Aerobās pārstrādes tehnoloģijas

Autors: Dr. sc.ing. Dace Āriņa

Kompostēšana ir bioloģisks process [1], kura norises laikā, organiskās vielas optimālos gaisa un mitruma apstākļos tiek pārvērstas par humusam līdzīgu produktu, kur mikroorganismu aktivitātes rezultātā notiek organiskā materiāla sadalīšana un bio-konvertēšana. Kompostēšana praktiski izmantojama gan lauksaimniecībā, gan dārzkopībā un var nodrošināt augus ar barības vielām un paaugstināt augsnes auglību.

Dažādu kompostēšanas tehnoloģiju izmantošanai atkritumu pārstrādē ir šādi galvenie ekoloģiska un saimnieciska rakstura mērķi [1]:

• samazināt atkritumu poligonos apglabājamo bioloģiski sadalāmo atkritumu daudzumu, līdz ar to samazināt ūdeņu, augsnes un atmosfēras piesārņojuma risku;
• izmantot augsttemperatūras kompostēšanas tehnoloģijas patogēnā piesārņojuma samazināšanai;
• sadzīves atkritumos esošo augu barības vielu atgriešana ekosistēmas apritē;
• vienlaicīga citu organisko atkritumu – lapas, zāle, mēsli, sadzīves notekūdeņu attīrīšanas dūņas u.c. – lietderīga izmantošana kompostā;
• kompostēšanas tehnoloģijas ekonomiskās efektivitātes nodrošināšana;
• kvalitatīva produkta – komposta – iegūšana.

Nodrošinot kompostēšanas procesā optimālos nosacījumus organisko vielu sadalīšanai – temperatūru, mitrumu un gaisa pieplūdi, bioloģiskais sadalīšanās process var noritēt daudz ātrāk, salīdzinot ar dabisko sadalīšanās procesu. Kompostēšanas process ir eksotermisks – tajā izdalās siltums. Tas paātrina celulozes (hemicelulozes), proteīnu, biopolimēru, arī atsevišķu pesticīdu sadalīšanos. Dabiskajā sasilšanas procesā no 50˚C līdz 70˚C iet bojā slimību ierosinātāji – patogēnās baktērijas, kāpuru un endoparazītu oliņas, kā arī nezāļu sēklas [1].

Kompostēšanas procesa gala produkts – komposts ir bagāts ar humusu vielām un augiem pieejamā formā esošām minerālvielām, un mikroorganismiem. Tādēļ kompostam ir liela nozīme, gan kā augsnes uzlabotājam, gan kā mēslojumam slēgtajās platībās (siltumnīcā) vai atklātos lauka apstākļos. Ja vidēji varam novērtēt, ka augsnē katru gadu izstrādājas līdz pat 20% organisko vielu, tad komposta izmantošana šī zuduma kompensēšanai ir ļoti būtiska [1].

Kompostēšanas mikrobioloģiskie procesi

Kompostējot organiskās vielas, notiek to satura izmaiņas: daļa no sākumā esošajām organiskajām vielām mikroorganismu darbības rezultātā pārveidojas par CO2 un H2O. Tādēļ kompostēšanas procesa laikā organisko vielu daudzums ievērojami samazinās. Kompostē tādus atkritumus, kuru sastāvā ir ogļhidrāti, proteīni, lipīdi un lignīnu saturošie savienojumi. Kompostēšanas procesa laikā vielu sausna un ūdens daudzums attiecīgi samazinās par 45% un 72%. Norisinoties denitrifikācijai, galvenokārt sakarā ar to, ka tiek pārrautas organiskās slāpekļa saites, slāpekļa daudzums samazinās vidēji par 49 %. Organiskās izcelsmes slāpeklis samazinās apmēram par 60%. Tajā pašā laikā kopējā slāpekļa daudzums NH4-N koncentrācijas pieauguma dēļ paliek nemainīgs. Kompostēšanas procesa laikā arī fosfora un kālija daudzums paliek konstants. Bioloģiski daļēji sadalītās pirmatnējās organiskās vielas, galvenokārt lignīnvielas saturošie savienojumi, struktūras fragmenti kondensējas īsās virknēs, veidojot ūdenī šķīstošas, tumšas humīnvielas (fulvoskābes). Pēc komposta nogatavošanās mikrobu iedarbībā – šīs īsās virknes tālāk kondensējas un veido garākas virknes. Minētās humīnskābes gala rezultātā kondensējas par vēl garākām virknēm, veidojot ūdenī nešķīstošas humīnvielas. Tātad kompostēšanas procesa lielākā daļa no organiskām vielām pārtop par stabilu humusu [2; 3].

Kompostēšanas procesa laiku var iedalīt četrās fāzēs (1. att.) [1]:
1. Pirmās fāzes laikā dažādas mezofilās baktērijas un mikroskopiskās sēnītes vairojas un viegli izmanto barības vielas, vienlaicīgi paaugstinot temperatūru apmēram līdz 45˚C; šādā temperatūrā aiziet bojā veģetatīvās šūnas, izdzīvo vienīgi karstuma izturīgās sporas.

2. Pēc neliela miera perioda šeit notiek lielāka vai mazāka temperatūras paaugstināšanās. Otrā fāze ir saistīta ar termofīlo mikrobu populāciju, kas ietver dažas baktēriju sugas, sēnītes un aktinomicētes. Temperatūras optimums minētajiem mikroorganismiem ir starp 50˚ – 65˚C, to aktivitāte beidzas pie 70˚ – 80˚C.

3. Trešo fāzi var uzskatīt kā stacionāru periodu bez ievērojamām temperatūras izmaiņām, jo siltuma veidošanās un siltuma izlietošana ir līdzsvarā.

1. att. Kompostēšanas procesa norises shēma [4]

4. Ceturtajā fāzē raksturīga pakāpeniska temperatūras pazemināšanās. Tā ir komposta nogatavošanās fāze, kad mezofīlie mikroorganismi, kas ir izdzīvojuši augstā temperatūrā, vai arī no ārpuses pievadītā aukstā gaisa dēļ, spēj nomainīt termofīlos mikroorganismus un turpināt sadalīšanās procesu tik ilgi, cik tas ir nepieciešams [5; 1].

Mikroorganismu izdzīvošanas un darbības noteicošie faktori

Lai nodrošinātu kompostēšanas procesa mikroorganismiem optimālos izdzīvošanas un darbības apstākļus, ir nepieciešami četri parametri: temperatūra, barības vielas, ūdens un apgāde ar skābekli jeb aerācija [1; 6; 7].

Temperatūra

Temperatūra ir atkarīga no mikroorganismu aktivitātes, jo bez tās nav iespējams sākt kompostēšanas procesu, bet tajā pašā laikā temperatūra nosaka mikroorganismu populāciju jebkurā kompostēšanas procesa fāzē [1].

Nezāļu sēklu un helmintu oliņu iznīkšana notiek, sākot no 50˚C temperatūras (termofilā režīmā), bet barības vielu uzkrāšanās un saglabāšanās kustīgā formā – 25-35˚C temperatūrā (mezofilais režīms). Ja komposta maisījuma temperatūra visā masā sasniedz 55˚C, tad pilnīga helmintu oliņu iznīkšana notiek pēc 4 diennaktīm. Nezāļu sēklu dīgtspēja zūd: 40˚C temperatūrā 3-4 nedēļu laikā; 43˚C – 3 nedēļu laikā; 45˚C – 2 nedēļu laikā; 50˚C – 1 nedēļas laikā; 55˚C – 1-2 diennaktīs. Līdz ar to praktiski jauktam virtuves un dārza atkritumu sastāvam ir nepieciešams veikt kompostēšanās procesu, lai nodrošinātu 45˚C sešas nedēļas, tai skaitā 60°C četras dienas. Savukārt zaļo dārza atkritumu kompostēšanas procesā jānodrošina 45˚C vismaz 10 nedēļas, tai skaitā 60°C četras dienas [8].

Barības vielas

Atkritumi kompostēšanai pēc sastāva ir ļoti daudzveidīgi un sezonāli atšķirīgi. Pamatā atkritumu ķīmisko sastāvu veido ogļūdeņraži, proteīni, tauki, lignīns un minerālvielas. Kompostēšanas procesa laikā atkritumu vielu ķīmiskajā sastāvā notiek būtiskas izmaiņas. Piemēram, augu atlikumi satur oglekli polisaharīdu formā: celulozi, hemicelulozi, lignīnu un tannīnu. No visiem uzskaitītajiem savienojumiem gala produkts ir neliels polisaharīdu daudzums, kas galvenokārt koncentrējas mikrobu šūnu apvalkos un gumos. Apmēram tikai 25 % no sākotnējā oglekļa daudzuma ir augsti stabilizētā humusvielu formā. Organiskā materiāla atlikums ir 30 līdz 50 % pēc sausnas svara, kāds bija sākumā [10].

Aerācija un apgāde ar skābekli

Organiskā materiāla optimālai aerobai sadalīšanās reakcijai, ir nepieciešams skābeklis: 100 g organiskās vielas sadalīšanai nepieciešami 80 g skābekļa. Ir jāapzinās, ka komposta kaudzē sākumā nav minētā skābekļa daudzuma un ka papildus nepievadot skābekli šis rādītājs kaudzes iekšpusē nav sasniedzams (2. att.).

2. att. Skābekļa daudzuma (%) izmaiņa komposta kaudzē noteiktos ārējās vides apstākļos [4]

Lai noritētu efektīvs kompostēšanas process, ir nepieciešama ļoti aktīva aerācija. Jāņem vērā, ka labi izolētā komposta kaudzē temperatūra drīz var paaugstināties līdz pat 80˚C. Šādā temperatūrā mikrobi neizdzīvo, bet tiek iznīcināti. Augsto temperatūru var novērst, kaudzi ventilējot, t.i., iesūknējot vai iemaisot kompostējamā materiālā gaisu ar zemāku temperatūru, tādejādi vienlaicīgi nodrošinot mikrobu metabolisma procesu ar nepieciešamo skābekļa daudzumu [1].

Aerācijai ir divējāda ietekme: tā nodrošina mikroorganismu izdzīvošanu un aerācijas iedarbībā sadalās organiskās vielas, tādējādi samazinās komposta kaudzes apjoms.

Komposta kaudze sastāv no trīsfāžu sistēmas: cietās vielas, ūdens un gāzes. Lai optimāli noritētu process, tad spraugām starp cietajām daļiņām jābūt 20-30 % no kopējā apjoma. Skābeklis sasniedz mikrobu šūnas noteiktā secībā: iespiežoties brīvās starpās un izšķīstot šķidrajā fāzē. Vienmērīga aerācija pilnīgi neizslēdz anaerobo mikroorganismu metabolismu; praktiski ikviens kompostēšanas process nav pilnīgi aerobs. To apstiprina fakts, ka veidojas organiskās skābes un tajā pašā laikā pazeminās vides pH (izteikti tas notiek kompostēšanas pirmajā fāzē), parādās anaerobā metabolisma procesam raksturīgās gāzes nelielos daudzumos – metāns un denitrifikācijas procesa norisē – N2O. Gaisa krājumu komposta kaudzē parasti mēra un izsaka m3 uz organiskās vielas sausnas kilogramu stundā (h-1). Lai varētu novērtēt kompostēšanas procesa efektivitāti, organisko vielu sadalīšanās intensitāti un mikroorganismu metabolisma aktivitāti, tad nepieciešams no komposta kaudzes izplūdušā gaisā noteikt CO2 daudzumu. Optimālais daudzums, kas liecina par efektīvu kompostēšanas procesa noriti, ir, ja CO2 izplūde gaisā ir robežās no 10 līdz 18%. Komposta procesa kontrolei novērtē arī skābekli [1].

Ūdens pieejamība

Ūdens ir viens no būtiskākajiem noteikumiem mikroorganismu darbībai kompostēšanas procesā.

3. att. Ūdens plūsma kompostējamā substrātā [1]

Tā kā skābekļa izplatīšanās ūdenī notiek daudz lēnāk nekā gaisā, tad paaugstinātais mitruma daudzums traucē skābekļa iekļūšanu kompostējamajā substrātā. Mitrs komposts saista ūdeni, kas savukārt samazina skābekļa difūziju, tāpēc rodas anaerobas zonas, kurās izdalās smakas, t.i., gāzes, no kurām dažas izplūdes laikā gaisā oksidējas. Sakarā ar biezo ūdens slāni (kāds novērojams tad, ja mitruma saturs ir augstāks par 60 %) skābeklis ir izzudis, pirms tas var pilnīgi iespiesties ūdens kārtiņā. Tajos gadījumos, kad ūdens kārtiņa ir plānāka, (mitruma saturs ir starp 35 un 60 %), skābeklis iespiežas dziļāk, smakojošo vielu koncentrācija šķīdumā ir zemāka, un tās tiek oksidētas, pirms gāzes izplatās gaisa plūsmā (3. att.).

Kompostējot dažādus atkritumus ar atšķirīgu ūdens daudzumu (1. tab.), jāpievieno papildus noteikts ūdens daudzums. Piemēram, skaidām un salmiem ir nepieciešams pievienot ap 75-90 % no to sausnas. Turpretī pārtikas atkritumi satur apmēram 50-60 % mitruma [1].

1. tabula

Dažādu kompostējamo materiālu mitruma saturs [1]

Vides pH

Lai gan ūdeņraža jonu koncentrācijai kā vides reakcijas rādītājam – pH – ir ļoti būtiska nozīme daudzu mikroorganismu augšanā to dzīves vietā, tad kompostēšanas procesa norisē pH vērtībai ir tikai neliela nozīme. Kompostējamo materiālu pH variē ļoti plašā diapazonā (4. att.), būtiski neatstājot nekādu ietekmi uz kompostēšanās sākuma fāzi. Tālākā procesā ir nepieciešams stabilizēt vides pH. Jāatzīmē, ka pH nav pastāvīgs kompostēšanas lielums. Tas mainās atkarībā no mikrobu aktivitātēm, no kompostējamā materiāla sastāva, kā arī no citiem apstākļiem, kuri mainās aerācijas ietekmē [1].

4. att. Vides pH izmaiņas kompostēšanas laikā [4]

Tomēr ir noteikta likumsakarība vides pH izmaiņām: pH pazeminās tajos gadījumos, kad pat labi aerētā kompostā veidojas organiskās skābes. Tāpat novērojama pH paaugstināšanās tajos gadījumos, kad atkritumi satur paaugstinātā daudzumā proteīnus, kā arī tas ir atkarīgs no kompostējamā materiāla sākuma C:N attiecības. Komposta nogatavošanās fāzē organisko skābju sadalīšanās, kā arī nitrifikācijas procesa nobeiguma stadija nosaka vairāk vai mazāk neitrālu vides reakciju. Tomēr dažkārt nepieciešams kompostējamo materiālu neitralizēt ar krītu, dolomīta miltiem, pelniem u.c [1].

Komposta mikroorganismi un to darbības mehānisms

Kompostēšanas process ir atkarīgs no ļoti daudzveidīgas mikroorganismu – baktēriju un sēnīšu – darbības. Pieredze rāda, ka kompostēšanas process ir piemērs dabisko mikroorganismu dzīvotspējai atkritumos. Gadījumos, kad kompostējamais materiāls satur notekūdeņu attīrīšanas dūņas, nav nepieciešamības procesa efektivitātes paaugstināšanai kompostējamajam materiālam pievienot papildus adaptētus mikroorganismus, to asociācijas vai fermentus. Tādā gadījumā efekts ir niecīgs vai nav nemaz. Plānojot kompostēt materiālu ar nabadzīgu mikrofloru, piem., gandrīz sterilas sūkaliņas no piena pārstrādes rūpniecības kopā ar svaigām skaidām, savukārt, ir ieteicams kompostējamam materiālam pievienot adaptētus mikroorganismus: organisko oglekli saturošo atkritumu noārdītājus un slāpekļa aprites veicinātājus.

Viens no būtiskiem faktiem izmantojot sadzīves organiskos atkritumus, ir tas, ka visi mikrobi, kuri pārdzīvo dažādas kompostēšanas fāzes, ir ievadīti ar atkritumu materiālu. Vienīgi termofilās baktērijas, aktinomicētes un sēnītes nav pieskaitāmas atkritumu substrātu pamata mikroorganismu populācijai [1].

Mikroorganismi kompostēšanas procesā izmanto oglekli saviem enerģētiskajiem procesiem un slāpekli proteīna sintēzei. Optimālā abu elementu attiecība ir apmēram 30 daļas oglekļa un viena daļa slāpekļa, tātad C:N attiecība (rēķinot pēc sausā svara) ir 30:1. C:N attiecība ir tā, kas nosaka ātrumu, ar kādu mikroorganismi sadala organiskos atkritumus. Lielai daļai organisko atkritumu nav minētās optimālās abu elementu attiecības, tādēļ, lai varētu paātrināt kompostēšanas procesu, ir nepieciešams radīt līdzsvaru starp abiem elementiem. Mikroorganismi spēj sadalīt organisko oglekli saturošos atkritumus kompostā tikai tad, ja to augšanai ir pietiekamā daudzumā slāpeklis [1].

Literatūra
1. Bendere R., Zariņa Dz. (2006) Bioloģiski sadalāmo atkritumu apsaimniekošana, LASA Rīga, 2006
2. Krogmann, U. & Kőrner, I. (2002) Technology and strategies of composting. In book: Biotecnology”.Environmental Processes III, 11c, 127-150.
3. Strauch, D. (1996) Occurrence of microorganisms pathogenic for man and animals in source-separated biowaste and compost: importance, control, limits,epidemiology, in: Science of Composting (De Bertoldi, M., Sequi,, P., Trautmann, N., and E.Olynciw (2005).
4. Solid Waste Management for Economically Developing Countries, L. F. Diaz, G.M.Savage, L. L. Eggerth et.al., ISWA; CalRecovery, Inc.,1996
5. Kutzner, H.J (2002) Microbiology of composting. In book: “Biotecnology.” Environmental Processes III, 11c, 35-100.
6. Haug, R.T. (1993). The practical handbook of compost engineering. Pp. 1-717. Boca raton, FL: Lewis Publishers, CRC Press.
7. Iannotti, D.A., Pang T., Toth B.L., Ewell D.L., Keener H.M., Hoitink H.A.J. (1993) A quantitative method for monitoring compost stability. Compost Sci.Util.1, pp. 52-65.
8. Vides aizsardzības un reģionālās attīstības ministrija, Biedrība „Latvijas Atkritumu saimniecības asociācija” Izvērtējums par Latvijas apstākļos piemērojamas bioloģiski noārdāmu atkritumu pārstrādes metodes apglabājamo bioloģiski noārdāmo atkritumu apjomu.
9. Viesturs, U., Zariņa, Dz., Strikauska S., Dubova, L., Bērziņš, A. (2004) Solid state fermentation systems for bioremedation and biodegradation. LLU Raksti, 12 (307), 1-18.

MATERIĀLS TAPIS AR LATVIJAS VIDES AIZSARDZĪBAS FONDA FINANSIĀLU ATBALSTU