Composting: Analysis and Optimization of a Simple Design/es

El compostaje se define como la descomposición biológica y estabilización de material orgánico. ^{[ 1 ]} El producto final de tal proceso debe estar libre de patógenos y semillas de malezas, y de suficiente calidad para que pueda aplicarse a la tierra sin efectos ambientales adversos. En el nivel más básico, el compostaje prácticamente no requiere materiales, estructuras o trabajo adicionales, por lo que tiene las propiedades inherentes de una tecnología apropiada y sostenible. La medida en que los materiales, la mano de obra y el conocimiento se aplican adecuadamente hacia el refinamiento de un proceso de compostaje determina en última instancia su eficiencia y eficacia; sin embargo, esto no debe interpretarse como que la complejidad y la eficiencia sean mutuamente dependientes. ^{[ 2 ]} El diseño propuesto en este documento describe un método eficaz mediante el cual el compostaje de residuos de jardín y alimentos producirá humus que puede esparcirse directamente sobre los cultivos como acondicionador del suelo, lo que aumenta inmediatamente el rendimiento.

Introducción

Existen muchas formas de compostaje, desde pilas en el jardín hasta complejos procesos industriales. Los mismos principios fundamentales rigen la producción de compost utilizable, reduciendo un simple análisis a problemas de transferencia de calor, biología y diseño práctico. El método más sencillo de compostaje se logra mediante una pila estática. Este modelo es práctico, ya que se adapta fácilmente a una pequeña comunidad donde los residuos orgánicos que de otro modo se desecharían en vertederos podrían desviarse a una planta de compostaje comunitaria con un mínimo coste adicional de transporte y mano de obra.

Figura 1: Diagrama de flujo del compostaje. ^{[ 3 ]}

de fondo

El crecimiento urbano exige una estrategia integral de saneamiento y gestión de residuos en muchos países en desarrollo. Un estudio realizado en la ciudad de Dar es Salaam, Tanzania, demostró que una planta de compostaje que utiliza un método de pila aireada produjo compost estable en tan solo 23 días. ^{[ 4 ]} Además, el compost produjo aumentos significativos tanto en el rendimiento de los cultivos como en la duración de la temporada de producción al aplicarse en tierras agrícolas locales. Con el beneficio adicional de una reducción del volumen del 60 % o más, es evidente que el compost debería desempeñar un papel en el enfoque de gestión de residuos tanto en países desarrollados como en desarrollo.

Aunque se requieren fondos y materiales para construir una planta de compostaje centralizada, se pueden construir microrreactores prácticamente sin costo, comparables a los que una persona promedio con conciencia ecológica podría tener en su patio trasero. Se ha demostrado un diseño que muestra cómo construir uno con un bidón de 55 galones. ^{[ 5 ]} Los planos de muchos contenedores que se pueden construir con materiales económicos, como bidones, madera contrachapada y palés de madera, están disponibles gratuitamente en línea. ^{[ 6 ]}

En el caso de una pequeña comunidad rural, es probable que una planta no sea una solución viable, mientras que los contenedores domésticos probablemente resulten ineficientes debido al pequeño volumen de residuos orgánicos generados por hogar. Una solución intermedia es un método de pila estática que solo requiere tierra, separación de residuos orgánicos y, posiblemente, un agente de carga, como paja o virutas de madera, para controlar la humedad. Por lo tanto, esto debería considerarse un proyecto comunitario que requiere la inversión de cada hogar. El costo puede compensarse con la venta del compost producido a agricultores locales como alternativa a los acondicionadores de suelo e incluso a los fertilizantes.

Características de un buen compost

Cualquier material orgánico puede compostarse, desde lodos de depuradora hasta el componente orgánico de los residuos sólidos urbanos. En general, la calidad del compost obtenido puede predeterminarse antes del proceso mediante un método de separación en origen para eliminar trazas de metales pesados, partículas de gran tamaño de origen artificial y elementos tóxicos del sustrato. ^{[ 7 ]} Las directrices estadounidenses para el compost apto para el cultivo de hortalizas incluyen requisitos de contenido orgánico, relación carbono-nitrógeno (C:N), tamaño de partícula, pH y estabilidad. La mayoría de las normas internacionales exigen que el proceso de compostaje se realice por encima de cierta temperatura para eliminar patógenos.

El contenido orgánico se refiere a la cantidad de materiales a base de carbono en el compost. Es deseable que este sea superior al 50 % de la masa total del compost, en peso seco. ^{[ 8 ]}

La relación carbono-nitrógeno (relación C/N) indica la cantidad de nitrógeno presente en el suelo en relación con la cantidad de carbono. Un rango aceptable se encuentra entre 20:1 y 35:1. ^{[ 9 ]}

El tamaño de las partículas debe minimizarse mediante un proceso de trituración o acolchado. La mayoría de las directrices estipulan que las partículas no deben superar los 2,5 cm de diámetro.

El pH es una medida de la acidez o basicidad de una solución. Una solución con un pH inferior a 7 es ácida, mientras que las soluciones con un pH superior a 7 son básicas. El rango recomendado para el compost agrícola está entre 5,0 y 8,0. ^{[ 9 ]} La estabilidad es una medida del grado en que se ha completado la descomposición de la materia orgánica en el compost. El compost inmaduro puede volverse anaeróbico durante el almacenamiento o el transporte, lo que genera problemas de olor y el desarrollo de compuestos tóxicos. ^{[ 7 ]} La ​​madurez, el estado en el que el compost se considera lo suficientemente estable para su uso en el suelo, a menudo se estima empíricamente por la duración del proceso de compostaje que ha experimentado un material. Un método más sofisticado para determinar la estabilidad implica medir la absorción de oxígeno del compost, argumentando que cuando la actividad aeróbica se estabiliza a un nivel bajo, el proceso microbiano dominante del compostaje ha cesado. ^{[ 10 ]}

Análisis de ingeniería

Un proceso de compostaje eficiente optimiza varios factores: la relación carbono-nitrógeno, el contenido de humedad y el contenido de oxígeno, siendo este último generalmente reconocido como el más importante. ^{[ 2 ]} Es importante comprender que cualquier modelo de análisis se basa en supuestos simplificadores que, si bien en su mayoría son válidos, introducen errores que se propagan en cada cálculo. El compostaje sigue siendo un proceso altamente complejo y variable, difícil de predecir, y si bien la evidencia empírica sugiere que los modelos desarrollados mediante la investigación son correctos, persiste cierta variabilidad en los resultados.

Relación carbono-nitrógeno

Todos los materiales orgánicos contienen carbono y también pueden contener cierta cantidad de nitrógeno. Como se mencionó anteriormente, la relación C/N óptima para el compost se encuentra entre 20 y 35 a 1. Un análisis rudimentario de la materia prima debería permitir calcular la combinación de sustratos que funcionará eficazmente en el proceso. ^{[ 11 ]} Existen datos que detallan las características de la mayoría de los materiales compostables. ^{[ 12 ]}

Para calcular la relación C/N de una mezcla formada por n materiales, se puede utilizar una fórmula ponderada:

Dónde

x _i = Relación C/N de un material dado

F _i = fracción de masa del material en la materia prima total (la suma debe ser igual a 1)

Contenido de humedad

Los microorganismos que participan en la digestión de la materia orgánica durante el compostaje requieren humedad; sin embargo, esta se compensa con la necesidad de una ventilación adecuada y, en particular, de un suministro de oxígeno. ^{[ 13 ]} Un transporte inadecuado de oxígeno a través del sustrato puede provocar la descomposición anaeróbica y los olores asociados, mientras que la falta de humedad reduce la actividad biológica. Investigaciones limitadas han demostrado que el nivel óptimo de humedad oscila entre el 50 % y el 70 % en base húmeda, calculado como:

DóndeMETROdowb=Contenido de humedad en base húmeda
εw=contenido de humedad volumétrico
ρw=densidad del agua (998 kg/m ³ )
ρeloel=densidad de la mezcla de compostaje

Si el contenido de humedad de un sustrato de compostaje es demasiado alto, se debe añadir material seco a la mezcla como agente de carga para proporcionar una estructura que contenga el material de alimentación y permita el transporte de oxígeno. El agente de carga más común es la viruta de madera o el aserrín, pero también se utilizan papel triturado, cascarilla de arroz y cáscaras de frutos secos. ^{[ 1 ]} Se puede añadir agua a una mezcla con muy poca humedad.

Demanda de oxígeno

Se puede calcular la cantidad teórica de oxígeno necesaria para un proceso de compostaje determinado si se conoce la composición química general de los residuos y se puede estimar la eficiencia de transferencia de oxígeno. La investigación ha identificado las composiciones de los componentes más comunes de los residuos. ^{[ 14 ] [ 15 ]} Un modelo general simplificado asume una composición promedio de los residuos orgánicos.do10H19Oh3norteTenga en cuenta que esta mezcla tendría un contenido muy alto de nitrógeno (relación C/N de 8,6:1), pero al añadir un agente de carga como el aserrín, la relación se reduciría considerablemente. El modelo se ha simplificado para ilustrar el proceso.

El requerimiento de oxígeno para la reacción se puede calcular estequiométricamente: ^{[ 16 ] [ 1 ]}

Según este modelo, se requieren dos kg de _{O₂ para reaccionar completamente con un kg de residuos orgánicos. En la práctica, la reacción no se completa durante un ciclo de compostaje y está limitada por la volatilidad y la degradabilidad de los residuos. Generalmente, se asume que los residuos orgánicos tienen una volatilidad de aproximadamente el 70-80 %} ^{[ 17 ]} y un coeficiente de degradabilidad de entre 0,72 y 0,82. ^{[ 1 ]} En el caso del ejemplo anterior, el oxígeno máximo requerido para satisfacer estos parámetros es (2 kg)*(0,8)*(0,82) = 1,31 kg de _O₂ /kg de residuo.

Sabiendo que el aire contiene 21% de oxígeno en peso a 1 atm y 25 ^° C, podemos calcular la cantidad de aire necesaria por unidad de masa de residuo:

Transferencia de calor

Las bacterias termófilas que impulsan el proceso de compostaje operan de manera óptima en un rango de temperatura entre 20-50 ^° C. Un análisis de transferencia de calor de una pila de compostaje se puede reducir a un balance de energía entre la generación interna de la actividad microbiana y las pérdidas por conducción, convección y radiación.

Las propiedades importantes a conocer son la densidad aparente de la materia prima, ^{[ 18 ]} la longitud característica de la pila de compost y la conductividad térmica. ^{[ 19 ]}

A continuación, se presenta una breve descripción de cada uno de estos factores:

La generación de calor es un subproducto de la actividad microbiana de la descomposición. También es una fuerza impulsora del proceso, ya que se ha demostrado que la actividad biológica aumenta con la temperatura hasta 55 ^° C, momento en el que el crecimiento bacteriano comienza a disminuir. ^{[ 1 ]}

La conducción ocurre siempre que existe un gradiente de temperatura, según la Ley de Fourier:

Donde k es la conductividad térmica de una sustancia, generalmente entre 0,2 y 0,5 W/m ^. K para el compost.

La convección es el resultado del flujo de un fluido sobre un objeto a diferentes temperaturas. Esto puede ocurrir de forma natural debido a las fuerzas de flotabilidad generadas por los cambios de densidad o artificialmente por un flujo de aire forzado, como el generado por un ventilador o una bomba. La convección se produce según la Ley de Enfriamiento de Newton:

h = coeficiente de convección [W/m ^{2 ·} K]
A = área superficial [m ² ]
T = temperatura de la pila de compost [K]
T∞= temperatura del entorno

En un medio de compostaje, se producen dos tipos de convección: convección dentro del compost y convección entre el compost y el entorno. El modelado de la transferencia de calor convectivo dentro del compost se complica por las interacciones de las fases sólida, líquida y gaseosa que experimentan transferencia de calor tanto convectiva como conductiva. Se ha desarrollado un análisis de parámetros agrupados, pero es complejo. ^{[ 20 ]} Cuando el compostaje se realiza en una pila o hilera al aire libre, la pérdida de calor convectivo se ve limitada por el transporte conductivo desde el interior de la pila, ya que el exterior de la pila alcanzará rápidamente el equilibrio con el aire circundante. Una estimación de la temperatura promedio en una pila de compost permite un análisis simplificado del volumen de control en relación con el estado ambiental.

La radiación se produce entre dos cuerpos según la ley de Stefan-Boltzmann:

ε= emisividad
σ= Constante de Stefan-Boltzmann (5,67 x 10 ^-8 W/m ^{2 .} K ⁴ )
T ₁ = temperatura de la pila
T∞= temperatura del entorno

Diseño

de concepto

El compostaje en pilas estáticas es fácilmente el método más adaptable a las condiciones económicas y de mano de obra del lugar donde se utilizará. ^{[ 2 ]} En este método, se insufla aire forzado a través de la pila para proporcionar el oxígeno necesario. Las únicas estructuras necesarias son la cámara de ventilación donde se asentará el compost y un ventilador. Como se muestra en la Figura 2, la pila puede extenderse hasta una longitud de 25 m para acomodar mayores volúmenes de compost.

Figura 2: Compostaje en pila estática. ^{[ 3 ]}

Las consideraciones prácticas, así como la compactación, son factores limitantes al diseñar la altura de la pila. En situaciones donde no se dispone de maquinaria para mover la materia prima, la pila no debe construirse a una altura mayor que la que un trabajador podría ocuparse de ella con una pala o quizás una horca. Esto también garantiza que el compost no se compacte por su propio peso hasta el punto de inhibir el flujo de aire.

El ancho de la pila no debe exceder el doble de su altura. Por ejemplo, una pila de 160 cm de altura tendría un ancho máximo de 320 cm. Con una longitud de 25 m, este sistema podría procesar 64 ^m³ de sustrato, más que suficiente para una comunidad de varios cientos de personas.

El plenum consiste en tuberías perforadas alojadas dentro de un difusor diseñado para distribuir el aire uniformemente a lo largo de la hilera y a lo ancho de la pila. El difusor puede construirse con palés de madera para envío dispuestos longitudinalmente y envueltos en un material poroso como tela gruesa o arpillera. El uso de cajas de embalaje es ideal debido a su disponibilidad y capacidad para soportar cargas tremendas. ^{[ 21 ]} Las tuberías de PVC de 3 pulgadas de diámetro también están fácilmente disponibles en la mayoría de las ubicaciones a un costo de $2 por pie. ^{[ 22 ]} La arpillera cuesta alrededor de $1 por m ² . Tenga en cuenta que el difusor no debe extenderse a lo largo de toda la longitud de la hilera para evitar cortocircuitos en el flujo de aire. Como se muestra en la Figura 3, el difusor debe terminar una longitud de altura de pila antes del final de la hilera, es decir, 160 cm en este caso. Esto asegurará que el flujo de aire sea uniforme en todo el plenum.

Figura 3: Extremo de la hilera que muestra el difusor. ^{[ 3 ]}

El soplador no necesita ser muy grande debido al bajo caudal requerido. Si bien un gradiente de presión acelera el flujo de aire que sale de la pila, se produce convección natural debido al aumento de temperatura en el interior. Según el cálculo anterior, que indica que se requieren 5,2 kg de aire por kg de compost y una duración del proceso de 23 días, se requiere un caudal de 5 m³ ^/ min, equivalente aproximadamente al caudal del extractor que se encuentra sobre la estufa. Estos sopladores están disponibles por menos de 200 $.

Los materiales adicionales necesarios incluyen un agente de carga como el aserrín. Generalmente, se puede encontrar un material adecuado en la mayoría de las zonas. La eficiencia del proceso se puede mejorar cubriendo el material de compostaje con una fina capa de tierra vegetal para conservar el calor, lo que también proporciona el beneficio adicional de controlar los olores.

Limitaciones y trabajo futuro

El diseño descrito es una guía. Las pruebas de campo son esenciales para determinar los parámetros más efectivos según el clima local, la materia prima, la escala de implementación y la disponibilidad de mano de obra. ^{[ 23 ]} El compost debe analizarse para detectar patógenos antes de aplicarlo a los cultivos, y el sitio de compostaje debe ubicarse en una ubicación alejada de zonas residenciales para mitigar el impacto de olores potencialmente desagradables e irritantes aéreos.

Un cierto grado de preprocesamiento de la materia orgánica, como la trituración o el acolchado, acortará el tiempo de compostaje y reducirá la posibilidad de que se formen bolsas anaeróbicas dentro de la pila. Es importante tener en cuenta que esto aumentará el costo y la complejidad del proceso y podría no ser viable en algunos lugares. Se debe animar a los hogares a participar activamente en programas de separación de residuos para reducir la mano de obra necesaria para clasificar la materia orgánica.

Un análisis de sensibilidad sería una herramienta valiosa para determinar el grado preciso en que cada variable del proceso altera el resultado cuando se manipula.

Sería beneficioso realizar un estudio y una descripción del proceso de selección del sitio, incluidos los factores relacionados con la población y las preocupaciones ambientales.

Sería ventajoso incorporar residuos agrícolas, como el estiércol, a la materia prima.

Un modelo CFD de la pila aireada sería útil para modelar la distribución de temperatura y el aporte de oxígeno al sustrato. Esto podría refinar la selección del soplador y el tamaño del plenum.

Referencias