Способ утилизации отходов жизнедеятельности человека и несъедобной биомассы растений, приводящий к получению из них удобрений

 

Изобретение относится к получению удобрений из отходов жизнедеятельности человека и несъедобной биомассы растений и может быть использовано в космических и других системах жизнеобеспечения человека, включающих в себя растения, в том числе высшие, в мобильных системах очистки, в целлюлозно-бумажной промышленности. 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. Способ позволяет упростить установку для его реализации, снизить уровень требований к материалам для изготовления установки и обеспечивает быструю минерализацию органических отходов с сохранением большинства их питательных веществ. 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к биотехнологии и касается удобрений, получаемых из отходов жизнедеятельности человека и несъедобной биомассы растений, может найти применение в космических системах жизнеобеспечения человека (СЖО), включающих в себя растения, в том числе высшие, в мобильных системах очистки, в целлюлозно-бумажной промышленности.

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 - 1370K или при 810K 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^oC, или "мокрое-суперкритическое" при 220 атм и 377^oC [2, 3].

Это изобретение развивается в последние 15 - 20 лет с целью использования для утилизации смесей жидких и измельченных твердых отходов органического происхождения в основном в тех или иных типах СЖО. Здесь практически нет недоокисленных продуктов, диоксины отсутствуют. Установка, однако технически сложна, высоки требования к материалам, работающим при высоких давлениях и температурах в атмосфере чистого кислорода; в частности наблюдается выход из металла стенок камер ионов Gr⁺³ и Cr⁺⁶, ПДК для которых весьма мал (1,2 мг/м³). Образуются также нерастворимые осадки в виде накипей, затрудняющие использование аппаратуры.

На фиг. 1 представлена "электролизная" реализация способа; на фиг. 2 - СВЧ-реализация способа; на фиг. 3 - "конденсаторная" реализация способа.

Описываемый способ осуществляется следующим образом.

Пример 1. Взвесь измельченных твердых и жидких отходов смешивают с определенным количеством перекиси водорода, помещают в реактор кварцевого стекла и подвергают действию переменного электрического потенциала от 15 до 80 B через помещенные в реактор угольные электроды при силе тока через них 0,3 - 0,5 А.

При температуре 60^oC начинается реакция окисления органики отходов, выделяемым перекисью атомарным кислородом и другими его активными формами. Реакция устойчиво протекает при 80 - 90^oC без дальнейшего повышения температуры. При этом в реакторе объемом 80 см³ находилось 30 - 40 мл смеси. Полное окисление происходит за 1 - 1,5 ч. На окисление 1 г сухой соломы, клетчатки, лингина расходуется 16 - 18 мл 30%-ной перекиси, на 1 г нативного кала человека - 4 - 5 мл, на 1 мл мочи - 1 мл H₂O₂.

Конец реакции характеризуется просветлением раствора и прекращением выделения пузырьков газа, pH конечного раствора при окислении мочи 7, кала 8, древесной клетчатки 9. Из-за высокой концентрации окислов в реакторе наблюдается небольшой осадок в растворе, исчезающий при добавлении дистиллята с pH 5,5.

В таблице приведены балансы по микроэлементам в исходных продуктах окисления (ошибка 20%).

Из таблицы видно значительное сохранение в конечном растворе исходного микроэлементного состава, что же касается соединений азота, то в конечном продукте присутствуют все необходимые для растений формы: NO₂, NO₃, NH₄. Преобладающей формой является аммонийная, если в исходный раствор входит моча. При минерализации кала примерно в равном количестве зафиксированы NO₂ и NH₄.

Сохранение необходимых для питания растений соединений является существенно важным отличием этого способа от других "мокрых" и тем более сухого сжигания, где окисление органики идет до простейших форм, значительная часть которых уносится в виде топочных газов.

Пример 2. Основан на стимуляции СВЧ-излучением выделения перекисью атомарного кислорода. Использовался обычный генератор СВЧ (СВЧ-печь) для активации смеси твердых и жидких отходов с перекисью водорода. Так как мощность СВЧ-генератора определяется используемым магнетроном (регулировка возможна в пределах 10%), то регулировка осуществляется выбором объема реактора, с учетом имеющих место процессов теплоотдачи для магнетрона имеющейся мощности задается рабочая температура реакции 80-90^oC (фиг. 2).

Время утилизации, состав конечных продуктов не отличаются от данных примера 1. Отличие лишь в большем объеме реактора и отсутствии в выделяемых газах водорода и кислорода.

Пример 3. Основан на стимуляции переменным высоковольтным потенциалом выделения перекисью водорода атомарного кислорода. Кварцевый реактор помещают в конденсатор, на обкладки которого подается до 6 кВ переменного напряжения частотой до нескольких кгерц. Оптимальный выбор частоты и напряжения определяется геометрическими размерами реактора, что в свою очередь связано с количеством перерабатываемых отходов.

Реактор с указанной смесью предварительно нагревают до 80^oC, затем подают на конденсатор переменное напряжение, инициирующее реакцию окисления. Регулировка напряжения производится по первичной цепи тока совмещением геометрических размеров реактора и конденсатора. Анализы выходных продуктов не отличаются от примеров 1 и 2. Заметим, что в примерах процессов "2" и "3" не выделяются H₂ и O₂ и они могут оказаться предпочтительнее для замкнутых СЖО (фиг. 3).

Способ обеспечивает минерализацию органических отходов с сохранением большинства их питательных веществ для растений.

Готовые жидкие удобрения могут использоваться как самостоятельно, так и в смеси с другими минеральными удобрениями.

Предлагаемый способ прошел лабораторные испытания и показал положительные результаты.

Используемая литература 1. R.Upadhye, K.Wignarajah, T.Wyaeven. Environment International, v19, 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.

Формула изобретения

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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4