Diseño y construcción de un prototipo automático para

cenidet
Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
Departamento de Mecátronica
TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS
Diseño y Construcción de un Prototipo Automático
para Preparar Composta
presentada por
Julio Torres Sandoval
Ing.
g. Mecánico Agrícola por la Universidad Autónoma Chapingo
como requisito para la obtención del grado de:
Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecátronica
Director de tesis:
Dr. Rigoberto Longoria Ramírez
Co-Director de tesis:
M.C. José Luis González Rubio Sandoval
Cuernavaca, Morelos, México.
Febrero del 2010
cenidet
Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
Departamento de Mecátronica
TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS
Diseño y Construcción de un Prototi
Prototipo
po Automático para
Preparar Composta
presentada por
Julio Torres Sandoval
Ing. Mecánico Agrícola por la Universidad Autónoma Chapingo
como requisito para la obtención del grado de:
Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecátronica
Director de tesis:
Dr. Rigoberto Longoria Ramírez
Co-Director de tesis:
M.C. José Luis González Rubio Sandoval
Jurado:
Dr. Enrique Quintero Mármol Márquez – Presidente
Dra. María del Refugio Trejo Hernández – Secretario
Dr. Rigoberto Longoria Ramírez – Vocal
Dr. José Luis González Rubio Sandoval – Vocal Suplente
Cuernavaca, Morelos, México.
xico.
Febrero del 2010
DEDICATORIA
A Dios por los momentos que he vivido, por las enseñanzas que me ha permitido asimilar,
y por cuidar lo más preciado que tengo “Mi familia”.
A mis padres Joel Torres Y Piedad Sandoval por su gran apoyo y cariño.
A mis hermanos Clemente, Miriam y Liliana por su amistad y por ser una fuente de
motivación para seguir adelante.
A mi abuela Demetria, Tíos, Tías, Primos y Primas por formar una bonita familia muy
unida, por la convivencia que con ellos he mantenido, además por su ejemplo de respeto,
amistad y superación.
A mis amigos los Lentos por su amistad, malos consejos y ejemplos, con quienes he
pasado momentos inolvidables.
i
AGRADECIMIENTOS
A dios por darme la oportunidad de haber vivido esta bella etapa.
A mis padres y hermanos por sus consejos y ayuda.
A mis compañeros de la maestría: Francisco, Julio, Román, Moisés, Esteban, Felipe,
Alejandro e Ixchel por su amistad, por compartir sus conocimientos y su ayuda en los
momentos difíciles.
A mis compañeros del CENEMA: Jaime, Marcos, Gabriel y Ángel por su apoyo
incondicional.
A mis asesores de tesis: Dr. Rigoberto Longoria y M.C. José Luis González Rubio por la
dirección de este trabajo.
Al comité revisor: Dr. Enrique Quintero y Dra. María del Refugio Trejo por las
observaciones que permitieron mejorar este trabajo.
Un agradecimiento muy especial al INIFAP (Instituto Nacional de Investigaciones
Forestales, Agrícolas y Pecuarias) por el apoyo institucional y económico recibido, y
por darme la oportunidad de superarme personal y profesionalmente.
Al CENIDET por el apoyo institucional y formativo que recibí a través de sus
investigadores. Así como a la DGEST por el apoyo institucional y económico.
A la Universidad Autónoma del Estado de Morelos (UAEM) por la realización de
algunas de las pruebas a la composta, así como al Sr. Daniel Morales.
Y a todas aquellas personas que de una u otra manera me ayudaron y motivaron a la
culminación de este trabajo tan significativo para mí.
ii
RESUMEN
RESUMEN
El presente trabajo presenta el diseño, construcción y prueba de un prototipo automático
para preparar composta a partir de Residuos Sólidos Orgánicos Domésticos (RSOD) de
cocina y jardinería. El prototipo tiene la capacidad para tratar 3 kg de RSOD al día,
cantidad aproximada de residuos generada por una familia típica de cinco integrantes. El
procesamiento de los residuos es continuo, y el compostaje tiene una duración de 30
días, es decir desde que los residuos son introducidos al compostador hasta que salen del
mismo,
tiempo que permite la obtención de un producto con estabilidad biológica
aceptable y que puede ser aplicado como enmienda directamente al suelo cultivado.
Como parte del diseño de este compostador automático, se realizaron cálculos para su
dimensionamiento, se elaboraron los planos del equipo, se determinaron las
especificaciones técnicas y los diagramas de ensamble para su construcción, además del
programa fuente y diagrama electrónico.
Las dimensiones del prototipo son: longitud de 1500 mm, ancho de 700 mm y altura de
1250 mm; las funciones que realiza son: monitoreo de la temperatura de los residuos y su
disminución cuando supera los 65 °C; aireación busc ando mantener una concentración de
oxígeno adecuada para el desarrollo microbiano (concentración de oxígeno en el aire al
interior del compostador >6 %); extracción del exceso de humedad,
movimiento,
descompactación y mezclado de los residuos en algunas partes del proceso; desplegado
de la información de la temperatura del material y del medio ambiente en una pantalla de
cristal líquido (LCD); y
desplegado de información de la fecha y hora en el LCD,
información que puede ser ajustada por el usuario.
Las pruebas realizadas al compostador permitieron verificar su correcto funcionamiento y
determinar que la calidad del producto final obtenido es adecuada para su uso como
enmienda.
iii
ABSTRACT
Within this work is presented the design, construction and testing the prototype of an
automatic machine to prepare compost from Organic Household Solid Wastes (OHSW). The
prototype has the capacity to process 3 kg of OHSW daily, which is the approximate amount of this
kind of wastes generated each day by a typical family of five members. The waste processing is
continuous, and composting lasts 30 days, since the wastes are introduced into the composter, until
they come out of it, as a product with acceptable biological stability, which could be applied directly
as amendment to the cultivated soil.
As part of the design of this automatic composter, calculations were made for its
dimensioning, plans of the prototype were drawn up, the technical specifications and assembly
diagrams for the construction were determined, besides the source program and circuit diagram.
The dimensions of the prototype are: length 1500 mm, width 700 mm and height 1250 mm.
Their functions performed are: monitoring and control of the composting process temperature (set
point of 65 °C) ; aeration to maintain an adequate oxygen concentration for microbial growth
(oxygen concentration inside the composter > 6 %); removal of moisture in excess; loosen and
mixing of the wastes at some stages of the process; to shows the information of the wastes
temperature and the surrounding environment in a liquid crystal display (LCD); and displays data as
date on the LCD. This last information can be adjusted by the user.
The correct performance of the composter was verified by individual probes of its
different systems and through the quality test of the obtained compost.
iv
CONTENIDO
ÍNDICE DE TABLAS………………………………………………………………..……viii
ÍNDICE DE FIGURAS…………………………………………………………………….ix
NOMENCLATURA……………………….………………………………………………..xi
ACRÓNIMOS……………………….……………………………………………..xi
SIMBOLOGÍA…………………….……………………………………………....xii
1
2
ANTECEDENTES .................................................................................................................................................. 1
1.1
INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 1
1.2
RESIDUOS SÓLIDOS ORGÁNICOS DOMÉSTICOS .......................................... 3
1.3
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .................................................................. 5
1.3.1
OBJETIVOS ................................................................................................. 6
1.3.2
HIPÓTESIS .................................................................................................. 6
FUNDAMENTOS TEÓRICOS ............................................................................................................................ 7
2.1
ETAPAS DEL PROCESO DE COMPOSTAJE..................................................... 9
2.2
REQUERIMIENTOS QUIMÍCOS Y FISÍCOS PARA EL COMPOSTAJE........... 11
2.2.1
FACTORES QUÍMICOS ............................................................................. 11
2.2.2
FACTORES FÍSICOS ................................................................................. 12
2.2.3
FACTOR BIOLÓGICO ................................................................................ 14
2.2.4
NIVELES RECOMENDADOS DE LOS FACTORES................................... 14
2.3
LIMITANTES PARA EL USO DE LA COMPOSTA............................................. 15
2.3.1
EXCESO DE SALINIDAD ........................................................................... 15
2.3.2
EXCESO DE NUTRIENTES ....................................................................... 15
2.3.3
CONTAMINANTES ORGÁNICOS .............................................................. 16
2.3.4
MICROORGANISMOS PATÓGENOS ........................................................ 16
2.3.5
METALES PESADOS................................................................................. 18
2.3.6
GRADO DE ESTABILIDAD ........................................................................ 18
2.4
SISTEMAS DE COMPOSTAJE ........................................................................ 19
2.4.1
SISTEMAS ABIERTOS .............................................................................. 20
2.4.2
SISTEMAS CERRADOS ............................................................................ 22
2.4.3
COMPARATIVA ENTRE SISTEMAS DE COMPOSTAJE........................... 23
2.5
COMPOSTADORES DOMÉSTICOS ................................................................. 24
2.5.1
RECIPIENTES COMPOSTADORES .......................................................... 24
2.5.2
COMPOSTADORES MECÁNICOS ............................................................ 24
v
2.5.3
COMPOSTADORES AUTOMÁTICOS........................................................ 25
2.5.4
CARACTERÍSTICAS DE LOS
COMPOSTADORES AUTOMÁTICOS
COMERCIALES........................................................................................................ 26
2.6
ESTUDIO DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS DOMÉSTICOS PARA EL
COMPOSTAJE. ........................................................................................................... 26
3
2.6.1
COMPOSICIÓN DE LOS RSOD................................................................. 26
2.6.2
PROPIEDADES DE LOS RSOD................................................................. 28
DISEÑO ................................................................................................................................................................. 30
3.1
CONSIDERACIONES DE DISEÑO ................................................................... 30
3.1.1
MANEJO DE LOS FACTORES EN EL PROTOTIPO ................................. 30
3.1.2
CRITERIOS Y CONSIDERACIONES DE DISEÑO ..................................... 31
3.2
DISEÑO CONCEPTUAL.................................................................................... 32
3.2.1
DEFINICIÓN DE LAS FUNCIONES DEL PROTOTIPO .............................. 32
3.2.2
GENERACION DE LA ALTERNATIVA DE SOLUCION .............................. 34
3.3
DISEÑO MECÁNICO ......................................................................................... 40
3.3.1
DIMENSIONAMIENTO DE LA CÁMARA DE COMPOSTAJE..................... 40
3.3.2
SELECCIÓN DEL SISTEMA DE TRANSMISIÓN, BANDAS Y FLECHAS. . 42
3.4
NECESIDADES DE AIREACIÓN DEL MATERIAL. ........................................... 60
3.4.1
REQUERIMIENTOS DE OXÍGENO POR LOS MICROORGANISMOS ...... 60
3.4.2
DEMANDA DE AIREACIÓN PARA REMOVER LA HUMEDAD DE LA
MEZCLA COMPOSTADA. ........................................................................................ 62
3.4.3
DEMANDA DE AIREACIÓN PARA REMOVER EL EXCESO DE CALOR .. 64
3.4.4
SELECCIÓN DEL EXTRACTOR. ............................................................... 65
3.5
DISEÑO ELECTRÓNICO Y DE CONTROL ....................................................... 66
4
CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO............................................................................................................ 70
5
PRUEBAS Y RESULTADOS ............................................................................................................................ 76
5.1
PRUEBAS ......................................................................................................... 76
5.1.1
MEDICIÓN DE LA DENSIDAD ................................................................... 77
5.1.2
COMPOSTAJE DE LOS RSOD CON DIFERENTES INICIADORES .......... 78
5.1.3
PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO DEL PROTOTIPO ................................ 79
5.1.4
COMPROBACIÓN DE LA MADUREZ POR EL MÉTODO DE
OBSERVACIÓN DIRECTA. ...................................................................................... 84
5.1.5
DETERMINACIÓN DEL PH. ....................................................................... 84
5.1.6
RELACIÓN CARBONO NITRÓGENO (C/N)............................................... 85
5.1.7
ENSAYO DE GERMINACIÓN. ................................................................... 85
5.2
RESULTADOS .................................................................................................. 87
5.2.1
MEDICIÓN DE LA DENSIDAD ................................................................... 87
5.2.2
COMPOSTAJE DE LOS RSOD CON DIFERENTES INICIADORES .......... 87
vi
5.2.3
PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO DEL PROTOTIPO ................................ 89
5.2.4
COMPROBACIÓN DE LA MADUREZ POR EL MÉTODO DE
OBSERVACIÓN DIRECTA. ...................................................................................... 93
6
5.2.5
RELACIÓN C/N Y PH ................................................................................. 94
5.2.6
ENSAYO DE GERMINACIÓN. ................................................................... 94
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES............................................................................................... 95
6.1
CONCLUSIONES .............................................................................................. 95
6.2
RECOMENDACIONES ...................................................................................... 96
BIBLIOGRAFÍA…………………….………………………………………………………….98
DOCUMENTOS COMPLEMENTARIOS DE LA TESIS.……………….…………..……102
DOCUMENTO TECNICO DE DISEÑO
REGISTROS DE LAS PRUEBAS REALIZADAS AL COMPOSTADOR Y A LA COMPOSTA
ANEXO 1. TABLAS Y FIGURAS.…………………………………………………….….…103
ANEXO 2. MANUAL DE OPERACIÓN DEL COMPOSTADOR..……………….……...114
ANEXO 3. MODELO DEL COMPOSTAJE.………………………………..……...……...123
ANEXO 4. ARTÍCULO
TÉCNICO ACEPTADO EN CONGRESO Y PUBLICADO
………….…..……...………………..……...……………………………………………………131
vii
LISTA DE TABLAS
Tabla 1.1. Composición de los residuos sólidos municipales generados en el país por región. .......... 5
Tabla 2.1. Niveles aceptables de los factores físicos y químicos para el compostaje, y los valores
óptimos. ............................................................................................................................................. 15
Tabla 2.2. Temperatura y tiempo de exposición necesario para la destrucción de patógenos
(Gouleke, 1972). ................................................................................................................................ 17
Tabla 2.3. Estudio comparativo entre los sistemas de compostaje abiertos y cerrados. ................... 23
Tabla 2.4. Productos considerados como los más consumidos por los mexicanos. .......................... 27
Tabla 2.5. RSOD de jardinería que se considera más frecuente en los RSM.................................... 28
Tabla 3.1. Principales consideraciones que las partes y mecanismos del prototipo. ......................... 33
Tabla 3.2. Datos considerados y cálculos realizados para el dimensionamiento de las secciones del
compostador. ..................................................................................................................................... 41
Tabla 3.3.Coeficientes [42] y datos utilizados para el cálculo de la tensión de las bandas................ 43
Tabla 3.4. Datos considerados para la selección de las catarinas del sistema de transmisión. ........ 49
Tabla 3.5. Número de dientes de las catarinas y cadena a la cual corresponden. ............................ 49
Tabla 5.1. Materiales para la mezcla en el compostaje y algunas de sus propiedades. .................... 77
Tabla 5.2. Material utilizado para cada tipo de Residuos de la mezcla de prueba............................. 87
Tabla 6.1. Propiedades de los RSOD. ............................................................................................. 103
Tabla 6.2. Algunos Géneros de microorganismos encontrados con frecuencia en la composta. .... 104
Tabla 6.3. Pruebas realizadas para determinar la estabilidad o madurez de la composta. ............ 105
Tabla 6.4. Comparativa del compostador diseñado con otros comerciales. .................................... 106
Tabla 6.5. Características de la composta procesada en el prototipo compostador. ....................... 106
viii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1. Distribución porcentual de la generación de RSM en las diferentes zonas del país. ------- 1
Figura 1.2. Manejo de los RSM.------------------------------------------------------------------------------------------- 2
Figura 1.3. Composición promedio de la generación de residuos sólidos municipales por su fuente. 4
Figura 1.4. Composición promedio de los residuos sólidos municipales.-------------------------------------- 4
Figura 2.1. Esquema básico de un proceso de compostaje. ------------------------------------------------------ 8
Figura 2.2. Representación gráfica de las tres fases del proceso de compostaje [40]. -------------------10
Figura 2.3. Influencia de la temperatura y el tiempo de exposición en la destrucción de gérmenes
patógenos (Feachem et al 1978).----------------------------------------------------------------------------------------17
Figura 2.4. Sistemas de compostaje [20]. -----------------------------------------------------------------------------19
Figura 2.5. Flujo de aire caliente en el interior de una pila estática de composta. -------------------------20
Figura 2.6. Nivel de Oxígeno durante el compostaje. (−) demanda de oxígeno del residuo a
compostar; (+) suministro de oxígeno con un sistema de volteos periódicos (cada 7 días). ------------21
Figura 2.7. Sistema de pila estática con aireación forzada por succión. --------------------------------------22
Figura 2.8. Reactor circular de lecho agitado.------------------------------------------------------------------------23
Figura 2.9. Recipientes compostadores.-------------------------------------------------------------------------------24
Figura 2.10. Compostadores mecánicos.------------------------------------------------------------------------------25
Figura 2.11. Compostadores automáticos. ----------------------------------------------------------------------------25
Figura 2.12. Compostador horizontal (Marca: Jora Kompost Modelo JK 5100) ----------------------------26
Figura 3.1. Elementos principales del dispositivo. ------------------------------------------------------------------35
Figura 3.2. Flujo de los residuos al interior del dispositivo. -------------------------------------------------------36
Figura 3.3. Partes principales del prototipo. --------------------------------------------------------------------------37
Figura 3.4. Flujo del material dentro del prototipo. ------------------------------------------------------------------38
Figura 3.5. Flecha con aspas. --------------------------------------------------------------------------------------------45
Figura 3.6. Diagrama cinemático del sistema de transmisión. ---------------------------------------------------47
Figura 3.7. Sistema de transmisión del prototipo. -------------------------------------------------------------------48
Figura 3.8. Rodillo que transmite el movimiento a la banda dos. -----------------------------------------------50
Figura 3.9. Diagrama de cuerpo libre del rodillo principal de la banda dos. ---------------------------------50
Figura 3.10. Diagrama de distribución de los momento de flexión y torsión en la flecha principal de
transmisión (flecha con aspas de la banda tres).--------------------------------------------------------------------54
Figura 3.11. Flecha principal con aspas. ------------------------------------------------------------------------------56
Figura 3.12. Flecha principal de transmisión (Flecha con aspas de la banda tres). -----------------------56
Figura 3.13. Diagrama de distribución de los momentos de flexión y torsión en la flecha principal de
transmisión (flecha con aspas de la banda tres).--------------------------------------------------------------------59
Figura 3.14. Carátula del panel de control y ejemplos de los mensajes que aparecerán en el LCD. -67
Figura 3.15. Diagrama de bloques del sistema electrónico y de control. -------------------------------------68
Figura 4.1. Cámara de compostaje. -------------------------------------------------------------------------------------71
Figura 4.2. Soporte del compostador. ----------------------------------------------------------------------------------71
Figura 4.3. Flechas con aspas. -------------------------------------------------------------------------------------------72
Figura 4.4. Flechas con aspas. -------------------------------------------------------------------------------------------73
Figura 4.5. Compostador con bandas. ---------------------------------------------------------------------------------74
Figura 4.6. Vista lateral izquierda del dispositivo e interior de la cámara de compostaje. ---------------75
Figura 5.1. Puntos donde se toman las medidas de temperatura. ---------------------------------------------82
Figura 5.2. Comportamiento de la temperatura en el proceso de compostaje. ----------------------------88
ix
Figura 5.3. Peso de las muestras con diferentes iniciadores con respecto a los días de compostaje.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------89
Figura 5.4. Comportamiento de la temperatura de los RSOD en el proceso de compostaje en el
prototipo.------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------91
Figura 6.1. Diagrama de flujo del funcionamiento general del sistema electrónico y de control del
compostador. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 107
Figura 6.2. Diagrama de flujo del funcionamiento de las interrupciones para el ajuste del reloj. ---- 108
Figura 6.3. Diagrama del circuito electrónico del compostador, parte 1. Los componentes de este
diagrama se indican en el Documento técnico de diseño [45]. ------------------------------------------------ 109
Figura 6.4. Diagrama del circuito electrónico del compostador, parte 2. Los componentes de este
diagrama se indican en el Documento técnico de diseño [45]. ------------------------------------------------ 110
Figura 6.5. Vistas del compostador con bandas. ------------------------------------------------------------------ 111
Figura 6.6. Desensamble del compostador con bandas, la lista de las piezas y sus características se
presentan en el Documento técnico de diseño [45], complementario a ésta tesis. ---------------------- 112
Figura 6.7. Curvas del comportamiento de la temperatura al interior de la cámara de compostaje. 113
Figura 7.1. Elementos principales del dispositivo. ---------------------------------------------------------------- 115
Figura 7.2. Flujo de los residuos al interior del dispositivo. ----------------------------------------------------- 116
Figura 7.3. Panel de control y desplegado de la fecha y hora en el LCD. ---------------------------------- 120
Figura 7.4. Diagrama generalizado del proceso de compostaje.---------------------------------------------- 123
x
NOMENCLATURA
ACRÓNIMOS
SIGNIFICADO
C/N
Relación carbono nitrógeno
CENEMA
Centro Nacional de Estandarización de Maquinaria Agrícola
CENIDET
Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
EPA
Environmental Protection Agency
(Agencia de protección ambiental de los Estados Unidos)
GIRSM
Gestión Integral de los Residuos Sólidos Municipales
INEGI
Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática
INIFAP
Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y
Pecuarias
LED
Diodo emisor de luz
LCD
Pantalla de cristal líquido
M.O.
Materia Orgánica
OECD
Organización para la Cooperación y Desarrollo Económico
pH
Potencial de hidrógeno
PROFECO
Procuraduría Federal del consumidor
RSOD
Residuos sólidos orgánicos domésticos
RSM
Residuos sólidos municipales
SAGARPA
Secretaría de Agricultura, Ganadería, Desarrollo Rural, Pesca y
Alimentación
SEDESOL
Secretaría de Desarrollo Social
SEMARNAT
Secretaría del Medio Ambiente y Recursos Naturales
UAEM
Universidad Autónoma del Estado de Morelos
xi
NOMENCLATURA
SÍMBOLO
SIGNIFICADO
UNIDADES
Ancho de la banda
m
!"
Cantidad de carbono en el material
%
C
Carga estática que puede soportar el rodamiento
N
#"
Porción que ocupa el material en la mezcla
%
Diámetro de la flecha o rodillo i.
m
$&'
Diámetro de la flecha con aspas
m
F(
Fuerza radial que actúa en el rodamiento
N
)
Fuerza de tensión de la banda
N
)*+
Fuerza de tracción de la cadena uno
N
)*,
Fuerza de tracción de la cadena dos
N
)*-
Fuerza de tracción de la cadena tres
N
)*.
Fuerza de tracción de la cadena cuatro
N
F/
Fuerza radial que actúa en el rodamiento
N
F012
Factor de seguridad
$%
"
3
Coeficiente de la gravedad de 9.81 (m/s2)
Adimensional
m/s2
4"
Cantidad de Hidrógeno
%
5
Altura del material
m
i(7
Relación de transmisión entre a y b
Adimensional
89
Coeficiente de resistencia en los puntos de viraje
Adimensional
:';
Longitud del aspa
m
Longitud de la banda
m
:<
Longitud en la proyección horizontal de la banda
m
Duración del rodamiento con la carga
h
:
Lh
xii
>
Masa del material
kg
?"
Masa del material i
kg
Momento de flexión máximo en la flecha
Nm
MB
Momento de flexión en la dirección x
Nm
Momento de flexión en la dirección y
Nm
M@(A
MC
D"
Cantidad de nitrógeno
E'
Frecuencia de rotación de la flecha con aspas
rpm
E7
Frecuencia de rotación de la flecha ubicada en el punto b
rpm
n%
Frecuencia de rotación del rodillo i.
rpm
G"
Cantidad de Oxígeno
%
H
Potencia requerida en el motor
W
HI
Potencia requerida para mover una flecha con aspas
W
Potencia requerida para mover la flecha de la banda
W
H
"
Potencia requerida para mover la banda i.
W
Potencia para mover las aspas
W
PK
Carga a la que es sometido el rodamiento
N
Peso lineal del material transportado
kg m
L
Peso lineal de la banda
kg m
E
HJ
H'
LM
LN+
O
O,B , O,B
O+B , O+B
SQ
Número de transmisiones
%
Adimensional
Peso de las partes móviles de los rodillos en el ramal con
carga
Relación carbono/nitrógeno
Adimensional
Fuerza de reacción en el rodamiento dos en la dirección x e y
N
Fuerza de reacción en el rodamiento uno en la dirección x e y
N
Resistencia a la fluencia (MPa)
MPa
xiii
RI
Par en la flecha con aspas
Nm
Par de resistencia en la flecha que mueve la banda
Nm
R*+
Par aplicado por la cadena uno
Nm
R*,
Par aplicado por la cadena dos
Nm
R*-
Par aplicado por la cadena tres
Nm
R*.
Par aplicado por la cadena cuatro
Nm
TST/
Par en la sección crítica de la flecha
Nm
U
Velocidad de la cadena
m/s
Peso del material en contacto con las aspas
kg
Peso del material sobre la banda
kg
Contenido de humedad del material
%
Humedad en la mezcla de residuos
Kg
R
"
"
V
W7
V<"
VX
YN
Coeficiente de resistencia al movimiento del ramal inferior
Adimensional
Coeficiente de resistencia al movimiento del ramal superior
Adimensional
z(
Número de dientes de la catarina del punto a
Adimensional
Número de dientes de la catarina del punto b
Adimensional
\%
Número de dientes de la catarina i.
Adimensional
Constante pi ≈ 3.1416
Adimensional
^
Velocidad angular
s-1
Eficiencia total de transmisión
%
`
Densidad del material (kg/m3)
Kg/m3
Y;
[7
π
_X
xiv
CAPÍTULO 1. ANTECEDENTES
1 ANTECEDENTES
1.1 INTRODUCCIÓN
La elevada cantidad de residuos sólidos municipales (RSM) generados en México
ha creado problemas de contaminación del medioambiente afectando el aire, suelo y agua
sustento para el desarrollo de plantas y animales, incluso ocasionando el cambio en el
sistema ecológico de algunas regiones. De acuerdo a la Secretaría del Medio Ambiente y
Recursos Naturales (SEMARNAT) para el año 2000, se estimó que la cantidad de RSM
generados por habitante al día en el país, fue de 860 gramos en promedio, contribuyendo
a la generación nacional estimada de 84,200 toneladas diarias [32].
Cabe destacar que la mayor cantidad de RSM se genera en las grandes ciudades
del país. Tan sólo en la zona centro junto con el Distrito Federal se produce el 62 % de los
residuos sólidos generados en México, como se muestra en la Figura 1.1 [29]. Para el año
2002, el Distrito Federal presentaba una generación de RSM promedio al día, por
habitante, de 1.4246 kg y, en la ciudad de Cuernavaca, en el estado de Morelos de 1.1 kg
[29].
Figura 1.1. Distribución porcentual de la generación de RSM en las diferentes zonas del país.
Acerca del tratamiento de los RSM generados en México, es importante destacar
que en el año 2000 se recolectaba el 83 % (69,886 toneladas) del total de los residuos
generados diariamente y quedaban dispersas el 17 % (14 314 toneladas). Del total
1
generado, poco más del 49 % (41 258 toneladas) se depositaban en sitios controlados, lo
que significa que el 51 % (42 942 toneladas) se disponía diariamente a cielo abierto, en
depósitos no controlados y clandestinos [32] (ver Figura 1.2).
a) Recolección de los RSM
b) Disposición de los RSM
Figura 1.2. Manejo de los RSM.
Estos datos reflejan el deficiente e insuficiente manejo integral de los residuos
sólidos en México, creando un problema crítico que debe remediarse, y que involucra a
los diferentes sectores de la sociedad y necesita de propuestas viables para solucionarlo.
Al proceso orientado a administrar eficientemente los recursos naturales existentes
en un determinado territorio, buscando el mejoramiento de la calidad de vida de la
población, con un enfoque de desarrollo sustentable se le denomina gestión ambiental.
La gestión ambiental está conformada por una serie de acciones y programas
diseñados por las autoridades municipales tomando en cuenta todos los elementos que
puedan impactar al ambiente en su localidad:
·
Gestión integral del agua
·
Gestión integral del aire
·
Gestión integral de los residuos
·
Gestión integral de la flora y fauna silvestres
·
Gestión integral de la biodiversidad y las áreas naturales protegidas
La Gestión Integral de los Residuos Sólidos Municipales (GIRSM) tiene que ser
considerada como una parte integral de la Gestión Ambiental. Puede ser definida como la
disciplina asociada al control del manejo integral de los RSM (reducción en la fuente,
reuso, reciclaje, barrido, almacenamiento, recolección, transferencia, tratamiento y
2
disposición final) de forma que armonice con los mejores principios de la salud pública, de
la economía, de la ingeniería, de la conservación, de la estética y de otras
consideraciones ambientales, que responde a las expectativas públicas [33].
El enfoque tradicional para el manejo de los residuos sólidos, ha influido
significativamente en sus decisiones y estrategias a nivel local, estatal, nacional e
internacional durante los últimos 25 años, y se le conoce comúnmente como jerarquía del
manejo de residuos sólidos, la cual establece prioridad en las opciones de manejo de
residuos a través de un orden de preferencia que parte de la reducción en la fuente,
rehúso, reciclaje, tratamiento y disposición en sitios sanitarios controlados como última
opción [33].
Los residuos sólidos orgánicos generados requieren de un tratamiento para
eliminar su efecto negativo de contaminación y hacerlos reutilizables. Los tratamientos
realizados para cumplir con este objetivo son: el compostaje, la incineración y la
disposición en rellenos sanitarios, donde se puede distinguir al compostaje como el más
aceptado.
1.2 RESIDUOS SÓLIDOS ORGÁNICOS DOMÉSTICOS
La composición de los RSM en el país es heterogénea y responde a la distribución
de hábitos de consumo y poder adquisitivo de la población, pero es de destacarse que la
mayor proporción de los RSM, está constituida por residuos sólidos orgánicos [23], como
se muestra en la Tabla 1.1 y Figura 1.4.
De acuerdo a estudios realizados por la Secretaría del Medio Ambiente y Recursos
Naturales (SEMARNAT) en el año 2000, el 45 % de los RSM son orgánicos [23]. Además,
el 77 % de los RSM se generan en los hogares de acuerdo a información generada por la
Organización para la Cooperación y Desarrollo Económico (OECD) en el año 2001 (ver
Figura 1.3) [15]. En el mismo año, la SEMARNAT indica que el 41.4 % de los RSM
generados en México son residuos de comida y de jardinería provenientes principalmente
del hogar (ver Figura 1.4) [23].
3
Figura 1.3. Composición promedio de la generación de residuos sólidos municipales por su fuente.
Figura 1.4. Composición promedio de los residuos sólidos municipales.
De acuerdo a la jerarquía de manejo de los residuos, el método de tratamiento más
aceptado para los Residuos Sólidos Orgánicos Domésticos (RSOD) es el compostaje.
Aunado a ello, si el tratamiento se realiza en el lugar donde se generan los residuos,
permite disminuir los costos de manera sustancial, al evitar los gastos de recolección,
transporte, separación, tratamiento y disposición final al municipio, permitiendo
aprovechar el producto del compostaje en el hogar, en los jardines o como sustrato para
macetas disminuyendo con ello la extracción de la tierra de monte y las afectaciones en
los bosques o selvas.
El producto obtenido del compostaje conocido como “composta” es un material
estable utilizado como enmienda orgánica en el suelo, con el fin de mejorar su estructura,
porosidad, aumentar la capacidad de intercambio catiónico
(facilidad con la cual las
plantas pueden acceder a los nutrientes), la retención de humedad y disminuir su
compactación, propiedades del suelo que se traducen como un mejor medio de
crecimiento para las plantas [36].
4
Tabla 1.1. Composición de los residuos sólidos municipales generados en el país por región.
SUBPRODUCTOS
FRONTERA
NORTE
26.972
NORTE
Residuos
de
21.271
alimentos
Residuos
de
16.091
19.762
jardinería
Papel
12.128
10.555
Cartón
3.973
4.366
Residuos finos
1.369
2.225
Hueso
0.504
0.644
Hule
0.278
0.200
Lata
2.926
1.409
Material ferroso
1.183
1.476
Material no ferroso
0.226
0.652
Pañal desechable
6.552
8.308
Plástico película
4.787
5.120
Plástico rígido
2.897
3.152
Trapo
1.966
2.406
Vidrios de color
2.059
0.934
Vidrios transparente
4.590
5.254
Otros
11.500
12.267
Total
100.000
100.000
Fuente: Sancho y Cervera J. y G. Rosiles, 1999.
CENTRO
SUR
D.F.
38.538
16.344
34.660
7.113
26.975
5.120
13.684
1.831
3.512
0.269
0.087
1.700
0.286
0.937
6.008
1.656
1.948
0.807
4.248
5.051
12.326
100.000
8.853
4.844
8.075
0.250
0.350
2.966
0.399
1.698
5.723
1.723
1.228
2.157
0.599
3.715
14.102
100.000
14.580
5.360
1.210
0.080
0.200
1.580
1.390
0.060
3.370
6.240
4.330
0.640
4.000
6.770
10.410
100.000
1.3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Como una respuesta al problema de contaminación provocado por los RSM al
medio ambiente, debida al mal manejo de los RSM, se plantea una alternativa de
tratamiento de los RSOD (que representan el 45 % de los RSM y provienen
principalmente del hogar) en el lugar en el cual se generan, mediante el uso de un
dispositivo compostador automático continuo de RSOD que al final del proceso permita
obtener un producto estable listo para ser utilizado como enmienda en suelos cultivables o
como sustrato para macetas.
Por lo anterior, se plantea el desarrollo de un prototipo automático en el cual el ama
de casa pueda introducir material orgánico de manera continua hasta una cantidad
máxima de tres kilogramos por día, valor típico de residuos orgánicos generados por una
familia de cinco integrantes de clase media, posteriormente el dispositivo podrá realizar de
manera automática el compostaje del material por un tiempo aproximado de 30 días,
posterior a este periodo el material podrá salir del dispositivo como composta estable y
lista para utilizarse.
5
La facilidad en la utilización del prototipo permitirá que cualquier integrante de la
familia incluyendo a los niños puedan usarlo, además de requerir un bajo mantenimiento y
gastos de energía. El precio de este producto estará orientado a las familias con un nivel
económico medio, sus dimensiones deben permitir ubicarlo en espacios pequeños dentro
de una casa o departamento como si fuera un mueble más del hogar.
1.3.1
OBJETIVOS
1.3.1.1 OBJETIVO GENERAL
Diseño, construcción y evaluación funcional de un prototipo para preparar
composta a partir de residuos sólidos orgánicos de origen doméstico (RSOD), con
capacidad para procesar los RSOD generados por una familia de cinco integrantes.
1.3.1.2 OBJETIVOS PARTICULARES
1. Desarrollar un prototipo para preparar composta, mediante un equipo seguro y
fácilmente operable y de costo accesible para familias de nivel económico medio.
2. Identificar los principales factores que afectan de manera significativa el proceso
de compostaje de los RSOD y la calidad del producto obtenido, al preparar la
composta, indicando sus niveles adecuados.
3. Desarrollar un sistema de control aplicado al dispositivo, para mantener los
principales factores que afectan el compostaje dentro de un nivel adecuado.
4. Valorar la factibilidad del uso del prototipo construido, para la preparación de
composta mediante una prueba de funcionamiento.
1.3.2 HIPÓTESIS
Es posible desarrollar un dispositivo mecatrónico funcional y sencillo de usar, que
utilice el método de compostaje para el tratamiento de los residuos sólidos orgánicos
domésticos generados por una familia de cinco integrantes.
6
CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS
2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS
El compostaje fue una práctica realizada desde los inicios de la civilización
occidental (Roma y Grecia) donde los granjeros amontonaban estiércol para utilizarlo
como fertilizante. Esta práctica continúa en la Edad Media y en el Renacimiento [28].
Probablemente el Sr. Albert Howard fue el primer agricultor que tuvo un
acercamiento científico al compostaje hace 75 años en la India (Rodale, 1946, citado por
[28]), quien estableció que la elaboración de composta tenía por objeto digerir materiales
frescos de origen agrícola, antes de ser incorporados, de tal manera que se evitara que
las bacterias terminaran su proceso en el suelo, a expensas del nuevo cultivo.
El compostaje es definido como un método de degradación de la fracción orgánica
de los residuos sólidos por la acción de diversas poblaciones biológicas bajo condiciones
controladas de oxigenación, humedad y temperatura, que le permiten alcanzar un estado
suficientemente estable para su almacenamiento y utilización sin efectos nocivos para las
plantas [2].
En la Figura 2.1 se muestra el esquema del proceso de compostaje, el cual puede ser
representado con la siguiente reacción que representa el equilibrio dinámico del proceso
[8]:
!' 4 GM Da b 0.5cEd b 2e f #gG, h E!i 4B GC Dj b k4, G b e!G, b c$ f ElgD4A esta reacción se le conoce como la ecuación estequiométrica del compostaje,
donde !' 4 GM Da representa la materia orgánica y !i 4B GC Dj la fracción de materia
orgánica resistente, no se considera la producción de células nuevas o de sulfato,
e m n f EY y k m 0.5ocp f Eq f 3c$ f Eqgr; n, p, #, $ describen la cantidad relativa molar
de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno respectivamente en la porción seca inicial de
la fracción de Sólidos Volátiles Biodegradables (SVB) ; Y, q, d, [ describen la cantidad
7
relativa molar de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno respectivamente en la porción
seca de la fracción de SVB que no fueron degradados, y E el número de moléculas de los
SVB no degradados.
Figura 2.1. Esquema básico de un proceso de compostaje.
Si la degradación de los sólidos volátiles biodegradables fuera total, la ecuación
estequiométrica queda de la siguiente forma:
!' 4 GM Da b s
4n b p f 2# f 3$
p f 3$
t G, h n!G, b s
t 4, G b $D44
2
Lo que indica que los sólidos biodegradables en combinación con oxígeno producen
dióxido de carbono, agua y amoniaco. El dióxido de carbono y amoniaco se obtienen
como gases, y el agua producida se mezcla con el material o se pierde por evaporación
por el flujo de aire.
El proceso de compostaje es un proceso complicado debido a que es afectado por
factores tanto físicos, químicos como biológicos. En la actualidad existen modelos que
permiten predecir de manera aproximada el comportamiento de algunas variables del
8
proceso. Investigadores como Finger, Smith, Eilers, Bach, Kishimoto, Nakasaki, Haug,
entre otros, desarrollaron estos modelos.
Dentro de las variables de interés en el proceso de compostaje están: la velocidad
de degradación del material (afectada por factores de temperatura, contenido de
humedad, concentración de oxígeno, espacio de aire libre, principalmente).
La temperatura (afectada por la degradación del material, flujos de aire,
evaporación, contenido de humedad y pérdidas de calor, principalmente).
Contenido de humedad (afectada por el arrastre de humedad en el aire, contenido
de humedad de los materiales compostados y líquidos lixiviados).
Crecimiento microbiano (afectado por cantidad de materia orgánica disponible,
muerte microbiana, temperatura, concentración de oxígeno, contenido de humedad,
espacio libre, principalmente).
En el Anexo 3 se presenta un modelo sencillo de las variables que participan en el
proceso de compostaje. Debido, a que el alcance de esta tesis no contempla el modelado
sólo se presentan las ecuaciones que permiten de manera aproximada predecir el valor
de 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 la
temperatura del material durante el proceso, que son: la etapa mesófila1 inicial, etapa
termófila2 y etapa mesófila final [28] y [40], éstas pueden observarse en la Figura 2.2.
1. Mesófila: así se conoce a la etapa del proceso de descomposición aerobia, en la cual se presentan las condiciones que permiten el
crecimiento principalmente de organismos mesófilos y las temperaturas se encuentran en un intervalo de 10 a 40 °C.
2. Termofila: así se conoce a la etapa del proceso de descomposición aerobia, en la cual se presentan las condiciones que permiten el
crecimiento principalmente de organismos termófilos y las temperatura se encuentran en un intervalo de 40 a 70°C.
9
Figura 2.2. Representación gráfica de las tres fases del proceso de compostaje [40].
Etapa mesófila inicial: etapa inicial del compostaje que dura aproximadamente de 2
a 3 días. Los organismos presentes en ella pueden ser microorganismos como bacterias y
hongos mesófilos que destruyen rápidamente los compuestos fácilmente degradables, y
el calor producido causa que la temperatura del material aumente rápidamente. La
tendencia ascendente de la temperatura de la composta hace que el material suba de una
temperatura inicial, que puede ser de los 10 °C, a los 40 °C y cuando esta última es
rebasada, comienza la siguiente etapa del proceso de compostaje [14].
Etapa termófila: En esta etapa pueden alcanzarse temperaturas entre los 40 a 75
ºC y en ella se eliminan la mayoría de los patógenos, larvas de mosca, y las semillas
termo sensitivas de malezas. Las temperaturas elevadas aceleran la descomposición de
proteínas, grasas, y polisacáridos como celulosa y hemicelulosa, la mayor estructura
molecular de las plantas. En esta etapa, se alcanza la mayor degradación de la materia
orgánica y la higienización de la misma, su duración depende de los materiales
compostados, disposición y la cantidad de los mismos.
Etapa mesófila final. En esta etapa la temperatura descenderá paulatinamente
de 40 °C hasta presentar valores cercanos a
la
te mperatura ambiente. Cuando la
temperatura alcanza la temperatura ambiente el material se presenta estable
biológicamente y se da por culminado el proceso. Desde el punto de vista microbiológico
10
la finalización del proceso de compostaje se caracteriza por la ausencia de actividad
metabólica.
2.2 REQUERIMIENTOS QUIMÍCOS Y FISÍCOS PARA EL COMPOSTAJE
En el proceso de compostaje intervienen factores químicos, físicos y biológicos.
Dentro de los factores químicos, tenemos el oxígeno y la composición del material dentro
del cual se consideran como principales: la relación carbono/nitrógeno (C/N) y potencial
de hidrógeno (pH). Como factores físicos podemos mencionar la aireación, humedad,
temperatura, espacio poroso (dependendiente del tamaño de partícula), tamaño y forma
del sistema de compostaje. El factor biológico está determinado por la acción de
macroorganismos y microorganismos (bacterias, hongos y actinomicetos3) siendo éstos
últimos los más importantes.
2.2.1
FACTORES QUÍMICOS
Dentro de los factores químicos tenemos el suministro de oxígeno y algunos otros
que dependen de la composición del material compostado, la importancia de cada uno de
ellos se describe a continuación:
2.2.1.1 OXÍGENO
El oxígeno es esencial para el metabolismo y la respiración de los
microorganismos aerobios y para oxidar las variadas moléculas orgánicas presentes en
los residuos de material. Como los microorganismos oxidan la materia orgánica para
obtener energía y nutrirse, el oxígeno es consumido y se produce dióxido de carbono. Sin
suficiente oxígeno, el proceso llegará a ser anaerobio y produce olores indeseables,
además de la baja calidad de la composta [40]. Las concentraciones óptimas de oxígeno
para mantener el compostaje aerobio son del 10 %, considerando que valores menores al
5 % crean una descomposición anaerobia [2].
2.2.1.2 RELACIÓN C/N
El cociente C/N (carbono/nitrógeno) del material por compostar es uno de los
factores más importantes para la descomposición microbiana. El carbono proporciona una
fuente de energía y compone cerca del 50 % de la masa celular microbiana. El nitrógeno
es un componente crucial de las proteínas, de los ácidos nucleicos, de los aminoácidos,
de las enzimas y de las coenzimas necesario para el crecimiento y la función de la célula.
3. Actinomicetos: Género muy heterogéneo de eubacterias gram-positivas, con tendencia a desarrollar formas filamentosas.
11
Una célula bacteriana típica tiene de 12 a 15 % de nitrógeno en base seca (Brock y
Madigan, 1991, citado por
[2]). Para proporcionar cantidades óptimas de estos dos
elementos cruciales, se puede utilizar el cociente del carbón-a-nitrógeno (C/N) de 30/1, o
de 30 porciones de carbón por cada uno de nitrógeno, en peso [40]
Valores de la relación C/N apropiadas son entre los 25 y 35:1; ya que en porciones
más elevadas de nitrógeno, éste se elimina como amoníaco, causando olores
indeseables; y en proporciones más bajas de nitrógeno, significan insuficiente nitrógeno
para el crecimiento óptimo de las poblaciones microbianas, así que la composta seguirá
siendo relativamente fresca y la degradación continuará a una velocidad más lenta [40].
2.2.1.3 EL pH
Esta variable es importante para evaluar el ambiente microbiano y la estabilización
de los residuos. Los microorganismos tienen distintos requerimientos respecto al medio
ácido o alcalino más propicio para su desarrollo. El rango ideal se encuentra entre 6,5 y
8,5 unidades de pH. Los niveles de pH varían en respuesta a los materiales utilizados en
la mezcla inicial y a la producción de varios compuestos intermedios que se generan
durante el compostaje. Durante el proceso de compostaje se producen diferentes
fenómenos o procesos que hacen variar este parámetro. Al comienzo y como
consecuencia del metabolismo fundamentalmente bacteriano, los complejos carbonados
fácilmente degradables, se transforman en ácidos orgánicos, provocando que el pH
descienda. Luego los niveles aumentan como consecuencia de la formación de amoníaco,
alcanzando valores más altos (alrededor de 8,5), lo cual coincide con el máximo de
actividad de la fase termófila. Finalmente, el pH disminuye en la fase final o de
maduración (pH entre 7 y 8), [37]. Cuando un sistema llega a ser anaerobio, la
acumulación ácida puede bajar el pH a 4.5, limitando seriamente la actividad microbiana.
En tales casos, la aireación es generalmente suficiente para regresar el material
compostado a un pH aceptable [40]. El monitoreo del pH no es necesario, ya que éste
puede mantenerse en valores aceptables con una adecuada preparación de la mezcla a
compostar, y controlando factores como la aireación, humedad y tamaño de partícula del
material.
2.2.2
FACTORES FÍSICOS
A continuación se presentan los factores físicos más importantes del proceso de
compostaje:
12
2.2.2.1 AIREACIÓN
La aireación es importante para proveer a los microorganismos aerobios de
oxígeno que permiten el metabolismo, la respiración y su crecimiento, mediante la
oxidación de las moléculas orgánicas presentes en el material de desecho. Al principio de
la actividad oxidante microbiana, la concentración de oxígeno (O2) en los espacios
porosos es aproximadamente del 15 al 20 % (similar a la composición normal del aire), y
la concentración del dióxido de carbono (CO2) varía del 0.5 al 5 %. Mientras progresa la
actividad biológica, la concentración O2 baja y la concentración del CO2 aumenta. Si la
concentración media de O2 en el material es menor al 5 %, la descomposición del material
se vuelve anaerobia [37].
2.2.2.2 HUMEDAD
La descomposición microbiana inducida ocurre lo más rápidamente posible en las
películas líquidas finas encontradas en las superficies de las partículas orgánicas.
Mientras que poca humedad (<30 %) inhibe la actividad bacteriana, demasiada humedad
(>65 %) da lugar a la descomposición lenta, a la producción de malos olores, crea
regiones anaerobias y aumenta la lixiviación de nutrientes [40].
2.2.2.3 EL TAMAÑO DE PARTÍCULA
La actividad microbiana ocurre generalmente en la superficie de las partículas
orgánicas. Por este motivo cuando el tamaño de partícula disminuye, con su efecto de
aumentar el área superficial, ayuda a incrementar la actividad microbiana y el índice de
descomposición. Por otra parte, cuando las partículas son demasiado pequeñas y
compactas, la circulación de aire a través de la composta se inhibe disminuyendo el
oxígeno disponible para los microorganismos dentro del material y reduciendo en última
instancia el índice de la actividad microbiana. El tamaño de partícula también afecta la
disponibilidad del carbono y del nitrógeno [40].
2.2.2.4 TEMPERATURA
La temperatura es un indicador de cómo está trabajando el sistema de compostaje
y el avance del proceso del mismo. Cuando la temperatura alcanza de los 40 a 50°C se
puede deducir que los materiales contenían el nitrógeno y la humedad adecuados para el
crecimiento microbiano rápido. Un sistema bien construido de compostaje elevará su
temperatura de 40 a 50 °C en un plazo de dos a tres días [40]. En la etapa termófila debe
mantenerse a una temperatura mayor a 50 °C por un m ínimo de tres días, para eliminar
13
los patógenos, sustancias fitotóxicos y semillas de malezas; y en esa etapa no debe
rebasarse la temperatura de los 65°C, ya que provoc aría la muerte de los
microorganismos que efectúan la descomposición del material [4].
2.2.2.5 TAMAÑO Y FORMA DEL MATERIAL A COMPOSTAR
El tamaño o la cantidad de material a compostar, debe ser suficiente para prevenir
la disipación rápida del calor y de la humedad y lo suficientemente pequeño para permitir
la suficiente aireación. Un mínimo de 40 litros se requieren para los sistemas
experimentales en basura si la acumulación de calor ocurre en pocos días. Sistemas más
pequeños se pueden utilizar para proyectos de investigación o demostración en salas de
clase pero requerirán el aislamiento para la retención del calor [40].
2.2.3
FACTOR BIOLÓGICO
Son muchos los microorganismos que intervienen en el proceso de compostaje;
bacterias, hongos, actinomicetos, entre otras (en la Tabla 6.2 del Anexo 1 se presentan
algunos géneros); las poblaciones se suceden durante el proceso de compostaje en
función de la temperatura y el pH principalmente. Algunos residuos orgánicos contienen
suficientes microorganismos para su descomposición; esto puede presentarse en el caso
de los RSOD.
En general, para el compostaje de los RSOD se recomienda proveer de
microorganismos al material a compostar mediante un iniciador (material que cuenta con
huevecillos o microorganismos que actúan en la degradación del material orgánico), para
tal fin puede utilizarse composta madura, suelo, estiércol u otros materiales.
2.2.4
NIVELES RECOMENDADOS DE LOS FACTORES
Los niveles de los factores físicos y químicos importantes para lograr un proceso
de compostaje adecuado se presentan en la Tabla 2.1, además de indicarse el nivel
óptimo recomendado.
14
Tabla 2.1. Niveles aceptables de los factores físicos y químicos para el compostaje, y los valores
óptimos.
Núm.
Factor considerado
Intervalo aceptable
Valor óptimo
1.
Composición inicial de la mezcla, relación C/N (%)
25 a 35 : 1
30:1
2.
Potencial de hidrógeno en la mezcla inicial, pH
6.5 a 8.5
7
3.
40 - 60
60
5.
Contenido de humedad de la mezcla durante el
compostaje (%)
Contenido de oxígeno en el aire dentro de la
cámara de compostaje (%)
Temperatura en la etapa termófila (°C)
6.
Tamaño de partícula de los materiales (cm)
4.
>5%
Mínimo: 10 %
Entre los 40 y 65
60
En general de 1 a 5 cm
y para materiales
leñosos 1 a 2 cm.
1- 2 cm
Fuente: [4], [2], [22] y [25].
2.3 LIMITANTES PARA EL USO DE LA COMPOSTA
En general los principales factores que limitan el uso de la composta en la
agricultura son: el exceso de salinidad, exceso de nutrientes, contaminantes orgánicos,
microorganismos patógenos, metales pesados y grado de estabilidad.
2.3.1
EXCESO DE SALINIDAD
El exceso de salinidad influye negativamente en la capacidad de germinación de las
semillas y en el crecimiento de las plantas; además provoca un empeoramiento en la
estructura del suelo (Shainberg y Letey, 1984 citado por [20]).
La composta generada a partir de los RSOD puede presentar problemas de
salinidad, debido al amplio uso del cloruro de sodio en los alimentos, por ello es
recomendable evitar el composataje de residuos de cocina que hayan sido mezclados con
sal.
2.3.2
EXCESO DE NUTRIENTES
Este problema se presenta en materiales con alto contenido de nitrógeno y cuando
el proceso de compostaje no es el adecuado. Para los RSOD, el problema del alto
contenido de nitrógeno no es probable que se presente.
15
El exceso de N2 se puede lixiviar cuando se encuentra en forma de nitratos, con la
consiguiente contaminación del agua. Asimismo, el empleo de residuos en los cuales la
relación C/N es baja, puede provocar una alta volatilización de nitrógeno en forma de
amoniaco, lo que puede originar problemas de fitotoxicidad sobre la germinación de las
semillas (Findenegg, 1987, citado por [20]).
2.3.3
CONTAMINANTES ORGÁNICOS
La contaminación de la composta puede generarse por el compostaje de residuos
que han sido tratados con plaguicidas (insecticida, fungicidas, herbicidas, nematicidas,
hormonas o desinfectantes), colorantes y algunos derivados del petróleo (combustibles,
aceites, caucho, entre otros), estos productos pueden limitar o evitar el crecimiento o la
muerte de las plantas.
Por lo anterior, debe evitarse el compostaje de materiales que contengan colorantes
(papel, revistas, periódico y cartón con colores diferentes a la tinta negra) residuos de
jardinería a los cuales se les haya aplicado algún tipo de plaguicida.
2.3.4
MICROORGANISMOS PATÓGENOS
Los microorganismos patógenos y semillas de malezas son dos aspectos que
demeritan la calidad de la composta producida, los primeros pueden causar problemas
sanitarios en las plantas y animales, mientras que las segundas pueden germinar junto
con las plantas de interés y competir por nutrientes y agua.
Para higienizar la composta de microorganismos patógenos y de semillas de
maleza es necesario un buen proceso bioxidativo, completado con una buena fase de
estabilización.
Las semillas de malezas al igual que la gran mayoría de microorganismos
patógenos no llegan a resistir los 60-70ºC 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 la
temperatura y la humedad, permiten alcanzar la temperatura necesaria para la
destrucción de los patógenos y semillas en todos los residuos compostados.
16
Los microorganismos patógenos pueden presentarse en los residuos de origen
animal, mientras que las semillas de maleza en los residuos de jardinería.
Tabla 2.2. Temperatura y tiempo de exposición necesario para la destrucción de patógenos
(Gouleke, 1972).
Organismos
Salmonella thyphosa
Brucella abortus
Micrococcus pyogenes var. Aureus
Temperatura y tiempo de exposición
Son suficientes 30 min a 55-60 ºC, no se
desarrolla a temperatura superiores a 46 ºC
Se destruyen al exponerse 1 hora a 55 ºC o 1520 minutos a 60 ºC
Se destruyen al exponerse 1 hora a 55 ºC
La mayoría mueren al exponerse 1 hora a 55
ºC o 15-20 minutos a 60 ºC
Se elimina en unos pocos minutos a 55 ºC
Mueren
rápidamente
a
55
ºC
e
instantáneamente a 60 ºC
Se destruyen a 55 ºC en 1 hora
Mueren después de 10 min a 50 ºC
Streptococcus pyogenes
Mycobacterium tuberculosis var. Hominis
Corynebacterium diphtheriae
Huevos de Ascaris lumbricoides
Mueren después de 10 min a 54ºC
De 15 a 20 min a 66 ºC
Se elimina por exposición, 45 min a 55 ºC
Mueren en menos de 1 hora a 55 ºC
Salmonella sp.
Shigella sp.
Escherichia Coli
Taenia Saginata
Larvas de Trichinella spiralis
Figura 2.3. Influencia de la temperatura y el tiempo de exposición en la destrucción de gérmenes
patógenos (Feachem et al 1978).
17
2.3.5
METALES PESADOS
En general, los metales pesados son un problema principalmente de los residuos
de origen industrial, mientras que para los RSOD no lo son.
2.3.6
GRADO DE ESTABILIDAD
El empleo de la composta sin un adecuado grado de estabilidad, es el origen de la
mayor parte de los efectos negativos que se producen en las plantas. Algunos de los
fenómenos negativos provocados, son los siguientes:
o
Disminución de la concentración de oxígeno y del potencial de oxido-reducción a
nivel radicular (sustrato donde se desarrollan las raíces), favoreciéndose la
aparición de zonas anaerobias que afectan negativamente el crecimiento y
provocando la pudrición.
o
En el caso de relaciones C/N altas, bloqueo del nitrógeno del medio por la
competencia establecida entre los microorganismos y la planta por dicho nutriente.
o
Elevación de la temperatura (autocalentamiento), hasta alcanzar valores
incompatibles con el desarrollo de la planta.
o
Acumulación de ácidos orgánicos de bajo peso molecular y otros metabolitos
orgánicos considerados como fitotóxicos.
o
Posibilidad de aparición de microorganismos patógenos.
2.3.6.1 MÉTODOS PARA EVALUAR LA ESTABILIDAD DE LA COMPOSTA
Existen diferentes métodos para determinar la estabilidad de la composta los cuales
pueden ser divididos en los siguientes: método por observaciones directas, métodos
físicos, métodos químicos y métodos biológicos. En la Tabla 6.3 del Anexo 1, se presenta
un resumen de las principales pruebas correspondientes a cada uno de los métodos para
determinar la estabilidad, además de las consideraciones que deben tomarse para su
realización y, con base a los resultados de las pruebas, los parámetros para definir la
estabilidad de la composta ([35], [4] y [16].
La determinación de la estabilidad de la composta obtenida en el prototipo se hará
mediante el método de observación directa (observación del color, olor y mediante la
curva de temperatura), método químico (relación C:N y potencial de hidrógeno pH) y
método biológico (ensayo de germinación).
18
El método de observación directa permite de manera rápida identificar si el material es
inestable, mientras que el método químico permite determinar de manera más objetiva la
estabilidad de la composta considerando que al medir la relación C/N si ésta resulta ser
>20 indica un alto contenido de materia orgánica indicador de inestabilidad de la
composta (considerando que la mezcla de RSOD utilizados presentan una relación de
C/N inicial > 25/1), la medición del pH con valores entre 5 y 8.5 indican madurez esto
puede tomarse como parámetro de estabilidad, aunque depende del pH inicial de los
RSOD. El método biológico con la prueba de germinación permite observar si la composta
es un substrato adecuado para la germinación y crecimiento de las plantas que es el
objetivo principal de las pruebas de estabilidad. Con estas pruebas mencionadas
anteriormente 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 la
optimización de parámetros operacionales, para obtener un producto final con la suficiente
calidad, tanto desde el punto de vista sanitario como de su valor como fertilizante.
Los tiempos de residencia en planta, la disminución de los requisitos de espacio y
energía, la seguridad higiénica de la planta de tratamiento son factores decisivos en el
diseño 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
termófila
se
realiza
en
reactores.
Figura 2.4. Sistemas de compostaje [20].
19
2.4.1
SISTEMAS ABIERTOS
Los sistemas abiertos son los sistemas tradicionales de compostaje. Los sustratos
a compostar se disponen en hileras o pilas que pueden estar al aire libre o en naves. La
aireación del material puede hacerse por volteo mecánico de la pila o por aireación
forzada. Esta última tiene la ventaja de permitir el control del nivel de oxígeno, así como
de la humedad y la temperatura ([20]).
2.4.1.1 PILAS ESTÁTICAS.
El sistema más antiguo que se conoce es el apilamiento estático con aireación
natural; se realiza en pilas de tamaño reducido (1.5 m de alto, 2-3 m de ancho) muy
porosas y no se mueven durante el compostaje; se considera un sistema lento. El flujo de
aire caliente en el interior de una pila estática se muestra en la Figura 2.5 (Kiehl, 1985
Citado por [20]).
Figura 2.5. Flujo de aire caliente en el interior de una pila estática de composta.
La pila de composta presenta porcentajes variables de oxígeno en el aire de sus
intersticios, la parte externa de la hilera contiene casi tanto oxígeno como el aire
atmosférico (18-20 %) hacia el interior, el contenido en O2 desciende y el de CO2 aumenta,
hasta el punto de que a una profundidad mayor de 60 cm, el contenido de oxígeno puede
estar entre el 0.5 y el 2 %. Según Poincelot, (1974), el contenido mínimo de O2, en la fase
termófila, debe ser de al menos 6 % para garantizar una descomposición aerobia.
Para lograr una mejor aireación se recurre a sistemas de aireación forzada, en los
que un sistema de tuberías y bombas permiten operar en condiciones controladas.
20
2.4.1.2 PILAS CON VOLTEO.
Es un sistema lento, la pila es oxigenada periódicamente, requiere más espacio y
presenta dificultades en el control higiénico. La altura de la pila es mayor que en las pilas
estáticas (2.5 m). La frecuencia de volteo depende del tipo de material, la humedad y
climatología, el grado de estabilidad y de los tiempos de residencia en planta que se
estimen adecuados.
Dado que, para una buena oxidación biológica, el nivel de O2 ha de permanecer
relativamente elevado, el volteo periódico facilita la renovación del aire en el interior de la
pila (De Bertoldi et al., 1982) Figura 2.6.
Figura 2.6. Nivel de Oxígeno durante el compostaje. (−) demanda de oxígeno del residuo a
compostar; (+) suministro de oxígeno con un sistema de volteos periódicos (cada 7 días).
Un sistema mejorado, es aquel en el que además de voltear se provoca la
aireación forzada. La mezcla a compostar se voltea y homogeniza para posteriormente
suministrarle aire por ventilación. La descomposición se realiza en depósitos colocados
bajo un cobertizo, la ventilación se realiza por tuberías perforadas o por un canal
empotrado en la solera. Las tuberías se conectan a un ventilador que asegura la entrada
de oxígeno y la salida del CO2. La ventilación se puede realizar por inyección, succión
(Figura 2.7) o utilizando sistemas alternantes.
En los sistemas alternantes (succión-inyección) una primera etapa de aireación por
succión permite controlar mejor el proceso, la emisión de olores y que se alcancen
mayores temperaturas (necesarias para la higienización) en una segunda etapa, tras la
21
reducción de microorganismos patógenos se reinvierte el flujo de aire (inyección) y se
continua el proceso.
Figura 2.7. Sistema de pila estática con aireación forzada por succión.
2.4.2
SISTEMAS CERRADOS
Los sistemas cerrados (reactores) en su mayoría son de grandes tamaños y
capacidades siendo casi exclusivos para el tratamiento de grandes cantidades de
residuos sólidos orgánicas por sus elevados costos de construcción. El compostaje en los
reactores se realiza en un período de 3 a 15 días, posterior a ello el material es puesto en
pilas para su descomposición final o estabilización. Estos sistemas tienen la ventaja de
tener un mayor control del proceso de compostaje, son independientes en gran medida de
los factores ambientales y requieren pequeñas superficies de terreno para el tratamiento
de los residuos, lo que es ideal para el tratamiento de los RSOD de hogares
principalmente en zonas densamente pobladas.
2.4.2.1 REACTORES VERTICALES.
Los reactores generalmente son de grandes tamaños, de 4 a 10 m de altura, que
pueden ser continuos o discontinuos; en los primeros el material es alimentado
constantemente, mientras que en los segundos, los residuos a compostar se alimentan
una sola vez hasta que termina el ciclo de compostaje. Los reactores de tipo continuo
pueden constar de un cilindro cerrado, aislado térmicamente, con un sistema de aireación
y extracción del material; conforme se extrae el producto compostado desciende
progresivamente el residuo fresco. El tiempo de residencia generalmente es de 2
semanas, posterior a ello se pasa a un parque de maduración. El inconveniente de estos
reactores es su alto costo de instalación y mantenimiento. En la Figura 2.8 se muestra un
reactor vertical circular, en el cual, el material a compostar se introduce por la parte
superior del reactor y la masa se voltea mediante un brazo giratorio, el material
compostado se retira por el centro de la base. Con este sistema se alcanzan tiempos de
retención de 10 días, tras los cuales se continúa con la maduración.
22
Figura 2.8. Reactor circular de lecho agitado.
2.4.2.2 REACTORES HORIZONTALES.
Este tipo de reactores presenta características similares a los reactores verticales.
2.4.3
COMPARATIVA ENTRE SISTEMAS DE COMPOSTAJE
En la Tabla 2.3, se presenta una comparativa de los sistemas abiertos de compostaje
frente a los cerrados, la utilización de unos u otros depende de muchos factores entre los
cuales podemos señalar el clima de la región, el control del proceso (malos olores,
generación de microorganismos, entre otros), tamaño de la superficie del terreno disponible,
cantidad de residuos que requieren ser tratados, rapidez para el tratamiento, costo, entre
otros.
Cuando se piensa en el compostaje en los hogares de México, principalmente en
zonas densamente pobladas (D.F., Monterrey, Puebla, Cuernavaca, entre otros) los sistemas
abiertos de compostaje no son una opción debido a que son lugares donde el espacio
reducido es una limitante, se requiere de un control adecuado del proceso de compostaje
(para minimizar la generación de olores, organismos perjudiciales, entre otros) y que los
factores climáticos no lo afecten.
Tabla 2.3. Estudio comparativo entre los sistemas de compostaje abiertos y cerrados.
Elementos de comparación
Superficie
Tecnología
Sistema
Inversión
Costos de explotación
Consumo energético
Mano de obra
Duración de la descomposición
Olores
Sistemas abiertos
Grande
Sencilla
Discontinuo/semicontinuo
De baja a moderada
Variables según estructurales
Bajo/medio
Variable según la instalación
Semanas
Problemas si no hay aireación
Sistemas cerrados
Reducida
Sofisticada
Semicontinuo/Continuo
De elevada a muy elevada
Elevados
Medio elevado
Más especializada
De 3 a 15 días
Aireación controlada
23
2.5 COMPOSTADORES DOMÉSTICOS
Para el compostaje doméstico existen una variedad de compostadores los cuales
pueden dividirse en recipientes, mecánicos o automáticos.
2.5.1
RECIPIENTES COMPOSTADORES
Este tipo de compostadores están construidos de plástico o madera, su forma puede
ser cuadrada, rectangular o redonda, ver Figura 2.9. Este tipo de compostadores son muy
económicos, en los cuales los residuos se introducen continuamente conforme estos son
generados hasta alcanzar su máxima capacidad. En el recipiente se pueden encontrar
residuos frescos, residuos parcialmente descompuestos y material completamente
degradado el cual puede ser extraído por alguna vía de manera manual.
Figura 2.9. Recipientes compostadores.
2.5.2
COMPOSTADORES MECÁNICOS
Estos compostadores son cilíndricos generalmente, los cuales cuentan con un
mecanismo manual o con motor que permite el movimiento o mezclado del material
compostado, 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 máxima
o la descomposición completa de los residuos, la extracción es manual y la aireación del
material se realiza durante el movimiento o mezclado del mismo.
24
a) Marca: Organics CVSWMD
b) Marca: Jora Kompost
Figura 2.10. Compostadores mecánicos.
2.5.3
COMPOSTADORES AUTOMÁTICOS
Los compostadores automáticos domésticos comerciales presentan capacidades que
permiten tratar los residuos generados por varias familias y únicamente se encontró una
empresa que fabrica compostadores de baja capacidad, para el tratamiento de los residuos
generados por una familia, ver Figura 2.11.
Las formas de los compostadores automáticos encontrados son rectangulares, de
cilindro vertical u horizontal. El sistema de control permite airear el material, mezclarlo y
controlar el exceso de temperatura.
a) Compostador rectangular (Marca: Nature Mill)
b) Cilindro vertical (Marca: Composting machine).
Figura 2.11. Compostadores automáticos.
25
Figura 2.12. Compostador horizontal (Marca: Jora Kompost Modelo JK 5100)
2.5.4
CARACTERÍSTICAS
DE
LOS
COMPOSTADORES
AUTOMÁTICOS
COMERCIALES
Los compostadores comerciales para el tratamiento de RSOD, aún y cuando tienen
diferentes capacidades de tratamiento de los residuos, presentan características similares
con respecto a su funcionamiento, las cuales son principalmente las siguientes:
•
Mezclado y movimiento del material
•
Presentan aireación forzada
•
Cámara de compostaje construida con materiales termo aislantes
•
Drenado de lixiviados
•
Características encontrados solo en un compostador:
o
Control de la temperatura
o
Cuentan con mecanismo de trituración
o
Calentador
2.6 ESTUDIO
DE
LOS
RESIDUOS
SÓLIDOS
DOMÉSTICOS
PARA
EL
COMPOSTAJE.
Para cumplir con los objetivos planteados de diseño del prototipo, es necesario tener
un conocimiento de algunas propiedades importantes de los residuos que se generan en el
hogar, definiendo a los materiales que serán compostados en el dispositivo.
2.6.1
COMPOSICIÓN DE LOS RSOD
La naturaleza o composición de los residuos orgánicos permite conocer a los
materiales que los constituyen, sus propiedades físico-mecánicas y químicas importantes
para el proceso o diseño.
26
Determinar los materiales presentes en los residuos sólidos orgánicos de origen
doméstico, es muy complicado debido a que dependen de diferentes factores como: hábitos
alimenticios de la familia, la región y época del año, principalmente. Una aproximación, para
el caso de los residuos alimenticios se presenta en la Tabla 2.4, basada en estudios
realizados por algunas instituciones mexicanas, tal es el caso del Instituto Nacional de
Estadística, Geografía e Informática (INEGI) donde se publican los 20 productos alimenticios
que generan mayor gasto a las familias mexicanas (de los tres estratos económicos: bajo,
medio y alto) [18]; de la Procuraduría Federal del Consumidor (PROFECO) en su publicación
de la lista de productos incluidos en la canasta básica [27][25]; y de la Secretaría de
Agricultura, Ganadería, Pesca y Alimentación (SAGARPA), donde se presentan los cultivos
que ocupan la mayor superficie sembrada y los que alcanzan el más alto valor de producción
en México [17].
Tabla 2.4. Productos considerados como los más consumidos por los mexicanos.
Tipo de producto
Granos
Alimentos más consumidos por los mexicanos
Maíz (tortilla)
Frijol
Arroz
Trigo
Hortalizas
Jitomate
Cebolla
Papa
Chile serrano y jalapeño
Frutas
Plátano
Manzana
Naranja
Limón
Mandarina
Productos procesados
Tortilla
Pasta para sopa
Pan de dulce
Pan blanco: bolillo, telera, baguette
Galletas dulces
Azúcar blanca
Para el caso de los materiales más comunes en los residuos de jardinería se
presenta una lista en la Tabla 2.5, basada en observaciones de los residuos generados en
la ciudad de Cuernavaca Estado de Morelos.
27
Tabla 2.5. RSOD de jardinería que se considera más frecuente en los RSM.
Todos los hogares
Pastos
Hojas de arboles
Malezas (hiervas)
Ramas de árboles y arbustos
2.6.2
PROPIEDADES DE LOS RSOD
Para lograr un proceso de compostaje adecuado es necesario mantener la relación
carbono/nitrógeno (C/N) y contenido de humedad de la mezcla de residuos a compostar en
los niveles apropiados como se muestra en la Tabla 2.1 [44], para ello es necesario conocer
la relación C/N y contenido de humedad de cada material (en la Tabla 6.1 del anexo se
presenta para algunos materiales) que son utilizados en el compostaje, y con la ayuda de la
Ecuación 1 y Ecuación 2 se comprueba si se cumple con los valores convenientes de las
propiedades.
Om
∑v"w+o!" c100 f V<" gr?"
∑v"w+oD" c100 f V<" gr?"
Ecuación 1
Donde:
R: Relación carbono nitrógeno C/N de la mezcla (adim.)
!" : Cantidad de carbono en el material i (%)
D" : Contenido de nitrógeno en el material i (%)
?" : Masa del material húmedo i (kg)
V<" : Contenido de humedad del material i (%)
E: Número total de materiales mezclados (adim.)
VX m
Donde:
∑v"w+ ?" V<"
∑v"w+ ?"
Ecuación 2
WT: Humedad de la mezcla (kg)
?" : Masa del material húmedo i (kg)
V<" : 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 los
residuos orgánicos domésticos que pueden ser frecuentemente compostados en el prototipo,
permitiendo suponer una mezcla de residuos típica a compostar y con ayuda de la Ecuación
3 determinar su densidad con la cual se dimensionará la cámara de compostaje.
v
Ecuación 3
` m x #" `"
Donde:
"w+
`" : Densidad del material i (kg/m3)
#" : Porción ocupada del material i en la mezcla (adim.).
`: Densidad de la mezcla de RSOD, (kg/m3)
Otra propiedad importante de los materiales orgánicos domésticos es su potencial de
hidrógeno, pero debido a que la mayoría de ellos se cree presenta un valor cercano a los 7
(valor neutro) no se le prestará mucha atención, únicamente se darán algunas
recomendaciones para evitar el uso de materiales altamente ácidos o alcalinos en elevadas
proporciones al preparar la mezcla.
Al realizar algunos cálculos de la densidad, con los datos de los residuos presentados
en la Tabla 2.4 y considerando las proporciones de los residuos que permitan cumplir con los
requerimientos de humedad y relación carbono nitrógeno para el compostaje, se encontró un
intervalo de valores de la densidad entre 400 a 500 kg/m3. Debido a que el material que será
introducido al dispositivo no debe ser comprimido y debe considerar el espacio poroso, se
procedió a medirlo experimentalmente y se obtuvo un valor promedio de 202 kg/m3, el cual
será el valor utilizado en los cálculos para dimensionar la cámara de compostaje.
29
CAPITULO 3. DISEÑO
3 DISEÑO
El diseño del prototipo, requirió considerar las propiedades de los residuos que permitan
el apropiado funcionamiento del dispositivo, además de los factores físicos que intervienen
en el proceso de compostaje y permiten lograr un proceso adecuado.
Como parte inicial del diseño se realizó el diseño conceptual del prototipo, en el cual se
definieron las partes y mecanismos principales que llevan a cabo las funciones deseadas del
dispositivo; posterior a ello, se hizo el diseño detallado en el cual se realizó una serie de
cálculos que permitieron dimensionar de manera detallada al prototipo (los cuales se
presentan en la memoria de cálculo), además en él se definieron las características y
especificaciones técnicas de piezas y componentes para su fabricación o selección. Como
resultado del diseño fueron los planos, diagramas de ensamble y lista de especificaciones
técnicas de piezas y componentes, las cuales se presentan en el “Documento técnico de
diseño” [45]. También se realizó el diseño de la parte electrónica y de control del prototipo.
3.1 CONSIDERACIONES DE DISEÑO
3.1.1
MANEJO DE LOS FACTORES EN EL PROTOTIPO
Como se ha mencionado, los factores que afectan el proceso de compostaje pueden
ser clasificados en físicos, químicos y biológicos.
Debido, a que el funcionamiento del prototipo únicamente puede realizar acciones
que permitan manejar los factores físicos que afectan el proceso de compostaje, ya que los
factores químicos y biológicos dependen de la preparación de la mezcla de residuos
(dependientes de la combinación que haga el usuario) y de los microorganismos presentes o
agregados para que se efectúe el proceso de compostaje, sólo se trabaja sobre los factores
físicos que permiten un proceso de compostaje adecuado.
30
Los factores físicos sobre los cuales se implementan sistemas o mecanismos que
permiten afectarlos favorablemente para el compostaje son: la temperatura, contenido de
humedad y concentración de oxígeno en el aire.
Para el manejo de la temperatura, se utiliza un sistema que permite evitar que la
temperatura del material alcance niveles superiores a los 65°C, para ello se coloca un sensor
de temperatura para monitorearla en el punto donde se alcanza la mayor temperatura
durante el proceso de compostaje (donde se presenta la etapa termófila), y con ayuda de un
extractor se introduce aire para controlar la temperatura.
Las temperaturas bajas, que son un indicativo de que el proceso de compostaje no se
realiza adecuadamente, y puede ser provocada por una inadecuada preparación de la
mezcla de residuos, inadecuado contenido de humedad o por la baja población microbiana.
Para el manejo de la humedad, se recomienda al usuario del dispositivo hacer
mezclas que permitan obtener un nivel adecuado de humedad y fraccionar los residuos en
tamaños apropiados para disminuir los problemas de difusión del oxígeno (tamaños de las
fracciones mayores a 1 cm). Debido a que comúnmente los RSOD tienen un elevado
contenido de humedad, el extractor que es utilizado en el compostador suministra
diariamente el volumen de aire necesario para extraer el 20 % de la humedad con la que
entran los RSOD (considerando que la humedad de los RSOD esté entre el 70 y el 80 %).
Además, se cuenta con elementos que permiten el drenado de los líquidos lixiviados.
El oxígeno es suministrado por la aireación del material con el extractor que remplaza
el aire del interior de la cámara de compostaje y así cubrir los requerimientos de oxígeno
demandados por los microorganismos.
3.1.2
CRITERIOS Y CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Los criterios de diseño para el dispositivo deben contemplar principalmente: el buen
funcionamiento, sencillez en el mantenimiento, seguridad, facilidad de operación, durabilidad
y sencillez para su construcción. A continuación se presenta la lista de criterios y
consideraciones que se tomaron en cuenta para el diseño:
31
1. La capacidad mínima de procesamiento del compostador de 3 kg de RSOD por día,
lo que implica alimentación y procesamiento continúo de residuos.
2. El tiempo que el material permanece dentro del dispositivo es de 30 días, con lo cual
se pretende lograr la estabilidad biológica de la composta. Este es el tiempo que se
reporta como el necesario para alcanzar la estabilidad de la composta.
3. Se considera que los RSOD antes de introducirse a la cámara de compostaje son
fraccionados en tamaños de 1 a 2 cm, evitando fracciones mayores a los 5 cm.
Además la mezcla de los RSOD debe cumplir lo mejor posible con las condiciones de
relación C:N, pH y humedad establecidas en la Tabla 2.1.
4. Las dimensiones del dispositivo deben permitir ubicarlo dentro de un departamento o
casa como cualquier otro mueble. Además de poderse trasladar sin dificultad.
5. Se utiliza aireación forzada por succión, ya que permite el mejor control del proceso,
la emisión de olores y que se alcancen mayores temperaturas (necesarias para la
higienización) [20].
6. El prototipo está orientado a compostar materiales de origen vegetal, y aunque es
posible compostar residuos de origen animal esto no es recomendable, ya que estos
materiales pueden contener microorganismos difíciles de eliminar y peligrosos para la
salud humana. Además de ello se debe evitar el compostaje de materiales
contaminados y la introducción de materiales inorgánicos dentro del compostador.
3.2 DISEÑO CONCEPTUAL
En esta parte del diseño se generan alternativas de solución y se selecciona la que se
considera más adecuada para cumplir con los requerimientos definidos, así mismo se
definen las partes del prototipo.
3.2.1
DEFINICIÓN DE LAS FUNCIONES DEL PROTOTIPO
Para el diseño del prototipo, se definieron las características del material a procesar
(características de la materia prima) y del producto que se desea obtener al final del proceso
32
(composta), a partir de ello y del estudio realizado de los requerimientos del proceso de
compostaje, se establecieron las funciones que debe realizar el prototipo para alcanzar éste
fin; lo que se resume en la Tabla 3.1.
Tabla 3.1. Principales consideraciones que las partes y mecanismos del prototipo.
Puntos considerados
Consideraciones definidas para el diseño
Materiales principalmente de origen vegetal
Características de la materia
prima a procesar
Material fraccionado en tamaños de 1 a 5 cm.
Mezcla con humedad no mayor al 80 %.
Mezcla con un pH entre 6 y 8.5.
Mezcla con relación C/N de 1/20-30.
Proporcionar un medio que permita que material no se enfríe
Evitar que el material que se encuentre en diferente etapa de
descomposición se mezclen (mezclado entre el material fresco con el
material parcialmente descompuesto o con la composta terminada).
Que el material introducido tenga el mismo tiempo de compostaje (para
Funciones del prototipo
durante el proceso de
compostaje
obtener una descomposición uniforme del material).
Descompactación y mezclado del material.
Aireación del material
Enfriamiento cuando la temperatura es mayor a los 65°C
Transporte del material hasta la salida del compostador
Almacenamiento de la composta al final del proceso
Que sea posible identificar cuando el proceso de compostaje del
material no se realice
Salida del material
Composta biológicamente estable
Libre de patógenos y semillas de malezas
Con base a lo indicado en la Tabla 3.1 y a las particularidades de los compostadores
comerciales, se establecieron las partes, mecanismos o sistemas principales con los cuales
debe contar el prototipo, las cuales se enlistan a continuación:
•
Cámara que aísle térmicamente el material del medio ambiente (cámara de
compostaje)
•
Mecanismo de descompactacion y mezclado del material (uso de aspas o a través de
volteos)
33
•
Mecanismo evite mezclar el material que se encuentra en diferentes etapas de
descomposición y permita un procesamiento continuo (división por secciones o
realizando un flujo continuo de manera uniforme del material)
•
Mecanismo que transporte el material a la salida del compostador (uso de bandas,
aspas o tornillo sin fin)
•
Depósito para el almacenamiento del material (recipiente de recolección)
•
Sistema que permita el funcionamiento automático del compostador (sistema
electrónico y de control)
•
Fuente de potencia y transmisión que facilite el funcionamiento de los demás
mecanismos o sistemas (motor y transmisión por bandas, cadenas o bandas)
•
Sistema de ventilación (uso de ventilador o extractor y vías de entrada y salida de
aire)
•
3.2.2
Soporte
GENERACION DE LA ALTERNATIVA DE SOLUCION
Debido a que comercialmente no existe un compostador que cumpla con los
requerimientos deseados, ya sea por qué su capacidad de tratamiento de residuos es muy
superior a la deseada, porque son discontinuos en el procesamiento de los residuos o
porque sólo son recipientes de almacenamiento con perforaciones para la aireación,
únicamente se consideraron algunas particularidades para proponer dos de las alternativas
de solución.
Las alternativas de solución generadas, son las siguientes:
1. Compostador horizontal con bandas
2. Compostador cilíndrico vertical
Las alternativas propuestas como solución cuentan con las partes, mecanismos o
sistemas que permiten cumplir con las funciones que debe tener el compostador, de acuerdo
a lo establecido en la Tabla 3.1, pero únicamente se describe el funcionamiento de las partes
que tienen contacto con el material, ya que las demás partes son comunes para las dos
alternativas como son: soporte, sistema de transmisión y potencia, sistema electrónico y de
control, recipiente de recolección, entre otros.
34
3.2.2.1 COMPOSTADOR HORIZONTAL CON BANDAS
La primera alternativa se muestra en la Figura 3.1 y sus partes principales se enlistan a
continuación:
1. Puerta de alimentación
2. Cámara de compostaje (con tres secciones)
3. Bandas transportadoras (tres bandas)
4. Flecha con aspas que mueven y mezclan al material (tres flechas)
5. Extractor
6. Compuertas de apertura para la entrada de aire (tres entradas de aire)
7. Recipiente recolector del material final
8. Soporte o chasis
9. Motor y sistema de transmisión
10. Placa para escurrimiento de lixiviados
11. Sistema electrónico y de control
a) Vista frontal de compostador
b) Partes del compostador
Figura 3.1. Elementos principales del dispositivo.
El funcionamiento del dispositivo es el siguiente: inicia con la introducción de los
residuos a la cámara de compostaje a través de la puerta de alimentación, cayendo sobre la
parte inicial del recorrido de la primera banda (sección uno). En esta banda los residuos
permanecen por un tiempo aproximado de siete días y medio, tiempo en el cual se efectúa la
primera y segunda etapa del proceso de compostaje (etapa mesófila y termófila), antes de
llegar al final del recorrido de la banda, y con la ayuda de la flecha con aspas, se
35
desmenuzan los residuos y se permite la caída del material a la segunda banda, ver Figura
3.2.
Los residuos que caen a la segunda banda (sección dos) se desplazan por el
movimiento de la misma, hasta llegar al final del recorrido, donde se ubica una segunda
flecha con aspas, que al igual que la primera desmenuza y facilita la caída del material a la
tercera banda.
El tiempo que los residuos tardan en desplazarse, desde su caída a la
segunda banda hasta llegar al final del recorrido de la misma, es de aproximadamente 10.5
días, en este período se efectúa la etapa mesófila final.
La caída del material a la tercera banda (sección tres) es a los 18 días
aproximadamente de haberse introducido a la cámara de compostaje, en esta banda se
desplaza el material por un tiempo de 12 días hasta llegar al final de la misma y con la ayuda
de la flecha con aspas los residuos caen al recipiente recolector en el cual se almacena la
composta obtenida (Figura 3.2). El tiempo total desde que el material es introducido al
prototipo hasta que sale, es de aproximadamente 30 días.
Figura 3.2. Flujo de los residuos al interior del dispositivo.
Como se puede observar el procesamiento de los residuos es continuo, el material en
diferentes etapas de descomposición no se mezcla (ya que es movido uniformemente hacia
la salida del compostador) y se aprovecha la caída del material para su desmenuzamiento lo
que permite disminuir los requerimientos de potencia.
36
3.2.2.2 COMPOSTADOR CILÍNDRICO VERTICAL
Otra de las alternativas generadas es el compostador con cilindro vertical el cual se
presenta en la Figura 3.3. Sus partes principales se enlistan a continuación:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Tolva de Alimentación
Motor y sistema de transmisión
Mecanismo de trituración (flecha cortadora y tornillo sin fin)
Cámara de compostaje
Mecanismo de movimiento del material
Extractor
Recipiente recolector
Soporte o chasís
Recipiente recolector de lixiviados
Figura 3.3. Partes principales del prototipo.
El funcionamiento planeado del dispositivo es el siguiente: inicia con la introducción
de los RSOD a la tolva de alimentación por el usuario, de la tolva de alimentación los
residuos son fraccionados en tamaños mayores a 1 cm y transportados e introducidos a la
cámara de compostaje por un tornillo sin fin, lo cual se realiza una vez al día. Los residuos
introducidos a la cámara de compostaje son removidos periódicamente (una vez al día) por
las aspas horizontales fijadas a una flecha vertical giratoria. Conforme se introducen más
residuos a la cámara de compostaje el material asciende, a causa del movimiento de las
aspas, hasta alcanzar el nivel superior de la cámara; en ese momento los residuos son
empujados hacia un recipiente recolector donde se obtiene el producto final del proceso y el
usuario puede extraerlos, ver Figura 3.4.
37
Como se puede observar el material en diferentes etapas de descomposición no se
mezcla, ya que es movido uniformemente hacia la salida del compostador.
El tiempo que el material permanece al interior de la cámara de compostaje es de 30
días. En la Figura 3.4 se muestra el flujo que seguirán los residuos en el proceso de
compostaje.
El prototipo cuenta con dos motores para la trituración y el movimiento de los
residuos; con un extractor para cubrir los requerimientos de aireación y un sistema de
electrónico que permita el control para el funcionamiento automático del dispositivo.
Figura 3.4. Flujo del material dentro del prototipo.
Al igual que la alternativa anterior el procesamiento de los residuos es continuo, el
material en diferentes etapas de descomposición no se mezcla (ya que se mueve
uniformemente de manera ascendente hasta el recipiente de recolección), y tiene la ventaja
de que el material puede ser introducido en diferentes tamaños ya que cuenta con un
mecanismo de trituración que fracciona el material al tamaño requerido por el proceso.
3.2.2.3 SELECCIÓN DE LA ALTERNATIVA DE SOLUCIÓN
Al realizar la comparación de las dos alternativas se encontró que el compostador de
cilindro vertical tiene una fuerte desventaja, por requerir de una fuente de potencia con
capacidad elevada (motor) para mover al triturador y a la flecha con aspas. A demás, por la
38
disposición entre estas dos flechas (dispuestas en un ángulo de 90°), lo que implica el uso
de un motor y un motoreductor o un motor con reductor en V, que por su precio elevado
permitió eliminar esta alternativa y seleccionar como la alternativa del compostador
horizontal con bandas como la más viable, que en lo adelante nos referiremos a ella como:
prototipo, dispositivo o compostador.
3.2.2.4 DESCRIPCION DE LA ALTERNATIVA SELECCIONADA
Parte de las funciones descritas en el punto 3.2.2.1, el dispositivo seleccionado
presenta otras particularidades que se describen a continuación.
La capacidad del recipiente recolector permite almacenar la composta que cae al
recipiente, durante una semana o 7 días, es decir, que el usuario del dispositivo debe vaciar
el recipiente una vez a la semana para evitar que el compostador se atasque. Este período,
da tiempo al usuario para que sin apresuramientos pueda extraer la composta y aplicarlo a
las plantas o al suelo.
El sistema electrónico y de control permite cumplir con el desplazamiento deseado de
las bandas y con ello de los residuos, mantener la temperatura por debajo de los 65°C al
interior de la cámara de compostaje, extraer el exceso de humedad de los residuos y
suministrar los requerimientos de oxígeno para el desarrollo de los microorganismos. Para
ello, se desarrolló una tarjeta con dos sensores de temperatura, un reloj de tiempo real,
interfaz para el control de un motor y un extractor, así como una pantalla de cristal líquido
(LCD) donde se pueden visualizar algunas variables que permiten comprobar que el proceso
de compostaje se efectúa adecuadamente. Este sistema se describe con detalle en el diseño
electrónico y de control en el punto 3.5.
El funcionamiento adecuado de las bandas, flecha con aspas y sistema de
transmisión es fundamental para el dispositivo de compostaje, con tal fin fue necesario
sincronizar adecuadamente el movimiento de las bandas transportadoras.
Para ello, el sistema de transmisión que se utilizó es por cadenas y un motor de baja
velocidad que transmite la potencia requerida para el funcionamiento del compostador. La
39
transmisión por cadenas tiene la ventaja de ser más eficiente en la transmisión de la
potencia, permite trabajar las flechas a bajas velocidades sin problemas de deslizamiento,
mejor sincronización en el movimiento de piezas y con ello mayor control.
El sistema que transmite el movimiento a las piezas que interaccionan con los RSOD
inicia con el motor, el cual acciona una flecha principal de distribución (flecha con aspas
principal) utilizando la cadena uno. De la flecha principal se transmite el movimiento a la
flecha con aspas de la banda uno utilizando la cadena dos, así como a la flecha o rodillo que
mueve a la banda dos, mediante la cadena tres. La flecha o rodillo de la banda dos transmite
el movimiento a los demás rodillos de las bandas (banda uno y dos) y a la flecha con aspas
de la banda dos utilizando la cadena tres, ver Figura 3.1.
3.3 DISEÑO MECÁNICO
En esta parte del diseño se determinó la potencia o energía requerida para el
funcionamiento de cada uno de los sistemas o mecanismos, se dimensiona cada una de las
piezas, se definen los materiales y especificaciones para la construcción.
3.3.1
DIMENSIONAMIENTO DE LA CÁMARA DE COMPOSTAJE
Para realizar el dimensionamiento de la cámara de compostaje, se consideró que el
material es dispuesto en tres secciones, limitadas por las bandas y las paredes de la cámara.
También se consideró que las propiedades del material cambian conforme avanza el
proceso de compostaje, es decir, que en la primera sección (material ubicado sobre la
primera banda) el material tiene propiedades diferentes a los de la segunda y tercera
sección, ver Figura 3.1. La propiedad más importante que afecta el dimensionamiento de la
cámara de compostaje es la densidad, ya que de ella depende el volumen requerido en cada
sección. En la Tabla 3.2 se muestra el valor de la densidad utilizado para el cálculo de las
dimensiones de cada sección y la cantidad de masa que pierde el material que llega a las
bandas.
Debido a que las bandas comerciales tienen un ancho estándar, fue seleccionado un
ancho de acuerdo a las especificaciones de los fabricantes, con ancho de 0.5 m y longitud de
1 m. Estas dimensiones permiten obtener un tamaño del dispositivo final, adecuadas para
espacios pequeños en el hogar. Una vez que se conoce la cantidad de material que soporta
40
cada banda, y las dimensiones de la misma (ancho y longitud de la banda) se determinó la
altura de material sobre cada banda utilizando la Ecuación 4 y con ello se definieron las
dimensiones de las secciones y de la propia cámara de compostaje.
Donde:
5m
>
:`
Ecuación 4
>: Masa del material (kg)
5: Altura del material sobre la banda uno (m)
: Ancho de la banda (m)
: : Longitud de la banda (m)
` : Densidad de la mezcla (kg/m3)
En la Tabla 3.2 se presentan los datos considerados para realizar los cálculos y sus
resultados.
Tabla 3.2. Datos considerados y cálculos realizados para el dimensionamiento de las secciones del
compostador.
Sección
Días que
Densidad
Pérdida
Masa
Altura
Distancia
3
mantiene el
(kg/m )
de masa
esperada en
mínima
a utilizar**
material (adim.)*
(%)**
la sección
(mm)
(mm)
(kg)
1
7.5
200
0
22.5
220
250
2
10.5
300
23
23.3
150
200
3
12.0
400
48
19.1
100
200
Nota: *Para determinar los residuos que habrá sobre las bandas (secciones) se considera el número de días que mantendrán al
material antes de caer a la otra banda o al recipiente de recolección, se considera que por cada día son 3 kg con la pérdida de
masa correspondiente a cada sección. ** La pérdida de masa se produce por la descomposición de los residuos y se determinó
experimentalmente al realizar la prueba de los iniciadores. ***La distancia que se utiliza se refiera a la separación entre bandas
o de la banda y la tapa superior del compostador construido (la distancia entre la banda uno y la tapa del compostador es de
250 mm, la distancia entre la banda dos y la banda uno, así como la distancia entre la banda tres a la banda dos son de 200
mm.
La altura de cada sección seleccionada, considera la altura mínima más un
porcentaje del 20 % para evitar que el material al desplazarse sobre las bandas encuentre
resistencia al movimiento en caso de que hubiera contacto con la pared superior, que limita
cada sección. El volumen efectivo de la cámara de compostaje es de aproximadamente 325
L (0.325 m3), pero es necesario considerar también los espesores de las bandas y los
diámetros de los rodillos para definir adecuadamente las dimensiones de la cámara de
compostaje. Las dimensiones de la cámara de compostaje seleccionados en su interior, es
41
de 0.5 m de ancho, 1.2 m de longitud y una altura efectiva de 0.65 m (altura que puede ser
ocupada por los residuos sin considerar el aumento por las flechas y espesor de las bandas).
3.3.2
SELECCIÓN DEL SISTEMA DE TRANSMISIÓN, BANDAS Y FLECHAS.
En esta parte se considera la selección de las bandas, flechas con aspas, así como el
sistema de transmisión y el motor que suministran la potencia requerida para el movimiento.
Iniciaremos con las partes que tienen contacto con el material a compostar, que son;
las bandas, las flechas con aspas y los elementos auxiliares que transmiten la potencia
requerida por los elementos primarios.
3.3.2.1 SELECCIÓN DE LAS BANDAS.
El material seleccionado para las bandas es poliuretano con perforaciones a lo largo y
ancho de la misma, con un ancho de 500 mm. Esta malla es seleccionada debido a que es
muy ligera y soporta las cargas a las cuales es sometida, además, por sus características,
que le permiten soportar las condiciones a las cuales es expuesta dentro del compostador.
Uno de los parámetros importantes que fue necesario determinar de la banda, es la
tensión de trabajo y que nos permite determinar la potencia requerida para darle movimiento
a través de la flecha o rodillo, además para asegurar la resistencia de la banda se compara
con la tensión máxima que soporta la cual debe ser mayor. Para determinar la tensión de
trabajo de la banda se utiliza la Ecuación 5 [42].
) " m 89 :< ocLM" b LN+ b L gY; b cLN, b L gYN r y LM H
Ecuación 5
Donde:
) " : Fuerza de tensión de la banda correspondiente (una, dos o tres) (N)
89 : Coeficiente de resistencia en los puntos de viraje (adim.)
:< : Longitud en la proyección horizontal de la banda (m)
LM" : Peso lineal del material transportado (N/m)
LN+ : Peso de las partes móviles de los rodillos en el ramal con carga (N/m)
LN, : Peso de las partes móviles de los rodillos en el ramal sin carga (N/m)
L : Peso de la banda (N/m)
Y; : Coeficiente de resistencia al movimiento del ramal superior de la banda
(adim.)
42
YN : Coeficiente de resistencia al movimiento del ramal inferior de la banda
(adim.)
El valor de los coeficientes [42] y datos considerados para el cálculo de la fuerza de
tensión en las bandas, se presentan en la Tabla 3.3. El valor de la tensión resultante es de
505.13 N.
Tabla 3.3.Coeficientes [42] y datos utilizados para el cálculo de la tensión de las bandas.
Datos y resultados obtenidos
Coeficiente de resistencia en los puntos de viraje
Longitud de la proyección horizontal de la banda
Masa del material sobre la bandas
Peso de las partes móviles del ramal con carga
Peso de las partes móviles de los rodillos en el ramal sin carga
Peso de la banda
Coeficiente de resistencia al movimiento del ramal superior de
la banda
Coeficiente de resistencia al movimiento del ramal inferior de la
banda
Símbolo
89
:<
>+
LN+
LN,
L
Y;
YN
Valor
0.45
1
25
2
2
2
0.45
0.022
Unidades
Adim.
m
kg
kg
kg
kg
Adim.
Adim.
3.3.2.2 SELECCIÓN DEL MOTOR PRINCIPAL.
El motor principal es el encargado de suministrar la potencia necesaria para dar movimiento
a los residuos durante el compostaje, para ello, debe suministrar la potencia requerida para
mover las bandas, las flechas con aspas y contemplar las pérdidas de potencia del sistema
de transmisión. La ecuación que permite determinar la potencia requerida en el motor es la
Ecuación 6 [42].
Donde:
-
-
"w+
"w+
HX
HJ"
HI"
Hm
mx vbx v
_X
_"
_"
Ecuación 6
H: Potencia requerida en el motor (W)
HX : Potencia total requerida (W)
_ X : Eficiencia total de transmisión (Adimensional)
H " : Potencia requerida para mover la banda correspondiente (W)
H' : Potencia requerida para mover la flecha con aspas (W)
_: Eficiencia de transmisión por cadenas, se toma de 0.9 [5] (adim.)
43
E: Número de transmisiones por cadenas que va del motor a la flecha o al
rodillo considerado.
{: Ubicación de la flecha con aspas o flecha de la banda considerada (1:
banda uno, 2: banda dos, 3: banda tres).
El número de transmisiones por banda puede observarse en la Figura 3.7.
3.3.2.2.1 Cálculo de la potencia requerida para mover una banda.
La forma como se determinó la potencia requerida para mover una banda fue al
conocer la fuerza de tensión y la velocidad con la cual se desplaza la banda, como lo
muestra la Ecuación 7. El Par requerido para mover la flecha se determinó con la Ecuación 8
[5].
Donde:
H " m ) "U
"
m ) " πn " d/60
Ecuación 7
H " : Potencia requerida para mover la banda correspondiente uno, dos o tres (W).
) " : Fuerza de tensión de la banda correspondiente (N).
U " : Velocidad de desplazamiento de la banda correspondiente (m/s)
E " : Frecuencia de rotación del rodillo que mueve la banda correspondiente (rpm).
d: Diámetro del rodillo (m).
Donde:
R"m
d)
2
"
Ecuación 8
R " : Par que se opone al movimiento de la banda (N)
La frecuencia de rotación de la flecha o rodillo de la banda, está en dependencia de la
frecuencia de rotación del motor seleccionado y de la relación de transmisión existente entre
la flecha de la banda y la flecha del motor. Debido a que no se requieren altas velocidades
de desplazamiento de las bandas fue seleccionado un motor de corriente alterna de baja
frecuencia de rotación (6 rpm). La determinación de la relación de transmisión se presenta
en el punto 3.3.2.3. y del diámetro de la flecha en el punto 3.3.2.4.1.
44
3.3.2.2.2 Cálculo de la potencia requerida para mover la flecha con aspas.
En el prototipo se tienen tres flechas con aspas, ubicadas al final de cada una de las
bandas. La función de cada una, es ayudar a la caída del material de una banda a otra,
además de permitir la descompactación del material, para ello es necesario vencer la fuerza
de cohesión entre los residuos, en la Figura 3.5 se muestra la flecha con aspas. Esta fuerza
requerida se determina de manera aproximada con el peso del material que tiene contacto
con las aspas, el cual depende del volumen del material y la densidad del mismo, y la
potencia requerida para mover esta flecha se puede determinar con la Ecuación 9.
Figura 3.5. Flecha con aspas.
H' m
V$&' ~E' ~`3$&' :'; - E
m
60
90
Ecuación 9
Donde:
H' : Potencia para mover las aspas (W)
$&' : Diámetro de la flecha con aspas (m)
: Ancho de la banda o longitud de la flecha con aspas (m)
:'; : Longitud de la aspa (m)
E' : Frecuencia de rotación de la flecha con aspas (rpm)
W:Peso del material en contacto con las aspas (N)
`: Densidad de los residuos en la sección correspondiente (kg/m3)
3: Gravedad de 9.81 (m/s2)
El par requerido para mover la flecha depende de la potencia y la velocidad angular
de la flecha, la cual se determinó con la Ecuación 10.
45
R' m
Donde:
H' 30H'
m
^
~E'
Ecuación 10
^: Velocidad angular de la flecha (s-1)
R' : Momento de torsión o par en la flecha con aspas (Nm)
3.3.2.3 CÁLCULO DE LAS RELACIONES DE TRANSMISIÓN.
Las relaciones de transmisión que se utilizan para alcanzar una velocidad y
desplazamiento deseado de las bandas y la frecuencia de rotación de la flecha con aspas,
nos permite definir los elementos del sistema de transmisión.
Como se ha comentado anteriormente el sistema de transmisión seleccionado, es por
cadenas, ya que nos permite tener un mayor control sobre el desplazamiento de las bandas,
debido a que no hay deslizamiento y pueden trabajar a bajas velocidades, además que son
más eficientes en la transmisión de potencia.
De acuerdo a los requerimientos del proceso las bandas uno, dos y tres deben
desplazarse una cierta distancia la cual depende del número de vueltas y del diámetro de las
flechas que las mueven. El diámetro seleccionado para las flechas que mueven las bandas
fue de 1” (25.4 mm) y se hizo la selección del material de manera que soporte las cargas a
las cuales son sometidas como se indica en el punto 3.3.2.4.1. El número de giros que darán
las flechas de las bandas dependen: de la relación de transmisión que exista entre ellas y el
motor, de la frecuencia de giro y tiempo de funcionamiento de la flecha del motor
(parámetros definidos con base al desplazamiento deseado para cada banda).
Una vez que fue seleccionado el motor, la relación de transmisión entre la flecha del
motor y las flechas de las bandas, el control de desplazamiento de las bandas depende del
tiempo de encendido del motor el cual es controlado por un microcontrolador PIC16F84A.
Considerando que el motor acciona el sistema de transmisión, para mover las bandas y
flechas, funcionará dos minutos al día y su frecuencia de rotación es de 6 rpm.
Para el caso de la primera banda, se definió un desplazamiento de 133 mm por día (1
m en 7.5 días), considerando un diámetro del rodillo que mueve la banda de 25.4 mm (1”), lo
que implica que en 1.7 giros del rodillo la banda se desplaza la distancia deseada, por lo
tanto la flecha debe tener una frecuencia de rotación de 0.85 rpm.
46
La segunda banda se desplaza 95 mm por día (1 m en 10.5 días), es decir 1.4 veces
más lento que la banda uno, lo que implica una frecuencia de rotación del rodillo de 0.61
rpm. La tercera banda se desplaza 83 mm por día (1 m en 12 días), es decir 1.6 veces más
lento que la banda uno, lo que implica una frecuencia de rotación del rodillo de 0.53 rpm.
En la Figura 3.6 y Figura 3.7 se muestra el diagrama cinemático del sistema de
transmisión y su correspondencia en el dibujo del prototipo. En la Figura 3.6 cada línea
corresponde a la cadena que transmite movimiento y las cruces a la catarina que es fijada en
la flecha en cuestión. La transmisión inicia con el motor, punto 1, donde se tiene una
frecuencia de rotación de 6 rpm.
1: Flecha del motor, 2: Flecha con aspas principal, 3: Flecha con aspas de la banda uno, 4: Rodillo o flecha de la banda dos, 5:
Rodillo o flecha de la banda uno, 6: Flecha con aspas de la banda dos, 7: Rodillo o flecha de la banda tres. iab: Relación de
transmisión del punto a al punto b. α: Ángulo.
Figura 3.6. Diagrama cinemático del sistema de transmisión.
Como se puede ver en la Figura 3.7, el sistema de transmisión cuenta con cuatro
cadenas, la primera que va del punto uno al punto dos (flecha del motor a la flecha con
aspas principal); la segunda, que va del punto dos al punto tres (flecha con aspas principal a
la flecha con aspas de la banda uno); la tercera va del punto dos al punto cuatro (flecha con
aspas principal a la flecha o rodillo de la banda dos); la cuarta va del punto cuatro a los
puntos cinco, seis y siete (rodillo de la banda dos a la flecha con aspas de la banda dos y
rodillos de la banda uno y tres).
47
Para determinar las relaciones de transmisión de una flecha a otra se utiliza la
Ecuación 11.
i(7 m
E ( z ( d(
m m
E 7 z 7 d7
Ecuación 11
Donde:
i(7: Relación de transmisión del punto a al punto b (adim.)
E( : Frecuencia de rotación de la flecha ubicada en el punto a (rpm)
E7 : Frecuencia de rotación de la flecha ubicada en el punto b (rpm)
[( : Número de dientes de la catarina del punto a (adim.)
[7 : Número de dientes de la catarina del punto b (adim.)
$( : Desplazamiento de la banda a (m)
$7 : Desplazamiento de la banda b (m)
Figura 3.7. Sistema de transmisión del prototipo.
Cuando en un diagrama cinemático se puede llegar de un punto a otro, a través de
líneas de transmisión, sin que haya discontinuidades, la relación de transmisión entre estos
dos puntos puede determinarse con la Ecuación 12.
48
i+ m i+, i,-…….. i+ 
Ecuación 12
Donde:
i+ : Relación de transmisión del punto 1 al punto n (adim.)
i+,: Relación de transmisión del punto 1 al punto 2 (adim.)
.
.
.
i+ : Relación de transmisión del punto 1 al punto n (adim.)
Utilizando la Ecuación 11, Ecuación 12 y los datos de la Tabla 3.4 se realiza la
selección de las catarinas utilizadas en el sistema de transmisión.
Tabla 3.4. Datos considerados para la selección de las catarinas del sistema de transmisión.
Núm.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Datos considerados
Desplazamiento de la banda uno, por día
Desplazamiento de la banda dos, por día
Desplazamiento de la banda tres, por día
Diámetros de los rodillos de las bandas
Tiempo que se desea que funcione el motor por día
Frecuencia del motor
valor
1000 mm / 7.5días
1000 mm / 10.5días
1000 mm / 12días
25.4 mm
2 minutos
6 rpm
En la Tabla 3.5, se presentan una lista del número de dientes de las catarinas, su posición
de acuerdo a la Figura 3.6 y el número de cadena a la cual corresponden.
Tabla 3.5. Número de dientes de las catarinas y cadena a la cual corresponden.
CADENA 1
z1=10 dientes
z2= 50 dientes
CADENA 2
z2=10 dientes
Z4=20 dientes
CADENA 3
z2=10 dientes
Z3= 9 dientes
CADENA 4
z4=14 dientes
z5= 10 dientes
z6= 9 dientes
z7=16 dientes
Nota: Z: Número de dientes; i: Subíndice que indica el punto donde se localiza la catarina en el diagrama cinemático.
3.3.2.4 DIMENSIONAMIENTO DE LA FLECHA (RODILLO) QUE MUEVE LA BANDA DOS Y
SELECCIÓN DE ELEMENTOS FIJADOS EN ELLA.
Se analiza la flecha o rodillo que mueve a la banda dos, ya que de ella se transmite el
movimiento de las bandas uno, tres y flecha con aspas. El diámetro seleccionado para esta
flecha es utilizado para cada rodillo o flecha de las bandas.
En la Figura 3.8 se observan las piezas montadas sobre la flecha que se analiza. La
catarina uno recibe la potencia para mover la flecha a través de la cadena dos; la catarina
49
dos mueve a las bandas uno, tres y a la flecha con aspas; y dos rodamientos que soportan a
la flecha.
Figura 3.8. Rodillo que transmite el movimiento a la banda dos.
En la Figura 3.9, se muestra el diagrama de cuerpo libre de la flecha donde se
remplazan los elementos fijados a la flecha por las cargas que ejercen.
El peso del material sobre la banda dos se consideró de 25 kg (W =245 N), FB la
tensión de la banda y el par TB se determinaron con la Ecuación 5 y Ecuación 8
respectivamente.
Figura 3.9. Diagrama de cuerpo libre del rodillo principal de la banda dos.
50
Al analizar el diagrama de cuerpo libre de la flecha, se puede observar que existen
dos momentos de torsión que se oponen al giro de la flecha, el primero de ellos provocado
por la banda fijada sobre la flecha (banda dos) y la segunda fuerza debida a la catarina dos
de la flecha (ver Figura 3.8 y Figura 3.7). La potencia requerida para mover la banda dos de
la flecha fue determinada con la Ecuación 7. La potencia requerida para mover la catarina
dos (donde se fija la cadena cuatro) fue determinada con la Ecuación 13 , Ecuación 7 (para
H + , H - ) y Ecuación 8 (para H&' ).
La eficiencia de transmisión para la cadena cuatro (_*. ) considera las pérdidas por
fricción en los elementos (catarinas, cadena y rodamientos).
Donde:
HM'a. m
H
+
b H - b H&'
_*.
Ecuación 13
HM'a.: Potencia requerida en la cadena cuatro o catarina uno (W).
H&' : Potencia requerida por la flecha con aspas de la banda dos (W).
H + y H - : Potencia requerida por la flecha de la banda uno y tres (W).
_*. : Eficiencia de transmisión de la cadena, se considera de 65 %
para la cadena cuatro.
El par requerido para mover la catarina dos R*,, que mueve la cadena cuatro, se
determina con la Ecuación 14.
Para determinar el par R*+ (en la catarina uno de la flecha o rodillo) se utiliza la
potencia requerida para mover la cadena cuatro y la banda dos, para lo cual se utiliza la
Ecuación 14.
R*,
R*+
HM'a. 30 „
m
m
ω/,
+
H
+
y
HM'a. b H
m
ω/,
Donde:
H
,
m
30 „
b H - b H&'
…
_*.
πn/,
b H - b H&'
b H ,…
_*.
πn/,
Ecuación 14
R*+ : Par requerido en la flecha en la posición donde se fija la
catarina uno (Nm).
R*, : Par exigido en la flecha en la posición donde se fija la catarina
dos (Nm).
51
H&' : Potencia requerida por la flecha con aspas de la banda dos (W).
H + , H , y H - : Potencia requerida por la flecha de la banda uno, dos
y tres (W).
_*. : Eficiencia de transmisión de la cadena, se considera de 65 %
para la cadena cuatro.
ω/, : Velocidad angular del rodillo de la banda dos (s-1)
n/, : Frecuencia de rotación del rodillo de la banda dos (s-1)
Las fuerzas que actúan en el rodillo o flecha se determinan con la Ecuación 15
(fuerzas aplicadas en la catarina uno )*, y en la catarina dos )*. ):
)*,
)*+
180
2 R*, e‡Ec
g
2R*,
\,
m
m
$†,
H
Ecuación 15
y
180
2 R*, e‡Ec \ g
2R*+
+
m
m
$†+
H
Donde:
)*, : Fuerza de tensión ejercida por la cadena sobre la catarina
dos del rodillo (N)
)*+ : Fuerza de tensión ejercida por la cadena dos sobre la
catarina uno del rodillo (N)
$†, : Diámetro de paso de la catarina dos (m).
$†+ : Diámetro de paso de la catarina uno (m).
H: Paso de la cadena mm.
\+ : Número de dientes de la catarina uno.
\, : Número de dientes de la catarina dos.
Para el cálculo de las reacciones en los apoyos del rodamiento dos R2x, R2y en ambas
direcciones se utilizan la Ecuación 16 y Ecuación 18.
O,B m
0.285 ) , b 0.62 )*, e‡E‰, b 0.65 )*+ #Še‰+
0.57
Ecuación 16
Donde:
O,B : Fuerza de reacción en el rodamiento dos (apoyo
dos) en la dirección X.
‰+ : Ángulo de aplicación de la fuerza en la catarina uno
52
(° o rad.)
‰, : Ángulo de aplicación de la fuerza en la catarina dos
(° o rad.)
O+B m ) , b )*, e‡E‰, b )*+ #Še‰+ f O,B
Ecuación 17
Donde:
O+B : Fuerza de reacción en el rodamiento uno (apoyo
uno) en la dirección X.
Para el cálculo de reacciones en el rodamiento uno (R1x, R1y) se utilizan la Ecuación
17 y Ecuación 19.
O,C
V
f0.285 ‹ Œ b 0.62)*, !Še‰, f 0.65)*+ ‡E‰+
2
m
0.57
Ecuación 18
Donde:
O,B , O,B : Fuerzas de reacción en los rodamientos uno
y dos respectivamente en la dirección X.
O+C m fO,C f
V
b )*, !Še‰, f )*+ ‡E‰+
2
Ecuación 19
Donde:
O,B , O,B : Fuerzas de reacción en los rodamientos uno
y dos respectivamente en la dirección X.
Una vez realizados los cálculos anteriores se hacen los diagramas de momentos de
flexión y de torsión los cuales se presentan en la Figura 3.10. De acuerdo al diagrama de la
figura se observa que la sección crítica en la flecha es donde se presenta los momentos de
flexión pico a una longitud de 570 mm donde se ubica el rodamiento dos, la longitud cero se
consideró en el lugar donde se localiza el rodamiento uno.
Los momentos de flexión y torsión en la sección crítica son considerados para
determinar el diámetro mínimo de la flecha.
53
Figura 3.10. Diagrama de distribución de los momento de flexión y torsión en la flecha principal de
transmisión (flecha con aspas de la banda tres).
3.3.2.4.1 Cálculo del diámetro mínimo de la flecha o rodillo.
La determinación del diámetro mínimo se realizó utilizando la Ecuación 20
considerando los momentos de flexión y torsión de la sección crítica [5].
Ecuación 20
$m
‘
Ž

32F012 M@(A , b TST/ ,
πSQ
m
‘
’32F012
Donde:

“MB 2 b MC 2 b TST/ ,
πSQ
M@(A : Momento máximo en la sección crítica (Nm)
TST/ : Par máximo en la sección crítica (Nm)
MA , MQ : Momento de flexión en la dirección X y Y
(Nm).
3.3.2.4.2 Selección de rodamientos.
De acuerdo a las condiciones a las que son sometidos los rodamientos se
seleccionaron rodamientos sellados, de fundición gris del tipo YAT 204-012. Su elección se
realizó con base a la carga estática que soportan por un período mínimo de 10000 horas de
trabajo, el cual se comprueba con la Ecuación 21 [5].
54
Lh m
10” C - 10”
C
„ … m
„
…
60n PK
60n 0.6F/ b 0.5F(
Ecuación 21
Donde:
C : carga estática que puede soportar el rodamiento
(valores indicados por el fabricante), kN
PK : Carga a la que es sometido el rodamiento (kN)
F/ : Fuerza radial que actúa en el rodamiento (kN)
F( : Fuerza axial que actúa en el rodamiento (kN)
Para este caso, como no hay fuerzas axiales, la fuerza axial F( se considera igual a
cero, para determinar la fuerza radial F/ se utilizan las fuerzas de reacción que actúan en el
rodamiento dos de acuerdo a la Ecuación 22.
Ecuación 22
)N m O,B , b O,C ,
Donde:
F/ : Fuerza radial que actúa en el rodamiento (kN)
O,B , O,B : Fuerzas de reacción que actúan en el
rodamiento dos del rodillo en la dirección X, Y (kN)
3.3.2.5
DIMENSIONAMIENTO DE FLECHA DE TRANSMISIÓN PRINCIPAL.
En la Figura 3.11 se observan los elementos que actúan en la flecha principal de
transmisión (flecha con aspas principal), los cuales son: la catarina uno accionada por la
banda que proviene del motor, la catarina dos que mueve la cadena dos, la catarina tres que
mueve la cadena tres (ver Figura 3.7), dos rodamientos y las aspas.
55
Figura 3.11. Flecha principal con aspas.
En la Figura 3.12 se muestra el diagrama de cuerpo libre de la flecha con aspas
donde se sustituyen los elementos por las cargas que ejercen sobre la flecha.
Figura 3.12. Flecha principal de transmisión (Flecha con aspas de la banda tres).
Para determinar las fuerzas, momentos de flexión y torsión que actúan sobre la flecha
es necesario considerar cada uno de los elementos.
56
Para el caso de la catarina tres, la cual mueve la cadena tres que transmite
movimiento a la flecha con aspas de la banda uno, la potencia requerida en la catarina
puede ser determinada con la Ecuación 23.
H*- m
Donde:
H&'+
_*-
Ecuación 23
H*- : Potencia requerida en la catarina tres (W).
H&'+ : Potencia requerida por la flecha con aspas (W).
_*- : Eficiencia de transmisión de la cadena tres (%).
Para el caso de la catarina dos, la cual mueve la cadena dos y le transmite el
movimiento al rodillo de la banda dos, la potencia requerida para realizar esta función se
determinó con la Ecuación 24.
H*, m
H + bH - b H&' H ,
b
_*. _*,
_*,
Ecuación 24
Donde:
H*, : Potencia requerida en la catarina dos (W).
H&' : Potencia requerida por la flecha con aspas (W).
H + : Potencia requerida por la banda uno (W).
H , : Potencia requerida por la banda dos (W).
H - : Potencia requerida por la banda Tres (W).
_*. d _*, : Eficiencia de transmisión en la cadena dos y
cuatro (%).
Las cargas generadas por las aspas de la flecha son determinadas con la Ecuación 9.
La fuerza W se determinó como se establece en el punto 3.3.2.2.2. El par total R*+ ,
que se opone al movimiento de la flecha (flecha con aspas principal), se puede determinar
con la Ecuación 25 y el par R*, aplicado en la catarina dos se puede considerar similar al
determinado con la Ecuación 14, el par R*- aplicado a la catarina tres se considera igual al
par TA, debido a que mediante ésta la cadena cuatro mueve la flecha con aspas de la banda
57
uno.
Para todos los cálculos la eficiencia se considera de 0.9 por ser transmisión por
cadenas.
R*+
H*, b H*- b H&'- 30 „
m
m
ω
H + bH - b H&', H , H&'+
b
b
b H&'- …
_*. _*,
_*,
_*πn
Ecuación 25
Donde:
R*+ : Par requerido para mover la flecha con
aspas (Nm).
La fuerza de tensión aplicada a la cadena uno se puede determinar con la Ecuación
26.
)X&'†
180
2 R*, e‡Ec \ g
2R*+
+
m
m
$†+
H
Ecuación 26
Donde:
)XJ : Fuerza de tensión de la cadena (N)
\+ : Número de dientes de la catarina uno (adim.)
H: Paso de la cadena (m)
Las reacciones en los apoyos, para el caso del rodamiento dos, donde se tienen las
fuerzas R2x, R2y se determinan con la Ecuación 27 y Ecuación 28.
O,B m
0.065 )*, cos‰, b 0.69)*+ e‡E‰+
0.57
Ecuación 27
Donde:
O,B : Fuerza de reacción en el rodamiento dos
(apoyo dos) en la dirección X.
O,C m
0.69e‡E‰+ f 0.65 )*, cos‰, f 0.62 )*- b 0.285 )I
0.57
Ecuación 28
Donde:
O,B : Fuerza de reacción en el rodamiento dos
(apoyo dos) en la dirección Y.
58
Las reacciones en el rodamiento uno se determinan con la Ecuación 29 y Ecuación
30.
O+B m f)*, cos‰, f )*+ e‡E‰+ b O,B
Ecuación 29
Donde:
O+B : Fuerzas de reacción en el rodamientos uno
en la dirección X.
O+C m f)*+ e‡E‰+ b )*, cos‰, b )*- f )I b O+C
Ecuación 30
Donde:
O,C : Fuerzas de reacción en el rodamientos uno
en la dirección Y.
De los cálculos realizados, se determinaron los diagramas de momentos de flexión y
torsión que actúa a lo largo de la flecha principal, como se observa en la Figura 3.13. En
estos diagramas se observa que la sección crítica en la flecha se localiza donde se fija el
rodamiento dos (570 mm) y es ahí donde se determina el diámetro mínimo de la flecha.
Figura 3.13. Diagrama de distribución de los momentos de flexión y torsión en la flecha principal de
transmisión (flecha con aspas de la banda tres).
59
Para determinar el diámetro se siguió el procedimiento realizado en el punto 3.3.2.4 y
se continúa con la selección de los rodamientos y la chaveta.
La potencia requerida para mover el motor puede determinase por la Ecuación 31.
H˜ m
H&',
H&'+
H&'H+
HH,
b
b
b
b
b
_*+ _*, _*. _*+ _*, _*. _*+ _*, _*+ _*, _*. _*+ _*_*+
Ecuación 31
Donde:
H˜ : Potencia del motor (W).
3.4 NECESIDADES DE AIREACIÓN DEL MATERIAL.
El suministro de aire debe tiene tres funciones, (Haug, 1986):
• Suministro de oxígeno a los microorganismos encargados de la descomposición
aerobia
• La remoción del exceso de humedad en el material
• La remoción de calor producto de la descomposición, para controlar la temperatura
del proceso y prevenir la inactivación microbiana.
3.4.1
REQUERIMIENTOS DE OXÍGENO POR LOS MICROORGANISMOS
La primera función permite cubrir las necesidades de los microorganismos para que
puedan oxidar el carbono y convertirlo en CO2 (dióxido de carbono). Si la cantidad de
oxígeno es insuficiente, el proceso se volverá anaerobio y producirá olores indeseables.
Las necesidades de oxígeno en la descomposición orgánica, se determinaron por la
fórmula química básica de acuerdo a la ecuación estequiométrica siguiente:
AC™ HQ Oš N( b BO, f› ! !O, b D H, O b cE NH- g
Los valores de A, B, C, D y E se determinaron al realizar un balance químico, y los
valores de los subíndices x, y, z corresponden a la composición promedio de la mezcla
utilizada en el compostaje y de la población microbiana.
60
Debido a la variabilidad de la composición de la mezcla de RSOD de acuerdo a los
materiales utilizados, a las cantidades de los mismos y al tipo y cantidad de microorganismos
que en ella se encuentran, aunado a que es un proceso continuo, esto dificulta fuertemente
el determinar la cantidad de aire requerido.
Una aproximación que se utilizó para determinar la aireación requerida por los
microorganismos, fue al utilizar la composición química de los materiales indicada por Haug,
1993 [13], que son:
C+œ H,” O+ N
→ Residuos de alimentos
C+œ H,” O+ N
→ Residuos de jardines
Además, se consideró un coeficiente de degradabilidad para estos materiales del 70
% que está dentro del intervalo indicado por, Haug 1993 [12].
El balance de la ecuación estequiométrica para los residuos indicados anteriormente
es la siguiente:
C+œ H,” O+ N b 18.75 O, f› 18 !O, b 11.5 H, O b NH- → Para residuos de alimentos
C,ž H-œ O+” N b 27.75 O, f› 27 !O, b 17.5 H, O b NH- → Para residuos de jardines
Para determinar la cantidad de aire requerido en la descomposición diaria de los
residuos se utiliza Ecuación 32.
Donde:
!I/Ÿ m
?
?¡, ¢ !£ ?XŸ
Ecuación 32
Ÿ
`I ¤,
!I/Ÿ : Volumen de aire (m3)
?¡, : Masa molecular total del oxígeno en la ecuación estequiométrica
?Ÿ : Masa molecular del residuo en la ecuación estequiométrica
!£ : Constante de degradación del material (%)
?XŸ : Masa total de los residuos en peso seco (kg)
`I : Densidad del aire a 25 °C a 1 atmósfera (se toma de 1.2 kg/m3)
¤, : Concentración de oxígeno en el aire (se toma de 23.2 %)
61
El flujo de aire para cubrir los requerimientos de oxígeno por los microorganismos se
determina con la Ecuación 33.
Donde:
¥m
!I/Ÿ
¦
Ecuación 33
¥: Cantidad de aire (litros de aire/g de residuo)
t : Tiempo (día, hora o minutos).
3.4.2
DEMANDA DE AIREACIÓN PARA REMOVER LA HUMEDAD DE LA MEZCLA
COMPOSTADA.
La segundo función cumple con el objetivo de eliminar el exceso de humedad del
material (80 % es la humedad máxima donde la descomposición aerobia se inhibe)
condiciones que pueden provocar que el proceso de compostaje se convierta en anaerobio
por la saturación con agua de los espacios entre partículas (depende del tipo de material y
tamaño de partícula) que dificultan el flujo del aire a través del material.
La determinación de la tasa de aireación que debe ser suministrada para la remoción
de humedad en la mezcla compostada, puede ser estimada tomando en cuenta los factores
ambientales y la masa de agua que necesita ser removida de la mezcla, para alcanzar el
contenido de humedad deseado.
Pueden tomarse dos métodos diferentes para la determinación de la tasa de aireación,
uno de ellos requiere el uso de cartas psicométricas estándar y tablas de vapor, y la otra con
el uso de ecuaciones que se dan más adelante.
Las ecuaciones y el procedimiento a seguir para determinar la cantidad de aireación
necesaria para remover el exceso de humedad en la mezcla se describen a continuación
(Metodología dada por [11]):
1. Determinar la cantidad de agua a remover.
2. Como parámetros iníciales debe medirse la temperatura de entrada y salida del aire
de la cámara de compostaje.
62
Para cumplir con el primer paso se debe determinar el contenido de humedad de los
RSOD por el método directo. Debido a que las mezclas de RSOD pueden ser muy variables
se considera que la humedad puede estar en un rango de 40 a 80 %. Para determinar la
humedad a remover en los residuos con humedad mayor al 60 %, se realizó con la Ecuación
34.
m(/1@ m
Donde:
m¨+ cH+ f H, g
100 f H,
Ecuación 34
m(/1@ : Masa de agua a remover, kg
H+ : Humedad inicial de la mezcla a compostar(se
considero de 70 %) %
H, : Humedad deseada del material (60 %) %
m¨+: Masa del material de la mezcla a compostar kg
Con la Ecuación 35 se determinó el contenido de agua a la entrada o a la salida del
compostador.
Y" m 0.622 ©
HR % e
(
­7¢
«¬
H® f HR %
(
­7¢
e «¬
Ecuación 35
¯
Donde:
HR 1 , HR S : Humedad relativa de entrada y humedad relativa de
salida.
T1 , TS : Temperatura de entrada y temperatura de salida, K.
Y° , Y; : Humedad específica de entrada y de salida respectivamente
(razón de la masa de vapor del agua con respecto a la masa de aire
seco en un volumen dado de la mezcla de gas en kg agua/kg de
aire).
a: Constante para el vapor de agua, -2238.
b: Constante para el vapor de agua, 8.896
La determinación de la masa de aire necesaria para remover el exceso de humedad
se realizó con la Ecuación 36.
63
m(%/1 m
m(/1@
Y; f Y"
Ecuación 36
Donde:
m(%/1 : Masa de aire requerida, kg de aire seco.
La determinación del flujo de aire requerido para eliminar el exceso de humedad en los
RSOD se hizo con la Ecuación 37.
m(%/1
V
ρ
Q m m (%/1
t
t
Ecuación 37
Donde:
Q: Flujo de aire, m3/min ó m3/día.
ρ(%/1 : Densidad del aire kg/L
m(%/1 : Masa de aire (kg)
T: Tiempo (min, hora o día)
Para extraer la humedad excesiva del material en el proceso de compostaje se
consideró la cantidad de procesamiento de 3 kg de RSOD/día con una humedad inicial del
70 %, considerando una humedad relativa promedio de 50 % y humedad de salida del
compostador del 99 % (humedad de salida considerada por varios autores como Haug,
1993) con temperatura promedio de entrada del 20 °C y de salida de 30 °C para dejar el
material con humedad óptima de 60 % con la Ecuación 35, Ecuación 36 y Ecuación 37 se
estima un requerimiento de aireación de 23.3 L/min. Considerando la capacidad del extractor
comercial de 110 L/s, que fue seleccionado para fijarse en el prototipo, él cual se mantiene
encendido por un tiempo de 5 minutos una vez al día, extrayendo el exceso de humedad.
Las características del extractor se indican en la lista de especificaciones técnicas del
“Documento técnico de diseño” [45].
3.4.3
DEMANDA DE AIREACIÓN PARA REMOVER EL EXCESO DE CALOR
Determinar la cantidad de calor que es necesario remover en el compostaje es muy
complicado, debido al número de variables complejas que involucra. Las razones que
64
complican hacer la estimación de la cantidad de calor generado son las siguientes: durante
la degradación de los residuos la descomposición del material o mezcla original es
incompleta; la oxidación varia con la etapa de descomposición del material; la naturaleza
heterogénea de los residuos, que dificulta determinar la generación de calor en términos de
composición. La determinación del calor generado durante el proceso de compostaje se
realizó experimentalmente.
De acuerdo con [13] para un proceso de alimentación continua, la cantidad de aire
requerido puede ser convertido en una razón promedio de aireación considerando la unidad
de peso diaria de substrato alimentado, es el equivalente a 1660 m3h/ tonelada métrica seca
por día. Lo que implica que para tres kilogramos de residuos con un contenido de humedad
del 60 % las necesidades de aireación es de 33.2 L/min.
3.4.4
SELECCIÓN DEL EXTRACTOR.
Para la selección del extractor, fue necesario conocer los requerimientos de aireación
y la presión estática requerida por el aire para atravesar el material a través de los espacios
o poros formados entre los trozos del material.
La capacidad mínima del extractor que fue calcula con base a los requerimientos de
aireación para extraer el exceso de humedad de los residuos, que debe ser de un flujo
aproximado a 33.2 L/min.
De acuerdo a experimentos realizados para determinar la caída de presión en lecho
fijo de cubos de papa, remolacha y zanahoria fraccionados en tamaños de 8 mm, se
determinó que la caída de presión aumenta conforme aumenta la velocidad del flujo de aire
requerido y de la altura del lecho de material. Para nuestro caso donde la velocidad del flujo
de aire no es importante el requerimiento puede ser cubierto por extractores pequeños como
los utilizados en computadoras.
3.4.4.1 RESULTADOS DEL DISEÑO MECÁNICO
Como resultados del diseño mecánico se presenta en el “Documento técnico de
diseño” [45] la hoja de especificaciones técnicas de las piezas donde se definen las
dimensiones, materiales u otras especificaciones para su fabricación o selección algunas de
ellas obtenidas de los cálculos realizados de acuerdo a como se presentó en esta sección.
65
En el “Documento técnico de diseño” también se presentan los planos de piezas y
dibujos de ensamble del prototipo, que permiten su construcción.
3.5 DISEÑO ELECTRÓNICO Y DE CONTROL
El sistema electrónico y de control permite el funcionamiento automático del compostador
y facilita su uso al operador, las funciones del sistema son las siguientes:
1. Encendido diario del motor por un tiempo de dos minutos, para cumplir con el
desplazamiento de las bandas o residuos compostados al interior de la cámara de
compostaje.
2. Suministro del aire necesario, para que la descomposición aerobia de los residuos se
realice de manera adecuada.
3. Suministra el flujo de aire necesario para extraer el exceso de humedad de los RSOD
(manteniendo la humedad ≤ 60 %).
4. Mantiene la temperatura del material compostado por debajo de los 65 °C, y cuando
este valor es alcanzado la baja a los 60 °C.
5. Despliega la temperatura del material en la etapa termófila y temperatura ambiental la
pantalla de cristal líquido (LCD).
6. Despliega la fecha y hora en el LCD, y permite su ajuste.
Para cumplir con la primera función se utiliza un motor de corriente alterna que es
accionado diariamente durante dos minutos (seleccionando el horario de las diez de la noche
10:00 p.m. debido a que generalmente los miembros de la familia más pequeños están
descansando) tiempo requerido para que las bandas se desplacen lo necesario para lograr
que los residuos tengan un recorrido a través de la cámara de compostaje de 30 días. Diez
segundos antes de que el motor inicie su funcionamiento se prende un diodo emisor de luz
(LED) que anticipa el encendido del motor para que el usuario se aleje de las partes del
prototipo que le puedan causar daño, además en la pantalla de cristal líquido (LCD) aparece
el siguiente mensaje “CUIDADO CON EL MOTOR”. El LED se apaga junto con el motor,
momento en el cual se prende el extractor por un período de cinco minutos. El
funcionamiento del extractor permite suministrar el aire requerido para extraer el exceso de
humedad del material, conforme a lo descrito por Haug (1993) [13].
66
De acuerdo a la revisión documental realizada, donde se indicó que la temperatura es la
variable a controlar más importante, debido a que demanda un mayor suministro de aire para
mantenerla en los niveles adecuados para el proceso de compostaje, se utiliza un sensor
para monitorear la temperatura del material al interior de la cámara de compostaje (en el
lugar donde se presenta la etapa termófila) con el fin de evitar que alcance los 65 °C, y
cuando esta condición llega a suceder se activa un extractor para corregir la temperatura al
disminuirla a los 60 °C.
Para que el usuario pueda verificar que el proceso de compostaje se efectúa
adecuadamente, se despliega en la pantalla del panel de control la temperatura del material
que se encuentra en la etapa termófila al interior de la cámara, y la temperatura ambiente
permitiendo compararlas y comprobar que el material se encuentra en descomposición.
También se desplegará la fecha y hora para que el usuario pueda verificar que el motor se
activa a las 10:00 pm y una vez al día, en caso de que el motor se accione en otro horario
indicará la falla del sistema de control. Como se mencionó anteriormente diez segundos
antes de que se encienda al motor aparecerá un mensaje en la pantalla del panel de control
con la leyenda “CUIDADO MOTOR” además del encendido de un LED. En la Figura 3.14 se
observa el panel de control (a) y ejemplos de los mensajes que aparecerán durante el
funcionamiento del prototipo (b).
(a)
Panel de control.
(b)
Ejemplos de los mensajes visualizados en la pantalla.
Figura 3.14. Carátula del panel de control y ejemplos de los mensajes que aparecerán en el LCD.
El panel de control cuenta con cuatro botones y una pantalla LCD, el primer botón
que corresponde al encendido y apagado del compostador, el botón rojo con letrero
“REINICIE” debe ser presionado cinco segundos después del ajuste de la fecha y hora, para
67
que el microcontrolador realice las rutinas de control, el botón verde con leyenda
“SELECCIONE” permite seleccionar uno de los registros de la fecha u hora (año, mes, día
del mes, día de la semana, hora, minuto y segundo) y el botón con leyenda “INCREMENTE”
permite corregir el registro seleccionado. En el manual de operación que se presenta en el
Anexo 2, se describe la forma en la cual se ajusta y opera el compostador.
Los componentes principales del sistema electrónico y de control son un
microcontrolador PIC16F84A, un reloj de tiempo real (DS 1307), dos sensores de
temperatura DS1624, un LCD modelo JHD162A, un motor de corriente alterna de 93 W (1/8
HP) y un extractor. En la Figura 3.15 se muestra el diagrama de bloques de los componentes
electrónicos más importantes.
Figura 3.15. Diagrama de bloques del sistema electrónico y de control.
Las actividades que realiza el microcontrolador se presentan en el diagrama de flujo,
donde se pueden destacar dos rutinas principales (Ver Figura 6.1y Figura 6.2 del anexo 1), la
primera de ellas que se ejecuta continuamente la cual permite visualizar la fecha y la hora
durante cinco segundos, las temperaturas medidas por los sensores durante cuatro
segundos, comprueba que la temperatura del material no rebase los 65 °C y si la hora de
encendido diario del motor se cumple (10:00 pm). La segunda rutina permite actualizar los
registros de la fecha y hora a través de las interrupciones en la pata RB0 del
microcontrolador generada por la señal cuadrada del reloj de tiempo real o la selección de
los registros con el botón “SELECCIONA” para ajustarlos con el botón “INCREMENTA” que
68
activan las interrupciones detectadas por las patas RB6 y RB7 del microcontrolador, como se
observa en la Figura 3.14.
En la Figura 6.3 y Figura 6.4 del Anexo 1, se presenta el diagrama del circuito
electrónico, que permite el funcionamiento del compostador.
En el “Documento técnico de diseño” [45], se presenta el circuito electrónico y de
control, el diagrama de flujo de su funcionamiento, el código fuente del programa, listado de
componentes y hojas de especificaciones de los componentes principales.
69
CAPITULO 4.
PROTOTIPO
CONSTRUCCIÓN DEL
4 CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO
El prototipo fue construido con base a los planos de piezas, dibujos de ensamble y lista
de especificaciones técnicas realizadas durante el diseño. Debido a que no se contó con
recursos para la construcción del prototipo, se tuvo la necesidad de comprar materiales y
componentes que reemplazaran a los elementos del diseño presentados en el “Documento
técnico de diseño” [45].
La construcción del prototipo se realizó en el taller de máquinas y herramientas del
Centro Nacional de Estandarización de Maquinaria Agrícola (CENEMA) perteneciente al
Instituto Nacional de investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP).
Cámara de compostaje:
La construcción del prototipo se inicia con la cámara de compostaje, para la cual se
utilizan tablas de madera con espesor de 19.04 mm o (3/4”). Las dimensiones de las piezas
que forman las paredes laterales, frontal, trasera, tapa superior y tapa inferior se presentan
en los planos del CC1 al CC4 del “Documento técnico de diseño” [45]. Después de cortar los
tablones con las dimensiones especificadas se procede a perforar y a ranurar cada uno de
los tablones con una fresadora. Una vez que se han realizado los cortes y las perforaciones
como lo indican los planos se procede a unir cada una de las piezas con clavos hasta
formarse la caja o cámara de compostaje, posteriormente se aplica pegamento en los
extremos de los tablones que quedan fijos. En la Figura 4.1a) se muestra la cámara de
compostaje ensamblada y su ensamblaje se muestra en la Figura 4.1b); las partes que en
esta figura se muestran son: 1) Frontal, 2) Posterior, 3) Lateral derecha, 4) Lateral izquierda,
5) Tapa superior, 6) Tapa inferior 7) Puerta de alimentación.
Al terminar la construcción de la cámara de compostaje se procedió a aplicar una
capa de dos milímetros de impermeabilizante en sus paredes, para crear una capa
70
protectora que aísle la madera del compostador de los RSOD para evitar que se
descomponga.
(a)
Camara de compostaje ensamblada.
(b)
Ensamble de la camara de compostaje.
Figura 4.1. Cámara de compostaje.
Soporte:
Para la construcción del soporte, es necesario hacer el corte de las piezas
especificadas en los planos del SP-1 al SP-4 utilizando los materiales indicados en la hoja de
especificaciones técnicas. Tanto los planos como las hojas de especificaciones se muestran
en el “Documento técnico de diseño” [45]. En la Figura 4.2 a) se observa el ensamble del
soporte, también se presenta el motor y el recipiente de recolección, en la Figura 4.2 b) se
presenta el desensamble de estos componentes.
(a)
Soporte armado.
(b)
Ensamble del soporte.
Figura 4.2. Soporte del compostador.
Una vez construido el soporte, se procede a pintar la estructura construida con acero
estructural para disminuir la oxidación.
Flechas con aspas:
En el prototipo se tienen tres flechas con aspas, ubicadas al extremo de cada una de
las bandas. La primera y segunda flecha con aspas de las bandas uno y dos, presentan los
mismos elementos y dimensiones, que son: una flecha de 12.54 mm (½”) de diámetro, un
71
tubo de 12.54 mm (½”) de diámetro interior con aspas, catarina de nueve dientes y dos
chumaceras con diámetro de 12.54 mm. Para el caso de la tercera flecha con aspas (flecha
principal de transmisión) presenta los siguientes elementos: una flecha de 19.04 mm (3/4”)
de diámetro, tubo de 19.04 mm (3/4”) de diámetro interior con aspas, dos catarinas una de
50 dientes y la otra de 10 dientes, además de dos chumaceras con diámetro de 19.04 mm
(3/4”). Los elementos para la construcción de las flechas con aspas se presentan en los
planos SPT-1 al SPT-3 ( “Documento técnico de diseño” [45]), los materiales y componentes
para su construcción se indican en la tabla de especificaciones que se presentan en el
“Documento técnico de diseño” [45].
(a)
Ensamble de la flecha principal.
(b)
Ensamble de la flecha con aspas uno y dos.
Figura 4.3. Flechas con aspas.
En la Figura 4.3a) se muestra el ensamble de los componentes que integran a la
flecha principal y en la Figura 4.3b) los componentes de la flecha con aspas de la primera y
segunda banda.
Flechas o rodillos de las bandas:
En el prototipo por cada banda se tiene una flecha motriz (que dan movimiento a las
bandas) y una conducida, es decir, que se tienen tres flechas motrices y tres conducidas. La
flecha motriz de la primera banda presenta los siguientes elementos: flecha con diámetro de
19,05 mm (3/4”) con un proceso de vulcanizado en el área de contacto con la banda que
incrementa el diámetro a 25.4 mm (1”), catarina de diez dientes y dos chumaceras; para el
caso de la flecha de la tercera banda presenta los mismos elementos, la única diferencia es
que la catarina es de 16 dientes; la flecha de la tercera banda tiene las mismas
características que las anteriores pero en ésta se fijan dos catarinas una de 16 dientes y la
otra de 20.
72
Los elementos para la construcción de las flechas motrices se presentan en los
planos SPT-1 al SPT-3 del compostador, los materiales y componentes para su construcción
se indican en la tabla de especificaciones que se presentan en el “Documento técnico de
diseño” [45]. En la Figura 4.3a) se muestra el ensamble de los componentes que integran a
la flecha principal de las bandas y en la Figura 4.3b) los componentes de las flecha de la
primera y tercera banda.
(a) Ensamble de la flecha de la segunda
(b) Ensamble de la flecha de la segunda y
banda.
tercera banda.
Figura 4.4. Flechas con aspas.
Las flechas conducidas de las bandas, son del mismo diámetro y material que las
flechas motrices, pero en ellas únicamente se fijan dos rodamientos o chumaceras, sus
especificaciones se presentan en el plano STP-1.
Cada banda, también presenta dos ejes intermedios para soportar la carga que sobre
ella se aplica. Dichos ejes tienen un diámetro de 12.7 mm (1/2”) y sus especificaciones se
presentan en el plano STP-1.
Sistema de transmisión:
El sistema de transmisión se ensambló de acuerdo a lo indicado en el punto 3.3.2.3,
en él se muestran las figuras y la tabla que indican de manera detalla la posición en la cual
deben fijarse las catarinas y cadenas.
Ensamble del prototipo:
Para facilitar el ensamblaje se presenta el despiece del prototipo donde se indican las
piezas que lo integran y la posición en la cual deben ser colocados, ver Figura 6.6 del Anexo
73
1; además se presentan las principales vistas del prototipo armado y un isométrico del
mismo, ver Figura 6.5 del Anexo 1.
La construcción final del prototipo puede observarse en la Figura 4.5, en el inciso a)
se muestra una vista frontal del prototipo donde puede observar la cámara de compostaje,
motor, transmisión, recipiente recolector y soporte; en el inciso b) se muestra la vista lateral
derecha en la cual puede verse la fijación del extractor y del panel de control del prototipo.
a) Vista frontal.
b) Vista lateral derecha.
Figura 4.5. Compostador con bandas.
En la Figura 4.6 pueden observarse dos vistas del compostador: en el inciso a) se
muestra una vista lateral derecha en la cual se pueden ver dos compuertas para la entrada
de aire y en el inciso b) se puede ver la banda uno, banda dos y la flecha con aspas de la
primera banda.
74
a) Vista lateral izquierda.
b) Bandas uno y tres, flechas con aspas.
Figura 4.6. Vista lateral izquierda del dispositivo e interior de la cámara de compostaje.
75
CAPÍTULO 5. PRUEBAS Y RESULTADOS
5 PRUEBAS Y RESULTADOS
5.1 PRUEBAS
Las primeras pruebas que fueron realizadas tuvieron por objetivo evaluar ciertas
características de los RSOD que son importantes en el diseño del prototipo, una vez
construido el prototipo, se efectuaron las pruebas de funcionamiento para conocer su
desempeño y otras pruebas para verificar la estabilidad biológica de la composta obtenida en
la prueba de compostaje del prototipo. Algunas de estas últimas se hicieron en laboratorios
comerciales.
Las pruebas que se efectuaron son las siguientes:
1. Medición de la densidad del material.
2. Compostaje de residuos con el uso de diferentes iniciadores.
3. Prueba de funcionamiento del prototipo.
4. Comprobación de la madurez por el método de observación directa.
5. Determinación del pH de la composta
6. Determinación de la relación (C/N)
7. Prueba de germinación.
Los RSOD utilizados como materia prima para determinar algunas de sus propiedades y
utilizados en el compostaje, fueron una combinación de materiales que corresponden a los
más comúnmente encontrados en los residuos sólidos municipales o considerados de esa
forma de acuerdo a lo indicado en la Tabla 2.4 y Tabla 2.5.
La proporción en la cual se mezclaron los materiales a compostar en el prototipo para las
pruebas, se presentan en la Tabla 5.1, las que se determinaron con base a la Ecuación 1 y
Ecuación 2, con la cual se obtiene una relación C:N teórica de 32.9 y humedad teórica 68.5
%.
76
Tabla 5.1. Materiales para la mezcla en el compostaje y algunas de sus propiedades.
Contenido de
humedad (%)
Material a compostar
Rango Considerado
Residuos de granos (pan – tortilla)
Residuos de frutas
Proporción
en la
mezcla
Material en
Rango Considerado
%
Relación C/N
20
17
10
62-88
75
20-49
35
30
Residuos de verduras
87
87
11 -13
12
30
Recortes de pastos
82
82
9-25
17
10
Residuos de hojas
38
38
40-80
60
15
Recortes de hierbas
80
80
10–25
17
5
32.9
100
En la mezcla de prueba
5.1.1
68.5
MEDICIÓN DE LA DENSIDAD
La densidad de los RSOD es una propiedad importante para el diseño del prototipo ya
que de ella dependen las dimensiones del dispositivo.
Condiciones de prueba
La mezcla de RSOD se preparó utilizando las proporciones presentadas en la Tabla
5.1 para determinar la densidad. La densidad se determina en cinco muestras y se toma el
promedio.
Materiales e instrumentos de medición
Se utilizan 5 kg de RSOD en las proporciones presentadas en la Tabla 5.1, recipiente
rectangular o cuadrado de sección transversal conocida y constante en toda la altura del
recipiente, balanza de 10 kg con resolución de 1 g y regla milimétrica de 50 cm con escala
de 1 mm.
Puntos a medir o calcular:
Los puntos que se consideran en esta prueba son:
1. Altura del material en el recipiente (m)
2. Volumen que ocupa el material (m3)
3. Densidad del material (kg/m3)
77
Procedimiento
En el recipiente se vertieron 5 kg de RSOD con una caída suave y uniforme
simulando la forma en la cual se espera caigan los residuos al interior de la cámara de
compostaje del prototipo.
Los residuos dentro del recipiente fueron nivelados pero sin comprimirlos,
posteriormente se determina el volumen que ocupan los residuos dentro del recipiente,
mediante la medición de la altura. La densidad se determina utilizando la Ecuación 38.
`m
>
µ
Ecuación 38
Donde:
>: masa de la mezcla (kg)
µ: Volumen que ocupa el material (m3)
5.1.2
`: Densidad del material, (kg/m3)
COMPOSTAJE DE LOS RSOD CON DIFERENTES INICIADORES
Esta prueba tiene por objetivo conocer el efecto que tienen tres tipos de iniciadores al
mezclarse con los RSOD para acelerar el inicio del proceso de compostaje. Los iniciadores
(composta madura, estiércol seco, levadura) permiten inocular los microorganismos
encargados de la descomposición de la materia orgánica. El comportamiento del proceso fue
caracterizado con base a la temperatura y pérdida de masa del material compostado.
Condiciones de prueba
La mezcla de RSOD fue la misma utilizada para determinar la densidad, como lo
indica la Tabla 5.1, los tipos de iniciadores utilizados fueron: composta madura, levadura y
estiércol seco.
Materiales e instrumentos de medición
Se utilizaron cuatro muestras de 5 kg de RSOD, cuatro recipientes cilíndricos de
cartón (con 40 cm de diámetro por 50 cm de altura), balanza de 10 kg con resolución de 1 g
y sensor de temperatura termopar tipo K con sonda de medición y resolución de 1 °C.
Puntos sujetos a medición, cálculo u observación:
Los puntos sujetos a medición o cálculo que se registraron durante la prueba fueron:
78
1. Temperatura del material (°C)
2. Temperatura del ambiente (°C)
3. Humedad relativa del ambiente (%)
4. Peso del material compostado (kg)
5. Pérdida de la masa de los RSOD (%)
Procedimiento
Se hicieron cuatro muestras de 5 kg de RSOD, con las proporciones presentadas en
la Tabla 5.1, tres de estas muestras se combinaron con 300 g de uno de los iniciadores, ya
sea composta madura, levadura o estiércol seco, de tal forma que la mezcla sea
homogénea. Una de las muestras es utilizada como testigo y por ello no se le aplica
iniciador.
Posterior a ello, cada muestra fue vertida al recipiente cilíndrico el cual no estará
completamente cerrado para permitir la entrada de aire, el material será aireado en caso de
que se detecten olores que indiquen una descomposición anaerobia.
Las mediciones de la temperatura del material, temperatura ambiente y humedad
relativa del aire se realizaron diariamente y el pesado del material se realizó cada 5 días
después de iniciado el proceso de compostaje. Para determinar la pérdida de la masa de los
RSOD se utilizó la Ecuación 39.
>&
H¶ m „1 f s t… · 100
>"
Ecuación 39
Donde:
P/ : Pérdida de masa (%)
m% : Masa inicial (kg)
5.1.3
m¸ : Masa final (kg)
PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO DEL PROTOTIPO
Esta prueba tuvo como propósito caracterizar el desempeño del prototipo al realizar el
compostaje, con el fin de identificar fallas o defectos en su funcionamiento, y que permitieron
proponer mejoras al dispositivo.
79
Condiciones de prueba
La alimentación del prototipo se realizó con una mezcla homogénea de 3 kg de
RSOD diarios, preparada con las proporciones y los materiales presentados en la Tabla 5.1 y
Tabla 5.2; el tiempo que se mantuvieron los residuos al interior de la cámara de compostaje
fue de aproximadamente 30 días; además el material fue fraccionado en tamaños de 1 a 3
cm. La alimentación de los RSOD fue continúa en el tiempo que duro la prueba (que fue de
58 días) y se realizo una sola vez.
Materiales e instrumentos de medición
Recipiente rectangular con capacidad suficiente para 3 kg de mezcla de RSOD,
balanza de 10 kg con resolución de 1 g, balanza de 2 kg con resolución de 0.1 g, horno de
secado, sensor termopar tipo K con sonda de 30cm y resolución de 1 °C, sensor de
humedad relativa con resolución de 1 %.
Puntos a medir, calcular u observar:
Durante la prueba se consideraron diferentes puntos de medición, observación y
cálculo, los cuales se presentan a continuación:
Mediciones durante la prueba:
•
Temperatura en doce diferentes posiciones de la cámara de compostaje (°C), ver
Figura 5.1.
•
Humedad relativa a la entrada y a la salida del compostador (%).
•
Temperatura ambiente (°C).
•
Humedad relativa (%).
•
Humedad de la composta obtenida del proceso de compostaje (%).
Observaciones durante la prueba:
•
Flujo de los RSOD a través de las bandas
•
Movimiento del sistema de transmisión en conjunto con las bandas
•
Problemas de atascamiento de los residuos durante el proceso de compostaje o
bloqueo de elementos del sistema de transmisión.
•
Vibraciones o ruido excesivo durante la prueba
•
Presencia de malos olores
80
•
Humedad del material (escurrimiento de lixiviados, exceso de humedad o material
muy seco)
•
Comportamiento de la temperatura del material durante el proceso de compostaje.
•
Efecto de la temperatura o humedad relativa del ambiente sobre el proceso de
compostaje.
•
Presencia de óxidos o corrosión en piezas del dispositivo.
•
Otras observaciones.
Mediciones al final de la prueba:
•
Masa de la composta obtenida diariamente al terminar el proceso de compostaje (kg)
Observaciones de la composta obtenido al final del proceso ([16] y [4]):
•
Color
•
Olor
Cálculos
•
Humedad de la composta
•
Rendimiento del compostador [34] [30] (kg de composta/día)
•
Productividad [34], kg de composta/hkW
Procedimiento
Antes de iniciar la prueba de compostaje se hizo funcionar el prototipo en vacío para
ajustar cadenas, bandas u otro elemento que pudiera provocar algún problema posterior.
Una vez que se verificó que el prototipo presenta un funcionamiento aceptable se inició con
la prueba.
La prueba se inició con la introducción de una mezcla de 3 kg de RSOD por primera
vez a la cámara de compostaje del prototipo. Dicha mezcla se combinó con 300 g de
iniciador de manera homogénea, para este caso se utilizó composta madura. Al introducirse
por primera vez la mezcla de RSOD se registró la hora y fecha como inicio de la prueba de
compostaje, además de haberse medido la temperatura ambiente y humedad relativa.
Después de iniciado el proceso de compostaje se realizaron mediciones periódicas,
una vez al día, cada 24 horas, de: temperatura del material, temperatura ambiente, humedad
81
relativa a la entrada y salida del compostador. Las mediciones se realizaron antes de
introducir la mezcla de RSOD diaria de 3 kg.
Los puntos de medición de la temperatura en el prototipo fueron: seis en la sección
uno de la cámara de compostaje (distribuidos uniformemente cada 150 mm de distancia a
excepción del primero ubicado a los 80 mm), tres en la sección dos (distribuidos cada 300
mm de distancia a excepción del primero ubicado a los 150 mm) y tres en la sección tres
(distribuidos de igual forma como en la sección 2), como se observa en la Figura 5.1.
Figura 5.1. Puntos donde se toman las medidas de temperatura.
Los puntos a observar del funcionamiento del prototipo o del proceso, que se indican
en “observaciones de la prueba” se realizaron en el instante que se presentaba algún
aspecto o cambio que se considerara importante, por tener alguna relación con el
funcionamiento del prototipo o el desarrollo del proceso de compostaje.
Las observaciones del color, olor y las mediciones de humedad se realizaron al caer
el material de la tercera banda, que corresponde al material que ha finalizado el proceso de
compostaje. El cálculo del rendimiento y la productividad se determinan con la Ecuación 41 y
Ecuación 42 respectivamente.
82
El contenido de humedad del material obtenido al final del proceso de compostaje en
el prototipo se determinó con 5 muestras de la composta de 1 kg, utilizando la Ecuación 40.
La primera muestra se tomo cuando el primer material cae de la tercera banda de la cámara
de compostaje y posterior a ella se toman muestras cada dos días.
Para la determinación del contenido de humedad, se utilizó un recipiente previamente
identificado y pesado, en el cual se vertió la muestra colectada y se introdujo a un horno de
secado donde se mantuvo a 105 °C por 24 horas hasta que las muestras alcanzaron un peso
constante [3].
Donde:
>M< f >M;
4* m s
t 100
>M<
Ecuación 40
H¹ : Humedad de la composta (%)
>T¨: Masa de la composta húmeda (kg)
>T¨: Masa de la composta seca (kg)
Donde:
O* m
>*
¦*
Ecuación 41
R ¹ : Rendimiento del compostador, kg/día
m¹ : Masa de la composta madura que sale por ciclo (kg)
t ¹ : tiempo entre cada ciclo de salida de la composta (día)
Donde:
HN m
O*
HX*
Ecuación 42
P/ : Productividad del compostador (kg / día W)
R ¹ : Rendimiento del compostador (kg/día)
P«¹ : Potencia diaria consumida por el compostador (W)
83
5.1.4
COMPROBACIÓN DE LA MADUREZ POR EL MÉTODO DE OBSERVACIÓN
DIRECTA.
Este método es una manera inicial que permite evaluar de manera rápida si la composta
obtenida en el dispositivo es inestable. Las observaciones realizadas durante la prueba de
compostaje, fueron del: color, olor y comportamiento de la temperatura del material en la
fase final (ubicado al final del proceso de compostaje) considerando lo establecido en la
Tabla 6.3 del Anexo 1 y lo descrito en los siguientes puntos:
o
Olor: La composta madura debe estar exenta de olores de descomposición
anaerobia como el ácido sulfhídrico, amoniaco (muy común con relaciones C/N bajas)
y mercaptanos4; y debe tener un olor agradable (parecido al humus o a tierra mojada)
olor producido por los actinomicetos.
o
Color: La composta se oscurece a medida que va madurando, hasta llegar a un color
marrón oscuro o casi negro.
o
Temperatura estable: Se observa que la temperatura en el proceso de
compostaje evoluciona hasta finalmente ser similar a la temperatura ambiente
y su variación depende del comportamiento de esta última.
5.1.5
DETERMINACIÓN DEL pH.
En el punto 2.2.1.3 se describió la evolución del pH durante del proceso de compostaje el
cual tiende a volverse neutro cuando la composta es madura, aunque esto depende del pH
del material al inicio del proceso de compostaje. El pH puede ser determinado por dos
métodos, que son: el de pasta saturada y la adición de volumen. El método empleado para
este caso fue el de adición de volumen.
Condiciones de prueba
Secado de la composta a 105 o 110°C en un horno de secado.
Materiales e instrumentos de medición
Contenedores pequeños, horno de secado y medidor de pH.
4. Mercaptanos: compuesto que contiene el grupo funcional formado por un átomo de azufre y un átomo de hidrógeno (-SH)
84
Puntos a medir o calcular:
Los puntos que se consideran en esta prueba son:
1. Potencial de hidrógeno pH.
Procedimiento
Se toman 5 muestras de aproximadamente 5 g y se le agrega a cada muestra agua destilada
en una relación de 1:5, es decir, 5 g de composta por 25 mL de agua destilada. Se mezcla
cada muestra durante 5 segundos dejándola reposar por 10 minutos. Posteriormente se
procede a leer el pH de cada muestra con el instrumento previamente calibrado.
5.1.6
RELACIÓN CARBONO NITRÓGENO (C/N).
Cuando se tienen una relación C/N inicial elevada en los residuos sólidos orgánicos (mayor o
igual de 1/25) es posible caracterizar la madurez de la composta, que de ellos se obtiene
después de un proceso de compostaje, al medirle la relación C/N la cual debe tener un valor
menor o igual de 1/20, de acuerdo a la United States Enviromental Protection Agency (EPA).
La determinación de la relación C/N, se mandó a realizar a un laboratorio especializado por
no contarse con los materiales e instrumentos necesarios para realizarla.
5.1.7
ENSAYO DE GERMINACIÓN.
Esta prueba permitió verificar si la composta presenta un grado de madurez adecuado.
Cuando el índice de germinación es mayor o igual al 80 % indica que la composta obtenida
es madura de acuerdo a la norma Chilena [16], mientras que la norma para composta
establecida en el Estado de California en Estados Unidos considera un valor entre el 80 y 90
% para la composta madura.
El método empleado para determinar el índice de germinación es una adaptación del método
Zucconi et al (1981) citado por [41] y [6].
Condiciones de prueba
La prueba se realiza con una temperatura controlada de 25 °C (±1 °C).
Materiales e instrumentos de medición
Se utilizó: una incubadora, 8 placas de petri de 12 cm de diámetro, papel fieltro,
semillas de rábano, agua destilada y sustrato de la composta.
85
Puntos a medir o calcular:
Los puntos que se consideran en esta prueba son:
2. Número de semillas testigo germinadas (adim.)
3. Número de semillas germinadas en el extracto (adim.)
4.
Porcentaje de germinación relativo (%)
Procedimiento
Se toman 8 placas petri limpias y desinfectadas, a las cuales se les colocó papel fieltro
(recortado de forma redonda) de manera que al ponerse sobre la placa cubrió el fondo de la
misma; sobre el papel fieltro se posicionaron 10 semillas de rábano distanciadas
uniformemente y distribuidas en todo el fondo de la placa.
Se tomaron 4 placas petri y se les agregó 10 mL de agua destilada. A las 4 placas de petri
restantes, se les agregó 10 mL de una solución preparada. Esta solución resulta de mezclar
residuos de composta con agua destilada a razón de 1 a 10 (10 g de composta: 100 mL de
agua destilada), posteriormente se mantiene durante una hora. La metodología indica que
después, debe realizarse el centrifugado por 15 minutos a 3000 rpm [6], pero como no se
cuenta con equipo de esta capacidad, el centrifugado se realizó por 60 minutos a 1000 rpm
que al finalizar se procedió a filtrar la solución de la cual se toman los 10 mL para las placas
petrí.
Finalmente, las 8 placas fueron introducidas a una incubadora donde se mantuvieron a una
temperatura de 25 °C (±1 °C) por un tiempo de 5 dí as, período en el cual se observó la
germinación [41].
Diariamente se determinó la germinación de las semillas las cuales fueron
contabilizadas de forma separada para cada placa petri. Al final de los cinco días de la
prueba, se determinó la cantidad de semillas germinadas en las placas petri testigo (con
agua destilada) y en las placas petri que utilizaron el sustrato de composta. Con estos datos
y la Ecuación 43 [38], se determinó el porcentaje de germinación de las semillas de rábano.
El resultado puede ser comparado con los valores de porcentaje de germinación dados en la
Tabla 6.3 del Anexo 1 para una composta madura.
86
ºO m
Dú>. $‡ e‡>{¼¼ne 3‡k>{En$ne ‡E ‡¼ ‡q¦kn#¦Š
c100g
Dú>. $‡ e‡>{¼¼ne ¦‡e¦{3Š 3‡k>{En$ne
Ecuación 43
Donde:
ºO: Porcentaje de germinación relativo (%)
5.2 RESULTADOS
Como ya se mencionó la mezcla de prueba utilizada fue en las proporciones que se
muestra en la Tabla 5.1, con la cual se obtiene una relación teórica de C/N de 32.9 y
humedad del 68.5 %. Los materiales utilizados en la mezcla de prueba de acuerdo al tipo de
residuo que en ella se consideraron fueron los presentados en la Tabla 5.2.
Tabla 5.2. Material utilizado para cada tipo de Residuos de la mezcla de prueba.
Núm.
•
•
5.2.1
Residuo considerado
Residuos de granos
Residuos de frutas
•
Verduras
•
•
•
Pasto
Hojas
Hierbas
Material utilizado en la mezcla
Tortilla, Pan
Plátano, Manzana, Mandarina
Naranja.
Jitomate, Zanahoria, Cebolla
papa
Presentes en jardines
Presentes en jardines
Presentes en jardines
MEDICIÓN DE LA DENSIDAD
La densidad promedio obtenida en las cinco repeticiones de la mezcla de RSOD fue de
202 kg/m3, los resultados completos de la prueba se presentan en el “Registros de las
pruebas realizadas al compostador y a la composta” [46].
5.2.2
COMPOSTAJE DE LOS RSOD CON DIFERENTES INICIADORES
Los registros de esta prueba se presentan en el documento “Registros de las pruebas
realizadas al compostador y a la composta” [46], donde se presentan las mediciones de
temperatura de la mezcla, temperatura ambiente, humedad relativa y masa de la mezcla.
En la Figura 5.2 se muestran las curvas del comportamiento de la temperatura de las
cuatro muestras que fueron compostadas con respecto al tiempo de iniciado el proceso de
compostaje.
87
Figura 5.2. Comportamiento de la temperatura en el proceso de compostaje.
La temperatura tiene un comportamiento similar para las muestras que utilizaron
algún iniciador al principio de la prueba de compostaje, para el caso de la muestra testigo
(que no utiliza iniciador) presenta un aumento inicial de temperatura lento pero que alcanza
la temperatura de las demás muestras e incluso en un tiempo breve logra rebasarlas, como
se observa en la Figura 5.2.
Una explicación a lo anterior puede deberse a que la población de microorganismos
al inicio del proceso de compostaje en la muestra sin iniciador es baja, lo que explica una
baja temperatura y pérdida de masa; y para el caso de las muestras con iniciador, en las
cuales se inocula los microorganismos, presentan una mayor población y con ello mayor
degradación de los residuos que provocan el aumento de temperatura y pérdida de masa;
posteriormente conforme avanza el proceso de compostaje la disminución en la temperatura
y en la caída de la masa de las muestras es debida a que los RSOD de fácil degradación
(azúcares) han sido descompuestos y la población microbiana disminuye; para el caso de la
muestra sin iniciador se incrementa la temperatura, debido a que dichos residuos no han
sido totalmente degradados, lo que implica crecimiento o que se mantenga la población
microbiana.
88
Para el caso de las muestras que utilizaron como iniciador composta madura y
estiércol seco presentaron una temperatura ligeramente mayor en los primeros cuatro días
que la muestra que utilizó levadura, sin embargo en los días posteriores ésta última muestra
presentó una temperatura ligeramente mayor a las demás muestras.
De acuerdo con la gráfica presentada en la Figura 5.3, se puede observar que la
caída de masa en las muestras con iniciador es muy parecida y casi imperceptible hasta el
día 10 de iniciado el proceso de compostaje, para el caso de la caída de la masa en la
muestra sin iniciador fue más lenta, pero ésta se mantuvo muy cercana con las muestras que
utilizaron algún iniciador. La caída de masa en cada una de las muestras se determinó con la
Ecuación 39.
De acuerdo a los resultados de la prueba con los iniciadores se determinaron los
datos que se utilizaron en el diseño del prototipo y que se muestran en la Tabla 3.2.
Figura 5.3. Peso de las muestras con diferentes iniciadores con respecto a los días de compostaje.
5.2.3
PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO DEL PROTOTIPO
Los valores obtenidos de las mediciones de temperatura del material compostado, de
la temperatura ambiente, de la humedad relativa a la entrada y salida del prototipo se
89
presentan en el documento “Registros de las pruebas realizadas al compostador y a la
composta” [46].
En la Figura 6.7 del Anexo 1, se muestran las curvas de temperatura medidas durante
la prueba de funcionamiento, las curvas corresponden a la temperatura medida cada día de
la prueba (nombre de la serie) en los diferentes puntos ubicados en las secciones de la
cámara de compostaje (seis en la primera sección, tres en la segunda y tres más en la
tercera sección), ver Figura 5.1. Cada punto tiene correspondencia con el tiempo en el cual
fue introducido el material a la cámara de compostaje y está representado en el eje x, ver
Figura 5.4.
De acuerdo a los resultados de la prueba de funcionamiento, se observa que cuando
se inicia con el uso del prototipo no se logra alcanzar las tres etapas del proceso de
compostaje. Esto se explica, debido a que en el prototipo la poca cantidad de material que
ha sido introducido y que se encuentra en descomposición no alcanza a generar el calor
suficiente para elevar la temperatura de la etapa termófila o, también debido a que las
pérdidas de calor son mayores. Las etapas del proceso de compostaje se lograron alcanzar
a los 16 días de iniciada la alimentación del prototipo o prueba de funcionamiento.
Cuando los residuos cubren las tres secciones de la cámara de compostaje (día 30 de
iniciado el proceso con alimentación continua de 3 kg de RSOD/día), se tiene un
comportamiento uniforme de la temperatura medida en los diferentes puntos de la cámara de
compostaje, momento cuando el proceso de compostaje se torna estable.
En la Figura 5.1 se indican los puntos donde se mide la temperatura, que corresponde
a la temperatura del material en ese punto dentro de la cámara, y que corresponden al punto
indicado en la curva de temperatura que se muestra en la Figura 5.4. Como se puede
observar cada punto puede ser relacionado con el tiempo que lleva al interior de la cámara
de compostaje, esto debido a que las bandas que mueven a los RSOD tienen un
desplazamiento constante por día, por ello la curva de la Figura 5.4 muestra el valor
promedio de la temperatura con respecto al tiempo de haberse introducido los RSOD al
compostador.
90
La curva de la Figura 5.4 muestra el valor de la temperatura promedio, que se presentó
durante el proceso de compostaje a partir del momento en el cual se torna estable.
Nota: El punto de inicio de la curva “0”: Indica la temperatura promedio con la cual era introducida los RSOD al compostador.
Figura 5.4. Comportamiento de la temperatura de los RSOD en el proceso de compostaje en el
prototipo.
De acuerdo a la curva de la Figura 5.4, el comportamiento de la temperatura del
material al interior de la cámara de compostaje permite distinguir tres etapas del proceso. La
primera de ellas, etapa mesófila inicial (temperatura <40 °C), comienza con la introducción
de la mezcla de RSOD a la cámara de compostaje y termina entre los dos y tres días
siguientes, el final de la etapa marca el principio de la segunda etapa, etapa termófila
(temperatura > 40 °C), la cual finaliza entre los 6 y 7 días de haberse introducido el material a
la cámara de compostaje. La temperatura máxima alcanzada en esta etapa fue de 53 °C.
Las etapas mesófila inicial y termófila se generan en la primera sección de la cámara de
compostaje (banda uno) y en ella se inicia la tercera etapa, etapa mesófila final (temperatura
<40 °C), que principia con el término de la etapa t ermófila y continúa en las siguientes
secciones (banda dos y tres) de la cámara de compostaje.
Algunos de los resultados de la prueba de compostaje son los siguientes:
1. La humedad relativa del aire a la salida del prototipo, cuando los RSOD cubren las
secciones de la cámara de compostaje fue del 99 %.
91
2. La cantidad de material obtenido en el recipiente de recolección fue de 1.7 kg/día,
que al secarse quedó una masa de 407 g.
3. La humedad de la composta obtenida al final del proceso de compostaje fue en
promedio de 76 %.
4. Se considera que a los 27 días de iniciado el proceso de compostaje se tiene un
material biológicamente estable, por que el comportamiento de la temperatura del
material fue similar en magnitud con la temperatura ambiente.
Algunas de las observaciones realizadas durante el proceso de compostaje son las
siguientes:
•
Se observó que la temperatura del material compostado es afectada por la
temperatura ambiente, ya que el material que se ubicaba en las superficies de la
capa de material acumulada presentaba menor temperatura que el material que se
encontraba más al centro de la capa. Esto se explica porque el aire entraba a la
temperatura ambiente a la cámara de compostaje y absorbe el calor del material que
se encuentra en la superficie de cada sección.
•
El comportamiento de la temperatura del material observado en la cámara de
compostaje, es el siguiente: para el caso del material de la primera sección (banda
uno), se tuvo un incremento rápido de la temperatura al inicio de la banda, conforme
avanzaba la banda la temperatura se incrementó a niveles superiores a los 40 °C,
pero al acercarse al final del recorrido de la banda la temperatura del material
disminuía rápidamente;
para el caso de la segunda sección (banda dos),
la
temperatura se mantuvo casi uniforme a lo largo de la banda, aunque la diferencia de
temperaturas con el material de la banda uno es grande; para el caso de la
temperatura del material en la sección tres (banda tres), disminuye de manera casi
constante hasta llegar a temperaturas similares a la temperatura ambiente, esto hasta
el día 27 donde se toma la última lectura.
•
El material obtenido del proceso de compostaje presenta un color pardo obscuro y
olor característico a composta. Lo anterior aunado a la temperatura del material en la
última parte de la banda tres (sección tres) con valores cercanos a la temperatura
ambiente, con esto se puede considerar que el material presenta características de
composta biológicamente estable.
92
•
Durante el proceso de compostaje no se aprecian olores desagradables al exterior
del compostador, que indique descomposición anaerobia de los RSOD.
Una de las observaciones importantes que se hicieron, fue que el material no
requiere una remoción o mezclado frecuente, debido a que el material no es
compactado dentro de la cámara y por su soltura permite el flujo de aire a través de
los residuos, además de que la cantidad de material vertido crea una capa delgada
de material sobre las bandas.
•
También, se observó una pérdida de calor elevada cuando el material era removido
continuamente lo que se comprobó al probar el diseño inicial del prototipo.
Durante la prueba de compostaje también se realizaron observaciones referentes al
funcionamiento de algunas piezas o mecanismos del prototipo:
•
Se observo un flujo adecuado del material a través de la cámara de compostaje.
•
Se observo una adecuada sincronía en el sistema de transmisión y las bandas de
acuerdo al diseño, con lo que se determina que el deslizamiento de las bandas y las
cadenas fue mínimo.
•
No se presentan vibraciones o ruidos por mal funcionamiento durante el trabajo del
motor, bandas y sistema de transmisión.
•
A la salida de la cámara de compostaje se apreció bajo escurrimiento de líquidos
lixiviados. Esto se considera que fue debido a que los líquidos lixiviados que caían de
la primera banda eran captados por el material de la segunda banda y que los
lixiviados de la segunda banda caían al material de la tercera banda. Esto también
provocó que el contenido de humedad de la composta o material obtenido al final del
proceso fuera elevado.
5.2.4
COMPROBACIÓN DE LA MADUREZ POR EL MÉTODO DE OBSERVACIÓN
DIRECTA.
De acuerdo a las observaciones realizadas durante la prueba de compostaje se puede decir,
en primera instancia, que el material compostado en el prototipo alcanzó una estabilidad
adecuada, por las observaciones de color (pardo obscuro), ausencia de olores fuertes y
desagradables, además por el comportamiento de la temperatura al final del proceso, que
ésta fue parecida e influenciada por la temperatura ambiente. Estas aseveraciones son una
premisa inicial para decir que se trata de un material biológicamente estable o maduro.
93
5.2.5
RELACIÓN C/N Y pH
Las pruebas para determinar el pH y la relación C/N de la composta obtenida en el prototipo,
fueron realizadas en el Laboratorio de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos
(UAEM).
Las muestras analizadas fueron colectadas de la composta procesada en el prototipo, las
cuales se dejaron secar a temperatura ambiente por un período de ocho días,
posteriormente fueron molidas y homogeneizadas, finalmente se realizó el análisis para
determinar el contenido de materia orgánica (M.O.) y contenido de nitrógeno total.
El contenido de materia orgánica (M.O.) fue de 47.95 %, el de nitrógeno total de 3.12 % y la
relación C/N de 15:1. Estos valores de acuerdo a la Norma Chilena y de la EPA
corresponden a una composta de calidad adecuada para las plantas por su contenido de
nitrógeno, y alto contenido de M.O., además de indicar una estabilidad del sustrato adecuada
por la relación C/N que es menor al indicado por las mismas normas de 20:1 para sustrato
estable, ver Tabla 6.3.
El pH de la composta fue de 9.44, valor que supera el intervalo adecuado para la composta
de acuerdo a indicaciones dadas por las normas chilena y de la EPA, pero el cual puede ser
corregido y se atribuye principalmente a los residuos utilizados para el compostaje.
5.2.6
ENSAYO DE GERMINACIÓN.
El resultado obtenido al determinar el índice de germinación promedio fue del 85 %, lo que
indica que la composta es madura de acuerdo con la Norma Chilena [16] y la norma aplicada
en el estado de California de Estados Unidos [4] para determinar la madurez de la composta,
donde se indica un índice de germinación mínimo del 80 % para considerar a la composta
madura.
En la Tabla 6.5 se presenta un resumen de las características de la composta obtenida en el
compostador.
94
CAPÍTULO
6.
CONCLUSIONES
RECOMEDACIONES
Y
6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
6.1 CONCLUSIONES
Cuando se utilizó el prototipo por primera vez, el material compostado no logró
alcanzar las temperaturas de la etapa termófila (40°C) hasta después de los primeros
dieciséis días, debido a que la cantidad de material en descomposición no generaba el calor
suficiente para incrementarla, además de que se tenían orificios abiertos en el compostador
y la temperatura del medio ambiente era baja.
Una vez que fueron cubiertas las secciones de la cámara de compostaje del prototipo
con RSOD, los valores de la temperatura medidas en diferentes ocasiones en un mismo
punto de la cámara de compostaje no cambiaron significativamente, esto se presentó en
cada uno de los 12 puntos distribuidos en la cámara de compostaje donde se hicieron
mediciones. Lo anterior indica que el proceso de compostaje sigue una tendencia uniforme al
utilizar una misma mezcla de residuos y mantener la alimentación de manera continúa.
Además, este resultado nos llevó a hacer las pruebas con diferentes iniciadores con el
propósito de catalizar la etapa mesofílica inicial.
De acuerdo a las pruebas de funcionamiento realizadas en el prototipo, se encontró
que a los 27 días de iniciado el proceso de compostaje el material presentaba una
temperatura que variaba de manera similar a la temperatura ambiente con valores parecidos,
lo que presupone la estabilidad biológica del los residuos, es decir, que la descomposición
del material en este punto es baja y por ello el calor generado es mínimo, provocando que la
temperatura de los residuos cambie de manera similar a como lo hace la temperatura
ambiente.
El material obtenido al final del proceso de compostaje en el prototipo (en un período
de 30 días) presentaba características como un color pardo – obscuro, con olor característico
95
similar a la composta, por lo que se supone que las condiciones y el tiempo de compostaje
fueron los adecuados.
La prueba de germinación en la composta indica que presenta una estabilidad o
madurez adecuada para su uso en las plantas, esto con base al cumplimiento de las
exigencias de la Norma Chilena [16] y Normas Europeas [4] . La relación C:N de la composta
obtenida en el prototipo (15:1), es otro indicador de su estabilidad o madurez y cumplimiento
de las exigencias de las normas mencionadas.
La composta obtenida en el compostador puede ser utilizada directamente en las
plantas, lo que es ventaja comparativa con respecto a algunos compostadores comerciales
que requieren de un tiempo de estabilización del material final.
El exceso de humedad del material obtenido al final del proceso de compostaje en el
prototipo, se debió a que los líquidos lixiviados de la banda uno y banda dos fueron vertidos
al material de la banda tres.
El rendimiento del compostador durante la prueba fue de 0.407 kg de composta
seca/día, aunque ésta puede incrementarse en dependencia de la densidad y el tipo de
material que sea introducido al compostador.
La productividad del compostador durante la prueba de funcionamiento fue de 0.130
g/día W.
Se consigue el diseño de un prototipo automático para preparar composta a partir de
RSOD, con capacidad de procesamiento de los residuos generados por una familia de cinco
integrantes, que es fácil y seguro de operar, con lo que se confirma la hipótesis planteada en
esta investigación.
6.2 RECOMENDACIONES
Utilizar una mezcla de materiales de RSOD que pueda cumplir con las relaciones de
carbono/nitrógeno (C/N) y humedad establecidos en la Tabla 2.1. Además, debe evitarse el
uso de grandes cantidades de materiales con un pH ácido en la mezcla de RSOD como los
cítricos (naranja, mandarina, limón, toronja, entre otros).
96
El material que se introduzca al compostador debe fraccionarse en trozos menores a
los 5 cm, de preferencia en tamaños cercanos pero no menores a 1 cm.
Cuando se usa el dispositivo por primera vez, debe mezclarse un iniciador a los RSOD
que serán introducidos al prototipo, en una proporción mayor o igual a los 100 g por
kilogramo de residuos.
La alimentación del prototipo con RSOD debe ser continua (diaria), para que los
microorganismos que actúan sobre los residuos de las etapas más avanzadas del proceso,
puedan pasar al material nuevo o fresco. Con ello se evita que queden secciones vacías de
material sobre las bandas y haya pérdidas elevadas de calor o se retrase el inicio de la
descomposición del material fresco por la falta de microorganismos.
En caso de dejar de alimentar material al prototipo por uno o más días debe aplicarse
iniciador a los RSOD frescos que se introducen al dispositivo.
La altura del material fresco introducido al dispositivo, debe uniformizarse
manualmente dentro de la cámara de compostaje sobre el espacio vacío que genera el
desplazamiento de la primera banda.
Es recomendable que la cantidad de material vertido a la cámara de compostaje sea
cercano a los 3 kg de RSOD diarios, para obtener una capa sobre la banda que permita
generar el calor suficiente para alcanzar la etapa termófila; además se debe evitar que el
material rose con la tapa superior del dispositivo, previniendo con esto, obstrucciones o
dificultades en el flujo del material a través de la cámara de compostaje y evitar
atascamientos. También, se debe evitar compactar el material introducido al interior de la
cámara de compostaje, para no apretarlo contra las paredes y provocar atascamientos.
Si el material presenta exceso de humedad al final del proceso de compostaje se
recomienda secarse al sol durante un tiempo de 3 a 4 días.
En caso de que la temperatura ambiente sea baja inferior a los 10 °C, debe regularse
la apertura de las compuertas para la entrada del aire, esto mismo debe realizarse cuando la
temperatura del material es elevada (constantemente alcanza los 65°C).
97
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Documentos complementarios a la Tesis:
[45]
Documento Técnico de Diseño
[46]
Registros de las pruebas realizadas al compostador y a la composta.
102
ANEXO 1. TABLAS Y FIGURAS
Tabla 6.1. Propiedades de los RSOD.
RSOD
Tipo de
Valor
Razón
C/N
Peso a
peso
Humedad
%N
Contenido
Peso seco
en % (peso
húmedo)
Residuos de cultivos y frutas / verdura – residuos procesados
Cáscara de manzana
Típica
48
88
1.1
Café molido
Típica
20
Mazorca de maíz
Rango
56-123
9-18
0.4-0.8
Promedio
98
15
0.6
Arroz con cáscara
Típica
42
71
1.2
Papas rebanadas
Típica
18
78
Residuos de frutas
Rango
20-49
62-88
0.9-2.6
Promedio
40
80
1.4
Cáscara de la papa
Típica
25
1.5
Jitomate residuos
Típica
11 a
62
4.5
procesados
Productos de verdura
Típica
19
87
2.7
Residuos de verdura
Típica
11-13
2.5-4
Basura residuos de
Típica
14-16
69
1.9-2.9
alimentos
Recortes de pasto
Rango
9-25
2.0-6.0
Promedio
17
82
3.4
Suelto
Típica
Compactado
Típica
Hojas
Rango
40-80
0.5-1.3
Promedio
54
38
0.9
Sueltas y secas
Típica
Compactadas y mojadas
Típica
Recortes de maleza
Típica
10-25
80
Densidad de la
masa
3
kg/m
925
330
770
914
940
178 - 237
297- 475
159 – 178
237 – 297
220
103
Tabla 6.2. Algunos Géneros de microorganismos encontrados con frecuencia en la composta.
FAMILIAS
Corinebacteriáceas
Baciláceas
Micobacteriáceas
GÉNEROS
Pseudomonas,
Nitrosomonas,Nitrobacter,
Thiobacillus, Vibrio, Acetobacter
Hypomicrobium (en lodos)
Azotobacter, Beijerinckia
Rhizobium
Acromobácter, Flavobacterium
Escherichia, Proteus, Aerobacter
Serratía
Streptococcus, Lactobacilus,
Stafilococcus
Corinebacterium, Arthrobácter
Bacillus, Clostridium
Micobacterium (M.Tuberculosis)
Actinomicetáceas
Nocardia, Pseudocardia
Streptomicetáceas
Streptomices, Micromonospora,
Termonospora, Termopolispora,
Termoactinomices
SIFOMICETOS
Mixomicetos
Mixomicetales
Acrasiales
EUMICETOS
Zigomicetos
Mucorales
Entomoftorales
Ascomicetos ( ≈
30.000 especies)
Protoascomicetos
Mixococus
Hipomicrobiales
Eubacteriales
Azotobacteriáceas
Rhizobacteriáceas
Acromobateriáceas
Enterobacteriáceas
ACTINOMICETOS
Lactobaciláceas
HONGOS
BACTERIAS
Pseudomonadales
Ascomicetos
Basidiomicetos
Parásitos de insectos y vegetales
Lipomices, Candida, Torula,
Rodotorula
Penicillium, Aspergilus,
Trichoderma
Coprinus
104
Tabla 6.3. Pruebas realizadas para determinar la estabilidad o madurez de la composta.
METODOS
OBS. DIRECTA
Olor
Color
Temperatura
estable
FÍSICOS
Autocalentamiento
Conductividad
eléctrica (CE)
QUÍMICOS
Sólidos volátiles
VALOR QUE INDICA MADUREZ
COMENTARIOS
Similar al humus o a la tierra mojada
Marrón obscuro o casi negro
Similar a la del ambiente, sin
cambios por el manejo.
Subjetivo y no es muy apreciable en la composta durante la fase de degradación.
Es subjetivo y está afectado por la materia prima utilizada.
Indica estabilidad siempre y cuando se mantengan los factores que afectan el
compostaje en los niveles adecuados.
Ensayo de 2 a 9 días: 0-20 °C
estable; 0-40 °C activo; 40 °C
residuos frescos2
<3diecisiemens/m1
Sencillez del equipo y de la interpretación. Simula el calentamiento natural de un
montón de residuos. El contenido de humedad afecta los resultados del ensayo.
Incremento de un 45 a un 60 %2.
Permite evaluar las concentraciones de sales solubles.
Relación C:N
Maduro de 15 a 20:1; 25 a 30:1
inmovilizan el N inorgánico.2
Nitrógeno total
N inorgánico
El nitrógeno total > 0.8 %1
La composta madura contiene más
NO3- –N que NH4+ –N.2
Capacidad
de
intercambio
catíonico (CEC)
Contenido de M.O.
BIOLÓGICOS
Medida
del
consumo
de
oxigeno
Medida del CO2
desprendido
Ensayo
de
germinación
>60meq. 100 g-1 de sólidos volátiles
de composta MSW.2
Depende de la materia prima utilizada. El cálculo se basa en el contenido inicial de
cenizas de la mezcla de materia prima con respecto al contenido final de la
composta. La parte de la muestra pérdida por la combustión a temperaturas
elevadas (550°C) valora la materia orgánica; la parte que permanece después de la
combustión son las cenizas. El contenido de sólidos volátiles se toma como el
contenido de la materia orgánica que es aproximadamente igual.
Tiende a hacerse neutro cuando la composta es madura. Depende de los residuos
utilizados en el compostaje y de la adición de cualquier enmienda. Para la medición
del pH se utiliza un instrumento diseñado para tal fin y puede realizarse mediante
dos métodos: el de pasta saturada y el de adición de volumen.
Permite confirmar la madurez de la composta producida por mezclas de residuos
con alto valor de C/N (C/N inicial >25:1), caso contrario con materia prima inicial
con relaciones de C/N menores. Para determinar la relación C/N se determina el
carbono total y el Nitrógeno total. Presenta el inconveniente que no se distingue
entre el carbono orgánico e inorgánico.
Valor mínimo para una composta.
Disminuye el NH4 y aumenta el NO3-. Los montones de composta secos e
inestables pueden tener altos contenidos de NO3-. Rehumedecida la composta
madura puede perder NO3 rápidamente por desnitrificación.
La CEC se incrementa en una composta madura. El valor máximo de CEC en la
composta madura depende de los residuos iníciales utilizados.
Materia orgánica > 45 %
Para composta de calidad A de acuerdo a la norma chilena.
≤3.5 mg O2 /g de M.O. por día1,3
Ácidos orgánicos de
cadena corta.
Concentración de acido acético >300
mgkg-1 inhiben la germinación de las
semillas de berro3
Bueno para determinar la estabilidad. El proceso de incubación es relativamente
lento. Requiere de aparatos especializados. No es fácilmente disponible en los
laboratorios comerciales.
Requiere de aparatos especializados. No es fácilmente disponible en los
laboratorios comerciales.
Los ácidos orgánicos de cadena corta resultados de descomposición de la materia
orgánica pueden inhibir o reducir la germinación de la semilla y crecimiento de la
raíz. Depende de la sensibilidad de la especie utilizada y a la concentración de sal
en la composta.
La composta inestable que contiene ácidos de cadena corta como el acido acético,
butírico y propiónico son fitotóxicos. La determinación directa de los ácidos de
cadena corta son costosos, requieren la cromatografía de gases o iónica.
Potencial
hidrógeno (pH)
de
Valores entre 5 y 8.5.
Norma EPA entre 6 y 8.
≤8 mg CO2 /g de M.O. por día1,3
>80 % para semillas de rábano1,3
1: Norma Chilena[16]; 2: Valores dados por la EPA (Enviromental Protection Agency of United States) presentados por Peter J.
Stoffella y Brian A. Kahn ([35]. 3: Normas Europeas [4].
105
Tabla 6.4. Comparativa del compostador diseñado con otros comerciales.
COMPARATIVA
Modelo
Dimensiones
Longitud x Ancho x
Altura (LxWxH)
Capacidad
Material que puede
ser compostado
Volumen de la
cámara
Volumen disponible
Variables
que
controlan
o
particularidades
Precio
Funcionamiento
Ventajas
COMPOSTADOR
ESTA TESIS
CENIDET
DE
NATUREMILL
NatureMill Automatic
Indoor Composter
JURAFORM
KOMPOST AB
JK 125
Compostador casero
Compost Machine
1455 x 723 x 1269 mm
22” x 14” x 22”
(558.8x355.6x558.8) mm
1160 mm x 886 mm x
886 mm
Altura: 1120 mm / 44"
Diám.: 725 mm / 29"
3 kg con una densidad
de 200 kg/m3.
Residuos de comida y
jardinería
0.456 L efectivos
Para un hogar de 5
personas.
Residuos de cocina
4 – 6 personas
Residuos de comida
Residuos de comida
40 L aproximadamente
125 L
335 L
16.7 L/día (3.25 kg/día)
Frecuencia de aireación
Movimiento del material
Temperaturas elevadas
(>65 °C)
8 litros por día aprox.
Frecuencia en el
movimiento del material
Aireación
Calentamiento del material
12 l/semana
Cilindro metálico como
cámara de compostaje.
Volteo al girar el cilindro
de manera manual.
Perforaciones para
ventilación natural.
15.9 L por día
Bote compostador de
plástico reciclado.
Perforaciones para
ventilación natural.
Puerta para salida de
material.
$ 8500
Automático
Capacidad elevada
Compostador continuo
$6000
Automático
Capacidad limitada
Compostador intermitente
(compostaje discontinuo).
Manual
Capacidad limitada
Compostador continuo.
Bote compostador
Capacidad elevada
Compostador continuo.
Tabla 6.5. Características de la composta procesada en el prototipo compostador.
Núm.
Propiedad
Valor determinado
1.
Contenido de humedad
76 %
2.
pH
9.44
3.
Contenido de materia orgánica (M.O.)
47.95 %
4.
Nitrógeno total
3.12 %
5.
Relación C/N
1:15
106
Figura 6.1. Diagrama de flujo del funcionamiento general del sistema electrónico y de control del
compostador.
107
Figura 6.2. Diagrama de flujo del funcionamiento de las interrupciones para el ajuste del reloj.
108
Figura 6.3. Diagrama del circuito electrónico del compostador, parte 1. Los componentes de este
diagrama se indican en el Documento técnico de diseño [45].
109
Figura 6.4. Diagrama del circuito electrónico del compostador, parte 2. Los componentes de este
diagrama se indican en el Documento técnico de diseño [45].
110
Figura 6.5. Vistas del compostador con bandas.
111
Figura 6.6. Desensamble del compostador con bandas, la lista de las piezas y sus características se
presentan en el Documento técnico de diseño [45], complementario a ésta tesis.
112
Figura 6.7. Curvas del comportamiento de la temperatura al interior de la cámara de compostaje.
113
ANEXO 2. MANUAL DE OPERACIÓN DEL
COMPOSTADOR
A 2. MANUAL DE OPERACIÓN DEL COMPOSTADOR
Antes de utilizar el compostador es necesario leer este manual de operación.
A 2.1. INSTALACIÓN DEL PROTOTIPO
•
El prototipo debe ser puesto sobre un piso nivelado o con un desnivel máximo de 1
%.
•
El lugar de preferencia debe ser bien ventilado, protegido de las lluvias y las bajas
temperaturas. Aunque puede soportar las lluvias y funcionar en temperaturas bajas
cercanas a los 0 °C.
•
Coloque un recipiente en la parte lateral izquierda del compostador que permita
captar los líquidos lixiviados.
A 2.2. FUNCIONAMIENTO DEL COMPOSTADOR
El prototipo permite el compostaje diario de 3 kg de RSOD (residuos sólidos orgánicos
domésticos) como máximo, considerando una densidad de 200 kg/m3 de la mezcla, en caso
de que la densidad de la mezcla preparada de RSOD sea mayor, la capacidad del
compostador aumenta proporcionalmente, por ejemplo, si la densidad es de 400 kg/m3 su
capacidad aumenta al doble, es decir a los 6 kg diarios. Para que el compostador realice
adecuadamente el compostaje de los RSOD, los residuos deben ser preparados de acuerdo
a lo descrito en el punto 0 de este manual.
Las partes principales del compostador se muestran en la Figura 6.8, y se enlistan a
continuación:
1. Puerta de alimentación
2. Cámara de compostaje (con tres secciones)
3. Bandas transportadoras (Tres bandas)
4. Flecha con aspas que mueven y mezclan al material (tres flechas)
5. Extractor
6. Compuertas de apertura para la entrada de aire (dos entradas de aire)
7. Recipiente recolector del material final
114
8. Soporte o chasis
9. Motor y sistema de transmisión
10. Placa para escurrimiento de lixiviados
11. Sistema electrónico y de control
c) Vista frontal del compostador
d) Partes del compostador
Figura 6.8. Elementos principales del dispositivo.
El funcionamiento del dispositivo inicia con la conexión del compostador a la línea eléctrica
doméstica, donde se manejan voltajes de 110 a 120 V de corriente alterna a 60 Hz.
Posterior a ello, el usuario debe ajustar el reloj del dispositivo fijando la hora y fecha actual,
de acuerdo a lo descrito en el punto 0. Una vez realizado esto, el usuario puede iniciar el uso
normal del compostador introduciendo una mezcla diaria de RSOD, a través de la puerta de
alimentación, hasta 25 cm de espesor de la capa de residuos que están sobre la primera
banda (con una densidad de 200 kg/m3 corresponde a 3 kg de RSOD diarios) y podrá
obtener el producto (composta) de manera continua a los 30 días de iniciada la alimentación.
Para extraer la composta generada, se debe quitar el recipiente recolector, el cual tiene una
capacidad de almacenamiento de la composta generada en 7 días.
El funcionamiento del compostador es el siguiente: cuando el reloj ha sido ajustado
adecuadamente, se hace funcionar el motor diariamente por un período de dos minutos y al
extractor por un período de cinco minutos a las 10:00pm (todo esto lo hace el compostador
automáticamente).
115
El funcionamiento del motor a través del sistema de transmisión por cadenas, permite el
movimiento de las bandas las cuales transportan el material a través de la cámara de
compostaje, permitiendo que el material se mantenga en su interior por un período de 30
días, tiempo en el cual se efectúa el proceso de compostaje; además, mueve las flechas con
aspas que permiten descompactar los residuos y la caída de los mismos a los elementos
inferiores del compostador (bandas o recipiente recolector). El movimiento de los residuos a
través de la cámara de compostaje se indica con flechas y número de días que lleva en el
compostador, ver Figura 6.9.
Figura 6.9. Flujo de los residuos al interior del dispositivo.
El dispositivo permite que el proceso de compostaje se realice de manera automática por lo
que el usuario sólo debe ajustar adecuadamente el reloj del compostador, introducir una
mezcla adecuada de residuos como se describe en 0 y retirar la composta obtenida con un
intervalo de tiempo menor o igual a los 7 días.
Dentro de las funciones del sistema de control del prototipo tenemos las siguientes:
1. Encendido diario del motor por un tiempo de dos minutos, para cumplir con el
desplazamiento de las bandas o residuos compostados al interior de la cámara de
compostaje.
2. Suministrar el aire necesario para que la descomposición aerobia de los residuos se
realice de manera adecuada.
3. Mantener la temperatura del material compostado por debajo de los 65 °C y cuando
este valor sea alcanzado, corregirlo disminuyendo la temperatura a los 60 °C.
116
4. Presentación de la temperatura del material y temperatura ambiente en el panel de
control, para que el usuario pueda verificar si el proceso de compostaje se realiza
adecuadamente.
5. Presentación de la fecha y hora en el panel de control, con el fin de que el usuario
pueda verificar si no ha ocurrido algún fallo en el funcionamiento del compostador
causado por fallas en el suministro de energía eléctrica.
A 2.3. INSTRUCCIONES DE OPERACIÓN
1. Instalar adecuadamente el compostador, de acuerdo a las recomendaciones
indicadas en el punto 0.
2. Conecte el cable del compostador a la energía eléctrica domestica, únicamente
donde haya voltajes de 110 a 120 V de corriente alterna a 60 Hz.
3. Encienda el compostador, al presionar el botón de encendido, ver Figura 3.14.
4. Ajuste la fecha y la hora en el panel de control, conforme a lo establecido en el punto
0.
5. Puede iniciar el uso del compostador.
o
Antes de introducir los residuos al dispositivo, debe prepararlos en una
mezcla de acuerdo a lo descrito en el punto 0.
6. Extraer la composta generada a los 31 días de iniciada la alimentación del
dispositivo, la extracción puede realizarse diariamente o cada siete días.
7. Efectuar el mantenimiento como lo indica el punto 0.
Para que la operación del prototipo sea la adecuada deben considerarse las siguientes
recomendaciones:
•
Al alimentar los residuos debe mantenerse un nivel máximo de 25 cm de espesor
(distancia entre la superficie de la primera banda y la superficie superior de la capa
de RSOD), ya que en caso de alimentarse mayor cantidad se corre el riesgo de
atascamientos.
•
Los residuos no deben compactarse al ser alimentados, ya que esto puede provocar
un apriete con las paredes laterales y el atascamiento del compostador.
•
Cuando vaya a introducir por primera vez residuos al compostador, debe primero
colocarlos en un recipiente y agregarles algún iniciador (ya sea suelo de huerto,
composta, levadura o estiércol seco, no utilice haces fecales de mascotas) en una
117
proporción de preferencia cercana a los 100g por cada kilogramo de residuos,
mézclelos uniformemente y posteriormente puede introducirlos al compostador.
•
Antes de introducir los residuos al compostador éstos deben ser fraccionados en
tamaños menores a 5 cm y mayores a 1 cm (de preferencia en fracciones de 1 a 3
cm).
•
El compostador debe ser alimentado diariamente con RSOD, ya que esto facilita el
paso de los microorganismos del material con mayor tiempo de ser compostado en el
dispositivo con el material recién introducido. En caso de que en uno o más días no
se alimente al compostador, debe desconectarse el motor del panel de control antes
de las 10:00pm y conectarse el día que se alimente con más residuos.
•
Si la composta obtenida está muy húmeda, una forma de secarla es al exponerla al
sol colocando una capa delgada sobre el piso. El tiempo de secado depende del
clima, pero si los días son soleados puede secarse composta húmeda (con
escurrimiento de agua) en cuatro días.
•
Si la mezcla de residuos a compostar es ácida, aplique algún elemento para
neutralizar el pH como el bicarbonato.
•
Los residuos introducidos al prototipo en el primer día de uso, deben ser mezclados
homogéneamente con un iniciador (composta madura, estiércol seco o levadura), en
una proporción de 100 g de iniciador por cada kilogramo de residuos.
A 2.4. MANTENIMIENTO
El principal mantenimiento del prototipo es el engrasado de las chumaceras. La frecuencia
de engrasado se debe realizar cada dos meses.
Cuando el compostador se deje de usar por un tiempo prolongado, deben limpiarse los
componentes al interior de la cámara de compostaje, así como sus paredes.
A 2.5. PROBLEMAS QUE PUEDEN PRESENTARSE Y SUS CORRECCIONES
1. Atascamiento del material en las bandas.
Las causas que pueden provocar este problema son: 1) el usuario comprimió los residuos al
interior de la cámara de compostaje, 2) no ha sido extraída la composta del recipiente
recolector, 3) se introdujo algún objeto (bolsas de plástico, tela u otros objetos) que obstruye
el flujo de los RSOD. Para solucionar los problemas correspondientes a cada punto
enumerado, se realiza lo siguiente: 1) descomprimir y extraer el exceso de material que limita
118
el traslado de los residuos por las bandas, 2) extraer la composta del recipiente recolector, 3)
retirar el objeto que obstruye el flujo del material.
Para solucionar el problema de
atascamiento del dispositivo se cuentan con algunas vías de acceso al interior de la cámara
de compostaje, que son: puerta de alimentación, la tapa superior del compostador, las
compuertas de entrada de aire o el acceso generado al quitar el recipiente recolector.
2. Descomposición inadecuada de los residuos:
Cuando la temperatura del material mostrada en el panel de control es menor a los 40°C o
similar a la temperatura ambiente puede asociarse a un mal proceso de compostaje. Este
problema puede deberse a diferentes causas, que son: 1) pequeña cantidad de RSOD al
interior de la cámara de compostaje, 2) No se aplicó iniciador a la primera mezcla de
residuos introducidos al compostador, 3) Bajas temperaturas del ambiente y 4) RSOD secos.
Para solucionar los problemas correspondientes a cada punto enumerado se realiza lo
siguiente: 1) esperar a que la cantidad de material al interior de la cámara de compostaje sea
mayor, 2) Aplicar algún iniciador al material compostado, 3) Disminuya el flujo de aire a
través de la cámara de compostaje al disminuir la apertura de las compuertas de aire, 4)
agregue agua a los RSOD.
A 2.6. AJUSTE DE LA HORA Y LA FECHA DEL RELOJ
El ajuste de la fecha y la hora debe realizarse cuando es desplegada la información en el
LCD (ver Figura 6.10), cuando esto suceda presione el botón seleccionar para que
seleccione el registro que desea modificar. Una vez seleccionado el registro modifique su
valor con el botón incrementar, y ponga el valor deseado de acuerdo a la fecha y hora
actuales. Cuando termine de realizar los ajustes seleccione el registro de los segundos
manténgalo ahí, cuando los segundos comiencen a incrementarse puede presionar el botón
reiniciar para que el sistema de control realice las funciones para las cuales fue diseñado.
119
Figura 6.10. Panel de control y desplegado de la fecha y hora en el LCD.
A 2.7. PREPARACIÓN DE UNA MEZCLA ADECUADA PARA EL COMPOSTAJE
Una mezcla de residuos adecuada para realizar el proceso de compostaje debe cumplir con
ciertos factores químicos y físicos los cuales se indican en la Tabla 6.6.
Tabla 6.6. Niveles aceptables de los factores físicos y químicos para el compostaje, y los valores
óptimos.
Núm.
7.
Factor considerado
Composición inicial de la mezcla,
relación C/N (%)
8. Contenido de humedad de la mezcla
durante el compostaje (%)
9. Potencial de hidrógeno en la mezcla
inicial, pH
10. Tamaño de partícula de los materiales
(cm)
Intervalo aceptable
Valor óptimo
25 a 35 / 1
30/1
40 - 60
60
6.5 a 8
7
En general de 1 a 5 cm y para
materiales leñosos 1 a 2 cm.
1- 3 cm
Por lo anterior se recomienda el fraccionamiento de los residuos antes de ser introducidos al
compostador, además de hacer una mezcla que permita un nivel adecuado con respecto a la
relación carbono: nitrógeno (C:N), contenido de humedad y potencial de hidrógeno (pH).
Para el caso de la relación C/N y contenido de humedad debe conocerse estas propiedades
para cada material, para ello deben considerarse tablas como la Tabla 6.7, y con ayuda de la
120
Ecuación 44 y Ecuación 45 se verifica si se está cumpliendo con los valores convenientes
presentados en la Tabla 2.1.
El potencial de hidrógeno puede ser ajustado a valores aceptables al utilizar residuos con un
pH neutro o utilizar pequeñas cantidades de materiales ácidos. Cuando la mayor cantidad de
los residuos a compostar tienen un pH ácido, el pH se puede ajustar al mezclar los residuos
con bicarbonato.
Om
∑v"w+o!" c100 f V<" gr?"
∑v"w+oD" c100 f V" gr?"
Ecuación 44
Donde:
R: Relación carbono nitrógeno C/N de la mezcla (adim.)
!" : Cantidad de carbono en el material i (%)
D" : Contenido de nitrógeno en el material i (%)
?" : Masa del material i (kg)
V" : Contenido de humedad del material i (%)
Donde:
∑v"w+ ?" V"
VX m
∑v"w+ V"
Ecuación 45
WT: Humedad de la mezcla (%)
?" : Masa del material i (kg)
V" : Contenido de humedad del material i (%)
121
Tabla 6.7. Propiedades de los RSOD.
RSOD
Tipo de
Valor
Razón
C/N
Peso a
peso
Humedad
%N
Contenido
Peso seco
en % (peso
húmedo)
Residuos de cultivos y frutas / verdura – residuos procesados
Cáscara de manzana
Típica
48
88
1.1
Café molido
Típica
20
Mazorca de maíz
Rango
56-123
9-18
0.4-0.8
Promedio
98
15
0.6
Arroz con cáscara
Típica
42
71
1.2
Papas rebanadas
Típica
18
78
Residuos de frutas
Rango
20-49
62-88
0.9-2.6
Promedio
40
80
1.4
Cáscara de la papa
Típica
25
1.5
Jitomate residuos
Típica
11 a
62
4.5
procesados
Productos de verdura
Típica
19
87
2.7
Residuos de verdura
Típica
11-13
2.5-4
Basura residuos de
Típica
14-16
69
1.9-2.9
alimentos
Recortes de pasto
Rango
9-25
2.0-6.0
Promedio
17
82
3.4
Suelto
Típica
Compactado
Típica
Hojas
Rango
40-80
0.5-1.3
Promedio
54
38
0.9
Sueltas y secas
Típica
Compactadas y mojadas
Típica
Recortes de maleza
Típica
10-25
80
Densidad de la
masa
3
kg/m
925
330
770
914
940
178 - 237
297- 475
159 – 178
237 – 297
220
122
ANEXO 3. MODELO DEL COMPOSTAJE
A 3. MODELO DEL COMPOSTAJE
Un diagrama generalizado que muestra la interacción de los diferentes factores que
intervienen en el proceso de compostaje es el que se muestra en la Figura 6.11 [23].
Figura 6.11. Diagrama generalizado del proceso de compostaje.
A 3.1. PARÁMETROS FÍSICOS Y QUÍMICOS IMPORTANTES EN EL MODELADO DEL PROCESO.
Ecuación química general de reacción en el proceso de compostaje [20]:
!' 4 GM ½a b „
4n b p f 2# f 3$
p f 3$
4, G b $D4… G, h n!G, b
4
2
Determinación de la porosidad (ε) [12]:
Donde:
¾m
µ¿
µ;
À¶ ¶
m1f
m1f
µX
µX
Ài º¶
ó
¾ m1f
`N
À;
Ecuación 46
¾: Porosidad (Adim.).
µ¿ : Volumen vacío (comprende al volumen ocupado por el agua y el aire)(m3)
µÂ : Volumen ocupado por los sólidos (m3)
µX : Volumen total (m3)
123
À¶ : Peso unitario del montón del material a ser compostado, peso húmedo por
unidad de volumen (kg/m3)
¶ : Contenido fraccional de los sólidos de la mezcla (adimensional)
º¶ : Gravedad específica de la mezcla de sólidos (adimensional)
Ài : Peso unitario del agua (kg/m3)
`N : Densidad de real de los residuos (kg/m3)
À; : Gravedad específica (kg/m3)
Densidad real de los residuos:
`N m
Donde:
Y >;
100
Ecuación 47
`N : Densidad real de los residuos (kg/m3)
Y : Peso del bulto (kg/m3)
>; : Materia seca (%)
Determinación del FAS (volumen de aire libre) [12]:
) m
Donde:
µÃ
µ; b µi
À¶ ¶ À¶ c1 f ¶ g
m1f
m1f
f
µX
µX
Ài º¶
Ài
ó
) m ¾c1 f 5Ä>‡$n$g m „1 f
Ecuación 48
Y >; >;
…
À; 100
¾: Porosidad (adimensional).
µÃ : Volumen ocupado por el aire (m3)
µÂ : Volumen ocupado por los sólidos (m3)
µi : Volumen ocupado por el agua (m3)
µX : Volumen total (m3)
Y : Peso de los residuos (kg/m3)
>; : Materia seca (%)
124
Determinación de los SVB [12]
µÅ m Ɵ¡£ µŸÂ¡£ ŸÂ¡£ lŸÂ¡£
Donde:
Ecuación 49
µÅ: Sólidos volátiles biodegradables (g o kg).
Ɵ¡£ : Coeficiente de degradabilidad (%)
µŸÂ¡£ : Contenido de sólidos volátiles (%)
ŸÂ¡£ : Fracción de sólidos en peso seco (%)
lŸÂ¡£ : Peso húmedo de los residuos sólidos orgánicos domésticos (kg)
Contenido de sólidos volátiles en los residuos sólidos orgánicos domésticos, a compostar en
el reactor.
µŸÂ¡£ m µÅ& b µDÅ&
Donde:
Ecuación 50
µÅ& : Fracción de sólidos volátiles biodegradables en los RSOD (adim.), se
considera de 1.
µDÅ& : Fracción de sólidos volátiles no biodegradables en los RSOD (Adim.), se
considera de 0.
µŸÂ¡£ : Contenido de sólidos volátiles (%)
A 3.2. VELOCIDAD DE DEGRADACIÓN DE LOS RSOD
Modelo cinético de degradación del substrato planteado por Haug [19] y [21]
$µÅ
m ÇÆ XcÈ';®g µÅcÈ';®g b Æ Xc;ÉÊig µÅc;ÉÊig Ë ) cRg)+ cG, g), c4, Gg)- c)g
$¦
Ecuación 51
Donde:
aÂÌJ
:
a®
Razón del consumo de los sólidos volátiles biodegradables (masa/tiempo).
Æ XcÈ';®g : Constante de degradación de los SVB lentamente (Æ XcÈ';®g m 0.075 ${n+ )
Æ Xc;ÉÊig : Constante de degradación de los SVB rápidamente (Æ Xc;ÉÊig m 0.01 ${n+)
µÅcÈ';®g : Masa de los SVB de degradación rápida en el reactor o alimentado (g o kg).
µÅc;ÉÊig : Masa de los SVB de degradación lenta en el reactor o alimentado (g o kg).
125
) cRg: Factor de corrección por el afecto de la temperatura en la degradación de los
SVB (adim.)
)+ cG, g: Factor de corrección por el afecto del oxígeno en la degradación de los SVB
(adim.)
), c4, Gg: Factor de corrección por el afecto de la humedad en la degradación de los
SVB (adim.)
)- c)g: Factor de corrección por el afecto del espacio de aire libre (FAS), en la
degradación de los SVB (adim.)
Efecto de la temperatura en la degradación de los SVB, corrección de la ecuación por efecto
de la temperatura realizada por Arrhenius presentada por [13].
) cRg m ÆaŸ+ Ç!+ cXXŸ,g f !, cXXŸ,g Ë
Ecuación 52
Donde:
ÆaŸ+: Es la constante de degradación ideal obtenida de estudios
de respirometría (0.0126)
RO2: Temperatura de referencia (RO2 m 20 °!)
RO2: Temperatura óptima para el proceso de degradación
(RO2 m 60 °!)
T: Temperatura del substrato (°C)
!+ , !,: Coeficientes de temperatura de Arrhenius !+ m 1.066, !, m
1.21
Efectos de la variación de la humedad en la degradación de los SVB, función empírica
presentada por Haug (1993) [13], para el compostaje de biosólidos:
), c4, Gg m
1b
1
Ecuación 53
‡ o+ž.”.c+Îg­ž.”,r
Donde:
V: Contenido de humedad de los RSOD (adim.)
126
Efecto de la concentración del oxígeno en el reactor, ecuación del tipo Monod, presentada
por [13].
)+ cG, g m
µG:HG2
µG:HG2 b 2
Ecuación 54
Donde:
µG:HG2: Porcentaje de oxígeno en el volumen de aire de salida del
reactor (%).
µG:HG2 > 6 % Para evitar que la degradación de los residuos sea
anaerobio.
Efecto de la FAS en los residuos compostados del tipo Monod, presentada por Haug (1993).
)- c)g m
Donde:
1
1
Ecuación 55
b ‡ o,-.”žÏ·ÈI­-..Ð.Ïr
): Espacio de aire libre
A 3.3. COMPORTAMIENTO DE LA POBLACIÓN MICROBIANA EN EL TIEMPO
Ecuación de Monod [3]
$l
$
ƶ l
m Ѷ sf t f ư l m Ѷ sf
t f Æ° l
$¦
$¦
8 b 
Ecuación 56
Donde:
aÂ
:
a®
Razón de utilización del sustrato (masa/volumen tiempo)
aÒ
:
a®
Razón de crecimiento de microbios (masa/volumen tiempo)
l: Concentración de la masa microbiana (masa/volumen)
8¶ : Coeficiente de utilización máxima, máxima razón de utilización del
substrato a alta concentración de substrato (masa del substrato/masa
de microorganismos por día)
8; : Coeficiente de velocidad media, masa/volumen
127
8°
: Coeficiente de respiración endógena, tiempo-1 o masa de
respiración microbiana/masa de microbios por el tiempo.
Ѷ : Coeficiente de crecimiento de campo, (masa de microbios / masa
del substrato)
Razón de crecimiento específico (Ó) [3].
$l
ƶ 
Ó m $¦ m Ѷ sf
t f Æ°
l
8 b 
Ecuación 57
Donde:
Ó: Razón de crecimiento específico
A 3.4. CAMBIO DE LA HUMEDAD CON RESPECTO AL TIEMPO
Comportamiento de la humedad del material compostado [19]
º' o4; cR' g f 4; cRM gr f dԐ ¡/ÂÌJ
$?
m
$¦
`a µN
$cµÅg
$¦
Ecuación 58
Donde:
a˜Õ
:
a®
Razón de cambio de la humedad (masa de agua/masa de aire
seco por el tiempo ó kg H2O/kg de aire seco día)
º' : Flujo de aire seco (kg de aire seco/dia)
4; cR' g: Contenido de humedad en el aire a temperatura ambiente (kg
de agua /kg de aire seco)
4; cRM g: Contenido de humedad en el aire a la temperatura de salida
del reactor (kg de agua /kg de aire seco).
dԐ ¡/ÂÌJ
: Cantidad de agua generada por cada cantidad de SVB
degradada en un tiempo determinado (kg H2O/kg de SVB).
`a : Densidad de los RSOD compostados en peso seco (kg/m3).
µN : Volumen de trabajo del reactor (m3).
128
A 3.5. CAMBIO DEL CONTENIDO DE OXÍGENO CON RESPECTO AL TIEMPO
Comportamiento de la concentración de oxígeno en el material compostado [19].
$l¡ º' Çl¡ ,' f l¡ ,°B"a Ë f d¡ /ÂÌJ
m
$¦
µN ¾`' cRg
$cµÅg
$¦
Ecuación 59
Donde:
l¡ : Es la concentración de oxígeno (kg O2/kg de aire seco)
º' : Flujo de aires seco (kg de aires seco/día)
4; cR' g: Contenido de humedad en el aire a temperatura ambiente (kg
de agua /kg de aire seco)
l¡ ,' : Concentración de oxígeno en el aire(kg O2/kg de aire seco)
l¡ ,' : Concentración de oxígeno en el aire que sale del reactor (kg
O2/kg de aire seco).
¾: Porosidad del material compostado (kg O2/kg de aire seco)
d¡ /ÂÌJ : Cantidad de oxígeno consumido por la degradación de los
SVB (kg O2/kg de SVB).
`' cRg: Densidad del aire seco a la temperatura de salida del
compostador (kg/m3).
µN : Volumen de trabajo del reactor (m3).
A 3.6. BALANCE TÉRMICO
Modelo del balance de calor generalizado (utilizado por van Lier et al., 1994; Stombaugh and
Nokes, 1996; Das and Keneer, 1997; VanderGheynst et al, 1997; Mohee et al., 1998;
Haggings and Walker, 2001, Citados por [19]).
$R º4" f
m
$¦
$cµÅg
4M f º4Ê f ÖcR f R' g
$¦
>#
Ecuación 60
Donde:
T: Temperatura del material compostado (°C)
R' : Temperatura del ambiente (°C)
129
º: Razón de flujo del aire (kg/s)
4" : Entalpia del aire de entrada (kJ/kg)
4 : Entalpia del aire de salida (kJ/kg)
4M : Calor de combustión del substrato (kJ/kg)
µÅ: Masa de los sólidos volátiles biodegradables (kg)
Ö: Coeficiente de transferencia de calor total (kW/m2 °C)
: Área de la superficie del reactor (m2)
130
ANEXOS 4. ARTÍCULO PUBLICADO
ARTÍCULO ACEPTADO PARA EL VII CONGRESO INTERNACIONAL EN
INNOVACIÓN Y DESARROLLO TECNOLÓGICO.
131
CIINDET 2009
VII Congreso Internacional en Innovación y Desarrollo Tecnológico,
7 al 9 de octubre de 2009, Cuernavaca, Morelos., México.
Diseño, construcción y prueba de un prototipo automático
para compostaje
R. Longoria Ramírez, J. Torres Sandoval y J. L. González R. Sandoval, del CENIDET
Resumen:
Abstract:
En este trabajo se presenta el diseño, la
construcción y algunos resultados de la prueba
de funcionamiento realizada a un prototipo
automático para preparar composta.
El prototipo realiza el compostaje de los residuos
sólidos orgánicos de manera automática, su
diseño basado en las necesidades de
tratamiento de los residuos generados en los
hogares y a los requerimientos del proceso de
compostaje para
efectuarlo
de manera
adecuada.
Este dispositivo tiene la capacidad de procesar 3
kg diarios de residuos sólidos orgánicos. Los
residuos introducidos al prototipo permanecen en
el compostador por un tiempo de 30 días,
período en el cual se transforman en composta.
El control del prototipo se realiza con un
microcontrolador y sus funciones monitorear la
temperatura y disminuirla cuando rebasa los
65°C, airear los residuos frecuentemente,
mezclar el material para uniformizar la
descomposición y el movimiento desde la
alimentación hasta la salida del dispositivo, para
tener un procesamiento continuo de los residuos.
El resultado de la prueba de compostaje fue
obtener composta de color pardo obscuro, sin
malos olores, con temperaturas al final del
proceso cercanas a la ambiente, indicadores que
suponen una composta biológicamente estable.
In this work we present the design, construction
and some functioning test results of an automatic
prototype to prepare compost.
The prototype fulfils the compost process of the
solid organic residues in an automatic manner, its
design is based on the treatment needs of
domestic residues generated at home and, on
the requirements of the compost process itself to
be carried out in a suitable way. This device has
capacity to process 3 kg per day of solid organic
residues.
The residues introduced to the prototype remain
inside for a period of 30 days, time in which they
are transformed into compost.
The control of the prototype is achieved with a
microcontroller and its functions are to keep the
temperature at levels <65°C, to provide the
needed
air
for
the
residues
aerobic
decomposition, to mix the material, in order to get
its uniform decomposition, and to move de
material from the entrance up to the exit of the
device.
The objective of the compost process was to
obtain a dun obscure material, without smells, at
room temperature; all of these conditions were
indicators of a stable compost.
Palabras
clave:
composta,
prototipo
automatizado, residuos sólidos orgánicos.
_______________________________________________
J. Torres Sandoval, e-mail:torresjulio06mk@cenidet.edu.mx.
Dr. R. Longoria Ramírez J., e-mail: rlr@cenidet.edu.mx
L. González R. Sandoval, e-mail: glezrubio@cenidet.edu.mx
CENIDET, Avenida Palmira y Apatzingán s/n, Colonia Palmira,
C.P. 62 490, Cuernavaca, Morelos, México.
Keywords: compost, automatic prototype, solid
organic residues.
Introducción
México, al igual que otros países, enfrenta
grandes retos en el manejo integral de sus
residuos sólidos municipales. De acuerdo a la
Secretaría del Medio Ambiente y Recursos
Naturales (SEMARNAT), la generación nacional
estimada en el año 2000 de residuos sólidos
municipales (RSM) fue de 84,200 toneladas
diarias, de las cuales el 50 % fueron dispuestas
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en tiraderos a cielo abierto sin recibir tratamiento,
lo
que
generó
fuertes
problemas
de
contaminación [1]. Para el año 2000, en México
la cantidad promedio de residuos sólidos
generados por persona fue de 1 kg [1].
La composición de los RSM es de origen
orgánico en un 52 %, generándose el 70 % de
los RSM en los hogares, de acuerdo a estudios
realizados por la Organización para la
Cooperación y Desarrollo Económico (OCDE) en
México en el año 2001[2]. De acuerdo a
información de la SEMARNAT, entre los residuos
sólidos orgánicos domésticos (RSOD) más
comunes se encuentran los de comida y
jardinería que ocupan el 45 % del total de los
RSM [1].
De acuerdo a lo anterior se tienen problemas
muy fuertes de contaminación. Esto sirvió como
justificación para plantear el diseño de un
dispositivo compostador que pudiera procesar
los residuos sólidos orgánicos generados
diariamente en los hogares, que para familias
típicas de cinco integrantes quienes generan
alrededor de 3 kg diarios.
Algunas de las ventajas del dispositivo son: que
utiliza la técnica del compostaje aerobio que es
una de las técnicas más recomendadas para el
tratamiento de los residuos sólidos orgánicos [2]
y que permite aprovechar el producto final
obtenido (composta) como enmienda para el
mejoramiento del suelo o como material para las
plantas; otra ventaja es que se evita la
contaminación
y fauna nociva por la
descomposición de los residuos, además de
disminuir los gastos de transporte de los RSOD
ya que son tratados en el lugar donde se
generan.
Actualmente en México se comercializan
dispositivos compostadores que requieren de la
intervención del usuario, para lograr un proceso
de compostaje adecuado o en caso contrario se
crean
problemas
de
malos
olores,
descomposición inadecuada de los residuos,
contaminación del medio ambiente o del suelo
debido a la baja calidad del producto final
obtenido (composta).
El compostaje es definido como un proceso
bioquímico de descomposición aerobia de los
residuos sólidos orgánicos, donde participan
microorganismos que transforman la materia
orgánica
heterogénea
en
un
producto
homogéneo y estable [28].
El proceso de compostaje puede ser dividido en
tres etapas diferenciadas según la temperatura
del material en el proceso: la etapa mesófila
inicial que tiene una duración aproximada de 2 a
3 días, donde la temperatura sigue un
comportamiento ascendente que inicia con la
temperatura ambiente hasta alcanzar los 40 °C;
la etapa termófila con duración variable, en ella
la temperatura se incrementa de 40 ºC pudiendo
alcanzar los 75ºC; la etapa mesófila final o de
maduración con duración variable, donde la
temperatura desciende de los 40°C hasta
alcanzar la
temperatura ambiente. En esta
última etapa se alcanza la estabilidad biológica
del material y se da por terminado el proceso
[28].
La forma en la cual se desarrolla el proceso de
compostaje depende de diferentes variables
tanto físicas como químicas; las variables físicas
principales son: el tamaño de partícula, el
espacio poroso o huecos entre el material,
dimensiones del sistema de compostaje,
aireación, temperatura y humedad del material;
las variables químicas son la relación carbononitrógeno, el contenido de oxígeno y la acidez o
alcalinidad del medio (pH) [4]. Los valores
deseados de las variables físicas y químicas,
que permiten el compostaje aerobio adecuado se
presentan en la Tabla 1.
Tabla 1. Variables de control en el prototipo [4], [5].
Factor
Tamaño de partícula
Temperatura en la etapa
termófila
Humedad del material
Oxígeno
Relación C:N
pH
Recomendado
1 a 2 cm
40 a 65°C
40 al 60 %
15 a 21% en el aire
30:1
5.5 a 8.5
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Materiales y método
El diseño del prototipo se plantea para el
tratamiento los residuos de origen vegetal
principalmente. Sin embargo será posible tratar
residuos de origen animal, aunque esto no se
recomienda, debido a que se pueden presentar
microorganismos de difícil eliminación y ser
peligrosos para la salud humana o animal.
Otro de los requerimientos del prototipo, es que
los residuos a tratar deben ser fraccionados en
tamaños menores a los 5 cm, siendo preferente
fracciones de 1 a 2 cm.
Al compostar los residuos sólidos orgánicos en el
prototipo, se tiene un flujo de los residuos que
inicia con la introducción del material a la cámara
de compostaje a través de la puerta de
alimentación, quedando sobre la primera banda
(sección uno). La banda se desplazara 133 mm
por día permitiendo que el material permanezca
por un periodo de 7.5 días antes de caer a la
segunda banda, en este tiempo se espera se
efectúen las dos primeras etapas del proceso de
compostaje, la etapa mesófila y termófila. La
primera flecha con aspas ubicada al final de la
primera banda permite desmenuzar y facilitar la
caída del material a la siguiente banda (Figura
2).
La segunda banda de la cámara de compostaje
recibirá el material que cae de la primera banda y
lo transporta 95 mm por día, lo que permitirá
mantener los residuos por un periodo de 10.5
días antes de caer a la tercera banda. La flecha
con aspas ubicada al final de la segunda banda
realiza la misma función que la anterior.
Los residuos que caen a la tercera banda son
transportados a 83 mm por día permitiendo que
el material permanezca durante 12 días antes de
caer al recipiente recolector, al final de la banda
también se cuenta con una tercera flecha con
aspas que realiza la misma función que la
primera.
El material que cae de la tercera banda es
recibido por un recipiente de recolector en el cual
se almacena el producto final del proceso y
cuenta con la capacidad para recibir el material
procesado durante siete días. En total el proceso
de compostaje tendrá una duración de 30 días.
Figura 1. Flujo del material atreves de la cámara de compostaje.
Diseño del prototipo
El prototipo diseñado cuenta con diferentes
partes que son: (1) puerta de alimentación, (2)
cámara de compostaje (con tres secciones), (3)
Bandas transportadoras (Tres bandas), (4)
Flecha con aspas que mueven y mezclan los
residuos (tres flechas), (5) Extractor, (6)
Compuertas de apertura para la entrada de aire
(tres entradas de aire), (7) Recipiente recolector,
(8) Soporte o chasis, (9) Motor y sistema de
transmisión, (10) Placa recolectora de líquidos
lixiviados. En la Figura 1 se muestra un dibujo
del prototipo, en el cual se observa el interior de
la cámara de compostaje.
Figura 2. Partes del prototipo.
El motor a seleccionar debe ser de baja
velocidad y se escogió el sistema de transmisión
por cadenas para permitir un buen control y
precisión en el desplazamiento de las bandas y
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evitar el deslizamiento. Además permitirá
accionar con mayor eficiencia las flechas con
aspas y los rodillos de las bandas.
El extractor y las compuertas con las que cuenta
el dispositivo permiten disminuir la temperatura
elevada
(>65°C), y airear el material
frecuentemente tratando de suministrar el
oxígeno necesario para la descomposición
aerobia y extraer el exceso de humedad de los
RSOD (considerando que la humedad máxima
aceptada es de 60 %).
Diseño detallado
En el diseño se realizaron los cálculos para
dimensionar la cámara de compostaje en sus
tres secciones, el recipiente recolector, las
flechas, así como los cálculos para la selección
del motor, sistema de transmisión y los
rodamientos.
Las dimensiones de la cámara de compostaje
dependen de las dimensiones de cada sección,
limitadas por las bandas. El cálculo se realiza
considerando la densidad de los residuos, a la
cantidad de material que estará sobre cada
banda, y a las pérdidas durante el proceso de
compostaje, de acuerdo a lo mostrado en la
Tabla 2.
Las dimensiones del recipiente recolector se
determinan considerando también los datos
presentados en la Tabla 1.
Tabla 2. Proporción de los residuos alimentados al compostador.
Residuos
Sección 1
Sección 2
Sección 3
Recipiente
recolector
Densidad
(kg/m3)
200
300
400
700
Cantidad del
material*
(kg)
22.5
31.5
36.0
21.0
Pérdida de
masa**
(%)
0
22
47
62
*Corresponde a la cantidad de material almacenado por los
días que mantendrá a los residuos, considerando que por
cada día recibirá 3 kg. **Estos valores fueron determinados al
realizar pruebas de compostaje.
Algunos
datos
tomados
para
el
dimensionamiento de la cámara de compostaje,
se consideraron con base a los anchos de las
bandas comerciales, para las cuales se
seleccionó de 500 mm, además se definió una
longitud de la banda de 1000 mm, por ello solo
fue necesario determinar la altura la cual se
determina con la ecuación 1. El recipiente
recolector debe poderse fijar en las paredes de la
cámara de compostaje y tener un ancho similar
al espacio que hay entre la banda al final de su
recorrido y la pared de la cámara de compostaje,
por ello se selecciona una longitud de 500 mm y
ancho de 200 mm y su altura se determina con la
ecuación 1.
5 m >/:`
(1)
Donde 5 es la altura de la sección o del
recipiente de recolección (m), es el ancho de la
banda o del recipiente de recolección (m), : la
longitud de la banda o del recipiente de
recolección (m) y ` la densidad de los residuos,
3
ver Tabla 1 (kg/m ).
Las dimensiones generales del prototipo final son
una longitud de 1.3m, ancho de 0.71m y una
altura de 1.2m.
Para la selección del motor se determinó la
potencia requerida en el prototipo, que considera
la potencia necesaria para mover las bandas y
las flechas con aspas a plena carga, además de
las pérdidas en el sistema de transmisión, para lo
cual se utiliza la ecuación 2 [7].
-
Hmx
"w+
-
H"
H'"
bx v
v
_"
_"
"w+
(2)
Donde P es la potencia total requerida para
mover cada una de las flechas del sistema de
transmisión (considera a las flechas o rodillos
que accionan a las bandas, las flechas con
aspas y las pérdidas de potencia por fricción), H
es la potencia requerida para mover la banda
correspondiente (W), H' es la potencia requerida
para mover la flecha con aspas correspondiente
(W), _ es la eficiencia de transmisión por
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cadenas, se toma de 0.9, (adim.), E es el número
de transmisiones por cadenas que van desde el
motor hasta la flecha o el rodillo considerado, ver
Figura 3 (adim.), { indica la flecha o banda que
se ésta considerando.
Para determinar la potencia a vencer para mover
una banda se utiliza la ecuación 3 [8].
H m ) U m ) πnD/60
(3)
Donde H es la potencia requerida para mover la
banda a plena carga (W), ) es la fuerza de
tensión de la banda (N), U es la velocidad de
desplazamiento de la banda (m/s), E es la
frecuencia de rotación del rodillo que mueve la
banda (rpm) y D es el diámetro del rodillo (m).
El cálculo de la tensión de la banda se determina
por la ecuación 4[8].
) m 89 :< ocLM b LN+ b L gY;
H' m π)N¶ :' E' /30
(5)
Donde H' es la potencia requerida para mover la
flecha con aspas (W), )N¶ es la fuerza de
resistencia
que
oponen
los
residuos
compostados al movimiento de la flecha con
aspas (N), :' es la longitud del aspa (m) y E' es
la frecuencia de rotación de la flecha con aspas
(rpm).
Finalmente el motor seleccionado tiene una
potencia de 1/8HP (93.25W), la flecha gira con
una frecuencia de rotación de 6 rpm y la
alimentación es con corriente alterna de 110 a
120V.
Las flechas de las bandas y las flechas con
aspas fueron analizadas de acuerdo a las cargas
que actúan sobre ellas y se determinaron las
secciones criticas en cada una, con lo cual se
obtuvo el diámetro de la sección transversal de
estas secciones, utilizando la ecuación 6 [6].
(4)
b cLN, b L gYN r y LM H
Donde 89 es el coeficiente de resistencia local
en los puntos de viraje (adim.), :< es la longitud
en la proyección horizontal de la banda (m), LM
es el peso lineal del material transportado (N/m),
LN+ es el peso de las partes móviles de los
rodillos en el ramal con carga (N/m), LN, es el
peso de las partes móviles de los rodillos en el
ramal sin carga (N/m), L es el peso de la banda
(N/m), Y; es el coeficiente de resistencia al
movimiento del ramal superior de la banda
(adim.), YM es el coeficiente de resistencia al
movimiento del ramal inferior de la banda
(adim.). Los coeficientes se escogen de acuerdo
a las condiciones de trabajo de la banda y los
pesos a excepción del peso del material
transportado, estos son indicados por el
fabricante. Para nuestro caso LM corresponde al
material que transporta la banda.
La determinación de la potencia
requerida para mover la flecha con aspas se
utiliza la ecuación 5.
$m
‘
Ž

32F012 MB , b MC , b TST/ ,
(6)
πSQ
Donde d es el diámetro de la sección transversal
de la flecha (m), F012 es el factor de seguridad
(adim.), MB , MC son los momentos de flexión en
la dirección x y y respectivamente (Nm), TST/ es
el par en la sección crítica (Nm) y SQ es la
resistencia de fluencia del material (MPa).
Para la selección de los rodamientos se utilizó la
ecuación 7, de acuerdo a la duración deseada de
los rodamientos [6].
Lh m
10”
C
„
…
60n 0.6F/ b 0.5F(
(7)
Donde )' es la fuerza axial sobre el rodamiento
(N), )N es la fuerza radial en el rodamiento (N),
:< es la duración del rodamiento (h), ! es la
carga estática (N) y E es la frecuencia de
rotación de la flecha (rpm).
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Figura 3. Vista frontal del prototipo.
Figura 4. Diagrama de bloques del sistema de control.
Diseño del sistema electrónico y de control
Construcción
Para este sistema se utilizó un microcontrolador
PIC16F84 y dos sensores de temperatura
DS1624, un reloj de tiempo real DS1307
utilizando la comunicación serial I2C, ver Figura
4. El microcontrolador fue programado en
lenguaje ensamblador para monitorear la
temperatura al interior de la cámara de
compostaje. La temperatura es medida con el
sensor DS1624 y con un extractor que se
enciende
automáticamente
cuando
la
temperatura del material compostado rebasa los
65°C y se apaga cuando baja de los 60°C
(temperatura óptima para el proceso de
compostaje). El microcontrolador también activa
el motor que mueve las bandas y aspas para que
estas realicen su función, además de accionar el
extractor frecuentemente para airear el material
compostado y tratar de cubrir las necesidades de
oxígeno.
Otra de las funciones del microcontrolador, es
monitorear la temperatura ambiente y la
temperatura de los residuos mostrándolas en
una pantalla de cristal líquido, para que el
usuario pueda comprobar que el proceso de
compostaje se esté realizando de manera
adecuada.
La cámara de compostaje se construyó de
madera a la cual se le aplicó una capa de
impermeabilizante, las bandas seleccionadas
fueron de material de poliuretano anti derrapante,
el material seleccionado para flechas y ejes fue
de acero 1018(CR) al cual se le dio un
tratamiento de pintura, para el caso de las aspas
se construyeron con lámina galvanizada al igual
que el recipiente recolector, los rodamientos
seleccionados fueron del tipo SKF YAT 204-012
fijados en un soporte de fundición ovalada (FYT
504U)
con
prisioneros,
la
transmisión
seleccionada fue por cadenas con paso 40, para
el soporte y piezas que no tenían contacto con la
humedad o los residuos se utilizó acero
estructural para su construcción.
Prueba de funcionamiento
La prueba de funcionamiento del prototipo fue
realizada en un periodo de dos meses, donde
diariamente se introducían 3 kg de residuos en
las proporciones que se indican en la Tabla 3. La
primera porción de material que se introdujo a la
cámara de compostaje, fue mezclada con
composta
madura
para
inocular
los
microorganismos
que
iniciaran
la
descomposición de la mezcla. Los residuos
introducidos a la cámara de compostaje fueron
fraccionados en tamaños de 1 a 3 centímetros y
mezclados uniformemente.
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Con la mezcla se tiene una relación teórica de
C:N de 32.9, que es un factor importante en el
proceso de compostaje.
El material fue aireado por un periodo de 5
minutos con el fin de suministrar el oxígeno
requerido para la descomposición aerobia de los
residuos. El motor se mantiene por dos minutos
en operación (tiempo en el cual se alcanza el
desplazamiento deseado de las bandas)
diariamente.
Tabla 3. Proporción de los residuos alimentados al compostador.
Residuos
Proporción en la
mezcla (%)
Residuos de granos
10
Residuos de frutas
30
Residuos de verduras
30
Recortes de pastos
10
Residuos de hojas
15
Recortes de hierbas
5
Las variables medidas en la prueba son la
temperatura
en
diferentes
puntos
del
compostador, humedad relativa a la entrada y
salida del dispositivo, el peso y la humedad del
material que llega al recipiente de recolección.
También, se hicieron observaciones del
funcionamiento del prototipo.
Resultados y Discusión de Resultados
Durante la prueba de funcionamiento se tomaron
medidas de temperatura en diferentes puntos de
la
cámara
de
compostaje
que
son
representativas del material en las diferentes
etapas del proceso o días de haber sido
introducidos al prototipo utilizando un termopar
tipo K. En la gráfica de la Figura 5, se presenta la
temperatura promedio de las mediciones
realizadas durante un mes con respecto al
tiempo de avance del proceso. Las temperaturas
que fueron consideradas se tomaron cuando el
prototipo estaba con material en cada una de las
secciones de la cámara de compostaje.
El comportamiento de la temperatura del material
al interior de la cámara de compostaje permite
distinguir las tres etapas del proceso de
compostaje. La primera de ellas, etapa mesófila
inicial (temperatura <40°C), comienza con la
introducción de la mezcla de RSOD a la cámara
de compostaje y termina entre los dos y tres
días, el fin de esta etapa marca el principio de la
segunda etapa, etapa termófila (temperatura >
40 °C), la cual finaliza entre los 6 y 7 días de
haberse introducido el material a la cámara de
compostaje, la temperatura máxima alcanzada
en esta etapa fue de 53°C. Las etapas mesófila
inicial y termófila se generan en la primera
sección de la cámara de compostaje (banda uno)
y en ella se inicia la tercera etapa, etapa mesófila
final (temperatura <40°C), que principia con el
término de la etapa termófila y continúa en las
siguientes secciones (banda dos y tres) de la
cámara de compostaje.
La composta obtenida al final del proceso fue de
1.7 kg, el cual al deshidratarse en un horno de
secado quedo con una masa de 407g de
composta de materia seca. Por lo que la
humedad de la composta al salir del dispositivo
fue de 76 %.
La apariencia del producto es pardo obscuro, sin
malos olores, el cual al secarse al sol resulta en
un material fácilmente triturable y listo para ser
empacado o usado.
Algunos de los problemas observados durante la
prueba de funcionamiento fueron algunos
atascamientos del material en el prototipo y la
excesiva humedad con la cual salía al terminar el
proceso de compostaje.
El problema de la humedad excesiva, fue debida
a que los líquidos lixiviados pasaban a través de
las bandas uno y dos (las bandas presentan
perforaciones) y caen sobre el material de la
tercera banda el cual absorbió la humedad y por
su menor espacio poroso no permitió que la
humedad escapara llegando hasta el recipiente
de recolección.
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Referencias
Figura 5. Gráfica de la temperatura de los RSOD compostados en
el prototipo con respecto al tiempo de iniciado el proceso.
Conclusiones y recomendaciones
Para que el proceso de compostaje se realice
adecuadamente debe cumplirse con los
requerimientos de los factores químicos y físicos
presentados en la Tabla 1.
Al introducirse los residuos por primera vez al
prototipo, deben mezclarse con algún iniciador
para inocular los microorganismos encargados
de la degradación del material, para provocar el
inicio del proceso de compostaje.
Si al introducir el material a la cámara de
compostaje
se
compacta
provocará
el
atascamiento de las bandas.
El material obtenido al final del proceso de
compostaje
en
el
dispositivo,
presenta
características que permiten decir que se trata de
un material estable.
Para disminuir el exceso de humedad de la
composta al final del proceso es necesario
colocar un dispositivo que capte los líquidos
lixiviados y los transporte fuera del compostador,
o incrementar el tiempo de aeración.
La alimentación del compostador debe realizarse
diariamente, para evitar que la temperatura al
interior de la cámara de compostaje descienda,
provocando que el material no tenga una buena
descomposición e higienización debida a las
bajas temperaturas.
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Naturales, 2001. Guía para la gestión integral de
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Gestión para la Protección AmbientalSEMARNAT Av. Revolución No. 1425, Col.
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Universidad
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Chapingo, Chapingo, México.
139
CIINDET 2009
VII Congreso Internacional en Innovación y Desarrollo Tecnológico,
7 al 9 de octubre de 2009, Cuernavaca, Morelos., México.
Dr. Rigoberto Longoria Ramírez
Ingeniero Químico por la Universidad Autónoma
de Nuevo León. Obtuvo su doctorado en el Reino
Unido sobre estudios de reacciones químicas en
la atmósfera. Ha trabajado en el Grupo Alfa de
Monterrey, el Instituto de Investigaciones
Eléctricas y en el Centro de Ciencias de la
Atmósfera de la UNAM. Es miembro del Sistema
Nacional de Investigadores.
José Luis González Rubio Sandoval
Ingeniero Mecánico egresado del Instituto
Politécnico Nacional en 1976. Obtuvo el grado de
Maestro en Ciencias en el Centro Nacional de
Investigación y Desarrollo Tecnológico CENIDET
en 1994. Ha sido profesor de los programas de
posgrado de Mecatrónica del CENIDET desde
su inicio en 2000.
Julio Torres Sandoval
Ingeniero Mecánico Agrícola egresado de la
Universidad Autónoma Chapingo en 1998.
Investigador
del
Instituto
Nacional
de
Investigaciones
Forestales,
Agrícolas
y
Pecuarias de 1999 al 2006. Estudiante de
Maestría del Centro Nacional de Investigación y
Desarrollo Tecnológico (CENIDET) del 2006 a la
fecha.
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