Design, construction and operation of a bioreactor for the treatment of organic waste

Biodegradable waste represents a significant fraction of the solid waste produced, the efficient and effective treatment of which is imperative for its sustainable management. The biological treatment of biodegradable waste, such as composting, represents an alternative treatment method through which recycling and reuse of waste is achieved, contributing to a variety of environmental, financial and social benefits. Decentralized composting has the potential to positively contribute towards a more efficient approach in the whole biodegradable waste management system (collection, transport, treatment and reuse) at local or even at national level. The aim of this research is to investigate the decentralized treatment and reuse of biodegradable waste using a prototype composting system. To meet this aim of the thesis a composting system was designed, constructed and evaluated through which the treatment of different biodegradable waste streams and mixtures can be achieved. The evaluation of the effectiveness and efficiency of the system was based on (a) the control and monitoring of a series of trials inside the bioreactor where composting process takes place, (b) the quality characterization of the end product (compost) and (c) the reaction kinetics simulation of the composting process in regard to the biodegradable organic matter losses of the substrate. The design and construction of the prototype composting system involves an in-vessel batch feeding system, with automated units for the mechanical agitation, ventilation and humidification of the organic substrate. The system has a capacity of 1.5tn of organic material whereas the emitted gases are trapped and the produced leachate is collected and removed. The first stage of the system evaluation involves the development of several composting trials in which different biodegradable waste was selected such as sludge from urban wastewater treatment plants, agricultural residues and animal waste. In addition, in some experimental cycles, minerals such as zeolite and perlite were added in order to improve the biodegradation conditions of the organic matter. Different mixtures of the aforementioned waste streams were supplied to the system, the composition of which was determined by their availability and their physicochemical properties aiming to provide the necessary conditions for initiation of the composting process. During the control and monitoring of the experimental composting trials, it was found that the critical operating parameters of temperature, moisture and oxygen evolved in the desired range as required for the aerobic biological treatment of waste. This was attributed to the controlled conditions of agitation, ventilation and humidification of the substrate inside the bioreactor. These conditions favoured the partial consumption of the substrate total organic carbon resulting in significant organic matter losses especially during the early phase of composting where the microbial activity was more intense. The high nitrogen content of the selected biodegradable waste resulted in low C/N ratios in the initial substrate. These conditions created excess of organic nitrogen part of which was mineralized to form ammonium thus increasing pH to alkaline values. Under these circumstances and under the influence of elevated temperatures, significant losses of nitrogen were recorded mainly through ammonia volatilization. Due to the efficient agitation and aeration processes of the substrate in combination with the presence of bulking agents (e.g. agricultural residues), ammonium is oxidized to nitrates (nitrification) thus confirming the presence of aerobic conditions in the substrate. The addition of mineral materials such as zeolite and perlite, in several composting trials, was found that improves the composting process in the bioreactor. The presence of minerals modifies the physical properties of the substrate through water absorption and by increasing its porosity. Particularly in the case of zeolite addition, ammonia and ammonium adsorption was also observed, contributing to the reduction of nitrogen losses. The second stage of the composting system evaluation involves the quality characterization of the produced compost based on the determination of its maturity and stabilization level. Compost characterization considers its physical, chemical and biological properties with regard to the corresponding literature indices as well as in relation to the compost quality specifications at National, European and International level. With respect to the physicochemical properties, compost moisture content and pH were within the desired range while the C/N ratio varied, in most cases, at favourable levels. Moreover, the produced compost was rich in organic matter while the macro-elements content (N, P, K, Mg, Ca) was considered satisfactory which is indicative of the potential contribution of the materials in the enrichment and improvement of the physicochemical characteristics of soils after their application. In addition, the compost acquired high nitrogen content despite the significant nitrogen losses recorded during the composting processes. As for the inorganic forms of nitrogen, ammonium concentrations were lower than those of nitrates resulting in low NH4+/NO3- ratios which characterize mature compost. Nitrate concentrations in compost appeared high with the exception of the composting trial where zeolite was added, since zeolite ion exchange and adsorption capacity relative to ammonium ions regulates their concentration and hence that of nitrates. Moreover, the high organic nitrogen content of compost renders nutrients runoff (e.g. nitrates) in the soil since their availability is regulated by the factors affecting nitrogen mineralization. Finally, the total concentrations of heavy metals (Cd, Cu, Cr, Ni, Pb and Zn) appeared higher in compost in comparison to their concentrations in the initial substrate due to the organic matter reduction during composting. However, their concentrations in the final product were significantly lower than the maximum EU permissible limits for land application. With regard to the biological characteristics, the produced compost appeared phytothreptic which was indicative of the absence of phytotoxic compounds. Furthermore, the low concentrations of total and faecal coliforms and the absence of helminth eggs which are indicators of the presence of pathogenic microorganisms in compost, converge on the fact that the conditions of prolonged elevated temperature levels during composting contributed to the sanitization of the final products. Finally, the development of preliminary field cultivations of maize and sugar beets, confirmed the stimulating effects of compost application on plant growth in relation to the reference germination levels and in comparison to the germination effect of chemical fertilizer addition. The final stage of the composting system evaluation refers to the simulation of the bioxidation reaction kinetics of the organic matter of the substrate in order to investigate and estimate the biodegradation rate of reaction and the biodegradation level of the organic matter that is achieved. The analysis of the bioxidation reaction kinetics involves a first-order kinetic model based on the organic matter losses during composting considering the effects of the critical parameters of temperature, moisture and oxygen on the rate of organic matter biodegradation. The goodness of fit of the first-order kinetic model to the experimental data appeared satisfactory both qualitatively (visual fitting) and quantitatively. In addition, the estimated biodegradation rates presented high values in all composting trials, whereas the estimated levels of organic matter losses were also significant, suggesting that that the bioxidation processes were carried out effectively. In conclusion, the different biodegradable waste mixtures can be treated effectively using the in-vessel composting system while producing a final added value product which has the required characteristics for land application. Therefore, the composting system can potentially contribute to the sustainable decentralized management of this waste stream and to the promotion of an alternative solid waste management approach through small and autonomous decentralized systems.Τα βιοαποδομήσιμα στερεά απόβλητα αντιπροσωπεύουν ένα σημαντικό μέρος της συνολικής παραγόμενης ποσότητας των στερεών αποβλήτων, η ορθολογική επεξεργασία των οποίων καθίσταται επιτακτική για τη βιώσιμη διαχείριση αυτού του ρεύματος των αποβλήτων. Οι βιολογικές μέθοδοι επεξεργασίας, όπως η αερόβια βιολογική επεξεργασία-κομποστοποίηση, αποτελούν εναλλακτικούς τρόπους επεξεργασίας των βιοαποδομήσιμων στερεών αποβλήτων με τις οποίες δύναται να επιτευχθεί η επεξεργασία, η ανάκτηση και η ανακύκλωσή τους συμβάλλοντας με αυτό τον τρόπο σε πληθώρα περιβαλλοντικών, οικονομικών και κοινωνικών οφελών. Η αποκεντρωμένη κομποστοποίηση δύναται να αποτελέσει μια δυναμική προσέγγιση για την αποδοτικότερη διαχείριση των βιοαποδομήσιμων στερεών αποβλήτων σε όλο το σύστημα της διαχειριστικής αλυσίδας (συλλογή, μεταφορά, επεξεργασία και επαναχρησιμοποίηση). Επομένως, ο στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η διερεύνηση της επεξεργασίας και επαναχρησιμοποίησης των βιοαποδομήσιμων στερεών αποβλήτων με τη χρήση συστήματος κομποστοποίησης το οποίο θα μπορεί να χρησιμοποιείται αυτόνομα σε αποκεντρωμένες περιοχές για τη διαχείριση της ροής αυτής των αποβλήτων. Για την επίτευξη αυτού του στόχου σχεδιάστηκε, κατασκευάστηκε, λειτούργησε και αξιολογήθηκε σύστημα κομποστοποίησης με το οποίο δύναται να επιτευχθεί η επεξεργασία διαφορετικών ροών και μιγμάτων των βιοαποδομήσιμων στερεών αποβλήτων. Η αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας και της λειτουργικότητας του συστήματος βασίστηκε (α) στον έλεγχο και στην παρακολούθηση μιας σειράς πειραματικών εφαρμογών εντός του βιοαντιδραστήρα όπου εξελίσσεται η κομποστοποίηση, (β) στο χαρακτηρισμό της ποιότητας του τελικού προϊόντος (κόμποστ) και (γ) στην προσομοίωση της κινητικής αντιδράσεων της κομποστοποίησης αναφορικά με τη βιοαποδόμηση της οργανικής ουσίας του υποστρώματος. Ο σχεδιασμός και η κατασκευή του συστήματος κομποστοποίησης αφορά σε κλειστού τύπου βιοαντιδραστήρα ασυνεχούς τροφοδοσίας, με αυτοματοποιημένες διατάξεις μηχανικής ανάδευσης, αερισμού και ύγρανσης του οργανικού υποστρώματος. Η δυναμικότητα επεξεργασίας του συστήματος είναι 1.5-2.0 tn οργανικού υλικού με παράλληλη δέσμευση των εκπεμπόμενων αερίων ρύπων σε συνδυασμό με τη συλλογή και απομάκρυνση των παραγόμενων στραγγισμάτων. Το πρώτο στάδιο της αξιολόγησης του συστήματος αποτέλεσαν οι πειραματικές εφαρμογές κομποστοποίησης στις οποίες επιλέχθηκαν ροές βιοαποδομήσιμων στερεών αποβλήτων όπως η ιλύς από μονάδες επεξεργασίας αστικών υγρών αποβλήτων, τα γεωργικά υπολείμματα και τα κτηνοτροφικά απόβλητα. Επιπλέον, σε ορισμένους πειραματικούς κύκλους πραγματοποιήθηκε η προσθήκη ορυκτών όπως ο ζεόλιθος και ο περλίτης για τη βελτίωση των συνθηκών βιοαποδόμησης της οργανικής ουσίας. Διαφορετικά μίγματα των προαναφερόμενων αποβλήτων αποτέλεσαν το υλικό τροφοδοσίας του συστήματος η σύνθεση των οποίων πραγματοποιήθηκε με βάση τη διαθεσιμότητα των αποβλήτων καθώς και τις φυσικοχημικές ιδιότητές τους, ούτως ώστε να διαμορφωθούν κατάλληλες αρχικές συνθήκες για τη διεξαγωγή των διεργασιών της κομποστοποίησης. Κατά τον έλεγχο και την παρακολούθηση των πειραματικών εφαρμογών παρατηρήθηκε ότι οι κρίσιμες λειτουργικές παράμετροι της θερμοκρασίας, της υγρασίας και του οξυγόνου εξελίχθηκαν σε επιθυμητό εύρος τιμών όπως αυτό απαιτείται για την αερόβια βιολογική επεξεργασία των αποβλήτων. Το γεγονός αυτό αποδίδεται στις ελεγχόμενες συνθήκες ανάδευσης, αερισμού και ύγρανσης του οργανικού υλικού εντός του βιοαντιδραστήρα. Οι ευνοϊκές αυτές συνθήκες συντέλεσαν στην κατανάλωση μέρους του περιεχόμενου ολικού οργανικού άνθρακα του υποστρώματος και στις σημαντικές απώλειες οργανικής ουσίας κυρίως κατά τα πρώτα στάδια της κομποστοποίησης όπου η μικροβιακή δραστηριότητα ήταν εντονότερη. H υψηλή περιεκτικότητα σε άζωτο στα επιλεγμένα βιοαποδομήσιμα στερεά απόβλητα διαμόρφωσε χαμηλές αναλογίες C/N στα αρχικά υποστρώματα. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα το σχηματισμό συνθηκών περίσσειας οργανικού αζώτου μέρος του οποίου διασπάστηκε προς αμμωνιακά με συνεπακόλουθη αύξηση του pH προς αλκαλικές τιμές. Υπό αυτές τις συνθήκες και υπό την επίδραση υψηλών θερμοκρασιακών επιπέδων, παρουσιάστηκαν σημαντικές απώλειες αζώτου κυρίως μέσω της πτητικότητας της αμμωνίας. Λόγω των αποτελεσματικών διεργασιών ανάδευσης και αερισμού του οργανικού υλικού σε συνδυασμό με την παρουσία διογκωτικών μέσων (π.χ. γεωργικά υπολείμματα), τα αμμωνιακά οξειδώνονται προς νιτρικά (νιτροποίηση), επιβεβαιώνοντας την παρουσία των απαιτούμενων αερόβιων συνθηκών στο υπόστρωμα. Με την προσθήκη ορυκτών υλικών όπως ο ζεόλιθος και ο περλίτης σε ορισμένες από τις πειραματικές εφαρμογές, διαπιστώθηκε ότι βελτιώνονται οι διεργασίες της κομποστοποίησης εντός του βιοαντιδραστήρα. Η παρουσία των ορυκτών τροποποιεί τις φυσικές ιδιότητες του οργανικού υποστρώματος με την απορρόφηση νερού και με την αύξηση του πορώδους του υποστρώματος. Ειδικότερα στην περίπτωση της προσθήκης ζεόλιθου παρατηρήθηκε και η προσρόφηση αμμωνίας και αμμωνιακών συντελώντας στη μείωση των απωλειών αζώτου. Το δεύτερο στάδιο της αξιολόγησης του συστήματος κομποστοποίησης αποτέλεσε ο χαρακτηρισμός της ποιότητας του παραγόμενου κόμποστ με βάση το βαθμό ωρίμανσης και σταθεροποίησής του. Ο χαρακτηρισμός του τελικού προϊόντος περιλαμβάνει τον προσδιορισμό των φυσικών, χημικών και βιολογικών του ιδιοτήτων σε σχέση με αντίστοιχους δείκτες που προτείνονται από τη διεθνή επιστημονική βιβλιογραφία, καθώς και με βάση ποιοτικές προδιαγραφές που παρουσιάζονται σε εθνικό, ευρωπαϊκό και διεθνές επίπεδο. Ως προς τις φυσικοχημικές ιδιότητες του παραγόμενου κόμποστ, η περιεκτικότητά του σε υγρασία και το pH εμφανίστηκαν σε επιθυμητό εύρος τιμών ενώ η αναλογία C/N κυμάνθηκε, στις περισσότερες περιπτώσεις, σε ευνοϊκά επίπεδα. Επιπλέον, τα τελικά προϊόντα παρουσίασαν υψηλό ποσοστό σε οργανική ουσία ενώ η περιεκτικότητά τους σε μακροστοιχεία (N, P, K, Mg, Ca) θεωρήθηκε ικανοποιητική γεγονός το οποίο είναι ενδεικτικό της πιθανής συνεισφοράς των υλικών αυτών στον εμπλουτισμό και τη βελτίωση των φυσικοχημικών χαρακτηριστικών των εδαφών κατά την εναπόθεσή τους. Επίσης, το παραγόμενο κόμποστ εμφάνισε υψηλή περιεκτικότητα σε άζωτο παρά τις σημαντικές απώλειές του οι οποίες καταγράφηκαν κατά τις διεργασίες της κομποστοποίησης. Ως προς τις ανόργανες μορφές του αζώτου, οι συγκεντρώσεις των αμμωνιακών παρουσιάστηκαν χαμηλότερες συγκριτικά με αυτές των νιτρικών διαμορφώνοντας αναλογίες ΝΗ4+/ΝΟ3- σε εύρος τιμών που χαρακτηρίζονται για ώριμο κόμποστ. Οι συγκεντρώσεις των νιτρικών στο κόμποστ εμφανίστηκαν υψηλές εκτός από την περίπτωση στην οποία έγινε προσθήκη ζεόλιθου του οποίου η ιοντοεναλλακτική και προσροφητική του ικανότητα ως προς τα αμμωνιακά ιόντα είχε ως αποτέλεσμα τη ρύθμιση της συγκέντρωσης των αμμωνιακών και κατ’ επέκταση των νιτρικών κατά τη διεργασία της κομποστοποίησης. Επιπλέον, η υψηλή περιεκτικότητα του κόμποστ σε οργανικό άζωτο καθιστά ελεγχόμενη την απορροή θρεπτικών συστατικών (π.χ. νιτρικά) στο έδαφος ρυθμίζοντας τη διαθεσιμότητά τους μέσω των διεργασιών που επιδρούν στην ανοργανοποίηση του αζώτου. Τέλος, οι ολικές συγκεντρώσεις των βαρέων μετάλλων (Cd, Cu, Cr, Ni, Pb και Zn) παρουσιάστηκαν υψηλότερες στο παραγόμενο κόμποστ σε σύγκριση με το αρχικό υπόστρωμα λόγω της μείωσης της οργανικής ουσίας κατά τα εξελικτικά στάδια των διεργασιών βιοαποδόμησης. Εντούτοις, οι συγκεντρώσεις τους στα τελικά προϊόντα εμφανίστηκαν σημαντικά χαμηλότερες από τα ανώτατα επιτρεπτά όρια της Ε.Ε. για την ασφαλή διάθεσής τους στο έδαφος. Αναφορικά με τα βιολογικά χαρακτηριστικά, το παραγόμενο κόμποστ θεωρήθηκε φυτοθρεπτικό το οποίο αποτελεί ένδειξη της απουσίας φυτοτοξικών ενώσεων. Επιπλέον, η χαμηλή συγκέντρωση των ολικών και περιττωματικών κολοβακτηριοειδών και η απουσία αυγών ελμίνθων τα οποία είναι δείκτες παρουσίας παθογόνων μικροοργανισμών στο κόμποστ, συγκλίνουν στο γεγονός ότι οι συνθήκες των παρατεταμένων υψηλών θερμοκρασιακών επιπέδων κατά τη διεργασία της κομποστοποίησης συνετέλεσαν στην υγειονοποίηση των τελικών προϊόντων. Τέλος, η εφαρμογή προκαταρκτικών πειραματικών καλλιεργειών αραβόσιτου και ζαχαρότευτλων σε αγρό, επιβεβαίωσαν τις διεγερτικές ιδιότητες των προϊόντων ως προς την ανάπτυξη των φυτών, σε πραγματικές συνθήκες, σε σύγκριση με τα επίπεδα βλαστικότητας τόσο του μάρτυρα όσο και στην περίπτωση προσθήκης χημικών λιπασμάτων. Το τελικό στάδιο της αξιολόγησης του συστήματος κομποστοποίησης αφορά στην προσομοίωση της κινητικής των αντιδράσεων βιοξείδωσης της οργανικής ουσίας του υποστρώματος προκειμένου να διερευνηθεί και να προσδιορισθεί ο ρυθμός με τον οποίο το υπόστρωμα βιοαποδομείται και ο βαθμός βιοαποδόμησης της οργανικής ουσίας που επιτυγχάνεται. Η ανάλυση της κινητικής των αντιδράσεων βιοξείδωσης αφορά στην κινητική εξίσωση πρώτης τάξης βασιζόμενη στις απώλειες της οργανικής ουσίας κατά την κομποστοποίηση του υποστρώματος λαμβάνοντας υπόψη την επίδραση των κρίσιμων παραμέτρων της θερμοκρασίας, της υγρασίας και του οξυγόνου στο ρυθμό της βιολογικής αποδόμησης της οργανικής ουσίας. Η προσαρμογή του μοντέλου κινητικής πρώτης τάξης στα πειραματικά δεδομένα εμφανίστηκε ικανοποιητική τόσο ποιοτικά (οπτική προσαρμογή) όσο και ποσοτικά. Επιπλέον, ο εκτιμώμενος ρυθμός βιοαποδόμησης της οργανικής ουσίας παρουσιάστηκε υψηλός σε όλες τις πειραματικές εφαρμογές, ενώ επίσης υψηλά εμφανίστηκαν τα επίπεδα των απωλειών της βιοαποδομήσιμης οργανικής ουσίας, υποδηλώνοντας ότι οι βιοξειδωτικές διεργασίες στους πειραματικούς κύκλους κομποστοποίησης πραγματοποιήθηκαν αποτελεσματικά. Συμπερασματικά, τα διαφορετικά μίγματα βιοαποδομήσιμων στερεών αποβλήτων δύναται να επεξεργαστούν αποτελεσματικά με το σύστημα κομποστοποίησης παράγοντας παράλληλα ένα τελικό προϊόν με προστιθέμενη αξία το οποίο διαθέτει τα απαιτούμενα χαρακτηριστικά για την ανακύκλωσή του στο έδαφος. Επομένως, το παρόν σύστημα μπορεί να συμβάλλει στη βιώσιμη αποκεντρωμένη διαχείριση του ρεύματος αυτού των στερεών αποβλήτων και στην προώθηση της εναλλακτικής προσέγγισης διαχείρισης των στερεών αποβλήτων μέσω μικρών αυτόνομων αποκεντρωμένων διατάξεων