Kardos Levente 1 Sárközi Edit 1 Csumán András 1 Bálint András 2 Kasza Gyula 2 : Kommunális szennyvíziszap vermikomposztálásának lehetőségei 1 Budapesti Corvinus Egyetem, Kertészettudományi Kar, Talajtan és Vízgazdálkodás Tanszék, 1118 Budapest, Villányi út 29-43. 2 Budapesti Corvinus Egyetem, Élelmiszertudományi Kar, Élelmiszeripari Gazdaságtan Tanszék, 1118 Budapest, Villányi út 29-43. Bevezetés A mai környezetvédelem-környezetgazdálkodás kiemelkedően fontos területe a szennyvíztisztítás, valamint a tisztítás során keletkező szennyvíziszap megfelelő kezelése. A szennyvíztisztítás során a szennyvízben található szennyező anyagok eltávolítása, illetve átalakítása történik fizikai, kémiai módszerekkel, illetve biokémiai folyamatok révén mikroorganizmusok segítségével. A kommunális szennyvíztisztítás folyamatában elsődleges feladat az oldott és oldhatatlan szerves és szervetlen komponensek eltávolítása. Az általánosan elterjedt kommunális szennyvíztisztítási technológia a mai kor környezetvédelmi kihívásainak megfelelően a háromfokozatú eleveniszapos szennyvíztisztítás, amelynek technológiai kivitelezése során számos alternatíva lehetséges. A későbbi szennyvíziszap kezelési technológia kiválasztásához elengedhetetlenül szükséges a szennyvíztisztítási technológia ( vízvonali technológia ) alaposabb megismerése. A mai modern szennyvíztisztítás elképzelhetetlen környezetileg fenntartható szennyvíziszap kezelés nélkül. A szennyvíztisztítás folyamata során keletkezett szennyvíziszap ahhoz, hogy további célokra felhasználható vagy biztonságosan elhelyezhető legyen, kezelése szükséges. A kezelés módja annak függvénye, milyen módon kívánják az iszapot hasznosítani, illetve elhelyezni, valamint milyen a szennyvíz és az abból keletkezett iszap összetétele. Hasznosítható összetevői mellett számos komponense lehet, ami hasznosításának és elhelyezésének lehetőségeit korlátozza vagy megakadályozza, ilyenek például a nehézfémek vagy a nem megfelelő makro-, illetve mikroelem-tartalom. A szennyvíziszap kezelés célja az iszap rothadó- és fertőzőképességének megszüntetése, a térfogatának és nedvesség-tartalmának csökkentése, valamint az iszapban lévő szerves anyag, tápelem, nyomelem átalakítása hasznosítható termékekké. A kezelések eredményeképpen a bűz- és szagártalmak is jelentősen csökkenthetők. (UNEP 2000, Vermes 2005). Az iszapkezelés lépései a következők: sűrítés, stabilizálás, kondicionálás, víztelenítés, ezen lépések kötelezőek, majd következhet további szárítás, vagy mezőgazdasági hasznosítás, vagy égetés, illetve deponálás. A nagy mennyiségben keletkező szennyvíziszap hulladéklerakón történő elhelyezése nem fenntartható stratégia, ezért egyre jobban előtérbe kerülnek a mezőgazdasági hasznosítási lehetőségek. A mezőgazdasági hasznosítási lehetőségek között kiemelt helyen kell foglalkoznunk az iszap önmagában vagy egyéb más szerves anyaggal (elsősorban zöldhullad ékkal történő együttes) komposztálásával, illetve a vermikomposztálásával. Az 1. táblázatban a szennyvíziszapok mezőgazdasági és hasznosítás nélküli elhelyezésének lehetőségeit foglaljuk össze. A hasznosítással történő elhelyezés egyik lehetséges megoldásaként megtalálható a komposztálás technológiája is.
1. táblázat: A szennyvíziszap mezőgazdasági és hasznosítás nélküli elhelyezésének lehetőségei Hasznosítással egybekötött elhelyezés Hasznosítás nélküli elhelyezés Mezőgazdasági hasznosítás Hasznosítás más módon Folyékony formában iszaptároló medencékben Folyékony iszap hasznosítás Rekultivált területeken Víztelenített formában területfeltöltésben Víztelenített iszaphasznosítás Víztelenített formában hulladéklerakó telepeken Iszapkomposztként történő hasznosítás Granulátumként történő Hasznosítás zöldövezetekben, parkokban, utak, vasutak Veszélyes hulladéklerakó telepeken egyéb toxikus hulladékokkal együtt hasznosítás mentén Forrás: Vermes (2005) A vermikomposztálás olyan szerves hulladékgazdálkodást jelent, mely során a gyűrűsférgek közé tartozó gilisztaféléket használnak fel a szerves anyag átalakítására. A víztelenített és rothasztott szennyvíziszapban lévő szerves anyag átalakítása többek között az Eisenia fetida tárgygilisztával lehetséges. Kanadában 1970-ben volt az első olyan telep, hol kezdetben heti 75 tonna biodegradált iszapkomposztot állítottak elő vermikomposztálással (Vermes 2005). Egyes kutatások (Rohlich, G., A. (ed.) 1981) szerint a kontrollhoz képest a vermikomposztált iszap esetén akár 25-szörös lebontási sebesség növekedést tapasztalható. A giliszták anyagcseréjüknek köszönhetően eltávolítják az elöregedő baktérium populációkat az iszapból, így teret engedve az újabb baktériumcsoportok megtelepedésének, amelyek hozzájárulhatnak a komposztálás folyamatának felgyorsulásához. A vermikomposztálás eredményeképpen javul a kezelt iszap nitrogén-, foszfor- és kálium-tartalma, valamint csökken a patogének száma pl.: a Salmonella enteritidis száma. Ezen paraméterek a további, mezőgazdasági felhasználás szempontjából meghatározó jelentőségűek. A giliszta tenyészet fenntartása viszonylag egyszerűen megoldható Az elkészült glisztakomposztból az élő egyedek könnyen elválaszthatók, amelyek a továbbiakban takarmányozási célokra is felhasználhatóak. A vermikomposztlás előnyeit és hátrányait a 2. táblázatban foglaltuk össze. 2. táblázat: A vermikomposztálás előnyei és hátrányai Előnyök: Hátrányok: Környezetbarát biotechnológia Viszonylag lassú folyamat Lebontási sebesség növekedés Érzékeny a környezeti tényezők megváltozására (hőmérséklet, nedvesség - tartalom, levegő ellátottság) A kiindulási anyag tömege akár 20-30%-kal is csökkenhet Érzékeny a szennyvíziszap összetételére (pl: extrém nehézfém-tartalom) Nő az iszap nitrogén-, foszfor-, káliumtartalma Nehézkes az ipari szintű technológia folyamatos fenntartása Csökken a szaghatás Csökken a patogének száma Stabil, mezőgazdaságban felhasználható termék képződik Forrás: Wong és Griffiths (1991), Vermes (2005), Khwairakpam és Bhargava (2009)
A vermikomposztálás tehát a komposztálás egyik speciális válfaja, amikor a kiindulási alapanyagokat gilisztákkal, vagy gilisztákban gazdag humusszal keverik, így a lebontás hatékonyságát a giliszták keverő hatásával, illetve a lebontó tevékenységével növelik. A biodegradációs folyamatok végén a giliszták elválaszthatók a komposzttól, majd újabb alapanyag-keverékhez adhatók (Renuka és Garg, 2008). Anyag és módszerek Kísérleteinket laboratóriumi körülmények között a Budapesti Corvinus Egyetem Talajtan és Vízgazdálkodás Tanszékén, valamint ipari körülmények között egy sóskúti ipartelepen végezzük. Mind a laboratóriumi, mind pedig az ipari szintű kísérleteink jelenleg is folynak, így e cikkünkben az eddig előzetes laboratóriumi eredményeinket mutatjuk be. Előadásunkba beszámolunk a cikk leadása és az előadás megtartása között eltelt idő alatt végzett kísérletek eredményeiről is. Laboratóriumi vermikomposztálást műanyag dobozokban valósítjuk meg, amelyeket előzetesen megfúrtuk az aerob feltételek biztosítása végett. A vizsgálatokat két különböző giliszta törzsállománnyal végezzük (érdi [G1 jelölés] és gyöngyöstarjáni [G2 jelölés] törzsek), amelyek előzetesen adaptálva lettek szennyvíziszaphoz. Mindkét esetben három kontroll mellett három-három párhuzamos laboratóriumi vermikomposztálást hajtunk végre. A kísérletet két eltérő környezeti feltétel között végezzük. Az egyik a laboratóriumon belüli (zárt) környezet, valamint egy külső, az aktuális meteorológiai viszonyoknak kitett környezetben (nyílt környezet). A legfontosabb meteorológia adatokat (pl.: léghőmérséklet, légnyomás, csapadék mennyiség) is mérjük. Összesen 18 ládában folyik a kísérlet. Az iszap összetételén a kísérleti periódus teljes időtartama alatt nem kívánunk változtatni, nem használunk fel egyéb szerves anyagot kevert iszapot vagy növényi hulladékot. A vermikomposztálásra alkalmazott műanyag ládát az iszappal és a trágyagilisztával az 1. ábra mutatja be. 1. ábra: A vermikomposztáló láda az iszappal és a gilisztákkal Forrás: saját készítés
Munkánk során vizsgáljuk a legfontosabb, a komposztot jellemző fizikai és kémia jellemzőket, ezek a következők: ph (H2O), térfogattömeg, száraz anyag tartalom, szerves anyag tartalom, összes sótartalom, összes nitrogén tartalom, foszfor tartalom (P 2 O 5 ), kálium tartalom (K 2 O), kalcium tartalom, magnézium tartalom, humusz tartalom (H%), humuszminőség, valamint a bakteriális sejtek össze aktivitását jellemző dehidrogenáz enzimaktivitás. Naponta ellenőrizzük a ládák hőmérsékletét és az oxidációs-redukciós folyamatokat jellemző redoxipotenciál értékeket is. A vizsgálandó paraméterek körének kialakításakor és a mintázás körülményeinek megállapításakor figyelembe vettük a 40/2008. kormányrendeletet, a 36/2006. FVM rendeletet. A mezőgazdasági termelés szempontjából meghatározó jelentőségű a humusztartalom mennyiségi és minőségi kérdése, ezért ezen vizsgálatokat kiemelt helyen kezeljük mind a laboratóriumi, mind pedig az ipari szintű vermikomposztálásnál. A humuszmennyiségi meghatározásának alapja a szerves vegyületek könnyű oxidálhatósága, a fogyott oxidálószer (kálium-bikromát, K 2 Cr 2 O 7 ) mennyiségéből a humusz mennyisége meghatározható (térfogatos elemzéses módszer)(msz-08-0012-6:1987). A humusz minőség mérésének alapja a kioldott humuszanyagok fényelnyelésének spektrofotometriás mérése 4 különböző hullámhosszon (400 nm, 480 nm, 540 nm, 670 nm). A módszer (Hargitai 1988) két oldószert alkalmaz a humusz anyagok kioldásához: a 0,5%-os nátrium-hidroxid-oldatot (NaOH), amelyben a savasabb karakterű, gyengébb minőségű, kisebb moláris tömegű humuszkomponensek oldódnak jobban, míg a másik kivonószerben, az 1%-os nátium-fluoridoldatban (NaF) az értékesebb, nagyobb moláris tömegű humuszanyagok oldódnak jobban. A két kivonat fényelnyelésének (abszorbanciájának) hányadosa a humusz stabilitási szá m, amelyet Q betűvel jelölünk. A humusz stabilitási szám az alábbi képlettel számolható ki, amely értéke minél nagyobb, annál több az értékes humuszanyag mennyisége a vizsgált mintában: Q=A NaF /A NaOH ). Előzetes eredmények A teljes kísérleti periódus alatt alkalmazott kommunális szennyvíziszap alapadatait a 3. táblázat tartalmazza. 3. táblázat: A kommunális szennyvíziszap alapadatai Paraméterek: Mért érték: Száraz anyag tartalom (%) 81,93 Szerves anyag tartalom (%) 49,58 ph(h 2 O) 6,72 Sótartalom (c só ) 2165 mg/dm 3 Humuszmennyiség (H%) 15,61% Humuszminőség (Q): 400 nm-en 0,364 480 nm-en 0,509 540 nm-en 0,365 670 nm-en 0,567 Az eddigi mérési eredményeink alapján megállapítható, hogy elkezdődött a szennyvíziszap komposztálása. A komposztládák hőmérséklete a kiindulási hőmérséklethez képest növekedett, amely összhangban áll a komposztálás első bevezető, illetve lebomlási szakaszára jellemző és a szakirodalomban is ismertetett hőmérsékletnövekedéssel. A komposztládákban mért egyes redoxipotenciál értékek, valamint az átlagos redoxipotenciál értékek alapján
megállapítható, hogy minden ládában aerob viszonyok uralkodnak. A környezeti tényezők változását a 4. táblázat mutatja be. 4. táblázat: A környezeti tényezők összefoglaló adatai Paraméterek: Nyílt környezetben: Zárt környezetben: Levegő hőmérséklet ( C) 29,8±3,4 22,3±3,2 Iszap hőmérséklet ( C) 22,8±1,8 21,0±1,4 Redoxipotenciál (mv) 101,77±41,56 134,63±61,34 A humusz mennyiségének változását az 5. táblázat foglalja össze, amelyből megállapítható, hogy a kiindulási iszap humusz mennyiségéhez képest, az első héten csökkenést, majd növekedést tapasztaltunk, amelyből arra következtetünk, hogy a könnyebben lebontható szerves anyag mellett megkezdődött a humusz vegyületek átalakulása is. Ezt a tényt alátámaszthatja az összes szerves anyag tartalom változása is (kezdeti csökkenés 45,45±2,12%-ról, majd növekedése 54,51±3,09%-ra). 5. táblázat: A humusz mennyiségének (H%) változása Kiindulási iszap Gilisztát nem (vak) minták 1. heti átlaga: Gilisztát minták 1. heti átlaga: Gilisztát nem (vak) minták 2. heti átlaga: Gilisztát minták 2. heti átlaga: 15,61% 12,65±1,25% 14,06±1,02% 20,05±1,35% 23,42±1,14% Folyamatosan vizsgáltuk és jelenleg is vizsgáljuk a komposztládák humusz minőségének alakulását is, a kiindulási iszap humusz minőségét jellemző humusz stabilitási szám (Q) változását a 6. és a 7. táblázat tartalmazza. Megállapítható, hogy a kiindulási értékhez képest mindkét környezeti feltétel mellett (nyílt és zárt körülmények) és mindkét giliszta törzs esetén (G1 és G2) növekedett az első vizsgálati hét végére a humusz stabilitási szám, amely az értékesebb, nagy moláris tömegű humusz mennyiségének növekedését jellemzi. A második vizsgálati héten a G1 törzs esetében több esetben némi csökkenést tapasztalhatunk a vak (gilisztát nem ) mintákhoz képest, de a G2 törzsnél minden esetben növekedést figyelhettünk meg. 6. táblázat: A humuszstabilitási szám változása az 1. kísérleti héten 1. hét (nyílt) 1. hét (zárt) λ(nm) Kiindulási iszap vak G1 törzs G2 törzs vak G1 törzs G2 törzs 400 0,364 0,522 0,606 n.a. 0,427 0,830 n.a. 480 0,509 0,584 0,552 n.a. 0,488 1,063 n.a. 540 0,365 0,467 0,519 n.a. 0,385 0,898 n.a. 670 0,567 0,466 0,673 n.a. 0,615 0,636 n.a. Megjegyzés: n.a. = nincsen adat
7. táblázat: A humusz stabilitási szám változása a 2. kísérleti héten λ(nm) 2. hét (nyílt) 2. hét (zárt) vak G1 törzs G2 törzs vak G1 törzs G2 törzs 400 0,200 0,122 0,252 0,242 0,165 0,306 480 0,188 0,150 0,221 0,215 0,222 0,321 540 0,108 0,121 0,120 0,118 0,267 0,231 670 0,089 0,099 0,133 0,123 0,125 0,273 Összefoglalás Az eddigi rövid kísérleti periódusunk alapján is megállapítható, hogy az általunk vizsgált kommunális szennyvíziszap vermikomposztálása beindult. A komposztálás folyamatát jellemző alapvető fizikai és kémia paraméterek (pl: hőmérséklet, humusz mennyiség és minőség) változásai alátámasztják a komposztálás beindulását. A mezőgazdasági felhasználhatóság szempontjából kiemelt fontosságú paraméterek a humusz mennyiségét és minőségét jellemező értékek a kezdeti visszaesés ellenére növekedést mutatnak. A két, szennyvíziszapra előzetesen adaptált gilisztatörzs között eddig számottevő különbséget nem tapasztaltunk. Kísérleteinket folyamatosan végezzük és majd a szóbeli előadásunkban ismertetjük a további mérési eredményeinket, többek között a nehézfém koncentrációk változásait, amelyek a mezőgazdasági felhasználás szempontjából szintén meghatározó jelentőségűek. Felhasznált irodalom [1] 36/2006. (V. 18.) FVM rendelet a termésnövelő anyagok engedélyezéséről, tárolásáról, forgalmazásáról [2] 40/2008. (II. 26.) Kormányrendelet a szennyvizek és szennyvíziszapok mezőgazdasági felhasználásának és kezelésének szabályairól szóló 50/2001.(IV.3.) kormányrendelet módosításáról [3] Hargitai L. (1988): A talaj szerves anyagának maghatározása és jellemzése. In: Buzás I. (szerk.): talaj- és agrokémiai vizsgálati módszerkönyv2. Mezőgazdasági Kiadó. Budapest. [4] Khwairakpam., M. and Bhargava, R. (2009): Vermitechnology for sewage sludge recycling. Journal of Hazardous Materials 161. 948-954. [5] MSz-08-0012-6:1987 Talajok szerves anyag tartalmának meghatározása. [6] Renuka, G. and Garg, V. K. (2008): Stabilization of primary sewage sludge during vermicomposting. Journal of Hazardous Materials 153. 1023-1030. [7] Rohlich, G., A. (ed.)(1981): Food, Fuel, and Fertilizer from Organic Wastes, BOSTID Report, National Academy Press., Washington D. C. 152-156. [8] UNEP (2000): Environmentally sound technologies in wastewater treatment for the implementation of the UNEP Global Programme of Action (GPA)" Guidance On Municipal Wastewater". United Nations Environment Programme (UNEP) http://www.unep.or.jp/ietc/publications/freshwater/sb_summary/ [9] Vermes L. (2005): Hulladékgazdálkodás, hulladékhasznosítás. Mez őgazda Kiadó. Budapest. 113-117., 143-151, 168-170. [10] Wong, S. H. and Griffiths, D. A. (1991): Vermicomposting in the management of pigwaste in Hong Kong. Word Journal of Microbiological Biotechnology 7. 593-595.