Compostaje en biorreactores de lodos residuales y residuos orgánicos Ignacio Zendejas Dorado, María del Consuelo Hernández Berriel, *Leticia Esperanza Colón Izquierdo *lcolon@ittoluca.edu.mx Resumen El proceso de compostaje es complejo de controlar en un sistema de pila estática con ventilación forzada, por lo que es factible llevarlo a cabo por otros medios. El objetivo de este trabajo fue mejorar el proceso de biodegradación aerobia de lodos y residuos orgánicos (RO). Para ello se montó un sistema de 4 biorreactores a escala laboratorio (BIEL) con una proporción 60/40 de lodos de una industria refresquera y RO domésticos triturados (≤ 1 cm), a 2 de ellos se les adicionó un medio nutritivo a base de sulfatos y cloruros, además de 0.52 g de CaSO4 por cada kilogramo de lodo (BIEL-2). A los BIEL se les adaptó un sistema de inyección de aire con temperatura controlada mediante un PLC, de manera que su suministro fue de acuerdo a la etapa del proceso de biodegradación y al balance de oxígeno requerido. Se dio seguimiento al proceso de compostaje determinando el contenido de humedad, pH, temperatura y oxígeno disuelto. Los BIEL sin adición de nutrientes (BIEL-1) presentaron una mayor retención de humedad, valores de pH entre 6.85-7.8 y una temperatura máxima de 49 oC, mientras que los BIEL-2 tuvieron una menor retención de humedad, valores de pH entre 4.6-8.0 y alcanzaron los 52 oC. Conforme a los resultados de la relación C/N, las compostas obtenidas en todos los BIEL pueden considerarse mejoradores orgánicos, aunque el tiempo de biodegradación necesario en los BIEL-1 fue de 15 días y en los BIEL-2 de 38 días con un contenido de Na menor. Palabras Clave: biodegradación aerobia, compostaje, tratamiento de lodos 1. Introducción Informes del Banco mundial en el año 2010 en América latina LAC la población fue de 500 millones, 75% viven en centros urbanos y estos son los más afectados por el mal manejo residuos sólidos urbanos (RSU). En México, los últimos 10 años la población creció 1.8% y la generación de residuos fue de 13% más que la anterior década [1]. Estos últimos al acumularse generan contaminación pues no se reincorporan a la naturaleza en un corto o mediano plazo. Para poder reducir el impacto que estos residuos causan al ambiente, se ha establecido en México la Gestión Integral de Residuos Sólidos Urbanos (GIRSU), la cual brinda los elementos normativos para que se manejen adecuadamente [2]. Una de las opciones es el proceso de compostaje, el cual puede disminuir notablemente la cantidad de RSU que son depositados en tiraderos municipal o rellenos sanitarios, pues según datos del Instituto Nacional de Ecología (INE), la porción orgánica de los RSU en el país es de aproximadamente el 52 % [3]. Como apoyo SEMARNAT-INE-GTZ publicaron el Manual de Compostaje Municipal, en el que se indica a las autoridades municipales la manera de elaborar composta con la fracción orgánica de los RSU [4]. Un estudio del INE identificó en 2005 la existencia de 61 plantas de compostaje (PdC) en México. Las primeras de ellas fueron construidas a finales de los 60´s y principios de los 70´s y algunas de estas ya no se encuentran en operación actualmente. Estas PdC se han estado operando por autoridades Municipales o por instituciones como la UNAM o la UAM. La mayoría de ellas reciben entre 1-2 ton/día y utilizan el método de pila en suelo cubiertas con lonas, sus dimensiones van 1-2 Hacia la sustentabilidad: Los residuos sólidos como fuente de energía y materia prima © 2011 592 m de ancho por 3-5 m de largo y se levantan de 0.5-1m, con un tiempo de maduración va de 4-6 meses. Por lo general el proceso de degradación es anaeróbico y donde se aplican procesos aeróbicos, se emplea el volteo manual o mecánico y en algunas plantas se emplea la lombricomposta. La PdC más grande del país se encuentra ubicada en el relleno sanitario de Bordo Poniente, que recibe aproximadamente 10 toneladas al día de residuos orgánicos [5]. Los principales factores para el proceso de composteo son la humedad, la temperatura y el pH, su manejo adecuado permiten acelerar el mismo, por lo que el objetivo de este trabajo fue mejorar el proceso de biodegradación aerobia de lodos y residuos orgánicos (RO), mediante el acondicionamiento de la temperatura y el control en el suministro del flujo del aire en biorreactores a escala laboratorio (BIEL). 2. Metodología 2.1 Montado de biorreactores Se utilizó un sistema de cuatro BIEL construidos con PVC C-80. Cada BIEL está constituido por un recipiente cilíndrico de 0.0145 m3 de volumen interno como cuerpo, cuenta además de dos tapas semiesféricas de 0.0062 m3 cada una. La tapa inferior tiene un conector central de ½‖ para la inyección de aire con temperatura controlada mediante un PLC y en su interior un distribuidor tubular con un sistema de resistencias. La tapa superior cuenta también con un conector central donde mediante una electroválvula se controla la salida del aire. El cuerpo del BIEL tiene un puerto para un termómetro bimetálico y está cubierto con material aislante. 593 Los RO domésticos se trituraron a un tamaño de partícula ≤ 1 cm y se prepararon 10 kg de una mezcla en proporción 60:40 de lodos de la Planta Tratadora de Aguas Residuales de una industria refresquera (PTAR) y RO, a la mezcla se le adicionó 0.52 g CaSO4/kg de lodos. Con esta mezcla se cargaron los BIEL al 80% de su capacidad. A dos BIEL inicialmente se les agregó además nutrientes de acuerdo a la formulación recomendada por [6]. 2.2 Arranque y seguimiento de la operación La operación de los BIEL inicio con la inyección de aire a temperatura ambiente por 2 minutos y después de mantenerse presurizados por 20 minutos, se despresurizaron mediante la apertura de una electroválvula. Los pasos anteriores se repitieron automáticamente gracias a un PLC, que también permitió el aumento gradual hasta la temperatura de 40oC, durante la fase mesofílica que comprendió 14 días. Posteriormente en la fase termofílica, también de manera programada se continúo con el incremento de la temperatura. El seguimiento de la temperatura se realizó diariamente, lo que permitió estimar mediante la ecuación 1 el calor metabólico, que es la suma de los calores de acumulación, convectivo, conductivo y de evaporación [7]. H mCpm dTm Ga ae * hae as * has ATempU (Tm Tb ) Qag Ga a * e s dt Vemp Vemp (1) (Calor Metabólico) = (Calor Conductivo) + (Calor Acumulación) + (Calor de Evaporación) Cada 24 horas se interrumpió el proceso de inyección de aire acondicionado para destapar los BIEL, muestrear aproximadamente 20 g de residuos sólidos y adicionar a los BIEL con nutrientes 0.52 g CaSO4/kg de lodos, con la finalidad de estabilizar su pH. Hacia la sustentabilidad: Los residuos sólidos como fuente de energía y materia prima © 2011 2.3 Determinaciones analíticas A la mezcla inicial de lodos:RO se le determinó su contenido de humedad base húmeda (%Hbh), pH materia orgánica (MO), nitrógeno (N), relación carbono/nitrógeno (C/N), sodio (Na), fósforo (P) y potasio (K). Los análisis se realizaron mediante la normatividad vigente en el Instituto de Investigación y Capacitación Agropecuaria Acuícola y Forestal del Estado de México (ICAMEX). La muestra de residuos sólidos de cada BIEL se dividió aplicando el método de cuarteo (NMX-AA15-1985) [8] y se caracterizó determinando los parámetros mencionados para la mezcla inicial. 3. Resultados y discusión 3.1 Caracterización de residuos cargados y degradados En la Tabla 1 se muestra los límites permitidos para mejoradores orgánicos de la NTE-006-SMARS-2006 y los resultados de los análisis realizados a la composta de los BIEL sin y con nutrientes. En ambos tipos de BIEL se obtuvieron valores de pH superiores al límite y tuvieron una relación K/Na inferior 2.5, lo cual puede atribuirse a que el flujo de aire en la etapa termofílica fue insuficiente, sin embargo, de acuerdo a la relación C/N y otros parámetros, las compostas obtenidas pueden considerarse mejoradores orgánicos [5], [9]. Tabla 1. Caracterización del material obtenido en los compostajes Parámetro Mezcla inicial de lodos:RO Composta BIEL (sin nutrientes) Composta BIEL (con nutrientes) Límites permitidos para Mejoradores Orgánicos NTE-006SMA-RS-2006 75 82 68 -------- 9.32 18.96 16.89 >15 7.35 3.2 8.83 3.89 8.69 1.63 6.5-8.0 -------- Contenido de humedad (%Hbh) Materia orgánica fácilmente oxidable (%) pH Nitrógeno (%) Tabla 1. Caracterización del material obtenido en los compostajes (continuación) Parámetro Mezcla inicial de lodos:RO Composta BIEL (sin nutrientes) Composta BIEL (con nutrientes) Relación C/N K/Na Fósforo (ppm) Potasio (ppm) 1.18 0.79 1532 4600 2.61 1 .6 613.30 11000 5.54 1.6 1166 10000 Límites permitidos para Mejoradores Orgánicos NTE-006SMA-RS-2006 < 12 < 2.5 > 1000 >2500 3.2 Dinámicas de degradación Los primeros BIEL cargados sin nutrientes y solo CaSO4 (Figura 1), mostraron un comportamiento extendido durante la fase mesofílica [10], con valores de pH entre 6.35 y 7.7 y un descenso en el contenido de humedad hasta 64 %Hbh, mientras que en la fase termofílica el contenido de humedad se incrementó. El calor metabólico fue producto del calor conductivo y del calor de acumulación, favoreciéndose la disminución del calor por evaporación (Figura 2), por lo que se incrementó la humedad en la composta (Figura 1). Hacia la sustentabilidad: Los residuos sólidos como fuente de energía y materia prima © 2011 594 Figura 1. Parámetros de control en BIEL sin nutrientes Figura 2. Calor metabólico en BIEL sin nutrientes Los BIEL con nutrientes y CaSO4 mostraron un comportamiento extendido durante la fase mesofílica similar a los BIEL sin nutrientes (Figura 3). Presentaron también un descenso en el contenido de humedad durante la fase mesofílica, la cual se recuperó en la fase termofílica sobre el día 34. Los valores del pH tuvieron oscilaciones entre los valores 4.9 a 6.9, superando la neutralidad hasta la fase termofílica. Estos BIEL requirieron 12 días más que los BIEL sin nutrientes para alcanzar la fase termofílica y tuvieron menor concentración de N, por lo que su contenido de humedad fue menor [10] [11]. El calor metabólico también fue producido por el calor conductivo y el calor de acumulación, favoreciendo la disminución del calor por evaporación (Figura 4), con lo que incremento humedad en la composta. 595 Figura 3. Parámetros de control en BIEL con nutrientes Figura 4. Calor metabólico en BIEL con nutrientes Conclusiones El aporte al calor metabólico fue en su mayor parte por calor de acumulación y el de conducción, favoreciendo el control del calor de evaporación. De esta forma, obtener mayor degradación de la materia orgánica, incremento de nutrientes, reducir la concentración de sodio y a su vez mantener la relación K/Na dentro de los parámetros de referencia Conforme a los datos de pH y humedad en la fase termofílica, se requirió mayor flujo de aire para poder continuar con un proceso aerobio y evitar la producción de amoniaco El proceso de compostaje mediante el suministro controlado de aire en los BIEL sin nutrientes, permitió un mejor control de la temperatura del proceso y disminuir el tiempo de maduración. Y a Hacia la sustentabilidad: Los residuos sólidos como fuente de energía y materia prima © 2011 su vez obtener un mejorador de suelos que cumplió en la mayoría de los parámetros a la norma de referencia. Nomenclatura Abreviatura ATesp Descripción Área específica del reactor Abreviatura hae Calor latente de evaporación has -∆H Calor metabólico e Cpm Capacidad calorífica de materia a compostear Densidad del aire a la temperatura de entrada s Fracción molar del agua en la salida Ga Gasto de aire Abreviatura Tm Descripción Temperatura del material Qag ae Abreviatura as a m dTm/dt Descripción Densidad del aire a la temperatura de salida Densidad masa aire Densidad masa a compostear Derivada con respecto al tiempo de la temperatura Tb U Vemp Descripción Entalpia del aire a la temperatura de entrada Entalpia del aire a la temperatura de salida Fracción molar del agua en la entrada Temperatura del medio controlado Coeficiente global de calor Volumen reactor empacado m3 Referencia Bibliográficas [1] Terrazas O. 2007. (Consultado el 12 de mayo 2011). www//http.bancomundial/encuentro sansalvador/345pdf [2] INE (Instituto Nacional de ecología). 2007a. Programa municipal de compostaje. (Última Consulta 25/03/2011). http://www2.ine.gob.mx/publicaciones/libros/499/programa.html [3] SEMARNAT-SNIARN. (Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales-Sistema Nacional de Información Ambiental y de Recursos Naturales). 2009. Base de Datos Estadísticos. BASEDESNIARN. (consultado 30 de mayo 2011). http://www.semarnat.gob.mx/informacionambiental /badesniarn/Pages/badesniarn.aspx [4] SEMARNAT-INE-GTZ. (Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales, Instituto Nacional de Ecología y Agencia de Cooperación Tecnica Alemana). 2006. Manual de compostaje municipal. (consultado el 10 de mayo 2011). http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/cd68/compsmuni.pdf [5] INE (Instituto Nacional de ecología. Experiencias de la producción de Composta en México). 2007b. (Última Consulta 25/03/2011). http://www2.ine.gob.mx/publicaciones/ libros/499/experiencias.html [6] Goodhue C.T. Rosazza J.P. Methods for transformation of organic Compounds . En "Compost: production, quality and use", edit. M.de Bertoldi, M. Ferranti. Elsevier Applied Science Publisher Ltd. [7] Mendoza W. J. ―Balance de calor en un proceso de biodegradación de lodos activados por fermentación sólida. 1994. Trabajo especial de Titulación. Universidad Autónoma Metropolitana Unidad Iztapalapa. [8] SEMARNAT (Secretaria del Medio Ambiente y Recursos Naturales) 2010. Normas Oficiales Mexicanas Vigentes. (última consulta 06/05/2010). www.semarnat.gob.mx/leyesynormas/normas/ Pages/ normasoficialesmexicanasvigentes.aspx [9] Secretaria del Medio Ambiente. 2009. Gaceta del Gobierno. NTE-006-SMA-RS-2006. Hacia la sustentabilidad: Los residuos sólidos como fuente de energía y materia prima © 2011 596 [10] Crites, R., Tchobanoglous G. Tratamiento de aguas residuales en pequeñas poblaciones. Reactores clases, características y aplicaciones. Sólidos biológicos y manejo de lodos. 2000. Ed. Mc Graw Hill. pag. 111-129 y 665-705. [11] Perea Recillas V. ―El Compostaje en Reactores en condiciones Controladas‖ 2005. Trabajo especial de titulación. Instituto Tecnológico de Toluca. 597 Hacia la sustentabilidad: Los residuos sólidos como fuente de energía y materia prima © 2011