載人深空探測活動中的尿液處理回收技術(shù)分析

朱國榮，謝倍珍，劉紅

（北京航空航天大學(xué) 生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院環(huán)境生物學(xué)與生命保障技術(shù)研究所，北京 100083）

引 言

隨著人類深空探測活動的不斷發(fā)展，載人航天逐漸朝著星際航行或未來星球基地的建設(shè)方向發(fā)展，而目前近地軌道的短期飛行任務(wù)所依賴的供給式生命保障系統(tǒng)因為耗資巨大并不適合未來更加遙遠(yuǎn)的飛行任務(wù)。相比于供給式生命保障系統(tǒng)，長期運行費用相對較低的再生式生命保障系統(tǒng)（盡管其初期研發(fā)建設(shè)費用較高），更適用于未來任務(wù)周期較長的載人深空探測活動[1]。

生物再生生命保障系統(tǒng)（Bioregenerative Life Support System，BLSS）作為再生式生命保障系統(tǒng)的一種，是基于生態(tài)系統(tǒng)原理將生物技術(shù)與工程控制技術(shù)有機結(jié)合，由植物、動物和微生物組成的人工生態(tài)系統(tǒng)；其中的氧氣、水和其他營養(yǎng)物質(zhì)可經(jīng)過一系列措施在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)再生，從而極大地減少長期空間活動所需的地面補給，為航天員提供更為舒適安全的生存環(huán)境[2-5]。

BLSS從功能結(jié)構(gòu)上可分為兩部分，一部分是以高等植物為代表的自養(yǎng)單元；另一部分是以人為代表的異養(yǎng)單元，高等植物是BLSS中最主要的功能部件，也是有別于其他類型生命保障系統(tǒng)的重要標(biāo)志[6]。高等植物具有吸收二氧化碳、產(chǎn)水制氧、提供食物、調(diào)節(jié)航天員心情等的功能，所以為植物提供充足的水分和營養(yǎng)物質(zhì)以保證其在數(shù)量和質(zhì)量上的穩(wěn)定對于BLSS具有重要意義。而航天員尿液廢水中含有高達(dá)95%的水分，3.5%的有機物（包括尿素，肌酐和尿酸等）和1.5%的無機鹽（鈉、鉀、氯、鎂、鈣、銨、硫酸鹽和磷酸鹽等）[7]。因此，可將尿液中的水分和營養(yǎng)物質(zhì)回收用于植物生長所需營養(yǎng)液的配制，既可以保證植物的正常生長，也有助于實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)的循環(huán)利用進(jìn)而提高BLSS的閉合度。

本文首先分析了目前面向空間站應(yīng)用的尿液處理回收技術(shù)，如蒸餾技術(shù)和凍干技術(shù)等，這些技術(shù)都可以有效地回收水分，而不能有效地回收尿液中的營養(yǎng)物質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，分析了目前研究較為成熟的，面向民用的尿液處理回收技術(shù)及其應(yīng)用于BLSS的前景，如離子交換技術(shù)、氨氣吹脫吸收技術(shù)和鳥糞石沉淀技術(shù)。最后，基于BLSS的實際需求提出了有望用于BLSS內(nèi)的尿液處理回收技術(shù)流程，以期為相關(guān)研究提供參考。

1 面向空間站應(yīng)用的尿液處理回收技術(shù)

1.1 應(yīng)用于空間站的尿液處理回收技術(shù)

尿液的處理回收是載人航天生命保障系統(tǒng)中非常重要的一環(huán)，美俄等航天大國都投入了大量的人力物力進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，攻克了許多科學(xué)技術(shù)難題并積累了豐富的經(jīng)驗。

空間站中尿液的處理通常包括預(yù)處理、物質(zhì)回收和后處理。預(yù)處理主要完成尿液的收集，預(yù)處理劑的添加以及氣液相的分離；預(yù)處理劑的添加主要是為了避免尿液中尿素水解釋放出的氨氣引起空氣污染，所以在空間站處理回收尿液之前，都添加了化學(xué)藥劑預(yù)處理尿液以防止尿素水解[8]，如國際空間站美國艙段采用強酸和鉻氧化物作為尿液預(yù)處理劑[9]，“和平號”空間站使用防腐劑作為預(yù)處理劑[10]。后處理主要用于進(jìn)一步凈化從尿液中回收的水分，使其達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)。本文主要分析空間站中用于物質(zhì)回收階段的技術(shù)，如國際空間站美國艙段采用蒸汽壓縮蒸餾技術(shù)，“和平號”空間站采用膜蒸餾技術(shù)。

1）蒸汽壓縮蒸餾技術(shù)

國際空間站美國艙段所采用的尿液處理技術(shù)為蒸汽壓縮蒸餾技術(shù)。在其工作過程中，尿液廢水先在蒸發(fā)室內(nèi)實現(xiàn)減壓蒸發(fā)，經(jīng)氣液分離后的氣體在輸送到冷凝室的過程中受到羅茨壓縮機的作用，飽和溫度升高，到達(dá)冷凝室后凝結(jié)在蒸發(fā)室和冷凝室共用的金屬壁上，冷凝潛熱可加熱蒸發(fā)室內(nèi)的尿液廢水促使其蒸發(fā)[11-13]。蒸汽壓縮蒸餾技術(shù)主要利用相變潛熱降低整機的運行能耗，整個過程所消耗的能量主要用于羅茨壓縮機的工作以及補償系統(tǒng)的熱力和機械損失[14]。尿液的冷凝出水會與空氣冷凝水以及衛(wèi)生廢水一起進(jìn)入水處理裝置，依次通過多級過濾床、催化反應(yīng)器和離子交換床進(jìn)一步處理后達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)；而尿液中的無機鹽和有機物則以濃縮鹵水的形式排入循環(huán)箱過濾器裝置，之后通過航天飛機運回地面[15-18]。

2）膜蒸餾技術(shù)

“和平號”空間站采用膜蒸餾法處理回收尿液。膜蒸餾是膜技術(shù)與蒸發(fā)過程相結(jié)合的分離過程，主要通過疏水微孔膜將溶液中的揮發(fā)性溶劑與非揮發(fā)性溶質(zhì)分離。膜的一側(cè)與受熱的待處理溶液接觸，受熱揮發(fā)的水分子能夠通過膜微孔進(jìn)入膜的另一側(cè)而被收集，非揮發(fā)性物質(zhì)則被截留在待處理溶液中，從而實現(xiàn)水分的回收[19-20]?！昂推教枴笨臻g站上的膜蒸餾模塊主要由尿液循環(huán)回路和空氣循環(huán)回路構(gòu)成，經(jīng)預(yù)處理的尿液進(jìn)入膜蒸發(fā)器后，在電加熱器的加熱下，尿液中的水分在膜一側(cè)表面升溫蒸發(fā)通過膜的疏水性毛細(xì)孔進(jìn)入另一側(cè)的空氣循環(huán)回路。剩余的尿液繼續(xù)在尿液循環(huán)回路里蒸發(fā)濃縮，空氣循環(huán)回路里的水分經(jīng)冷凝后進(jìn)入以吸附催化為主的后處理單元得到進(jìn)一步凈化后用于電解制氧[10,21-23]。

1.2 面向空間站應(yīng)用研究的尿液處理回收技術(shù)

除了已在空間站上實際使用的方法，許多研究人員還在地面上進(jìn)行了其他面向空間站應(yīng)用的尿液處理回收技術(shù)的研究，如凍干技術(shù)、冷凍濃縮技術(shù)和生物技術(shù)等。

1）凍干技術(shù)

凍干技術(shù)又稱冷凍干燥技術(shù)，首先在低溫條件下冷凍水溶液使水轉(zhuǎn)變?yōu)楸?，然后在真空條件下將水分直接由固態(tài)冰升華為水蒸氣，并通過冷凝器收集水蒸氣，從而實現(xiàn)溶質(zhì)和水分的分離。Holland等[24]基于宇宙空間天然的真空環(huán)境和巨大冷量，提出使用凍干法處理空間站的尿液。首先將尿液樣品在液氮或干冰和乙醇混合物中冷凍，再通過凍干器在19 °C，0～2 Pa的條件下凍干尿樣14～24 h，并通過-55 °C的冷凝板（冷凝板覆有保鮮膜以防止污染物浸入回收水中）富集升華的水蒸氣，所得的回收水清澈無異味，與普通自來水幾乎沒有區(qū)別。該方法可實現(xiàn)97%的水分回收率，且對總固體、總懸浮性固體、總?cè)芙庑怨腆w、總揮發(fā)性固體及總固定性固體等的去除率均在99%以上；但其處理效率易受真空度、環(huán)境溫度和樣品表面積等因素制約，所以還需進(jìn)一步優(yōu)化研究。

2）冷凍濃縮-反滲透技術(shù)

于濤等[25]基于宇宙空間的巨大冷量，提出利用冷凍濃縮與反滲透的聯(lián)合工藝處理回收空間站中的尿液。冷凍濃縮法是利用水分子在低溫下首先形成冰晶體，而其他營養(yǎng)物質(zhì)仍然呈液相的原理實現(xiàn)溶質(zhì)和水分的分離；反滲透技術(shù)則是利用反滲透膜實現(xiàn)水分和雜質(zhì)的分離。作者所提出的聯(lián)合工藝在微重力下的實現(xiàn)過程為:①首先尿液和沖洗水經(jīng)尿收集器和氣液分離器后以單相流進(jìn)入儲液罐，并按一定的比例分別加入濃硫酸和次氯酸鈉進(jìn)行預(yù)處理；②尿液進(jìn)入不銹鋼冷凍罐，在低溫條件下，其水分將雜質(zhì)排斥在外而首先以冰晶的形式析出；③冷凝所得冰晶在換熱器內(nèi)融化后測定融冰的電導(dǎo)率和總有機碳（Total Organic Carbon，TOC），若不滿足要求（電導(dǎo)率＜1 000 μs/cm，TOC＜10 mg/L）則返回繼續(xù)進(jìn)行冷凍濃縮處理，若滿足要求則進(jìn)入反滲透裝置進(jìn)行深度處理。實驗結(jié)果表明，僅單級冷凍濃縮就對尿液中各種雜質(zhì)有良好的去除效果，反滲透膜對各級融冰中鹽分的去除率均大于96%，對氨氮的去除率均大于92%，對有機物的去除效率則低于65%。也有相關(guān)研究表明，反滲透膜容易被大分子物質(zhì)、顆粒物和微生物堵塞，后期清洗維護(hù)比較復(fù)雜[16]，因此可采用多級冷凍濃縮降低融冰中的TOC，并防止有機物污染反滲透膜。實驗中采用三級冷凍濃縮——反滲透聯(lián)合處理工藝出水的pH值為6～8，電導(dǎo)率＜15 μs/cm，TOC＜5 mg/L，水份回收率可達(dá)97.75%，說明該聯(lián)合工藝具有較高的可行性。但還需經(jīng)過長期地面試驗進(jìn)一步驗證其實際應(yīng)用的可靠性。

3）生物技術(shù)

Liu等[26]為了解決空間站的供水問題，提出采用生物（綠藻）吸收與光催化氧化（UV-TiO2）的綜合方法處理尿液以減少從地球補給的水量。綜合處理凈化裝置由3部分組成，分別為多層綠藻種植盤、吸收過濾柱以及光催化氧化反應(yīng)器。尿液首先進(jìn)入多層綠藻種植盤，綠藻可將其中的營養(yǎng)物質(zhì)吸收、分解、代謝和凈化；經(jīng)過生物凈化的尿液進(jìn)入過濾柱，其中的多孔填料可將尿液中的懸浮固體、難聞氣味和色度有效去除；最后進(jìn)入由紫外燈和TiO2催化氧化床構(gòu)成的光催化氧化反應(yīng)器，反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生的自由基（·OH和·O2）能將尿液中的有機雜質(zhì)分解，最終出水水質(zhì)能夠達(dá)到國家飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB5749-1985）。采用生物技術(shù)處理尿液廢水具有能耗低且處理效果好的優(yōu)點，但其所需的反應(yīng)條件較為嚴(yán)格且處理時間較長，而且生物吸收也會造成營養(yǎng)物質(zhì)的損失。

目前面向空間站應(yīng)用的尿液處理回收技術(shù)，如蒸餾技術(shù)、凍干技術(shù)、冷凍濃縮-反滲透技術(shù)和生物技術(shù)都集中于回收尿液中的水分，而不能有效地回收尿液中的營養(yǎng)物質(zhì)。但在BLSS內(nèi)，回收尿液中的營養(yǎng)物質(zhì)意義重大，所以需分析討論面向民用的尿液處理回收方法，以期借鑒適宜的方法將其用于BLSS內(nèi)回收尿液的營養(yǎng)物質(zhì)。

2 面向民用的尿液中營養(yǎng)物質(zhì)的處理回收技術(shù)

現(xiàn)有的面向空間站應(yīng)用的尿液處理回收技術(shù)并不能有效回收尿液中的營養(yǎng)物質(zhì)，所以還需研究其他可以有效地從尿液中回收營養(yǎng)物質(zhì)的方法?；诖耍疚姆治鲇懻摿四壳皫追N面向民用的、發(fā)展較為成熟的從尿液中回收營養(yǎng)物質(zhì)的方法，為研究開發(fā)出適用于BLSS內(nèi)的尿液營養(yǎng)物質(zhì)回收技術(shù)流程提供新的思路。由于尿液中的營養(yǎng)物質(zhì)種類繁多，本文主要基于氮、磷和鉀這3種含量較高的營養(yǎng)物質(zhì)的回收效果討論分析各技術(shù)并分析其應(yīng)用于BLSS中的可行性。

尿液中氮素的85%以尿素的形式存在[27]，在土壤環(huán)境中，大部分尿素氮由微生物轉(zhuǎn)化為NH4+-N和NO3--N后被植物根系吸收利用，少部分則以尿素的形式被植物直接吸收利用[28]。而在BLSS中，植物根系的微生物不如土壤中豐富，所以需通過預(yù)處理將尿液中的尿素水解為植物可有效吸收利用的無機氮，然后再將其回收用于植物營養(yǎng)液的配制。

2.1 尿液的預(yù)處理技術(shù)

自然條件下，尿液中尿素的水解速率比較慢，所以需通過加熱或添加脲酶的方法加速尿素的水解。尿液的預(yù)處理主要有以下幾種方法

1）熱力水解法

尿素水解反應(yīng)是一個吸熱過程，當(dāng)溫度超過100 °C時，水解速率會明顯加快[29-30]，熱力水解法就是利用水蒸汽在高溫高壓條件下（200 °C，2 MPa）將尿素水解，此反應(yīng)過程需在耐壓耐熱材料制作的裝置中進(jìn)行，并且為了保證尿素的充分反應(yīng)，需在反應(yīng)體系中加入過量的水，但會造成水蒸氣的大量浪費[31]，過量水所消耗的汽化潛熱也會造成一定的能量損失，加大整個反應(yīng)過程的動力消耗和成本。該技術(shù)目前主要用于火電廠煙氣脫硝中制氨，因其反應(yīng)條件較為劇烈，因此并不適用于BLSS。

也有研究人員通過添加金屬氧化物作為催化劑加快尿素的水解，如李美娜等[32]制備固體堿鎂鋁滑石（MgAl-LDH）作為催化劑催化水解廢水中的尿素，在水解溫度為165 °C，水解時間為120 min時，取得了較高的尿素水解效率；但該方法也存在催化劑制備復(fù)雜，反應(yīng)溫度較高的問題。

2）脲酶水解法

脲酶是催化尿素水解的專一性水解酶，能在常溫常壓條件下催化尿素快速水解為氨和二氧化碳。脲酶催化尿素的水解速率是尿素在水溶液中自身水解速率的104倍[33-34]，Wuang等[35]的研究也表明人工添加脲酶后的尿素分解率從自然分解率的0.91%/d升高至了85%/d。在實際應(yīng)用中，脲酶水解尿素一般有兩種操作方法，分別是游離酶-膜分離法和固定化脲酶法。游離酶-膜分離法存在游離脲酶易失活、難以重復(fù)利用、易損失的問題，所以通常采用更為穩(wěn)定的固定化脲酶法[36]。

固定化脲酶法是通過物理或化學(xué)手段將游離酶固定于不溶性的載體材料所限定的空間區(qū)域內(nèi)并保持其催化活性，連續(xù)反應(yīng)后的固定化脲酶仍可以回收并重復(fù)利用[37]。關(guān)于固定化脲酶的應(yīng)用研究已經(jīng)非常成熟，如用于處理含有尿素的農(nóng)業(yè)廢水或尿素生產(chǎn)工廠出水，制作監(jiān)測尿素的生物傳感器等[38-39]。馬歇爾空間飛行中心曾測試使用脲酶生物反應(yīng)器催化水解尿液中的尿素[40]，Deng等[41]的實驗結(jié)果也表明，固定化脲酶法相比于高溫酸化法，能在較溫和的反應(yīng)條件下，實現(xiàn)更高的尿素水解效率，更適合作為BLSS中尿液的預(yù)處理方法。所以可設(shè)計合適的反應(yīng)器，將固定化脲酶法用于預(yù)處理BLSS內(nèi)的尿液廢水。

2.2 營養(yǎng)物質(zhì)的回收技術(shù)

將尿液中的尿素轉(zhuǎn)換為氨氮后，就需通過一定的技術(shù)手段回收尿液中的營養(yǎng)物質(zhì)。本文主要分析討論了目前應(yīng)用較為成熟的離子交換技術(shù)、氨氣吹脫技術(shù)、鳥糞石沉淀技術(shù)對氮、磷、鉀的回收效果以及其在BLSS中的適用性。

1）離子交換吸附技術(shù)

離子交換吸附技術(shù)是借助于不溶性離子交換劑上的可用來交換的離子與溶液中同性離子交換的反應(yīng)，以達(dá)到提取或去除溶液中某些離子的目的[42]。

研究人員已將其應(yīng)用于尿液中營養(yǎng)物質(zhì)的回收，如Beler-Baykal等[43]利用對銨根離子有較高親和力的斜發(fā)沸石從源分離尿液中回收了86%的銨根離子，并將其作為緩釋肥應(yīng)用于印度橡膠樹的種植，初步試驗結(jié)果表明吸附了銨根離子的斜發(fā)沸石能夠用于植物培植。Kocatürk等[44]利用斜發(fā)沸石從未經(jīng)稀釋的尿液中分別回收了86%的氨氮和96%的正磷酸鹽，并通過盆栽試驗證明負(fù)載了營養(yǎng)元素的斜發(fā)沸石與商業(yè)化學(xué)肥料一樣有效。Boyer等[45]采用具有高磷酸鹽選擇性的含氧化鐵（III）顆粒聚合物配體交換樹脂（Polymeric Ligand Exchange, PLE）從新鮮尿液和水解尿液中分別吸收了98%和87%的磷酸鹽，證明了離子交換過程可以實現(xiàn)對尿液廢水中營養(yǎng)物質(zhì)的高選擇性回收。也有研究人員指出，陽離子交換吸附技術(shù)也能用于鉀元素的回收[46]，但在Kocatürk等[44]的研究中，鉀元素能夠被斜發(fā)沸石從尿液中吸附，但未能有效從斜發(fā)沸石上解析回收，具體原因還有待探究。

盡管吸收了營養(yǎng)物質(zhì)的離子交換劑能夠作為緩釋劑為植物提供營養(yǎng)物質(zhì)，但在BLSS中，不同植物生長所需的營養(yǎng)液需要精確配制，所以從尿液中吸附了營養(yǎng)物質(zhì)的離子交換劑并不能直接為植物提供營養(yǎng)物質(zhì)，還需從離子交換劑上解吸營養(yǎng)物質(zhì)到回收液中，然后通過離子色譜儀測定回收液中營養(yǎng)物質(zhì)的含量。實際所需的操作和設(shè)備會比較繁瑣，有可能加重乘員的工作負(fù)擔(dān)，并不推薦將其用于BLSS中。

2）氨氣吹脫吸收技術(shù)

氨氣吹脫吸收技術(shù)是將廢水調(diào)至堿性，使水中的銨根離子轉(zhuǎn)化為游離氨后，將氣體通入水中，使水中溶解的游離氨穿過氣液界面向氣相轉(zhuǎn)移，氣體攜帶氨氣進(jìn)入酸液吸收桶以達(dá)到回收氮素的目的，常用空氣作載體。Ba?ak?ilardan-Kabakci等[47]為了解決尿液中氨不穩(wěn)定的問題，在尿液的pH為12、空氣流通速率為0.21 m3/h的條件下，應(yīng)用氨氣吹脫吸收技術(shù)從尿液中回收氨，最終以硫酸銨的形式從尿液中回收了97%的氨氮。還可以通過提高空氣的流通速率和溫度增加氨的傳質(zhì)系數(shù)進(jìn)而提高回收效率[48]。氨氣吹脫技術(shù)主要是利用定向流動的氣體攜帶氨氣進(jìn)入吸收液，進(jìn)而實現(xiàn)氨氮與尿液廢水的分離；而在微重力環(huán)境中，乘員尿液通常以氣液混合的形式收集，在正式處理回收尿液廢水前通常需通過氣液分離器將混合相分離為氣相和液相。所以可在裝置嚴(yán)格密封的情況下，考慮將氨氣吹脫吸收與氣液分離相結(jié)合用于BLSS內(nèi)氨氮的回收。

3）鳥糞石沉淀技術(shù)

鳥糞石沉淀技術(shù)是一種常用的從尿液中回收氮、磷、鉀的技術(shù)，一般有兩種形式:MgNH4PO4·6H2O和MgKPO4·6H2O。當(dāng)以MgNH4PO4·6H2O的形式結(jié)晶沉淀時，可以從尿液中回收氮和磷；當(dāng)以MgKPO4·6H2O（鉀型鳥糞石）的形式結(jié)晶沉淀時，可以從尿液中回收磷和鉀，而由于尿液中各種離子濃度相差較大，所以通常需額外添加適量的鎂源（如MgO、Mg（OH）2、MgCl2）以促進(jìn)鳥糞石的沉淀。鳥糞石沉淀技術(shù)一般情況均指生成MgNH4PO4·6H2O的沉淀技術(shù)，其沉淀生成的最佳pH范圍為7.0～9.0，最佳的鎂磷比為1.3∶1[49]。由于尿液中氮、磷的含量差距較大，鳥糞石沉淀技術(shù)在回收大部分磷的同時只能回收10%～20%的氮素[50]，Etter B.等[51]在尼泊爾Siddhipur村建立了一個符合當(dāng)?shù)匾蟮牡统杀绝B糞石反應(yīng)器，該反應(yīng)器以低鎂劑量（1.1 mol Mg/mol P）在1 h內(nèi)回收了90%以上的磷和小部分氨。為解決氨氮回收率低的問題，可綜合應(yīng)用鳥糞石沉淀技術(shù)和氨氮回收技術(shù)。Samantha Antonini等[52]在越南芹苴大學(xué)某宿舍樓單獨建立了一套尿液收集系統(tǒng)，并使用氨氣吹脫吸收技術(shù)和鳥糞石沉淀技術(shù)的綜合工藝從源分離尿液中回收營養(yǎng)物質(zhì)，結(jié)果表明:50 L源分離尿液在經(jīng)過一個處理周期后可產(chǎn)生約110 g鳥糞石（磷回收率為98%），當(dāng)汽提塔以80 L/h的速度循環(huán)尿液3 h后，可將90%以上的氨氮從尿液中分離出來，并以液體硫酸銨的形式全部回收。

也有研究人員采用鉀型鳥糞石沉淀技術(shù)從尿液中回收磷和鉀，如Gao等[53]利用鉀型鳥糞石沉淀技術(shù)從合成尿液中同時回收磷和鉀，實驗結(jié)果表明:過量的鎂不利于沉淀生成，而同時過量的鎂和磷酸鹽可顯著提高結(jié)晶效率；鉀型鳥糞石結(jié)晶的最適pH為11，而在此pH下，尿液中的銨根離子、鈣離子和鈉離子會顯著阻礙其結(jié)晶效率，其中銨根離子的影響最大。Xu等[54]在pH為8.5～11.5，Mg∶P為0.6～1.4的條件下，以鉀型鳥糞石沉淀的形式從尿液中分別回收了99%的磷和33%的鉀，同時提出應(yīng)該提前回收氨氮以減少銨根離子與鉀離子的競爭，進(jìn)而提高鉀的回收率。所以為了從尿液中回收更多的營養(yǎng)物質(zhì)，可先從尿液中回收氨氮，再采用鉀型鳥糞石沉淀技術(shù)中進(jìn)一步回收磷和鉀。

Gonrot等[55]結(jié)合應(yīng)用沸石吸附技術(shù)和鳥糞石沉淀技術(shù)從尿液中回收了64%～80%的氮和100%的磷用于農(nóng)田作物種植，并通過小麥和大麥的短期氣候?qū)嶒炇易C明從尿液中回收了營養(yǎng)物質(zhì)的沸石-鳥糞石礦物混合物作為植物營養(yǎng)源完全可以與商業(yè)緩釋肥相比。Lind等[56]應(yīng)用斜發(fā)沸石吸附和鳥糞石沉淀結(jié)合的方法從尿液中回收了大部分磷和鉀，以及65%～80%的氮，固體混合物也被證明具有良好的營養(yǎng)品質(zhì)可作為土壤改良劑。

基于以上分析，可以將氨氮吹脫吸收技術(shù)與鳥糞石沉淀技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于BLSS中，回收尿液中的氮、磷和鉀以供植物生長。在一定范圍內(nèi)，鳥糞石在水中的溶解度隨著pH的升高而降低，而當(dāng)pH升高到一定值時，鳥糞石的溶解度會隨著pH的升高而增大[57]；所以可將生成的鳥糞石沉淀溶解用于植物營養(yǎng)液的配制。雖然已有研究表明，鳥糞石可以作為緩釋肥為植物的生長提供營養(yǎng)，但在BLSS中，植物所需的營養(yǎng)液均為定量精確配制，直接使用鳥糞石為植物提供營養(yǎng)物質(zhì)不易控制其營養(yǎng)物質(zhì)的量，所以需將鳥糞石溶解后測定其中營養(yǎng)物質(zhì)的含量，然后配制植物生長所需的營養(yǎng)液。

3 面向BLSS應(yīng)用的尿液處理回收技術(shù)

3.1 應(yīng)用于BLSS中的尿液處理回收技術(shù)

為了有效利用尿液中的水分和營養(yǎng)物質(zhì)，前蘇聯(lián)的BIOS-3（Biosphere-3）和歐洲的微型生態(tài)生命支持系統(tǒng)（Micro-Ecological Life Support System Alternative,MELISSA）系統(tǒng)都采用了植物吸收的方式處理回收尿液。

Lisovsky等[58]在BIOS-3中直接將尿液加入種植植物的營養(yǎng)液中，試驗結(jié)果表明在生保系統(tǒng)中按一定的模式直接將尿液加至植物營養(yǎng)液具有現(xiàn)實可行性。但是直接在植物營養(yǎng)液中加入尿液會引起衛(wèi)生和乘員心理方面的問題。

在歐洲空間局的MELISSA系統(tǒng)中，尿液先經(jīng)嗜熱厭氧菌發(fā)酵降解，產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸和銨根離子等物質(zhì)，之后被由不產(chǎn)氧的光能自養(yǎng)/異養(yǎng)型生物吸收利用；其中未被完全吸收利用的銨根離子再由亞硝化單胞菌及硝化桿菌氧化為硝酸鹽，作為氮源供給光能自養(yǎng)型藻類和高等植物[59,60]。

利用植物的吸收作用可以在一定程度上回收尿液中的營養(yǎng)物質(zhì)，但尿液中大量鹽分的積累會脅迫植物的正常生長[61]。所以在回收尿液中營養(yǎng)物質(zhì)的同時，還需分離其中的鹽分以防止其對植物的生長造成影響。

在“月宮1號”為期105天的多人長期高閉合度BLSS集成實驗中，采用了減壓蒸餾技術(shù)處理回收宇航員尿液，減壓蒸餾技術(shù)是一種較為成熟的方法，能夠在較低的溫度下對水溶液進(jìn)行蒸餾，避免水溶液中雜質(zhì)的分解，進(jìn)而提高出水水質(zhì)。在實驗過程中，首先將收集的乘員尿液加入減壓蒸餾裝置，尿液中的部分氨氮經(jīng)蒸餾后會進(jìn)入尿液冷凝水，含有氨氮的尿液冷凝水與衛(wèi)生廢水一起進(jìn)入膜生物活性炭反應(yīng)器進(jìn)行二級處理，出水用于植物灌溉。在105天的實驗中，一共收集處理了346 L的尿液，實現(xiàn)了20.5%的氮素回收率和100%的水分回收率[62]，大部分鹽類物質(zhì)和有機物以蒸餾殘渣的形式排出系統(tǒng)以避免其對植物生長的影響。

也有其他研究表明低壓蒸餾法可以有效地回收尿液中的水分并分離其鹽分[63]，但該方法對營養(yǎng)物質(zhì)的回收率較低，因此還需借鑒使用面向民用的尿液處理回收技術(shù)以提高營養(yǎng)物質(zhì)的回收效率。

3.2 有望用于BLSS中的尿液處理回收技術(shù)流程

基于對目前面向空間站應(yīng)用的尿液處理回收技術(shù)和面向民用的尿液處理回收技術(shù)的分析，本文提出了有望用于BLSS中的尿液處理回收流程，以期為相關(guān)研究提供參考。該流程其主要分為3部分，如圖1所示，分別是①尿液的預(yù)處理；②尿液的處理回收；③處理回收后尿液的應(yīng)用。

圖1 BLSS內(nèi)的尿液處理流程圖Fig.1 Flow-process diagram of urine treatment in BLSS

1）尿液的預(yù)處理

在回收尿液中的營養(yǎng)物質(zhì)之前，需通過預(yù)處理技術(shù)將尿液中的尿素水解為植物可直接吸收利用的無機氮。

基于之前對多種尿液預(yù)處理技術(shù)的分析比較以及BLSS內(nèi)的實際需求，選擇反應(yīng)條件較為溫和的固定化脲酶水解法用于尿液的預(yù)處理。將尿液收集于固定化脲酶預(yù)處理反應(yīng)器中，預(yù)處理反應(yīng)器主要由電機、金屬連接桿、轉(zhuǎn)盤、儲酶管構(gòu)成，如圖2所示。裝填了固定化脲酶的網(wǎng)狀儲酶管按一定順序排列固定于轉(zhuǎn)盤上，且儲酶管可拆卸更換，轉(zhuǎn)盤通過連接桿與電機相連，電極帶動轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)使儲酶管與尿液充分接觸，促進(jìn)尿液中尿素的水解。

圖2 BLSS內(nèi)的尿液處理裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of urine treatment device in BLSS

2）尿液的處理回收

經(jīng)過預(yù)處理的尿液進(jìn)入營養(yǎng)物質(zhì)收集階段，首先通過磷酸吸收法回收其中的氨氮，再通過鳥糞石沉淀法回收其中的磷和鉀。

（1）通過磷酸吸收回收尿液中的大部分氨氮

由于在微重力條件下，尿液與空氣同時被收集，在空間站實際應(yīng)用中需通過氣液分離器將液體與氣體分離。經(jīng)氣液分離器分離后，攜帶了氨氣的空氣流首先進(jìn)入磷酸吸收液，以磷酸鹽的形式回收氨氮，之后再通過過濾器進(jìn)一步去除氨氣后返回艙室內(nèi)。

（2）通過鉀型鳥糞石沉淀技術(shù)回收尿液中的磷和鉀

經(jīng)氣液分離器分離后，尿液出水進(jìn)入鳥糞石沉淀反應(yīng)器，如圖2所示，反應(yīng)器配有試劑導(dǎo)入管，用于添加可以促進(jìn)鳥糞石沉淀的鎂鹽以及調(diào)節(jié)pH所需的試劑。考慮到未來在太空中的實際應(yīng)用，反應(yīng)器內(nèi)設(shè)螺旋式攪拌以避免依賴重力。為了方便收集生成的鉀型鳥糞石沉淀，可在沉淀反應(yīng)器排水端前加裝過濾網(wǎng)攔截顆粒物。當(dāng)需要排出尿液廢水時，只需將排水端的閥門打開，在泵的抽吸下，尿液即可進(jìn)入下一處理環(huán)節(jié)；而沉淀物則被濾網(wǎng)攔截，可定期將反應(yīng)器打開收集其中的鉀型鳥糞石沉淀。

（3）通過減壓蒸餾技術(shù)回收剩余尿液中的水分

沉淀反應(yīng)器的尿液出水直接排入減壓蒸餾裝置回收水分，蒸餾出水則進(jìn)入膜生物活性炭反應(yīng)器進(jìn)行二級處理進(jìn)一步去除尿液中可能含有揮發(fā)性物質(zhì)，如未被完全回收的氨氮；大量鹽分則以蒸餾殘渣的形式排出系統(tǒng)。

3）處理回收后尿液的應(yīng)用

（1）氨氮和磷酸鹽均為植物生長所必需的元素，所以可將回收氨氮所得的產(chǎn)物磷酸銨鹽直接用于植物營養(yǎng)液的配制。

（2）回收尿液中鉀和磷所得的產(chǎn)物鉀型鳥糞石，可經(jīng)溶解后用于植物營養(yǎng)液的配制，雖然鳥糞石能夠以緩釋肥的形式為植物提供營養(yǎng)物質(zhì)，但為了更加精確地控制植物營養(yǎng)的供給，需將其溶解測定其中營養(yǎng)物質(zhì)的含量后再用于植物營養(yǎng)液的配制。

（3）膜生物活性炭反應(yīng)器出水經(jīng)紫外消毒后用于植物營養(yǎng)液的配制。

以上所述的有望用于BLSS中的尿液處理回收流程，旨在為相關(guān)研究提供參考，關(guān)于其在實際中使用的可行性及其處理效果，還需通過大量實驗驗證以及進(jìn)一步優(yōu)化。

4 結(jié)束語

尿液水分和營養(yǎng)物質(zhì)的處理回收可在一定程度上提高物質(zhì)循環(huán)利用效率，減少地面供給，節(jié)省航天任務(wù)開支，是載人深空探測活動的重要組成部分。美俄等航天大國已通過多年的研究實踐，研發(fā)出成熟、高效、可靠的尿液水分回收技術(shù)。而隨著載人深空探測活動的逐漸深入，尿液營養(yǎng)物質(zhì)回收的重要性也日益凸顯。

本文在分析比較了多種技術(shù)方法的基礎(chǔ)上，基于BLSS的特點與實際需求，初步提出聯(lián)合應(yīng)用固定化脲酶尿液預(yù)處理、氨氣吹脫吸收、鳥糞石沉淀以及減壓蒸餾等技術(shù)的處理流程回收尿液中的氮、磷、鉀和水分，以期為相關(guān)研究提供參考。為實現(xiàn)未來深空探測活動中尿液水分和營養(yǎng)物質(zhì)的高效回收利用，還需在實踐中不斷探索。