XX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Простой и эффективный биотуалет
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Простой и эффективный биотуалет.
Проблема утилизации отходов жизнедеятельности человека остаётся на наш взгляд актуальной и в наше время. На первом этапе работы мы хотим решить эти проблемы в труднодоступных местах. Это метеостанции, особо охраняемы территории, коллективные сады.
Приведу пример некачественного решения этой проблемы. Анализ воды в нашем чистейшем Тесьминском водохранилище стал хуже после построек в Верховьях реки Тесьмы туристических приютов. А качество воды в чистом озере Тургояк после застроек на его берегах без отдыха оставляет желать лучшего. Эту информацию мы знаем из газет, также об этом сообщалось по телевидению.
Современные конструкции биотуалетов очень дорогие. Они требуют использование химических жидкостей или электричества [1]. Туалеты в садах-дачах предполагают компостирование [2]. Это очень длительно и не исключено заражение.
Поэтому наша цель – создать простой и эффективный биотуалет.
Объект исследования – биотуалет в личном хозяйстве научного руководителя.
Предмет исследования – утилизация субстрата из биотуалета.
Биотуалет обычный, в виде ведра, с засыпкой (опилками), который применяется везде. Куда потом девается содержимое биотуалета? Основа нашего биотуалета – это простая 200 литровая металлическая бочка.
Гипотеза исследования:
Если бочку заполнить субстратом из вёдерного биотуалета, то можно сжигать в ней дровяной мусор, сжечь и содержимое бочки и получить отличное удобрение. Бочку также можно использовать для основы стационарного туалета засыпного типа (опилки). Такая схема позволяет эффективно и без особых затрат решить проблему биотуалета в труднодоступных местах. Также возможно попробовать использовать субстрат с опилками из вёдерного биотуалета в качестве топливного брикета в обычной печи в экстремальных ситуациях.
Топливо из фекалий используется в Кении специалистами Na Kuru Water and Sanitation Services, оно горит в два раза дольше, чем уголь при этом выделяя на две трети меньше вредных выбросов.
Сжигание субстрата в металлической бочке соответствует всем нормам и требованиям пожарной безопасности.
Решение задачи проходилось опытно-экспериментальным путём.
Теоретическая часть
Изучение научно-технологической информации по утилизации отходов жизнедеятельности человека.
Канадские учёные предложили вырабатывать из человеческих фекалий топливо, которое в перспективе позволит сократить потребление газа и угля. Об этом говорится в сообщении канадского института воды, окружающей среды и здоровья при ООН, опубликованном на сайте организации.
Утилизация человеческих экскрементов обычно рассматривается как проблема, требующая от властей дополнительных затрат. Но в последнее время, их всё чаще используют в качестве удобрений. По данным Всемирной организации здравоохранения, ежегодно один индивид выделяет в виде мочи и фекалий более 4,5 кг азота и примерно 0,5 кг фосфора [3]. Именно эти элементы необходимы для плодородия почвы.
Использовать навоз в качестве топлива для костров кочевые племена начали ещё тысячи лет назад. Именно они обнаружили, что высушенные лепёшки из навоза различных животных успешно заменяют довольно дефицитные дрова, которые сложно найти в степях или пустынях. Тепла, которое создавал этот вид топлива, хватало не только на приготовление еды, но и на обогрев жилищ.
Кроме того, зола, остающаяся после прогорания этого топлива, является одним из лучших калийно-фосфатных удобрений.
Учёные университета имени Бен-Гуриона в Негеве говорят, что они провели экспериментальное исследование, в котором показано, что необработанные человеческие экскременты могут быть превращены в безопасное топливо и удобрение, богатое питательными веществами. Открытие отвечает двум основным потребностям развивающего мира: улучшение санитарии и экологически чистого топлива для энергетики, говорится в заявлении исследователей.
Исследование было опубликовано накануне Всемирного дня туалета, который отмечается 19 ноября. Всемирный день туалета – это день, назначенный организацией Объединённых наций для привлечения внимания к глобальному кризису в области санитарии и стимулирования действий в этой сфере. По данным ООН, 4,5 млрд людей или около 60% мирового населения, либо не имеют туалета дома, либо эти туалеты не безопасны, а 892 млн людей практикуют открытую дефекацию. «Последствия воздействий человеческих фекалий в этом масштабе оказывают разрушительное влияние на общественное здравоохранение, условия жизни и труда, питание, образование и экономическую производительность во всём мире» – говорится в заявлении ООН на сайте lechaim.ru.
Изначально бизнес идея родилась с информацией о том, что по количеству углерода в калорийности фекалий человека сопоставимы с аналогичными показателями хорошо просушенных древесных дров, что делает эти отходы жизнедеятельности потенциальным сырьём для переработки, способным дать на выходе качественную альтернативу традиционному топливу.
Биогаз из фекалий, который содержит около 60% метана, можно получать в бескислородных условиях за счёт деятельности бактерий. По подсчётам учёных, если все фекалии человечества пустить на производство биогаза, то можно будет сэкономить более 9,5 млрд долларов на покупке обычного природного газа. Оставшуюся после получения биогаза твёрдую фракцию можно будет высушить и превратить в 2 млн тонн эквивалента угля.
По данным ООН, примерно один миллиард людей в мире (60% из них живут в Индии) до сих пор не пользуются туалетами.
Люди любят золото, и неудивительно, что постоянно ищут новые способы добычи этого драгоценного металла. Группа исследователей из американского химического общества обнаружила, что человеческие фекалии могут быть очень хорошим источником золота, наряду с другими драгоценными металлами, такие как ванадий, серебро, медь, которые используются в большинстве электроники. При этом, их концентрация достаточно высока, чтобы добыча этих металлов была коммерчески выгодна. Было подсчитано, что отходы от одного миллиона американцев могут содержать металлов на 13 миллионов долларов.
Изучив выше представленную информацию, можно прийти к выводу, что отходы в жизнедеятельности человека опасным образом меняют экосистему планеты и их утилизация может производиться по следующим направлениям:
-
производство удобрений;
-
производство топлива и биогаза;
-
извлечение драгоценных металлов.
Исходя из выше предложенного, технология утилизации отходов жизнедеятельности человека в простом биотуалете, который мы разрабатываем, должна соответствовать этим пунктам.
Были изучены современные конструкции биотуалетов. Однако они, на наш взгляд, достаточно дорогие и требуют дополнительных химических материалов, электричества и т.д.
Поиск аналогов разрабатываемого биотуалета
Была изучена научно-технологическая информация по разрабатываемой теме. Было выбрано 2 варианта аналогов биотуалета:
-
Сухой биотуалет «Pacto» шведской фирмы Данфо [4].
Рисунок 1 – Сухой биотуалет Pacto
Многим из тех, кому пришлось осваивать дачный участок, знакома картина, когда в чистом поле, только ещё размеченном колышками, начинали появляться постройки. Как правило, первыми ставились «домики неизвестного архитектора». На их возведение требовалось время, за которое окружающие территория и атмосфера успевали преобразиться не в лучшую сторону. И в такой ситуации хорошим решением является применение биотуалетов, а идеальным – использование сухого биотуалета Pacto, поскольку утилизация отходов с его помощью не может принести никакого вреда окружающей среде.
Биотуалет Pacto был изобретён в 1969 году для использования в шахтах и являлся самым первым изделием шведской фирмы Данфо. В чём же его особенности? Во-первых, это изделие соответствует современным экологическим требованиям, – в нём не применяются химические реактивы для разложения нечистот. Во-вторых, биотуалет просто собирать и эксплуатировать – для его работы не нужен подвод электроэнергии и воды. В-третьих, что немаловажно для пользователя, постоянная чистота изделия и отсутствие неприятных запахов.
Pacto – полностью механический туалет. «Смыв» производят нажатием педали. При этом работает зубчатый механизм – фрагмент рукава с отходами смещается вниз в отверстие и вытягивается свежий фрагмент рукава. Фактически мы имеем механический аналог слива, при котором блокируется доступ в отделение отходов. Это означает, что следующий пользователь не найдет никаких следов отходов. При уборке исключается прямой контакт с отходами. После каждого посещения отходы капсулируются в плёнку.
Полиэтиленовая пленка, используемая в биотуалете Pacto для сбора капсулированных отходов, специально создана для этих целей и при сжигании выделяет только двуокись углерода
Биотуалет устанавливают на подиум, в который попадают использованные рукава, в этом случае необходимо снабдить подиум естественной вентиляцией.
Капсулы из разлагаемой пленки закапываются в компостную яму.
Несмотря на простоту конструкции, этот туалет относительно дорогой и размещение отходов необходимо проводить в компостной яме, что является очень длительным и небезопасным процессом.
-
Старый шведский биотуалет «Кливус мультрум».
Рисунок 2 – Старый шведский биотуалет «Кливус мультрум»
Такой биотуалет может быть установлен непосредственно в доме. Принцип его использования показан на рисунке 2, и заключается в выбрасывании в средний отсек гниющих бытовых отходов. В унитаз на дне устройства выкладывается торфяная пластина, которая при смешивании с отходами жизнедеятельности человека и бытовыми отходами перегнивает, образуя компост.
Несмотря на простоту и дешевизну, этот туалет достаточно сложен в установке и не подходит для установки в труднодоступных местах. Также, данный биотуалет применяется только в относительно тёплых местах.
Нашей задачей является создание простого и эффективного биотуалета, лишённого вышеуказанных недостатков.
Опытно-экспериментальная часть
Опыт №1
Определение основных данных при сжигании.
Оборудование: металлическая бочка, заполненная субстратами из биотуалета, дрова.
Ход опыта: сверху бочки развели костёр из бросовых дров и подкладывали их 3-4 раза, что бы весь костёр сгорел. Выдерживали сутки-двое, чтобы субстрат сотлел. Дров истратили 5-6 кг. Глубина первого сжигания – 42 см (смотри приложение №1).
Оставили остывать 2 суток и удалили золу.
2 процесс сжигания: дрова 6-6 кг, глубина сжигания 55 см.
3 процесс сжигания: дрова 5-6 кг, глубина сжигания 88 см. до дна. Собрали золу и использовали как удобрение при посадке картошки. Фото процесса в приложении №2.
Результат: произвели полную утилизацию за 6 суток и получили эффективное удобрение.
Опыт №2
Определение основных данных при утилизации методом компостирования.
Оборудование: металлическая бочка, заполненная субстратами из биотуалета, чёрный полиэтиленовый пакет.
Ход опыта: бочка после заполнения накрывается чёрным пакетом и остаётся на 1-2 года для получения компоста. Получение удобрения представлено в приложении №3.
Недостаток: очень длительный процесс.
Опыт №3
Посадка картофеля с применением полученного удобрения.
Сорт картофеля: RED «Соня»
Результаты: урожайность с поученным удобрением на 20% выше, чем с обычным.
Опыт №4
Определение возможности утилизации субстрата из ведерного биотуалета путем сжигания в обычной печи.
Оборудование: ведерный биотуалет, опилки, дрова, металлическая печь.
Ход опыта: в ведерный биотуалет поместили пластиковый пакет для удобства извлечения субстрата. После заполнения пакет завязали сверху и поместили в работающую печь в качестве топливного брикета. Сгорание произошло качественно и без посторонних запахов.
Результат: таким образом, мы не только решили проблему утилизации субстрата из биотуалета, но и получили дополнительное топливо и отличное удобрение (приложение №4).
Вывод
Таким образом, была решена не только экологическая проблема туалета в труднодоступных местах, но и получено эффективное удобрение для овощей.
В национальном парке Таганай есть высокогорная метеостанция на горе Дальний Таганай. Применение простого ямочного туалета невозможно. Куда сбрасывать отходы? Большой вопрос. Работа поможет хотя бы частично решить проблему здесь и в других аналогичных местах. Эту проблему можно решить просто исходя из результатов опыта 4.
Простой вёдерный туалет с засыпкой опилками, в котором предварительно устанавливается полимерный пакет. После заполнения, пакет завязывается сверху и перемещается в печь в качестве топлива.
Исходя из опытов и полученной научно-технической информации никаких запахов сжигания не наблюдается. Эта технология успешно применяется в течении полгода в личном хозяйстве научного руководителя.
Были определены основные параметры процесса. Показана принципиальная возможность сжигания содержимого бочки:
-
Вёдерный биотуалет, объёмом 10 литров заполняется одним человеком за 14 дней.
-
Бочка 200 литров заполняется субстратом из биотуалета одним человеком за 280 дней.
-
Время процесса сжигания и тления субстрата в бочке 200 литров – 6 суток.
-
Количество бросовых для сжигания 15-18 кг.
-
Вес удобрения после сжигания – 5,5 кг.
-
Применения удобрения при выращивании картофеля
-
Урожайность повышается на 20%.
Определили возможность утилизации субстрата из вёдерного биотуалета путём сжигания в обычной печи.
Сейчас мы занимаемся проблемой создания стационарного биотуалета для приусадебных хозяйств, национальных парков и коллективных садов и т.п (Приложение № 5).
Исходя их полученных результатов, мы можем рекомендовать наши туалеты в зоне СВО (затопленные скопы и т.п.). В чрезвычайных ситуациях, землетрясения, военные действия в труднодоступных местах и т.п.
Применение биотуалетов в экстремальных ситуациях показано в приложении № 6.
Готовится пакет документов для получения патента РФ на изобретение.
Список использованной литературы
-
Общие сведения о самых распространенных типах биотуалетов: [Электронный ресурс] URL:http://kratko-obo-vsem.ru/. (Дата обращения: 16.09.2016).
-
Туалет для дачи своими руками: [Электронный ресурс] URL:http://www.norstar.ru/dachniku-na-zametku/. (Дата обращения: 03.10.2016).
-
Самые популярные биотуалеты – наш рейтинг: [Электронноый русурс] URL:http://www.1000ideas.ru/. (Дата обращения 27.09.2016).
-
Журнал Дом №11/2010 ноябрь стр. 36-37
Приложения
Приложение №1
Приложение №2
Приложение №3
Приложение №4
Определение возможности утилизации субстрата из ведерного биотуалета путем сжигания в обычной печи.
Приложение №5
Проект стационарного биотуалета
Очень удобен, на наш взгляд, такой туалет на приусадебных участках и в частном секторе, где нет канализации. После заполнения отходами бочки на 2/3 в бочку закладывается сгораемый мусор – ветки и т.п. что все равно ранее сжигалось на костре и происходит процесс верхнего сжигания, согласно опыту 1.
Получается высококачественное удобрение и после его изъятия цикл повторяется. В холодное время ведерный биотуалет может быть установлен в теплом доме в любом удобном месте, а после его заполнения субстрат переносится в основной туалет и цикл повторяется. Процесс сжигания в этом случае можно провести весной.
Простейшие туалетные кабинки (например, для национального парка).
Приложение №6
Применение биотуалета в экстремальных ситуациях.
-
Использование биотуалета в затопленных окопах.
-
После военных бомбардировок в городе или после природной
катастрофы, при отключении электричества используется ведерный биотуалет с последующей утилизацией в печке буржуйке.