São descritos dois sistemas de compostagem que utilizam biomassa residual (como lixo de cozinha e resíduos agrícolas) e resíduos humanos para aquecimento de água. Dado que são simples e baratos de construir, utilizam materiais amplamente disponíveis e requerem conhecimentos técnicos mínimos, podem ser ideais para países em desenvolvimento. Quando devidamente construídos, requerem manutenção mínima, são isentos de odores e não representam perigo para a saúde pública. Um sistema foi construído e produz água quente para uso doméstico em Oregon há 2 meses. Um segundo design mais simples é proposto. Os insumos são: água fria, biomassa residual e dejetos humanos. As saídas são: água quente e composto. Materiais necessários: cercas e tubulações de arame ou tecido.
Compostagem
A compostagem é um processo consagrado para a conversão de resíduos agrícolas ou de jardinagem em fertilizantes. É uma pedra angular da jardinagem orgânica. O processo é simples e requer pouca experiência. A maioria dos jardineiros e agricultores entende que ao acumular resíduos de biomassa num local central o processo de decomposição natural é acelerado. A biomassa consiste em resíduos de cozinha (porções não comestíveis de frutas e vegetais, como cascas; alimentos estragados), resíduos agrícolas ou florestais (ervas daninhas, podas e restos de culturas que foram colhidas, como espigas de milho ou cascas removidas durante uma moagem). processo) e adubos. O processo de compostagem consome esses resíduos, produzindo fertilizantes valiosos e melhorando a higiene do jardim. Quando devidamente construído e mantido, é inodoro e livre de vermes. Além disso, como sabe qualquer pessoa que tenha visto a compostagem em ação, um subproduto importante é o calor.
O papel do nitrogênio e do carbono no processo de compostagem
Os sistemas vivos que decompõem a matéria requerem matéria e proteínas ricas em carbono (que contém nitrogênio) em sua alimentação (substrato). O carbono fornece energia para os processos metabólicos e é encontrado na matriz estrutural das plantas (a celulose da madeira ou dos caules das plantas). O nitrogênio fornece uma fonte de aminoácidos para construir as enzimas proteicas necessárias para converter carboidratos em energia. É encontrada principalmente em outras partes das plantas, como folhas, e em matéria animal ou esterco. Materiais ricos em nitrogênio tendem a ser densos, não porosos e se decompõem anaerobicamente e com pouca liberação de calor, muitas vezes produzindo odores desagradáveis e atraindo insetos. No entanto, quando é adicionado carbono suficiente a materiais ricos em azoto, forma-se uma matriz porosa com uma grande área superficial sobre a qual os micróbios podem multiplicar-se. O processo de decomposição resultante torna-se aeróbico, liberando muito calor e evitando infestações de insetos e odores desagradáveis. Um benefício adicional é a destruição térmica de patógenos , como vírus e parasitas. Na prática, isso significa um processo limpo e esteticamente agradável.
A decomposição química consiste na oxidação da ligação molecular carbono-hidrogênio. Isso libera dióxido de carbono, água e energia na forma de calor. É o mesmo processo químico que ocorre quando a madeira é queimada. No entanto, os sistemas vivos são capazes de fazer isso a temperaturas mais baixas, utilizando enzimas como catalisadores.
Um aquecedor de água quente de compostagem
Gostaria de descrever um sistema de compostagem que construí em Oregon que utiliza princípios de compostagem para fornecer água quente para toda a minha família de 2 adultos e 3 crianças. O principal insumo neste processo é a biomassa residual proveniente de empresas de poda de árvores. Consiste em galhos podados de madeira nobre ou árvores coníferas que foram triturados por máquinas de picar. Este material é rico em carbono (ou seja, contém principalmente madeira) e pobre em nitrogênio (ou seja, contém poucas folhas) e por si só se decompõe lentamente. A isto acrescentamos resíduos de cozinha e jardim ricos em azoto, resíduos adicionais de jardim e quintal da comunidade, tais como folhas e aparas de relva, e matéria fecal e urina (humanure) recolhidas na nossa sanita. A combinação desses dois tipos de materiais acelera bastante a decomposição e a produção de calor.
Importância da biomassa adequada
A compostagem adequada requer massa adequada para criar um ambiente adequado ao crescimento bacteriano. Pequenas quantidades de vegetação se decompõem lentamente e produzem pouco calor que é rapidamente dissipado. Isso favorece o crescimento de fungos, razão pela qual os fungos são os principais decompositores da natureza. No entanto, quando a massa adequada é reunida, como numa pilha ou cama de composto, é produzido calor suficiente para impedir o crescimento de fungos e favorecer bactérias tolerantes ao calor. A massa serve não apenas como substrato para a produção de calor, mas também como isolante do ambiente interno. A superfície externa está à temperatura ambiente; a temperatura do substrato aumenta até atingir o máximo no interior. Em nossa cama de compostagem, medimos a temperatura interna em 130 graus Fahrenheit.
Um banheiro sem água fornece nitrogênio valioso
No nosso sistema doméstico usamos humanure como uma valiosa fonte de nitrogénio. Nós o coletamos com um vaso sanitário simples e sem água, composto por dois baldes de cinco galões e um assento sanitário convencional. Um balde é usado como receptáculo e é equipado com um assento removível em um flange. Um segundo contém lascas de madeira ou serragem que, após cada uso, é adicionado em camada fina ao primeiro para cobrir e selar odores. Quando o primeiro balde é cheio, o assento é transferido para um segundo balde que fica vazio e se torna o novo receptáculo. O humanure rico em nitrogênio é então adicionado ao leito de compostagem. Para manter a estética e para uma higiene adequada, é sempre importante cobrir quaisquer adições a uma cama de compostagem com uma camada limpa de madeira ou outro material com alto teor de carbono.
Extração de calor com um trocador de calor
Se houver massa suficiente, o calor pode ser retirado por um simples trocador de calor. Instalamos esse trocador de calor na forma de uma bobina de tubo plástico flexível embutido no interior do nosso leito de compostagem. O calor da decomposição penetra no tubo, aquecendo assim a água que circula no seu interior. A água fria entra por uma extremidade do tubo. Quando uma torneira é aberta na outra extremidade, a água quente sairá até que a água fria que entra substitua a água aquecida e esfrie o cano. Depois é necessário esperar que o calor da massa quente penetre novamente no tubo e aqueça a água fria e fresca. A quantidade de água quente que pode ser retirada em uma “porção” depende do diâmetro e do comprimento do tubo. Em nosso sistema usamos um tubo de 1,5 polegada de diâmetro e 30 metros de comprimento. Isso proporciona um reservatório de água quente de aproximadamente 9 galões, suficiente para vários banhos rápidos ou uma única carga de roupa.
Usando calor para aquecer uma estufa
Ao projetar meu sistema de compostagem, eu queria utilizar o calor tanto para água quente doméstica quanto para aquecer uma estufa no inverno frio do Oregon. Portanto, decidi usar uma grande quantidade de biomassa, que está disponível gratuitamente nas empresas locais. Usei uma camada de um metro de profundidade do substrato primário (podas de árvores no solo) como piso da estufa, cujas dimensões são de aproximadamente 16 'por 28'. Essa massa está contida dentro de paredes construídas com três camadas de fardos de palha, empilhados como tijolos, que também estão disponíveis como resíduos agrícolas gratuitos no Oregon. Usei fardos de palha porque eles também funcionam bem como base para as laterais e o telhado de uma estufa. Pretendo construir o telhado neste outono usando arcos paralelos que abrangem os dois lados e que terão folhas de plástico transparentes penduradas sobre eles para encerrar o espaço interior, protegendo-o do frio externo. O piso do leito de compostagem libera constantemente calor para o espaço acima dele. As laterais do fardo de palha e o telhado de plástico devem ajudar a reter o calor na estufa. O trocador de calor está embutido na camada profunda de composto que constitui o piso. Portanto, o calor do processo de decomposição fornece calor tanto para a água (que é bombeada para dentro da casa) quanto para aquecer o próprio espaço da estufa.
Resultados
Medições preliminares (aos dois meses de idade) mostraram que os primeiros 10 galões de água que emergiam do trocador de calor eram superiores a 130 graus Fahrenheit. Depois disso, ele esfriou gradualmente até cerca de 100 graus quando atingiu 20 galões. A água que entrava no trocador de calor estava a cerca de 45 graus, demonstrando que os leitos de compostagem aqueciam a água a mais de 80 graus! Utilizamos a água que ele gera para todas as necessidades domésticas desde a sua construção. Desde a instalação do nosso sistema, há cerca de dois meses, conseguimos desligar o nosso aquecedor elétrico de água quente e ainda ter água quente 24 horas por dia. A capacidade de aquecimento ambiente do processo de compostagem ainda não foi testada. Não há odores desagradáveis presentes.
Um design mais simples
I would like to propose the following much simpler design for the generation of hot water alone from waste biomass. A "bare-bones" system would consist of a structure that contains the compost bed in the form of a cylinder with sides constructed of woven wire fencing. No posts or other structural materials would be required because the pressure of the biomass pushing out against the fencing will hold the fencing vertical. Embedded in this is a coil of plastic or other pipe which serves as a heat exchanger. Ideally, this will be pressurized water which can then be delivered to where it will be used. The biomass consists of whatever high-carbon material is available in the locale. The size of the cylinder will depend on the diameter of the coils of the pipe. I would suggest that the sides of the cylinder be one to two feet outside the coiled pipe. This will ensure that sufficient insulation exists to maintain the pipe at a high temperature. The 1.5 inch pipe I used came in coils about 6 feet in diameter. Thus, a cylinder approximately 10 feet in diameter and 4 feet or more high would accommodate this size pipe. The biomass decomposition begins when a source of nitrogen (such as leafy matter or manure) is added.
Costs
The major cost of this project consists of the heat exchanger. The plastic pipe described above cost $45 in Oregon. Additional parts to connect to an existing plumbing system (valves, supply pipe) could be expected to cost about $10-20. The only other cost is the fencing or other support to contain the biomass in a cylindrical shape. A 35 foot length of woven wire fence 5 feet high costs about $30 in Oregon. Thus the total budget for this project is less than $100.
The future
I estimate we are actually extracting only a small percentage of the heat produced (several tens of gallons of hot water per day). One Peace Corps volunteer suggested that we could better utilize the heat by constructing a jacuzzi. Indeed, a simple pool could be easily constructed by excavating a depression in the middle of the compost bed and lining it with a heavy plastic or rubber sheet to contain the water. Then, by circulating the water in this pool back into the heat exchanger when it cooled below a desired level, a compost-powered hot tub could be built. I believe the water in a hot tub is typically 105 degrees. Therefore, the temperatures achieved by composting should be adequate. Only experimentation will tell! I invite anyone attempting to harness the power of composting in novel ways contact me with a progress report. The possibilities are manifold!