间站生保系统的一部分。NASA-Marshall空间飞行中心在1993～1997年间对VCD系统进行了全面测试，证实了VCD系统作为水再生系统重要组成部分的适宜性。目前，美国已将这项技术成功应用到国际空间站中的美国舱段中。

真空旋转蒸馏技术也是水再生系统的一项重要技术，从1974年开始，乌克兰基辅工学院开始进行旋转蒸馏的基础技术研究。1993年起，美国开始着手这项技术的研究。

国内在尿液处理技术方面的起步比较晚，根据国内载人航天的需要以及国外研究的发展趋势，从1988年起，国内开始对热电膜蒸发尿处理技术进行跟踪研究，经过多年的努力，已初步实现了水的循环再生，并在密闭实验舱内进行了3人4天的实验验证。

总体来说，国内的载人航天事业起步较晚，技术基础比较薄弱，对于尿液处理技术的研究还处于地面样机研制阶段，离工程应用还有较大的差距。

2 尿液处理的核心技术

2.1 废水处理基本流程

图1所示为空间站环控生保系统中废水处理的基本流程，从图中可以看出，进入循环系统的废水包括航天器中乘员的生活废水（卫生用水、食品用水），乘员尿液及降温除湿产生的冷凝水。生活废水及降温除湿产生的冷凝水由管路直接进入水处理子系统，尿液经过消毒、除臭等前处理设备预处理后进入水处理子系统。由水处理子系统处理的再生水进入贮水箱进入下一次循环应用。

图1 废水处理基本流程

从尿液进入水处理子系统的流程可以看出，尿液处理的关键有三个过程：尿液的预处理过程，尿液在水处理子系统中的处理过程以及再生水的后处理过程。

2.2 尿液的预处理技术

尿液的预处理，即通过化学试剂抑制微生物污染物并稳定尿液中的挥发性氨。尿液一般含有2%～4%的溶解物质，大约一半的溶解物是尿素。一些易在尿液中繁殖的微生物，会产生尿素酶，催化尿素水解成氨。这种氨像其他挥发性物质一样，蒸馏后在水中产生有毒气体，使气体难以被利用。

为了使尿液稳定更利于蒸馏，D.Putnam[3]研究发现尿液预处理方法需要达到四个要求：（1）有效的杀菌；（2）适宜的ph值，保证ph值在2～4之间；（3）氧化挥发性有机化合物；（4）稳定自由氨和氨化合物。

H.Eugene等[4]经过实验对比研究发现，在尿液的预处理中使用过硫酸氢钾试剂相比较其他化学试剂稳定而有效，具有很好的消毒效果，并且处理过程中形成的固态及液态废弃物较少，使用过硫酸氢钾试剂后再生水中的污染物含量也较低。值得注意的是，在蒸气压缩蒸馏尿液处理子系统中使用过硫酸氢钾预处理法时，需要在尿液中添加除沫剂。

2.3 尿液处理技术

尿液的处理流程有反渗透法、电渗透法、蒸馏法、高级氧化法和生物法，最有效地保证净化后的水质要求的方法是低温蒸馏技术，目前比较成熟的技术是渗透膜蒸发技术与蒸气压缩蒸馏技术。

2.3.1 渗透膜蒸发尿处理技术（TIMES）

图2为渗透膜蒸发尿处理技术原理图。渗透膜蒸发尿处理系统由三部分组成，第一部分是尿液的分离与储存，包括动态尿液/空气分离器、预处理装置及尿液的存储与运输部件；第二部分是蒸馏净化部分，包括平板膜蒸发器、循环水泵与风机、加热器、热交换器、膜式水/气分离器与净化水泵等部件；第三部分是后处理部分，主要有多层过滤器、水质监控系统、水箱等。

蒸馏净化部分是这一系统的核心，由尿液废水与气体两个循环回路构成。在尿液回路中，经预处理的尿液通过热交换器升温，再通过加热器升温到50℃，进入膜蒸发器中，蒸发器表面具有憎水性毛细孔，尿液中的水在这一表面蒸发，由于膜材料的特性，水蒸气透过膜到达膜的另一侧，而尿液只能在尿液回路内循环，并被浓缩。在气体回路内，由于风机不断的鼓风吹扫，渗透过来的水蒸气被连续的带走，在冷凝器内冷凝，再经水/气分离器后分离得到净化的水。净水经后处理及冷凝废水处理系统后，水质能达到饮用水标准。

图2 渗透膜蒸发尿处理技术原理图

2.3.2 蒸气压缩蒸馏尿处理技术（VCD）

另外一种发展的较为完善的尿液处理技术是蒸气压缩蒸馏技术，包括蒸发与冷凝两个过程，通过对蒸气的压缩来提高饱和温度，再把这种过热蒸气冷凝在与蒸发器直接接触的金属表面，冷凝潜热直接传递给另一侧的废水，促进冷凝液中水份蒸发。图3是蒸气压缩蒸馏系统原理图。

这一技术的关键部件是蒸发/冷凝器，由同轴的内、外两个转鼓组成，里面的转鼓由一定的锥度，尿液在转鼓的内侧蒸发，蒸气导入转鼓外侧冷凝，从而保证了旋转冷凝器/蒸发器有共同的热交换体。工作时温度为21～35℃的尿液进入旋转的压力为4.8 kPa转鼓，由于有10 g的离心力，尿液在转鼓内表面形成一定厚度的液膜，同时自液膜中蒸发的水蒸气在离心力的作用下，与尿液完全分离，进入蒸气压缩机中压缩，这种压缩的过热蒸气在内转鼓外侧与外转鼓内侧所构成的冷凝器中冷凝，冷凝潜热直接通过内转鼓壁传给内侧的液膜。由于离心力迫使液膜紧贴在转鼓内壁，保证了热的有效传导。冷凝水通过水泵输出，为蒸发的液体在尿液循环泵的作用下继续循环。

图3 蒸汽压缩蒸馏系统原理图

2.3.3 冷冻浓缩尿液处理技术（LIFT）

冷冻浓缩水处理技术就是利用废水中杂质的凝固点远低于水的凝固点的物理特性，通过创造低温环境，使其中的水将杂质排斥在外而首先以固相析出，分离固、液相、融化冰晶即可得到较纯净的水和浓缩液。该技术始于海水淡化，后来逐渐发展到造纸厂、化工厂、制药厂等工业废水净化领域，在日本、加拿大、英国、新加坡和荷兰等国家已有实际应用。目前，该项技术已用于空间站尿液处理。

图4是冷冻浓缩-RO的原理图，首先利用凝固相变对尿液进行预处理，使尿液中的水将杂质排斥在外。而水以冰晶析出，然后再利用反渗透装置对融冰进行深度处理。

鉴于宇宙空间的背景温度约为3 K，且时空分布均匀，文献[6]提出了冷冻浓缩与RO（反渗透，reverse osmosis）相结合的尿处理工艺。

图4 冷冻浓缩-RO原理图

2.3.4 真空旋转蒸馏尿液处理技术（VRD）

真空旋转蒸馏尿液处理技术具有很高的水再生率，作为水再生系统的候选系统，在能耗、尺寸、体积方面也有很强的竞争性。由于其紧凑的设计和被动的气液分离方式，使真空旋转蒸馏技术非常适合在真空中运行，如图5所示。

图5 三级真空蒸馏系统示意图

真空旋转蒸馏又分为多种，如带完整热电热泵的真空旋转蒸馏尿液处理系统（VRDTHP）、带蒸气喷射压缩的真空旋转尿液处理系统（VRDEC）、空气蒸发旋转蒸馏系统（AERD）、多级真空旋转蒸馏系统（MVRD）、带加热器的真空旋转蒸馏系统（VRDH）等，目前国内尚未开展此项技术的研究。

2.4 再生水的后处理

再生水的后处理主要是对从尿液中分离出来的再生水进行消毒、杀菌和过滤等净化处理，使净化后的水满足电解水制氧用水、生活用水及饮用水标准。其中的难点是残留的有机物杂质、氨、亚硝酸盐和硝酸盐离子去除[7]。为了满足上述要求，再生水后处理单元必须对再生水进行过滤、杀菌、离子和有机物去除等多方面的处理。

再生水的后处理分为三部分[8]：（1）活性炭过滤：活性炭过滤器分为两个分离的过滤罐，第一个罐装有一个生物过滤器（0.25 μm）和一个氯化银生物杀虫剂床，第二个罐装有活性炭床来吸附有机物成分；（2）银离子杀菌器：银离子杀菌器是一个由惰性玻璃珠填装氯化银颗粒均匀散布的被动式接触床，速度低于240 mm/min的再生水由反应床中穿过，氯化银溶解达到饱和；（3）脱离子器：脱离子器是再生水后处理部分最后一个设备，经多层复合过滤床和离子去除树脂床，通过与其中的交换树脂等材料反应，可将水中的离子除去。

经后处理后的再生水，水质可以达到饮用水标准，并可用于电解制氧和生活用水。

3 结束语

鉴于空间应用的特殊要求，空间站的尿液处理与回收是极为复杂的，经过各国长期的研究与实验，已开发出多种适用于空间应用的尿液处理系统，可以看出无论哪种技术，其技术核心都是通过相变从尿液中获得较为纯净的水，并有效利用相变产生的潜热。从尿液处理技术的发展过程可以看出，在今后的研究中，如何更加有效的利用相变潜热及优化系统结构以获得更高的水再生率等是研究的主要方向。

[1]周抗寒，傅岚，韩永强，等，再生式环控生保技术研究及进展[J].航空医学与医学程，2003，16（z1）：566-572.

[2]Schubert F H.Phase change water recovery techniques:Vapor compression distillation and thermoelectric/membrane con-cepts[R].SAETechnicalPaper，1983.

[3]Putnam D F.Chemical Aspects of Urine Distillation[C]//me-chanicalengineering.newyork，ny10017:asme-amersocme-chanicaleng，1965:59-63.

[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]于涛，马军，张立秋，等.冷冻浓缩-RO工艺处理空间站尿液试验研究[J].哈尔滨工程大学学报，2006，38（4）：567-569.

[7]Verostko C E，Finger B W，Duffield B E.Design of a post-pro-cessor for a water recovery system[R].SAE Technical Paper，2000.

[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文献识别码：A

1006-7086（2014）06-0315-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2014.06.002

2014-08-26

杨祺（1988-），女，河南人，工程师，硕士研究生，主要从事低温制冷方面的工作。

E-mail：qiqi94520@126.com