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Revista Chapingo serie ciencias forestales y del ambiente

versión On-line ISSN 2007-4018versión impresa ISSN 2007-3828

Rev. Chapingo ser. cienc. for. ambient vol.23 no.3 Chapingo sep./dic. 2017

http://dx.doi.org/10.5154/r.rchscfa.2016.12.065 

Artículo científico

Calidad y tiempo de compostaje de biosólidos al variar las proporciones y pesos de los sustratos

Beatriz Juárez-Robles1 

Isaías de la Rosa-Gómez1  * 

Ma. del Consuelo Mañon-Salas1 

Ma. del Consuelo Hernández-Berriel1 

Rocío Vaca-Paulín2 

Jorge Lugo-de la Fuente2 

1Instituto Tecnológico de Toluca, División de Estudios de Posgrado e Investigación, Laboratorio de Investigación en Ingeniería Ambiental. Av. Tecnológico s/n, col. Agrícola Bellavista. C. P. 52149. Metepec, Estado de México, México.

2Universidad Autónoma del Estado de México, Facultad de Ciencias, Laboratorio de Edafología y Ambiente. Carretera Toluca-Ixtlahuaca km 15.5, El Cerrillo Piedras Blancas. C. P. 50200. Toluca, Estado de México, México.

Resumen

Introducción:

Los biosólidos generados en el tratamiento de aguas residuales son un problema ambiental debido a su manejo inadecuado y disposición.

Objetivo:

Conocer los efectos de la variación de proporciones de los sustratos y pesos de los montículos sobre la calidad y tiempo de compostaje de biosólidos.

Materiales y métodos:

La mezcla de biosólidos (BS) con suelo arcilloso (SA) y estiércol degradado (ED) de equino se evaluó en las proporciones: 70:30:00, 65:30:05, 60:30:10 y 50:30:20, para determinar la proporción óptima en pilas de 250 kg y evaluarla en 500 y 2 000 kg. Los parámetros de calidad medidos fueron temperatura, pH y humedad, materia orgánica (MO), nitrógeno total Kjeldahl (NTK), relación C/N, relación K/Na y fósforo (P).

Resultados y discusión:

La proporción 65:30:05 destacó con mayor temperatura (63.8 °C) y menor tiempo de compostaje (21 días). Se encontraron diferencias significativas (P < 0.05) en los parámetros de calidad con respecto a los sustratos y pesos del montículo. Los tratamientos de 250 kg tuvieron el menor tiempo de proceso (28 días) con mayor contenido de MO, NTK, relación C/N y P.

Conclusión:

El ED y SA favorecen el compostaje de BS al reducir el proceso a 32 días como máximo. La proporción 65:30:05 en pilas de 250 kg incrementa la calidad agronómica de la composta.

Palabras clave: Biodegradación; composta; arcilla; pilas aireadas

Introducción

Los biosólidos derivados del tratamiento de agua residual contienen patógenos, parásitos y, en algunos casos, metales pesados que al ser manejados inadecuadamente pueden migrar al suelo y mantos freáticos, causando problemas ambientales y de salud pública (Semblante et al., 2015). En México, la mayoría de los biosólidos se disponen en terrenos aledaños a las plantas de tratamiento de agua (Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales [SEMARNAT] & Comisión Nacional del Agua [CONAGUA], 2014), aun cuando una de las técnicas que permite valorizar tales residuos es mediante el compostaje.

El compostaje estabiliza y obtiene de los biosólidos un contenido alto de nutrientes que estimulan el crecimiento vegetal. El tiempo de proceso varía de tres a seis meses en promedio por el método de pilas aireadas, por lo que periodos menores de compostaje representan una oportunidad en los aspectos tecnológicos, salud pública y ambiental. Para mejorar la calidad de la composta e influir en el tiempo de proceso, los biosólidos se mezclan con agentes estructurantes o de carga, ya sean activos o inertes, como el aserrín, cáscaras de arroz, consorcios microbianos, enzimas y estiércol de diversas especies animales (Jiang, Liu, Huang, & Huang, 2015). Dichos agentes modifican las propiedades físicas y químicas en la matriz de compostaje, contribuyen a crear espacios de aire entre las partículas que optimizan la distribución de oxígeno, regulan la humedad, mejoran la relación C/N, permiten la proliferación microbiana, cambian la cinética de biodegradación y determinan el tiempo de compostaje (Yuan et al., 2015).

El estiércol, utilizado como sustrato, aumenta la capacidad de retención de agua en la pila de compostaje y minimiza la pérdida de nitrógeno por volatilización y de fósforo por lixiviación (Ksheem, Bennett, Antille, & Raine, 2015). Otros sustratos como la composta madura, arcilla y zeolita minimizan las pérdidas de nitrógeno por emisiones de NH3 durante el proceso (Zhang & Sun, 2015) e incrementan la temperatura y generación de CO2 (Jolanun & Towprayoon, 2010).

En tal contexto, la finalidad de la presente investigación fue estudiar la influencia de diversas mezclas de biosólido con suelo arcilloso y estiércol equino degradado sobre la calidad de la composta y el tiempo de compostaje, así como evaluar el efecto al cambiar el peso de los montículos de 250 a 500 y 2 000 kg, utilizando el método de pilas con aireación periódica.

Materiales y métodos

Acondicionamiento de materiales y compostaje

Los experimentos se realizaron con biosólidos de origen municipal, derivados de un proceso de lodos activados. Una capa delgada de biosólidos (BS) se colocó sobre una película de polietileno para deshidratarlos por radiación solar hasta obtener 35 ± 5 % de humedad (Hbh) y posteriormente triturarlos con un molino de martillos. El suelo arcilloso (SA) se adquirió de minas de arcilla ubicadas en la zona sur del Valle de Toluca, Estado de México. Los BS y el SA se cribaron utilizando una malla de 5.0 mm de diámetro para tener un tamaño de partícula uniforme. El estiércol degradado (ED) de origen equino estuvo almacenado más de tres meses en montículos expuestos a la intemperie. Cada sustrato se obtuvo de un solo lote para conformar la mezcla inicial de los tratamientos.

Las pilas se construyeron sobre la tierra a cielo abierto. Se establecieron cuatro tratamientos (proporciones de sustratos) y un control (100 % biosólidos); los experimentos se realizaron por quintuplicado. Las proporciones de BS:SA:ED en los montículos de 250 kg fueron 70:30:00, 65:30:05, 60:30:10, 50:30:20 (p/p, base seca) y se identificaron como PA, PB, PC y PD, respectivamente. Posteriormente, la proporción adecuada de los tres sustratos en las pilas de 250 kg se empleó en las pilas de 500 y 2 000 kg, identificadas como PE y PF, respectivamente.

Las variables de proceso se midieron en horario matutino. La temperatura (T), humedad y pH se determinaron cada 24 h; los volteos y el riego se realizaron cada 48 h. Estas variables se monitorearon durante todo el proceso de compostaje que contempló las fases mesofílica (T < 45 °C), termofílica (T ≥ 45 °C) y segunda fase mesofílica o de enfriamiento. Cuando la temperatura se igualó a la temperatura ambiente, el proceso de compostaje se consideró finalizado. La temperatura se midió con un termómetro digital (HANNA® modelo HI740024, Italia) en la capa interior y exterior de las pilas en nueve puntos aleatorios. La humedad se determinó con un analizador de humedad OHAUS® (modelo MB45, EUA) y el pH se midió con un potenciómetro CONDUCTRONIC® (modelo PC18, México) en una solución de composta:agua (p/v) con una relación 1:5 a 25 °C.

Caracterización de la composta

El muestreo y análisis de la composta se hicieron bajo los lineamientos de la norma mexicana NOM-004-SEMARNAT-2002 (SEMARNAT, 2003). Los análisis se realizaron por triplicado determinando los siguientes parámetros de calidad: MO por el método de Walkley y Black (1934), NTK por digestión-destilación Kjeldahl (1982), K y Na disponible por el método de extracción con reactivo Mehlich-3 y espectrofotometría de absorción atómica (Perkin-Elmer, modelo A100, México), y P disponible por extracción Mehlich-3 y colorimetría (espectrofotómetro de UV Vis Thermo Scientific™ GENESYS 10S, Alemania).

Los metales pesados Cd, Cr y Pb se determinaron por espectrofotometría de absorción atómica, previa digestión con HNO3 concentrado y HCl en una proporción 1:3 v/v. Los contenidos de coliformes fecales y Salmonella spp. se determinaron por el método de fermentación en tubos múltiples o del número más probable (NMP), y el contenido de huevos de helminto viables, por el método Balinger modificado (SEMARNAT, 2003).

El experimento tuvo un diseño completamente al azar y los datos generados se sometieron a un análisis de varianza (ANOVA). Todos los valores se expresaron como medias estadísticas. La prueba de Tukey (P < 0.05) se aplicó para determinar las diferencias estadísticamente significativas, utilizando el paquete estadístico SPSS 16.0 (SPSS, 2007).

Resultados y discusión

Selección de la proporción óptima de BS:SA:ED en pilas de 250 kg

Después de 24 h de iniciado el proceso, las temperaturas fueron superiores a 45 °C, donde la fase termofílica tuvo una duración de 9 a 14 días. En esta fase, el tratamiento PB (65:30:05) presentó la temperatura más alta (63.8 °C) en contraste con la pila control (48.7 °C) (Figura 1). De acuerdo con los resultados del análisis microbiológico, reportado en el Cuadro 1, las temperaturas alcanzadas garantizaron la eliminación de microorganismos patógenos. Estas fueron similares a las obtenidas por Ho, Yuan, Jien, y Hseu (2010), quienes incorporaron residuos de arcilla activada y cáscara de arroz, como agentes estructurantes, a los biosólidos.

Por otra parte, la incorporación de los sustratos influyó en la disponibilidad de los metales ya que se observó una mayor concentración en P0 con respecto al resto de los tratamientos (Cuadro 1). No obstante, la concentración fue inferior a la establecida por la legislación mexicana (SEMARNAT, 2003) y la United State Environmental Protection Agency (USEPA, 1999), lo cual es importante al considerar su incorporación al suelo, debido a la fitotoxicidad y poca tolerancia de ciertas especies vegetales.

Figura 1 Perfil de temperatura y pH en el proceso de compostaje de biosólidos:suelo arcilloso:estiércol degradado de equino en distintas proporciones (P0 = control, PA = 70:30:00, PB = 65:30:05, PC = 60:30:10, PD = 50:30:20). 

Cuadro 1 Concentración de metales pesados, microorganismos patógenos y parásitos en la composta de biosólidos:suelo arcilloso:estiércol degradado de equino en distintas proporciones. 

Tratamientos Metales pesados Indicadores microbiológicos
Montículo (kg) Proporción Pb (mg·kg-1) Cr (mg·kg-1) Cd (mg·kg-1) CF (NMP·g-1) HH (HH·g-1) Salmonella spp. (NMP·g -1 )
250 P0 4.1 2.7 0.5 390 000 2.0 9.0
250 PA 2.5 1.5 <0.1 ND <1.0 ND
250 PB 3.0 1.6 <0.1 ND <1.0 ND
250 PC 2.3 1.2 <0.1 ND <1.0 ND
250 PD 3.0 1.6 <0.1 ND <1.0 ND
500 PE <0.05 2.4 <0.1 ND <1.0 ND
2 000 PF 4.2 ND 0.4 ND <1.0 ND
Normatividad*
aClase A 300 1 200 39 <1.0 x 103 <1.0 < 3.0
bClase A 300 1 500 39 1.0 x 103 1.0 3.0

Composta de biosólidos:suelo arcilloso:estiércol degradado de equino en distintas proporciones (P0 = control, PA = 70:30:00, PB, PE y PF = 65:30:05, PC = 60:30:10, PD = 50:30:20). CF: coliformes fecales, HH: huevos de helminto viables, NMP: número más probable, ND: no detectado. Los resultados están dados en base seca. *Límites para metales pesados y patógenos en los biosólidos Clase A (excelente calidad) según la NOM-004-SEMARNAT-2002 (SEMARNAT, 2003)a y USEPA (1999)b.

En la Figura 1 se observa que a partir del día 2, el pH alcanzó un valor de 9.0, debido al CO2 y NH3 liberados a la atmósfera durante la aireación de las pilas. Las emisiones fueron mayores en el control (P0), el cual presentó los niveles más altos de pH. Estas diferencias muestran que la ausencia de SA y ED propiciaron mayor disociación del amonio y la rápida descomposición de los compuestos nitrogenados, provocando pérdidas de nitrógeno por volatilización. El pH final (8.0 a 8.5 unidades) indicó la estabilidad de la materia orgánica (Hachicha et al., 2009). Estos resultados son similares a los reportados por otros investigadores como Malinska, Zabochnicka-Swiatek, y Dach (2014), quienes utilizaron biosólidos, virutas de madera y carbón vegetal, y Scoton, Battistelle, Bezerra, y Akutsu (2016) que trabajaron con bagazo de caña de azúcar y café.

El Cuadro 2 presenta las mediciones iniciales y finales del proceso de compostaje. En esta investigación, la humedad inicial varió de 34 a 45 %, debido a que la incorporación de SA y ED incrementó la retención de agua y dificultó la mezcla de los sustratos durante el proceso de aireación. Se observó que esto no limitó la actividad microbiana, pues se alcanzaron altas temperaturas como respuesta al calor liberado por la degradación de la MO. La variación y pérdida de humedad se atribuyeron a la generación de agua por la biodegradación, evaporación, tasa de aireación y capacidad de los sustratos para mantener la humedad en las pilas (Jolanun & Towprayoon, 2010). Otros investigadores como Barrena, Font, Gabarrell, y Sánchez (2014) trabajaron con valores menores de 40 %, mientras que Ho et al. (2010) reportaron humedad de 45 a 65 %.

Con relación a la MO se encontraron diferencias significativas entre los tratamientos (P < 0.05). El tratamiento control (P0) tuvo el mayor porcentaje (Cuadro 2), lo cual se atribuye a la oxidación química y microbiológica de la MO ocasionada por los sustratos en el resto de los tratamientos. La reducción de MO en los tratamientos fue de 51.14 ± 5.13 %, de acuerdo con lo recomendado por Antil, Raj, Narwal, y Singh (2011), quienes mencionan que la pérdida de MO debe ser mayor de 42 %. Como se observa en el Cuadro 2, los sustratos y la proporción empleada influyeron en la degradación de la MO. Otros investigadores como Bustamante et al. (2008) realizaron mezclas entre residuos vinícolas y estiércol bovino y avícola, observando una mineralización más rápida de la MO. En el trabajo de Jolanun y Towprayoon (2010), al añadir 15 % de arcilla granulada, se comprobó una mejora en la fase termófila del compostaje, así como un incremento en la degradación de la MO.

Cuadro 2 Caracterización de la mezcla inicial de biosólidos, suelo arcilloso y estiércol degradado, y de la composta terminada. 

Tratamiento MO (%) NTK (%) C/N P (%) K/Na pH* Hbh (%)
Inicial Tratamientos con diferentes proporciones de sustratos
P0 28.79 ± 0.42 4.6 ± 0.37 3.63 ±1.00 0.24 ± 0.07 10.40 ± 0.51 7.8 ± 0.28 36.9 ± 0.62
PA 21.39 ± 0.57 3.24 ± 0.22 3.83 ± 0.43 0.23 ± 0.05 9.09 ± 0.88 7.2 ± 0.12 40.5 ± 0.53
PB 25.12 ± 0.19 3.00 ± 0.10 4.86 ± 0.16 0.22 ± 0.09 15.75 ± 0.51 7.8 ± 0.17 36.1 ± 0.88
PC 24.00 ± 0.42 2.88 ± 0.20 4.83 ± 0.48 0.28 ± 0.06 7.84 ± 0.14 7.7 ± 0.10 35.6 ± 0.51
PD 26.61 ± 0.52 2.52 ± 0.19 6.12 ± 0.79 0.24 ± 0.08 7.50 ± 0.27 7.9 ± 0.12 35.5 ± 0.99
Inicial Tratamientos con diferentes pesos de montículo
PE-500 22.69 ± 0.68 3.06 ± 0.19 4.30 ± 0.95 0.27 ± 0.05 16.50 ± 1.94 6.8 ± 0.13 45.0 ± 1.72
PF-2000 22.72 ± 0.35 3.10 ± 0.25 4.25 ± 0.17 0.28 ± 0.07 6.71 ± 0.74 7.0 ± 0.22 39.6 ± 1.09
Final Tratamientos con diferentes proporciones de sustratos
P0 15.35c ± 0.48 1.42a ± 0.42 6.67b ± 1.87 0.20a ± 0.01 9.00a ± 0.32 8.46a ± 0.34 19.18b ± 0.54
PA 11.40a ± 0.61 1.50a ± 0.25 4.10a ± 0.25 0.20a ± 0.02 13.00b ± 0.74 8.24a ± 0.15 15.00a ± 0.65
PB 12.70b ± 0.16 1.43a ± 0.04 5.17ab ± 0.16 0.30b ± 0.10 10.90c ± 0.63 8.08a ± 0.26 24.76c ± 0.93
PC 10.90a ± 0.30 1.49a ± 0.25 4.34a ± 0.73 0.20a ± 0.01 6.30d ± 0.19 8.20a ± 0.07 19.80b ± 0.39
PD 11.10a ± 0.57 1.50a ± 0.28 4.12a ± 0.85 0.30b ± 0.04 5.40e ± 0.20 8.40a ± 0.16 18.70b ± 0.83
Final Tratamientos con diferentes pesos de montículo
PB-250 12.70a ± 0.16 1.43a ± 0.04 5.17a ± 0.16 0.30a ± 0.10 10.90a ± 0.63 8.08a ± 0.26 24.76a ± 0.93
PE-500 10.82b ± 0.75 1.20a ± 0.14 5.01a ± 0.51 0.29a ± 0.03 20.20b ± 1.79 8.06a ± 0.09 36.96b ± 1.88
PF-2000 9.96c ± 0.23 1.32a ± 0.19 4.44a ± 0.56 0.08b ± 0.01 8.84c ± 0.55 8.50b ± 0.16 34.40b ± 2.30

Composta de biosólidos:suelo arcilloso:estiércol degradado de equino en distintas proporciones (P0 = control, PA = 70:30:00, PB, PE y PF = 65:30:05, PC = 60:30:10, PD = 50:30:20). MO: materia orgánica. NTK: nitrógeno total Kjeldahl, Hbh: Humedad en base húmeda. Los datos están dados en peso seco excepto pH y humedad. *El pH se determinó en una solución de composta:agua (p/v) con una relación 1:5 a 25 °C. En los tratamientos finales, letras diferentes en cada columna indican diferencia significativa (Tukey, P < 0.05). n = 5. ± Desviación estándar de la media.

En el Cuadro 2 también se aprecia que la relación C/N está influenciada fuertemente por los sustratos de partida. La relación C/N de la composta obtenida no representa un riesgo ambiental al aplicarse en el suelo ni altera el equilibrio microbiológico al ser menor de 15 (relación C/N típica en suelos), por lo tanto, se puede asumir que la composta posee madurez para su uso (Antil et al., 2011; Bernal, Navarro, Roig, Cegarra, & García, 1996). Los valores de C/N fueron similares a los reportados por Yañez, Alonso, y Díaz (2009) en el compostaje de biosólidos con mimosa (Acacia dealbata Link).

El tiempo de duración del proceso de compostaje en los tratamientos fue de 21 a 29 días (Figura 1), en contraste con el control que no logró estabilizarse en este periodo. El uso de los sustratos en las pilas influyó en el tiempo de proceso debido a las características de los componentes, ya que el ED es rico en microorganismos degradadores y el SA propicia las condiciones para su crecimiento.

El contenido de P fue mayor y estadísticamente diferente (P < 0.05) en PB y PD con respecto al resto de los tratamientos, y la relación K/Na fue superior en PA y PB, dichas características denotan un producto de calidad agronómica.

El tratamiento PB (65:30:5) se eligió para realizar las pilas de 500 (PE) y 2 000 kg (PF) tomando en cuenta los resultados de temperatura, pH, Hbh, variables fisicoquímicas y microbiológicas y tiempo de compostaje.

Proceso de compostaje en las pilas de 250, 500 y 2 000 kg

La etapa termofílica tuvo una duración de 10, 14 y 16 días para PB (250 kg), PE (500 kg) y PF (2 000 kg) con temperaturas máximas de 63.8, 57.9 y 56.0 °C, respectivamente. El tiempo de compostaje se prolongó en PF a 32 días (Figura 2). El pH fue menor en PE y PF con máximos de 9.1 y 9.2, y mínimos de 8.2 y 8.8, respectivamente. El contenido de humedad de 34.3 a 43.5 % aseguró la actividad adecuada de los consorcios microbianos.

En los parámetros de calidad se encontraron diferencias significativas con respecto al peso del montículo (Cuadro 2). Las variables más afectadas fueron MO y relación K/Na. En el tratamiento PF se obtuvieron las concentraciones más bajas de MO, P y relación K/Na, con temperatura y pH inferior al resto de los tratamientos; además, el tiempo de compostaje incrementó a 32 días (Figura 2). En contraste, el tiempo de compostaje con PB fue de solo 21 días; aunque la duración de la fase termofílica fue menor, las temperaturas alcanzadas fueron mayores que en los tratamientos realizados a mayor peso. Por otra parte, de acuerdo con el análisis microbiológico, la población de coliformes fecales, Salmonella spp. y los huevos de helminto viables fueron eliminados durante el compostaje.

El peso inicial y final de cada pila se comparó y se observó una reducción de 74.82 ± 5.63 %, lo que indica la eficacia del compostaje y muestra que el uso de sustratos es una alterativa en el tratamiento y reducción de los biosólidos.

Figura 2 Perfil de temperatura y pH en el proceso de compostaje de biosólidos: suelo arcilloso:estiércol degradado de equino en proporción 65:30:5 con diferentes pesos del montículo. 

Conclusiones

Los resultados muestran que la incorporación de estiércol degradado (ED) y suelo arcilloso (SA) favorece el compostaje de biosólidos (BS) municipales al reducir el tiempo de proceso a 32 días como máximo, en contraste con los procesos tradicionales que tardan más de tres meses en estabilizarse. La proporción 65:30:05 de BS:SA:ED en las pilas de 250 kg, bajo el método de pilas con volteos periódicos, incrementa la calidad agronómica de la composta significativamente. Los parámetros fisicoquímicos y microbiológicos se encuentran dentro de los límites normados, lo que determina su uso y aprovechamiento agronómico como mejorador de suelo por su bajo contenido de metales pesados, patógenos y parásitos.

Agradecimientos

Al Tecnológico Nacional de México (TecNM, no. de proyecto: 5443.14-P), al Instituto Tecnológico de Toluca (ITT) por las instalaciones, al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) por el financiamiento y a la Compañía Operadora de Ecosistemas (ECOSYS) por los materiales proporcionados.

REFERENCIAS

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Recibido: 18 de Diciembre de 2016; Aprobado: 24 de Julio de 2017

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