Ανάπτυξη μιας καθολικής μεθόδου ανάλυσης της ωρίμανσης του κομπόστ μέσω χρωματομετρίας

Abstract

The production of organic waste and the need to find methods for their management can be traced back to the beginning of human civilization and urbanization. An applied method for processing a variety of organic waste is composting. Of utmost importance in composting is the correct and precise determination of the maturation of the final product, as the application of an immature and unstable compost product will result in the opposite of the legitimate soil enhancement results. Many studies have shown that monitoring a composting process, as well as evaluating the maturation of the final product, are achieved through monitoring specific indicators, which usually require either complex or time-consuming analyses. Therefore, it is necessary to create a simple, fast, and inexpensive method for assessing the transformation of organic matter and determining the maturation of composting. Within the framework of this doctoral thesis, a method was developed to monitor the evolution of composting and evaluate the maturation of compost using the color variables of the CIELAB model. In all composting experiments conducted, a steady decreasing trend in the color variables a*, b*, C* was observed, along with their strong correlation with composting time. Additionally, it was observed that the change in color variables a*, b*, C* mainly occurs up to the point of complete compost maturation (stable and mature). After the compost maturation point, it was found that these specific color variables remained relatively unchanged. In some composting experiments, a strong correlation was recorded between the color variables a*, b*, and C* and the physicochemical parameters of composting, which are typical indicators of compost maturation. However, this phenomenon was not the rule for all composting experiments. Specifically, during certain experiments regarding green waste composting, it was found that the change in color variables a*, b*, C* is mainly influenced by the transformation of organic matter into stable chemical compounds, thus reflecting the stages of composting evolution, up to the point of completion of maturation, and especially the stabilization of the organic substrate. Additionally, during composting of identical experiments, it was observed that the absolute values of the color variables a*, b*, C*, as well as the mathematical equations describing their correlation with time, were similar. Similarities in the correlation equations of the color variables with the time of the process were also recorded during experiments, where the initial physicochemical characteristics of the primary raw material remained stable, regardless of the addition of different additional materials. However, composting substrates of different primary raw materials, as well as composting processes where the initial characteristics of the primary raw material were altered, were found to present different chromatic profiles, with different mathematical correlation equations, as well as different absolute values and ranges of variation of the color variables a*, b*, C*.Through color variables Δa*, Δb*, ΔC* of the CIELAB model, the dependence of color on the initial physicochemical characteristics of the primary raw material can be circumvented. Specifically, due to the strong correlation of the aforementioned color variables with the ratio HA/FA, Δb* and ΔC* values greater than 2.76 and 2.96, respectively, can be used as an indicator of an acceptable degree of humification (HA/FA>1.9) and thus adequate stabilization of the substrate and completion of the maturation stage of green waste composting, regardless of the different composting parameters, such as heap size, additional materials, initial characteristics of the primary raw material, and delays in applying waste to composting systems. However, the same Δb* and ΔC* values cannot be applied to different composting substrates, and the determination of the corresponding values for each organic substrate is required. During a cost analysis, in order to compare the cost and analysis time between the new proposed CIELAB colorimetric method and a standard method for assessing compost maturation, it was found that the CIELAB colorimetric method requires only 2 days to draw a conclusion, while a typical method of monitoring and evaluating compost maturation requires 5 days. In addition, the new colorimetric method can reduce overall operating costs by up to 93.3%. Specifically, labor costs can be reduced by 93%, energy consumption by 86.3%, and consumable needs by 100%.Based on the results of all composting experiments of green waste, the development of a protocol for the determination and evaluation of compost maturation using the CIELAB color model followed, specifically focusing on the variables Δb* and ΔC*. Since the color variables Δb* and ΔC* do not always reflect the evolution of the typical maturation indices of compost, it is proposed that periodic standard analyses of compost maturity be conducted for both evaluating maturity and verifying stability and complete maturation (stable and mature) of composting, using either a variety of physicochemical parameters of composting or only the two most commonly accepted analyses of compost maturation, namely oxygen consumption (stability) and the germination index (maturity). In both cases, the partial replacement of physicochemical analyses of compost with the CIELAB color analysis may reduce the cost of determining and evaluating compost maturation by up to 57.62% and 32.44%, respectively. In summary, the greatest advantage of the proposed color method for monitoring and evaluating compost maturation, apart from the reduced cost, is the reduction in the time required to draw conclusions after sampling (1 day). Especially for the daily monitoring needs of a composting system, the new color method of compost maturation analysis is ideal. Additionally, compost producers mainly interested in the degree of humification of compost can benefit significantly, as typical analyses for determining HA and FA require time, considerable consumables, and up to 2-3 days to obtain results. It is also worth noting that the conversion of organic matter into stable humic compounds is referred to in many studies as an indicator of increased nutrient content of compost and the influence of final products on the physicochemical and biological characteristics of soil. Additionally, it is mentioned that the application of compost with high content of humic compounds can enhance plant growth potential.

Η παραγωγή οργανικών απορριμμάτων και η ανάγκη εύρεσης μεθόδων διαχείρισής τους μπορεί να χρονολογηθεί από την απαρχή του ανθρώπινου πολιτισμού και της αστικοποίησης. Μια εφαρμοσμένη μέθοδος επεξεργασίας μιας πληθώρας οργανικών αποβλήτων είναι η κομποστοποίηση. Υψίστης σημασίας σε μια κομποστοποίηση είναι ο ορθός και ακριβής προσδιορισμός της ωρίμανσης του τελικού προϊόντος, καθώς η εφαρμογή ενός μη ώριμου και ασταθούς προϊόντος κομποστοποίησης θα επιφέρει τα αντίθετα από τα θεμιτά αποτελέσματα ενίσχυσης τους εδάφους. Πολλές μελέτες έχουν δείξει πως ο έλεγχος μιας διεργασίας κομποστοποίησης, καθώς επίσης και η αξιολόγηση της ωρίμανσης του τελικού προϊόντος, επιτυγχάνονται μέσω της παρακολούθησης συγκεκριμένων δεικτών, οι οποίοι απαιτούν συνήθως πολύπλοκες αναλύσεις, που είναι είτε ακριβές είτε χρονοβόρες. Επομένως, είναι αναγκαία η δημιουργία μιας απλής, γρήγορης και φθηνής μεθόδου αξιολόγησης του μετασχηματισμού της οργανικής ύλης και προσδιορισμού της ωρίμανσης της κομποστοποίησης. Στο πλαίσιο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής αναπτύχθηκε μια μέθοδος για τον έλεγχο της εξέλιξης της κομποστοποίησης και την αξιολόγηση της ωρίμανσης του κομπόστ με τη χρήση των χρωματικών μεταβλητών του μοντέλου CIELAB.Σε όλα τα πειράματα κομποστοποίησης που διεξήχθησαν διαπιστώθηκε η σταθερή πτωτική τάση μεταβολής των χρωματικών μεταβλητών a*, b*, C* και η ισχυρή συσχέτισή τους με το χρόνο της κομποστοποίησης. Επιπλέον, παρατηρήθηκε πως η μεταβολή των χρωματικών μεταβλητών a*, b*, C* λαμβάνει χώρα κυρίως μέχρι και το σημείο πλήρους ωρίμανσης του κομπόστ (σταθερό και ώριμο). Μετά το σημείο ωρίμανσης του κομπόστ, διαπιστώθηκε πως οι συγκεκριμένες χρωματικές μεταβλητές παρέμειναν σχετικώς αμετάβλητες. Σε ορισμένα πειράματα κομποστοποίησης καταγράφθηκε η ισχυρή συσχέτιση των χρωματικών μεταβλητών a*, b* και C* με φυσικοχημικές παραμέτρους της κομποστοποίησης, που αποτελούν τυπικούς δείκτες ωρίμανσης του κομπόστ. Παρόλα αυτά, αυτό το φαινόμενο δεν αποτέλεσε κανόνα όλων των κομποστοποιήσεων. Πιο συγκεκριμένα, κατά τη διεξαγωγή πειραμάτων κομποστοποίησης πράσινων απορριμμάτων, διαπιστώθηκε πως η μεταβολή των χρωματικών μεταβλητών a*, b*, C* επηρεάζεται κυρίως από τον μετασχηματισμό της οργανικής ύλης σε σταθερές χουμικές ενώσεις, αντικατοπτρίζοντας κατά αυτό τον τρόπο τα στάδια εξέλιξης της κομποστοποίησης, μέχρι το σημείο ολοκλήρωσης της ωρίμανσης, και ιδιαίτερα την σταθεροποίηση του οργανικού υποστρώματος. Επιπροσθέτως, κατά τη διεξαγωγή πανομοιότυπων κομποστοποιήσεων, διαπιστώθηκε πως οι απόλυτες τιμές των χρωματικών μεταβλητών a*, b*, C*, καθώς επίσης και οι μαθηματικές εξισώσεις που περιγράφουν την συσχέτιση τους με το χρόνο ήταν παρόμοιες. Ομοιότητες στις εξισώσεις συσχέτισης των χρωματικών μεταβλητών με το χρόνο της διεργασίας καταγράφθηκαν και κατά τη διεξαγωγή πειραμάτων, όπου τα αρχικά φυσικοχημικά χαρακτηριστικά της κύριας πρώτης ύλης διατηρούνταν σταθερά, ανεξάρτητα από την προσθήκη διαφορετικών επιπλέον υλικών. Παρόλα αυτά, υποστρώματα κομποστοποίησης διαφορετικών κύριων πρώτων υλών, καθώς επίσης και κομποστοποιήσεις όπου τα αρχικά χαρακτηριστικά της κύριας πρώτης ύλης μεταβαλλόταν, διαπιστώθηκε πως, παρουσιάζουν διαφορετικά χρωματικά προφίλ, με διαφορετικές μαθηματικές εξισώσεις συσχέτισης, καθώς επίσης και διαφορετικές απόλυτες τιμές και εύρος μεταβολής των χρωματικών μεταβλητών a*, b*, C*. Μέσω των χρωματικών μεταβλητών Δa*, Δb*, ΔC* του μοντέλου CIELAB μπορεί να παρακαμφθεί η εξάρτηση του χρώματος από τα αρχικά φυσικοχημικά χαρακτηριστικά της κύριας πρώτης ύλης. Πιο συγκεκριμένα, λόγω της ισχυρής συσχέτισης των προαναφερθέντων χρωματικών μεταβλητών με τον λόγο HA/FA, τιμές Δb*, ΔC* μεγαλύτερες του 2.76 και 2.96, αντίστοιχα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως δείκτης αποδεκτού βαθμού χουμοποίησης (ΗΑ/FA>1.9) και ως εκ τούτου επαρκής σταθεροποίησης του υποστρώματος και ολοκλήρωσης του σταδίου ωρίμανσης κομποστοποιήσεων πράσινων απορριμμάτων, ανεξάρτητα από τις διαφορετικές παραμέτρους της κομποστοποίησης, όπως το μέγεθος του σωρού, τα πρόσθετα υλικά, τα αρχικά χαρακτηριστικά της κύριας πρώτης ύλης και τις καθυστερήσεις κατά την εφαρμογή των απορριμμάτων σε συστήματα κομποστοποίησης. Παρόλα αυτά, οι ίδιες τιμές Δb* και ΔC* δεν μπορούν να εφαρμοστούν σε διαφορετικά υποστρώματα κομποστοποίησης και απαιτείται ο προσδιορισμός των αντίστοιχων τιμών για το εκάστοτε οργανικό υπόστρωμα. Κατά τη διεξαγωγή μια ανάλυσης κόστους, προκειμένου να συγκριθούν το κόστος και ο χρόνος ανάλυσης μεταξύ της νέας προτεινόμενης χρωματομετρικής μεθόδου CIELAB και μιας τυπικής μεθόδου αξιολόγησης της ωρίμανσης του κομπόστ, διαπιστώθηκε πως η χρωματομετρική μέθοδος CIELAB απαιτεί μόλις 2 μέρες για την εξαγωγή συμπεράσματος, ενώ μια τυπική μέθοδος ελέγχου και αξιολόγησης της ωρίμανσης του κομπόστ απαιτεί 5 μέρες. Επιπλέον, η νέα χρωματομετρική μέθοδος μπορεί να μειώσει τα συνολικά λειτουργικά κόστη έως και 93.3%. Πιο συγκεκριμένα, το κόστος εργασίας μπορεί να ελαττωθεί κατά 92.8%, η κατανάλωση ενέργειας κατά 86.3% και οι ανάγκες σε αναλώσιμα κατά 100%. Με βάση τα αποτελέσματα όλων των πειραμάτων κομποστοποίησης πράσινων απορριμμάτων, ακολούθησε η ανάπτυξη ενός πρωτοκόλλου προσδιορισμού και αξιολόγησης της ωρίμανσης του κομπόστ με τη χρήση του χρωματικού μοντέλου CIELAB, και πιο συγκεκριμένα των μεταβλητών Δb* και ΔC*. Επειδή οι χρωματικές μεταβλητές Δb* και ΔC* δεν αντικατοπτρίζουν πάντοτε την εξέλιξη των τυπικών δεικτών ωριμότητας του κομπόστ, προτείνεται, τόσο για την αξιολόγηση της ωριμότητας όσο και για την επαλήθευση των αποτελεσμάτων σταθερότητας και πλήρους ωρίμανσης (σταθερό και ώριμο) της κομποστοποίησης, η διεξαγωγή περιοδικών τυπικών αναλύσεων ωρίμανσης του κομπόστ. Αυτές οι αναλύσεις δύναται να αποτελούνται είτε από μια πληθώρα φυσικοχημικών παραμέτρων της κομποστοποίησης, είτε μόνο από τις δύο πιο κοινά αποδεκτές αναλύσεις αξιολόγησης της ωρίμανσης του κομπόστ, και πιο συγκεκριμένα την κατανάλωση του οξυγόνου (σταθερότητα) και τον δείκτη βλάστηση (ωριμότητα). Και στις δύο περιπτώσεις, η εν μέρη αντικατάσταση των φυσικοχημικών αναλύσεων του κομπόστ από την χρωματική ανάλυση CIELAB, μπορεί να μειώσει το κόστος ανάλυσης προσδιορισμού και αξιολόγησης της ωρίμανσης του κομπόστ έως και 57.62% και 32.44%, αντίστοιχα. Συγκεντρωτικά, τo μεγαλύτερο πλεονέκτημα της προτεινόμενης χρωματικής μεθόδου για τον έλεγχο και την αξιολόγησης της ωρίμανσης του κομπόστ, εκτός από το μειωμένο κόστος, είναι η μείωση του χρόνου που απαιτείται για την εξαγωγή συμπερασμάτων μετά την δειγματοληψία (1 ημέρα). Ειδικά για τις ανάγκες καθημερινής παρακολούθησης ενός συστήματος κομποστοποίησης, η νέα χρωματική μέθοδος ανάλυσης της ωρίμανσης του κομπόστ είναι ιδανική. Επιπλέον, οι παραγωγοί κομπόστ που ενδιαφέρονται κυρίως για τον βαθμό χουμοποίησης του κομπόστ δύναται να επωφεληθούν αρκετά, καθώς οι τυπικές αναλύσεις προσδιορισμού των HA, FA απαιτούν χρόνο, αρκετά αναλώσιμα και έως και 2-3 ημέρες για την εξαγωγή αποτελεσμάτων. Αξίζει επίσης να σημειωθεί πως, η μετατροπή της οργανικής ύλης σε σταθερές χουμικές ενώσεις αναφέρεται σε πολλές μελέτες ως δείκτης αύξησης των θρεπτικών συστατικών της κομποστοποίησης και της επίδρασής των τελικών προϊόντων στα φυσικοχημικά και βιολογικά χαρακτηριστικά του χώματος. Επιπρόσθετα, αναφέρεται πως η εφαρμογή κομπόστ με υψηλή περιεκτικότητα σε χουμικές ενώσεις μπορεί να ενισχύσει την δυνατότητα ανάπτυξης των φυτών.