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“月宫一号”中固体废物的处理和再利用 精选

已有 4230 次阅读 2018-4-9 19:46 |系统分类:科普集锦

本文作者:第一批舱内成员,2014级博士刘佃磊

    “月宫一号”实验系统由一个综合舱和两个植物舱组成。舱内共种植了35种作物:植物舱一主要种植小麦、土豆、芋头等作为主食的作物;植物舱二主要种植大豆、油莎豆、黄瓜、西红柿、草莓、青椒、叶菜等作物。综合舱主要用于乘员工作休息、水处理、固体废物处理、黄粉虫饲养、蘑菇栽培等。 “月宫一号”舱内固体废物包括乘员及黄粉虫粪便、植物不可食部分、餐厨垃圾等,其处理和再利用与系统闭合度密切相关。因此,固体废物处理是生物再生生命保障系统中重要的单元。

    “月宫一号”舱内的固体废物采用高温好氧发酵处理,处理后的产物可以作为有机肥施用,发酵过程中产生的二氧化碳也可以通入植物舱,作为植物光合作用的原料。固体废物的处理及利用过程如下:首先,筛选高温好氧微生物菌群,该菌群可以降解植物秸秆中的纤维素,降解效率越高产生的二氧化碳越多,有机肥腐熟程度越高,也对植物种植越有利。所以微生物菌群的筛选对实验的顺利开展至关重要。另外,微生物接种比例要保持在合适的水平,一般接种菌剂比例在5%到10%之间。其次,按照堆肥适宜的碳氮比(一般30:1或35:1)计算乘员粪便和植物不可食部分合适的混合比例。其中,植物不可食部分主要为各种植物的秸秆和根类,进入发酵设备之前,首先将其移入综合舱内的储藏室晾干,再用植物粉碎机进行粉碎(为了保证发酵良好的通气性,一般粉碎粒径为2-20 mm)。最后,将固废混合物加入到固废转化器中,调节初始含水率50%-70%,温度50-60 oC,并定时搅拌和通气。


图一 月宫舱内处理固体废物的固废转化器

    

    “月宫365”实验共计365天,每天都会有新产生的固体废物进入到固废转化器中,随着实验的进行,固体废物也在不断被降解。由于秸秆富含纤维素、半纤维素和木质素,不易被微生物降解完全,因此固废转化器中的物料会不断积累。当设备中的物料达到设备体积的一半时,部分物料,送至发酵箱中进行二次发酵,直至完全腐熟。二次发酵过程也需定时搅拌以及通氧,避免因厌氧发酵产生NH3、H2S等有害气体。发酵结束后对产物进行腐熟指标检测,包括堆肥的常规物理指标(颜色、气味、颗粒度、含水率等)、植物毒性检测(一般为发芽指数GI)、碳氮比、pH和电导率等。

    物料完全腐熟后,用离子色谱检测发酵产物浸提液中的营养离子浓度,与Hoagland营养液中的各营养元素的含量进行对比,计算发酵产物合适的添加比例。之后将腐熟的物料与蛭石混合后,作为基肥加入到植物种植槽,待植物生长到一定阶段再进行相应追肥。固废发酵产物中除了富含氮、磷、钾等大量元素外,还含有植物生长所需要的各种微量元素,以及可被植物直接吸收利用的可溶性糖、氨基酸和有机氮等;同时发酵产物还可以提高植物的抗逆性,比如抗旱性、抗病性、抗倒伏、耐盐性等。利用发酵产物作为有机肥种植植物实现了固体废物的再利用,提高了物质循环效率,也提高了整个系统的闭合度。

图二 月宫舱内采用发酵产物种植的小麦


图三 固废发酵产物种植的奶油生菜

    

    再过几年,我国自主建设的空间站将会建成并投入使用,届时航天员会长期生存于太空中;而再过15到20年,我国将实现载人登月,进而建立月球基地。人类在太空和月球长期生存离不开生物再生生命保障系统,其中的固体废物处理也必不可少。目前“月宫一号”开展的科学实验对我国未来的深空探测生命保障具有重要的意义,这也是激励着我们每一个人前进的动力!




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1 黄永义

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