УСТРОЙСТВО УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА И НЕСЪЕДОБНОЙ БИОМАССЫ РАСТЕНИЙ, ПРИВОДЯЩЕЕ К ПОЛУЧЕНИЮ ИЗ НИХ УДОБРЕНИЙ

Полезная модель относится к устройствам утилизации отходов жизнедеятельности человека и несъедобной биомассы растений, приводящим к получению из них удобрений и может быть использована в космических и других системах жизнеобеспечения человека, включающих в себя растения, в том числе высшие, в мобильных системах очистки, в целлюлозно-бумажной промышленности. Продуктом утилизации органических отходов является раствор минеральных веществ.
В настоящее время используется несколько способов решения проблемы переработки указанных отходов. Но в предлагаемой работе речь идет о том, чтобы в некоторых системах жизнеобеспечения человека, использующих растения, например, в космических системах длительного полета, имелась возможность переработки отходов жизнедеятельности человека и несъедобной биомассы растений для получения из них удобрений. Продуктом утилизации в таком случае будут растворы Минеральных веществ, используемых как удобрения. При этом учитываются специфические эксплуатационные особенности системы, в которых будут проводить переработку отходов, в частности их замкнутость.
Известные способы утилизации вышеуказанных отходов делятся в основном на два типа: сжигание высушенных отходов в воздухе при 1170-1370 К или при 810 К в атмосфере чистого кислорода [1]. Этот способ традиционно используется для утилизации отходов, начиная с бытового мусора и кончая космическими СЖО. Недостатками этого способа являются выход ядовитых для человека и растений газов, включающих недоокисленные продукты и диоксины, зола содержит сплавленные, малорастворимые минералы. Вторым является "мокрое окисление", при котором процесс проходит в атмосфере чистого кислорода под давлением 140 атм и температуре 200-300°C, или "мокрое-суперкритическое" при 220 атм и 377°C [2, 3].
Из уровня техники известен способ утилизации отходов жизнедеятельности человека и несъедобной биомассы растений, приводящий к получению из них удобрений путем "мокрого" окисления, отличающийся тем, что взвесь измельченных твердых и жидких отходов окисляют атомарным кислородом, получающимся при добавлении в отходы перекиси водорода и активации всей массы электромагнитным воздействием до полного ее окисления [4].
Наиболее близким аналогом полезной модели является ранее созданная модель (прототипный реактор), реализованный на основе способа [4]. Прототипный реактор неоднократно использовался в многочисленных работах Лаборатории управления биосинтезом фотоавтотрофов Института биофизики СО РАН [5, 6, 7] по переработке экзометаболитов человека и несъедобной биомассы растений (солома, корни, листья). Реактор представляет собой емкость из кварцевого стекла с рабочим объемом 1,2 л, при общем объеме 2,2 л, в которую помещаются измельченные отходы в растворе перекиси водорода; там же имеются угольные электроды, к которым подводится переменное напряжение; ЛАТР и вольтметр для контроля и задания напряжения; к емкости подсоединен вертикальный обратный холодильник, для возвращения в объем водного конденсата; параллельно к холодильнику подсоединен дополнительный сосуд для сбора излишков выделяющейся пены и возвращения осажденной жидкости в реактор; к системе подсоединен пеногаситель для осаждения выделяющейся в процессе работы реактора пены; имеется сосуд для фиксации аммиака, содержащий в себе кислотный раствор; дополнительные сосуды для предупреждения смешивания раствора минерализуемых органических отходов и кислотного раствора при перепадах давления; катализатор, нагревающийся до рабочей температуры при пропускании через него электрического тока, для окисления водорода и летучих углеводородов, выделяющихся с газом из реактора.
Недостатками известного реактора являются недостаточно большой объем реактора, который не позволяет единовременно переработать суточную норму экзометаболитов нескольких человек; отсутствие системы экстренного сброса давления; отсутствие возможности слежения за параметрами реактора; образование пены в ходе реакции, мешающей процессу.
Техническим результатом заявленного решения является повышение эффективности работы и производительности при пониженном энергопотреблении.
Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство утилизации отходов жизнедеятельности человека и несъедобной биомассы растений, содержащее реактор для отходов, залитый раствором перекиси водорода; в реакторе расположены угольные электроды, к которым подведено переменное напряжение от системы автоматического питания, контроля и управления, к емкости подсоединен вертикальный обратный холодильник с функцией возвращения в объем водного конденсата, параллельно к холодильнику подсоединен дополнительный сосуд с функцией сбора излишков выделяющейся пены и возвращения осажденной жидкости в реактор к устройству подсоединен пеногаситель, выполненный с возможностью автоматического включения для осаждения, выделяющейся в процессе работы реактора, пены; содержащее сосуд для фиксации аммиака, содержащий в себе кислотный раствор; содержащее катализатор для окисления водорода и летучих углеводородов; отличающееся тем, что содержит предохранительный клапан с функцией автоматического экстренного сброса давления, установленный на корпусе реактора; содержит дополнительные сосуды, связанные сообщающимися каналами с сосудом кислоты; содержит датчик контроля за температурой, помещенный внутри реактора и погруженный в жидкость; содержит датчик давления, установленный на одном из патрубков, идущих из дополнительных сосудов и сосуда кислоты; содержит датчик силы тока, установленный на одном из проводников, подводящих переменное напряжение от системы автоматического питания, контроля и управления к угольным электродам. Предпочтительно устройство содержит не менее двух сосудов, предохраняющих от смешивания раствор из реактора и кислоту из сосуда фиксации аммиака и один сосуд для фиксации аммиака с кислотным раствором.
Полезная модель поясняется чертежами
На Фиг. 1 показана схема устройства полезной модели с проводной системой управления, где 1 - емкость реактора; 2 - крышка для залива перекиси и отходов; 3 - сливной клапан; 4 - электроды; 5 - обратный холодильник; 6 - емкость для сбора излишков пены; 7 - мембрана сбивания пены (пеногаситель); 8 - сосуды, предохраняющие от смешивания раствор из реактора и кислоту из сосуда фиксации аммиака; 9 - сосуд фиксации аммиака с кислотным раствором; 10 - катализатор для окисления водорода и летучих углеводородов; 11 - система автоматического питания, контроля и управления; 12 - датчик температуры; 13 - датчик давления; 14 - предохранительный клапан, 15 - датчик силы тока.
На Фиг. 2 показана схема устройства полезной модели с беспроводной системой управления, где 16 - блок беспроводной связи для передачи данных с датчика температуры, 17 - блок беспроводной связи для передачи данных с датчика давления, 18 - блок беспроводной связи для передачи данных с датчика силы тока.
Осуществление полезной модели
Полезная модель может быть реализована на основе емкости (реактора) 1, которая может быть выполнена из керамики, стекла, фторопласта или любого другого химически стойкого материала, в которую помещаются измельченные органические отходы в растворе перекиси водорода. Там же имеются угольные электроды 4, к которым подводится переменное напряжение от системы автоматического питания, контроля и управления 11.
Устройство содержит предохранительный клапан 14 для автоматического экстренного сброса давления, который помещен внутри реактора 1 и погружен в жидкость. Датчик давления 13 может быть установлен в любом месте на одном из патрубков, идущих из дополнительных сосудов 8 и сосуда кислоты 9.
Оптимально использование не менее двух сосудов 8, предохраняющих от смешивания раствор из реактора и кислоту из сосуда фиксации аммиака и один сосуд 9 для фиксации аммиака с кислотным раствором.
К емкости 1 подсоединен вертикальный обратный холодильник 5, для возвращения в объем водного конденсата. Параллельно к холодильнику подсоединен дополнительный сосуд 6 для сбора излишков выделяющейся пены и возвращения осажденной жидкости в реактор.
Также к системе подсоединен пеногаситель 7, автоматически включающийся для осаждения выделяющейся в процессе работы реактора пены. Пеногаситель 7 может быть выполнен в виде мембраны.
Имеется сосуд 9 для фиксации аммиака, содержащий в себе кислотный раствор; дополнительные сосуды 8 для предупреждения смешивания раствора минерализуемых органических отходов и кислотного раствора при перепадах давления; катализатор 10, автоматически нагревающийся до рабочей температуры при пропускании через него электрического тока, для окисления водорода и летучих углеводородов, входящих в состав образующихся в реакторе газов.
Управление устройством может осуществляться, например, вручную оператором, который ориентируется на показания датчиков температуры 12, давления 13 и тока 15, так и автоматически, на основе системы 11 автоматического контроля и управления, позволяющей следить за величинами температуры, давления, силы тока, напряжения, а также позволяющей устанавливать (как до начала процесса, так и во время его хода) определенный параметрический режим работы реактора, выключать установку по завершению процесса минерализации и открывать предохранительный клапан экстренного сброса давления на основе показаний датчика давления.
Управление посредством системы 11 может быть как на основе проводной связи ее с датчиками температуры 12, давления 13 и тока 15 (см. Фиг. 1), так и может быть выполнено посредством удаленного управления за счет установленных на датчики 12, 13, 15 устройств беспроводной связи 16, 17, 18, соответственно, для удаленной передачи данных оператору. Посредством данных блоков 16, 17, 18 на удаленный узел управления поступают данные о параметрах температуры, давления и силы тока, что позволяет с удаленного узла управления также удаленно устанавливать (как до начала процесса, так и во время его хода) определенный параметрический режим работы реактора, выключать установку по завершению процесса минерализации и открывать предохранительный клапан экстренного сброса давления на основе показаний датчика давления.
Отличием полезной модели от прототипа является наличие предохранительного клапана 14 и автоматической системы экстренного сброса давления, оснащение полезной модели датчиками температуры 12, давления 13 и силы тока 15, установка системы автоматического переключения напряжения, позволяющей проводить реакцию по заданному режиму вплоть до окончания реакции, наличие устройства программирования режима работы реактора по показаниям давления, наличие системы автоматического включения катализатора для окисления водорода и летучих углеводородов, выделяющихся с газом из реактора; наличие системы автоматического включения пеногасителя 7 для сбивания образующейся пены в ходе реакции. Данные системы автоматического переключения напряжения могут быть включены в систему автоматического питания, контроля и управления 11.
Заявленная полезная модель не уступает прототипному образцу по такому параметру, как степень минерализации органических отходов, но при этом обладает рядом дополнительных преимуществ:
- имеет больший объем окисляемых органических отходов за один процесс минерализации;
- требует меньше времени на процесс минерализации органических отходов;
- имеет меньшее удельное энергопотребление, приходящееся на 1 л минерализуемого раствора (Пример. В случае минерализации экзометаболитов человека: 152 Вт·ч/л для вновь созданного реактора и 776 Вт·ч/л для старого прототипа; в случае минерализации соломы: 1600 Вт·ч/л для вновь созданного реактора и 7950 Вт·ч/л для старого прототипа);
- возможность программирования режима работы позволяет определять продолжительность процесса и степень минерализации отходов, а также минимизировать участие человека в процессе минерализации органических отходов;
- имеет в наличии предохранительный клапан и автоматическую систему экстренного сброса давления, что позволяет избежать разрушения компонентов установки в случае чрезмерного повышения давления.
Таким образом, в целом система обладает повышенной эффективностью работы и производительности при пониженном энергопотреблении.
Источники информации:
1. R. Upadhye, K. Wignarajah, T. Wyaeven. Environment International, vl9, ρ 381-392, 1993.
2. R. Jagov, Paper 72-ENAV-3, Environment control and life support system conferens. San Francisco, SAE 1972.
3. M. Csposito. In Standard handbook of hazardous waste treatment and disposal. N.Y., McGraw Hill book company, 1983.
4. Патент RU 2111939. Способ утилизации отходов жизнедеятельности человека и несъедобной биомассы растений, приводящий к получению из них удобрений / Ю.А. Куденко, Р.А. Павленко (РФ). - №96114242/13; Заявлено 10.07.96; Опубл. 27.05.98, Бюл. №15. 4 с.
5. Tikhomirov Α.Α., Ushakova S.Α., Kudenko Yu. Α., Kovaleva N.P., Zolotukhin I.G., Tikhomirova Ν.Α., Velichko V.V., Gros J.В., Lasseur Ch. Evaluation of the possibility of using human and plant wastes in Bioregenerative Life Support Systems. // Techn. Paper 05ICES-94. 2005.
14
6. Tikhomirov Α., Degermendzhi Α., Ushakova S., Kudenko Yu., Tikhomirova N. And Motorin N. Research in the Bios-3 Closed Controlled Experiment Facility of the lnstitute of Biophysics of the Siberian Branch of Russian Academy of Science. // Application of a Closed Experemental System to Modeling of С Transfer in the Environment, 2007. P. 155-162.
7. Сутормина Ε.Φ., Трифонов С.В., Куденко Ю.А., Иванова Ю.А., Пинаева Л.Г., Тихомиров А.А., Исупова Л.А. Физико-химическая переработка экзометаболитов человека для замкнутых систем жизнеобеспечения. Химия в интересах устойчивого развития, том 19, №4, 2011. С. 413-420.