ГОДИШНИК НА ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ – ВАРНА, 2007 г.
ОБЗОР НА ВЪЗМОЖНОСТИТЕ И КЛАСИФИКАЦИЯ НА СЪЩЕСТВУВАЩИТЕ ТЕХНОЛОГИИ ЗА КОМПОСТИРАНЕ НА БИОРАЗГРАДИМИ ОТПАДЪЦИ
Антон Янков Антонов*
*Технически университет – Варна, 9010 Варна, България, ул. “Студентка” № 1
Резюме. Изследвани са съществуващите технологии за компостиране на биоразградими отпадъци в страните от Европейския съюз. Направен е сравнителен анализ на технологиите от гледна точка на тяхната ефективност и възможност за бърза доставка и експлоатация в условията на малки и средни населени места в земеделски и животновъдни райони. Изведени са обобщаващи заключения.
Ключови думи: технологии, компостиране, биоразградими отпадъци
ВЪВЕДЕНИЕ
Процесът на компостиране понастоящем се ползва с голям интерес от различни гледни точки:
-
От екологична гледна точка: при трансформиране на биомасите, които
произхождат от естествения урбанистичен цикъл на формиране на различни отпадъци - растително-хранителни, земеделски и зоотехнически, както и от утайките, останали след пречистването на градските отпадъчни води, в материали, полезни за наторяване на земеделски терени, тъй като вече не са фитотоксични, а също така са носители на хранител
ни вещества и могат да служат за подобряване структурните характеристики на почвата [ 1].
-
От санитарно-хигиенна гледна точка: при този процес органичната материя се дезинфекцира благодарение на високите температури, които се достигат [ 1, 6].
-
От енергийна гледна точка: тъй като процесът се самоподдържа енер
гийно, благодарение на енергията, отделяна при разкъсването на химичните връзки, характеризиращи сложните молекули на органичната материя [1,12, 16].
-
Компоненти на технологията за компостиране.
1.1. Органични материали от чисто техническа гледна точка. Органичните материали, които могат да се съчетават при компостирането, трябва да притежават такива биохимични характеристики, които да гарантират едно непрекъснато протичане на процеса; и по-специално трябва да съдържат достатъчно количество лесно разпадащи се съставки, за да могат да осигуряват храненето на микроорганизмите, реализиращи процеса.
Един добър материал за целите на компостирането се характеризира с повишена биологична активност, която се дефинира посредством показателите на дишане, за които ще бъде споменато по-нататък. Органичните материали, които могат да бъдат използвани за производството на качествен компост, са регламентирани с министерската наредба от 5.II.1998 г. за областта Венето, от DGRV 766 и се свеждат до видовете и съответстващия им произход, посочени в табл. 1.
Табл. 1. - Органични компоапируеми материали [1, 17]
ОРГАНИЧНА МАТЕРИЯ
|
ПРОИЗХОД
|
ферментираща фракция БО
|
- избирателно
|
растителни отпадъци
култури
|
- отглеждане и беритба на растителни
- обработка на земеделски продукти
- поддържане на озеленяването за
украса - отпадъци от подкастряне, трева
- пазарни отпадъци - търговски
|
сечене и рязане с трион, трески, кора отпадъци от неимпегнирано дърво
|
- горска дейност и необработено дърво
- амбалаж
|
обрезки и отпадъци от лен,
памук, юта и коноп
|
- текстилна дейност
|
обрезки и отпадъци от
вълна и коприна
|
- текстилна дейност
|
животински изпражнения,
тор и сламени постелки
за добитъка
|
- зоотехническа дейност
|
субпродукти от клане на
животни
|
- кланици
|
утайки от пречистване на води
|
- хранителна промишленост (месо, риба, плодове, зеленчуци, напитки
- градски пречиствателни станции
- хартиена индустрия
- зоотехническа дейност и
земеделска индустрия
| -
Микроорганизми и агенти на процеса. Различните микроорганизми проявяват своята активност при определени Термични условия и тя се влияе много силно от температурите на процеса, така че да могат да бъдат класифицирани като психрофилни, мезофилни и термофилни .
Табл. 2 - Класификация на микроорганизмите в зависимост от топлинни режим [1]
температура ос
психрофилни микроорганизми 0 < t < 30
мезофилни микроорганизми 30 < t < 45 термофилни микроорганизми 45 < t < 50
По време на компостирането при промяна на температурата на процеса се изменят активните микробни популации в първите фази, при които се наблюдава бърз метаболизъм на въглеродните съединения, които са с най-прост елементарен състав (монозахариди, липиди и пептиди), в началото в процеса участват психрофилните и мезофилните микроорганизми.
С повишаване на температурата вследствие на активния метаболитен процес последователно се извършва много силна селекция между популациите в полза на термофилните видове бактерии, чиято оптимална област на действие се намира между 50 – 60 o С [1,5, 14, 15]. Ако температурата се покачи над 80-90 оС се вижда, че по-голямата част от микроорганизмите умират с изключение на някои ултратермофилни видове бактерии, които се намират в органичната материя под формата на спори (структури, издръжливи на температурата). И все пак подобни условия предизвикват прогресивно намаляване на микробната активност до прекратяване на последната [3, 14, 15].
При последвало спадане на температурата, това води до реактивация на споровите микроорганизми, като се започне от термофилните, минавайки след това през мезофилните и психрофилните по хронологичен ред [1].
Между различните микроорганизми, участващи в процесите на компостиране, трябва да се направи следното разграничение:
-
аеробни микроорганизми
-
анаеробни микроорганизми
Аеробните микроорганизми се нуждаят от кислород за своя метаболизъм;
Анаеробните микроорганизми са активни в среда, лишена от кислород. Компостирането по дефиниция е един аеробен процес - би трябвало, следователно да се характеризира с присъствието само на аеробни микроорганизми. Въпреки това дори и при оптимални условия в натрупания на купове материал действат също и анаеробни популации, които произвеждат газообразни съединения като метан, маслена киселина и други мастни киселини с характерна неприятна миризма. Важното е тази дейност да се контролира, защото ако анаеробните процеси надделеят, ще бъде произведен компост с недостатъчно високо качество [1]. Една друга класификация на микроорганизмите, които действат по време на процеса на компостиране, може да бъде направена според биохимична им функция (табл. 3).
Табл. 3 - Микроорганизми, които са активни при различните трансформации от циклите на въглерода, азота и сярата [1, 17]
-
ЦИКЪЛ НА ВЪГЛЕРОДА
|
АКТИВНИ МИКРООРГАНИЗМИ
|
функция:
|
амидолитична
пектинолитична
хемицелулозолитична
целулозолитична
лигнинолитична
хитинолитична
|
бактерии, актиномицети, гъбички
бактерии, актиномицети, гъбички
бактерии, актиномицети, гъбички
актиномицети, гъби
гъби, актиномицети
актиномицети, гъби
|
ЦИКЪЛ НА АЗОТА
|
|
функция:
|
свързване на свободния азот
протеолитична
амонизираща
нитрифицираща
денитрифицираща
|
бактерии
бактерии
бактерии
бактерии
бактерии
|
ЦИКЪЛ НА СЯРАТА
|
|
функция:
|
минерализация на сярата
|
бактерии
|
Бактериите са най-малките живи организми, които са познати: те са предимно едноклетъчни (коки, бацили, вибриони), но съществуват и мно-гоклетъчни (диплококи, стрептококи, стафилококи, стрептобацили). Те присъстват винаги в биомасите и се различават по количеството и по вида на активността си. Наблюдават се най-малко 1000 различни вида и се отличават със силна способност за растеж в помещения с повишена влажност и особено в присъствието на материи, които лесно се разграждат. Имат широк спектър на активност и способност да проявяват действието си в широк диапазон на рН, макар че се приспособяват трудно към кисели рН [1, 3, 5, 14, 15].
Освен чрез работната среда, която ги определя като аеробни и анаеробни, бактериите се делят още на:
- хетеротрофни бактерии
- автотрофни бактерии
Първите, които имат явно преобладаващо действие при компостирането, използват като източник на въглерод изключително органичен въглерод, докато вторите като източник на въглерод ползват минерален такъв (въглероден диоксид и карбонати), a като източник на азот - амоняка, нитритите, нитратите и свободния азот.[1]
Гъбичките присъстват почти навсякъде в природата и в частност представляват агенти на разграждането на органичната материя в почвата, особено в кисели условия. Метаболично се асимилират от хетеротрофните бактерии: в действителност използват едни и същи субстрати, поради което често се намират в конкуренция с тях и могат да разградят един твърд субстрат посредством отделяне на извънклетъчни хидролитични ензими. За разлика от бактериите гъбичките могат да живеят и в среда с ниска влажност и могат да се развиват и върху сухи субстрати, използвайки влажността на атмосферата. В сравнение с бактериите гъбичките имат предимството да се отличават с високи стойности на съотношението C/N, жизнено способни са в широки граници на рН, като са активни при 2 < рН < 9 и имат често по-ниски изисквания по отношение на азота от бактериите Гъбичките могат да бъдат разделени на:
- плесенни
- квасни
Плесенните се отличават с аеробен метаболизъм и са склонни да образуват нишковидни структури. Играят важна роля в крайните фази на процеса с окисляването на материалите, богати на лигнин . Квасните гъбички, предимно едноклетъчни, имат както аеробен, така и анаеробен метаболизъм и играят важна роля при хумифицирането[1, 5, 14, 15].
Табл. 4 –Кратка класификация на гъбите, свързани с процеса компостиране [1, 17]
-
ФАМИЛИЯ
|
|
ВИД
|
Siphomycetes
|
Myxomycetes
Myxomycetales, Acrasiales
|
Mixococcus
(субстрати в процес на разграждане)
|
Eumycetes
(Septomycetes)
|
Zygomycetes
|
Mucor, Rizhopus (плесени,
присъстващи във всички субстрати преди компостирането: разграждат амиди, целулоза)
|
Ascomycetes
|
Protoacomycetes
|
Candida, Torula, Lipomyces Cryptococcus (квасни гъбички във вид на спори, полезни при хумификацията)
|
Basidiomycetes
|
Euascomycetes
|
Penicillum, Aspergillum, Sclerotinia, Bothritys, Fusarium (плесени, 30 000 вида)
Coprinus (гъба върху компост)
|
Актиномицетите, които вземат участие в процеса на компостиране, са аеробни и термофилни. Те се асимилират от гъбичките и от бактериите. Ако условията в помещението не са благоприятни за оцеляване, не се наблюдава полово размножение, а се образуват спори. Те са хетеротрофни микроорганизми: използват предимно органичен азот (някои Mycobacterium са способни да свързват свободен азот); като източник на въглерод използват този от органичните вещества и по-специално целулозата и лигнина. Като източник на енергия използват тази, освободена от разкъсването по биохимичен път на химичните връзки.
Табл. 5 –Кратка класификация на aктиномицетите, свързани с процеса компостиране [1,17]
-
ФАМИЛИЯ
|
ВИД
|
Mycobacteriacees
|
Mycobacterium
(туберкулозен патогенен)
|
Actinomycetacees
Streptomycetacees
|
Nocardia, Pseudonocardia
Streptomyces
(най-разпространеният вид в почвата)
Micromonospora (в торовете)
Thermonospora, Thermopolispora,
Thermoactinomyces (термофилни)
|
По-голямата част от тях живеят в почвата, като и предават типичен мирис на земя. Актиномицетите нападат органичното вещество, което не е разградено от бактерии и гъбички, като например хитина; те са неутрофили, но понасят леко основни рН. Действат по време на крайната фаза на процеса при условия, които са трудни за гъбички и бактерии, и стават видими и забележими при купове в статично състояние под формата на прах или нишки с цвят от сивобял до светлозелен. Ако компостът е обръщан по механичен начин, подобни обширни колонии не могат да се видят или са крайно ограничени [1, 5, 11, 14, 15].
Други агенти: Водорасли, цианофити, Протозои, ензими,
2. Схема на технологията за компостиране. По време на процеса на компостиране се използват различни типове машини апарати, които се въвеждат предимно в трите фази на работата:
- подготовка на материала;
- насищане на сместа с кислород посредством разбъркване;
- пресяване на продукта.[1]
Фиг. 1 - Блокова схема на процеса на компостиране[1]
3. Фази на процеса компостиране. Промените, които претърпява органичната маса по време на процеса на компостиране, могат да бъдат сведени до две последователни фази:
1. Разлагане или ферментация (разграждане)
2. Зреене
Фиг. 2 - Фази на процеса на компостиране[1]
Първата фаза е чисто термофилна, тя е известна и като фаза, протичаща с висока скорост и може да трае от няколко седмици до месец. Продължителността зависи от характеристиките на субстрата и от техниката на компостиране. Нарастването на температурата е доста чувствително през първите 12 – 48 часа след оформянето на купа, тя се повишава бързо до 55 -60 оС. Ако топлината не бъде разпределена равномерно или отделена по подходящ начин, температурите могат да се повишат толкова, че да доведат до понижаване на активността на по-голямата част от микроорганизмите. Термофилната фаза предизвиква унищожаване на семената на някои вредни растения, попаднали в началната маса. Първата фаза на процеса завършва с края на термофилната ферментация и има ограничена продължителност във времето.[1,14]
Втората фаза на процеса, посочена като фаза на зреене, се характеризира с продължителен мезофилен процес. Тя продължава до няколко месеца. [1].
Основната цел на процеса на компостиране е да бъде получен стабилизиран продукт, като с този термин се обозначава или достигането на биологично узряване (забавяне на биологичната активност върху органичната материя), или достигането на агрономичната зрялост (липса на фитотоксичност за растенията).В действителност и след края на процеса, т. е. след втората фаза компостът не е напълно стабилен, тъй като биологичните явления продължават, макар и със слабо влияние върху качеството на продукта [1].
4. ИЗВОДИ И ЗАКЛЮЧЕНИЯ
4.1. Микроорганизмите играят основна роля при разлагането на органичната материя и съществува правопропорционална зависимост между тяхната активност и развитието във времето на процеса на компостиране. Развитието и скоростта на процеса са силно зависими от факторите, които влияят върху оптималните условия за живот на микроорганизмите, които действат през време на различните фази на процеса.
Нормално се контролират параметрите, които имат връзка с нормалния (точния) ход на процеса като кислород, влажност и температура, но има и други параметри, които влияят на условията за живот на микроорганизмите, в частност:
-
порьозността на субстрата;
-
влажността на материала;
-
присъствието на кислород;
-
температурата;
-
зависимостта C/N и наличието на хранителни вещества;
-
стойността на рН;
-
присъствието на вещества, задържащи процесите на превръщане.
Следователно развитието във времето на един процес на компостиране зависи не само от коректното подбиране на органичната биомаса, но така също и от поддържането на оптимални условия за процеса. Един коректен мониторинг на куповете натрупан материал, особено в началните моменти, е безусловно необходим, за да могат да бъдат открити евентуални аномалии при протичането на процеса[1].
4.2. Компостирането е важен биологичен процес. Компостът оказва положително влияние върху физичните и химичните характеристики на почвата. Предоставя й ценни органични вещества и влияе върху влагозадържането. Компостът променя и стабилизира рН на почвата, полезен е за почвените микроорганизми и подтиска болестите по много растения.
Най-оптималната температура за бързото и качествено получаване на компост е 50 – 60 оС. При повишаване на температурата над 80 – 90 оС, по-голямата част от организмите измират или преустановяват своята дейност. Ако намалее количеството на кислорода в компоста и анаеробните процеси надделеят, ще бъде произведен компост с по-ниско качество, който няма да бъде подходящ за използване в земеделието.
4.3. Настоящия обзор и класификация могат да послужат като база за разработване на проекти за въвеждане на компостирането в малките и средни общини в България.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Медарева М. – превод от италиански, Технология на компостирането, Издателство “Книжен тигър”, София, pp. 7-22.
[2] Blake J.P., Donald J.O. (1992). Alternatives for the disposal of poultry
carcasses. Poultry Science, Vol. 71, n. 7, pp. 1130-1135.
[3] Blanc M., Marilley L., Beffa T., Aragno M. (1999). Thermophilic bacterial communities in hot composts as revealed by most probable number counts and molecular (16SrDNA) methods. FEMS Microbiology Ecology, Vol. 28, n. 2, pp. 141-149.
[4] Conrad P. (1994). Expanding markets for composted products. Biocycle, Vol. 35, n. 11, pp 63-65.
[5] Corlay Chee L., Ferrera - Cerrato R., Etchevers Barra J.D., Echegaray Aleman A., Santizo Rincon J.A. (1999). Cinetica de grupos microbianos en el proceso de produccion de composta у vermicomposta. Agro-Ciencia, Vol. 33, n. 4, pp. 375-380.
[6] Dumontet S., Dinel H., Baloda S B. (1999). Pathogen Reduction in Sew age Sludge by Composting and Other Biological Treatments: A Review Biological Agriculture & Horticulture, Vol. 16, n. 4, pp. 409-430.
[7] GoluckeC.G., Diaz L.F. (1996). Historical Review of Composting und Its Role in Municipal Waste Management. In The Science of Composting, a cura di M. de Bertoldi, P. Sequi, B. Lemnicns, T. Papi, pp. 3-14 Blackie Academic & Professional, UK.
[8] Guerra-Rodriguez E., Vazquez M., Diaz-Ravina M. (2000). Co-composting of Barley Wastes and Solid Poultry Manure. Bioresource Technology, Vol 75, no. 3, pp. 223-225.
[9] Haug R.T. (1980). Compost Engineering: principles and practise. Ann Arbor Science Publishers, Michigan, U.S.A.
[10] Lei Fei, VanderGheynst J.S. (1999). Assessment of microbial community structure changes during mixed and static-bed composting processes. ASAE/ CSAE-SCGR Annual International Meeting, Toronto, Ontario, Canada, 18-21 July, 1999, 15 pp.
[11] Logsdon G. (1993). Manure handling alternatives cut costs. Biocycle, Vol. 34, n. 7, pp. 52-54.
[12] Mahimairaja S., Bolan N.S., Hedley M.J. (1995). Agronomic effective-ness ot poultry manure composts. Commun-soil-sci-plant-anal. Vol. 26, n.11/12, pp. 1843-1861.
[13] Marconi M., Ferrari G. (1998) II compostaggio hobbistico, 90 pp.
Edagricole, Bologna.
[14] Maynard A.A (2000). Compost: the process and research. The Connecti-cut Agricultural Experiment Station, Bulletin n. 966, Luglio 2000, 14 pp.
[15] Schaik C. van, Murray H., Lamb J., Di-Giacomo J, (2000) Composting reduces fuel und labour costs on family farms. Biocycle. Vol, 41,n. 5 pp. 72-74
[16] Mustin M. Le compost. Edition Francoiss Dubush – Paris (1987).
Сподели с приятели: |