Biologiczne unieszkodliwianie odpadów

1. Słowo wstępu.

Kompostowanie odpadów polega na niskotemperaturowym tlenowym rozkładzie substancji organicznej z udziałem mikroorganizmów. W procesie kompostowania uzyskuje się cenny nawóz, substytut nawozu naturalnego.

Kompostowanie odpadów jest najbardziej ekologiczną metodą utylizacji odpadów stałych, gdyż eliminuje niekorzystne skutki jakie mają miejsce w technologii unieszkodliwiania odpadów na składowiskach (odcieki zanieczyszczające wody gruntowe, gaz wysypiskowy, okupacja ogromnych obszarów, niszczenie krajobrazu), a także w technologii spalania (emisje gazowe, tj. SO2, NOx, dioksyny, furany oraz popioły i żużle z zawartością metali ciężkich). Ponadto rezultatem procesu kompostowania jest produkt, który może być wykorzystany rolniczo.

Warunkiem prawidłowego procesu kompostowania a także uzyskania kompostu o dobrych cechach użytkowych (wolnego od metali ciężkich, z zawartością pożądanych ilości substancji biogennych) jest wstępna segregacja odpadów miejskich. Najkorzystniej, gdy segregacja odpadów odbywa się u źródła ich powstawania, tzn. w gospodarstwach domowych. Praktykuje się także segregację w zakładzie unieszkodliwiania – np. w kompostowni.

Gdy kompostowanie nie jest poprzedzone segregacją wstępną, wówczas masa po procesie zawierać będzie znaczne ilości balastu (substancji nie poddających się biodegradacji, jak: szkło, kamienie, plastiki), a przede wszystkim zawierać będzie metale ciężkie
z odpadowych baterii, świetlówek itp. Udział metali ciężkich w kompoście ponad ilości naturalnie występujące w glebach, dyskwalifikuje kompost do celów wspomagania upraw rolnych. Kompost zawierający duże ilości metali ciężkich może być stosowany jedynie do celów rekultywacji składowisk.

2. Jakie są zalety kompostowania ?

Do zalet metody kompostowania należy zaliczyć:

• uzyskanie wartościowego produktu w postaci kompostu,
• pełne zhigienizowanie odpadów (dezaktywacja organizmów mezofilnych beztlenowych – zwykle chorobotwórczych)
• zmniejszenie wejściowej objętości odpadów ponad 50% po wydzieleniu balastu, który może być w wysokim stopniu wykorzystany w charakterze surowców wtórnych (metale, szkoło, plastik)
• relatywnie mała energochłonność.

3. Jakie procesy zachodzą w kompostowanych odpadach ?

Przemiany zachodzące w składowanych odpadach odbywają się z udziałem mikroflory i mikrofauny.

Chemizm procesów biochemicznych odpowiedzialnych za te przemiany generalnie można podzielić na:

• częściową mineralizację,
• humifikację.

Typy mikroorganizmów wyizolowanych w kompostach to grzyby, bakterie anaerobowe, bakterie aerobowe.

W miarę postępu procesu kompostowania zmieniają się kultury bakteryjne dominujące w kolejnych fazach przemian. Sekwencja dominujących organizmów z upływem czasu przedstawia się następująco:

• pleśnie i bakterie niezarodnikowe
• bakterie zarodnikowe
• promieniowce (w kompoście dojrzałym)

Prawidłowy proces kompostowania może się odbywać w odpowiednich warunkach: wilgotności, temperatury, odczynu pH podłoża, dostępu tlenu, składu chemicznego i mechanicznego odpadów, udziału azotu niezbędnego do rozwoju mikroorganizmów rozkładających celulozę.

4. Jakie powinny być optymalne warunki kompostowania ?

Obok warunków siedliskowych niezbędnych do prawidłowego rozwoju organizmów takich jak:

• udział wilgoci,
• temperatura,
• napowietrzanie,
• pH podłoża,
• bardzo istotną rolę odgrywa zawartość substratów biorących udział w reakcjach metabolicznych. Należą do nich: C, P, N, O, oraz mikroelementy. W czasie kontroli procesu kompostowania do zwykłej praktyki należy bilansowanie stosunku węgla do azotu i fosforu.

Optymalne stosunki na początku procesu kompostowania powinny wynosić:

C : N = (17 – 30) : 1               C : P = 100 – 1

Udział metali ciężkich w kompostach może dyskwalifikować ich przydatność do celów rolniczych. Jednakże należy zwrócić uwagę, że przy tym samym udziale związków metali, ich przyswajalność przez rośliny może być zróżnicowana zależnie od pH kompostu lub gleby oraz udziału związków organicznych. Wymywalność i zdolność absorbowania metali z kompostu rośnie wraz z obniżeniem się pH, stąd wartość pH kompostu nie powinna być niższa od 6,5. Duży udział związków organicznych w kompoście sprzyja wiązaniu metali w połączenia metaloorganiczne, z których utrudnione jest przechodzenie metali do roślin.

Optymalne warunki kompostowania można zdefiniować następująco:

• wilgotność odpadów w zakresie 40 – 60 %,
• stosunek węgla do azotu w składzie chemicznym odpadów powinien wynosić: C/N < 30,
• temperatura procesu do 65oC; w fazie początkowej niezbędna jest codzienna kontrola temperatury, natomiast w fazie względnej stabilizacji – w odstępach kilkudniowych.

W celu ustalenia dojrzałości kompostu bada się następujące parametry:

• stabilizacja temperatury,
• stabilizacja udziału substancji organicznej (w przeliczeniu na substancję bezwodną i bezpopiołową),
• stosunek węgla do azotu C/N (poniżej 20),
• stosunek strat prażenia (ciał lotnych CL) do azotu względem próby kontrolnej; w próbie kontrolnej przyjmuje się CL/N = 100%, natomiast kompost ustabilizowany charakteryzują wartości względne CL/N poniżej 100%,
• poziom wskaźnika Chaetomium – analizę ilościową prowadzi się na podstawie wyników posiewu grzybka o tej nazwie, którego intensywny rozwój przypada na okres dojrzewania kompostu surowego – wskaźnik > 2000, natomiast w kompoście dojrzałym jego udział maleje – wskaźnik < 300,
• zwiększenie liczby przetrwalników bakteryjnych przy jednoczesnym spadku liczby bakterii wegetatywnych,
• struktura fizyczna gruzełkowata, barwa ciemnobrązowa, zapach świeżej ziemi.

5. Jakie są przykłady rozwiązań technologicznych przeróbki tlenowej frakcji organicznej odpadów ?

Technologię kompostowania realizuje się na dwa sposoby:

• kompostowanie jednostopniowe w pryzmach, w warunkach naturalnych
• kompostowanie dwustopniowe, które realizuje się w kolejności:

- w biostabilizatorze bębnowym lub w komorze – etap 1-szy (wstępny),
- w pryzmach – etap 2-gi (stabilizacja kompostu)

Kompostowanie jednostopniowe odpady przeznaczone do kompostowania poddawane są rozdrobnieniu i wymieszaniu. Tak przygotowana masa jest układana w pryzmach, które okresowo zwilża się i napowietrza. Zwilżanie pryzm może odbywać się wodą lub fekaliami, które dodatkowo zaszczepiają masę odpadów mikroorganizmami sprzyjającymi rozwojowi procesów rozkładu biologicznego. Często w tym celu utylizowane są również osady przefermentowane z oczyszczalni ścieków. Dojrzewanie kompostu w pryzmach trwa 4 do 7 miesięcy (zależnie od warunków klimatycznych, ilości opadów atmosferycznych).

Kompostowanie dwustopniowe należy do bardziej nowoczesnych. W pierwszym stopniu odpady kierowane są do zamkniętej komory o działaniu okresowym. Komory do tlenowego rozkładu odpadów mogą pracować jako statyczne lub dynamiczne. Obrotowy bęben o takim działaniu nosi nazwę biostabilizatora. W biostabilizatorze dzięki specjalnej konstrukcji, ożebrowań następuje rozdrabnianie i homogenizacja odpadów. Kontrolowana temperatura i wilgotność pozwalają na intensywny przebieg procesów biochemicznego rozkładu masy organicznej odpadów z udziałem fermentacji tlenowej (przy optymalnej podaży powietrza). Wydzielone ciepło (temperatura w biostabilizatorze dochodzi do 70oC) przyspiesza rozwój odpowiednich mikroorganizmów mezofilnych i termofilnych. W tej temperaturze następuje higienizacja nierozkładalnych części, jak plastiki, metale, kamienie.

Z rozkładem mikroorganizmów związane jest wytwarzanie substancji antybiotykowych, co dodatkowo higienizuje masę.

Po procesie biostabilizacji (1 – 3 doby, zależnie od konstrukcji urządzenia) masę kompostową – tzw. Kompost grzejny – układa się w pryzmach na polu kompostowym, gdzie następuje drugi stopień technologiczny, stabilizacja kompostu. W systemie dwustopniowym stabilizacja w pryzmach nie wymaga już tak długiego czasu jak w systemie 1-stopniowym, gdyż dominujące procesy z udziałem mikroorganizmów tlenowych zostały zintensyfikowane w biostabilizatorze. Dlatego dojrzewanie po biostabilizatorze trwa tylko około 3 do 6 tygodni (zależnie od warunków pogodowych).

6. A co z małymi kompostowniami przydomowymi ?

W krajach zachodnich na dużą skalę rozwinęło się kompostowanie „w miejscu powstania odpadów”. Rezultatem tego w osiedlach mieszkaniowych tworzy się osiedlowe kompostownie, które stanowią zamykane skrzynie drewniane. Jeszcze innym rozwiązaniem są małe kompostowniki przydomowe przeznaczone dla pojedynczych gospodarstw.

Ideę tworzenia kompostowni przydomowych starają się wdrażać społeczeństwa dobrobytu (Szwecja, Niemcy). Przykładowo w Monachium (1,3 mln ludności) w roku 1990 było ponad 1500 kompostowni przydomowych. Wszystkim ochotnikom władze miasta refundują 60% kosztów zainstalowania pojemnika, a odpowiednia edukacja ekologiczna wraz z systemem zachęt materialnych (konkursy) przysparza coraz więcej chętnych do zajęcia się kompostowaniem w systemie przydomowym.

Odpadki organiczne (kuchenne oraz odpady zielone z ogródków) składuje się
w skrzyniach, przysypuje słomą lub trocinami. Odpady są okresowo mieszane. Mieszkańcy wykorzystują kompost pod uprawy w ogródkach przydomowych.

Ten system gwarantuje pozyskiwanie kompostu bardzo wysokiej jakości, ponieważ sami mieszkańcy są zainteresowani „czystością ekologiczną” kompostu. Istnieje zatem małe prawdopodobieństwo zanieczyszczenia kompostu metalami ciężkimi, czy choćby balastem mineralnym jak: szkło, kamienie, ceramika. System ten rozpowszechniony jest np. w Szwecji, Danii, Niemczech.

7. Jak oddzielić odpady organiczne od odpadów nie ulegających rozkładowi biologicznemu ?

Automatyczny system segregacji odpadów niezależnych jest na ogół kosztowny i często niewystarczająco efektywny. Najczęściej wspomagany jest ręcznie.

Duży problem techniczny stanowi segregacja tworzyw sztucznych. Jedną z metod jest sposób polegający na wykorzystaniu różnicy w termoodkształcalności różnych tworzyw. Opakowania plastikowe poddawane są na taśmie działaniu wysokiej temperatury, pod wpływam której wyroby z tworzyw sztucznych o niższej temperaturze mięknienia deformują się do placków. Dzięki zainstalowanej listwie na pewnej wysokości transportera opakowania podlegają rozselekcjonowaniu na 2 asortymenty: zdeformowane termicznie
i niezdeformowane. Sposób ten jest ograniczony do wyrobów o zbliżonej wysokości, wiąże się z koniecznością ustawienia w tej samej pozycji. Bardziej doskonałym sposobem segregacji tworzyw (ale kosztownym) jest metoda segregacji za pomocą spektrometru. Umożliwia ona podział na tworzywa z grupy: PE (polietylen), PS (polistyren), PP (polipropylen), PVC (polichlorek winylu), PET (politeraftalan etylenu), PA (poliamid).

Tworzywa na taśmie analizuje się za pośrednictwem czytnika umieszczonego nad taśmą, po czym pneumatycznie selekcjonuje do oddzielnych pojemników.

8. Fermentacja metanowa odpadów – proces beztlenowy.

Rozkład organicznej frakcji odpadów można także prowadzić z wykorzystaniem fermentacji metanowej – procesu beztlenowego biotermicznego. Według tej technologii pracuje szereg zakładów na świecie (Niemcy, Szwecja, Dania, Finlandia).

W tym procesie rozkład substancji organicznych następuje w ciągu dwóch tygodni. Uzyskany w postaci produktów rozkładu metan wykorzystywany jest do celów energetycznych. Stały produkt końcowy po stabilizacji tlenowej – biohumus – jest wartościowym kompostem.

Proces składa się z następujących etapów:

• przygotowanie wsadu
• fermentacji beztlenowej w reaktorze
• odwodnienia przefermentowanego humusu

Przygotowanie wsadu polega na ujednorodnieniu składników, podgrzaniu do odpowiedniej temperatury. Przygotowany wsad transportowany jest do bioreaktorów. Fermentacja beztlenowa odbywa się w temperaturze mezofilnej (35oC) i trwa od 15 do 25 dni. Po pasteryzacji masa jest suszona, napowietrzana i mieszana.

Z części organicznych odpadów można odzyskać 35% kompostu, 13% biogazu, 42% recylkulatu i 10% stanowi balast.

Pojemność jednego bioreaktora może wynosić nawet 5000 m3, co odpowiada potrzebom 200 tysięcznego miasta.

9. Jak wygląda uciążliwość zapachowa instalacji biologicznej ?

Problem kompostowni odpadów powinien być rozpatrywany zarówno pod kątem bezpieczeństwa (zagrożenie wybuchem lub samozapłonem emitowanych gazów), jak również pod kontem emisji odorów.

W pierwszej, tlenowej fazie fermentacji zapachowa uciążliwość uwalnianych gazów jest stosunkowo niewielka. W drugiej fazie pojawia się niedobór tlenu, sprzyjający fermentacji kwasowej, prowadzącej do produktów o nieprzyjemnym zapachu. Faza przemian beztlenowych procesów biodegradacji organicznej masy odpadów, zachodzących pod wpływem mikroorganizmów jest głównym źródłem substancji zapachowych, m.in.: monometyloaminy, dimetyloaminy i trimetyloaminy, monoetyloaminy, dietyloaminy
i trietyloaminy, siarkowodór, metanotiole, etanotiole i butanotiole, kwas mrówkowy, octowy i propionowy, metanol, etanol i n-butanol.

Przyjmuje się, że zawartość części organicznych w ogólnej ilości odpadów miejskich wynosi 30-45%. Z jednej tony odpadów powstaje około 400m3 gazu.

Stężenie zapachowe w strumieniu gazów odlotowych z kompostowni zmienia się
w zakresie od około 9000 ou/m3 do około 200000 ou/m3 (zależnie od fazy cyklu kompostowania) Podstawą prognoz może być wartość jednostkowego strumienia odorów: 400 ou/m2*h. Zapach składowisk o powierzchni ok. 16ha może być wyczuwany przez 5-8% czasu roku w odległości większych niż 800 m od źródła Wobec powyższego oczyszczanie gazów wysypiskowych jest koniecznością, a skutecznymi urządzeniami służącymi do tego celu są filtry biologiczne Średnio skuteczność biofiltrów waha się między 80 a 99%.

W wielu krajach europejskich i pozaeuropejskich określono zapachowe standardy imisyjne jako najwyższy dopuszczalny percentyl stężenia zapachowego w powietrzu, standardy dotyczące emisji zapachowych lub diagramy minimalnych odległości źródeł emisji od budynków mieszkalnych. Na przykład w Niemczech decyzje dotyczące różnych rodzajów działalności potencjalnie uciążliwej zapachowo, poprzedzone oceną „obciążenia istniejącego” (tło) według niemieckich wytycznych (VDI 3940), są podejmowane na podstawie danych o emisji odorów z analogicznych obiektów oraz wyników symulacji rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w powietrzu. W Polsce, ze względu na niejednoznaczną formę zapisów ustawowych i brak odpowiednich rozporządzeń wykonawczych, uciążliwe zapachowo zakłady pozostają niemal bezkarne. Wystarczy, że prowadzą działalność zgodnie z zapisami odpowiednich decyzji administracyjnych, nie nakazujących ograniczania zapachowej uciążliwości.

10. Odpady ulegające biodegradacji w Krajowym planie gospodarki odpadami

Polskie akty prawne

• Uchwała Rady Ministrów Nr 233 z dnia 29 grudnia 2006 r. w sprawie ”Krajowego planu gospodarki odpadami 2010r” (M.P. Nr 90, poz. 946). Wejście w życie: 1 stycznia 2007 r.

Dyrektywy Europejskie

• Dyrektywa 1999/31/WE w sprawie składowania odpadów
• Decyzje Rady z 19 grudnia 2002r ustanawiające kryteria i procedury akceptacji odpadów na składowiskach stosownie do art. 16 i aneksu II dyrektywy 1999/31/EC.

Cele Krajowego planu gospodarki odpadami:

• zmniejszenie ilości wszystkich odpadów kierowanych na składowiska odpadów,
• składowanie wyłącznie przetworzonych odpadów,
• zamkniecie do końca 2009 r. wszystkich krajowych składowisk nie spełniających przepisów prawa,
• wyeliminowanie praktyki nielegalnego składowania odpadów

Redukcja składowania odpadów komunalnych ulegających biodegradacji

• w 2010 r. składowanych nie więcej niż 75%,
• w 2013 r. składowanych nie więcej niż 50%,
• w 2020 r. składowanych nie więcej niż 35% masy tych odpadów wytworzonych w 1995r.

11. Jakie odpady ulęgają biodegradacji ?

• Papier i tektura, szczególnie opakowania zbiorcze, gazety, książki, materiały reklamowe – ok. 0,7-1mln Mg
• Odpady „zielone” z pielęgnacji ogrodów i parków – ok. 0,3 mln Mg
• Odpady organiczne – z przygotowania posiłków Tkaniny – ok. 0,007 mln Mg
• Odpady ulęgające biodegradacji w odpadach zmieszanych – ok. 4,6 – 4,0 mln Mg

Szacowana masa odpadów komunalnych ulegających biodegradacji do zagospodarowania innymi metodami niż składowanie (w celu wyeliminowania substancji ulegających biodegradacji) według Krajowego planu gospodarki odpadami 2010:

• w 2010 r. – 2,5 mln Mg;
• w 2013 r. – 3,5 mln Mg;
• w 2018 r. – 3,6 mln Mg.