Аннотация.
Компостирование является одной из наиболее эффективных стратегий интегрированного управления отходами, используемой для переработки осадка сточных вод (ОСВ) и получения полезного продукта. Цель данного исследования состояла в оценке эффективности компостирования обезвоженного стабилизированного ОСВ, смешанного с зелеными отходами, с использованием мембраны GORE®Cover. Процесс компостирования контролировался по изменениям физико-химических свойств, УФ-видимых спектров и спектров Фурье-инфракрасной спектроскопии (FTIR). Температура компостирования оставалась стабильной в термофильном диапазоне в течение 24 и 12 дней в интенсивной и фазах созревания соответственно, что соответствовало требованиям обеззараживания. Более того, температура быстро повысилась до 76,8°C в течение трех дней, и термофильные температуры достигали пика дважды и сохранялись дольше, чем при традиционном компостировании, что ускорило деградацию ОСВ и сократило период компостирования, необходимый для получения зрелого компоста. Новая технология может быть жизнеспособной и устойчивой альтернативой для управления ОСВ, превращая отходы в компост, полезный для улучшения почвы.
1. Введение
Рост населения, урбанизация и индустриализация привели к увеличению количества сточных вод и осадка сточных вод (ОСВ). Утилизация ОСВ стала серьезной проблемой из-за высоких затрат и экологических рисков. Необработанный ОСВ может загрязнять грунтовые воды, вызывать неприятные запахи и представлять угрозу для здоровья людей и окружающей среды, так как содержит токсичные металлы, патогены и органические загрязнители [1]. Более того, затраты на управление ОСВ могут составлять 25–50% от общей стоимости очистки сточных вод [2].
К 2020 году в странах ЕС ожидается производство 13.5 миллионов тонн сухого ОСВ [3]. Если его не обрабатывать, это приведет к серьезным экологическим проблемам. Поэтому важно найти эффективные способы переработки ОСВ.
Компостирование помогает уменьшить объем отходов на 50%, уничтожает патогены благодаря высоким температурам (50–70°C) и превращает отходы в стабильный органический продукт [4]. Однако для получения качественного компоста нужны эффективные технологии [5]. Сегодня существует несколько методов компостирования, и выбор зависит от затрат, времени, доступности земли и типа сырья. В последние годы технологии компостирования активно развиваются, чтобы сделать процесс более экономичным [6].
Использование полупроницаемых мембран, таких как GORE®Cover, также улучшает процесс компостирования. Например, такие мембраны снижают выбросы парниковых газов и ускоряют процесс, сохраняя тепло [11]. Однако эти системы требуют сложной инфраструктуры и более дороги в эксплуатации, чем открытые бурты [12].
Инкапсулированная подъемная система (ELS) — это новая технология, которая сочетает двухфазное компостирование с мембраной GORE®Cover и системой аэрации снизу вверх. Однако данных о ее использовании для компостирования ОСВ пока мало. Цель этого исследования — оценить эффективность ELS, отслеживая изменения физико-химических свойств и спектроскопических показателей.
2. Материалы и методы
2.1. Материалы для компостирования
Исследование проводилось на компостной установке на муниципальной станции очистки сточных вод в городе Кечкемет, Венгрия. Станция обслуживает население 240 000 человек, обрабатывает 20 000 м3/сутки и производит 22 400 тонн/год активного ОСВ (21-23% сухого вещества). Компостная установка была создана в 2010 году, и ее первоначальная производственная мощность составляла примерно 5 000 м3/год.
Для компостирования использовались обезвоженный стабилизированный ОСВ (DSSS) и зеленые отходы (GW). DSSS получали путем центрифугирования стабилизированного осадка из биогазового реактора, а GW (трава, древесная щепа, листья деревьев и т.д.) собирали из парков и садов в Кечкемете. DSSS смешивали с материалами GW, которые выступали в качестве структурообразующих агентов, в пропорции 1:4 (осадок к структурообразующему агенту), чтобы получить оптимальную влажность и соотношение C/N примерно 65% и 25:1 соответственно. DSSS характеризовался наибольшей влажностью и содержанием азота, в то время как GW имел высокое содержание органического вещества (OM) и наименьшую влажность. Материалы GW добавлялись для снижения общей влажности, увеличения соотношения C/N и улучшения конечной структуры компостируемого материала.
2.2. Процесс компостирования
Процессы компостирования проводились с использованием ELS с мембраной GORE®Cover в промышленных масштабах. Процесс компостирования состоял из двух фаз обработки аэрируемого статического бурта под мембраной GORE®Cover: интенсивная фаза (4 недели) и фаза созревания (3 недели).
В начале интенсивной фазы смесь загружалась в компостную ванну; это происходило на 0-й день. Ванна (длиной 35 м, шириной 8 м и высотой 2,6 м, с общей вместимостью 730 м2) имела три железобетонные боковые стенки, была покрыта мембраной GORE®Cover и имела специальную систему вентиляции для обеспечения подачи кислорода. Когда температура бурта снижалась до температуры окружающей среды на 28-й день, интенсивная фаза считалась завершенной. В это время смесь удалялась из компостной ванны с помощью погрузчика и помещалась в другую компостную ячейку для фазы созревания. Эта ячейка (длиной 30 м, шириной 8 м и высотой 2,6 м, с общей вместимостью 630 м2) также имела три железобетонные боковые стенки, которые были покрыты мембраной GORE®Cover и имели систему вентиляции для обеспечения адекватной аэрации. Фаза созревания начиналась с 29-го по 49-й день. К железобетонным стенам крепился стекловолоконный брезент высотой 4 м, и вся конструкция была покрыта мембраной GORE®Cover в обеих фазах, чтобы избежать чрезмерной потери воды из-за ветра и испарения. Двухэтапный процесс компостирования считался завершенным, когда температура бурта снижалась до температуры окружающей среды. Затем материал просеивался с использованием просеивающего барабана с отверстиями 12 x 12 мм.
Температура измерялась с помощью датчиков типа Pt-100, размещенных в нержавеющих оболочках, которые были подключены к системе сбора данных, связанной со стандартным ПК. Датчики Pt-100 размещались в бурте на точках измерения, расположенных на половине высоты бурта. Среднесуточные температуры рассчитывались на основе почасовых температур, которые непрерывно записывались в течение всего процесса с помощью цифрового регистратора. Другой датчик температуры размещался снаружи для измерения температуры окружающей среды для сравнения.
2.3. Мембрана GORE®Cover
Мембрана GORE®Cover состояла из трех различных слоев: расширенной политетрафторэтиленовой (ePTFE) мембраны/микропористой пленки и двух защитных слоев из высокопрочной полиэфирной ткани, которые формировали верхний и нижний слои ламината. Мембрана в среднем слое выступала в качестве функционального компонента, и параметры мембраны были следующими: сопротивление проницаемости водяного пара ≤19.5 м2 Па / Вт, воздухопроницаемость 1.5 - 6.5 м3 / м2 в час и гидростатическое давление ≥50 кПа [15].
Мембрана GORE®Cover водонепроницаема, ветронепроницаема и многоразового использования; материал обладает высокой устойчивостью к биологическому и химическому разложению и к нагреву (до 200-260°C) [15]. При размере микропор примерно ≤0.2 мкм мембрана эффективно предотвращает выделение микроорганизмов, газообразных веществ и твердых частиц, оставаясь полупроницаемой для влаги [16]. Большая часть водяного пара, образующегося на ранней стадии компостирования в результате разложения OM, не выходила за пределы мембраны из-за ограниченной проницаемости мембраны, однако, образуя слой водного конденсата на внутренней поверхности покрытия. Этот слой водного конденсата действовал как скруббер для запахов, растворяя соединения запаха и образуя капли, которые возвращали соединения в компостируемый материал, где они могли быть дополнительно разложены микроорганизмами.
2.4. Система вентиляции
Воздух подавался через вентиляторы и аэрационные каналы, расположенные в основании бурта. Эти каналы служили как для подачи воздуха в бурт, так и для сбора фильтрата из бурта. Аэрация осуществлялась вентиляторами с максимальной скоростью потока 2400 м3/ч при 2940 об/мин и 80 дБ 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 прерывисто. В интенсивной фазе частота аэрации составляла 491 мин/день (491 мин ВКЛ / 949 мин ВЫКЛ), а объем потока воздуха — 172 м3 воздуха / м3 компоста / день, тогда как в фазе созревания частота составляла 404 мин /день ВКЛ / 1036 мин ВЫКЛ, а скорость потока воздуха — 166 м3 воздуха / м3 компоста / день.
2.5. Анализ образцов
Образцы компоста отбирали на 0, 7, 14, 21, 28, 35, 42 и 49 дни. Анализировали pH, электропроводность (EC), содержание органического вещества (OM), золы, азота (N) и углерода (C). Также проводили УФ-видимую и FTIR-спектроскопию.
3. Результаты и испытаний
3.1. Температура
Процесс компостирования в основном является биологическим явлением, которое сильно зависит от колебаний температуры внутри бурта. В данном случае смесь DSSS и GW в начале процесса компостирования характеризовалась большой ферментируемой фракцией. На 0-й день (начало интенсивной фазы) температура начала быстро повышаться с 31.2°C, достигнув пиковой температуры 76.8°C в течение трех дней. Эти температуры были выше и повышались быстрее, чем те, которые наблюдались при компостировании того же субстрата с использованием классических методов [23, 24]. Микроположительное давление, создаваемое совместным действием системы принудительной аэрации снизу вверх и мембраны GORE®Cover, способствовало равномерной подаче достаточного количества кислорода микроорганизмам, необходимым для разложения OM. В конечном итоге микробная деградация легко разлагаемого OM была усилена, скорость разложения увеличилась, и выделилось большое количество тепла. После достижения пика в интенсивной фазе температура снизилась, оставаясь в мезофильном диапазоне (ниже 42°C) между 25 и 31 днями. Снижение температуры можно объяснить двумя основными явлениями: истощением начальных простых молекул и развитием условий, враждебных для активности микроорганизмов.
Во время процесса компостирования наблюдалась парадоксальная ситуация. В рамках фазы созревания (начиная с 29-го дня) температура снова начала повышаться, что привело ко второй термофильной фазе, с пиковой температурой примерно 75.4°C, достигнутой на 37-й день. Температуры от 26°C до 45°C создают благоприятные условия для роста актиномицетов и других термоустойчивых бактерий, что объясняет, почему во время короткой мезофильной стадии (дни 25–31) условия способствовали повторному росту микроорганизмов, что впоследствии привело к возобновлению активности микроорганизмов и второму повышению температуры. Однако после второй термофильной стадии температура постепенно снижалась до температуры окружающей среды, и покрытый компост не проявлял значительных колебаний температуры во время хранения, что указывало на прекращение микробной активности и минерализации, а также на возобновление гумификации, что свидетельствовало о стабильности компоста и завершении процесса. Испытания показали, что правильное компостирование может устранить многие человеческие патогены в различных типах компоста, поскольку температуры, достигаемые (50°C до 70°C) во время обработки, убивают кишечные микроорганизмы.
Что касается продолжительности термофильных периодов, температура компостирования должна превышать 45°C в течение как минимум трех последовательных дней, чтобы уничтожить патогенные организмы и, таким образом, соответствовать требованиям обеззараживания [30]. Результаты показали, что общая продолжительность термофильных температур в этом эксперименте (интенсивная фаза плюс фаза созревания) составляла > 3 дней. Это указывало на то, что продолжительность термофильной стадии была достаточной для уничтожения патогенов и соответствия требованиям обеззараживания.
Используя новую технологию, температура оставалась высокой и стабильной в термофильном диапазоне в течение 24 дней и 12 дней в интенсивной фазе и фазе созревания соответственно, поскольку мембрана GORE®Cover полностью закрывала бурт, сохраняя тепло. Эта технология привела не только к более быстрому достижению и продлению термофильных температур, но и к созданию двух пиков термофильной температуры (один во время интенсивной фазы и один во время фазы созревания); основным следствием этого было более быстрое разложение органических отходов. Традиционное компостирование требует 180 дней и 105 дней соответственно для получения зрелого продукта; двухэтапное компостирование, состоящее из использования аэрируемого бурта под полупроницаемой пленкой и на втором этапе статического открытого бурта, требует 190 дней [11]. Однако предложенная новая технология значительно сокращает время компостирования ОСВ, производя зрелый компост всего за 49 дней.
3.2. pH и электропроводность (EC)
pH сначала снизился до 6.1 из-за образования органических кислот, затем повысился до 7.3 из-за выделения аммиака. К концу процесса pH стабилизировался на уровне 6.9, что идеально для компоста. EC увеличился с 1.7 до 3.1 мС /см, что указывает на минерализацию органики.
3.3. Потери органического вещества (OM) и содержание золы
Потери OM составили 56.7%, что говорит о высокой степени разложения. Содержание золы увеличилось на 62.3%, что подтверждает минерализацию органики.
3.4. Соотношение C/N
Соотношение C/N является одним из наиболее важных параметров, используемых для оценки стабилизации компоста. В данном случае соотношение C/N снизилось до значения примерно 6.7 после 49 дней компостирования. Это быстрее, чем при традиционных методах, что связано с более высокой скоростью аэрации.
3.5. Соотношение NH₄⁺/NO₃⁻
Соотношение NH₄⁺/NO₃⁻ варьировалось от 20.3 до 0.1 после 49 дней компостирования, что подтверждает завершение процесса компостирования. Соотношение NH₄⁺/NO₃⁻ используется для указания зрелости компоста; соотношение ниже предела 0.16 для компостируемых материалов, таких как ОСВ, муниципальные твердые отходы и свиной навоз, указывает на зрелость [47]. Зарегистрированное значение примерно 0.1 указывало на то, что конечный продукт достиг зрелости в данном случае, и что субстрат был преобразован в нефитотоксичный компост.
Для сравнения, критические пределы зрелости при компостировании ОСВ с использованием традиционных технологий компостирования достигались через 6 месяцев [24], 220 дней [57] и 135 дней [48], тогда как новая технология компостирования достигла критических пределов зрелости к 49-му дню, что указывает на то, что традиционные технологии компостирования требуют гораздо больше времени для достижения индексного значения зрелости, чем новая технология компостирования, скорее всего, из-за различий в аэрации. Эти результаты указывают на то, что эта новая технология очень подходит для обеспечения зрелости компоста за более короткое время благодаря улучшенным условиям аэрации и потоку кислорода по всему компостному сосуду с использованием принудительной аэрации снизу вверх, что усиливает процессы окисления, приводя к увеличению интенсивности нитрификации [58].
3.6. Емкость катионного обмена (CEC)
Во время компостирования CEC значительно увеличилась с 51.3 смоль/кг до 170.3 смоль/кг после 49 дней. CEC может использоваться для оценки степени гумификации и способности компоста удерживать питательные вещества [59, 60]. CEC зрелого компоста должна быть > 60 смоль/кг. В данном исследовании значение CEC конечного продукта составило 170.3 смоль/кг, что указывает на зрелость компоста.
3.7. Спектроскопический анализ
УФ-видимая и FTIR-спектроскопия подтвердили, что органическое вещество хорошо разложилось и превратилось в стабильный компост.
3.8. Характеристики конечного компоста
Компостный продукт может безопасно использоваться в качестве органического удобрения или кондиционера почвы, если он зрелый или стабильный и не представляет токсичности для роста растений [41]. Конечный компостный продукт соответствовал пороговым уровням, установленным в литературе для общих индексов зрелости, что указывает на то, что он может использоваться в качестве органического удобрения для роста растений.
4. Выводы
Наше исследование показало, что технология компостирования с мембраной GORE®Cover — это эффективный способ переработки осадка сточных вод (ОСВ) в зрелый компост. Конечный продукт соответствует всем необходимым стандартам для использования в качестве органического удобрения или улучшителя почвы. Вот основные параметры, которые подтверждают его качество:
- pH: 7.1–7.7 (нейтральная среда, подходящая для растений).
- Электропроводность (EC): менее 4 мС/см (безопасный уровень для растений).
- Соотношение C/N: менее 10 (показатель зрелости компоста).
- Соотношение NH₄⁺/NO₃⁻: менее 0.16 (указывает на завершение процесса компостирования).
- Емкость катионного обмена (CEC): более 60 смоль/кг (способность удерживать питательные вещества).
- Органическое вещество (OM): 33.3–55.4% (оптимальное содержание для удобрения).
Преимущества новой технологии:
- Два пика термофильной температуры: это ускоряет разложение органики и уничтожение патогенов.
- Быстрый нагрев и длительная термофильная фаза: процесс идет эффективнее, чем при традиционном компостировании.
- Сокращение времени: зрелый компост получается всего за 49 дней, тогда как обычные методы требуют 105–180 дней.
Ключевые слова: компостирование, мембрана GORE®, осадок сточных вод, компост.
Источник: Журнал "Инженерные исследования в области охраны окружающей среды"
Том 25, Выпуск 3 / Страницы 299-308 / 2020 г
Журнал «Environmental Engineering Research» (EER) выходит раз в два месяца и издаётся Корейским обществом инженеров-экологов (KSEE). Журнал EER охватывает широкий спектр научных и технологических вопросов, связанных с управлением воздухом, почвой и водой, уделяя особое внимание научным и инженерным решениям экологических проблем, возникающих в процессе индустриализации и урбанизации.