CAPTULO 2. FUNDAMENTOS TERICOS

2 FUNDAMENTOS TERICOS

El compostaje fue una prctica realizada desde los inicios de la civilizacinoccidental (Roma y Grecia) donde los granjeros amontonaban estircol para utilizarlocomo fertilizante. Esta prctica contina en la Edad Media y en el Renacimiento [28].

Probablemente el Sr. Albert Howard fue el primer agricultor que tuvo unacercamiento cientfico al compostaje hace 75 aos en la India (Rodale, 1946, citado por[28]), quien estableci que la elaboracin de composta tena por objeto digerir materialesfrescos de origen agrcola, antes de ser incorporados, de tal manera que se evitara quelas bacterias terminaran su proceso en el suelo, a expensas del nuevo cultivo.

El compostaje es definido como un mtodo de degradacin de la fraccin orgnicade los residuos slidos por la accin de diversas poblaciones biolgicas bajo condicionescontroladas de oxigenacin, humedad y temperatura, que le permiten alcanzar un estadosuficientemente estable para su almacenamiento y utilizacin sin efectos nocivos para lasplantas [2].

En la Figura 2.1 se muestra el esquema del proceso de compostaje, el cual puede serrepresentado con la siguiente reaccin que representa el equilibrio dinmico del proceso[8]:

0.5 2

A esta reaccin se le conoce como la ecuacin estequiomtrica del compostaje,donderepresenta la materia orgnica yla fraccin de materiaorgnica resistente, no se considera la produccin de clulas nuevas o de sulfato, y 0.5 3 ; , , , describen la cantidad relativa molarde carbono, hidrgeno, oxgeno y nitrgeno respectivamente en la porcin seca inicial dela fraccin de Slidos Voltiles Biodegradables (SVB) ;, , , describen la cantidad

7

relativa molar de carbono, hidrgeno, oxgeno y nitrgeno respectivamente en la porcinseca de la fraccin de SVB que no fueron degradados, y el nmero de molculas de losSVB no degradados.

Figura 2.1. Esquema bsico de un proceso de compostaje.

Si la degradacin de los slidos voltiles biodegradables fuera total, la ecuacinestequiomtrica queda de la siguiente forma:

4 2 3 3

2 4

Lo que indica que los slidos biodegradables en combinacin con oxgeno producendixido de carbono, agua y amoniaco. El dixido de carbono y amoniaco se obtienencomo gases, y el agua producida se mezcla con el material o se pierde por evaporacinpor el flujo de aire.

El proceso de compostaje es un proceso complicado debido a que es afectado porfactores tanto fsicos, qumicos como biolgicos. En la actualidad existen modelos quepermiten predecir de manera aproximada el comportamiento de algunas variables del

8

proceso. Investigadores como Finger, Smith, Eilers, Bach, Kishimoto, Nakasaki, Haug,entre otros, desarrol aron estos modelos.

Dentro de las variables de inters en el proceso de compostaje estn: la velocidadde degradacin del material (afectada por factores de temperatura, contenido dehumedad, concentracin de oxgeno, espacio de aire libre, principalmente).

La temperatura (afectada por la degradacin del material, flujos de aire,evaporacin, contenido de humedad y prdidas de calor, principalmente).

Contenido de humedad (afectada por el arrastre de humedad en el aire, contenidode humedad de los materiales compostados y lquidos lixiviados).

Crecimiento microbiano (afectado por cantidad de materia orgnica disponible,muerte microbiana, temperatura, concentracin de oxgeno, contenido de humedad,espacio libre, principalmente).

En el Anexo 3 se presenta un modelo sencil o de las variables que participan en elproceso de compostaje. Debido, a que el alcance de esta tesis no contempla el modeladoslo se presentan las ecuaciones que permiten de manera aproximada predecir el valorde 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 latemperatura del material durante el proceso, que son: la etapa mesfila1inicial, etapatermfila2y etapa mesfila final [28] y [40], stas pueden observarse en la Figura 2.2.

1. Mesfila: as se conoce a la etapa del proceso de descomposicin aerobia, en la cual se presentan las condiciones que permiten elcrecimiento principalmente de organismos mesfilos y las temperaturas se encuentran en un intervalo de 10 a 40 C.2. Termofila: as se conoce a la etapa del proceso de descomposicin aerobia, en la cual se presentan las condiciones que permiten elcrecimiento principalmente de organismos termfilos y las temperatura se encuentran en un intervalo de 40 a 70C.9

Figura 2.2. Representacin grfica de las tres fases del proceso de compostaje [40].

Etapa mesfila inicial: etapa inicial del compostaje que dura aproximadamente de 2a 3 das. Los organismos presentes en el a pueden ser microorganismos como bacterias yhongos mesfilos que destruyen rpidamente los compuestos fcilmente degradables, yel calor producido causa que la temperatura del material aumente rpidamente. Latendencia ascendente de la temperatura de la composta hace que el material suba de unatemperatura inicial, que puede ser de los 10 C, a los 40 C y cuando esta ltima esrebasada, comienza la siguiente etapa del proceso de compostaje [14].

Etapa termfila: En esta etapa pueden alcanzarse temperaturas entre los 40 a 75C y en ella se eliminan la mayora de los patgenos, larvas de mosca, y las semil astermo sensitivas de malezas. Las temperaturas elevadas aceleran la descomposicin deprotenas, grasas, y polisacridos como celulosa y hemicelulosa, la mayor estructuramolecular de las plantas. En esta etapa, se alcanza la mayor degradacin de la materiaorgnica y la higienizacin de la misma,su duracin depende de los materialescompostados, disposicin y la cantidad de los mismos.

Etapa mesfila final. En esta etapa la temperatura descender paulatinamentede 40 C hasta presentar valores cercanos a la te mperatura ambiente. Cuando latemperatura alcanza la temperatura ambiente el material se presenta establebiolgicamente y se da por culminado el proceso. Desde el punto de vista microbiolgico10

la finalizacin del proceso de compostaje se caracteriza por la ausencia de actividadmetablica.

2.2 REQUERIMIENTOS QUIMCOS Y FISCOS PARA EL COMPOSTAJE

En el proceso de compostaje intervienen factores qumicos, fsicos y biolgicos.Dentro de los factores qumicos, tenemos el oxgeno y la composicin del material dentrodel cual se consideran como principales: la relacin carbono/nitrgeno (C/N) y potencialde hidrgeno (pH). Como factores fsicos podemos mencionar la aireacin, humedad,temperatura, espacio poroso (dependendiente del tamao de partcula), tamao y formadel sistema de compostaje. El factor biolgico est determinado por la accin demacroorganismos y microorganismos (bacterias, hongos y actinomicetos3) siendo stosltimos los ms importantes.

2.2.1 FACTORES QUMICOSDentro de los factores qumicos tenemos el suministro de oxgeno y algunos otrosque dependen de la composicin del material compostado, la importancia de cada uno deel os se describe a continuacin:

2.2.1.1OXGENOEl oxgeno es esencial para el metabolismo y la respiracin de losmicroorganismos aerobios y para oxidar las variadas molculas orgnicas presentes enlos residuos de material. Como los microorganismos oxidan la materia orgnica paraobtener energa y nutrirse, el oxgeno es consumido y se produce dixido de carbono. Sinsuficiente oxgeno, el proceso l egar a ser anaerobio y produce olores indeseables,adems de la baja calidad de la composta [40]. Las concentraciones ptimas de oxgenopara mantener el compostaje aerobio son del 10 %, considerando que valores menores al5 % crean una descomposicin anaerobia [2].

2.2.1.2RELACIN C/NEl cociente C/N (carbono/nitrgeno) del material por compostar es uno de losfactores ms importantes para la descomposicin microbiana. El carbono proporciona unafuente de energa y compone cerca del 50 % de la masa celular microbiana. El nitrgenoes un componente crucial de las protenas, de los cidos nucleicos, de los aminocidos,de las enzimas y de las coenzimas necesario para el crecimiento y la funcin de la clula.3. Actinomicetos: 11

Una clula bacteriana tpica tiene de 12 a 15 % de nitrgeno en base seca (Brock yMadigan, 1991, citado por [2]). Para proporcionar cantidades ptimas de estos doselementos cruciales, se puede utilizar el cociente del carbn-a-nitrgeno (C/N) de 30/1, ode 30 porciones de carbn por cada uno de nitrgeno, en peso [40]

Valores de la relacin C/N apropiadas son entre los 25 y 35:1; ya que en porcionesms elevadas de nitrgeno, ste se elimina como amonaco, causando oloresindeseables; y en proporciones ms bajas de nitrgeno, significan insuficiente nitrgenopara el crecimiento ptimo de las poblaciones microbianas, as que la composta seguirsiendo relativamente fresca y la degradacin continuar a una velocidad ms lenta [40].

2.2.1.3EL pHEsta variable es importante para evaluar el ambiente microbiano y la estabilizacinde los residuos. Los microorganismos tienen distintos requerimientos respecto al mediocido o alcalino ms propicio para su desarrol o. El rango ideal se encuentra entre 6,5 y8,5 unidades de pH. Los niveles de pH varan en respuesta a los materiales utilizados enla mezcla inicial y a la produccin de varios compuestos intermedios que se generandurante el compostaje. Durante el proceso de compostaje se producen diferentesfenmenos o procesos que hacen variar este parmetro. Al comienzo y comoconsecuencia del metabolismo fundamentalmente bacteriano, los complejos carbonadosfcilmente degradables, se transforman en cidos orgnicos, provocando que el pHdescienda. Luego los niveles aumentan como consecuencia de la formacin de amonaco,alcanzando valores ms altos (alrededor de 8,5), lo cual coincide con el mximo deactividad de la fase termfila. Finalmente, el pH disminuye en la fase final o demaduracin (pH entre 7 y 8), [37]. Cuando un sistema l ega a ser anaerobio, laacumulacin cida puede bajar el pH a 4.5, limitando seriamente la actividad microbiana.En tales casos, la aireacin es generalmente suficiente para regresar el materialcompostado a un pH aceptable [40]. El monitoreo del pH no es necesario, ya que stepuede mantenerse en valores aceptables con una adecuada preparacin de la mezcla acompostar, y controlando factores como la aireacin, humedad y tamao de partcula delmaterial.

2.2.2FACTORES FSICOSA continuacin se presentan los factores fsicos ms importantes del proceso decompostaje:12

2.2.2.1AIREACINLa aireacin es importante para proveer a los microorganismos aerobios deoxgeno que permiten el metabolismo, la respiracin y su crecimiento, mediante laoxidacin de las molculas orgnicas presentes en el material de desecho. Al principio dela actividad oxidante microbiana, la concentracin de oxgeno (O2) en los espaciosporosos es aproximadamente del 15 al 20 % (similar a la composicin normal del aire), yla concentracin del dixido de carbono (CO2) vara del 0.5 al 5 %. Mientras progresa laactividad biolgica, la concentracin O2baja y la concentracin del CO2aumenta. Si laconcentracin media de O2en el material es menor al 5 %, la descomposicin del materialse vuelve anaerobia [37].

2.2.2.2HUMEDADLa descomposicin microbiana inducida ocurre lo ms rpidamente posible en laspelculas lquidas finas encontradas en las superficies de las partculas orgnicas.Mientras que poca humedad (65 %) da lugar a la descomposicin lenta, a la produccin de malos olores, crearegiones anaerobias y aumenta la lixiviacin de nutrientes [40].

2.2.2.3EL TAMAO DE PARTCULALa actividad microbiana ocurre generalmente en la superficie de las partculasorgnicas. Por este motivo cuando el tamao de partcula disminuye, con su efecto deaumentar el rea superficial, ayuda a incrementar la actividad microbiana y el ndice dedescomposicin. Por otra parte, cuando las partculas son demasiado pequeas ycompactas, la circulacin de aire a travs de la composta se inhibe disminuyendo eloxgeno disponible para los microorganismos dentro del material y reduciendo en ltimainstancia el ndice de la actividad microbiana. El tamao de partcula tambin afecta ladisponibilidad del carbono y del nitrgeno [40].

2.2.2.4TEMPERATURALa temperatura es un indicador de cmo est trabajando el sistema de compostajey el avance del proceso del mismo. Cuando la temperatura alcanza de los 40 a 50C sepuede deducir que los materiales contenan el nitrgeno y la humedad adecuados para elcrecimiento microbiano rpido. Un sistema bien construido de compostaje elevar sutemperatura de 40 a 50 C en un plazo de dos a tres das [40]. En la etapa termfila debemantenerse a una temperatura mayor a 50 C por un m nimo de tres das, para eliminar

13

los patgenos, sustancias fitotxicos y semil as de malezas; y en esa etapa no deberebasarse la temperatura de los 65C, ya que provoc ara la muerte de losmicroorganismos que efectan la descomposicin del material [4].

2.2.2.5TAMAO Y FORMA DEL MATERIAL A COMPOSTAREl tamao o la cantidad de material a compostar, debe ser suficiente para prevenirla disipacin rpida del calor y de la humedad y lo suficientemente pequeo para permitirla suficiente aireacin. Un mnimo de 40 litros se requieren para los sistemasexperimentales en basura si la acumulacin de calor ocurre en pocos das. Sistemas mspequeos se pueden utilizar para proyectos de investigacin o demostracin en salas declase pero requerirn el aislamiento para la retencin del calor [40].

2.2.3FACTOR BIOLGICOSon muchos los microorganismos que intervienen en el proceso de compostaje;bacterias, hongos, actinomicetos, entre otras (en la Tabla 6.2 del Anexo 1 se presentanalgunos gneros); las poblaciones se suceden durante el proceso de compostaje enfuncin de la temperatura y el pH principalmente. Algunos residuos orgnicos contienensuficientes microorganismos para su descomposicin; esto puede presentarse en el casode los RSOD.

En general, para el compostaje de los RSOD se recomienda proveer demicroorganismos al material a compostar mediante un iniciador (material que cuenta conhuevecillos o microorganismos que actan en la degradacin del material orgnico), paratal fin puede utilizarse composta madura, suelo, estircol u otros materiales.

2.2.4NIVELES RECOMENDADOS DE LOS FACTORESLos niveles de los factores fsicos y qumicos importantes para lograr un procesode compostaje adecuado se presentan en la Tabla 2.1, adems de indicarse el nivelptimo recomendado.

14

Tabla 2.1. Niveles aceptables de los factores fsicos y qumicos para el compostaje, y los valoresptimos.Nm.Factor consideradoIntervalo aceptableValor ptimo

1. Composicin inicial de la mezcla, relacin C/N (%)

2. Potencial de hidrgeno en la mezcla inicial, pH

3. Contenido de humedad de la mezcla durante elcompostaje (%)4. Contenido de oxgeno en el aire dentro de lacmara de compostaje (%)5. Temperatura en la etapa termfila (C)

6. Tamao de partcula de los materiales (cm)

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

25 a 35 : 1

6.5 a 8.5

40 - 60

> 5 %

Entre los 40 y 65

En general de 1 a 5 cmy para materialesleosos 1 a 2 cm.

30:1

7

60

Mnimo: 10 %

60

1- 2 cm

2.3 LIMITANTES PARA EL USO DE LA COMPOSTA

En general los principales factores que limitan el uso de la composta en laagricultura son: el exceso de salinidad, exceso de nutrientes, contaminantes orgnicos,microorganismos patgenos, metales pesados y grado de estabilidad.

2.3.1EXCESO DE SALINIDADEl exceso de salinidad influye negativamente en la capacidad de germinacin de lassemil as y en el crecimiento de las plantas; adems provoca un empeoramiento en laestructura del suelo (Shainberg y Letey, 1984 citado por [20]).

La composta generada a partir de los RSOD puede presentar problemas desalinidad, debido al amplio uso del cloruro de sodio en los alimentos, por el o esrecomendable evitar el composataje de residuos de cocina que hayan sido mezclados consal.

2.3.2EXCESO DE NUTRIENTESEste problema se presenta en materiales con alto contenido de nitrgeno y cuandoel proceso de compostaje no es el adecuado. Para los RSOD, el problema del altocontenido de nitrgeno no es probable que se presente.

15

El exceso de N2se puede lixiviar cuando se encuentra en forma de nitratos, con laconsiguiente contaminacin del agua. Asimismo, el empleo de residuos en los cuales larelacin C/N es baja, puede provocar una alta volatilizacin de nitrgeno en forma deamoniaco, lo que puede originar problemas de fitotoxicidad sobre la germinacin de lassemil as (Findenegg, 1987, citado por [20]).

2.3.3CONTAMINANTES ORGNICOSLa contaminacin de la composta puede generarse por el compostaje de residuosque han sido tratados con plaguicidas (insecticida, fungicidas, herbicidas, nematicidas,hormonas o desinfectantes), colorantes y algunos derivados del petrleo (combustibles,aceites, caucho, entre otros), estos productos pueden limitar o evitar el crecimiento o lamuerte de las plantas.

Por lo anterior, debe evitarse el compostaje de materiales que contengan colorantes(papel, revistas, peridico y cartn con colores diferentes a la tinta negra) residuos dejardinera a los cuales se les haya aplicado algn tipo de plaguicida.

2.3.4MICROORGANISMOS PATGENOSLos microorganismos patgenos y semil as de malezas son dos aspectos quedemeritan la calidad de la composta producida, los primeros pueden causar problemassanitarios en las plantas y animales, mientras que las segundas pueden germinar juntocon las plantas de inters y competir por nutrientes y agua.

Para higienizar la composta de microorganismos patgenos y de semil as demaleza es necesario un buen proceso bioxidativo, completado con una buena fase deestabilizacin.

Las semil as de malezas al igual que la gran mayora de microorganismospatgenos no l egan a resistir los 60-70C 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 latemperatura y la humedad, permiten alcanzar la temperatura necesaria para ladestruccin de los patgenos y semil as en todos los residuos compostados.

16

Los microorganismos patgenos pueden presentarse en los residuos de origenanimal, mientras que las semil as de maleza en los residuos de jardinera.

Tabla 2.2. Temperatura y tiempo de exposicin necesario para la destruccin de patgenos(Gouleke, 1972).OrganismosSalmonella thyphosa

Salmonella sp.

Shigel a sp.Escherichia Coli

Taenia SaginataLarvas de Trichinella spiralis

Brucella abortusMicrococcus pyogenes var. AureusStreptococcus pyogenesMycobacterium tuberculosis var. HominisCorynebacterium diphtheriaeHuevos de Ascaris lumbricoidesTemperatura y tiempo de exposicinSon suficientes 30 min a 55-60 C, no sedesarrolla a temperatura superiores a 46 CSe destruyen al exponerse 1 hora a 55 C o 15-20 minutos a 60 CSe destruyen al exponerse 1 hora a 55 CLa mayora mueren al exponerse 1 hora a 55C o 15-20 minutos a 60 CSe elimina en unos pocos minutos a 55 CMuerenrpidamentea55Ceinstantneamente a 60 CSe destruyen a 55 C en 1 horaMueren despus de 10 min a 50 CMueren despus de 10 min a 54CDe 15 a 20 min a 66 CSe elimina por exposicin, 45 min a 55 CMueren en menos de 1 hora a 55 C

Figura 2.3. Influencia de la temperatura y el tiempo de exposicin en la destruccin de grmenespatgenos (Feachem et al 1978).

17

2.3.5METALES PESADOSEn general, los metales pesados son un problema principalmente de los residuosde origen industrial, mientras que para los RSOD no lo son.

2.3.6GRADO DE ESTABILIDADEl empleo de la composta sin un adecuado grado de estabilidad, es el origen de lamayor parte de los efectos negativos que se producen en las plantas. Algunos de losfenmenos negativos provocados, son los siguientes:oDisminucin de la concentracin de oxgeno y del potencial de oxido-reduccin anivel radicular (sustrato donde se desarrol an las races), favorecindose laaparicin de zonas anaerobias que afectan negativamente el crecimiento yprovocando la pudricin.oEn el caso de relaciones C/N altas, bloqueo del nitrgeno del medio por lacompetencia establecida entre los microorganismos y la planta por dicho nutriente.oElevacin de la temperatura (autocalentamiento), hasta alcanzar valoresincompatibles con el desarrol o de la planta.oAcumulacin de cidos orgnicos de bajo peso molecular y otros metabolitosorgnicos considerados como fitotxicos.oPosibilidad de aparicin de microorganismos patgenos.

2.3.6.1 MTODOS PARA EVALUAR LA ESTABILIDAD DE LA COMPOSTAExisten diferentes mtodos para determinar la estabilidad de la composta los cualespueden ser divididos en los siguientes: mtodo por observaciones directas, mtodosfsicos, mtodos qumicos y mtodos biolgicos. En la Tabla 6.3 del Anexo 1, se presentaun resumen de las principales pruebas correspondientes a cada uno de los mtodos paradeterminar la estabilidad, adems de las consideraciones que deben tomarse para surealizacin y, con base a los resultados de las pruebas, los parmetros para definir laestabilidad de la composta ([35], [4] y [16].

La determinacin de la estabilidad de la composta obtenida en el prototipo se harmediante el mtodo de observacin directa (observacin del color, olor y mediante lacurva de temperatura), mtodo qumico (relacin C:N y potencial de hidrgeno pH) ymtodo biolgico (ensayo de germinacin).

18

El mtodo de observacin directa permite de manera rpida identificar si el material esinestable, mientras que el mtodo qumico permite determinar de manera ms objetiva laestabilidad de la composta considerando que al medir la relacin C/N si sta resulta ser>20 indica un alto contenido de materia orgnica indicador de inestabilidad de lacomposta (considerando que la mezcla de RSOD utilizados presentan una relacin deC/N inicial > 25/1), la medicin del pH con valores entre 5 y 8.5 indican madurez estopuede tomarse como parmetro de estabilidad, aunque depende del pH inicial de losRSOD. El mtodo biolgico con la prueba de germinacin permite observar si la compostaes un substrato adecuado para la germinacin y crecimiento de las plantas que es elobjetivo principal de las pruebas de estabilidad. Con estas pruebas mencionadasanteriormente 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 laoptimizacin de parmetros operacionales, para obtener un producto final con la suficientecalidad, tanto desde el punto de vista sanitario como de su valor como fertilizante.

Los tiempos de residencia en planta, la disminucin de los requisitos de espacio yenerga, la seguridad higinica de la planta de tratamiento son factores decisivos en eldiseo 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 termfila se realiza en reactores.

Figura 2.4. Sistemas de compostaje [20].19

2.4.1SISTEMAS ABIERTOSLos sistemas abiertos son los sistemas tradicionales de compostaje. Los sustratosa compostar se disponen en hileras o pilas que pueden estar al aire libre o en naves. Laaireacin del material puede hacerse por volteo mecnico de la pila o por aireacinforzada. Esta ltima tiene la ventaja de permitir el control del nivel de oxgeno, as comode la humedad y la temperatura ([20]).

2.4.1.1 PILAS ESTTICAS.El sistema ms antiguo que se conoce es el apilamiento esttico con aireacinnatural; se realiza en pilas de tamao reducido (1.5 m de alto, 2-3 m de ancho) muyporosas y no se mueven durante el compostaje; se considera un sistema lento. El flujo deaire caliente en el interior de una pila esttica se muestra en la Figura 2.5 (Kiehl, 1985Citado por [20]).

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

La pila de composta presenta porcentajes variables de oxgeno en el aire de susintersticios, la parte externa de la hilera contiene casi tanto oxgeno como el aireatmosfrico (18-20 %) hacia el interior, el contenido en O2desciende y el de CO2aumenta,hasta el punto de que a una profundidad mayor de 60 cm, el contenido de oxgeno puedeestar entre el 0.5 y el 2 %. Segn Poincelot, (1974), el contenido mnimo de O2, en la fasetermfila, debe ser de al menos 6 % para garantizar una descomposicin aerobia.

Para lograr una mejor aireacin se recurre a sistemas de aireacin forzada, en losque un sistema de tuberas y bombas permiten operar en condiciones controladas.

20

2.4.1.2 PILAS CON VOLTEO.Es un sistema lento, la pila es oxigenada peridicamente, requiere ms espacio ypresenta dificultades en el control higinico. La altura de la pila es mayor que en las pilasestticas (2.5 m). La frecuencia de volteo depende del tipo de material, la humedad yclimatologa, el grado de estabilidad y de los tiempos de residencia en planta que seestimen adecuados.

Dado que, para una buena oxidacin biolgica, el nivel de O2ha de permanecerrelativamente elevado, el volteo peridico facilita la renovacin del aire en el interior de lapila (De Bertoldi et al., 1982) Figura 2.6.

Figura 2.6. Nivel de Oxgeno durante el compostaje. () demanda de oxgeno del residuo acompostar; (+) suministro de oxgeno con un sistema de volteos peridicos (cada 7 das).

Un sistema mejorado, es aquel en el que adems de voltear se provoca laaireacin forzada. La mezcla a compostar se voltea y homogeniza para posteriormentesuministrarle aire por ventilacin. La descomposicin se realiza en depsitos colocadosbajo un cobertizo, la ventilacin se realiza por tuberas perforadas o por un canalempotrado en la solera. Las tuberas se conectan a un ventilador que asegura la entradade oxgeno y la salida del CO2. La ventilacin se puede realizar por inyeccin, succin(Figura 2.7) o utilizando sistemas alternantes.

En los sistemas alternantes (succin-inyeccin) una primera etapa de aireacin porsuccin permite controlar mejor el proceso, la emisin de olores y que se alcancenmayores temperaturas (necesarias para la higienizacin) en una segunda etapa, tras la21

reduccin de microorganismos patgenos se reinvierte el flujo de aire (inyeccin) y secontinua el proceso.

Figura 2.7. Sistema de pila esttica con aireacin forzada por succin.

2.4.2SISTEMAS CERRADOSLos sistemas cerrados (reactores) en su mayora son de grandes tamaos ycapacidades siendo casi exclusivos para el tratamiento de grandes cantidades deresiduos slidos orgnicas por sus elevados costos de construccin. El compostaje en losreactores se realiza en un perodo de 3 a 15 das, posterior a ello el material es puesto enpilas para su descomposicin final o estabilizacin. Estos sistemas tienen la ventaja detener un mayor control del proceso de compostaje, son independientes en gran medida delos factores ambientales y requieren pequeas superficies de terreno para el tratamientode los residuos, lo que es ideal para el tratamiento de los RSOD de hogaresprincipalmente en zonas densamente pobladas.

2.4.2.1 REACTORES VERTICALES.Los reactores generalmente son de grandes tamaos, de 4 a 10 m de altura, quepueden ser continuos o discontinuos; en los primeros el material es alimentadoconstantemente, mientras que en los segundos, los residuos a compostar se alimentanuna sola vez hasta que termina el ciclo de compostaje. Los reactores de tipo continuopueden constar de un cilindro cerrado, aislado trmicamente, con un sistema de aireaciny extraccin del material; conforme se extrae el producto compostado desciendeprogresivamente el residuo fresco. El tiempo de residencia generalmente es de 2semanas, posterior a el o se pasa a un parque de maduracin. El inconveniente de estosreactores es su alto costo de instalacin y mantenimiento. En la Figura 2.8 se muestra unreactor vertical circular, en el cual, el material a compostar se introduce por la partesuperior del reactor y la masa se voltea mediante un brazo giratorio, el materialcompostado se retira por el centro de la base. Con este sistema se alcanzan tiempos deretencin de 10 das, tras los cuales se contina con la maduracin.22

Figura 2.8. Reactor circular de lecho agitado.

2.4.2.2 REACTORES HORIZONTALES.Este tipo de reactores presenta caractersticas similares a los reactores verticales.

2.4.3COMPARATIVA ENTRE SISTEMAS DE COMPOSTAJEEn la Tabla 2.3, se presenta una comparativa de los sistemas abiertos de compostajefrente a los cerrados, la utilizacin de unos u otros depende de muchos factores entre loscuales podemos sealar el clima de la regin, el control del proceso (malos olores,generacin de microorganismos, entre otros), tamao de la superficie del terreno disponible,cantidad de residuos que requieren ser tratados, rapidez para el tratamiento, costo, entreotros.

Cuando se piensa en el compostaje en los hogares de Mxico, principalmente enzonas densamente pobladas (D.F., Monterrey, Puebla, Cuernavaca, entre otros) los sistemasabiertos de compostaje no son una opcin debido a que son lugares donde el espacioreducido es una limitante, se requiere de un control adecuado del proceso de compostaje(para minimizar la generacin de olores, organismos perjudiciales, entre otros) y que losfactores climticos no lo afecten.

Tabla 2.3. Estudio comparativo entre los sistemas de compostaje abiertos y cerrados.Elementos de comparacinSuperficieTecnologaSistemaInversinCostos de explotacinConsumo energticoMano de obraDuracin de la descomposicinOloresSistemas abiertosGrandeSencillaDiscontinuo/semicontinuoDe baja a moderadaVariables segn estructuralesBajo/medioVariable segn la instalacinSemanasProblemas si no hay aireacinSistemas cerradosReducidaSofisticadaSemicontinuo/ContinuoDe elevada a muy elevadaElevadosMedio elevadoMs especializadaDe 3 a 15 dasAireacin controlada

23

2.5 COMPOSTADORES DOMSTICOS

Para el compostaje domstico existen una variedad de compostadores los cualespueden dividirse en recipientes, mecnicos o automticos.

2.5.1RECIPIENTES COMPOSTADORESEste tipo de compostadores estn construidos de plstico o madera, su forma puedeser cuadrada, rectangular o redonda, ver Figura 2.9. Este tipo de compostadores son muyeconmicos, en los cuales los residuos se introducen continuamente conforme estos songenerados hasta alcanzar su mxima capacidad. En el recipiente se pueden encontrarresiduos frescos, residuos parcialmente descompuestos y material completamentedegradado el cual puede ser extrado por alguna va de manera manual.

Figura 2.9. Recipientes compostadores.

2.5.2COMPOSTADORES MECNICOSEstos compostadores son cilndricos generalmente, los cuales cuentan con unmecanismo manual o con motor que permite el movimiento o mezclado del materialcompostado, 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 mximao la descomposicin completa de los residuos, la extraccin es manual y la aireacin delmaterial se realiza durante el movimiento o mezclado del mismo.

24

a) Marca: Organics CVSWMD

b) Marca: Jora KompostFigura 2.10. Compostadores mecnicos.

2.5.3COMPOSTADORES AUTOMTICOSLos compostadores automticos domsticos comerciales presentan capacidades quepermiten tratar los residuos generados por varias familias y nicamente se encontr unaempresa que fabrica compostadores de baja capacidad, para el tratamiento de los residuosgenerados por una familia, ver Figura 2.11.

Las formas de los compostadores automticos encontrados son rectangulares, decilindro vertical u horizontal. El sistema de control permite airear el material, mezclarlo ycontrolar el exceso de temperatura.

a) Compostador rectangular (Marca: Nature Mill)

b) Cilindro vertical (Marca: Composting machine).Figura 2.11. Compostadores automticos.

25

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

2.5.4CARACTERSTICASDELOSCOMERCIALES

COMPOSTADORESAUTOMTICOSLos compostadores comerciales para el tratamiento de RSOD, an y cuando tienendiferentes capacidades de tratamiento de los residuos, presentan caractersticas similarescon respecto a su funcionamiento, las cuales son principalmente las siguientes:Mezclado y movimiento del materialPresentan aireacin forzadaCmara de compostaje construida con materiales termo aislantesDrenado de lixiviadosCaractersticas encontrados solo en un compostador:oControl de la temperaturaoCuentan con mecanismo de trituracinoCalentador

2.6 ESTUDIO DE LOS RESIDUOS SLIDOS DOMSTICOS PARA ELCOMPOSTAJE.

Para cumplir con los objetivos planteados de diseo del prototipo, es necesario tenerun conocimiento de algunas propiedades importantes de los residuos que se generan en elhogar, definiendo a los materiales que sern compostados en el dispositivo.

2.6.1 COMPOSICIN DE LOS RSODLa naturaleza o composicin de los residuos orgnicos permite conocer a losmateriales que los constituyen, sus propiedades fsico-mecnicas y qumicas importantespara el proceso o diseo.26

Determinar los materiales presentes en los residuos slidos orgnicos de origendomstico, es muy complicado debido a que dependen de diferentes factores como: hbitosalimenticios de la familia, la regin y poca del ao, principalmente. Una aproximacin, parael caso de los residuos alimenticios se presenta en la Tabla 2.4, basada en estudiosrealizados por algunas instituciones mexicanas, tal es el caso del Instituto Nacional deEstadstica, Geografa e Informtica (INEGI) donde se publican los 20 productos alimenticiosque generan mayor gasto a las familias mexicanas (de los tres estratos econmicos: bajo,medio y alto) [18]; de la Procuradura Federal del Consumidor (PROFECO) en su publicacinde la lista de productos incluidos en la canasta bsica [27][25]; y de la Secretara deAgricultura, Ganadera, Pesca y Alimentacin (SAGARPA), donde se presentan los cultivosque ocupan la mayor superficie sembrada y los que alcanzan el ms alto valor de produccinen Mxico [17].

Tabla 2.4. Productos considerados como los ms consumidos por los mexicanos.Tipo de productoGranos

Hortalizas

Frutas

Productos procesadosAlimentos ms consumidos por los mexicanosMaz (tortil a)FrijolArrozTrigo

JitomateCebol aPapaChile serrano y jalapeo

PltanoManzanaNaranjaLimnMandarina

Tortil aPasta para sopaPan de dulcePan blanco: bolil o, telera, baguetteGal etas dulcesAzcar blanca

Para el caso de los materiales ms comunes en los residuos de jardinera sepresenta una lista en la Tabla 2.5, basada en observaciones de los residuos generados enla ciudad de Cuernavaca Estado de Morelos.

27

Tabla 2.5. RSOD de jardinera que se considera ms frecuente en los RSM.Todos los hogaresPastosHojas de arbolesMalezas (hiervas)Ramas de rboles y arbustos

2.6.2 PROPIEDADES DE LOS RSODPara lograr un proceso de compostaje adecuado es necesario mantener la relacincarbono/nitrgeno (C/N) y contenido de humedad de la mezcla de residuos a compostar enlos niveles apropiados como se muestra en la Tabla 2.1 [44], para el o es necesario conocerla relacin C/N y contenido de humedad de cada material (en la Tabla 6.1 del anexo sepresenta para algunos materiales) que son utilizados en el compostaje, y con la ayuda de laEcuacin 1 y Ecuacin 2 se comprueba si se cumple con los valores convenientes de laspropiedades.

100 100 Donde:

Ecuacin 1R: Relacin carbono nitrgeno C/N de la mezcla (adim.): Cantidad de carbono en el material i (%) : Contenido de nitrgeno en el material i (%): Masa del material hmedo i (kg) : Contenido de humedad del material i (%): Nmero total de materiales mezclados (adim.)

Ecuacin 2

Donde:

WT: Humedad de la mezcla (kg): Masa del material hmedo i (kg) : Contenido de humedad del material i (%)

28

En la Tabla 6.1 del Anexo 1, se incluyen los valores de la densidad de algunos de losresiduos orgnicos domsticos que pueden ser frecuentemente compostados en el prototipo,permitiendo suponer una mezcla de residuos tpica a compostar y con ayuda de la Ecuacin3 determinar su densidad con la cual se dimensionar la cmara de compostaje.

Donde:: Densidad del material i (kg/m3)

Ecuacin 3 : Porcin ocupada del material i en la mezcla (adim.).: Densidad de la mezcla de RSOD, (kg/m3)

Otra propiedad importante de los materiales orgnicos domsticos es su potencial dehidrgeno, pero debido a que la mayora de el os se cree presenta un valor cercano a los 7(valor neutro) no se le prestar mucha atencin, nicamente se darn algunasrecomendaciones para evitar el uso de materiales altamente cidos o alcalinos en elevadasproporciones al preparar la mezcla.

Al realizar algunos clculos de la densidad, con los datos de los residuos presentadosen la Tabla 2.4 y considerando las proporciones de los residuos que permitan cumplir con losrequerimientos de humedad y relacin carbono nitrgeno para el compostaje, se encontr unintervalo de valores de la densidad entre 400 a 500 kg/m3. Debido a que el material que serintroducido al dispositivo no debe ser comprimido y debe considerar el espacio poroso, seprocedi a medirlo experimentalmente y se obtuvo un valor promedio de 202 kg/m3, el cualser el valor utilizado en los clculos para dimensionar la cmara de compostaje.

29