ПРОГРЕСС ЭНЕРГО
Искусство и наука компостирования
Введение
История компостирования уходит в глубь веков. Первые письменные упоминания об использовании компоста в сельском хозяйстве появились 4500 лет назад в Месопотамии, в междуречье Тигра и Евфрата (нынешний Ирак). Искусством компостирования владели все цивилизации Земли. Римляне, египтяне, греки активно практиковали компостирование, что нашло свое отражение в талмуде, библии и Коране. Археологические раскопки подтверждают, что цивилизация майя 2000 лет назад также занималась компостированием.
Отходы, поддающиеся компостированию, варьируют от городского мусора, представляющего собой смесь органических и неорганических компонентов, до более гомогенных субстратов, таких как отходы животноводства и растениеводства, сырой активный ил и нечистоты. В естественных условиях процесс биодеградации протекает медленно, на поверхности земли, при температуре окружающей среды и, преимущественно, в анаэробных условиях. Компостирование – это способ ускорения естественной деградации в контролируемых условиях.
1. Теоретические основы процесса компостирования
Процесс компостирования представляет собой сложное взаимодействие между органическими отходами, микроорганизмами, влагой и кислородом. В отходах обычно существует своя эндогенная смешанная микрофлора. Микробная активность возрастает, когда содержание влаги и концентрация кислорода достигают необходимого уровня. Кроме кислорода и воды микроорганизмам для роста и размножения необходимы источники углерода, азота, фосфора, калия и определенных микроэлементов. Эти потребности часто удовлетворяются веществами, содержащимися в отходах.
Потребляя органические отходы как пищевой субстрат, микроорганизмы размножаются и продуцируют воду, диоксид углерода, органические соединения и энергию. Часть энергии, получающейся при биологическом окислении углерода, расходуется в метаболических процессах, остальная – выделяется в виде тепла.
1.1. Стадии компостирования
Компостирование представляет собой динамический процесс, протекающий благодаря активности сообщества живых организмов различных групп. В процессе компостирования принимает участие множество видов бактерий (более 2000) и не менее 50 видов грибов. Эти виды можно подразделить на группы по температурным интервалам, в которых каждая из них активна. Для психрофилов предпочтительна температура ниже 20 градусов Цельсия, для мезофилов – 20-40 градусов Цельсия и для термофилов – свыше 40 градусов Цельсия. Микроорганизмы, преобладающие на последней стадии компостирования, являются, как правило, мезофилами.
Компостирование – комплексный, многостадийный процесс. Каждая его стадия характеризуется различными консорциумами организмов. Фазы компостирования состоят из:
1. лаг-фазы (lag phase),
2. мезофильной фазы (mesophilic phase),
3. термофильной фазы (thermophilic phase),
4. фазы созревания (final phase).
Фаза 1 (lag phase) начинается сразу после внесения свежих отходов в компостную кучу. В течение этой фазы микроорганизмы адаптируются к типу отходов и условиям обитания в компостной куче. Распад отходов начинается уже на этой стадии, но общая численность популяции микробов еще невелика, температура невысока.
Фаза 2 (mesophilic phase). На протяжении этой фазы процесс распада субстратов усиливается. Численность микробной популяции возрастает преимущественно за счет мезофильных организмов, адаптирующихся к низким и умеренным температурам. Эти организмы быстро разлагают растворимые, легко деградируемые компоненты, такие как простые сахара и углеводы. Запасы этих веществ быстро истощаются, микробы начинают разлагать более сложные молекулы, такие как целлюлозу, гемицеллюлозу и белки. После потребления этих веществ микробы выделяют комплекс органических кислот, которые служат источником пищи для других микроорганизмов. Однако не все образовавшиеся органические кислоты поглощаются, что ведет к их избыточному накоплению и, как результат, к понижению рН среды. рН служит индикатором окончания второй стадии компостирования. Но это явление временное, поскольку избыток кислот ведет к гибели микроорганизмов.
Фаза 3 (thermophilic phase). В результате микробного роста и метаболизма происходит повышение температуры. Когда температура повышается до 40 градусов Цельсия и выше, мезофильные микроорганизмы замещаются микробами, более устойчивыми к высоким температурам – теромофилами. При достижении температуры 55 градусов Цельсия большинство патогенов человека и растений погибает. Но если температура превысит 65 градусов Цельсия, погибнут и аэробные термофилы компостной кучи. Благодаря высокой температуре происходит ускоренный распад белков, жиров и сложных углеводов типа целлюлозы и гемицеллюлозы – основных структурных компонентов растений. В результате исчерпания пищевых ресурсов обменные процессы идут на убыль, и температура постепенно снижается.
Фаза 4 (final phase). Вследствие падения температуры до мезофильного диапазона в компостной куче начинают доминировать мезофильные микроорганизмы. Температура является наилучшим индикатором наступления стадии созревания. В данной фазе оставшиеся органические вещества образуют комплексы. Этот комплекс органических веществ устойчив к дальнейшему разложению и называется гуминовыми кислотами или гумусом.
1.2. Биохимические аспекты компостирования
Компостирование – биохимический процесс, предназначенный для преобразования твердых органических отходов в стабильный, подобный гумусу продукт. Упрощенно компостированием называют биохимический распад органических составных частей органических отходов в контролируемых условиях. Применение контроля отличает компостирование от естественно протекающих процессов гниения или разложения.
Процесс компостирования зависит от активности микроорганизмов, которые нуждаются в источнике углерода для получения энергии и биосинтеза клеточного матрикса, а также в источнике азота для синтеза клеточных белков. В меньшей степени микроорганизмы нуждаются в фосфоре, калии, кальции и других элементах. Углерод, который составляет около 50% общей массы микробных клеток, служит источником энергии и строительным материалом для клетки. Азот является жизненно важным элементом при синтезе клеткой белков, нуклеиновых кислот, аминокислот и ферментов, необходимых для построения клеточных структур, роста и функционирования. Потребность в углероде у микроорганизмов в 25 раз выше, чем в азоте.
В большинстве процессов компостирования эти потребности удовлетворяются за счет исходного состава органических отходов, только отношение углерода к азоту (C:N) и, изредка, уровень фосфора могут нуждаться в корректировке. Свежие и зеленые субстраты богаты азотом (так называемые «зеленые» субстраты), а коричневые и сухие (так называемые «коричневые» субстраты) – углеродом.
Так, например, в опилках примерное соотношение углерода к азоту:
С/N =500/1
в соломе С/N =100/1
в листве С/N =50/1;
в газонной траве С/N =15/1
в овощных отходах С/N =13/1
навозном компосте С/N =10/1
Для образования компоста огромное значение имеет углерод-азотный баланс (отношение C:N). Соотношение C:N представляет собой отношение веса углерода (но не числа атомов!) к весу азота. Количество необходимого углерода значительно превосходит количество азота. Контрольное значение этого соотношения при компостировании равняется 30:1 (30г углерода на 1г азота). Оптимальным считается соотношение C:N, равное 25:1. Чем больше углерод-азотный баланс отклоняется от оптимального, тем медленнее протекает процесс.
Если твердые отходы содержат большое количество углерода в связанной форме, то допустимое углерод-азотное отношение может быть выше 25/1. Более высокое значение этого отношения приводит к окислению избыточного углерода. Если этот показатель значительно превышает указанное значение, доступность азота снижается, и микробный метаболизм постепенно затухает. Если соотношение меньше оптимального значения, как это бывает в активном иле или навозе, азот будет удаляться в виде аммиака, часто в больших количествах. Потеря азота за счет улетучивания аммиака может быть частично восполнена благодаря активности бактерий-азотфиксаторов, появляющихся, в основном, при мезофильных условиях на поздних стадиях биодеградации.
Основным вредным эффектом слишком низкого отношения C/N является потеря азота в результате образования аммиака и его последующего улетучивания. Между тем, сохранение азота очень важно для образования компоста. Потеря аммиака становится наиболее ощутимой при высокоскоростных процессах компостирования, когда возрастает степень аэрации, создаются термофильные условия и рН достигает 8 и более. Такое значение рН благоприятствует образованию аммиака, а высокая температура ускоряет его улетучивание.
Неопределенность величины потери азота делает сложным точное определение требуемого начального значения C:N, но на практике оно рекомендуется в пределах 25:1 – 30:1. При низких значениях этого соотношения потеря азота в форме аммиака может быть частично подавлена добавлением избыточных фосфатов (суперфосфат).
В процессе компостирования происходит существенное снижение соотношения от 30:1 до 20:1 в конечном продукте. Соотношение C:N постоянно снижается, поскольку во время поглощения углерода микробами 2/3 его высвобождается в атмосферу в виде углекислого газа. Оставшиеся 1/3 совместно с азотом включаются в состав микробной биомассы.
Поскольку при формировании компостной кучи не практикуется взвешивание субстрата, смесь готовится из равных частей «зеленого» и «коричневого» компонентов. Регулирование соотношения углерода и азота базируется на качестве и количестве того или иного вида отходов, которые используют при закладке кучи. Поэтому компостирование считается искусством и наукой одновременно.
1.3. Критические факторы компостирования
Процесс естественного разложения субстрата при компостировании может быть ускорен благодаря контролю не только за соотношением углерода и азота, но и за влажностью, температурой, уровнем кислорода, размером частиц, размером и формой компостной кучи, рН.
1.3.1. Питательные вещества и добавки
Помимо вышеуказанных веществ, необходимых для роста и размножения микроорганизмов – основных деструкторов органических отходов, для увеличения скорости компостирования применяются различные химические, растительные и бактериальные добавки. За исключением возможной потребности в дополнительном азоте, большинство отходов содержит все необходимые питательные вещества и широкий спектр микроорганизмов, что делает их доступными для компостирования. Очевидно, что начало термофильной стадии можно ускорить возвращением некоторого количества готового компоста в систему.
Носители (древесная щепа, солома, опилки и др.) обычно необходимы для поддержания структуры, обеспечивающей аэрацию при компостировании таких отходов, как сырой активный ил и навоз.
1.3.2. рН
Н является наиболее важным показателем «здоровья» компотной кучи. Как правило, рН бытовых отходов во второй фазе компостирования достигает 5,5–6,0. Фактически эти значения рН являются индикатором того, что процесс компостирования начался, то есть вступил в лаг-фазу. Уровень рН определяется активностью кислотообразующих бактерий, которые разлагают сложные углеродсодержащие субстраты (полисахариды и целлюлозу) до более простых органических кислот.
Значения рН поддерживаются также ростом грибов и актиномицетов, способных разлагать лигнин в аэробной среде. Бактерии и другие микроорганизмы (грибы и актиномицеты) в различной степени способны разлагать гемицеллюлозу и целлюлозу.
Микроорганизмы, которые продуцируют кислоты, могут также утилизировать их в качестве единственного источника питания. Конечным результатом является рост рН до 7,5–9,0. Попытки контролировать рН соединениями серы неэффективны и нецелесообразны. Поэтому более важным является управление аэрацией посредством контроля анаэробных условий, узнаваемых по ферментации и гнилостному запаху.
Роль рН в компостировании определяется тем, что многие микроорганизмы, как и беспозвоночные, не могут выживать в очень кислой среде. К счастью, рН, как правило, контролируется естественным путем (карбонатная буферная система). Следует иметь в виду, если вы решили корректировать рН посредством нейтрализации кислоты или щелочи, то это приведет к образованию соли, что может вызвать негативное воздействие на «здоровье» кучи. Компостирование легко протекает при значениях рН, равных 5,5–9,0, но наиболее эффективно – в диапазоне 6,5–9,0. Важным требованием ко всем компонентам, вовлекаемым в компостирование, является слабая кислотность или слабая щелочность в начальной стадии, но зрелый компост должен иметь рН в интервале, близком к нейтральным значениям рН (6,8–7,0). В случае, если система превращается в анаэробную, накопление кислоты может привести к резкому снижению рН до 4,5 и значительному ограничению микробной активности. В таких ситуациях аэрация становится тем спасительным кругом, который вернет рН до допустимых значений.
1.3.3. Аэрация
При нормальных условиях компостирование представляет собой аэробный процесс. Это означает, что для метаболизма и дыхания микробов необходимо присутствие кислорода. В переводе с греческого aero означает воздух, а bios – жизнь. Микробы используют кислород чаще других окисляющих агентов, поскольку с его участием реакции протекают в 19 раз энергичнее. Идеальной считается концентрация кислорода, равная 16 – 18,5%. В начале компостирования концентрация кислорода в порах составляет 15-20%, что равноценно его содержанию в атмосферном воздухе. Концентрация углекислого газа варьирует в диапазоне 0,5-5,0%. В процессе компостирования концентрация кислорода снижается, а углекислого газа – возрастает.
Если концентрация кислорода падает ниже 5%, возникают анаэробные условия. Контроль содержания кислорода в выходящем воздухе полезен для регулировки режима компостирования. Самый простой способ такого контроля – обоняние, так как запахи разложения указывают на начало анаэробного процесса. Поскольку анаэробная активность характеризуется дурными запахами, то допускаются небольшие концентрации дурно пахнущих веществ. Компостная куча действует как биофильтр, улавливающий и обезвреживающий зловонные компоненты.
Некоторые компостные системы способны пассивно поддерживать адекватную концентрацию кислорода посредством природной диффузии и конвекции. Другие системы нуждаются в активной аэрации, обеспечиваемой продуванием воздуха или переворачиванием и смешиванием компостируемых субстратов. При компостировании таких отходов, как сырой активный ил и навоз, для поддержания структуры, обеспечивающей аэрацию, обычно используются носители (древесная щепа, солома, опилки и др.).
Аэрация может осуществляться естественной диффузией кислорода в компостируемую массу посредством перемешивания компоста вручную, с помощью механизмов или принудительной аэрации. Аэрация имеет и другие функции в процессе компостирования. Поток воздуха удаляет диоксид углерода и воду, образующиеся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов, а также отводит теплоту благодаря испарительному теплопереносу. Потребность в кислороде меняется в течение процесса: она низка в мезофильной стадии, возрастает до максимума в термофильной стадии и падает до нуля во время стадии остывания и созревания.
При естественной аэрации центральные участки компостируемой массы могут оказаться в условиях анаэробиоза, поскольку скорость диффузии кислорода слишком низка для протекающих метаболических процессов. Если материал, образующий компост, имеет анаэробные зоны, то могут возникнуть масляная, уксусная и пропионовая кислоты. Однако кислоты вскоре используются бактериями в качестве субстрата, и с образованием аммиака начинает подниматься уровень рН. В таких случаях перемешивание вручную или механическое позволяет воздуху проникнуть в анаэробные участки. Перемешивание способствует также диспергированию крупных фрагментов сырья, что увеличивает удельную поверхность, необходимую для биодеградации. Управление процессом перемешивания обеспечивает переработку большей части сырья в термофильных условиях. Чрезмерное перемешивание приводит к охлаждению и высыханию компостируемой массы, к разрывам в мицелии актиномицетов и грибов. Перемешивание компоста в кучах может быть слишком затратным с точки зрения использования машин и ручного труда, и поэтому частота перемешивания представляет собой компромисс между экономичностью и потребностями процесса. При использовании установок для компостирования рекомендуется чередовать периоды активного перемешивания с периодами без перемешивания.
1.3.4. Влажность
Компостные микробы нуждаются в воде. Разложение осуществляется гораздо быстрее в тонких жидких пленках, образованных на поверхностях органических частиц. 50–60% влаги считается оптимальным содержанием для осуществления процесса компостирования, но при использовании носителей возможны и большие значения. Оптимальная влажность варьирует и зависит от природы и размера частиц. Содержание влаги менее 30% подавляет бактериальную активность. При влажности менее 30% от общей массы скорость биологических процессов резко падает, а при влажности 20% они могут вовсе прекратиться. Влажность более 65% препятствует диффузии воздуха в кучу, что значительно снижает деградацию и сопровождается зловонием. При слишком большой влажности пустоты в структуре компоста заполняются водой, которая ограничивает доступ кислорода к микроорганизмам.
Наличие влаги определяется на ощупь при нажатии на комочек компоста. Если при нажатии выделяется 1-2 капли воды, то влажность компоста достаточная. Материалы типа соломы устойчивы к высокой влажности.
Вода образуется в ходе компостирования за счет жизнедеятельности микроорганизмов и теряется за счет испарения. В случае применения принудительной аэрации потери воды могут быть значительными, и возникает необходимость в дополнительном внесении воды в компост. Это может быть достигнуто поливом водой или добавлением активного ила и других жидких отходов.
1.3.5. Температура
Температура служит хорошим показателем процесса компостирования. Температура в компостной куче начинает подниматься через несколько часов с момента закладки субстрата и меняется в зависимости от стадий компостирования: мезофильной, термофильной, остывание, созревание.
В начале процесса отходы находятся при температуре окружающей среды, рН в них слабокислое. В начальной, мезофильной, стадии микроорганизмы, присутствующие в отходах, начинают быстро размножаться, температура повышается до 42 градусов Цельсия, и среда подкисляется за счет образования органических кислот. При увеличении температуры выше 40 градусов Цельсия происходит гибель исходных мезофиллов, им на смену приходят термофилы. Это поднимает температуру до 60 градусов Цельсия, при которой грибы теряют свою активность. После 62 градусов Цельсия процесс продолжают спорообразующие бактерии и актиномицеты, рН становится щелочным за счет выделения аммиака при распаде белков. В течение термофильной фазы легко разлагаемые субстраты – сахара, крахмал, жиры, белки – быстро потребляются, и скорость реакции начинает падать после того, как в нее вовлекаются более устойчивые субстраты. При этом скорость тепловыделения становится равной скорости теплопотери, что соответствует достижению температурного максимума. Затем компост вступает в стадию остывания. В некоторых случаях (часто при компостировании старых отходов) имеет место несколько температурных максимумов. В этой точке куча компоста достигает стабильного состояния. Легко усваиваемые соединения уже распались, основная потребность в кислороде удовлетворена, компостируемый материал перестает привлекать мух и паразитов и дурно пахнуть, так как легко доступные азот и сера связаны новыми микроорганизмами.
В течение стадии остывания, которая следует за температурным максимумом, рН медленно падает, но остается щелочным. Термофильные грибы из более холодных зон вновь захватывают весь объем и вместе с актиномицетами потребляют полисахариды, гемицеллюлозу и целлюлозу, разрушая их до моносахаридов, которые впоследствии могут быть утилизированы широким спектром микроорганизмов. Скорость тепловыделения становится очень низкой, и температура падает до значений таковой окружающей среды.
Первые три стадии компостирования протекают относительно быстро (за дни или недели) в зависимости от типа используемой системы компостирования. Заключительная стадия компостирования – созревание, в течение которой потери массы и тепловыделения малы, – длится несколько месяцев. В этой стадии происходят сложные реакции между остатками лигнина из отходов и белками погибших микроорганизмов, приводящие к образованию гуминовых кислот. Компост не разогревается, в нем не происходят анаэробные процессы при хранении, он не отнимает азот у почвы при внесении в нее (процесс иммобилизации азота микроорганизмами). Конечное значение рН – слабощелочное.
Высокая температура часто считается необходимым условием успешного компостирования. На самом деле при слишком высокой температуре процесс биодеградации подавляется из-за ингибирования роста микроорганизмов, очень немногие виды сохраняют активность при температуре свыше 70 градусов Цельсия. Порогом, после которого наступает подавление, служит температура около 60 градусов Цельсия, и поэтому высокие температуры в течение длительного периода должны быть исключены при быстром компостировании. Однако температура порядка 60 градусов Цельсия полезна для борьбы с термочувствительными патогенными микроорганизмами. Поэтому необходимо поддерживать условия, при которых, с одной стороны, будет гибнуть патогенная микрофлора, а с другой – развиваться микроорганизмы, ответственные за деградацию. Для этих целей рекомендуемым оптимумом является температура 55 градусов Цельсия. Управление температурой может быть достигнуто с помощью принудительной вентиляции в ходе компостирования. Отвод тепла осуществляется с помощью системы испарительного охлаждения.
Основными факторами в разрушении патогенных организмов в процессе образования компоста являются тепло и антибиотики, продуцируемые микроорганизмами-деструкторами. Высокая температура держится в течение времени, достаточного для гибели патогенов.
1.3.6. Дисперсность частиц
Основная микробная активность проявляется на поверхности органических частиц. Следовательно, уменьшение размера частицы ведет к увеличению площади поверхности, а это, в свою очередь, казалось бы, должно сопровождаться ростом микробной активности и скорости разложения. Однако, когда частицы слишком малы, они плотно слипаются друг с другом, ухудшая циркуляцию воздуха в куче. Это уменьшает поступление кислорода и существенно понижает микробную активность. Размер частиц влияет также на доступность углерода и азота. Допустимый размер частиц находится в диапазоне 0,3–5 см, но варьирует в зависимости от характера сырья, размера кучи и погодных условий. Необходим оптимум в размере частиц. Для механизированных установок с перемешиванием и принудительной аэрацией частицы могут иметь размер после измельчения 12,5 мм. Для неподвижных куч с естественной аэрацией наилучшим является размер частиц порядка 50 мм.
Желательно также, чтобы сырье для компостирования содержало максимум органического материала и минимум неорганических остатков (стекло, металл, пластмасса и др.).
1.3.7. Размер и форма компостной кучи
Различные органические соединения, присутствующие в компостируемой массе, имеют различную теплоту сгорания. Белки, углеводы и липиды имеют теплоту сгорания в пределах 9-40 кДж. Количество выделяющейся при компостировании теплоты весьма значительно, так что при компостировании больших масс могут достигаться температуры порядка 80-90 градусов Цельсия. Эти температуры намного превосходят оптимальную, равную 55 градусов Цельсия, и в таких случаях может понадобиться испарительное охлаждение посредством испарительной аэрации. Малые количества компостируемого материала имеют высокое отношение поверхности к объему.
Компостная куча должна иметь достаточный размер для предотвращения быстрой потери тепла и влаги и обеспечения эффективной аэрации во всем объеме. При компостировании материала в кучах в условиях естественной аэрации их не следует складывать больше 1,5 м в высоту и 2,5 м в ширину, в противном случае диффузия кислорода к центру кучи будет затруднена. При этом куча может быть вытянута в компостный ряд любой длины. Минимальный размер кучи – около одного метра кубического. Максимально приемлемый размер кучи – 1,5м х 1,5м при любой длине.
Штабель может быть любой длины, но его высота имеет определенное значение. Если штабель уложен слишком высоко, то материал будет сжат собственной массой, в смеси не будет пор, и начнется анаэробный процесс. Низкий компостный штабель слишком быстро теряет тепло, и в нем нельзя поддерживать температуру, оптимальную для термофильных организмов. Кроме того, из-за большой потери влаги замедляется степень образования компоста. Опытным путем установлены наиболее приемлемые высоты компостных штабелей для любых видов отходов.
Равномерное разложение обеспечивается перемешиванием наружных краев к центру компостного штабеля. При этом любые личинки насекомых, патогенные микробы или яйца насекомых подвергаются воздействию гибельной для них температуры внутри компостного штабеля. При избыточном количестве влаги рекомендуется частое перемешивание.
1.3.8. Свободный объем
Компостируемую массу упрощенно можно рассматривать как трехфазную систему, в которую входят твердая, жидкая и газовая фазы. Структура компоста представляет собой сеть твердых частиц, в которую заключены пустоты различного размера. Пустоты между частицами заполнены газом (преимущественно кислородом, азотом, диоксидом углерода), водой или газожидкостной смесью. Если пустоты целиком заполнены водой, то это сильно затрудняет перенос кислорода. Порозность компоста определяют как отношение свободного объема к общему объему, а свободное газовое пространство – как отношение газового объема к общему объему. Минимальное свободное газовое пространство должно быть порядка 30%.
Оптимальная влажность компостируемой массы варьирует и зависит от природы и дисперсности материала. Различные материалы могут иметь разную влажность до тех пор, пока поддерживается соответствующий объем свободного газового пространства.
1.3.9. Время созревания компоста
Время, необходимое для созревания компоста, зависит от перечисленных выше факторов. Более короткий период созревания связан с оптимальным содержанием влаги, соотношением C:N и частотой аэрации. Процесс замедляется при недостаточной влажности субстрата, низких температурах, высоком значении соотношения C:N, больших размерах частиц субстрата, высоком содержании древесных материалов и неадекватной аэрации.
Процесс компостирования сырья протекает гораздо быстрее, если соблюдаются все условия, необходимые для роста микроорганизмов. Задача состоит в том, чтобы реализовать набор этих параметров в виде недорогих, но надежных систем компостирования.
В ходе компостирования физическая структура материала подвергается изменению. Он приобретает темный цвет, ассоциируемый с компостом. Заслуживает внимания изменение запаха компостируемого материала от зловонного до «запаха земли», обусловленного геосмином и 2-метилизоборнеолом – продуктами жизнедеятельности актиномицетов.
Конечным результатом этапа образования компоста является стабилизация органических веществ. Степень стабилизации относительна, поскольку окончательная стабилизация органического вещества связана с образованием СО2, Н2О и минеральной золы.
Желательная степень стабильности – та, при которой не возникает проблем при хранении продукта даже во влажном состоянии. Сложность заключается в том, чтобы определить этот момент. Темный цвет, типичный для компоста, может появиться задолго до достижения нужной степени стабилизации. То же можно сказать о «запахе почвы».
Кроме внешнего вида и запаха параметрами стабильности являются: окончательное падение температуры, степень самонагревания, количество разложившегося и стабильного вещества, повышение окислительно-восстановительного потенциала, поглощение кислорода, рост нитевидных грибов, крахмальная проба.
Пока не разработаны однозначные критерии для оценки приемлемых уровней стабильности и «зрелости» компоста. Компостирующий потенциал можно определить путем оценки темпов конверсии органических соединений в почвенные составляющие и гумус, повышающие плодородие почв.
Образование гумуса (гумификация) – некая совокупность всех процессов, вовлеченных в преобразование свежего органического вещества в гумус. Определение темпов этой конверсии является сложной задачей и, в свою очередь, – важным инструментом для научного исследования процесса компостирования.
Из ряда работ, выполненных различными исследователями в этой области, становится очевидным, что параметры, которые могут использоваться в качестве показателей темпов гумификации, «зрелости» и стабильности компостов, составляют две категории. Показатели первой категории – pH, общее количество органического углерода (TOC), показатель гумификации (HI) и отношение углерода к азоту (C/N) – за время периода компостирования снижаются. Другие химические показатели и параметры гумификации – содержание общего азота (TON), общее содержание экстрагируемого углерода (TEC) и гуминовых кислот (HA), отношение гуминовых кислот к фульвокислотам (HA:PhA), степень гумификации (DH), скорость гумификации (HR), показатель зрелости (MI), показатель гумификации (IHP) – с течением времени увеличиваются, и качество компостов стабилизируется.
В ряду анализируемых химических параметров отношение гуминовых кислот к фульвокислотам, скорость гумификации, степень гумификации, показатель гумификации, показатель зрелости, показатель гумификации, отношение углерода к азоту до сих пор считались ключевыми параметрами для оценки темпов и степени конверсии органических отходов при компостировании.
2. Способы компостирования
Технология контролируемого компостирования охватывает несколько последовательных этапов: сортировку, дробление, образование компоста, хранение. Процесс компостирования может быть эффективным лишь при строгом контроле всех его этапов.
Сколько людей, занимающихся компостированием, столько и способов. Методы компостирования варьируют от достаточно сложных времязатратных до относительно простых и не требующих много времени. Главными отличиями различных способов компостирования является количество затраченного времени, усилий и средств. Пассивный метод компостирования займет у вас 1-2 года без особых усилий и расходов с вашей стороны. Потратив время и приложив незначительные усилия, вы сможете получить компост хорошего качества значительно быстрее.
Существует два основных способа приготовления компоста: «горячий» компост и «холодный» компост. «Холодный» компост легче приготовить, но для его созревания требуется более длительное время. «Горячий» компост приготовить сложнее, но созревает он быстрее. Выбор за вами. Но сначала поговорим о месте и субстрате для компостирования.
2.1. Место для компостирования
Компост можно делать в открытой куче, но специально устроенные «закрома» более надежны и продуктивны. Какой бы дизайн вы не выбрали, лучше, если место под компостной кучей будет ровное, хорошо просушенное. Неплохо, если вы положите в основание солому: она обеспечит свободный доступ воздуха. Если весь «зеленый» материал, добавленный вами в компост, достаточно влажный, вам нет необходимости дополнительно увлажнять его. В противном случае вам потребуется добавить воду, чтобы активизировать процесс разложения.
Независимо от того, большой или маленький у вас участок, целесообразно отвести место под компостную кучу, чтобы превратить выбрасываемые материалы в вещество, способное облагородить почву. Площадка для компоста должна находиться в хорошо дренированном месте и ни в коем случае не в сыром, плохо проветриваемом понижении. Место выбирают теплое, защищенное от холодных и иссушающих ветров, и уж совсем не подходит открытый солнцепек. Для затенения рядом сажают живые изгороди, например, из бузины, вокруг ее корней образуется гумус, и она поглощает и испаряет много воды. Располагаться компостная куча должна на очищенной от дернины и хорошо разрыхленной земле (на глубину 15-30 см). Земля в этом месте становится местом обитания дождевых червей и других организмов, участвующих в процессе компостирования. При промерзании, пересыхании кучи дождевые черви уходят вниз, в землю. Если компостную кучу закладывать на мертвой земле, то потребуется довольно длительный период времени, чтобы в ней поселилась и размножилась необходимая флора и фауна, без которой компост не образуется.
2.2. Субстрат для компостирования
Обеспечение адекватными источниками углерода и азота имеет большое значение, поскольку эти элементы необходимы микроорганизмам для их роста и размножения. Углерод служит также источником энергии для почвенных организмов. Азот используется организмами для создания белков, ферментов и наращивания клеточной биомассы.
Баланс между углеродом и азотом проявляется в создании оптимальных условий, позволяющих микробам потреблять отходы более эффективно. Пищевые остатки и садовые обрезки классифицируются согласно содержанию в них углерода и азота как «зеленые» и «коричневые». «Зеленые» материалы – свежескошенная трава, навоз, садовые растения, кухонные остатки – содержат большое количество азота. «Коричневые» материалы – сухие листья и растения, древесная стружка – содержат большое количество углерода на фоне низкого содержания азота. Главное эмпирическое правило при приготовлении компостной кучи: доля «зеленых» и «коричневых» субстратов должна составлять по 50%.
Значения C:N для навоза и сточных вод ниже рекомендованных, из-за этого могут происходить существенные потери аммонийного азота в процессе компостирования. Поэтому такие субстраты перед переработкой лучше перемешивать с субстратами, для которых характерно высокое значение C:N, например, с соломой или древесными опилками. Субстраты с высокой влажностью следует перемешивать с субстратами с низкой влажностью для получения материала, который легко поддается компостированию. Примерами таких смесей могут служить навоз и солома, сырой активный ил и твердые отходы.
Предварительная обработка субстрата для компостирования будет зависеть от того, является ли применяемая система компостирования относительно небольшой и обслуживается вручную или, наоборот, имеет большие размеры и механизирована. В системах с использованием ручного труда разные материалы подвергаются различной предобработке. Свежую зеленую массу – сорняки, ботву, овощные очистки, листья, рисовые отруби и солому – можно использовать без предобработки. Грубые субстраты – жесткие стебли различных сельскохозяйственных культур – лучше перед использованием измельчать. Древесные материалы – остатки сахарного тростника, кору, опилки – погружают в воду или помещают в яму с влажным грунтом на несколько недель. Городские ТБО становятся пригодными для компостирования только после предобработки, которая включает сбор отходов, их измельчение, извлечение железосодержащих материалов с помощью магнитов, удаление пластмасс и текстиля, регулирование отношения C:N и влажности. Порядок и степень предварительной обработки зависит от типа используемой системы и природы твердых отходов.
2.3. Пассивное компостирование
Пассивное компостирование лишь незначительно сложнее простого укладывания в кучу отмерших растений и их разложения. Это ручной низкозатратный метод создания благоприятных условий для микробного роста с целью разложения субстратов без особых усилий с вашей стороны. Компостная куча будет расти постепенно, но следует соблюдать баланс между количеством «зеленого» и «коричневого» субстрата. Единственное, что требуется от вас, – это сохранение влаги в куче. Поскольку такая куча не образует достаточного количества тепла, не происходит обеззараживания компоста. В связи с этим не все субстраты могут быть использованы при закладке кучи, например, больные растения и навоз.
Преимущество пассивного метода над активным заключается в том, что вам не приходится тратить время и прикладывать усилия. Недостатком этого метода является то, что процесс компостирования занимает 6-12, а то и все 24 месяцев против 1-3 месяцев при активном методе. Пассивный метод часто называют «холодным» компостированием.
2.4. Активное компостирование
Активный подход отличается от пассивного только степенью вашего участия. Компостируемые материалы добавляются все сразу. Это связано с тем, что куча должна иметь такой размер, который призван способствовать сохранению тепла до тех пор, пока не погибнут термофильные бактерии. Куча должна сохранять тепло в течение 3-5 дней, для этого необходимо соблюдать режим аэрации и влажности, переворачивая субстрат и добавляя воду. Эти процедуры необходимо повторить несколько раз в течение 2-4 месяцев, но на практике возможно сокращение сроков до 4-6 недель.
В результате термических реакций происходит компостирование большинства растительных отходов. Но следует исключить добавление зараженных и больных растений. Достоинством этого метода компостирования является возможность разложения «коричневых» субстратов за несколько недель. Хотя метод активного компостирования и требует больше трудозатрат, чем пассивное компостирование, различия несущественны, но компост созревает гораздо быстрее.
Основные этапы:
1. Сформировать кучу из 50% «зеленых» и 50% «коричневых» субстратов размером не менее 1 кубического метра. Употребляемые отходы укладываются слой за слоем или же просто смешиваются друг с другом. Поскольку активное компостирование является «горячим» методом, такой объем компостируемых субстратов необходим для сохранения тепла в куче. Соотношение C:N должно регулироваться количеством и качеством компостируемых материалов. Добавление слишком большого количества углеродсодержащих материалов приведет к тому, что куча не будет нагреваться. Чрезмерное количество азота вызовет зловоние. Каждый следующий слой посыпайте землей для внесения достаточного количества почвенных микроорганизмов.
2. Размер частиц компостируемых материалов существенно влияет на скорость и качество компостирования. Всегда, когда это возможно, измельчайте добавляемые материалы перед их внесением в компостную кучу. Попытайтесь раздробить субстрат до частиц размером 2,5 см. Так как многие субстраты недостаточно влажны, проведите их предварительное замачивание. За счет этого время компостирования может сократиться вдвое.
3. По возможности используйте коммерческие контейнеры для компостирования, снабженные всеми приспособлениями для соблюдения режима компостирования. Если вы используете самодельный контейнер, то постарайтесь накрыть кучу картоном.
4. Куча всегда должна оставаться влажной, но не мокрой. Если она пересохла, просто полейте ее водой из шланга. Бывает достаточно полить ее только по краям. Пленка, постеленная поверх кучи, поможет поддержать влажность и, кроме того, будет препятствовать вымыванию питательных элементов из кучи сильными дождями.
5. Если куча начала издавать зловонные запахи, следует перевернуть ее, чтобы проветрить; если она оказалась слишком влажной, добавьте сухого материала и накройте кучу пленкой. Если процесс разложения протекает слишком медленно, добавьте зеленого материала, содержащего большое количество азота, или же хорошенько полейте водой и держите ее сырой.
6. Температура является наиболее точным показателем того, когда следует ворошить кучу. В течение 24-48 часов температура в куче поднимается до 60-65 градусов Цельсия, сохраняясь в течение нескольких дней. Через 3-5 дней кучу следует разворошить с помощью вил или лопаты, разбивая образовавшиеся комки. Следует соблюдать аккуратность при перемешивании материала. После этого накройте кучу или контейнер. Эту процедуру повторите 6-8 раз до тех пор, пока компост не будет готов. Пользуйтесь компостным термометром для контроля температуры в куче. Поддерживайте температуру не выше 70 градусов Цельсия, т.к. более высокая температура уничтожит полезные организмы. Переворачивая компост, вы поддерживаете постоянную температуру в куче. Кроме того, регулярное переворачивание повышает уровень кислорода в ней, что увеличивает микробиологическую активность. Если вам нужно получить компост как можно скорее, регулярно ворошите кучу до тех пор, пока она не перестанет нагреваться.
7. О степени готовности «горячего» компоста судят по его внешнему виду и запаху. Компост должен быть темным и рассыпчатым, запах должен напоминать запах свежей земли. Остальные показатели включают относительно постоянную температуру, незначительно превышающую температуру окружающей среды, и рН в зоне нейтральных значений.
3. Оценка риска компостирования органических отходов
В последние годы широкую популярность приобрело приготовление различных экологически чистых компостов. Возникло целое направление органического земледелия — organic farm. Его приверженцы активно используют компосты в фермерских хозяйствах, стараясь обходиться без минеральных удобрений и пестицидов. В европейских странах для получения компостов широко внедряются общие для населения способы сбора и переработки бытовых органических субстратов. Для этого используют, как правило, специальные емкости, заготовки собирают централизованно, а сам процесс стараются контролировать. Увлечение компостами возникло и у нас в годы Перестройки. Идея экологического земледелия воодушевила многих. Однако практически нигде она не осуществлялась профессионально, и уж, тем более, под специальным контролем.
Бытует мнение, что изготовление компоста — экологически чистый процесс, позволяющий, с одной стороны, утилизировать отходы, а с другой — получить органическое удобрение. Но так ли он безопасен, особенно для людей, занятых в его производстве?
Специалисты в области компостирования отходов часто не осведомлены о гигиенических критериях компостирования. В результате этого могут иметь место несчастные случаи, которые будут способствовать неприятию компостирования как такового. Поэтому необходимо пролить свет на риски, которые могут иметь место при компостировании.
Методология оценки риска воздействия вредных факторов окружающей среды на здоровье населения (RISK ASSESSMENT) является новым, относительно молодым, но интенсивно развиваемым во всем мире междисциплинарным научным направлением. Эта методология начала использоваться в США с 80-х годов прошлого столетия. На сегодняшний день она широко применяется в большинстве развитых стран мира и рекомендована Всемирной Организацией Здравоохранения в качестве ведущего инструмента при определении количественного ущерба для здоровья от воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды.
Сегодня можно с уверенностью говорить о том, что обращение с отходами с использованием любой технологии сопряжено с множеством рисков, присущих опасным объектам. Эти риски достаточно хорошо описаны A.K.Panikkar, S.J.Riley, S.P.Shrestha (2004), О.Е.Марфениной (2002) и группой авторов в рамках международного проекта “Composting of organic wastes, optimization of the thermogenic phase to overcome the hygienic and public health hazards”, финансированного Swiss National Science Foundation.
Приоритетными в списке профессиональных вредностей при компостировании выступают патогенные и аллергенные микроорганизмы, микробные токсины. Источниками этих опасностей служат обычные патогены фекального происхождения (бактерии, вирусы, цисты и яйца кишечных паразитов). Вторая опасность связана с развитием мезо- и термофильных/термотолерантных грибов и актиномицетов, которые играют важную роль в деградации отходов. Среди этих микроорганизмов обнаруживаются возбудители инфекционных, аллергических заболеваний.
Большинство органических отходов содержат патогенные организмы. Компостируемый материал не является для патогенных микроорганизмов естественной средой обитания, и они постепенно элиминируют из таких систем в результате действия высоких температур, конкуренции за источники питания, продуктов микробного метаболизма. Известны результаты эксперимента со спорами сибирской язвы, способными сохраняться в почве до 100 лет. По данным Knoll K.H. (1964), при влажности 40-60% и при аэробном разложении бациллы сибирской язвы в компосте погибали уже через 17 дней.
В результате эпидемиологических и экспериментальных исследований установлено, что в ходе изготовления компостов могут развиваться потенциально патогенные плесени. Это приводит к весьма неблагоприятным последствиям, особенно для людей, занятых в производстве. Была установлена четкая связь развития атипического аллергического ринита, конъюнктивита и бронхиальной астмы при контакте со спорами грибов. Грибы, являющиеся основными “поставщиками” спор во внешнюю среду, находятся в воздухе изолированно или на частицах растительного и животного происхождения в виде так называемого биоаэрозоля. Первичными этиологическими агентами при этом оказываются тёмноокрашенные виды из родов Alternaria, Bipolaris, Cladosporium, Curvularia, Nodulosporium, а также Aspergillus, Chrysosporium, Fusarium, Mucor.
Следовательно, компостирование в промышленных масштабах должно стать объектом службы профессиональной безопасности из-за аэрозолей, содержащих аллергенные, патогенные микроорганизмы и токсины. Промышленное компостирование должно быть контролируемым процессом, ведущим к оптимальной гигиенизации, то есть элиминации аллергенных и патогенных микроорганизмов, и деградации биоотходов.
1. На сегодня не установлены точные дозы аллергенных/патогенных микроорганизмов и токсинов, оказывающие вредные эффекты на здоровье как у здоровых, так и у чувствительных индивидов. Для установления влияния избыточных концентраций аллергенов/патогенов на здоровье рабочих, занимающихся компостированием, необходимы дополнительные долговременные эпидемиологические исследования процесса компостирования в промышленных масштабах.
2. Все больше граждан занимается компостированием отходов в небольших масштабах. Поскольку эти системы ведутся экстенсивным способом, гигиеническая обработка компостов высокими температурами не всегда может быть гарантирована. Необходим гигиенический контроль таких систем.
3. Компостирование – сложный комплексный биологический процесс. Требуются дополнительные исследования для эффективного контроля параметров (аэрация, ворошение и др.), играющих важную роль в оптимальной деградации отходов, гигиенизации и созревании компостов.
Объединение исследовательских институтов, агентств и предприятий, занимающихся компостированием, должно привести к учреждению «хорошей практики компостирования». Информация о возможных профессиональных рисках для рабочих, занятых компостированием, должна быть доступной не только для медицинских работников, но и для тех, кто работает с органическими отходами.
В России приняты следующие санитарно-гигиенические требования к производству компостов:
1. Санитарно-гигиенические параметры условий труда должны соответствовать требованиям ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны», СП 1.2.1170-02 «Гигиенические требования к безопасности агрохимикатов» и СанПиН 1.2.1330-03 «Гигиенические требования к производству пестицидов и агрохимикатов».
2. Производственное оборудование технологического процесса должно соответствовать требованиям ГОСТ 12.2.003-91 «Система стандартов безопасности труда. Оборудование производственное. Общие требования безопасности» и СП 2.2.2.1327-03 «Гигиена труда. Технологические процессы, материалы и оборудование, рабочий инструмент гигиенические требования к организации технологических процессов, производственному оборудованию и рабочему инструменту».
3. Все работы, связанные с погрузкой, разгрузкой и фасовкой сухих продуктов, в соответствии с требованиями СанПиН 1.2.1077-01 «Гигиенические требования к хранению, применению и транспортированию пестицидов и агрохимикатов» должны проходить в помещениях с приточно-вытяжной вентиляцией. Вентиляционная система помещений должна обеспечивать тепло-влажностные параметры в пределах нормативных требований для данного производства. Контроль над содержанием вредных веществ в воздухе рабочей зоны должен проводиться в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.005-88.
4. При работе с компостами следует соблюдать правила личной гигиены, работать в спецодежде, в перчатках (хлопчатобумажные, резиновые). Все работы по производству и расфасовке компостов выполняют в специальной одежде, с использованием респиратора согласно «Типовым отраслевым нормам бесплатной выдачи спецодежды, спецобуви и предохранительных приспособлений». Средства защиты должны соответствовать требованиям ГОСТ 12.4.011-89 «ССБТ. Средства защиты работающих. Общие требования и классификация». Стирка спецодежды осуществляется по мере ее загрязнения.
5. Лица, занятые в производстве компостов, должны соблюдать правила личной гигиены и в обязательном порядке проходить периодические медицинские осмотры в соответствии с Приказом Минздрава России от 14.03.96 № 90 и ГОСТ 12.1.007-76 «Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности».
6. Во всех производственных помещениях и на рабочих местах должна быть аптечка первой доврачебной помощи.
7. При хранении и транспортировке компостов следует соблюдать все требования и меры предосторожности согласно СанПиН 1.2.1077-01 «Гигиенические требования к хранению, применению и транспортировке пестицидов и агрохимикатов» и Санитарным правилам 1.2.1170-02 «Гигиенические требования к безопасности агрохимикатов».
Для разработки конкретных рекомендаций по управлению отходами и компостами и по контролю их гигиенических и агрономических свойств необходимы дальнейшие совместные исследования инженеров, микробиологов, аллергологов, эпидемиологов и специалистов в сфере компостирования.