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