真空膜蒸馏-反渗透联用技术处理尿液废水试验

刘 铮，丁 平，王 剑，董文平,*，刘国昌

(1.自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192；2.中国航天员科研训练中心，北京 100094)

水是维持人类生命的基本要素，水回收技术是支持航天员长期太空停留的重要生命保障技术之一。随着我国空间站工程的实施，对舱内水的回收处理需求十分迫切[1]。尿液废水是空间站废水中最为复杂的一类，因其高盐、高有机物的特点，可引起结垢、结晶、腐蚀等一系列问题，成为空间站废水处理的难点[2]。蒸气压缩蒸馏(VCD)技术作为国际空间站尿液废水处理的核心技术，应用过程中出现多次故障，影响了空间站生命保障系统的稳定性和可靠性[3]。寻找可替代的尿液废水处理技术，对空间站水回收技术的发展十分重要。膜蒸馏和反渗透(RO)技术作为民用领域处理含盐废水的主要膜技术，同样获得了空间站废水处理相关研究人员的关注，但以膜蒸馏和RO联用作为尿液废水处理的研究还未见报道。本文采用真空膜蒸馏(VMD)与RO联用技术处理模拟尿液废水，为空间站尿液废水的技术升级提供可行的技术方案。

1 试验材料和方法

1.1 试验装置及工艺流程

试验所用VMD-RO装置为自制设备，其工艺流程如图1所示。来自原水箱的尿液废水通过磁力泵输送至膜蒸馏单元进行VMD处理，膜蒸馏浓液返回原水箱，使尿液废水浓度不断增加。所收集的膜蒸馏产水储存于中间水箱，当尿液废水回收率达到80%时，VMD停止运行，启动RO单元，开始处理膜蒸馏产水。RO运行期间，浓水返回中间水箱，RO产水收集于产水箱。当水回收率达到90%时，RO停止运行，完成一个试验周期。一个周期结束后，RO浓液可直接排放(模式1)，也可回收至原水箱(模式2)与下一周期的尿液废水合流处理。两种运行模式除排放方式差异外，在膜蒸馏循环温度上也有所区别，详细运行参数如表1所示。运行期间通过电子天平和在线电导率仪采集VMD和RO通量、电导率变化情况，TOC采用Sievers InnovOx ES总有机碳分析仪离线测定。

图1 VMD-RO联用工艺流程示意图Fig.1 Schematic Diagram of Integrated Process of VMD-RO

表1 VMD-RO联用工艺运行参数Tab.1 Operation Parameters of Integrated Process of VMD-RO

1.2 膜组件规格

试验所用膜材料和组件均为自制。其中，VMD所用膜为聚丙烯膜采用熔纺拉伸技术制备，RO所用膜为聚酰胺复合膜采用界面聚合技术制备。膜材料及组件性能如表2所示。

表2 试验用膜材料及组件性能Tab.2 Performance of Membranes and Modules for Experiment

1.3 尿液配水

试验所用尿液为人工配制，水质成分和含量如表3所示。为了模拟空间站实际应用环境，在尿液处理前，加入一定量的冲洗水(纯水)和稳定剂，稳定剂的成分为浓硫酸和三氧化铬的水溶液，尿液、冲洗水和稳定剂按83∶17∶1配制成尿液废水，TOC含量为2 750～3 075 mg/L，电导率为(22.0±0.5)ms/cm。

表3 模拟尿液成分Tab.3 Components of Simulated of Urine

2 结果与分析

2.1 VMD运行效果

试验测试了两种循环温度下，各完成一次80%水回收的膜蒸馏效果。如图2所示，浓缩过程中，通量稳定性较好，未见明显的通量衰减现象，但由于循环温度的降低，水蒸气分压下降，产水量显著下降，模式1的平均通量约为3.5 kg/(m2·h)，模式2的平均通量约为2.5 kg/(m2·h)。温度的变化对产水电导率的影响如图3所示，改变温度对产水水质的影响不大，且随着尿液废水的不断浓缩，浓液的电导率显著增加，而产水电导率涨幅不大，说明尿液废水浓度的变化对产水电导率的影响也较小。其原因是稳定剂发挥了固定游离氨的作用，避免了氨的溢出。但温度的变化对产水有机物含量的影响较为显著，如图4所示，当温度较高时，产水TOC含量可达151 mg/L，而当温度降低时，产水中的TOC含量仅有15 mg/L，说明尿液中的温敏型小分子有机物(如苯酚)，在温度较高时会进入产水中，引起产水水质下降。因此，为提高产水水质，可采用低温运行的方式进行尿液废水处理。

图2 VMD通量随时间的变化情况Fig.2 Variation of VMD Flux with Time

图3 VMD电导率随时间的变化情况Fig.3 Variation of VMD Conductivity with Time

图4 VMD-RO联用工艺对TOC的处理效果Fig.4 Effect of Integrated Process of VMD-RO on TOC Removal

2.2 RO运行效果

以模式2处理VMD产水，RO的通量和电导率变化情况如图5和图6所示。RO的产水通量基本保持在25～30 kg/(m2·h)，电导率保持在小于1 μs/cm，有机物的截留率仅有70%左右。在模式2运行时，由于VMD产水水质较好，RO产水TOC含量可达到5 mg/L以下，低于饮用水国家标准中对有机物限值的规定[4]。

图5 RO通量随时间的变化情况Fig.5 Variation of RO Flux with Time

图6 RO电导率随时间的变化情况Fig.6 Variation of RO Conductivity with Time

2.3 VMD-RO对水回收率的影响

VMD-RO联用工艺通量的稳定性较好，控制产水水质的关键在于VMD循环温度。降低VMD运行温度，可控制小分子有机物的溢出，从而提高整个工艺的产水水质。且当小分子有机物可控时，采用完全回流的模式2，不仅可以减少RO浓残液的排出，还可以提高整个运行工艺的水回收率。图7对比了两种运行模式下，经过10个周期的运行后水回收率的差异。当采用完全回流的模式处理尿液废水时，水回收率可提高到96%以上。目前，国际空间站尿处理单元的水回收率仅为75%左右，每天约有1.2 L的尿残液需要储存[5]。若采用VMD-RO联用工艺，每天可减少约1 L的废液储存量，极大减少了残液的存储空间。

图7 VMD-RO联用工艺对水回收率的影响Fig.7 Effect of Integrated Process of VMD-RO on Water Recovery

3 结论

(1)采用VMD技术处理尿液废水，水量、水质均能保持稳定。温度对VMD产水量和水质存在一定影响，当采用较低温度(进口温度56 ℃)运行时，其产水量为2.5 kg/(m2·h)，电导率不超过50 μs/cm，TOC不超过15 mg/L。

(2)采用RO技术处理尿液废水经VMD处理后的产水，水量、水质稳定性好，反渗透产水电导率小于1 μs/cm，TOC小于5 mg/L。

(3)采用VMD-RO联用技术，将RO浓液全部回流至VMD进一步浓缩，可提高整个系统的水回收率，这对减少空间站废水的储存、提高废水的回收利用率具有十分重要的意义。