Activity 4(c): Ανάπτυξη εργαλείου ελέγχου διεργασίας κομποστοποίησης βιοαποβλήτων 1 Ανάπτυξη εργαλείου ελέγχου διεργασίας κομποστοποίησης βιοαποβλήτων LIFE+ Athens Biowaste
ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα έκθεση συντάσσεται στο πλαίσιο του συγχρηματοδοτούμενου Ευρωπαϊκού Προγράμματος LIFE-Περιβάλλον Ολοκληρωμένη Διαχείριση Βιοαποβλήτων στην Ελλάδα Η περίπτωση της Αττικής (Integrated Management of Biowaste in Greece The case study of Athens - ATHENS BIOWASTE). Το πρόγραμμα αποσκοπεί στην πρώτη ευρεία πιλοτική εφαρμογή της διαλογής των βιοαποβλήτων στην πηγή σε επιλεγμένες περιοχές των Δήμων Αθηναίων και Κηφισιάς και την μετέπειτα επεξεργασία τους στο Εργοστάσιο Μηχανικής Ανακύκλωσης και Κομποστοποίησης (ΕΜΑΚ) του Ειδικού Διαβαθμιδικού Συνδέσμου Νομού Αττικής (ΕΔΣΝΑ) για την παραγωγή κόμποστ υψηλής ποιότητας. Η έκθεση αποτελεί μέρος της 4 ης Δράσης του ευρωπαϊκού προγράμματος LIFE Environment ATHENS BIOWASTE με τίτλο Κομποστοποίηση των συλλεχθέντων βιοαποβλήτων & ανάλυση τελικού προϊόντος και ειδικότερα περιλαμβάνει τη Δραστηριότητα 4(c) που αφορά στην ανάπτυξη και παρουσίαση ενός εργαλείου το οποίο απευθύνεται σε χειριστές μονάδων κομποστοποίησης για τον έλεγχο της αερόβιας βιολογικής επεξεργασίας των βιοαποβλήτων. Σκοπός της δραστηριότητας αυτής αποτελεί η ανάπτυξη ενός μοντέλου το οποίο απλοποιεί τον έλεγχο και την παρακολούθηση της απόδοσης της κομποστοποίησης προδιαλεγμένων βιοαποβλήτων καθόλη της διάρκεια της διεργασίας. Για την υλοποίηση του παρόντος έργου επιλέχθηκαν οι βασικές παράμετροι οι οποίες επηρεάζουν και ρυθμίζουν την απόδοση της αερόβιας βιολογικής επεξεργασίας των οργανικών αποβλήτων ήτοι τα επίπεδα θερμοκρασίας, την περιεχόμενη υγρασία και το διαθέσιμο οξυγόνο του υποστρώματος. Στη συνέχεια αναπτύχθηκαν οι εξισώσεις οι οποίες παρουσιάζουν την επίδραση που έχει η κάθε μία από τις παραπάνω παραμέτρους στη διεργασία της κομποστοποίσης. Βασιζόμενοι στις εξισώσεις αυτές η μεμονωμένη αλλα και η συνδυασμένη επίδραση των παραμέτρων ποσοτικοποιείται για κάθε χρονική στιγμή της διεργασίας της κομποστοποίησης για την οποία υπάρχουν πειραματικές μετρήσεις της θερμοκρασίας, της υγρασίας και του διαθέσιμου οξυγόνου στο υπόστρωμα. Δεδομένου ότι η κομποστοποίηση λειτουργεί αποδοτικά σε συγκεκριμένο εύρος τιμών για κάθε μία από τις προαναφερόμενες παραμέτρους, οποιαδήποτε απόκλιση από τις βέλτιστες συνθήκες λειτουργίας δύναται να ανιχνευθεί και να προσδιορισθεί ώστε να ληφθούν κατάλληλα διορθωτικά μέτρα για την ενίσχυση της διεργασίας. Τέλος, παρουσιάζεται η χρήση του εργαλείου σε μελέτη εφαρμογή της κομποστοποίησης κατά την οποία υποδεικνύονται τα βήματα για την αξιολόγηση και τον έλεγχο της διεργασίας μέσω του προτεινόμενου εργαλείου. 2 Ανάπτυξη εργαλείου ελέγχου διεργασίας κομποστοποίησης βιοαποβλήτων LIFE+ Athens Biowaste
SUMMARY This report was developed within the framework of the European co-funded LIFE-Environment program ATHENS BIOWASTE entitled "Integrated Management of Biowaste in Greece - The case study of Athens". The project aims at the first large scale pilot application of biowaste source separation in selected areas of the Municipalities of Athens and Kifissia and at their subsequent processing at the Mechanical Recycling and Composting plant (EMAK) of the Association of Municipalities in the Attica Region Solid Waste Management (EDSNA) for the production of high quality compost. This report is part of the 4 th Action of the "ATHENS BIOWASTE" project entitled "Composting of collected biowaste & analysis of the finished product". More specifically, the report includes Activity 4 (c) which is related to the development and presentation of a tool for composting operators for monitoringaerobic biological treatment of biowaste. The aim of the corresponding activity is to develop a simplified model that would facilitate composting operators on the evaluation of the aerobic treatment performance of sorted biowaste throughout the processing time. For the implementation of this activity the critical parameters that strongly influence and regulate the composting performance were selected namely temperature levels, moisture content and oxygen availablity of the substrate. Then equations for each parameter describing the impact to the composting process were developed. Based on these equations, the individual and combined effect of temperature, moisture and oxygen values of the substrate is quantified at every stage of the composting process for which primary data is available. Considering that composting process operates efficiently within a specific range for each of the aforementioned factors, any deviation from the optimal values can be identified, whereas appropriate corrective actions can be taken for improving the biological degradation process. Finally, the application of the developed tool is presented through a composting case study showing the steps followed for the evaluation and monitoring of the process using the suggested tool. 3 Ανάπτυξη εργαλείου ελέγχου διεργασίας κομποστοποίησης βιοαποβλήτων LIFE+ Athens Biowaste
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 2 SUMMARY... 3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ... 4 ΠΙΝΑΚΕΣ... 4 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ... 4 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 5 1.1. Kινητική αντιδράσεων κομποστοποίησης βιοαποδομήσιμων οργανικών αποβλήτων... 5 1.2. Μελέτη εφαρμογής και χρήση του εργαλείου... 10 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 14 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 15 ΠΙΝΑΚΕΣ Πίνακας 1: Δεδομένα καταχώρησης από χρήστη στην περίπτωση της μελέτης εφαρμογής. 12 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ Διάγραμμα 1: Κλασματική επίδραση Θερμοκρασίας F(Τ) στην κομποστοποίηση... 8 Διάγραμμα 2: Κλασματική επίδραση Υγρασίας F(ΜC) στην κομποστοποίηση... 9 Διάγραμμα 3: Κλασματική επίδραση Οξυγόνου F(O 2 ) στην κομποστοποίηση... 10 Διάγραμμα 4: Κλασματική επίδραση Θερμοκρασίας F(T), Υγρασία F(MC), Οξυγόνο F(O 2 )... 13 4 Ανάπτυξη εργαλείου ελέγχου διεργασίας κομποστοποίησης βιοαποβλήτων LIFE+ Athens Biowaste
ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η παρούσα έκθεση συντάσσεται στο πλαίσιο του συγχρηματοδοτούμενου Ευρωπαϊκού Προγράμματος LIFE-Περιβάλλον Ολοκληρωμένη Διαχείριση Βιοαποβλήτων στην Ελλάδα Η περίπτωση της Αττικής (Integrated Management of Biowaste in Greece The case study of Athens - ATHENS BIOWASTE). Το πρόγραμμα αποσκοπεί στην πρώτη ευρεία πιλοτική εφαρμογή της διαλογής των βιοαποβλήτων στην πηγή σε επιλεγμένες περιοχές των Δήμων Αθηναίων και Κηφισιάς και την μετέπειτα επεξεργασία τους στο Εργοστάσιο Μηχανικής Ανακύκλωσης και Κομποστοποίησης (ΕΜΑΚ) του Ειδικού Διαβαθμιδικού Συνδέσμου Νομού Αττικής (ΕΔΣΝΑ) για την παραγωγή κόμποστ υψηλής ποιότητας. Η έκθεση αποτελεί μέρος της 4 ης Δράσης του προγράμματος LIFE Environment ATHENS BIOWASTE με τίτλο Κομποστοποίηση των συλλεχθέντων βιοαποβλήτων & ανάλυση τελικού προϊόντος και ειδικότερα περιλαμβάνει τη Δραστηριότητα 4(c) που αφορά στην παρουσίαση ενός εργαλείου το οποίο απευθύνεται σε χειριστές μονάδων κομποστοποίησης για τον έλεγχο της διεργασίας επεξεργασίας των οργανικών αποβλήτων. Υπεύθυνος για την υλοποίηση της Δραστηριότητας αυτής είναι το Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο (ΕΜΠ). Στόχος της δραστηριότητας είναι η ανάπτυξη ενός εργαλείου για τους χειριστές μονάδων κομποστοποίησης προδιαλεγμένων βιοαποβλήτων μέσω του οποίου να γίνεται έλεγχος και αξιολόγηση της διεργασίας της κομποστοποίησης από δεδομένα τα οποία συλλέγονται κατά τη λειτουργία της μονάδας. Αφορά σε ένα απλό, εύχρηστο και πρακτικό εργαλείο το οποίο παρουσιάζεται σε φύλλο excel και απευθύνεται αποκλειστικά σε χειριστές μονάδων κομποστοποίησης. Στο παρόν κείμενο γίνεται αναφορά στο θεωρητικό υπόβαθρο ανάπτυξης του εργαλείου και τον τρόπο με τον οποίο δύναται να αξιοποιηθεί από χειριστές μονάδων κομποστοποίησης. Επιπλέον, γίνεται μια σύντομη περιγραφή μιας μελέτης εφαρμογής με τη χρήση του εργαλείου για την καλύτερη κατανόηση της λειτουργίας του εργαλείου. 1.1. Kινητική αντιδράσεων κομποστοποίησης βιοαποδομήσιμων οργανικών αποβλήτων Η κινητική πρώτης τάξης αποτελεί την πλέον διαδεδομένη και ευρύτερα χρησιμοποιημένη από την επιστημονική κοινότητα μεθοδολογική προσέγγιση για την περιγραφή της αερόβιας βιολογικής αποδόμησης του οργανικού υλικού (Baptista et al., 2010). Ο υπολογισμός του ρυθμού μεταβολής της μάζας της βιοαποδομήσιμης ουσίας εξαρτάται από την αρχική ποσότητά της και από το ρυθμό βιοξείδωσής της. Ο εν λόγω ρυθμός μεταβολής εκφράζεται από την Εξίσωση (1). Β ΒΟΜ Εξίσωση (1) Όπου: ΒOM: Βιοαποδομήσιμη οργανική ουσία (kg) k d : Ρυθμός βιοαποδόμησης πρώτης τάξης της οργανικής ουσίας (d -1 ) 5 Ανάπτυξη εργαλείου ελέγχου διεργασίας κομποστοποίησης βιοαποβλήτων LIFE+ Athens Biowaste
t: Χρόνος (d) Ολοκληρώνοντας την Εξίσωση (1) και θεωρώντας ΒΟΜ t =ΒΟΜ 0 όταν t=0, προκύπτει: ΒΟΜ ΒΟΜ Εξίσωση (2) Επομένως, κατά τα εξελικτικά στάδια της διεργασίας της κομποστοποίησης η βιοαποδομήσιμη οργανική ουσία μειώνεται εκθετικά με ρυθμό που καθορίζεται από το k d. Η ποσοστιαία απομάκρυνση (κατανάλωσης) της βιοαποδομήσιμης οργανικής ουσίας (BΟΜ loss(t) ) ως προς την περιεκτικότητα της αρχικής οργανικής ουσίας (ΟΜ) μπορεί να εκφραστεί από την Εξίσωση (3): ΟΜ ΟΜ Εξίσωση (3) Όπου: BΟΜ loss(t) : Το ποσοστό απομάκρυνσης της βιοαποδομήσιμης οργανικής ουσίας τη χρονική στιγμή t, εκφρασμένο ως ποσοστό της αρχικής οργανικής ουσίας (% ΟΜ) BΟΜ 0 : Το συνολικό ποσοστό βιοαποδομήσιμης οργανικής ουσίας στο αρχικό υπόστρωμα (t=0) το οποίο δύναται να οξειδωθεί, εκφρασμένο ως ποσοστό της αρχικής οργανικής ουσίας (% ΟΜ) Ο ρυθμός βιοαποδόμησης k d, αποτελεί το μέτρο της συνολικής απόδοσης της υπό εξέταση διεργασίας. Επομένως, το k d εξαρτάται από το σχεδιασμό του συστήματος κομποστοποίησης, τον τύπο και τα χαρακτηριστικά του υποστρώματος, τις συνθήκες λειτουργίας του συστήματος καθώς και από οποιαδήποτε άλλη παράμετρο η οποία δύναται να επηρεάσει τη συνολική απόδοση της κομποστοποίησης (Baptista et al., 2010). Σημαντικός αριθμός προτύπων προσομοίωσης κινητικών αντιδράσεων της κομποστοποίησης έχει δημοσιευθεί αναφορικά με την επίδραση των κρίσιμων παραμέτρων στο ρυθμό διάσπασης της βιοαποδομήσιμης οργανικής ουσίας κατά την κομποστοποίηση (Baptista et al., 2010; Stombaugh and Nokes, 1996; Haug, 1993; Cathcart et al., 1986; Whang and Meenaghan, 1980; Jeris and Regan, 1973a; Jeris and Regan, 1973b; Finger et al., 1976; Schulze, 1961). Η επίδραση των παραμέτρων αυτών στην κομποστοποίηση θεωρείται ότι διέπεται από πολλαπλασιαστική δομή σύμφωνα με την Εξίσωση (6.4) (Mason, 2007; Hamelers, 2004). Εξίσωση (4) Όπου: k max : Μέγιστος ρυθμός βιοαποδόμησης (d -1 ) x: Κρίσιμη παράμετρος η οποία επιδρά στη διεργασία της κομποστοποίησης n: Αριθμός των κρίσιμων παραμέτρων που επιδρούν στη διεργασία της κομποστοποίηση F(x): Συντελεστές διόρθωσης της επίδρασης της εκάστοτε κρίσιμης παραμέτρου στη διεργασία της κομποστοποίησης (τιμές 0-1) Από την Εξίσωση (4) μπορεί να διαπιστωθεί ότι σε ιδανικές συνθήκες (όταν οι παράμετροι δεν αποτελούν περιοριστικό παράγοντα στη διεργασία της κομποστοποίησης), οι συντελεστές διόρθωσης, F(x), οι οποίες περιγράφουν την επίδραση των κρίσιμων παραμέτρων στο ρυθμό 6 Ανάπτυξη εργαλείου ελέγχου διεργασίας κομποστοποίησης βιοαποβλήτων LIFE+ Athens Biowaste
βιοαποδόμησης του υποστρώματος, λαμβάνουν τιμή ίση με 1 ενώ ο ρυθμός βιοαποδόμησης k d λαμβάνει τη μέγιστη τιμή ίση με k max. Επομένως, το k max είναι χαρακτηριστικό του συστήματος κομποστοποίησης σε βέλτιστες λειτουργικές συνθήκες και ορίζεται ως ο μέγιστος ρυθμός βιοαποδόμησης της οργανικής ουσίας. Οι εν λόγω κρίσιμες παράμετροι κατά κύριο λόγο περιλαμβάνουν την εξέλιξη της θερμοκρασίας, της υγρασίας και της περιεκτικότητας σε οξυγόνο. Οι κρίσιμες αυτές παράμετροι και κατ επέκταση οι διορθωτικοί συντελεστές που τις περιγράφουν, διαφέρουν ως προς το επίπεδο της σημαντικότητάς τους και επομένως στο βαθμό επίδρασης τους στις διεργασίες της αερόβιας βιολογικής επεξεργασίας. Σύμφωνα με τα παραπάνω ο ρυθμός βιοαποδόμηση, k d, προσδιορίζεται από το γινόμενο του μέγιστου ρυθμού βιοαποδόμησης, k max, και των διορθωτικών συντελεστών, F(x) (Εξίσωση 5), εκφράζοντας τη συνδυαστική επίδραση των πλέον κρίσιμων παραμέτρων της διεργασίας (F(TOT)), στο μέγιστο ρυθμό βιοξείδωσης του οργανικού υποστρώματος σε κάθε χρονική στιγμή της διεργασίας. Εξίσωση (5) Όπου: F(T): Διορθωτικός συντελεστής για τη θερμοκρασία (τιμές 0-1) F(MC): Διορθωτικός συντελεστής για την περιεχόμενη υγρασία (τιμές 0-1) F(O 2 ): Διορθωτικός συντελεστής για τη συγκέντρωση του οξυγόνου (τιμές 0-1) F(FAS): Διορθωτικός συντελεστής για το πορώδες (τιμές 0-1) F(TOT): Συνδυασμένη επίδραση των επιλεγμένων διορθωτικών συντελεστών η οποία εκφράζεται ως το γινόμενο των επιμέρους διορθωτικών συντελεστών (τιμές 0-1) Λαμβάνοντας υπόψη τις εξισώσεις (3) και (5) ο προσδιορισμός του μέγιστου ρυθμού βιοαποδόμησης, k max, και της βιοαποδομήσιμης οργανικής ουσίας στο αρχικό υπόστρωμα (ΒΟΜ 0 ) δίνεται από την ακόλουθη σχέση (Εξίσωση 6): Εξίσωση (6) Στη συνέχεια περιγράφεται η κατάρτιση εξισώσεων για τον προσδιορισμό των διορθωτικών συντελεστών για κάθε κρίσιμη παράμετρο της διεργασίας, όπως αυτές προκύπτουν από τη βιβλιογραφία βάσει εμπειρικών σχέσεων. Διορθωτικός συντελεστής της θερμοκρασίας F(T) Έχει διατυπωθεί πληθώρα εξισώσεων για την περιγραφή της επίδρασης της θερμοκρασίας στο ρυθμό της διεργασίας της κομποστοποίησης. Η εξίσωση η οποία εμφανίζει τη μεγαλύτερη αποδοχή από την ερευνητική κοινότητα και η οποία τυγχάνει να περιγράφει αποτελεσματικότερα τα πειραματικά δεδομένα, προτείνεται από τον Richard (1997) και τους Richard and Walker (1999, 2006). Η εξίσωση είναι βασισμένη στο μοντέλο που παρουσίασαν οι Rosso et al. (1993) και στην έρευνα που εφάρμοσε ο Richard (1997) προσομοιώνοντας το μοντέλο σε πειραματικά δεδομένα για τη διεργασία της κομποστοποίησης. Ο διορθωτικός συντελεστής της θερμοκρασίας διατυπώνεται από την πολυωνυμική Εξίσωση (7). Εξίσωση (7) 7 Ανάπτυξη εργαλείου ελέγχου διεργασίας κομποστοποίησης βιοαποβλήτων LIFE+ Athens Biowaste
Κλασματική Επίδραση Όπου: T: Θερμοκρασία υποστρώματος ( ο C) T min : Ελάχιστη θερμοκρασία για την οποία γίνεται βιοξείδωση του υποστρώματος ( ο C) T opt : Βέλτιστη θερμοκρασία για την οποία γίνεται βιοξείδωση του υποστρώματος ( ο C) T max : Μέγιστη θερμοκρασία για την οποία γίνεται βιοξείδωση του υποστρώματος ( ο C) Οι παράμετροι T min, T max και T opt της Εξίσωσης (7) προσδιορίζονται εμπειρικά ανάλογα με το είδος των βιοαποδομήσιμων οργανικών αποβλήτων. Σύμφωνα με τους Richard (1997) και Richard and Walker (2006, 1999) οι παράμετροι T min, T max και T opt ορίζονται ίσες με 5.0, 71.6 και 58.6 ο C αντίστοιχα για ιλύ και βιοαπόβλητα αναμεμιγμένα με πριονίδι, διαμορφώνοντας την Εξίσωση (8). Εξίσωση (8) Στον παρακάτω Διάγραμμα αποτυπώνεται η επίδραση της θερμοκρασίας του υποστρώματος στη διεργασία της κομποστοποίησης σύμφωνα με την Εξίσωση (8). F(T) 1,00,900,800,700,600,500,400,300,200,100,00 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Θερμοκρασία ( o C) Διάγραμμα 1: Κλασματική επίδραση Θερμοκρασίας F(Τ) στην κομποστοποίηση Διορθωτικός συντελεστής της υγρασίας F(MC) Η επίδραση της περιεχόμενης υγρασίας στο ρυθμό βιοαποδόμησης στη διεργασία της κομποστοποίησης δίνεται από την Εξίσωση (6.9) όπως αυτή παρουσιάζεται από τον Haug (1993) 8 Ανάπτυξη εργαλείου ελέγχου διεργασίας κομποστοποίησης βιοαποβλήτων LIFE+ Athens Biowaste
Κλασματική Επίδραση Εξίσωση (9) Όπου MC η κλασματική περιεκτικότητα υγρασίας του υποστρώματος (τιμές 0-1) Στον παρακάτω Διάγραμμα αποτυπώνεται η επίδραση της περιεχόμενης υγρασίας του υποστρώματος στη διεργασία της κομποστοποίησης σύμφωνα με την Εξίσωση (9). 1,00,900,800,700,600,500,400,300,200,100,00 F(H 2 O) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Περιεχόμενη Υγρασία Υποστρώματος (% κ.β.) Διάγραμμα 2: Κλασματική επίδραση Υγρασίας F(ΜC) στην κομποστοποίηση Διορθωτικός συντελεστής του οξυγόνου F(O 2 ) Ο διορθωτικός συντελεστής της περιεκτικότητας του οξυγόνου στο ρυθμό βιοαποδόμησης του υποστρώματος κατά τη διεργασία της κομποστοποίησης δίνεται από την Εξίσωση (10) τύπου Monod (Zhang et al., 2010; Haug, 1993). Ο Ο Ο Εξίσωση (10) Όπου: O 2 : Ποσοστιαία περιεκτικότητα οξυγόνου (% v/v) στο υπόστρωμα : Σταθερά ημικορεσμού η οποία εκφράζει την ελάχιστη κατ όγκο ποσοστιαία περιεκτικότητα του υποστρώματος σε οξυγόνο ούτως ώστε να υφίσταται διάχυση του οξυγόνου από την αέρια στην υγρή φάση. Σύμφωνα με τον Haug (1993) ορίζεται ίση με 2% v/v 9 Ανάπτυξη εργαλείου ελέγχου διεργασίας κομποστοποίησης βιοαποβλήτων LIFE+ Athens Biowaste
Κλασματική Επίδραση Στο παρακάτω Διάγραμμα αποτυπώνεται η επίδραση της περιεκτικότητας του οξυγόνου στο υπόστρωμα στη διεργασία της κομποστοποίησης σύμφωνα με την Εξίσωση (10). 1,00,900,800,700,600,500,400,300,200,100,00 F(O 2 ) 0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 Περιεχόμενο Οξυγόνο Υποστρώματος (% κ.ο.) Διάγραμμα 3: Κλασματική επίδραση Οξυγόνου F(O 2 ) στην κομποστοποίηση 1.2. Μελέτη εφαρμογής και χρήση του εργαλείου Οι προαναφερόμενοι διορθωτικοί συντελεστές (της θερμοκρασίας, της υγρασίας, του οξυγόνου και του πορώδους) με τις εξισώσεις που τους διέπουν αλλά και η συνδυαστική επίδραση των πλέον κρίσιμων αυτών παραμέτρων της κομποστοποίησης, F(TOT), μπορούν να αποτελέσουν ένα εύκολο τρόπο για τον ποσοτικό προσδιορισμό της επίδρασής τους στην αερόβια επεξεργασίας των βιοαποβλήτων. Ο ποσοτικός αυτός προσδιορισμός είναι ένας εύκολος τρόπος ανίχνευσης τυχόν προβλημάτων από τους χειριστές κομποστοποίησης με σκοπό την αντιμετώπισή τους και την αύξηση του ρυθμού βιοαποδόμησης του υποστρώματος, kd, σε τιμές οι οποίες τίνουν προς το μέγιστο ρυθμό βιοαποδόμησης, kmax, κατά το ενεργό στάδιο της διεργασίας (Εξίσωση 5). Η γραφική αναπαράσταση της επίδρασης των επιμέρους παραμέτρων αλλά και του συνόλου αυτών F(TOT), σε δεδομένες χρονικές στιγμές, δύναται να βοηθήσει τους χρήστες κομποστοποίησης στην έγκαιρη ανίχνευση τυχόν αποκλίσεων από τις βέλτιστες συνθήκες βιοαποδόμησης της οργανικής ουσίας και να προβούνε στις απαιτούμενες ρυθμίσεις. Απαιτούμενη συνθήκη είναι η λήψη πειραματικών δεδομένων για τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας (σε o C) της περιεχόμενης υγρασίας (σε % κ.β.) και του περιεχόμενου οξυγόνου 10 Ανάπτυξη εργαλείου ελέγχου διεργασίας κομποστοποίησης βιοαποβλήτων LIFE+ Athens Biowaste
(σε % κ.ο) σε δεδομένες χρονικές στιγμές ή σημεία της διεργασίας. Το εργαλείο έχει αναπτυχθεί σε πλατφόρμα Microsoft excel. Ακολούθως παρουσιάζονται τα βήματα που απαιτούνται για τη λειτουργία του εργαλείου αλλά και μια μελέτη εφαρμογής της κομποστοποίησης για τον έλεγχο της διεργασίας της κομποστοποίησης με τη χρήση του προτεινόμενου εργαλείου. Τα βήματα τα οποία απαιτούνται είναι τα εξής: 1. Καθορισμός των σημείων μέτρησης κατά μήκος του καναλιού κομποστοποίησης ορίζοντας ως μηδενική απόσταση το σημείο όπου γίνεται η είσοδος των προδιαλεγμένων βιοαποβλήτων (Το μήκος του καναλιού κομποστοποίησης ορίζει και το χρόνο παραμονής της οργανικής ουσίας στη μονάδα κομποστοποίησης). Τα σημεία πρέπει να είναι τουλάχιστον τέσσερα ώστε να καλύπτουν κατ ελάχιστον τη θερμόφιλη (2 σημεία), τη μεσόφιλη και τη ψυχρόφιλη φάση της διεργασίας της κομποστοποίησης. 2. Λήψη μετρήσεων της θερμοκρασίας (σε o C) της περιεχόμενης υγρασίας (σε % κ.β.) και του περιεχόμενου οξυγόνου (σε % κ.ο) στα επιλεγμένα σημεία μέτρησης. 3. Καταχώρηση των μετρήσεων στο φύλλο εργασίας για κάθε παράμετρο στα επιλεγμένα σημεία μέτρησης. 1. Σημεία Μέτρησης 2. Καταχώρηση πειραματικών μετρήσεων θερμοκρασίας, υγρασίας, οξυγόνου για κάθε σημείο μέτρησης κατά μήκος του καναλιού Μήκος (m) 4. Εξέταση της γραφικής αναπαράστασης της κλασματικής επίδρασης (0 έως 1) των παραμέτρων της θερμοκρασίας της υγρασίας του οξυγόνου και του συνόλου. Τιμές συνολικής κλασματικής επίδρασης κάτω από 0.6 υποδηλώνουν περιορισμό της διεργασίας και ενδεχομένως να απαιτηθεί ρύθμιση των συνθηκών από τον χειριστή ώστε να μειωθεί η αρνητική επίδραση των παραμέτρων που περιορίζουν την ομαλή εξέλιξη της διεργασίας. Εφαρμόζοντας τα παραπάνω βήματα για την περίπτωση κομποστοποίησης σε κανάλι (με 30 σημεία μέτρησης) γίνεται η αποτύπωση της κλασματικής επίδρασης της θερμοκρασίας της υγρασίας του οξυγόνου αλλά και της συνολικής επίδρασης κατά τη χρονική εξέλιξη της 11 Ανάπτυξη εργαλείου ελέγχου διεργασίας κομποστοποίησης βιοαποβλήτων LIFE+ Athens Biowaste
διεργασίας (δηλαδή κατά μήκος του καναλιού) (Διάγραμμα 4) για τα πειραματικά δεδομένα τα οποία αποτυπώνονται στον Πίνακα 1. Όσο υψηλότερες είναι οι τιμές της κλασματικής επίδρασης (τιμές που τήνουν προς 1) των παραμέτρων τόσο μικρότερη είναι η αρνητική επίδρασης τους στη διεργασία της κομποστοποίησης. Για την περίπτωση της εφαρμογής μελέτης παρατηρείται παρεμπόδιση στη διεργασία της κομποστοποίησης κατά τη θερμόφιλη φάση στα σημεία 4 και 10. Στο σημείο 4 φαίνεται ότι η παρεμπόδιση στη διεργασία οφείλεται πρωτίστως στη χαμηλή περιεκτικότητα σε υγρασία, ενώ στο σημείο 10 η παρεμπόδιση οφείλεται κυρίως στο χαμηλό επίπεδο της θερμοκρασίας και δευτερευόντως στη χαμηλή περιεχόμενη υγρασία. Λαμβάνοντας την παραπάνω πληροφόρηση καθίσταται εφικτός ο έγκαιρος προσδιορισμός τυχόν προβλημάτων που αφορούν στην ομαλή διεξαγωγή της κομποστοποίησης και τη λήψη αποφάσεων για τη ρύθμιση των συνθηκών και τη βελτίωση της διεργασίας. Από το 15 σημείο και έπειτα παρατηρείται σταδιακή μείωση της συνολικής κλασματικής επίδρασης (F(TOT) <0.6). Η μείωση αυτή είναι αναμενόμενη και αφορά στην ολοκλήρωση της θερμόφιλης φάσης της κομποστοποίησης (ενεργή φάση της κομποστοποίησης) και τη μετάβαση σε μεσόφιλες συνθήκες. Πίνακας 1: Δεδομένα καταχώρησης από χρήστη στην περίπτωση της μελέτης εφαρμογής ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΚΟΜΠΟΣΤΟΠΟΙΗΣΗΣ Μήκος Καναλιού Κομποστοποίησης Θερμοκρασία Υγρασία Οξυγόνο Μήκος (m) T (oc) H2O (% w/w) O2 (% v/v) 0.00 28.20 60.20 0.00 1.00 37.40 58.00 6.53 2.00 49.70 60.70 7.43 3.00 58.30 59.00 8.65 4.00 60.10 40.00 8.65 5.00 57.80 50.00 8.65 6.00 58.30 58.50 8.65 7.00 54.70 59.10 8.65 8.00 52.40 57.40 19.30 9.00 51.60 56.50 17.00 10.00 40.00 48.00 15.80 11.00 49.30 55.00 14.50 12.00 47.60 54.30 14.10 13.00 48.70 55.50 15.82 14.00 47.90 53.90 16.30 15.00 45.40 52.20 17.01 16.00 44.70 50.00 16.58 17.00 42.50 51.60 17.70 18.00 40.60 48.20 14.50 19.00 40.90 45.10 14.10 20.00 38.60 47.60 15.82 12 Ανάπτυξη εργαλείου ελέγχου διεργασίας κομποστοποίησης βιοαποβλήτων LIFE+ Athens Biowaste
ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΚΟΜΠΟΣΤΟΠΟΙΗΣΗΣ Μήκος Καναλιού Κομποστοποίησης Θερμοκρασία Υγρασία Οξυγόνο Μήκος (m) T (oc) H2O (% w/w) O2 (% v/v) 21.00 39.40 44.10 16.30 22.00 37.60 42.00 14.50 23.00 34.80 39.20 14.10 24.00 32.20 38.80 15.82 25.00 35.00 36.00 17.00 26.00 31.00 35.00 17.00 27.00 36.00 39.00 15.80 28.00 30.00 34.00 16.30 29.00 28.00 32.00 17.01 30.00 24.00 25.00 16.50 Σημεία όπου απαιτείται παρέμβαση για τη βελτίωση των διεργασιών κομποστοποίησης 1ο Σημείο λόγω μείωσης της υγρασίας 2ο Σημείο λόγω μείωσης της θερμοκρασίας Διάγραμμα 4: Κλασματική επίδραση Θερμοκρασίας F(T), Υγρασία F(MC), Οξυγόνο F(O 2 ) 13 Ανάπτυξη εργαλείου ελέγχου διεργασίας κομποστοποίησης βιοαποβλήτων LIFE+ Athens Biowaste
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η έκθεση αποτελεί μέρος της 4 ης Δράσης του ευρωπαϊκού προγράμματος LIFE Environment ATHENS BIOWASTE με τίτλο Κομποστοποίηση των συλλεχθέντων βιοαποβλήτων & ανάλυση τελικού προϊόντος και ειδικότερα περιλαμβάνει τη Δραστηριότητα 4(c) που αφορά στην ανάπτυξη και παρουσίαση ενός εργαλείου το οποίο απευθύνεται σε χειριστές μονάδων κομποστοποίησης για τον έλεγχο της αερόβιας βιολογικής επεξεργασίας των βιοαποβλήτων. Σκοπός της δραστηριότητας αυτής αποτελεί η ανάπτυξη ενός μοντέλου το οποίο απλοποιεί τον έλεγχο και την παρακολούθηση της απόδοσης της κομποστοποίησης προδιαλεγμένων βιοαποβλήτων καθόλη της διάρκεια της διεργασίας. Επομένως στα πλαίσια της δράσης αυτής πραγματοποιήθηκε η ανάπτυξη ενός απλού εργαλείου σε πλατφόρμα Microsoft excel βάσει της οποίας οι χειριστές μονάδων κομποστοποίησης δύναται να ελέγχουν και να αξιολογούν τη διεργασία καθόλη τη διάρκεια υλοποίησής της. Η έκθεση αυτή αποτελεί το εγχειρίδιο χρήσης του εργαλείου αυτού. Η ανάπτυξη του εργαλείου βασίστηκε στην επιλογή των παραμέτρων που επηρεάζουν την απόδοση της αερόβιας βιολογικής επεξεργασίας των οργανικών αποβλήτων. Οι παράμετροι αυτές είναι η θερμοκρασία, η υγρασία και το οξυγόνο του υποστρώματος το οποίο κομποστοποιείται. Τις παραμέτρους αυτές διέπουν συγκεκριμένες εξισώσεις οι οποίες περιγράφουν τον τρόπο με τον οποίο επηρεάζουν τη διεργασία της κομποστοποίησης. Η επίδραση αυτή αποτυπώνεται γραφικά στους χειριστές οι οποίοι στη συνέχεια δύναται να παρέμβουν στη διεργασία όταν διαπιστώνεται αρνητική επίδραση των παραμέτρων λόγω απόκλισής τους από τις βέλτιστες συνθήκες λειτουργίας. Για την κατανόηση των χρηστών του εργαλείου, στην παρούσα έκθεση γίνεται περιγραφή της χρήση του εργαλείου με συγκεκριμένη μελέτη εφαρμογή κατά την οποία υποδεικνύονται τα βήματα για την αξιολόγηση και τον έλεγχο της κομποστοποίησης μέσω του προτεινόμενου εργαλείου. 14 Ανάπτυξη εργαλείου ελέγχου διεργασίας κομποστοποίησης βιοαποβλήτων LIFE+ Athens Biowaste
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Haug, R. T., (1993). The Practical Handbook of Compost Engineering, Lewis Publishers, Boca Raton, Fla. Richard, T. L., (1997). The kinetics of solid-state aerobic biodegradation, Ph.D, Cornell University. Richard, T. L. and Walker, L. P., (1999). Oxygen and temperature kinetics of aerobic solid-state biodegradation, in: W. Bidlingmaier, M. de Bertoldi, L. F. Diaz and E. K. Papadimitriou (Eds.), ORBITconference, Biological Treatment of Waste and the Environment, Rhombos Verlag, Berlin, Weimar, Germany, pp. 85 91. Richard, T. L. and Walker, L. P., (2006). Modeling the temperature kinetics of aerobic solid-state biodegradation, Biotechnology Progress 22(1) 70-77. Rosso, L., Lobry, J. R. and Flandrois, J. P., (1993). An unexpected correlation between cardinal temperatures of microbial growth highlighted by a new model, Journal of Theoretical Biology 162(4) 447-463. Zhang, J., Gao, D., Chen, T. B., Zheng, G. D., Chen, J., Ma, C., Guo, S. L. and Du, W., (2010). Simulation of substrate degradation in composting of sewage sludge, Waste Management 30(10) 1931-1938. 15 Ανάπτυξη εργαλείου ελέγχου διεργασίας κομποστοποίησης βιοαποβλήτων LIFE+ Athens Biowaste