Συγκομποστοποίηση βιολογικής ιλύος με τροφικά υπολείμματα με πρόσθετο περλίτη

Abstract

Η διάθεση της ιλύος των μονάδων επεξεργασίας λυμάτων συνιστά πρόβλημα προς επίλυση για την εποχή μας. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος αυτού υιοθετούνται πολλές φορές λύσεις που δεν εξυπηρετούν τις αρχές της προστασίας του περιβάλλοντος και οι οποίες μπορούν ενδεχομένως να δημιουργήσουν σε αυτό ιδιαιτέρως δυσμενείς επιπτώσεις. Έτσι, η ορθολογική διαχείριση και εν τέλει αξιοποίηση της ιλύος αποτελεί καίριο περιβαλλοντικό ζήτημα που απαιτεί μια αποτελεσματική επίλυση. Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας ήταν η συμβολή για την αξιοποίηση της ιλύος ως βελτιωτικού εδάφους, σε αντικατάσταση του υπάρχοντος τρόπου διάθεσής της, σε Χώρους Υγειονομικής Ταφής Αποβλήτων (ΧΥΤΑ). Η χάραξη της στρατηγικής για την επίτευξη του τελικού στόχου έγινε με γνώμονα τη χρήση της αερόβιας κομποστοποίησης. Για την επίτευξη αυτού του στόχου χρησιμοποιήθηκαν οι βιοαντιδραστήρες της Μονάδας Επιστήμης και Τεχνολογίας Περιβάλλοντος. Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε στόχευε στην ανεύρεση της κατάλληλης φόρμουλας ώστε να πετύχει η ωρίμανση της ιλύος με τον καλύτερο δυνατό αποτέλεσμα. Δόθηκε έμφαση στην χάραξη της βέλτιστης στρατηγικής και έγιναν οι απαραίτητες διορθωτικές ενέργειες όταν κρίθηκε απαραίτητο, ώστε το τελικό προϊόν να έχει τις θεμιτές φυσικοχημικές και βιολογικές ιδιότητες. Ο κορμός της μεθοδολογίας αποτελείτο από μια σειρά πειραματικών εφαρμογών εντός του βιοαντιδραστήρα, όπου εξελίσσεται η κομποστοποίηση και τον ποιοτικό και ποσοτικό χαρακτηρισμό της ποιότητας του τελικού προϊόντος (κόμποστ). Πιο συγκεκριμένα, το πειραματικό πρωτόκολλο της κομποστοποίησης χωρίστηκε σε δύο μέρη. Στο πρώτο μέρος, συμπεριλαμβάνεται η πειραματική εφαρμογή της κομποστοποίησης ιλύος προερχόμενη από ΜΕΛ βιομηχανίας και στο δεύτερο η αξιολόγηση του συστήματος κομποστοποίησης βάσει του ποιοτικού και ποσοτικού ελέγχου του τελικού προϊόντος ως προς τις φυσικοχημικές και βιολογικές του ιδιότητες για τον καθορισμό του βαθμού σταθεροποίησης και ωριμότητάς του. Η αρχική σκέψη εμπεριείχε τη χρήση περλίτη και πράσινων χωριστά στον κάθε κάδο και κομποστοποίηση 21 ημερών. Τα τελικά προϊόντα θα εξετάζονταν για τις φυσικοχημικές και βιολογικές ιδιότητές τους και θα χρησιμοποιούνταν, εφόσον πληρούσαν τις προϋποθέσεις, ως εδαφοβελτιωτικό. Προοικονομώντας τα αποτελέσματα των παράλληλων κομποστοποιήσεων έγινε η υπόθεση πως τόσο ο κάδος με τον περλίτη, λόγω απουσίας άμεσα διαθέσιμου οργανικού υποστρώματος, όσο και ο κάδος με τα πράσινα, λόγω της περίσσειας κυτταρινούχων πρώτων υλών τα οποία εμποδίζουν την έναρξη της θερμόφιλης φάσης, δεν θα ενεργοποιούσαν το θερμόφιλο στάδιο της κομποστοποίησης με αποτέλεσμα να μην σταθεροποιηθεί η ιλύς. Τα πειραματικά 3 αποτελέσματα αν συνέπιπταν με τις υποθέσεις μας θα επιβεβαίωναν το ότι η κομποστοποίηση ιλύος χρειάζεται ένα διαθέσιμο οργανικό υπόστρωμα, ικανό και αναγκαίο για τον μεταβολισμό των μικροοργανισμών. Σε αυτό το σενάριο, όπως και θα δούμε στο κεφάλαιο με τα πειραματικά αποτελέσματα, θα έπρεπε να μεταβούμε από το πρωτόκολλο της κομποστοποίησης σε αυτό της συγκομποστοποίησης με πρόσθετα που θα παρέχουν ένα στοιχειώδες οργανικό υπόστρωμα, όπως τα τροφικά υπολείμματα. Σε τακτικό επίπεδο θα τοποθετήσουμε δύο παράλληλους κάδους με ιλύ από την βιομηχανική ΜΕΛ και τροφικά υπολείμματα σε διαφορετικές συγκεντρώσεις (πάντα με προσθήκη περλίτη) ώστε να συγκρίνουμε τα αποτελέσματα για τους δύο βιοαντιδραστήρες και να εξάγουμε πολύτιμα συμπεράσματα για την ποιότητα των τελικών ώριμων προϊόντων. Διαφορετικά μίγματα των προαναφερόμενων αποβλήτων αποτέλεσαν το υλικό τροφοδοσίας του συστήματος. Η χρήση περλίτη βοήθησε στον αερισμό του μίγματος λόγω πορώδους και τα τροφικά έδωσαν την απαιτούμενη οργανική ύλη για τον μεταβολισμό των μικροοργανισμών. Η σύνθεσή των μιγμάτων ήταν η αναλογία ιλύος προς τροφικά υπολείμματα 1:1 για τον πρώτο αντιδραστήρα και 3:7 για τον δεύτερο. Πριν την έναρξη των κομποστοποιήσεων, έγιναν μετρήσεις σχετικά με τη θερμοκρασία, την υγρασία του υποστρώματος, το pH, την ηλεκτρική αγωγιμότητα, τον ολικό οργανικό άνθρακα (TOC), το ολικό άζωτο (TKN), τα NH4+ και τα NO3- και τη συγκέντρωση των βαρέων μετάλλων στα δείγματα. H υψηλή περιεκτικότητα σε άζωτο ήταν αισθητή στα αρχικά απόβλητα και επακολούθως διαμόρφωσε χαμηλές αναλογίες C/N στα αρχικά υποστρώματα. Αυτό θα είχε ως αποτέλεσμα το σχηματισμό συνθηκών περίσσειας οργανικού αζώτου. Οι άνω παράγοντες ήταν αυτοί που εξετάσθηκαν σε όλη την έκταση της συγκομποστοποίησης και θα έδιναν απτά αποτελέσματα για την επιτυχία του σκοπού μας. Επί προσθέτως έγινε ποιοτική και ποσοτική αξιολόγηση τόσο των φυσικοχημικών όσο και των βιολογικών ιδιοτήτων των τελικών προϊόντων των αντιδραστήρων (κόμποστ) από τις οποίες θα συμπεράνουμε εάν το κόμποστ είναι ικανό για να αποτεθεί στο έδαφος. Η ωρίμανση του κόμποστ, η οποία διήρκησε περίπου 8 ημέρες μετά το πέρας των συγκομποστοποιήσεων, συνοδεύτηκε από μείωση του pH προς ουδέτερες και ελαφρώς όξινες τιμές, αλλά και με αύξηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Η περιεκτικότητα σε οργανικό άνθρακα μειώθηκε κατακόρυφα και στους δύο κάδους και το ολικό άζωτο αυξήθηκε ελαφρώς. Οι συγκεντρώσεις των βαρέων μετάλλων (Cr, Cu, Mn, Fe, Ni, Cd, Pb και Zn) κυμάνθηκαν σε χαμηλά επίπεδα, τα οποία δεν ξεπερνούν τις οριακές τιμές που έχουν καθοριστεί από την ελληνική νομοθεσία αλλά αυξήθηκαν ανεπαίσθητα σε σχέση με τις αρχικές συγκεντρώσεις λόγω της μείωσης της οργανικής ουσίας. Οι τελικές τιμές του δείκτη C/N ήταν πολύ χαμηλές και εκτός ορίων του ποιοτικού εμπορικού εδαφοβελτιωτικού. Επιπλέον, αναφορικά με τις ανόργανες μορφές του αζώτου, οι συγκεντρώσεις των αμμωνιακών παρουσιάστηκαν πολύ χαμηλότερες συγκριτικά με αυτές των νιτρικών διαμορφώνοντας αναλογίες ΝΗ4+/ΝΟ3- εντός των επιθυμητών ορίων που χαρακτηρίζουν ένα ώριμο κόμποστ. Τέλος, εκτός της φυσικοχημικής αξιολόγησης της ποιότητας του 4 παραγόμενου κόμποστ πραγματοποιήθηκε και βιολογική αξιολόγηση. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της φυτοτοξικότητας του παραγόμενου κόμποστ, η προσθήκη τροφικών υπολειμμάτων σε συνδυασμό με περλίτη βελτίωσε σημαντικά το δείκτη βλαστικότητας σχεδόν σε όλους τους σπόρους μαρουλιού σε σύγκριση με αυτούς του πρώτου κύκλου. Το φαινόμενο αυτό είναι εντονότερο στον δεύτερο κάδο, γεγονός που πιθανόν να οφείλεται στη μικρότερη συγκέντρωση βαρέων μετάλλων και της μεγαλύτερης ποσότητας φυτοθρεπτικών προσθέτων, δηλαδή των οργανικών προσθέτων που προσθέσαμε (σε ποσότητα ίση με το 70% του μίγματος). Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της φυτοτοξικότητας, το τελικό προϊόν χαρακτηρίζεται ως φυτοθρετπικό και δεν περιέχει τοξικές ενώσεις οι οποίες δύναται να αναστείλουν την ανάπτυξη των φυτικών μικροοργανισμών. Τα αποτελέσματα αυτά συνηγορούν στην εκτίμηση ότι τα τελικά προϊόντα είναι κατάλληλα για χρήση ως βελτιωτικό εδάφους. Η μεγαλύτερη περιεκτικότητα του δεύτερου μίγματος σε πρόσθετο υλικό, είχε ως αποτέλεσμα την εντονότερη μετάβαση, κατά την διαδικασία της κομποστοποίησης, από τη μεσόφιλη στη θερμόφιλη φάση. Χαρακτηριστικά για τον δεύτερο κάδο, η θερμοκρασία που αναπτύχθηκε ξεπέρασε τους 69οC έστω για λίγες ώρες. Ο πρώτος κάδος έφτασε σε αξιοσημείωτες τιμές επίσης αγγίζοντας τους 68,8οC. Οι θερμοκρασίες που αναπτύχθηκαν πρέπει να σημειώσουμε ήταν ικανές για να αποστειρώσουν όλη την έκταση του μίγματος σκοτώνοντας και αδρανοποιώντας όλους τους παθογόνους μικροοργανισμούς.

The disposal of sludge of wastewater treatment plants is a problem that has to be solved in our days. The solutions that were adopted in order to solve this problem, sometimes not only do not serve the principles of the environmental protection, but also may create adverse effects on it. Thus, the efficient management and the final usage of sludge is an environmental issue that requires an effective solution.

The aim of this diploma thesis was to contribute to the usage of sludge as a fertilizer in order to replace the current method of disposal in landfills (Landfill). The design of the strategy for achieving the final goal was made by using aerobic composting. To achieve this goal bioreactors from the Environmental Science and Technology Unit were used.

The methodology that was followed, aimed to finding the proper formula to achieve the maturation of the sludge with the best possible results. Emphasis was given to developing the best strategy and make ​the necessary corrections so that the final product has the legitimate physicochemical and biological properties. The core of the methodology consisted of a series of experimentation within the bioreactor, which evolves composting qualitative and quantitative characterization of the quality of the final product (compost).

Specifically, the experimental composting protocol divided into two parts. The first part included the experimental application of sludge compost derived from industry's wastewater mechanical treatment and the second part includes the evaluation of the composting system based on the quantitative and qualitative of the final product, by testing iits physicochemical and biological properties in order to determine the level of its stability and maturity. The original thought involved the usage of perlite and green separated in each bin and composting 21 days. The final products will be tested for their physical, chemical and biological properties and it would be used as fertilizer. Foreseen the results of parallel composting, was assumed that both the bucket with perlite, due to the lack of readily available organic substrate, and the green's bucket because of the excess of cellulosic raw materials which prevent the entry of thermophilic phase, it would not activate the thermophilic stage of composting thus not stabilized sludge. If the experimental results were consistent with our assumptions, it would be confirmed that the sludge composting requires an available organic substrate, capable and necessary for the metabolism of microorganisms. In this scenario, as we will see in the chapter of the experimental results, we had to move from the composting protocol to that of a cocomposting one with additives that will provide a basic organic substrate, such as food waste. l placed two parallel bins with sludge from the industry's mechanical wastewater treament and from food waste at different concentrations (always adding perlite), in order to compare the results for the two bioreactors and to draw valuable conclusions about the quality of the final mature products.

Different mixtures of the abovementioned waste were the material supply system. The use of perlite assisted the ventilation of the mixture due to porosity and the food gave the required organic matter to the metabolism of the microorganisms. The composition of the mixtures was the proportion sludge to food waste 1:1 for the first reactor and 3:7 for the second. Before starting composting, measurements were made on the temperature, substrate's moisture, pH, electrical conductivity, total organic carbon (TOC), total nitrogen (TKN), the NH4 and NO3-and heavy metals concentration in samples. A high content of nitrogen was observed in the initially waste and this subsequently shaped low C/N ratios in the initial substrates. This would result in the formation of organic nitrogen excess conditions. The above factors were those that were tested throughout the cocomposting and gave concrete results for the success of our cause.

In addition, a qualitative and quantitative assessment was made for both physicochemical and biological properties of the final products of reactors (compost), from which we deduce if the compost is likely to be deposited on the ground. Compost's maturation, which lasted about 8 days after the end of the cocomposting, was accompanied by a decrease in pH to neutral and slightly acidic values​​, but also increase the electrical conductivity. The organic carbon content decreased sharply in both bins and the total nitrogen increased slightly. The heavy metals concentrations (Cr, Cu, Mn, Fe, Ni, Cd, Pb and Zn) fluctuated at low levels which do not exceed the limit values ​laid down by the Greek legislation, but increased slightly compared with the initial concentrations due to the reduction of organic matter. The final values ​of the ratio C/N was too low and out of range of quality commercial fertilizers. Furthermore, as the inorganic forms of nitrogen and the concentrations of ammonia were presented much lower compared with those of the nitrate forming ratios NH 4 + / NO3-in the desired range that characterizes a mature compost. According to the results of the phytotoxicity of the produced compost, the addition of food waste in combination with perlite, have significantly improved the germination index in almost all lettuce seeds compared to those of the first cycle. This phenomenon is more marked in the second bin, which is probably due to a lower concentration of heavy metals and the greater amount phytonutrients additives, i.e. organic additives added (in an amount equal to 70% of the mixture). According to the results of phytotoxicity, the final product was characterized as fertilizers and contains no toxic compounds which may inhibit the growth of vegetable organisms.

These results argue with the assessment that the final products are suitable for use as a soil improver. The higher content of the additives in the second mixture resulted strongest transition ,during the composting process from the mesophilic to thermophilic phase. In the second bin, the temperature tha was developed, exceeded the 69oC even for a few hours. The first bin reached considerable prices also touching the 68.8oC. The temperatures that were developed should be noted that were able to sterilize the mixture throughout, killing and inactivating all pathogens.