קומפוסטציה מהירה של תערובת זבל בקר וגזם בתוף מסתובב מסוג אקודראם (ניסוי בכפר אחים – נובמבר 2019)

שלומי אואזנה¹, איברהים סעדי¹, אוסנת יוסף², רן לטי¹, ¹Dayanand Sharma יעל לאור¹

¹מינהל המחקר החקלאי – מכון וולקני, מרכז מחקר נווה יער

²המשרד להגנת הסביבה

תהליך קומפוסטציה הוא פירוק ביולוגי טבעי של חומרים אורגניים בנוכחות חמצן, הכולל שלב בו הטמפרטורות מגיעות לכ-50-65 מעלות (שלב תרמופילי). התוצרים הסופיים של התהליך הם: קומפוסט (חומר אורגני מיוצב ומינרלים), דו-תחמוצת הפחמן (CO₂) שמשתחרר כגז, ומים. השיטה הנפוצה ביותר לביצוע קומפוסטציה הינה בערימות פתוחות (open windrows) והיפוך הערימה מפעם לפעם. אולם, מפגעי הריח הנלווים לתהליך מקשים על מתן היתרים להפעלת מתקנים קיימים ולהקמת מתקנים חדשים ומחדדים את הצורך במערכות סגורות ומבוקרות עם אוורור מאולץ. מערכות סגורות כוללות ריאקטורים, חללים או תאים סגורים עם אוורור מאולץ, המצויידים בחלקם באמצעי ערבוב מכניים וטיפול בפליטות באמצעות ביו-פילטר, או ערמות סטטיות מאווררות עם כיסוי ביריעות סופחות מסוג Gore. השילוב של מערכות סגורות עם אוורור מאולץ ואמצעי ערבוב עשוי לזרז מאוד את תהליך הפירוק של הפסולת בהשוואה למערכות סטטיות. אולם, מערכות אלו יקרות ונפח החומר המטופל בהן מוגבל. על כן, השאיפה היא לקצר את התהליך ככל שניתן, כמובן בהתחשב בהשלכות על איכות הקומפוסט ואפיק היישום שלו (גד"ש, מטעים, חממות, משתלות וגינון ביתי). לחילופין, אפשר לקיים את השלב הפעיל הריחני במתקן סגור ולאחר מכן להמשיך את שלב ההבשלה הממושך בערימה פתוחה. בין המערכות הסגורות הקיימות, תוף מסתובב (rotary drum) הוא מתקן יקר יחסית, עם נפח עבודה מוגבל. בזכות תנאי אוורור וערבוב יעילים, התוף מיועד לתהליך קומפוסטציה קצר ומואץ על פני 3-7 ימים (בהשוואה לשבועות או מספר חודשים כמקובל בערימות פתוחות), במטרה להשמיד גורמי מחלה (פתוגנים) ולהביא לייצוב ראשוני של החומר האורגני למניעת מפגעי ריחות וזבובים.

המאמר הנוכחי מתאר ניסוי קומפוסטציה של תערובת זבל בקר וגזם שבוצע עם תוף מסתובב מסוג אקודראם (Ecodrum^TM, איור 1). המוטיבציה לניסוי הייתה הקמתו של משק המודל לחקלאות בת-קיימא בנווה יער, מכון וולקני https://www.modelfarm-aro.org)). כחלק מהמיזם נבחנו מערכות קומפוסטציה שונות במטרה לטפל בזבל מרפת הבקר של נווה יער (עד 100 ראש) ולהשיב את הזבל המטופל לשדות ולמטעים. הוחלט לרכוש מערכת סגורה כדי למזער מפגעי ריח וזבובים בקמפוס, וכך הגענו לתופי אקודראם שנמכרים בישראל (בעיקר לטובת הטיפול בפגרי עופות). הוחלט לבצע תחילה ניסוי היתכנותי עם חומרי הגלם של נווה יער ורק לאחר מכן להגיע להחלטה אם לרכוש תוף למשק המודל. כך נולד הניסוי בכפר אחים, בסיועם האדיב של דניאל חן מלול המטילות האורגני בכפר אחים (בעל התוף) וארז וולף מנהל אקודראם-ישראל.

איור 1. תוף אקודראם בנפח כ-30 מ"ק (נפח תפעולי כ-20 מ"ק) שנרכש למשק המודל בנווה יער. התוף מיוצר מפוליאתילן בעובי 1 אינץ', ועל הדופן הפנימית שלו מותקנים "מדפים" המהווים סוג של בורג פנימי שמסייע לתנועת החומר קדימה תוך כדי סיבוב התוף. סיבוב מלא נמשך 20 דקות. בצד הקדמי של התוף (ליד דלת הטעינה) מותקן מפוח אוורור שיונק אוויר מפתח היציאה. לאורך התוף ממוקמים ארבעה חיישני טמפרטורה למעקב אחר התחממות החומר. המערך בנווה יער כולל גם עגלה מערבלת להכנת התערובות ומסוע להטענת החומר (מערך התפעול בנקודת היציאה עדיין לא הושלם).

הניסוי המתואר התקיים בנובמבר 2019 בכפר אחים, עם תוף אקודראם בנפח של כ-10 מ"ק. תנאי ההפעלה של התוף נקבעו על 6 סיבובים מדי יום (שני סיבובים עוקבים בשעות 07:00, 15:00, ו-23:00) ואוורור למשך 8 דקות מידי שעה (לא בחפיפה עם מועדי הסיבוב). כ-800 ליטר תערובת הוכנו מידי יום בעזרת עגלה מערבלת. התערובת היומית הורכבה מ-325 ק"ג זבל בקר ו-150 ק"ג גזם שקד קצוץ (יחס נפחי 1:1). תכולת המים של התערובת הותאמה לכדי 50-60%. החומר הוזן לתוך התוף באופן ידני בעזרת דליים (איור 2).

איור 2. הניסוי שבוצע בכפר אחים עם תוף אקודראם בנפח של כ-10 מ"ק. הטענת החומר, כ-800 ליטר מידי יום, נעשתה ידנית. החומר נדגם בנקודת הכניסה (input) ובנקודת היציאה (output) כדי ללמוד על השינויים בחומר במהלך קומפוסטציה מהירה, של כ-6 ימים בלבד. טמפרטורת הקומפוסט נמדדה באמצעות חיישן טמפרטורה אחד הממוקם במרכז התוף.

מילוי הדרגתי של התוף ומעקב אחר טמפרטורת הקומפוסט וכמות החומר ביציאה

ההמלצה המקובלת היא לעבוד עם תפוסה של עד 65-70% מנפח התוף ולא להעמיס מעבר לכך כדי לא לפגוע בתנאי האוורור, תנועת החומר והערבוב שלו במהלך הקומפוסטציה. הניסוי החל עם תוף ריק, כך שיכולנו לעקוב אחר התפתחות הטמפרטורה והתייצבות התהליך תוך כדי מילוי הדרגתי של התוף (כ-800 ליטר שהועמסו כמעט מידי יום). איור 3 מציג את הטמפרטורה לאורך הניסוי וכן את השינוי בכמות החומר שיוצאת מפתח היציאה של התוף בכל סיבוב. ניתן לראות כי כאשר התוף הגיע לתפוסה של כ-50% מנפחו, הטמפרטורות נשמרו בתחום התרמופילי (מעל 45-50 מ"צ) ושכמות החומר שיצאה מהתוף התייצבה על ערך של לפחות כ-100 ליטר בכל סיבוב. על בסיס נתונים אלו הגדרנו "שלב מעבר" (transient state) ו"שלב יציב" (steady state). הטמפרטורות הנמוכות יחסית שנרשמו בימים 12-13 נגרמו כפי הנראה מהפסקה טכנית בהזנה היומית בימים 8-12. ההבחנה בין שלב המעבר בו לא מתקיימים תנאים תרמופיליים לבין השלב היציב, באה להדגיש את המשמעות שיש לאפיזודות של ריקון התוף והפעלתו מחדש, או ממשק הפעלה לא מיטבי של המיתקן מסיבות אחרות.

שינויים במדדים פיסיקליים, כימיים וביולוגיים בתהליך הקומפוסטציה

טבלה 1 מסכמת את ממוצעי הערכים שנמדדו בתערובת לפני הקומפוסטציה וביציאה מהתוף, לאחר זמן שהייה ממוצע של כ-6 ימים. נמצאה ירידה מובהקת בתכולת הרטיבות והקומפוסט ביציאה היה בלחות נוחה לפיזור. ה- pH עלה מעט אך באופן מובהק. לא נצפה שינוי בערכי המוליכות החשמלית (אין שטיפת מלחים תוך כדי התהליך). נרשמה עליה לא מובהקת של כ-5% בתכולת האפר והערך C/N לא השתנה באופן מובהק, מה שמעיד על פירוק מוגבל של חומר אורגני בשלב הייצוב הראשוני של החומר. עם זאת, בשני מדדים חשובים נרשמו שינויים מובהקים: אינדקס הרעילות לצמח בוחן ירד מ-57% ל-41% וריכוזי הקוליפורמים הצואתיים ירדו בשלושה סדרי גודל אל מתחת לערך המותר על פי התקן הישראלי לקומפוסט (1000 MPN לגרם חומר).

טבלה 1. תכונות החומר לפני הקומפוסטציה וביציאה מהתוף, לאחר זמן שהייה ממוצע של כ- 6 ימים. הערכים מבטאים ממוצעים וסטיות תקן (בסוגריים) של 6 ימי טעינה ופריקה בשלב היציב של התהליך. המוליכות החשמלית וה- pH נבדקו במיצוי מיימי של הקומפוסט (יחס מיצוי 1:10). האפר נקבע לאחר שריפה ב-550 מ"צ. אינדקס הרעילות נקבע במבחן נביטה עם שחליים cress;Lepidium sativum)). ערך האינדקס המחושב מייצג את אורך השורשונים של הנבט שגדל על נייר פילטר שהורטב במיצוי מיימי של הקומפוסט בהשוואה לביקורת עם מים (0% = אפס רעילות, 100% = רעילות מקסימלית).

פליטות ריח בתהליך הקומפוסטציה

במהלך הניסוי נלקחו דגימות אוויר ביציאה מהמפוח באמצעות שקיות דיגום ייעודיות אשר הועברו למעבדה האולפקטומטרית (מעבדת ריח) בנווה יער, לקביעת "ריכוז הריח" (מבוטא כ"יחידות ריח" – Odor Units -למ"ק אוויר, OU/m³). שטף פליטות הריח (יחידות ריח לשניה, OU/s) מחושב מתוך ריכוז הריח וספיקת המפוח. ערך זה שהתקבל בניסוי בכפר אחים הוכפל פי 2.5 עבור הצפוי להתקבל בתוף בנפח של כ-30 מ"ק שהיה מיועד להירכש ולהיות מוצב בקמפוס נווה יער (איור 4). נתוני הקלט למודל פיזור AERMOD הנדרש בנוהל להגדרת מפגעי ריח של המשרד להגנת הסביבה, כללו: מטאורולוגיה מתחנת "ניר העמק" ל-5 שנים, טופוגרפיה של האזור הנבדק, שטף הפליטות של התוף וטמפרטורה מקורבת של האוויר היוצא מהתוף. ריכוזי הריח המחושבים על פי המודל, הצביעו על רדיוס השפעה מצומצם עם ריכוזי ריח נמוכים באחוזון 99.5. רדיוס השפעה של יחידת ריח אחת למ"ק אוויר – 1 OU/m³ (המבטא את סף הריח) התקבל עד למרחק עשרות מטרים בודדים מהתוף (קו קונטור אדום), כך שהיה אפשר להניח שלא יהיו מפגעי ריח ברחבי הקמפוס. נציין כי על פי הנוהל של המשרד להגנת הסביבה מותר ביישוב חקלאי ערך של חמש יחידות ריח – 5 OU/m³ – כאשר מקור הריח הוא ממתקני גידול בע"ח.

מעקב אחר תנועת החומר בתוף באמצעות סמנים

לפילוג זמני השהייה של החומר (residence time distribution, RTD) יש משמעות גדולה כאשר מדובר בזמני שהיה ממוצעים של ימים בודדים. החומר לא נע כגוש אחד בתוף מסתובב, כך שחלק ממנו צפוי לצאת מוקדם יותר או מאוחר יותר מזמן השהייה הממוצע. בזמני שהיה קצרים מידי, קיימת אפשרות שגורמי מחלה וזרעי עשבים ישרדו את התהליך. כדי להעריך את פילוג זמני השהיה הוספנו סמנים (tracers) בכל טעינה יומית של חומר ובצענו מעקב אחר הסמנים היוצאים מן התוף (איור 5). שני סוגי סמנים שימשו למטרה זו: א. צינורות פלסטיק (מספר החורים מסמל את יום הטעינה). סוג זה של סמנים נבחר על מנת לייצג תנועה של חלקיקים לא כדוריים המדמים את הצורה הפיסיקלית והיציבות היחסית של הגזם. סמנים אלה הוטענו גם בשלב המעבר וגם בשלב היציב של התהליך. ב. גרב ניילון בה נארזו כ-20-30 גרם של תערובת חומרי הגלם והוטמנו 10 זרעים מכל אחד מהמינים שנבדקו (תירס, כותנה, שעורה, אבוטילון, ירבוז, שחליים). סוג זה של סמנים נבחר על מנת לייצג תנועת אגרגטים של חומר פעיל ועל מנת לקשור בין חיוניות זרעים בתום תהליך הקומפוסטציה כתלות בזמני השהיה בפועל.

באיור 6 מוצגת התפלגות זמני השהייה של הסמנים שהוטענו בשלב היציב של התהליך. למעשה, המדד שנקבע בניסוי הוא פילוג מספר הסיבובים של התוף עבור כל סמן, ממועד כניסתו לתוף ועד ליציאתו. מדד זה ניתן להמרה לזמני שהייה, בהתאם לתנאי ההפעלה של התוף (מספר סיבובים ליממה). ההתפלגות שהתקבלה הייתה קרובה להתפלגות נורמאלית, עם ממוצע של 35.5 סיבובים, שמקביל בתנאי הניסוי הנוכחי לזמן שהייה ממוצע של כ-6 ימים. המשמעות של ההתפלגות שהתקבלה היא שזמן השהייה בפועל של 10% מהחומר היה 3.5 ימים (60% מזמן השהיה הממוצע) ושל 0.5% מהחומר היה 2.5 ימים בלבד (40% מזמן השהייה הממוצע). סמנים שהוטענו בשלב המעבר (תפוסת התוף היתה פחות מ-50%, לא מוצג באיור) מלמדים על פילוג זמני שהייה רחב יותר בשלב זה, כך שחלק מהחומר מתאפיין בזמני שהייה קצרים עוד יותר. החשיבות של ממצא זה היא שיש לקחת בחשבון את ההסתברות לזמני שהיה קצרים מכפי הנדרש להשגת האיכות התברואתית של הקומפוסט על פי התקן ו/או פגיעה לא יעילה בחיוניות של זרעי עשבים.

חיוניות זרעים שהוטמנו בסמנים עם תערובת הקומפוסט

הסמנים של גרבי הניילון עם הזרעים נאספו ביציאה מהתוף, החומר עורבב עם קרקע חרסיתית מקומית של נווה יער, ובוצע ניסוי הנבטה בבית רשת. כביקורת הונבטו זרעים טריים של אותם מינים באותם תנאים. אחוזי הנביטה מלמדים על פגיעה יעילה בחיוניות הזרעים, עם אפס אחוזי נביטה ברוב המקרים (איור 7). עם זאת, נמצאה פגיעה לא יעילה בזרעים שהיו בסמנים שהתאפיינו בזמני שהייה קצרים משמעותית מזמן השהייה הממוצע. למשל, נרשמה נביטה של 85% מזרעי תירס ו-50% מזרעי כותנה (אחוזים מביקורת) בסמנים שיצאו מהתוף אחרי יומיים בלבד (בהשוואה לזמן השהייה הממוצע שהיה כ-6 ימים). על בסיס הקשר הכולל בין חיוניות הזרעים לזמני שהייה, הצבענו על שלושה אזורים: "אזור בטוח" (safe zone) – זמני שהייה של לפחות 7 ימים בתנאים תרמופיליים שלאחריהם לא צפוייה נביטה של זרעי עשבים. "אזור סביר" (fair zone) – זמני שהייה של 4-7 ימים בתנאים תרמופיליים, שלאחריהם תיתכן נביטה של עד 10-50% של מיני עשבים, ו"אזור לא מספק" ('non-satisfactoryzone') – זמני שהייה נמוכים מ-3-4 ימים בתנאים תרמופיליים, שלאחריהם תיתכן נביטה של מעל 50% של מיני עשבים.

סיכום

הודגם ונבחן השימוש בתוף מסתובב מסוג אקודראם לקומפוסטציה של תערובת זבל בקר וגזם. כאשר התוף נמצא בתפוסה של 50-70% מנפחו, התהליך מתייצב מבחינת תנועת החומר בתוף ושמירה על טמפרטורות תרמופיליות. בתנאי תפעול בהם זמן השהייה הממוצע של החומר הוא כשבוע ימים צפוייה קטילה יעילה של פתוגנים ופגיעה משמעותית בחיוניות מיני זרעי עשבים. תהליך הקומפוסטציה בתוף הוא קצר ואינטנסיבי, כך שהתוצר הסופי הוא קומפוסט שעבר ייצוב ראשוני ואינו מוגדר כקומפוסט בשל. על בסיס מדידות אולפקטומטריות תקניות והרצה של מודל פיזור, לא צפויים מפגעי ריח כאשר מתרחקים עשרות מטרים בודדים מהתוף. עם זאת, פילוג זמני השהייה של החומר בתוף מעיד על האפשרות של זמני שהייה קצרים מידי עבור פרקציה קטנה של החומר. הסבירות למצב זה עולה במצב של עבודה עם תוף בתפוסה נפחית נמוכה כאשר גם אין הגעה לטמפרטורות תרמופיליות. השילוב של זמני שהייה קצרים וטמפרטורות נמוכות מגדיל את הסיכון לכשל בעמידה בתקנות תברואתיות.

תודות

עבודה זאת בוצעה במסגרת משק המודל לחקלאות בת קיימא ע"ש הלמסלי, בנווה יער, הקמפוס הצפוני של מכון וולקני, מינהל המחקר החקלאי. משק המודל הוקם ב-2018 ללימוד, הדגמה והטמעה של פרקטיקות בחקלאות בת-קיימא.