Fundamento Terorico Compost

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7 CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS 2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS El compostaje fue una práctica realizada desde los inicios de la civilización occidental (Roma y Grecia) donde los granjeros amontonaban estiércol para utilizarlo como fertilizante. Esta práctica continúa en la Edad Media y en el Renacimiento [28]. Probablemente el Sr. Albert Howard fue el primer agricultor que tuvo un acercamiento científico al compostaje hace 75 años en la India (Rodale, 1946, citado por [28]), quien estableció que la elaboración de composta tenía por objeto digerir materiales frescos de origen agrícola, antes de ser incorporados, de tal manera que se evitara que las bacterias terminaran su proceso en el suelo, a expensas del nuevo cultivo. El compostaje es definido como un método de degradación de la fracción orgánica de los residuos sólidos por la acción de diversas poblaciones biológicas bajo condiciones controladas de oxigenación, humedad y temperatura, que le permiten alcanzar un estado suficientemente estable para su almacenamiento y utilización sin efectos nocivos para las plantas [2]. En la Figura 2.1 se muestra el esquema del proceso de compostaje, el cual puede ser representado con la siguiente reacción que representa el equilibrio dinámico del proceso [8]: ܥ ܪ 0.5ሺ ݕ2 ݏെ ሻ ՜ ܥ ܪ ܪݎ ܥݏ ሺ െ ሻ ܪA esta reacción se le conoce como la ecuación estequiométrica del compostaje, donde ܥ ܪ representa la materia orgánica y ܥ ܪ la fracción de materia orgánica resistente, no se considera la producción de células nuevas o de sulfato, ݏൌെ ݓy ݎൌ 0.5ሾሺ െ ݔെ 3ሺ െ ݔሻሿ; , , , describen la cantidad relativa molar de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno respectivamente en la porción seca inicial de la fracción de Sólidos Volátiles Biodegradables (SVB) ; ݖ ,ݕ ,ݔ ,ݓdescriben la cantidad

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compost

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CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS

2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS

El compostaje fue una práctica realizada desde los inicios de la civilización

occidental (Roma y Grecia) donde los granjeros amontonaban estiércol para utilizarlo

como fertilizante. Esta práctica continúa en la Edad Media y en el Renacimiento [28].

Probablemente el Sr. Albert Howard fue el primer agricultor que tuvo un

acercamiento científico al compostaje hace 75 años en la India (Rodale, 1946, citado por

[28]), quien estableció que la elaboración de composta tenía por objeto digerir materiales

frescos de origen agrícola, antes de ser incorporados, de tal manera que se evitara que

las bacterias terminaran su proceso en el suelo, a expensas del nuevo cultivo.

El compostaje es definido como un método de degradación de la fracción orgánica

de los residuos sólidos por la acción de diversas poblaciones biológicas bajo condiciones

controladas de oxigenación, humedad y temperatura, que le permiten alcanzar un estado

suficientemente estable para su almacenamiento y utilización sin efectos nocivos para las

plantas [2].

En la Figura 2.1 se muestra el esquema del proceso de compostaje, el cual puede ser

representado con la siguiente reacción que representa el equilibrio dinámico del proceso

[8]:

ܪܥ ௗ 0.5ሺݕ ݏ2 െ ሻଶ ՜ ௫ܪ௪ܥ ௬ ௭ ଶܪݎ ଶܥݏ ሺ െ ሻܪଷ

A esta reacción se le conoce como la ecuación estequiométrica del compostaje,

donde ܪܥ ௗ representa la materia orgánica y ௫ܪ௪ܥ ௬ ௭ la fracción de materia

orgánica resistente, no se considera la producción de células nuevas o de sulfato,

ݏ ൌ െ ݓ y ݎ ൌ 0.5ሾሺ െ ݔ െ 3ሺ െ ;ሻሿݔ , , , describen la cantidad relativa molar

de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno respectivamente en la porción seca inicial de

la fracción de Sólidos Volátiles Biodegradables (SVB) ; ,ݓ ,ݔ ,ݕ ݖ describen la cantidad

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relativa molar de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno respectivamente en la porción

seca de la fracción de SVB que no fueron degradados, y el número de moléculas de los

SVB no degradados.

Figura 2.1. Esquema básico de un proceso de compostaje.

Si la degradación de los sólidos volátiles biodegradables fuera total, la ecuación

estequiométrica queda de la siguiente forma:

ܪܥ ௗ ൬4 െ 2 െ 3

4൰ଶ ՜ ଶܥ ൬

െ 32

൰ܪଶ ଷܪ

Lo que indica que los sólidos biodegradables en combinación con oxígeno producen

dióxido de carbono, agua y amoniaco. El dióxido de carbono y amoniaco se obtienen

como gases, y el agua producida se mezcla con el material o se pierde por evaporación

por el flujo de aire.

El proceso de compostaje es un proceso complicado debido a que es afectado por

factores tanto físicos, químicos como biológicos. En la actualidad existen modelos que

permiten predecir de manera aproximada el comportamiento de algunas variables del

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proceso. Investigadores como Finger, Smith, Eilers, Bach, Kishimoto, Nakasaki, Haug,

entre otros, desarrollaron estos modelos.

Dentro de las variables de interés en el proceso de compostaje están: la velocidad

de degradación del material (afectada por factores de temperatura, contenido de

humedad, concentración de oxígeno, espacio de aire libre, principalmente).

La temperatura (afectada por la degradación del material, flujos de aire,

evaporación, contenido de humedad y pérdidas de calor, principalmente).

Contenido de humedad (afectada por el arrastre de humedad en el aire, contenido

de humedad de los materiales compostados y líquidos lixiviados).

Crecimiento microbiano (afectado por cantidad de materia orgánica disponible,

muerte microbiana, temperatura, concentración de oxígeno, contenido de humedad,

espacio libre, principalmente).

En el Anexo 3 se presenta un modelo sencillo de las variables que participan en el

proceso de compostaje. Debido, a que el alcance de esta tesis no contempla el modelado

sólo se presentan las ecuaciones que permiten de manera aproximada predecir el valor

de algunas de sus variables en las diferentes etapas del proceso.

2.1 ETAPAS DEL PROCESO DE COMPOSTAJE

El proceso de compostaje pueden dividirse en tres etapas, basado en la

temperatura del material durante el proceso, que son: la etapa mesófila1 inicial, etapa

termófila2 y etapa mesófila final [28] y [40], éstas pueden observarse en la Figura 2.2.

1. Mesófila: así se conoce a la etapa del proceso de descomposición aerobia, en la cual se presentan las condiciones que permiten el

crecimiento principalmente de organismos mesófilos y las temperaturas se encuentran en un intervalo de 10 a 40 °C.

2. Termofila: así se conoce a la etapa del proceso de descomposición aerobia, en la cual se presentan las condiciones que permiten el

crecimiento principalmente de organismos termófilos y las temperatura se encuentran en un intervalo de 40 a 70°C.

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Figura 2.2. Representación gráfica de las tres fases del proceso de compostaje [40].

Etapa mesófila inicial: etapa inicial del compostaje que dura aproximadamente de 2

a 3 días. Los organismos presentes en ella pueden ser microorganismos como bacterias y

hongos mesófilos que destruyen rápidamente los compuestos fácilmente degradables, y

el calor producido causa que la temperatura del material aumente rápidamente. La

tendencia ascendente de la temperatura de la composta hace que el material suba de una

temperatura inicial, que puede ser de los 10 °C, a los 40 °C y cuando esta última es

rebasada, comienza la siguiente etapa del proceso de compostaje [14].

Etapa termófila: En esta etapa pueden alcanzarse temperaturas entre los 40 a 75

ºC y en ella se eliminan la mayoría de los patógenos, larvas de mosca, y las semillas

termo sensitivas de malezas. Las temperaturas elevadas aceleran la descomposición de

proteínas, grasas, y polisacáridos como celulosa y hemicelulosa, la mayor estructura

molecular de las plantas. En esta etapa, se alcanza la mayor degradación de la materia

orgánica y la higienización de la misma, su duración depende de los materiales

compostados, disposición y la cantidad de los mismos.

Etapa mesófila final. En esta etapa la temperatura descenderá paulatinamente

de 40 °C hasta presentar valores cercanos a la te mperatura ambiente. Cuando la

temperatura alcanza la temperatura ambiente el material se presenta estable

biológicamente y se da por culminado el proceso. Desde el punto de vista microbiológico

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la finalización del proceso de compostaje se caracteriza por la ausencia de actividad

metabólica.

2.2 REQUERIMIENTOS QUIMÍCOS Y FISÍCOS PARA EL COMPOSTAJE

En el proceso de compostaje intervienen factores químicos, físicos y biológicos.

Dentro de los factores químicos, tenemos el oxígeno y la composición del material dentro

del cual se consideran como principales: la relación carbono/nitrógeno (C/N) y potencial

de hidrógeno (pH). Como factores físicos podemos mencionar la aireación, humedad,

temperatura, espacio poroso (dependendiente del tamaño de partícula), tamaño y forma

del sistema de compostaje. El factor biológico está determinado por la acción de

macroorganismos y microorganismos (bacterias, hongos y actinomicetos3) siendo éstos

últimos los más importantes.

2.2.1 FACTORES QUÍMICOS

Dentro de los factores químicos tenemos el suministro de oxígeno y algunos otros

que dependen de la composición del material compostado, la importancia de cada uno de

ellos se describe a continuación:

2.2.1.1 OXÍGENO

El oxígeno es esencial para el metabolismo y la respiración de los

microorganismos aerobios y para oxidar las variadas moléculas orgánicas presentes en

los residuos de material. Como los microorganismos oxidan la materia orgánica para

obtener energía y nutrirse, el oxígeno es consumido y se produce dióxido de carbono. Sin

suficiente oxígeno, el proceso llegará a ser anaerobio y produce olores indeseables,

además de la baja calidad de la composta [40]. Las concentraciones óptimas de oxígeno

para mantener el compostaje aerobio son del 10 %, considerando que valores menores al

5 % crean una descomposición anaerobia [2].

2.2.1.2 RELACIÓN C/N

El cociente C/N (carbono/nitrógeno) del material por compostar es uno de los

factores más importantes para la descomposición microbiana. El carbono proporciona una

fuente de energía y compone cerca del 50 % de la masa celular microbiana. El nitrógeno

es un componente crucial de las proteínas, de los ácidos nucleicos, de los aminoácidos,

de las enzimas y de las coenzimas necesario para el crecimiento y la función de la célula.

3. Actinomicetos: ������ ��� ����������� �� ����������� ��������������� ��� ��������� � ������������������ �������������

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12

Una célula bacteriana típica tiene de 12 a 15 % de nitrógeno en base seca (Brock y

Madigan, 1991, citado por [2]). Para proporcionar cantidades óptimas de estos dos

elementos cruciales, se puede utilizar el cociente del carbón-a-nitrógeno (C/N) de 30/1, o

de 30 porciones de carbón por cada uno de nitrógeno, en peso [40]

Valores de la relación C/N apropiadas son entre los 25 y 35:1; ya que en porciones

más elevadas de nitrógeno, éste se elimina como amoníaco, causando olores

indeseables; y en proporciones más bajas de nitrógeno, significan insuficiente nitrógeno

para el crecimiento óptimo de las poblaciones microbianas, así que la composta seguirá

siendo relativamente fresca y la degradación continuará a una velocidad más lenta [40].

2.2.1.3 EL pH

Esta variable es importante para evaluar el ambiente microbiano y la estabilización

de los residuos. Los microorganismos tienen distintos requerimientos respecto al medio

ácido o alcalino más propicio para su desarrollo. El rango ideal se encuentra entre 6,5 y

8,5 unidades de pH. Los niveles de pH varían en respuesta a los materiales utilizados en

la mezcla inicial y a la producción de varios compuestos intermedios que se generan

durante el compostaje. Durante el proceso de compostaje se producen diferentes

fenómenos o procesos que hacen variar este parámetro. Al comienzo y como

consecuencia del metabolismo fundamentalmente bacteriano, los complejos carbonados

fácilmente degradables, se transforman en ácidos orgánicos, provocando que el pH

descienda. Luego los niveles aumentan como consecuencia de la formación de amoníaco,

alcanzando valores más altos (alrededor de 8,5), lo cual coincide con el máximo de

actividad de la fase termófila. Finalmente, el pH disminuye en la fase final o de

maduración (pH entre 7 y 8), [37]. Cuando un sistema llega a ser anaerobio, la

acumulación ácida puede bajar el pH a 4.5, limitando seriamente la actividad microbiana.

En tales casos, la aireación es generalmente suficiente para regresar el material

compostado a un pH aceptable [40]. El monitoreo del pH no es necesario, ya que éste

puede mantenerse en valores aceptables con una adecuada preparación de la mezcla a

compostar, y controlando factores como la aireación, humedad y tamaño de partícula del

material.

2.2.2 FACTORES FÍSICOS

A continuación se presentan los factores físicos más importantes del proceso de

compostaje:

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2.2.2.1 AIREACIÓN

La aireación es importante para proveer a los microorganismos aerobios de

oxígeno que permiten el metabolismo, la respiración y su crecimiento, mediante la

oxidación de las moléculas orgánicas presentes en el material de desecho. Al principio de

la actividad oxidante microbiana, la concentración de oxígeno (O2) en los espacios

porosos es aproximadamente del 15 al 20 % (similar a la composición normal del aire), y

la concentración del dióxido de carbono (CO2) varía del 0.5 al 5 %. Mientras progresa la

actividad biológica, la concentración O2 baja y la concentración del CO2 aumenta. Si la

concentración media de O2 en el material es menor al 5 %, la descomposición del material

se vuelve anaerobia [37].

2.2.2.2 HUMEDAD

La descomposición microbiana inducida ocurre lo más rápidamente posible en las

películas líquidas finas encontradas en las superficies de las partículas orgánicas.

Mientras que poca humedad (<30 %) inhibe la actividad bacteriana, demasiada humedad

(>65 %) da lugar a la descomposición lenta, a la producción de malos olores, crea

regiones anaerobias y aumenta la lixiviación de nutrientes [40].

2.2.2.3 EL TAMAÑO DE PARTÍCULA

La actividad microbiana ocurre generalmente en la superficie de las partículas

orgánicas. Por este motivo cuando el tamaño de partícula disminuye, con su efecto de

aumentar el área superficial, ayuda a incrementar la actividad microbiana y el índice de

descomposición. Por otra parte, cuando las partículas son demasiado pequeñas y

compactas, la circulación de aire a través de la composta se inhibe disminuyendo el

oxígeno disponible para los microorganismos dentro del material y reduciendo en última

instancia el índice de la actividad microbiana. El tamaño de partícula también afecta la

disponibilidad del carbono y del nitrógeno [40].

2.2.2.4 TEMPERATURA

La temperatura es un indicador de cómo está trabajando el sistema de compostaje

y el avance del proceso del mismo. Cuando la temperatura alcanza de los 40 a 50°C se

puede deducir que los materiales contenían el nitrógeno y la humedad adecuados para el

crecimiento microbiano rápido. Un sistema bien construido de compostaje elevará su

temperatura de 40 a 50 °C en un plazo de dos a tres días [40]. En la etapa termófila debe

mantenerse a una temperatura mayor a 50 °C por un m ínimo de tres días, para eliminar

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los patógenos, sustancias fitotóxicos y semillas de malezas; y en esa etapa no debe

rebasarse la temperatura de los 65°C, ya que provoc aría la muerte de los

microorganismos que efectúan la descomposición del material [4].

2.2.2.5 TAMAÑO Y FORMA DELMATERIAL A COMPOSTAR

El tamaño o la cantidad de material a compostar, debe ser suficiente para prevenir

la disipación rápida del calor y de la humedad y lo suficientemente pequeño para permitir

la suficiente aireación. Un mínimo de 40 litros se requieren para los sistemas

experimentales en basura si la acumulación de calor ocurre en pocos días. Sistemas más

pequeños se pueden utilizar para proyectos de investigación o demostración en salas de

clase pero requerirán el aislamiento para la retención del calor [40].

2.2.3 FACTOR BIOLÓGICO

Son muchos los microorganismos que intervienen en el proceso de compostaje;

bacterias, hongos, actinomicetos, entre otras (en la Tabla 6.2 del Anexo 1 se presentan

algunos géneros); las poblaciones se suceden durante el proceso de compostaje en

función de la temperatura y el pH principalmente. Algunos residuos orgánicos contienen

suficientes microorganismos para su descomposición; esto puede presentarse en el caso

de los RSOD.

En general, para el compostaje de los RSOD se recomienda proveer de

microorganismos al material a compostar mediante un iniciador (material que cuenta con

huevecillos o microorganismos que actúan en la degradación del material orgánico), para

tal fin puede utilizarse composta madura, suelo, estiércol u otros materiales.

2.2.4 NIVELES RECOMENDADOS DE LOS FACTORES

Los niveles de los factores físicos y químicos importantes para lograr un proceso

de compostaje adecuado se presentan en la Tabla 2.1, además de indicarse el nivel

óptimo recomendado.

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Tabla 2.1. Niveles aceptables de los factores físicos y químicos para el compostaje, y los valores

óptimos.

Núm. Factor considerado Intervalo aceptable Valor óptimo

1. Composición inicial de la mezcla, relación C/N (%) 25 a 35 : 1 30:1

2. Potencial de hidrógeno en la mezcla inicial, pH 6.5 a 8.5 7

3. Contenido de humedad de la mezcla durante elcompostaje (%)

40 - 60 60

4. Contenido de oxígeno en el aire dentro de lacámara de compostaje (%)

> 5 % Mínimo: 10 %

5. Temperatura en la etapa termófila (°C) Entre los 40 y 65 60

6. Tamaño de partícula de los materiales (cm) En general de 1 a 5 cmy para materialesleñosos 1 a 2 cm.

1- 2 cm

Fuente: [4], [2], [22] y [25].

2.3 LIMITANTES PARA EL USO DE LA COMPOSTA

En general los principales factores que limitan el uso de la composta en la

agricultura son: el exceso de salinidad, exceso de nutrientes, contaminantes orgánicos,

microorganismos patógenos, metales pesados y grado de estabilidad.

2.3.1 EXCESO DE SALINIDAD

El exceso de salinidad influye negativamente en la capacidad de germinación de las

semillas y en el crecimiento de las plantas; además provoca un empeoramiento en la

estructura del suelo (Shainberg y Letey, 1984 citado por [20]).

La composta generada a partir de los RSOD puede presentar problemas de

salinidad, debido al amplio uso del cloruro de sodio en los alimentos, por ello es

recomendable evitar el composataje de residuos de cocina que hayan sido mezclados con

sal.

2.3.2 EXCESO DE NUTRIENTES

Este problema se presenta en materiales con alto contenido de nitrógeno y cuando

el proceso de compostaje no es el adecuado. Para los RSOD, el problema del alto

contenido de nitrógeno no es probable que se presente.

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El exceso de N2se puede lixiviar cuando se encuentra en forma de nitratos, con la

consiguiente contaminación del agua. Asimismo, el empleo de residuos en los cuales la

relación C/N es baja, puede provocar una alta volatilización de nitrógeno en forma de

amoniaco, lo que puede originar problemas de fitotoxicidad sobre la germinación de las

semillas (Findenegg, 1987, citado por [20]).

2.3.3 CONTAMINANTES ORGÁNICOS

La contaminación de la composta puede generarse por el compostaje de residuos

que han sido tratados con plaguicidas (insecticida, fungicidas, herbicidas, nematicidas,

hormonas o desinfectantes), colorantes y algunos derivados del petróleo (combustibles,

aceites, caucho, entre otros), estos productos pueden limitar o evitar el crecimiento o la

muerte de las plantas.

Por lo anterior, debe evitarse el compostaje de materiales que contengan colorantes

(papel, revistas, periódico y cartón con colores diferentes a la tinta negra) residuos de

jardinería a los cuales se les haya aplicado algún tipo de plaguicida.

2.3.4 MICROORGANISMOS PATÓGENOS

Los microorganismos patógenos y semillas de malezas son dos aspectos que

demeritan la calidad de la composta producida, los primeros pueden causar problemas

sanitarios en las plantas y animales, mientras que las segundas pueden germinar junto

con las plantas de interés y competir por nutrientes y agua.

Para higienizar la composta de microorganismos patógenos y de semillas de

maleza es necesario un buen proceso bioxidativo, completado con una buena fase de

estabilización.

Las semillas de malezas al igual que la gran mayoría de microorganismos

patógenos no llegan a resistir los 60-70ºC alcanzados durante el proceso de compostaje

(ver Figura 2.3 y Tabla 2.2).

En un sistema de compostaje por medio del control del volteo junto con la

temperatura y la humedad, permiten alcanzar la temperatura necesaria para la

destrucción de los patógenos y semillas en todos los residuos compostados.

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Los microorganismos patógenos pueden presentarse en los residuos de origen

animal, mientras que las semillas de maleza en los residuos de jardinería.

Tabla 2.2. Temperatura y tiempo de exposición necesario para la destrucción de patógenos

(Gouleke, 1972).

Organismos Temperatura y tiempo de exposiciónSalmonella thyphosa Son suficientes 30 min a 55-60 ºC, no se

desarrolla a temperatura superiores a 46 ºCSalmonella sp. Se destruyen al exponerse 1 hora a 55 ºC o 15-

20 minutos a 60 ºCShigella sp. Se destruyen al exponerse 1 hora a 55 ºCEscherichia Coli La mayoría mueren al exponerse 1 hora a 55

ºC o 15-20 minutos a 60 ºCTaenia Saginata Se elimina en unos pocos minutos a 55 ºCLarvas de Trichinella spiralis Mueren rápidamente a 55 ºC e

instantáneamente a 60 ºCBrucella abortus Se destruyen a 55 ºC en 1 horaMicrococcus pyogenes var. Aureus Mueren después de 10 min a 50 ºC

Streptococcus pyogenes Mueren después de 10 min a 54ºCMycobacterium tuberculosis var. Hominis De 15 a 20 min a 66 ºCCorynebacterium diphtheriae Se elimina por exposición, 45 min a 55 ºCHuevos de Ascaris lumbricoides Mueren en menos de 1 hora a 55 ºC

Figura 2.3. Influencia de la temperatura y el tiempo de exposición en la destrucción de gérmenes

patógenos (Feachem et al 1978).

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18

2.3.5 METALES PESADOS

En general, los metales pesados son un problema principalmente de los residuos

de origen industrial, mientras que para los RSOD no lo son.

2.3.6 GRADO DE ESTABILIDAD

El empleo de la composta sin un adecuado grado de estabilidad, es el origen de la

mayor parte de los efectos negativos que se producen en las plantas. Algunos de los

fenómenos negativos provocados, son los siguientes:

o Disminución de la concentración de oxígeno y del potencial de oxido-reducción a

nivel radicular (sustrato donde se desarrollan las raíces), favoreciéndose la

aparición de zonas anaerobias que afectan negativamente el crecimiento y

provocando la pudrición.

o En el caso de relaciones C/N altas, bloqueo del nitrógeno del medio por la

competencia establecida entre los microorganismos y la planta por dicho nutriente.

o Elevación de la temperatura (autocalentamiento), hasta alcanzar valores

incompatibles con el desarrollo de la planta.

o Acumulación de ácidos orgánicos de bajo peso molecular y otros metabolitos

orgánicos considerados como fitotóxicos.

o Posibilidad de aparición de microorganismos patógenos.

2.3.6.1 MÉTODOS PARA EVALUAR LA ESTABILIDAD DE LA COMPOSTA

Existen diferentes métodos para determinar la estabilidad de la composta los cuales

pueden ser divididos en los siguientes: método por observaciones directas, métodos

físicos, métodos químicos y métodos biológicos. En la Tabla 6.3 del Anexo 1, se presenta

un resumen de las principales pruebas correspondientes a cada uno de los métodos para

determinar la estabilidad, además de las consideraciones que deben tomarse para su

realización y, con base a los resultados de las pruebas, los parámetros para definir la

estabilidad de la composta ([35], [4] y [16].

La determinación de la estabilidad de la composta obtenida en el prototipo se hará

mediante el método de observación directa (observación del color, olor y mediante la

curva de temperatura), método químico (relación C:N y potencial de hidrógeno pH) y

método biológico (ensayo de germinación).

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19

El método de observación directa permite de manera rápida identificar si el material es

inestable, mientras que el método químico permite determinar de manera más objetiva la

estabilidad de la composta considerando que al medir la relación C/N si ésta resulta ser

>20 indica un alto contenido de materia orgánica indicador de inestabilidad de la

composta (considerando que la mezcla de RSOD utilizados presentan una relación de

C/N inicial > 25/1), la medición del pH con valores entre 5 y 8.5 indican madurez esto

puede tomarse como parámetro de estabilidad, aunque depende del pH inicial de los

RSOD. El método biológico con la prueba de germinación permite observar si la composta

es un substrato adecuado para la germinación y crecimiento de las plantas que es el

objetivo principal de las pruebas de estabilidad. Con estas pruebas mencionadas

anteriormente se puede determinar si la composta obtenida en el prototipo es estable.

2.4 SISTEMAS DE COMPOSTAJE

Los sistemas de compostaje tienen como finalidad facilitar el control y la

optimización de parámetros operacionales, para obtener un producto final con la suficiente

calidad, tanto desde el punto de vista sanitario como de su valor como fertilizante.

Los tiempos de residencia en planta, la disminución de los requisitos de espacio y

energía, la seguridad higiénica de la planta de tratamiento son factores decisivos en el

diseño de estos sistemas de compostaje.

Los sistemas utilizados se pueden clasificar en dos grupos: abiertos y cerrados

(Figura 2.4). En los primeros, el compostaje se realiza al aire libre, en pilas o hileras,

mientras que en los segundos la fase termófila se realiza en reactores.

Figura 2.4. Sistemas de compostaje [20].

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20

2.4.1 SISTEMAS ABIERTOS

Los sistemas abiertos son los sistemas tradicionales de compostaje. Los sustratos

a compostar se disponen en hileras o pilas que pueden estar al aire libre o en naves. La

aireación del material puede hacerse por volteo mecánico de la pila o por aireación

forzada. Esta última tiene la ventaja de permitir el control del nivel de oxígeno, así como

de la humedad y la temperatura ([20]).

2.4.1.1 PILAS ESTÁTICAS.

El sistema más antiguo que se conoce es el apilamiento estático con aireación

natural; se realiza en pilas de tamaño reducido (1.5 m de alto, 2-3 m de ancho) muy

porosas y no se mueven durante el compostaje; se considera un sistema lento. El flujo de

aire caliente en el interior de una pila estática se muestra en la Figura 2.5 (Kiehl, 1985

Citado por [20]).

Figura 2.5. Flujo de aire caliente en el interior de una pila estática de composta.

La pila de composta presenta porcentajes variables de oxígeno en el aire de sus

intersticios, la parte externa de la hilera contiene casi tanto oxígeno como el aire

atmosférico (18-20 %) hacia el interior, el contenido en O2 desciende y el de CO2 aumenta,

hasta el punto de que a una profundidad mayor de 60 cm, el contenido de oxígeno puede

estar entre el 0.5 y el 2 %. Según Poincelot, (1974), el contenido mínimo de O2, en la fase

termófila, debe ser de al menos 6 % para garantizar una descomposición aerobia.

Para lograr una mejor aireación se recurre a sistemas de aireación forzada, en los

que un sistema de tuberías y bombas permiten operar en condiciones controladas.

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21

2.4.1.2 PILAS CON VOLTEO.

Es un sistema lento, la pila es oxigenada periódicamente, requiere más espacio y

presenta dificultades en el control higiénico. La altura de la pila es mayor que en las pilas

estáticas (2.5 m). La frecuencia de volteo depende del tipo de material, la humedad y

climatología, el grado de estabilidad y de los tiempos de residencia en planta que se

estimen adecuados.

Dado que, para una buena oxidación biológica, el nivel de O2ha de permanecer

relativamente elevado, el volteo periódico facilita la renovación del aire en el interior de la

pila (De Bertoldi et al., 1982) Figura 2.6.

Figura 2.6. Nivel de Oxígeno durante el compostaje. (−) demanda de oxígeno del residuo a

compostar; (+) suministro de oxígeno con un sistema de volteos periódicos (cada 7 días).

Un sistema mejorado, es aquel en el que además de voltear se provoca la

aireación forzada. La mezcla a compostar se voltea y homogeniza para posteriormente

suministrarle aire por ventilación. La descomposición se realiza en depósitos colocados

bajo un cobertizo, la ventilación se realiza por tuberías perforadas o por un canal

empotrado en la solera. Las tuberías se conectan a un ventilador que asegura la entrada

de oxígeno y la salida del CO2. La ventilación se puede realizar por inyección, succión

(Figura 2.7) o utilizando sistemas alternantes.

En los sistemas alternantes (succión-inyección) una primera etapa de aireación por

succión permite controlar mejor el proceso, la emisión de olores y que se alcancen

mayores temperaturas (necesarias para la higienización) en una segunda etapa, tras la

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22

reducción de microorganismos patógenos se reinvierte el flujo de aire (inyección) y se

continua el proceso.

Figura 2.7. Sistema de pila estática con aireación forzada por succión.

2.4.2 SISTEMAS CERRADOS

Los sistemas cerrados (reactores) en su mayoría son de grandes tamaños y

capacidades siendo casi exclusivos para el tratamiento de grandes cantidades de

residuos sólidos orgánicas por sus elevados costos de construcción. El compostaje en los

reactores se realiza en un período de 3 a 15 días, posterior a ello el material es puesto en

pilas para su descomposición final o estabilización. Estos sistemas tienen la ventaja de

tener un mayor control del proceso de compostaje, son independientes en gran medida de

los factores ambientales y requieren pequeñas superficies de terreno para el tratamiento

de los residuos, lo que es ideal para el tratamiento de los RSOD de hogares

principalmente en zonas densamente pobladas.

2.4.2.1 REACTORES VERTICALES.

Los reactores generalmente son de grandes tamaños, de 4 a 10 m de altura, que

pueden ser continuos o discontinuos; en los primeros el material es alimentado

constantemente, mientras que en los segundos, los residuos a compostar se alimentan

una sola vez hasta que termina el ciclo de compostaje. Los reactores de tipo continuo

pueden constar de un cilindro cerrado, aislado térmicamente, con un sistema de aireación

y extracción del material; conforme se extrae el producto compostado desciende

progresivamente el residuo fresco. El tiempo de residencia generalmente es de 2

semanas, posterior a ello se pasa a un parque de maduración. El inconveniente de estos

reactores es su alto costo de instalación y mantenimiento. En la Figura 2.8 se muestra un

reactor vertical circular, en el cual, el material a compostar se introduce por la parte

superior del reactor y la masa se voltea mediante un brazo giratorio, el material

compostado se retira por el centro de la base. Con este sistema se alcanzan tiempos de

retención de 10 días, tras los cuales se continúa con la maduración.

Page 17: Fundamento Terorico Compost

23

Figura 2.8. Reactor circular de lecho agitado.

2.4.2.2 REACTORES HORIZONTALES.

Este tipo de reactores presenta características similares a los reactores verticales.

2.4.3 COMPARATIVA ENTRE SISTEMAS DE COMPOSTAJE

En la Tabla 2.3, se presenta una comparativa de los sistemas abiertos de compostaje

frente a los cerrados, la utilización de unos u otros depende de muchos factores entre los

cuales podemos señalar el clima de la región, el control del proceso (malos olores,

generación de microorganismos, entre otros), tamaño de la superficie del terreno disponible,

cantidad de residuos que requieren ser tratados, rapidez para el tratamiento, costo, entre

otros.

Cuando se piensa en el compostaje en los hogares de México, principalmente en

zonas densamente pobladas (D.F., Monterrey, Puebla, Cuernavaca, entre otros) los sistemas

abiertos de compostaje no son una opción debido a que son lugares donde el espacio

reducido es una limitante, se requiere de un control adecuado del proceso de compostaje

(para minimizar la generación de olores, organismos perjudiciales, entre otros) y que los

factores climáticos no lo afecten.

Tabla 2.3. Estudio comparativo entre los sistemas de compostaje abiertos y cerrados.

Elementos de comparación Sistemas abiertos Sistemas cerradosSuperficie Grande ReducidaTecnología Sencilla SofisticadaSistema Discontinuo/semicontinuo Semicontinuo/ContinuoInversión De baja a moderada De elevada a muy elevadaCostos de explotación Variables según estructurales ElevadosConsumo energético Bajo/medio Medio elevadoMano de obra Variable según la instalación Más especializadaDuración de la descomposición Semanas De 3 a 15 díasOlores Problemas si no hay aireación Aireación controlada

Page 18: Fundamento Terorico Compost

24

2.5 COMPOSTADORES DOMÉSTICOS

Para el compostaje doméstico existen una variedad de compostadores los cuales

pueden dividirse en recipientes, mecánicos o automáticos.

2.5.1 RECIPIENTES COMPOSTADORES

Este tipo de compostadores están construidos de plástico o madera, su forma puede

ser cuadrada, rectangular o redonda, ver Figura 2.9. Este tipo de compostadores son muy

económicos, en los cuales los residuos se introducen continuamente conforme estos son

generados hasta alcanzar su máxima capacidad. En el recipiente se pueden encontrar

residuos frescos, residuos parcialmente descompuestos y material completamente

degradado el cual puede ser extraído por alguna vía de manera manual.

Figura 2.9. Recipientes compostadores.

2.5.2 COMPOSTADORES MECÁNICOS

Estos compostadores son cilíndricos generalmente, los cuales cuentan con un

mecanismo manual o con motor que permite el movimiento o mezclado del material

compostado, su costo es moderado, en la Figura 2.10 se muestran dos ejemplos de ellos.

Los residuos se introducen conforme se van generando hasta alcanzar su capacidad máxima

o la descomposición completa de los residuos, la extracción es manual y la aireación del

material se realiza durante el movimiento o mezclado del mismo.

Page 19: Fundamento Terorico Compost

25

a) Marca: Organics CVSWMD b) Marca: Jora Kompost

Figura 2.10. Compostadores mecánicos.

2.5.3 COMPOSTADORES AUTOMÁTICOS

Los compostadores automáticos domésticos comerciales presentan capacidades que

permiten tratar los residuos generados por varias familias y únicamente se encontró una

empresa que fabrica compostadores de baja capacidad, para el tratamiento de los residuos

generados por una familia, ver Figura 2.11.

Las formas de los compostadores automáticos encontrados son rectangulares, de

cilindro vertical u horizontal. El sistema de control permite airear el material, mezclarlo y

controlar el exceso de temperatura.

a) Compostador rectangular (Marca: Nature Mill) b) Cilindro vertical (Marca: Composting machine).

Figura 2.11. Compostadores automáticos.

Page 20: Fundamento Terorico Compost

26

Figura 2.12. Compostador horizontal (Marca: Jora Kompost Modelo JK 5100)

2.5.4 CARACTERÍSTICAS DE LOS COMPOSTADORES AUTOMÁTICOS

COMERCIALES

Los compostadores comerciales para el tratamiento de RSOD, aún y cuando tienen

diferentes capacidades de tratamiento de los residuos, presentan características similares

con respecto a su funcionamiento, las cuales son principalmente las siguientes:

• Mezclado y movimiento del material

• Presentan aireación forzada

• Cámara de compostaje construida con materiales termo aislantes

• Drenado de lixiviados

• Características encontrados solo en un compostador:

o Control de la temperatura

o Cuentan con mecanismo de trituración

o Calentador

2.6 ESTUDIO DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS DOMÉSTICOS PARA EL

COMPOSTAJE.

Para cumplir con los objetivos planteados de diseño del prototipo, es necesario tener

un conocimiento de algunas propiedades importantes de los residuos que se generan en el

hogar, definiendo a los materiales que serán compostados en el dispositivo.

2.6.1 COMPOSICIÓN DE LOS RSOD

La naturaleza o composición de los residuos orgánicos permite conocer a los

materiales que los constituyen, sus propiedades físico-mecánicas y químicas importantes

para el proceso o diseño.

Page 21: Fundamento Terorico Compost

27

Determinar los materiales presentes en los residuos sólidos orgánicos de origen

doméstico, es muy complicado debido a que dependen de diferentes factores como: hábitos

alimenticios de la familia, la región y época del año, principalmente. Una aproximación, para

el caso de los residuos alimenticios se presenta en la Tabla 2.4, basada en estudios

realizados por algunas instituciones mexicanas, tal es el caso del Instituto Nacional de

Estadística, Geografía e Informática (INEGI) donde se publican los 20 productos alimenticios

que generan mayor gasto a las familias mexicanas (de los tres estratos económicos: bajo,

medio y alto) [18]; de la Procuraduría Federal del Consumidor (PROFECO) en su publicación

de la lista de productos incluidos en la canasta básica [27][25]; y de la Secretaría de

Agricultura, Ganadería, Pesca y Alimentación (SAGARPA), donde se presentan los cultivos

que ocupan la mayor superficie sembrada y los que alcanzan el más alto valor de producción

en México [17].

Tabla 2.4. Productos considerados como los más consumidos por los mexicanos.

Tipo de producto Alimentos más consumidos por los mexicanosGranos Maíz (tortilla)

FrijolArrozTrigo

Hortalizas JitomateCebollaPapa

Chile serrano y jalapeño

Frutas PlátanoManzanaNaranjaLimón

Mandarina

Productos procesados TortillaPasta para sopaPan de dulce

Pan blanco: bolillo, telera, baguetteGalletas dulcesAzúcar blanca

Para el caso de los materiales más comunes en los residuos de jardinería se

presenta una lista en la Tabla 2.5, basada en observaciones de los residuos generados en

la ciudad de Cuernavaca Estado de Morelos.

Page 22: Fundamento Terorico Compost

28

Tabla 2.5. RSOD de jardinería que se considera más frecuente en los RSM.

Todos los hogaresPastos

Hojas de arbolesMalezas (hiervas)

Ramas de árboles y arbustos

2.6.2 PROPIEDADES DE LOS RSOD

Para lograr un proceso de compostaje adecuado es necesario mantener la relación

carbono/nitrógeno (C/N) y contenido de humedad de la mezcla de residuos a compostar en

los niveles apropiados como se muestra en la Tabla 2.1 [44], para ello es necesario conocer

la relación C/N y contenido de humedad de cada material (en la Tabla 6.1 del anexo se

presenta para algunos materiales) que son utilizados en el compostaje, y con la ayuda de la

Ecuación 1 y Ecuación 2 se comprueba si se cumple con los valores convenientes de las

propiedades.

ൌ∑ ሾܥሺ100 െ ሻሿܯୀଵ

∑ ሾ ሺ100 െ ሻሿܯୀଵ

Ecuación 1

Donde:

R: Relación carbono nitrógeno C/N de la mezcla (adim.)

:ܥ Cantidad de carbono en el material i (%)

: Contenido de nitrógeno en el material i (%)

:ܯ Masa del material húmedo i (kg)

: Contenido de humedad del material i (%)

: Número total de materiales mezclados (adim.)

ൌ∑ ܯ ୀଵ

∑ ܯୀଵ

Ecuación 2

Donde:

WT: Humedad de la mezcla (kg)

:ܯ Masa del material húmedo i (kg)

: Contenido de humedad del material i (%)

Page 23: Fundamento Terorico Compost

29

En la Tabla 6.1 del Anexo 1, se incluyen los valores de la densidad de algunos de los

residuos orgánicos domésticos que pueden ser frecuentemente compostados en el prototipo,

permitiendo suponer una mezcla de residuos típica a compostar y con ayuda de la Ecuación

3 determinar su densidad con la cual se dimensionará la cámara de compostaje.

ߩ ൌߩ

ୀଵ

Ecuación 3

Donde:

:ߩ Densidad del material i (kg/m3)

: Porción ocupada del material i en la mezcla (adim.).

:ߩ Densidad de la mezcla de RSOD, (kg/m3)

Otra propiedad importante de los materiales orgánicos domésticos es su potencial de

hidrógeno, pero debido a que la mayoría de ellos se cree presenta un valor cercano a los 7

(valor neutro) no se le prestará mucha atención, únicamente se darán algunas

recomendaciones para evitar el uso de materiales altamente ácidos o alcalinos en elevadas

proporciones al preparar la mezcla.

Al realizar algunos cálculos de la densidad, con los datos de los residuos presentados

en la Tabla 2.4 y considerando las proporciones de los residuos que permitan cumplir con los

requerimientos de humedad y relación carbono nitrógeno para el compostaje, se encontró un

intervalo de valores de la densidad entre 400 a 500 kg/m3. Debido a que el material que será

introducido al dispositivo no debe ser comprimido y debe considerar el espacio poroso, se

procedió a medirlo experimentalmente y se obtuvo un valor promedio de 202 kg/m3, el cual

será el valor utilizado en los cálculos para dimensionar la cámara de compostaje.