Утилизация бытовых отходов и отходов научной деятельности подводных лабораторий

Система утилизации предназначена для предварительного преобразования минеральных или органических отходов в вещества, из которых в дальнейшем будут получены необходимые компоненты среды. Прямое получение компонентов среды из отходов жизнедеятельности либо технически сложно реализовать, либо это связано с большими энергозатратами. В биологических системах высшие растения могут питаться только минеральными веществами. Преобразование органических соединений в минеральные называют минерализацией. Структурно такие системы обычно расположены перед системами производства компонентов среды.

Преобразование веществ осуществляется за счет химических или биохимичеких реакций. Поэтому основными элементами в такой системе являются химические реакторы или культиваторы. По характеру организации процесса можно выделить системы окислительные, термического разложения, с прожежуточным компонентом, биологической минерализации.

Системы термической и окисличельной утилизации отходов. Окислительные системы можно использовать для утилизации всех видов отходов. Простейшим примером является сжигание органических отходов. Процесс идет с расходом кислорода, поэтому такую систему целесообразно применять в случае малых расходов выделяемых примесей. В зависимости от вида процесса можно выделить химическую и электрохимическую ситему.

Химические окислительные методы можно использовать для утилизации отходов в парогазовой, жидкой и твердой фазах. Применение катализаторов позволяет снизить температуру и увеличить скорость химически реакций. Универсальным является катализатор гопкалит, который работает в парогазовой и жидкой фазах. Это катализатор на основе двуокиси марганца.

Четырехкомпонентный гопколит (50% MnO₂, 30% CuO, 15% Co₂O₃, 5% Ag₂O) хорошо работает при температурах свыше 300⁰С. Двухкомпонентный катализатор (60% MnO₂, 40% CuO) начинает работать при температуре 20⁰С. Однако он менее активен.

Верхний температурный предел работы катализатора 400⁰С, далее нацинается разложение двуокисо марганца. Пары воды отравляют гопкалит при температуре ниже 100⁰С. Выпускают его в виде гранул размером 2,5…3,5 мм. Наспная плотность 1100 кг/м³.

Двухкомпонентный гопкалит используют для утилизации угарного газа атмосферы: 2СО + О₂ 2СО₂. Перед реактором должен быть установлен осушитель, например на основе силикагеля.

Окислительно-каталитический метод позволяет получить воду, пригодную для питьевых целей, практически из всех влагосодержащих отходов. Процесс окисления организуют в паровой фазе, которую получают путем дистелляции жидких отходов. Окислителем может являться кислород воздуха, который забирается из объема и подается либо в испаритель, либо за испарителем. Таким образом, в паровую фазу попадут только легколетучие соединения в том числе аммиак. При температуре в реакторе 300…500⁰С аммиак будет окисляться, образуя окись и двуокись азота. Недостатком такого процесса является его высокая энергоемкость.

Снизить энергораты можно, проводя окисление на гопкалите в жидкой фазе при температуре свыше 300⁰С, но ниже критической температуры воды (374⁰С). Поэтому давление в системе около 10 МПа. Однако в этом случае идет интенсивное образование накипи на теплообменных поверхностях и возрастает металлоемкость системы.

Прямое термическое разложение возможно для всех видов отходов, но требует большиз затрат энергии.

Утилизацию окиси углерода, получаемой в больших количествах, например, в системе получения кислорода на твердых электролитах, можно осуществить на основе реакции диспропорционирования 2СО С + СО₂. реакция экзотермическая. В качестве катализатора можно использовать железо. Рекомендуемая температура 500…600⁰С, давление 100 кПа, степень превращения 70…80%.

Система электрохимического окисления может применяться для минерализации органических примесей мочи: мочивины, этилового и метилового спирта, ацетона и т. д. систему электрохимического окисления целесообразно применять для минерализации воды перед системой электродиализной очистки.

Процесс протекает на аноде, где происходит хемосорбция молекул органического соединения с последующим окислением кислородосодержащими соединениями, например, водой. В результате образуются легколетучие вещества, которые выделяются в газовой фазе, и соли. Концентрация минеральных соединений в растворе около 23 г/л. Основных компоненты: хлористый натрий NaCl, хлорнокислый натрий NaClO₃, перхлорат натрия NaClO₄, сернокислый калий K₂SO₄, хлорнокислый магний Mg(ClO₃)₂ и ряд других соединений в меньших количествах.

Боихимическая минерализация отходов.

Биологические системы регенерации среды, включающие фотоавтотрофные и гетеротрофные звенья, позволят обеспечить наиболее полное замыкание круговорота веществ в длительных экспедициях. Источником органических отходов являются человек, растения и животные. Основную массу отходов животного происхождения составляют фекалии, моча, мускульные ткани и т. п. преобладающим химическим элементом в животных отходах наряду с углеродом является азот.

Отходы растительного происхождения будут состоять из несъесных частей растений и метаболитов биологических звеньев. Основным химическим элементом в них является углерод.

Термическая минерализация отходов приводит к появлению в газовой фазе азота, фосфора и сера, а в золе – оксидов металлов, которые непосредственно не могут быть использованы биологическими звеньями и, таким образом, возвращены в круговорот.

Биологическая минерализация позволяет получать дополнительно витамины, гормоны и другие биологически активные соединения, которые полностью отсутсвуют в продуктах химических систем утилизации.

Возможны два дополняющих друг друга пути биохимической минерализации. Первый путь связан с введением в систему таких видов животных, которые быпотребляли отходы животного и растительного происхождения основных биологических звеньев и одновременно представляли пищевую ценность для человека и других гетеротрофных организмов. Например, моллюски из рода Lymax съедобны, они способны питаться растительными отходами и не имеют раковин. Переработка отходов растительного и животного происхождения может осуществляться личинками мух-капрофагов. Они позволяют утилизировать до 80% органических отходов, включая фикалии, а сами представляют ценный белковый корм для животных. Продукты утилизации, отходы личинок можно использовать для минерального питания растений.

Второй путь – разработка звена минерализации в основном на основе бактерий. Единственным продуктом такого звена будет являться субстрат для минерального питания растений. Обычно такое звено системы регенерации и рассматривают как систему биологической минерализации отходов. В земных условиях такие системы широко используются для очистки бытовых и промышленных сточных вод и отходов.

Биохимическая минерализация может осуществляться аэробными и анаэробными организмами. Аэробный процесс протекает с участием кислорода воздуха, который исрользуется микроорганизмами для окисления органики. Анаэробный процесс идет без доступа кислорода. Органика окисляется связанным кислородом, отщепляемым микроорганизмами от нитритов и нитратов.

Аэробная минерализация осуществляется сообществом (ценозом), в состав которого входят микроорганизмы, простейшие (различные инфузории), черви, грибы, главным образом, плесневые, дрожжи, рачки и некоторые другие животные. Живые организмы образуют скопления: комочки и хлопья, в состав которых входит твердый субстрат. Эти скопления называют активным илом.

Структурная схема системы аэробной биохимической минерализации отходов периодического действия показана на рис. 46.

Рис. 46. Система биохимической минерализации отходов:

1 – запасы активного ила; 2 – дозатор жидких отходов; 3 – размельчитель плотных отходов; 4 – запасы минерального питания; 5 – микробный культиватор; 6 – сепаратор; 7 – центробежный разделитель.

Главным элементом системы является микробный культиватор 5. плотные отходы предварительно разбивают в центробежном размельчителе 3 для сокращения времени минерализации. Образуемая смесь жидких и плотных отходов может не содержать все необходимые для минерального питания соединения. Поэтому должна предусматриваться корректировка минерального состава суспензии из запасов 4.

Время цикла минерализации 8 ч. Основная масса органики окисляется в первые 2 ч работы системы. При этом химическая потребность в кислороде среды снижается примерно на 75%. В оставшееся время протекает минерализация трудноокисляемой органики.

Использование анаэробной системы биохимической минерализации проблематично. На выходе системы образуются в больших количествах метан и водород, которые непосредственно не могут использоваться ни одним звеном биологической системы.

Выводы:

1. В длительных экспедициях (от трех и более месяцев) при не подвижной конструкции подводной лаборатории эффективнее использовать атомную энергетическую установку, в других случаях используются аккумуляторные батареи или топливные элементы.

2. Система газоснабжения на запасах значительно утяжеляет конструкцию подводного комплекса, за счет огромного количества баллонов с газом, а система, основанная на производстве компонентов газовой среды, является технически сложной и дорогой, но ее создание значительно уменьшает вес системы газоснабжения.

3. Утилизация отходов в замкнутых системах всегда была самой сложной задачей. В данной работе возможны только два варианта: накопительная система отходов, с поднятием твердых отходов в специальных боксах на поверхность и с дальнейшей утилизацией на суше или необходимо создать систему замкнутого типа, где все отходы будут перерабатываться на борту подводного комплекса.

Рис. 2. Синдромосходные состояния при действии основных факторов деятельности человека

Рис. 3. Системообразующий фактор качества жизни и его основные составляющие.