Восстановление осадка сточных вод через компостирование. Исследования на очистных сооружениях в Румынии.

Наш мир сегодня сталкивается с нарастающим спросом на продовольствие, но одновременно испытывает удары климатических изменений, которые угрожают нашей цепочке поставок. Поднимающиеся температуры почвы, иссушающие землю засухи — всё это знаки времени, напоминающие нам о хрупкости природы. Наши земли уже давно утратили свою силу: изнурённые постоянными циклами посева и сбора урожая, лишённые возможности отдохнуть благодаря исчезновению снежных зим, они больше не способны поддерживать прежнюю плодородность. Это тревожное состояние требует от нас глубоких перемен, особенно в управлении почвенными ресурсами.

Первым шагом должно стать восстановление здоровья почвы, чтобы она могла удовлетворить возрастающую потребность человечества в пище. Природа предлагает свои собственные пути решения проблемы: переработка органических отходов, производимых человеком, может вернуть почве её утраченное богатство. Создавая компост, мы способствуем восстановлению природного баланса, не прибегая к исчерпанию природных ресурсов или использованию вредных химикатов. Этот подход становится частью стратегии био-циркулярной экономики, успешно реализуемой в Европе, где органика возвращается в почву, замыкая круговорот веществ.

Одним из ключевых методов обращения с органическими отходами в странах Европейского Союза является компостирование. Оно играет центральную роль в переходе к циркулярной экономике, где отходы становятся ресурсом. Полученный компост, используемый в сельском хозяйстве как удобрение или улучшитель почвы, должен соответствовать высоким стандартам качества, чтобы обеспечить полноценное завершение цикла переработки.

Настоящее исследование посвящено изучению потенциала компостирования путём смешивания зелёных отходов с осадком сточных вод. Экспериментально было получено 75 кубометров компоста из 200 кубометров биоотходов, смешанных в соотношении 1:2 (осадок: зелёные отходы). Однако, учитывая недостаток чётких стандартов и процедур для получения и проверки высококачественной продукции, соответствующей требованиям сельского хозяйства в Румынии (в частности, Закона 181/2020), качество полученного компоста оценивали, ориентируясь на физические и химические параметры, установленные в нормативных актах различных стран Евросоюза.

1. Введение

Примерно 35% всех муниципальных отходов, производимых в Европейском Союзе, относятся к категории биоотходов — важного ресурса с огромным потенциалом как материального, так и энергетического восстановления. Чтобы этот потенциал был раскрыт, необходимо организовать тщательный раздельный сбор мусора. Однако внедрение такой системы требует значительных усилий и времени. Именно поэтому для интеграции стратегий обращения с биоотходами в общую политику управления отходами и циркулярной экономикой необходим комплексный подход на государственном уровне.

Директивы Евросоюза по обращению с отходами, а также последовавшие обновления и поправки вводят новые требования к раздельному сбору биоотходов. Согласно новым правилам, все страны-члены ЕС обязаны к 31 декабря 2023 года организовать отдельный сбор биоотходов или утилизировать их непосредственно на местах, например, через компостирование. С 1 января 2027 года компосты, получаемые из смешанного муниципального мусора, больше не будут засчитываться в достижение целей по переработке отходов. Эти меры принесут плоды лишь в случае правильной переработки собранных биоматериалов. Следовательно, предприятия по обработке отходов должны быть спроектированы с учетом объемов поступающих биоотходов и действующей системы раздельного сбора.

В Румынии пока только начинают внедрять систему раздельного сбора биоразлагаемых отходов на местах. Новые законодательные инициативы обязывают как физических, так и юридических лиц существенно снизить объемы мусорных потоков, разделив биоразлагаемые материалы от перерабатываемого сырья и смешанных отходов. В каждом округе страны доля органических отходов составляет от 45% до 65% всего мусора, и большая часть из них попадает на полигоны, где образуется метан — газ, который в 20 раз токсичнее углекислого газа. В условиях глобальной борьбы с изменением климата и необходимостью сокращения вредных выбросов эти меры становятся критически важными для устойчивого будущего.

Операторы муниципальных служб активно разрабатывают современные технологии для обработки осадка, остающегося после фильтрации стоков, стремясь найти экологически чистые и эффективные методы утилизации. Одновременно на полигонах внедряются системы переработки органических материалов, позволяющие использовать их в производстве удобрений или выработке энергии. В муниципалитете Кэлэрашь решили объединить оба направления, восстановив органику через процесс компостирования. В эксперименте использовались осадки местных очистных сооружений и зелёные отходы, собранные коммунальщиками. Результаты испытаний на мобильной установке с полупроницаемой мембраной и принудительным аэрированием демонстрируют значительный прогресс в деле восстановления ресурсов.

2. Материалы и методы.

2.1 Экспериментальная установка: система компостирования.

В ходе экспериментальной деятельности использовалось следующее оборудование:

Измельчитель. Ветви измельчались до размера от 5 до 15 см. Измельченные ветви необходимы в процессе компостирования. Они создают пространство в массе смеси зеленых отходов и осадка очистных сооружений, необходимое для проникновения воздуха во всю массу отходов, подлежащих компостированию (рис. 1).

Рис. 1. Измельчитель для зеленых отходов

Погрузчик ковшовый. Он использовался для загрузки бункера измельчителя, а также для смешивания измельченных зеленых отходов и осадка. Позже он транспортировал смесь органических отходов на площадку для компостирования (рис. 2).

Рис. 2. Погрузчик ковшовый

Система компостирования состоит из SCADA-системы, компьютера, датчиков температуры, кислорода и давления, системы вентиляции, полупроницаемой мембраны, перфорированных труб и генератора (рис. 3 и рис. 4). Эта система компостирования используется для общего количества биоотходов объемом 200 кубических метров. В зависимости от рецептов и типов смесей биоотходов эта мобильная установка может обеспечить от 60 до 90 кубических метров компоста. Остальной материал будет использоваться в следующей партии биоотходов в качестве структурного материала для превращения в компост.

Рис. 3. SCADA-система, вентилятор и соединения

Рис. 4. Полупроницаемая мембрана и автоматически управляемая система принудительной аэрации

Сепаратор. В конце процесса компостирования, соответственно, завершения фазы 2 компостирования, используется сепаратор с размером ячеек 2 см (рис. 5). Материал, имеющий диаметр менее 2 см, был помещен в кучу и оставлен для дозревания. Образец был взят из этого материала и отправлен на тестирование. Материал крупнее 2 см использовался в качестве структурного материала для новой партии органических отходов, подлежащих компостированию.

Рис. 5. Просеивание компостированного материала

2.2 Проведение эксперимента.

Описание фаз процесса компостирования.

В процессе компостирования органические вещества претерпевают преобразования, которые представлены двумя последовательными фазами: разложение и созревание. Мобильная установка для компостирования, оснащённая полупроницаемой мембраной GORE Cover и системой принудительной аэрации, представляет собой высокотехнологичное решение для переработки органических отходов, основанное на передовых научных достижениях в области компостирования. Под защитным куполом мембраны процесс трансформации органического материала протекает в течение 42 дней, включая две фазы интенсивного компостирования. Первая фаза длится 28 дней, вторая фаза - 14 дней.

Мобильное устройство оснащено тентом с полупроницаемой мембраной GORE Cover, системой принудительной аэрации (вентилятор, перфорированные полиэтиленовые трубы высокой плотности, гибкие шланги и соединительные элементы) и системой диспетчерского управления и сбора данных (SCADA), предназначенной для мониторинга и регулирования температурных показателей и уровня кислорода в компостируемой массе органических отходов (включая персональный компьютер с лицензированным программным обеспечением). Мобильное устройство подключается к электрической сети (380 В, 50 Гц, 16 А) и снабжено каналом передачи данных (предоставленным оператором мобильной связи). С противоположной стороны блока управления и аэрации предусмотрена зона маневрирования, позволяющая извлекать аэрационные трубопроводы из компостной массы посредством фронтального погрузчика.

Система требует лишь контроля через дистанционное ПО во время работы, а для монтажа или демонтажа мембраны нужны два человека.

Исходный материал.

Органическое сырье, использованное в данном случае, представляло собой осадок городских очистных сооружений и зеленые отходы, собранные с зеленых зон города, как показано на рис. 6 и рис. 7, в соотношении 1:2, осадок: зеленые отходы. Зеленые отходы были измельчены с помощью измельчителя. Размер древесной щепы составляет около 5-10 см или меньше. Зеленые отходы были выбраны так, чтобы они были биологически активными и не содержали почвы, обугленной древесины или химически обработанной древесины. Для получения необходимого сырья, согласно руководства по эксплуатации мембраны Gore, был необходим этап предварительной обработки, на котором соответствующие количества каждого ингредиента должны были быть измельчены и смешаны перед входом в процесс компостирования.

Рис. 6. Осадок очистных сооружений

Рис. 7. Зеленые отходы, собранные из парков и садов

Смесь, использованная в процессе компостирования, была должным образом подготовлена для компостирования в мобильной установке. Контролируемые параметры сырья на входе были следующие: начальное соотношение углерода/азота (C:N) 25-35:1; содержание влаги 55% - 65%; оптимальная пористость для равномерного распределения воздуха и насыпная плотность после предварительной обработки приблизительно 0,65 т/м³. Мобильная система компостирования была установлена (позиционирование SCADA-системы, позиционирование труб и т.д.) в соответствии с рис. 3.

После приготовления смеси она была транспортирована и размещена в виде призмы над аэрационными трубами. Предварительно был запущен вентилятор, подключенный к трубам. После завершения укладки она была полита водой для достижения оптимального содержания влаги для процесса компостирования, которое измерялось влагомером. Затем полупроницаемой мембраной были накрыты органические отходы в смеси, и система была подключена к SCADA-программному обеспечению. Таким образом, фаза 1 компостирования, называемая разложением, была запущена на 4 недели (рис. 8).

Рис. 8. Схематическая диаграмма правильно аэрируемых областей (положительная аэрация)

На рис. 8 показано, как содержание влаги поддерживается за счет рециркуляции под мембраной GORE Cover. Тепло внутри кучи испаряет воду, которая мигрирует через кучу к верхним слоям, пока не достигнет нижней части мембраны. Когда она достигает мембраны, она падает обратно в кучу из-за конденсации. Таким образом, содержание влаги незначительно уменьшается в течение 4 недель интенсивного разложения органических отходов, что ожидаемо и находится в оптимальных параметрах, согласно руководству по эксплуатации мобильной установки для компостирования.

Мембрана была удалена через 28 дней, и трубы были извлечены и переставлены рядом с первоначальной кучей с помощью погрузчика. На рис. 9 показаны колонии грибов, развившиеся в результате процесса разложения зеленых отходов. Материал из фазы 1 был перемещен погрузчиком и уложен над переставленными аэрационными трубами (рис. 10). Этот промежуточный этап в процессе компостирования необходим для облегчения охлаждения субстрата и поддержания уровня кислорода на необходимых значениях или даже выше для активности аэробных микроорганизмов. Оптимальный диапазон уровня кислорода составляет от 5% до 15%.

Рис. 9. Развитие колоний грибов в фазе 1 компостирования

Рис. 10. Перемещение кучи после первых 28 дней

Фаза 2, продолжительностью 14 дней, началась с повторного покрытия вновь образованной кучи полупроницаемой мембраной и запуска SCADA-программного обеспечения. В конце фазы 2 мембрана была удалена, и смесь была перемещена на свободную площадку для созревания еще на 14 дней. После периода созревания она была просеяна с помощью мобильного сита. Сито имеет отверстия размером 2 см. Образец был взят из фракции менее 2 см для тестирования качества компоста. Фракция крупнее 2 см была удалена для повторного использования в качестве структурного материала в новом процессе компостирования. Весь процесс компостирования был выполнен с использованием мобильной установки для компостирования с полупроницаемоймембраной и принудительной аэрацией.

После завершения фазы 2 компостирования непросеянный компост имеет вид цветочной земли, но с размерами частиц от 0,1 см до 6 см. На рис. 11 и рис. 12 представлен зрелый компост с размерами частиц от 0,1 до 2 см, полученный путем просеивания. Просеивание проводилось с использованием мобильного сепаратора.

Рис. 11. Непросеянный компост, полученный после 56 дней обработки

Рис. 12. Просеянный компост, полученный после 56 дней обработки

Сепаратор загружался фронтальным погрузчиком через бункер - рис. 13. Конвейерная лента, связанная с бункером, передавала содержимое в барабанный грохот. Барабан сортировщика приводился в движение гидравлическим двигателем и был закреплен на подшипниках (они рассчитаны на работу в очень тяжелых условиях). Движение передавалось через прочную цепь передачи. Скорость конвейерной ленты, связанной с загрузочным бункером, могла регулироваться в пределах желаемых значений с учетом скорости загрузки. Система защиты машины срабатывала в случае отклонения рабочих параметров, останавливая дизельный двигатель. Сито, использованное в этом эксперименте, имело размер ячеек 20 мм. В процессе просеивания оно очищалось вращающейся щеткой, которая была расположена по всей длине барабанного грохота. 

Рис. 13. Мобильный сепаратор барабанного типа

3. Результаты и обсуждение

После завершения процесса компостирования образцы были отправлены в независимую лабораторию оператором, хотя на данный момент на законодательном уровне технические нормы, касающиеся лабораторных анализов, которые должны быть проведены для подтверждения достижения качественного компоста, не опубликованы. Для определения качества компоста в качестве эталона использовалось австрийское законодательство о компосте (самое передовое в этой области в Европе). Согласно проведенным анализам, определенные параметры представлены в следующих таблицах:

Таблица 1

Таблица 2

Сравнение концентраций тяжелых металлов в исходном материале и в компосте со значениями из действующих нормативов

Пределы тяжелых металлов для использования осадка в сельском хозяйстве

 Таблица 3

Микробиологические параметры

Результаты анализа для определения питательных элементов

Таблица 4

Физические параметры компоста

• Эти параметры, в соответствии с правилами качества, должны быть объявлены обязательными или необязательными и должны быть указаны на этикетке продукта.

Учитывая результаты тестов из аккредитованной лаборатории для химических и физических параметров, включенных в Таблицу 1, образцы компоста, которые были проанализированы, соответствуют критериям, установленным Приказом 344/2004, который является Техническими нормами по использованию осадка в сельском хозяйстве. Четко указано, что только обработанный осадок может быть использован на почвах, где выращиваются растения для потребления человеком. Более того, уровни концентраций металлов, обнаруженные в полученном компосте, были ниже пределов, предусмотренных в специфическом законодательстве некоторых стран ЕС (см. Таблицу 2).

Относительно соотношения C:N в начальной смеси (24,66), оно было немного ниже оптимального, рекомендованного (согласно данным из литературы, оно должно быть между 25 и 30). Это значение можно объяснить немного более высоким содержанием древесной щепы в начальной смеси, что могло снизить соотношение C:N. Что касается содержания основных питательных веществ: азота (N), пятиокиси фосфора (P₂O₅) или окиси калия (K₂O), сумма концентраций соответствующих питательных веществ составляет примерно 5% массы (1,27% общего N; 1,75% P₂O₅; 2,06% K₂O). Также было отмечено, что электропроводность имеет тенденцию к увеличению, что является преимуществом, поскольку электропроводность указывает на доступность питательных веществ.

Учитывая ограничения, налагаемые извлеченным законодательством, которое мы изложили выше, мы отметили, что пределы для тяжелых металлов, присутствующих в компосте, ниже тех, которые налагаются как Приказом 344/2004, так и Директивой Совета 86/1986, как для осадка, так и для почвы, на которую может быть нанесен переработанный осадок. Полученный материал обеззаражен. Salmonella не присутствовала ни в одной из фаз процесса, а Escherichia coli и энтерококки (фекальные стрептококки) были обнаружены на низком уровне в образцах, взятых из начальной смеси и в финальной фазе. Это также удовлетворяет строгости, налагаемой регламентом удобрений 1009/2019.

Согласно измерениям на месте, из 200 кубических метров биоотходов было получено 75 кубических метров компоста. На национальном уровне в Румынии производится более 100 000 тонн осадка в год. Действующее законодательство разрешает осадку быть размещенным на свалках, что создает ряд важных недостатков, таких как более быстрое заполнение свалок, образование углекислого газа из-за ферментации на открытом воздухе, неприятные запахи, воздействие на население и т.д. Используя метод компостирования для снижения воздействия осадка, производимого на очистных сооружениях, можно получить минимум 30% до 60% компоста от общего количества осадка на национальном уровне.

4. Выводы

Текущее экспериментальное исследование показало, что компост может быть получен из зеленых отходов, смешанных с осадком очистных сооружений, в течение 365 дней в году. После 56 дней обработки компост имеет землистый и приятный запах, похожий на свежевыкопанную почву. Полученные результаты показали, что после 56-дневной обработки из органической смеси древесной щепы и осадка сточных вод был получен восстанавливаемый продукт (компост), который может быть использован в качестве органического удобрения на различных земельных участках, таких как зеленые зоны, рекреационные зоны, обочины дорог, материал для заполнения, покрытие свалок и т.д.

Осадок — это не отходы; осадок — это ресурс, который можно использовать для производства компоста, но он должен соответствовать определенным требованиям, чтобы защитить как здоровье человека, так и окружающую среду. Таким образом, количество производимых отходов может быть сокращено за счет использования промышленной установки для компостирования, превращая их в компост, органическое удобрение, которое необходимо для улучшения качества почвы. В то же время важно помнить, что при использовании компоста, произведенного из осадка, необходимо учитывать питательные потребности растений.

Статья опубликована в научном журнале, выпускаемом Университетом POLITEHNICA в Бухаресте (Румыния), серия B, том 86, выпуск 2 за 2024 год.

Авторы:

Кристина Сорику-Феодоров, аспирант, Факультет биотехнических систем, Национальный университет науки и технологий POLITEHNICA Бухарест, Румыния, и INOVECO S.R.L., Волунтари, Румыния.

Тибериу Апостол, профессор, Факультет энергетической инженерии, Национальный университет науки и технологий POLITEHNICA Бухарест, Румыния.

Алина Думитреску, аспирант, Факультет биотехнических систем, Национальный университет науки и технологий POLITEHNICA Бухарест, Румыния, и INOVECO S.R.L., Волунтари, Румыния.

Диана Мариана Кокарцэ, профессор, Факультет энергетической инженерии, Национальный университет науки и технологий POLITEHNICA Бухарест, и Академия румынских ученых, Бухарест, Румыния.

Ключевые слова: осадок сточных вод, органические отходы, компост, биоотходы, мембрана GORE Cover