УСТРОЙСТВО ОПТИМИЗИРОВАННОЙ 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 K или при 810 K 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 применение неоптимальной частоты и формы сигнала переменного электромагнитного поля, что повышает энергопотребление и время работы.
Техническим результатом заявленного решения является повышение эффективности работы и производительности при пониженном энергопотреблении и времени протекания процесса.
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, 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 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; содержит дополнительные сосуды, связанные сообщающимися каналами с сосудом кислоты; отличающееся тем, что переменное напряжение подводится не напрямую от сети на электроды, а на генератор частоты, задающий оптимальную частоту и форму сигнала, и далее на усилитель, для набора необходимой мощности, и электроды, либо, в случае источника постоянного тока, на инвертор, выдающий сигнал необходимой частоты, формы и мощности, или дополненный генератором частоты и усилителем, и далее на электроды.
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, работающей от сети переменного тока, 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 - усилитель; 12 - генератор частоты.
На Фиг. 2 показана схема устройства полезной модели, работающей от сети постоянного тока, где 13 - инвертор.
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 генератора частоты 11 и усилителя 12, и/или инвертора 13 в случае источника постоянного тока.
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 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, нагревающийся до рабочей температуры при пропускании через него электрического тока, для окисления водорода и летучих углеводородов, входящих в состав образующихся в реакторе газов.
Заявленная полезная модель не уступает прототипному образцу по такому параметру, как степень минерализации органических отходов, но при этом обладает рядом дополнительных преимуществ:
- имеет меньшее энергопотребление;
- требует меньше времени на процесс минерализации органических отходов (Пример. Минерализация экзометаболитов человека и растительных отходов осуществляется в два раза быстрее при той же потребляемой мощности);
Таким образом, в целом система обладает повышенной эффективностью работы и производительности при пониженном энергопотреблении и времени протекания процесса.
Источники информации:
1. R. Upadhye, K. Wignarajah, T. Wyaeven. Environment International, v 19, p 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 A.A., Ushakova S.A., Kudenko Yu.A., Kovaleva N.P., Zolotukhin I.G., Tikhomirova N.A., Velichko V.V., Gros J.B., 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 A., Degermendzhi A., Ushakova S., Kudenko Yu., Tikhomirova N. And Motorin N. Research in the Bios-3 Closed Controlled Experiment Facility of the Institute of Biophysics of the Siberian Branch of Russian Academy of Science. // Application of a Closed Experemental System to Modeling of C Transfer in the Environment, 2007. P. 155-162.
7. Сутормина Ε.Φ., Трифонов СВ., Куденко Ю.А., Иванова Ю.А., Пинаева Л.Г., Тихомиров Α.Α., Исупова Л.А. Физико-химическая переработка экзометаболитов человека для замкнутых систем жизнеобеспечения. Химия в интересах устойчивого развития, том 19, №4, 2011. С. 413-420.