Автоматизированная система очистки жидких продуктов переработки отходов для замкнутых экосистем космического назначения

Полный текст

Введение

Проблеме создания замкнутых экосистем (ЗЭС) для обеспечения жизнедеятельности человека в условиях длительного космического полета и пребывания на небесных телах (Луна, Марс, астероиды и др.) в настоящее время уделяется все большее внимание ведущими космическими агентствами и другими крупными исследовательскими центрами [1; 2]. В России разработкой замкнутых экосистем космического назначения активно занимается Институт биофизики СО РАН [3]. При этом большое внимание уделяется созданию моделей замкнутых экосистем, на основе которых отрабатываются различные закономерности круговоротных процессов, которые затем могут быть основой для создания полномасштабных замкнутых экосистем с человеком. Будущие замкнутые экосистемы должны включать как биологические, так и физико-химические методы окисления отходов для последующего их включения в круговоротные процессы [4–17]. Для обеспечения эффективной работы физико-химических процессов окисления органических и неорганических отходов в ЗЭС крайне важно создание и устойчивое функционирование комплекса необходимых приборов и оборудования. Неотъемлемой частью такого оборудования является установка очистки жидких продуктов переработки отходов жизнедеятельности человека (кал, урина), поскольку в процессе окисления отходов возникают поллютанты, ингибирующие рост растений. В Институте биофизики СО РАН ведутся исследования по созданию таких методов очистки применительно к замкнутым экосистемам. В частности, разрабатывается программное обеспечение (ПО), позволяющее автоматизировать процессы очистки [17; 18].

Целью данной работы является биотестирование растворов, получаемых после очистки, и разработка цифровой автоматизированной системы управления для установки физико-химической очистки минерализованных экзометаболитов человека.

Методы и подходы

Продолжительное ежедневное прямое внесение минерализованных экзометаболитов в ирригационный раствор вызовет его засоление из-за высокого содержания NaCl в урине человека [19; 20]. Кроме того, метод «мокрого» сжигания практически не способен утилизировать мочевину, что повышает риск развития в системе условно патогенных уробактерий [21] и снижает доступность азота для растительного звена ЗЭС. Поэтому комплекс физико-химической переработки органических отходов включает в себя, помимо «мокрого» сжигания, еще несколько последовательных процессов очистки растворов минерализованных экзометаболитов, для каждого из которых разработан реактор [18]: 1) разложение мочевины; 2) выделение Cl₂; 3) синтез HCl; 4) выделение щелочи; 5) выделение Na₂CO₃; 6) синтез NaCl. В совокупности эти 6 реакторов являются установкой очистки жидких продуктов физико-химической переработки продуктов жизнедеятельности человека.

Для оценки влияния жидких продуктов физико-химического окисления экзометаболитов человека на растения использовали ранее разработанные методические подходы по приготовлению на этой основе питательных растворов для их последующего использования в экспериментальной модели замкнутой экосистемы при условии регулярной (1 раз в 7 сут.) замены 1/8 части питательного раствора водой, т. е. за 8 недель происходила полная смена раствора [22].

Изучение влияния возможных поллютантов в питательном растворе потребовало проверки возможности длительного использования несменяемых растворов, приготовленных на основе жидких продуктов минерализации экзометаболитов человека, для выращивания растений. Объектом исследований являлся салат сорта «Московский парниковый». Растения в условиях экспериментальной модели замкнутой экосистемы выращивали методом гидропоники на керамзите. Технология и условия выращивания аналогична описанным ранее [22; 23]. Длительность выращивания от всходов до состояния технической зрелости 21 сут. В опытном варианте раствор был приготовлен на основе жидких продуктов минерализации. Контрольные варианты – стандартный раствор Кнопа: контроль 1 – несменяемый раствор с коррекцией; контроль 2 – через каждые 7 сут. раствор меняли на свежеприготовленный. В процессе роста растений коррекцию несменяемых поливных растворов проводили исходными растворами на основе содержания доступных форм азота.

При создании системы автоматизированного управления и программного обеспечения для установки очистки желателен единообразный подход, благодаря которому будет осуществлено однотипное отображение параметров процессов и меню программирования реакторов, а также использована однотипная форма алгоритма автоматики управления всеми реакторами. Это важно, так как реакторы разные и оператору удобнее контролировать и настраивать их при однообразном отображении интерфейса. Кроме того, разрабатываемые система автоматики и ПО должны быть легко адаптируемы к подключению возможных новых реакторов в структуру установки очистки. Следуя этой логике автоматика и ПО должны быть адаптируемы и к подключению реактора «мокрого» сжигания и остальных реакторов подсистемы физико-химической минерализации отходов [17]. Это представляется возможным, так как схема взаимодействия программ, соответствующая указанным требованиям к автоматике и ПО установки очистки, одинакова и для реактора «мокрого» сжигания (рис. 1).

 

Рис. 1. Схема взаимодействия программ

Fig. 1. Scheme of program interaction

 

С целью обеспечения взаимодействия с периферийными устройствами, включая датчики, реле, сервоприводы и другие, было принято решение о применении платформы Arduino в связи с ее удобством программирования, широкой поддержкой аппаратных модулей и датчиков. Для программирования Arduino выбрана среда разработки Arduino IDE. Для разработки программного обеспечения с ориентацией на создание удобного интерфейса для конечного пользователя была добавлена дополнительная среда разработки Visual Studio с использованием языка программирования C#.

Алгоритмы работы реакторов

Исследование влияния поллютантов в питательном растворе показало, что биомасса растений салата, выращенных на несменяемых растворах опытного и контрольного вариантов, достоверно не отличалась, как и не было достоверных отличий от биомассы растений, выращенных на контрольных регулярно сменяемых растворах (табл. 1).

 

Таблица 1. Сухая масса (г) в расчете на одно растение салата сорта «Московский парниковый», выращенное на растворах, приготовленных на основе жидких продуктов минерализации экзометаболитов человека

Тип питательного раствора	Общая биомасса	Биомасса листьев
Несменяемый раствор экзометаболитов	3,3±0,4	2,9±0,3
Несменяемый раствор Кнопа (контроль 1)	2,8±0,5	2,4±0,5
Сменяемый раствор Кнопа (контроль 2)	2,7±0,9	2,1±0,4

 

Таким образом, экспериментально показана принципиальная возможность длительного использования питательных растворов, приготовленных на основе жидких продуктов минерализации экзометаболитов человека для выращивания растений фототрофного звена замкнутой экосистемы.

Исходя из анализа процессов физико-химического блока переработки отходов жизнедеятельности человека за основу логического управления был взят алгоритм автоматики управления реакторами [18, рис. 2, Б], логика работы которого заключается в поддержании параметров условий технологического процесса в заданных диапазонах и остановке процесса при достижении целевым параметром заданного значения. В работе [18] не раскрывается принцип работы блока корректировки параметров условий, который является проблемным моментом при попытке создания единой структуры алгоритма автоматического управления установки очистки. Это связано с тем, что процессы в реакторах установки разнообразны: протекаютв жидкой и газообразной фазе, имеют один или несколько этапов, могут требовать частичного вмешательства оператора. Поэтому подержание определенных значений параметров условий в конечном счете требует различных аппаратных и логических решений. В итоге, несмотря на возможность единообразного отображения параметров технологических процессов, программные настройки работы разных реакторов и алгоритмы управления будут отличаться друг от друга.

Необходимость индивидуального подхода в настройках к каждому реактору установки очистки указывает на возможность применения общего ПО для всех реакторов подсистемы физико-химической минерализации отходов [17], включая реактор «мокрого» сжигания, алгоритм работы которого отличается от алгоритма работы установки очистки (рис. 2).

В результате было разработано ПО, в котором для удобства пользователя рабочее пространство оператора разбито на вкладки, где каждой вкладке соответствует свой реактор (рис. 3). Для каждой вкладки предусмотрены поля для вывода показателей в текстовом формате, кнопки для управления реактором, поля для построения графиков по результатам замеров, а также время работы и текущая дата.

 

Рис. 2. Алгоритмы работы реакторов: А – без контроля параметров условий процесса; Б – с контролем параметров условий процесса

Fig. 2. Reactor operation algorithms: A – without control of the parameters of the process conditions; Б – with control of the parameters of the process conditions

 

По кнопке «Запустить», в порт подключения подается сигнал, далее Arduino начинает передавать показания запущенного процесса. Данные выводятся в соответствующих полях, и по этим данным начинается построение графиков, представленных на рис. 3, где каждой вкладке соответствует реактор / процесс физико-химической переработки продуктов жизнедеятельности человека. Предлагается четырехцветная маркировка вкладок для обозначения состояния процессов: состояние 1 – процесс не запущен, не текущая вкладка; состояние 2 – процесс не запущен, текущая вкладка; состояние 3 – процесс запущен, не текущая вкладка; состояние 4 – процесс запущен, текущая вкладка. Настройки работы реакторов позволяют ввести значения параметров каждого процесса очистки для автоматического поддержания и корректировки условий его протекания.

 

Рис. 3. Окно ПО во время работы: А – отображение параметров текущего процесса (выделение Na₂CO₃);  Б – отображение настроек реактора выделения Na₂CO₃

 Fig. 3. The software window during operation: A – displaying the parameters of the current process (Na₂CO₃ extraction); Б – displaying the settings of the Na₂CO₃ extraction reactor

 

Когда процесс запущен, помимо вывода данных в текущем времени, осуществляется запись данных в текстовый документ. Все результаты измерений сохраняются в отдельные папки в директории ПО. Названия файлов содержат точную дату запуска. А в самих документах описывается номер запущенного реактора и результаты измерений по времени.

Заключение

Подобрано периферийное оборудование для организации системы автоматического управления, выявлены проблемы и разработаны подходы в автоматизации данных процессов и создании программного обеспечения для взаимодействия человека с предлагаемой установкой. Выполнены эксперименты по выращиванию растений салата, подтверждающие эффективность предлагаемых процессов очистки жидких продуктов переработки экзометаболитов человека.

Таким образом, созданная комплексная установка очистки, оснащенная предлагаемым программным обеспечением, может быть использована для научных исследований применительно к тематике ЗЭС, в том числе космического назначения.

 Благодарности. Работы по созданию и апробации установки по очистке от поллютантов газовой среды были выполнены в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования РФ (проект № 121101300066-7).

Acknowledgements. The study was funded by State Assignment of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (project No. 121101300066-7).

Об авторах

Сергей Викторович Трифонов

Институт биофизики ФИЦ КНЦ СО РАН; Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Автор, ответственный за переписку.
Email: trifonov_sergei@inbox.ru

кандидат биологических наук, заведующий лабораторией проблем создания круговоротных процессов искусственных экосистем, Институт биофизики Сибирского отделения Российской Академии наук; доцент кафедры замкнутых экосистем, Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Россия, 660036, г. Красноярск, ул. Академгородок, 50/50; 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Александр Аполлинариевич Тихомиров

Институт биофизики ФИЦ КНЦ СО РАН; Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Email: alex-tikhomirov@yandex.ru

доктор биологических наук, профессор, заведующий лабораторией управления биосинтезом фототрофов, Институт биофизики Сибирского отделения Российской академии наук; заведующий кафедрой замкнутых экосистем, Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Россия, 660036, г. Красноярск, ул. Академгородок, 50/50; 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Александр Владимирович Мурыгин

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Email: avm514@mail.ru

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой информационно-управляющих систем

Россия, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Список литературы

Дополнительные файлы