「月宮一號」中固體廢物的處理和再利用

「月宮一號」實驗系統由一個綜合艙和兩個植物艙組成。艙內共種植了35種作物：植物艙一主要種植小麥、土豆、芋頭等作為主食的作物；植物艙二主要種植大豆、油莎豆、黃瓜、西紅柿、草莓、青椒、葉菜等作物。綜合艙主要用於乘員工作休息、水處理、固體廢物處理、黃粉蟲飼養、蘑菇栽培等。「月宮一號」艙內固體廢物包括乘員及黃粉蟲糞便、植物不可食部分、餐廚垃圾等，其處理和再利用與系統閉合度密切相關。因此，固體廢物處理是生物再生生命保障系統中重要的單元。

「月宮一號」艙內的固體廢物採用高溫好氧發酵處理，處理後的產物可以作為有機肥施用，發酵過程中產生的二氧化碳也可以通入植物艙，作為植物光合作用的原料。固體廢物的處理及利用過程如下：首先，篩選高溫好氧微生物菌群，該菌群可以降解植物秸稈中的纖維素，降解效率越高產生的二氧化碳越多，有機肥腐熟程度越高，也對植物種植越有利。所以微生物菌群的篩選對實驗的順利開展至關重要。另外，微生物接種比例要保持在合適的水平，一般接種菌劑比例在5%到10%之間。其次，按照堆肥適宜的碳氮比（一般30：1或35：1）計算乘員糞便和植物不可食部分合適的混合比例。其中，植物不可食部分主要為各種植物的秸稈和根類，進入發酵設備之前，首先將其移入綜合艙內的儲藏室晾乾，再用植物粉碎機進行粉碎（為了保證發酵良好的通氣性，一般粉碎粒徑為2-20 mm）。最後，將固廢混合物加入到固廢轉化器中，調節初始含水率50%-70%，溫度50-60oC，並定時攪拌和通氣。

圖一 月宮艙內處理固體廢物的固廢轉化器

月宮365實驗共計365天，每天都會有新產生的固體廢物進入到固廢轉化器中，隨著實驗的進行，固體廢物也在不斷被降解。由於秸稈富含纖維素、半纖維素和木質素，不易被微生物降解完全，因此固廢轉化器中的物料會不斷積累。當設備中的物料達到設備體積的一半時，部分物料，送至發酵箱中進行二次發酵，直至完全腐熟。二次發酵過程也需定時攪拌以及通氧，避免因厭氧發酵產生NH3、H2S等有害氣體。發酵結束後對產物進行腐熟指標檢測，包括堆肥的常規物理指標（顏色、氣味、顆粒度、含水率等）、植物毒性檢測（一般為發芽指數GI）、碳氮比、pH和電導率等。

物料完全腐熟後，用離子色譜檢測發酵產物浸提液中的營養離子濃度，與Hoagland營養液中的各營養元素的含量進行對比，計算髮酵產物合適的添加比例。之後將腐熟的物料與蛭石混合後，作為基肥加入到植物種植槽，待植物生長到一定階段再進行相應追肥。固廢發酵產物中除了富含氮、磷、鉀等大量元素外，還含有植物生長所需要的各種微量元素，以及可被植物直接吸收利用的可溶性糖、氨基酸和有機氮等；同時發酵產物還可以提高植物的抗逆性，比如抗旱性、抗病性、抗倒伏、耐鹽性等。利用發酵產物作為有機肥種植植物實現了固體廢物的再利用，提高了物質循環效率，也提高了整個系統的閉合度。

圖二 月宮艙內採用發酵產物種植的小麥

圖三 固廢發酵產物種植的奶油生菜

再過幾年，我國自主建設的空間站將會建成並投入使用，屆時航天員會長期生存於太空中；而再過15到20年，我國將實現載人登月，進而建立月球基地。人類在太空和月球長期生存離不開生物再生生命保障系統，其中的固體廢物處理也必不可少。目前「月宮一號」開展的科學實驗對我國未來的深空探測生命保障具有重要的意義，這也是激勵著我們每一個人前進的動力！

圖文：劉佃磊，博士研究生

編輯：姚智愷，碩士研究生

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北京航空航天大學生物與醫學工程學院

環境生物學與生命保障技術研究所 "月宮一號" 劉紅教授科研團隊

中國生物醫學工程學會-全國空間基地生命保障首席科學傳播專家團隊

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