Laboratoryjne wyznaczanie porowatości powietrznej materiałów przeznaczonych do kompostowania

• Autorzy: Malińska K.

Warianty tytułu

EN

Laboratory determination of air-filled porosity for composting materials

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Artykuł przedstawia laboratoryjną metodykę wyznaczania porowatości powietrznej materiałów przeznaczonych do kompostowania, pozwalającą na symulację zmian porowatości powietrznej w pryzmie o wybranych wymiarach. Porowatość powietrzna jest kluczowym parametrem fizycznym, warunkującym zainicjowanie i prawidłowy przebieg procesu kompostowania w pryzmach. Optymalna porowatość powietrzna w pryzmie kompostowej pozwala na prawidłowy transport tlenu oraz odprowadzenie wody i ciepła z pryzmy podczas kompostowania. Porowatość powietrzną materiałów przeznaczonych do kompostowania można wyznaczyć wieloma metodami laboratoryjnymi, m.in. metodą piknometryczną, saturacji materiału wodą lub teoretyczną w oparciu o pomiar np. gęstości nasypowej. Jednakże tak wyznaczona porowatość powietrzna nie odzwierciedla zmian wraz z głębokością pryzmy. Pomiar porowatości powietrznej w pryzmie kompostowej może być trudny i wymagać zburzenia struktury pryzmy. Do tego celu można wykorzystać metodę wyznaczania zmian porowatości powietrznej dla wybranych materiałów wraz z głębokością pryzmy o dowolnych wymiarach na podstawie laboratoryjnych pomiarów gęstości nasypowej w warunkach zmiennego obciążenia, wytrzymałości mechanicznej, zawartości wody oraz substancji organicznej. Przykładowo dodatek słomy do wytłoków jabłkowych zmniejszył zawartość wody i znacznie zwiększył wytrzymałość mechaniczną oraz porowatość powietrzną tej mieszanki kompostowej. Porowatość powietrzna dla pryzmy o wysokości 2 m zbudowanej z tej mieszanki zmieniała się z głębokością w zakresie 70-3%. Na podstawie wyznaczonych zmian porowatości powietrznej w pryzmie można określić: (1) konieczny udział materiału strukturotwórczego w mieszance kompostowej, który zapewni optymalną porowatość powietrzną w pryzmie w przypadku kompostowania materiałów o wysokiej zawartości wody, wysokiej gęstości nasypowej oraz znacznej podatności na kompakcję oraz (2) wydatek powietrza i częstotliwość napowietrzania pryzm.

EN

The paper presents laboratory determination of air-filled porosity for composting materials. The described method allows for simulation of changes in air-filled porosity with composting pile depth for various pile configurations. Air-filled porosity in a composting pile is a key physical parameter for initiation and proper management of composting. The optimal air-filled porosity in a composting pile allows adequate transport of oxygen and removal of moisture and heat from a pile during the entire process of composting. Air-filled porosity of composting materials can be determined by means of several methods including laboratory tests by pycnometry and water saturation as well as theoretical calculations based on laboratory measurements of e.g. bulk density. However, the air-filled porosity determined with these methods does not reflect the changes in air-filled porosity with composting pile depth. It provides the information about the air-filled porosity observed at the top of a pile. With the increase in a pile depth the air-filled porosity of a composting mixture is reduced due to compaction resulting from stress applied by consequent layers of the composting material in a pile. For materials with high moisture content the air-filled porosity may be reduced to zero at the base of a composting pile. Direct measurement of air-filled porosity in a composting pile can pose many difficulties and requires disturbing the pile structure. Not to mention that building a composting pile in full scale requires significant quantities of composting materials and labor. Therefore, the changes in air-filled porosity with the depth of a composting pile at selected pile configurations can be determined from laboratory measurements of bulk density at applied stress, mechanical strength, moisture content and organic matter content. This method allows simulation of changes in air-filled porosity with the pile depth for various composting materials and mixtures at selected pile configurations. In case of composting materials with high moisture content and susceptibility to compaction, this simulation will allow determination of the optimal addition of a bulking agent to a composting mixture in order to provide and maintain adequate oxygen supply during the process of composting. What is more, it can be used to determine the frequency of pile turning and/or configuration of aeration system.

Słowa kluczowe

PL

kompostowanie; pryzma; własności fizyczne; gęstość nasypowa; porowatość powietrzna; wytrzymałość mechaniczna

EN

composting; composting pile; physical properties; bulk density; air-filled porosity; mechanical strength

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Inżynieria i Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2012
• Tom: T. 15, nr 2
• Strony: 155--167
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz.

Twórcy

autor

Malińska K.

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

Bibliografia

• [1] Jędrczak A., Haziak K., Określenie wymagań dla kompostowania i innych metod biologicznego przetwarzania odpadów, Zielona Góra 2005, http://www.mos.gov.pl/odpady/metody_gospodarowania/okreslenie_wymagan_II.pdf
• [2] Haug R., Practical Handbook of Compost Engineering, Lewis Publishers, Boca Raton 1993.
• [3] Jędrczak A., Technologie biologicznego przetwarzania odpadów ulegających biodegradacji, VII Konferencja Naukowo'Techniczna nt. Woda - Ścieki - Odpady w Środowisku: Biologiczne przetwarzanie stałych odpadów organicznych, Zielona Góra 2004 (materiały w wersji elektronicznej).
• [4] Rynk R., On-farm Composting Handbook, Northeast Regional Agricultural Engineering Service 1992.
• [5] Epstein E., Industrial Composting. Environmental Engineering and Facilities Management, Taylor and Francis Group, LLC, 2011.
• [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 4thInternational 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] Jeris J.S., Regan R.W., Controlling environmental parameters for optimum composting, Com'post Science 1973, 14, 10-17.
• [10] Eftoda G., McCartney D., Determining the critical bulking agent requirement for municipal biosolids composting, Compost Science & Utilization 2004, 12(3), 208-218.
• [11] Das K.C., Keener H.M., Moisture effect on compaction and permeability in composts, Journal of Environmental Engineering 1997, 123, 1-7.
• [12] Bear J., Dynamic of Fluids in Porous Media. Dover Publications, Inc., New York 1988.
• [13] Richard T.L., Hamelers H.V.M., Veeken A., Silva T., Moisture relationships in composting processes, Compost Science & Utilization 2002, 4(10), 286-302.
• [14] Majewski J., Hydrogeologia, Wydawnictwo Geologiczne, Warszawa 1966.
• [15] Oppenheimer J.R., Martin A.G., Walker L.P., Measurements of air-filled porosity in unsaturated organic matrices using a pycnometer, Bioresource Technology 1997, 59, 241'247.
• [16] Annan J.S., White R.K., Evaluation of techniques for measuring air filled porosity in composts of municipal biosolids and wood chips, Proceedings of the 1998 Conference on Composting in the Southeast, 88-96.
• [17] Agnew J.M., Leonard J.J., Feddes J., Feng Y., A modified air pycnometer for compost air volume and density determination, Canadian Biosystems Engineering 2003, 45, 6.25-6.35.
• [18] Su D., McCartney D., Wang Q., Comparison of free air space test methods, Compost Science & Utilization 2006, 14(2), 101-113.
• [19] Ruggieri L., Gea T., Artola A., Sanchez A., Air filled porosity measurements by air pycnometry in the composting process: A review and a correlation analysis, Bioresource Technology 2009, 100, 2655-2666.
• [20] Schaub'Szabo S.M., Leonard J.J., Characterizing the bulk density of compost, Compost Science & Utilization 1999, 7(4), 15-24.
• [21] Huerta-Pujol O., Soliva M., Marinez-Farre F.X., Valero J., Lopez M., Bulk density determination as a simple and complementary tool in composting process control, Bioresource Technology 2010, 101, 995-1001.
• [22] Agnew J.M., Leonard J.J., Using a modified pycnometer to determine free air space and bulk density of compost mixtures while simulating compressive loading, International Symposium on Composting and Compost Utilization, Eds. F.C. Michel, R. Rynk, H.A.J. Hoitink, J.G. Press, Emmaus, PA, 2002.
• [23] Pisarczyk S., Mechanika gruntów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2005.
• [24] 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.
• [25] Malińska K., Richard T., The effect of moisture content, bulking agent ratio and compaction on permeability and air-filled porosity in composting matrices, [w:] ORBIT 2006: Biological Waste Management - From Local to Global. Proceedings of the International Conference ORBIT 2006. E. Kraft, W. Bidlingmaier, M. de Bertoldi, L.F. Diaz, J.Barth (Eds.). ORBIT e.V., Weimar 2006, 181-190.