真空膜蒸餾-反滲透聯用技術處理尿液廢水試驗

劉 錚，丁 平，王 劍，董文平,*，劉國昌

(1.自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192；2.中國航天員科研訓練中心，北京 100094)

水是維持人類生命的基本要素，水回收技術是支持航天員長期太空停留的重要生命保障技術之一。隨著我國空間站工程的實施，對艙內水的回收處理需求十分迫切[1]。尿液廢水是空間站廢水中最為復雜的一類，因其高鹽、高有機物的特點，可引起結垢、結晶、腐蝕等一系列問題，成為空間站廢水處理的難點[2]。蒸氣壓縮蒸餾(VCD)技術作為國際空間站尿液廢水處理的核心技術，應用過程中出現多次故障，影響了空間站生命保障系統的穩定性和可靠性[3]。尋找可替代的尿液廢水處理技術，對空間站水回收技術的發展十分重要。膜蒸餾和反滲透(RO)技術作為民用領域處理含鹽廢水的主要膜技術，同樣獲得了空間站廢水處理相關研究人員的關注，但以膜蒸餾和RO聯用作為尿液廢水處理的研究還未見報道。本文采用真空膜蒸餾(VMD)與RO聯用技術處理模擬尿液廢水，為空間站尿液廢水的技術升級提供可行的技術方案。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗裝置及工藝流程

試驗所用VMD-RO裝置為自制設備，其工藝流程如圖1所示。來自原水箱的尿液廢水通過磁力泵輸送至膜蒸餾單元進行VMD處理，膜蒸餾濃液返回原水箱，使尿液廢水濃度不斷增加。所收集的膜蒸餾產水儲存于中間水箱，當尿液廢水回收率達到80%時，VMD停止運行，啟動RO單元，開始處理膜蒸餾產水。RO運行期間，濃水返回中間水箱，RO產水收集于產水箱。當水回收率達到90%時，RO停止運行，完成一個試驗周期。一個周期結束后，RO濃液可直接排放(模式1)，也可回收至原水箱(模式2)與下一周期的尿液廢水合流處理。兩種運行模式除排放方式差異外，在膜蒸餾循環溫度上也有所區別，詳細運行參數如表1所示。運行期間通過電子天平和在線電導率儀采集VMD和RO通量、電導率變化情況，TOC采用Sievers InnovOx ES總有機碳分析儀離線測定。

圖1 VMD-RO聯用工藝流程示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Integrated Process of VMD-RO

表1 VMD-RO聯用工藝運行參數Tab.1 Operation Parameters of Integrated Process of VMD-RO

1.2 膜組件規格

試驗所用膜材料和組件均為自制。其中，VMD所用膜為聚丙烯膜采用熔紡拉伸技術制備，RO所用膜為聚酰胺復合膜采用界面聚合技術制備。膜材料及組件性能如表2所示。

表2 試驗用膜材料及組件性能Tab.2 Performance of Membranes and Modules for Experiment

1.3 尿液配水

試驗所用尿液為人工配制，水質成分和含量如表3所示。為了模擬空間站實際應用環境，在尿液處理前，加入一定量的沖洗水(純水)和穩定劑，穩定劑的成分為濃硫酸和三氧化鉻的水溶液，尿液、沖洗水和穩定劑按83∶17∶1配制成尿液廢水，TOC含量為2 750～3 075 mg/L，電導率為(22.0±0.5)ms/cm。

表3 模擬尿液成分Tab.3 Components of Simulated of Urine

2 結果與分析

2.1 VMD運行效果

試驗測試了兩種循環溫度下，各完成一次80%水回收的膜蒸餾效果。如圖2所示，濃縮過程中，通量穩定性較好，未見明顯的通量衰減現象，但由于循環溫度的降低，水蒸氣分壓下降，產水量顯著下降，模式1的平均通量約為3.5 kg/(m2·h)，模式2的平均通量約為2.5 kg/(m2·h)。溫度的變化對產水電導率的影響如圖3所示，改變溫度對產水水質的影響不大，且隨著尿液廢水的不斷濃縮，濃液的電導率顯著增加，而產水電導率漲幅不大，說明尿液廢水濃度的變化對產水電導率的影響也較小。其原因是穩定劑發揮了固定游離氨的作用，避免了氨的溢出。但溫度的變化對產水有機物含量的影響較為顯著，如圖4所示，當溫度較高時，產水TOC含量可達151 mg/L，而當溫度降低時，產水中的TOC含量僅有15 mg/L，說明尿液中的溫敏型小分子有機物(如苯酚)，在溫度較高時會進入產水中，引起產水水質下降。因此，為提高產水水質，可采用低溫運行的方式進行尿液廢水處理。

圖2 VMD通量隨時間的變化情況Fig.2 Variation of VMD Flux with Time

圖3 VMD電導率隨時間的變化情況Fig.3 Variation of VMD Conductivity with Time

圖4 VMD-RO聯用工藝對TOC的處理效果Fig.4 Effect of Integrated Process of VMD-RO on TOC Removal

2.2 RO運行效果

以模式2處理VMD產水，RO的通量和電導率變化情況如圖5和圖6所示。RO的產水通量基本保持在25～30 kg/(m2·h)，電導率保持在小于1 μs/cm，有機物的截留率僅有70%左右。在模式2運行時，由于VMD產水水質較好，RO產水TOC含量可達到5 mg/L以下，低于飲用水國家標準中對有機物限值的規定[4]。

圖5 RO通量隨時間的變化情況Fig.5 Variation of RO Flux with Time

圖6 RO電導率隨時間的變化情況Fig.6 Variation of RO Conductivity with Time

2.3 VMD-RO對水回收率的影響

VMD-RO聯用工藝通量的穩定性較好，控制產水水質的關鍵在于VMD循環溫度。降低VMD運行溫度，可控制小分子有機物的溢出，從而提高整個工藝的產水水質。且當小分子有機物可控時，采用完全回流的模式2，不僅可以減少RO濃殘液的排出，還可以提高整個運行工藝的水回收率。圖7對比了兩種運行模式下，經過10個周期的運行后水回收率的差異。當采用完全回流的模式處理尿液廢水時，水回收率可提高到96%以上。目前，國際空間站尿處理單元的水回收率僅為75%左右，每天約有1.2 L的尿殘液需要儲存[5]。若采用VMD-RO聯用工藝，每天可減少約1 L的廢液儲存量，極大減少了殘液的存儲空間。

圖7 VMD-RO聯用工藝對水回收率的影響Fig.7 Effect of Integrated Process of VMD-RO on Water Recovery

3 結論

(1)采用VMD技術處理尿液廢水，水量、水質均能保持穩定。溫度對VMD產水量和水質存在一定影響，當采用較低溫度(進口溫度56 ℃)運行時，其產水量為2.5 kg/(m2·h)，電導率不超過50 μs/cm，TOC不超過15 mg/L。

(2)采用RO技術處理尿液廢水經VMD處理后的產水，水量、水質穩定性好，反滲透產水電導率小于1 μs/cm，TOC小于5 mg/L。

(3)采用VMD-RO聯用技術，將RO濃液全部回流至VMD進一步濃縮，可提高整個系統的水回收率，這對減少空間站廢水的儲存、提高廢水的回收利用率具有十分重要的意義。