Vermicomposting of Organic Solid Wastes as a Biological Treatment for Sanitation

Abstract

More than 38 billion m³ of organic solid wastes (OSW) are produced annually from human, livestock and crop activities worldwide. To achieve the Millennium Development Goal for sanitation (MDG7), several alternatives for OSW treatments have been introduced, some of which follow the concept of ecological sanitation (EcoSan). Based on the EcoSan approach, one biological treatment which is now being widely developed, is vermicomposting.<br /> This thesis examines monoculture (<em>Eisenia fetida</em>) and polyculture (<em>Eisenia fetida </em>and <em>Dendrobaena veneta</em>) vermicomposting of three OSW materials, separated solids of digested biogas slurry (Bs), non-urine faecal matter (Fm) and bio-waste (Bw), to produce hygienically safe products. <br /> Preliminary suitability tests of the three fresh materials for vermicomposting showed that E. fetida did not accept these materials, most likely due to unsuitable levels of either high pH (~8.5), EC (~9.0 mS cm^-1), or total ammonium nitrogen (TAN) (>10 g kg^-1), or low pH (<6.0). <br /> Based on the finding that a small TAN amount (<30 mmol L^-1) at alkaline pH (>7.0) dramatically affected the earthworms, the fresh Bs were pre-treated for 2 weeks by composting to eliminate some TAN. With that pre-treatment, the low pH of fresh Bw (<5.0) increased up to 7.5. Consequently, two single pre-treated Bs and Bw were accepted by earthworms for vermicomposting, whereas without pre-treatment, 100% mortality of earthworms was found in single Fm due to increased TAN content (from 25.7 to 526 mmol kg^-1) during storage. However, three mixtures of Fm, Bs and Bw (namely BsBw, FmBw and BsFmBw) were accepted and digested by both worm species due to the less toxic influence of TAN (<30 mmol kg^-1). <br /> There were no significant differences in physico-chemical properties of all vermicomposted substrates and qualities of products between monoculture and polyculture treatment. After 12 weeks of vermicomposting plus 12 weeks of stabilisation storage for maturing, all 24-week vermicomposts of five OSW materials seemed to be mature (the respiration index for four days (AT₄) <10 mg O₂ g^-1), and met the European Union (EU) threshold for compost maturity. <br /> From positive occurrences in 10.0 g fresh OSW, <em>Salmonella</em> spp. was not found in 10.0 g of the final products. In addition, numbers of <em>Enterococcus</em> spp. and <em>E. coli</em> in vermicomposts were reduced strongly (2.7-5.8 and 3.3-6.4 log₁₀ units, respectively). According to WHO guidelines for sanitation, these products could be applied safely in agriculture.

<strong>Vermikompostierung organischer Abfälle als biologische Maßnahme zur Wiederverwertung und Hygienisierung</strong><br /> Jährlich werden weltweit 38 Milliarden Kubikmeter organischer Abfall produziert, der sich aus menschlichen und tierischen Abfällen sowie Ernterückständen zusammensetzt. Um das Millennium Entwicklungsziel für Sanitation (MDG7) zu erreichen, wurden verschiedene Alternativen zur Behandlung von organischen Feststoffen eingeführt. Einer der in jüngster Zeit stärker weiterentwickelten Ansätze ist die Vermikompostierung. <br /> In dieser Arbeit wurden mittels Monokultur (<em>Eisenia fetida</em>) und Polykultur (<em>Eisenia fetida </em>und <em>Dendrobaena veneta</em>) drei verschiedene organische Feststoffgemische vermikompostiert um hygienisierte Substrate zu erhalten: Feststoffe aus der Biogas-Vergärung (Bs), Fäkalien ohne Urin (Fm) und Bioabfall (Bw). <br /> Erste Eignungstests mit den drei frischen Materialien (Bs, Fm und Bw) zeigten, dass E. fetida diese nicht akzeptiert, aller Wahrscheinlichkeit nach aufgrund von extremen pH (<6,0 bzw. >8,5), hoher elektrischer Leitfähigkeit (~9,0 mS cm^-1) und hohem Ammonium Gehalt (>10 g TAN kg^-1). <br /> Die Ergebnisse zeigten auch, dass geringe TAN Konzentrationen (<30 mmol L^-1) bei alkalischem pH (>7.0) starke Auswirkungen auf die Regenwürmer hat. Daher wurde frisches organisches Abfallmaterial (Bs) 2 Wochen durch „Präkompostierung“ vorbehandelt um einen Teil des TAN als NH3 zu eliminieren. Mit der gleichen Vorbehandlung stieg der pH von frischem Bioabfall von 4,4 auf 7,5 an. Danach wurden die beiden Substrate von den Regenwürmern zur Vermikompostierung akzeptiert. Ohne Vorbehandlung führte die Vermikompostierung zu 100% Sterblichkeit aufgrund der hohen TAN Konzentration (526 mmol kg^-1). Aufgrund der geringeren Toxizität bei TAN Konzentrationen <30 mmol kg^-1 wurden die Mischungen aus BsBw, FmBw, and BsFmBw von beiden Regenwurmarten akzeptiert. <br /> Es wurden keine signifikanten Qualitätsunterschiede zwischen Behandlung mit Monokultur und Polykultur beobachtet. Nach 12 Wochen Vermikompostierung plus 12 Wochen Reife-Stabilisierung erreichten alle Vermikomposte, die aus fünf verschiedenen organischen Feststoffen stammten, eine niedrige Respirationsrate (AT₄<10 mg O₂ g^-1) und damit eine ausreichende Stabilisierung die EU-Richtlinie für Kompost. <em>Salmonella</em> spp. wurde -nach positiven Befunden in den Rohmaterialien- nicht mehr im Vermikompost nachgewiesen. Zudem konnte mit Regenwürmern eine stärke Reduzierung von <em>Enterococcus</em> spp. und <em>E. coli</em> erreicht werden (2.7-5.8 log10 bzw. 3.3-6.4 log₁₀). Entsprechend der WHO-Richtlinien für die Verwertung von können diese Produkte als sicher in der Landwirtschaft angewendet werden.