О реализуемом в Швеции проекте автономного модуля для обеспечения жизнедеятельности людей

Введение. Краткое описание проекта автономного жилого модуля

В мае 2016 г. в журнале «Безопасность жизнедеятельности» вышла статья авторского коллектива кафедры «Экология и промышленная безопасность» МГТУ им. Н.Э. Баумана с участием студентов, обучавшихся по программе бакалавриата направления «Техносферная безопасность», в которой был описан проект автономного, энерго- и экологонезависимого модуля для обеспечения жизнедеятельности человека в условиях арктической природной среды [1]. Авторы выражают огромную благодарность всей редакции журнала «БЖД» и лично — зам. главного редактора А.В. Почтарёвой за проявленную научную смелость в публикации данного проекта, который в то время ещё воспринимался как фантастика. Однако, спустя всего два года, авторы настоящей статьи с радостью сообщают, что подобный проект уже реализуется на практике в экологическом поселении Сюдербин (Suderbyn Ecovillage), расположенном на шведском острове Готланд, находящемся в Балтийском море.

Вкратце, проект 2016 г. предусматривал строительство модуля, позволяющего обеспечить жизнедеятельность людей на основе собственного энергообеспечения и замкнутости внутренних материальных потоков. Автономность модуля можно обеспечить за счёт местных энергетических ресурсов. Замкнутость потоков вещества в искусственной среде обитания обеспечивается за счет воспроизведения функций продуцентов, консументов и редуцентов, наподобие того, как это происходит в природных экосистемах. Поэтому такой модуль можно назвать искусственной экосистемой, схема замкнутого круговорота вещества внутри которой приведена на рис. 1.

Замкнутость по газообмену обеспечивается наличием в ИЭС культиваторов микроводорослей и фототрофного звена, включающего в себя высшие растения, а так же компостированием органических отходов. Замкнутость по питанию обеспечивается путём постоянного воспроизводства в фототрофном звене ИЭС растительной пищи с добавками животных белков в виде консервированной пищи. Замкнутость по водообороту обеспечивается наличием биологической анаэробной системы очистки воды от органических загрязнений.

Рисунок 1. Схема потоков вещества и энергии в автономном жилом модуле

Такой модуль с автономным энергоснабжением, например от ветровых источников, обеспечит не только безопасное и комфортное проживание людей в благоприятной среде, но и нулевой уровень эмиссии загрязняющих веществ и антропогенного воздействия на окружающую природную среду, что позволит сберечь уникальные экологические системы. Поэтому, выбор проекта ИЭС для реализации в Швеции был обоснован необходимостью сохранения и восстановления экосистем Балтийского моря.

Цель проекта. Улучшение экологического состояния Балтики

Балтийский регион отличается многоукладностью способов хозяйствования, так как его побережье поделено между 9 странами: Россией, Данией, Финляндией, Германией, Швецией, Польшей, Эстонией, Латвией и Литвой. Кроме того, согласно данным, приведённым в работе [2], некоторые страны владеют несколькими приморскими регионами, различающимися по своему морехозяйственному потенциалу. Это Россия (Финский залив и Калининградское взморье), Швеция (Гёталандское побережье и западный берег Ботнического залива), Финляндия (Южное побережье и восточный берег Ботнического залива). Такая пестрота политико-административного и экономического деления побережья и вод Балтийского моря обусловила отсутствие в данном регионе единого государственного природоохранного механизма. Это, в свою очередь, привело к серьёзному нарушению экосистем Балтики.

Так, по данным работы [3] наиболее существенный вклад в ухудшение экологии Балтийского моря вносят находящиеся вблизи побережья индустриально развитые районы, густонаселенные города и интенсивно используемые сельхозугодия, на которых используются удобрения, главными компонентами которых являются аммонийный азот, нитраты и фосфаты. Ежегодно с коммунальными стоками городов и жидкими отходами промышленных предприятий, а также со смывом удобрений с полей в воды Балтики попадает 600 тыс. тонн азота и 25 тыс. тонн фосфора. Высокие суммарные концентрации азота и фосфора в Балтийском море вызывают эвтрофикацию — спонтанный неконтролируемый рост простейших сине-зеленых водорослей. Зона обширной эвтрофикации в Балтийском море длиной 1,6 тыс. км и шириной 190 км отчетливо видна из космоса. Эвтрофикация приводит к снижению концентрации кислорода в воде. Нехватка кислорода в свою очередь лимитирует рост и развитие других морских организмов, что уничтожает пищевые ресурсы для развития зоопланктона и рыб, Это приводит к деградации и упрощению водных экосистем и утрате аборигенной ихтиофауны. Из-за этого биогенные органические вещества не полностью поглощаются живыми организмами и разлагаются в воде, выделяя губительный для морских обитателей сероводород. В настоящее время концентрация газа в сероводородных зонах на дне крупнейших впадин Балтийского моря (Борнхольмской, Готландской и Гданьской) уже настолько велика, что там не могут существовать никакие живые организмы.

Чтобы предотвратить окончательное уничтожение экосистемы Балтийского моря, в 1992 году Хельсинской комиссией (ХелКом) была подготовлена новая Конвенция по защите морской среды района Балтийского моря, которая учитывала произошедшие изменения на политической карте, произошедшие в результате распада Советского Союза. Россия ратифицировала эту Конвенцию в 1998 г. А 15 ноября 2007 года в Кракове (Польша) министры охраны окружающей среды стран — членов ХЕЛКОМ приняли «План действий по Балтийскому морю» (ПДБМ). Он, в том числе, предусматривает внедрение жестких требований по удалению биогенных элементов из сточных вод и установление квот на сброс биогенных элементов для каждой страны Балтийского региона. [4]

Важной составляющей ПДБМ является увеличение инвестиций в науку и образование, как инструмент развития Балтийского региона и способ улучшения состояния охраны окружающей среды. Механизмом реализации данного пункта плана стало участие университетов стран региона Балтийского моря — Швеции, Германии, Финляндии, Польши, Литвы в Программе Европейской комиссии «Эразмус». Целью этой программы является повышение качества высшего образования, а также установление диалога культур посредством академической мобильности и сотрудничества, в первую очередь между европейскими университетами и университетами других стран, в том числе — России и стран СНГ. [5] Приоритетные проекты «Эразмус» ориентированы на подготовку специалистов для решения вопросов охраны окружающей среды.

Осенью 2018 г. по программе сотрудничества университетов «Эразмус» и её партнёрскими программами, в Швеции проводился учебно-лабораторный практикум по возобновляемым ресурсам «Renewability». В рамках этого практикума проводилось строительство автономного модуля, включающего в себя фитотроны для производства растительного питания и систему биологической очистки коммунальных стоков. Реализация подобного проекта в промышленных масштабах способна исключить поступление соединений азота и фосфора с поверхностным стоком от сельскохозяйственных территорий и тем самым предотвратить процесс дальнейшей эвтрофикации водной среды Балтики. Один из авторов данной статьи — Никита Николаевич Литвинов прошел конкурсный отбор и был зачислен в международную команду студентов, принявших участие в практикуме по возобновляемым ресурсам «Renewability».

Место проведения практикума. Поселение и община Сюдербин, Швеция

Экологическое поселение Сюдербин расположено на шведском острове Готланд в Балтийском море к югу от столицы провинции — города Висби, население которого составляет 20 тыс. чел. Сюдербин исторически был первым экопоселением в Швеции. Основала его супружеская пара Холл (Роберт и Ингрид) которые стали первыми постоянными жителями вместе со своими двумя детьми-подростками. Территория поселения составляет 5 гектаров.

Задачей экопоселенцев изначально была отработка технологий устойчивого сельского хозяйства (пермакультуры), создание многолетних лесных насаждений, изучение съедобных дикоросов и организация жизни по принципу бытового минимализма, осознанного труда, заботы об окружающей среде. В настоящее время на территории экопоселения, кроме основателей постоянно проживают на условиях аренды домов ещё 10 семей, образующих общину поселения. Постоянная община в экопоселении представляет собой идейно сплочённую группу из 30 человек, в том числе детей, не связанных какой-либо духовной или политической идеологией, а только принципами пермакультуры и бережного отношения к природе. На территории так же имеется здание для размещения группы численностью до 20 волонтёров, пребывание которых ограничивается сроком в один месяц. Так же в Сюдербине имеется обширная библиотека и зал с компьютерами в свободном доступе для поиска в Интернете информации по решению возникающих инженерных и технологических проблем.

Всё это позволило Сюдербину стать базой для реализации проектов в сфере экологического обучения, разрабатываемых различными образовательными организациями. Учебно-лабораторный практикум по возобновляемым ресурсам «Renewability» проходил в Сюдербине с 5 сентября по 5 октября 2018 года и был организован содружеством Университетов — участников программы «Эразмус» для студентов из европейских стран, в том числе из СНГ. [6]

На рис. 2 показана русскоязычная часть команды волонтёров, которые прошли конкурсный отбор для участия в программе «Renewability». Литвинов Н.Н. представил собственный экологический проект «Концепция экотехносферного демонстратора».

Рисунок 2. Участники учебно-лабораторного практикума «Renewability» из стран СНГ. Крайний справа — Н.Н. Литвинов.

Задачей группы участников практикума было строительство Closed Loop Baltic (CLB) — автономного замкнутого модуля, предназначенного для производства продуктов питания и энергии на основе инновационных, но низкотехнологичных решений, позволяющих исключить сток сельскохозяйственных загрязнителей, содержащих биогенные элементы в прибрежных районах Балтики и тем самым улучшить экологическое состояние моря, предотвратив дальнейшую эвтрофикацию и разрушение водных экосистем.

Сравнение проекта автономного модуля, спроектированного студентами МГТУ им. Н.Э.Баумана и модуля, строящегося в Сюдербине

Для строительства автономного модуля, предназначенного для обеспечения жизнедеятельности экопоселенцев на острове Готланд, были использованы все предложения проекта МГТУ им. Н.Э. Баумана 2016 года (кроме разведения хлореллы и аквакультуры). Ниже представлены схемные решения проекта автономного модуля 2016 года и их практическая реализация в CLB.

Рисунок 3. Получение энергии от ветрогенератора. Слева – проект 2016 г., справа – проект CLB

Как и в проекте 2016 года, для получения энергии используется ветрогенератор, так как для северных приморских регионов характерна частая повторяемость сильных ветров. При строительстве модуля CLB был самостоятельно изготовлен ветрогенератор, на основе конструкторского справочника Хью Пигготта. (Hugh Piggott). [7] Трёхлопастной пропеллер (рис. 3, слева) с размахом лопасти 1,5 м, снабженный флюгером для ориентирования установки по ветру и размещённый на мачте высотой 9 м, укреплённой тремя проволочными растяжками, при самом сильном ветре обеспечивал генерацию до 2 кВт электрической мощности.

Рисунок 4. Купольное сооружение модуля. Слева — проект 2016 г., Справа — проект CLB.

В качестве сооружения для размещения оборудования модуля в проекте 2016 г. предлагалось использовать широко известную конструкцию купола, разработанную Р. Бакминстером Фуллером (рис. 4, слева). Купол Фуллера состоит из симметричной сетки плоских элементов, наложенной на сферическую поверхность. Весь купол состоит из треугольных элементов пяти видов, поэтому такая купольная конструкция, которая и была реализована в проекте CLB (рис. 4, справа) называется «Пентад».

Рисунок 5. Фитотрон для производства растительного питания. Слева — проект 2016 г., Справа — проект CLB.

В проекте 2016 г. для обеспечения растительной части рациона жителей предлагалось использовать цилиндрический спиральный фитотрон со сдвигающимися гнёздами для посадки растений, позволяющий организовать разновозрастной конвейер для выращивания методом аэропоники различных видов съедобных растений (рис. 5, слева). В проекте CLB так же используется аэропоника, но вместо центрального фитотрона была выполнена установка нескольких аэропонных башен (рис. 5, справа). Аэропонная башня представляет собой трубу высотой от 4 до 7,5 метров наверх которой с помощью насоса поднимается смесь воды и жидкого удобрения, а далее раствор сверху стекает на корни растений вставленных в эту трубу, тем самым доставляя питательные вещества и способствуя их более быстрому росту по сравнению с выращиванием растений в почве.

Так как разработка фитотрона в проекте CLB находилась ещё на начальной стадии, то возникло много вопросов о том, какая конфигурация башен будет давать наилучшую эффективность и наибольшую простоту эксплуатации. Литвинов Н.Н. представил разработчикам концепцию проекта 2016 г. и протестировал её работоспособность во время пребывания в экопоселении. Результат подтвердил эффективность выбранного в 2016 г. технического решения, поэтому авторами проекта CLB в Сюдербине было принято решение о продолжении разработки схемы фитотрона на основе концепции проекта 2016 г. последующими группами участников учебно-лабораторного практикума.

Рисунок 6. Метантенк-биореактор для организации замкнутого водооборота. Слева — проект 2016 г., 1 — Резервуар; 2 — Перегородка для разделения зон брожения; 3 — Внешняя камера 1 фазы сбраживания; 4 — Внутренняя камера 2 фазы сбраживания; 5 — Газосборная горловина; 6 — Патрубок, подающий органический раствор; 7 — Система распределения раствора; 8 — Патрубок отвода осадка; 9, 10 — Патрубки для отвода газов; 11 — Опорные стойки; 12 — Основание. Справа — проект CLB.

Для организации замкнутого водооборота в автономном модуле проекта 2016 г. предлагалось использовать анаэробный метод очистки сточных вод от широкого спектра органических веществ.Анаэробный метод очистки осуществляется без доступа воздуха. Для переработки органических загрязнений применяется метановое брожение. Жидкие органические стоки сбраживаются анаэробными бактериями в специальных герметичных резервуарах-биореакторах, которые называются метантенками (рис. 6, слева).

Трансформация органических веществ в метантенках представляет собой сложный анаэробный биотехнологический процесс минерализации, осуществляемый в результате жизнедеятельности микроорганизмов. Эти процессы представляют собой анаэробное брожение — частный случай непрямого окисления исходных и промежуточных веществ в бескислородных условиях. В процессе брожения сложные органические вещества последовательно гидролизуются, растворяются, превращаются в более простые компоненты, значительная часть которых затем переходит в газовую фазу, в раствор и в осадок (активный ил). Ил затем можно использовать для питания растений в фитотроне. Брожение называют метановым, так как оно осуществляется метанобразующими бактериями, а одним из основных конечных продуктов распада органических веществ является метан. Поэтому, образующуюся при очистке воды смесь газов называют биогазом. Он состоит в основном из диоксида углерода и метана, поэтому подходит для использования в качестве топлива, например для отопления зданий, и приготовления пищи, для чего его нужно предварительно очистить от примесей сероводорода.

Именно такая система была реализована в модуле CLB. (рис. 6, справа). Литвинов Н.Н. во время прохождения практикума занимался системой сбора и очистки биогаза. Во время проверки и анализа состояния системы было выявлено большое количество протечек и были предприняты попытки устранения данных протечек. Далее было произведено проектирование и конструирование системы очистки биогаза от сероводорода и уменьшения его влажности для улучшения характеристик сжигания топлива.

По согласованию с постоянными жителями Сюдербина, для заполнения системы очистки была выбрана металлическая стружка, которая вступала в химическую реакцию с сероводородом. Этот способ используется в промышленности с 30-х годов XX века, в ходе реакции выделяется водород, который тоже является горючим компонентом биогаза:

H₂S + Fe = FeS + H₂ ↑

Впоследствии стружка, превратившаяся в порошок сульфида железа, выгружалась через специальный технологический люк. В качестве адсорбента во второй ступени системы очистки были выбраны гранулы силикагеля для поглощения паров воды из биогаза. Оба вида наполнителей были загружены в цилиндрические ёмкости, связанные между собой системой труб. Далее, очищенный газ закачивался в баллоны с помощью компрессора.

Биогазовый реактор-метантенк, утилизирующий органические отходы, не только вырабатывает биогаз, но и создает на выходе жидкое удобрение, которое используется в описанных выше аэропонных башнях для выращивания съедобных растений.

Рисунок 7. Использование метода биокомпостирования органических отходов для получения почвоподобного субстрата и выращивания растительного питания. Слева — проект 2016 г. Справа — проект CLB.

В проекте 2016 г., для замыкания модуля по питанию, предлагалось использовать твёрдые органические отходы для формирования гетеротрофного звена массообмена в виде почвоподобного субстрата. Имеющиеся экспериментальные данные показывают, что путём подбора видов почвенной биоты возможно в процессах биокомпостирования добиться быстрой гумификации органических отходов с образованием почвоподобного субстрата, пригодного, например, для выращивания грибов, с помощью которых можно разнообразить рацион жителей (рис. 7 слева).

В проекте CLB реализовано производство компоста по методике французского изобретателя Жан Пана (Jean Pain), который разработал биоэнергетическую систему на основе производства почвоподобного субстрата, при образовании которого выделяется очень много теплоты. Жан Пан исследовал процесс компостирования отходов, включающих в свой состав конский навоз и деревянные щепки. Протекающие в этой смеси биохимические реакции нагревают субстрат вплоть до 70 °С.

В Сюдербине была реализована схема Жан Пана по биокомпостированию твёрдых органических отходов (рис. 7 справа). Выделяющаяся при этом теплота передаётся воде в теплообменнике, находящимся внутри кучи почвоподобного субстрата. Тёплая вода по трубам подаётся в купольное сооружение, в первую очередь для того, чтобы подогревать биогазовый реактор-метантенк до температуры, необходимой для поддержания оптимального процесса термофильного сбраживания жидких органических отходов, происходящего при температуре 50-55 °С.

Заключение. Перспективы развития проекта и экологического образования

Как можно видеть на примере проекта CLB — потребность в разработке и реализации природоподобной техники и технологий исходит в первую очередь от общества, системы образования, а не от государства или транснациональных корпораций. Такая ситуация вызвана тем, что обеспечение нормальной жизнедеятельности и создание качественной среды обитания является высшим приоритетом для образованных и грамотных граждан, которые вынуждены жить в условиях непрерывно ухудшающего качества окружающей среды, испытывая на себе все последствия современного глобального экологического кризиса. Для понимания принципов грамотного техносферного строительства необходимо введение всеобщего экологического образования и воспитания. Поэтому участие в реализации проектов, подобных описанному в статье автономному модулю, может стать важным элементом в подготовке не только экологов, но и студентов других направлений, как технических, так и гуманитарных.

Практика успешного строительства образца автономного энерго- и экологонезависимого модуля для обеспечения жизнедеятельности общины поселения Сюдербин самими жителями и волонтёрами, привлекаемыми в рамках образовательных проектов содружеством нескольких университетов подтверждает высказанную ранее гипотезу о том, что создать опытный образец автономного жилого модуля, описанного в проекте 2016 г. за счёт своих средств вполне по силам объединению нескольких научных и образовательных организаций. Прецедент успешной апробации такой технико-технологической инновации, несомненно, даст старт процессу мировой экологической революции.

Как и все цивилизационные революции, экологическая начнётся с создания новой техники и технологий, в данном случае — природоподобных, направленных на обеспечение безопасной жизнедеятельности человека и сохранение биосферы путём снижения антропогенной и техногенной нагрузки. Далее, начавшийся процесс экологизации привёдёт к постепенному замещению губительной для Природы планеты современной техносферы, новой экотехносферой, построенной и функционирующей по тем же принципам, что и естественные экосистемы Земли. Таким образом, глобальный экологический кризис будет преодолён и человечество сможет продолжить своё развитие, но уже в полном соответствии с эволюционным вектором развития самой биосферы.

Ссылки:

1. Ткаченко Ю.Л., Соколова А.А., Астраханцева А.Д., Алексанян А.Н., Вылегжанина Е.С., Диденко А.Ф., Меликова М.Т.Автономный модуль для обеспечения безопасности жизнедеятельности в Арктике // Безопасность жизнедеятельности. 2016. № 5. С. 33-38.
2. Гогоберидзе Г.Г. Балтийское море: приморские регионы и их морехозяйственный потенциал // Экономические стратегии. 2009. Т. 11. № 8 (74). С. 150-155.
3. Мосин О.В. Основные экологические проблемы Балтийского моря и пути их решения // Балтийский регион. 2011. № 1 (7). С. 41-53.
4. Коровин Л.К. План действий по Балтийскому морю — стратегический шаг к улучшению экологического состояния морской среды // Транспорт Российской Федерации. 2007. № 13 (13). С. 61-62.
5. Садецкая А. Программа «Эразмус мундус» как инструмент развития региона // Балтийский регион. 2011. № 3 (9). С. 108-113.
6. Renewability. One-month learning laboratory in Suderbyn Ecovillage on renewable energy and community development for youth from Ukraine, Russia, Latvia, Italy and Spain. [Электронный ресурс] https://renewability.confetti.events (дата обращения 10.01.2019 г.)
7. Hugh Piggott Windpower Workshop. Building Your Own Wind Turbine. Machynlleth UK: Centre for Alternative Technology, 1997. 159 р.

Ткаченко Ю.Л.
Щербакова И.С.
Морозов С.Д.
Горбенко М.Ю.
Литвинов Н.Н.
Ратуев Е.А.