DEVELOPMENT OF THE TECHNOLOGY FOR MINERALIZATION OF FISH WASTE IN THE “WET” COMBUSTION REACTOR FOR THE CES INTENDED FOR SPACE FLIGHTS

Full Text

Введение. Применение замкнутых систем жизне- обеспечения (ЗСЖО) для продолжительных миссий человека на Луне, Марсе и других небесных телах требует организации круговоротных массообменных процессов. Такие процессы являются ключевым мо- ментом, так как позволяют вновь получать из отходов жизнедеятельности экипажа и других органических отходов, характерных для ЗСЖО, жизненно важные для человека продукты: кислород, воду и пищу. Бла- годаря этому снижается необходимость в поставках продуктов на инопланетные базы, что значительно удешевляет их эксплуатацию и повышает их авто- номность. При этом для организации такого кругово- рота требуются технологии и оборудование, имеющие существенный вес и размеры. Поэтому вопрос созда- ния габаритного и простого в реализации метода ути- лизации органических отходов, предназначенного для их переработки в минеральные удобрения, является актуальным. В Институте биофизики СО РАН разработан метод «мокрого» сжигания отходов в водном растворе пере- киси водорода под действием переменного электриче- ского тока. Данный метод позволяет перерабатывать различные типы отходов (экзометаболиты человека, несъедобная растительная биомасса) в течение нескольких часов при температуре и давлении, близ- ких к нормальным [1; 2]. Получаемый таким образом минерализованный раствор может быть использован в качестве добавки минерального питания звена выс- ших растений [3]. Способ позволяет осуществить ми- нерализацию различных типов отходов при соответ- ствующем подборе напряжения, подаваемого на элек- троды реактора, обеспечивающего приемлемую глу- бину минерализации (вывод большей части мине- ральных элементов в раствор) в течение нескольких часов и полное разложение остаточных количеств перекиси водорода в растворе. Такой соответствую- щий подбор напряжения далее по тексту будет обо- значаться как режим минерализации. Ранее были успешно разработаны режимы, позво- ляющие утилизировать в реакторе «мокрого» сжига- ния экзометаболиты человека и несъедобную расти- тельную биомассу [2], источниками которых в ЗСЖО являются звено-задатчик - экипаж и источник расти- тельной пищи - звено высших растений [4; 5]. В то же время, если мы говорим о внеземных планетарных космических базах, функционирующих автономно многие годы, необходимо решить вопрос обеспечения экипажа животной пищей. Одним из наиболее пер- спективных кандидатов рассматривается рыба, так как к рыбной пище нет психологического барьера и она является универсальной практически для всего насе- ления планеты. Однако употребление рыбы в диете экипажа ведет к образованию внутри системы нового типа органических отходов - рыбных отходов (чешуя, голова и внутренности). В связи с этим целью данной работы является разработка режима и принципов минерализации рыбных отходов методом «мокрого» сжигания. Материалы и методы. Метод «мокрого» сжига- ния подробно описан в работах [1; 6]. Способ реали- зации - емкость реактора из химически стойкого ма- териала с двумя электродами и обратным холодиль- ником для снижения интенсивности испарения также опубликован, он достаточно прост и не требует зна- чительной массы материала и вспомогательного обо- рудования [3; 7]. Конструкция реактора позволяет осуществлять минерализацию любых типов органиче- ских отходов после предварительного измельчения и смешивания с перекисью водорода (33-36 %) путем подбора соответствующего режима минерализации, управляемого напряжением, подаваемым на электроды. В данной статье в качестве потенциального источ- ника белка для экипажа была выбрана речная рыба карась как один из представителей костистых пресно- водных рыб, отличающийся неприхотливостью к сре- де обитания и всеядностью [8]. Речная рыба была рас- смотрена в связи с тем, что для морской необходимо выдерживать определенный состав солей, тогда как пресная вода может быть легко получена конденсаци- ей внутри системы, при этом она уже будет витализи- рована, так как конденсат получается от транспира- ционной растительной влаги. В состав рыбных отходов были включены чешуя, внутренности и головы рыб. Кости и плавники были отнесены к съедобной биомассе, так как способ при- готовления рыбы в мультиварке позволяет в доста- точной мере обработать эти элементы, чтобы вклю- чить их в рацион экипажа вместе с мясом рыбы. Кро- ме того эти элементы послужат источником кальция для экипажа, что необходимо в условиях пониженной гравитации Марса и Луны. Всю несъедобную биомас- су высушивали при 70 °С, измельчали и смешивали с водным раствором перекиси водорода (33 %) в со- отношении 4 мл H2O2 (33 %) на 1 г сухих отходов. Данное соотношение было выбрано как начальное для пробных опытов по минерализации рыбных отходов и основывалось на норме расхода перекиси водорода при утилизации 1 г нативного кала [1]. Было выбрано два подхода в разработке режима минерализации рыбных отходов: 1) минерализация только рыбных отходов; 2) совместная минерализация экзометаболитов человека и рыбных отходов. Совместная минерализация была выбрана исходя из соображений, что в рыбных отходах содержится большое количество высоковосстановленной органи- ки, в том числе полиненасыщенных жирных кислот, которая может трудно поддаваться окислению или же вообще оказывать стабилизирующее действие на пе- рекись водорода. В результате это могло привести к значительному увеличению времени минерализации и существенному снижению степени окисления из-за разложения перекиси водорода под действием пере- менного тока без взаимодействия с органическим ма- териалом. Экзометаболиты человека, отличающиеся простотой окисления методом «мокрого» сжигания (время процесса - 1,5-3 ч) [1; 6], играют здесь роль активатора окисления тяжелой органики. Вовлечение экзометаболитов требует выработки нормы соотношения перерабатываемой массы отхо- дов жизнедеятельности человека и рыбных отходов. Суточная потребность человека в белке составляет примерно 50 г/сут, содержание белка в 100 г рыбы - около 16 г. Таким образом, исходя из данных о по- требностях человека в белке, суточную норму рыбных отходов рассчитывали как массу отходов, приходя- щуюся на 312,5 г мяса речного карася. В сухом виде эта масса отходов составляет примерно 50 ± 2 г. Суточная норма экзометаболитов человека - 150 г нативного кала и 1,5 л урины. Минерализацию рыбных отходов осуществляли в реакторе с рабочим объемом 1,25 л. Было выработано два режима процесса, управление которыми происхо- дило за счет изменения величины напряжения тока, подаваемого на электроды реактора. В первом случае (ускоренный режим) стремились осуществить наибо- лее быстрый процесс окисления, многократно меняя значение напряжения так, чтобы процесс протекал максимально интенсивно: повышали напряжение, чтобы усилить интенсивность газовыделения и пено- образования, и снижали напряжение, если процесс минерализации чрезмерно разгонялся и возникала угроза прорыва реактора. Во втором случае (стан- дартный режим) был выбран режим стабильного те- чения реакции за приемлемое время (порядка 10 ч), при котором применили технику трехступенчатого течения процесса, как и при минерализации экзомета- болитов [1]: стадия разгона реакции за счет повышен- ного напряжения, стадия поддержания стабильного течения реакции за счет более низкого значения на- пряжения и стадия дожига, при которой с помощью повышенного напряжения осуществляли разложение остаточных количеств перекиси водорода в растворе. После минерализации отходов полученные раствор и осадок разделяли и проводили повторную минера- лизацию осадка в смеси перекиси водорода (36 %) и азотной кислоты (65 %) в реакторе «мокрого» сжи- гания по методике, описанной в [9]. Расход перекиси (36 %) и кислоты (65 %) составил 8,24 и 4,18 мл соот- ветственно. Повторная минерализация необходима для того, чтобы вывести из осадка в растворимую форму дополнительную массу таких элементов, как Ca, Mg, P и S, необходимых для питания звена выс- ших растений. Вопросы синтеза перекиси водорода и азотной кислоты внутри ЗСЖО освещены в [10-12]. Эффективность работы режимов минерализации оценивали по таким параметрам, как время процесса, энергопотребление, глубина окисления раствора и осад- ка (оценивали по значению химического поглощения кислорода (ХПК)) и доля элементов, выходившая в растворенную форму. Эффективность повторного пережигания осадка оценивали по доле элементов, выходивших в растворенной форме из осадка в вытяжку. Результаты и обсуждение. При минерализации только рыбных отходов не удалось довести процесс до конца, так как в растворе после 13 ч реакции оста- валось значительной количество перекиси водорода - порядка нескольких процентов. Поэтому данный под- ход был признан неэффективным для утилизации рыбных отходов. Динамика процесса совместной минерализации рыбных отходов и экзометаболитов человека отобра- жена на рис. 1 и 2. При ускоренном режиме минера- лизации отходов было использовано 4 значения на- пряжения тока (рис. 1), из которых только два были задействованы большую часть времени - 70 и 100 В, эти значения далее были выбраны при работе со стан- дартным режимом. Основываясь на показаниях дина- мики силы тока (рис. 2), можно сделать вывод, что оба режима обеспечили примерно одинаковый выход минеральных элементов при минерализации. Это сле- дует из того, что в конце процесса в обоих случаях объем минерализованного раствора отличался не бо- лее чем на 20 мл, при этом сила тока в конце каждого режима достигла одинаковых значений. Следователь- но, большего выхода минеральных элементов можно достичь только повторным окислением осадка в сме- си перекиси водорода и азотной кислоты. Из данных табл. 1 видно, что при стандартном ре- жиме минерализации отходов процесс занимает большее время и протекает с большим энергопотреб- лением, однако при данном режиме процесс протека- ет стабильно: пенообразование происходит не столь интенсивно и снижается риск прорыва реактора. Так- же следует обратить внимание на то, что при стан- дартном режиме образовалось примерно в три раза меньше осадка, при этом значение ХПК раствора уве- личивается только на треть. Это связано с тем, что из- за более глубокой минерализации осадка часть недо- окисленных органических соединений уходит в рас- твор в виде взвеси. Степень минерализации осадка при стандартном режиме вдвое выше, и получается, что при данном режиме литр минерализованных от- ходов (осадок + раствор) минерализован в два раза глубже, чем при ускоренном: ~ 15,5 и ~7,2 г/л для ус- коренного и стандартного режимов соответственно. Также видно, что при стандартном режиме содержа- ние липидов в осадке в два раза ниже, чем при уско- ренном. Все это свидетельствует о более глубокой минерализации органических отходов в случае ис- пользования стандартного режима. Поэтому данный режим был взят за основу для совместной утилизации рыбных отходов и экзометаболитов человека. Рассматривая степень выхода минеральных эле- ментов в раствор (табл. 2), видно, что такие элементы, как Ca, Fe, Mg и P, в основной массе (от 80 до 90 %) находятся в осадке. Поэтому при добавлении таких продуктов минерализации в питательный раствор для выращивания растений фототрофного звена ЗСЖО на нейтральном субстрате они окажутся в недоступной для растений форме. Данные элементы могут быть усвоены растениями при внесении осадка в почвопо- добный субстрат [13-15], однако в этом случае время утилизации осадка в почвоподобном субстрате, а зна- чит и время возвращения элементов в массообменный цикл ЗСЖО, может достигать нескольких месяцев [16]. Это может потребовать повторной минерализа- ции осадка в реакторе «мокрого» сжигания в смеси перекиси водорода и кислоты. Повторная минерализация привела к выходу в доступную для растений форму (в составе раствора и вытяжки из осадка) более 90 % минеральных макро- элементов и около 84 % железа (табл. 3). Время про- цесса и его удельное энергопотребление при этом составили 3,5 ч и 7,2 кВт·ч на 1 л минерализуемых отходов соответственно. Рис. 1. Динамика изменения напряжения тока на электродах при различных режимах совместной минерализации рыбных отходов с экзометаболитами человека Fig. 1. Dynamics of voltage change at electrodes under different regimes of joint mineralization of fish wastes with human exometabolites Рис. 2. Динамика изменения силы тока на электродах при различных режимах совместной минерализации рыбных отходов с экзометаболитами человека Fig. 2. Dynamics of current intensity change at electrodes under different regimes of joint mineralization of fish wastes with human exometabolites Таблица 1 Эффективность различных режимов совместной минерализации рыбных отходов с экзометаболитами Режим Конечные продукты ХПК, мг/л Осадок, мг/л Время реакции, мин Удельное энергопотребление, кВт·ч/л Ускоренный Раствор 3711,23 6234,40 429 4,16 Осадок 11747,48 Стандартный Раствор 4985,42 2233,87 600 4,98 Осадок 2166,41 Распределение минеральных макроэлементов и железа в продуктах совместной переработки рыбных отходов и экзометаболитов человека, % Таблица 2 Продукт минерализации Ca Fe K Mg Na P S Раствор 0,7 1,1 95,8 18,2 94,8 18,1 95,9 Осадок 99,3 98,9 4,2 81,8 5,2 81,9 4,1 Распределение минеральных макроэлементов и железа в продуктах переработки после повторной минерализации осадка, % Таблица 3 Продукт минерализации Ca Fe K Mg Na P S Раствор 0,7 1,1 95,8 18,2 94,8 18,1 95,9 Вытяжка из осадка 94,4 83,0 4,0 78,6 5,0 78,5 3,9 Конечный осадок 4,9 15,9 0,2 3,2 0,2 3,4 0,2 Таким образом, можно сказать, что оптимальным методом утилизации рыбных отходов является их совместная минерализация с экзометаболитами чело- века в реакторе «мокрого» сжигания с последующим пережиганием осадка в смеси перекиси водорода и кислоты. Заключение. В результате выполненной работы был выработан подход в утилизации рыбных отходов применительно к массообменным процессам ЗСЖО космического назначения. Установлено, что минера- лизация рыбных отходов в реакторе «мокрого» сжи- гания требует присутствия легкоокисляемой органики как активатора процесса окисления. В качестве такой органики в условиях ЗСЖО выступают экзометаболи- ты человека. Показано, что стандартный режим хода процесса минерализации, поддерживающий устойчи- вое окисление без критических моментов повышения газовыделения и пенообразования, приводит к более глубокому окислению отходов при сравнительно не- большом повышении удельного энергопотребления. Показана эффективность проведения повторной ми- нерализации осадка в реакторе «мокрого» сжигания в смеси перекиси водорода и кислоты для более пол- ного выведения минеральных элементов в доступную для растений форму. В итоге, разработанная технология минерализации рыбных отходов имеет следующие характеристики: общее время процессов минерализации отходов и по- вторного окисления осадка составляет 13,5 ч, удель- ное энергопотребление - 12,2 кВт·ч/л, степень выхода минеральных макроэлементов и железа - более 90 и 80 % соответственно. Данные показатели удовле- творяют требованиям организации массообменных процессов внутри ЗСЖО, поэтому разработанная технология является перспективной для включения в структуру замкнутых экосистем, так как расширяет функциональные возможности физико-химического блока в области переработки органических отходов.

About the authors

S. V. Trifonov

Institute of Biophysics SB RAS; Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Email: trifonov_sergei@inbox.ru
50/50, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation; 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

E. A. Morozov

Institute of Biophysics SB RAS; Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

50/50, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation; 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

A. V. Murygin

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

A. A. Tikhomirov

Institute of Biophysics SB RAS; Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

50/50, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation; 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

References

Supplementary files