CC BY
34
УДК 544.623.032.52
Вестник СибГАУ Том 17, № 2. С. 438-443
КОМПЬЮТЕРНАЯ АВТОМАТИЗАЦИЯ УСТАНОВКИ «МОКРОГО СЖИГАНИЯ» ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ ДЛЯ ЗАМКНУТЫХ ЭКОСИСТЕМ
М. Ю. Салтыков1, Е. А. Морозов1, 2*, С. В. Трифонов1, 2, А. В. Мурыгин2, А. А. Тихомиров1, 2
1Институт биофизики СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/50 2Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Создание долгосрочных исследовательских баз на Марсе и других планетах планируется еще с 1960-х годов. В космических миссиях важно уменьшение затрат времени и труда экипажа на жизнеобеспечение. Это позволит повысить научную и практическую содержательность миссии. Одним из процессов, необходимых для функционирования экипажа в замкнутом объеме, является физико-химическая переработка отходов в удобрения для выращивания растений, обеспечивающих экипаж кислородом, водой и едой. Одним из перспективных кандидатов на роль метода переработки органических отходов для длительных космических миссий является «мокрое сжигание» в перекиси водорода под действием переменного электрического тока. Метод относительно прост, компактен, экологически чист и эффективен. Сохранение азота в относительно легко доступных для дальнейшей переработки и вовлечения в круговоротные процессы формах является важным преимуществом. Рассматриваются особенности автоматизации работы оригинальной установки «мокрого сжигания» органических отходов при переходе от аналоговой к цифровой схеме управления процессом минерализации экзометаболитов человека применительно к замкнутым системам жизнеобеспечения. Целью работы являлось встраивание системы управления установкой «мокрого сжигания» в информационную систему экспериментальной модели биолого-технической системы жизнеобеспечения космического назначения для управления ею как единым целым. Программы мониторинга и управления написаны на языке Free Pascal и внутреннем языке микроконтроллера Arduino. Реализовано автоматическое управление оригинальной установкой «мокрого сжигания» органических отходов. Данные о протекании процесса сохраняются в режиме реального времени в форматах, удобных для дальнейшей математической обработки при наличии таких задач.
Ключевые слова: переработка отходов, автоматизация, круговорот, БТСЖО.
Sibirskii Gosudarstvennyi Aerokosmicheskii Universitet imeni Akademika M. F. Reshetneva. Vestnik Vol. 17, No. 2, P. 438-443
COMPUTER AUTOMATION OF ORGANIC WASTES "WET INCINERATION" INSTALLATION FOR CLOSED ECOSYSTEMS
M. Yu. Saltykov1, Ye. A. Morozov1, 2*, S. V. Trifonov1, 2, A. V. Murygin2, A. A. Tikhomirov1, 2
institute of Biophysics SB RAS 50/50, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation 2Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
Creation of long-term research bases on the Mars and other planets have been considered since 1960s. Diminishing time and labor spent on life-support issues are important in space missions as it allows increasing scientific and applied content of the mission. Physiochemical wastes treatment resulting to fertilizers for growing plants providing oxygen, water and food for crew is one of the processes required for crew operation in a closed volume. One of prospective candidates for the role of organic wastes treatment method for long-term space mission is "wet incineration" in hydrogen peroxide under alternating electric current. The method is relatively simple, compact, ecologically clean and efficient. Nitrogen left in forms relatively easily accessible for further treatment and inclusion into turnover processes is a significant advantage. The paper discusses features of the original organic wastes "wet incineration" installation automation in the transition from analog to digital control scheme of human exometabolites mineralization process applied to closed life-support systems. The work was aimed to embed "wet incineration" installation control system into information system of experimental model of space application bio technological life
support systems to control the facility as whole entity. The control and monitoring programs were coded on Free Pascal and internal Arduino micro controller language. The original organic wastes "wet incineration " installation automatic control has been implemented. Process parameters data are saved in real time in formats comfortable for further mathematical processing in presence of such tasks.
Keywords: waste treatment, automation, turnover, BTLSS.
Введение. Время автономного существования биолого-технических систем жизнеобеспечения < (БТСЖО) [1] определяется ее степенью замкнутости, т. е. повторным использованием продуктов переработки отходов в биотическом круговороте. Одной из возможностей повышения степени замкнутости БТСЖО является разработка эффективных, надежных, биологически безопасных и не требующих больших < затрат времени и энергии процессов переработки эк-зометаболитов человека и других органических отхо- ; дов для включения их в круговоротные процессы.
Одним из перспективных является метод «мокрого : сжигания» в среде перекиси водорода H2O2 [2], разработанный в Институте биофизики СО РАН. Переработка осуществляется следующим образом: взвесь измельченных твердых и жидких органических отхо- < дов смешивают с определенным количеством переки- < си водорода, помещают в реактор, принципиальная < схема которого, разработанная ранее, представлена на рис. 1. Эту смесь подвергают действию переменного электрического тока через помещенные в реактор угольные электроды. Расход перекиси водорода принимается следующий: на окисление 1 г сухой соломы, клетчатки, лигнина расходуется 16 мл 33%-ной H2O2, на 1 г плотных отходов человека - 4 мл, на 1 мл ури-
ны - 0,5 мл. Необходимая для окисления органических отходов перекись водорода может воспроизводиться внутри системы [3].
Процесс и установка. Переменный электрический ток инициирует распад молекул Н202 на радикалы •ОН, «О, окисляющие органику в растворе по радикально-цепному механизму [4; 5]. Процесс «мокрого сжигания» органических отходов термостатируется кипением самого раствора; рабочая температура реакции обычно составляет около 100 °С. Время минерализации и величина используемого напряжения зависят от объема и состава органических отходов. Например, процесс окисления экзометаболитов человека занимает порядка 1,5-2 ч. При этом происходит практически полное окисление органического вещества, о чем судят по химическому потреблению кислорода (ХПК ~ 2 г/л). Получаемый раствор полностью стерилен [6]. Жидкие и газообразные продукты реакции могут быть использованы в основе минерального удобрения для выращивания высших растений на гидропонике [7-11], с периодическим обессо-ливанием по мере надобности.
В результате процесса образуется 0,5-5 г/л труднорастворимого осадка. Однако переработка осадка является предметом отдельного исследования.
2S0
Рис. 1. Экспериментальная установка реактора «мокрого сжигания» с платиновой каталитической установкой: 1 - крышка для залива перекиси и отходов; 2 - сливной клапан; 3 - вентиль; 4 - змеевик охлаждения газов; 5 - электроды; 6 - пеногаситель с серводвигателем; 7 - емкость для сбора излишков пены; а, Ь - сосуды, предохраняющие от смешивания раствор из реактора и кислоту из сосуда сбора аммиака; с - сосуд сбора аммиака с 6%-ной кислотой; 8 - платиновый катализатор для окисления водорода и летучих углеводородов
Среди цикла проводимых в настоящее время доработок по включению метода «мокрого сжигания» в круговоротные процессы опытных проектов БТСЖО, стояла реализация автоматизации и управления процессом с возможностью дистанционного мониторинга и сбора данных о параметрах протекания процесса для включения его в общую систему управления СЖО как единым целым.
Работу вели на полупромышленном реакторе с рабочим объемом 6 л (12 л полный объем), который за 1 загрузку перерабатывает суточную норму экзоме-таболитов 2-х человек в течение 2 ч. Таким образом, при непрерывной работе реактора можно перерабатывать за сутки экзометаболиты 24 человек. Ранее было принципиально показано соответствие моментов переключения определенным значениям давления и сделана аналоговая система автоматизации данной установки [12; 13].
Процесс окисления экзометаболитов человека в полупромышленном реакторе протекает в 2 стадии: разгон при напряжении 100 В и рабочий режим при
напряжении 50 В. Условием переключения служит достижение определенной величины давления - 18 см водяного столба (1800 Па) для данной установки. По этому же условию включаются пеногаситель для предотвращения попадания пены в колбы с кислотой и платиновая каталитическая установка для окисления летучих метаболитов (рис. 1). Условием завершения процесса и выключения всей установки является разрежение в реакторе до -2 см водяного столба (-200 Па), что сигнализирует о том, что вся перекись водорода израсходована.
Дооснащение установки. В ходе работы полупромышленный реактор был оснащен цифровыми датчиками, регистрирующими основные параметры протекания процесса: ток (А), давление (Р), напряжение (V) и температуру (Т). Схема расположения датчиков представлена на рис. 2.
Датчик давления расположен между двумя пустыми колбами в газовом тракте во избежание попадания пены на чувствительный элемент, что может повредить датчик.
Рис. 2. Экспериментальная установка реактора «мокрого сжигания» с платиновым катализатором и оптимизированными параметрами тока, оснащенная системой автоматической регистрации
параметров протекания реакции: 1 - крышка для залива перекиси и отходов; 2 - сливной клапан; 3 - вентиль; 4 - змеевик охлаждения газов; 5 - электроды; 6 - пеногаситель с серводвигателем; 7 - емкость для сбора излишков пены; а, Ь - сосуды, предохраняющие от смешивания раствор из реактора и кислоту из сосуда сбора аммиака; с - сосуд сбора аммиака с 6%-ной кислотой; 8 - платиновый катализатор для окисления водорода и летучих углеводородов; 9 - блок питания с регулируемой частотой и формой тока; 10 - управляющий микроконтроллер, 11 - ЭВМ для записи параметров хода реакции
Напряжение подавалось от блока питания с оптимизированными параметрами тока [14-16], что позволило сократить энергопотребление процесса на 18 %, а также облегчить конструкцию и сократить наводки на оборудование, включая чувствительные датчики при коммутации. Управляющие сигналы на блок питания подавались с выходов 3,3 В микроконтроллера Arduino Mega 2560 через оптронную пару, что обеспечило гальваническую развязку управляющей и силовой цепи.
Программная часть. Программа управления состояла из двух частей:
1) работающего на персональном компьютере пользовательского интерфейса и обработчика данных с датчиков давления и напряжения;
2) программы управления напряжением и пенога-сителем, работающей на микроконтроллере.
При этом микроконтроллер работает фактически в качестве интерфейса между персональным компьютером и блоком управления напряжения, а также пеногасителем. Связь микроконтроллера с персональным компьютером осуществляется через стандартный USB-порт, что обеспечивает совместимость практически с любой современной аппаратной платформой.
Программа пользовательского интерфейса и обработки данных написана на языке Free Pascal в среде разработки Lazarus. Программное обеспечение осуществляет чтение данных с датчика давления, температуры, а также цифровых амперметра и вольтметра, подключенных к персональному компьютеру, и осуществляет их запись на жесткий диск. Мониторинг датчиков производится с частотой в 1 Гц. При превышении давлением в реакционной камере некоторого порогового значения (устанавливается пользователем, по умолчанию 1800 Па) происходит автоматическое переключение режима блока питания со 100 на 50 В, включение пеногасителя и платинового катализатора. Отключение питания всей установки, включая пеногаситель и катализатор, производится в двух случаях:
- плановое отключение при исчерпании реакционной массы и, следовательно, падении давления (по умолчанию -200 Па относительно атмосферного);
- аварийное отключение в случае чрезмерного повышения давления в камере (по умолчанию 3000 Па).
На практике необходимость в автоматическом аварийном отключении не возникала.
Данные с датчиков сохранялись в формате .csv, что позволило использовать для их обработки (и в частности, нахождения производной по времени) распространенное программное обеспечение, такое как OpenOfficeCalc или Microsoft Excel. Сохранение данных на диск производится ежесекундно, что позволяет сохранить их в случае обесточивания компьютера. При выходе из строя компьютера в результате обесточивания или по иным причинам происходит выключение питания и пеногасителя (в случае, если они, в свою очередь, остались необесточенны-ми). Таким образом, разработанная система автоматизации эксперимента может быть использована в качестве прототипа контрольной системы промышленной установки «мокрого сжигания» органических отходов -
она обеспечивает безопасную остановку системы в аварийной ситуации.
Данные автоматически сохраняются на компьютере в форматах .txt и .xls, что позволяет, в случае надобности, проводить их математическую обработку, например нахождение производных в точке, стандартными пакетами, такими как Excel и MatcaD. Данные могут быть использованы для синтеза более точных алгоритмов управления.
Заключение. Таким образом, реализована цифровая схема управления установкой «мокрого сжигания» органических отходов для встраивания в информационную систему экспериментальной модели БТСЖО и последующего управления ею как единым целым. Реализовано аварийное отключение системы в случае превышения давления. Данные сохраняются в реальном времени в форматах, удобных для решения последующих задач.
Благодарности. Работы по переходу от аналоговой схемы управления к цифровой, созданию программы пользовательского интерфейса и обработки данных установки «мокрого сжигания» получены при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда (проект 14-14-00599) в ИБФ СО РАН. Остальные работы выполнены в рамках реализации интеграционного проекта № 5 (блок № 4) СО РАН и Государственного задания ИБФ СО РАН по теме № 56.1.4. на 2013-2020 годы.
Acknowledgements. The work on changing analog control scheme to digital, user program interface development and data processing of "wet incineration" installation were conducted with the financial support of the Russian Scientific Foundation grant (project 14-1400599) at IBP SB RAS. Other researches were conducted in the framework of the integration project number 5 (unit number 4) of the SB RAS and the Institute of Biophysics SB RAS State task theme № 56.1.4. for 2013-2020.
Библиографические ссылки
1. Зaмкнyтaя cncreMa: чeлoвeк - вьгсшие pacreHHa / nofl ред. Г. M. HncoBcKoro. Hoboch6hpck : HayKa, 1979. 160 c.
2. Cnoco6 yтилизaции oTxofloB жизнeдeятeльнocти чeлoвeкa и Hecbeflo6Hofi 6noMaccbi pacTeHnfi, пpивoдя-щий к пoлyчeнию из них yflo6peHnfi : naT. 2111939 Рос. Федерация : МКИ6 С 05 F 3/00 / Кулен^ Ю. A., naBneHKo P. A. № 96114242/13 ; заявл. 10.07.96 ; опубл. 27.05.98, Бюл. № 15. 4 с.
3. Electrosynthesis of hydrogen peroxide from oxygen in gas-diffusion electrode in solutions of mineralized exometabolites / G. A. Kolyagin [et al.] // Russian Jornal of Electrochemistry. 2013. Vol. 49, No 10. P. 1120-1124. DOI: 10.7868/S0424857013100095.
4. 3MMaHyOTb H. M., Дени^в E. Т., Mafi3yc 3. K. Цепные peaKunn okhctchm yraeBoflopofloB в жидгай фaзe. M. : HayKa, 1965. 376 c.
5. CeMeHoB H. H. Цепные peaKunn. Л. : TocxHMH3flaT, 1934. 241 c.
6. Boзмoжныe пути включения экзoмeтaбoлитoв чeлoвeкa в Maccoo6MeH биoлoгичecкoй chctcmh жизнeoбecпeчeния / C. A. YmaKoBa [и др.] //
Авиакосмическая и экологическая медицина. 2009. Т. 43, № 2. С. 61-63.
7. Assessing the feasibility of involving gaseous products resulting from physicochemical oxidation of human liquid and solid wastes in the cycling of a biotechnical life support system / A. A. Tikhomirov [et al.] // Advances in Space Research. 2012. Vol. 49. P. 249-253. DOI: 10.1016/j.asr.2011.10.003.
8. Assessment of the Possibility of Establishing Material Cycling in an Experimental Model of the Biotechnical Life Support System with Plant and Human Wastes Included in Mass Exchange / A. A. Tikhomirov [et al.] // Acta Astronautica. 2011. Vol. 68. P. 1548-1554.
9. Физико-химическая переработка экзометаболи-тов человека для замкнутых систем жизнеобеспечения / Е. Ф. Сутормина [и др.] // Химия в интересах устойчивого развития. 2011. Т. 19. С. 413-420.
10. Оценка состава и токсичности газов для растений при физико-химической переработке экзомета-болитов человека применительно к биолого-техническим СЖО / А. А. Тихомиров [и др.] // Доклады Академии наук. 2011. Т. 441, № 2. С. 266-268.
11. Possibility of Salicornia europaea use for the human liquid wastes inclusion into BLSS intrasystem mass exchange / N. A. Tikhomirova [et al.] // Acta Astronautica. 2008. Vol. 63. P. 1106-1110.
12. YcTpoficTBo ymnrnauHH oTxofloB жизнедея-тeльнocти чeлoвeкa и Hecbeflo6Hofi 6noMaccbi pacTe-ний, пpивoдящee к ^лучению из них yflo6peHHfi : nar. 141130 Рос. Федерация / Tpифoнoв C. В. [и др.]. № 2013154367/13 ; заяв. 06.01.2013 ; опуб. 21.04.2014, Бюл. № 15, 6 с.
13. ABToMaTH3auM pa6oTbi peaKTopa «MoKporo» c^raHM oTxofloB жизнeдeятeльнocти чeлoвeкa для 3aMKHyrbix cncreM жизнeoбecпeчeния / C. B. Tpифoнoв [и др.] // Вестник Сибту. 2014. № 2(54). С. 120-121.
14. Hc^efloBaHne влияния 4acTOTbi и фopмы TOKa в pacTBope Ha pacnafl H2O2 при MHHepanH3auHH opraHH4ecKHX oTxofloB в 3aMKHyTbix cncreMax жизнeoбecпeчeния / E. A. Mopo3oB [и др.] // Bccthhk Cn6rAY. 2014. № 1(53). C. 164-168.
15. YcrpoficTBo onTHMH3HpoBaHHofi yтилизaции oTxofloB жизнeдeятeльнocти чeлoвeкa и Hecbeflo6Hofi 6noMaccbi pacTeHHfi, пpивoдящee к пoлyчeнию из них yflo6peHnfi : naT. 146378 Рос. Федерация / Mopo3oB E.A. [и др.]. № 2014115901/13 ; заяв. 21.04.2014 ; опубл. 10.10.2014, Бюл. № 28. 6 с.
16. The effects of the frequency and waveform of the activating current on physicochemical oxidation of organic wastes / Ye. A. Morozov [et al.] // Life Sciences in Space Research. 2015. Vol. 5. P. 53-56. D0I:10.1016/j.lssr.2015.04.005.
References
1. Lisovsky G. M. et al. Zamknutaya sistema: chelovek - visshie rastenya. [A closed system: human -higher plants]. Novosibirsk, Nauka Publ., 1979, p. 160.
2. Kudenko, Yu. A., Pavlenko, R. A. Sposob utilizatzii otkhodov zhizhnedeyatelnosi cheloveka i nesyedobnoi rastitelnoi biomassy rastenii, privodyaschii k polucheniu iz nikh udobrenii. [The method of human
wastes and inedible plant biomass utilization, resulting in obtaining fertilizers]. Patent RF, No. 2111939, 1998.
3. Kolyagin G. A., Kornienko V. L., Kudenko Yu. A., Tikhomirov A. A., Trifonov S. V. Electrosynthesis of hydrogen peroxide from oxygen in gas-diffusion electrode in solutions of mineralized exometabolites. Russian Journal of Electrochemistry. 2013, Vol. 49, No. 10, P. 1120-1124 (In Russ.). DOI: 10.7868/S0424857013100095.
4. Emmanuel N. M., Denisov E. T., Mayzus Z. K. Tsepnye reaktsii okislenya uglevodorodov v zhidkoy faze. [Chain reactions of carbohydrates oxidation in liquid phase]. Moscow, Nauka Publ., 1965, P. 376.
5. Semenov N. N. Tsepnye reactsii. [Chain reactions]. Leningrad, Goschimizdat Publ., 1934, P. 241.
6. Ushakova S. A., Tikhomirov A. A., Kudenko Yu. A., Tikhomirova N. A., Anischenko O. V. [Possible ways of human exometabolites inclusion into mass turnover of biological life support systems]. Aviakosmicheskaia i ekologicheskaia meditsina. 2009, Vol. 43, No. 2, P. 61-63 (In Russ.).
7. Tikhomirov A. A., Kudenko Yu. A., Trifonov S. V., Ushakova S. A. Assessing the feasibility of involving gaseous products resulting from physicochemical oxidation of human liquid and solid wastes in the cycling of a bio-technical life support system. Advances in Space Research. 2012, Vol. 49, P. 249-253. DOI: 10.1016/j.asr. 2011.10.003.
8. Tikhomirov A. A., Ushakova S. A., Velichko V. V., Tikhomirova N. A., Kudenko Yu. A., Gribovskaya I. V., Gros J. B., Lasseur Ch. Assessment of the Possibility of Establishing Material Cycling in an Experimental Model of the Bio-technical Life Support System with Plant and Human Wastes Included in Mass Exchange. Acta Astronautica. 2011, Vol. 68, P. 1548-1554.
9. Sutormina E. F. Trifonov S. V., Kudenko Yu. A., Ivanova Yu. A., Pinaeva L. G., Tikhomirov A. A., Isupova L. A. [Physico-chemical treatment of human exometabolites for closed life support systems]. Khimia v interesakh ustoichivogo razvitia. 2011, Vol. 19, P. 413420 (In Russ.).
10. Tikhomirov A. A., Kudenko Yu. A., Trifonov S. V., Degermendzhi A. G., Sutormina E. F., Ivanova Yu. A. [Estimation of composition and toxicity of gasses obtained by human exometabolites physico-chemical treatment for plants applied to bio-technological LSS]. Dokladi Akademii Nauk. 2011, Vol. 441, No 2, P. 266268 (In Russ.).
11. Tikhomirova N. A., Ushakova S. A., Tikhomi-rov A. A. et al. Possibility of Salicornia europaea use for the human liquid wastes inclusion into BLSS intrasystem mass exchange. Acta Astronautica. 2008, Vol. 63, P. 1106-1110.
12. Trifonov S. V., Kudenko Yu. A., Tikhomirov A. A., Degermendzi A. G. Ustroystvo utilizatsii otkhodov zhiznedeyatel'nosti cheloveka i nes''edobnoy biomassy rasteniy, privodyashchee k polucheniyu iz nikh udobreniy [A device for treatment of human wastes and inedible plant biomass for production of fertilizers]. Patent RF, No. 141130, 2014.
13. Trifonov S. V., Kudenko Yu. A., Tihomirov A. A., Murygin A. V. Human exometabolites "wet incineration" installation automation for closed life support systems. Vestnik SibGAU. 2014, No. 2(54), P. 120-121 (In Russ.).
14. Morozov Ye. A., Trifonov S. V., Kudenko Yu. A., Tikhomirov A. A. Researching the influence of current form and frequency in solution on H2O2 disassimilation during organic wastes mineralization in closed life support systems. Vestnik SibGAU. 2014, No. 1(53), P. 164-168 (In Russ.).
15. Morozov Ye. A., Trifonov S. V., Kudenko Yu. A., Tikhomirov A. A., Degermendzi A. G. Ustroystvo optimizirovannoy utilizatsii otkhodov zhiznedeyatel'nosti cheloveka i nes''edobnoy biomassy rasteniy, privodyash-
chee k polucheniyu iz nikh udobreniy [A device for optimized treatment of human wastes and inedible plant biomass for production of fertilizers]. Patent RF, No. 146378, 2014.
16. Morozov Ye. A., Trifonov S. V., Kudenko Yu. A., Tikhomirov A. A. The effects of frequency and waveform of the activating current on physico-chemical oxidation of organic wastes. Life Sciences in Space Research. 2015, Vol. 5, P. 53-56. DOI: 10.1016/j.lssr. 2015.04.005.
© Салтыков M. Ю., Морозов Е. А., Трифонов С. В., Мурыгин А. В., Тихомиров А. А., 2016
