Компости́рование, переработка органических отходов путём их минерализации и гумификации под действием микроорганизмов. Является эффективным способом утилизации органических отходов, позволяющим получать компост. Сырьём для компостирования служат разнообразные органические отходы: навоз, птичий помёт, растительные остатки, торф, отходы целлюлозно-бумажной и пищевой промышленности, осадки сточных вод (ОСВ), органическая фракция твёрдых промышленных и коммунальных отходов (ТКО).

Компостирование может протекать как при отсутствии или ограниченном поступлении кислорода (анаэробное компостирование), так и в присутствии достаточного количества кислорода (аэробное компостирование). При анаэробном компостировании образуются летучие вещества с резким неприятным запахом (метан, аммиак, сероводород), а уничтожения патогенных микроорганизмов и семян сорных растений не происходит, т. к. разложение протекает при низких температурах. Кроме того, анаэробное компостирование обычно занимает значительно большее время, чем аэробное. Поэтому промышленного распространения анаэробное компостирование не получило, а в РФ под компостированием иногда подразумевают только аэробный вариант. Промышленное анаэробное компостирование (или анаэробное сбраживание) проводят в специализированных биореакторах (метантенках) с целью получения биогаза.

Исторический очерк

Начало применения переработанного органического материала на обрабатываемых полях относится к каменному веку. Археологические данные свидетельствуют, что на о. Великобритания использовали компост еще 12 тыс. лет назад. Учёные предполагают, что фермеры не вносили компост в почву, а организовывали компостные кучи непосредственно на полях, запахивая в дальнейшем образующийся компост. Первое применение продукта анаэробного компостирования – биогаза – предположительно относится к 10 в. до н. э., когда его использовали в Ассирии для нагрева воды в ваннах. Около 6 тыс. лет назад возникают первые специальные сооружения для компостирования: снаружи домов шумеры создавали каменные ямы, куда сбрасывали органические отходы для последующего использования получаемого компоста на сельскохозяйственных полях. Ямам, найденным у городских ворот Кносса на о. Крит, созданным в период 1800–1200 гг. до н. э., приписывают аналогичное назначение. Ранние цивилизации Южной Америки, Индии, Китая и Японии также практиковали использование компоста на основе отходов сельского хозяйства, животных и жизнедеятельности человека в качестве удобрений. Первое письменное упоминание об использовании компоста, сделанное клинописью на глиняной табличке, относят к периоду правления царя Саргона Древнего в Месопотамии около 2300 г. до н. э. В Древнем Риме была разработана система обращения с городскими отходами, организованная и поддерживаемая государственной администрацией и направленная на поддержание санитарных условий в городе. Она включала в себя периодический сбор городских отходов, вывоз их за пределы города, компостирование и внесение в почвы. В 13 в. появляются созданные тамплиерами подробные описания проведения аэробного компостирования, содержащие указания о подготовке различных исходных материалов и их оптимальном соотношении, условиях компостирования (влажность, продолжительность и т. д.) и способах применения готового компоста под разные культуры. Однако далее, вплоть до 20 в., сведения о системах аэробного компостирования носят эпизодический характер, т. к. научные исследования не подтверждали эффективность компоста как удобрения. Например, известно о системе компостирования, построенной около 1787 г. в своём поместье Маунт-Вернон (штат Виргиния, США) Дж. Вашингтоном, первым президентом США. В середине 19 в. в Новой Зеландии и Индии были построены реакторы для анаэробной переработки ОСВ; в 1890-х гг. в Эксетере (Великобритания) биогаз, получаемый в аналогичном реакторе, использовали для питания уличных фонарей.

Развитие компостирования в промышленных масштабах началось в 1920–1930-х гг. В Европе в 1920-х гг. проводились разработки, направленные на механизацию процесса, целями которой были улучшение эстетики процесса компостирования путём помещения материала в закрытые конструкции, сокращение количества времени, необходимого для стабилизации компостируемого материала, и повышение экономичности. При этом, несмотря на возможность использования получаемого компоста в сельском хозяйстве, основной целью компостирования была утилизация муниципальных органических отходов. В Италии Дж. Беккари в 1920 г. запатентовал систему для компостирования по процессу, включавшему первоначальную анаэробную и заключительную аэробную стадии и получившему его имя – процесс Беккари. Устройство для компостирования представляло собой плотно закрываемые камеры, снижающие риск выделения неприятных запахов, связанных с разложением органического вещества. В камерах были предусмотрены вентиляционные отверстия, которые, будучи открытыми на заключительной стадии, должны были позволить компостированию протекать в частично аэробных условиях. В течение 1920–1930-х гг. в Европе было построено свыше 50 систем Беккари; 5 эксплуатировали в США (ныне установки не используются). В дальнейшем процесс Беккари был модифицирован: анаэробная стадия была исключена, а компостирование стали проводить в вертикальных реакторах типа силосных башен. В 1920 г. первая немецкая станция очистки сточных вод начала подавать биогаз в систему общественного газоснабжения; в конце 1920-х гг. начинается коммерческое использование биогаза в Китае.

В Индии в 1930-х гг. сэр А. Хауард в сотрудничестве с Ф. К. Джексоном и Й. Д. Уодом разработал т. н. Индаурский процесс компостирования, названный так по имени г. Индаур (ныне штат Мадхья-Прадеш, Индия), где он впервые был применён на практике. При Индаурском процессе материалы, подлежащие компостированию (навоз, человеческие фекалии, солома, листья, муниципальный мусор), складывали чередующимися слоями на открытом грунте в штабеля высотой 1,5 м или помещали в специально сконструированные ямы слоями глубиной 0,6–0,9 м. Фильтрат, вытекающий из компостируемого материала, использовали для поддержания влажности; процесс компостирования занимал не менее 6 месяцев, в течение которых дважды проводили аэрацию путём перемешивания. В дальнейшем Индаурский процесс был модифицирован в Бангалорский процесс, подразумевавший более частое перемешивание компостируемых материалов для поддержания аэробных условий, что способствовало ускоренному разложению отходов и сокращению периода компостирования. На основе другой модификации Индаурского процесса в 1932 г. в деревне Вейстер (Нидерланды), известной своей свалкой муниципальных отходов высотой 56 м, был построен первый завод в Европе по компостированию ТКО. Модификация Индаурского процесса в этом случае включала в себя использование механизированного оборудования (конвейерные ленты, доставляющие компостируемый материал, грейферные крюки, которые извлекали готовый компостный материал из открытых компостных баков, и др.). Так как созданием предприятия занималась некоммерческая организация Vuil Afvoer Maatschappij (VAM), то используемая система получила название «система компостирования VAM». В Северной Европе эксплуатировалось множество систем VAM, но эта технология была вытеснена более эффективными системами, и последний завод VAM был закрыт в 1989 г. В 1933 г. Ч. А. Браун показал, что компостирование является микробиологическим процессом, а в конце 1930-х гг. выходят фундаментальные работы З. Ваксмана по аэробному компостированию, описавшие влияние на этот процесс температуры, роль отдельных групп микроорганизмов и преимущества смешанных культур по сравнению с чистыми культурами. В это же время в США патентуются первые варочные котлы для производства компоста в аэробных условиях с использованием специальных культур бактерий для ускорения процесса разложения.

В 1940-е гг. в США появляются первые системы компостирования с вращающимся барабаном, разработанные Э. Юэсоном, в которых компостируемый материал сначала подвергается анаэробной ферментации в большом вращающемся барабане в течение 3–6 сут, после чего проводят заключительную фазу компостирования в буртах. Системы компостирования во вращающемся барабане (но в варианте с принудительной аэрацией) оказались очень успешными и широко используются поныне. В 1950-е гг. были разработаны основные принципы промышленного компостирования. В 1970 г. в Нидерландах были проведены первые эксперименты по вермикомпостированию; в 1975 г. Центром биологии природных систем Вашингтонского университета (англ. Washington University’s Center for the Biology of Natural Systems, CBNS) была разработана система аэрируемого статического компостирования, также повсеместно используемая во всём мире. В 1970-х гг., когда высокие цены на нефть стимулировали исследования альтернативных источников энергии, начинается широкое применение биогаза.

Способы и системы компостирования

Современные способы компостирования принято делить на способы полевого (неизолированного) компостирования (в буртах и аэрируемое статическое компостирование), проводимые на открытом воздухе, и компостирование в ёмкостях (ангарах, вращающемся биобарабане и др.), когда компостируемые материалы помещают внутрь здания, контейнера или реактора. Системы компостирования подразделяют также на централизованные (располагаются за пределами городской черты) и децентрализованные (могут находиться вблизи жилых построек).

Буртовое компостирование – производство компоста путём укладки органических отходов в длинные валообразные ряды или штабели. Относится к централизованным системам. Компостируемые материалы (навоз, птичий помёт, торф, ветки, листья, трава и др.) периодически перемешивают, обычно с применением сельскохозяйственных механизмов общего назначения. Как правило, высота буртов составляет от 90 до 360 см, а ширина варьируется от 300 до 600 см. Аэрация осуществляется, как правило, пассивно; для её интенсификации в бурты иногда помещают перфорированные трубы (в этом случае высота буртов не должна превышать 120 см), что избавляет от необходимости перемешивания буртов. Компостирование в буртах популярно, т. к. не требует специального оборудования. Используется при производстве компоста в малых и средних масштабах. К недостаткам относят невозможность обеспечения достаточной аэрации чрезмерно влажного компостного сырья, такого как ОСВ. Активная фаза компостирования длится обычно от 3 до 14 недель.

Аэрируемое статическое компостирование – разложение органического материала происходит без перемешивания, но с принудительной аэрацией. Относится к централизованным системам. Материалы для компостирования укладывают в штабель высотой 150–250 см на систему распределения воздуха, расположенную внутри пористого материала (древесная стружка, измельчённая солома и т. д.). Система распределения воздуха состоит из перфорированных труб, по которым с помощью вентиляторов проводят принудительную аэрацию. Компостирование может быть реализовано также в буртах (открытых или крытых) или в закрытых контейнерах. Поскольку компостируемый материал не подвергается перемешиванию, выбор и первоначальное перемешивание сырья имеют решающее значение для предотвращения плохого распределения воздуха и неравномерного компостирования. Широко используется для приготовления компоста из чрезмерно влажных, трудно поддающихся аэрации материалов. Период активного компостирования завершается, как правило, через 3–5 недель. Вариантом аэрируемого статического компостирования является компостирование в ванных под полупроницаемой мембраной (или компостирование в климатической камере), когда аэрационный пол совмещён с системой канализации, обеспечивающей удаление стоков, образующихся в процессе компостирования, а для уменьшения выброса газов бурты с компостируемым материалом закрывают мембраной.

Компостирование в закрытом корпусе в буртах – материалы для компостирования помещаются в крытые модули (ангары), представляющие собой деревянные решётчатые стены, бункеры для зерна, здание для хранения сыпучих материалов и т. д., расположенные на гидроизолированных полах. Для интенсификации компостирования можно проводить периодическое перемешивание субстрата, как при буртовом компостировании, или создавать систему принудительной аэрации, как в случае аэрируемого статического компостирования. Относится к централизованным системам. Цикл нахождения отходов в буртах составляет не менее 2 недель.

Домашнее компостирование (компостирование в бытовых компостерах) – предназначено для компостирования относительно небольших объёмов органических садовых и кухонных отходов; материалы для компостирования помещают в перфорированные деревянные или пластиковые контейнеры. Относится к децентрализованным системам. При естественном компостировании (без перемешивания, внесения добавок и пр.) процесс занимает около 35 недель, однако существуют различные способы ускорения процесса. Например, предварительное частичное обезвоживание отходов позволяет снизить продолжительность компостирования до 2 недель, а усовершенствование конструкции компостера – до 7 недель.

Тоннельное компостирование – компостирование проводят в тоннелях – горизонтальных, автономных, полностью автоматизированных реакторах, в которых поддерживают оптимальные параметры. Подразумевает трёхэтапное компостирование с перемещением компостируемой массы между тоннелями с разными условиями. Продолжительность компостирования составляет около 4 недель.

Компостирование в прямоугольных перемешиваемых грядах (компостирование в ёмкости с перемешиваемым слоем) – компостирование происходит в длинных параллельных грядах (каналах) шириной 180–600 см и глубиной 90–300 см, разделённых бетонными стенками, при принудительной аэрации и периодическом переворачивании субстрата с помощью специального перемещающегося устройства, закреплённого сверху на разделяющих гряды стенках. Относится к централизованным системам. Компостируемые материалы по мере созревания перемещаются от начала гряды к концу; в начало гряды помещается новая партия компостируемого материала, а готовый компост выгружается с конца гряды. Для защиты оборудования и контроля условий компостирования гряды размещают в здании, в странах с тёплым климатом – под крышей. Рекомендуемые сроки компостирования в системах с перемешиваемым слоем обычно составляют от 2 до 4 недель.

Компостирование во вращающемся биобарабане – разложение органических отходов происходит в закрытом горизонтальном вращающемся барабане (цилиндре) при перемешивании, аэрации и перемещении материала, что сокращает время получения компоста. Применяется для разного типа отходов, включая ТКО. Время, в течение которого происходит переработка отходов во вращающихся барабанах, может быть меньше суток, но обычно составляет 3–4 дня, после чего компостируемая масса должна быть подвергнута второму этапу компостирования, обычно путём компостирования в буртах или аэрируемого статического компостирования. В зависимости от размера реактора может относиться как к централизованным, так и к децентрализованным системам.

Компостирование в вертикальных реакторах типа силосных башен – компостируемый материал добавляется в вертикальную ёмкость цилиндрической формы; сырьё перемешивается внутренними шнеками, а готовый компост извлекается из отверстий в центре. Системы аэрации выдувают воздух из основания через компостируемые материалы. Компостируемая масса загружается сверху и выгружается снизу. Продолжительность компостирования обычно составляет 3–21 сут. Относится к централизованным системам. Эта система сводит к минимуму площадь, необходимую для компостирования, поскольку материалы укладываются вертикально. Однако при укладке также возникают проблемы с уплотнением, контролем температуры и потоком воздуха. Поскольку материалы практически не перемешиваются в ёмкости, сырьё должно быть хорошо перемешано при загрузке.

Вермикомпостирование – для разложения органических отходов используют представителей семейства дождевых червей (чаще всего навозного червя Eisenia fetida, реже Eisenia andrei, Eisenia hortensis, Eudrilus eugeniae, Perionyx excavatus, Lampito mauritii), в пищеварительном тракте которых присутствуют микроорганизмы, способные эффективно деградировать органическое вещество. Рекомендуемое время компостирования находится в широком диапазоне от 2 до 17 недель. Получаемый в этом случае компост называют биогумусом.

Анаэробное сбраживание – компостирование органического сырья в метантенках в анаэробных условиях в целях получения биогаза. Относится к централизованным системам. Продолжительность сбраживания обычно составляет 10–16 сут, температура варьируется в диапазонах 50–65 °С или 20–45 °С для термофильных и мезофильных установок соответственно. Отработанная твёрдая фракция после обезвоживания и измельчения может быть использована в качестве органического удобрения. Производство биогаза занимает в среднем 6–9 недель.

Используемые системы компостирования часто представляют собой комбинации нескольких методов. Например, централизованные системы компостирования в большинстве случаев подразумевают проведение первичного компостирования в реакторах горизонтального (тоннели, вращающиеся биобарабаны) или вертикального (силосные башни) типа с последующим дозреванием в буртах.

Фазы компостирования

Процесс аэробного компостирования обычно подразделяют на 4 стадии:

1. Стадия I (мезофильная) – происходит быстрое размножение мезофильных микроорганизмов, наблюдается рост температуры до 40 °С и подкисление за счёт образования органических кислот.

2. Стадия II (термофильная) – наблюдается доминирование термофильных микроорганизмов, происходит рост температуры до 70 °С и выше, а также защелачивание за счёт образования аммиака при деградации белков.

3. Стадия III (остывание) – вторая мезофильная фаза, температура падает до температуры окружающей среды, и происходит снижение рН.

4. Стадия IV (созревание) – происходят сложные реакции между остатками лигнина из отходов и белками погибших микроорганизмов, приводящие к образованию гумусоподобных соединений.

Стадии I и II часто объединяют под термином «активная фаза компостирования», т. к. за этот период происходят разложение основной части органического вещества и максимальное потребление кислорода. В некоторых случаях, особенно при компостировании старых отходов, наблюдается несколько температурных максимумов.

Стадии процесса анаэробного сбраживания:

1. Гидролиз – расщепление сложных молекул (белки, жиры, углеводы) до простых (аминокислоты, жирные кислоты, сахара).

2. Ацидогенез – образование летучих органических кислот и газов (углекислый газ, водород, аммиак).

3. Ацетогенез – образование уксусной кислоты и ацетатов; также образуются газы (углекислый газ, водород, аммиак).

4. Метаногенез – образование метана и углекислого газа из ацетатов и уксусной кислоты.

Микроорганизмы, участвующие в компостировании

В процессе аэробного компостирования наиболее активное участие принимают бактерии и грибы; меньшую роль играют простейшие.

Бактерии играют доминирующую роль в компостировании на I стадии благодаря способности быстро размножаться в присутствии легкодоступных субстратов. В большинстве случаев бактерии отвечают за разложение простых сахаров. К родам бактерий, которые наиболее часто присутствуют в компостируемых субстратах, относятся: Bacillus, Cellulomonas, Pseudomonas, Klebsiella, Azomonas, Nitrosomonas и Nitrobacter. Некоторые представители рода Bacillus (Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis, Bacillus circulans, Bacillus schlegelii) и представители родов Hydrogenobacter и особенно Thermus (Thermus thermophilus, Thermus aquaticus) могут участвовать в разложении органических веществ на термофильной стадии компостирования, хотя в целом при высоких температурах бактерии играют незначительную роль в процессе разложения органических веществ. Присутствие в компосте денитрифицирующих бактерий обычно свидетельствует о наличии анаэробных очагов. Важное значение в процессе анаэробного компостирования также имеют актиномицеты. Актиномицеты способны к разложению труднодеградируемых природных полимеров, таких как гемицеллюлоза, лигнин и целлюлоза. Типичными родами актиномицетов, присутствующих в компостах, являются Micromonospora, Streptomyces, Nocardia. Благодаря способности переносить более высокие температуры и рН актиномицеты играют важную роль на термофильной стадии при максимальном разогревании компоста. Однако считается, что наиболее активно актиномицеты участвуют в компостировании на заключительных стадиях этого процесса.

Микроскопические грибы играют важную роль в процессе компостирования на всех стадиях, если в компостируемых материалах присутствует значительное количество целлюлозы и лигнина, обычно устойчивых к бактериальному разложению. Чаще всего в компосте обнаруживают целлюлозолитические грибы (Aspergillus, Penicillium, Rhizopus, Fusarium, Chaetomium, Trichoderma, Alternaria и Cladosporium) и грибы с выраженной лигнинолитической активностью (Phanerochaete, Polyporus, Pleurotus, Collybia, Poria, Fomes, Trametes, Sporotrichum, Cyathus и Coriolus). Большинство грибов, участвующих в компостировании, являются мезофилами с температурным оптимумом 25 °С – 34 °С, однако существует небольшая группа термофильных грибов, которые играют важную роль в качестве агентов биодеградации при высоких температурах: Rasamsonia emersonii, Talaromyces thermophilus, Thermoascus и Thermomyces lanuginosus. Дрожжи (Pichia kudriavzevii, Candida rugosa, Candida maris) наиболее активны во время мезофильной стадии; их роль при компостировании обычно состоит в стимулировании развития бактерий (например, рода Bacillus). Кроме того, в присутствии некоторых дрожжей происходит уменьшение образования соединений, отвечающих за неприятный запах (аммиак, пропионовая, масляная и изовалериановая кислоты).

В процессе анаэробного сбраживания также участвует широкий спектр микроорганизмов. Главным образом в метантенках обнаруживаются представители классов бактерий Clostridia, Bacilli, Mollicutes, Bacteroidia, Actinobacteria и Gammaproteobacteria. Микроорганизмами, отвечающими за образование метана, являются археи порядков Methanomicrobiales, Methanobacteriales, Methanococcales, Methanopyrales и Methanosarcinales, среди которых к основным метаногенам относят Methanobacterium formicicum, Methanosarcina frisius и Methanosarcina barkeri. Кроме того, в биореакторах обнаруживаются сульфатвосстанавливающие бактерии (Desulfomicrobium, Desulfobulbus и Desulfovibrio).

Факторы, влияющие на компостирование

Так как компостирование является микробиологическим процессом, оптимальные условия протекания этого процесса совпадают с наилучшими условиями для жизнедеятельности микроорганизмов. Среди основных факторов, влияющих на аэробное компостирование, выделяют следующие:

• аэрация: аэробное компостирование требует большого количества кислорода, особенно на начальной стадии, т. к. в разложении принимают участие аэробные микроорганизмы; кроме того, аэрация удаляет избыточное тепло, водяной пар и газы;

• влажность: влажность компостируемой смеси обычно рекомендуют устанавливать в диапазоне 40–65 %; при влажности 30 % от общей массы скорость биологических процессов резко падает, а при влажности более 65 % развиваются анаэробные условия;

• отношение C:N в сырье для компостирования: оптимальным является диапазон от 25:1 до 30:1; нижний допустимый предел составляет 20:1, верхний – 40:1, для оптимизации отношения C:N часто вносят азотные удобрения;

• отношение C:P в сырье для компостирования: оптимальным считается диапазон от 75:1 до 150:1, для оптимизации отношения C:P возможно внесение фосфорных удобрений;

• температура: оптимальной температурой сырья мезофильной стадии является диапазон 20–45 °С, термофильной – 50–70 °С; для уничтожения патогенных микроорганизмов требуемая температура составляет 55 °С и выше, для уничтожения семян сорняков – 62 °С;

• рН: для компостирования могут быть использованы материалы, характеризующиеся широким диапазоном pH, но не выше 8, при более высоких значениях pH образуется значительное количество газообразного аммиака;

• присутствие неорганических материалов: желательно, чтобы компостируемая смесь содержала минимум неорганических материалов (стекло, металл, пластмассы) и токсичных соединений;

• содержание питательных веществ: исходное сырьё, как правило, содержит все необходимые питательные элементы, однако на первом этапе для интенсификации микробной активности часто вносят сахар и аминокислоты;

• размер частиц: меньшие размеры частиц обеспечивают большую площадь доступной для микроорганизмов поверхности, но худшую аэрируемость, поэтому существуют экспериментально установленные оптимальные размеры частиц: для механизированных установок с перемешиванием и принудительной аэрацией 12,5 мм, для компостирования с естественной аэрацией без перемешивания – около 50 мм;

• наличие микроорганизмов-деструкторов: несмотря на то что в большинстве случаев в компостируемом материале присутствуют необходимые микроорганизмы, компостирование можно ускорить путём внесения конкретных штаммов микроорганизмов (например, Trichoderma, Pleurotus) или инокулятов консорциумов микроорганизмов из компостов.

Для анаэробного сбраживания определяющими факторами являются:

• отношение C:N в сырьё: оптимальным является диапазон от 20:1 до 30:1;

• температура процесса: минимальная допустимая температура 20 °С; оптимальными условиями метаногенеза считаются диапазоны температур 30–40 °С и 50–60 °С;

• рН: оптимальным считается диапазон 6,5–7,5.

На эффективность анаэробного сбраживания также влияют такие технологические параметры процесса, как степень измельчения сырья, продолжительность и рабочее давление сбраживания.

Статистика

В мире наблюдается рост применения компостирования как способа утилизации ТКО. Например, в Европе компостированию в 1995 г. подвергалось 6,2 % от общего объёма ТКО, а в 2013 г. – 15 %, что позволило произвести 14 млн т и 36 млн т компоста соответственно. Во всех остальных странах аналогичные показатели значительно ниже: в 2016–2017 гг. в Индии компостированием перерабатывалось около 10 % ТКО, в США – 8,5 %, в Северной Африке – 4 %, Китае – 3 %, в странах Африки к югу от Сахары – менее 1 %. Суммарная производительность 367 комплексов по анаэробному производству биометана в странах ЕС в 2014 г. составляла 310 тыс. м³/час. Прогнозируемое производство биогаза к 2040 г. может достичь около 75 млн т в год.

В России, несмотря на значительную долю в составе ТКО пригодных к переработке фракций, уровень переработки на 2013 г., по самым оптимистичным оценкам, не превышал 5–7 %. Однако с 1 января 2019 г. в России началась реформа отрасли обращения с отходами, согласно которой, по оценкам Российского экологического оператора, на 200 предприятиях по компостированию можно будет перерабатывать 11 млн т отходов ежегодно. В 2020 г. в России объём рынка компоста составлял 400 тыс. т; к концу 2022 г. было построено 17 объектов для компостирования.