Composting Technology

 

 

Properly controlled, composting can be a highly suitable  option for diverting MSW from landfill.

By Surendra Kumar, Shashi and Salman Zafar The composting process is a complex interaction between the  waste and the microorganisms within the waste. The  microorganisms that carry out this process fall into three groups:  bacteria, fungi, and actinomycetes. Actinomycetes are a form of  fungi­like bacteria that break down organic matter. The first stage  of the biological activity is the consumption of easily available  sugars by bacteria, which causes a fast rise in temperature. The  second stage involves bacteria and actinomycetes that cause  cellulose breakdown. The last stage is concerned with the  breakdown of the tougher lignins by fungi. Central solutions are exemplified by low­cost composting without  forced aeration, and technologically more advanced systems with  forced aeration and temperature feedback. Central composting  plants are capable of handling more than 100,000 tons of  biodegradable waste per year, but typically the plant size is about  10,000 to 30,000 tons per year. Biodegradable wastes must be  separated prior to composting: Only pure foodwaste, garden  waste, wood chips, and to some extent paper are suitable for  producing good­quality compost. 

               

The composting plants consist of some or all of the following  technical units: bag openers, magnetic and/or ballistic separators,  screeners (sieves), shredders, mixing and homogenization  equipment, turning equipment, irrigation systems, aeration  systems, draining systems, bio­filters, scrubbers, control systems,  and steering systems. The composting process occurs when  biodegradable waste is piled together with a structure allowing for  oxygen diffusion and with a dry matter content suiting microbial  growth. The temperature of the biomass increases due to the  microbial activity and the insulation properties of the piled material. The temperature often reaches 65 degrees C to 75 degrees C  within a few days and then declines slowly. This high temperature  hastens the elimination of pathogens and weed seeds. Composting Strategies The methodology of composting can be categorized into three  major segments—aerobic composting, anaerobic composting,  and vermicomposting.

         

In anaerobic composting, the organic matter is decomposed in the  absence of air. Organic matter may be collected in pits and  covered with a thick layer of soil and left undisturbed six to eight  months. The compost so formed may not be completely converted  and may include aggregated masses. Aerobic composting, the processes by which organic wastes are  converted into compost or manure in presence of air, may be of 

 

different types. The most common is the Heap Method, where  organic matter needs to be divided into three different types and to be placed in a heap one over the other, covered by a thin layer of  soil or dry leaves. This heap needs to be mixed every week, and it  takes about three weeks for conversion to take place.

   

     

     

 

In the Pit Method the same process as above is done but in pits  specially constructed/dug out for this purpose. Mixing has to be  done every 15 days, and there is no fixed time in which the  compost may be ready (depends on soil moisture, climate, level of  organic material, etc.). The Berkley Method uses a labor­intensive technique and has  precise requirements of the material to be composted. Easily  biodegradable materials, such as grass, vegetable matter, etc.,  are mixed with animal matter in the ratio of 2:1. This is piled and  mixed at regular intervals. Compost is usually ready in 15 days. Vermicomposting involves use of earthworms as natural and  versatile bioreactors for the process of conversion.  Vermicomposting is done in specially designed pits where  earthworm culture also needs to be done. As compared to above,  this is a much more precision­based option and requires  overseeing of work by an expert. It is also a more expensive option (O&M costs especially are high). However, unlike the above two  options, it is a completely odorless process making it a preferred  solution in residential areas. It also has an extremely high rate of  conversion, so quality of the end product is very high with rich  macro and micronutrients. The end product also has the advantage that it can be dried and stored safely for a longer period of time. Composting Systems The traditional turned aerobic windrow method of composting is  the predominant method of composting used within the United  Kingdom. However, for the composting of non­green municipal  solid waste and commercial waste, it is not necessarily the most  appropriate method to use. Within the identification of aerobic and  anaerobic systems, five main methods are as follows: l

l l

l l

Turned/static aerobic windrow composting—aerobic and  biological;  Static piles—aerobic and biological;   In­vessel aerobic windrow composting—aerobic and  biological;  Mechanical breakdown—non­biological;   Anaerobic digestion—anaerobic and biological.  

The turned aerobic windrow composting, in­vessel aerobic  composting, and static piles may be considered conventional  methods of composting. Static windrow composting is a newer  idea still being tested that allows aerobic composting to take place without the need for turning. The mechanical breakdown approach  is a more radical attempt to produce a low­cost useable product  from non­green municipal solid waste and commercial waste but  within the current legislation. Anaerobic digestion is a novel  approach adopted from the treatment of wastewater sludge to  stabilize the waste materials before they are finally composted  using a more conventional method. Aerobic Windrows Aerobic windrow composting is the least technologically advanced  and the oldest form of controlled composting. To be fully successful when composting non­green municipal solid waste and  commercial waste the method relies heavily on operator  experience and the quality of the onsite management procedures.  Research into the different systems highlighted open turned  aerobic windrow composting as the lowest­cost system to both set  up and operate. Turned Windrows The operation of turned aerobic facilities can take place either in  the open or under cover. This factor influences the time taken for  the materials to compost, the investment required for the site and 

the materials to compost, the investment required for the site and  the importance of environmental issues such as odor and leachate. Levels of mechanization will also vary. The most basic method is to use front­end loaders and conventional agricultural machinery. This helps keep capital investment at a minimum. The alternative is to  go for a more sophisticated system, which involves permanent  windrow bays, and machinery that turns the windrow in situ by  traveling along the bay wall. This system is more expensive to both  install and operate but can be more effective at ensuring a good  turn, and mix of the windrow is achieved every time. Static Windrows Static windrowing can be undertaken in one of two ways. Air is artificially blown into the windrow—this requires that an  aeration system be present. An accelerator can be added to the  windrow, which speeds up the process and enables it to remain  aerated. Both of these systems can be undertaken either open or  enclosed. Static windrow composting works in the following  manner: 1.) Feedstock material arrives onsite and is either  normally shredded or macerated. This helps remove moisture and  reduce particle size. 2.) Feedstock material containing the correct  ratio of carbon and nitrogen is mixed together and formed into  windrows. The size of the windrow will depend on space available  and the composition of the material. 3.) Either air is blown into the  windrow or an accelerator is added. After the windrow has reached the required time temperature profile, it is removed for maturation. A number of merits can be seen from using aerobic windrow  systems. One primary advantage is the low level of capital  investment required to set up the facility and the low level of  maintenance cost required. This does increase if the system is  housed in a building and uses the more advanced windrow turning  systems. Even so, turned aerobic windrowing is the lowest­cost  option. Another advantage is that the levels of technology involved are  fairly low and standard equipment can be used. This helps keep  costs low and ensure that operator familiarity with equipment is  rapid. There are several disadvantages with aerobic windrow  composting, though. If the system is outside, there is lack of control over the environmental conditions (e.g., rain, temperature, wind  direction). These conditions, if outside the optimal, have a negative impact on the composting operation. The time required for  composting may increase if the weather is cold or wet or turning  cannot be conducted due to wind direction. This will then add strain to other areas of the facility and may result in additional costs to the facility. As conditions cannot be controlled and if the system is outside,  there is a greater potential for the formation of malodors. The  formation and dispersion of malodors can be very damaging to the reputation of a facility and lead to its closure. The use of static  windrows can help alleviate the problem with odor, as the windrow  is not turned. However, any malodor production is still able to vent  directly to the atmosphere if the windrow is uncovered. Problems  may also arise if the windrow turns anaerobic; there will be little  provision for effectively treating it and returning it to an aerobic  state. In­Vessel Composting  In­vessel composting uses slightly more advanced technologies  than open windrows to ensure that the materials are composted  effectively under more controlled conditions. In­vessel systems  work in broadly the following way: (1) Feedstock materials arrive  onsite and are shredded and mixed to ensure that they contain the  correct ration of carbon and nitrogen. (2) The mixed feedstock  materials are placed into the vessel. Conditions are controlled by  altering the flow of air into and out of the system. Any malodors are  removed as air is drawn out of the system. (3) Monitoring takes  place and the airflow is altered accordingly. (4) The compost is  removed and sent for maturation.

The systems used tend to be of box designs. The differences exist  in how the boxes are loaded and emptied and in how the airflow is  monitored and controlled into the units. In­vessel composting can  be classified into three categories: vertical, horizontal, and rotating  composting reactors. Vertical composting reactors are generally over 4 meters (yards)  high and can be housed in silos or other large structures. Organic  material is typically fed into the reactor at the top through a  distribution mechanism and flows by gravity to an unloading  mechanism at the bottom. Process control is usually by pressure­ induced aeration, where the airflow is opposite to the downward  materials flow. The height of these reactors makes process control  difficult due to the high rates of airflow required per unit of  distribution surface area. Neither temperature nor oxygen can be  maintained at optimal levels throughout the reactors, leading to  zones of non­optimal activity. Some manufacturers have minimized these difficulties by enhanced air distribution and collection  systems, including changing the airflow direction from vertical to  horizontal between alternating sets of inflow and exhaust pipes. As  with static pile composting, a stable porous structure is important  in vertical reactors, which usually lack internal mixing. Tall vertical  reactors have been successfully used in the sludge composting  industry where uniform feedstock and porous amendments can  minimize these difficulties in process control but are rarely used for heterogeneous materials like municipal solid waste. Horizontal composting reactors avoid the high temperature,  oxygen, and moisture gradients of vertical reactors by maintaining  a short airflow pathway (Figure 3). They come in a wide range of  configurations, including static and agitated, pressure, and/or  vacuum­induced aeration. Agitated systems usually use the turning  process to move material through the system in a continuous  mode, while static systems require a loading and unloading  mechanism. Materials handling equipment may also shred to a  certain degree, exposing new surfaces for decomposition, but  excessive shredding may also reduce porosity. Aeration systems  are usually set in the floor of the reactor and may use temperature  and/or oxygen as control variables. Systems with agitation and bed depths less than 2 to 3 meters (yards) appear effective in dealing  with the heterogeneity of municipal solid waste. Horizontal and vertical reactors are commonly referred to as in­ vessel systems as differentiated from open systems such as  windrows and static piles. Because of the higher capital and  operation costs associated with these contained systems,  residence time in the reactors is rarely adequate for the production of mature compost. Instead, in­vessel composting technologies are often used to help get the material through the early stages of  composting when odors and process control are most critical, and  the material is then moved into a windrow or static pile system for  the later stages of decomposition and curing. Rotating drum composting reactors take the trade­off between  reactor cost and compost residence time to an even further  extreme than the horizontal or vertical in­vessel systems. These  reactors (sometimes called digesters) retain the material for only a  few hours or days. While the tumbling action can help homogenize  and shred materials, the short residence time usually means the  processing is more physical than biological. While rotating drums  can play an important role in municipal solid waste composting,  they are normally followed by other biological processing, which  may include in­vessel, static pile, and/or windrow systems.  The main advantages of using in­vessel systems for the  composting of non­green municipal solid waste and commercial  waste are: l

Improved process control is achieved, as the systems are  “in­vessel.” The environmental conditions, such as moisture  content of the mixture, temperature, and fresh air  inflow/outflow, can be controlled and altered to ensure that  the process remains within optimal conditions for  composting. 

l

l

l

composting.  Malodor problems will not cause an environmental risk. Even  if malodor is produced within the in­vessel unit, it is scrubbed and treated before it is released into the atmosphere.  Because the conditions are much more controlled, there will  be fewer instances of malodor formation to begin with.  Small footprints are required to install and operate the in­ vessel units, meaning that they can be sited in locations such  as the factory yard to treat commercial waste at the site of  production.  Controlled environmental conditions and lack of malodor  mean that the units potentially can be sited near residential or commercial zones reducing transport costs. 

The main disadvantages associated with the use of in­vessel  systems are: l

l

l

High capital investment is required for the purchase of the  system.  The systems require a higher level of maintenance leading to higher costs than turned aerobic windrows.  Each unit is limited in its throughput. If the quantity of  incoming feedstock increases, there is little operational  flexibility; more units would need to be purchased. This  makes it difficult for the system to achieve true economies of  scale. 

Static Piles Static piles can be shaped much like windrows or in an elongated  pile or bed. The essential difference is in the name; static piles are  not mechanically agitated. Once constructed by conveyor, loader,  or truck, the piles remain in place until the decomposition slows.  The lack of agitation requires the maintenance of adequate  porosity over an extended period of time. When composting fine  materials like sludge, a coarse stable substrate such as wood  chips is often incorporated in the mix. Inert materials or slowly  degrading cellulosic substrates like cardboard or leaves may help  supply that stable porous structure in municipal solid waste, but this needs to be considered in the preprocessing system design. Process control is normally through pressure and/or vacuum­ induced aeration, with either temperature or oxygen as the control  variable. Blower piping can be temporary plastic or metal in a bed  of coarse material at the base of the pile, or recessed into the  composting pad under perforated plates. Piles are often covered  with a layer of wood chips or mature compost to insulate the active  compost from ambient temperatures and/or provide some odor  treatment. Both windrows and static piles are often outside and  exposed to weather but can be covered with a roof to minimize the  impacts of weather and provide an opportunity for odor capture  and treatment. There are two methods of aerated static pile composting with one  being an active aerated pile and the other being a passively  aerated pile. The active aerated method we have already  discussed. The passively aerated system is the exact same  design, with the exception of the air system. The pipe ends are left  open on either side. Air flows into the pipes and through the pile  because of the chimney effect created as hot air rises upward out  of the pile. Advantages of aerated static pile composting include: l l l l l

Ability to control oxygen and temperature levels in the pile;  No mechanical turning required;  Reduced odors and rodents;  Can be carried out indoors or outdoors;  Quicker than windrow method. 

Disadvantages to aerated static pile composting include: l l l

Must screen and then chip coarse material  No ability to manage moisture level  Plugged pipes leading to more maintenance and reduced  efficiency 

l

Higher capital cost than windrow 

Mechanical Breakdown This system operates significantly differently from the turned  windrow and in­vessel systems already mentioned. It is a newer  approach to process large volumes of non­green municipal solid  and commercial wastes cost­effectively. The system is mechanical  in its operation with no encouragement of the biological element  associated with normal composting. The system uses proven  technology and allows rapid processing of large volumes of  material. There are, however, question marks over the quality of the final product and its usage. This type of system works in the following basic way: l

l

l

Feedstock materials can be screened at the start to remove  very large and some inorganic fractions of material.  The feedstock material is passed through a set of either  grinders or hammers to break down its particle size  mechanically.  The processed materials can be screened again to remove  further inorganic materials such as metals before being  transported for application to land. 

This is a new approach for the treatment of non­green municipal  solid waste and commercial waste within the UK and departs from  other more conventional systems being employed by some  organizations. The main advantage with this system is that it enables large  volumes of non­green municipal waste and commercial waste to  be processed rapidly and cost­effectively.  The main disadvantages with this system are: l

l

The process itself does not stabilize or treat other than  mechanically the materials passing through. No temperature  increase is seen to reduce pathogens or viable seeds;  It does not really meet the legislation as a suitable treatment  method contained in the Landfill Directive or the proposed  Biowaste Directive in the UK. 

Composting Advantages The main advantages of composting include: l

l

l

l

l l

l

Possible simple, durable, and cheap technology (except  some in­vessel facilities);   Approximately 40% to 50% of mass (weight) recovered for  plant growth;  Maximum recovery of the nutrients required for low­input  farming systems (i.e., phosphorus, potassium, magnesium,  and micronutrients);  Production of humic substances, beneficial microorganisms,  and slow­release nitrogen required for landscape gardening  and horticulture;  Eliminates weeds and pathogens in the waste material;  Possible good opportunities of process control (except at  most facilities without forced aeration);  Can achieve a good working environment (e.g., pressurized  operating cabins with filters). 

Disadvantages Among composting’s drawbacks are to be found:  l

l l

l

l

Requires source separation of municipal solid waste,  including continuous information to waste generators  Must develop and maintain market for the compost products  Periodical emission of odorous compounds, especially when treating municipal solid waste  Loss of 20% to 40% of nitrogen as ammonia, loss of 40% to  60% of carbon as carbon dioxide  Potential vector problems (seagulls, rats, flies) when treating 

l

municipal solid waste  Skilled staff needed when treating 

Some of the common problems encountered in composting  systems include: l

l

l

Waste must be separated into degradable and non­ degradable. Some wastes are not suitable for composting  because they contain significant quantities of heavy metals,  paper, and plastics.  Some plants are complex and difficult to maintain. If  mechanized, it involves relatively high­capital investment and  recurring maintenance and operating costs.  In some cases, the market for compost is inadequate in the  immediate vicinity, thereby increasing transportation cost. 

Composting Costs Composting costs include site acquisition and development,  regulatory compliance, facility operations, and marketing of the  finished product. Additional requirements may include land for  buffers around the compost facility, site preparation, and handling  equipment such as shredders, screens, conveyors, and turners.  Facilities and practice to control odors, leachate, and runoff are a  critical part of any compost operation. The cost of constructing and operating a windrow composting  facility will vary from one location to another. The operating costs  depend on the volume of material processed. The use of additional feed materials, such as paper and mixed municipal solid waste,  will require additional capital investment and materials processing  labor. The capital costs of windrow or aerated piles are lower than in­ vessel composting configuration. However, costs increase  markedly when cover is required to control odors. In general, costs  of windrow systems are the lowest compared to the other two  techniques. The in­vessel system is more costly than other  methods, mainly with respect to capital expenditures. In addition, it  is more mechanized and more equipment maintenance is  necessary; however, it tends to be less labor­intensive.  Environmental Impacts Composting can be used as fertilizer for agricultural soils. This  practice can be extremely important in order to decrease the  amounts of chemical fertilizers used.  Composting practices emit into the atmosphere different gases:  greenhouse gases, volatile organic compounds, and odors. In soils and water systems the major concerns are due to deposition of  salts and heavy metals. Air Pollution: The main issues are releases of different greenhouse gases (volatile organic compounds, carbon dioxide, and methane)  and odors (ammonia, hydrogen sulfide). Volatile organic  compounds increase the level of smog (tropospheric ozone), which can modify the temperature structure of the atmosphere, leading to  climate changes.  The emissions of volatile organic compounds depend on the  temperature, aeration, and biological activity in the compost. The  greenhouse gases carbon dioxide and methane trap thermal  energy that comes to the atmosphere, raising the global  temperature of the Earth.  The contribution of greenhouse gases from composting to global  warming is low because this practice is not yet widespread.  Enclosed composting facilities have biofilters that remove odor  emissions. Soil Pollution: Pollution of soils is mainly due to the addition of  salts, heavy metals, and different organic compounds. They  change the properties of the soil and can be toxic for the  vegetation. Some metals are present in composted soils in higher 

concentrations than in agricultural soil (e.g. lead, zinc, and copper), which can lead to the impairment of crops. If the bioavailability is  high, these compounds can cause contamination in the whole food  chain.  The form in which the metal is found determines the bioavailability.  Some soils are much more susceptible to contamination than  others. The biodegradable waste used for composting must be  free of contamination. If not, the end product will also be  contaminated. The contamination will be passed on to the soil  where the compost is added. Water Pollution: The main pollutants of the water systems are  caused by washout processes of soils treated with compost.  Therefore, the contamination of water systems includes heavy  metals, different organic compounds (e.g., phenols, PAHs, PCBs,  etc.,) and salts (e.g., nitrate, ammonium, etc.). Conclusions Composting is an attractive treatment method: l

l

l

l

It is a simple low­cost technology, although processing  methods can be deployed to encourage the composting  process.  As a familiar process, it is unlikely to meet significant public  opposition during the planning process.  Almost one­third of the waste tonnage is lost to carbon  dioxide and water through the composting process.  The resulting compost material can be put to beneficial use  on land. 

A successful municipal solid waste composting plant must be  designed with strict attention to the finished compost; product  specifications will determine requirements for both the incoming  refuse feedstock and the physical and biological processes  employed. Low contaminant levels will be essential if municipal  solid waste composting is to live up to its potential and recycle  organic wastes. MSW Surendra Kumar, Shashi and Salman Zafar are with  the Indian  Institute of Technology, Roorkee, Uttaranchal, India.  MSW ­ May/June 2006

 

Search  | Subscribe  | About | News  | Advertise  | Register  | Services  | Calendar Glossary  | Contact Us | Current Issues  | Back Issues  | Other Forester Publications  |  Forester Press   © FORESTER MEDIA, INC. P.O. Box 3100 + Santa Barbara, CA 93130 + 805­682 ­1300