Αξιοποίηση του βιοαποδομήσιμου κλάσματος απορριμμάτων με χρήση πρότυπου συστήματος οικιακού τύπου

Abstract

Τα βιοαποδομήσιμα οικιακά απορρίμματα αντιπροσωπεύουν ένα σημαντικό μέρος της συνολικής παραγόμενης ποσότητας των οικιακών απορριμμάτων, η ορθολογική επεξεργασία των οποίων καθίσταται επιτακτική για τη βιώσιμη διαχείριση αυτού του ρεύματος των αποβλήτων. Οι βιολογικές μέθοδοι επεξεργασίας, όπως η αερόβια βιολογική επεξεργασία-κομποστοποίηση, αποτελούν εναλλακτικούς τρόπους επεξεργασίας των βιοαποδομήσιμων οικιακών απορριμμάτων με τους οποίους δύναται να επιτευχθεί η επεξεργασία, η ανάκτηση και η ανακύκλωσή τους, συμβάλλοντας με αυτό τον τρόπο σε πληθώρα περιβαλλοντικών, οικονομικών και κοινωνικών οφελών. Η οικιακή κομποστοποίηση δύναται να αποτελέσει μια δυναμική προσέγγιση για την αποδοτικότερη διαχείριση των βιοαποδομήσιμων οικιακών απορριμμάτων σε όλο το σύστημα της διαχειριστικής αλυσίδας (συλλογή, μεταφορά, επεξεργασία και επαναχρησιμοποίηση). Επομένως, ο στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η διερεύνηση της επεξεργασίας και επαναχρησιμοποίησης των βιοαποδομήσιμων οικιακών απορριμμάτων με τη χρήση πρότυπου συστήματος οικιακής κομποστοποίησης, το οποίο θα μπορεί να χρησιμοποιείται αυτόνομα από κάθε νοικοκυριό, για τη διαχείριση της ροής αυτής των αποβλήτων. Για την επίτευξη αυτού του στόχου σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε πρότυπος οικιακός κομπoστοποιητής από τη Μονάδα Περιβαλλοντικής Επιστήμης και Τεχνολογίας του ΕΜΠ. Πραγματοποιήθηκαν πειραματικοί κύκλοι στους οποίους λειτούργησε και αξιολογήθηκε το πρότυπο σύστημα κομποστοποίησης, με το οποίο δύναται να επιτευχθεί η επεξεργασία διαφορετικών μιγμάτων των βιοαποδομήσιμων οικιακών αποβλήτων. Η αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας και της λειτουργικότητας του συστήματος βασίστηκε (α) στον έλεγχο και στην παρακολούθηση μιας σειράς πειραματικών εφαρμογών εντός του βιοαντιδραστήρα, όπου εξελίσσεται η διεργασία της κομποστοποίησης, (β) στο χαρακτηρισμό της ποιότητας του τελικού προϊόντος (κόμποστ) και (γ) στην προσομοίωση της κινητικής αντιδράσεων της κομποστοποίησης αναφορικά με τη βιοαποδόμηση των πτητικών στερεών του υποστρώματος. Ο σχεδιασμός και η κατασκευή του συστήματος κομποστοποίησης αφορά σε κλειστού τύπου βιοαντιδραστήρα ασυνεχούς τροφοδοσίας. Η είσοδος του υλικού τροφοδοσίας, καθώς και η μηχανική ανάδευση πραγματοποιούνται χειροκίνητα. Η δυναμικότητα επεξεργασίας του συστήματος είναι 60L οργανικού υλικού. Το τελικό προϊόν συλλέγεται από ειδικά σχεδιασμένα συρτάρια στο κάτω μέρος του αντιδραστήρα, ενώ ταυτόχρονα, υπάρχει η δυνατότητα συλλογής και απομάκρυνσης των παραγόμενων στραγγισμάτων. Στο πρώτο στάδιο της αξιολόγησης του συστήματος μελετήθηκαν αρχικά τρόφιμα και μίγματα αυτών που αποτέλεσαν το υπόστρωμα τροφοδοσίας του αντιδραστήρα. Η σύνθεση των μιγμάτων τροφοδοσίας πραγματοποιήθηκε με βάση τη διαθεσιμότητα των οικιακών απορριμμάτων, καθώς και τις φυσικοχημικές ιδιότητές τους, ούτως ώστε να διαμορφωθούν κατάλληλες αρχικές συνθήκες για τη διεξαγωγή των διεργασιών της κομποστοποίησης. Η μελέτη της διεργασίας της κομποστοποίησης, έχει τρεις επιμέρους στόχους. Αρχικό στόχο αποτελεί ο υπολογισμός του χρόνου που απαιτείται για να ολοκληρωθεί η αντίδραση στο εσωτερικό του βιοαντιδραστήρα. Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι μετά το πέρας 18-20 ημερών από την έναρξη της διεργασίας οι αντιδράσεις στο εσωτερικό του αντιδραστήρα έχουν ολοκληρωθεί, καθώς οι βασικές παράμετροι που επηρεάζουν τη διεργασία ομαλοποιούνται σταδιακά. Επόμενο στόχο αποτέλεσε η μελέτη του λόγου C/N στο υπόστρωμα, που αποτελεί τη βασική (σύμφωνα με τη βιβλιογραφία) παράμετρο επηροής της διεργασίας, αλλά και αξιολόγησης του τελικού προϊόντος. Για το σκοπό αυτό σχεδιάστηκαν και μελετήθηκαν πειραματικοί κύκλοι με αρχικούς λόγους C/N στο υπόστρωμα (20,30 και 40). Τα αποτελέσματα έδειξαν πως η διεργασία της κομποστοποίησης εντός του πρότυπου αντιδραστήρα εξελίσσεται ικανοποιητικά σε όλα τα υποστρώματα με τους διαφορετικούς αρχικούς λόγους C/N. Ωστόσο, σε υποστρώματα με αρχικό λόγο C/N=30 η διεργασία της κομποστοποίησης εντός του πρότυπου βιοαντιδραστήρα εμφανίζει τη βέλτιστη εξέλιξη, ενώ εξίσου ικανοποιητική παρουσιάζεται η εξέλιξη της διεργασίας και σε υποστρώματα με αρχικούς λόγους C/N=40. Σε υποστρώματα με μικρότερο αρχικό λόγο C/N (20) η διεργασία εξελίσσεται ομαλώς, χωρίς, όμως, να είναι η βέλτιστη δυνατή. Ο τρίτος στόχος της μελέτης της διεργασίας αφορά στην επίδραση της χρήσης προσθέτων (πριονίδι, ορυκτά, ώριμο κόμποστ) στο υπόστρωμα τόσο στην εξέλιξη της διεργασίας όσο και στη βελτίωση των ιδιοτήτων του τελικού προϊόντος. Συμπερασματικά, κατά τον έλεγχο και την παρακολούθηση των πειραματικών εφαρμογών παρατηρήθηκε ότι οι κρίσιμες λειτουργικές παράμετροι της θερμοκρασίας, της υγρασίας και του οξυγόνου εξελίχθηκαν σε επιθυμητό εύρος τιμών, όπως αυτό απαιτείται για την αερόβια βιολογική επεξεργασία των αποβλήτων. Το γεγονός αυτό αποδίδεται στις ελεγχόμενες συνθήκες ανάδευσης και αερισμού του οργανικού υλικού εντός του βιοαντιδραστήρα. Οι ευνοϊκές αυτές συνθήκες συντέλεσαν στην κατανάλωση μέρους του περιεχόμενου ολικού οργανικού άνθρακα του υποστρώματος και στις σημαντικές απώλειες οργανικής ουσίας κυρίως κατά τα πρώτα στάδια της κομποστοποίησης, όπου η μικροβιακή δραστηριότητα ήταν εντονότερη. Λόγω των αποτελεσματικών διεργασιών ανάδευσης και αερισμού του οργανικού υλικού σε συνδυασμό με την παρουσία διογκωτικών μέσων (π.χ. ορυκτά), τα αμμωνιακά ιόντα οξειδώνονται προς νιτρικά (νιτροποίηση), επιβεβαιώνοντας την παρουσία των απαιτούμενων αερόβιων συνθηκών στο υπόστρωμα. Με την προσθήκη ορυκτών υλικών όπως ο ζεόλιθος, ο βρμικουλίτης και ο περλίτης στις περισσότερες από τις πειραματικές εφαρμογές, διαπιστώθηκε ότι βελτιώνονται οι διεργασίες της κομποστοποίησης εντός του βιοαντιδραστήρα. Η παρουσία των ορυκτών τροποποιεί τις φυσικές ιδιότητες του οργανικού υποστρώματος με την απορρόφηση νερού και με την αύξηση του πορώδους του υποστρώματος. Ειδικότερα στην περίπτωση της προσθήκης ζεόλιθου παρατηρήθηκε και η προσρόφηση αμμωνίας και αμμωνιακών συντελώντας στη μείωση των απωλειών αζώτου. Το δεύτερο στάδιο της αξιολόγησης του συστήματος κομποστοποίησης αποτέλεσε ο χαρακτηρισμός της ποιότητας του παραγόμενου κόμποστ με βάση το βαθμό ωρίμανσης και σταθεροποίησής του. Ο χαρακτηρισμός του τελικού προϊόντος περιλαμβάνει τον προσδιορισμό των φυσικών, χημικών και βιολογικών του ιδιοτήτων σε σχέση με αντίστοιχους δείκτες που προτείνονται από τη διεθνή επιστημονική βιβλιογραφία, καθώς και με βάση ποιοτικές προδιαγραφές που παρουσιάζονται σε εθνικό, ευρωπαϊκό και διεθνές επίπεδο. Ως προς τις φυσικοχημικές ιδιότητες του παραγόμενου κόμποστ, η περιεκτικότητά του σε υγρασία και το pH εμφανίστηκαν σε επιθυμητό εύρος τιμών ενώ η αναλογία C/N κυμάνθηκε, στις περισσότερες περιπτώσεις, σε ευνοϊκά επίπεδα. Επιπλέον, τα τελικά προϊόντα παρουσίασαν υψηλό ποσοστό σε οργανική ουσία ενώ η περιεκτικότητά τους σε μακροστοιχεία (N, K, Mg, Ca) θεωρήθηκε ικανοποιητική γεγονός το οποίο είναι ενδεικτικό της πιθανής συνεισφοράς των υλικών αυτών στον εμπλουτισμό και τη βελτίωση των φυσικοχημικών χαρακτηριστικών των εδαφών κατά την εναπόθεσή τους. Ως προς τις ανόργανες μορφές του αζώτου, οι συγκεντρώσεις των αμμωνιακών παρουσιάστηκαν χαμηλότερες συγκριτικά με αυτές των νιτρικών διαμορφώνοντας αναλογίες ΝΗ4+/ΝΟ3- σε εύρος τιμών που χαρακτηρίζονται για ώριμο κόμποστ. Η προσθήκη ορυκτών, με κύριο το ζεόλιθο, είχε ως αποτέλεσμα τη ρύθμιση της συγκέντρωσης των αμμωνιακών και κατ’ επέκταση των νιτρικών κατά τη διεργασία της κομποστοποίησης. Επιπλέον, η υψηλή περιεκτικότητα του κόμποστ σε οργανικό άζωτο καθιστά ελεγχόμενη την απορροή θρεπτικών συστατικών (π.χ. νιτρικά) στο έδαφος ρυθμίζοντας τη διαθεσιμότητά τους μέσω των διεργασιών που επιδρούν στην ανοργανοποίηση του αζώτου. Τέλος, οι ολικές συγκεντρώσεις των βαρέων μετάλλων (Cd, Cu, Cr, Ni, Pb και Zn) παρουσιάστηκαν αμελητέες, έως μη ανιχνεύσιμες, καθώς τα οικιακά οργανικά απορρίμματα που αποτέλεσαν τα υλικά τροφοδοσίας, προέρχονται, σε όλους τους πειραματικούς κύκλους, από διαλογή στην πηγή.

Biodegradable waste represents a significant fraction of the solid waste produced, the efficient and effective treatment of which is imperative for its sustainable management. The biological treatment of biodegradable waste, such as composting, represents an alternative treatment method through which recycling and reuse of waste is achieved, contributing to a variety of environmental, financial and social benefits. Home composting process has the potential to positively contribute towards a more efficient approach in the whole biodegradable waste management system (collection, transport, treatment and reuse) at local or even at national level. The aim of this research is to investigate the treatment and reuse of biodegradable waste using a prototype composting system. To meet this aim a prototype composting system was designed from the UNIT OF ENVIRONMENTAL SCIENCE AND TECHNOLOGY OF NTUA. The evaluation of the effectiveness and efficiency of the system was based on (a) the control and monitoring of a series of trials inside the bioreactor where composting process takes place, (b) the quality characterization of the end product (compost) and (c) the reaction kinetics simulation of the composting process in regard to the biodegradable organic matter losses of the substrate. The design and construction of the prototype composting system involves an in-vessel batch feeding system. The system has a capacity of 60L of organic material whereas the produced leachate is collected and removed. The first stage of the system evaluation involves study of several food wastes and their mixtures. The composition of these mixtures was determined by their availability and their physicochemical properties aiming to provide the necessary conditions for initiation of the composting process. The study of the composting process has three objectives. The initial objective is the calculation of the time that is required for the reaction to be completed in the reactor. The experimental results showed that after 18-20 days from the beginning of the process the reactions have been completed, while the basic parameters that influence the process are progressively regularized. The next objective was the study of the ratio C/N in the substrate, which is (according to bibliography) the basic parameter that influences the whole process and also the evaluation of the final product. For this aim different experimental studies with initial ratios C/N (20,30,40) in the substrate were designed and studied. The results proved that the process of composting in the reactor is developed well in all the substrates with different initial reasons C/N. However, in substrates with initial ratios C/N=30 and 40 the process of composting inside the reactor presents the most optimal development. In substrates with ratio C/N=20 the development of the process is normal, but not at the same level as in bigger ratios. The third objective of the study of activity has to do with the effect of the use of additives (mature compost) in the substrate in the development of the process and in the improvement of the attributes of the final product. During the control and monitoring of the experimental composting trials, it was found that the critical operating parameters of temperature, moisture and oxygen evolved in the desired range as required for the aerobic biological treatment of waste. This was attributed to the controlled conditions of agitation, ventilation and humidification of the substrate inside the bioreactor. These conditions favoured the partial consumption of the substrate total organic carbon resulting in significant organic matter losses especially during the early phase of composting where the microbial activity was more intense. Due to the efficient agitation and aeration processes of the substrate in combination with the presence of bulking agents ammonium is oxidized to nitrates (nitrification) thus confirming the presence of aerobic conditions in the substrate. The addition of mineral materials such as zeolite and perlite, in several composting trials, was found that improves the composting process in the bioreactor. Particularly in the case of zeolite addition, ammonia and ammonium adsorption was also observed, contributing to the reduction of nitrogen losses. The second stage of the composting system evaluation involves the quality characterization of the produced compost based on the determination of its maturity and stabilization level. Compost characterization considers its physical, chemical and biological properties with regard to the corresponding literature indices as well as in relation to the compost quality specifications at National, European and International level. With respect to the physicochemical properties, compost moisture content and pH were within the desired range while the C/N ratio varied, in most cases, at favourable levels. Moreover, the produced compost was rich in organic matter while the macroelements content (N, P, K, Mg, Ca) was considered satisfactory which is indicative of the potential contribution of the materials in the enrichment and improvement of the physicochemical characteristics of soils after their application. As for the inorganic forms of nitrogen, ammonium concentrations were lower than those of nitrates resulting in low NH4+/NO3- ratios which characterize mature compost. Nitrate concentrations in compost appeared high with the exception of the composting trial where zeolite was added, since zeolite ion exchange and adsorption capacity relative to ammonium ions regulates their concentration and hence that of nitrates. Moreover, the high organic nitrogen content of compost renders nutrients runoff (e.g. nitrates) in the soil since their availability is regulated by the factors affecting nitrogen mineralization. Finally, the total concentrations of heavy metals (Cd, Cu, Cr, Ni, Pb and Zn) are very low. With regard to the biological characteristics, the produced compost appeared phytothreptic which was indicative of the absence of phytotoxic compounds. The final stage of the composting system evaluation refers to the simulation of the bioxidation reaction kinetics of the VS of the substrate in order to investigate and estimate the biodegradation rate of reaction and the biodegradation level of the VS that is achieved. The analysis of the bioxidation reaction kinetics involves a first-order kinetic model based on the VS losses during composting. The goodness of fit of the first-order kinetic model to the experimental data appeared satisfactory both qualitatively (visual fitting) and quantitatively. In conclusion, the different biodegradable waste mixtures can be treated effectively using the invessel composting system while producing a final added value product which has the required characteristics for land application. Therefore, the composting system can potentially contribute to the sustainable management of this waste stream and to the promotion of an alternative food waste management approach through small and autonomous systems.