Studies on the influence of organic waste biodegradability in the composting process

Dissertação de mestrado em Engenharia Química apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra.Amongst the waste management strategies composting is gaining interest as a suitable method with economic and environmental profits. The mixture of wastes used in composting must be potentially biodegradable to favor biologically catalyzed breakdown of organic matter in aerobic conditions and drive the composting process into thermophilic temperatures required for pathogen reduction. Thus, this work aimed firstly to predict the biodegradability of an initial waste mixture and to investigate how this property determines the changes in organic matter characteristics during the composting process. A second objective for this work was to develop a dynamic mathematical model for aerobic composting process and its validation by fitting the experimental data. The initial mixtures tested were made from potato-peel industrial waste, grass clippings and sawdust in four different proportions. These blends were composted in self heating reactors (SHR) with 120 L of internal volume and well isolated. During composting, a data acquisition system for on-line monitoring of temperature and oxygen concentration was used, and feed air flow rate was measured with rotameters. The waste mixtures were sampled in pre-determined times along the period of composting. Biodegradability of each sample was assessed by measuring lignin content, by using the Klason method, which involves the gravimetric measurements after extracting the sample with sulphuric acid. Regarding the biodegradability of the mixtures the results indicated that independently of the initial mixture composition, there is an increase in lignin content that can be related to the decrease of the potential for biodegradation of the mixtures. The initial samples with the lower and higher lignin content showed a greater and smaller mass reduction, at the end of composting period, respectively. Therefore, higher lignin content of an initial mixture led to lower biodegradation. The mathematical model developed showed good fitting to experimental data, namely for temperature of substrate, organic matter conversion and water loss in the composting system. Thus, the proposed pseudohomogeneous model can be used for future prediction purpose.RESUMO De entre as estratégias de gestão de resíduos, a compostagem tem vindo a ganhar interesse e com benefícios económicos e ambientais. Os resíduos submetidos a compostagem devem ser potencialmente biodegradáveis para favorecer a degradação biológica da matéria orgânica em condições aeróbias que conduzam a manutenção de temperaturas termofílicas no sistema de compostagem, necessárias para a higienização do composto. Este trabalho teve como objectivos principais prever a biodegradabilidade de uma mistura inicial de resíduos e desenvolver e avaliar um modelo matemático em regime dinâmico para o processo de compostagem. As misturas testadas foram obtidas a partir de casca de batata, aparas de relva e serradura, em quatro proporções diferentes. Estas misturas foram submetidas a compostagem em reactores de auto-aquecimento com 120 L de volume e adequadamente isolados. Durante a compostagem, a temperatura e o oxigénio foram medidos a partir de um sistema de aquisição de dados com monitorização on-line e a taxa de alimentação de ar foi medida com rotâmetros. Diversas amostras foram recolhidas em tempos pré-determinados durante todo o processo de compostagem. A avaliação da biodegradabilidade de cada amostra foi realizada a partir da determinação do teor de lenhina, utilizando o método de Klason, que envolve medições gravimétricas após a extracção da amostra com ácido sulfúrico. Em relação a biodegradabilidade, os resultados obtidos indicaram que, independentemente da composição da mistura inicial, durante o processo de compostagem há um aumento no teor de lenhina que pode ser relacionado com a diminuição do potencial de biodegradação das misturas testadas. As amostras iniciais com os teores de lenhina inferior e superior mostraram uma redução de massa maior e menor, respectivamente, no final do período de compostagem. Os resultados permitem concluir que o alto teor de lenhina de uma mistura inicial leva a um baixo potencial de biodegradação da mesma. A comparação entre os resultados da simulação numérica e os resultados experimentais mostraram que o modelo desenvolvido prevê com sucesso o comportamento das principais variáveis de compostagem. Nomeadamente, o perfil de temperatura no substrato, a conversão da matéria orgânica e a perda de água no sistema de compostagem são razoavelmente previstos com a proposta de abordagem pseudohomogênea