Zmiany właściwości fizycznych materiałów podczas kompostowania w warunkach laboratoryjnych

• Autorzy: Malińska K.

Warianty tytułu

EN

Changes in physical properties of materials during laboratory composting

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Znajomość właściwości fizycznych materiałów przeznaczonych do kompostowania - takich jak: zawartość wody, wielkość cząstek, gęstość nasypowa, porowatość i przepuszczalność powietrzna oraz wytrzymałość mechaniczna - jest niezbędna na każdym etapie kompostowania. Właściwości fizyczne różnią się ze względu na rodzaj materiałów i ich udział w mieszance kompostowej. Na etapie przygotowania mieszanek kompostowych istotną rolę odgrywa zawartość wody, gęstość nasypowa, wielkość cząstek i wytrzymałość mechaniczna. Wpływają one bezpośrednio na porowatość i przepuszczalność powietrzną i ich zmianę wraz z głębokością pryzmy kompostowej, a tym samym warunkują procesy wymiany gazowej i ciepła podczas procesu kompostowania. Kompostowanie jest procesem dynamicznym, podczas którego zachodzą różnego rodzaju zmiany o charakterze biochemicznym. Zmiany dotyczą również właściwości fizycznych kompostowanych materiałów. Na skutek biodegradacji materii organicznej zawartej w materiałach przeznaczonych do kompostowania dochodzi do zmniejszenia rozmiaru cząstek, zwiększenia zawartości wody i gęstości nasypowej, a tym samym redukcji porowatości i przepuszczalności powietrznej. Literatura podaje niewiele przykładów prac badawczych, które szczegółowo opisują zmiany właściwości fizycznych podczas kompostowania. Celem prezentowanych badań była analiza zmian zawartości wody, gęstości nasypowej, wytrzymałości mechanicznej, porowatości i przepuszczalności powietrznej dla mieszanki wytłoków jabłkowych i ścinek drzewnych WJ:SD w stosunku wagowym 1:1 (s.m.), zawartości wody ok. 65% i porowatości powietrznej ok. 30 i 45% poddanej kompostowaniu w reaktorach laboratoryjnych przez okres 3 tygodni. W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono, że dla badanej mieszanki początkowe wartości wytrzymałości mechanicznej, gęstości nasypowej, porowatości i przepuszczalności powietrznej zależały w dużej mierze od zawartości wody. Po zakończeniu kompostowania zmianom uległy wszystkie badane właściwości fizyczne. W przypadku porowatości i przepuszczalności powietrznej stwierdzono ich wzrost, który mógł być spowodowany rodzajem i udziałem materiałów w mieszance kompostowej. Łatwo biodegradowalne wytłoki jabłkowe o wysokiej zawartości wody i gęstości nasypowej ulegały rozkładowi szybciej, podczas gdy ścinki drzewne o niskiej podatności na biodegradację i znacznie niższej gęstości nasypowej ulegały rozkładowi znacznie wolniej. W rezultacie nastąpił spadek gęstości nasypowej mieszanki i wzrost porowatości oraz przepuszczalności powietrznej. Wytrzymałość mechaniczna badanej mieszanki wzrosła prawie dwukrotnie i mogła być uzależniona od końcowej zawartości wody, substancji organicznej i rozmiaru cząstek.

EN

Knowledge about physical properties of composting materials - such as water content, particle size, bulking density, air-filled porosity and permeability, and mechanical strength - is important at every stage of composting process. Physical properties differ for various materials and ratios in composting mixtures. At the stage of selection of substrates and preparation of composting mixtures the following properties play an important role: water content, bulk density, particle size and mechanical strength. These properties have a direct effect on air-filled porosity and permeability and their changes with the depth of a composting pile, and thus rate of oxygen supply and heat and moisture removal. Knowledge and understanding the relationships between physical properties and their impact on biodegradation rate during composting allows to assure optimal parameters for the process by selection of adequate substrates, compost pile configuration and pile aeration, and also forced aeration systems. Composting is a dynamic process resulting in diverse changes of biochemical character. These changes also occur to physical properties of composting materials. Biodegradation of organic matter in composting materials results in reduction of particle size, increase in water content and bulk density, and thus reduction in air-filled porosity and permeability. The literature does not provide many examples of studies on changes in physical properties of composting materials during composting. The overall goal of this study was to analyze changes in moisture content, bulk density, mechanical strength, air-filled porosity and permeability of a mixture of apple pomace and woodchips AP:WC at a ratio of 1:1 (d.w), moisture content close to 65% and two air-filled porosities about 30% and 45% (obtained from compaction of selected stress) during 3-week composting in laboratory reactors. The obtained results showed that the initial physical properties for the investigated composting mixture, i.e. mechanical strength, bulk density, air-filled porosity and permeability depended mostly on moisture content. After completion of composting all the investigated physical properties underwent significant changes. Air-filled porosity and permeability increased. This effect was probably due to the composition of the investigated composting mixture. Apple pomace that showed high moisture content, bulk density and susceptibility to biodegradation underwent faster decomposition than wood chips. Wood chips are used as a bulking agent for composting of materials with high moisture and nitrogen content due to low susceptibility to biodegradation, low bulk density and moisture content, and thus high air-filled porosity and permeability. 3-week composting of apple pomace and wood chips mixture resulted in decrease in bulk density, and in consequence increase in air-filled porosity and permeability. Also, mechanical strength of the investigated mixture increased almost twice. This could result from the final moisture content, organic matter decomposition and decrease in particle size.

Słowa kluczowe

PL

materiały przeznaczone do kompostowania; mieszanki przeznaczone do kompostowania; gęstość nasypowa; wytrzymałość mechaniczna; porowatość; przepuszczalność powietrzna; kompostowanie

EN

composting materials; composting mixtures; bulk density; mechanical strength; air-filled permeability; porosity; composting

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Inżynieria i Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2013
• Tom: T. 16, nr 4
• Strony: 523--536
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz.

Twórcy

autor

Malińska K.

• Politechnika Częstochowska, Instytut Inżynierii Środowiska, ul. Brzeźnicka 60a, 42-200 Częstochowa

Bibliografia

• [1] Haug R., Practical Handbook of Compost Engineering, Lewis Publishers, Boca Raton 1993.
• [2] Epstein E., Industrial composting. Environmental Engineering and Facilities Management, Taylor and Francis LLC, 2011.
• [3] Agnew J.M., Leonard J.J., The physical properties of compost, Compost Science & Utilization 2003, 11(3), 238-264.
• [4] Ahn H.K., Richard T.L., Glanville T.D., Hamron J.D., Reynolds D.L., Laboratory determination of compost physical modeling parameters. ASAE paper no. 044060, ASAE Annual Meeting 2004, USA.
• [5] Das K.C., Keener H.M., Moisture effect on compaction and permeability in composts, Journal of Environmental Engineering 1997, 123(3), 1-7.
• [6] Van Ginkel J.T., Raats P.A.C., Van Haneghem I.A., Bulk density and porosity distributions in a compost pile, Netherlands Journal of Agricultural Science 1999, 47, 105-121.
• [7] Veeken A., Timmermans J., Szanto G., Hamelers B. Design of passively aerated compost systems on basis of compaction-porosity-permeability data, Organic Recovery and Biological Treatment, Proceedings of 4th International Conference: Advances for a Sustainable Society, Australia, 2003, 85-98.
• [8] Richard T.L., Veeken A., de Wilde V., Hamelers H.V.M., Air-filled porosity and permeability relationships during solid-state fermentation, Biotechnology Progress 2004, 20, 1372-1381.
• [9] Malińska K., Richard T.L., The effect of moisture content, bulking agent ratio and compaction on permeability and air-filled porosity in composting matrices, [in:] ORBIT 2006: Biological Waste Management - From Local to Global. Proceedings of the International Conference ORBIT 2006, eds. E. Kraft, W. Bidlingmaier., M. De Bertoldi, L.F. Diaz, J. Barth, ORBIT e.V., Weimar 2006, 181-190.
• [10] Huet J., Druilhe C., Trémier A., Benoist J.C., Debenest G., The impact of compaction, moisture content, particle size and type of bulking agent on initial physical properties of sludge-bulking agent mixtures before composting, Bioresource Technology 2012, 114, 428-436.
• [11] Bear J., Dynamic of fluids in porous media, Dover Publications, Inc., New York 1988.
• [12] Richard T.L., Aerobic bioprocess concepts. Euro Summer School - Biotechnology in organic waste management: from solid waste disposal to resource recovery, Wageningen University, the Netherlands, 2003.
• [13] Mohee R., Mudhoo A., Analysis of the physical properties of an in-vessel composting matrix, Powder Technology 2005, 155, 92-99.
• [14] Jeris J.S., Regan R.W., Controlling environmental parameters for optimum composting, Compost Science 1973, 14, 10-17.
• [15] Annan J.S., White R.K., Evaluation of techniques for measuring air filled porosity in composts of municipal biosolids and wood chips, [in:] Composting in the Southeast, ed. K.C. Das, 1998, 88-96.
• [16] Eftoda G., McCartney D., Determining the critical bulking agent requirement for municipal biosolids composting, Compost Science & Utilization 2004, 12(3), 208-218.
• [17] Ahn H.K., Richard T.L., Glanville T.D., Laboratory determination of compost physcial parameters for modeling of airflow characteristics, Waste Management 2008, 28, 660-670.
• [18] Malińska K., Laboratoryjne wyznaczanie porowatości powietrznej materiałów przeznaczonych do kompostowania, Inżynieria i Ochrona Środowiska 2012, 15(2), 155-167.
• [19] Malińska K., Zabochnicka-Świątek M., Selection of bulking agents for composting of sewage sludge, Environmental Protection Engineering 2013, 39(2), 91-103.
• [20] Schaub S.M., Leonard J.J., Characterizing the bulk density of compost, Compost Science & Utilization 1999, 7(4), 15-24.
• [21] Richard T.L., The Kinetics of Solid-state Aerobic Biodegradation, Cornell University, New York 1997.
• [22] Ahn H.K., Richard L.T., Glanville T.D., Optimum moisture levels for biodegradation of mortality composting envelope materials, Waste Management 2008, 28, 1411-1416.
• [23] Chang J.I., Chen Y.J., Effects of bulking agent on food waste composting, Bioresource Technology 2010, 101, 5917-5924.