27.02.2025
Полный текст статьи опубликован в международном журнале по переработке органических отходов в сельском хозяйстве (2019) по результатам исследования компостирования зелёных отходов с использованием аэрируемого статического бурта, покрытого мембраной GORE®Cover.
Аннотация
Компостирование зеленых отходов (GW) становится все более важным для индустрии управления отходами, а также является полезным сельскохозяйственным продуктом, богатым питательными веществами и органическим веществом (OM). Сочетание аэрируемого статического бурта с мембраной GORE®Cover и системой аэрации через пол является относительно новой технологией компостирования в промышленных масштабах, которая ранее не изучалась. Поэтому целью данного исследования была оценка эффективности компостирования GW с использованием этой новой технологии.
Требования по обеззараживанию были выполнены за счет поддержания температуры компостирования в термофильном диапазоне в течение 24 дней. Технология значительно улучшила условия компостирования и конечный продукт компоста с точки зрения температуры, pH, электропроводности (EC), соотношения C/N, деградации OM, трансформации азота, гумификации и емкости катионного обмена (CEC). В результате новая технология позволила получить зрелый компост всего за 30 дней по сравнению со стандартным периодом 90–270 дней для традиционного компостирования.
Введение
Зеленые отходы, возникающие в результате стремительного развития городских зеленых зон по всему миру, превратились в серьезную экологическую проблему, затрагивающую как развитые, так и развивающиеся экономики. Эти отходы, состоящие из веток, древесины, коры деревьев, молодых деревьев и кустарников, листьев, травы и садового мусора, скапливаются в парках, садах и заповедниках, создавая угрозу для окружающей среды и здоровья человека из-за неправильной утилизации. Эффективное управление этими отходами стало жизненно важным для минимизации их негативного влияния.
Однако зеленые отходы обладают огромным потенциалом благодаря своей доступности и возобновляемости. Они могут стать ценным ресурсом, если использовать современные методы переработки и минимизировать их негативное воздействие на природу. Традиционное сжигание или захоронение этих отходов ведет к значительным потерям питательных веществ и ухудшению экологии, тогда как компостирование считается более безопасным и экологически чистым способом утилизации.
Процесс компостирования требует тщательной настройки условий для ускорения разложения лигноцеллюлозы — основного компонента зеленых отходов. Инновационные подходы, такие как использование аэрированных статических буртов с полупроницаемыми мембранами, демонстрируют значительное сокращение времени компостирования и улучшение качества готового продукта. Такие технологии позволяют контролировать температуру, влажность и газообмен, обеспечивая оптимальные условия для микробиологической активности и снижая выбросы вредных газов.
Эти разработки имеют большое значение для будущего управления зелеными отходами, открывая новые возможности для их преобразования в ценные удобрения и органические материалы. Компостирование, основанное на современных научных подходах, обещает улучшить качество почв, снизить зависимость от химических удобрений и способствовать устойчивому развитию городов и сельских территорий.
Материалы для компостирования
Данное исследование проводилось на промышленном предприятии по компостированию в городе Гёдёллё, Венгрия. GW состоял в основном из опавших листьев и обрезков веток, образующихся при уходе за городскими ландшафтами. GW был измельчен до размера частиц около 1 см с помощью измельчителя для увеличения реакционной поверхности для микроорганизмов перед началом компостирования. Затем влажность была доведена до 60% путем добавления воды.
Процесс компостирования
Компостирование проводилось с использованием аэрируемого статического бурта с мембраной GORE® в промышленных масштабах. GW был уложен в бурты длиной 35 м, шириной 8 м и высотой 2,5 м в форме трапеции, которые были покрыты мембраной GORE®Cover и имели систему вентиляции для обеспечения подачи кислорода. Бурты имели трехстенную железобетонную стену для удержания материала на компостной площадке. Процесс компостирования считался завершенным, когда температура бурта снизилась до температуры окружающей среды. Затем материал просеивался с использованием барабанного сита с отверстиями размером 12 × 12 мм.
Температура измерялась с помощью датчиков типа Pt-100, размещенных в нержавеющей оболочке и подключенных к системе сбора данных, которая была подключена к стандартному ПК. Датчики Pt-100 были размещены в бурте на точках измерения, расположенных на половине высоты бурта. Среднесуточные температуры рассчитывались на основе почасовых температур, записываемых непрерывно в течение всего процесса с помощью цифрового регистратора. Другой датчик температуры был размещен снаружи для измерения температуры окружающей среды.
Мембрана GORE®
Мембрана GORE® была водонепроницаемой и ветронепроницаемой. Размер микропор примерно ≤0,2 мкм позволял мембране эффективно предотвращать выделение микробов, газообразных веществ и твердых частиц, оставаясь полупроницаемой для влаги. Большая часть водяного пара, образующегося на ранней стадии компостирования из-за разложения органического вещества, не выходила за пределы мембраны из-за ее ограниченной проницаемости; вместо этого на внутренней поверхности покрытия накапливался слой водного конденсата. Этот слой действовал как скруббер для запахов, растворяя соединения запаха в слое конденсата и образуя капли, которые возвращали соединения в компостируемый материал, где они разлагались микроорганизмами.
Система вентиляции
Воздух подавался через вентиляторы и траншеи, расположенные в основании бурта. Траншеи служили каналами для подачи воздуха в бурт и сбора фильтрата из бурта. Аэрация осуществлялась с помощью вентиляторов с максимальной скоростью потока 2400 м³/ч при 2940 об/мин и 80 дБ(А) с использованием системы принудительной аэрации, расположенной в основании бурта. Мощность двигателя вентилятора составляла 2,5 кВт. Система вентиляции, управляемая таймером, использовалась для контроля температуры бурта. Подача воздуха осуществлялась с перерывами. Частота аэрации составляла 15 минут в час (15 минут включено/45 минут выключено).
Отбор проб
Компостирование проводилось в течение 30 дней. Однородные образцы массой 1 кг, представляющие средние условия всего бурта, собирались в соответствии со стандартом US Composting Council (TMECC 2002) на следующих интервалах: 0 (первый день компостирования/начальный неразложившийся материал), 7, 14, 24 и 30 дней компостирования.
Температура
Мониторинг температуры широко признан отличным индикатором для оценки успешности компостирования и стабильности компоста, поскольку температура бурта связана со скоростью разложения и микробной активностью в процессе компостирования. Изменение температуры в процессе компостирования показало классическую картину, характерную для систем компостирования. Были выделены три фазы: короткая начальная мезофильно-нагревательная фаза (<1 дня), термофильная (стабилизационная) фаза (1–24 дня) и фаза охлаждения/созревания (25–30 дней):
(i) Короткая начальная мезофильно-нагревательная фаза (25–45 °C), в которой температура быстро повышалась от окружающих значений до примерно 45 °C и длилась менее 1 дня. В начальной мезофильной фазе мезофильные бактерии и грибы разлагали легко разлагаемые органические соединения и производили H₂O, NH₃, CO₂, органические кислоты и тепло.
(ii) Термофильная фаза (>45 °C), в течение которой температура оставалась выше 45 °C, превышая пределы толерантности мезофильных микроорганизмов, и заменялась термофильными микроорганизмами, быстро достигая максимального значения около 80,2 °C в течение 3 дней.
Температуры были выше и повышались быстрее, чем те, которые наблюдались при компостировании того же субстрата с использованием традиционного метода. Микроположительное давление, создаваемое комбинацией системы принудительной аэрации снизу вверх и мембраны GORE®Cover на вершине бурта, способствовало равномерной подаче достаточного количества кислорода для микроорганизмов, что ускоряло разложение органического вещества. В результате микробное разложение легко разлагаемого органического вещества усиливалось, скорость разложения увеличивалась, и выделялось большое количество метаболического тепла. В совокупности это приводило к повышению температуры внутри буртов, быстрому достижению пиковых температур и их поддержанию в течение длительного времени.
Применение этой инновационной технологии привело к более высоким термофильным температурам, характерным для наиболее активной фазы компостирования. Температура оставалась высокой и стабильной в термофильном диапазоне в течение 24 дней, поскольку мембрана GORE® полностью закрывала бурт и удерживала тепло. Поддержание высокой температуры в течение нескольких дней подряд способствует росту микроорганизмов, ответственных за разложение лигноцеллюлозы и образование предшественников гумуса, что указывает на эффективный процесс компостирования. Фактически, для получения компоста, свободного от вредных патогенов и семян сорняков, температура компостирования должна оставаться в термофильной фазе (>45 °C) не менее 3 дней подряд. В данном исследовании термофильная фаза длилась 24 дня, что означает, что компосты, произведенные с использованием этой технологии, соответствовали требованиям по обеззараживанию.
(iii) Фаза охлаждения или созревания началась на 25-й день, когда температура бурта начала регулярно снижаться ниже 45 °C, достигнув температуры окружающей среды на 30-й день, что указывало на завершение процесса. Снижение температуры было связано с истощением легко разлагаемого органического вещества в мезофильной и термофильной фазах и оставшимися соединениями, устойчивыми к разложению (например, лигнином). Эта фаза характеризовалась процессом гумификации, который состоял из реакций конденсации и полимеризации органических соединений, присутствующих в компосте, что приводило к образованию более стабильных соединений, известных как гуминовые вещества.
Эта технология позволила ускорить разложение органических отходов благодаря более высоким пиковым температурам, более быстрому достижению и продлению термофильных температур. Таким образом, высокая скорость разложения, ускоренная деградация GW и сокращение периода компостирования приводят к снижению эксплуатационных затрат на компостирование. Традиционное компостирование требует 90–270 дней для получения зрелого продукта, однако новая технология сокращает время компостирования GW, производя зрелый компост всего за 30 дней.
Изменение pH
Значение pH компоста является одним из важных параметров, используемых для оценки зрелости компоста. Поэтому изменения pH контролировались в процессе компостирования зеленых отходов.
В первую неделю компостирования значение pH снизилось с 7,1 до 6,1. Это может быть связано с интенсивной активностью мезофильных микроорганизмов и разложением органического вещества с образованием органических кислот (таких как уксусная и масляная кислоты) при высоких температурах или с потерей большого количества CO₂ на начальной стадии разложения лигноцеллюлозы в компостном бурте. Кроме того, начальное испарение аммиака после повышения температуры в термофильной фазе снизило буферную способность системы и уменьшило pH.
Увеличение pH с 6,1 до 7,5 в течение следующих 17 дней (дни 7–24) было связано с образованием аммиака в процессе аммонификации и минерализации органического азота благодаря активности микроорганизмов. Более высокая концентрация кислорода способствует более быстрому разложению органических кислот и, следовательно, более быстрому повышению pH.
В конце периода компостирования pH снизился до 6,8 из-за созревания компоста в аэробных условиях, синтеза гуминовых кислот, которые действовали как буферы pH, и выделения ионов водорода в процессе нитрификации на поздних стадиях компостирования.
Конечное значение pH компоста составило 6,8, что рекомендуется для зрелого компоста.
Изменение электропроводности (EC)
Электропроводность (EC) указывает на потенциальную фитотоксичность для роста растений и является очень полезным параметром, так как отражает степень засоленности компоста и количество ионов в компостируемом материале. Однако значение EC зависит от скорости разложения органического вещества, что приводит к накоплению различных ионных видов. Значения EC резко увеличились с 0,9 до 3,0 мСм/см в процессе компостирования, что может быть связано с выделением минеральных солей, таких как ионы аммония и магния, и/или сульфатов и фосфатов, а также с эффектом концентрации из-за потери воды при высокой температуре.
Более высокое содержание минеральных солей указывает на прогрессирующую минерализацию органического вещества и выделение высокорастворимых солей в среду. Высокий уровень засоленности в компосте может повредить корни растений, повлиять на усвоение питательных веществ, ограничить доступность воды для растений и подавить прорастание семян. Значения EC конечного компоста составили 3,0 мСм/см, что ниже 4 мСм/см, что обычно считается пределом для безопасного выращивания растений. Это указывает на то, что данный компост может быть применен в сельскохозяйственных культурах.
Потери органического вещества (OM) и содержание золы
В хорошо управляемом процессе примерно 50% биоразлагаемого органического вещества полностью минерализуется, в основном за счет разложения белков, целлюлозы и гемицеллюлозы, которые используются микроорганизмами в качестве источника энергии.
В процессе компостирования органическое вещество постепенно разлагается микроорганизмами и превращается в углекислый газ, воду, аммиак и новую микробную биомассу. Потери органического вещества на каждом временном интервале в процессе компостирования рассчитывались для количественной оценки скорости минерализации OM. Потери OM резко увеличивались со временем до 46,9% в первые 14 дней компостирования (мезофильная и термофильная фазы) из-за большей доступности веществ, легко разлагаемых микроорганизмами. Затем потери OM медленно увеличивались в фазах охлаждения и созревания, достигнув 51,9% к концу компостирования. Это было связано с истощением легко разлагаемого углерода и реакциями синтеза новых сложных и полимеризованных органических соединений (гумификация), которые преобладают над минерализацией на стадии созревания. Ожидаемые потери OM в процессе компостирования составляют от 30 до 60%, а потеря OM > 42% считается приемлемой для зрелого компоста. Согласно этому индексу, компост созрел за 14 дней.
Более высокие потери OM могут быть связаны с более длительными термофильными периодами (24 дня) и более высокой температурой в процессе компостирования благодаря этой новой технологии. Было обнаружено, что высокая температура компостирования ускоряет рост термофильных микроорганизмов для дальнейшего разложения лигнина, целлюлозы и гемицеллюлозы.
В процессе компостирования содержание золы увеличилось на 60,8% после 30 дней компостирования. Увеличение содержания золы в процессе компостирования связано с минерализацией органического вещества в результате микробного разложения. Таким образом, этот параметр измеряет деградацию и минерализацию органического вещества и указывает на стабилизацию в процессе компостирования. Конечный компост с высоким содержанием золы и низким содержанием органического вещества считается зрелым.
Соотношение C/N
Соотношение C/N, которое обычно используется для определения стабилизации компоста, должно уменьшаться по мере прогрессирования компостирования. В данном случае соотношение C/N значительно уменьшилось по мере прогрессирования компостирования и достигло 11,4 к концу периода компостирования. Уменьшение соотношения C/N было связано с потерей общего углерода (TC) в форме углекислого газа и соответствующим увеличением доли общего азота (TN) в результате интенсивного биологического окисления органического вещества в процессе компостирования, а также с вкладом азотфиксирующих бактерий.
Стоит отметить, что в литературе нет единого мнения относительно точного значения соотношения C/N, которое указывает на стабилизацию компоста. Некоторые авторы предлагают индекс зрелости для соотношения C/N < 20, тогда как другие считают соотношение C/N < 12 показателем зрелого компоста. В настоящем исследовании соотношение C/N конечного компоста достигло значения 11,4, что указывает на то, что компост стал зрелым после 30 дней компостирования. Компостирование обрезков с использованием традиционных открытых буртов приводит к конечному соотношению C/N 24,8 после 18 недель компостирования, что указывает на невозможность достижения зрелости, возможно, из-за плохих условий аэрации. Это говорит о том, что новая технология позволяет достичь зрелости за более короткий период благодаря системе принудительной аэрации снизу вверх, которая улучшает условия аэрации, ускоряет разложение и приводит к большей потере углерода в виде углекислого газа.
Соотношение NH₄⁺/NO₃⁻
Индекс нитрификации (соотношение NH₄⁺/NO₃⁻) также использовался в качестве индикатора для оценки зрелости компоста, при этом значения < 1 или даже < 0,16 указывают на зрелый компост. Соотношение NH₄⁺/NO₃⁻ постепенно снижалось до конца компостирования, достигнув конечного значения 0,1, что указывает на эффективный процесс нитрификации в ходе компостирования и достижение зрелого компоста через 30 дней. В отличие от этого, при компостировании обрезков с использованием традиционных открытых буртов приемлемое значение индекса зрелости было зарегистрировано только через 18 недель. Таким образом, новая технология сокращает время достижения зрелости благодаря улучшенным условиям аэрации и потоку кислорода через весь субстрат, что усиливает процессы окисления и приводит к увеличению интенсивности нитрификации.
Изменение емкости катионного обмена (CEC)
CEC считается важным показателем зрелости компоста и указывает на способность компоста удерживать питательные вещества. Значение CEC значительно увеличилось со временем с 37,1 до 160,1 смоль/кг после 30 дней компостирования, что ожидаемо из-за повышения температуры, которая ускорила окисление и гумификацию органического вещества, увеличивая образование ионизированных карбоксильных и фенольных функциональных групп, которые способствуют повышению значений CEC и сохранению питательных веществ. CEC конечного компоста должна быть > 60 смоль/кг, чтобы считаться зрелым. Более высокое значение CEC в конце процесса компостирования увеличило способность компоста удерживать питательные вещества и повысило индекс прорастания. В данном исследовании значение CEC конечного продукта составило 160,1 смоль/кг, что указывает на зрелость компоста.
Характеристики конечного компоста
Продукт компоста, который является зрелым или стабильным и не токсичен для роста растений, может безопасно использоваться в качестве органического удобрения. Конечный компост удовлетворял пороговым уровням, установленным в литературе для его использования в качестве органического удобрения, то есть pH 7,1–7,7, EC < 4 мСм/см, соотношение C/N < 10, соотношение NH₄⁺/NO₃⁻ < 0,16, CEC > 60 смоль/кг и OM 33,3–55,4%. Эти результаты указывают на то, что компостирование было успешно выполнено в оптимизированных условиях.
Заключение
Настоящее исследование продемонстрировало, что аэрируемый статический бурт с использованием мембраны GORE® в сочетании с системой аэрации через пол является эффективным методом переработки зеленых отходов (GW) через производство высококачественного зрелого компоста.
Эта новая технология эффективна благодаря более высоким пиковым температурам, более быстрому достижению и продлению термофильных температур, что приводит к более быстрому разложению органических отходов. Кроме того, новая технология сокращает время компостирования GW, так как позволяет получить зрелый компост всего за 30 дней, в отличие от традиционных технологий компостирования, таких как открытые бурты, которые требуют 90–270 дней и производят незрелый компост.
Ключевые слова: Зеленые отходы • Компостирование • Мембрана GORE® • Компост
Источник:
,
Международный журнал по переработке органических отходов в сельском хозяйстве (2019)
Авторы: Мутаз Аль-Алави • Тамаш Сеги • Лубна Эль Фельс • Мохамед Хафиди • Барбара Симон • Миклош Гуляш
Опубликовано: 1 ноября 2019 г
Аннотация
Компостирование зеленых отходов (GW) становится все более важным для индустрии управления отходами, а также является полезным сельскохозяйственным продуктом, богатым питательными веществами и органическим веществом (OM). Сочетание аэрируемого статического бурта с мембраной GORE®Cover и системой аэрации через пол является относительно новой технологией компостирования в промышленных масштабах, которая ранее не изучалась. Поэтому целью данного исследования была оценка эффективности компостирования GW с использованием этой новой технологии.
Требования по обеззараживанию были выполнены за счет поддержания температуры компостирования в термофильном диапазоне в течение 24 дней. Технология значительно улучшила условия компостирования и конечный продукт компоста с точки зрения температуры, pH, электропроводности (EC), соотношения C/N, деградации OM, трансформации азота, гумификации и емкости катионного обмена (CEC). В результате новая технология позволила получить зрелый компост всего за 30 дней по сравнению со стандартным периодом 90–270 дней для традиционного компостирования.
Введение
Зеленые отходы, возникающие в результате стремительного развития городских зеленых зон по всему миру, превратились в серьезную экологическую проблему, затрагивающую как развитые, так и развивающиеся экономики. Эти отходы, состоящие из веток, древесины, коры деревьев, молодых деревьев и кустарников, листьев, травы и садового мусора, скапливаются в парках, садах и заповедниках, создавая угрозу для окружающей среды и здоровья человека из-за неправильной утилизации. Эффективное управление этими отходами стало жизненно важным для минимизации их негативного влияния.
Однако зеленые отходы обладают огромным потенциалом благодаря своей доступности и возобновляемости. Они могут стать ценным ресурсом, если использовать современные методы переработки и минимизировать их негативное воздействие на природу. Традиционное сжигание или захоронение этих отходов ведет к значительным потерям питательных веществ и ухудшению экологии, тогда как компостирование считается более безопасным и экологически чистым способом утилизации.
Процесс компостирования требует тщательной настройки условий для ускорения разложения лигноцеллюлозы — основного компонента зеленых отходов. Инновационные подходы, такие как использование аэрированных статических буртов с полупроницаемыми мембранами, демонстрируют значительное сокращение времени компостирования и улучшение качества готового продукта. Такие технологии позволяют контролировать температуру, влажность и газообмен, обеспечивая оптимальные условия для микробиологической активности и снижая выбросы вредных газов.
Эти разработки имеют большое значение для будущего управления зелеными отходами, открывая новые возможности для их преобразования в ценные удобрения и органические материалы. Компостирование, основанное на современных научных подходах, обещает улучшить качество почв, снизить зависимость от химических удобрений и способствовать устойчивому развитию городов и сельских территорий.
Материалы для компостирования
Данное исследование проводилось на промышленном предприятии по компостированию в городе Гёдёллё, Венгрия. GW состоял в основном из опавших листьев и обрезков веток, образующихся при уходе за городскими ландшафтами. GW был измельчен до размера частиц около 1 см с помощью измельчителя для увеличения реакционной поверхности для микроорганизмов перед началом компостирования. Затем влажность была доведена до 60% путем добавления воды.
Таблица 1. Характеристики сырьевых материалов, используемых для компостирования
|
Параметр |
Зеленые отходы (GW) |
|
Влажность (%) |
23,1 ± 1,9 |
|
Органическое вещество (%) |
56,9 ± 1,4 |
|
Общий углерод (%) |
31,3 ± 0,1 |
|
Общий азот (%) |
0,8 ± 0,0 |
|
Соотношение C/N |
38,6 ± 0,6 |
|
Электропроводность (EC, мСм/см) |
0,9 ± 0,0 |
|
pH |
7,0 ± 0,1 |
Процесс компостирования
Компостирование проводилось с использованием аэрируемого статического бурта с мембраной GORE® в промышленных масштабах. GW был уложен в бурты длиной 35 м, шириной 8 м и высотой 2,5 м в форме трапеции, которые были покрыты мембраной GORE®Cover и имели систему вентиляции для обеспечения подачи кислорода. Бурты имели трехстенную железобетонную стену для удержания материала на компостной площадке. Процесс компостирования считался завершенным, когда температура бурта снизилась до температуры окружающей среды. Затем материал просеивался с использованием барабанного сита с отверстиями размером 12 × 12 мм.
Температура измерялась с помощью датчиков типа Pt-100, размещенных в нержавеющей оболочке и подключенных к системе сбора данных, которая была подключена к стандартному ПК. Датчики Pt-100 были размещены в бурте на точках измерения, расположенных на половине высоты бурта. Среднесуточные температуры рассчитывались на основе почасовых температур, записываемых непрерывно в течение всего процесса с помощью цифрового регистратора. Другой датчик температуры был размещен снаружи для измерения температуры окружающей среды.
Мембрана GORE®
Мембрана GORE® была водонепроницаемой и ветронепроницаемой. Размер микропор примерно ≤0,2 мкм позволял мембране эффективно предотвращать выделение микробов, газообразных веществ и твердых частиц, оставаясь полупроницаемой для влаги. Большая часть водяного пара, образующегося на ранней стадии компостирования из-за разложения органического вещества, не выходила за пределы мембраны из-за ее ограниченной проницаемости; вместо этого на внутренней поверхности покрытия накапливался слой водного конденсата. Этот слой действовал как скруббер для запахов, растворяя соединения запаха в слое конденсата и образуя капли, которые возвращали соединения в компостируемый материал, где они разлагались микроорганизмами.
Система вентиляции
Воздух подавался через вентиляторы и траншеи, расположенные в основании бурта. Траншеи служили каналами для подачи воздуха в бурт и сбора фильтрата из бурта. Аэрация осуществлялась с помощью вентиляторов с максимальной скоростью потока 2400 м³/ч при 2940 об/мин и 80 дБ(А) с использованием системы принудительной аэрации, расположенной в основании бурта. Мощность двигателя вентилятора составляла 2,5 кВт. Система вентиляции, управляемая таймером, использовалась для контроля температуры бурта. Подача воздуха осуществлялась с перерывами. Частота аэрации составляла 15 минут в час (15 минут включено/45 минут выключено).
Отбор проб
Компостирование проводилось в течение 30 дней. Однородные образцы массой 1 кг, представляющие средние условия всего бурта, собирались в соответствии со стандартом US Composting Council (TMECC 2002) на следующих интервалах: 0 (первый день компостирования/начальный неразложившийся материал), 7, 14, 24 и 30 дней компостирования.
Температура
Мониторинг температуры широко признан отличным индикатором для оценки успешности компостирования и стабильности компоста, поскольку температура бурта связана со скоростью разложения и микробной активностью в процессе компостирования. Изменение температуры в процессе компостирования показало классическую картину, характерную для систем компостирования. Были выделены три фазы: короткая начальная мезофильно-нагревательная фаза (<1 дня), термофильная (стабилизационная) фаза (1–24 дня) и фаза охлаждения/созревания (25–30 дней):
(i) Короткая начальная мезофильно-нагревательная фаза (25–45 °C), в которой температура быстро повышалась от окружающих значений до примерно 45 °C и длилась менее 1 дня. В начальной мезофильной фазе мезофильные бактерии и грибы разлагали легко разлагаемые органические соединения и производили H₂O, NH₃, CO₂, органические кислоты и тепло.
(ii) Термофильная фаза (>45 °C), в течение которой температура оставалась выше 45 °C, превышая пределы толерантности мезофильных микроорганизмов, и заменялась термофильными микроорганизмами, быстро достигая максимального значения около 80,2 °C в течение 3 дней.
Температуры были выше и повышались быстрее, чем те, которые наблюдались при компостировании того же субстрата с использованием традиционного метода. Микроположительное давление, создаваемое комбинацией системы принудительной аэрации снизу вверх и мембраны GORE®Cover на вершине бурта, способствовало равномерной подаче достаточного количества кислорода для микроорганизмов, что ускоряло разложение органического вещества. В результате микробное разложение легко разлагаемого органического вещества усиливалось, скорость разложения увеличивалась, и выделялось большое количество метаболического тепла. В совокупности это приводило к повышению температуры внутри буртов, быстрому достижению пиковых температур и их поддержанию в течение длительного времени.
Применение этой инновационной технологии привело к более высоким термофильным температурам, характерным для наиболее активной фазы компостирования. Температура оставалась высокой и стабильной в термофильном диапазоне в течение 24 дней, поскольку мембрана GORE® полностью закрывала бурт и удерживала тепло. Поддержание высокой температуры в течение нескольких дней подряд способствует росту микроорганизмов, ответственных за разложение лигноцеллюлозы и образование предшественников гумуса, что указывает на эффективный процесс компостирования. Фактически, для получения компоста, свободного от вредных патогенов и семян сорняков, температура компостирования должна оставаться в термофильной фазе (>45 °C) не менее 3 дней подряд. В данном исследовании термофильная фаза длилась 24 дня, что означает, что компосты, произведенные с использованием этой технологии, соответствовали требованиям по обеззараживанию.
(iii) Фаза охлаждения или созревания началась на 25-й день, когда температура бурта начала регулярно снижаться ниже 45 °C, достигнув температуры окружающей среды на 30-й день, что указывало на завершение процесса. Снижение температуры было связано с истощением легко разлагаемого органического вещества в мезофильной и термофильной фазах и оставшимися соединениями, устойчивыми к разложению (например, лигнином). Эта фаза характеризовалась процессом гумификации, который состоял из реакций конденсации и полимеризации органических соединений, присутствующих в компосте, что приводило к образованию более стабильных соединений, известных как гуминовые вещества.
Эта технология позволила ускорить разложение органических отходов благодаря более высоким пиковым температурам, более быстрому достижению и продлению термофильных температур. Таким образом, высокая скорость разложения, ускоренная деградация GW и сокращение периода компостирования приводят к снижению эксплуатационных затрат на компостирование. Традиционное компостирование требует 90–270 дней для получения зрелого продукта, однако новая технология сокращает время компостирования GW, производя зрелый компост всего за 30 дней.
Изменение pH
Значение pH компоста является одним из важных параметров, используемых для оценки зрелости компоста. Поэтому изменения pH контролировались в процессе компостирования зеленых отходов.
В первую неделю компостирования значение pH снизилось с 7,1 до 6,1. Это может быть связано с интенсивной активностью мезофильных микроорганизмов и разложением органического вещества с образованием органических кислот (таких как уксусная и масляная кислоты) при высоких температурах или с потерей большого количества CO₂ на начальной стадии разложения лигноцеллюлозы в компостном бурте. Кроме того, начальное испарение аммиака после повышения температуры в термофильной фазе снизило буферную способность системы и уменьшило pH.
Увеличение pH с 6,1 до 7,5 в течение следующих 17 дней (дни 7–24) было связано с образованием аммиака в процессе аммонификации и минерализации органического азота благодаря активности микроорганизмов. Более высокая концентрация кислорода способствует более быстрому разложению органических кислот и, следовательно, более быстрому повышению pH.
В конце периода компостирования pH снизился до 6,8 из-за созревания компоста в аэробных условиях, синтеза гуминовых кислот, которые действовали как буферы pH, и выделения ионов водорода в процессе нитрификации на поздних стадиях компостирования.
Конечное значение pH компоста составило 6,8, что рекомендуется для зрелого компоста.
Изменение электропроводности (EC)
Электропроводность (EC) указывает на потенциальную фитотоксичность для роста растений и является очень полезным параметром, так как отражает степень засоленности компоста и количество ионов в компостируемом материале. Однако значение EC зависит от скорости разложения органического вещества, что приводит к накоплению различных ионных видов. Значения EC резко увеличились с 0,9 до 3,0 мСм/см в процессе компостирования, что может быть связано с выделением минеральных солей, таких как ионы аммония и магния, и/или сульфатов и фосфатов, а также с эффектом концентрации из-за потери воды при высокой температуре.
Более высокое содержание минеральных солей указывает на прогрессирующую минерализацию органического вещества и выделение высокорастворимых солей в среду. Высокий уровень засоленности в компосте может повредить корни растений, повлиять на усвоение питательных веществ, ограничить доступность воды для растений и подавить прорастание семян. Значения EC конечного компоста составили 3,0 мСм/см, что ниже 4 мСм/см, что обычно считается пределом для безопасного выращивания растений. Это указывает на то, что данный компост может быть применен в сельскохозяйственных культурах.
Потери органического вещества (OM) и содержание золы
В хорошо управляемом процессе примерно 50% биоразлагаемого органического вещества полностью минерализуется, в основном за счет разложения белков, целлюлозы и гемицеллюлозы, которые используются микроорганизмами в качестве источника энергии.
В процессе компостирования органическое вещество постепенно разлагается микроорганизмами и превращается в углекислый газ, воду, аммиак и новую микробную биомассу. Потери органического вещества на каждом временном интервале в процессе компостирования рассчитывались для количественной оценки скорости минерализации OM. Потери OM резко увеличивались со временем до 46,9% в первые 14 дней компостирования (мезофильная и термофильная фазы) из-за большей доступности веществ, легко разлагаемых микроорганизмами. Затем потери OM медленно увеличивались в фазах охлаждения и созревания, достигнув 51,9% к концу компостирования. Это было связано с истощением легко разлагаемого углерода и реакциями синтеза новых сложных и полимеризованных органических соединений (гумификация), которые преобладают над минерализацией на стадии созревания. Ожидаемые потери OM в процессе компостирования составляют от 30 до 60%, а потеря OM > 42% считается приемлемой для зрелого компоста. Согласно этому индексу, компост созрел за 14 дней.
Более высокие потери OM могут быть связаны с более длительными термофильными периодами (24 дня) и более высокой температурой в процессе компостирования благодаря этой новой технологии. Было обнаружено, что высокая температура компостирования ускоряет рост термофильных микроорганизмов для дальнейшего разложения лигнина, целлюлозы и гемицеллюлозы.
В процессе компостирования содержание золы увеличилось на 60,8% после 30 дней компостирования. Увеличение содержания золы в процессе компостирования связано с минерализацией органического вещества в результате микробного разложения. Таким образом, этот параметр измеряет деградацию и минерализацию органического вещества и указывает на стабилизацию в процессе компостирования. Конечный компост с высоким содержанием золы и низким содержанием органического вещества считается зрелым.
Соотношение C/N
Соотношение C/N, которое обычно используется для определения стабилизации компоста, должно уменьшаться по мере прогрессирования компостирования. В данном случае соотношение C/N значительно уменьшилось по мере прогрессирования компостирования и достигло 11,4 к концу периода компостирования. Уменьшение соотношения C/N было связано с потерей общего углерода (TC) в форме углекислого газа и соответствующим увеличением доли общего азота (TN) в результате интенсивного биологического окисления органического вещества в процессе компостирования, а также с вкладом азотфиксирующих бактерий.
Стоит отметить, что в литературе нет единого мнения относительно точного значения соотношения C/N, которое указывает на стабилизацию компоста. Некоторые авторы предлагают индекс зрелости для соотношения C/N < 20, тогда как другие считают соотношение C/N < 12 показателем зрелого компоста. В настоящем исследовании соотношение C/N конечного компоста достигло значения 11,4, что указывает на то, что компост стал зрелым после 30 дней компостирования. Компостирование обрезков с использованием традиционных открытых буртов приводит к конечному соотношению C/N 24,8 после 18 недель компостирования, что указывает на невозможность достижения зрелости, возможно, из-за плохих условий аэрации. Это говорит о том, что новая технология позволяет достичь зрелости за более короткий период благодаря системе принудительной аэрации снизу вверх, которая улучшает условия аэрации, ускоряет разложение и приводит к большей потере углерода в виде углекислого газа.
Соотношение NH₄⁺/NO₃⁻
Индекс нитрификации (соотношение NH₄⁺/NO₃⁻) также использовался в качестве индикатора для оценки зрелости компоста, при этом значения < 1 или даже < 0,16 указывают на зрелый компост. Соотношение NH₄⁺/NO₃⁻ постепенно снижалось до конца компостирования, достигнув конечного значения 0,1, что указывает на эффективный процесс нитрификации в ходе компостирования и достижение зрелого компоста через 30 дней. В отличие от этого, при компостировании обрезков с использованием традиционных открытых буртов приемлемое значение индекса зрелости было зарегистрировано только через 18 недель. Таким образом, новая технология сокращает время достижения зрелости благодаря улучшенным условиям аэрации и потоку кислорода через весь субстрат, что усиливает процессы окисления и приводит к увеличению интенсивности нитрификации.
Изменение емкости катионного обмена (CEC)
CEC считается важным показателем зрелости компоста и указывает на способность компоста удерживать питательные вещества. Значение CEC значительно увеличилось со временем с 37,1 до 160,1 смоль/кг после 30 дней компостирования, что ожидаемо из-за повышения температуры, которая ускорила окисление и гумификацию органического вещества, увеличивая образование ионизированных карбоксильных и фенольных функциональных групп, которые способствуют повышению значений CEC и сохранению питательных веществ. CEC конечного компоста должна быть > 60 смоль/кг, чтобы считаться зрелым. Более высокое значение CEC в конце процесса компостирования увеличило способность компоста удерживать питательные вещества и повысило индекс прорастания. В данном исследовании значение CEC конечного продукта составило 160,1 смоль/кг, что указывает на зрелость компоста.
Характеристики конечного компоста
Продукт компоста, который является зрелым или стабильным и не токсичен для роста растений, может безопасно использоваться в качестве органического удобрения. Конечный компост удовлетворял пороговым уровням, установленным в литературе для его использования в качестве органического удобрения, то есть pH 7,1–7,7, EC < 4 мСм/см, соотношение C/N < 10, соотношение NH₄⁺/NO₃⁻ < 0,16, CEC > 60 смоль/кг и OM 33,3–55,4%. Эти результаты указывают на то, что компостирование было успешно выполнено в оптимизированных условиях.
Заключение
Настоящее исследование продемонстрировало, что аэрируемый статический бурт с использованием мембраны GORE® в сочетании с системой аэрации через пол является эффективным методом переработки зеленых отходов (GW) через производство высококачественного зрелого компоста.
Эта новая технология эффективна благодаря более высоким пиковым температурам, более быстрому достижению и продлению термофильных температур, что приводит к более быстрому разложению органических отходов. Кроме того, новая технология сокращает время компостирования GW, так как позволяет получить зрелый компост всего за 30 дней, в отличие от традиционных технологий компостирования, таких как открытые бурты, которые требуют 90–270 дней и производят незрелый компост.
Ключевые слова: Зеленые отходы • Компостирование • Мембрана GORE® • Компост
Источник:
,Международный журнал по переработке органических отходов в сельском хозяйстве (2019)
Авторы: Мутаз Аль-Алави • Тамаш Сеги • Лубна Эль Фельс • Мохамед Хафиди • Барбара Симон • Миклош Гуляш
Опубликовано: 1 ноября 2019 г