CN113652240B - 一种生物改良月壤及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本专利属于地外资源原位利用领域，公开了一种生物改良月壤及其生产方法，主要用于月壤改良使之转变为植物栽培基质。本发明所述的生物改良月壤主要原料包括有机固体废物与月壤，其生产方法包括有机固体废物与月壤的混合、混合物料的水分添加、含水发酵原料的好氧共发酵。本专利可以利用生物再生生命保障系统中已有的固体废物处理装置，氧气、水等，无需额外的反应设备与改良物料，有助于降低月球基地的运行成本，最终实现人在地外的长期自治生存。

Description

一种生物改良月壤及其生产方法

技术领域

本专利属于地外天体资源原位利用领域，涉及人类未来在月球长期自治生存背景下的月壤资源利用问题，具体涉及一种利用生物再生生命保障系统中产生的固体废弃物和月壤资源混合改良的方法。

背景技术

随着科学技术的发展，人类将实现载人登月乃至载人长期驻月。在未来的载人长期驻月任务中，需要应用生物再生生命保障系统降低成本，系统中的生产者——植物需要固体培养基质。应用月球表面储量丰富的月壤作为植物栽培基质将可以有效降低系统地建设成本，但月壤营养贫瘠、表面粗糙、孔隙度低、保水性差等特性不利于直接用作植物栽培基质，由此，需要对月壤的性质进行改良使之更适合植物栽培。地面上对于此类土壤的常规改良方法往往为添加化学粘合剂、种植沙生植物等手段，这些手段需要额外携带化学助剂和植物种子，具有耗材多、见效慢的不利因素。在深空探测过程中，通常需要尽可能减少携带的物质重量，地面上的常规方法往往要求额外携带改良剂、改良设备等，这不利于深空探测时减少载荷，同时也给低载荷条件下实现月壤的改良提出更高的要求。

另一方面，生物再生生命保障系统(Bioregenerative Life Support System，BLSS)是基于生态系统原理将生物技术与工程控制技术有机结合，构建由植物、动物、微生物组成的人工生态系统，其是深空探测、建立星球地面基地的核心生命保障系统。系统利用高等植物和动物来生产食物、利用微生物处理废物，同时再生氧气和水。为了保证系统内氧气、水分、和有机物的再生与循环利用程度，如何进一步提高系统内物质循环程度是一个关键问题。闭合度是评价生物再生生命保障系统物质循环程度的基本指标，只有高闭合度的BLSS才能担负起长时间、远距离的空间任务。

现有的土壤改良技术普遍为施加有机肥料或者土壤改良剂，通过提供腐殖质或者 胶黏剂，促进土壤形成团粒结构，改善其透气透水性，主要通过物理手段实现土壤的改良。 但是月壤的平均粒径小，比重大，物理改良手段已无法满足需求，需要形成新的改良方法， 实现月壤的改良。

针对以上不利因素，结合生物再生生命保障系统的一些特性，本专利提出的一种生物改良月壤及其生产方法，能够利用生物再生生命保障系统中的材料，在不额外携带载荷的条件下实现月壤的改良。

发明内容

本专利包括的生物改良月壤包括：。

1)月壤，其作为生物改良月壤的主体原料，包括真实月壤与模拟月壤，所述真实月壤指月球表面月壤，模拟月壤指基于地表火山灰研制的与月球表面月壤理化性质相近的月壤模拟物。

2)有机固体废物，其作为生物改良月壤的改良剂；和/或

3)微生物菌剂；

其中，有机固体废物为生物再生生命保障系统中人类排泄物、植物不可食用部分和/或微生物菌剂的混合好氧发酵物料，所述植物不可食用部分指植物秸秆、植物根、老叶等一般不作为烹饪食材的植物器官。

为得到理化性质相对较优的生物改良月壤，本专利所述有机固体废物、月壤、微生物菌剂的干质量比为1:1:0.01至1:200:1，混合物料含水率为5％至80％，混合共发酵时长为7天至200天，共发酵温度为20℃至65℃。

其中，发酵过程中使用的混合器、喷淋器、共发酵箱均可来自于BLSS系统的固体废物发酵处理模块，有机固体废物来自于人类排泄物、植物不可食用部分，微生物菌剂来自固体废物发酵处理模块的调控产品，水、氧气来自于BLSS系统中生产者单元，这种方式将有助于进一步减小载荷需求，降低BLSS系统建设与运行成本。

进一步的，有机固体废物的配制比例为(质量比)：水50％至70％，植物不可食部分(干重)25％至45％，微生物制剂(含乘员粪便，干重)5％至10％。

一些具体实施方案中，有机固体废物将预先在15℃至120℃下干燥24小时至72小时，使有机固体废物的含水率降至5％及以下。

本专利还提供一种生物改良月壤的生产方法，具体包括：

1)在生物再生生命保障系统内的好氧发酵固体废物处理装置中获取有机固体废物的总质量与含水率；

2)按照前述的物料比例，将月壤与有机固体废物进行均匀混合；

3)向月壤-有机固体废物混合体系中加前述比例的水，进一步进行均匀混合；

4)在前述共发酵条件下好氧发酵，最终得到产品。

本专利的优点在于：

(1)本专利可以充分利用生物再生生命保障系统内已有的设备、仪器，如共发酵箱、混合器、喷淋器等，无需额外携带设备仪器，满足了深空探测低载荷的要求。上述设备通常用于发酵处理BLSS循环过程中的固体废物，如秸秆等，当需要用于改良月壤时，可直接以本专利的方法进行改良，一物多用。

(2)本专利将BLSS系统的物质循环与月壤改良相结合，利用BLSS系统的循环产物参与到月壤的好氧共发酵中，其中有机固体废物获取自BLSS系统的人类排泄物、植物不可食用部分，水、氧气来自于BLSS系统中生产者单元，微生物菌剂来自于固体废物发酵处理模块，无需额外携带改良剂和参与好氧发酵过程的一切水分和氧气，减少载荷的同时，提高了BLSS系统的物质循环程度，提高了系统的闭合度。

(3)本专利采用BLSS系统内物质进行发酵改良月壤，经改良后的月壤具有较高的肥力，能够直接用于BLSS系统内的植物培养，进一步提高了BLSS系统的闭合度。

附图说明

图1为本专利的参考流程图。

具体实施方式

下面将结合附图1对本专利进行进一步说明。

本专利的所使用的物料包括月壤、氧气、水与有机固体废物，其中有机固体废物为生物再生生命保障系统中植物不可食用部分、乘员产生的粪便、微生物菌剂形成的混合物，为了能够令有机固体废物中的微生物进一步实现月壤的改良，同时缩短改良时长，有机固体废物将预先在共废物处理系统的发酵箱内好氧发酵至半腐熟，再与月壤、氧气、水相混合。共发酵所需要的的氧气与水可以由系统内的生产者系统提供，月壤可以直接从月球表面通过铲取、钻取等方式获取。

将月壤与有机固体废物在混合器充分混合，可以得到初步混合的物料，由于月壤不含水，因此混合完毕的物料为干物料。

为了令有机固体废物内的微生物拓殖，需要利用喷淋器向混合物料内喷水，同时继续混合，得到含水率在5％至80％的发酵原料，这种发酵原料结构疏松，利于微生物好氧发酵。

得到发酵原料之后，即可在共发酵箱中继续发酵，在25℃-65℃温度下持续好氧发酵7天至200天之后即可得到产品。

一般的，生物再生生命保障系统中的共发酵箱将具备物料混合、加水、曝气等功能，由此，有机固体废物与月壤的混合、加水、发酵可以在共发酵箱内连续完成。由此，系统乘员仅需按照共发酵箱内的有机固体废物质量，计算出需要的物料质量，向共发酵箱内直接添加对应质量的月壤和水，设定发酵条件，即可获得产品。

以下为一实施例：

在该实施例的方案中，向共发酵箱内添加有机固体废物10kg，模拟月壤190kg，水30kg，设定共发酵温度为42℃，发酵21天，即可得到生物改良月壤，该生物改良月壤可作为植物栽培基质，相对于纯月壤基质，经过此方法改良的月壤容重从1.56降低至0.73，饱和含水率可以从22.7％提升至28.1％，小麦幼苗萌发的平均长度(5日)可以从3.74厘米提升至9.76厘米。

Claims (6)

1.一种生物改良月壤的生产方法，包括以下步骤：

(1)从生物再生式生命保障系统中获取有机固体废物，将月壤与有机固体废物按比例混合，得到初步混合的干物料；

(2)利用喷淋器向步骤(1)得到的初步混合的干物料中喷水，同时继续混合，得到含水率在5％-80％的湿物料，该喷淋器可以直接利用生物再生式生命保障系统中固体废物发酵处理模块；

(3)将步骤(2)得到的湿物料投入共发酵箱下好氧共发酵，得到可作为植物栽培基质的生物改良月壤，该共发酵箱可以直接利用生物再生式生命保障系统中固体废物发酵处理模块；

所述水和好氧共发酵过程中氧气来自于生物再生式生命保障系统中生产者单元的产出。

2.如权利要求1所述的生物改良月壤的生产方法，其特征在于，所述从生物再生式生命保障系统中获取有机固体废物包括生物再生式生命保障系统中的人类排泄物、植物不可食用部分。

3.如权利要求1所述的生物改良月壤的生产方法，其特征在于，所述步骤(1)制备初步混合的干物料时，还可额外加入微生物菌剂，所述微生物菌剂来自于固体废物发酵处理模块。

4.如权利要求1所述的生物改良月壤的生产方法，其特征在于，所述有机固体废物、月壤和微生物菌剂干质量混合比例在1:1:0.01至1:200:1。

5.如权利要求1所述的生物改良月壤的生产方法，其特征在于，生物反应原料中的所述有机固体废物预先在15℃至120℃下干燥后再予以混合。

6.如权利要求1所述的生物改良月壤的生产方法，其特征在于，所述步骤(3)的好氧共发酵时长为5天至200天，共发酵温度为20℃至65℃。

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