空间站洗浴废水净化技术研究

丁 平，赵成坚，姚菲菲，劳春峰

（1.中国航天员科研训练中心，北京100049；2.青岛海尔智能技术研发有限公司，青岛266101）

空间站洗浴废水净化技术研究

丁 平1，赵成坚1，姚菲菲2，劳春峰2

（1.中国航天员科研训练中心，北京100049；2.青岛海尔智能技术研发有限公司，青岛266101）

针对空间站在航天员长期驻留期间因洗浴等个人卫生活动产生的废水的净化再利用需求，在对航天员洗浴废水处理要求、洗浴废水中污染物特性分析的基础上，提出了一套由消泡剂预处理、蒸汽压缩蒸馏处理和反渗透膜处理相结合的洗浴废水净化处理方案，并在系统样机上完成了方案的可行性及技术指标的试验测试，其中系统样机的废水处理速度为0.9～1.0 kg／h，水回收率为90%，功耗为300～320 W，回收水的主要水质指标为：总有机碳含量为2～4 mg／L，电导率为1～4μS／cm，总氮含量为1～3 mg／L，pH值为6.5～8。结果表明该方案能耗低、水回收率高、净化水水质好，工程可用性较强。

洗浴废水；水回收；低压蒸馏；膜处理

1 引言

空间站运营阶段航天员将长期驻留并完成大量的实验任务，短期载人飞行常用的个人卫生清洁方式——擦拭，已无法满足航天员个人卫生的需求，需要发展新的在轨个人卫生清洁洗浴技术。国外部分已退役和现役的空间站采用了海绵浴、淋浴和蒸汽浴等水洗方案，其中淋浴装置使用的最多［1⁃4］。然而空间站水资源十分紧缺，为解决淋浴装置的用水问题，降低物资补给需求及运营成本，空间站还需要配备水回收、再生和循环系统，如和平号空间站配备了独立的吸附／催化法卫生废水处理系统［5］，国际空间站俄罗斯舱段配备了升级的吸附／催化法卫生废水处理系统，而美国舱段使用水处理装置统一处理尿液蒸馏提取水、冷凝废水和卫生废水构成的混合废水［6］。我国空间站项目实施在即，预计运营阶段航天员也将长期驻留，需要配备洗浴装置及洗浴废水处理设备。在该背景需求下，本文提出了一种工艺流程较为简单、处理能耗较低的洗浴废水净化方案，可以为未来我国空间站有水洗浴系统的实施提供参考。

2 洗浴废水处理要求

2.1 洗浴废水污染物特性分析

洗浴废水中的污染物主要有两个来源，一是人体皮肤排出的分泌物，二是洗浴活动中使用的洗浴液。

文献资料表明［7］：在室温条件下，人体皮肤分泌的汗液量少，为不显性出汗，成人每24小时不显性出汗量约为500 mL，这些汗液中含有99%～99.5%的水，0.5%～1.0%的无机盐和有机盐，包括氯、钠、钾、钙、尿素和乳酸等，此外人体皮肤表面还会产生皮脂和皮脂腺细胞碎屑等物质，其中皮脂中又有含有胆固醇、蛋白质渗出液等物质。另外这些分泌物附着在体表时也会滋生微生物（细菌），在洗浴时均会进入洗浴废水中。

洗浴液成分一般包括表面活性剂、皮肤护理剂和感官性添加剂三大部分，其中表面活性剂是主要成分。目前大多数沐浴液配方选用的是阴离子表面活性剂，同时也会使用部分两性离子表面活性剂作为辅助。润肤保湿剂一般是分子量比较大、可溶于水、沸点高的醇类物质，例如甘油、乙二醇、山梨醇、多甘醇等。感官性添加剂主要是甜菜碱等两性表面活性剂，此外还包括一些增稠剂等［8］。

由于空间站不可能给航天员提供很多的水进行冲洗，所以航天员使用的多为特制的免冲洗型洗浴液，以减少洗浴活动的用水量，同时降低洗浴废水的净化难度，这些洗浴液应具有以下特点：

1）泡沫少，气味淡，易溶于水，不易粘附在容器、管路的壁面上；

2）具有较强的去污能力，单次使用量少，易冲洗，残留少。

2.2 水净化系统指标要求

本研究项目主要从以下四项指标对系统方案进行了约束：

1）系统处理速度：不小于0.5 kg／h；

2）系统功耗：不大于500W；

3）水回收率：不小于90%；

4）回收水的水质：主要指标参考GB 5749⁃2006《生活饮用水卫生标准》执行。

3 洗浴废水处理工艺设计

洗浴废水中由于含有皮脂、盐类、洗浴液残留物、细菌等多种特性不同的污染物，需要净化系统针对污染物的种类，采取特定的技术方法逐步去除，最后达到净化要求。

洗浴废水中的污染物可分为固体颗粒物、溶解性物质和微生物三大类，而溶解性物质又可细分为易挥发型物质和难挥发型物质两种。按照上述污染物的分类方法，并考虑空间站微重力环境下水气两相流的特点，以及水处理系统对水气混合物的分离需求，提出了图1所示的洗浴废水污染物分级去除方案。

根据提出的洗浴废水净化方案，设计了图2所示的洗浴废水处理工艺路线。

4 洗浴废水处理试验

4.1 洗浴水样的制备

由于国内还没有航天员在轨洗浴的报道，国外部分文献中虽然提到了和平号空间站、国际空间站等多个空间站上航天员洗浴的内容，但也未提及洗浴废水的指标模型。为了研究方便，本文所述的洗浴废水处理试验仅以地面人员、商品洗浴液，以及一般人群的洗浴活动为研究对象开展研究，其中试验人员为青年男性，体重范围为62～75 kg，身高范围为1.65～1.75 m［9］，试验季节为秋季，试验人员7天洗一次澡，7天内的活动仅有日常生活、工作的内容，洗澡时洗浴液按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、种类和形成的水样如表1所示。

表1 水样制备Table 1 Preparation of water sam p les

4.2 小样试验研究

洗浴废水小样试验的设计目的是对废水净化方案中的主要工艺环节——消泡剂预处理工艺和蒸馏处理工艺的合理性和有效性进行直接验证。

4.2.1 试验装置和流程

小样试验的装置及流程如图3所示［10］，其中盛水容器和蒸馏设备主要使用了透明玻璃仪器，各玻璃仪器的连接口均为磨砂面，系统组装时磨砂面上涂有少量真空脂，用于提高系统的密封性；三角烧瓶作为蒸发器，洗浴废水在蒸发器内蒸发时所需的热量由电炉提供；蛇形冷凝管使用自来水作为冷源，使三角烧瓶内产生的水蒸气流过蛇形冷凝管时得到冷凝；蒸馏提取水收集瓶与真空缓冲瓶通过管路连接，其中真空缓冲瓶的容积约为10 L，远大于蒸馏设备的容积，用于稳定蒸馏系统的蒸馏压力；真空泵为干式膜片泵，其极限工作压力为2 kPa，抽气速率为1.8 m3／h。设备工作时，蒸馏压力以真空缓冲瓶上的压力计示数为准，并通过开关阀门2，将蒸馏压力控制在5～8 kPa（绝压）范围内。

4.2.2 试验方法

试验分两步，第一步是将表1所述的四种水样每样分为两份并用透明玻璃烧杯盛放，每份水量约为300 mL，然后第一份保持为原液，第二份按照0.5‰的质量比添加消泡剂，最后使用玻璃棒对两个系列的样品进行搅拌，观察样品的起沫现象并进行评价；第二步是使用图3所示装置对两个系列的样品进行减压蒸馏，蒸馏压力控制在5～8 kPa（绝压）范围内，三角烧瓶内液体的初始深度控制在8～10 mm范围内，当液体深度减小到初始深度的1／4～1／6时，移去电炉停止蒸馏，蒸馏过程中观察水样的起沫现象并进行评价。

4.3 系统样机试验

洗浴废水处理系统样机试验的设计目的是对提出的洗浴废水净化方案进行综合评价。

4.3.1 试验装置和流程

根据图2所述的洗浴废水处理工艺路线，组建了图4所示的系统样机，其中旋转蒸馏器是根据空间站微重力环境的特点，按照旋转式水气分离器原理［11⁃13］设计的蒸馏装置；罗茨风机是按照低压蒸馏系统漏率指标要求专门设计的密封型风机；反渗透膜组件使用了常见的卷式膜组件，其工作压力范围为0.35～0.45 MPa；真空泵为干式膜片泵，其极限工作压力为2 kPa，抽气速率为1.8 m3／h；过滤器为PP棉滤芯过滤器，过滤精度为5μm，其余配套设备为一般采购商品。

4.4 试验方法

按照0.5‰的质量比向表1所述的四种水样中添加消泡剂，然后在系统样机上进行净化处理试验。具体试验方法为：将15 L洗浴废水注入废水箱，启动真空泵将罗茨风机入口压力降低到5 kPa左右，然后启动罗茨风机、蠕动泵及加热器控温，开始废水蒸馏处理，蒸馏过程中真空泵通过间歇启动的方式将系统内的不冷凝气体排出，以保证罗茨风机入口压力能稳定在8～10 kPa范围内。当废水箱内的液体减少到原体积的90%时，停止蒸馏处理过程并对废水箱内的浓缩液进行排放，对蒸馏水箱内的蒸馏提取水进行采样测试，然后启动加压泵开始膜处理过程。膜组件产生的净化水流经聚碘树脂交换柱灭菌后进入净化水水箱储存，膜组件产生的浓缩液流向蒸馏水箱，与蒸馏水箱内原有的蒸馏提取水混合后再次进入膜组件进行净化处理。当蒸馏水箱内的液体减少到原体积的80%时，停止膜处理过程，并将蒸馏水箱内的浓缩液返回废水箱，参加下一次洗浴废水的蒸馏处理。

5 结果与分析

5.1 小样试验

对表1所述四种水样分别进行搅拌试验和减压蒸馏试验，结果如表2所示。小样搅拌试验结果表明，制备的洗浴废水由于含有洗浴液及人体皮肤分泌的多种有机物成分，在搅拌时均会产生泡沫，但泡沫量与所用洗浴液的特性有关，而消泡剂能够有效抑制洗浴废水搅拌时泡沫的产生。当空间站微重力环境下使用旋转式水气分离器收集洗浴废水时，首先向水气混合物中添加一定量的消泡剂，可有效避免水气分离器内旋转叶片搅动洗浴废水时泡沫现象的发生，保证水气分离过程的成功实现。

小样减压蒸馏试验结果表明，消泡剂可有效抑制洗浴废水在减压蒸馏过程中泡沫现象的发生，保证废水与水蒸气具有可分离性，使减压蒸馏过程顺利进行。

5.2 系统样机试验

向表1所述的四种水样中添加消泡剂后，在系统样机上进行净化处理试验，结果显示各水样的蒸馏提取水及最终净化水外观上均为透明清亮状态，净化水的水质指标如表3所示。

表2 小样试验结果Table 2 Test results of the of the galley p roof

表3 净化水水质指标测试结果Table 3 Test results of the water⁃quality

系统样机的其它主要指标如表4所示。

表4 系统样机性能指标测试结果Table 4 Test results of the prototype system

1）回收水的水质

由蒸馏提取水的水质指标测试结果可知，低压蒸馏处理工艺对使用不同洗浴液产生的洗浴废水均具有良好的处理效果，说明这种处理工艺对所用洗浴液的种类不敏感，普适性较强。分析其机理，8～10 kPa压力条件下水的沸点是41.5～45.8℃，而在该温度条件下，洗浴废水中大部分的污染物还未达到挥发溢出温度，因此低压蒸馏处理可获得水质良好的蒸馏水。进而也可推知，随着蒸馏压力的继续降低，水的沸点继续降低，蒸馏提取水的品质也会进一步提高，但在工程应用上，由于存在蒸馏压力越低系统对配套设备的密封性要求以及其它性能指标的要求越高的矛盾，因此蒸馏压力的确定应在综合考虑各种工程因素后合理选取。

另外，由测试结果也可看出，使用免洗型洗浴液产生的洗浴废水，其蒸馏提取水的水质要略差于使用泡沫型洗浴液和无泡型洗浴液产生的洗浴废水，这是由于免洗型洗浴液中含有更多的易挥发型有机化合物，当洗浴废水进行低压蒸馏时会有更多有机物挥发出来并随水蒸气进入蒸馏水中。

2）水回收率

水回收率是洗浴废水处理工艺优劣的重要考核指标之一，计算方法如式（1）：

式中：η为水回收率；A为系统废水输入量，kg；B为系统净水输出量，kg；A⁃B为系统浓缩液排放量。

对系统样机的工作流程进行分析，可知系统中有两个环节会产生浓缩液，即蒸馏处理浓缩液和膜处理浓缩液。蒸馏处理浓缩液是洗浴废水初级提纯后产生的废液，由于蒸馏处理可提取废水中大部分的水，因此其废液浓度较高，已无法再使用本系统进行处理，需要排出系统。膜处理浓缩液是蒸馏提取水经膜组件进一步提取水后产生的浓缩液，由于蒸馏提取水中的污染物含量很低，膜组件产生的浓缩液与洗浴废水原水相比，污染物含量仍然低得多，因此可以直接排回洗浴废水原水并再次参加前级的蒸馏处理。由上述分析可知，系统样机中的膜处理环节对外并不产生废液，系统的水回收率仅由蒸馏处理环节的水提取率决定。另外，为了保证洗浴废水蒸馏处理时不会因为水提取率过高而导致污染物在蒸发器内析出结垢，系统样机试验时的水回收率是按照90%进行控制的。

3）系统能耗

水在蒸发变成水蒸气时需要吸收大量的汽化潜热，而水蒸气冷凝成液态水时又会释放出等量的潜热，如果不对这部分热量进行回收再利用，系统的蒸馏能耗将会大大增加。例如当水的蒸发速度为1 kg／h时，采用加热器直接加热蒸发，则加热器纯粹用于水气化的功率就需要612 W，如果再计入蒸发器散热造成的无效功率及其它辅助设备的功耗，系统的能耗将会更大。

系统样机为了降低能耗，采用了蒸汽压缩蒸馏技术［3］进行潜热的回收再利用，具体原理如图5所示：蒸发室产生的水蒸气通过罗茨风机输送到冷凝室，水蒸气在输送过程中，受到罗茨风机压缩做功，温度和压力升高，从而在冷凝室和蒸发室之间形成一个温差，使蒸发室内的废水能够被冷凝室内的水蒸气加热并蒸发，而冷凝室内的水蒸气也能够同时被蒸发室内的废水冷却而冷凝，最终实现潜热的回收再利用。当蒸馏装置的结构参数和系统运行参数设计合理时，潜热的回用率可以达到很高，从而大大降低系统能耗。

表5对系统样机中蒸馏环节工作时的功耗与采用加热器直接加热蒸发时的系统功耗进行了对比，可以看出前者功耗仅为后者的35%。

表5 系统样机与直接加热蒸发系统功耗对比Table 5 Comparison of unit energy consumption between the prototype system and the heating evaporation system

4）微重力环境下的低压蒸馏

空间站环境下使用低压蒸馏法处理废水，首先需要解决的问题是微重力环境下蒸馏过程中水、气混合物的分离。旋转水气分离方案是国内外航天领域常用的水气分离法之一［11⁃12］，已在国际空间站上成功应用的尿处理装置（UPA）中的蒸发组件（DA），更是该类设备的杰出代表［13］，该设备利用电机输入的动力使分离腔内的水气混合物处于旋转状态，利用水、气两种物质旋转时离心力大小的不同使水、气得到分离。文中所述系统样机中的旋转蒸馏器即采用了旋转水气分离方案，同时结合蒸汽压缩蒸馏技术的要点，完成了组件的结构设计。从表3和表4所述试验结果看，该组件在地面重力条件下的蒸馏处理速度和处理水质良好，潜热回收效果明显。但另一方面，由于微重力环境在地面很难模拟，该组件在微重力条件下的真实性能还有待后续的飞行试验进行验证。

6 结论

通过对空间微重力环境下的洗浴废水处理方案及系统样机进行设计与试验，得出以下结论：

1）消泡剂能有效抑制洗浴废水在收集和减压蒸馏过程中泡沫的产生，保证设备水气分离功能的实现；减压蒸馏方案应用于洗浴废水的初级净化，具有对所用洗浴液种类不敏感、处理水质好、水回收率高的特点；反渗透膜用于蒸馏提取水的深度净化，能去除水中残存的微量污染物，使系统最终净化水的水质达到或者接近饮用水的标准。

2）低压蒸汽压缩蒸馏能通过重复利用废水汽化潜热的方法，大幅降低系统蒸馏处理的能耗，降低幅度能达到65%以上；低压蒸馏与反渗透处理结合时，将反渗透浓缩液返回前级与洗浴废水混合继续参与低压蒸馏的工艺方法，能有效提高系统的水回收率，使之达到90%。

3）低压蒸馏是本文所述水净化系统中对重力条件敏感的主要环节，是系统微重力环境适应性设计的重点，实验研究中使用的旋转蒸馏器是一台自主研发的蒸馏设备，样机试验表明该设备在地面条件下蒸馏功能正常，后续需要通过飞行试验对其微重力环境下的性能进行进一步测试。

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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

载人航天预先研究项目（040102）

丁平，男，硕士，助理研究员，研究方向为环控生保水回收与水管理。E⁃mail：dp⁃xjtu⁃2004j＠163.com