Optimizing composting process : mathematical modelling and analysis of feedstock mixtures including high-moisture-content digestate residues

Abstract

An effective way of handling biowaste and digestate residues is critical for effective waste management and resource recovery in urban environment. This thesis presents a comprehensive study to improve composting efficiency for a mixture of various feedstocks through development of mathematical model. Several key factors such as bulk density, free air space (FAS) and nutrient conditions were evaluated to understand their influence on water removal and biological activity. The study was based on experimental data and literature reviews to gain insights into the optimal conditions for co-composting of biowaste and digestate.

The results indicated that ensuring adequate conditions or air flow by maintaining a proper level of free air space through the composting material is crucial for maintaining effective composting performance. The proposed mathematical model demonstrated the relationship between moisture change and the properties of bulky agents have a crucial effect on the performance of the composting process. This thesis offers recommendations for adjusting feedstock mixtures and monitoring strategies to optimize composting conditions to address the challenges caused by digestate with high moisture content.

The study was performed in 2022-2023 but published in 2025.

Tehokas biojätteen ja mädätysjäännöksen käsittely on keskeistä kaupunkiympäristön toimivan jätehuollon ja resurssitehokkuuden kannalta. Tässä diplomityössä tutkittiin keinoja parantaa erilaisten syöteseosten kompostointitehokkuutta käyttäen apuna matemaattista mallia. Tutkimuksessa arvioitiin erilaisia kompostointiprosessin tehokkuuteen vaikuttavia muuttujia, kuten materiaalin irtotiheyttä, vapaata ilmatilaa (free air space, FAS) ja syötemateriaalien ravinnetasapainoa, jotta voitaisiin paremmin ymmärtää syötemateriaalien vaikutusta nesteen poistumiseen prosessin aikana ja prosessin biologiseen aktiivisuuteen. Tutkimus perustui kokeellisiin tietoihin ja kirjallisuuskatsaukseen, joilla kerättiin tietoa biojätteen ja mädätysjäännöksen yhteiskompostoinnin optimaalisista olosuhteista.

Työn tulokset osoittavat, että kompostointiprosessin tehokkuuden kannalta on ratkaisevaa varmistaa prosessiolosuhteet, joissa voidaan taata riittävä ilmavirta kompostointimassan läpi. Kehitetty matemaattinen malli auttaa kosteuden muutoksen ja tukimateriaalin ominaisuuksien hallinnassa, kun halutaan vaikuttaa kompostointiprosessin toimintaan. Matemaattisen mallin lisäksi työssä esitetään keinoja tarkkailla syötemateriaalien ominaisuuksia päivittäisessä työssä kompostointilaitoksella niin, että muutoksiin voidaan reagoida mahdollisimman nopeasti.

Työtä tehtiin pääasiassa vuosina 2022-2023, mutta se julkaistiin vasta vuonna 2025.