Mezőgazdasági (növénytermesztés, állattartás, erdészeti) hulladékok kezelése és hasznosítása
Dr. Czupy Imre, Vágvölgyi Andrea (2011)
Az optimális körülmények közé kerülő mikroorganizmusok nagy sebességgel szaporodni kezdenek. A hőmérséklet az intenzív anyagcsere hatására gyorsan emelkedik. A bevezető szakasz hossza általában néhány óra, esetleg 1–2 nap. Meg kell jegyezni, hogy a bevezető szakasz jelentősége a gyakorlat és az elmélet szempontjából elhanyagolható, ezért a legtöbb szerző külön nem is említi.
A szakasz kezdetén a szerves anyag lebontásáért olyan mezofil mikroorganizmusok felelősek, melyek hőmérsékleti optimuma 25–30 °C, intenzív anyagcseréjüknek köszönhetően a hőmérséklet folyamatosan emelkedik.
A mezofil mikroszervezetek száma 45 °C-ig növekszik, 50 °C felett már nagy számban pusztulnak el, és 55 °C felett csak tartós formáik maradnak fenn.
Mindez 12–24 órát igényel.
A mezofil mikroflóra pusztulásával egy időben gyorsan szaporodnak a termofil (hőkedvelő) mikroorganizmusok, amelyek hőmérsékleti optimuma 50–55 °C között található.
Bizonyos fajok azonban még 75 °C-on is aktívak maradnak. 75 °C felett már nem zajlanak biológiai folyamatok, hanem a tisztán kémiai folyamatok jellemzőek.
A mezofil mikroorganizmusok anyagcseréje által termelt hő biztosítja a termofil flóra igényeinek megfelelő hőmérsékletet.
Ezen kívül a szervesanyag-átalakító tevékenységük során a tápanyagok jobb hozzáférhetőségét biztosítják a termofil mikroorganizmusok számára.
Ez a szakasz több hétig is eltarthat.
Ebben az érési szakaszban a hőmérséklet jelentősen csökken. Ezenkívül, jelentősen nő a sugárgombák száma, ami a komposztérettség indikátora is lehet.
A mikroorganizmusok elkezdik a nehezen bontható lignin bontását, mely során mono-, di- és trifenol vegyületek keletkeznek.
Ezek összekapcsolódásából épülnek fel a humuszanyagok.
Ezt a szerves anyag humifikálódása jellemzi, amely a komposzt sötét színét eredményezi.
A komposzt hőmérsékletének további csökkenése észlelhető.
Az érésben elsősorban pszikrofil baktériumok és penészgombák működnek közre, melyek hőmérsékleti optimuma 15–20 °C.
3.1. táblázat - A biomasszák csoportosítása
| Időtartam (hét) | Domináns szerv. | ΔT (˚C) | Fő folyamatok | Komposztjellemző | |
|---|---|---|---|---|---|
| Lebontási (termofil) | 1-3. | Baktériumok | 55 - 70 | Higienizálás; Cukor, fehérje, keményítő bontása | - |
| Átalakulási (mezofil) | 3-7. | Gombák | 70 -> 25-30 | Lignin, cellulóz bontása Nitrát képződés Komposzt anyaga összeesik | - |
| Felépítési | 8-12. | Férgek | 20-25 | Keveredés, humifikálódás | Friss komposzt; Gyökereknek még nem elviselhető |
| Stabilizáció, utóérlelő | 13 – 20. | Földigiliszták | 20 | Keveredés; Humuszképződés, mineralizálódás | Érett komposzt, komposztföld |
Ahhoz, hogy a megfelelő minőségű komposzthoz jussunk a komposztálás folyamatának eredményeképpen, szükség van megfelelő körülmények biztosítására, melyek a következők:
A nyersanyagok összeállításánál az egyik legfontosabb tényező a C/N arány, mert a komposztálás során a mikroorganizmusok helyes tápanyagellátásával a veszteséget (elsősorban a nitrogénveszteséget) minimalizálni tudjuk.
Abban az esetben, ha a C/N arány túl szűk, tehát a nitrogén relatíve feleslegben van, a fölös nitrogén a 25:1 arányig ammónia formájában eltávozik.
Ez a folyamat, mely például a baromfitrágya komposztálásakor léphet fel, az intenzív ammónia szagról könnyen felismerhető.
Túl tág C/N arány esetén a folyamat csak nagyon lassan indul be, amikor már a felesleges szén CO2 formájában eltávozott.
Leegyszerűsített alapszabályként elmondható, hogy minél öregebb, barnább és fásabb egy anyag, annál több szenet, minél frissebb, lédúsabb és zöldebb, annál több nitrogént tartalmaz. Az optimális C/N arány 35:1.
A mikroorganizmusok számára a megfelelő mennyiségű vizet is biztosítanunk kell. 40% alatt a nedvességtartalom hiánya korlátozhatja a mikrobiális aktvitást, szaporodásuk megáll, csak megfelelő nedvességtartalom visszaállítása után folytatódik.
60% nedvességtartalom felett nem megfelelő a légtér az oxigén áramlására és az aerob állapot fenntartására, a magas nedvességtartalom kiszorítja a pórusokból az oxigént és anaerob feltételeket teremt.
A komposztálásnál a megfelelő nedvességtartalmat az ún. marokpróbával ellenőrizzük. Ennek lényege, hogy a kezünkbe vett komposztanyagot összenyomjuk, és megfigyeljük a viselkedését. Ha a nedvességtartalom optimális az ujjaink között nem jön ki víz, de a komposzt összeáll. Ha túl száraz az anyag, szétesik a tenyerünkben, ha túl nedves víz folyik ki az ujjaink között.
A komposztálási folyamatokban résztvevő aerob mikroorganizmusoknak jelentős mennyiségű oxigénre van szükségük.
Az oxigénfogyasztás hányada néhány anyag komposztálásánál 2-13,7 mg/ó/g elpárolgó szilárd halmazállapotú anyag.
Különösképpen igaz ez a kezdeti intenzív lebontási fázisra, amikor számítások szerint egy köbméter komposztban a levegő két órán belül elfogy.
Ez azt jelenti, hogy az anyagnak olyan lazán kell állnia, annyi strukturáló anyagot kell tartalmaznia, illetve olyan gyakran kell átforgatni, hogy a levegőáramlás folyamatos legyen a prizma peremétől a magzónáig.
A jól felaprított anyagok a mikroorganizmusok számára nagyobb támadási felületet eredményeznek, mint a darabos anyagok, azért a komposztálás kezdetén gyakran aprítási műveletet kell végezni (Sikolya, 2007.)
A korhadási folyamat beindulásához szükség van egy bizonyos kiindulási hőmérsékletre, melyet az anyag 20–25 °C hőmérséklete esetén ér el leggyorsabban.
Attól kezdve, hogy a komposztálás beindult a külső hőmérséklet szerepe már a kezdeti szakaszban is elhanyagolható, hiszen az intenzív lebomlás során jelentős mennyiségű hő szabadul fel, tehát a komposztálásnak télen sincs semmi akadálya, ha az anyag hőmérséklete eléri a 10 °C-t.
Fontos, hogy a hideg évszakban gyakrabban forgassuk át a komposztot, mert a teljes mennyiségnek át kell esni a három-négy hétig tartó intenzív szakaszon.
E fázis után a prizma többé-kevésbé kihűl, esetleg teljesen át is fagyhat.
A mikrobák betokosodása, tevékenységük szünetelése a tavaszi felengedésig tart, amikor a prizmák átforgatásával a komposztálás folytatódhat.
A komposzt hőmérsékletének legfontosabb hatása a higienizálás.
Ehhez szükséges elérni a minimális hőmérsékleti értékeket (55–65 °C) és időtartalmat (3–6 nap).
A lebomlási vagy termofil szakasz kezdetén a szervesanyag bontásáért a mezofil mikroorganizmusok felelősek, melyek hőmérsékleti optimuma 25-30 °C, anyagcseréjük intenzív, ezért a hőmérséklet gyorsan emelkedik. A mezofil mikroorganizmusok száma 45 °C-ig növekszik, 50 °C felett már nagyszámú pusztulásuk következik be. Ez nagyjából 12-24 órát igényel. Pusztulásukkal egyidőben szaporodnak a termofil mikroorganizmusok, melyek hőmérsékleti optimuma 50-55 °C. Egyes fajok még 75 °C-on is aktívak lehetnek.
Az átalakulás szakasza több hétig is eltarthat, ebben a fázisban a hőmérséklet jelentősen csökken. A mikroszervezetek elkezdik a lignin bontását, ebből mono-, di-, és trifenol vegyületek keletkeznek. Ezek kondenzációjából épülnek fel a humuszanyagok.
A komposztálódás utolsó szakaszát a szervesanyag humifikálódása jellemzi, melynek eredményeképpen a végtermék sötét színű lesz. A komposzt hőmérséklete tovább csökken. az érésben, vagy felépülésben elsősorban a pszikrofil baktériumok és penészgombák vesznek részt, hőmérsékleti optimumok 15-20 °C körül mozog. Az utolsó szakaszban nő a sugárgombák száma is, mely a komposzt érettségének indikátora is lehet.
Abban az esetben, ha a komposztálás feltételei nem teljesülnek:
nitrogénveszteség (ammónia) vagy szén-dioxid mennyiség nő, ezek eredményeképpen lassan indul be a folyamat;
mikroorganizmusok szaporodása leáll, így leáll a komposztálás folyamata is;
lassú lesz a bomlás, anaerob folyamatok indulnak be, elszaporodhatnak a rágcsálók;
nem történik meg a higienizálás, patogének maradhatnak vissza az anyagban.
A nyersanyagok tulajdonságainak az alábbi feltételeket kell teljesíteniük:
3.2. táblázat - A nyersanyagok tulajdonságai
| Tulajdonság | Érték | Szükséges művelet | |
|---|---|---|---|
| Kémiai összetétel | C/N arány | 30-35: 1 | Nyersanyagok keverése |
| Szerves anyag tart. | min 30 % | ||
| Tápanyag tart.: N, P, K | |||
| Komposztálhatóság | Lignintartalom, N-tart. | Nyersanyagok keverése | |
| Szerkezeti stabilitás | Porozitás | min 30 térfogat% | Megfelelő mennyiségű szerkezeti elem |
| Hulladékok nedvességtartalma | 40-60 tömeg% | Nyersanyagok keverése | |
| Előkezelési igény | Őrlés, aprítás, préselés, homogenizálás, idegen anyag eltávolítás | ||
| Térfogattömeg | max. átlagosan 700 kg/m3 | ||
| Szennyező anyagok | Toxikus nehézfémek, szerves szennyezők | Határértékek nehézfémekre | Eredet figyelemmel kísérése |
| Idegenanyagok | Pl. üveg, fém, műanyag | Válogatás (költséges) | |
A nyersanyagokhoz összekeverésükkor különböző adalékanyagokat adhatunk, melyekkel befolyásolhatjuk a korhadás mértékét, javíthatjuk a komposzt minőségét.
3.3. táblázat - A komposztálás során alkalmazható segédanyagok
| Segédanyagok | Bekeverési arány | Szerepe | |
|---|---|---|---|
| Dúsítóanyagok | Műtrágyák szaruforgács, szaruliszt ,trágyalé , csontliszt | Tápanyagtartalom növelése, gyorsított komposztálás, minőségjavítás | |
| Töltő- vagy kiegyenlítő anyagok | Föld, agyagőrlemények, alginit | max.10-15% | Stabilitás, szerkezetalakítás, tápanyagtartalom |
| Serkentőanyagok | Talaj, érett komposzt, szerves trágyák, starterkultúrák | max.10% | Beoltás mikroorganizmusokkal |
| Stabilizáló anyagok | Kőporok (zeolitok, riolittufa) | Anyagveszteség csökken (pl. gázmegkötés) | |
| Takaróanyagok | Szalma, lomb, textil | Kiszáradás, nitrogénveszteség, hőveszteség ellen | |
| Mész | Savanyú pH-t emeli, keletkező savakat megköti, Ca-ellátást javítja | ||
| Gyógynövény -készítmények | Minőségjavítás, anyagveszteség csökken, folyamat optimalizálása | ||
A komposztálás során különböző munkaműveletek játszanak szerepet.
A nyersanyag előkésztés célja, hogy a mikrobáknak optimális feltételeket biztosítsunk a szerves anyagok lebontásához.
A nyersanyagok aprításával a mikrobák számára rendelkezésre álló felületet megnöveljük, illetve a hulladék mennyiségét is csökkentjük, ami egyszerűbb feldolgozást és kevesebb helyszükségletet eredményez.
Az aprítás mértékét a komposztálási technológia és a komposzt felhasználási területe határozza meg, de általában elmondható, hogy a túl finom aprítás kedvezőtlen, mert gyorsan anaerob körülményekhez vezet. Optimális esetben a durva és a finom aprítékok egyenletesen oszlanak el, a durva darabok adják a komposztálandó anyag struktúráját, szerkezetét. Aprításra az alábbi gépek alkalmasak: kalapácsos aprítók, késes aprítók, hengeres törők, rostaköpenyes aprítók. (Nagy, 2005.)
A keverés segítségével beállítjuk az optimális tápanyag-, nedvesség – és struktúra viszonyokat.
Ha a hulladék nedvességtartalma magas, vízteleníteni szükséges. Az idegenanyagok eltávolításával pedig a komposzt minőségét javítjuk.
A komposztálás során az aerob körülmények megteremtéséhez levegőztetni szükséges, vagy forgatjuk az anyagot, hogy a teljes anyag átmenjen a termofil fázison, és a heterogenitást megszüntessük. Ha kell nedvesíteni is szükséges a komposzthalmot, hogy a mikrobák számára biztosítsuk a vizet.
A konfekcionálás során, ha a végtermék nagyobb darabokat tartalmaz, aprítjuk azokat. A rostálás jobb megoldás, ez lehetővé teszi, hogy a rostán fennmaradt selejt komposzt anyag struktúr-, illetve oltóanyagként alkalmazható legyen. A rostaméretet a komposzt felhasználási területe határozza meg.
Keverési művelet akkor szükséges, ha speciális igényeket szeretnénk kielégíteni (pl.: virágföld előállítás). Ha a komposztot nem ömlesztve szeretnénk értékesíteni, akkor a zsákolás műveletét is szükséges közbeiktatni. A zsákolásnál a komposzt nedvességtartalma a kritikus kérdés, mert 35%-nál magasabb nedvességtartalmú anyagot nem szabad zsákolni. (Nagy, 2005.)
A komposztálás során alkalmazott technológiák igen sokfélék lehetnek, alapvetően viszont három csoportba sorolhatók: a nyitott, a félig zárt és a zárt komposztálási technológiák. A következőben erről nyújtunk rövid összefoglalást.
Passzív komposztálás
Ezt az eljárást általában növényi eredetű, tág C/N arányú, nem rothadó nyersanyagok esetében alkalmazzák.
Az érés 5-10 m széles és 2-4 méter magas prizmában történik. A halom összerakásán kívül, a komposztálási folyamatba semmilyen beavatkozás nem történik. A komposzt érési időtartama így a 6 hónaptól egészen a 3 évig eltarthat.
A technológia előnyei:
| - egyszerű technológia; |
| - alacsony munka és gépesítési költség. |
A technológia hátrányai:
| - nagy; |
| - lassú folyamat; |
| - rossz minőség; |
| - éghajlati hatások; |
| - talajszennyezés. |
Forgatásos prizmakomposztálás
A komposztálás legősibb módszere. Lényege, hogy a nyersanyagokat háromszög, vagy trapéz keresztmetszetű prizmákba rakják, és meghatározott rendszerességgel forgatják. Az átforgatás keveri, homogenizálja az anyagot, biztosítja az aerob feltételeket. A hőmérséklet és nedvességtartalom ellenőrzése folyamatos. Az érési idő kb. 7-9 hét.
A technológia előnyei:
egyszerű technológia;
alacsony munka és gépesítési költség;
lehet heterogén a nyersanyag;
szaghatás nem jelentős.
A technológia hátrányai:
éghajlati hatások;
esetleges talajszennyezés;
átforgatásnál zajhatás.
Levegőztetett prizmakomposztálás
Az ASP (ASP-Aerated Static Pile- levegőztetett prizmakomposztálás) alapja, hogy a mikroorganizmusoknak életműködésük fenntartásához a prizmán belül állandó szinten tartott oxigénmennyiségre van szükség.
A levegő bejuttatása történhet merev perforált csövek beágyazásával, vagy levegőztető csatornák komposztprizmába való süllyesztésével. A levegőt ventilátor, vagy pumpa segítségével juttatják be a prizmába. A trapéz alakú prizma 4-12 méter széles és 2-3 méter magas. Az érési idő 6-8 hét.
A technológia előnyei:
jó oxigénellátás;
közepes helyigény;
jó minőség;
gyenge zajintenzitás;
szaghatás nem jelentős.
A technológia hátrányai:
éghajlati hatások;
esetleges talajszennyezés.
A komposztálás vízszintes silófolyosókban történik, melyek perforált csövekből vagy levegőztető csatornákból álló levegőztető rendszerrel és beépített forgatóval vannak ellátva.
A komposztálás időtartama: 4-6 hét.
A technológia előnyei:
jó oxigénellátás;
gyors folyamat;
éghajlati hatásoktól mentes;
nincs szaghatás, talajszennyezés.
A technológia hátrányai:
meghibásodás lehetősége;
magas költségek;
zajhatás.
Az éghajlati hatások kiküszöbölésére a silófolyosókat általában csarnokokban, fólia-vagy üvegházakban helyezik el. A keletkező gázokat, szagokat biofilterek segítségével fogják fel.
Ezeknél az eljárásoknál a komposztálás zárt egységekben történik, a megoldások a következők lehetnek:
dobkomposztálás;
kamrás, vagy konténerkomposztálás;
brikollare komposztálás;
toronykomposztálás;
Az érés 2-4 hét, utána következik az utóérlelés szakasz. A technológia előnyei:
feltételek folyamatos biztosítása;
gyors folyamat;
éghajlati hatásoktól mentes;
nincs szaghatás, talajszennyezés;
tökéletes higiénizáció.
A technológia hátrányai:
meghibásodás lehetősége;
magas költségek;
magas zajintenzitás;
feltételek folyamatos biztosítása nehéz.
A levegőztetett prizma komposztálásnak létezik egy viszonylag újszerű változata. A szemipermeábilis membrántakaróval zárttá tett komposztálási rendszer. (3.4 ábra)
A rendszer három fontos elemből áll. Az aktív levegőztető egység a mikroorganizmusokat látja el oxigénnel. A levegőztetést az érő anyagban mért hőmérséklet és oxigéntartalom alapján, folyamatosan, visszacsatolással szabályozza.
A prizmák 2-3,5 méter magasak, 6-12 méter szélesek, a hosszuk 18-48 méter. Az érési idő 4 hét. A membrán biztosítja a gázcserét, de a szaganyagokat, a nedvességet és a hőt visszatartja. (Nagy, 2005.)
A szerves hulladékok bomlásánál figyelembe vett tényezők szerint az alábbi komposzttípusokat különböztethetünk meg:
friss komposzt (nyers komposzt);
érett komposzt;
komposztföld.
Az érett komposzt jellemzője, hogy stabilizált szerves anyag, ellenáll a mikrobiális lebontásnak, tárolása nem jár közegészségügyi kockázattal, talajra kijuttatva kedvező hatást gyakorol (szerkezet, tápanyagtartalom, pH stb.).
Ha a szerves anyag nem ment át a megfelelő érési folyamaton, akkor rossz minőségű komposztról beszélhetünk, ennek jellemzői, hogy nehézfémekkel és szerves anyagokkal mérgezés veszélye áll fenn, a rothadási termékek gátolhatják a növények növekedését, rágcsálók elszaporodásához vezethetnek, egészségügyi problémát is okozhatnak.
A komposztot felhasználás, értékesítés előtt vizsgálni, minősíteni kell. Először a komposztból mintát vesznek: 50m3-nél kevesebb komposztból 5 db részmintát kell venni, össze kell keverni, amit átlós felezésekkel 1 kg-nyi mennyiségre kell lecsökkenteni. Ezt követően a mintát előkészítik: homogenizálják, eltávolítják az idegen anyagokat, rostálják (10, 2, 0,25 mm-es rostán), és bemérik analitikai mérlegen. A vizsgálat során kitérnek az idegen anyag tartalomra, a nedvességtartalom meghatározásra, hőmérséklet vizsgálatra, valamint a szaghatásra. A komposztálásnál vannak ún. minőségbiztosítási lépések, melyek összefoglalva a következők.
3.4. táblázat - A komposzt minőségbiztosításának lépései
| A komposztálás minőségbiztosítási lépései | Egyszerűbb komposztálás, kisebb üzemek | Nagy komposztáló üzemek |
|---|---|---|
| Nyersanyagok | A nyersanyagok kémiai analízise, ismert, azonos nyersanyag-forrás | |
| Az érés folyamatos ellenőrzése | ||
| Hőmérséklet | Napi mérés, érési zónában több helyen | Hasonlóan, de óránként |
| Nedvességtartalom | napi marokpróba, szárítószekrényes v. | Beépített érzékelőkkel |
| Oxigénellátás | Szag, anyagállapot magzónában | Speciális műszerek (szondák) |
| Tápanyagveszteségek | Érő anyag szaga, csurgaléklé menny. | Csurgalékvíz, gáz analízis |
| Egyéb mérések | Szén-dioxid tartalom, redox-potenciál, pH | |
| Felhasználás előtti ellenőrzés | ||
| Mintavétel, előkészítés | MSZ | |
| Minőségi jegyek érzékszervi vizsg. | Minősítő sablonok, menny. vizsg. (szín, szag, idegena., nedv.tart.) | |
| Érettségi fok | Önhevülési teszt (Dewar-tartály, Tmax.) | |
| Beltartalmi mutatók | Értékek meghatározása | |
| Gyommag-tartalom, csírázás gátló hatás | Értékek meghatározása | |
| Szemcseméret | MSZ: min 90% ≺ 25 mm | |
| Idegenanyag-tartalom | MSZ: érett komposzt: ≺ 2 tömeg%, komposztföld ≺ 1 tömeg% | |
| Nehézfém-tartalom | MSZ | |
| Szerves szennyezők, egyéb kémiai jell. | pH, sótartalom, poliklórozott- és aromás, ….vegyületek | |
| Biotesztek | Zsázsa, árpa, saláta, mustármag, növényekre hatás | |
| Nyilvántartás, prizma-törzskönyv | Minden komposztálással kapcsolatos adat rögzítése | |
A komposztok felhasználási területei az alábbiak lehetnek:
Jó minőségű komposzt esetén:
Talajjavítási célokra alkalmazható, melynek során a biológiai aktivitás fokozódik, lassabb a tápanyag-feltáródás, a kimosódás veszélye kisebb, magas adszorpciós képesség, nehezen oldható ásványi tápanyagok felvehetővé válnak, hormonok serkentő hatása, ellenállóbbak lesznek a növények, stabil talajszerkezet alakul ki, javul a talajvíz-, hő-, levegőgazdálkodása. Alkalmazható ültető közegnek – dísznövénytermesztés, palántanevelésnél, kertészeti, szántóföldi termesztésnél, erdő – és gyepgazdálkodásban, tájrendezésnél, rekultivációnál és alkalmas biofilter-szűrőközegnek is A rossz minőségű komposztot pl. takaróanyag rekultiváció céljára hasznosítható.