Biologicznemu przetwarzaniu mogą być poddawane odpady zielone i selek-tywnie zebrane bioodpady z gospodarstw domowych oraz frakcja biodegrado-walna uzyskana w wyniku mechanicznej obróbki zmieszanych odpadów komu-nalnych. W celu lepszego zrozumienia procesu biologicznego przetwarzania i współdziałania możliwych czynników, mających wpływ na przebieg procesów kompostowania lub stabilizacji, w niniejszym rozdziale przedstawiono teoretycz-ne podstawy wiedzy o tych procesach.
4.1. K
omposTowanie odpadówzielonychiseleKTywnie zebranychbioodpadówz gospodarsTwdomowychKompostowanie odpadów zielonych i bioodpadów wykorzystuje się w celu możliwie szybkiego i nieuciążliwego dla środowiska rozkładu substancji orga-nicznych i ich przekształcenie w substancje próchnicze. Dąży się przy tym do tego, aby w krótkim okresie intensywnego dojrzewania wyprodukować jakościo-wo wysokowartościowy produkt do najakościo-wożenia roślin. Uzyskany kompost może być wykorzystany jako próchnica, substancja odżywcza, polepszacz gleby lub jako część składowa substratów roślinnych i kultur gleby. Czas dojrzewania kom-postu zależy między innymi od oczekiwanych cech jakości końcowego produktu, takich jak np. stabilność struktury – ważna przy zazielenianiu nasypów i skarp, chłonność wody i odporność na podlewanie w przypadku zastosowania go jako ziemi doniczkowej [4].
4.2. b
iologiczneprzeTwarzanie fraKcji biodegradowalnej odpadówKomunalnychCelem biologicznego przetwarzania frakcji biodegradowalnej, uzyskanej w wyniku mechanicznej obróbki zmieszanych odpadów komunalnych, jest możli-wie szybka ich stabilizacja. Proces jest tak prowadzony, aby emisja zanieczyszczeń powstająca w wyniku rozkładu frakcji organicznej – odpowiedzialnej za emisję metanu na składowiskach – była nieuciążliwa dla środowiska, oraz by uzyskać nieuciążliwy zapachowo półprodukt. Biologiczne przetwarzanie powoduje reduk-cję ilości gazu cieplarnianego emitowanego ze składowisk i zanieczyszczonych od-cieków. Uzyskuje się również redukcję masy i objętości przetworzonych odpadów.
Po spełnieniu określonych prawem warunków, stabilizat uzyskany w procesie
bio-logicznego przetwarzania frakcji biodegradowalnej odpadów komunalnych może być deponowany na składowiskach odpadów lub częściowo (frakcja 0–20 mm) wykorzystany jako kompost nieodpowiadający wymaganiom do rekultywacji za-mkniętego składowiska jako dolna warstwa pokrywy rekultywacyjnej.
W zależności od potrzeb, w procesie biologicznego przetwarzania tego rodza-ju odpadów mogą być one również poddane procesowi biologicznego suszenia, a po nim skierowane do dalszej obróbki mechanicznej w celu uzyskania np. pali-wa alternatywnego do współspalania [19].
4.3. m
ożliwościoddziaływaniana przebiegprocesu inTensywnego biologicznegoprzeTwarzaniaProces biologicznego przetwarzania materiału, ze względu na kumulację wyj-ściowych substancji organicznych, niewystarczającej struktury oraz przyspiesze-nie procesu, wymaga technicznego wspomagania w celu umożliwienia tlenowe-go procesu przetwarzania lub jetlenowe-go optymalizacji.
Na optymalizację procesu tlenowej stabilizacji/kompostowania, zarówno w odniesieniu do wielkości emisji, jak i jakości produktu w przypadku bioodpa-dów, mają wpływ tylko cztery podstawowe sterowalne parametry [4]:
– stopień wymieszania i zawartość wody w materiale wejściowym, – sterowanie gospodarką wodną,
– zasilanie tlenem materiału podczas intensywnego procesu stabilizacji/kom-postowania lub dojrzewania,
– sterowanie temperaturą materiału podczas intensywnego procesu stabiliza-cji/kompostowania lub dojrzewania.
4.4. b
iologia procesuTlenowej sTabilizacji/
KomposTowaniaWażnym elementem optymalnego sterowania procesem jest wystarczające zrozumienie biologii procesu tlenowej stabilizacji/kompostowania. Znajomość stopniowo przebiegających procesów biochemicznych w czasie trwania biolo-gicznego rozkładu i przemiany substancji organicznych jest podstawą optymalne-go sposobu sterowania przebiegiem teoptymalne-go procesu.
Mikroorganizmy
W czasie procesu tlenowej stabilizacji/kompostowania zawarta w odpadach substancja organiczna służy mikroorganizmom pobierającym tlen jako źródło energii i substancji odżywczych. Przy czym część węgla pozostaje w substancji komórkowej mikroorganizmów (masa biologiczna), a pozostała część w postaci dwutlenku węgla (CO2) uwalnia się do atmosfery. Białko, węglowodany i tłuszcze ulegają hydrolizie. Produkty hydrolizy monosacharydy z węglowodanów, peptydy i aminokwasy z białek oraz związki fenolowe z aromatycznych części składowych ścianki komórki, przekształcają się częściowo w kwasy organiczne (kwas octowy, kwas masłowy, kwas walerianowy, kwas propionowy) i dwutlenek węgla.
W warunkach tlenowych dochodzi przy tym do znacznej redukcji węgla. W dal-szej części procesu powstaje białko, tworzy się również bezpośrednio CO2 i woda, a także w zależności od wartości pH i zawartości azotu powstaje amoniak lub amon. W późniejszej fazie stabilizacji/kompostowania, w warunkach wystarcza-jącej ilości tlenu oraz w odpowiednich temperaturach, amon utlenia się i poprzez azotyn przechodzi w azotan.
T a b e l a 2 Tlenowy rozkład biologiczny cukru oraz ilość energii [4]
Rozkład tlenowy w procesie stabilizacji/kompostowania
C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O
Uwalniająca się energia: – 2875 [kJ/mol]
Zapotrzebowanie na tlen
Zapotrzebowanie na tlen i rozdział tlenu w całej masie materiału w trakcie in-tensywnego kompostowania/stabilizacji i dojrzewania zależy od wielu czynników.
Najbardziej istotnymi są [4]:
– rodzaj biodegradowalnego odpadu – skład substancji organicznej, – aktualny stan rozkładu biologicznego,
– zawartość wody,
– objętość i stabilność porów przepuszczających powietrze,
– geometria kompostowanej lub dojrzewającej masy odpadów (np. kompo-stowanie w pryzmach).
Temperatura procesu – wymagania i sterowanie
Szybkość biologicznego rozkładu w czasie intensywnego kompostowania/
/stabilizacji zależy w dużym stopniu od dostępności drobnoustrojów w substancji wyjściowej. Substancje organiczne dzieli się na łatwo i trudno ulegające rozkła-dowi biologicznemu. W trakcie biologicznego rozkładu substancji organicznych przez mikroorganizmy dochodzi, zależnie od intensywności procesów rozkładu i objętości masy biologicznej, do podwyższenia temperatury w kompostowanym/
/stabilizowanym środowisku, jest to tak zwanego samoogrzanie.
W przypadku tlenowej stabilizacji/kompostowania odpadów biodegradowal-nych (względnie bioodpadów z grupy odpadów kuchenbiodegradowal-nych albo pozostałości z produkcji żywności) samoogrzanie jest pożądane z dwóch powodów [4]:
1) dochodzi do zmiany populacji mikroorganizmów i przez to do przyspieszo-nego rozkładu biologiczprzyspieszo-nego;
2) dochodzi obok efektów antybiotycznych (m.in. przez grzybowe produkty przemiany materii) także do termicznego unieszkodliwienia potencjalnych pato-gennych zarodków, przy czym przez określony czas na mikroflorę musi działać temperatura w zakresie co najmniej 55°C.
Rozróżnia się trzy zakresy temperatur, które są wymagane dla tego spektrum mikroorganizmów. Szczegóły przedstawiono w tabeli 3.
T a b e l a 3 Zakresy temperatury oraz fazy i rodzaje mikroorganizmów [4]
Zakres temperatury Temperatura [°C] Rodzaj mikroorganizmów Zakres psychrofilny od -4 do 20 bakterie i grzyby pleśniowe Zakres mezofilny od 15 do 45 bakterie i promieniowce
Zakres termofilny od 45 do 75 bakterie i mezofile do ciepłotolerancyjnych zarodników grzybów włącznie
Należy zwrócić uwagę, że od temperatury 75°C rozpoczyna się denaturyzacja białka, co powoduje zamieranie procesu biologicznego dojrzewania kompostu/
/stabilizatu.
Dla trzech istotnych wymagań w procesie tlenowej stabilizacji/kompostowa-nia, tj. higienizacji, rozkładu biologicznego masy organicznej i maksymalnej drob-noustrojowej różnorodności, w tabeli 4 przedstawiono optymalne poziomy tem-peratury.
T a b e l a 4 Wymagania procesowe i zakresy temperatury [4]
Wymaganie procesowe Temperatura [°C]
Higienizacja > 55
Stan rozkładu biologicznego; rozpoczynający się rozkład biologiczny
ligniny/humifikacja od 45 do 55
Drobnoustrojowa różnorodność oraz rozkład biologiczny
drobnoustrojowej masy, rozkład biologiczny ligniny/humifikacja od 35 do 40
Istotny wpływ na przyrost temperatury w procesie biologicznego przetwarza-nia mają takie czynniki, jak:
– podatność materiału organicznego na jego rozkład, – stosunek C/N,
– zawartość wody w materiale wejściowym, – napowietrzanie,
– przerzucanie.
Przerzucanie materiału powoduje, co prawda, jego krótkotrwałe ochłodzenie, ale za to podgrzewa proces stabilizacji/kompostowania w fazie termofilnej, a tak-że w czasie przechodzenia do fazy mezofilnej poprzez dostarczenie tlenu i tworze-nie nowych powierzchni, na których mogą się rozwijać drobnoustroje. W trakcie dojrzewania czas trwania i dynamika tego procesu jest ściśle związana z przekro-jem pryzmy. Niewielkie trójkątne pryzmy umożliwiają lepsze odprowadzenie cie-pła poprzez konwekcję (efekt kominowy), natomiast większe pryzmy trapezowe muszą być częściej przerzucane.
Sterowanie temperaturą można realizować stosując się do poniższych zasad [4]:
• Samoogrzanie, przy istnieniu w materiale wejściowym wystarczającej ilości reaktywnych organicznych homogenicznie wymieszanych frakcji, doprowadza do podniesienia temperatury powyżej 55°C. Taki poziom temperatury jest
wymaga-ny w procesie termicznej higienizacji wsadu. By zagwarantować efekt higienizacji (dla odpadów typu bio), należy zgodnie z ramowymi uwarunkowaniami prowa-dzenia procesu zwracać uwagę na to, aby minimalną temperaturę uzyskał w za-kładanym czasie cały materiał.
• Po tej fazie należy najszybciej, jak to jest możliwe, doprowadzić i utrzymy-wać materiał w zakresie temperatur poniżej 50–55°C. Można to uzyskać poprzez napowietrzanie, spulchnianie i nawadnianie w celu uzyskania ciągłego rozkładu i przemiany, oraz szybką humifikację i utworzenie kompleksu ilasto-humusowe-go.
W początkowej fazie procesu kompostowania/tlenowej stabilizacji, mezofilne grzyby i termotolerancyjne/termofilne grzyby rozpoczynają swój rozkład w tem-peraturze między 60 a 70°C. Bez sztucznego wychłodzenia procesu, po fazie higie-nizacji, następna faza przetwarzania w temperaturze częściowo znacznie wyższej niż 60/65°C jest zdominowana przez bakterie termofilne. W fazie tej występu-ją także termofilne promieniowce. W trakcie przemiany pierwotnych substancji organicznych, tworzą się najpierw tylko pośrednie produkty przemiany oraz do-chodzi do uwolnienia energii. W dalszym przebiegu kompostowania/tlenowej stabilizacji przetwarzane są średnio i trudno ulegające rozkładowi biologiczne-mu części składowe obrabianych odpadów. Frakcje łatwo ulegające rozkładowi biologicznemu uległy bowiem już częściowemu utlenieniu w fazie mezofilnej lub w fazie gorącego kompostowania/stabilizacji. Zmianie ulega spektrum substratu, co powoduje spadek aktywności mikrobiologicznej, a w następstwie tego spa-dek temperatury. Po obniżeniu temperatury poniżej 60°C, zależnie od substratu, rozwija się jedna, składająca się z bakterii, promieniowców i grzybów, mieszana populacja mikroorganizmów [4].
W chwili kiedy drobnoustrojowy proces rozkładu biologicznego osiągnie sto-pień zaawansowania, charakteryzujący się tym, że obecne są wcześniej wspo-mniane, zdolne do współreagowania produkty rozkładu, wówczas w następ-stwie wiązania energii powstają wtórne stabilne substancje humusowe, czyli nowe związki organiczne. W ostatniej fazie tworzą się glino-mineralne i orga-niczno-mineralne kompleksy i powstaje trudno lub długotrwale mineralizujący się humus [4].
4.5. c
zasKomposTowaniaW korzystnych warunkach (stosunek C/N, sterowanie wilgotnością, stabilność struktury i odpowiedni przepływ powietrza) wystarczający czas przetwarzania odpadów biologicznych w zamkniętym procesie intensywnej stabilizacji tlenowej (intensywnego kompostowania), który gwarantuje uzyskanie wystarczającej sta-bilności do dalszego dojrzewania na otwartym powietrzu, kształtuje się na po-ziomie 21–28 dni. Rzeczywisty okres intensywnego kompostowania/stabilizacji zależy jednak od oczekiwanej jakości materiału wyjściowego.
4.6. c
zynniKiwarunKujące sKuTeczną TlenowąsTabilizację/
KomposTowanieMikrobiologiczna podatność na rozkład substancji organicznej
Prędkość rozkładu biologicznego lub prędkości mineralizacji w zależności od stabilności i będącego do dyspozycji stosunku C/N komponentów organicznych przedstawiono w tabeli 5. Rozróżniono substancje organiczne, które łatwo lub ciężko ulegają rozkładowi biologicznemu.
T a b e l a 5 Szybkości rozkładu biologicznego różnych klas substancji organicznych
podczas procesu kompostowania [4]
Roślinne skrobia, cukier celuloza drewno
tłuszcze, kwasy
tłuszczowe hemiceluloza lignina
białka, peptydy pektyna, chityna keratyna witaminy tłuszcze, oleje, woski
Zwierzęce kał, mocz kwasy żółciowe pigmenty żółci
śluz, krew kości
Zawartość wody
Utrzymanie wilgotności na odpowiednim poziomie jest bardzo ważne w cza-sie trwania całego procesu intensywnego kompostowania/stabilizacji, ponieważ mikroorganizmy wchłaniają substancje odżywcze i tlen w postaci rozpuszczonej w wodzie. W czystych odpadach kuchennych i obierkach stwierdza się zawartość wody na poziomie od 80 do 95% w świeżej masie, co podczas zbiórki i transportu prowadzi do wydzielania się wody i powstania odcieków. W zależności od sta-bilności struktury i pojemności wody w organicznych materiałach wejściowych, zawartości wody w pojedynczych komponentach może się wahać w szerokim za-kresie. Jednakże stabilność struktury i wystarczająca objętość powietrzna porów, nawet przy maksymalnych zawartościach wilgotności, gwarantuje odprowadze-nie nadmiernej ilości wody.
Stabilizacja struktury
Stabilizacja struktury biologicznie przetwarzanego materiału jest warunkiem uzyskania wymaganej porowatości dla odpowiedniej wymiany gazowej w mate-riale intensywnie stabilizowanym/kompostowanym lub dojrzewającym. Obowią-zuje to w takim samym stopniu dla zamkniętych reaktorów, jak i dla otwartych pryzm. Optymalny udział zrębków, rozdrobnionych gałęzi i krzaków, jako materia-łu strukturalnego, zależy od wybranej metody stabilizacji/kompostowania, wła-ściwości struktury i zawartości wody w pozostałych składnikach przetwarzanego materiału. Podstawowa reguła stanowi, że im większy jest przekrój kompostowa-nej partii, tym większe będzie jego samozagęszczanie. Stąd też można stwierdzić,
że przewietrzanie poprzez konwekcję (efekt kominowy w przypadku pryzmy) lub przewietrzanie wymuszone nawet przy wysokim udziale materiału strukturalne-go nie będzie zagwarantowane.
Wartość pH
W przypadku mieszanin materiału wejściowego z dużym udziałem świeżych odpadów kuchennych i warzyw, dochodzi w fazie początkowej, tzn. w ciągu pierwszych 3–7 dni, do obniżenia się wartości pH od 4 do 6. Kwaśna faza po-woduje znaczne opóźnienie rozkładu C („faza opóźnienia”) oraz tworzenie się niskich kwasów organicznych. Dodanie wapna już w ilości 0,2% wag. powoduje osłabienie albo skrócenie fazy opóźnienia. Natomiast ilość wapna powyżej 0,4%
prowadzi do uwalniania amoniaku (NH3), co skutkuje wydzielaniem się nieprzy-jemnych zapachów [4].
Stosunek C/N
Przez stosunek C/N rozumie się masowy stosunek węgla organicznego do azotu w materiale organicznym przeznaczonym do tlenowej stabilizacji/kompostowania.
Mikroorganizmy, jak wszystkie żyjące organizmy, potrzebują do życia zarówno węgla organicznego, jak i porównywalnie mniejszych ilości azotu. Jeśli substancje te zawarte są w odpadach w odpowiednim stosunku, to mikroorganizmy szybko się rozmnażają i w ten sposób mogą szybko doprowadzić do rozkładu frakcji or-ganicznej znajdującej się w odpadach. Optymalny stosunek C/N w materiale od-padowym na początku intensywnego procesu kompostowania/stabilizacji mieści się w granicach od 25 do 35. Przy wyższym stosunku C/N (> 35) proces rozkładu biologicznego przebiega wolniej. Przy niższych stosunkach C/N (< 20) do atmos-fery może w formie gazowej ulatniać się amoniak, powodując zanieczyszczenie (emisja odorów), obniża się również jakość kompostu. W przypadku przetwarza-nia materiałów charakteryzujących się z wyższym stosunkiem C/N (> 30), doda-nie materiału zawierającego azot (np. gnojowica, mocznik albo osady ściekowe) może przyspieszyć proces rozkładu biologicznego. Gotowy materiał wyjściowy z procesu tlenowej stabilizacji/kompostowania powinien mieć stosunek C/N wy-noszący < 20. Poza tym im wyższy jest udział azotu w kompoście, tym posiada on lepsze parametry wymagane w odniesieniu do nawozów organicznych [4].
W tabeli 6 przedstawiono przykładowe wartości stosunku C/N dla różnych możliwych materiałów wsadowych.
T a b e l a 6 Przykładowe wartości stosunków C/N [4]
Nawóz przemysłowy Odpady zielone
Materiał Wartość C/N Materiał Wartość C/N
1 2 3 4
gnojówka 2–3 skoszona trawa 12–25
obornik kurzy 10 pozostałości ogrodowe 20–60
obornik – kompost 10 łodygi ziemniaczane 25
1 2 3 4
obornik bydlęcy (ubogi
w słomę) 20 liście 30–60
obornik koński 25 ściółka iglasta 30–100
obornik odbydlęcy
(bogaty w słomę) 30 słoma (jęczmień,
rośliny strączkowe) 40–50
Bioodpady słoma (owies) 60
Materiał Stosunek C/N słoma (żyto, pszenica) 100
odpady warzywne 10–20 kora 100–130
resztki jedzenia 12–20 odpady z przycinania
drzew i krzewów 100–150
resztki z owoców 15–25 Pozostałe
kwiaty i odpady
roślinne 20–60 Materiał Stosunek C/N
odpady kuchenne 23 torf 30–50
owoce 35 trociny (lite drewno) 100–500
makulatura 120–170 karton 200–500
4.7. n
ieprawidłowaTlenowa sTabilizacja/
KomposTowanieProwadząc proces tlenowej stabilizacji/kompostowania należy pamiętać o na-stępujących zasadach:
• Należy unikać mieszania gotowego materiału po fazie dojrzewania z mate-riałem wejściowym [4].
• Zła ocena materiału wejściowego lub zły wybór sposobu sterowania pro-cesem intensywnego kompostowania/stabilizacji tlenowej może doprowadzić do wysuszania obrabianego materiału (tzw. suchej stabilizacji). Zdarza się to w przy-padku zbyt dużego przewietrzania i zbyt niskiego nawilżania przetwarzanego ma-teriału. W przypadku opróżnienia reaktora i ułożenia przesuszonego materiału do dojrzewania w otwartych pryzmach, a następnie jego odpowiednim nawilżeniu, możliwe jest ponowne rozpoczęcie intensywnej fazy biologicznego przetwarzania z typowymi dla niej konsekwencjami, tj. z emisją odorów [4].
• Temperatura powyżej 70°C jest niepożądana, ponieważ już od temperatury 65°C dochodzi do wyraźnego spowolnienia rozkładu frakcji organicznej, co może skutkować emisją odorów do środowiska oraz obniżeniem jakości kompostu [4].
cd. tab. 6