单级硝化反应器处理CELSS尿液废水效能研究

针对环控生保系统(CELSS)中尿液废水的处理与回用需求,构建了单级生物硝化反应器,以完成废水中有机物的矿化处理,并实现对其中的氮素的硝化处理,以便进一步资源化利用。在389 d的试验周期内进行了反应器启动、驯化,并完成对不同浓度尿液废水的处理效能研究,考察了生物反应器对不同尿液浓度废水的有机物矿化、氮素转化性能。对尿液体积分数10%的生活废水,稳定运行时可实现97%的总有机碳(TOC)去除率,97%的硝酸盐转化率,碱度消耗约为34 mg CaCO_(3)/mgN;对尿液体积分数40%的生活废水,可实现99%的TOC去除率,52%的硝酸盐转化率,碱度消耗约为234 mg CaCO_(3)/mgN;对纯尿液,可实现99%的TOC去除率,以及50%的硝酸盐转化率,碱度消耗约为146 mg CaCO_(3)/mgN。从反应器的活性污泥中检测出高丰度的硝化细菌。经历驯化后,硝化反应器在长达261 d内对航天生活废水保持了较高的有机物去除率。对尿液体积分数10%的生活废水,使水力停留时间(HRT)保持278 d;对尿液体积分数40%的生活废水,使HRT保持833 d;可在以上工艺条件下实现较高的硝酸盐转化率,初步验证了该工艺作为载人航天生活废水处理单元的应用潜力。

药食同源理论及其在航天营养健康研究中的应用

载人航天飞行中面临的重力场变化、辐射、狭小空间孤闭隔离、噪声及生物节律变化等航天特因环境给维持航天员机体营养健康带来了挑战。根据载人航天实践,综述了航天特因环境下机体适应性变化,阐述了药食同源在航天营养健康保障中的应用预先研究现状,分析并提出了药食同源在支持未来载人深空探测方面的潜在应用价值。

空间低压环境下植物养分吸收与生长特性研究进展

针对月球/火星基地大气压控制一般低于标准大气压(101 kPa)的要求,开展低压环境下植物的养分吸收与生长特性研究有助于对低压下植物的生长差异有更深层次的理解,从而在受控生态生保系统内建立更完善的植物单元体系。综述了近年来国内外低压植物培养实验的主要研究结果,对比分析了低压植物养分吸收与动力学特性的差异,以及对植物生长状态、生物量和基因表达的影响,并对未来的低压植物实验研究方向做出展望。

供氧浓度对受控生态生保系统典型生物质固废好氧堆肥的影响

目的探讨不同供氧浓度对生物质固废好氧堆肥化处理过程的影响机制,以掌握适用于未来地外星球基地受控生态生保系统(CELSS)固废资源化处理的供氧参数,提高氧气利用率。方法利用自研的固废生物反应器试验系统,以小麦秸秆和模拟粪便为处理对象,开展10%、15%和21%三种供氧浓度的好氧堆肥化处理实验,定期采样并分析处理过程中的气体组分(O_(2)、NH_(3)、CH_(4)和N_(2)O)及物料腐熟度(含水率、溶解性有机碳、NH_(4)^(+)-N和种子发芽指数)。结果15%O_(2)处理组耗氧量最大,NH_(3)和N_(2)O排放量最小,溶解性有机碳含量降解效果最好,NH_(4)^(+)-N含量较高;3个处理组中CH_(4)排放均处于较低水平。堆肥结束时,10%O_(2)和15%O_(2)处理组的产品含水率均大于74%,保水性最好,各处理组的种子发芽指数分别达到86.64%、123.81%和97.98%。结论与10%和21%供氧浓度相比,15%供氧浓度有效减少了NH_(3)和N_(2)O的排放,且拥有良好的保氮、保水和溶解有机碳降解效果,腐熟度更高。

多年生叶类蔬菜在CELSS中的生产和品质分析

目的研究多年生叶类蔬菜在受控生态生保系统(Controlled Ecological Life Support System,CELSS)中的生长和生产情况。方法在绿航星际—4人180天CELSS集成试验中,引入4种多年生叶类蔬菜(绿背天葵、芹菜、韭菜和空心菜),通过对生长情况、生长速率以及营养成分等指标与生菜进行比较,分析多年生叶类蔬菜在CELSS中的应用前景。结果4种多年生叶类蔬菜在集成试验中生长状态良好;试验结束时,绿背天葵和空心菜可食部分生产速率高于生菜;多年生叶类蔬菜的收获间隔时间短,且营养成分与生菜相当。结论多年生叶类蔬菜具有管理简单、收获间隔短、产量稳定等特点,能够在未来长期深空探测或星球基地任务的生保系统构建中发挥重要作用。

基于MBR耦合多级膜分离的生活用水供应系统在CELSS中的运行试验

目的针对受控生态生保系统对卫生用水和饮用水的需求,构建以膜生物反应器(membrane bio-reactor,MBR)为核心,并辅以膜分离和离子交换工艺的生活用水供应系统。方法基于受控生态生保系统(Controlled Ecological Life Support System,CELSS)试验平台,以冷凝水为水源,探讨生活用水供应系统在连续180 d试验周期内的运行效果,重点考察系统的卫生用水和饮用水出水水质。结果生活用水供应系统在180 d内有效控制了水质感官性状,使卫生用水和饮用水出水p H分别在6.5~8.9和5.8~7.4范围内,平均出水电导率达到5.8和13.3μS/cm,平均出水浊度达到1.6和0.7 NTU,满足试验医学标准。同时,该系统具有高效的污染物去除能力,MBR是TOC和NH_4^+ -N的主要去除单元,可使去除率均达到97%以上;NF和RO是TOC和NH_4^+ -N保障去除单元,使出水浓度均降低至检测限以下。但MBR对NO_x^- -N去除有限,NF和RO是其主要去除单元,可使NO_x^- -N去除率达到95%。结论以MBR为工艺核心的生活用水供应系统,可连续稳定运行180 d以上,并在运行期间不间断保质足量供给4名乘员卫生用水及饮用水。

CELSS中营养液循环利用应用实例

针对CELSS中作物连续批次栽培时营养液循环利用的问题,研究根据植物对营养的吸收特性及时高效地进行养分供应的方法。在同一营养液体系中连续种植3个批次的小麦,通过自动控制+定期取样的方法对营养液进行监控,比较小麦生长情况及产量,研究营养液各元素的变化及补充规律。研究发现:3个批次的小麦生长状态良好并且产量没有明显差异;在小麦快速生长时期,要单独对钾和磷进行补充,整个生长周期要持续补充铁和锰这两种微量元素。4个月的营养液循环使用不会影响小麦的产量,找出了营养液中需要单独补充的关键元素,为后续简化营养液的控制模式、降低乘员劳动负荷提供了数据支持和依据。

冻融交替对小麦秸秆降解特性的影响

针对未来星球基地中植物类固废的资源化循环利用问题,以受控生态生保系统中的主要固废小麦秸秆为实验材料,探究了冻融交替对其降解特性的影响。选取冷冻温度、冷冻时间、冻融次数3个影响因子,开展了三因素三水平正交实验L_(9)(3~4)。测定秸秆冻融前后可溶性总碳、总氮含量的变化,根据结果选取部分组别进一步开展微观形貌观察、纤维素结晶度以及化学结构特性的测定。结果表明:冻融交替会提高小麦秸秆的可溶性总碳、总氮含量,改变秸秆表面的微观形貌,提高纤维素结晶度,打断秸秆中的-OH、C-H、C-O等键。此外,在冷冻温度-80℃,冷冻时间4 h,冻融次数3次的条件下,小麦秸秆中可溶性总碳、总氮含量最高,比对照组分别提高了51.4%和74.4%,说明在此条件下小麦秸秆各降解特性改变最大,更有利于其后续的生物降解。

中国载人航天器环境控制与生命保障技术研究

中国载人航天器环控生保技术经历了预先研究和局部技术卫星试验,进行了"神舟"飞船环控生保分系统的研制,并进行了物理化学再生式环控生保技术和受控生态生保技术的研究。本文主要介绍了上述过程环控生保系统技术的研究进展,并分析了环控生保系统的技术特点。

受控生态生保系统内红萍供氧特性研究

研究红萍载人供O_2特征,为红萍生物部件进行系统总体地面模拟试验及空间应用奠定基础,构建了受控生态生保系统密闭试验舱和红萍栽培装置,在"红萍-鱼-人"共存情况下,测定密闭舱内O_2,CO_2浓度的变化.试验结果显示,单位重量的鱼耗O_2量为0.0805～0.0831 L·kg^(-1)·h^(-1),排放CO_2量为0.0705～0.0736 L·kg^(-1)·h^(-1);试验志愿者耗O_2量19.71 L·h^(-1),呼吸释放CO_2量18.90 L·h^(-1).人工光照保持7000～8000 lx条件下,红萍的光合作用与人和鱼的呼吸作用相辅相成,舱内O_2,CO_2浓度趋于平衡.密闭舱内CO_2浓度升高对促进红萍群体净光合效率有明显效果,红萍光合放O_2能力很强,能有效促使密闭舱内O_2,CO_2浓度朝着有利于人生存的环境方向平衡,进而验证了红萍的空间应用前景.

受控生态生保系统中长效专用控释肥料研制

目的研制长效专用控释肥料,为受控生态生保系统中高等植物的生长提供养分资源。方法根据产品技术指标和性能要求,提出设计方案,经过原料筛选、组分配比、颗粒制作和包膜等工艺过程,研制成长效专用控释肥料,最后对产品进行养分释放规律实验和植物栽培实验。结果产品中含氮(N18.0%、磷(P2O5)14.3%、钾(K2O)12.6%、钙(Ca)2.6%、硫(S)3.5%、镁(Mg)0.12%,微量元素适量;产品颗粒大小均匀,直径为2.5～4.0mm;20～25℃条件下,10、20、30、40、50d内肥料累积释放量分别为7.9%、21.6%、40.5%、50.2%、60.9%;利用该肥料培养生菜,整个45d的生育期内植株没有出 现养分缺乏现象,长势良好。结论研制的长效专用控释肥料性能技术指标满足植物生长需求,产品设 计方案合理,能够作为受控生态生保系统中高等植物生长的养分资源。

不同比例红蓝LED光照对油麦菜生长发育的影响

目的研究红蓝单色光对植物生长的影响,探索其作为植物生长光源的可行性。方法采用白、红和蓝发光二极管的光照条件培养油麦菜,分析和比较油麦菜植株在不同光质下的生长状态、生理特性和养分含量的差异。结果红光促进油麦菜茎叶径向生长,蓝光利于其茎叶横向生长和光合色素合成;油麦菜在全红光下不能正常生长,5%~20%蓝光比例能提高其光合和蒸腾速率、光合色素含量、生物量和大量元素含量,改善其荧光特性。25%~50%蓝光比例使光合色素含量进一步增加,但地上生物量明显下降,根冠比显著增加;红蓝单色光增加了单位面积或功率的生物产量。结论红蓝发光二极管可用于培养油麦菜,且蓝光比例为10%的光照条件最有利于油麦菜生长。

4人180天集成试验环控生保系统设计及运行概况

目的面向星球基地生命保障系统的工程应用需求,探索物化再生生保与生物再生生保技术的整合方法,考察多乘员、中长期受控生态生保系统运行规律。方法设计并建成具备环境控制、物质循环以及应急生保功能的大型密闭生态循环系统试验平台,并通过拟人试验(40 d)与载人试验(180 d)的流程设计,量化考核物质循环从物化再生逐渐过渡到生物再生并维持平衡的协同匹配规律。结果 220 d的全封闭试验期间,密闭系统内环境参数控制在安全水平,基本实现人和植物生存环境的独立有效控制;载人试验期间物质流循环总体平稳,实现大气和水的100%再生,食物闭合度达到55%,同时可资源化固废回用率达到87.7%。结论验证了受控生态生保系统全流程构建模式,积累了建设和运行经验,为后续工程化应用研究提供了借鉴和参考。

深空探测低压植物栽培装置研制

目的研制低压植物栽培装置,以便开展模拟深空探测低压条件下高等植物栽培技术研究,为建立低压条件下的受控生态生保系统奠定基础。方法通过详细的技术方案论证、图纸设计与加工、部件安装与调试以及装置试运行,最后开展验证实验来检验其技术性能。结果研制成功2套低压植物栽培装置,均能进行低压或常压植物栽培,该装置运行较为稳定,温度、相对湿度、大气总压、O2分压、CO2分压和基质含水量等技术参数均能进行有效的测量和控制。结论该装置各项实际性能指标基本满足设计和实验要求,可用于开展下一步低压植物栽培试验。

俄罗斯受控生态生保技术研究进展

受控生态生命保障系统(CELSS)是建立月球/火星基地等空间永久基地必须解决的关键技术之一。本文作者通过对俄罗斯有关研究专家的调研和资料分析,详细介绍了俄罗斯在受控生态生命保障系统方面的研究思路和所取得的成果及今后急需研究的问题,在此基础上提出了我国开展此项研究的建议,对于我国开展有关研究具有参考价值。

受控生态生保系统中叶用蔬菜植物品种的筛选

目的为受控生态生保系统筛选合适的叶用蔬菜植物种类及品种。方法在环境参数一致的条件下,对4种散叶生菜品种,1种油麦菜,2种菠菜品种,1种曲麻菜和1种油菜进行栽培,以可食生物产量、营养品质、光合效率和蒸腾效率4个生理特性作为评价指标,对候选植物品种进行筛选。同时在不同CO2浓度(500、1000、1500和2000μmol/mol)和光照强度条件[100、300、500和700μmol/(m2·s)]下对各品种的光合效率和蒸腾效率进行了测量。结果筛选出了“嫩绿奶油”生菜、“大速生”生菜、曲麻菜和四季油麦菜4个植物品种,以及与之相关的适宜CO2浓度为2000μmol/mol,光照强度为700μmol/(m2·s)。结论筛选出的4种植物品种在受控生态生保系统适宜条件下具有较高的可食生物产量、营养品质、光合效率和蒸腾效率等特性,可以作为受控生态生保系统中的生物部件。

飞船环境控制与生命保障系统

环境控制与生命保障系统是飞船上十分复杂和相当重要的分系统 ,是实现载人航天必须要突破的一项关键技术。本文着重论述了系统的功能任务、技术要求及系统的主要技术 ,对系统的试验验证工作也进行了讨论。

基于任务需求和ESM分析的受控生态生保系统植物部件品种规划

针对任务周期长、距离远的长期载人深空探测,长期地外生存等任务要求建立受控生态生保系统,通过合适的植物部件利用当地资源进行空间作物生产。利用等效系统质量方法,比较了地球携带食物补给和受控生态生保系统植物部件就地生产两种补给模式的优劣。从受控生态生保系统角度讨论了主食、果蔬和蛋白质-脂肪等食物需求与植物部件设计的关系,对1~2年任务周期的深空探测飞行任务首先应配备小量蔬菜栽培装置。可以利用太阳光时,2年以上即可建立植物部件生产果蔬;15年以上方可生产粮食作物;而只能利用人工光源时,3.4年以上的深空探测任务才适合植物部件供应新鲜果蔬,而主食则需要76年以上。油料作物的空间生产在目前技术条件下不具备应用可行性。

空间蔬菜栽培装置地面实验样机研制

目的研制成空间蔬菜栽培装置地面实验样机,以便解决空间环境条件下栽培蔬菜的若干关键技术,为下一步研制空间蔬菜栽培装置样机和上天产品,并最终为在我国空间站实现空间蔬菜生产的实验与应用奠定基础。方法在详细技术方案论证与设计的基础上,进行了部件图纸设计与投厂加工、整机设备安装、调试、试运行和验证实验等。结果该样机栽培室内的温度、相对湿度、风速、总压、O2分压、CO2分压和栽培基质水分含量均实行自动而有效的控制;光源为高效电子荧光灯;平均蔬菜生产量可以 达到60g鲜重·d-1。结论该样机运行平稳,实际性能基本达到了预定的技术指标,部分组件的工作原理能够适应空间微重力环境,从而为今后研制空间蔬菜栽培装置打下了良好基础。

空间乙烯过滤器地面试验样机研制

目的研制成空间乙烯过滤器地面试验样机,采用微生物技术控制受控生态生保系统中高等植物产生的微量乙烯(C2H4),以保障植物的正常生长发育。方法通过详细的技术方案论证、图纸设计与加工、部件安装与调试以及样机试运行,最后进行验证实验来检验其技术性能。结果样机反应器中基质的温度、含水量、pH值以及气体的流量、温湿度等参数均能实行有效控制,反应器中的微生物经过一段时间驯化后,对乙烯气体的最高降解率可达到9.04mg/(m3.h)。结论样机实际性能基本达到了设计要求,运行稳定,可用于控制受控生态生保系统中乙烯气体的浓度。