ARES BASE: Waste-to-Fertilizer & Waste-to-Fuel Conversion Systems
Comprehensive Resource Recovery & Conversion Infrastructure
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# ARES BASE: Waste-to-Fertilizer & Waste-to-Fuel Conversion Systems
Comprehensive Resource Recovery & Conversion Infrastructure
📋 Executive Summary
| System | Input Waste Stream | Primary Output | Secondary Output | Efficiency |
|---|---|---|---|---|
| **Anaerobic Digester** | Human waste, food scraps | Biogas (CH₄/CO₂) | Digestate slurry | 95% organic recovery |
| **Aerobic Composter** | Plant biomass, paper | Finished compost | CO₂, heat | 85% nutrient retention |
| **Urine Processor** | Human urine | N-P-K fertilizer | Purified water | 98% nutrient capture |
| **Pyrolysis Unit** | Inedible biomass | Biochar, syngas | Bio-oil | 90% carbon capture |
| **Sabatier Reactor** | CO₂ + H₂ | Methane fuel | Water | 99% conversion |
| **Struvite Precipitator** | Wastewater | Slow-release fertilizer | Clean effluent | 97% P recovery |
**Key Metrics for 40 Colonists:**
Daily waste input: 280 kg (all streams combined)
Daily fertilizer output: 45 kg nutrient-rich material
Daily fuel output: 8.5 kg methane equivalent
Closed-loop efficiency: 97.2% mass recovery
External input requirement: <3% (mineral supplements only)
1. Waste Stream Analysis & Characterization
1.1 Mars Colony Waste Inventory
WASTE STREAM CHARACTERIZATION - 40 COLONIST BASELINE
══════════════════════════════════════════════════════════════════════════════════
HUMAN METABOLIC WASTE:
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ DAILY HUMAN WASTE PRODUCTION (per person, 40-person total): │
│ │
│ ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ WASTE TYPE │ PER PERSON │ 40 COLONISTS │ COMPOSITION │ │
│ │ ════════════════╪════════════╪══════════════╪══════════════════════│ │
│ │ │ │ │ │ │
│ │ URINE │ 1.5 L/day │ 60 L/day │ 95% H₂O, 2.5% urea │ │
│ │ │ │ │ 1% NaCl, 0.5% K │ │
│ │ │ │ │ 0.5% phosphates │ │
│ │ │ │ │ 0.3% creatinine │ │
│ │ │ │ │ 0.2% other organics │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ │ FECES │ 150 g/day │ 6.0 kg/day │ 75% H₂O, 8% fiber │ │
│ │ │ │ │ 7% bacteria (dead) │ │
│ │ │ │ │ 5% fats, 3% protein │ │
│ │ │ │ │ 2% inorganics │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ │ SWEAT/HYGIENE │ 2.0 L/day │ 80 L/day │ 99% H₂O, salts │ │
│ │ WATER │ │ │ skin cells, oils │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ │ RESPIRATION │ 1.0 kg/day │ 40 kg/day │ CO₂ + H₂O vapor │ │
│ │ (CO₂ + H₂O) │ │ │ (captured by ECLSS) │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ │ HAIR/NAILS/SKIN │ 5 g/day │ 200 g/day │ Keratin protein │ │
│ │ │ │ │ High nitrogen │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ └──────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ NUTRIENT CONTENT IN HUMAN WASTE (daily totals for 40 people): │
│ ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ NUTRIENT │ IN URINE │ IN FECES │ TOTAL │ % OF PLANT │ │
│ │ │ (g/day) │ (g/day) │ (g/day) │ REQUIREMENT │ │
│ │ ════════════╪════════════╪════════════╪═══════════╪══════════════│ │
│ │ Nitrogen │ 440 g │ 72 g │ 512 g │ 85% │ │
│ │ Phosphorus │ 44 g │ 30 g │ 74 g │ 92% │ │
│ │ Potassium │ 100 g │ 36 g │ 136 g │ 78% │ │
│ │ Sulfur │ 32 g │ 12 g │ 44 g │ 110% │ │
│ │ Calcium │ 8 g │ 48 g │ 56 g │ 45% │ │
│ │ Magnesium │ 6 g │ 20 g │ 26 g │ 52% │ │
│ │ Sodium │ 160 g │ 12 g │ 172 g │ EXCESS │ │
│ │ Chloride │ 240 g │ 8 g │ 248 g │ EXCESS │ │
│ │ │ │
│ │ ★ KEY INSIGHT: Human waste provides 80-90% of N-P-K requirements │ │
│ │ for growing food to feed those same humans - near-perfect loop! │ │
│ │ │ │
│ └──────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
AGRICULTURAL WASTE:
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ CROP RESIDUE PRODUCTION (from 800 m² growing area): │
│ │
│ ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ CROP │ EDIBLE │ RESIDUE │ RESIDUE │ C:N │ BEST USE │ │
│ │ │ YIELD │ YIELD │ TYPE │ RATIO │ │ │
│ │ ════════════╪════════╪═════════╪══════════╪═══════╪═══════════════│ │
│ │ │ kg/day │ kg/day │ │ │ │ │
│ │ Potatoes │ 30.7 │ 18.4 │ Vines, │ 25:1 │ Compost, │ │
│ │ │ │ │ leaves │ │ digester │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ Soybeans │ 7.7 │ 12.3 │ Stems, │ 30:1 │ Digester, │ │
│ │ │ │ │ pods, │ │ pyrolysis │ │
│ │ │ │ │ leaves │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ Wheat │ 11.5 │ 17.3 │ Straw, │ 80:1 │ Pyrolysis, │ │
│ │ │ │ │ chaff │ │ bedding │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ Leafy │ 8.2 │ 4.1 │ Roots, │ 15:1 │ Direct │ │
│ │ greens │ │ │ outer │ │ compost │ │
│ │ │ │ │ leaves │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ Other crops │ 12.4 │ 9.8 │ Mixed │ 35:1 │ Digester │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ ──────────────────────────────────────────────────────────────────│ │
│ │ TOTALS │ 70.5 │ 61.9 │ │ 40:1 │ │ │
│ │ │ kg/day │ kg/day │ │ avg │ │ │
│ │ │ │
│ │ Harvest Index Average: 53% (edible:total biomass) │ │
│ │ Daily inedible biomass: 61.9 kg (wet) → 18.6 kg (dry) │ │
│ │ │ │
│ └──────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
FOOD PREPARATION & CONSUMPTION WASTE:
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ KITCHEN & DINING WASTE STREAMS: │
│ │
│ ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ WASTE TYPE │ QUANTITY │ COMPOSITION │ PROCESSING │ │
│ │ ═════════════════════╪════════════╪════════════════╪══════════════│ │
│ │ │ │ │ │ │
│ │ Food prep scraps │ 8.5 kg/day │ Peels, stems, │ Digester │ │
│ │ (vegetable) │ │ trimmings │ │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ │ Plate waste │ 3.2 kg/day │ Mixed cooked │ Digester │ │
│ │ (uneaten food) │ │ food, oils │ │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ │ Cooking oils/fats │ 0.8 kg/day │ Used soy oil, │ Biodiesel or │ │
│ │ (spent) │ │ food fats │ digester │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ │ Coffee/tea grounds │ 1.2 kg/day │ Spent grounds │ Compost │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ │ Grain processing │ 2.1 kg/day │ Bran, hulls, │ Pyrolysis │ │
│ │ waste │ │ damaged grain │ │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ │ ──────────────────────────────────────────────────────────────────│ │
│ │ TOTAL FOOD WASTE │ 15.8 kg/day│ │ │ │
│ │ │ │
│ └──────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
HABITAT & OPERATIONAL WASTE:
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ NON-BIOLOGICAL WASTE STREAMS: │
│ │
│ ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ WASTE TYPE │ QUANTITY │ COMPOSITION │ PROCESSING │ │
│ │ ═════════════════════╪════════════╪════════════════╪══════════════│ │
│ │ │ │ │ │ │
│ │ Paper/cardboard │ 2.0 kg/day │ Cellulose, │ Compost or │ │
│ │ │ │ packaging │ pyrolysis │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ │ Textiles (worn out) │ 0.3 kg/day │ Cotton, synth │ Shredding, │ │
│ │ │ │ │ insulation │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ │ Biomedical waste │ 0.5 kg/day │ Bandages, │ Autoclave + │ │
│ │ │ │ swabs, gloves │ pyrolysis │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ │ Lab consumables │ 0.4 kg/day │ Filters, media │ Autoclave + │ │
│ │ │ │ │ appropriate │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ │ Air filtration │ 0.2 kg/day │ HEPA filters, │ Pyrolysis │ │
│ │ waste │ │ carbon │ (carbon │ │
│ │ │ │ │ regenerate) │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ └──────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
COMPLETE WASTE INVENTORY SUMMARY:
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ TOTAL DAILY WASTE GENERATION (40 colonists): │
│ │
│ ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ WASTE MASS FLOW DIAGRAM │ │
│ │ │ │
│ │ ┌─────────────────┐ │ │
│ │ │ HUMAN WASTE │ ═══════════════════╗ │ │
│ │ │ Urine: 60 L │ ║ │ │
│ │ │ Feces: 6 kg │ ║ │ │
│ │ │ Other: 80.2 L │ ║ │ │
│ │ │ ───────────────│ ║ │ │
│ │ │ TOTAL: 146.2 kg│ ║ │ │
│ │ └─────────────────┘ ║ │ │
│ │ ║ │ │
│ │ ┌─────────────────┐ ║ ┌─────────────────┐ │ │
│ │ │ CROP RESIDUE │ ═══════════════════╬════▶│ TOTAL WASTE │ │ │
│ │ │ Wet: 61.9 kg │ ║ │ │ │ │
│ │ │ Dry: 18.6 kg │ ║ │ WET: 280 kg/d │ │ │
│ │ └─────────────────┘ ║ │ DRY: 52 kg/d │ │ │
│ │ ║ │ │ │ │
│ │ ┌─────────────────┐ ║ │ WATER: 228 L/d │ │ │
│ │ │ FOOD WASTE │ ═══════════════════╣ │ CARBON: 22 kg │ │ │
│ │ │ 15.8 kg/day │ ║ │ NITROGEN: 0.6kg│ │ │
│ │ └─────────────────┘ ║ │ ENERGY: 380 MJ │ │ │
│ │ ║ │ │ │ │
│ │ ┌─────────────────┐ ║ └─────────────────┘ │ │
│ │ │ OTHER ORGANIC │ ═══════════════════╝ │ │
│ │ │ 3.4 kg/day │ │ │
│ │ └─────────────────┘ │ │
│ │ │ │
│ └──────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
══════════════════════════════════════════════════════════════════════════════════2. Waste-to-Fertilizer Systems
2.1 Integrated Nutrient Recovery Architecture
NUTRIENT RECOVERY SYSTEM ARCHITECTURE
══════════════════════════════════════════════════════════════════════════════════
SYSTEM OVERVIEW:
━━━━━━━━━━━━━━━━
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ INTEGRATED WASTE-TO-FERTILIZER PROCESS FLOW │
│ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ │ │
│ │ ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐ │ │
│ │ │ URINE │ │ FECES │ │ CROP │ │ FOOD │ │ │
│ │ │ 60 L/d │ │ 6 kg/d │ │ RESIDUE │ │ WASTE │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ 62 kg/d │ │ 16 kg/d │ │ │
│ │ └────┬─────┘ └────┬─────┘ └────┬─────┘ └────┬─────┘ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ ▼ ▼ │ │ │ │
│ │ ┌─────────────────────────┐ │ │ │ │
│ │ │ URINE PROCESSING │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ ┌─────────────────┐ │ │ │ │ │
│ │ │ │ Struvite Precip │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ (P recovery) │───┼───────┼──────────────┼───────┐ │ │
│ │ │ └────────┬────────┘ │ │ │ │ │ │
│ │ │ ▼ │ │ │ │ │ │
│ │ │ ┌─────────────────┐ │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ Urea Hydrolysis │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ + Stabilization │───┼───────┼──────────────┼───┐ │ │ │
│ │ │ └────────┬────────┘ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ ▼ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ ┌─────────────────┐ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ Water Recovery │───┼──▶ TO WATER SYSTEM │ │ │ │ │
│ │ │ │ (55 L/d clean) │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ └─────────────────┘ │ │ │ │ │ │ │
│ │ └─────────────────────────┘ │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ ┌────────────────────────────┴──────────────┘ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ │ ▼ │ │ │ │
│ │ ┌──────────────────────────────────────────────┐ │ │ │ │
│ │ │ ANAEROBIC DIGESTER │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ Input: Feces + food waste + soft biomass │ │ │ │ │
│ │ │ Temp: 35-37°C (mesophilic) │ │ │ │ │
│ │ │ HRT: 20-30 days │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ ┌────────────────┐ ┌────────────────┐ │ │ │ │ │
│ │ │ │ BIOGAS │ │ DIGESTATE │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ CH₄: 4.2 m³/d │ │ 28 kg/d │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ CO₂: 2.8 m³/d │ │ (wet slurry) │ │ │ │ │ │
│ │ │ └───────┬────────┘ └───────┬────────┘ │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ └───────────┼───────────────────┼─────────────┘ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ ▼ ▼ │ │ │ │
│ │ ┌─────────────────┐ ┌─────────────────┐ │ │ │ │
│ │ │ BIOGAS CLEANUP │ │ DIGESTATE │ │ │ │ │
│ │ │ & STORAGE │ │ SEPARATION │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ ┌─────────────┐ │ │ ┌─────────────┐ │ │ │ │ │
│ │ │ │ To Fuel │ │ │ │ Liquid │─┼──────────┘ │ │ │
│ │ │ │ System │ │ │ │ Fraction │ │ │ │ │
│ │ │ │ (Section 3) │ │ │ │ (N-rich) │ │ │ │ │
│ │ │ └─────────────┘ │ │ └─────────────┘ │ │ │ │
│ │ │ │ │ ┌─────────────┐ │ │ │ │
│ │ │ ┌─────────────┐ │ │ │ Solid │─┼──────┐ │ │ │
│ │ │ │ CO₂ to │ │ │ │ Fraction │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ Greenhouse │ │ │ │ (C-rich) │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ or Sabatier │ │ │ └─────────────┘ │ │ │ │ │
│ │ │ └─────────────┘ │ └─────────────────┘ │ │ │ │
│ │ └─────────────────┘ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │
│ │ ┌──────────────────────────────────────────────┴───────┴───────┴─┐│
│ │ │ ││
│ │ │ COMPOST SYSTEM ││
│ │ │ ││
│ │ │ Inputs: Digestate solids + high-C crop residue + biochar ││
│ │ │ ││
│ │ │ ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐ ││
│ │ │ │ │ ││
│ │ │ │ STAGE 1 STAGE 2 STAGE 3 OUTPUT │ ││
│ │ │ │ Active Curing Maturing │ ││
│ │ │ │ (2 weeks) (2 weeks) (2 weeks) │ ││
│ │ │ │ │ ││
│ │ │ │ 55-65°C 40-50°C 25-35°C ┌───────┐ │ ││
│ │ │ │ Pathogen Stabilize Humus │FINISHED│ │ ││
│ │ │ │ kill nutrients formation │COMPOST │ │ ││
│ │ │ │ │12 kg/d │ │ ││
│ │ │ │ └───────┘ │ ││
│ │ │ └─────────────────────────────────────────────────────────┘ ││
│ │ │ ││
│ │ └────────────────────────────────────────────────────────────────┘│
│ │ │
│ │ │ │
│ │ ▼ │
│ │ ┌──────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │ │
│ │ │ ★ BLENDED FERTILIZER PRODUCTS ★ │ │
│ │ │ │ │
│ │ │ ┌────────────┐ ┌────────────┐ ┌────────────┐ ┌──────────┐ │ │
│ │ │ │ STRUVITE │ │ LIQUID │ │ FINISHED │ │ BIOCHAR │ │ │
│ │ │ │ CRYSTALS │ │ FERTILIZER │ │ COMPOST │ │ BLEND │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ Slow-rel P │ │ Fast N-K │ │ Organic │ │ C-store │ │ │
│ │ │ │ 3.2 kg/d │ │ 8.5 L/d │ │ matter │ │ +microbe │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ 12 kg/d │ │ 2.5 kg/d │ │ │
│ │ │ └────────────┘ └────────────┘ └────────────┘ └──────────┘ │ │
│ │ │ │ │
│ │ │ Combined NPK available: N: 485g, P: 72g, K: 130g per day │ │
│ │ │ Meets 85%+ of crop nutrient requirements │ │
│ │ │ │ │
│ │ └──────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
══════════════════════════════════════════════════════════════════════════════════2.2 Urine Processing System
URINE PROCESSING UNIT (UPU) - DETAILED SPECIFICATIONS
══════════════════════════════════════════════════════════════════════════════════
SYSTEM OVERVIEW:
━━━━━━━━━━━━━━━━
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ WHY SEPARATE URINE PROCESSING IS CRITICAL: │
│ │
│ ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ ★ URINE CONTAINS 80% OF NITROGEN IN HUMAN WASTE │ │
│ │ ★ URINE CONTAINS 55% OF PHOSPHORUS IN HUMAN WASTE │ │
│ │ ★ URINE CONTAINS 65% OF POTASSIUM IN HUMAN WASTE │ │
│ │ │ │
│ │ Separate collection allows: │ │
│ │ ├── Higher nutrient concentration (not diluted by flush water) │ │
│ │ ├── Pathogen-free processing (urine is sterile when excreted) │ │
│ │ ├── Targeted nutrient recovery (struvite, ammonium sulfate) │ │
│ │ ├── 95%+ water recovery as clean water │ │
│ │ └── Reduced load on anaerobic digester │ │
│ │ │ │
│ └──────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
URINE COLLECTION & STORAGE:
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ URINE-DIVERTING TOILET SYSTEM: │
│ │
│ ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ CROSS-SECTION VIEW │ │
│ │ │ │
│ │ ┌─────────────────────────────────┐ │ │
│ │ │ SEAT │ │ │
│ │ │ ┌─────────────────────┐ │ │ │
│ │ │ │ ╱ ╲ │ │ │ │
│ │ │ │ ╱ ╲ │ │ │ │
│ │ │ │ │ FRONT │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ SECTION │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ (URINE) │ │ │ │ │
│ │ │ │ ╲ ╱ │ │ │ │
│ │ │ │ ╲ │ ╱ │ │ │ │
│ │ │ │ ╲ │ ╱ │ │ │ │
│ │ │ │ ╲ │ ╱ REAR │ │ │ │
│ │ │ │ ╲ │ ╱ SECTION│ │ │ │
│ │ │ │ ╲│╱ (FECES)│ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ └─────────┼───────────┘ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ └──────────────┼───────────┼──────┘ │ │
│ │ │ │ │ │
│ │ ┌────┴────┐ ┌────┴────┐ │ │
│ │ │ URINE │ │ FECES │ │ │
│ │ │ PIPE │ │ PIPE │ │ │
│ │ │ (50mm) │ │ (100mm) │ │ │
│ │ └────┬────┘ └────┬────┘ │ │
│ │ │ │ │ │
│ │ ▼ ▼ │ │
│ │ TO URINE TO ANAEROBIC │ │
│ │ PROCESSING DIGESTER │ │
│ │ │ │
│ │ COLLECTION SPECIFICATIONS: │ │
│ │ ├── Units installed: 15 (hab modules, labs, greenhouse) │ │
│ │ ├── Low-flow design: <0.5 L flush water per use │ │
│ │ ├── Odor control: Waterless trap + activated carbon vent │ │
│ │ ├── Separation efficiency: >95% urine diverted │ │
│ │ └── Maintenance: Monthly seal inspection │ │
│ │ │ │
│ └──────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ STABILIZATION TANK: │
│ ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ PURPOSE: Prevent ammonia loss and odors before processing │ │
│ │ │ │
│ │ PROBLEM: Fresh urine → urea hydrolysis → ammonia (NH₃) loss │ │
│ │ CO(NH₂)₂ + H₂O → 2NH₃ + CO₂ (volatile loss!) │ │
│ │ │ │
│ │ SOLUTION: Acidification to pH 4.0 with phosphoric acid (H₃PO₄) │ │
│ │ - Converts NH₃ to NH₄⁺ (non-volatile) │ │
│ │ - Adds phosphorus for later struvite formation │ │
│ │ - Inhibits urease enzyme activity │ │
│ │ │ │
│ │ TANK SPECIFICATIONS: │ │
│ │ ├── Volume: 200 L (3-day buffer capacity) │ │
│ │ ├── Material: HDPE, UV-resistant │ │
│ │ ├── Acid dosing: Automatic pH control system │ │
│ │ ├── Mixing: Low-shear paddle mixer (10 min/hr) │ │
│ │ ├── Temperature: Ambient (18-22°C) │ │
│ │ └── Retention time: 24-72 hours │ │
│ │ │ │
│ └──────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
STRUVITE PRECIPITATION REACTOR:
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ STRUVITE: THE PERFECT SLOW-RELEASE FERTILIZER │
│ │
│ ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ CHEMICAL FORMULA: MgNH₄PO₄·6H₂O (Magnesium Ammonium Phosphate) │ │
│ │ │ │
│ │ REACTION: │ │
│ │ Mg²⁺ + NH₄⁺ + PO₄³⁻ + 6H₂O → MgNH₄PO₄·6H₂O ↓ │ │
│ │ │ │
│ │ NUTRIENT CONTENT: │ │
│ │ ├── Nitrogen (N): 5.7% │ │
│ │ ├── Phosphorus (P₂O₅): 29% │ │
│ │ └── Magnesium (MgO): 16% │ │
│ │ │ │
│ │ ADVANTAGES FOR MARS: │ │
│ │ ├── Slow-release (6-9 month release in soil/media) │ │
│ │ ├── Single-application nutrient source │ │
│ │ ├── Very low solubility (won't burn roots) │ │
│ │ ├── Stable solid (easy storage, no volatilization) │ │
│ │ ├── Sterile product (pathogens precipitated out) │ │
│ │ └── Recovers phosphorus (limiting nutrient on Mars) │ │
│ │ │ │
│ └──────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ REACTOR DESIGN: │
│ ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ STRUVITE PRECIPITATION REACTOR │ │
│ │ │ │
│ │ ┌───────────────────────────────────────────┐ │ │
│ │ │ ══════════════════════════════════════ │ ← pH/EC │ │
│ │ │ NaOH DOSING LINE │ sensors │ │
│ │ │ ══════════════════════════════════════ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ │ │ ▼ │ │ │
│ │ ════╪════════════════════════════════════════════╪════ │ │
│ │ │ │ REACTION ZONE (pH 8.5-9.0) │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ Stabilized ┌─────┐ MgCl₂ │ │ │ │
│ │ │ │ Urine ──────▶ │ MIX │ ◀────── Solution │ │ │ │
│ │ │ │ Input │ZONE │ Input │ │ │ │
│ │ │ │ └──┬──┘ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ ┌───────┴───────┐ │ │ │ │
│ │ │ │ │ FLOCCULATION │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ ZONE │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ (gentle mix) │ │ │ │ │
│ │ │ │ └───────┬───────┘ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ ═══════════╧═══════════ │ │ │ │
│ │ │ │ │ SETTLING ZONE │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ · · · · · · │ ← Crystal │ │ │ │
│ │ │ │ │ · · · · · │ settling│ │ │ │
│ │ │ │ │ · · · · · · │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ ······· │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ ▼▼▼▼▼ │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ ┌─────┐ │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │DRAIN│ │──────────────▶ Effluent │ │
│ │ │ │ └────┴──┬──┴─────────┘ │ │ to next │ │
│ │ │ │ │ │ │ process │ │
│ │ └───┼────────────────┼────────────────────────┼───┘ │ │
│ │ └────────────────┼────────────────────────┘ │ │
│ │ │ │ │
│ │ ▼ │ │
│ │ ┌─────────────────┐ │ │
│ │ │ STRUVITE SLURRY │ │ │
│ │ │ HARVEST │ │ │
│ │ │ (2x/week) │ │ │
│ │ └────────┬────────┘ │ │
│ │ │ │ │
│ │ ▼ │ │
│ │ ┌─────────────────┐ │ │
│ │ │ DEWATERING & │ │ │
│ │ │ DRYING │──────▶ STRUVITE CRYSTALS │ │
│ │ │ (filter press) │ 3.2 kg/day │ │
│ │ └─────────────────┘ │ │
│ │ │ │
│ └──────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ PROCESS PARAMETERS: │
│ ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ PARAMETER │ VALUE │ CONTROL METHOD │ │
│ │ ═════════════════════╪═════════════════╪═══════════════════════│ │
│ │ Reactor volume │ 150 L │ - │ │
│ │ Hydraulic retention │ 2-4 hours │ Flow control valve │ │
│ │ pH setpoint │ 8.5-9.0 │ NaOH dosing pump │ │
│ │ Mg:P molar ratio │ 1.3:1 │ MgCl₂ dosing pump │ │
│ │ Temperature │ 25-30°C │ Heat exchanger │ │
│ │ Mixing speed (rxn) │ 150 rpm │ VFD motor │ │
│ │ Mixing speed (settle)│ 0 rpm │ Timer sequence │ │
│ │ P recovery rate │ 97% │ Effluent monitoring │ │
│ │ N recovery rate │ 15% │ (limited by N:P) │ │
│ │ │ │
│ └──────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ MAGNESIUM SOURCE ON MARS: │
│ ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ Mars regolith contains 6-9% MgO (magnesium oxide) │ │
│ │ │ │
│ │ ISRU PROCESS: │ │
│ │ 1. Regolith + HCl → MgCl₂ solution (leaching) │ │
│ │ 2. Filter and concentrate │ │
│ │ 3. Use directly in struvite reactor │ │
│ │ │ │
│ │ Mg requirement: 1.8 kg/day MgCl₂ │ │
│ │ Regolith required: ~15 kg/day (processed) │ │
│ │ HCl recycled from electrolysis byproducts │ │
│ │ │ │
│ └──────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
AMMONIA RECOVERY (POST-STRUVITE):
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ REMAINING NITROGEN RECOVERY: │
│ │
│ After struvite precipitation, effluent still contains ~85% of nitrogen │
│ as ammonium (NH₄⁺). This must be recovered for complete nutrient cycling.│
│ │
│ ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ AMMONIA STRIPPING + ABSORPTION SYSTEM │ │
│ │ │ │
│ │ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐ │ │
│ │ │ │ │ │
│ │ │ Struvite ┌──────────────┐ ┌──────────────┐ │ │ │
│ │ │ Effluent ──▶│ STRIPPING │────▶│ ABSORPTION │ │ │ │
│ │ │ (pH 9.0) │ COLUMN │ NH₃ │ COLUMN │ │ │ │
│ │ │ │ │ gas │ │ │ │ │
│ │ │ │ ┌──────┐ │ │ ┌──────┐ │ │ │ │
│ │ │ │ │▓▓▓▓▓▓│ │ │ │▓▓▓▓▓▓│ │ │ │ │
│ │ │ │ │▓PACK▓│ │ │ │▓PACK▓│ │ │ │ │
│ │ │ │ │▓▓▓▓▓▓│ │ │ │▓▓▓▓▓▓│ │ │ │ │
│ │ │ │ └──────┘ │ │ └──────┘ │ │ │ │
│ │ │ │ ↑ │ │ ↓ │ │ │ │
│ │ │ │ HOT AIR │ │ H₂SO₄ │ │ │ │
│ │ │ │ (60°C) │ │ Solution │ │ │ │
│ │ │ └──────────────┘ └──────┬───────┘ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ ▼ ▼ │ │ │
│ │ │ ┌────────────┐ ┌─────────────────┐ │ │ │
│ │ │ │ N-DEPLETED │ │ AMMONIUM │ │ │ │
│ │ │ │ WATER │ │ SULFATE │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ (NH₄)₂SO₄ │ │ │ │
│ │ │ │ → Water │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ recovery │ │ 21% N fertilizer│ │ │ │
│ │ │ │ (55 L/d) │ │ (2.1 kg/day) │ │ │ │
│ │ │ └────────────┘ └─────────────────┘ │ │ │
│ │ │ │ │ │
│ │ └─────────────────────────────────────────────────────────────┘ │ │
│ │ │ │
│ │ ALTERNATIVE: Direct liquid fertilizer application │ │
│ │ - Dilute effluent 1:10 with irrigation water │ │
│ │ - Apply directly to hydroponic systems │ │
│ │ - N concentration: ~2,000 ppm (suitable for fertigation) │ │
│ │ │ │
│ └──────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
══════════════════════════════════════════════════════════════════════════════════2.3 Anaerobic Digestion System
ANAEROBIC DIGESTER - DETAILED SPECIFICATIONS
══════════════════════════════════════════════════════════════════════════════════
SYSTEM OVERVIEW:
━━━━━━━━━━━━━━━━
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ ANAEROBIC DIGESTION: THE CORE CONVERSION TECHNOLOGY │
│ │
│ ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ INPUTS: OUTPUTS: │ │
│ │ ├── Human feces: 6 kg/day ├── Biogas (CH₄+CO₂): 7 m³/day │ │
│ │ ├── Food waste: 15.8 kg/day ├── Digestate: 28 kg/day │ │
│ │ ├── Soft crop residue: 25 kg/d │ ├── Liquid: 22 L/day │ │
│ │ └── Process water: 20 L/day │ └── Solid: 6 kg/day │ │
│ │ └── Heat recovery: 15 kWh/day │ │
│ │ TOTAL IN: ~67 kg/day │ │
│ │ │ │
│ │ BENEFITS: │ │
│ │ ✓ Pathogen destruction (thermophilic option: 99.99% reduction) │ │
│ │ ✓ Volume reduction (60% mass converted to gas) │ │
│ │ ✓ Odor elimination (organic acids consumed) │ │
│ │ ✓ Nutrient stabilization (organic N → NH₄⁺) │ │
│ │ ✓ Energy production (biogas fuel value) │ │
│ │ ✓ Carbon cycling (CO₂ to greenhouse, CH₄ to fuel) │ │
│ │ │ │
│ └──────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
BIOCHEMICAL PROCESS:
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ FOUR-STAGE ANAEROBIC DIGESTION PROCESS: │
│ │
│ ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ STAGE 1: HYDROLYSIS (Days 1-5) │ │
│ │ ════════════════════════════════ │ │
│ │ │ │
│ │ Complex organics ──▶ Simple molecules │ │
│ │ │ │
│ │ ┌─────────────┐ Hydrolytic ┌─────────────┐ │ │
│ │ │ Proteins │ Bacteria │ Amino acids │ │ │
│ │ │ Carbs │ ═══════════════════▶│ Sugars │ │ │
│ │ │ Fats │ │ Fatty acids │ │ │
│ │ └─────────────┘ └─────────────┘ │ │
│ │ │ │
│ │ Key organisms: Clostridium, Bacteroides, Bifidobacterium │ │
│ │ Rate-limiting for: high-fiber feedstocks │ │
│ │ │ │
│ │ ─────────────────────────────────────────────────────────────────│ │
│ │ │ │
│ │ STAGE 2: ACIDOGENESIS (Days 3-10) │ │
│ │ ═════════════════════════════════ │ │
│ │ │ │
│ │ Simple molecules ──▶ Volatile fatty acids (VFAs) │ │
│ │ │ │
│ │ ┌─────────────┐ Acidogenic ┌─────────────┐ │ │
│ │ │ Amino acids │ Bacteria │ Acetic acid │ │ │
│ │ │ Sugars │ ═══════════════════▶│ Propionic │ │ │
│ │ │ Fatty acids │ │ Butyric acid│ │ │
│ │ └─────────────┘ │ + H₂, CO₂ │ │ │
│ │ └─────────────┘ │ │
│ │ │ │
│ │ Key organisms: Lactobacillus, Streptococcus, E. coli │ │
│ │ pH drops to 5.5-6.5 (must be buffered) │ │
│ │ │ │
│ │ ─────────────────────────────────────────────────────────────────│ │
│ │ │ │
│ │ STAGE 3: ACETOGENESIS (Days 8-15) │ │
│ │ ═════════════════════════════════ │ │
│ │ │ │
│ │ VFAs ──▶ Acetate + H₂ + CO₂ │ │
│ │ │ │
│ │ ┌─────────────┐ Acetogenic ┌─────────────┐ │ │
│ │ │ Propionic │ Bacteria │ Acetate │ │ │
│ │ │ Butyric │ ═══════════════════▶│ (CH₃COO⁻) │ │ │
│ │ │ Other VFAs │ │ + H₂ + CO₂ │ │ │
│ │ └─────────────┘ └─────────────┘ │ │
│ │ │ │
│ │ Key organisms: Syntrophomonas, Syntrophobacter │ │
│ │ Obligate syntrophs (need methanogens to consume H₂) │ │
│ │ │ │
│ │ ─────────────────────────────────────────────────────────────────│ │
│ │ │ │
│ │ STAGE 4: METHANOGENESIS (Days 12-25) │ │
│ │ ════════════════════════════════════ │ │
│ │ │ │
│ │ Acetate + H₂/CO₂ ──▶ METHANE (CH₄) │ │
│ │ │ │
│ │ PATHWAY A: Acetoclastic (70% of CH₄) │ │
│ │ CH₃COO⁻ + H⁺ → CH₄ + CO₂ │ │
│ │ │ │
│ │ PATHWAY B: Hydrogenotrophic (30% of CH₄) │ │
│ │ 4H₂ + CO₂ → CH₄ + 2H₂O │ │
│ │ │ │
│ │ Key organisms: Methanosaeta, Methanosarcina, Methanobacterium │ │
│ │ Strictly anaerobic, pH sensitive (6.8-7.4 optimal) │ │
│ │ │ │
│ └──────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
DIGESTER DESIGN - CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR (CSTR):
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ ANAEROBIC DIGESTER - CROSS SECTION │
│ │
│ ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ ┌─────────────────┐ │ │
│ │ │ BIOGAS │ │ │
│ │ │ OUTLET │ │ │
│ │ │ ◄───────────────── To gas processing │ │
│ │ └────────┬────────┘ │ │
│ │ │ │ │
│ │ ┌────────────────────────┴────────────────────────┐ │ │
│ │ │░░░░░░░░░░░░░░ GAS HEADSPACE ░░░░░░░░░░░░░░░░░░░│ │ │
│ │ │░░░░░░░░░░░░░░░░
User:I am working on this task: "Establish In-Situ Resource Utilization and Manufacturing" - Design systems to harvest and process Martian resources for fuel, water, oxygen, and construction materials. This is critical for colony sustainability and reduces Earth-dependency. Includes ice mining, atmospheric processing, regolith processing for metals and building materials, and 3D printing/manufacturing capabilities.
Please help me complete this specific subtask: "Design subsurface ice extraction and purification systems"
Be thorough and detailed in your response.
AI:AI Thinking Trace
The user is asking me to help design subsurface ice extraction and purification systems for a Mars c...
Created by Erik Bethke in Bike4Mind using the QuestMaster deep agentic flow + Claude Opus 4.5 by Anthropic