Control de temperatura y humedad para la maduración del proceso de compostaje orgánico

[Escriba texto] Página i

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN CONTROL Y

AUTOMATIZACIÓN

CONTROL DE TEMPERATURA Y HUMEDAD PARA LA

MADURACIÓN DEL PROCESO DE COMPOSTAJE

ORGÁNICO

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN

CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

P R E S E N T A:

ROJAS NOVA OMAR ENRIQUE

SARABIA AGUIRRE MARTHA PATRICIA

SANTOS RAMÍREZ ELIOT ELJAIR

ASESORES:

ING. ANTONIO ÁNGELES ROCHA

M EN C. MIRIAM GÓMEZ ÁLVAREZ

M. EN C. LEONARDO GABRIEL VEGA MACOTELA

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA ii AGRADECIMIENTOS

Omar

A Dios

Por ser mí fe en donde la ciencia no tiene respuestas.

A mis padres Carlos Enrique y Reyna

Por darme el mayor regalo, la vida; Por regalarme parte de su vida y

acompañarme en este camino de logros y caídas, de risas y llanto, por darme

su infinito amor y comprensión.

A mis hermanas Monserrat y Adriana Gabriela

Por ser parte de este camino, ser mis compañeras de desvelos y ser grandes

consejeras.

A mi tío Gerardo Nova

Por ser mi gran maestro y arquitecto de este proyecto llamado educación.

A Paty

Por brindarme su amor y comprensión, por ser un gran apoyo en los

momentos difíciles y compartir sonrisas en los logros.

A mi compañero Eliot

Por ser parte de este proyecto y brindarme su amistad.

A mis maestros Antonio Rocha, Gabriel Macotela y Miriam Gómez

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA iii

Patricia

A Dios

Por haberme acompañado y guiado a lo largo de mi vida; Por ser mi

fortaleza, mi apoyo y mi luz para seguir adelante.

A mis padres Francisco y María

Por apoyarme siempre; Por haberme dado la oportunidad y el apoyo de

estudiar esta carrera, también por brindarme confianza, cariño y compresión

en cada momento de mi vida.

Gracias por llenar mi vida de alegrías y amor.

A mi hermana Monse

Por ser parte importante de mi vida, por su paciencia y motivación

constante y por todos los grandes momentos que hemos compartido.

A Kike

Quien siempre me ha brindado apoyo y confianza desde el día en que lo

conocí; Por su compañía y disposición a siempre brindar una sonrisa; pero

sobre todo por su paciencia y amor incondicional.

Al Ingeniero Antonio Ángeles Rocha

Por creer en mis compañeros de tesis y en mí. Por habernos brindado su

amistad, compartir sus conocimientos y experiencias y por habernos guiado

desde el inicio de nuestra tesis profesional. Le agradezco también por

habernos abierto las puertas de su casa y familia, quienes siempre nos

brindaron apoyo y amistad.

Al Maestro Leonardo Gabriel Vega Macotela

La confianza apoyo y dedicación que nos brindó. Gracias por la

oportunidad dada de trabajar a su lado y por los conocimientos

compartidos, pero sobre todo por su amistad.

A la Maestra Miriam Gómez

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA iv

Eliot

A mis padres

Que con su paciencia y amor lograron que saliera adelante con cada adversidad que

se ponía en frente. Gracias papá y mamá por sus esfuerzos ahora me toca a mí

afrontar el reto que el destino me depara y saber tomar decisiones que beneficien a

las personas que están a mi alrededor.

A mis hermanas Samantha, Hannya, y Darynka

Por quererme acompañarme, apoyarme, corregirme y alentarme a conseguir mis

metas. Gracias por todo las quiero mucho.

A mis compañeros Paty y Omar

Que fueron artífices clave en este proyecto que demostró trabajo en equipo y

solidaridad no olvidare esos momentos de trabajo y esfuerzo.

A mis profesores Miriam Gómez, Antonio Rocha, Gabriel Macotela, Edgar Maya

Que debido a su paciencia, enseñanzas, cariño, perseverancia y gran sentido de

profesionalismo lograron hacer de mí una persona de valía y que si no hubiera

conocido a estos formidables maestros no hubiese entendido el significado de estudiar

una carrera y atreverse a cuestionar y entender los diferentes puntos de vista y

criterios del ser humano.

“Hay que estar dispuestos a hacer hoy lo que otros no quieren para poder lograr mañana lo que

otros no pueden”

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA v ÍNDICE

Página.

RESUMEN 1

ABSTRACT 2

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 3

JUSTIFICACIÓN 4

OBJETIVO GENERAL 5

OBJETIVOS ESPECIFICOS 5

INTRODUCCIÓN 6

CAPÍTULO 1 ESTADO DEL ARTE 8

1.1 Biodegradabilidad de la materia orgánica 8

1.2 Métodos de biodegradabilidad de la materia orgánica 8

1.2.1 Aerobia 9

1.2.1.1 Técnicas de compostaje aerobio 10

1.2.1.2 Compostaje en hileras 10

1.2.1.3 Pilas estáticas 12

1.2.1.4 Reactores Cerrados 13

1.2.2 Anaerobia 13

1.2.3 Vermicomposta 14

1.3 Biología del proceso de Compostaje 14

1.4 Microbiología del compostaje 14

1.4.1 Bacterias 15

1.4.2 Actinomicetos 15

1.4.3 Protozoos 16

1.4.4 Hongos 16

1.4.5 Organismos Patógenos 16

1.5 Formación de la composta 17

1.5.1 Latente 18

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA vi

1.5.3 Termofílica 19

1.5.4 Maduración 19

1.6 Parámetros que influyen en la elaboración de composta 19

1.6.1 Materia prima inicial 20

1.6.2 Relación Carbono - Nitrógeno (C / N ) 20

1.6.3 Humedad 21

1.6.4 Temperatura 22

1.6.5 Aireación 22

1.6.6 Potencial de Hidrógeno (pH) 24

1.6.7 Mezcla / Volteo 24

1.6.8 Condiciones climáticas 24

1.7 Características del producto 25

1.7.1 Fisiología vegetal 26

1.7.2 Acción física 27

1.7.3 Acción química 27

1.7.4 Acción biológica 27

1.8 Beneficios 27

CAPÍTULO 2 MÉTODOS Y MODELADO 29

2.1 Ubicación 29

2.2 Condiciones del proceso 29

2.2.1 Acopio de la materia prima 30

2.2.2 Mezcla de los insumos 31

2.2.2.1 Diseño y montaje de las pilas 31

2.2.3 Humectación 31

2.2.4 Volteos 31

2.2.5 Maduración 31

2.2.6 Cribado 32

2.2.7 Envasado 32

2.2.8 Venta 32

2.3 Monitoreo de las pilas 32

2.4 Selección de los parámetros a controlar 35

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA vii 2.6 Modelado del sistema de humedad y temperatura 36

2.6.1 Principios de la termodinámica 36

2.7 Modelado del sistema 39

2.7.1 Linealización de ecuación 43

2.7.2 Obtención de la función de transferencia 45

2.7.3 Simulación en lazo abierto 51

2.7.4 Parámetros y condiciones del proceso 51

2.7.5 Obtención de la función de los elementos de medición 53

2.7.6 Transmisor de temperatura 53

2.7.7 Transmisor de flujo 55

2.7.8 Válvula de control de flujo 56

CAPÍTULO 3 SIMULACIÓN Y PROPUESTA CONTROL DEL SISTEMA DE

TEMPERATURA 58

3.1 Tipos de sistemas de control 58

3.2. Sistemas de Control de Lazo Abierto (Openloop) 58 3.3. Sistemas de Control de Lazo Cerrado (Feedback) 58 3.4 Controlador Proporcional Integral Derivativo (PID) 59

3.4.1 Controlador proporcional (P) 60

3.4.2 Controlador integral (I) 60

3.4.3 Controlador derivativo (D) 61

3.5 Sintonización del sistema retroalimentado por Ziegler-Nichols ₆₁

CAPÍTULO 4 IMPLEMENTACIÓN 66

4.1 Desarrollo del sistema 66

4.2 Descripción de la instrumentación del sistema 68

4.2.1 Principio de funcionamiento del sensor de humedad 68

4.2.2 Principio de funcionamiento del sensor de temperatura 72

4.2.3 Filosofía de Operación 77

4.2.4 Diagrama de tuberías e instrumentación 79

CAPÍTULO 5 ESTUDIO ECONOMICO 81

5.1 Ciclo de un proyecto (conceptualización) 82

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA viii 5.1.2 Estudio de prefactibilidad/factibilidad 82

5.1.3 Ingeniería básica 83

5.1.4 Ingeniería de detalle 83

5.1.5 Licitaciones/subcontratos 83

5.2 Ciclo del proyecto 83

5.2.1 Construcción 83

5.2.2 Pruebas 84

5.2.3 Evaluación expost 84

5.2.4 Término o cierre 84

5.3 Formato para la planeación y evaluación del proyecto 84

5.3.1 Nombre de los coordinadores de proyecto 84

5.4 Avances y estrategias del proyecto 85

5.5 Costos de materiales 86

5.6 Formato de planeación del proyecto. 87

5.6.1 Calendario de actividades del proyecto 87

5.6.2 Previsiones de evaluación del proyecto 88

5.6.3 Gráfica de Gantt del proyecto 90

5.6.4 Costos de cada actividad (no se incluyen los materiales) 92

5.7 La evaluación económica 93

5.7.1 Conceptos previos 93

5.7.2 Clasificación de las inversiones 93

5.7.3 Capital de trabajo (según el ciclo productivo) 94

5.7.4 Financiamiento del proyecto 94

5.7.5 Flujos de fondos de un proyecto 94

5.7.6 Cálculo de la depreciación 95

5.8 Técnicas de evaluación 96

5.8.1 Algunos alcances matemáticos para comprender la tasa

de descuento. 96

5.8.2 Valor actual neto (VAN) 97

5.8.3 Tasa interna de retorno (TIR) 98

5.8.4 Tasa interna (TIR) Versus valor actual neto (VAN) 99

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA ix

RECOMENDACIONES 104

REFERENCIAS 106

GLOSARIO 108

ANEXO A 110

ANEXO B 111

ANEXO C 120

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA x íNDICE DE TABLAS

Página.

Tabla 1. Producción de excreta 3

Tabla 1.1 Temperaturas y tiempos para la destrucción de patógenos 17

Tabla 1.2 Relación de moléculas del carbón-nitrógeno 21

Tabla 1.3 Materiales que contienen carbón y nitrógeno 21

Tabla 1.4 Composición Media del abono orgánico en % 25

Tabla 1.5 Abono Orgánico vs Estiércol en % 25

Tabla 2.1 Material orgánica utilizada 30

Tabla 2.2 Estudios de la aplicación de monitoreo de procesos de compostaje 32

Tabla 2.3 Definición de entradas y salidas 46

Tabla 2.4 Definición de las variables del proceso 51

Tabla 3.1 Valores de Kp, Ti y Td de acuerdo a la sintonización por

Ziegler-Nichols ₆₂

Tabla 4.1 Relación de temperatura y voltaje 75

Tabla 5.1 Cuadro en el que se presentan de manera sintética las tareas a

realizar ₈₅

Tabla 5.2 Cuadro en el que se detallan los costos de materiales 86

Tabla 5.3 Calendario de actividades del proyecto 87

Tabla 5.4 Evaluación del proyecto 89

Tabla 5.5 Costos de cada actividad 92

Tabla 5.6 Cálculo de la depreciación por año 96

Tabla 5.7 Tabla de tiempos de ingresos y tasa de inversión 99

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA xi ÍNDICE DE GRÁFICOS

Página.

Grafica 2.1 Comportamiento del transmisor de temperatura. 55

Grafica 2.2 Comportamiento del transmisor de flujo. 56

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA xii ÍNDICE DE FIGURAS

Página.

Figura 1.1 Tratamientos biológicos. 9

Figura 1.2 Compostaje en Hilera 11

Figura 1.3 Perfil de Temperatura en una pila de Compost 11

Figura 1.4 Pilas Estáticas 12

Figura 1.5 Esquema general del proceso anaerobio 13 Figura 1.6 Comparación de los tiempos de degradación de la materia orgánica 18 Figura 2.1 Diagrama general de proceso 30 Figura 2.2 Comparación de las mediciones de humedad realizadas en Jaltepec,

Axapusco Estado de México y la humedad ideal del proceso. 33 Figura 2.3 Comparación de las mediciones de temperatura realizadas en

Jaltepec, Axapusco Estado de México y la temperatura ideal del

proceso. 33

Figura 2.4 Modelo del dispositivo de transferencia de calor 39 Figura 2.5 Diagrama a bloques del dispositivo de transferencia de calor. 46 Figura 2.6 Diagrama de bloques del modelado propuesto. 52 Figura 2.7 Respuesta de la simulación del modelo matemático. 52 Figura 2.8 Representación en diagrama de bloques del transmisor de

temperatura propuesto. 54 Figura 2.9 Representación en diagrama de bloques del transmisor de flujo

propuesto. 56

Figura 2.10 Representación en diagrama de bloques de la válvula de flujo

propuesta. 57

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA xiii Figura 4.2. Diagrama del sistema en bloques. 67 Figura 4.3. Circuito oscilador para humedad. 68 Figura 4.4 Pantalla de configuración del DAQ Assistant. 69 Figura 4.5 Diagrama de bloques del instrumento virtual de la humedad. 70 Figura 4.6 Circuito de potencia para accionar la válvula de control de humedad. 70 Figura 4.7 Válvula solenoide 2 vías. 71 Figura 4.8 Válvula solenoide 2 vías acoplada a la toma de agua. 71

Figura 4.9 Sistema de riego. 72

Figura 4.10 Obtención de parámetros para el diseño del circuito de

acondicionamiento de temperatura. 73 Figura 4.11 Relación de tensión y temperatura en el termopar. 73

Figura 4.12 Circuito AD594. 74

Figura 4.13 Circuito de amplificación y acondicionamiento de la señal con un valor de 143mV a la entrada y osciloscopios para ver la tensión

amplificada. 74

Figura 4.14 Instrumento virtual generado para la medición de temperatura. 76 Figura 4.15 Imágenes de la cosecha utilizando la composta producida por el

sistema, 80

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 1 RESUMEN

En el presente proyecto se desarrolla un control de temperatura y humedad para acelerar el proceso de producción de la composta orgánica. Este trabajo persigue desarrollar un esquema de automatización utilizando instrumentación para medir las variables y controlar el proceso de la compostaje. Debido a que todavía hoy en día no existe un sistema propiamente automatizado ya que los métodos de manufactura utilizados actualmente son muy mecánicos y la parte de la medición de variables no tiene una adquisición de los datos por ser métodos de análisis de campo con dispositivos muy simples. Con el conocimiento y la implementación de los sistemas embebidos se desarrolló en este trabajo un HMI que permite monitorear humedad y temperatura y controlar la humedad que va relacionada con la parte de la temperatura.

La metodología en la cual se basa la investigación está documentada mediante pruebas de campo realizadas por los mismos tesistas y sustentadas gracias a la documentación ya escrita por otros especialistas que dejaron sus experiencias de la elaboración manual de la composta ofreciendo suficiente información para mejorar la producción.

El método utilizado para compostar es el método de las pilas o método del montón el cual es muy económico y rápido ya que de 3 a 4 meses se puede obtener composta y utilizando un monitoreo y control de las variables críticas del proceso se puede acelerar la maduración de la composta debido a la acción de los microrganismos que generan el calor necesario para desarrollarse y poder matar a los patógenos como la Echerichia coli que es dañina para la salud.

Para la creación del proyecto se utiliza LabView un potente software que permite programar en bloques y de esta forma generar VI´s (instrumentos virtuales) que permiten al usuario diseñar HMI´s (interface hombre maquina) para tener una mejor supervisión del proceso.

Se realizó el modelado de la planta mediante las variables críticas del sistema, de tal forma que fue posible diseñar un controlador PID, de tal forma que el comportamiento de las variables del sistema, se mantenga en el diapasón deseado. Por otro lado, se desarrolló un estudio económico.

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 2 ABSTRACT

In this project we develop a temperature and humidity control to accelerate the production of organic compost. This work aims to develop a new automation scheme using instrumentation to measure and control the process variables of composting because even today there is no proper system for automated manufacturing methods currently used are mechanical and part of measurement variables have data acquisition being field analysis methods with very simple devices. With the knowledge and implementation of embedded systems is developed in this paper an HMI that allows monitoring humidity and temperature and humidity control which is related to the temperature.

The methodology is based on research which is documented by field tests conducted by the same thesis students and supported by written documentation and other composters who left their experiences of making compost manual offering enough information to improve production.

The method used is the method of composting piles or pile method which is very economical and fast as 3 to 4 months you can get compost and using a monitoring and control of critical process variables can be accelerated maturation of the compost by the action of microorganisms that generate the heat needed to develop and to kill pathogens such as Escherichia coli that is harmful to health.

To create the project using LabView powerful software that lets you program into blocks and thus generate VIs (virtual instruments) that allow the user to design HMI's (Human Machine Interface) for a better monitoring of the process.

Coupled with research and analysis of the methods proposed in the past, clearly defined to apply knowledge, concepts, and is complemented by the use of software tools such as LabView

above, Microsoft Word, Autocad, Origin, Mathlab, Simulink , Multisim that are of great importance for the development of the project and the development of piping and instrumentation diagrams (P&IDs).

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Hoy en día las cifras de contaminación son alarmantes. El 80% de nuestros desperdicios se alberga en rellenos sanitarios al aire libre donde no existe control sobre el manejo de estos. Más de 30 mil toneladas diarias van a barrancos, ríos y terrenos baldíos convirtiéndose en agentes contaminantes y fuentes de infección. La mayor parte de los desechos son reutilizables y reciclables. De acuerdo a estadísticas proporcionadas por el Instituto Nacional de Ecología, la basura se encuentra clasificada de la siguiente manera:

Tabla 1. Producción de excreta Tipo de ganado Ton. De excreta al día

Bovino 155.7707

Porcino 107.0246.3

Ovino 4.62992

Caprino 4.2389.0

[1]. Cegarra, J., (1996).

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 4 JUSTIFICACIÓN

Dado el grado de contaminación y el impacto ambiental que en conjunto representan los residuos sólidos urbanos y los pecuarios, se ha planteado la búsqueda de alternativas que permitan brindarles valor agregado para su reusó mediante métodos sustentables que eliminen tal problemática.

La elaboración de abonos orgánicos usando el compostaje que es un sistema productivo aerobio dando como resultado un abono orgánico, rico en macro nutrientes, micro nutrientes y materia orgánica que puede utilizarse como mejorador de suelos, además, fortalece las plantas, incrementa la producción por área cultivada, aumenta las propiedades físicas, químicas y biológicas en donde se aplique no siendo necesario un análisis previo de suelos. Lo anterior se logra en un periodo de tiempo corto (30-45 días) si se controlan total o parcialmente los parámetros involucrados los cuales son: temperatura, humedad, pH, apariencia, olor, aireación.

Este trabajo se centrara solo en dos parámetros, la temperatura y la humedad, porque la adquisición de datos y el control de estas variables usando sistemas embebidos, influye directamente en los demás parámetros como pH, ya que al tener un control de los parámetros previamente mencionados, el pH, la apariencia y el olor, se mantienen en parámetros deseados.

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 5 OBJETIVO GENERAL

Realizar un sistema de control de las variables de temperatura y humedad en la etapa de maduración de un proceso de compostaje orgánico por medio de la regulación del flujo y la temperatura del fluido que estará en contacto con el proceso.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Facilitar la lectura de los valores de temperatura y humedad para determinar el estado en el que se encuentra el sistema de compostaje.

Desarrollar el modelado y la simulación del sistema de calefacción del sistema de compostaje.

Desarrollar una propuesta del control de humedad del sistema de compostaje.

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 6 INTRODUCCIÓN

El compostaje era practicado en la antigüedad. Desde hace miles de años, los chinos han recogido y compostado todas las materias de sus jardines de sus campos y de sus casas, incluyendo materias fecales. En el Oriente Próximo, en las puertas de Jerusalén había lugares dispuestos para recoger las basuras urbanas: unos residuos se quemaban y con los otros se hacía compost [1].

El descubrimiento, después de la Primera Guerra Mundial, de los abonos de síntesis populariza su utilización en la agricultura. En los últimos años se ha puesto de manifiesto que tales abonos químicos empobrecen la tierra a medio plazo. En Baleares, existía asimismo la práctica de "sa bassa", el cual se elabora a partir de desechos de vegetales, como forma tradicional de producir compost, que desafortunadamente se ha perdido [1].

De forma tradicional, durante años, los agricultores han reunido los desperdicios orgánicos para transformarlos en abono para sus tierras. Compostar dichos restos no es más que imitar el proceso de fermentación que ocurre normalmente en un suelo de un bosque, pero acelerado y dirigido. El abono resultante proporciona a las tierras a las que se aplica prácticamente los mismos efectos beneficiosos que el humus para una tierra natural [1].

El desarrollo de la técnica de compostaje a gran escala tiene su origen en la India con las experiencias llevadas a cabo por el inglés Albert Howard desde 1905 a 1947. Su éxito consistió en combinar sus conocimientos científicos con los tradicionales de los campesinos. Su método, llamado lndore, se basaba en fermentar una mezcla de desechos vegetales y excrementos

animales, y humedecerla periódicamente. La palabra compost viene del latín “componere”, juntar; por lo tanto es la reunión de un conjunto de restos orgánicos que sufre un proceso de fermentación y da un producto de color marrón oscuro, es decir, que en él el proceso de fermentación está esencialmente finalizado. El abono resultante contiene materia orgánica así como nutrientes: nitrógeno, fósforo, potasio, magnesio, calcio y hierro, necesarios para la vida de las plantas. Fue en el año 1925 cuando en Europa comenzó a estudiarse la posibilidad de descomponer a gran escala las basuras de las ciudades con la puesta en marcha del método

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 7 causas de este estancamiento fue la deficiente calidad del compost producido (no se hacía separación previa en origen de la materia orgánica de los residuos sólidos urbanos) y el poco interés de los agricultores en utilizarlos. En la actualidad, según el Ministerio de Medio Ambiente, las plantas de compost existentes en España son 24, que tratan 1.770.061 Tm y el compost producido es de 365.239 Ton/año, con lo cual el rendimiento compost/RSU es de 21,98%. La calidad del producto es variable, pero puede afirmarse que su tendencia es a mejorar por la implantación de modernas -instalaciones de refino y por la mejora de las condiciones de fermentación. En general, según datos de los antiguos ministerios MAPA y MOPTMA, difícilmente se puede absorber la actual producción de compost de R.S.U., sin hacer un esfuerzo serio por mejorar la calidad del producto (con la creación de modelos mínimos de calidad), y por establecer todo ello con las necesarias campañas de promoción [1].

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 8 CAPÍTULO 1 ESTADO DEL ARTE

El compostaje es un proceso biológico en el que sustratos orgánicos son oxidados a formas biológicamente estables como el humus debido a la acción de una población mixta de microorganismos, obteniéndose un producto final denominado compost, orgánicamente estable, libre de patógenos y semillas de malezas que puede ser aplicado de manera eficiente al suelo para mejorar sus propiedades.

1.1 Biodegradabilidad de la materia orgánica

La transformación de los residuos sólidos en humus, puede ocurrir de dos formas distintas: descomposición aerobia y anaerobia. En cuanto a la digestión aerobia, en esta variante biotecnológica, predomina la acción de microorganismos cuyo metabolismo necesita de oxígeno libre para su subsistencia y desarrollo. Se favorece una mayor oxigenación si la masa de residuos se revuelve en forma manual o por medios mecánicos, obteniéndose como productos principales, materiales orgánicos estabilizados, bióxido de carbono y agua.

Las reacciones bioquímicas que se llevan a cabo durante el proceso aeróbico son exotérmicas y elevan la temperatura de la composta hasta cerca de 70°C [1], con lo cual se eliminan todos los agentes patógenos que puedan estar presentes en la masa inicial.

Los residuos más susceptibles de compostar son: residuos de la agricultura, de jardín y cocina, residuos sólidos municipales y lodos de plantas de tratamiento de aguas residuales y las deyecciones de la actividad pecuaria. Los diversos métodos de composteo utilizados actualmente en varios países, generan un porcentaje en peso de composta orgánica que varía entre 35 y 45% de la materia bruta inicial. Los materiales orgánicos que no se descomponen fácilmente son: tela, cartón y papel. Estos residuos urbanos deben ser tratados en forma diferente, de preferencia mediante el reciclaje (recuperación directa). Los sistemas de tratamiento de residuos son esenciales en el control de la contaminación ambiental.

1.2 Métodos de biodegradabilidad de la materia orgánica

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 9 Figura 1.1 Tratamientos biológicos.

1.2.1 Aerobia

Se denominan aerobios o aeróbicos a los organismos que necesitan del oxígeno para vivir o poder desarrollarse. El adjetivo "aerobio" se aplica no sólo a organismos sino también a los procesos implicados ("metabolismo aerobio") y a los ambientes donde se realizan. El compostaje aerobio es un proceso de degradación biológica en donde los microorganismos transforman los compuestos orgánicos mediante reacciones metabólicas, en las que se ionizan los compuestos y se oxidan las estructuras de carbono a dióxido de carbono, amoniaco, agua y otros gases [2]. El proceso de degradación alcanza una temperatura superior a los 70°C. El proceso de biodegradación aeróbica se puede describir mediante la siguiente reacción general [2]:

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 10 Activo o caliente: se controla la temperatura para permitir el desarrollo de las bacterias activas, matar la mayoría de patógenos y así producir un producto de forma rápida.

Pasivo o frío: sin control de temperatura, los procesos son los naturales a temperatura ambiente.

La mayoría de plantas industriales y comerciales de compostaje utilizan procesos activos, porque garantizan productos de mejor calidad en el menor plazo (3 meses). El mayor grado de control suele conseguirse compostando en un contenedor cerrado con un control y ajuste continuo de temperatura flujo de aire, humedad y la mezcla adecuada de componentes acorde al estado de biodegradación que se tenga, entre otros parámetros. El compostaje casero es más variado, fluctuando entre técnicas extremadamente pasivas hasta técnicas activas propias de una industria.

1.2.1.1 Técnicas de compostaje aerobio

En el compostaje aerobio se presentan principalmente tres tipos de sistemas: hileras, pilas estáticas y reactores cerrados. Las hileras y las pilas estáticas, que en ocasiones se citan como sistemas abiertos, se emplean más que los reactores cerrados. En los sistemas abiertos el material a compostar se apila en una plataforma impermeable, como hormigón o asfalto. A veces se usa una capa de polietileno como precaución extra para asegurar que ningún contaminante alcance el suelo a través de las grietas, en el caso de que existan.

El modo de aireación es lo que diferencia las hileras de las pilas estáticas. En la explotación de una hilera se airea la pila volteando la mezcla de insumos, manual o mecánicamente. En las pilas estáticas se utiliza la aireación forzada, colocando un sistema de tubos perforados en la base de la pila a través de los cuales circula el aire. La aireación puede ser de cabeza positiva si el aire es impulsado, o de succión negativa si se aplica vacío [6].

1.2.1.2 Compostaje en hileras

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 11 expuestas. En la hilera se retendrá mucho calor debido a su gran área transversal y a la pequeña relación superficie – volumen.

La temperatura de la hilera puede controlarse volteando la pila, lo que también proporciona aireación. El ancho de la pila se sitúa normalmente entre 3 y 4 m mientras que la altura puede llegar a 1.2 y 1.5 m. (Ver figura 1.2)

El método de aireación empleado depende del tamaño de las hileras. La mezcla manual se hace empleando una pala o instrumento que permita el volteo del material. La mezcla mecánica se hace con una máquina volteadora. En el primer caso se requiere un trabajo intensivo de un operario, los costos son menores pero la eficiencia de la mezcla está limitada. En el segundo caso los costos son más elevados pero la aireación y mezcla son mejores.

Figura 1.2 Compostaje en Hilera

El volteo se hace para airear la pila y/o disipar calor y reducir la temperatura. Un perfil de temperatura típico se presenta en la figura 1.3 La diferencia de temperaturas entre las zonas y el tamaño de cada una depende en cierta forma de la frecuencia de volteo. Este ayuda a redistribuir el perfil de temperatura para que las capas superiores que están a inferior temperatura se expongan a las altas temperaturas del nivel interior. Las hileras se voltean en frecuencias que oscilan entre una vez por día hasta tan poco como una vez por mes, e incluso en algunos casos nunca en toda la duración del tratamiento [4].

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 12 Generalmente el compostaje en hileras se lleva a cabo en entornos abiertos por lo que se hace necesario construir una infraestructura que proteja las pilas de la lluvia, la erosión del viento, mantenga la temperatura en el interior de la pila y controle la emisión de olores y compuestos orgánicos volátiles peligrosos. En algunos casos se emplean materiales de cobertura sobre las pilas de tipo sintético o alguna capa de materia orgánica como compost maduro o residuos de césped.

1.2.1.3 Pilas estáticas

En esta configuración el material a compostar se coloca sobre un sistema de tubos perforados conectados a un soplador o a una bomba de vacío. Generalmente se prefiere la aireación inducida por vacío debido a la minimización de las emisiones de compuestos volátiles y gases generadores de olor, aunque en climas fríos no es lo más aconsejable principalmente porque el aire frío succionado puede hacer descender la temperatura de las pilas, especialmente en capas exteriores.

En las pilas estáticas el flujo de aire se usa para controlar tanto la temperatura como la cantidad de oxígeno en el interior de estas. El trazado de los tubos perforados y la tasa de aireación empleados son parámetros de diseño básicos. Los tubos en la base están inmersos en una capa de material muy permeable como grava, arena, virutas de madera o composta. La capacidad para airear una mezcla estática sin alterar la mezcla de la composta permite diseñar sistemas con dimensiones superiores a las de las hileras la literatura reporta alturas hasta de 3 m [agregar referncia], reportándose incluso alturas de 6 m. (Ver figura 1.4)

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 13 1.2.1.4 Reactores Cerrados

El compostaje en reactores cerrados aunque precisa de costos elevados de inversión proporciona el mayor control de proceso y tiene varias ventajas sobre los sistemas abiertos. Los reactores cerrados se equipan, generalmente, con mecanismos combinados, diseñados para permitir frecuentes sino continuas mezclas de residuos (Tambores rotatorios, tanques o cámaras de mezcla). La mezcla genera la distribución del sustrato en la masa sometida a compostaje, lo que conlleva a un mejor contacto con los microorganismos, incrementándose el potencial de biodegradación.

1.2.2 Anaerobia

Se lleva a cabo en ausencia de aire y es una degradación de la materia orgánica, por medio de una fermentación bacteriana productora de metano, en un recinto cerrado, caliente y en ausencia de oxígeno.

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 14 1.2.3 Vermicomposta

El vermicompostaje se define como: la técnica para la transformación de los residuos sólidos orgánicos por medio de la cría masiva de lombrices, las cuales se alimentan de los mismos y excretan un humus. Su objetivo es otorgar a la lombriz las condiciones adecuadas para que logre una eficiencia óptima de producción, que generalmente está representada por la obtención de un 60% de humus y 40% de biomasa.

Generalmente está constituido por dos componentes que son el recipiente y lecho en sí. El recipiente puede ser casi cualquier tipo de recipiente, desde alguno casero hasta grandes recipientes adaptados para tal efecto e incluso una zanja en el suelo. El lecho o cama puede ser de algún material basándose en celulosa (por ejemplo, papel u hojas secas), que es lo más recomendable ya que proporciona una adecuada retención de humedad, y aeración; sin embargo este método solo logra producir en un área de un metro, 30 kg a un tiempo de 3 meses [5].

1.3 Biología del proceso de Compostaje

En general se puede afirmar que los microorganismos de interés en el compostaje son organismos heterótrofos que utilizan compuestos orgánicos como fuente de energía y desarrollan tejido celular a partir de nitrógeno, fósforo, carbono y otros nutrientes necesarios. Los organismos responsables de la transformación biológica de los materiales orgánicos en composta son hongos, bacterias y actinomicetos. Adicionalmente es común encontrar agentes patógenos en las pilas de composta especialmente cuando se utilizan materiales orgánicos como lodos de aguas residuales domésticas o algunos tipos de residuos agroindustriales [6].

1.4 Microbiología del compostaje

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 15 1.4.1 Bacterias

La mayoría de las bacterias en el proceso de compostaje son aerobias, aunque también existen algunas especies facultativas dependiendo de las condiciones del ambiente en que ocurre la biodegradación del sustrato. Las bacterias en el proceso de compostaje se pueden clasificar de acuerdo al rango de temperatura en el que se desarrollan: mesófilas para temperaturas entre 20 a 40ºC y termófilas de 40 a 75ºC. Las bacterias son las responsables de la descomposición de proteínas, lípidos y grasas a temperaturas termofílicas, así como de gran parte de la energía calórica producida que conduce al incremento de temperatura en el material inicial.

1.4.2 Actinomicetos

Van a dar el olor característico a tierra ya que son especialmente importantes en la formación del humus, son bacterias filamentosas, carecen de núcleo como las bacterias pero poseen filamentos multicelulares como los hongos lo que los hace muy similares. Sus encimas les permiten romper químicamente residuos ricos en celulosa, lignina, quitina y proteínas. Con frecuencia producen antibióticos que inhiben el crecimiento bacteriano. Poseen forma alargada con filamentos que se extienden como telas de araña grises, suelen aparecer al final del proceso de descomposición en los primeros 10-15 centímetros de la superficie de a pila.

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 16 1.4.3 Protozoos

Son animales unicelulares que se encuentran en las gotas de agua presentes en el residuo a compostar, su aportación en la descomposición es mínima, obtienen su alimento de la materia orgánica de la misma manera que las bacterias aunque pueden actuar también como consumidores de hongos y bacterias.

1.4.4 Hongos

Los hongos son muy importantes en la descomposición de materia orgánica compleja y de la celulosa que es una de las partes más resistentes de la materia orgánica, la que en algunos materiales representa hasta el 60 % de la masa total. Los hongos se destruyen a temperaturas superiores a 55ºC, aunque algunos permanecen en estado de latencia reactivándose en la etapa de enfriamiento del compost.

1.4.5 Organismos Patógenos

Diferentes sustratos utilizados en el proceso de compostaje contienen organismos patógenos que pueden afectar al hombre, a las plantas y a los animales. [7], afirma que los patógenos más numerosos y peligrosos se encuentran en los lodos de las PTAR (plantas de tratamiento de aguas residuales). De los diferentes residuos que se utilizan para formar compost, los residuos vegetales son los que contienen menor número de organismos patógenos.

El compost obtenido en un proceso bien controlado minimiza el riesgo de presencia de patógenos, debido a los siguientes factores.

La temperatura alcanzada El tiempo del proceso

Liberación de amoniaco durante el proceso.

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 17 Tabla 1.1. Temperaturas y tiempos para la destrucción de patógenos [8].

Microorganismo

A B

Temperatura °C Tiempo (min) Temperatura °C Tiempo (min)

Salmonella tifosa 55-60 30 60 20

Salmonella sp 55 60 60 15-20

Shigela sp 50 60 60 15-20

Entamoeba histolitica 45 Pocos

segundos

55 Pocos segundos

Taenia 55 Pocos

segundos

- -

Larvas de Trichinella spiralis

50 Pocos

segundos

60 Pocos segundos

Brucella Abortis 63 3 - -

Escherichia coli 55 60 60 15-20

Huevos de áscaris lumbricoides

50 60 60 15-20

Microbacterias tuberculosis 66 15-20 - -

[7]. Martin,(1980)

1.5 Formación de la composta

La formación de la composta en cualquier proceso que se utilice, se lleva a cabo en diferentes etapas que son: latente, crecimiento, termofílica y maduración (Figura 1.6). La humedad y ventilación durante el proceso de compostaje son esenciales para maximizar la actividad microbiana y por consiguiente el proceso en general. La primera se debe mantener siempre entorno 40-60%, ya que el agua distribuye los nutrientes por la masa (C, N, P, K, B, Ca, Mg, Na, etc.).

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 18 Figura 1.6. Comparación de los tiempos de degradación de la materia orgánica.

1.5.1 Latente

Esta fase comienza tan pronto como se establecen las condiciones de composteo y es un periodo de adaptación de los microorganismos presentes en los residuos. En ella los microorganismos utilizan los azúcares, la celulosa simple, los aminoácidos y almidones presentes en los residuos crudos, rompiendo los compuestos complejos para liberar nutrientes, con lo que la cantidad de microorganismos comienza a incrementar. Debido a ésta actividad, se comienza a incrementar la temperatura en la masa de residuos. Cuando se encuentran grandes cantidades de material altamente putrescible, el periodo de latencia es muy breve.

1.5.2 Crecimiento

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 19 1.5.3 Termofílica

La temperatura continua ascendiendo hasta llegar a valores de 70ºC, las poblaciones de bacterias y hongos mesofílicos mueren o permanecen en estado latente mientras que las bacterias termofílicas, actinomicetos y hongos termofílicos encuentran su óptimo, generando incluso más calor que los mesófilos.

La degradación de los ácidos obtenidos en la etapa anterior provoca el incremento del pH que en un inicio es de 5.5 y alcanza un valor de 7.5 donde permanecerá casi constante hasta el final del proceso, el color del compost se pone más oscuro paulatinamente y el olor original se comienza a sustituir por olor a tierra. Es en esta etapa cuando comienza la esterilización del residuo debido a las altas temperaturas, la mayoría de las semillas y patógenos mueren al estar sometidos durante días a temperaturas superiores a 55ºC.

1.5.4 Maduración

Una vez que los nutrientes y energía comienzan a escasear, la actividad de los microorganismos termofílicos disminuye, consecuentemente la temperatura desciende desde los 70ºC hasta la temperatura ambiente, provocando la muerte de los anteriores y la reaparición de microorganismos mesofílicos al pasar por los 40-45ºC, estos dominaran el proceso hasta que toda la energía sea utilizada. El tiempo de maduración, está en función del substrato, las condiciones ambientales y de operación, por lo que puede tomar desde unas cuantas semanas hasta uno o dos años. En esta etapa la temperatura y pH se estabilizan, si el pH es ácido nos indica que el compost no está aún maduro, los actinomicetos adquieren especial importancia en la formación de ácidos húmicos y son frecuentemente productores de antibióticos que inhiben el crecimiento de bacterias y patógenos.

El color del producto final debe ser negro o marrón oscuro y su olor a tierra de bosque, además ya no se reconocen los residuos iniciales.

1.6 Parámetros que influyen en la elaboración de composta

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 20 1.6.1 Materia prima inicial

El tipo de materia inicial seleccionada en el proceso de compostaje incide en la calidad del producto final obtenido, por lo que se hace necesario un análisis previo que permita establecer características específicas del mismo, tales como contenido en materia orgánica biodegradable, disponibilidad de microorganismos, pH, tamaño de partícula, contenido de nitrógeno, contenido de humedad y contenido de sales. Diversos materiales son susceptibles de ser transformados en el proceso de compostaje.

Pueden citarse como aptos los siguientes grupos de residuos:

Agropecuarios tanto de naturaleza animal como vegetal, incluyendo desechos líquidos como los purines de cerdo.

Urbanos, de carácter sólido (basuras) o líquido (lodos de plantas de tratamiento de aguas residuales)

Desechos de la madera, como el aserrín y las virutas.

Agro industriales, como azucareros, vinícolas, cafeteros, de conservas vegetales etc.

Es importante tener en cuenta, que la mejor opción al proyectar sistemas de compostaje es elaborar mezclas binarias o ternarias con materiales de diferente origen que tengan características complementarias. De este modo se consigue preparar sustratos con un equilibrio en el contenido de nutrientes, microorganismos y propiedades físicas y químicas que favorecen el proceso y permiten obtener una mejor calidad del compost [1].

1.6.2 Relación Carbono - Nitrógeno (C / N)

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 21 del proceso esta relación debe ser del orden de 30:1 y al final cuando se alcanza la maduración del compost puede ser de 10:1. En la tabla 1.2 y 1.3 se observan algunos valores característicos.

Tabla 1.2. Relación de moléculas del carbón-nitrógeno. Relación carbono: nitrógeno

Hojas secas 40-80:1

Papel 170:1

Residuos vegetales 15:1

Paja 80:1

Estiércol 35:1

Madera 500:1

[9]. Tchobanoglous G.,(1993).

Tabla 1.3. Materiales que contienen carbón y nitrógeno. Materiales con alto contenido de carbón y nitrógeno

Carbón Nitrógeno

Hojas secas Grama

Papel Cascarones de huevo Viruta Borra de café

Aserrín Desperdicios vegetales Bagazo de caña Desperdicios frutales

Cascara de maní Estiércol de animales de finca [10] Marcos Arturo Rodriguez, Ana Cordova.(2009),

1.6.3 Humedad

El control de humedad es un factor importante en el desarrollo del proceso de compostaje ya que influye en el crecimiento bacteriano, debido a que los microorganismos requieren agua para cumplir con sus necesidades fisiológicas y no pueden sobrevivir en ausencia de esta.

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 22 En contraste una humedad superior al 60% causa la saturación de la materia orgánica, todos los espacios vacíos son ocupados por el agua, desencadenando olores desagradables, descenso de la temperatura, lavado de nutrientes y prevalencia de condiciones anaeróbicas. En los procesos aeróbicos el contenido de humedad está estrechamente relacionado con los requerimientos de oxígeno. Si el contenido de humedad es demasiado alto los espacios entre las partículas del material se saturan de agua, impidiendo el movimiento de aire dentro de la pila.

1.6.4 Temperatura

Una considerable cantidad de calor se genera en la fermentación aeróbica de los residuos y es retenida por una propiedad aislante, consecuentemente hay un aumento apreciable de la temperatura en la masa orgánica. Generalmente, en las primeras 24 horas de digestión se alcanzan temperaturas entre 45 y 50°C. Esta temperatura representa el límite superior para los organismos mesófilos y una temperatura de 60 a 70°C, se obtiene después de dos a cinco días. La declinación final de la temperatura es lenta e indica que el material ha sido digerido. Una caída de la temperatura antes de la estabilización de la materia orgánica puede reflejar que empieza la evolución hacia una digestión anaerobia.

Las temperaturas altas son necesarias para la destrucción de los organismos patógenos y las semillas de diversas plantas, con lo cual se obtiene una composta de mejor calidad. La temperatura óptima para la digestión aeróbica varía entre 50 – 70ºC, siendo probablemente los 60°C, la temperatura más satisfactoria. No es conveniente sobrepasar los 70°C por un período prolongado, debido a que se reduce el número de organismos termófilos que activamente actúan en el proceso de descomposición.

1.6.5 Aireación

La aireación es necesaria para aportar el oxígeno necesario para los microorganismos involucrados en la degradación del material a compostear, puede ser natural o forzada. La primera se realiza mediante volteos periódicos del material para remover la fase gaseosa y capturar aire en los poros. En la aireación forzada, el material se mueve y se hace pasar aire a través de él.

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 23 por lo que se busca un compromiso entre necesidades físicas y biológicas: no dejar de voltear para evitar zonas de anaerobiosis, pero no remover demasiado el material de modo que los hongos o actinoinicetos no puedan invadir el material. La aireación es básica para la descomposición termofílica de los residuos, con el propósito de lograr una rápida transformación sin malos olores. La frecuencia de la aireación o número total de vueltas de la pila del material en transformación, depende principalmente del contenido de humedad y del tipo de material. El aire suministrado en un proceso de compostaje cumple cuatro propósitos fundamentales:

1) Satisfacer la demanda de oxígeno necesaria para la descomposición del material orgánico presente en el material compostado.

2) La cantidad de oxígeno presente en el proceso de compostaje limita la velocidad de descomposición de los residuos ya que este es necesario para la respiración de los microorganismos aerobios y para oxidar determinadas moléculas orgánicas de la masa de fermentación, por ende es un factor determinante en la calidad del compost final.

3) Una transferencia deficiente de oxígeno, lleva a la sustitución de los organismos aerobios por anaerobios, lo que retarda el proceso en tiempos hasta de cuatro a seis meses. Adicionalmente se presentan problemas relacionados con la generación de olores.

4) Regular el contenido de humedad del sustrato a través del secado:

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 24 1.6.6 Potencial de Hidrógeno (pH)

El valor del pH óptimo para el compostaje está entre 6.5 y 8.0. Si el grado de descomposición no es adecuado, el pH puede caer a valores entre 4 – 5, retrasándose el proceso. El pH del material fermentado varía en el desarrollo del proceso así: durante los primeros días del compostaje el pH cae a 5 o menos. Durante esta etapa el material orgánico se encuentra a temperatura ambiente, comienza la reproducción de microorganismos mesofílicos y sube rápidamente la temperatura. Entre los productos de esta etapa inicial están los ácidos orgánicos simples que causan la caída del pH. Después de aproximadamente tres días, la etapa llega a la temperatura termofílica y el pH debe subir de 8 a 8.5 unidades. El pH cae ligeramente durante la etapa de enfriamiento y llega a un valor entre 7 a 8 en el compost maduro.

1.6.7 Mezcla / Volteo

La mezcla inicial de los residuos orgánicos es esencial para incrementar o disminuir el contenido de humedad hasta un óptimo. La mezcla es utilizada para obtener una distribución más uniforme de nutrientes y microorganismos. El volteo es uno de las labores más importantes para generar el compost, ya que éste debe mantener la actividad aerobia. La frecuencia del volteo depende del contenido de humedad, las características de los residuos o las necesidades del aire, no se puede especificar un número de volteo mínimo ya que depende de los factores explicados con anterioridad.

1.6.8 Condiciones climáticas

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 25 1.7 Características del producto

Es un producto negro (Pardusco) homogéneo; de forma granulada sin restos gruesos, también es considerado como un producto húmico y cálcico; también es definido como un fertilizante orgánico (natural) que aporta oligoelementos al suelo. Se obtiene por la descomposición progresiva de los restos vegetales y animales que se van depositando en el suelo debido a la acción saprofita de hongos y bacterias; también puede obtenerse por la fermentación controlada de los residuos sólidos domiciliarios o la fracción biodegradable de los residuos sólidos urbanos (RSU).

Tabla 1.4. Composición Media del abono orgánico en % [1]. *MO Total 36.000

MO Oxidable 8.000 N2 Total 0.550 P2O5 Total 0.300 K2O Total 0.240

Cal Total 7.000

Mg Total 0.015

Oligo elementos Diversos Humedad Máxima 64.00

pH 7.5

Tabla 1.5. Abono Orgánico vs Estiércol en % [9]. Elemento Abono orgánico

(HUMITEC)

Estiércol

Humedad 64 70.000

Materia-Orgánica >70 18.000

Nitrógeno 1.65 0.500

P2O5 0.9 0.300

K2O 2.5 0.600

CIC meq/100g** 59 ND***

Fe 18.4 0.060

Mg 0.4 0.200

Mn 189 0.004

Ácido Húmico >60 ND***

Retención de Humedad 84% ND***

Espacio Poroso 81.7 ND***

* Materia Orgánica Total

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 26 1.7.1 Fisiología vegetal

La aplicación de la composta en el suelo agrícola provoca alteraciones benéficas, entre las cuales cabe destacar la mejora de la estructura a causa de la separación de los materiales arcillosos y la agregación de los arenosos. Aumenta la porosidad del suelo, lo que permite la permeabilidad del agua y su aireación. Eleva la capacidad de retención de agua, mantiene la temperatura del suelo, aumenta la cantidad y diversidad de los hongos, actinomicetos, bacterias aerobias, celulolíticos, lo que favorece la formación de micorrizas. Aumenta la actividad de diferentes enzimas como la deshidrogenasa, la glucosidasa, la ureasa, la proteinasa, amilasa, etc.

Al presentar pH cercanos a la neutralidad, la composta aumenta el pH de los suelos ácidos, lo que favorece la absorción de los nutrientes por parte de la planta y evita que la planta asimile elementos contaminantes, y en suelos básicos no genera mayores alteraciones. Aumenta los niveles de hierro, manganeso, cobre, zinc y boro de los suelos calcáreos y aumenta la resistencia de las plantas a las plagas y agentes patógenos. La composta actúa como un regulador de elasticidad a través de su efecto amortiguador de cargas y a su acción estabilizante de la estructura, por lo que ayuda a luchar contra la compactación y la erosión de los suelos. La adición de enmiendas orgánicas a los suelos desciende su densidad aparente entre un 5 a 40 % y puede dar lugar al incremento en la porosidad, llegando a ser del 5 al 45 % dependiendo de la dosis y origen de la composta. La aplicación de enmiendas en la superficie de los suelos impide que este se selle como consecuencia de las gotas de agua, por lo cual se mejora la infiltración, se reportan datos de hasta 36% y una disminución de la escorrentía de hasta el 75%. De igual forma se aumenta el agua útil entre un 30 y 65% La capacidad de intercambio catiónico se ve mejorada por la mayor cantidad de MO. Todas estas mejoras en las propiedades del suelo repercuten directamente en la producción y crecimiento de los cultivos.

Desde el punto de vista de la Fisiología vegetal surge la noción del termino de dualidad suelo-planta que equivale a decir que no basta con atender las exigencias de los vegetales sino que es preciso, además suministrar al suelo aquellos materiales imprescindibles para mantener y mejorar sus características, es decir, el suelo debe mantener armonía con las condiciones, físicas, químicas y biológicas, y para ello es absolutamente necesario que contenga la cantidad necesaria de humus. Quedando claro que la materia orgánica no puede ser reemplazada por el abono mineral ya que ambos se complementan.

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 27 1.7.2 Acción física

Da cuerpo a las tierras ligeras evitando la formación de costras; facilita el laboreo, mejora la aireación de las raíces, aumenta la capacidad de retención del agua economizando su uso, regula la permeabilidad y drenaje de los suelos.

1.7.3 Acción química

El Humus con la arcilla forma un complejo húmico-arcilloso que funciona como regulador de la nutrición vegetal, aumenta la capacidad de intercambio de iones, economiza, y hace más asimilables los abonos minerales, aminora la retrogradación del Potasio; mantiene al Fósforo en estado de asimilación para la formación de complejos fosfo-húmicos; cura y previene la clorosis férrica.Se aconseja su uso en la fruticultura porque proporciona gas carbónico que fomenta la solubilidad de los elementos minerales, permitiendo obtener productos de mejor sabor, con mayor capacidad de conservación y mayor resistencia en el transporte. Es de hacer notar, que también contienen partículas coloidales ionizadas con propiedad de atraer iones a la superficie, haciendo absorbibles los iones fertilizantes mediante las raíces, desempeñando al mismo tiempo el papel de nutrientes de almacén y regulador del pH. También le confiere al suelo una estructura estable dado que su composición en celulosa es del orden del 12%.

1.7.4 Acción biológica

El Humus revitaliza el suelo al aportar micro-organismos que viven a sus expensas y lo transforman aumentando la resistencia de las plantas a todo tipo de enfermedades, está exento de semillas y malas hierbas debido a las altas temperaturas que soporta durante la fermentación eliminando cualquier riesgo de contaminación durante su obtención (manufactura), requiere mucho menos espacio (área) de proceso que los tiraderos municipales; no genera lixiviados o fauna nociva. Su máxima rentabilidad se obtiene a partir de las 500 Ton/mes.

1.8 Beneficios

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 28 1. El compost puede servir como fuente de materia orgánica para mantener o ayudar a la

formación del humus del suelo.

2. El compost puede mejorar el crecimiento de cultivos en la agricultura comercial y usos domésticos debido a contiene valores apreciables de nutrientes como nitrógeno, fósforo y una variedad de elementos traza esenciales.

3. El compost reduce los patógenos que atacan a las plantas y aumentan la resistencia a las enfermedades.

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 29 CAPÍTULO 2 MÉTODOS Y MODELADO

La problemática que plantean los RSU como consecuencia de su incremento y de sus implicaciones en la contaminación ambiental, así como el agotamiento de los recursos naturales, hace que sea esencial la búsqueda de caminos para su gestión correcta desde el punto de vista ambiental y socio-sanitario. La optimización del proceso de compostaje consiste en el seguimiento y control de los parámetros operativos como son: temperatura, pH, humedad, materia orgánica, relación C/N, aireación, condiciones climáticas, volteos, y tamaño de partícula.

Se justifica elmontaje de una instalación de compostaje orgánico con el objetivo impedir que los desechos se conviertan en peligro para la salud humana, teniendo en cuenta la cantidad de residuos a tratar, y los problemas de heterogeneidad en la composición de los residuos, con la finalidad de disminuir el porcentaje de residuos que son llevados a los rellenos y utilizar este medio para recuperar espacios de áreas verdes, etc. Para llevar a cabo este proceso fueron seleccionadas las regiones de Jaltepec, Axapusco Estado de México y Prados Sur, Tultitlán, Estado de México.

2.1 Ubicación

Se ubica un punto de producción, el cual se encuentra en Jaltepec, Axapusco, se localiza al nor-oriente del Estado de México y forma parte del Valle de Teotihuacán. Por otro lado, el lugar donde se realizan pruebas, se encuentra en Prados Sur, Tultitlán, que se localiza en la parte norte-central del Estado de México y pertenece a la región II del mismo.

2.2 Condiciones del proceso

El diseño metodológico que se llevó a cabo como más adecuado, parte de una situación teórico-práctica que permite un proceso de compostaje aerobio.

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 30 Figura 2.1 Diagrama general de proceso

A continuación se describen los aspectos generales del diagrama de bloques.

2.2.1 Acopio de la materia prima

Para la producción de composta en la comunidad de Jaltpec, Axapusco Edo. de Méx. Se utilizó excreta de borrego, desechos orgánicos y maderosos, las cantidades se describen en la tabla 2.1. Posteriormente se llevó a cabo una corrida en la colonia Prados de Ecatepec, Edo. De Méx. Utilizando diversos tipos de excretas.

Tabla 2.1 Material orgánica utilizada

.

2.2.2 Mezcla de los insumos

Acopio de

materia prima

Mezcla de

insumos

Humectación

Volteos

Maduración

Cribado

Envasado

Venta

Material Cantidad (Ton)

Excreta 7

Desechos de jardín 2.5

Desechos vegetales 2.5

Desechos frutales 2.5

Aserrín 4

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 31 La excreta de borrego, desechos orgánicos y maderosos, se mezclaron manualmente con ayuda de una pala hasta lograr un mezcla homogénea, para asegurar igualdad de condiciones del proceso.

2.2.2.1 Diseño y montaje de las pilas

Una vez realizada la mezcla de los insumos, se formaron pilas con forma cónica, esto para tener una mejor conservación de calor en la mezcla, las dimensiones de la pila fueron de 1.5 m de alto, 2.5 m de ancho y 12 m de largo.

2.2.3 Humectación

Al inicio del proceso se tiene una humedad del 80% (el agua que se incorpora depende de la humedad que contenga la materia prima) a la mezcla tomando el agua de la toma municipal y con ayuda de un higrómetro se monitorio el porciento de humedad. Se observó durante el monitoreo de la temperatura que cuando las pilas estaban humectadas la temperatura iba en aumento y al disminuir el porciento de humedad la temperatura disminuía.

2.2.4 Volteos

Los volteos se realizaron de forma manual con palas, a una frecuencia de 7 días cada volteo esto se realizó para tener una homogeneidad de la temperatura y humedad así como para mantener aireada las pilas.

2.2.5 Maduración

En la primer semana de la etapa de maduración, la temperatura fue de 25 °C (temperatura ambiente en la comunidad donde se ubica la producción) y una humedad del 80%, al principio de la segunda semana, la temperatura alcanzo un máximo de 60°C y una humedad del 40% debido a que no se tuvo un control sobre estos parámetros, a la tercer semana se obtuvo una temperatura de 45°C y humedad de 40%, y finalmente durante la última etapa la temperatura y la humedad decrecieron debido a que la materia orgánica se había degradado en su totalidad, adquiriendo la composta una temperatura ambiente y una humedad del 30%.

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 32 Esta etapa se realizó con una criba para dar un tamaño de partícula pequeño de alrededor de 1mm, también para darle presentación, y evitar cualquier tipo de impureza como vidrio, plástico, piedras, etc.

2.2.7 Envasado

Se envasa de acuerdo a las necesidades del cliente y estas son en presentaciones de 1, 5, 10, 20, 30 y 50 Kg.

2.2.8 Venta

El producto se vende a invernaderos, agricultores, amas de casa, jardineros, etc.

2.3 Monitoreo de las pilas

Desde el inicio del proceso se hizo seguimiento a variables como temperatura, pH, y humedad. Para medir la temperatura se usó un termómetro bimetálico de carátula. Se escogieron 5 puntos en cada pila para tomar la temperatura, uno en el centro y cuatro a los lados. La temperatura se midió cada semana hasta que estabilizó, mientras que para la humedad se utilizó un higrómetro y al igual que la temperatura, la humedad se monitorio hasta que alcanzo el 30%.

Tabla 2.2 Estudios de la aplicación de monitoreo de procesos de compostaje Autor y año Método Condiciones Principales Resultados

A. Vergnoux, M. Guiliano, Y. Le Dréau, J. Kister, N. Dupuy, P. Doumenq.

Espectroscopia de infrarrojo cercano.

El proceso de compostaje se inició en febrero y terminó en Julio. Al principio, las temperaturas ambientales podrían disminuido por debajo de 0°C, pero no hay temperaturas extremas fueron capaces de afectar el proceso de compostaje.

Dos principales

Las temperaturas de la composta dentro de los montones dan un enfoque indirecto de OM madurez. Los resultados muestran que aumentó rápidamente hasta 70°C a partir de la primera semana. A continuación, la temperatura era de más o menos estable durante los dos primeros meses. Después de dos meses, la temperatura disminuyó más rápidamente hasta 40°C.