КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 17-74-10147

НазваниеРазработка метода утилизации санитарно-бытовых отходов для получения минеральных удобрений применительно к замкнутым экосистемам

РуководительТрифонов Сергей Викторович, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук", Красноярский край

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2017 - 06.2019

Конкурс№23 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-302 - Химическая экология

Ключевые словаСанитарно-бытовые отходы, утилизация органических отходов, замкнутые системы жизнеобеспечения, звено высших растений, минеральные удобрения.

Код ГРНТИ87.24.27

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Создание продолжительно функционирующих обитаемых космических станций, удаленных от Земли, таких как лунная или марсианская базы, а также как и специальные станции и базы в земных условиях (полярные или морские нефтяные платформы и др.) требует применения технологии систем жизнеобеспечения (ЗСЖО) с различной степенью замкнутости, благодаря чему возможно снизить стоимость их обслуживания за счет регенерации компонентов среды внутри системы. В таких ЗСЖО необходима экологически чистая и быстрая переработка различных органических отходов, образующихся внутри системы, для вовлечения, содержащихся в них элементов, в круговоротные массообменные процессы. В Институте биофизики СО РАН разработан метод физико-химической утилизации органических отходов в водном растворе перекиси водорода под действием переменного электрического тока, так называемый метод «мокрого» сжигания. В результате такой переработки образуется минерализованный раствор, который может быть использован как компонент минерального питания растений и газ некоторого состава, содержащий в себе в основном кислород и углекислый газ после полного цикла очистки. Пригодность данного метода была доказана в многочисленных экспериментах по выращиванию культурных растений с использованием продуктов реактора после утилизации экзометаболитов человека (плотные и жидкие отходы) и растительных отходов (солома пшеницы и несъедобная часть овощных культур) и широко опубликована в рейтинговых научных журналах как в России, так и за рубежом. Однако помимо растительных и отходов жизнедеятельности человека в ЗСЖО образуются также и санитарно-бытовые отходы, масса которых может достигать значительных значений в ходе эксплуатации станции. Данные отходы можно разделить на следующие категории: пищевые, упаковки пищевых продуктов, санитарно-гигиенические отходы (салфетки, полотенца, бумага, использованные гигиенические и медицинские средства и др.). Согласно исследованиям ежесуточный прирост их массы в расчете на одного человека может достигать до 2 кг/(сут•чел), поэтому возникает вопрос возможности их утилизации с последующим внесением высвободившихся минеральных элементов в питательные растворы для звена высших растений. Таким образом, очевидна актуальность разработки метода утилизации санитарно-бытовых отходов для получения минеральных удобрений применительно к условиям ЗСЖО, как востребованной научной проблемы. В данном проекте предлагается в качестве основы метода утилизации санитарно-бытовых отходов использовать ранее разработанную технологию «мокрого» сжигания и адаптировать ее к поставленным задачам проекта. Для этих целей на первом этапе планируется сформировать модельную смесь бытовых отходов, включающую пищевые отходы, салфетки, полотенца, бумажную пищевую упаковку и возможно другие элементы. Далее эту смесь предполагается минерализовать в реакторе «мокрого» сжигания при различных режимах физико-химической переработки (сила тока, напряжения, возможно, внесение дополнительного окислителя в виде азотной кислоты), а также при необходимости будут подключены дополнительные методы переработки: каталитическое окисление в твердой или жидкой фазе, автоклавирование и т.п. По итогу первого этапа будет выработан наиболее оптимальный метод утилизации отходов по таким параметрам, как глубина минерализации и безопасность образующихся продуктов. На втором этапе проекта будут выполнены эксперименты по апробации приготовленного с использованием полученных минерализованных санитарно-бытовых отходов питательного раствора и проведено сравнение с контрольными вариантами, в которых будут использована стандартная питательная среда. Научная новизна данного проекта заключается в том, что, с одной стороны, будет разработана экологически чистая технология минерализации санитарно-бытовых отходов, а с другой стороны – будет разработана технология вовлечения таких отходов в массообмен ЗСЖО, характеризующийся экологической безопасностью и доступностью полученных продуктов для ассимиляции их звеном высших растений как в жидкой фазе (за счет питательного раствора), так и возможно в газообразной форме (например, СО2). В случае образования поллютантов будут найдены пути для их трансформации в продукты, легко включающиеся в круговоротный процесс.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнение проекта будут даны оценки процессу утилизации санитарно-бытовых отходов по таким параметрам как: 1) общая продолжительность процесса; 2) энергопотребление; 3) расход перекиси водорода; 4) состав и объем продуктов минерализации. Полученные данные могут иметь важное значение при расчете энергетического баланса будущих БТСЖО и планировке режима работы станции, например, составлении графика работы различных элементов физико-химического блока переработки органических отходов. Также будет дана оценка возможности выращивания высших растений на питательных растворах с использованием минерализованных санитарно-бытовых отходов. Данную оценку предполагается выполнить путем сравнения фотосинтетических характеристик, а также показателей минерального состава и продуктивности растений с контрольным вариантом. Полученные данные позволят дать рекомендации касательно вовлечения в массообмен БТСЖО санитарно-бытовых отходов, рассчитать соответствующие потоки вещества в системе. Успешный результат применения разрабатываемой технологии позволит снизить затраты в обслуживании обитаемых космических станций за счет повышения степени замкнутости БТСЖО и снижения массы ряда жизненно важных грузов, которые необходимо периодически доставлять на эти станции.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В результате первого года работ по гранту была разработана методика физико-химической переработки санитарно-бытовых отходов применительно к замкнутым биолого-техническим системам жизнеобеспечения (БТСЖО), а также создан реактор оптимальной конфигурации для такой переработки. В качестве базового был выбран метод окисления органических отходов в одном растворе перекиси водорода под действием переменного электрического тока. В качестве утилизируемых санитарно-бытовых отходов были выбраны хлопчатобумажные материалы (вата, бинты и вафельные полотенца) и пищевые отходы (смыв мыльной воды после грязной посуды). Установлено, что наиболее глубокого окисления хлопчатобумажных отходов можно достичь при их совместной переработке с отходами, содержащими мочевину (экзометаболиты человека и урина), т.к. мочевина является реакционноспособным водным растворителем целлюлозы. Совместное окисление с другими растворителями целлюлозы, которые могут быть синтезированы внутри БТСЖО (фосфорная и азотная кислоты), требует использования большего количества перекиси водорода, а также делает процесс утилизации санитарно-бытовых отходов зависимым от процесса синтеза данных веществ в системе. В результате исследований был выбран вариант совместной утилизации хлопчатобумажных отходов с уриной без использования плотных отходов человека. Таким образом удается избежать попадания в минерализованный раствор дополнительных минеральных элементов, что облегчает дальнейший процессинг получаемого раствора: разложение мочевины и обессоливание (удаление NaCl из раствора). Установлено, что отдельная утилизация пищевых отходов бесперспективна, т.к. данный тип отходов изначально содержит малое количество минеральных элементов и органических соединений. Совместная утилизация пищевых и хлопчатобумажных отходов приводит к снижению глубины окисления раствора в 1,5 раза. Однако при этом степень выхода минеральных элементов в раствор и глубина окисления целлюлозы практически не снижается. Образующийся минерализованный раствор может быть использован в качестве добавки минерального питания высших растений, а осадок, преимущественно состоящий из недоокисленной целлюлозной массы, может быть внесен в почвоподобный субстрат для его дальнейшей биодеградации субстрата. В результате разработанная методика представляет собой совместное окисление хлопчатобумажных и пищевых отходов с добавлением урины человека в водном растворе перекиси водорода под действием переменного электрического тока. Оптимальной конфигурацией реактора для утилизации санитарно-бытовых отходов является вертикальный цилиндр с расположенными горизонтально (на дне реактора и у поверхности заливаемого раствора) плоскими угольными электродами. Благодаря такой конфигурации удается достичь максимальной глубины окисления отходов с приемлемыми энергозатратами. При этом процесс переработки протекает стабильно и сопровождается стабильным выделением газа. Анализ выделяющегося газа показал, что в его состав входят O2, CO2, H2, NH3, NO, NO2, CO. Газ состоит в основном из кислорода (приблизительно 90 %) и углекислого газа (приблизительно 10 %). Аммиак обнаружен в следовых количествах и может быть зафиксирован в слабом растворе HNO3, которая может быть синтезирована в БТСЖО из выделяющегося аммиака. Содержание водорода составляет около 0,5 %, и он может быть окислен на платиновом катализаторе кислородом газа до воды, чтобы избежать потерь данного элемента. Так же могут быть окислены летучие органические соединения в случае их обнаружения. Содержание CO - 1,3 %, NO - 40 ppm, NO2 - 60 ppm. Даные значения превышают ПДК, однако, СО может быть доокислен до СО2, а NO до NO2 на платиновом катализаторе при температуре около 600 °С. Далее NO2 можт быть переведен в нитратную форму, после многократного барботажа через воду. В целом можно считать, что газ данного состава может быть внесен в атмосферу растительного звена БТСЖО после удаления аммиака, водорода, угарного газа и окислов азота указанным способом. Полученные результаты могут быть полезны в решении вопроса утилизации растительных отходов внутри БТСЖО, т.к. их состав в значительной мере входит целлюлоза. Практическая польза от утилизации санитарно-бытовых отходов заключается в том, что при данном способе их утилизации открывается возможность вносить в массообмен БТСЖО дополнительное количество минеральных макроэлементов, участвующих в питании растений, а также компенсировать неизбежные потери с утечкой газовой среды таких элементов массооборота системы, как H, O, C.

Публикации

1. Трифонов С.В., Морозов Е.А., Козлова Т.А. Processing of household waste in the BTLSS using the wet combustion method International Academy of Astronautics 21st Humans in Space Symposium. Program & Abstract., Trifonov S.V., Morozov Ye.A., Kozlova T.A. Processing of household waste in the BTLSS using the wet combustion method //International Academy of Astronautics 21st Humans in Space Symposium. Program & Abstract. 2017. P. 220-221. (год публикации - 2017)

2. - Краткий карьерный гид для молодого ученого Издание Сибирского отделения Российской Академии наук "Наука в Сибири", - (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Работы второго года выполнения проекта были направлены на проверку возможности использования продуктов утилизации санитарно-бытовых отходов (раствор, осадок, газ) при культивировании высших растений. Была отработана методика, при которой жидкая составляющая продуктов переработки вносится под растения, выращиваемые гидропонным методом на нейтральном субстрате (керамзит). Твердая составляющая (осадок) вносится в почвоподобный субстрат, на котором так же культивируются растения гидропонным методом. Газ, выделяющийся в ходе мокрого сжигания отходов, после глубокой каталитической очистки от летучих органических примесей может быть внесен в атмосферу звена высших растений. Было установлено, газовая составляющая оказывает незначительное негативное влияния на растения, что скорее всего связано с присутствием в газе окислов азота и возможно других элементов. Раствор, приготовленный с использованием минерализованной смеси санитарно-бытовых отходов и экзометаболитов человека, и получаемый с него осадок также могут оказывть токсичное воздействие, что скорее всего связано с присутствием свободных радикалов — продуктов неполоного окисления. Для более успешного применения данного типа отходов необходимо продолжать разрабатывать методики по снижению токсичности получаемых продуктов переработки. На данный момент можно рекомендовать применять минерализацию санитарно-бытовых отходов только периодически для компенсации потерь из системы таких элементов, как водород, кислород и углерод.

Публикации

1. Тихомиров А.А., Трифонов С.В., Морозов Е.А. Developing the technology of physicochemical processing of organic waste in closed life support systems for space applications IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, - (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1088/1757-899X/450/6/062017

2. Трифонов С.В., Морозов Е.А., Козлова Т.А. Processing of household waste in the BTLSS using the wet combustion method Elsiver, Том 21, Страницы 22-24. (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.lssr.2019.02.003

3. Трифонов С.В., Морозов Е.А., Тихомиров А.А. Processing of sanitary and household waste in biotechnical life support systems Iop conference series: materials science and engineering, - (год публикации - 2019)

4. - Вести. Красноярск от 5.04.19. Вести. Красноярск, Вести. Красноярск. Дата публикации: 5.04.19 (год публикации - )

5. - Красноярские ученые рассказали, как утилизировать бытовые отходы в космосе Новости сибирской науки, • Новости сибирской науки., Красноярские ученые рассказали, как утилизировать бытовые отходы в космосе. Дата публикации: 4.03.19. (год публикации - )

6. - Космический огород, светящиеся бактерии и пешеходное движение Сайт РАН, Сообщения пресс-службы РАН от 24.10. 2018. (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
не указано