Biologická stabilita, dynamický respirační index a jeho uplatnění v odpadové hospodářství

Fabrizio Adani, Jan Habart Všechny tyto procesy využívají aerobních metod k dosažení vysokého stupně biologické stability organických látek. Je tedy nutné, abychom mohli přesně definovat a stanovit biologickou stabilitu. Ta oceňuje stupeň degradace organické hmoty. (Lasaridi and Stentiford, 1996). Stanovuje aktuální míru, které bylo dosaženo během dekompozičních procesů a reprezentuje hodnotu známé stupnice, což umožňuje tyto dekompoziční procesy srovnávat (Lasaridi and Stentiford, 1996). Je důležité znát stupeň stability organických látek nejen během aerobních biologických procesů, ale také u finálních výrobků, aby bylo možné kontrolovat efektivitu těchto procesů, ohodnotit použitelnost finálních výrobků a také optimalizovat technologii jednotlivých zařízení. (Lasaridi and Stentiford, 1998). Stupeň stability do jisté míry předurčuje také tvorbu zápachu, samozahřívání biomasy, tvorbu zbytkového bioplynu. Dále také opětovné množení mikrobů, fytotoxicitu a technické parametry jako je optimální průtok vzduchu či doba kompostování různých materiálů. Dosažením dobré stability lze také potlačit výskyt chorob rostlin (Iannotti et al., 1993; Müller et al., 1998). V minulosti bylo vyvinuto mnoho metod k určení biologické stability (Chanyasak and Kubota 1982; Iannotti et al. 1992; Adani et al. 1995; Avnimelech et al. 1996).Velká většina těchto metod se používala pouze ve výzkumu. Některé metody se dnes běžně používají v praxi (Anderson 1982; The U.S. Composting Counsil 1997a). Respirometrické testy hodnotí jak produkci CO2 (Naganawa et al. 1990; Willson and Dalmat 1986), tak spotřebu O2 (Iannotti et al. 1992; Ciccotti et al. 1989; Palestky and Young 1995). Metody hodnotící vývin CO2 jsou nenákladné, ale víceméně nedokáží rozlišit mezi CO2 produkovaným aerobně nebo anaerobně (Lasaridi and Stentiford 1996) ačkoli oxidace organických látek spotřebuje stejné množství O2 jako vyprodukuje CO2. (Haug, 1986). Proto jsou metody hodnotící spotřebu O2 více využívány (APHA, AWWA, WPCF, 1985; ASTM, 1992; ASTM, 1996; The U.S. Composting Council, 1997). Respirometrická měření mohou být rozdělena do dynamických a statických metod (Adani and Tambone, 1998). Základní rozdíl je, že měření dynamickými metodami se provádí s kontinuální aerací biomasy, zatímco statické metody jsou bez aerace. Statické metody zahrnují metody pracující za stálého objemu (Nicolardo et al. 1982) nebo za stálého tlaku (Van Der Werf et al. 1987) dále metody měřící substrát v pevné fázi (Iannotti et al., 1993) nebo kapalné (Lasaridi and Stentiford, 1998). Nevýhodou statických metod je, že biomasa je provzdušňována pouze pasivní difúzí (Palastky and Young, 1995). Difúze se stává hlavním limitujícím faktorem mikrobiálních společenstev tenkých filmů jaké se vyskytují na odpadních materiálech, neboť kyslík může jen s obtížemi pronikat přes vrstvy biomasy a buněčné stěny mikrobů. A protože nedochází k odvádění produktů metabolismu, dochází k poklesu mikrobiální činnosti zapříčiněné poklesem pH (Palestky and Young 1995) a toxickými koncentracemi CO2. Proto mohou být výsledky spotřeby kyslíku u statických metod podhodnocené, zejména při měření čerstvých materiálů. Z toho důvodu bylo navrženo několik dynamických metod, oceňujících spotřebu kyslíku na měření biologické stability (Scaglia et al., 2000; Adani et al., 2001). Platnost a praktické využití těchto metod je diskutována v tomto článku. Materiál a metody Tento článek obsahuje výsledky měření z laboratoře DiProVe (Katedra pěstování zeleniny, Univerzita Miláno, Itálie). Další informace lze nalézt v našich předešlých publikacích (Scaglia et al., 2000; Adani et al., 2002; Adani et al., 2002; Adani et al., 2000; Adani et al., 2002; Cossu et al., 2002; Adani et al., 2002, Adani et al., 2003). Princip dynamického respiračního indexu Dynamidký respirační index (DRI) odráží provozní podmínky reálných zařízení na využívání bioodpadů jak bylo dokázáno v práci Adani et al., (2001). Aerobní proces tuhých látek má dle spotřeby kyslíku čtyři fáze(Hamelers, 2001): mezofilní (zahřívací) fáze, termofilní (stabilní) fáze, ochlazovací (klesající) fáze a zrací fáze. V první fázi nelimituje množství rozpustných složek aerobní procesy. Ani vlhkost a koncentrace O2 nejsou limitujícími faktory (např. koncentrace O2 ve volném vzduchu biomasy je > 140 mL L-1). Spotřeba kyslíku vzrůstá s nárůstem množství mikroorganismů. Maximální spotřeba O2 bude udržována, dokud koncentrace rozpustných látek neklesne pod prahovou hodnotu potřebnou k mikrobiálnímu rozvoji. Jakmile jsou rozpustné látky vyčerpány spotřeba kyslíku dramaticky klesne a mikrobiální společenstvo začne hydrolyzovat nerozpustné částice substrátu. Lze tedy předpokládat, že v první fázi DRI závisí pouze na rychlosti růstu mikroorganizmů. Na konci této fáze jsou všechny menší rozpustné částice spotřebovány. Odhadujeme, že ve druhé fázi proces pokračuje vyčerpáváním větších rozpustných částic. V této fázi začíná být substrát limitujícím faktorem a DRI funkcí velikostí částic. Jelikož jsou již všechny rozpustné částice substrátu vyčerpány, mikrobní společenstva hydrolyzují složitější látky na rozpustné sloučeniny, které jsou potom oxidovány. Protože je rychlost hydrolýzy mnohem pomalejší než rychlost, kterou probíhá mikrobiální oxidace, může být pomocí DRI sledována také přímo rychlost kterou tato hydrolýza probíhá. Způsob měření Měřený materiál se vloží do tepelně izolované a vzduchotěsné nádoby. Tam leží na sítě, které je umístěno několik centimetrů nade dnem. Pomocí hadice je do nádoby vháněn známý objem vzduchu, který prochází skrze síto a měřený materiál. U vzduchu, který vystupuje ven z nádoby se měří koncentrace O2. Z rozdílných koncentrací O2, objemu vzduchu a množství materiálu se pak vypočítá spotřeba O2, která se vyjadřuje v miligramech na kilogram spalitelných látek měřeného materiálu za hodinu (mgO2*kg VS-1*h-1) (viz obr. 1). DRI: výsledky a jejich vyjádření Jednotlivé respirometrické metody jsou rozdílné nejen ve způsobu měření, ale také v interpretaci výsledků. Například DRI dle naší metodiky (Di.Pro.Ve) vyjadřuje průměr 12-ti hodnot naměřených v intervalech dvou hodin a reprezentuje nejvyšší mikrobiální aktivitu zaznamenanou v intervalu 24 hodin. Naopak SRI (Statický respirační index) a SOUR - specific oxygen uptake rate (specifická spotřeba kyslíku) reprezentuje nejvyšší naměřenou hodnotu. Sapromat a metoda ASTM reprezentují kumulativní výsledky naměřené během 96 hodin. Proto jsme iniciovali projekt (Tambone and Adani, 2002), který měl objasnit, jaká je nejlepší exprese výsledků. Výzkum byl proveden na 17-ti různých organických materiálech. Všechny vyjádřené výsledky jsou použitelné k ohodnocení biologické stability (obr. 2). Přesto se zdá, že použití průměru 12-ti nejvyšších hodnot zaznamenaných během 24 hodin je vhodnější, jak zjistil Tambone and Adani (2002). Lze se tak vyhnout používání jednoho údaje i zdlouhavému měření, které vyžaduje pozorování 96 hodin. Dalším důležitým poznatkem je, že hodnota DRI, která odpovídá 1000 mg O2 kg VS-1 h-1, zjištěná za 96 hodin je 55.000 mg O2 kg VS-1 h-1, což je v souladu s ASTM (1996), která hodnotí jako biologicky stabilní materiál s hodnotou DRI (35.000- 55.000 mg O2 kg VS-1 96 h-1). Statistické ověřování DRI V roce 2002 jsme začali spolupracovat s italským Národním zdravotním institutem, abychom ověřili platnost DRI certifikátem přesnosti (ISO 5725-1; 1994). První výsledky jsou uvedeny níže. Opakovatelnost a reprodukovatelnost výsledků byla velmi dobrá, což napovídalo přesnosti této metody. Tabulka 1: Variace koeficientů opakovatelnost a reprodukovatelnost *reprodukovatelnost (R): variační koeficient **opakovatelnost (r): variační koeficient Pokus 1 Vlhkost 6.44 7.30 Spalitelné látky 4.23 2.00 pH 2.24 1.08 Hustota 7.57 1.50 Maximální hydraulická retenční kapacita 2.50 2.16 DRI 9.64 11.80 Pokus 2 Vlhkost 2.14 1.99 Spalitelné látky 7.04 4.93 pH 1.30 1.37 Hustota 9.70 3.22 Maximální hydraulická retenční kapacita 3.82 2.48 DRI 4.33 3.63 Srovnání jednotlivých metod Pro praktické použití je velmi důležité porovnání dynamického respiračního indexu se statickým respiračním indexem (SRI) (Cossu et al., 2001), metodou Sapromat (Cossu et al., 2001), specifickou spotřebou kyslíku (SOUR) (Adani et al., 2002) a metodou SOLVITA (Adani et al., 2002). Všechny experimentálně získané výsledky byly provedeny v provozních podmínkách. Zařízení, na kterých se měření prováděla měla různou technologii a zpracovávala různé druhy materiálů. To bylo mimo jiné důležité proto, abychom ověřili použitelnost DRI v rozličných plnoprovozních podmínkách. Byli studovány vzorky z mechanicko-biologické úpravy odpadů (BT), biologického vysoušení (BS a BT) a z kompostárny (C). Dále jsme vzali v úvahu odpad získaný různými způsoby odděleného sběru (RW). Tabulka 2 shrnuje výsledky různých materiálů získanými různými metodami. Výsledky mezi sebou navzájem dobře korelují (tabulka 3), což nasvědčuje tomu, že všechny metody jsou schopny ohodnotit biologickou stabilitu. Za předpokladu, že hranice bilogické stability DRI je 1000 mg O2 kg SV-1 (Scaglia et al., 2000; EU 2001) jsme byli schopni pomocí regrese vypočítat hraniční hodnotu pro každou metodu (tabulka 4). Z porovnávání získaných výsledků zjišťujeme, že všechny zaznamenané výsledky DRI a SRI poskytují dobré a srovnatelné indikátory stability. Naproti tomu výsledky zjištěné metodou Sapromat byly někdy dost kontroverzní. Statické metody (SRI a Sapromat) vykazovali vždy nižší výsledky než odpovídající hodnoty DRI. To je způsobeno tím, že ve statických metodách je limitujícím faktorem difůze O2 skrze biomasu. (Palestky and Young, 1995, Scaglia et al., 2000; Adani et al., 2001). Tabulka 2. Obsah spalitelných látek (VS), respirometrické indexy, obsah vodorozpustného O2 (DOC), hydrofilní DOC a hydrofóbní DOC, stanoveny pro stadium stability organické matrice (Adani et al., 2002 and Cossu et al., 2001) Vzorek VS (g kg-1) Respirační indexy (mg O2 × kg SV-1 × h-1) frakce vodorozpustného organického C DRI SRI SOUR *SAPROMAT hydrofilní DOC (g kg VS-1) hydrofóbní DOC (g kgVS-1) DOC (g kgVS-1) BT-1-I 510 ±11.3 4,126 1,182 16,446 98,300 33.3 8.8 4.21 BT-1-m 397± 1.5 2,529 532 10,850 52,700 13.9 25.5 3.94 BT-1-f 400±19.4 780 366 7,117 50,100 10 5 1.50 BT-2-I 687±4.4 5,148 1,326 14,997 104,500 38.6 17.3 5.59 BT-2-m 628±6.7 1,300 654 12,413 84,300 29.9 55.5 8.54 BT-2-f 625±15.9 985 502 8,308 72,200 25.4 36.1 6.15 BT-3-I 781±10.3 3,255 529 18,980 78,800 134.9 39.1 17.40 BT-3-m 612±16 2,349 595 n.d. 55,600 51.2 35.1 8.63 BT-3-f 637±22.3 918 n.d. 13,225 57,000 34.3 23.5 5.78 BS-1-I 875±22.7 1,808 913 5,570 85,500 18.2 54.8 7.30 BS-1-f 863±18.9 692 205 2,935 58,500 11.7 10.3 2.20 BS-2-I 905±34.3 1,746 790 5,698 73,100 40.8 45.3 8.61 BS-2-f 756±41 595 178 2,940 19,400 7.8 10.7 1.85 BS-3-I 732±45.6 1,971 485 4,725 32,200 13.6 4.9 1.85 BS-3-f 779±2.4 582 99 n.d. 15,500 5.1 2.5 0.76 ST-1 449± 11.3 2,272 487 10,215 35,100 n.d. n.d. n.d. ST-2 466± 24.9 889 294 6,338 27,900 n.d. n.d. n.d. ST-3 445± 17.5 1,447 944 8,870 27,900 n.d. n.d. n.d. * sapromat = (mg O2 × kg SV-1 × 96 h-1) Tabulka 3. Korelační matice respirometrických měření (DRI, SRI, SOUR a Sapromat) a vodo -rozpustného organického C ( Adani et al., 2002 and Cossu et al., 2001) DRI SRI SOUR SAPROMAT DOC DOC hydrofilní DOC hydrofóbní DRI 1 SRI 0.78* 1 SOUR 0.70* 0.55* 1 SAPROMAT 0.65 0.72 0.57 1 DOC 0.36 0.31 0.60* 0.53 1 DOC hydrofilní 0.46 0.05 0.69* 0.42 0.91** 1 †DOC hydrofóbní 0.14 0.30 0.14 0.52 0.72** n.s. 1 † DOC hydrofóbní = (DOC - DOC hydrofóbní) Použitím metody SOUR bychom se mohli vyhnout problémům s difúzí O2 (Lasaridi et Stentiford, 1998), neboť měří spotřebu O2 ve vodném roztoku. Podobně je difúze jako limitující faktor eliminována použití DRI, ale z porovnání tabulek 2 a 4 se zdají některé výsledky podezřelé. Především všechny vzorky měřené metodou SOUR, které prošly celou mechanicko biologickou úpravou (BTf), se jevily jako nestabilní a vzorky z biologického vysoušení (BS) se na začátku procesu (i) jevily jako stabilní. To bylo v naprosté neshodě s jinými respirometrickými metodami (DRI, SRI a Sapromat) a také s hodnotami teplot zaznamenanými během měření DRI. (25-27 °C pro BTf a 50 °C pro BSi). Adani et al. (2002) vysvětlil tyto kontroverzní hodnoty tím, že hodnoty SOUR hodnotili pouze vodorozpustnou frakci (viz tabulka 2). SOUR je tedy funkcí biologické stability a hydrofilní frakce, kde byla zjištěna úzká regrese (R2 = 0.68), jiné regrese nebyly nalezeny. Tabulka 4: Limitní hodnoty biologické stability stanovené různými hodnotami odvozené od hodnoty pro DRI = 1000 mg O2 kg VS-1h-1. DRI (mg O2 kg VS-1h-1) SRI (mg O2 kg VS-1h-1) Sapromat (mg O2 kg VS-1 96 h-1) SOUR (mg O2 kg VS-1h-1) 1000 395 45,393 7,038 Výsledkem této studie je zjištění, že DRI může lépe určit biologickou stabilitu než jiné metody. Může simulovat podmínky plného provozu, bez problémů s limity, jako je koncentrace O2 ve sledované biomase a minimalizuje zkreslení, které způsobuje přítomnost vodorozpustné frakce, jak je tomu při metodě SOUR. SOLVITA se jevila jako jednoduchá a použitelná metoda pro polní použití. Porovnali jsme tuto metodu s DRI v roce 2001 a výsledky jsou znázorněny v obr. 3. Napovídají, že metodou SOLVITA je možno ocenit pouze materiály, které vykazují hodnotu DRI < 300 mg O2 kg SV-1, což použitelnost této metody omezuje pouze na ohodnocení velmi stabilních materiálů. Praktické použití Dynamického respiračního indexu DRI a charakteristiky odpadních materiálů DRI je používán k hodnocení materiálů různých původů a/nebo k ohodnocení různě upravených produktů. Tabulka 5 shrnuje typické hodnoty některých běžných odpadních materiálů. Tabulka 5: Hodnoty DRI pro některé typické odpadní materiály Materiál;DRI (mg O2 kg VS-1 h-1) Bioodpad z mechanické separace KO (O < 50-60 mm) 2000-2800 Bioodpad z odděleného sběru 4000-5000 Biologicky vysušený/stabilizovaný KO (10-12 dní) 500-700 Stabilizovaná organická hmota z mechanické separace (15-30 dní) 800-1200 Bioodpad z odděleného sběru/lignocelulóza (2:1 p/p) 2500-3500 zralý kompost 200-500 Skládkovaný KO (stáří: 20 let) 70-150 Zbytkový odpad z kontejnerů (suchá mokrá frakce = MSW) 1000-1300 Suchá frakce KO získaná sběrem do kontejnerů (donášková sběr) 800-1000 Suchá frakce KO získaná sběrem do pytlů (směre na prahu) 300-400 Odpad a tvorba zápachu Biologická stabilita je spojená s mikrobiální aktivitou a ta závisí na množství biodegradabilní organické hmoty obsažené v odpadech. Je jednoznačné, že čerstvý materiál, hlavně když je v něm nedostatečné množství O2, může být díky fermentačním pochodům zdrojem nepříjemného zápachu. V důsledku toho může být biologickou stabilitou nepřímo měřena také míra tvorby zápachu z odpadů. Praktické uplatnění našlo toto zjištění v provincii Lombardia (severní Itálie). Tam je v legislativě zakotveno pravidlo, že v otevřených prostorách je povoleno skladovat pouze materiál, který má DRI < 1000 mg O2 kg-1 h-1. Jak je znázorněno v Obr. 4 a 5, dosažení biologické stability dramaticky snižuje tvorbu zápachu z odpadů. DRI a obsah organické hmoty obsažené ve zbytkovém KO z odděleného sběru DRI je také možno použít jako nepřímou metodu k určování organické hmoty obsažené v odpadech získaných odděleným sběrem (ANPA, 1999). To potvrzuje silná korelace mezi DRI a obsahem organické hmoty v odpadu (R2 = 0.96; p