基本介紹
- 中文名：航天水處理設備
- 外文名：Space Water Treatment Equipment
簡介,航天用水的來源,太空廢水,廢水的處理,冷凝廢水的處理,衛生廢水的處理,尿液的處理,各國空間站水回收系統,
簡介
除空氣之外，水是航天事業最重要的東西。宇宙飛船或進步號貨運飛船會從地球上送水，國際空間站上也是嚴格節約用水，沒有長時間奢侈的淋浴。實際上，大多數太空人都通過海綿擦洗進行洗浴。
水回收和管理子系統會從各種來源收集、再循環和分配水，水回收包括：水池、淋浴、尿，還有空間站上的太空人和實驗室中的動物體表蒸發、太空衣污水、加熱和冷卻系統、艙內空氣濕度、燃料生成水等等。管理子系統包括各種冷凝器、過濾器和水淨化器。水將用於飲用和冷卻電氣系統。該系統不是百分之百有效，而且水在通過Elektron氧生成器、氣閘和二氧化碳清除系統時會流失一部分，因此需要定期從地球上補充水。不過該系統會大大減少需要從地球上運來的水量。
航天用水的來源
帶去：飛行時間短可採用，使用方便。但帶去麻煩，不容易，而且用不了多久。
自產：太空飛行器上有一種燃料電池，它使用氫和氧作為燃料來發電。氫和氧原來分別儲存在氫氣罐和氧氣罐中。使用時，打開氣罐的閥門，讓兩種氣體接觸燃燒，產生熱和電，同時也產生出副產品———水。不過這樣水還不能直接飲用，還必須經過過濾。“阿波羅”飛船採用的此法。
水循環使用：即太空水。從地球發射的水和其他消耗品的數量由於費用原因受到很大的限制，所以空間站里水的再生是極為重要的。
太空廢水
冷凝廢水：是排入座艙空氣中各種水蒸汽在溫濕度控制系統中冷凝的水，它的水質接近蒸餾水，其污染主要是由於環境中溶解性污染物引起的，其分子量較小。
衛生廢水：主要來自洗手水，洗浴水，經衛生廢水處理裝置淨化後仍套用於航天員的個人衛生活動。
尿液：尿液廢水是空間站廢水中最複雜的廢水，其污染物主要有尿素、氯化鈉及各種酸，占總重的3%一4%，因而處理的難度最大。
廢水的處理
冷凝廢水的處理
系統的核心部分由滅菌組件、多層過濾組件和揮發物除去組件三部分組成。為保護組合床以及防止污垢在熱交換器中沉積，冷凝水廢首先通過一個5微米的過濾器，再進入滅菌組件，在121℃的高溫下處理20min。冷卻到46℃後，由包含各種吸附介質的2個相同的組合床處理後去除離子及溶解性有機物。為抑制管路中的細菌，組合床中的碘閥保證水中余碘濃度在1一4mg/L組合床的運行狀態及是否飽和，由其入口與出口處的電導感測器負責。處理後的水通過揮發物除去組件，除掉低分子有機物及組合床不能處理的極性有機物。在這一過程中，水先飽和氧，再加熱至125℃，最後通過催化氧化反應器，氧化成二氧化碳或變成通過相分離及離子交換樹脂可除去的組分。水質監測系統監測處理水中的總有機碳、電導、pH、水中余碘，合格者進入飲水箱內，不合者返回處理系統。
衛生廢水的處理
尿液的處理
兩種途徑：
1、用尿處理器單獨處理，再生水被用來沖洗小便池、電解制氧，或與其他廢水一同進入水處理器進行二級處理方法：蒸餾法、高級氧化法和凍乾法。
2、將尿液與其他廢水混在一起處理，為太空人提供飲用和衛生用水方法：生物法。
各國空間站水回收系統
俄羅斯“和平”號水循環系統“和平”號空間站水回收系統最大的特點是採用了3條獨立的淨化迴路，分別處理艙內冷凝水，衛生用水和航天員尿液，3條淨化迴路之間是物理隔絕的。獨立的淨化迴路可以根據水質的特點和目標水質的要求，合理選用技術途徑，實現資源消耗和水質標準的良好平衡，同時可以避免尿液淨化後用於飲用對航天員心理產生的影響。尿液在尿處理裝置中首先使用滲透蒸發膜組件進行蒸餾，獲得的尿蒸餾水經過後處理組件深度淨化後用於電解制氧。根據設計，尿液淨化處理後可以達到飲用水標準，可用於補充航天員飲用水，但是在實際運行中尿液淨化水並沒有被飲用。衛生廢水主要來自洗手水、洗浴水，經衛生廢水處理裝置淨化後仍套用於航天員的個人衛生活動。艙內收集到的冷凝水主要來源於航天員的代謝濕氣和艙內其他液體的蒸發，水質較好，經過冷凝水處理裝置淨化後，作為航天員飲用水，據俄羅斯提供的數據，冷凝水淨化水將提供航天員80%的飲用水(其餘為運輸補給水)。“和平”號空間站水回收系統構架示
國際空間站美國艙段水循環系統包括水處理裝置（WPA）和尿處理裝置(UPA)。尿液在尿處理裝置中完成低壓氣相壓縮蒸餾（VCD）過程獲得尿液蒸餾水。WPA採用單個淨化處理迴路，統一處理尿液蒸餾水、冷凝水和衛生廢水構成的混合污水，使水質達到電解制氧用水標準，同時可為航天員提供飲用水和衛生用水。由於美國空間站電解制氧系統對水質要求較高，且衛生水設計用量很大，單一淨化迴路的設計可以較好滿足處理效率高以及淨化水的比能耗小的需求。
我國空間站水回收系統特點：1、總處理量小，對於3人乘組，一天不超過11kg(其中冷凝水約6kg，尿液約5kg);2、對於電解制氧水質的要求很高，接近超純水標準;3、受到空間站整體資源限制，水回收系統的總功率緊張;4、空間站貨運飛船補給頻率遠低於美國和俄羅斯，物質補給能力差。
我國水回收系統由水處理系統和尿處理系統構成。尿處理系統可以完成對尿液的蒸餾，獲取尿蒸餾水;而水處理系統中包含有獨立的冷凝水淨化裝置和尿蒸餾水淨化裝置，分別用於處理冷凝水和尿蒸餾水，冷凝水淨化後達到飲用水標準，供航天員飲用;尿蒸餾水淨化後主要用於電解制氧。冷凝水淨化裝置和尿蒸餾水淨化裝置採用了基本相同的技術流程，可滿足高標準的淨化要求，並可大量減少消耗性材料的使用量。我國空間站水回收系統基本構架示意我國水處理系統主要技術特點我國水回收系統的核心技術主要包括冷凝水處理技術和尿蒸餾技術。尿蒸餾技術可以將污染物含量很高的尿液轉化為微污染程度的尿蒸餾水，而冷凝水處理技術可以完成對冷凝水和尿液蒸餾水這兩種微污染水的深度淨化。冷凝水處理技術我國空間站冷凝水淨化裝置以氣相催化氧化技術為核心構建了整個處理流程。系統最突出的特點是將催化氧化過程前置，並且採用了一種條件很強的氣相催化氧化技術，可以將大部分有機污染物徹底氧化為二氧化碳和水，而且離子型污染物將在汽化過程中結晶。在保證高水質標準的前提下，大大減少了對活性碳和離子交換樹脂材料的消耗。催化氧化技術，紫外臭氧催化氧化電催化氧化技術中溫氣相催化氧化技術紫外臭氧聯合催化氧化技術紫外臭氧催化氧化技術整合了臭氧氧化技術和紫外光催化氧化技術，起到了耦合增強的作用，能夠有效的處理冷凝水中的有機污染物。在前期研究工作的基礎上，完成了核心部件紫外臭氧催化氧化反應器的設計和製造，裝置使用了特殊設計的高能量密度準分子燈紫外光源和微型陶瓷放電臭氧發生器。在實驗驗證過程中發現該技術存在著處理流程複雜，氧化副產物含量較大等問題。同時紫外光源和陶瓷放電臭氧發生器的力學性能都較差，為進一步的工程化套用帶來了很大的挑戰。紫外臭氧聯合催化氧化反應器電催化氧化技術在常溫常壓條件下，通過施加電場，在電極表面直接或者間接產生羥基自由基等具有強氧化的中間產物，起到氧化有機污染物的作用。因此電極材料的性能將決定電催化氧化反應器的性能，優良的電極材料要求有較高的析氧過電位和催化活性、較高的化學穩定性和抗腐蝕性能。中溫氣相催化氧化技術是指在一定溫度和壓力條件下，使污水氣化後通過反應床，在催化劑作用下將其中的有機物徹底氧化成為二氧化碳和水。目前已經研製出以貴金屬為主要活性成分的催化劑，該催化劑具有活化溫度低，處理效率高，使用壽命長等優點。在最佳反應條件下，對有機污染的處理效率接近100%;由於反應條件較強，催化氧化的產物基本為二氧化碳和水，氧化副產物的含量很少。中溫氣相催化氧化技術較強的催化氧化能力是其最為突出的優點，並且氣化過程可以將離子型無機污染物結晶，可以大大降低處理流程中對於消耗性材料的需求，這對於適應我國較低的飛船補給頻率是極為有利的。根據目前的研究狀態，該技術的主要技術難點是對於反應器能耗的控制：由於對於氣化潛熱的回收較為困難，可能造成系統能耗較大。工程樣機階段計畫採用半導體熱電泵對氣化潛熱進行回收。中溫氣相催化氧化技術作為冷凝水中有機污染物處理的基本技術途徑。尿蒸餾技術，尿液預處理技術VCD技術膜蒸餾技術尿液預處理技術，尿液中含有大量的有機和無機污染物，為了抑制尿液中的微生物生長，防止尿液中鹽類物質的沉澱以及氨氣的揮發，實現連續的尿液蒸餾過程，尿液在收集與處理過程中必須進行化學預處理。向尿液中添加液態尿預處理劑：液體尿預處理劑和沖洗水被定量泵注入尿收集裝置，與尿液在動態水氣分離器中充分混合。尿預處理劑的主要成分是濃硫酸和強氧化劑。該預處理劑可以有效的穩定尿液，起到抑制微生物生長、固氨、氧化有機污染物和防止沉澱的作用。通過低壓蒸餾獲得的尿蒸餾水在總有機碳含量和氨氮含量等主要指標上都優於模擬冷凝污水"對於預處理劑的研製目標是在保持預處理效果的基礎上，降低預處理劑的腐蝕性，氧化性和毒性。蒸汽壓縮蒸餾法（VCD技術）我們在參考美國VCD基本設計基礎上設計了單桶旋轉的VCD裝置，並對小型高效羅茨壓縮機技術進行了攻關，目前已完成VCD原理樣機的研製。初步實驗獲得的尿液蒸餾水主要指標與美國VCD地面試驗尿蒸餾出水接近。膜蒸餾技術系統包括尿液循環迴路和載氣迴路，尿液在循環過程中被蒸餾，而載氣攜帶水蒸氣完成冷凝過程，聚合物薄膜是尿液迴路與載氣迴路之間的界面，尿液在進入膜蒸發腔前，首先經過換熱器的預熱和加熱器的加熱，蒸餾的溫度被控制在50℃左右，蒸餾過程在常壓下完成。在載氣迴路中，在風機作用下，載氣攜帶水蒸氣先後通過換熱器、冷凝器獲得尿液蒸餾水。膜蒸餾的出水水質與俄羅斯指標接近，但膜組件使用壽命較短，主要問題在於聚合物膜的堵塞和膜的物理穿破。此外，由於膜蒸餾過程汽化潛熱回收效率很低，系統加熱功率較大。
