Composting: Analysis and Optimization of a Simple Design/es

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

Existen diversas formas de compostaje, desde pilas caseras hasta complejos procesos industriales. Los mismos principios fundamentales rigen la producción de compost útil, lo que reduce un análisis sencillo a problemas de transferencia de calor, biología y diseño práctico. El método más simple de compostaje se realiza mediante una pila estática. Este modelo resulta práctico, ya que se adapta fácilmente a pequeñas comunidades donde los residuos orgánicos que de otro modo se desecharían en vertederos pueden desviarse a una planta de compostaje comunitaria con un mínimo aumento en los costos de transporte y mano de obra.

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

Urban growth is necessitating a comprehensive strategy of sanitation and waste management in many developing countries. A study in Dar es Salaam City, Tanzania demonstrated that a composting plant utilizing an aerated pile method produced stable compost in as little as 23 days.^[4] Furthermore, the compost produced significant increases in both crop yields and length of production season when applied on local farmlands. With the added benefit of volume reduction of 60% or more, it is clear that compost should play a role in the approach taken to waste management in both developed and developing countries.

Although capital funds and materials are required to construct a centralized composting facility, micro-reactors can be constructed at virtually no cost that are comparable to what the average eco-conscious person might have in their backyard. A design has been demonstrated showing how one can be built out of a 55 gallon drum.^[5] Plans for many bins that can be constructed from low-cost materials such as drums, plywood, and wooden pallets are freely available online.^[6]

In the case of a small rural community, a plant is not likely to be a viable solution while household bins are likely to be inefficient due to the small volume of organic waste generated per household. A compromise solution is a static pile method that requires only land, organic waste separation, and possibly a bulking agent such as straw or wood chips to control humidity. As such, this should be considered a community project requiring investment from each household. The cost can be offset by the sale of the compost produced to local farmers as an alternative to soil conditioners and even fertilizers.

Any organic material can be composted, ranging from sewage sludge to the organic component of municipal solid waste. In general, the quality of the compost obtained can be predetermined prior to the process by a method of source separation to remove traces of heavy metals, large man-made particulate matter, and toxic elements from the substrate.^[7] American guidelines for compost suitable for vegetable farming include requirements for organic content, carbon-to-nitrogen ratio (C:N), particle size, pH, and stability. Most global standards require that the composting process occur above a certain temperature to eliminate pathogens.

Organic Content refers to the measure of carbon based materials in compost. It is desirable that this be greater than 50% of the total mass of the compost based on dry weight.^[8]

La relación carbono-nitrógeno (relación C/N) indica la cantidad de nitrógeno 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 mulching. 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 menor a 7 es ácida, mientras que las soluciones con un pH mayor a 7 son básicas. El rango recomendado para el compost agrícola es entre 5,0 y 8,0. ^{[ 9 ]} La estabilidad es una medida del grado de descomposición de la materia orgánica en el compost. El compost inmaduro puede volverse anaeróbico durante su almacenamiento o transporte, lo que provoca 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 al que se ha sometido el material. Un método más sofisticado para determinar la estabilidad implica medir el consumo de oxígeno del compost, considerando que cuando la actividad aeróbica se estabiliza a un nivel bajo, el proceso microbiano dominante del compostaje ha cesado. ^{[ 10 ]}

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 considerado 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 a través de cada cálculo. El compostaje sigue siendo un proceso altamente complejo y variable, difícil de predecir, y aunque la evidencia empírica sugiere que los modelos desarrollados mediante la investigación son correctos, persiste cierto grado de variabilidad en los resultados.

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 35:1. Un análisis rudimentario de la materia prima debería permitir calcular qué mezcla de sustratos funcionará eficazmente en el proceso. ^{[ 11 ]} Se dispone de datos que detallan las características de la mayoría de los materiales compostables. ^{[ 12 ]}

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

Dónde

x _i = Relación C/N de un material dado

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

Los microorganismos que participan en la digestión de la materia orgánica durante el compostaje requieren humedad; sin embargo, esto se equilibra 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 descomposición anaeróbica y los olores asociados, mientras que una humedad insuficiente 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 volumétrica
ρw=densidad del agua (998 kg/ ^m³ )
ρtot=densidad de la mezcla de compostaje

Si el contenido de humedad de un sustrato de compostaje es demasiado alto, se debe agregar material seco a la mezcla como agente de volumen para proporcionar una estructura que sostenga el material de alimentación y permita el transporte de oxígeno. El agente de volumen más común son las astillas de madera o el aserrín, pero también se utilizan papel triturado, cáscaras de arroz y cáscaras de nueces. ^{[ 1 ]} Se puede agregar agua a una mezcla que tenga muy poca humedad.

Se puede calcular la cantidad teórica de oxígeno requerida 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 composiciones de los componentes de residuos más comunes. ^{[ 14 ] [ 15 ]} Un modelo general simplificado supone que la composición promedio de los residuos orgánicos esdo10H19O3norteCabe destacar que esta mezcla tendría un contenido muy alto de nitrógeno (relación C/N de 8,6:1), pero con la adición de un agente de carga como el serrín, dicha 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 supone que los residuos orgánicos tienen una volatilidad de aproximadamente 70-80%} ^{[ 17 ]} y un coeficiente de degradabilidad que oscila 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 O₂ _/ kg de residuos.

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

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

Las propiedades importantes que se deben 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 en el proceso, ya que se ha demostrado que la actividad biológica aumenta con la temperatura hasta los 55 ^° C, donde 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 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 flotación generadas por los cambios de densidad o artificialmente mediante 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/m² ^· K]
A = área superficial [m² ^] T
= temperatura de la pila de compost [K]
T∞= temperatura ambiente

En un medio de compostaje, se producen dos tipos de convección: convección dentro del compost y convección entre el compost y el entorno. La modelización de la transferencia de calor convectiva dentro del compost se complica por las interacciones de las fases sólida, líquida y gaseosa que experimentan tanto transferencia de calor convectiva como conductiva. Se ha desarrollado un análisis de parámetros concentrados, pero es complejo. ^{[ 20 ]} Cuando el compostaje se realiza en una pila o hilera al aire libre, la pérdida de calor convectiva se limita 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 media en una pila de compost permite un análisis de volumen de control simplificado 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 /m² ^· K⁴ ) T₁ = temperatura del _pilote

T∞= temperatura ambiente

El compostaje en pilas estáticas es, sin duda, el método más adaptable a las condiciones económicas y de mano de obra del lugar donde se vaya a utilizar. ^{[ 2 ]} En este método, se sopla aire a presión a través de la pila para proporcionar el oxígeno necesario. Las únicas estructuras necesarias son el plenum de ventilación sobre el que se colocará el compost y un soplador. Como se muestra en la Figura 2, la pila puede extenderse formando una hilera de hasta 25 m de longitud para dar cabida a mayores volúmenes de compost.

Figura 2: Compostaje en pilas estáticas. ^{[ 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 superar la altura que podría alcanzar un trabajador con una pala o una horca. Esto también garantiza que el compost no se compacte por su propio peso hasta el punto de impedir la circulación del 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 soportar 64 ^m³ de sustrato, más que suficiente para una comunidad de varios cientos de personas.

El plenum consta de 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 paletas de madera dispuestas longitudinalmente y envueltas 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 enormes. ^{[ 21 ]} También se encuentran fácilmente tuberías de PVC de 3 pulgadas de diámetro en la mayoría de los lugares a un costo de $2 por pie. ^{[ 22 ]} La arpillera cuesta alrededor de $1 por m² ^. Tenga en cuenta que el difusor no debe extenderse a lo largo de toda 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 de gran tamaño debido al bajo caudal requerido. Si bien un gradiente de presión acelera la salida del aire de la pila, la convección natural se produce debido al aumento de temperatura en el interior de la misma. Según el cálculo previo de 5,2 kg de aire necesarios por kg de compost y una duración del proceso de 23 días, se requiere un caudal de 5 m³ ^/ min, aproximadamente equivalente al caudal de un extractor de aire como los que se encuentran sobre la cocina. Estos sopladores están disponibles por menos de 200 dólares.

Entre los materiales adicionales necesarios se incluye un agente de volumen, como el serrín. 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 además ayuda a controlar los olores.

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 un lugar alejado de zonas residenciales para mitigar el impacto de olores potencialmente desagradables e irritantes transportados por el aire.

Un cierto grado de pretratamiento de la materia orgánica, como el triturado o el acolchado, acortará el tiempo de compostaje y reducirá la posibilidad de que se formen zonas anaeróbicas dentro de la pila. Es importante tener en cuenta que esto aumentará el costo y la complejidad del proceso y podría no ser factible en algunos lugares. Se debe alentar a los hogares a participar activamente en programas de separación de residuos para reducir el trabajo necesario 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 emplazamiento, incluyendo factores relacionados con la población y las preocupaciones medioambientales.

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 suministro de oxígeno al sustrato. Esto permitiría optimizar la selección del soplador y el tamaño del plenum.