Untersuchungen zur Steuerung und Kontrolle der Vermikompostierung von organischen Abfällen

Abstract

Die Abwasserbehandlung muss die Aufgaben der Abwasseraufbereitung und der hygienisierenden Behandlung der Feststoffe erfüllen. Besonders in Wassermangelgebieten und dünn besiedelten Regionen bietet sich darüber hinaus die Möglichkeit an, im Abwasserstrom enthaltene Nährstoffe zurückzugewinnen. Ein Großteil dieser Arbeit wurde im Rahme des Komplett-Projektes erstellt, in dem ein neuartiges dezentrales Recyclingsystem zur Schließung von Wasser- und Stoffkreisläufen entwickelt wurde. Gegenstand der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung einer Anlage (im Technikumsmaßstab für ca. 200 Personen) zur direkten Behandlung der Feststoffe aus der Abwasserreinigung und anderer organischer Abfälle. Ziel war ein weitgehend automatisierter Betrieb, der eine direkte Verwendung des behandelten Substrates als nährstoffreiches und hygienisch unbedenkliches Düngemittel ermöglichen sollte. Aufgrund der Beschaffenheit der erwarteten Reststoffe sowie der Vorgabe, möglichst hohe Anteile der Nährstoffe zu erhalten, wurde als Behandlungsform die Vermikompostierung (mit der Wurmart Dendrobaena veneta) gewählt.<br /> Es zeigte sich, dass die Feststoffe aus der Abwasserreinigung des Komplett-Projektes ohne weitere Vorbehandlung und ohne die Verwendung von Co-Substraten direkt zur Vermikompostierung verwendet werden konnten. Organische Siedlungs- und Küchenabfälle waren jedoch ohne weiteren Voraufschluss (z.B. in Form einer Heißrotte) nicht geeignet, da die eingesetzten Würmer nicht in der Lage waren, die frischen Bioabfälle aufzunehmen. Der Wassergehalt der Substratmischung wurde als entscheidender Parameter für die Vermikompostierung der untersuchten Feststoffe (Fäkalien und häuslicher Bioabfall) identifiziert. Dieser kann im System deutlichen Schwankungen unterliegen, was bei hohem Wassergehalt zu Anoxie, bei zu geringem Wassergehalt zum Austrocknen und Absterben der Tiere führt.<br /> Weiterhin wurde die Möglichkeit geprüft, die Vermikompostierung zu überwachen und zu steuern. Zu diesem Zweck wurde untersucht, ob die Geräusche, die von den Würmern beim Durchwandern des Substrates erzeugt wurden, als Kontrollparameter genutzt werden können. Nach Isolation eines „Wurmgeräusches“ unter idealisierten Bedingungen und Festlegen einer Zielfrequenz zur Überwachung konnten die Geräuschmuster einer Vermikompostierung mit Fäkalien mit geeignetem Wassergehalt klar von denen einer entsprechenden Durchführung unter trockeneren Bedingungen unterschieden werden. Die akustischen Eigenschaften verschiedener Substrate sind voneinander unterschiedlich. Daher müsste das System für abweichende Materialmischungen neu kalibriert werden. Die Technisierung der Vermikompostierung war in weiten Teilen möglich, eine umfassende Automatisierung konnte nicht erreicht werden.<br /> Diese Untersuchungen zeigen, dass die Vermikompostierung eine sinnvolle Form der Behandlung von Feststoffen aus der Abwasserreinigung zur Schließung von Stoffkreisläufen ist, wobei ein extensiver Betrieb empfohlen wird. Es konnte eine zweckmäßige Technisierung erreicht werden. Die Kontrolle der Vermikompostierung über die akustischen Signale der Vermikompostierung erscheint möglich, für die Implementierung einer Steuerung ist jedoch weiterer Forschungsbedarf gegeben.

Especially in areas with water shortage and in secluded, sparsely populated regions, wastewater treatment hast to serve for sanitation and besides, may help to recycle valuable nutrients. In the “Komplett-Projekt”, a new decentralized recycling system for closing waterand nutrient-cycles was developed, and within this project, the task of the present work was the development of a (“intermediate-scale”) unit for the direct treatment of biosolids from the wastewater treatment plus further organic residues, as obtained in smaller settlements or hotel kitchens. The main objectives were a largely automated operation and the quality of the obtained substrates as a nutrient rich and hygienically safe fertilizer was assessed. Given texture and nutrient concentrations of the residues, it was tested whether vermicomposting using the species Dendrobaena veneta could be used as a treatment alternative. <br /> In a series of experiments, vermicomposting of organic residues was tested as an option for the given conditions. It was found that solids from the “Komplett”-wastewater treatment could be used for vermicomposting without further treatment or amendment of co-substrates. The organic residues and domestic bio-waste could not be applied directly, as Dendrobaena veneta cannot thrive on fresh intact tissues. Thus, the vermicomposting process requires input of pre-digested material. In any case, an additional pre-treatment (i.e. composting) is recommended. The water content was found to be the most crucial parameter for vermicomposting of the substrates (feces and domestic bio-waste) as high fluctuations may occur. High moisture contents may lead to anoxia. Thus both, drying out as well as low oxygen levels, lead to the death of earthworms. <br /> The vermicomposting process has to be tightly controlled for a continuous turn-over of the substrates by the worm species for a sanitized and suitable compost. Thus, the “noise” produced by the animal activity (migrating through the substrate) was tested for monitoring the process. Under tightly controlled and acoustically isolated conditions, single “noise” peaks could be identified and a centre frequency of 5000 Hz +/- 882 Hz was selected. This acoustic system was subsequently used to monitor the vermicomposting of feces. It could clearly separate two different conditions (dry vs. moist) with different worm activities. As the acoustic properties of the substrates are very specific, the monitoring of the worm-sounds could not be universally applied, as a comprehensive calibration for every substrate-mixture is required. <br /> It was possible to mechanize large parts of the vermicomposting-process, although full automation could not yet be achieved due to the difficulty to unequivocally monitor the vermicomposting process. <br /> It thus can be stated, that vermicomposting is a suitable treatment for separated solids from wastewater treatment (in our case tested with a device designed for approx. 200 persons) to close nutrient cycles, where an extensive operation is recommended. The process could be reasonably mechanized. The monitoring of the vermicomposting-process using the acoustic signals from the worm activity is promising, but before it can be implemented on a larger scale, the control system needs further research and development.