Influence of pile turning frequency for moisture control in municipal biowaste composting

Edgar Ricardo OVIEDO OCANA^1,2*, Luis Fernando MARMOLEJO REBELLÓN¹ y Patricia TORRES LOZADA¹

¹ Grupo de Investigación Estudio y Control de la Contaminación Ambiental, Universidad del Valle, Calle 13 # 100 - 00, A.A 25360, Cali, Colombia *Autor responsable; edgar.oviedo@correounivalle.edu.co, eroviedo@uis.edu.co

² Escuela de Ingeniería Civil, Facultad de Ingeniería Físico-mecánicas, Universidad Industrial de Santander, Cra. 27 con calle 9, Bucaramanga, Colombia

RESUMEN

Los sustratos del compostaje de biorresiduos de origen municipal (BOM) se caracterizan por el alto contenido de humedad que puede afectar la evolución del proceso de transformación aerobia de la materia orgánica. Una estrategia de control de la humedad durante el proceso de compostaje es el incremento en la frecuencia de volteo de las pilas. Este estudio evaluó la influencia de la aplicación de esta estrategia para el control de la humedad inicial en el compostaje de BOM, para lo cual se montaron dos tipos de pilas a escala piloto (570 kg) con diferente frecuencia de volteo durante las cuatro primeras semanas del proceso; la pila A con al menos dos volteos semanales y la pila B con seis volteos semanales. Los resultados indican que el aumento en la frecuencia de volteos fue efectivo para reducir la humedad inicial de los sustratos, obteniendo una mayor tasa de degradación de la materia orgánica, que se reflejó en un 20 % menos del tiempo de duración de las fases mesofílica, termofílica y de enfriamiento y además, en un mayor mantenimiento de las temperaturas de higienización (siete días adicionales). El incremento en la frecuencia de volteo disminuyó el contenido de nutrientes (NTotal, P_Total y K_Total) y del carbono orgánico total (COT) y por ende el valor agronómico del producto, no obstante, se favoreció la disminución de sustancias fitotóxicas alcanzando un mayor índice de germinación y menores valores de conductividad eléctrica.

Palabras clave: aireación, calidad producto, proceso biológico, residuos orgánicos, sustratos.

ABSTRACT

Substrates of biowaste composting are characterized by high moisture contents that affects the aerobic transformation of organic matter. A strategy for moisture control on the process is achieved by increase of turning the pile to a certain frequency. This study assesses the influence of this strategy for the initial moisture control in biowaste composting. Two types of pilot-scale piles were assessed with different turn frequencies during the first four weeks of the process. Pile A was turned at least two times per week and pile B six turns per week. Results show that the increase on the turn frequency was effective for reducing initial moisture of the substrates. A high degradation rate of organic matter was achieved. This was reflected in a shorter duration of the mesophilic, termophilic and cooling phases (20 % less time). Furthermore, the sanitation temperatures were kept for seven additional days. The increase on the turn frequency influences the nutrient content and COT decrease and hence the agronomic value of the product. In addition, this increase favored the reduction of phytotoxic substances allowing a higher germination index and less electric conductivity.

Key words: aeration, product quality, biologic process, organic waste, substrate.

INTRODUCCIÓN

La calidad del compost depende de las características fisicoquímicas de los sustratos, del control del proceso así como del tiempo de maduración del producto (Chiumenti et al. 2005, Hargreaves et al. 2008, de Guardia et al. 2010). Estudios desarrollados en Colombia muestran que el compostaje de biorresiduos de origen municipal (BOM) se caracteriza porque sus sustratos contienen una alta proporción de residuos de alimentos sin procesar (Marmolejo 2011), tales como residuos de frutas y vegetales que presentan una alta humedad que pueden afectar adversamente la porosidad del material y la difusión de oxígeno (Abd El Kader et al. 2007, Jolanun et al. 2008, Krogmann et al. 2010) favoreciendo procesos anaerobios, caídas en el pH, disminución en la tasa de degradación, generación de olores y baja calidad del producto (Diaz y Savage 2007, Sundberg y Jonsson 2008, Guo et al. 2012).

En instalaciones de compostaje que tratan sustratos con una alta humedad y que son de rápida degradación como los residuos de alimentos, se requiere una cuidadosa selección de tecnología y mayores controles operacionales (Krogmann et al.2010) ; en este tipo de instalaciones se han establecido estrategias para el control de la humedad, tales como la incorporación de materiales de soporte y el incremento en la tasa de aireación (Epstein 2011). Con respecto a la incorporación de materiales de soporte, éstos son aplicados para suministrar porosidad a la materia prima y soporte estructural para mejorar la aireación (Haug 1993, Diaz y Savage 2007, Epstein 2011) ; no obstante, la disponibilidad de los materiales puede ser limitada o incrementar los costos de adquisición y transporte, por lo que deben ser estrictamente seleccionadas (Adhikari et al. 2009).

De otro lado, la aireación influye en la eficiencia del proceso y es uno de los parámetros más importantes para ser optimizados, debido a su efecto sobre las tasas de degradación y maduración (Tiquia 2010). La selección del método de aireación depende de la naturaleza del sustrato, siendo los métodos más comunes, el volteo de pilas (o hileras) o la aireación forzada; ambos tipos han demostrado ser adecuados para un amplio rango de sustratos (Cayuela et al. 2006). Diaz y Savage (2007) mencionan que la aireación, además de suministrar oxígeno a la masa de compostaje, sirve para el adecuado control de la humedad, encontrándose las mayores pérdidas de agua en la aireación por volteos (Epstein 2011).

En sistemas de compostaje de BOM a pequeña escala de países en desarrollo se requiere la instalación de tecnologías apropiadas al contexto, tales como aireación con volteos de pilas o aireación forzada (OPS et al. 2010); Kalamdhad y Kazmi (2009) indican que los volteos tienen la ventaja de exponer el material fresco a la colonización microbiana, conducen a la liberación de NH₃ retenido en las pilas y cuando se aumentan las frecuencias de volteo durante el proceso, se acorta el período de estabilización activa. No obstante, una mayor frecuencia de volteo requiere una labor intensiva (Getahun et al. 2012), por lo que es necesario establecer un régimen apropiado de volteos para conseguir un proceso efectivo.

Dadas la alta humedad de los sustratos del compostaje de BOM en países en desarrollo, la necesidad de identificar medidas de operación que permitan controlar el exceso del contenido inicial de la humedad en el proceso de compostaje y el reconocido rol que tiene la frecuencia de volteo para su reducción (Golueke y McGauhey 1953), este artículo muestra los resultados de la evaluación de la influencia de la frecuencia de volteo en el comportamiento de variables fisicoquímicas del proceso de compostaje de BOM (temperatura, pH y humedad), así como en variables de calidad del producto, con el objetivo de contribuir al mejoramiento del funcionamiento de los sistemas de compostaje de BOM de pequeña escala en el contexto de países en desarrollo.

MATERIALES Y MÉTODOS

El estudio fue realizado en el municipio de Versalles, Departamento de Valle del Cauca (Colombia). El municipio se encuentra a una altitud de 1860 msnm y en el estudio presentó una temperatura ambiente promedio de 18.9 °C ± 1.4 °C. Los sustratos empleados en el estudio provienen de los BOM separados en la fuente, recolectados selectivamente por la empresa de aseo y transportados a la planta de compostaje. Estos sustratos estuvieron almacenados por cuatro días en las viviendas, antes de ser recolectados.

Durante el proceso la temperatura fue medida diariamente en el centroide de la pila; la medición se realizó con un termómetro de carátula de 70 cm. El pH y la humedad se midieron diariamente durante la primera semana del proceso y posteriormente al menos tres veces por semana; para la medición de estas variables se tomó una muestra representativa de 200 g proveniente de cuatro puntos opuestos de cada pila que luego eran integrados (Sullivan y Miller 2001). La medición del pH se realizó utilizando el método potenciométrico, con un pHmetro WTW Modelo 315i, empleando agua destilada y material a analizar en una relación 5:1 (v/v). Para la humedad se empleó un analizador de humedad Ohaus MB-35. El contenido de humedad de las pilas se mantuvo por encima del 30 % mediante la humectación con agua del acueducto municipal. Con la información recopilada se llevó a cabo un análisis descriptivo del comportamiento de la temperatura, la humedad y el pH relacionándolos con las condiciones operacionales de las pilas.

Una vez concluido el período de monitoreo, se tomaron cinco submuestras de cada unidad experimental que luego fueron integradas para obtener una muestra representativa de cada pila; este procedimiento se efectuó siguiendo lo establecido por Sullivan y Miller (2001). Posteriormente se realizaron análisis de pH, humedad, potasio total (K), fósforo total (P) y carbono orgánico oxidable total (COT) siguiendo los métodos expuestos en la Norma Técnica Colombiana (NTC) 5167 (ICONTEC 2003), y el nitrógeno total (NTotal) conforme a lo indicado en la NTC 370 (ICONTEC 1997). Los análisis de cada una de las muestras fueron realizados por duplicado; en caso de que se presentaran coeficientes de variación (CV) mayores a 15 % para algún parámetro, se repetían nuevamente los análisis. La información de calidad del producto se comparó con los estándares de calidad de la Norma Técnica Colombiana (NTC 5167) y se contrastó con los resultados presentados en otros estudios relacionados. Adicionalmente, se determinó la conductividad eléctrica (CE) y el índice de germinación (IG) del producto; la CE se realizó por el método potenciométrico con un conductímetro WTW modelo 325 y los ensayos de germinación se efectuaron determinando la sensibilidad del rabanito (Raphanus sativus) a los productos y siguiendo los procedimientos establecidos en la INN (2004) y Varnero et al. (2007).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Composición física y calidad de sustratos

Los BOM presentaron un predominio de alimentos sin procesar (95 %), seguidos en su orden por alimentos procesados (2.8 %), restos de poda y jardín (1.4 %), impropios (0.5 %) y residuos de papel y cartón (0.4 %). Esta tendencia ha sido reportada previamente en estudios desarrollados en la localidad (Marmolejo 2011). Con respecto a los alimentos sin procesar, predominan cáscaras de frutas y vegetales, entre las que se encuentran en mayor proporción las de plátano, yuca, naranja, maracuyá, cebolla, aguacate, frijol y mazorca; este tipo de residuos se caracterizan por tener materia orgánica de fácil degradación (Krogmann et al. 2010). El cuadro I presenta los análisis fisicoquímicos realizados a los sustratos de la localidad.

La humedad presenta valores superiores al rango superior recomendado por diversos autores para el inicio del proceso (55 - 65 %) (Stentiford 1996, Chiumenti et al. 2005); el alto valor está asociado a la presencia de residuos de frutas y vegetales (Epstein 2011) el cual puede tener un efecto en el arranque del proceso de compostaje.

Comportamiento de la temperatura, humedad y pH

Temperatura y humedad. La figura 1 presenta el comportamiento de la temperatura (líneas continuas) y de la humedad en las unidades estudiadas (líneas discontinuas). De igual manera, se observa en la parte inferior de la figura, tanto los volteos manuales efectuados como las ocasiones en las que fue necesario humectar ambos tipos de pilas. Los volteos y las humectaciones tienen una representación del momento en que fueron realizadas en la escala de tiempo planteada y no tienen significado en los ejes de las ordenadas.

En general se observa un comportamiento típico de temperatura del proceso de compostaje, con fases secuenciales mesofílica (< 45 °C), termofílica (> 45 °C), enfriamiento (o segunda mesofílica) y maduración (T ambiente) (Chiumenti et al. 2005). La pila B alcanzó en menor tiempo tanto la temperatura del rango termofílico (2 días) como la del mayor pico (12 días) en comparación con la pila A que presentó 3 y 16 días respectivamente. Estos resultados guardan similitud con lo indicado por Tiquia et al. (2002), quienes encontraron en el compostaje de estiércol porcino un menor tiempo de duración de la fase termofílica en las pilas con volteo que en las pilas estáticas.

La duración total de las fases mesofílica y termofílica fue dos días menor en la Pila B que en la A, resultado similar al reportado en el compostaje de diferentes sustratos por Jiang et al. (2011) (residuos de estiércol porcino y tallos de maíz) y por de Guardia et al. (2008) (mezcla de virutas de madera y lodos), quienes mencionan que la temperatura incrementa y decrece más rápido a mayores tasas de aireación. Guo et al. (2012) realizando compostaje con estiércol porcino, encontraron un comportamiento similar e indican que se presenta porque la mayor tasa de aireación conduce a mayor tasa de degradación y pérdidas de humedad y calor.

En ambos casos, el rápido inicio del proceso está relacionado con la presencia de fracciones fácilmente biodegradables en los residuos de alimentos como azúcares, proteínas y aminoácidos (Krogmann et al. 2010, Jiang An et al. 2012); sin embargo, se observa que el incremento en la frecuencia de la aireación propició mejores condiciones tanto para el suministro de oxígeno como para el manejo de la humedad de los sustratos. Lo encontrado en esta fase coincide con lo planteado por Haug (1993), Smith y Hughes (2004) y Tiquia (2005), quienes indican que mayor aireación por volteo durante la fase inicial de descomposición intensifica la actividad de los microorganismos, acortando el periodo de estabilización activa. Asimismo, puede estar relacionado con el hecho de que los volteos mejoran la homogeneización del sustrato, que permite a los microorganismos transformar material que no habían alcanzado a degradar previamente (Getahun et al. 2012).

Con respecto a la humedad, el comportamiento presentado durante las primeras dos semanas muestra una mayor reducción de humedad en la pila B, lo cual está asociado a una mayor tasa de degradación, que se refleja en el mayor calor generado en este periodo y que conduce a la evaporación. Este comportamiento también es reportado por Kalamdhad y Kazmi (2009) en procesos de compostaje a escala de laboratorio empleando estiércol bovino, vegetales y aserrín.

Los mayores picos de temperatura se presentaron en la pila B, que tuvo temperaturas de hasta 74 °C mientras que la pila A alcanzó una temperatura máxima de 64 °C, mostrando la necesidad de un monitoreo cuidadoso para el control de la temperatura en las pilas con mayor aireación. Similares resultados encontraron Abd El Kader et al. (2007), quienes concluyen que el volteo, que incrementa la aireación natural, permitió alcanzar las mayores temperaturas del proceso. De otro lado, la pila B tuvo temperaturas mayores a 60 °C por una duración de 11 días mientras que la A por 4 días, lo que permite alcanzar mejores condiciones de higienización, acorde con lo indicado por Krogmann et al. (2010). En ambos tipos de pilas, se cumple el rango de temperatura (60 a 70 °C) y tiempo de duración de este rango (24 horas) para la destrucción de patógenos y semillas durante el proceso, como es sugerido por Tchobanoglous et al. (1994).

En la fase de enfriamiento se transforman compuestos de difícil degradación y la temperatura decae lentamente (Chiumenti et al. 2005, Guo et al. 2012), fase que se alcanzó en menor tiempo en la pila B (26 días) en comparación con la pila A (28 días). Esto puede estar asociado a los continuos volteos y humectaciones (tres veces) realizadas en esta fase en la pila B, que mantuvieron un mejor ambiente para la actividad microbiológica. La fase de maduración fue más extendida en la pila B, que presentó una duración de 66 días para alcanzar la temperatura de 24 °C (la menor temperatura obtenida) mientras que la pila A alcanzó la temperatura de 22 °C en 51 días. Esto coincide con lo reportado por Brito et al. (2008) quienes concluyen que el volteo incrementa la tasa de mineralización de la materia orgánica, pero después de las cuatro primeras semanas, se presenta una estabilización similar de la materia orgánica en comparación con técnicas de compostaje estático.

pH. La figura 2 presenta el comportamiento del pH en los dos tipos de unidades estudiadas; las pilas A y B presentan valores similares, situación también reportada por Arslan et al. (2011) en su estudio, quienes emplearon diferentes tasas de aireación y no encontraron diferencias en los valores del pH. Desde el inicio del proceso, el pH de ambas pilas presentó valores ácidos hasta el día 2 del proceso; autores como Smárs et al. (2002) y Sundberg et al. (2004) indican que esta acidez se asocia con la temprana producción de ácidos grasos, que es producto de la descomposición microbiana de la materia orgánica fácilmente degradable (de Bertoldi et al. 1983, Chiu-menti et al. 2005,).

Desde el día 4 hasta finalizar el proceso, el pH presentó valores en el rango alcalino. Bechfriis et al. (2001) indican que la descomposición de ácidos orgánicos es seguida por un rápido incremento en el pH causado por la transformación de nitrógeno orgánico en nitrógeno amoniacal, situación que debe ser controlada ya que el incremento en el pH, asociado con altas temperaturas, puede promover la volatilización del NH₃ (de Bertoldi et al. 1983); adicionalmente, las mayores frecuencias de volteo pueden incrementar dichas pérdidas (Guo et al. 2012). Otros elementos que contribuyen al incremento del pH son la liberación de CO₂, la aireación de la biomasa (Haug 1993) y el aumento en la concentración de bases catiónicas solubles en agua causadas por la descomposición de la materia orgánica (Kalemelawa et al. 2012).

Los elevados valores alcalinos en ambos tipos de pilas se deben probablemente al gran contenido de potasio que caracteriza a estos sustratos y que está asociado a la alta presencia de cáscaras de plátano en los BOM. De acuerdo con Kalemelawa et al. (2012) el ion potasio disponible en forma soluble en agua, combinado con ácidos bicarbonatos (HCO₃) producidos durante la mineralización de la materia orgánica, puede formar una base fuerte como el hidróxido de potasio (KOH). En este caso, la frecuencia en la aireación no tuvo un efecto en la disminución de los elevados valores de pH encontrados en las fases de enfriamiento y maduración. Estos valores básicos en el producto final se han reportado en estudios previos desarrollados por los autores Marmolejo (2011) y Marmolejo et al. (2010). Brito et al. (2008) recomiendan que los productos con valores de pH básicos pueden ser mezclados con otros materiales de pH bajos, de manera que puedan ser aplicados en diferentes usos.

Calidad del producto

El cuadro II presenta los resultados de calidad de los productos de las pilas A y B. Con respecto a la humedad, los productos alcanzaron valores que cumplen con lo establecido en la norma colombiana para este parámetro. Se observan valores similares en ambos tipos de pilas, aunque fue necesaria una mayor hidratación en la pila B para mantener el nivel de humedad necesario para la actividad biológica. Para el caso de la humedad y el pH no se presentaron diferencias importantes entre los productos, situación similar a la reportada por Tirado y Michel (2010) quienes indican, en el compostaje de estiércol bovino, que no se presentaron diferencias significativas asociadas a la frecuencia de volteo para ambos parámetros.

Las principales diferencias observadas entre los productos de los dos tipos de pilas, son en el contenido de N, K, P y COT, encontrándose menores valores en la pila B. En relación con el menor contenido de Ntotal en la pila B, otros autores (Tiquia et al. 2002, Getahun et al. 2012, Guo et al. 2012) también reportan menores valores cuando se aumenta la frecuencia de los volteos de las pilas de compostaje, debido a la liberación del NH₃. Esto sucede debido a que la mayor aireación aumenta la transformación de NH₃ acuoso a NH₃ gaseoso el cual, debido a la alta temperatura y pH, puede ser volatilizado durante los volteos. A pesar de una mayor pérdida de N en la pila B, ambos productos cumplen con los valores mínimos de reporte para este parámetro estipulados en la norma colombiana.

El impacto de la pérdida de N en pilas con mayor frecuencia de volteo no fue significativo en este experimento, debido al contenido inicial del N en los sustratos; no obstante cuando este contenido es bajo, puede incidir negativamente en la calidad del producto final, disminuyendo su valor agronómico. Abd El Kader et al. (2007) recomiendan considerar la relación C/N de los sustratos para la programación de la aireación, de manera que se minimicen las pérdidas cuando la relación no es la recomendada para el inicio del proceso.

Los menores valores en COT y PTotal en la pila B pueden asociarse a una mayor mineralización de estos elementos, debido a la disponibilidad de oxígeno en el medio que permitió más actividad biológica. En este estudio, ninguno de los dos parámetros en ambos tipos de pilas cumple con los valores mínimos de reporte de la norma técnica, lo que está asociado al bajo contenido del COT y PTotal en los sustratos procesados. Tiquia et al. (2002) también encontraron en el compostaje de estiércol bovino, menores valores de COT, P_Total y K_Total en los tratamientos que incluían mayores frecuencias de volteo de las pilas. La relación C/N presentó valores bajos e inferiores a los recomendados por diversos autores (Barberis y Nappi 1996, Sullivan y Miller 2001), lo que está asociado al bajo contenido de COT encontrado en los productos; estos bajos valores en la C/N pueden causar toxicidad a las plantas por la liberación de amonio (Tiquia 2010).

La CE es una medida indirecta del contenido de sales asociada a la presencia de sodio, cloruro, potasio, nitrato, sulfato y sales de amonio, que en elevadas concentraciones son tóxicas para las plantas e inhiben su crecimiento (Hargreaves et al. 2008, Sullivan y Miller 2001). En esta evaluación se encontró que la pila B presentó menor valor, lo cual puede estar asociado a una mayor liberación de sales minerales y de iones de amonio (volatilización del amoniaco) a través de la descomposición de la materia orgánica; sin embargo, ninguno de los dos productos presentó valores inferiores a los rangos recomendados por Koivula et al. (2004) (4 dS/m), Dinambro et al. (2006) (< 2 dS/m), Benito et al. (2006) (< 0.5 dS/m) o Getahun et al. (2012) (< 3 dS/m) para su uso en la agricultura. Como indica Tiquia (2010) la salinidad puede estar asociada al relativo alto contenido de nitrógeno en el producto final y su posterior mineralización.

El IG corrobora lo encontrado con la CE, en el que aunque se tuvieron altos porcentajes de germinación en los productos de ambos tipos de pilas (Porcentajes de Germinación Relativa - PGR de 88,9 % y 100 % para los productos A y B respectivamente), tuvieron un bajo crecimiento de la raíz (Crecimiento de Radícula Relativo - CRR de 32,8 y 39,1 para los productos A y B respectivamente). Los valores finales del IG muestran mejores condiciones en el producto B, aunque en ambos productos se percibe fitotoxicidad, lo cual puede indicar la necesidad de mayores periodos de maduración. Tal como lo reportan Smith y Hughes (2004) la alta salinidad del compost puede ser una razón para los bajos rendimientos en el IG y la cual fue corroborada con los valores encontrados de CE en los productos.

CONCLUSIONES

El estudio mostró que el incremento en la frecuencia de volteo de las pilas de compostaje de BOM permitió mejores condiciones de proceso que se reflejó en las mayores tasas de degradación de la materia orgánica, una disminución en la duración de las fases mesofílica, termofílica y de enfriamiento del proceso en un 80 % y en un mayor mantenimiento de las temperaturas de higienización. Sin embargo, el incremento en la frecuencia de volteos tuvo un impacto en la calidad del producto, disminuyendo el contenido de COT y nutrientes (N, P y K) lo cual puede estar asociado con una mayor mineralización del COT y del N y P orgánicos, así como una mayor pérdida del N por su volatilización como NH₃. Aunque no se percibieron influencias en el comportamiento del pH del proceso ni del producto, el incremento de la aireación tuvo un efecto favorable en la disminución de sustancias fitotóxicas que se reflejó en un mejor índice de germinación y en menores valores de conductividad eléctrica.

Los resultados de este estudio muestran que el incremento en la frecuencia del volteo de las pilas de compostaje de biorresiduos es efectivo para el control de la humedad inicial de los sustratos y se recomienda efectuar en las fases mesofilíca y termofilíca (tres primeras semanas en este estudio); adicionalmente, podría combinarse con otras estrategias, como la incorporación de materiales de soporte, que además de contribuir a mejorar la porosidad del material y las condiciones de aireación del material, incrementen el contenido de carbono de los sustratos y ayuden a minimizar las pérdidas de Nitrógeno.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a la Universidad del Valle (Colombia) por la financiación del proyecto de investigación en el marco del cual se efectuó este estudio; a la Cooperativa de Servicios Públicos de Versalles, Camino Verde APC, por el apoyo brindado en el trabajo experimental. E. R. Oviedo-Ocaña agradece al Departamento Administrativo de Ciencia, Tecnología e Innovación de Colombia - COLCIENCIAS por la beca otorgada para sus estudios doctorales y a la Universidad Industrial de Santander (Colombia) por el tiempo otorgado para la escritura del artículo.

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