Δυναμικό μοντέλο συγκομποστοποίησης υγρών αποβλήτων με στερεά γεωργικά παραπροϊόντα

Abstract

Composting is a complex biological process of degradation of organic molecules, with aerobic exothermic bio-reactions mainly carried out by bacteria and fungi. Control of such a process is carried out by field measurements and by laboratory analyses. The number of analyses at a minimum is based on the measurement of thirteen at least parameters such as (1) the pH, (2) the electrical conductivity (EC), (3) the cationic exchange capacity (CEC), (4) the Water Holding Capacity (WHC), (5) the Moisture of substrate (Μ), (6) the Humic Acids content (HA), (7) the Fulvic Acids content, (8) the Humins content (Η), (9) the Ammonium content, (10) the Temperature (T), (11) the Phytotoxicity, (12) the Fat-Oil-Grease content (FOG), (13) the Oxygen Utilisation Rate (OUR). The change in the values of these parameters depends mainly on the kind of substrate and the duration of composting procedure. Τhere is a significant interrelation of the parameters between them. Τherefore, to control such a complex biological process, dynamic models are required that will correlate the interrelation time all of the above parameters upon the lag time during the composting of substrate. An attempt to create such dynamic mathematical models has been attempted in this work. The collected of the results from an industrial scale co-composting process using the liquid and solid wastes, as substrate, from an III phase Olive Oil Mill. From the serious dynamic models that were created, only the two following dynamic models, of FOG reduction and HA increasing, gave inadequate predicting results. Particularly, FOGt assimilation depends mainly on the (OUR)t-6 and secondary on the pHt-2 and the (WHC) t-5 according to the following dynamic relation: FOGt = -1.953ln(OUR) t - 6 + 0.014 * (WHC ) t-5 - 0.170 * pHt-2 + 2.291.Where t represents the present time and t-n is the lag time of n days. The model gave a regration coefficient of r2= 91% between predicted and observed measurments. Also for humic and fulvic compounds the dynamic correlations gave the following equations with a satisfactory correlation of r2=86% and r2=89%, respectively: FAt = 3.15 (pH) t-1 -0.0185 (WHC) t-2 + 0.4739 (N-NH4) t-4HAt = 53.617 / (pH) t + (FA) t / (1.232 (FA) t-0.447) - 7.29For the creation of dynamic mathematical models, the theory of time series was used in conjunction with the theory of statistical residual data analysis. The adequate of the models was tested using the X2 test.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει σαν στόχο την ανάπτυξη δυναμικού μοντέλου συγκομποστοποίησης υγρών και στερεών αποβλήτων ελαιοτριβείου, όπως φύλλα, πυρήνα καθώς επίσης και κατσίγαρο. Η κομποστοποίηση είναι μια σύνθετη βιολογική διαδικασία αποδόμησης των στερεών οργανικών υπολειμμάτων ή αποβλήτων με αερόβιες εξώθερμες βιο-αντιδράσεις που πραγματοποιούνται κυρίως από βακτήρια και μύκητες και δευτερευόντως από πρωτόζωα και μετάζωα. O έλεγχος μιας τέτοιας διαδικασίας πραγματοποιείται με μετρήσεις πεδίου και με εργαστηριακές αναλύσεις. Οι παράμετροι που πρέπει να καταγράφονται κατά τη διάρκεια της κομποστοποίησης ημερησίως είναι οι ακόλουθοι: (1) το pH, (2) η ηλεκτρική αγωγιμότητα (EC), (3) η ικανότητα κατιονικής ανταλλαγής (CEC), (4) η ικανότητα συγκράτησης νερού (WHC), (5) η υγρασία του υποστρώματος (Μ), (6) η περιεκτικότητα σε χουμικά οξέα, (7) η περιεκτικότητα σε φουλβικά οξέα (FA), (8) η περιεκτικότητα σε Χουμίνες, (Η), (9) η περιεκτικότητα σε αμμωνιακό άζωτο, (10) η περιεκτικότητα σε νιτρικό άζωτο, (11) η θερμοκρασία (T), (12) η φυτοτοξικότητα (GI), (13) η περιεκτικότητα σε λιπαρές ενώσεις (FOG), (14) ο ρυθμός απορρόφησης οξυγόνου (OUR). Η μεταβολή των τιμών αυτών των παραμέτρων εξαρτάται κυρίως από το είδος του υποστρώματος και τη χρονική συντεταγμένη της κομποστοποίησης. Σκοπός αυτής της εργασίας ήταν η διερεύνηση κατά πόσο υπάρχει χρονική αλληλεπίδραση των προαναφερομένων παραμέτρων μεταξύ τους. Για την διερεύνηση τέτοιων αλληλοσυσχετίσεων σε μια τόσο σύνθετη βιολογική διαδικασία απαιτείται η δημιουργία δυναμικών μοντέλων που θα βασίζονται στις ημερήσιες μετρήσεις των προαναφερομένων παραμέτρων. Για την δημιουργία των μαθηματικών μοντέλων χρησιμοποιήθηκε η θεωρία των χρονοσειρών (time series analysis) καθώς και η τεχνική της ανάλυσης υπολοίπων (residual statistical analysis), αξιοποιώντας τα αναλυτικά αποτελέσματα από δείγματα που ελήφθησαν κατά την εξέλιξη μιας ολοκληρωμένης διαδικασίας συγκομποστοποίησης υγρών και στερεών αποβλήτων ενός ελαιοτριβείου τριών φάσεων διάρκειας τεσσάρων μηνών. Από το σύνολο των δυναμικών μοντέλων που προέκυψαν μόνο δύο αποδείχθηκαν ικανοποιητικά ως προς την ικανότητά τους να προβλέπουν τις πραγματικές μετρήσεις. Τα δύο αυτά μοντέλα αφορούσαν (1) την αφομοίωση των λιπαρών συστατικών του υποστρώματος και (2) την παραγωγή χουμικών και φουλβικών οξέων. Συγκεκριμένα η αφομοίωση των λιπαρών ουσιών (FOG) εξαρτάται από την μεταβολή της απορρόφησης οξυγόνου (UOR) και το pH, της ικανότητας συγκράτησης νερού (WHC) σύμφωνα με την σχέση: FOGt= -1.953ln(OUR)t - 6+0.014*(WHC)t-5 - 0.170*pHt-2 + 2.291. Το μοντέλο έδωσε μια ικανοποιητική συσχέτιση πρόβλεψης 91% της αφομοίωσης λιπαρών ουσιών. Ενώ για την μεταβολή των χουμικών και φουλβικών ενώσεων οι δυναμικές συσχετίσεις έδωσαν τις εξισώσεις με μια ικανοποιητική συσχέτιση κατά 86% και 89% αντίστοιχα: FAt = 3.15 (pH)t-1 – 0.0185 (WHC)t-2 + 0.4739 (N-NH4)t-4 – 16.197HAt = 53.617/(pH)t + (FA)t/(1.232(FA)t-0.447) - 7.29. Για την κατασκευή των δυναμικών μαθηματικών μοντέλων χρησιμοποιήθηκε η θεωρία των χρονοσειρών σε συνδυασμό με την θεωρία της στατιστικής ανάλυσης των υπολοίπων. Η ικανοποιητικότητα των μοντέλων ελέγχθηκε με το Χ2 test.