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

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.

Описание изобретения к патенту

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.