Curso de compostaje en la UAM:

Transcripción

1 Curso de compostaje en la UAM: Etapas del proceso de compostaje Jaime Cuevas. Departamento de Geología y Geoquímica Módulo C-VI / Despacho 205. jaime.cuevas@uam.es

2 TRATAMIENTO DE RESIDUOS Métodos Biológicos. Compostaje Relevancia del método de tratamiento Parámetros del proceso Calidad del compost

3 Métodos Biológicos COMPOSTAJE: proceso controlado de transformación biológica aeróbica y termófila de los residuos orgánicos biodegradables que da lugar al compost DIGESTION ANAEROBIA: proceso controlado de transformación microbiológica anaerobia de los residuos orgánicos biodegradables que da lugar al digerido y al biogás de elevado contenido en metano.

4 relevancia del proceso: tratamiento de bioresiduos Bioresiduos: 40% del total de los residuos generados Residuos problemáticos: purines y lodos de depuradoras Afecta directamente a las estrategias de conservación del suelo

5 DIRECTIVA 2008/98/CE Biorresiduo: residuo biodegradable de jardines y parques, residuos alimenticios y de cocina procedentes de hogares, restaurantes, servicios de restauración colectiva y establecimientos de consumo al por menor, y residuos comparables procedentes de plantas de transformación de alimento Artículo 22 Biorresiduos Los Estados miembros adoptarán medidas, en la forma conveniente, y con arreglo a los artículos 4 (jerarquía) y 13 (salud y medioambiente), para impulsar: a) la recogida separada de biorresiduos con vistas al compostaje y la digestión de los mismos; b) el tratamiento de biorresiduos, de tal manera que se logre un alto grado de protección del medio ambiente; c) el uso de materiales ambientalmente seguros producidos a partir de biorresiduos.

6 bioresiduos Europa: 2500 MMt/año (40 % del total de los residuos): 40 %: agricultura y ganadería 22 %: jardines y bosques 20 %: lodos de depuración de aguas 10 %: procesado de alimentos 8 %: residuos urbanos (aprox 40 % biodegradable) PNIR: 2006 Generados vertidos 11,934,142 7,768,229 (65 %) (1995) En 2009: 50% objetivo (RD 1481/2001) < 75 %

7 LA VALORIZACIÓN DEL COMPOST Estrada de Luis, Inés Belén, Gómez Palacios, José María. Biomasa penissular

8 INFRAESTRUCTURAS DE TRATAMIENTO DE RESIDUOS BIOLÓGICOS EXISTENTES EN ESPAÑA Y CANTIDADES TRATADAS MEDIANTE (2005)

9 Compostaje Objetivos: Transformación de un residuo biodegradable en un material estable (compost): Reducción del potencial de los residuos para producir daños a la salud y al medioambiente (patógenos, contaminación de atmósfera, suelo y agua) Reducción de volumen (> 80 %); peso (> 60 %) Valorización de la materia orgánica mediante su transformación en compuestos húmicos estables: acondicionamiento y regeneración de suelos (sustitución 10% fertilizantes minerales). Este tratamiento contribuye a generar una reserva de carbono, sólamente si se consigue un compost estable: 57 kg. de CO2 equivalente por t de compost aplicada al suelo

10 A kinetic analysis of solid waste composting at optimal conditions

11 conservación del suelo Documento/informe de la comisión europea COM (2002) 179 final: Hacia una estrategia temática para la protección del suelo Identificación de los procesos de degradación: Pérdida de materia orgánica Erosión Contaminación Suelos con < 1.7 % en M.O.: riesgo de desertificación España: mapa de M.O. contenido en materia orgánica de suelos agrícolas y pastizales (INIA: 2004 en prep.) Preliminar: sobre 1270 muestras (47 % < 1.7 %)

12 Regulación Europea sobre (Bioresiduos) Biowaste (?) Cambio de enfoque Diferentes enfoques de la Comisión Europea a lo largo de los últimos años: Directiva marco de residuos; Regulación de los tratamientos biológicos Regulación en el Marco de la Estrategia Temática de la protección del suelo. Estrategia Temática sobre prevención y reciclado. Directiva Marco de Residuos revisada. Criterios de calidad

13 vertido incinerado reciclado compostado % Sweden Finland Portugal United Kingdom Tasa de tratamiento en algunos estados de la UE (2007) Eurostat (Marzo de 2009). Austria Netherlands Italy France Spain Greece Ireland Germany Denmark Belgium EU27 0

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15 El proceso de compostaje

16 Parámetros biológicos (*) Microorganismos: Bacterias aerobias y anaerobias facultativas, actinomicetos, hongos, algas y protozoos. No es necesaria su adición. Los lodos contienen varios millones por gramo. Metabolismo: El 80% de la materia orgánica se usa para producir energía (catabolismo). El calor generado está entre 30 y 40 MJ/kg de C. Los microorganismos descomponen la materia orgánica dando lugar a CO2, H2O y Humus Bacterias: % de la biomasa del compost Responsables de la mayor parte de descomposición de la M.O. y de la generación de calor.

17 AIREACIÓN HIDRÓLISIS ENZIMÁTICA

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19 Parámetros biológicos (**) Hongos: actividad limitada ºC; humedad moderada (< 50 %), toleran la escasez de nutrientes solubles. Actinomicetos: tolerancia al aumento de la temperatura y escasez de nutrientes. Actividad a ºC. Bacterias: necesitan abundancia de nutrientes Mesofílicas (< 45 ºC; óptimo a 35 ºC ): Termofílicas (45-65 ºC; óptimo a ºC)

20 Parámetros biológicos (***) Biodegradación: Se produce a distinta temperatura, a medida que evoluciona el proceso, dando lugar al crecimiento de diversas poblaciones de microorganismos: psicrofilos: (bacterias y hongos) (- 4 a 30 ºC) mesófílos: (bacterias, actinomicetos, patógenos ) (10 45 ºC) termófilos: (bacterias, actinomicetos y esporas mesófilas) (45 65 ºC) FASES DEL COMPOSTAJE

21 Fases de la descomposición aeróbica: Temperatura: control del ritmo de reacción (respiración; O2, CO2) población y crecimiento de microorganismos mesofílica (< 45 ºC) (12-24h) (Bacillus sp.; Azotobacter sp.; Pseudomonas sp.) termofílica (40-70 ºC) (días-semanas): por encima de 65 ºC se inhibe la descomposición (Bacterias y Actinomicetos termofílicos) Maduración o curado (descenso paulatino de la actividad biológica y de la temperatura; predominio de actinomicetos)

22 Tchobanglous et al. (1994)

23 Sucesión de microorganismos en la etapa termofílica: Producción de CO2 TA: Actinomicetos termófilos TB: Bacterias termófilas

24 La temperatura tiene un efecto clave en la sucesión de comunidades microbianas durante el proeso de compostaje Procesos mesofílicos: Valores relativamente bajos de biomasa microbiana + bacterias y hongos y menos actinomicetos (menos diversidad) +capacidad de utilizar lípidos y proteínas +reducción en masa de la M.O Procesos temofílicos: Induce cambios rápidos en la población bacteriana Disminuye el tiempo de curado Es más eficaz el compostaje mesofílico? higiene? Tang y col., 2007, Journal of bioscience and bioengineering, 104,

25 Qué degradan y qué producen? La hidrólisis de los sólidos es el factor que limita el compostaje de sólidos orgánicos.

26 Hacia los compuestos húmicos Mayor ritmo de degradación = mayor cantidad de carbono orgánico hidrofílico y mayor consumo de oxígeno. Los carbohidratos, aminoácidos y proteínas se van reponiendo en la fracción soluble mediante su síntesis (metabolismo bacteriano y degradación de sólidos orgánicos) Los compuestos con unidades estructurales aromáticas (i.e., compuestos fenólicos) se acumulan durante la descomposición de la M.O. soluble)

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28 Ácidos húmicos Ácidos fúlvicos Lignina

29 Cómo funciona en realidad? Pilas o almiares volteadora

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31 Seguridad en plantas de compost: Humedad: % ph neutro 55 ºC 2 semanas 65 ºC 1 semana

32 Parámetros físicos: Cómo se favorece el proceso? Temperatura (< 65 ºC) Aireación (> 10 % O2; es necesario 1g/g de M.O. biodegradable) Humedad (50-60 %) y Porosidad (f de humedad y textura): permiten la aireación Tamaño y estructura del sistema: adecuado para mantener temperatura, humedad y aireación. Temperatura: mantenimiento de un régimen de temperatura mínima de 40 ºC en 5 días con picos de temperatura por encima de los 55 ºC, al menos, 4h. (en toda la masa)

33 Aireación El exceso de humedad hace que el espesor de la película de agua que rodea la partículas sea grande (> 0.5 mm) en relación con el tamaño de poros en el sistema.

34 humedad/porosidad 1 mm Humedad óptima Exceso de humedad Porosidad: Porosidad almacén: (< 50 µm): 0.05 mm) Porosidad de transmisión: ( µm: mm) Porosidad fisural: (> 500 µm: > 0.5 mm) Cuando los poros fisurales se saturan, el espesor de la fase acuosa dificulta la difusión del oxígeno: condiciones anaerobias

35 humedad óptima Humedad óptima: Contenido en agua adecuado para mantener saturadas la porosidad almacén y la porosidad de transmisión La porosidad fisural ha de quedar disponible para la entrada de aire. Cómo podemos calcular la humedad óptima?

36 humedad óptima: potencial matricial/succión En una mezcla típica de compostaje (lodos + virutas de madera) es posible ajustar la dependencia entre el contenido en humedad y el potencial matricial (succión Ψ m ): % H2O = Ψ m (kpa); (Miller, 1989). Ψ m : Fuerza por unidad de superficie que hay que aplicar para retirar la fase acuosa de una superficie sólida de carácter hidrofílico ( tensión superficial, capilaridad)

37 humedad óptima: potencial matricial/succión Ψm : depende de la magnitud de superficie en contacto con la fase acuosa (Área/Volumen). En un sistema de poros de pequeño tamaño (r) la relación superficie/fase acuosa es muy alta y la presión de succión (negativa) elevada. Existe una relación entre la succión y el radio de poro crítico que permanece lleno de líquido: r = /- Ψ m (Miller, 1989). Microbial Ecology, 18, 59-71

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39 estructura del sistema/porosidad Empaquetamiento ligero Empaquetamiento compacto Es necesario añadir agentes estructurantes

40 Calidad del compost Compost maduro: Tiene un grado de humificación elevado y es compatible con los sistemas radiculares. Su tiempo de maduración no debe ser inferior a 1 més y su relación C/N <20 COMPOST (NUEVA DIRECTIVA): Enmienda orgánica estabilizada e higienizada obtenida por descomposición aeróbica (incluyendo fase termofílica) Compostaje: proceso controlado de transformación biológica aeróbica y termófila de materiales orgánicos biodegradables que da lugar a los tipos de enmiendas orgánicas, cuyas características se detallan el grupo 6 del anexo I (REAL DECRETO 824/2005): sobre productos fertilizantes

41 Estabilidad y madurez del compost Producción de compost o reducción del volumen de residuos? continuidad de la actividad microbiana (DBO, Carbono hidrosoluble, CO2, cosumo de oxígeno) generación de malos olores (amoniaco) autocalentamiento estabilización de las propiedades químicas: intercambio catiónico, ph, materia orgánica, sólidos volátiles máximo grado de humificación (empobrecimiento en ácidos fúlvicos) ausencia de sustancias fitotóxicas (pruebas de germinación y crecimiento) La aplicación agrícola de un compost inmaduro implica: disminución del oxígeno en el sistema radicular aumento de la temperatura del suelo bloqueo del nitrógeno en el suelo (altas relaciones C/N)

42 López y col. (2001). Planta de Villarasa (Huelva). Invest. Afr. Prot. Veg., 16, Autocalentamiento 7 semanas de volteo 2-5 meses de maduración

43 Pérdida de materia orgánica (%) Compostaje de estiercol + paja/serrín (Quebec y Pensilvania) Sittler Quality Windrow Turners Model #507 Pérdida de nitrógeno (%) Sustainability of Modern Composting: Intensification Versus Costs & Quality William F. Brinton, Jr., Woods End Research Laboratory. Biocycle (1998)

44 Recogida selectiva Recogida mixta

45 Metales pesados, recogida mixta y recogida selectiv Pb Pb BOE Pb Clase I ppm

46 Biocycle nov. 2007