Abreviaciones
A0: |
Tratamiento control |
BOM: |
PE - 100:00 |
A1: |
Tratamiento |
BOM: |
PE - 90:10 |
A2: |
Tratamiento |
BOM: |
PE - 80:20 |
A3: |
Tratamiento |
BOM: |
PE - 70:30 |
ANOVA: |
Análisis de Varianza |
BOM: |
Biorresiduos de Origen Municipal |
CE: |
Conductividad Eléctrica |
CIC: |
Capacidad de Intercambio Catiónico |
C/N: |
Carbón/Nitrógeno |
CF: |
Coliformes Fecales |
COT: |
Carbono Orgánico Total |
CT: |
Coliformes Totales |
KT: |
Potasio Total |
KOH: |
Hidróxido de Potasio |
MA: |
Materiales Acondicionadores |
ME: |
Materiales de Enmienda |
MS: |
Materiales de Soporte |
NCh: |
Normas Chilenas Aprobadas |
NT: |
Nitrógeno Total |
NTC: |
Norma Técnica Colombiana |
PE: |
Pasto Estrella |
PT: |
Fósforo Total |
RSM: |
Residuos Sólidos Municipales |
SV: |
Sólidos Volátiles |
1. Introducción
Los biorresiduos de origen municipal (BOM) representan la mayor fracción de los residuos sólidos municipales (>50%) en países en desarrollo (Zhang et al., 2014; Zhou et al., 2018), cuya producción pasará de 1.300 millones/t-año generados en 2012 a 2200 para el año 2025 (Sukholthaman y Shar, 2014), lo cual supone retos ambientales, económicos y sociales (Papargyro-poulou et al., 2014), debido a que más del 90 % de los BOM generados son enviados a disposición final en rellenos sanitarios y/o vertederos con efectos negativos como la generación de gases de efecto invernadero, lixiviados, y daños a la salud pública (Thi et al., 2015).
El compostaje es una alternativa tradicionalmente empleada para el aprovechamiento de BOM, principalmente en países en desarrollo. Sin embargo, aspectos como su composición física heterogénea, alta humedad, conductividad eléctrica y deficiencia de parámetros como carbono orgánico total (COT) y fósforo total (PT) (Faverial et al., 2016; Gótze et al., 2016), pueden condicionar el proceso y la calidad del producto final (Nigussie et al., 2017; Oviedo et al., 2017).
Para mejorar el proceso de compostaje de BOM, es habitual incorporar MS para mejorar tanto las características fisicoquímicas de los BOM como para favorecer el desarrollo del proceso y mejorar la calidad del producto final (Bernal et al., 2009). No obstante, si la proporción de mezcla BOM:MS es inadecuada, pueden generarse efectos antagónicos o sinérgicos (Jiang et al., 2011; Zhang y Sun, 2016), por lo que es indispensable definir la mejor proporción.
Entre los MS se encuentran materiales como aserrín, residuos verdes, cascarilla de arroz, paja, entre otros (Li et al., 2013; Soto-Paz et al., 2017). El uso de residuos verdes es ampliamente documentado en la literatura (Li et al., 2013). Reyes-Torres et al., (2018) indican que el uso de este residuo puede incrementar el tiempo de proceso debido a la presencia de compuestos lignocelulíticos; no obstante, favorece la formación de sustancias húmicas que incrementan el valor agrícola del producto final. Oviedo et al., (2013 y 2015) evaluaron la incorporación de residuos verdes (i.e Pasto estrella-PE) sobre el compostaje de BOM, encontrando que la proporción de mezcla (17% y 34% de PE) incide directamente sobre el proceso y calidad del producto. Para mejorar el compostaje de BOM con residuos verdes, además de evaluar diferentes proporciones de mezcla, es recomendable considerar la aplicación de una frecuencia de volteo constante durante las fases activas del proceso (mesofilica y termofilica) y de enfriamiento, lo que puede contribuir a optimizar el proceso de compostaje y mejorar la calidad del producto final, ampliando sus potenciales usos en la agricultura. Adicionalmente, son limitados los estudios que consideran este aspecto (Soto-Paz et al., 2017).
En este estudio se evaluó simultáneamente a escala piloto, el efecto de la incorporación de PE en diferentes proporciones sobre el mejoramiento del proceso y la calidad del producto final en términos de características agrícolas, del compostaje de BOM procedentes de un municipio que realiza separación en la fuente y recolección selectiva de los residuos sólidos municipales (Oviedo et al., 2017).
2. Materiales y métodos
2.1. Unidades Experimentales
Se evaluaron cuatro proporciones BOM:PE (A0 100:00; A1 90:10; A2 80:20; A3 70:30, en base húmeda), las cuales fueron definidas considerando como criterios que: (i) los BOM deben ser el sustrato predominante (> 60 %) y (ii) la relación C/N de la mezcla resultante debe ser mayor o igual a 15 (Kumar et al., 2010). Los tratamientos se evaluaron por duplicado en pilas con forma cónica de 150 kg, altura entre 0.7 a 0.8 m (Oviedo et al., 2017) y se contó con un tratamiento control que consistió en una pila de solo BOM (A0 100:00).
El sustrato (BOM) y co-sustrato (PE), se les realizó una reducción del tamaño de partícula entre 4 y 7 cm, acorde con Onwosi et al., (2017). En todos los tratamientos se aplicó una frecuencia de volteo manual de dos veces por semana durante la fase activa (fase termofílica) del proceso y durante la etapa de enfriamiento y maduración, esta se redujo a una vez por semana (Oviedo et al., 2017).
2.2. Caracterización de sustrato y co-sustrato
Los BOM fueron obtenidos de una instalación de compostaje localizada en un municipio de Colombia donde se practica separación en la fuente y recolección selectiva (Oviedo et al., 2017). El PE se obtuvo de zonas verdes circundantes a la instalación de compostaje. Se realizó un programa de muestreo y caracterización de BOM (doce muestreos) y PE (cinco muestreos).
Las variables medidas a ambos materiales fueron: humedad (gravimetría) y pH (potenciometría en un extracto de 50 ml de agua destilada y 10 g de muestra) acorde con ICONTEC (2011); del mismo extracto se midió conductividad eléctrica (CE) y capacidad de intercambio catiónico (CIC). El contenido de sólidos volátiles (SV) se calculó por el método de calcinación a 550°C siguiendo las recomendaciones de Ali et al. (2013). COT fue determinado con los métodos descritos en la Norma Técnica Colombiana (NTC) 5167 (Icontec, 2011). NT se midió de acuerdo a la NTC 370 (Icontec, 1997); mientras que PT se cuantificó por espectrofotometría. El contenido de KT se determinó por absorción atómica. Lignina (%) y celulosa (%) de acuerdo con PJ Van Soest y Wine (1967). Adicionalmente, se midió el contenido de coliformes totales (CT) y coliformes fecales (CF) según la NTC 5167. Los datos reportados de los parámetros mencionados, corresponden al valor medio de tres mediciones, con su respectiva desviación estándar.
2.3. Monitoreo del proceso y de la calidad del producto
Con relación al monitoreo de las pilas de com-postaje, se midió diariamente la temperatura en el centroide y el perímetro de cada pila con un termómetro de carátula de 30 cm (Termómetro Reotemp, San Diego, California, EE.UU); la temperatura ambiente se registró con una termocupla TC spring loaded. Por otra parte, se midieron el pH, SV, NT y PT (Acosta-Durán et al., 2013; Oviedo-Ocaña et al., 2017) dos veces por semana hasta el inicio de la fase de enfriamiento, donde se redujo la frecuencia a una vez por semana.
Al final del proceso, se realizó un tamizado manual (tamiz de 1,25 cm) de los productos de cada tratamiento, determinando variables como pH, CIC, CE, COT, NT, PT, KT (Navia-Cuetia et al., 2013; Bohórquez et al., 2014; Oviedo et al., 2017), además de la estabilidad de los productos en términos del índice respirométrico dinámico (IRD) a 37°C, cuantificando la concentración de oxígeno con un analizador portátil de gases modelo GFM406 (Reino Unido) (Ponsá et al. (2010).
Tanto a los resultados del proceso como de la calidad de los productos de los diferentes tratamientos, se les realizó un análisis estadístico empleando el software R versión 3.6.5®; para determinar la existencia de diferencias estadísticas significativas (p<0.05) y se realizó un análisis de varianza - ANOVA de una vía y se aplicó la prueba post-ANOVA (Tukey: p <0.05) para determinar el mejor tratamiento respecto a la variable evaluada.
3. Resultados y discusión
3.1 Caracterización de sustrato y co-sustrato
La Tabla 1 muestra la caracterización de BOM y PE y de las mezclas evaluadas en los diferentes tratamientos. Con relación a los BOM, el pH ácido está relacionado con el alto contenido de humedad (>70%) que favorece la producción de ácidos grasos volátiles (Sundberg et al., 2013); se observa además la predominancia orgánica de los BOM y dado que el NT es superior al reportado por autores como Thi et al., (2015) y Cam-puzano y González-Martínez, (2016), se presenta una baja relación C/N (<21). Se observa además una baja concentración de PT (<1%) y un elevado contenido de potasio, debido a la presencia de cáscaras de plátano y banano en los BOM (Oviedo et al., 2017).
Parámetros | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Tratamiento | Muestras (n°) | Humedad (%) | pH | SV (%) | COT (%>) | NT (%) | Relación C/N | PT (%) | KT (%) |
BOM | 12 | 77.3 ± 2.6 | 5.5± 0.3 | 74.3± 0.4 | 31.0± 2.5 | 1.5± 0.1 | 21.4±1.4 | 0.4 ±0.2 | 1.8 ±0.2 |
PE | 5 | 65.1 ± 4.3 | 7.5 ± 0.6 | 76.1± 8.4 | 37.8 ± 6.3 | 1.6 ± 0.3 | 23.1±0.8 | 0.5 ± 0.2 | 1.4 ±0.2 |
A1 (90:10) | 5 | 71.8 ± 1.7 | 6.2±0.0 | 58.7± 4.4 | 34.9± 1.7 | 1.5± 0.4 | 22.5±0.5 | 0.5± 0.01 | 1.6±0.1 |
A2 (80:20) | 5 | 71.1 ± 0.5 | 6.9± 0.9 | 63.6± 6.5 | 36.9± 4.3 | 1.4± 0.3 | 23.5±0.8 | 0.5 ± 0.1 | 1.5±0.2 |
A3 (70:30) | 5 | 71.3 ± 5.9 | 6.9±0.5 | 71.4± 3.3 | 35.2± 4.7 | 1.2± 0.3 | 25.1±1.4 | 0.7 ± 0.3 | 1.8±0.2 |
Celulosa: 1.39 ± 0.19 (%) para BOM y 3.14 ± 0.93 para PE%; Lignina: 0.57 ± 0.31 (%) para BOM y 7.18 ± 1.28 % para PE; Hemice-lulosa: 2.37 ± 0.15 para BOM y 6.18 ± 1.88% para PE.
Con relación al PE, el valor del pH fue próximo a la neutralidad y mayor al de los BOM, similar a lo reportado en otras investigaciones (Zhang y Sun, 2016; Reyes-Torres et al., 2018). Los valores de la relación C/N, contenido de PT y KT, se encuentran dentro de los reportados por Vandecasteele et al. (2016) para residuos verdes (21.5 - 49.2, 0.12 - 0.21 % y 0.43 - 1.44 %, respectivamente), no obstante el contenido de humedad fue mayor (42.6 - 52.2 %), lo que puede estar asociado a que éstos presentan alta variabilidad por las condiciones climáticas y geográficas de la región (Reyes-Torres et al., 2018) y por el tiempo de cosecha del PE (Chanpla et al., 2017). El contenido de celulosa y lignina fue superior en el PE comparativamente con los BOM.
Respecto a los tratamientos BOM:PE (A1, A2 Y A3), se observa que la incorporación de PE incrementó el pH, SV, COT relación C/N y PT en comparación con los BOM, además de aportar mayor porosidad (Torres et al., 2007), lo que puede beneficiar el inicio del proceso al aumentar la disponibilidad de aire en los tratamientos y estimular la actividad biológica (Waqas et al., 2018).
3.2. Monitoreo del proceso
Degradación de la materia orgánica durante el proceso
La Figura 1 muestra los perfiles de temperatura, SV y pH, en que se observa una tendencia similar en las dos primeras variables, lo que está acorde con De Guardia et al. (2010), quienes indican que la biodegradación de la MO y la temperatura por acción de la actividad microbiana, se correlacionan positivamente.
En todos los experimentos, la mayor reducción en el contenido de SV se observó durante la fase termo-fílica (ver Figura 1b), que está de acuerdo con la rápida descomposición de compuestos fácilmente degradables como carbohidratos, proteínas que son usados como fuente de energía y nitrógeno por los consorcios microbianos (Jiang-ming, 2017; Hemidat et al., 2018; Waqas et al., 2018). Entre los tratamientos evaluados, la máxima reducción de SV se presentó en A2 y A3, los cuales consistentemente presentaron las mayores temperaturas medias durante el proceso indicando una mayor actividad microbiológica, que pudo estar favorecida por el incremento en la disponibilidad de oxígeno asociada a la porosidad aportada por el PE (Oviedo et al., 2015). En contraste, las menores pendientes de biodegradación se observaron en los tratamientos A0 y A1, los cuales no mostraron diferencias significativas (p>0.05).
Acorde con Soobhany (2018), estos tratamientos alcanzaron condiciones de higienización debido a que se lograron temperaturas superiores a 60°C durante tres o más días consecutivos y se evidenció que la proporción de mezcla tiene un efecto sinérgico y significativo (p = 0.012) sobre la degradación de la MO. La Figura 1C muestra los perfiles de pH durante el proceso. Conforme la MO fue degradada, se observó un incremento gradual del pH, pasando de ligeramente ácido a alcalino (valores entre 8.0 y 9.5 unidades). Autores como Wang et al., (2015) y Cáceres et al., (2018) atribuyen este comportamiento a la mineralización de compuestos ricos en NT (i.e proteínas, aminoácidos y péptidos) y a nitrógeno amoniacal producido durante el proceso de amonificación.
Adicionalmente, como los BOM presentan KT (debido a la presencia de cáscaras de plátano y banano) este elemento, en asociación con el agua presente en la matriz, pudo propiciar la formación de KOH, que es una base fuerte (Kalemelawa et al., 2012) que también pudo contribuir con el incremento del pH. Este comportamiento fue observado también por (Oviedo et al., 2017) en la zona de estudio.
Durante la etapa de enfriamiento (temperatura <45°C y después del día 55), en todos los tratamientos los perfiles de SV tendieron a estabilizarse producto del proceso de biodegradación de compuestos de lenta biodegradación como lignina y hemicelulosa; consistentemente la temperatura decreció hasta alcanzar al final del proceso valores entre 22 y 24°C. Las mayores temperaturas observadas respecto al control, están asociadas con la presencia de compuestos de lenta de biodegrada-ción que prolongan el proceso (mayor proporción de PE) (Haynes et al., 2015), pero contribuyen a incrementar la formación de compuestos húmicos (Zhang y Sun, 2016; Zhou et al., 2018; Martínez-Salgado et al., 2019).
Al final del proceso, todos los tratamientos presentaron valores de pH alcalinos (A0, A1 y A3 >9 unidades y A2 8.1 unidades), siendo A2 el de mejores valores, ya que está en el rango óptimo (7.0 - 8.5 unidades) según criterios de calidad del compost sugerida por normativas europeas (Cesaro et al., 2015) y por la NTC 5167 ICONTEC (2011).
Monitoreo de nutrientes
La Figura 2 presenta los perfiles de NT y PT durante el proceso. En la Figura 2A se observa que todos los tratamientos empiezan a disminuir el contenido de NT desde el inicio del proceso, lo que está asociado a la actividad biológica y a la volatilización del nitrógeno por el consecuente aumento de la temperatura y el pH durante la etapa termofílica, (Oudart et al., 2015). El menor descenso en el contenido de NT se observó en A2 y A3, probablemente asociado a una menor pérdida de amoniaco; al respecto, autores como Zhang y Sun (2016) indican que la presencia de materiales lignocelulósicos en las mezclas, favorece la inmovilización de NT.
Sin embargo, la mayor reducción de NT en A3, se puede deber a una mayor volatilización en forma amoniacal favorecida por el aumento de la porosidad (Cáceres et al., 2018), la cual está relacionada con el incremento en la proporción de PE en la mezcla BOM:PE.
La dinámica del PT presentó un comportamiento fluctuante durante el proceso, lo que guarda relación con las posibles variaciones en la actividad microbiana en respuesta a factores ambientales como temperatura, humedad y disponibilidad de carbono (Parkinson et al., 2004); en general se observa un incremento gradual al final del proceso, que está asociado a la mineralización de la MO ( Figura 2B).Igualmente, el PT fue más alto en A2 comparativamente con los tratamientos A1 y A3. El descenso en la concentración de PT al inicio del proceso puede asociarse a la lixiviación del fósforo soluble y a su inmovilización por parte de los microrganismos (Parkinson et al., 2004). Richardson y Simpson (2011) sugieren que la incorporación de residuos verdes puede promover la mineralización del PT durante la biodegradación de la MO.
Estadísticamente, los tratamientos presentaron diferencias significativas (p= 1.23e-8) y la prueba de Tuckey determinó que con excepción de los tratamientos A0 y A1 (p= 0.97), todos los tratamientos presentaron diferencias significativas entre sí; A2 y A3 presentaron el mayor contenido de PT (A3 - A2, p= 0,004). Los valores encontrados en este estudio muestran una mejora respecto a otros autores en el compostaje de BOM con residuos verdes (Reyes-Torres et al., 2018).
3.3 Calidad del producto final
La Tabla 2 muestra los resultados de la calidad fisicoquímica del producto final de cada tratamiento evaluado y su comparación con los requerimientos para abono orgánico estipulados por la norma nacional (NTC 5167, 2011). Con respecto al pH, los productos presentaron valores con tendencia a ser alcalinos (i.e pH >7.5), aunque cumplen con lo estipulado en la normativa nacional (NTC 5167, 2011). Acorde con Lasaridi et al. (2006), el pH del producto debe fluctuar entre 6.0 y 8.5 para que el proceso se pueda aplicar a una amplia variedad de plantas, por lo que los tratamientos A2 y A3 muestran mayor potencial para estimular la actividad vegetal.
Parámetro | Unidad | Pila Control (BOM) | A1 (90:10) | A2 (80:20) | A3 (70:30) | NTC 5167 |
---|---|---|---|---|---|---|
pH | Unidades | 8.9±0.5 | 8.5± 0.1 | 8.1± 0.1 | 7.8± 0.3 | 4.0 - 9.0 |
CIC | meq/100g | 22.4 ± 2.2 | 52.6±1.8 | 65.6± 2.1 | 59.6± 2.8 | >30 |
CE | dS/m | 0.4±0.1 | 1.3± 0.0 | 0.4± 0.0 | 0.7± 0.02 | - |
NT | % | 0.8±0.3 | 1.0±0.3 | 2.3±0.2 | 1.8±0.1 | >1.0 |
COT | % | 12.8±2.4 | 10.8±0.9 | 20.3±0.4 | 23.1±1.4 | >15 |
PT | % | 0.6±0.3 | 1.1±0.2 | 1.4±0.1 | 1.2±0.1 | >1.0 |
KT | % | 2.2± 1.2 | 2.1±0.1 | 2.1±0.1 | 2.3±0.3 | >1.0 |
Estabilidad | mgO2/gSVh | 0.9±0.1 | 0.77±0.1 | 0.65±0.1 | 0.66±0.1 | - |
CF | NMP/g | 35.0±3 | nd | nd | nd | <1000 |
CT | NMP/g | 59.0±11 | 35.3 ± 1.4 | 31.9 ± 2.2 | 29.0 ± 3.9 | <1000 |
Nd: No detectable
En cuanto a la CIC, todos los tratamientos presentaron valores mayores a 20 meq/100g, indicando que estimularían la actividad biológica por el intercambio de bases con el suelo. Los valores de CE son bajos en comparación del límite propuesto en las normativas e indica poca presencia de sales. Acorde con Lasaridi et al. (2006) esto es importante para reducir problemas de fitotoxicidad en las plantas.
Con respecto al contenido de COT, NKT, PT y KT el tratamiento A2 tiene el mayor potencial para el uso agrícola, ya que presenta mejor contenido de nutrientes y mejores características agronómicas como CIC y CE. Respecto a la calidad biológica, todos los tratamientos con PE presentaron condiciones de estabilidad debido a que tuvieron un consumo de oxígeno inferior a 1.0 mgO2 gSV-1 (Barrena et al., 2006). Los productos más estables se presentaron en A2 y A3, mostrando el efecto sinérgico de incrementar la proporción de mezcla.
Respecto a las características microbiológicas, todos los productos presentaron valores inferiores al límite máximo de CF (<1000 NMP/g) fijado por la NTC 5167 (2011); sin embargo, los tratamientos con incorporación de PE presentaron valores inferiores respecto al tratamiento control A0 (100 % BOM) que fue el producto que reportó los valores más altos de CT y CF.
4. Conclusiones
Los resultados del estudio indicaron que el tratamiento A1 (BOM:PE, 90:10) no tuvo un efecto significativo sobre el proceso y calidad del producto final respecto a la unidad control de solo BOM (A0). Por otro lado, el tratamiento A3 (BOM:PE, 70:30) aunque mostró un mejor desempeño durante el proceso y mejor calidad del producto final que A0, presentó una mayor reducción de nitrógeno total que A2 (BOM:PE, 80:20). Por lo anterior, no se recomendaría la incorporación de proporción de PE menores o iguales a 10 % debido a su poca incidencia sobre el proceso de compostaje de BOM.
Entre las mezclas BOM:PE evaluadas, la proporción 80:20 (A2) fue la más favorable, con valores de pH más cercanos a la neutralidad, inicio más rápido de la fase termofílica y mayor reducción de sólidos volátiles durante el proceso respecto a los otros tratamientos. En cuanto a la calidad del producto final, también fue el tratamiento que mejor se ajustó a la norma técnica colombiana para productos para la industria agrícola, productos orgánicos usados como abonos o fertilizantes y enmiendas de suelo