ПРОЦЕСЪТ КОМПОСТИРАНЕ

www.ekomakc.com
www.ekomakcapi.com
www.preparati.bg

Компостирането е екзотермичен процес, при който органичните субстрати се подлагат на аеробна биодеградация от смесена микробна популация в условия на повишена температура и влажност. В процеса на биодеградацията органичният субстрат претърпява физично и химично превръщане с образуването на стабилен хумифициран краен продукт. Този продукт е ценен за селското стопянство като органичен тор и като средство за подобряване структурата на почвата. Гумифицираните продукти бързо влизат в равновесие с екосистемата в която са внесени и не предизвикват сериозни нарушения в нея, както това се наблюдава при внасяне на непреработени органични отпадъци.
Сред отпадъците, които се компостират спадат хетерогенната градска смет (смес от органични и неорганични компоненти), хомогенните фекални маси от животински ферми, отпадъци от растениевъдството, активна кал и пр. В процеса на компостиране се удовлетворява потребността от О2, органичните вещества преминават в по-стабилна форма, отделя се СО2 и Н2О, а температурата нараства. В естествени условия биодеградацията протича бавно, на повърхността на земята, при температурата на околната среда и предимно анаеробно. Естественото разлагане на органиката може да се ускори ако преработваният субстрат се събере на купчини, което позволява да се съхрани част от топлината отделяна при ферментациите. Този ускорен процес именно е компостирането.

Важни параметри на процеса са отношението С/N и мултидисперсността на субстрата, необходима за нормалната аерация. Фекалните животински маси, активният ил и много растителин отпадъци имат ниско съотношение С/N, висока влажност и лошо се подават на аерация. Те трябва да се смесват с твърд материал (пълнител) сорбиращ влагата, който обезпечава допълнителен въглерод и нужната за аерирането структура на сместа. Най-добрият пълнител се явява сламата, но може да се добавят листа, стърготини и др.

2. Микробиологични аспекти.

В процеса компостиране вземат участие над 200 вида бактерии и не по-малко от 50 вида гъби. Тези видове може да се подразделят според температурният им диапазон на психрофили (t<20oС), мезофили (t=20-40oС) и термофили (t>40oС). Микроорганизмите, които преобладават в крайният стадий на компостирането са мезофили.
Макар, че количеството на бактериите в компоста е много голямо (108?109 клетки на 1 g влажен компост), поради малките им размери (1?8 ?m) те съставляват по-малко от 50 % от общата микробна биомаса. Някои видове (от род Bacillus, Clostridium) образуват ендоспори, които издържат значителни температури и изсушаване. Актиномицетите растат значително по-бавно от бактериите и гъбите и на ранните етапи от компостирането не им правят конкуренция. Те се появяват на по-късните стадии от процеса, когато станат твърде много и формират на дълбочина 10 cm от повърхността добре видим слой от актиномицети с бял или сив цвят. Те достигат до 105-108 клетки на 1 g влажен компост, което е по-малко в сравнение с бактериите. Гъбите играят важна роля в деструкцията на целулозата и състоянието на компостируемата маса трябва да се регулира така, че да се оптимизира тяхната активност. Важен фактор се явява температурата, тъй като гъбите загиват при t<55oС. Сред гъбите са отделени както термофили (растат при t=50oС), така и мезофилни (растат при t=28oС). След понижаване на температурата те отново са разпространяват из по-хладните зони по целия обем. Обикновено след 50 дни от началото на компостирането нараства броят на целулозолитичните и лигнинразграждащите гъби и актиномицети, а броят на бактериите се понижава. Вирусите поради високата температура на компостиране рязко намаляват. Бактериофагите, актинофагите и пр. могат да окажат известно въздействие върху микробната асоциация. Тоест чрез унищожението на една група микроорганизми се дава възможност за развитие на друга. Първаците се хранят с определени видове бактерии, водорасли и други първаци, те не усвояват дрожди и актиномицети. Когато влагата и температурата станат неблагоприятни, първаците образуват цисти с които преживяват за дълго време. Структурата на компоста към края на процеса (t=7-13oС, оптимална влажност) се формира и с участието на червеи, мравки, бръмбари, термити и пр. 3. Биохимични аспекти.

Съдържание на сухо вещество в [%]

Органичните отпадъци с промишлен, селскостопански или комуналнобитов характер са смес от захари, белтъци, мазнини, хемицелулози, лигнин и неорганични соли с широко вариране на концентрацията:
· водоразтворими съединения 2-30 % (захари, нишесте, аминокиселини, амониеви соли и др.);
· съединения разтворими в етер и спирт (мазнини, масла, восък) - 1-15 %;
· белтъци 5-40 %;
· хемицелулоза 10-30 %;
· целулоза 15-60 %;
· лигнин 5-30 %;
· пепел 5-25 %.
Съставът на отпадните фракциите зависи от възрастта и вида на растението и условията при които е отглеждано. Свежото зелено растение съдържа много водоразтворими вещества, белтъци и соли. При увеличение възрастта му солите се връщат в почвата, а нискомолекулните вещества стават високомолекулни (целулоза, хемицелулоза, лигнин). Съставът на отпадъците от животновъдството зависи от вида на животното и от неговата храна.

Фиг. 1 Интегрална кинетична крива за деструкция на слама по време на компостиране: Време, [денонощия]
1 - обща биомаса; 2 - целулоза; 3 - хемицелулоза; 4 - разтворими вещества; 5 - лигнин.
При компостиране на слама с добавка на NH4NO3 се наблюдава 50 % намаление на сухото вещество (СВ) за 60 дни (фиг. 137-1.), като основното понижение настъпва през първите 34 дни. Намалението на СВ става почти изцяло за сметка на хемицелулозата и целулозата. Най-голяма скорост за снижение на СВ се наблюдава през първите 5 дни (средно по 2,7 % на ден), докато през следващите 30 дни снижението е по 1,3 % на ден. Съдържанието на хемицелулоза в СВ се понижава за 34 от 37 % на 18 %. Биодеградацията на целулозата се забавя к ъм средата на цикъла, поради намаляването на гъбната популация при tі550 С. За 34 дни съдържанието на целулозата в СВ се понижава от 46 % на 12 %. Спирторазтворимата фракция съдържаща прости органични съединения незначително намалява. Лигнинът е най-устойчив, но се разрушава по добре в статични системи отколкото в динамични (с разбъркване) в които мицелът се разкъсва.

4. Изменение на температурата по време на компостирането.

Когато органичните отпадъци се събират за компостиране благодарение на изолационното действие на субстрата става съхранение на отделената от активността на микроорганизмите топлина при което температурата нараства. Процесът компостиране се разделя на 4 стадия: 1) мезофилен; 2) термофилен; 3) изстиване; 4) съзряване.
В началото на процеса отпадъците се намират при температурата на околната среда, рН в тях е слабо кисело. В началният мезофилен стадий микроорганизмите присъстващи в отпадъците започват бързо да се размножават, температурата се повишава до 400 С и средата се подкиселява за сметка на образуването на органични киселини. При tі400 С мезофилите загиват, а термофилите започват да преобладават. Това повишава температурата до 600 С, при която гъбите стават умират. При t>600 С биодеградацията продължава от спорообразуващите бактерии и термоактиномицетите, като рН става алкално поради отделеният амоняк от белтъците. През време на термофилната фаза най-лесно усвояемите субстрати като захари, нишесте, белтъци и мазнини бързо се изчерпват и скоростта на реакцията започва да пада след като в нея се въвличат по-устойчиви субстрати. При това скоростта на топлоотделяне става равна на скоростта на загуба на топлина, което съответства на температурата на достигане на температурен максимум. След това компостът започва да изстива. Често при компостиране на стари отпадъци се наблюдават няколко температурни максимума.
Може да се каже че след температурният максимум разбъркваната компостируема купчина е достигнала стабилно състояние. Лесно усвоимите съединения вече са разградени, основната потребност от О2 е удомлетворена, компостираният материал престава да привлича мухи и паразити и не мирише на лошо защото леснодостъпните азот и сяра са свързани в новообразуваните микробни тела.
През време на изстиването рН бавно пада, но остава алкално. Термофилните гъби от по-хладните зони отново обхващат целият обем и заедно с актиномицетите усвояват полизахаридите, хемицелулозата и целулозата като ги разрушават до монозахариди, които се използват от широк кръг микроорганизми. Скоростта на топлоотделяне става много малка и температурата спада до тази на околната среда.
Първите три стадия на компостирането (мезофилен, термофилен и на изстиване) протичат много бързо за дни или седмици в зависимост от типа на използваната система за компостиране. Заключителният етап - съзряване, през който загубите на маса и топлина са малки продължава няколко месеца. През този стадий протичат сложни реакции между остатъците лигнин и отпадъчните белтъчини на умрелите микроорганизми водещи към образуване на хуминови киселини. Компостът не се загрява, в него не протичат анаеробни процеси при съхранение, той не отнема азот от почвата при внасяне в нея. Крайното му рН е слабо алкално.
Очевидно е, че най-подходящата максимална температура е 55-60oС защото по-високите температури потискат повечето микроорганизми и процесът се забавя. От друга страна при 60oС се унищожават патогенните микроорганизми.

5. Параметри на компостирането.

1) Разделяне. Желателно е компостирането да протича с максимум органична маса и минимум неорганични вещества. Затова от входящите отпадъци трябва да се отделят стъкло, метал (мед, олово, цинк), пластмаса и пр.
2) Дисперсност на частиците. Оптималният размер за системи с разбъркване и принудителна аерация е 12,5 mm, а за неподвижни купчини с естествена аерация 50 mm. Раздробяването става с чукови мелници, в роторни барабани и пр. Ако частиците са с много малки размери се наблюдава уплътняване на порите и понижение на вентилацията и разбъркването.
3) Хранителни вещества. Основно се следи отношението С/N=25/1-30/1 и рядко концентрацията на фосфор. Ако С/N>25/1 ще настъпи бавно окисление на излишния въглерод до С/N>10/1. При С/N<25/1 - например в активен ил, фекалии от животни азотът ще се отделя като амоняк в големи количества. На по-късен етап когато амонякът (инхибитор на N-фиксацията) намалее азотфиксиращите бактерии допълват азотните загуби. Някои смятат, че добавянето на фосфати като суперфосфат и пр. може да компенсира пониженото съотношение С/N<25/1. Това обаче оскъпява компостирането.
4) Добавки. За повишаване скоростта на компостиране се прибавят химични, растителни и бактериални добавки. Доказано е, че при връщане на част от готов компост ускорява термофилния стадий, но това е без значение за предварително добре раздробен субстрат.
Носителите като стърготини, трески, слама, листа, костилки и пр. са необходими за поддържане на структурата и обезпечаване на аерацията при активен или или животински фекалии.
5) Влажност. При влажност под 30 % от общата маса скоростта на биологичните процеси рязко спада, а при влажност под 20 % те почти се прекратяват. Прекалено високата влажност запълва порите доставящи О2, и биодеградационните процеси се забавят. Някои субстрати като хартия бързо се променят (слепват се в еднородна маса) при намокряне, а други като слама, трески са структурно устойчиви. Следователно в зависимост от природата и размера на частиците на носителя оптималната влажност е 50-60 %.
Водата се образува за сметка на жизнената дейност на микроорганизмите и се отделя за сметка на изпарението. При наличие на изкуствена аерация загубите на вода може да бъдат значителни, а това налага внасяне на допълнителни количества активен ил и други влажни отпадъци.
6) Аерация. Тя зависи от свободния обем между частиците на носителя и бива естествена и изкуствена. Естествената аерация е недостатъчна защото остават анаеробни централните зони на компостируемата маса. Принудителната аерация позволява ефективно отделяне на топлината, влагата и СО2. През мезофилният етап тя е ниска, през термофилния е максимална, а на етап изстиване и съзряването пада до нула.
Смята се, че за кислородсъдържащите субстрати, като целулоза и пр. е необходим 1 g О2, а за наситените въглеводороди 4 g О2 на 1 g органична маса. Концентрацията на О2 трябва да бъде 10-118 % или 0,6-1,8 m3 въздух/24 h/1 kg летлива част от твърдите вещества.
7) Разбъркване. Чрез него се осигурява диспергирането на субстрата, нараства специфичната повърхност, ускорява се дифузията на О2 и на др. газове и вещества. Прекомерното разбъркване е скъпо, води до охлаждане и изсъхване на компостируемата маса и до разкъсване на мицела от плесени и актиномицети.
8) Топлоотделяне и размери на купчините. Белтъците, въглехидратите и липидите имат топлина на изгаряне в границите 9-40 kJ/g. Липидите като правило имат два пъти повече енергия на грам от белтъците и въглехидратите.
Може да се определи топлоотделянето на 1 g субстрат, тъй като повечето органични съединения имат топлина на изгаряне 14,2 kJ/g ХПК. Общото топлоотделяне ще зависи от количеството реагиращ материал.
Моутс и Грифс определили скорост на топлоотделяне 20-28 W/kg СВ при компостирането на два различни органични субстрата.
Когато купчините са твърде големи отделяната при компостирането топлина повишава температурата до 80-90oС, което е значително повече от tопт=55oС. Препоръчителните размери за купчините с естествена аерация са 1,5 m височина и 2,5 m ширина. При принудителна аерация размерите трябва да са такива, че да се избягва прегряване. Обикновено в тези купчини или редове се поставят перфорирани тръби от бамбук или друг трудно изгниващ материал, които служат за аерация и за механична опора. Въздухът може да се подава чрез компресия или чрез всмукване. Трябва да се подчертае, че има различни конструкции механизирани инсталации за производство на компост. Те могат да бъдат специални коридори с перфорирани стени и релси, по които се движат специални разбъркващи устройства. Строят се силози с няколко перфорирани и подвижни дъна, които оформят определен брой секции. Към всяка секция е предвидено разбъркване и аерация. Използват се също и бавно въртящи се барабани, които са аналогични на биореакторите за твърдофазово култивиране.

6. Състав на компоста и здравословни аспекти.

Съставът на компоста варира в широки граници (в % по суха маса): органични вещества 25-80; въглерод 8-50; азот 0,4-3,5; фосфор 0,1-1,6; калий 0,4-1,6; калций (СаО) 0,7-1,5. Компостът от градските отпадъци има по-малко органични вещества и повече микроелементи, които се натрупват в растенията в сравнение с компоста от селскостопански отпадъци.
В таблицата са показани леталните условия за най-често срещаните патогенни микроорганизми и паразити.
При анаеробното гниене на отпадъците от градски и селскостопански характер се отделят много органични киселини, които инхибират растежа на зърнените култури. Установено е, че 15 mmol оцетната киселина, 4 mmol пропионова киселина и 1 mol маслена киселина подтискат прорастването на кореновия и листниковия кълн на ечемика. Особено сериозно е действието на оцетната киселина, която в концентрации над 0,07 % забележително подтиска прорастването на пшеничните и ечемични зърна, а при 0,15 % се инхибира прорастването на половината от тях. Когато се добави 0,02 % оцетна киселина към прорастнали за 7 денонощия ечемични и пшенични зърна дължината на корена им спрямо контролата намалява 60 %.

Фирма Еко Макс Био предлага богата гама от биоензимни препарати за компостиране.
За повече информация www.ekomakc.com