Optimization and development of techniques for the assessment of organic substrates stability

Abstract

The assessment of organic substrates, and of biodegradable organic matter in general, stability has been troubling scientists for quite a few decades now. As a result, numerous stability assessment methodologies, indices and limits have been proposed over the years. Stability is the extent to which a substrate has been decomposed due to microbial activity. Stability of organic substrate is commonly assessed via microbial respiration activity techniques that are classified into solid-phase (where the substrate is placed as solid in the respirometer) and liquid-phase (where substrate is immersed into a liquid solution, which is stirred to allow aeration). Another categorization of stability methods is into static (in which oxygen consumption is determined either through manometric principles or using sensors placed in the headspace of the reactors) and dynamic ones (in which oxygen uptake and carbon dioxide generation are determined by measuring the difference between the inlet and the outlet of the reactor), depending on the absence or presence of a continuous air flow, respectively. The purpose of the present doctoral thesis is to assess the biological stability of twenty-seven (27) organic substrates of variable sources and biodegradability; five (5) “raw” and twenty-two (22) “processed” materials. Four different methods and their corresponding indices were studied; the SOUR liquid-phase method, a newly developed manometric liquid-phase (MANLIQ) method, a static solid-phase method and a dynamic solid-phase method. The developed manometric liquid-phase (MANLIQ) has a 7-day duration period and requires relatively simple apparatus that uses manometric heads and common BOD glass bottles that are used in most environmental laboratories. It can provide more representative stability indices for the composting process, than the 48-h SOUR liquid-phase test, due to its longer experimental duration (7 days). The indices calculated from the MANLIQ test were positively correlated with the corresponding indices of the solid phase tests only for raw (unprocessed) organic substrates. However, a statistically non-significant correlation was calculated with the corresponding static phase indices for processed (stable) substrates. The solid-phase methods (static and dynamic) should be preferred over the liquid-phase method to assess stability for various organic substrates, since MANLIQ indices failed to show a negative correlation with processing time, as opposed to the solid-phase indices. The static solid phase respiration test can be proposed as a relatively simple to use method to assess organic substrate stability for both fresh, partly stabilized and stabilized matter.

Η εκτίμηση της σταθερότητας των οργανικών υποστρωμάτων, και γενικότερα της βιοαποδομήσιμης οργανικής ύλης, έχει απασχολήσει την ερευνητική κοινότητα κατά τις περασμένες δεκαετίες. Ως εκ τούτου, έχουν προταθεί μέχρι σήμερα πολυάριθμες τεχνικές, μεθοδολογίες, δείκτες και όρια για την εκτίμηση της σταθερότητας. Ως σταθερότητα μπορεί να οριστεί ο βαθμός κατά τον οποίο ένα υπόστρωμα έχει αποδομηθεί λόγω της μικροβιακής δραστηριότητας. Η σταθερότητα ενός οργανικού υποστρώματος εκτιμάται συνήθως μέσω τεχνικών μέτρησης της μικροβιακής αναπνευστικής δραστηριότητας οι οποίες κατατάσσονται σε τεχνικές στερεής-φάσης (κατά τις οποίες το υπόστρωμα τοποθετείται σαν στερεό δείγμα μέσα στο αναπνευσίμετρο) και σε τεχνικές υγρής-φάσης (κατά τις οποίες το υπόστρωμα βυθίζεται σε ένα υγρό διάλυμα, το οποίο αναδεύεται έτσι ώστε να είναι εφικτός ο αερισμός). Μια άλλη κατηγοριοποίηση των μεθόδων εκτίμησης σταθερότητας είναι σε στατικές (κατά τις οποίες η κατανάλωση οξυγόνου προσδιορίζεται είτε μέσω μανομετρικών αρχών είτε με χρήση αισθητήρων που τοποθετούνται στην κορυφή των αντιδραστήρων) και σε δυναμικές (κατά τις οποίες η κατανάλωση οξυγόνου και η παραγωγή διοξειδίου του άνθρακα προσδιορίζονται μετρώντας τη διαφορά μεταξύ της εισόδου και της εξόδου του αντιδραστήρα), αναλόγα με την απουσία ή παρουσία ενός συνεχούς ρεύματος αέρα, αντίστοιχα. Ο σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η εκτίμηση της βιολογικής σταθερότητας είκοσι επτά (27) οργανικών υποστρωμάτων διαφορετικής προέλευσης και βιοαποδομησιμότητας: πέντε (5) «ακατέργαστα» (”raw”) και είκοσι-δύο (22) «επεξεργασμένα» (“processed”) υλικά. Στα παραπάνω υποστρώματα εφαρμόστηκαν και μελετήθηκαν τέσσερις διαφορετικές μέθοδοι εκτίμησης σταθερότητας και οι αντίστοιχοι δείκτες τους: η μέθοδος υγρής-φάσης SOUR, μια νέα μανομετρική μέθοδος υγρής-φάσης που αναπτύχθηκε (MANLIQ), μια στατική μέθοδος στερεής-φάσης και μια δυναμική μέθοδος υγρής-φάσης. Η αναπτυχθείσα μανομετρική μέθοδος υγρής-φάσης (MANLIQ) έχει διάρκεια 7 ημέρων και απαιτεί σχετικά απλό εξοπλισμό, όπως μανομετρικές κεφαλές μέτρησης και κοινά γυάλινα δοχεία BOD, τα οποία υπάρχουν και χρησιμοποιούνται στα περισσότερα χημικά εργαστήρια. Η μέθοδος αυτή παρέχει αντιπροσωπευτικότερους δείκτες σταθερότητας κατά την κομποστοποίηση, συγκριτικά με τη μέθοδο υγρής-φάσης SOUR, κυρίως λόγω της μεγαλύτερης πειραματικής διάρκειας (7 ημέρες και 48 ώρες, αντίστοιχα). Οι δείκτες εκτίμησης σταθερότητας που υπολογίστηκαν μέσω της μανομετρικής μεθόδου υγρής-φάσης (MANLIQ) είχαν θετική συσχέτιση με τους αντίστοιχους δείκτες των μεθόδων στερεής-φάσης μόνο για τα «ακατέργαστα» (”raw”) οργανικά υποστρώματα. Ωστόσο, υπολογίστηκε μια μη-στατιστικά σημαντική συσχέτιση για τα «επεξεργασμένα» (“processed”) υποστρώματα, συγκριτικά με τους αντίστοιχους δείκτες των μεθόδων στατικής-φάσης. Οι μέθοδοι στερεής-φάσης (τόσο οι στατικές, όσο και οι δυναμικές) προκύπτει ότι είναι προτιμότερες κατά της εκτίμηση της σταθερότητας διαφορετικών οργανικών υποστρωμάτων, συγκριτικά με τις αντίστοιχες μεθόδους υγρής-φάσης. Αυτό συμβαίνει καθώς οι δείκτες της μανομετρικής μεθόδου υγρής-φάσης (MANLIQ) απέτυχαν να εμφανίσουν την αναμενόμενη αρνητική συσχέτιση με τον χρόνο επεξεργασίας του υλικού, εν αντιθέσει με τους δείκτες των μεθόδων στερεής-φάσης. Η στατική δοκιμή στερεής-φάσης προτείνεται ως μια -απλή στη χρήση- μέθοδος για την εκτίμηση της σταθερότητας οργανικών υποστρωμάτων, τόσο για ακετέργαστα, όσο και για μερικώς σταθεροποιημένα και σταθεροποιημένα υλικά.