BIOLOGICKÁ STABILITA ORGANICKÝCH MATERIÁLŮ, JEJÍ STANOVENÍ A POUŽITÍ V PRAXI Biological Stability of organic materials its Determination and Practical Application Habart Jan, Tlustoš Pavel, Váňa Jaroslav, Plíva Petr Abstract Biological stability is an important indicator assessing quality of different biodegradable materials, namely of composts and outputs from mechanicalbiological treatment. In the article there is introduced promising method for biological stability determination Dynamic respiration index. First results of experimental measurement of some compost samples show substantial difference in respiration index corresponding with their stability. Biologická stabilita je důležitým parametrem materiálů organického původu. Stanovuje míru, do jaké materiál podléhá biologickému rozkladu. Biologický rozklad je za určitých podmínek doprovázen řadou nepříjemných průvodních jevů. Pro zemědělskou praxi je nutno uvést zejména tvorbu fytotoxických látek, které vznikají při nedostatečných aerobních podmínkách. U biologicky nestabilních kompostů hrozí také opětovný nárůst patogenních mikroorganismů. Dalším nepříjemným jevem může být tvorba a únik zápašných látek. Při ukládání biologicky rozložitelných zemědělských či komunálních odpadů na skládky se uvolňuje množství plynů, především methan a dále např. oxid uhličitý. Tyto plyny se v praxi nedaří spolehlivě zachytit a unikají do atmosféry, kde se podílejí na zvyšování skleníkového efektu Země. Methan je 21krát silnější skleníkový plyn než oxid uhličitý. To je jeden z důvodů, proč existuje snaha omezovat ukládání biologicky rozložitelných odpadů na skládky. Zároveň je nutné nalézt spolehlivou metodu na stanovení parametru určujícího biologickou stabilitu, abychom mohli zjistit, který materiál je ještě biologicky degradabilní a který již dosáhl takové míry biologické stability, že jeho rozklad a tedy i nežádoucí doprovodné jevy na skládce budou minimální. Návrh evropské směrnice Biologická úprava bioodpadů (DG.ENV.A.2- Biologické zpracování bioodpadů) předpokládá použití německé metody AT4 a italské metody dynamický respirační index (DRI). Pro první experimentální měření v ČR byla zvolena metoda dynamický respirační index protože je vhodnější pro měření nehomogenních materiálů jakými jsou komposty a produkty mechanicko-biologické úpravy. Možnost zkreslení výsledků v důsledku nízké homogenity materiálů je minimalizována
tím, že je měření prováděno na vzorku o hmotnosti přibližně 12 kg. Pro praktické ověřování této metody v podmínkách České republiky byl zkonstruován speciální respirometr. V této práci jsou popsány první experimentální měření biologické stability metodou DRI v České republice. Materiál a metody Experimenty byly provedeny na čtyřech vzorcích. Jednalo se o komposty různého původu a různého stupně zralosti. Vzorek č. 1 byl komerčně prodávaný kompost ve spotřebitelském balení v PE pytlích po 10 litrech. Další vzorek (č. 2) byl odebrán z experimentální kompostárny VÚZT, kde byl kompost uměle udržován v nepříznivých podmínkách s nedostatkem kyslíku zakrytím neprodyšnou fólií. Vzorky č. 3 a 4 byly odebrány také z experimentální kompostárny VÚZT a jednalo se o zrající kompost stáří 3 měsíců s použitím technologie kompostování na malých hromadách. Měření tohoto parametru probíhá ve speciálním respirometru (viz obr. 1) Obr. 1. Schéma respirometru: a) membránové vzduchové čerpadlo; b) plynoměr; c) termostat; d) polyethylenová konev s perforovaným mezidnem; e) měřená biomasa; f) kondenzační baňka; g) senzor koncentrace O 2 v odplynu; h) elektronika senzoru; i) záznamové zařízení - PC; j) regulátor průtoku vzduchu laboratorní svorka gumových hadiček; 1) senzor okolní teploty; 2) senzor teploty vzduchu nad biomasou; 3) senzor teploty biomasy; 4) propojení senzoru koncentrace kyslíku.
Základem respirometru je 50 l polyethylenová konev s perforovaným mezidnem (d) do které se vkládá přibližně 12 kg vzorku (e), pomocí vzduchového čerpadla (a) se do prostoru pod měřeným materiálem vhání známé množství vzduchu. V tomto prostoru je vzduch rovnoměrně rozptýlen a postupně prochází měřeným materiálem, kde dochází vlivem mikrobiální aktivity ke spotřebě kyslíku. Změna koncentrace kyslíku je měřena senzorem s kyslíkovou elektrodou (g). Metoda je založena na sledování koncentrace kyslíku ve vzduchu, který prošel měřeným materiálem. Úbytek koncentrace kyslíku je přímo úměrný aktivitě mikroorganismů. Materiály, které relativně dobře a rychle podléhají biologickému rozkladu (nezpracované bioodpady) poskytují mikroorganismům větší množství energeticky bohatších látek než materiály, které se již téměř nerozkládají (zralý kompost, stabilizované produkty mechanicko-biologické úpravy). Proto je také mikrobiální aktivita nestabilních odpadů větší než mikrobiální aktivita stabilních materiálů. Momentální hodnoty dynamického respiračního indexu jsou stanoveny z množství biomasy v reaktoru, respektive obsahu spalitelných látek, rozdílu koncentrace kyslíku a průtoku vzduchu. Hodnoty se vyjadřují v miligramech spotřeby kyslíku na kilogram spalitelných látek (VS) za hodinu (mg O 2 kg VS - 1 h -1 ). Momentální hodnoty DRI se během měření výrazně mění a jejich průběh může být u jednotlivých vzorků značně odlišný. Proto je výsledná hodnota stanovena jako aritmetický průměr z 12-ti po sobě jdoucích hodnot naměřených v intervalech dvou hodin (viz graf 1) v době nejintenzivnější mikrobiální aktivity. Z literatury je též doloženo, že u některých vzorků dochází na začátku měření k tzv. lack fázi (hodnoty DRI jsou velmi nízké) což by mohlo opět zkreslit měření. Proto se měření provádí po dobu 5-ti dnů, čímž je minimalizováno riziko zkreslení výsledků vlivem tohoto jevu.
Ukázka průběhu měření DRI (mg O2/ kg VS/ hod) 1200 1000 800 600 400 200 Momentální hodnoty DRI Limit biologické stability Pro výsledek 70 Teplota měřeného materiálu 60 50 40 30 20 Teplota ( C) 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Čas (hodiny) 10 Graf 1: Ukázka průběhu měření, trojúhelníkem jsou vyznačeny momentální hodnoty, které v daném případě sloužily pro vypočítání výsledné hodnoty DRI Výsledky a diskuse Po navržení a zkonstruování prototypu respirometru a odstranění drobných nedostatků, byly provedeny první pokusná měření, které uvádíme v tabulce 1. Dle výše citovaného návrhu směrnice o biologické úpravě bioodpadů jsou bioodpady považovány za biologicky stabilní pokud mají hodnotu dynamického respiračního indexu nižší než 1000 mg O 2 kg VS -1 h -1. I. Výsledky experimentálního měření Dynamického respiračního indexu Vzorek Měřený materiál DRI (mg O 2 kg VS -1 h -1 ) 1 kompost v obchodním balení 245,41 2 kompost z nedostatečně aerobních podmínek 1287,26 3 Zrající kompost (stáří 3 měsíce) 830,70 4 Zrající kompost (stáří 3 měsíce) 1127,88 U vzorku č. 1 byla stanovena hodnota DRI 245 mg O 2 kg VS -1 h -1 a lze tedy konstatovat, že se jedná o vyzrálý stabilní kompost. U vzorku č. 2 byla stanovena hodnota DRI nad limitem biologické stability (1287 mg O 2 kg VS -1 h -
1 ) což lze vysvětlit právě nepříznivými podmínkami v průběhu zrání, které byly způsobeny především nízkým obsahem kyslíku. Další dva vzorky (3 a 4), které byly odebrány z jedné zakládky kompostu, ukazují na heterogenitu hodnoceného materiálu. Vzorek č. 3 lze považovat za stabilní materiál. Vzorek č. 4 zatím nedosáhl limitu biologické stability, lze však předpokládat, že tato hodnota bude bezpečně dosažena během zrací fáze kompostování. Dle našich dosavadních experimentálních měření lze konstatovat, že navržený a zkonstruovaný respirometr je schopen přesně reagovat na aktivitu mikroorganismů a zachytit úbytek kyslíku v proudícím vzduchu. Metoda dynamický respirační index je vhodná pro stanovení biologické stability kompostů. Navrhovaná limitní hodnota je také vhodně zvolena, neboť takového stupně biologické stability lze dosáhnout běžně používanými technologiemi kompostování. Článek byl uveřejněn v rámci projektu NAZV QF 3148 a výzkumného záměru MSM 412100005. Použitá literatura je k dispozici u autorů.