| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste |

Overlevelse af indikatororganismer i komposttoiletter og ved simuleret centraliseret efterkompostering af afføring fra mennesker

6 Overlevelse af indikatororganismer i fæces i modelforsøg, som simulerede centralkomposteringsforhold

• 6.1 Indledning
  • 6.1.1 Formål med forsøgene
• 6.2 Materialer og Metoder
  • 6.2.1 Opsætning af forsøg
  • 6.2.2 Modelkomposteringssystem
  • 6.2.3 Mikrobiologisk måleprogram
• 6.3 Resultater
  • 6.3.1 Mikrobiologiske målinger
  • 6.3.2 Temperaturudvikling ved kompostering i komposteringsreaktorer
  • 6.3.3 Temperaturudvikling og kimtalsreduktion ved kompostering af fækalt materiale iblandet tilslagsmaterialer
  • 6.3.4 Kimtalsreduktion i komposteringsreaktorer ved konstante termofile temperaturforhold
• 6.4 Delkonklusioner

6.1 Indledning

I Danmark reguleres anvendelse af kompostprodukter, herunder kompost af spildevandsslam og/eller husholdningsaffald, af "Slambekendtgørelsen" (Miljøstyrelsen, 2000), som specificerer krav til temperatur og behandlingstid for at komposten kan anvendes til jordbrugsformål. For at kunne anvendes uden restriktioner skal komposten have gennemgået en kontrolleret hygiejniseringsproces, hvilket betyder at materialet er blevet opvarmet til minimum 70 °C i minimum én time.

Det fastslås i "Slambekendtgørelsen", at denne kombination af temperatur og behandlingstid kan erstattes af "tilsvarende hygiejnisering", uden at der dog angives alternative procesbetingelser.

Formålet med forsøgene beskrevet i dette kapitel var at undersøge om andre kombinationer af temperatur og behandlingstid kan bibringe kompost af fæces den samme hygiejniseringsgrad som opvarming til 70 °C i én time. Som udgangspunkt blev der derfor foretaget forsøg ved konstant komposteringstemperatur på 50 °C, 55 °C, 60 °C og 65 °C, hvor der fortløbende blev udtaget prøver efter et nærmere fastlagt skema. På denne måde blev hygiejniseringsgraden fastlagt afhængigt af behandlingstid og procestemperatur.

Da der ikke fandtes centralkomposteringsanlæg i Danmark, som i fuld skala behandlede fæces, blev forsøgene udført vha. et modelsystem (Møller and Reeh, 2002; Møller and Reeh, in press), som simulerer forholdene i et fuldskalaanlæg. Systemet består af seks kompostreaktorer på hver 9 l, hvor temperatur og beluftningsforhold kan styres fra en PC (fig. 6.1 og 6.2).

Efter en række indledende forsøg blev overlevelse af indikatorerne, som er vist i tabel 6.1, undersøgt ved fire forskellige temperaturer fra 50-65 °C (tabel 6.2). Der blev herefter beregnet overlevelseskurver for mikroorganismerne som funktion af eksponeringstiden ved de pågældende temperaturer.

6.1.1 Formål med forsøgene

• at undersøge overlevelse af indikatororganismer under simulerede centralkomposteringsforhold.
• at beskrive sammenhængen mellem overlevelse af indikatororganismerne og temperatur ved procestemperaturer mellem 50 °C og 65 °C som alternativ til "Slambekendtgørelsens" hygiejniseringskrav.

6.2 Materialer og Metoder

6.2.1 Opsætning af forsøg

For at undgå spredning af indikatororganismerne i forsøgsmiljøet og sikre en homogen fordeling af disse i det fækale materiale blev materiale og indikatorer placeret i kapsler med semi-permeabel membran. Kapslerne blev forberedt, som beskrevet i afsnit 4.2.3.1 og placeret i kompostreaktorerne, når den ønskede forsøgstemperatur var opnået. Kapslerne blev udtaget efter eksponeringstider, som angivet i tabel 6.2. Ved hver prøveudtagning blev der udtaget to kapsler til analyse fra hver reaktor. De udtagne kapsler blev derefter opbevaret på køl ved 4-5 °C og analyseret inden for 24 timer. Anvendte metoder og analyser er beskrevet i afsnittene 4.2.3.2 og 4.2.3.3.

6.2.2 Modelkomposteringssystem

Laboratoriesystemet består af seks reaktorer på hver 9 l. Hver reaktor er isoleret med et polyurethanlag. Systemet kontrolleres fra en PC med proceskontrol- og dataopsamlingssoftware (GenesisÔ for Windows).

Kort beskrevet fungerer systemet således: Kontrol af komposttemperaturen foregår ved at kontrollere temperaturen på procesluften. En luftpumpe recirkulerer procesluft med en hastighed på op til 35 l/min. Procesluften passerer et kombineret varme- og kølelegeme, således at temperaturen på den luft, som kommer ind i reaktoren, kan kontrolleres. En temperaturføler måler temperaturen i komposten.

Tilførsel af frisk luft til komposten reguleres af en separat luftpumpe, som også kontrolleres fra computeren. Den indkomne mængde af frisk luft måles kontinuerligt vha. en elektronisk flow-måler. På denne måde kan procestemperatur og beluftningsgrad reguleres uafhængigt. Udblæsningsluften fra hver reaktor fordeles vha. en multiplexor til en gasanalysator, der måler koncentrationen af ilt og kuldioxid. På denne måde kan ilt- og kuldioxidstatus bestemmes i reaktorerne.

Fig. 6.1. Principdiagram af kompostreaktorsystem.

Fig. 6.1 viser en skematisk fremstilling af reaktorsystemet. På fig. 6.2 ses fem af seks reaktorer med det tilhørende elektroniske reguleringssystem, som er anbragt oven over reaktorerne.

Fig. 6.2. Kompostreaktorsystemet. Reaktorer med tilhørende styringsenheder.

Laboratoriesystemet tillader en høj grad af kontrol over komposteringsprocessen. Ud over muligheden for at fastsætte en maksimum og minimum procestemperatur kan man lade komposttemperaturen følge en på forhånd defineret temperaturprofil. Mht. iltkoncentrationen i reaktorerne er det på tilsvarende vis muligt at regulere denne parameter vha. computeren, således at der kan specificeres en maksimum- eller minimumkoncentration under komposteringen (denne feature blev dog ikke benyttet i nærværende projekt).

6.2.3 Mikrobiologisk måleprogram

Med udgangspunkt i forekomsten af indikatororganismer og smitstoffer i fækalier fra mennesker, som beskrevet i tidligere afsnit af rapporten, blev de mikrobiologiske parametre, der er angiver i tabel 6.1, udvalgt til måleprogrammet. De enkelte anvendte parametre er yderligere beskrevet i afsnit 2.4.

Tabel 6.1. Mikrobiologiske parametre målt ved central efterkompostering af fæces

Tabel 6.2. Prøveudtagningstidspunkter og komposteringstemperaturer

6.3 Resultater

6.3.1 Mikrobiologiske målinger

6.3.1.1 Indledende forsøg

Der blev udført en række forsøg med kompostering af frisk og ældre fækalt materiale hentet fra komposttoiletter i Dyssekilde. Indledende forsøg viste store variationer i forekomst af indikatorbakterier. Kimtallene i tabel 6.3 repræsenterer bakterieindholdet i fem prøver udtaget fra samme reaktor efter to dages kompostering (materiale fra reaktor 1 i fig. 6.3). Antal termotolerante coliforme bakterier varierede med mere end 2 log-enheder, mens variationen i antallet af enterokokker var noget mindre.

De store variationer i kimtallene gjorde det nødvendigt at identificere en prøvebehandlingsmetode, som mindskede variationen. Efter henvendelser til forskellige firmaer lykkedes det at identificere et kapselsystem, hvori der kan indsættes semi-permeable membraner med forskellige porestørrelser. Ved brug af disse kapsler blev der opnået reproducerbare resultater med lav variation, idet det er muligt at findele det fækale materiale inden tilsætning til kapslerne, ligesom der kan tilsættes kendte mængder af testmikroorganismer. Kapselsystemet er beskrevet i detaljer afsnit 4.2.3.1.

Tabel 6.3. Antal indikatorbakterier (cfu/g) i fem parallelprøver fra samme reaktor

6.3.2 Temperaturudvikling ved kompostering i komposteringsreaktorer

Under laboratorieforhold med aktiv beluftning af kompostmaterialet og effektiv isolering af komposteringsreaktorerne blev der iagttaget et temperaturforløb, som er typisk for en egentlig komposteringsproces (fig. 6.3). Temperaturen steg hurtigt til maksimumsværdien efter ca. 2 døgns kompostering, hvorefter den langsomt faldt til omgivelsernes temperatur efter 32 døgn (de regelmæssige temperaturudsving på ca. 2,5 °C skyldes bl.a. variationen i omgivelsernes temperatur, idet reaktorerne ikke blev temperaturreguleret). Temperaturforøgelsen i starten af forsøget var ledsaget af forhøjet iltforbrug og kuldioxidproduktion.

Der blev dog kun registreret en maksimal temperatur på ca. 39 °C (reaktor nr. 2 efter to døgns kompostering). Den relativt lave opnåede maksimale temperatur skyldes især den forholdsvis lille mængde materiale, som blev komposteret. Kompostering af en større batch vil normalt medføre større varmeudvikling og dermed højere temperatur.

Forsøget viste, at fækalier uden andet tilslagsmateriale end høvlspåner var egnet til kompostering. Udformningen af komposteringsbeholderne, herunder mulighed for isolering og etablering af aerobe forhold, er væsentlige faktorer for igangsættelse af en egentlig komposteringsproces.

Klik her for at se figuren.

Fig. 6.3. Temperaturudvikling ved indledende forsøg med kompostering af fækalier i komposteringsreaktorer. Materialet i de tre reaktorer var fra samme efterkomposteringsbeholder i Dyssekilde.

6.3.3 Temperaturudvikling og kimtalsreduktion ved kompostering af fækalt materiale iblandet tilslagsmaterialer

Formålet med dette forsøg var at fastslå virkningen af forskellige tilslagsmaterialer på komposteringsprocessen og temperaturudviklingen. Desuden blev der igangsat indledende undersøgelser af temperaturens indvirkning på overlevelsen af termotolerante coliforme bakterier og enterokokker.

Fig. 6.4 til 6.9 viser resultater fra disse forsøg, hvor der blev komposteret fæces i reaktorsystemets seks reaktorer. Reaktor 1 og 2 fungerede som kontrolreaktorer, idet disse ikke blev tilsat yderligere tilslagsmaterialer udover toiletpapir og høvlspåner, som allerede var tilsat af brugerne (fig. 6.4 og 6.5).

Klik her for at se figuren.

Fig. 6.4. Reaktor 1. Kompostering af fækalier tilblandet savspåner og toiletpapir af brugere. Kimtalspåvisningsgrænsen var 100 cfu/g.

Klik her for at se figuren.

Fig. 6.5. Reaktor 2. Kompostering af fækalier tilblandet savspåner og toiletpapir af brugere. Kimtalspåvisningsgrænsen var 100 cfu/g. Efter 15 døgns kompostering blev temperaturen reguleret til 54-55 °C i 7 timer og efter 37 døgn til 59-60 °C i 7 timer

Fækalt materiale i reaktor 3 og 4 blev tilsat forkomposteret kildesorteret husholdningsaffald fra AFAV komposteringsanlægget i Frederikssund (fig. 6.6 og 6.7).

Klik her for at se figuren.

Fig. 6.6. Reaktor 3. Kompostering af fækalier med tilsætning af kildesorteret husholdningsaffald. Kimtalspåvisningsgrænsen var 100 cfu/g.

Klik her for at se figuren.

Fig. 6.7. Reaktor 4. Kompostering af fækalier med tilsætning af kildesorteret husholdningsaffald. Kimtalspåvisningsgrænsen var 100 cfu/g. Efter 15 døgns kompostering blev temperaturen reguleret til 54-55 °C i 19 timer og efter 37 døgn til 59-60 °C i 15 timer.

Fækalt materiale i reaktor 5 og 6 blev tilsat et celluloseholdigt produkt (handelsenavn "Mor Mylla"), som benyttes en del i Sverige (fig. 6.8 og 6.9).

Klik her for at se figuren.

Fig. 6.8. reaktor 5. Kompostering af fækalier med tilsætning af cellulosepræparat ("Mor Mylla"). Kimtalspåvisningsgrænsen var 100 cfu/g.

Klik her for at se figuren.

Fig. 6.9. Reaktor 6. Kompostering af fækalier med tilsætning af cellulosepræparat ("Mor Mylla"). Kimtalspåvisningsgrænsen var 100 cfu/g. Efter 15 døgns kompostering blev temperaturen reguleret til 54-55 °C i 18 timer og efter 37 døgn til 59-60 °C i 16 timer.

Der var ingen entydig sammenhæng mellem typen af tilslagsmateriale og den registrerede maksimale temperatur, idet den højeste temperatur på 54 °C blev målt i reaktor 6, som var tilsat cellulosemateriale, mens den maksimale temperatur i reaktor 5, som blev tilsat det samme materiale, kun var 43 °C. Den laveste temperatur på 39 °C blev målt i kontrolreaktor 2. Derimod var maksimumstemperaturen i den anden kontrolreaktor (reaktor 1) 49 °C.

Der blev endvidere foretaget en kontrolleret øgning af temperaturen i reaktorerne 2, 4 og 6 efter henholdsvis 15 og 37 døgns kompostering for at undersøge effekten på overlevelsen af indikatorbakterierne (fig. 6.5, 6.7 og 6.9).

I de kompostreaktorer, hvor der ikke blev temperaturreguleret, blev termotolerante coliforme bakterier og enterokokker påvist ved alle prøvetagninger. Der skete dog en reduktion på mere end 1 log-enhed i alle forsøg (fig. 6.4, 6.6 og 6.8).

I reaktorerne 2, 4 og 6 blev temperaturen reguleret efter henholdsvis 15 og 37 døgns kompostering for at undersøge overlevelse af indikatorbakterierne. Syv timers kompostering ved 54-55 °C havde tilsyneladende ingen reducerende effekt på antal indikatorbakterier (fig. 6.5). Efter yderligere 7 timers eksponering af materialet, nu til temperaturer mellem 59-60 °C, kunne termotolerante coliforme bakterier ikke længere påvises, mens antallet af enterokokker var reduceret til < 1000 cfu/g.

Ved 18-19 timers kompostering ved 54-55 °C blev antallet af termotolerante coliforme bakterier reduceret til under påvisningsgrænsen, mens antallet af enterokokker blev reduceret til ca. 1000 cfu/g (fig. 6.7 og 6.9). Yderligere forhøjet temperatur til mellem 59-60 °C i henholdsvis 15 og 16 timer reducerede i ét tilfælde antallet af enterokokker til under detektionsgrænsen. Der skete dog her tilsyneladende en eftervækst i reaktor 4, idet der blev målt mere end 10.000 enterokokker/g.

6.3.4 Kimtalsreduktion i komposteringsreaktorer ved konstante termofile temperaturforhold

Resultaterne i dette afsnit stammer fra forsøg udført vha. reaktorkomposteringssystemet, hvor temperaturen blev holdt konstant, som angivet i tabel 6.2. Resultaterne for målinger af kimtalsreduktioner i kompostreaktorerne med 'best fit'-linier for hver temperatur er vist i fig. 6.10 til 6.13.

Suspekte termotolerante coliforme bakterier

Antal suspekte termotolerante coliforme bakterier blev som forventet reduceret til <10 cfu/g indenfor 24 timer ved alle temperaturer (fig. 6.10). Reduktionen foregik hurtigst ved 65 °C, hvor detektionsgrænsen på 10 cfu/g blev nået efter 30 minutter. Ved 60 °C tog det 2 timer at nå en reduktion til <10 cfu/g, ved 55 °C 4 timer og ved 50 °C 22 timer.

Salmonella senftenberg

Antal S. senftenberg blev ligeledes reduceret til <10 cfu/g indenfor 24 timer ved alle temperaturer (fig. 6.11). Ved 65 °C blev detektionsgrænsen på 10 cfu/g nået efter 30 minutter, ved 60 °C efter 2 timer, ved 55 °C efter 6 timer og ved 50 °C efter 22 timer.

Salmonella typhimurium fag 28B

Antal S. typhimurium fag 28B blev reduceret til <100 pfu/g indenfor 5 døgn ved alle temperaturer (fig. 6.12). Ved 65 °C blev detektionsgrænsen på 100 pfu/g nået efter 43 timer, ved 60 °C efter 37 timer, ved 55 °C efter 3 døgn og ved 50 °C efter 5 døgn.

Enterokokker

Antal enterokokker blev reduceret til <10 cfu/g inden for 10 døgn ved alle temperaturer (fig. 6.13) og var dermed den mest varmetolerante kimtalsparameter. Ved 65 °C blev detektionsgrænsen på 10 cfu/g nået efter 43 timer, ved 60 °C efter 67 timer, ved 55 °C efter 5-6 døgn og ved 50 °C efter 10 døgn.

Klik her for at se figuren.

Fig. 6.10. Overlevelse af suspekte termotolerante coliforme bakterier ved forskellige temperaturer i kompostreaktorer.

I fig. 6.10 til 6.13 er tilføjet regressionslinier, hvor ligningen for hver af disse er angivet efter hver figur. R² angiver 'goodness of fit', dvs. hvor godt linien passer til data. For suspekte termotolerante coliforme bakterier var liniernes 'goodness of fit' god for alle temperaturer:

50 °C: y = -19,67x + 7,47 R² = 0,90

55 °C: y = -13,54x + 6,36 R² = 1

60 °C: y = -123,66x + 6,49 R² = 1

65 °C: y = -301,23x + 7,43 R² = 0,98

Klik her for at se figuren.

Fig. 6.11. Overlevelse af Salmonella senftenberg ved forskellige temperaturer i kompostreaktorer.

For Salmonella senftenberg var 'goodness of fit' god for alle temperaturer:

50 °C: y = -25,56x + 8,75 R² = 0,86

55 °C: y = -29,26x + 8,77 R² = 0,98

60 °C: y = -125,00x + 9,00 R² = 1

65 °C: y = -250,00x + 8,00 R² = 1

Klik her for at se figuren.

Fig. 6.12. Overlevelse af Salmonella typhimurium fag 28 B ved forskellige temperaturer i kompostreaktorer.

For Salmonella thyphimurium fag 28B var 'goodness of fit' høj for alle temperaturer:

50 °C: y = -1,52x + 9,35 R² = 0,89

55 °C: y = -2,54x + 9,17 R² = 0,90

60 °C: y = -5,67x + 9,02 R² = 0,96

65 °C: y = -6,79x + 8,98 R² = 0,99

Klik her for at se figuren.

Fig. 6.13. Overlevelse af enterokokker ved forskellige temperaturer i kompostreaktorer.

For enterokokker var 'goodness of fit' bedst for de to laveste temperaturer og generelt dårligere end for de foregående indikatororganismer:

50 °C: y = -0,68x + 5,61 R² = 0,70

55 °C: y = -1,12x + 5,79 R² = 0,73

60 °C: y = -1,54x + 4,85 R² = 0,42

65 °C: y = -2,08x + 4,95 R² = 0,37

Ud fra regressionsanalyser kan tiden det tager at opnå en kimtalsreduktion på 4 log-enheder beregnes. Som eksempel angives hér beregningen for termotolerante coliforme bakterier ved 50 °C:

Af ligningen angivet under fig. 6.10 ved 50 °C fås: y=-19,67X+7,47 => x=(7,47-Y)/19,67.

Hvis delta X beregnes for en reduktion på 4 log-enheder, f.eks. fra Y=8 til Y=4 fås:

Delta X=((7,47-4)/19,67)-(7,47-8)/19,67)) = >

Delta X _{4 log-reduktion}=4/19,67=0,20 dage=4,88 timer

Lignende beregninger er foretaget for alle de undersøgte mikrorganismer og resultaterne er vist i tabel 6.4, som også indeholder beregninger af tider for 1-log kimtalsreduktioner (T₉₀).

Tabel 6.4. Tidskonstanter for at opnå en reduktion på hhv. 1 og 4 log-enheder ved forskellige behandlingstemperaturer

Sammenhængen mellem hastigheden hvormed indikatororganismerne blev reduceret og komposteringstemperaturen er angivet i fig. 6.14, hvor 4 log-reduktionstiderne er afbillede som funktion af temperaturen. I en semi-logaritmisk afbildning vil sammenhængen ofte være tilnærmelsesvis lineær, hvilket også var tilfældet i disse forsøg.

Antal S. senftenberg 775W blev reduceret noget hurtigere sammenlignet med antal termotolerante coliforme bakterier. Bakteriofagen viste som forventet en relativt markant øget overlevelse ved alle undersøgte temperaturer.

Mod forventning blev antal enterokokker reduceret langsommere end de andre parametre, inklusiv bakteriofagen. Fundene for enterokokker er højst overraskende og er ikke i overensstemmelse med litteraturen, i modsætning til reduktionstiderne for de andre parametre.

Klik her for at se figuren.

Fig. 6.14. Opholdstid i komposteringsreaktorer som sikrede en reduktion af antallet af indikatororganismer på 4 log-enheder angivet som funktion af behandlingstemperaturen.

Forklaringerne på den meget langsomme reduktion af enterokokantallet kan være flere. Således kunne temperaturen i kapslerne havde været lavere sammenlignet med omgivelserne. Endvidere kunne temperaturen i kompostreaktorerne havde været lavere end antaget. Sidstnævnte var muligvis tilfældet i forsøget, som blev udført ved 65 °C, hvor det viste sig vanskeligt at fastholde temperaturen præcist, men ved de lavere temperaturer var dette ikke tilfældet og kan således ikke forklare de opnåede resultater.

6.4 Delkonklusioner

• Forekomst og fordeling af termotolerante coliforme bakterier og enterokokker i fækalt materiale i kompostbeholdere var heterogen med store kimtalsvariationer ved indledende dobbeltbestemmelser.
• I modelforsøg uden temparaturregulering med fæcesmateriale fra en efterkomposteringsbeholder blev der iagttaget en begrænset temperaturudvikling til maksimum 39 °C med betydelig temperaturvariation (±2,5 °C).
• Efter tilsætning af forkomposteret husholdningsaffald og celluloseholdigt materiale blev der opnået en kraftigere temperaturudvikling (maksimum 54 °C), men der var ingen entydig sammenhæng mellem typen af tilslagsmateriale og temperaturudvikling.
• En kontrolleret øgning af temperaturen til mellem 54-60 °C efter henholdsvis 15 og 37 døgns kompostering havde en varierende reducerende effekt på antallet af indikatorbakterier. Der blev således ikke opnået fuldstændig drab på indikatorbakterier ved de høje temperaturer.
• I centralkomposteringsforsøgne ved konstante temperaturer mellem 50-65 °C fandtes der varierende reduktionshastigheder for de enkelte indikatororganismer. S. senftenberg var den mest varmesensitive og enterokokker de mest varmeresistente. Sidstnævnte forhold er overraskende, da det normalt vil forventes, at S. typhimurium fag 28B er mere varmeresistent sammenlignet med enterokokker.
• Resultaterne af de centrale komposteringsforsøg viser, at hvis der kan opnås en ensartet temperatur på 50 °C eller derover i mere end 10 døgn, vil der kunne opnås en hygiejnisering af materialet med fuldstændigt drab af alle testede indikatororganismer.

| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste | | Top |

Version 1.0 Oktober 2005, © Miljøstyrelsen.