HULLADÉKOK ENERGETIKAI ÉS BIOLÓGIAI HASZNOSÍTÁSA
8.3
Polietilén zsákokban gyűjtött szerves hulladék komposztálása nyitott halmokban Tárgyszavak: komposztálás; komposztálóüzem; polietilén; tárolótartály; technológia; zöldhulladék.
A szerves hulladékok problémája az Egyesült Királyságban A hulladéklerakókra vonatkozó EU-irányelv (99/231/EC, European Landfill Directive) 2001-es életbe léptetése után az Egyesült Királyságban megnőtt az utcai szerveshulladék-gyűjtő rendszerek száma. Az irányelv célja a biológiailag lebontható települési hulladék lerakókba kerülő mennyiségének 35%-os csökkentése 2020-ig, három lépésben, a csurgalékvíz és a metánfejlődés okozta környezeti károk mérséklése érdekében. Az országban már bevezették az eladható (becserélhető) engedélyek rendszerét. Az önkormányzatok kísérleteket végeznek, kutatási terveket és rendszereket tanulmányoznak, hogy meghatározzák az elkülönítés, begyűjtés, szállítás és feldolgozás legjobb megoldásait. Az Organic Resource Agency (Szerves Erőforrások Hivatala) hulladékvizsgálati adatai szerint a háztartási hulladék fele szerves kerti és konyhai, tehát biológiailag lebomló hulladék. A hatékony utcai gyűjtés jó minőségű komposzttermékhez vezet, és csökkenti a lerakókba kerülő hulladékmennyiséget. Számos önkormányzat támogatja a szerves anyagok gyűjtését, mivel ez megfelelő módja a lerakói hulladékmennyiség csökkentésének és az előírások teljesítésének. Az Egyesült Királyságban a kerti és szerves hulladék gyűjtésére forgalmazott polimer zsákok részben biológiailag lebomlók, részben nem. A biológiailag lebomló polimerek kémiai úton, biológiai enzimek vagy mikroorganizmusok segítségével átalakíthatók olyan termékekké, amelyek maguktól képesek lebomlani. A lebontható polimerek kémiai szerkezeté-
ben adott környezeti feltételek mellett komoly változás megy végbe. A komposztálható polimer biológiai lebomláson megy át a komposztálás során, miközben szén-dioxid, víz, biomassza és szervetlen vegyületek képződnek a komposztálásra jellemző sebességgel, toxikus maradékok képződése nélkül. Jelen tanulmány az utcai gyűjtéssel kapott biológiailag lebomló hulladékok nyitott halmokban komposztálása során kapott eredményeket ismerteti. A komposztálás monitorozása és a kapott termékek alapján meghatározható, hogy a polietilén zsákok károsan hatnak-e a komposztálási folyamatra vagy a kapott termékre.
Módszer Polimermaradék a végtermékben A komposztálás befejeződése után általában szükség van a végtermék forgalmazás előtti szitálására. A szitaméret függ a végtermék felhasználásától. Mezőgazdasági felhasználás esetén például durvább termékre van szükség, ezért ezt 20 mm-es, a fogyasztók számára készült jó minőségű termékeket pedig 8 mm-es berendezésen rostálják. A zöldhulladék-komposztból származó túl nagy méretű tételt eldobják, illetve félreteszik. Ez rendszerint fát és más durva anyagot tartalmaz, mert a 12 hetes komposztálási eljárás nem elegendő bizonyos anyagok (lignin, cellulóz) lebontására. Igen fontos, hogy a szemét összetételét meg lehessen határozni a kontroll és a polietilént tartalmazó halomból. Ezért az ipari szitálás vagy a 12 mm-es kézi szita alkalmazása előtt mintát vesznek a végtermékekből. Kémiai elemzés A lebontható polietilén zsákok kémiai elemzése biztosítja, hogy ne legyen potenciális szennyező anyag a zsákokban, amely befolyásolná a végtermék biztonságosságát. A begyűjtött szerves hulladékokat elemezték az aprítás és a komposztálás befejezése után, mind a polietilénes, mind a kontrollhalmok esetében. Az elemzés során a szén:nitrogén arányt, pH-t, villamos vezetőképességet és a nehézfém-koncentrációt mérték. A polietilén zsákok olyan fémet (kobaltot) is tartalmaztak, amelyet a szabványos komposztelemzéskor nem szokták azonosítani. Ezért ezt a fémet külön vizsgálták a kísérlet során.
A halmok hőmérsékletprofilja A komposztálási hőmérséklet jelzést ad a kezelőnek a komposztálási folyamat előrehaladásáról és eredményességéről. Az ipari szabványok előírásának teljesítése érdekében hangsúlyt fektettek az adott időtartamoknak megfelelő speciális hőmérséklet megtalálására és a fogyasztók megnyugtatására afelől, hogy a végtermék valóban kívánt minőségű, patogén- és gyomirtómag-mentes, ami az idő–hőmérséklet profil betartásával érhető el. A Composting Association (Komposztáló Társulás) útmutatót állított össze a vonatkozó szabványok figyelembevételével, és e szerint a halmokat 55 °C-on kell tartani 14 napon át, így a komposzt higiénikus lesz. Naponta mérték a halmok hőmérsékletét a kontroll és a polietilénes halmok egyedi hőmérsékletprofiljának meghatározása céljából. Összesen négy sorozat hőmérsékletprofilt kaptak. A halmok egy telephelyen, önállóan helyezkedtek el, azonos klímaviszonyok között, így összehasonlíthatók voltak. A töltött, zárt polietilén zsákok gázelemzése Az aprításig a telephelyen tárolt zárt polietilén zsákokon belüli paramétereket meg kell határozni. Gázelemzéssel akarták ellenőrizni, hogy vajon a bezárt szerves anyag anaerobbá válik-e az aprítás és halomképzés előtt. A végtermék komposzt nagyobb C:N aránya ezzel lenne magyarázható, mivel az aerob komposztálási folyamatot gátolják az anaerob feltételek. A zsákok száma miatt egyszerűbb volt helyi gázelemzést végezni a zsákokon belül a minták szállítása helyett. Az alkalmazott gázelemző készülék az oxigén-, szén-dioxid- és kén-hidrogén-koncentrációt mérte. A költségcsökkentés érdekében a készüléket nem csatlakoztatták számítógéphez. Az elemzést szerves anyagot tartalmazó „frissen gyűjtött” zsákokkal végezték tíz héten át. Hatvan zsákot elemeztek, tízet a gyűjtés után, tízet kéthetenként a tíz hét folyamán.
Eredmények Polimermaradék a komposztált végtermékben Az 1. táblázat mutatja az egyes mintákban talált maradék relatív tömegét. A maradék volumene függ a zöldhulladék-aprító berendezés típusától is. Ez megnehezíti a volumenek összehasonlítását a különböző
halmokban, bár a kontroll és a polietilén zsákokat azonos napon, ugyanabban az aprítóban darabolták. 1. táblázat A minta és maradék tömege, a rostálásra kerülő maradék százalékos aránya Név
1. halom – kontroll 1. halom – PE-zsák 2. halom – kontroll 2. halom – PE-zsák 3. halom – kontroll 3. halom – PE-zsák 4. halom – kontroll 4. halom – PE-zsák
A minta tömege, kg
A maradék tömege, kg
Maradék a komposztban, %(m/m)
A PE a maradékban, %(m/m)
41,4 42,8 36,4 37,6 41,6 31,6 45,0 34,7
7,9 11,3 3,6 8,8 3,2 5,4 7,9 8,1
19,3 26,5 9,9 23,4 7,7 17,1 17,5 23,3
0,42 0,31 0,39 0,34
A maradék százalékos aránya a kontroll halomban minden esetben alacsonyabb volt, mint a polietilént tartalmazó halmokban. A PE összes tömege azonban igen kicsi volt (bár nagy térfogatú és jól látható). Hasonló nyersanyag és azonos aprítás, komposztkezelés mellett más okának kellett lennie annak, hogy a PE-tartalmú halmokban nagyobb a maradék mennyisége. Ezért elemezték a halmok hőmérsékletprofilját. Kémiai elemzés A vizsgálathoz használt PE-zsákok elemzése a 2. táblázatban látható. Átmeneti fémekkel gyengítették a polimer C-C vázát, hogy könnyebben lebomoljon. Az átmeneti fémek beépültek a polimermátrixba. Ezek a fémek bizonyos talajokban előfordulnak, és kis mennyiségben megtalálhatók voltak a PE-zsákokban. A gyártók egyébként változtathatják a PEzsákok fém alkotóelemeit, és más adalékanyagokat is bevihetnek a polietilén bomlási sebességének megváltoztatására. A 3. táblázat a végtermék komposzt összetételét adja meg rostálás előtt és után. Az elemzés azt mutatja, hogy a PE-zsákokon belül a fémek jelentős mértékben növelik a komposztmátrixban kimutatott fém koncent-
rációját, de a látható polietilén maradékok kirostálásával elérhető a réz és kobalt mennyiségének csökkenése a le nem bomlott PE-zsákokban. 2. táblázat A lebomló PE-zsákok kémiai elemzése Vizsgált elem Réz, oldatban Kobalt, oldatban Egyéb elemek
Átlagos érték a zsákban
Egység
35 35 jelentéktelen mennyiség
mg/kg mg/kg
3. táblázat A végtermék komposzt kémiai elemzése szitálás előtt és után Vizsgált elem
Nem szitált
Szitált
Egység
Száraz anyag
58,3
49,9
%
Összes nitrogén
0,9
1,61
%(m/m)
Összes szén
10,6
20,9
%(m/m)
C:N arány
12,1
13,1
arány
Összes réz
32,4
42,8
mg/kg
Összes cink
97,4
139
mg/kg
Összes ólom
57,4
101
mg/kg
Összes kobalt
3,48
3,31
mg/kg
A komposzt kémiai elemzése azt mutatja, hogy a PE-tartalmú halmok C:N aránya nagyobb, mint a kontroll halmoké. Alacsony C:N arány lenne a kívánatos, mivel az azt jelzi, hogy az oldható szén lebomlott szén-dioxiddá, így csökkent a szén aránya a nitrogénhez képest. Az eredmény egyik magyarázata az lehet, hogy a szerves hulladék aprítás előtt el volt zárva a levegőtől a polietilén zsákban. A halmok hőmérsékletprofilja Az idő–hőmérséklet görbék azt mutatták, hogy a PE-tartalmú halmokon belüli hőmérsékletek átlaga alacsonyabb volt, mint a kontroll halmokban mért értékek. A kontroll halmok átlaghőmérséklete mindegyik esetben magasabb volt, mint a polietilén-tartalmúaké. Az 1. és 2. ábrán eltérő hőmérsékletprofilok láthatók. Az 1. ábrán látható két profil megfelel a BSI PAS 100 szabványnak, bár a PE-
hőmérséklet, °C
tartalmú halmok hőmérséklete gyorsabban csökken, mint a kontroll halmoké.
kontrollal PE-zsákokkal
napok száma
hőmérséklet, °C
1. ábra A [2] sorozat kontroll és PE-tartalmú halmainak hőmérsékletprofilja
kontrollal PE-zsákokkal
napok száma
2. ábra A [3] sorozat kontroll és PE-tartalmú halmainak hőmérsékletprofilja
A két ábra azonos anyagok komposztálását ábrázolja. A 2. ábrán a kontroll és a PE-tartalmú halmok komposztálási hőmérséklete közötti különbség nagyobb, mint az 1. ábrán. A komposztálás kiindulási hőmérsékletei ugyanis igen eltérőek voltak. Az 1. és 2. ábrák profiljai közötti különbség 2. ábrán bemutatott halmok aprításának és halomképzésének késedelmével magyarázható. Az 1. ábrán látható halmok anyagát összegyűjtötték, majd a gyűjtést követő 6 héten belül aprították és halmokba rakták, azonban az aprítóhoz való nehéz hozzáférés miatt a 2. ábrán látható halmok anyaga 12 hetes volt. Tehát a szerves anyag 12 hetet töltött a zárt polietilén zsákokban. A helyben végzett gázelemzés fokozódó anaerob feltételeket mutatott bennük. A négy halomsorozat hőmérsékletprofiljának szóródási diagramja nem elegendő annak meghatározására, hogy vajon szignifikánsan lineáris viszony áll-e fenn a kontroll és a PE-tartalmú halmok hőmérséklete között. Korrelációelemzést végeztek az idő–hőmérséklet kapcsolat erősségének meghatározására, amely a két változó közötti asszociáció fokának mértékét vizsgálja. A következő korrelációs tényezőket állapították meg a négy halomsorozatra: [1] halmok: 0,672; [2] halmok: 0,929; [3] halmok: 0,686; [4] halmok: 0,668. A négy halomsorozat korrelációs tényezői azt mutatják, hogy kapcsolat áll fenn a kontroll és az aprított, lebomló polietilént tartalmazó halmok hőmérséklete között. Elvégezték a regressziós modellek elemzését GENSTAT 6 statisztikai csomaggal. A regressziós elemzés során matematikai képletet írnak fel, amely alkalmas egy változó értékének előrejelzésére a másik változó egy ismert értéke alapján. Ebben az esetben a képlet a nyitott halom hőmérsékletének előrejelzésére szolgált az aprított, lebontható polietilén bevezetésekor a szerves komposzt nyersanyagba. Szórásnégyzet-elemzést használtak a megfigyelt kapcsolat megfelelő leírására szolgáló legegyszerűbb modell kiválasztására. Lineáris öszszefüggést találtak a kontroll és PE-tartalmú halmok hőmérsékletei között. Ez a viszony, vagyis a négy regressziós vonal meredeksége azonos volt az összes halomra. Az R2 érték 66,4% volt, ami azt mutatja, hogy a kontroll és PE-tartalmú halmok hőmérsékletei közötti kapcsolat variabilitásának kétharmada magyarázható volt.
A következő négy egyenletet írták fel a négy halomsorozatra: CWTemp = 27 + 0,6 PEWTemp,
(1)
CWTemp = 25 + 0,6 PEWTemp,
(2)
CWTemp = 33 + 0,6 PEWTemp,
(3)
CWTemp = 27 + 0,6 PEWTemp,
(4)
ahol CWTemp a kontroll halom hőmérséklete, °C; PEWTemp az aprított, bontható PE-t tartalmazó halom hőmérséklete, °C. A négy regressziós egyenlet azt mutatja, hogy a kiindulási hőmérsékletek a kontroll halmokban magasabbak voltak (25–33 °C), mint a PE-tartalmú halmokban. Az egyenletek azt is elárulják, hogy a hőmérséklet-növekedés sebessége a PE-tartalmú halmokban jóval nagyobb, mint a kontroll halmokban. Minden 1 °C-os emelkedés a PE-tartalmú halmokban 0,6 °C-os emelkedésnek felel meg a kontrollokban. Gázelemzés a töltött, lezárt polietilén zsákokban A 4. táblázatban látható eredmények szerint erősen csökkent oxigénkoncentrációt (17%) és növelt szén-dioxid-koncentrációt (4%) mértek. Az oxigénkoncentráció fokozatosan esett a szén-dioxid-koncentráció növekedésével. Mindkét tényező összhangban volt a zsákok öregedésével. Nem tapasztalták hidrogén-szulfid-jelenlétet. 4. táblázat A gázelemzés eredményei Hét sorszáma 0 (gyűjtés hete) 2 4 6 8 10
Vizsgált vegyület Oxigén Szén-dioxid Oxigén Szén-dioxid Oxigén Szén-dioxid Oxigén Szén-dioxid Oxigén Szén-dioxid Oxigén Szén-dioxid
Átlag, % 20,75 0,366 20,5 0,65 20,18 0,692 19,95 0,782 19,28 1,374 19,19 1,589
Az adatok megfelelnek az ismert elméleti folyamatnak, vagyis a szerves anyag bomlásával a mikrobák elhasználják az oxigént, és ezt követően kilélegzik a szén-dioxidot. Ezek eredmények azonban nem teljesen meggyőzőek, mivel a zsákon belüli gázkoncentrációk mérése céljából a mintavevőt úgy helyezték be a zsákba, hogy azt ki kellett nyitni, ami megváltoztatja az eredményeket.
Következtetések A lebontható zsákok komposztálása bonyodalmakat okoz a korábbi tartályok, szemétládák és dobozok alkalmazásához képest. A le nem bomló polimerek, miután összekeverték azokat a szerves anyaggal, nehezen és drágán távolíthatók el. A problémák a következők: – A komposztálás alatt végzett mechanikai műveletek (forgatás és szitálás), amelyek következtében a polimerek nagyszámú kis részre nyíródnak. – A polimerek fennakadnak a gépek mozgó részein, és eltömhetik a levegőbevezetés útját, ezért kézzel el kell őket távolítani. – Mivel a komposzt és a polimer fóliák sűrűsége közel azonos, a levegővel való szétválasztást nehéz megvalósítani, ráadásul ez a lépés érzékeny a nedvességre. – A kémiai analízis szerint a PE-tartalmú halmoknak kisebb a szárazanyag-tartalma, mint a kontroll halmoknak. Ez egybeesik azzal a megfigyeléssel, hogy a polietilént tartalmazó halmok rendszerint nedvesebbek, ezért nehezebb a mozgatásuk és szitálásuk. Fontos, hogy a hulladékgyűjtő szervezetek és a kezelő/lerakó berendezéseket üzemeltető cégek részt vegyenek a gyűjtési stratégia és módszer körüli vitákban. A komposztfeldolgozókat már a tervezés korai stádiumában be kell vonni a begyűjtő rendszerek kialakításával kapcsolatos kérdések megvitatásába. Ennek három oka is van. Először is, a telephely-engedélyek beszerzése több mint egy évig tart, másodszor, fontos, hogy a komposztálóüzem kezelni tudja a kapott szerves hulladékot, és harmadszor, hogy a hulladék térfogata az engedélyezett határokon belül legyen. A gyűjtési stratégia típusa (vagyis a gyűjtési gyakoriság és a gyűjtőedények fajtái) erősen befolyásolják a begyűjtött hulladék volumenét. A zsákokat, rövid élettartamuk miatt, folyamatosan, változó költségen kell beszerezni, a komposztálási helyen hozzáadódó, növekvő feldolgozási költségek mellett.
Az aprított polietilént tartalmazó halmokban nem érték el ugyanazt a magas hőmérsékletet, mint a kontroll halmokban. Ennek van jelentősége, mivel a hosszabb időtartamon át tartó magas hőmérséklet pusztítja hatékonyan a patogéneket és a gyommagvakat, ami végső soron meghatározza a végtermék minőségét és biztonságát. Azokat a halmokat, amelyekben nem érték el a kívánt hőmérsékletet, össze kell keverni a friss nyersanyaggal, újra kell komposztálni, vagy fel lehet használni a lerakók napi beterítésére, bár a BSI PAS 100 nem írja elő, hogy a komposztot le kell rakni. Ez logisztikai problémát okozhat az üzemeltetőnek, akinek több munkaórát és területet kell rááldoznia a szerves hulladék újrakomposztálására, és a komposzt bármilyen elhelyezéséért fizetnie kell. Emellett a helyi önkormányzat elveszti jogát az engedélyekkel való kereskedés igénylésére a begyűjtött szerves hulladék tömege után. Az utcai gyűjtéssel a háztartásokból kapott biológiailag lebontható hulladéknak rendszerint kicsi a részecskemérete, és nincs szükség az aprítására. Ez különösen igaz a PE-zsákokban gyűjtött hulladékra, mivel a nagy tárgyak kilyukasztanák a zsákot, és azok kezelése nehézkessé válna. A nyári hónapok folyamán az utcai gyűjtésű hulladék mérete még kisebb a nagy mennyiségű fű miatt, ami nem kívánatossá teszi az aprítást, mivel a méretek csökkentése növeli a komposztálandó anyag sűrűségét, ami gátolja a komposztálást, mivel akadályozza a hő és oxigén áramlását a halmokon belül. A nedves hulladékok hajlamosabbak az aprító eltömésére és növelik az aprítóberendezés károsodásának veszélyét. A környezeti és költségvonzatok ellenére szükség van az utcai gyűjtésű szerves hulladékot tartalmazó PE-zsákok aprítására, mert: – a PE-zsákokat a háztartásokban általában lezárják, hogy tartalmuk ne ömöljön ki a töltés, tárolás és gyűjtés során. A PE jó gázzáró tulajdonságú, a szerves hulladék anaerobbá válik a zsákokon belül, ezért a zsákokat minél előbb fel kell nyitni; – a zsákok aprítása elősegíti azok mechanikai bomlását. A kutatás célja annak megállapítása volt, hogy a PE-zsákokat be lehet-e adagolni a szerves hulladékot komposztáló nyitott halmokba. Azt tapasztalták, hogy bár a PE-zsákok alkalmasak a szerves hulladékok gyűjtésére, nyitott halmokban komposztálásuk nem megfelelő megoldás, mivel a komposztálható polimer jellemző tulajdonsága az a képesség, hogy biológiai bomlásának sebessége azonos más anyagokéval, és amellett nem maradnak látható maradékok a végtermékben. A kísérletek során a PE lebomlási sebessége nem volt azonos a szerves hulladékéval, ahol a várt térfogatcsökkenés 40–60%, és ez azt eredményezte, hogy nőtt a PE aránya a komposztálás során, amellett a
polimer vizuálisan látható volt a halmokban. Az utcai gyűjtéshez és a szerves hulladék komposztálásához megfelelő lebomló zsáknak problémamentes feldolgozást kell lehetővé tennie a komposztáló üzemben, és kényelmesnek, megfelelő élettartamúnak kell lennie a háztartásokban. Bár a PE-zsákok megfelelnek a háztartásokban és elég erősek az utcai gyűjtéshez, a komposztálóknál további kezelésre van szükség, aprítással és szitálással kell eltávolítani a látható maradékokat a komposzt értékesítése előtt. A szitálási maradékok tartalmazzák a fásabb szerves hulladékot is, mert a szén kevésbé oldható ott, ahol a lignin védi. Ezeket a részeket bekeverik a friss komposztanyagba, hogy struktúrát adjanak a halmoknak, és ott idővel megfelelő mértékben lebomlanak. A rostált maradék nagy polietilén-tartalma miatt ezt a frakciót lerakón kellett elhelyezni. A feldolgozási igény növekedésének és a maradék lerakásának pénzügyi vonzata van, vagyis jelentős mértékben nő a termelési költség, amit a fogyasztó negatív hatásként érzékel. Összeállította: Fazekasné Horváth Zsuzsanna Davis, G. U.: Open windrow composting of polymers: An investigating into the optimal issues of composting polyethylene (PE). = Waste Management, 25. k. 4. sz. 2005. p. 401–407. Costi, P.; Minciardi, R.: An environmentally sustainable decision model for urban solid waste management. = Waste Management, 24. k. 3. sz. 2004. p. 277–295.
