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Sistema de Información Científica
Red de Revistas Científicas de América Latina y el Caribe, España y Portugal
Rev. Int. Contam. Ambient. 22 (2) 83-93, 2006
UTILIZACIÓN DE SUPBRODUCTOS DE LA INDUSTRIA TEQUILERA.
PARTE 8. EVOLUCIÓN DE ALGUNOS CONSTITUYENTES DE LA MEZCLA DE
BIOSÓLIDOS-BAGAZO DE AGAVE DURANTE EL COMPOSTAJE
Gilberto ÍÑIGUEZ
1
, Javier PARRA
2
y Patricia A. VELASCO
3
1
Universidad de Guadalajara, Departamento de Madera, Celulosa y Papel. Km. 15.5 carretera Guadalajara-
Nogales. Las Agujas, Mpio. de Zapopan, Jalisco. Apartado Postal 52-93. Guadalajara 45020 Jalisco, México
2
Universidad de Guadalajara, Departamento de Química. Blvd. Marcelino García Barragán y Calzada Olímpi-
ca. Guadalajara 44480 Jalisco, México
3
Hilasal, S. A. de C. V. Carretera al Salto, Jalisco, México
(Recibido noviembre 2005, aceptado junio 2006)
Palabras clave: bagazo de agave, biosólidos, biodegradación, compostaje
RESUMEN
En el presente trabajo de investigación se estudio por duplicado, durante el proceso de
compostaje de una mezcla de biosólidos y bagazo de agave, la reducción de la materia
orgánica y el volumen, tomando en cuenta la densidad y el contenido de cenizas.
Diariamente se midió la temperatura de cada pila, colocando en diferentes lugares 5
sensores de temperatura para graficar luego el promedio de los cambios de temperatura
con relación al tiempo transcurrido. También durante el compostaje se tomaron mues-
tras para el análisis de pH, materia seca, conductividad eléctrica, materia orgánica,
cenizas, carbono orgánico, nitrógeno y densidad. Al final del proceso, a la composta se
le practicaron pruebas de fitotoxicidad y de madurez con lombrices. A la composta
también se le determinaron algunas características físicas como densidad, espacio po-
roso total, agua fácilmente disponible, agua de reserva, agua difícilmente aprovechable
y capacidad de aire. Los cálculos de pérdida para los siguientes parámetros fueron:
materia orgánica 57.1, volumen 77.1, carbono orgánico total 67.2 y nitrógeno total Kjeldahl
25.6 %. Según los resultados de las pruebas fitotoxicidad se obtuvieron compostas
muy maduras. Sin embargo con base en los resultados de madurez en
Eisenia foetida
fue recomendable alargar un poco más el período de compostaje. La propiedades físicas
de los biosólidos mejoraron con el compostaje.
Key words: agave bagasse, biosolids, biodegradation, composting
ABSTRACT
The present research deals with the reduction of mass and volume during composting
biosolids mixed with agave bagasse using measurements of nonvolatile solids (NVS)
and bulk density. Temperature was measured daily and samples were taken to determine
pH, dry matter, electrical conductivity, organic matter, ash, organic carbon, nitrogen and
bulk density. At the end of the composting time, biosolids compost was subjected to an
earthworm and phytotoxicity bioassays. Some physical properties as bulk density, total
pore space, easily available water, water buffer content, difficult available water and air
G. Íñiguez
et al.
84
INTRODUCCIÓN
El manejo y la disposición de lodos y biosólidos que
se derivan de las plantas de tratamiento de aguas
residuales representan un grave problema en térmi-
nos ambientales y económicos para
la zona
conurbada de Guadalajara debido a su elevada can-
tidad (80,576 tons de lodos residuales/año) y volu-
men (422,305m
3
), cuyo manejo equivale al 40 % del
costo global del tratamiento de aguas residuales
(CONACyT 2004). Los biosólidos son un producto
orgánico, rico en nutrientes, derivados de plantas de
tratamiento de aguas residuales. Estos contienen
materia orgánica y nutrientes esenciales para las plan-
tas que pueden ser reciclados como fertilizantes y
mejoradores del suelo, sin embargo, el contenido de
metales pesados y organismos patógenos puede ser
un factor limitante para su aprovechamiento en usos
urbanos y agrícolas (Logan
et al.
1997, NOM-004
2002). El compostaje de biosólidos puede ser una
buena alternativa como método de control de orga-
nismos patógenos ya que las bacterias de origen
entérico son sensibles a temperaturas mayores de
42 °C (McCaskey y Martin 1988). Esencialmente el
compostaje se lleva a cabo en dos rangos de tempe-
ratura, mesofílica (10-40 °C) y termofílica (40 hasta
71 °C), siendo los 55
o
C la temperatura crítica para
eliminar patógenos humanos (Rynk 1992). Por otro
lado, el diseño y el manejo de una planta de compos-
taje, depende en gran medida del volumen de los ma-
teriales disponibles para el compostaje así como del
volumen y del peso del producto terminado. El peso
y el volumen de los materiales para el compostaje
pueden conocerse fácilmente mediante el volumen y
el número de viajes de los camiones de volteo, en
cambio es más difícil conocer el peso y el volumen
del producto final cuando el compostaje no se hace a
escala de laboratorio o piloto. En plantas de compos-
taje, la pérdida de volumen se estima típicamente de
forma directa, lo que puede dar resultados no muy
exactos, ya que las dimensiones de las pilas o hileras
se miden mediante ecuaciones geométricas antes y
después del compostaje, calculando la pérdida de
volumen por diferencia del volumen inicial y final
(Rynk 1992). La certeza de esos cálculos depende
mucho de la exactitud de las mediciones directas y
del modelo geométrico que se utilice según la con-
formación de las pilas o hileras. El objetivo principal
de este trabajo de investigación fue estudiar la evo-
lución de la pérdida de materia orgánica y volumen
durante el compostaje de una mezcla de biosólidos y
bagazo de agave con base en ecuaciones estableci-
das para tal propósito, además de evaluar algunas
características agronómicas y de madurez de la com-
posta obtenida.
Teoría
Cálculos de la pérdida de materia orgánica
Una de las características más importantes du-
rante el proceso de compostaje es la pérdida de la
masa o materia orgánica, esta pérdida puede ser
calculada tomando en consideración lo siguiente: si
se asume que los sólidos no volátiles (SNV) se con-
servan completamente durante el compostaje, el con-
tenido de ellos debe necesariamente incrementarse
en proporción directa a la pérdida de la masa durante
la degradación microbiológica. Esta relación permite
calcular el cambio proporcional en la masa total cuan-
do se conoce el cambio en el contenido de los SNV.
La fracción remanente (X
M
) de la masa total du-
rante el compostaje, puede representarse como una
relación de la masa final (M
f
) y la masa inicial (M
i
):
X
M
= M
f
/ M
i
(1)
Si A
t
representa la masa de SNV durante el com-
postaje, la concentración de SNV al inicio (A
i
) y al
final (A
f
) estarán dadas por las siguientes relacio-
nes:
A
i
= A
t
/ M
i
(2)
A
f
= A
t
/ M
f
(3)
entonces en función de estas concentraciones, se
puede calcular la proporción de la masa inicial que
queda después del compostaje, es decir, la fracción
remanente (X
M
)
X
M
= (A
t
/ A
f
) / (A
t
/ A
i
)
(4)
capacity were also analyzed in the biosolids compost. Reduction in mass averaged
57.1 %, volume reduction 77.2 % and losses of organic carbon 67.2 and nitrogen aver-
aged 25.6 %, respectively. The compost had no adverse effects on earthworm and
phytotoxicity bioassays. Physical properties of biosolids improved with the composting
process.
COMPOSTAJE DE BIOSÓLIDOS
85
X
M
= A
i
/ A
f
(5)
Para algunos propósitos es más práctico expre-
sar las reducciones de la masa de composta en tér-
minos de la cantidad perdida, más que la fracción del
material remanente inicial.
La fracción de la masa perdida (R
m
) se puede
calcular como:
R
m
=(M
i
– M
f
) / M
i
(6)
= 1 – (M
f
/ M
i
)
(7)
=1
X
M
ó
(8)
R
m
= 1 – (A
i
/ A
f
)
(9)
Al multiplicar R
m
por 100 se puede expresar la
pérdida de la masa como porcentaje de la masa ini-
cial.
Pérdida de volumen
Al descomponerse la materia orgánica durante el
compostaje disminuye su volumen, esto no sólo por
la pérdida de la materia orgánica sino también por el
rompimiento de la estructura de los compuestos or-
gánicos para formar una matriz de partículas más
pequeñas con una mayor densidad. El cambio de
volumen se puede calcular al conocer los cambios
de la materia orgánica y las densidades inicial y fi-
nal. El cambio proporcional en el volumen total (X
V
)
durante el proceso de compostaje se puede expresar
como la relación del volumen final (V
f
) al volumen
inicial (V
i
):
X
V
= V
f
/ V
i
(10)
La densidad es un parámetro que relaciona la masa
de la composta con su volumen. Los volúmenes ini-
cial y final pueden expresarse en términos de los valo-
res de las densidades inicial (D
i
) y final (D
f
) como:
V
f
= M
f
/ D
f
y
(11)
V
i
= M
i
/ D
i
(12)
Además:
X
V
=(M
f
/ D
f
) / (M
i
/ D
i
)
(13)
=(M
f
/ M
i
) (D
i
/ D
f
)
(14)
=X
M
(D
i
/ D
f
)
(15)
Como se expresó en la ecuación (5), X
M
puede
expresarse como la relación de los contenidos inicial
y final de cenizas. Además, el cambio de volumen
durante el compostaje puede calcularse utilizando las
mediciones inicial y final de cenizas y de densidad
como:
X
V
= (A
i
/ A
f
) (D
i
/ D
f
)
(16)
La fracción del volumen perdido (R
v
) se calcula
como:
R
v
=(V
i
- V
f
) / (V
i
)
(17)
= 1 – (V
f
/ V
i
)
(18)
=1
X
V
ó
(19)
R
v
= 1 – [(A
i
/ A
f
) (D
i
/ D
f
)]
(20)
Este valor se puede multiplicar por 100 para ex-
presar la pérdida del volumen como porcentaje del
volumen inicial.
Pérdida de carbono y nitrógeno
Una de las principales virtudes del compostaje
como método de manejo de desechos, radica en el
concepto de reciclaje de nutrientes esenciales para
las plantas, por lo que es importante efectuar esti-
maciones precisas del cambio de la masa total para
valorar el grado en el que se conservan los nutrientes
y otros constituyentes de la materia orgánica duran-
te el compostaje. Un aumento substancial en la con-
centración, por ejemplo del nitrógeno y fósforo, no
indica necesariamente que un constituyente fue muy
bien conservado, esto debido a que las concentra-
ciones se expresan típicamente con base en la masa
y la masa final es invariablemente menor a la masa
inicial en el compostaje. Por ejemplo, si se pierde el
25% del constituyente de un ingrediente inicial que
experimenta una reducción del 50 % de la masa to-
tal durante el compostaje, la concentración de este
constituyente al final del compostaje será 50 % ma-
yor que la concentración inicial a pesar de una pérdi-
da significante. Tales cambios de concentración ha-
cen imposible determinar el grado que los nutrientes
de las plantas y otros componentes se conservan o
se pierden durante el compostaje si no se conoce el
cambio total de la masa. Comparando el cambio de
concentración de un constituyente con otro, cuya masa
permanece constante durante el compostaje, ofrece
una forma alternativa de estimar el grado en el que
se conserva o pierde un constituyente.
G. Íñiguez
et al.
86
que duró el proceso de biodegradación (155 días),
diariamente se midió la temperatura de cada pila, co-
locando en diferentes lugares 5 sensores de tempe-
ratura (de carátula de 13 cm de diámetro con una
varilla de 60 cm de largo) para graficar luego el pro-
medio de los cambios de temperatura de los sensores
con relación al tiempo transcurrido. Las pilas se re-
movieron periódicamente para facilitar la aireación
aprovechando la oportunidad para añadir agua las
veces que fuera necesario para conservar la hume-
dad de las pilas entre 40 y 65 % de humedad. A los
37, 69, 98, 127 y 155 días de compostaje se tomó una
muestra de una mezcla compuesta para
análisis de
humedad y densidad. Esta misma muestra se secó
en estufa a 50 °C y se molió
(malla de 1 mm de
abertura) para practicarle análisis por triplicado de
cenizas, materia orgánica, carbono orgánico total, pH,
conductividad eléctrica y nitrógeno total Kjeldahl
(NTK). La densidad de las muestras, inmediatamente
después de la toma de la mezcla compuesta, fue de-
terminada de acuerdo con la técnica descrita por el
TMECC 3.01-C para el análisis de densidad en cam-
po (TMECC 2001). Para esto se puso una mezcla
compuesta del material de las pilas hasta una terce-
ra parte de una cubeta de 21 litros, esta se dejó caer
al suelo 10 veces para añadir luego otra tercera par-
te más de material y dejar caer la cubeta nuevamen-
te al suelo otras 10 veces. Se llenó completamente la
cubeta con material y se dejó caer otras diez veces
para al final volver a llenar la cubeta y con una regla
dejarla al ras. La
cubeta se pesó y se tomaron mues-
tras para el análisis de humedad ya que la densidad
es reportada en base seca.
Pruebas biológicas
Brote y vigor relativo de plantas de pepino, lom-
brices de tierra
(Eisenia foetida)
Al final del período de compostaje a la composta
se le realizaron estudios de brote y vigor
relativo de
acuerdo con la técnica descrita por el TMCC (2001.
Método 05.05-A). Para esto se utilizaron 2 charolas
de poliestireno de 34 x 34 cm con 100 celdas (2.5 x
2.5 x 7 cm) cada una, utilizando una charola por pila.
En cada una de las charolas se llenaron tres hileras
adyacentes con la combinación composta-vermiculita
procurando que el medio de cultivo no se perdiera en
los orificios de drenado. Como testigo positivo se lle-
naron dos hileras de 10 celdas cada una con “peat
moss” sin que estas hileras quedaran pegadas a la
muestra de composta. Cada hilera de “peat moss”
representaba una réplica del testigo positivo.
Como
testigo negativo se llenó al azar una hilera de 10 cel-
das de vermiculita. Cada hilera de vermiculita repre-
Con base en lo anterior si durante el compostaje
se sigue la evolución de una fracción del sustrato,
por ejemplo carbono o nitrógeno, la pérdida de este
sustrato específico también puede seguirse median-
te la fracción de cenizas de acuerdo con la ecuación:
PS
1
=−
O
O
YX
YX
21
en donde
Y
o
es el porcentaje inicial de carbono o ni-
trógeno y
Y
el porcentaje de carbono o nitrógeno en
cualquier punto de muestreo (Íñiguez
et al.
2005).
MATERIALES Y MÉTODOS
Los biosólidos utilizados en este estudio, prove-
nientes de una planta de tratamiento biológico de
aguas residuales, fueron proporcionados por una fá-
brica textil que produce telas de algodón. El proceso
de manufactura incluye hilatura, preparación del hilo,
tejido, acabado (desengomado, pérdida crudo, blan-
queo, teñido y estampado) y costura. Las aguas
residuales de la fábrica textil se generan en los pro-
cesos húmedos del área de acabados (desengomado,
pérdida de crudo, blanqueo, teñido y estampado de
la tela de algodón). Del tanque de aireación, el agua
tratada y los biosólidos pasan a un decantador o
sedimentador secundario para facilitar la separación
de los biosólidos y del agua tratada. Del decantador,
parte de los biosólidos son recirculados al tanque de
aireación y parte pasan a un espesador. De aquí los
lodos van a un filtro de bandas con la adición previa
de un polielectrolito para facilitar la compactación y
la reducción del contenido de humedad (entre 80 y
85 %) para luego ser depositados en una tolva de 10
ton de capacidad y de aquí ser llevados a un relleno
sanitario (20 a 25 ton/mes). De esta tolva fue de
donde se tomaron los lodos para el trabajo experi-
mental.
El bagazo de agave utilizado en este estudio fue
proporcionado por una fábrica de tequila que no rea-
liza, como normalmente se hace, el cocimiento de
las cabezas de agave antes de la extracción de los
azúcares fermentables, sino que estos son extraídos
con agua caliente de cabezas de agave previamente
desgarradas para facilitar la extracción.
Proceso de compostaje
Con base en el contenido de carbono y nitrógeno
de los lodos y el bagazo de agave se preparó una
mezcla de 2.960 kg de lodos y 5.650 kg de bagazo de
agave, para repartirse luego en dos pilas de aproxi-
madamente 4.305 kg cada una. Durante el tiempo
COMPOSTAJE DE BIOSÓLIDOS
87
sentaba una réplica del control negativo.
Se coloca-
ron dos semillas de pepino por celda, cubriéndolas
con aproximadamente 1 cm de material. Cada cha-
rola se colocó bajo la influencia de luz fluorescente
en una jaula forrada con plástico traslúcido (50 x 50
x 24.5 cm) para conservar la humedad del material
durante el tiempo que duró el experimento. La tem-
peratura dentro de las cámaras se mantuvo en aproxi-
madamente 27 °C. Después de 12 días se removie-
ron las plantitas de cada una de las charolas, regis-
trándose el número de plantas con cotiledones e
hipocotiledones totalmente expuestos, para evaluar
el brote y el vigor relativo.
Para determinar el grado de madurez de las com-
postas después del período de compostaje, se les prac-
ticó otro bioensayo, pero esta vez con lombrices de
tierra (
Eisenia foetida
) de acuerdo con la técnica
descrita por el TMCC
(2001, Método 05.05-C). Para
esto, a 25 g de muestra de composta se les adicionó
y mezcló con 125 g de arena lavada y seca al aire,
más agua hasta un contenido de humedad de 80 %.
Para cada muestra analizada se consideró un testigo
positivo. A la muestra de testigo positivo además de
la muestra y la arena, se adicionaron 10 g de polvo
de celulosa y 30 ml adicionales de agua, de tal mane-
ra que la mezcla tuviera al menos 80 % de humedad.
A cada muestra de análisis y testigo positivo se aña-
dieron 3 lombrices (
Eisenia foetida
) con un peso
entre 100 a 200 mg, registrando el peso inicial de la
suma de las tres lombrices. Una vez preparadas las
muestras, los recipientes se colocaron bajo luz fluo-
rescente constante a la temperatura de ambiente del
laboratorio de 23 °C aproximadamente. Después de
7 días se removieron y pesaron las lombrices,
regresándolas luego a sus respectivas muestras por
otro período de 7 días. A los 14 días las lombrices se
volvieron a remover y pesar.
Para el cálculo del cambio porcentual de la masa
conjunta de lombrices para cada una de las pruebas
de 7 y 14 días se utilizó la siguiente ecuación:
G
i
= [F
j
–I
i
] ÷ I
i
x100
Donde:
G
i
= % de ganancia (positivo) o pérdida (negativo)
de peso de las lombrices para cada una de las dos
muestras analizadas (i), por ejemplo el control positi-
vo que contiene la celulosa adicional
y la muestra,
%, g g
-1
F
j
= Combinación del peso (peso total) de las lombri-
ces que sobrevivieron al final de cada período de
siete días, g, e
I
i
= Peso total inicial de las lombrices en el momento
de preparación de las pruebas, g.
Prueba de “solvita”
La madurez de las compostas también fue evalua-
da por la prueba de “solvita” (Woods End Research
Laboratory 1999)
que es un procedimiento relativa-
mente nuevo y sencillo para determinar el índice de
madurez de muestras de composta. Se basa en la
medición simultánea y conjunta del amoníaco y dióxido
de carbono eliminado durante la respiración. El análi-
sis de madurez “solvita” clasifica la madurez de la
composta según una escala de color que desarrollan
dos paletas colocadas en la muestra de composta, del
1 al 5 para el amoníaco y del 1 al 8 para el CO
2
.
Análisis químico
El contenido de nitrógeno total fue determinado
por el procedimiento macroKjeldahl (AOAC 1984)
y la humedad o materia seca al secar 2 g de muestra
por 24 h a 105 °C. Para el análisis de cenizas, esta
misma muestra se puso en una mufla a 550 °C por 2
h. El material volátil fue considerado como materia
orgánica (AOAC 1984). El pH y la conductividad de
las muestras fueron determinados de extractos en
agua en una relación peso/volumen de 1:5 (CWMI,
1976). El carbono orgánico total (COT) fue calcula-
do mediante la siguiente ecuación (Golueke 1977):
% COT = (100 - % cenizas)/1.8
La relación C:N fue calculada con base en el
análisis anterior de carbono y el análisis de nitrógeno
total Kjeldahl.
El total Ca, Cu, Fe, Mg, Mn, Na, Zn y K se deter-
minó por espectroscopía de absorción atómica pre-
via digestión de las muestras en parrilla y con HNO
3
concentrado, según el método de la Norma Oficial
Méxicana (051-2001). El fósforo total fue determi-
nado mediante espectrofotometría visible previa di-
gestión de las muestras en HCl/HNO
3
y extracción
en benceno/isobutanol según el método de la Norma
Oficial Méxicana (029-2001).
La proporción de pérdida de materia orgánica
(MO) por mineralización durante el compostaje fue
calculada y multiplicada por 100 de acuerdo con la
ecuación 9 descrita en la sección de teoría. La re-
ducción de volumen (R
v
) fue calculada y multiplica-
da por 100 de acuerdo con la ecuación 20 descrita
en la sección de teoría.
Las pérdidas de carbono orgánico total (COT) y
NTK fueron calculadas de acuerdo con la siguiente
ecuación según Iñiguez
et al.
(2005):
G. Íñiguez
et al.
88
PS
1
=−
O
O
YX
YX
biológico presentaron un contenido del 6.0 %. Dado
que en el proceso de compostaje es bien conocida la
importancia que representa la relación C:N para una
buena biodegradación de materiales orgánicos (25-
30:1, Rynk 1992), se tomaron en cuenta las relacio-
nes de C:N de los biosólidos y del bagazo para pre-
parar una mezcla de estos ingredientes a una rela-
ción de C:N de 30:1. La relación C:N superior a los
valores recomendados retrasa la descomposición de
la materia orgánica, mientras que valores inferiores
conducen a una pérdida excesiva de nitrógeno dan-
do lugar a problemas de olores (Fraser y Lau
2000).
Al mezclar el bagazo con humedad del 71% y los
biosólidos con humedad del 84.2 % a la relación de-
seada de C:N, se obtuvo una mezcla con un conteni-
do de humedad inicial del 75 %. El
cuadro II
pre-
senta el análisis químico practicado a los biosólidos
así como a las compostas de las pilas 1 y 2. En este
cuadro puede apreciarse que el contenido de nitró-
geno para los biosólidos fue del 6 % mientras que
para las compostas de las pilas 1 y 2 la concentración
fue del 3.14 y 3.17 respectivamente. El haber mez-
clado los biosólidos con un componente menor de
nitrogeno (bagazo de agave, 0.53 %) sumado al 25.6
% de nitrógeno que se perdió durante el composta-
je, es la razón de haber obtenido compostas con un
contenido menor de nitrógeno al de los biosólidos.
Por otro lado al inicio del compostaje el haber mez-
clado 1.91 kg por kg de biosólidos dió una relación
de C:N de 30:1, que al final del compostaje se redujó
al 11.75 y 11.29 % en las pilas 1 y 2, indicativo de
haber logrado un producto estabilizado. Por otro lado
la concentración de fósforo fue muy disminuida en
las compostas al bajar casi del 1% en los biosólidos al
0.30 % en las compostas. La concentración de K no
cambió mucho de los biosólidos a las compostas, ya
que en los primeros la concentración fue del 0.27 % y
en las compostas del 0.21 %.
La
figura 1
muestra los incrementos y decremen-
tos de temperatura de las pilas 1 y 2 durante el com-
postaje. En esta figura se ilustran también los días en
que se movieron las pilas para facilitar la aireación y
la adición de agua para conservar la humedad de las
pilas entre 40 y 65 %, rango recomendado para lo-
grar una biodegradación más rápida (Rynk 1992b).
En los días 18 y 37 en los que se removieron las pilas
por primera y segunda vez no fue necesaria la adi-
ción de agua por haber registrado una humedad en
las pilas superior al 65 %. Las temperaturas máxi-
mas alcanzadas se registraron entre los días 37 y 55
de compostaje, ya que las pilas 1 y 2 llegaron a tem-
peraturas de 69 y 74
o
C, respectivamente. La noche
del día 84 de compostaje, después de haber añadido
Propiedades
Biosólidos
Bagazo de agave
Humedad (%)
84.2
71.00
Materia seca (%)
14.6
29.00
pH
8.9
5.40
Cenizas (%)
1
14.7
8.80
Materia orgánica (%)
1
85.3
91.20
Carbono orgánico total (%)
1
47.4
50.60
Nitrógeno total (%)
1,2
6.0
0.53
Relación C:N
7.9
95.50
CUADRO I.
ALGUNAS PROPIEDADES FÍSICAS Y
QUÍ-
MICAS
DE
LOS COMPONENTES INICIA-
LES DE LA COMPOSTA DE BIOSÓLIDOS
1
Base seca
2
Nitrógeno total Kjeldahl
Análisis granulométrico
Este análisis se realizó utilizando 100 g de mues-
tra de material seco al aire en tamices ordenados
por tamaños (6.68, 3.33, 1.98 y 0.85 mm) sobre la
tamizadora que se hizo funcionar durante 10 min a
máxima amplitud y de forma intermintente (Martínez
et al.
1988). Al cabo de este tiempo, se pesó el con-
tenido de cada tamiz y del colector de fondo en reci-
pientes tarados, con precisión de 0.01 g.
Propiedades físicas
A los biosólidos, composta y “peat moss” se les
practicaron las siguientes pruebas físicas: densidad,
espacio poroso total, agua fácilmente asimilable, agua
de reserva, agua difícilmente asimilable y capacidad
de aire, según las técnicas descritas por De Boodt
et
al.
(1974) y Gabriëls y Verdonck (1991).
Análisis microbiológico
Las muestras de compostas fueron sujetas al
análisis de
Salmonella spp
, coliformes fecales y
huevos de helmintos según las técnicas descritas en
la Norma Oficial Mexicana (NOM 2003).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El
cuadro I
presenta algunas propiedades físicas
y químicas del los biosólidos y el bagazo de agave,
componentes únicos de la composta al inicio del com-
postaje. El bagazo de agave por ser un residuo ligno-
celulósico presentó apenas 0.053 % de NTK, mien-
tras que los biosólidos por ser un residuo de origen
COMPOSTAJE DE BIOSÓLIDOS
89
agua a las pilas, cayó una fuerte tormenta que mojó
en forma excesiva las pilas (85 % de humedad), ra-
zón por la cual entre los días 84 y 98 de compostaje,
la temperatura máxima fue apenas de 51.5 °C, esto
es, 15
°C menos de lo alcanzado por la pila 2 en el
período anterior. Al perderse humedad poco a poco
en las pilas por efecto de la actividad biológica, en el
siguiente período se alcanzó una temperatura máxi-
ma de 59 °C en la pila 2. Un exceso de humedad,
reduce la penetración del oxígeno ya que su trans-
porte está íntimamente relacionado al contenido de
humedad. Si se limita el suministro de oxígeno dismi-
nuye la producción de calor por los microorganismos
(Richard 1976). La
figura 1
también ilustra que al
llegar al día 155 en el que se decidió dar por termina-
do el proceso de compostaje, en las pilas 1 y 2 se
registraron temperaturas máximas de 41.5 °C. Al fi-
nal de este tiempo el producto del compostaje pre-
sentó olor, textura y color, similares al de una tierra
de jardinería.
Pérdidas de materia orgánica, materia seca, ni-
trógeno, volumen y carbono orgánico total
Al relacionar los porcentajes de pérdida de mate-
ria orgánica (ecuación 9) y de volumen (ecuación
20) se encontró un coeficiente de correlación de 0.99
con una ecuación de la recta de: y = 1.3425x. Las
observaciones demostraron que la reducción de volu-
men durante el compostaje fue debido a la disminu-
ción del tamaño de partícula del bagazo, al volumen
del poro, así como a la pérdida de la materia orgáni-
ca. Después de 155 días de compostaje la pérdida
de materia orgánica fue del orden del 57.1 % y la del
volumen del 77.1 %. Por otro lado, al final del com-
postaje se recuperaron 340 kg por pila, que corres-
ponden al 32.2 % de la mezcla inicial, lo significa una
pérdida de materia seca del orden del 67.8 % que de
acuerdo con promedio de materia orgánica de las
dos pilas del
cuadro II
, equivaldría al 75.3 %, mien-
tras que la pérdida teórica de acuerdo con la ecua-
ción arriba mencionada,
corresponde al 57.1 %, esto
es una diferencia en porcentajes del 18.2 %. La
fi-
gura 2
muestra la reducción del volumen en las pilas
al aumentar la densidad del material en 155 días de
Composta
Análisis
Biosólidos
Pila 1
Pila 2
pH
8.9
8.67
8.55
Cenizas (%)
a
14.70
34.50
35.60
Materia orgánica (%)
85.30
65.5
64.40
Conductividad (mmhos cm
-1
)
2.68
3.47
3.23
N total (%)
a
6.00
3.14
3.17
COT
(%)
ab
47.40
36.39
35.78
Relación C/N
7.9
11.75
11.29
P total (%)
a
0.988
0.029
0.030
K total (%)
a
0.271
0.215
0.207
Ca total (%)
a
0.992
7.81
8.62
Mg total (%)
a
0.436
0.497
0.525
Na total (mg kg
-1
)
a
0.913
0.692
0.619
Zn total (mg kg
-1
)
a
90.644
99.951
91.402
Mn total (mg kg
-1
)
a
117.693
111.883
112.741
Fe total (mg kg
-1
)
a
1289.257
1927.558
2128.386
Cu total (mg kg
-1
)
a
185.367
127.922
121.510
CUADRO II
. COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS BIOSÓLIDOS Y LA COM-
POSTA DE LA MEZCLA BIOSÓLIDOS-BAGAZO DE AGAVE
a
Base seca
b
Carbono orgánico total
Pila 1
Pila 2
Fig. 1.
Cambios de temperatura durante la biodegradación de
biosólidos y bagazo de agave. Las flechas delgadas indi-
can los días de volteo y las flechas gruesas vacías días de
volteo y adición de agua
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Tiempo (días)
80
60
40
20
0
Temperatura (°C)
70
50
30
10
Pila 1
Pila 2
G. Íñiguez
et al.
90
COT
NTK
Fig. 3.
Pérdidas de Nitrógeno Total Kjeldahl (NTK) y Carbono
Orgánico Total (COT) en relación con la densidad en 155
días de compostaje
250
225
200
175
150
125
100
Densidad (kg/m
3
)
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Pérdida de NTK y COT
(como % del inicial)
COT
NTK
Fig. 2.
Reducción de volumen en las pilas al aumentar su
densidad durante 155 días
250
225
200
Densidad (kg/m
3
)
150
125
100
175
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Pérdida de volumen
(% del inicial)
pH
Conductuvidad
Fig. 4.
Cambios de pH y conductividad durante el compostaje
de biosólidos
160
140
120
100
Tiempo (días)
60
40
20
08
0
9.0
8.8
8.5
8.3
8.0
7.8
7.5
pH
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
Conductividad (dS/m)
0.5
0.0
pH
Conductividad
compostaje. La densidad de compostas puede variar
ya sea por el tipo y la biodegradabilidad de material
al inicio del compostaje como por la duración del pro-
ceso. En nuestro caso iniciamos con una densidad de
125.6 kg/m
3
y terminamos con una de 236
kg/m
3
.
Breitenbeck y Schellinger (2004) reportaron diferen-
tes densidades después de 100 días de compostaje
de diversos materiales. Para compostas de corteza
de maderas duras y blandas, bagazo de caña de azú-
car con ensilados de maíz y astillas de madera con
biosólidos, las densidades fueron de 170, 200 y 290
kg/m
3
respectivamente.
La relación entre las pérdidas calculadas de mate-
ria orgánica como por ciento de la inicial (ecuación 9)
y el contenido de carbono orgánico total (ecuación
33) en 155 días de compostaje, dio un coeficiente de
correlación de 1 con una ecuación de la recta de y =
1.1764x. En este período de compostaje se presentó
una pérdida de materia orgánica del 57.1 % por una
de carbono orgánico total (COT) del 67.2 %, resulta-
do esperado si se asume que la pérdida de materia
orgánica resulta principalmente de la mineralización
microbiológica del carbono orgánico. Comparando
esos valores nos damos cuenta que la pérdida de car-
bono contribuyó a una pérdida del 57.1 % de la mate-
ria orgánica para ese tiempo de compostaje. Se asu-
me razonablemente que la formación de agua a partir
de oxígeno e hidrógeno que se encuentran unidos
orgánicamente durante la descomposición, dan una
muy buena justificación del resto de las pérdidas. Las
pérdidas por volatilización o lixiviación
del N, P, S u
otros constituyentes residuales mineralizados durante
la degradación, indudablemente que contribuyen a la
pérdida total de la materia orgánica, pero se descono-
ce la magnitud de estas pérdidas, sobre todo de P y S.
Las pérdidas de nitrógeno total Kjeldahl (NTK) se
ilustran en la
figura 3
, en que se puede apreciar que
a medida que aumentó la densidad de los materiales
en compostaje se presentó una pérdida de COT de
67.2 % y de NTK de 25.6 % al final del período de
compostaje. Sin embargo, la concentración de nitró-
geno en las muestras analizadas, tendió a aumentar
de 1.57 % al inició del compostaje a 2.22, 2.54, 2.66,
2.74 y 2.90 % a los 37, 69, 98, 127 y 155 días de
compostaje respectivamente, ya que como se puede
apreciar en la
figura 3
, se perdió menos nitrógeno
que carbono durante el compostaje. La relación entre
las pérdidas calculadas del volumen como porcentaje
del inicial (ecuación 20) y el contenido de carbono
orgánico total (ecuación 21) en 155 días de compos-
taje, dio un coeficiente de correlación de 0.99 con una
ecuación de la recta de y = 0.878x. Haciendo la rela-
ción de esos dos parámetros, nos dimos cuenta que la
pérdida de un 67.2 % de carbono orgánico total con-
tribuyó a una perdida del 77.2 % del volumen para
ese tiempo de compostaje. Resultado esperado si se
asume que la pérdida de materia orgánica resulta prin-
cipalmente de la mineralización microbiológica del car-
bono orgánico. La
figura 4
presenta los cambios de
pH y conductividad registrados durante el compostaje
de los biosólidos. Estos dos parámetros presentaron la
misma evolución, esto es un cambio
paulatino de pH
y conductividad desde 7.7 y 1.45 dS/m a los 37 días,
hasta un máximo de 8.6 para el pH y de 3.35 dS/m
COMPOSTAJE DE BIOSÓLIDOS
91
7.4
13.5
8.7
21.5
5.5
0.8
5.1
27.8
48.4
28.0
28.6
13.5
31.3
41.3
18.6
Fig. 6.
Propiedades físicas del “peat moss”, de los biosólidos y
de la composta biosólidos-bagazo: porcentaje en volumen
de material sólido (S), agua fácilmente asimible (AFA),
agua de reserva (AR), agua difícilmente asimible (ADA)
y capacidad de aire (A).
Composta
Lodos
“Peat moss”
100 %
90 %
80 %
70 %
60 %
50 %
40 %
30 %
20 %
10 %
0 %
% en volumen
28.0
27.8
27.8
5.5
31.3
7.4
28.6
48.4
0.8
8.7
13.5
18.6
41.3
5.1
21.5
13.5
(S)
(AFA)
(AR)
(ADA)
(A)
(S)
(AFA)
(AR)
(ADA)
(A)
(S)
(AFA)
(AR)
(ADA)
(A)
0%
0%
1.5%
50.1%
48.4%
116%
25.5%
12.7%
29.4%
20.8%
Composta
Biosólidos
Fig. 5.
Clasificación por tamaño de partículas de los biosólidos
y su composta
Finos
0.85
1.98
3.33
6.68
Abertura de malla (mm)
Biosólidos
Composta
60
50
40
30
20
10
0
% de material retenido
para la conductividad al final del compostaje. Los cam-
bios de pH presumiblemente se deben al desarrollo de
iones NH
4
OH de compuestos cuaternarios (Renalli
et al
. 2001) o a la hidrólisis alcalina de sales de K y
Na de los materiales en compostaje (Tomati
et al
.
1995).
Los cambios de conductividad de 1.45 a 3.35
dS/m fueron debidos al proceso de mineralización que
sufrió la mezcla biosólidos-bagazo de agave al aumen-
tar el contenido de cenizas y por ende la conductividad
de 15 % a inicio del compostaje al 35 % al final del
mismo. La mayoría de las compostas tienen una
conductividad por las sales solubles de 1.0 a 10.0 dS/
m mientras que valores típicos de conductividad en
suelo van de 0 a 1.5 dS/m (http://tmecc.org/sta/
compost_attributes.html).
Análisis granulométrico
La
figura 5
presenta el análisis granulométrico
que se le practicó a los biosólidos y a las muestras de
composta de las pilas 1 y 2. Los biosólidos al secarse
adquieren un textura como si se tratara de “grava”
por lo que fue necesaria la molienda para los estu-
dios de liberación de agua. Al molerlos como puede
apreciarse en esta figura, el 98.5 % quedó repartido
entre la malla de abertura 0.85 (50.1 %) y los finos
(48.4 %). También en esta
figura 5
puede apreciar-
se la distribución del tamaño de partículas del pro-
medio de las dos pilas de la composta de biosólidos
al final del compostaje. El 20.8 % fue de material
completamente transformado en polvo, mientras que
11.6, 25.5, 12.7 y 29.4 %, quedaron repartidos entre
las mallas de abertura 6.68, 3.33, 1.98 y 0.85 mm,
respectivamente. Por el tamaño de partículas no ha-
bría problema alguno en utilizar estas compostas como
sustrato o como materia prima para la preparación
de mezclas de sustratos.
Propiedades físicas
Un aspecto importante que se buscaba al some-
ter a compostaje los biosólidos, era eliminar malos
olores así como mejorar algunas de sus propiedades
físicas. En la
figura 6
puede apreciarse que los
parámetros de liberación de agua como “agua fácil-
mente asimilable” (porcentaje retenido de volumen
de agua a tensiones entre 10 y 50 centímetros de
agua) mejoró en un 247 % al pasar de 8.7 % en
biosólidos
a 21.5 % en la composta; el “agua difícil-
mente asimilable” (retenida a tensiones por arriba
de 100 centímetros de agua) cambió favorablemen-
te en 14.4 % al cambiar de 48.4 en biosólidos a 41.4
% en la composta; el “agua de reserva” (retenida a
tensiones entre 50 y 100 centímetros de agua)
cam-
bió de 0.8 en biosólidos a 5.1 % en la composta, siendo
este valor similar al obtenido en el “peat moss” que fue
de 5.5 % vol. El espacio poroso total (100 – % materia
sólida) fue similar para los biosólidos 86.6 como para
la composta (86.4 % vol.), aunque como se espera-
ba, menor al valor del “peat moss” que fue de 92.6
% vol. En cuanto a la “capacidad de aire” (porcen-
taje de aire que llena la porosidad a una tensión de
10 centímetros de agua) esta fue de 28 % para el
“peat moss”, de 28.6 % para los biosólidos y de 18.7
% para la composta.
Brote y vigor relativo
De acuerdo con la metodología de bioensayos
cualitativos para la evaluación de madurez de com-
postas, en términos de brote, se tuvieron compostas
muy maduras en las pilas 1 y 2 ya que el brote para
ambas fue del 100 % utilizando, según la técnica, un
subtrato a base de composta y vermiculita (mezcla
al 50-50 % en volumen). Según los datos de referen-
cia del TMCC (2001, Método 05.05-A) valores de
brote mayores al 90 % indican una composta muy
madura, valores entre 90 y 80 % una composta ma-
dura y valores menores del 80 % una composta
G. Íñiguez
et al.
92
inmadura. El brote de semillas de pepino sembradas
en composta de las pilas 1 y 2 como substrato, fue
del 82 % para la pila 1 y del 100 % para la pila 2.
En
cuanto a los análisis de vigor relativo, los resultados
indicaron que se trataba de compostas muy maduras,
ya que los valores encontrados fueron de 97.4 % para
la pila 1 y de 100 % para la pila 2. Según los datos de
referencia del TMCC (2001, Método 05.05-A) valo-
res de vigor relativo, mayores del 95 %, indican com-
posta muy madura, valores entre el 85 y 95 % com-
postas maduras y valores menores del 85 % com-
postas inmaduras. No fue posible reportar valores
de vigor relativo en plantas de pepino desarrolladas
sólo en composta de las pilas 1 y 2 ya que su desa-
rrollo fue tan débil que la altura de las plantitas no
rebasó el valor promedio de las plantitas desarrolla-
das en el testigo.
Eisenia foetida
Con base en los resultados de la prueba biológi-
ca desarrollada con
Eisenia foetida
las compostas
de las pilas 1 y 2 no pueden considerarse tóxicas ya
que en ninguna de las dos compostas las lombrices
murieron ni la ganancia de peso fue negativa. Por
otro lado, las lombrices desarrolladas en el testigo y
en la composta de la pila 1, ganaron de su peso
inicial en los primeros 7 días de incubación 47 % en
el testigo y 15 % en la composta y al final de los 14
días 109 % para el testigo y 47 % para la composta,
lo que significa que para el primer período, la com-
posta de la pila 1 puede considerarse estable e ines-
table para el segundo período. La composta es con-
siderada inestable si el cambio de peso de las lom-
brices es mayor del 40 % tanto para el testigo posi-
tivo (con celulosa) como para la muestra de análi-
sis (sin celulosa). La composta es considerada es-
table si el cambio en peso de las lombrices es ma-
yor del 40 % en el testigo positivo (con celulosa) y
el cambio de peso de las lombrices está entre cero
y 40 % en la muestra de composta de análisis sin ce-
lulosa. Para la pila 2, la ganancia de peso de las lom-
brices en el primer período de 7 días, fue del 54 %
para el testigo y del 9 % para la composta, mientras
que para el segundo período también de 7 días, la
ganancia de peso fue del 185 % para el testigo y del
62 % para la composta. En resumen, las compostas
de las pilas 1 y 2 pueden considerarse estables para el
primer período e inestables para el segundo. Según
estos resultados, la estabilidad de las compostas de
las pilas 1 y 2 puede lograrse al aumentar el período
de compostaje más allá de los 155 días establecidos.
Si no se alargó este período fue por querer determinar
en este estado de biodegradación y con este tamaño
de partículas (
Fig. 7
) la capacidad de retención de
agua y la porosidad de aire de las compostas, ya que
a menor tamaño de partícula menor pudiera ser la
porosidad o el volumen de aire. Las raíces de las
plantas necesitan aireación y ésta dependerá princi-
palmente del tamaño de los poros del medio de culti-
vo por lo que es necesario que haya un mínimo de
porosidad ocupada por aire.
Solvita
Con base en la concentración de bióxido de car-
bono y amoníaco, según el desarrollo de color en la
paleta indicado, los resultados de la prueba de
“solvita” reportaron valores de 5 para el bióxido de
carbono y de 5 para el amoníaco para las compostas
de las pilas 1 y 2, lo que
significa un índice de madu-
rez de 5 equivalente a una composta que ha termi-
nado la fase activa de descomposición y está lista
para la etapa de maduración.
Análisis microbiológico
Al final del compostaje las muestras de compos-
tas estuvieron libres de
Salmonella spp
y de
huevecillos de helmintos. El análisis coliformes
fecales mostró una población menor de 3 unidades
formadoras de colonias por gramo de composta en
ambas pilas.
CONCLUSIONES
El haber sometido biosólidos al proceso de com-
postaje utilizando bagazo de agave como agente de
relleno, agregante o de enmienda, resultó en un pro-
ceso exitoso tanto por la estabilización y la elimina-
ción de olores como por la obtención de un producto
similar físicamente a una composta de follaje de pi-
nos y encinos. Al someter a compostaje biosólidos
mezclados con bagazo de agave se mejoró, en compa-
ración a las caracterísiticas de los biosólidos, 247 % la
evaluación del parámetro “agua fácilmente asimila-
ble”, 637 % el de “agua de reserva” y 14.4 % el de
agua difícilmente asimilable. También el bagazo de
agave ayudó a ajustar la fuente de carbono de los
biosólidos, de una relación inicial C:N de 7.9:1 a
30:1,
además de que sirvió como estructurante de las pi-
las de compostaje, ya que las partículas de biosólidos
por sí solas, al perder agua, se contraen y endurecen
como piedras, impidiendo la aireación y por ende su
estabilización. Experimentalmente, considerando el
contenido de materia seca al inicio y al final del com-
postaje, la pérdida fue del 67.7 %, mientras que la
pérdida de carbono orgánico total (75.5 %) corres-
COMPOSTAJE DE BIOSÓLIDOS
93
pondió a lo mismo que se perdió de materia orgánica
(75.3 %) y según al modelo matemático planteado
en este estudio, las pérdidas de carbono orgánico
total y de materia orgánica, correspondieron a 67.2
y 57.1 % en 155 días de compostaje, respectiva-
mente. El ajuste de los valores encontrados en este
modelo con la realidad, dependerá definitivamente
de las fuentes de carbono que se estén utilizando
como agente de relleno, ya que mucho tiene que ver
la biodegradabilidad y la disponibilidad del carbono
con el contenido de lignina.
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