Αξιοποίηση του βιοαποδομήσιμου κλάσματος απορριμμάτων με χρήση πρότυπου συστήματος οικιακού τύπου

Abstract

The biological treatment of biodegradable waste (BW), such as composting, represents an alternative method through which recycling and reuse of waste are achieved, contributing to various environmental, financial and social benefits. Home composting process has the potential to positively contribute towards a more efficient approach in the whole BW management system at local or even at national level. This research aims to investigate the treatment and reuse of BW using a prototype composting system. To meet this aim a prototype composting system was designed by the UNIT OF ENVIRONMENTAL SCIENCE AND TECHNOLOGY OF NTUA. The evaluation of the system efficiency was based on (a) the control and monitoring of the bioreactor operation through a series of experiments, (b) the quality characterization of the end product (compost) and (c) the reaction kinetics simulation of the composting process in regard to the biodegradable organic matter losses of the substrate. The first stage of the system evaluation involves the study of several food wastes and their mixtures. The study of the composting process has three objectives. The initial objective is the calculation of the time required for the reaction to be completed in the bioreactor. The experimental results showed that after 18-20 days from the beginning of the process the reactions were completed. The next objective was the study of the C/N ratio of the substrate, which is the basic parameter influencing the whole process and also the evaluation of the final product. It was proved that the process of composting in the reactor is developed well in all the substrates with different initial C/N ratios. The third objective of the study has to do with the effect of the use of additives in the substrate in the development of the process and in the improvement of the final product. The second stage involves the quality characterization of the produced compost based on the determination of its maturity and stabilization level. With respect to the physicochemical properties, compost moisture content and pH were within the desired range while the C/N ratio varied, in most cases, at favourable levels. The final stage of the evaluation refers to the simulation of the bioxidation reaction kinetics of the VS of the substrate in order to investigate the biodegradation reaction rate and biodegradation level of the VS achieved. A first-order kinetic model was developed based on the VS losses during composting. In conclusion, various BW mixtures can be treated effectively using the in-vessel composting system while a final added-value product, suitable for land application, was obtained. Therefore, the composting system can potentially contribute to the sustainable management of this waste stream and to the promotion of an alternative food waste management approach through small and autonomous systems.

Τα βιοαποδομήσιμα οικιακά απορρίμματα αντιπροσωπεύουν σημαντικό μέρος της συνολικής παραγόμενης ποσότητας των οικιακών απορριμμάτων, η ορθολογική επεξεργασία των οποίων καθίσταται επιτακτική για τη βιώσιμη διαχείριση αυτού του ρεύματος των αποβλήτων. O στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η διερεύνηση της επεξεργασίας και επαναχρησιμοποίησης των βιοαποδομήσιμων οικιακών απορριμμάτων με χρήση πρότυπου συστήματος οικιακής κομποστοποίησης, το οποίο θα μπορεί να χρησιμοποιείται αυτόνομα από κάθε νοικοκυριό, για τη διαχείριση της ροής αυτής των αποβλήτων. Για την επίτευξη αυτού του στόχου σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε πρότυπος οικιακός κομπoστοποιητής από τη Μονάδα Περιβαλλοντικής Επιστήμης και Τεχνολογίας ΕΜΠ. Πραγματοποιήθηκαν πειραματικοί κύκλοι στους οποίους λειτούργησε και αξιολογήθηκε το πρότυπο σύστημα κομποστοποίησης, με το οποίο δύναται να επιτευχθεί η επεξεργασία διαφορετικών μιγμάτων των βιοαποδομήσιμων οικιακών αποβλήτων. Η αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας και της λειτουργικότητας του συστήματος βασίστηκε (α) στον έλεγχο και στην παρακολούθηση μιας σειράς πειραματικών εφαρμογών εντός του βιοαντιδραστήρα, όπου εξελίσσεται η διεργασία της κομποστοποίησης, (β) στο χαρακτηρισμό της ποιότητας του τελικού προϊόντος (κόμποστ) και (γ) στην προσομοίωση της κινητικής αντιδράσεων κομποστοποίησης αναφορικά με τη βιοαποδόμηση των πτητικών στερεών του υποστρώματος. Στο πρώτο στάδιο μελετήθηκε η διεργασία της κομποστοποίησης. Συμπερασματικά, κατά τον έλεγχο και την παρακολούθηση των πειραματικών εφαρμογών παρατηρήθηκε ότι οι κρίσιμες λειτουργικές παράμετροι της θερμοκρασίας, της υγρασίας και του οξυγόνου εξελίχθηκαν σε επιθυμητό εύρος τιμών, όπως αυτό απαιτείται για την αερόβια βιολογική επεξεργασία των αποβλήτων. Το γεγονός αυτό αποδίδεται στις ελεγχόμενες συνθήκες ανάδευσης και αερισμού του οργανικού υλικού εντός του βιοαντιδραστήρα. Η προσθήκη ορυκτών τροποποιεί τις φυσικές ιδιότητες του οργανικού υποστρώματος με την απορρόφηση νερού και με την αύξηση του πορώδους του υποστρώματος. Το δεύτερο στάδιο της αξιολόγησης του συστήματος κομποστοποίησης αποτέλεσε ο χαρακτηρισμός της ποιότητας του παραγόμενου κόμποστ με βάση το βαθμό ωρίμανσης και σταθεροποίησής του. Ο χαρακτηρισμός του τελικού προϊόντος περιλαμβάνει τον προσδιορισμό των φυσικών, χημικών και βιολογικών του ιδιοτήτων σε σχέση με αντίστοιχους δείκτες που προτείνονται από τη διεθνή επιστημονική βιβλιογραφία. Αναφορικά με τα βιολογικά χαρακτηριστικά, το παραγόμενο κόμποστ θεωρήθηκε φυτοθρεπτικό το οποίο αποτελεί ένδειξη απουσίας φυτοτοξικών ενώσεων. Το τελικό στάδιο αξιολόγησης του συστήματος κομποστοποίησης αφορά στην προσομοίωση της κινητικής αντιδράσεων βιοξείδωσης της οργανικής ουσίας του υποστρώματος. Η ανάλυση της κινητικής αντιδράσεων βιοξείδωσης αφορά στην κινητική εξίσωση πρώτης τάξης βασιζόμενη στις απώλειες των πτητικών στερεών κατά την κομποστοποίηση του υποστρώματος. Η προσαρμογή του μοντέλου κινητικής πρώτης τάξης στα πειραματικά δεδομένα εμφανίστηκε ικανοποιητική τόσο ποιοτικά όσο και ποσοτικά. Συμπερασματικά, τα διαφορετικά μίγματα βιοαποδομήσιμων οικιακών απορριμμάτων δύναται να επεξεργαστούν αποτελεσματικά με το πρότυπο σύστημα κομποστοποίησης παράγοντας παράλληλα ένα τελικό προϊόν με προστιθέμενη αξία που διαθέτει τα απαιτούμενα χαρακτηριστικά για την επαναχρησιμοποίησή του στο έδαφος. Επομένως, το παρόν σύστημα μπορεί να συμβάλλει στη βιώσιμη οικιακή διαχείριση του ρεύματος αυτού των οργανικών οικιακών αποβλήτων και στην προώθηση της εναλλακτικής προσέγγισης διαχείρισης των οικιακών αποβλήτων μέσω μικρών αυτόνομων διατάξεων.