Øvelser om affald: Nedbrydning af organisk affald fra deponier

Øvelser om affald: Nedbrydning af organisk affald fra deponier Kemi/biologi, gymnasiet Forfattere: Janus Hendrichsen, Flemming Nielsen, Jens Prom Illustrationer: Bryan d Emil Redaktion: Line Anne Roien Dokumentet er sidst opdateret: juni 2013 1

Baggrund På ældre deponier er der igennem tiden blevet tilført store mængder af organisk stof fra husholdning og industri. Affald fra levnedsmiddelindustrien er ofte ensartet og til stede i store mængder og nedbrydes ret langsomt, f.eks. sukker- eller kartoffelmelsaffald. Husholdningsaffald er mere blandet og kan nedbrydes nogenlunde hurtigt, hvis der er luft nok og den rette fugtighed. I mange tilfælde er der imidlertid kørt store mængder fyldjord oven på, hvilket får omsætningen af organisk stof til at gå langsomt pga. iltmangel. Man kan også risikere at omsætningen går helt i stå eller omdanner det organiske stof til metangas. Nogle steder er metanproduktionen fra deponier så stor, at man har kunnet indrette et rørsystem, der kan udvinde naturgassen. I dag deponeres husholdningsaffald ikke, bortset fra i kortere perioder med overproduktion af affald. Vi undersøger Vi vil i denne øvelse lave forskellige undersøgelser af nedbrydningen af organisk affald på deponier og nedbrydningsprocessens påvirkning af udvaskningen og omdannelsen af forskelligt organisk materiale. Undersøgelserne skal forløbe over flere uger, da nedbrydningen tager en del tid. Til alle undersøgelserne skal i bruge deponi-modellen (se øvelsen deponi introduktion, fremstilling og udvaskning). Ved hver enkelt øvelsesbeskrivelse findes en liste over de materialer, I får brug for. Klargøring af deponi-modellen 1) Deponimodellen indrettes og sættes op med kasse, slanger og grus som beskrevet i øvelsen Deponi introduktion, fremstilling og udvaskning. Udnævnt et rum til at være deponi og et til at være markjord. De to rum skal nu fyldes: 2) Deponiet : Tag kompost fra en kompostbeholder og bland det med findelte kartoffel- og gulerodsskræller samt andet organisk affald (løgblade, teblade mm), så det ikke er for vådt. Bland kompost og grovkornet jord i forholdet 1:1, så det er løst og luftigt. Del kompost/jord-blandingen i 3 lige store dele; de tre dele nævnt nedenfor kan adskilles af vægge af tynd plast eller finér, som trykkes ned mellem jordafsnittene: Den ene del blandes fx med nogle skiver appelsinskal, træstykker, nøddeskaller og bananskræl og placeres i den nederste tredjedel af deponirummet. 2

Den anden del blandes med papir-, plast- og metalstykker og lægges i midten af deponirummet. Den tredje del af komposten placeres ublandet i deponirummets øverste tredjedel. Allerøverst lægges et tyndt lag frisk, groft kornet jord, evt. køkkenhavejord eller jord fra skovbunden. Husk at afmærke afdelingerne på modellen eller i noter. 3) I det andet rum marken lægges almindeligt groft kornet jord. 4) Hele modellen gennemfugtes med vandkanden. Vær opmærksom på at der ikke må stå vand i jorden igennem længere tid, da nedbrydningsprocesserne så vil blive iltfri og nedbrydningen vil hæmmes. Modellen kan overdækkes med en plade til at dæmpe udtørringen, men sørg for at lave en sprække til luftudskiftning. Forsøget skal stilles op i løbet af én dag, men analyserne kan først laves ved en senere lejlighed. Undervejs sikres det, at jorden ikke tørrer ud. Man kan f.eks. fortsætte forsøget en uge senere. Nedenfor gives forslag til en række undersøgelser, der kan foretages på deponiets og markens nedbrydningsprocesser. Man kan vælge at udføre nogle enkelte eller alle undersøgelserne efter behov, ligesom man kan opdele klassen i hold, der gennemfører hver deres delundersøgelser: 1) CO 2 -måling (se også øvelsen Kompostering nedbrydning udvikler CO 2 ) 2) Nedbrydning af organisk stof: Målt ved methylenblåt, iltforbrug og udvaskning af næringsstoffer i drænvand 3) Undersøgelse af materialernes nedbrydningsgrad. Øvelse 1: CO 2 -måling I kan undersøge produktionen af CO 2 i de to kamre. NB! Øvelsen tager et par timer at lave. 2 jordåndingskamre med termometre og prop 2 x 10 ml 0,1 M KOH (KaliumHydroxid) 2 bægerglas, 50 ml Mættet BaCl 2 (BariumChlorid) Phenolphthalein-indikator 0.1 M HCl (Saltsyre) Burette (50 ml) eller engangssprøjte (20 ml) Gerne magnetomrører og magneter Sådan udføres forsøget Der benyttes samme fremgangsmåde som beskrevet i øvelsen Kompostering udvikler CO 2. 1) Opstil et jordåndingskammer på hvert sit felt af deponimodellen, et over komposten og et over markjorden. Sæt en prop med jordtermometer i det ydre hul på de to kamre. Hæld 10 ml 0,1 M KOH i hvert af de midterste kamre og prop det centrale hul til. Tiden registreres. 3

2) Efter 1,5 til 2 timers tid (tiden, som er medgået til forsøget, registreres omhyggeligt) udtages 5 ml KOH fra deponi-kammeret og overføres til et 50 ml bægerglas. Herefter tilsættes 1,25 ml BaCl 2 og et par dråber phenolphthalein og omrøres. Der fremkommer en rød farve, som viser, at analysen kan videreføres. Der titreres med 0,1 M HCl og forbruget af saltsyre til omslag fra rød til farveløs registreres og skrives ned. 3) Den samme fremgangsmåde anvendes med KOH fra jordåndingskammeret over markjorden. Også her titreres der omhyggeligt og den forbrugte mængde 0,1 M HCl til omslag fra rød til farveløs noteres. Noter også her tiden, som forsøget løber i. 4) Til sidst laves en udgangsprøve ved at titrere 5 ml KOH, der ikke har været i jordåndingskammeret. 5) Nu beregnes CO 2 -produktionen fra hhv. deponi og markjord: Antal ml HCl fra startprøven fratrukket antal ml HCl fra slutprøven ganges med 2,2 mg CO 2. Derefter ganges med 2, da analysen er baseret på, at alle 10 ml KOH i jordåndingskammeret titreres. Den fremkomne mængde i mg CO 2 svarer altså til, hvor meget CO 2, der afgives fra det areal jord, som jordåndingskammeret dækker, i den tid forsøget har forløbet Man kan nu beregne, hvor meget CO 2, der afgives pr. m 2 jord og pr. time. Det letter sammenligningen mellem de forskellige kompost-prøver og markjorden. Hvordan kommer I videre Sammenlign CO 2 -produktionen i de to jordområder pr. tidsenhed og areal på henholdsvis deponiområdet og markområdet. Forklar hvad forskellene kan skyldes. Hvilke organismer er især ansvarlige for CO 2 -produktionen i jorden? Hvilke processer medvirker til, at der dannes CO 2? Hvad kan den dannede kompost anvendes til? Haveaffald komposteres på særlige kompostanlæg. Kunne organisk husholdningsaffald komposteres? Kan man behandle organisk affald fra husholdningen på andre måder? Hvilke fordele er der ved at kompostere store dele af haveaffaldet i stedet for at brænde det? Kan borgerne selv kompostere have- og husholdningsaffald? Hvilke fordele ville der være for samfundet ved at borgerne selv gjorde dette? Øvelse 2: Nedbrydning af organisk stof Undersøgelse af graden af nedbrydningen af det organiske stof udføres ved, at lave analyser af drænvandet for: a. Methylenblåtprøven b. Iltforbrug over 5 dage (BI 5 ) c. Næringssalte. 4

Sådan laves forsøgene NB! Methylenblåt-prøven kan tage op til 21 dage at lave. Der er angivet for hver analyse, hvad der er brug for af udstyr. Øvelse 2a: Methylenblåt-prøve Opsamlet drænvand (perkolat) fra deponimodellen Bægerglas 50 ml 3 reagensglas med gummipropper, stativ Methylenblåt i pipetteflaske Sådan udføres forsøget 1) Deponiet vandes forsigtigt og det gennemsivede drænvand ( perkolatet ) opsamles i 50 ml bægerglas. Methylenblåtprøven udføres på de to vandprøver. Prøven tager op til 21 dage at udføre: 2) Vandprøverne fra henholdsvis deponiet og markområdet omrystes og hældes på hvert sit rene reagensglas, der afmærkes. Endnu et rent reagensglas fyldes med postevand. Glassene fyldes helt til kanten. 3) De tre glas tilføres 3-4 dråber methylenblåt og de omrystes omhyggeligt til samme blå farve er opnået ved at sætte en tommelfinger på åbningen; der skal være væske til kanten af glassene. Nu skal propperne sættes i glassene uden at man får luftblærer med i vandet. Dette gøres ved, at reagensglasset hældes lidt og gummiproppen trykkes ind mod under siden af glasset, samtidig med, at proppen presses nedad og luften presses ud sammen med lidt vand uden man fanger 4) luftblærer i glasset under proppen (det kan kræve lidt øvelse på en ren vandprøve at gøre det). 5) Derefter stilles de tre, mærkede vandprøver op og de to drænvands-prøvers farveintensitet sammenlignes med postevandsprøvens. Farven noteres. Prøverne stilles mørkt, men kontrolleres efterfølgende hver time for farveændringer resten af dagen. 6) Herefter kontrolleres prøverne for farveskift hver dag og alle ændringer noteres. Der registreres i op til 21 dage eller til farveskift. Hvordan kommer I videre? Vandprøver med megen, let omsætteligt organisk stof i kan lave farveskift efter få timer. Ellers sker dette ofte dagen efter eller inden for få dage. Prøver med en lille organisk stofmængde kan holde sig blå (stabile) i op til 21 dage. Prøv at sammenligne, hvor længe de to drænvandsprøver var stabile mht. farven. Var der tydelig forskel på kompostjord-vandets og markjord-vandets stabilitets-tid? Hvad siger det om indholdet af let omsætteligt organisk stof i kompostjord sammenlignet med markjord? 5

Øvelse 2b. Undersøgelse af biologisk iltforbrug (BI 5 ) i drænvandet Drænvand fra deponi- og markområdet, 2 x 100 ml i bægerglas 4 reagensglas med tætsluttende propper eller 4 stk. 25 ml glasflasker med prop Kemisk analysesæt til undersøgelse af iltindhold, f.eks. Hydro-eX ilttitrering (Scandidact), Visocolor iltindhold (Frederiksen og Gundlach) samt Aquamerck. Sådan udføres forsøget 1) Efter komposten har været nedbrudt i ca. en uge, gennemvandes deponi- og markområdet og drænvandet opsamles. De første 15-20 ml kasseres, da det kan være drænvand, der har ligget i rørene eller stammer fra den nedre del af drænlag og jord. De næste 100 ml opsamles og undersøges for Biologisk Iltforbrug i 5-dages periode (BI 5 eller BOD): 2) To ens, rene reagensglas eller 25 ml flasker med prop (der kan presse luft og vand ud uden at fange luften) fyldes med vand fra deponiet og mærkes. To ens, rene reagensglas eller rene 25 ml flasker fyldes med vand fra markdelen og mærkes. NB! Alle reagensglas lukkes tæt uden der må være luftbobler i. Dette gøres ved at fylde reagensglasset til kanten, hælde det lidt og føre en gummiprop, der trykkes lidt på siden, ned langs den nederste kant. Herved trykkes luften ud og proppen presses ned uden luft fanges. (Prøv det på rent vand inden forsøget!). 3) Glassene med henholdsvis vand fra deponidelen og vand fra markdelen analyseres for iltindhold vha. et kemisk analyse-sæt til iltanalyse. Indholdet af ilt fra de to jordprøver noteres i et simpelt skema, der gemmes til 5 dage senere, hvor anden del af analysen laves. 4) De to sidste glas stilles mørkt i et skab i 5 dage. Efter 5 dage er gået undersøges de for iltindhold på samme måde som da den første ilt-analyse blev lavet. 5) Herefter skal iltforbruget i 5 dage beregnes: Iltindholdet i det glas, der blev analyseret 1. dag minus iltindholdet i glasset der blev analyseret efter 5 dage svarer til det organiske stofs iltforbrug i 5 dage = BI 5. Hvis iltindholdet i glasset efter 5 dages henstand bliver 0, så må forsøget gentages, idet man kan anvende to metoder: Enten må drænvandet fortyndes 10 x med vand og blandingen iltes (evt. med akvariepumpe) før den fordeles i de to reagensglas. Den ene prøve analyseres for start-iltindhold og den anden tilproppes og sættes til henstand i 5 dage. Efter de 5 dage analyseres den opbevarede prøve og BI 5 -iltindholdet beregnes ved fratrækning af de to værdier. Herefter ganges iltforbruget med 10, idet man har fortyndet drænvandet 10 x. Eller man må gentage forsøget, men blot lade det løbe i 2 dage, hvorefter værdien for iltforbrug ganges med 2,5. Hvordan kommer I videre? Vandprøver med megen, let omsætteligt organisk stof i kan have et iltforbrug på fra 25 til mange hundrede mg ilt/liter vand. Da vand normalt kun kan indeholde max. 10 12 mg ilt/liter vand vil det altså sige, at vand fra deponier kan afilte grundvandet eller vandet i vandløb og søer fuldstændigt i værste tilfælde. Hvilke effekter ville det have, hvis grundvandet blev helt af-iltet? 6

Prøv at sammenligne de to drænvandsprøvers BI 5. Var der væsentlig forskel på de to værdier? Hvad siger det om indholdet af let omsætteligt organisk stof i kompostjord sammenlignet med markjord? Hvor stor indflydelse ville kompostvandets iltforbrug have på vandmiljøet i søer og åer, hvis større mængder blev sluppet ud i naturen? Hvordan burde man behandle drænvandet fra et kompostanlæg, hvis man skal undgå skader på natur og miljø? Læs mere om deponier på www.affald.dk. Øvelse 2c: Undersøgelsen af gødningsindholdet i drænvandet I forlængelse af de første undersøgelser af drænvandets iltforbrug (punkt 2.b) kan det opsamlede drænvand bagefter anvendes til undersøgelser for jordvandets indhold af nitrat, ammonium, fosfat, kalium og surhedsgrad (ph). Drænvand fra deponi- og markområdet Kemiske analysesæt til nitrat, ammonium, phosfat, ph m.v. (Hach, Merck, Visocolor, Hydro-eX eller Machery-Nagel m.fl.) Glasvarer: Bægerglas, måleglas, pipetter m.v. Sådan udføres forsøgene 1) Følg anvisningerne på de forskellige analysesæt. Gennemfør omhyggelige analyser af drænvandet for dets indhold af nitrat, ammonium, fosfat, ph-værdi m.v. 2) Alle de målte værdier for de to vandprøver noteres i et enkelt skema, hvor også iltforbrug, methylenblåt-stabilitet (antal dage prøven var blå) og graden af nedbrydning af papir, plast og metal (se næste punkt) noteres. Hvordan kommer I videre Hvis drænvandet har passeret gennem områder i deponier, hvor der foregår stor omsætning af det organiske stof, så vil der ofte være et stort indhold af nedbrydnings-produkter som næringssalte (nitrat, ammonium og fosfat). ph-værdien vil ligeledes ofte være lavere pga. de mange humussyrer, der frigøres. Hvis man måler ledningsevnen, så vil man meget ofte se en stigning i drænvandets ledningsevne, hvis det har passeret gennem områder med organiske stof. Prøv at sammenligne de to drænvandsprøvers næringsindhold og ph-værdi. Var der væsentlig forskel på de to værdier? Hvad siger det om indholdet af let omsætteligt organisk stof i kompostjord sammenlignet med markjord? Hvilken indflydelse vil drænvandets indhold af næringssalte have på vandmiljøet, hvis større mængder blev tilført naturen? Hvilken betydning kan vand med lave ph-værdier have for det naturlige vandmiljø? Kan man gøre noget for at undgå skader i naturen vedr. drænvand med næringssalte fra deponier? Læs mere om deponier på www.affald.dk. 7

Øvelse 3: Undersøgelse af nedbrydningsgraden af stofferne I kan undersøge nedbrydningen af det affald, I har gravet ned i deponimodellen. Sådan udføres undersøgelsen 1) De nedgravede stykker af papir, plast og metal graves forsigtigt op og studeres. Alle ændringer i kanterne, ædemærker, huller, jordslåethed (sorte skimmelpletter), farve mm. noteres. Er der ikke tydelige ændringer graves materialerne ned igen og man kontrollerer nogle dage senere for ændringer af papir, plast og metal. 2) Stykker af appelsinskræl, bananskræl og lignende graves op og kontrolleres for forrådnelsesgrad. Iagttag, hvor meget af skrællerne, der er tilbage og om der er sket nævneværdig nedbrydning. 3) Hvordan er nedbrydningsgraden af papir, plast, metal, appelsinskræller og organisk stof i almindelighed i deponidelen? Kan I forklare forskellene? Hvordan kommer I videre? Når I har lavet flere af eller alle analyserne beskrevet her i øvelsen, kan I arbejde videre med nedenstående spørgsmål: 1) Prøv at samle alle oplysningerne om drænvandets indhold af iltforbrugende organiske forbindelser, næringssalte og syrer. Giv en redegørelse for, hvordan grundvandet bliver påvirket ved, at de omtalte stoffer tilføres fra deponier. Hvilken betydning kan det have for vandmiljøet, hvis drænvand fra deponier ledes ud til vandløb og søer? 2) Sammenlign de iagttagede forhold vedr. komposts og jords omsætning og drænvandets indhold af bl.a. næringsstoffer med den nedbrydning, der er sket på de udlagte materialer. 3) Hvilken betydning har det for anlæg og drift af nye deponier, at grundvand, natur og miljø i nærheden af deponiet kan blive påvirket så alvorligt? 4) Kan man begrænse eksisterende deponiers indvirkning på grundvand og vandmiljø ved forskellige tekniske indgreb? 5) Hvilke grundlæggende problemer er der ved at benytte naturlige nedbrydningsprocesser til bortskaffelse af blandet husholdningsaffald? 6) Kan man helt undgå deponier i forbindelse med affaldsbehandling? Læs mere om nedbrydning af organisk materiale, deponier og biogas i artiklerne på www.affald.dk. 8