[科普中国]-航天水处理设备

简介

除空气之外，水是航天事业最重要的东西。宇宙飞船或进步号货运飞船会从地球上送水，国际空间站上也是严格节约用水，没有长时间奢侈的淋浴。实际上，大多数宇航员都通过海绵擦洗进行洗浴。

水回收和管理子系统会从各种来源收集、再循环和分配水，水回收包括：水池、淋浴、尿，还有空间站上的宇航员和实验室中的动物体表蒸发、宇航服污水、加热和冷却系统、舱内空气湿度、燃料生成水等等。管理子系统包括各种冷凝器、过滤器和水净化器。水将用于饮用和冷却电气系统。该系统不是百分之百有效，而且水在通过Elektron氧生成器、气闸和二氧化碳清除系统时会流失一部分，因此需要定期从地球上补充水。不过该系统会大大减少需要从地球上运来的水量。1

航天用水的来源带去：飞行时间短可采用，使用方便。但带去麻烦，不容易，而且用不了多久。

自产：航天器上有一种燃料电池，它使用氢和氧作为燃料来发电。氢和氧原来分别储存在氢气罐和氧气罐中。使用时，打开气罐的阀门，让两种气体接触燃烧，产生热和电，同时也产生出副产品———水。不过这样水还不能直接饮用，还必须经过过滤。“阿波罗”飞船采用的此法。

水循环使用：即太空水。从地球发射的水和其他消耗品的数量由于费用原因受到很大的限制，所以空间站里水的再生是极为重要的。

太空废水冷凝废水：是排入座舱空气中各种水蒸汽在温湿度控制系统中冷凝的水，它的水质接近蒸馏水，其污染主要是由于环境中溶解性污染物引起的，其分子量较小。

卫生废水：主要来自洗手水，洗浴水，经卫生废水处理装置净化后仍应用于航天员的个人卫生活动。

尿液：尿液废水是空间站废水中最复杂的废水，其污染物主要有尿素、氯化钠及各种酸，占总重的3%一4%，因而处理的难度最大。

废水的处理冷凝废水的处理系统的核心部分由灭菌组件、多层过滤组件和挥发物除去组件三部分组成。为保护组合床以及防止污垢在热交换器中沉积，冷凝水废首先通过一个5微米的过滤器，再进入灭菌组件，在121℃的高温下处理20min。冷却到46℃后，由包含各种吸附介质的2个相同的组合床处理后去除离子及溶解性有机物。为抑制管路中的细菌，组合床中的碘阀保证水中余碘浓度在1一4mg/L组合床的运行状态及是否饱和，由其入口与出口处的电导传感器负责。处理后的水通过挥发物除去组件，除掉低分子有机物及组合床不能处理的极性有机物。在这一过程中，水先饱和氧，再加热至125℃，最后通过催化氧化反应器，氧化成二氧化碳或变成通过相分离及离子交换树脂可除去的组分。水质监测系统监测处理水中的总有机碳、电导、pH、水中余碘，合格者进入饮水箱内，不合者返回处理系统。

卫生废水的处理卫生废水比冷凝废水的污染严重。对它的处理方案主要有反渗透法与吸附催化法。吸附催化法系统简单、运动部件少、可靠性高、能耗低以及水回收率高，更适合空间卫生废水的处理。它的流程及主要部件与冷凝废水处理系统完全相同，由于废水水质的关系，它的水回收率只有95%左右。2

尿液的处理两种途径：

1、用尿处理器单独处理，再生水被用来冲洗小便池、电解制氧，或与其他废水一同进入水处理器进行二级处理方法：蒸馏法、高级氧化法和冻干法。

2、将尿液与其他废水混在一起处理，为宇航员提供饮用和卫生用水方法：生物法。3

各国空间站水回收系统俄罗斯“和平”号水循环系统“和平”号空间站水回收系统最大的特点是采用了3条独立的净化回路，分别处理舱内冷凝水，卫生用水和航天员尿液，3条净化回路之间是物理隔绝的。独立的净化回路可以根据水质的特点和目标水质的要求，合理选用技术途径，实现资源消耗和水质标准的良好平衡，同时可以避免尿液净化后用于饮用对航天员心理产生的影响。尿液在尿处理装置中首先使用渗透蒸发膜组件进行蒸馏，获得的尿蒸馏水经过后处理组件深度净化后用于电解制氧。根据设计，尿液净化处理后可以达到饮用水标准，可用于补充航天员饮用水，但是在实际运行中尿液净化水并没有被饮用。卫生废水主要来自洗手水、洗浴水，经卫生废水处理装置净化后仍应用于航天员的个人卫生活动。舱内收集到的冷凝水主要来源于航天员的代谢湿气和舱内其他液体的蒸发，水质较好，经过冷凝水处理装置净化后，作为航天员饮用水，据俄罗斯提供的数据，冷凝水净化水将提供航天员80%的饮用水(其余为运输补给水)。“和平”号空间站水回收系统构架示

国际空间站美国舱段水循环系统包括水处理装置（WPA）和尿处理装置(UPA)。尿液在尿处理装置中完成低压气相压缩蒸馏（VCD）过程获得尿液蒸馏水。WPA采用单个净化处理回路，统一处理尿液蒸馏水、冷凝水和卫生废水构成的混合污水，使水质达到电解制氧用水标准，同时可为航天员提供饮用水和卫生用水。由于美国空间站电解制氧系统对水质要求较高，且卫生水设计用量很大，单一净化回路的设计可以较好满足处理效率高以及净化水的比能耗小的需求。

我国空间站水回收系统特点：1、总处理量小，对于3人乘组，一天不超过11kg(其中冷凝水约6kg，尿液约5kg);2、对于电解制氧水质的要求很高，接近超纯水标准;3、受到空间站整体资源限制，水回收系统的总功率紧张;4、空间站货运飞船补给频率远低于美国和俄罗斯，物质补给能力差。

我国水回收系统由水处理系统和尿处理系统构成。尿处理系统可以完成对尿液的蒸馏，获取尿蒸馏水;而水处理系统中包含有独立的冷凝水净化装置和尿蒸馏水净化装置，分别用于处理冷凝水和尿蒸馏水，冷凝水净化后达到饮用水标准，供航天员饮用;尿蒸馏水净化后主要用于电解制氧。冷凝水净化装置和尿蒸馏水净化装置采用了基本相同的技术流程，可满足高标准的净化要求，并可大量减少消耗性材料的使用量。我国空间站水回收系统基本构架示意我国水处理系统主要技术特点我国水回收系统的核心技术主要包括冷凝水处理技术和尿蒸馏技术。尿蒸馏技术可以将污染物含量很高的尿液转化为微污染程度的尿蒸馏水，而冷凝水处理技术可以完成对冷凝水和尿液蒸馏水这两种微污染水的深度净化。冷凝水处理技术我国空间站冷凝水净化装置以气相催化氧化技术为核心构建了整个处理流程。系统最突出的特点是将催化氧化过程前置，并且采用了一种条件很强的气相催化氧化技术，可以将大部分有机污染物彻底氧化为二氧化碳和水，而且离子型污染物将在汽化过程中结晶。在保证高水质标准的前提下，大大减少了对活性碳和离子交换树脂材料的消耗。催化氧化技术，紫外臭氧催化氧化电催化氧化技术中温气相催化氧化技术紫外臭氧联合催化氧化技术紫外臭氧催化氧化技术整合了臭氧氧化技术和紫外光催化氧化技术，起到了耦合增强的作用，能够有效的处理冷凝水中的有机污染物。在前期研究工作的基础上，完成了核心部件紫外臭氧催化氧化反应器的设计和制造，装置使用了特殊设计的高能量密度准分子灯紫外光源和微型陶瓷放电臭氧发生器。在实验验证过程中发现该技术存在着处理流程复杂，氧化副产物含量较大等问题。同时紫外光源和陶瓷放电臭氧发生器的力学性能都较差，为进一步的工程化应用带来了很大的挑战。紫外臭氧联合催化氧化反应器电催化氧化技术在常温常压条件下，通过施加电场，在电极表面直接或者间接产生羟基自由基等具有强氧化的中间产物，起到氧化有机污染物的作用。因此电极材料的性能将决定电催化氧化反应器的性能，优良的电极材料要求有较高的析氧过电位和催化活性、较高的化学稳定性和抗腐蚀性能。中温气相催化氧化技术是指在一定温度和压力条件下，使污水气化后通过反应床，在催化剂作用下将其中的有机物彻底氧化成为二氧化碳和水。目前已经研制出以贵金属为主要活性成分的催化剂，该催化剂具有活化温度低，处理效率高，使用寿命长等优点。在最佳反应条件下，对有机污染的处理效率接近100%;由于反应条件较强，催化氧化的产物基本为二氧化碳和水，氧化副产物的含量很少。中温气相催化氧化技术较强的催化氧化能力是其最为突出的优点，并且气化过程可以将离子型无机污染物结晶，可以大大降低处理流程中对于消耗性材料的需求，这对于适应我国较低的飞船补给频率是极为有利的。根据目前的研究状态，该技术的主要技术难点是对于反应器能耗的控制：由于对于气化潜热的回收较为困难，可能造成系统能耗较大。工程样机阶段计划采用半导体热电泵对气化潜热进行回收。中温气相催化氧化技术作为冷凝水中有机污染物处理的基本技术途径。尿蒸馏技术4，尿液预处理技术VCD技术膜蒸馏技术尿液预处理技术，尿液中含有大量的有机和无机污染物，为了抑制尿液中的微生物生长，防止尿液中盐类物质的沉淀以及氨气的挥发，实现连续的尿液蒸馏过程，尿液在收集与处理过程中必须进行化学预处理。向尿液中添加液态尿预处理剂：液体尿预处理剂和冲洗水被定量泵注入尿收集装置，与尿液在动态水气分离器中充分混合。尿预处理剂的主要成分是浓硫酸和强氧化剂。该预处理剂可以有效的稳定尿液，起到抑制微生物生长、固氨、氧化有机污染物和防止沉淀的作用。通过低压蒸馏获得的尿蒸馏水在总有机碳含量和氨氮含量等主要指标上都优于模拟冷凝污水"对于预处理剂的研制目标是在保持预处理效果的基础上，降低预处理剂的腐蚀性，氧化性和毒性。蒸汽压缩蒸馏法（VCD技术）我们在参考美国VCD基本设计基础上设计了单桶旋转的VCD装置，并对小型高效罗茨压缩机技术进行了攻关，目前已完成VCD原理样机的研制。初步实验获得的尿液蒸馏水主要指标与美国VCD地面试验尿蒸馏出水接近。膜蒸馏技术系统包括尿液循环回路和载气回路，尿液在循环过程中被蒸馏，而载气携带水蒸气完成冷凝过程，聚合物薄膜是尿液回路与载气回路之间的界面，尿液在进入膜蒸发腔前，首先经过换热器的预热和加热器的加热，蒸馏的温度被控制在50℃左右，蒸馏过程在常压下完成。在载气回路中，在风机作用下，载气携带水蒸气先后通过换热器、冷凝器获得尿液蒸馏水。膜蒸馏的出水水质与俄罗斯指标接近，但膜组件使用寿命较短，主要问题在于聚合物膜的堵塞和膜的物理穿破。此外，由于膜蒸馏过程汽化潜热回收效率很低，系统加热功率较大。5