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}).

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). 

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.

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.