Kompostovanie
Princíp
Kompostovací proces sa v súčasnosti považuje predovšetkým za spôsob nakladania s odpadom, resp. spôsob stabilizácie organického odpadu, záhradného odpadu, hnoja, odpadových kalov, resp. komunálneho odpadu. Stabilizovaný finálny produkt (kompost) má široké uplatnenie pri zlepšovaní pôdnej štruktúry, poskytuje rastlinám živiny a uľahčuje obnovu rastlinného krytu narušenej alebo erodovanej pôdy (Cole et al., 1994, 1995; Harmsen et al., 1994; McNabb et al., 1994). Kontaminovaná zemina (sediment, kal...) sa zmieša s nadľahčovacím organickým materiálom (drevná štiepka, piliny, slama, kôra, zelený odpad), aby sa dosiahla dobrá pórovitosť, upraví sa pomer C : N (väčšinou 30 : 1) a kontaminovaná zemina sa uloží na hromady, do ktorých sa intenzívne vháňa kyslík. Prítomné znečisťujúce látky sa aeróbne biologicky rozložia, prípadne sa čiastočne sorbujú na vznikajúce humínové látky (Matějů et al., 2006).
Použiteľnosť
Hoci kompostovanie záhradného odpadu, čistenie komunálnych odpadových vôd, zeminy a komunálneho odpadu sa uskutočňuje niekoľko desiatok rokov, kompostovanie pôdy kontaminovanej nebezpečnými materiálmi je ešte stále pomerne nová technológia. Preukázalo sa, že kompostovanie je účinné pri biologickom odbúravaní výbušnín a polyaromatických uhľovodíkov v znečistených pôdach (Berg a Eggen, 1991).
Kompostovanie sa môže použiť na čistenie pôdy alebo sedimentov kontaminovaných biologicky rozložiteľnými znečisťujúcimi látkami. Aeróbne termofilné kompostovanie znižuje koncentráciu a toxicitu výbušnín (TNT, RDX, pikrát amónny, polychlórovaných bifenylov a niektorých ďalších perzistentných organických znečisťujúcich látok) (US EPA, 1998).
Základná charakteristika
Tradičné kompostovanie netoxických organických materiálov je založené na vhodnom zvolení postupu, dôkladnom miešaní, prevzdušňovaní, ošetrovaní a stabilizácii kompostu určeného na trh produktov, aby sa výsledok dosiahol v najkratšom možnom čase za minimálne náklady. Kompostovanie kontaminovaných pôd má však odlišné ciele (degradáciu kontaminantu). Preto teplota, čas, pomer C : N, vlhkosť a pórovitosť sú menej dôležité aspekty. Termofilná teplota vykazuje významný vplyv na degradáciu niektorých kontaminantov (napr. polycyklické aromatické uhľovodíky), ale zvyšuje sa riziko odparovania plynov. V niektorých prípadoch môžu byť potrebné anaeróbne podmienky na degradáciu vysoko chlórovaných zlúčenín krokom, ktorý nasleduje po aeróbnej degradácii a vedie k čiastočnej dechlorácii zlúčenín, ako aj ďalších zložiek. Aeróbne mikrobiálne procesy majú význam pri náprave životného prostredia prostredníctvom denitrifikácie, mikrobiálnej redukcie železa, sulfido- a metanogenézy. Sulfidogenéza a mikrobiálna redukcia železa môžu pomôcť odstrániť halogény a mineralizovať chlórované a brómované aromatické zlúčeniny (Coker, 2006).
Všetky metódy kompostovania sa vyznačujú podobnými charakteristikami, funkciami a procesmi. Iniciálna vysoká mikrobiálna aktivita a produkovanie tepla spôsobuje, že teplota v kompostovanom materiáli rýchlo stúpa na úroveň 50 ºC a viac. Tento teplotný rozsah sa udržiava periodickým otáčaním alebo kontrolovaným prúdením vzduchu (Viel et al., 1987). Po spotrebovaní rýchlo odbúrateľných zložiek počas fázy stabilizácie (curing stage) teplota postupne klesá. Na konci tejto fázy, keď už neprebieha samootepľovanie, je kompost pripravený na použitie. Počas rôznych teplotných fáz prebiehajú podstatné zmeny v mikrobiálnej populácii a druhovej abundancii (Gupta et al., 1987). Mezofilné baktérie a huby sú dominantné v počiatočnom období otepľovania, termofilné baktérie (najmä aktinomycéty) počas fázy vysokej teploty a mezofilné baktérie a huby počas fázy stabilizácie (Finstein a Morris, 1975). Výsledný kompost má vysokú mikrobiálnu rozmanitosť s oveľa vyššou populáciou mikroorganizmov ako úrodné produkčné pôdy a niekoľkonásobne vyššou ako narušené alebo kontaminované pôdy. Preto proces odbúravania toxických látok biosanáciou kompostovaním trvá oveľa kratšie ako prirodzenou cestou. Populácia mikróbov v kontaminovaných, ako aj produkčných pôdach sa v rôznych obdobiach podstatne líši. Vo väčšine prípadov prídavok kompostu výrazne zvyšuje mikrobiálnu populáciu a aktivitu. Vzhľadom na to, že mikroorganizmy sú primárne činitele, ktoré degradujú organický materiál, zvýšenie mikrobiálnej denzity môže akcelerovať rozklad kontaminantov (Cole et al., 1994). Mikrobiálna skladba v pôdnom systéme je značne pozmenená vplyvom vstupných organických látok (Martin et al., 1992).
Počas procesu kompostovania sa objaví výrazná zmena v chemickom zložení. Väčšina východiskových materiálov na kompostovanie sú rastlinné zvyšky, ktoré obsahujú uhlík vo forme polysacharidov (celulóza a hemicelulóza), lignín a tanín. Výsledný produkt má nízky obsah polysacharidov, pretože sa spotrebúvajú na výstavbu buniek mikroorganizmov. Organická hmota predstavuje sušinu, zvyšok sú minerálne látky. Kombináciou vysokého obsahu organických látok a rozličných minerálnych látok je kompost výborným adsorbentom organických aj anorganických látok (US EPA, 1998).
Podobne ako pri procesoch v najvrchnejšej vrstve pôdy, organické látky sa rozkladajú na základné látky. Prestavbovými postupmi sa v priebehu rozkladu vytvárajú vysokomolekulárne väzby. Zúčastňujú sa na tom dva druhy mikroorganizmov. V dobre prevzdušnených zónach sú to aeróbne baktérie, v zónach s malou výmenou vzduchu anaeróbne organizmy. Voľný kyslík v organických zlúčeninách sa pri aeróbnom rozklade väčšinou spáli na CO2. Riadenie rozkladu spočíva v zabezpečovaní aeróbneho procesu v komposte (najmä v počiatočných fázach). Anaeróbne procesy nevedú k úplnému odbúravaniu kontaminantov. Pri dozrievaní kompostu je kvôli tvorbe kvalitného humusu vhodné striedanie aeróbnych a anaeróbnych fáz (www.bioodpady.sk).
Pri aeróbnom priebehu procesov sú živiny (proteíny a ich aminokyseliny, lipidy a sacharidy) relatívne ľahko prístupné mikroorganizmom a kontaminanty sa môžu rýchlo odbúrať. To sa deje počas uvoľňovania energie (vo forme tepla) a vedie cez rôzne medzistupne ku konečným produktom – CO2 a vode, ako to znázorňuje obr. 4.1.22.
Obr. 4.1.22. Zjednodušená schéma kompostovacieho procesu (Rynk et al., 1992).
Na to, aby sa dosiahol rýchly rozklad organických látok a vysoká biodegradačná aktivita mikroorganizmov, je potrebné v základke zaistiť hmotnostný pomer C : N v rozmedzí 20 : 1 až 40 : 1, optimálne 25 : 1 až 30 : 1. Je to možné dosiahnuť vhodnou voľbou vstupných surovín alebo prídavkami poľnohospodárskych minerálnych hnojív. Veľmi dôležitý je obsah vlhkosti v základke v rozmedzí 40 až 60 hm. % (Matějů et al., 2006).
Celulóza, lignín a minerálne látky slúžia v prvom rade na tvorbu humusu. Sú priamo zabudované do humusu. Proteíny, aminokyseliny a dusík, naproti tomu, musia prejsť premenou. Z odbúravania ľahko dostupných látok a humusu sa môže znovu vytvoriť dusík, ktorý môžu rastliny priamo využiť. Pri zodpovedajúcom obsahu vzduchu, vlhkosti a živín sa mikroorganizmy rozmnožujú a biochemicky premieňajú živiny. Energia, ktorú mikroorganizmy použijú na látkovú výmenu, sa uvoľňuje vo forme tepla podporujúceho rozklad. Organický materiál je zlý vodič tepla, preto sa teplo hromadí (samootepľovanie). Vyššia teplota (55 – 70 °C) je vhodná na odbúravanie. Dohľad nad priebehom rozkladu pomáha rýchlo spoznať možné poruchy procesu mineralizácie. Kontrolovanie priebehu teploty v komposte je najjednoduchší ukazovateľ správneho priebehu rozkladného procesu, a preto jej meranie a evidencia patrí medzi základné podmienky kontroly procesu kompostovania (Semple et al., 2001; US EPA, 1995c; www.bioodpady.sk).
Proces kompostovania pozostáva z nasledujúcich fáz (US EPA, 1995c; www.bioodpady.sk):
• Fáza rozkladu. Mikroorganizmy odbúravajú rozličné živiny prítomné v organických materiáloch. Tým sa uvoľňuje energia a kopa sa otepľuje. Popritom vznikajú plynné produkty, najmä CO2 a voda. Po ľahkom nahromadení dobre premiešaného materiálu a pri dostatku vlhkosti a kyslíka prebieha proces rozkladu v ďalších fázach, pričom prechody sú plynulé a jednotlivé štádiá sa nedajú vždy presne oddeliť.
• Fáza odbúravania. Rozklad mikrobiologickou činnosťou prebieha v prvých dňoch veľmi rýchlo. Teplota môže dosiahnuť (v závislosti od vstupných materiálov) až 70 °C. Ľahko odbúrateľné makromolekuly ako bielkoviny a škrob podporujú rozmnožovanie a činnosť baktérií. Ich látkovou výmenou vzniká teplo. Jednoduché molekuly, ktoré vznikli rozkladom makromolekúl, odchádzajú z kompostu ako plyny alebo vo výluhu, alebo sa využijú na tvorbu buniek mikroorganizmov či humusových látok (v ďalších fázach). Pri dodržiavaní základných zásad kompostovania zostáva prevažná väčšina živín v komposte. Po 3 – 6 týždňoch odbúravacie baktérie odumierajú a slúžia ďalším mikroorganizmom a hubám ako potrava. Teplota postupne klesá.
• Fáza prestavby. Ťažko odbúrateľné látky (kryštalická celulóza a lignín) sa rozkladajú hubami. Mikrobiologická činnosť ustupuje. Pri procesoch prestavby bielkovinového materiálu sa uvoľňuje amoniak. Nastupuje tvorba dusičnanov. Teplota sa pohybuje medzi 30 – 45 °C. Už čiastočne rozložený kompost postupne klesá (zosadá).
• Fáza výstavby. Nastupuje tvorba humusových látok a hromadné rozmnožovanie malých živočíchov ako roztoče, chvostoskoky a nematódy, ktoré brzdia rast húb. Prichádzajú aj niektoré druhy dážďoviek, najmä Eisenia foetida, zodpovedné za tvorbu stabilných hrudiek alebo koprolitov (výkaly dážďoviek, ktoré majú výborné hnojivové a fytosanitárne vlastnosti).
• Fáza stabilizácie a dozrievania. Prechod do poslednej fázy je plynulý. Tvorba humusu a mineralizácia sa končia. Kompostovacie dážďovky opúšťajú kompostovaciu kopu. Vzniknutý zrelý kompost obsahuje dlhodobo viazané živiny a prispieva k vylepšeniu pôdy. Humusové látky mu dávajú tmavohnedú farbu. Ľahká a hrudkovitá štruktúra napovedá o dokončenom procese rozkladu.
Kompostovanie prebieha niekoľkými rôznymi postupmi podľa zvolenej technológie:
• Kompostovanie v riadkoch. Organický odpad sa ukladá do dlhých riadkov a periodicky sa prevzdušňuje, buď ručne, alebo mechanicky (Rynk et al., 1992). Ideálna výška kopy je v rozmedzí 1,2 až 2,4 m, pričom takáto kopa je dostatočne veľká na vytvorenie a udržanie vhodnej teploty, zároveň je však ešte umožnené prúdenie kyslíka do samotného jadra. Ideálna šírka je 4,3 až 4,9 m. Na dosiahnutie lepšej kvality kompostu možno používať špeciálne krytiny .
• Kompostovanie s núteným prevzdušňovaním. Pri tomto spôsobe sa organický materiál neprestajne premiešava v jednej veľkej hromade. Pri prevzdušňovaní kopy preniká vzduch cez voľne uložené vrstvy plniva. Prevzdušňovanie sa zabezpečuje sieťou potrubí, ktoré môžu pracovať na princípe tlakovej, resp. podtlakovej aerácie, schematicky znázornené na obr. 4.1.23. Vzduch sa vháňa cez kompost a zapáchajúce prchavé látky sa odstraňujú biofiltrom (Willson et al., 1980).
• Kompostovanie v boxoch. Kompostovanie v boxoch sa uplatňuje predovšetkým pri kompostovaní problematickejšieho odpadu, akým je napr. odpad z vývarovní, potravinárskeho priemyslu a podobne. Výhodou kompostovania v boxoch je aj úspora miesta. V uzavretých boxoch je aj možnosť filtrácie vzduchu. Tým sa výrazne potláča zápach a znižujú sa emisie záťažových plynov do atmosféry (www.bioodpady.sk).
• Kompostovanie v rotačnom bubne. Rotačný bubnový kompostovač je navrhnutý na kontinuálne spracovanie surového odpadu. Materiál kompostu je počas 3 – 5 dní v izolovanom bubne a dosahuje teplotu 55 až 60 °C. Zápach sa koncentruje a biologicky filtruje. To je riešenie pri zapáchajúcom odpade. Po kompostovaní sa dosiahne výrazná redukcia zápachu, ako aj patogénnych organizmov.
Obr. 4.1.23. Návrh kompostovacieho systému s prevzdušňovaním (Willson et al., 1980).
Vysvetlivky: 1 – vrchná vrstva hotového kompostu, 2 – dobre premiešaný nespracovaný materiál, 3 – pórovitý základ, 4 – perforovaná trubka, 5 – zachytávač kondenzátu (odlučovač), 6 – nasávanie, 7 – tlak, 8 – kompresor, 9 – zápachová filtračná kopa odlučeného kompostu
Výhody a limitácie
Existujú viaceré spôsoby biosanácie kontaminovanej zeminy ex situ (napr. obrábanie, kompostovanie). Spomedzi nich má kompostovanie výhody najmä kvôli relatívne nízkym kapitálovým a prevádzkovým nákladom, jednoduchej obsluhe a relatívne vysokej účinnosti čistenia. Výhodou kompostovania je aj to, že kontaminanty neprechádzajú do inej zložky životného prostredia (US EPA, 1995c). Výhodou kompostovania v boxoch je úspora miesta.
Potenciálnou nevýhodou kompostovania v porovnaní s inými biosanačnými metódami sú požiadavky na časté zmeny v systéme. Tieto zmeny môžu napr. výrazne zvýšiť objem kompostu (Freeman a Harris, 1995). Nevýhodou je často veľká priestorová náročnosť na biologickú degradáciu (US EPA, 1998). Ťažba kontaminovaných zemín môže zároveň spôsobiť nekontrolované uvoľňovanie prchavých organických zlúčenín. Kompostovanie má súčasne za následok zvýšenie objemu materiálu, ako aj zmenu jeho materiálových vlastností. Aj keď sa koncentrácia kovov môže znížiť, ťažké kovy z kontaminovanej pôdy/substrátu sa touto metódou nemôžu odstrániť. Vysoká hladina ťažkých kovov môže byť toxická pre mikroorganizmy, čo inhibuje ich rast (FRTR, 2008).
Trvanie čistenia a účinnosť
Čas čistenia je veľmi rozdielny a pohybuje sa v rozmedzí niekoľko dní až 18 mesiacov. Závisí predovšetkým od charakteru znečisťujúcich látok, od ich vstupnej koncentrácie a sanačných limitov. Ďalším podstatným faktorom je dostatok organických látok na kompostovanie a dodržanie technologických parametrov nevyhnutných na rýchly rozklad znečisťujúcich látok. Nedávna štúdia skúmala degradáciu herbicídu dicamba počas procesu kompostovania (Dooley et al., 1995). Úspešná sanácia sa dosiahla už za 52 dní. Typická degradácia dicamba v pôde bez kompostovania je 1 až 2 mg . kg–1 . mesiac–1 (Goring et al., 1975). Preto odbúravanie vysokej koncentrácie dicamba bez použitia kompostovania môže trvať 1 rok a viac (Dooley et al., 1995).
Náklady na sanáciu kompostovaním sa líšia v závislosti od množstva pôdy/zeminy, ktorá sa má ošetriť, zmiešavacieho pomeru pôdy pri kompostovaní, dostupnosti a nákladov potrebných na vykonanie zmien, druhu kontaminantu a zvoleného pracovného postupu (Coker, 2006). Kľúčové faktory ovplyvňujúce náklady na sanáciu kompostovaním predstavujú (FRTR, 2008):
• kontaminant – druh kontaminantu predstavuje hlavnú nákladovú položku pri kompostovaní,
• pôdny druh/totálny obsah organického uhlíka (TOC) – pri pôdach/zeminách s vyššou hustotou (jemne zrnitý piesok, štrk) sú náklady na kompostovanie nižšie, zatiaľ čo pri pôdach s vyšším TOC sú náklady vyššie (hustota ovplyvňuje množstvo pôdy, ktoré sa má ošetriť, zatiaľ čo percentuálny obsah TOC indikuje úroveň kontaminácie).
© Atlas sanačných metód environmentálnych záťaží
Autori: Jana Frankovská, Jozef Kordík, Igor Slaninka, Ľubomír Jurkovič, Vladimír Greif,
Peter Šottník, Ivan Dananaj, Slavomír Mikita, Katarína Dercová a Vlasta Jánová
Štátny geologický ústav Dionýza Štúra, Bratislava 2010, 360 s,
ISBN 978-80-89343-39-3