INTRODUCCIÓN

El compostaje ha sido empleado por los agricultores desde hace siglos, como un medio de aporte complementario de suplementos orgánicos baratos, de buena calidad y fácilmente accesibles para sus tierras; en la actualidad, los agricultores que todavía compostan en sus fincas son minoría, sin embargo, ha crecido el compostaje industrial fundamentalmente de residuos sólidos urbanos orgánicos, con el fin de recuperar la materia orgánica que se desecha con grandes costos económicos y ecológicos, y obligados por los problemas de contaminación y de impacto ambiental que la eliminación de los residuos urbanos comporta (Barradas, 2009).

Chávez, et al. (2011) evaluó el efecto de dos aceleradores biológicos en la reducción del tiempo requerido para la degradación de la materia orgánica y elevar la calidad del producto final (composta). Los aceleradores utilizados fueron BIOCOMPOS de tipo comercial (BR1) y lodos activados provenientes del tratamiento de aguas municipales (BR2); además un ensayo testigo sin acelerador (BR3). El experimento se llevó a cabo en bio-reactores piloto diseñados en el Instituto Tecnológico de Boca del Río (ITBOCA), Veracruz, México; utilizando como sustratos desechos orgánicos de la cafetería y áreas verdes del mismo tecnológico, así como de los restaurantes de la zona turística del municipio. Concluyó que los lodos activados son una alternativa para ser utilizados como acelerador biológico, en la elaboración de compostas, las cuales se obtienen con características de composición de una composta madura, por lo tanto, puede ser utilizada como fertilizante; con un tiempo menor al proceso de composteo comparado con el proceso tradicional.

La Ley de Gestión Integral de los Residuos Sólidos del Estado de Jalisco (LGIREJ, 2007), les otorga a los municipios diversas atribuciones para la gestión integral de los RSU (art. 8°), entre las cuales está el establecimiento de sistemas para el tratamiento y disposición final. Sin embargo, las tasas de generación se incrementan día con día como consecuencia de los hábitos de consumo generalizado de productos y la demanda de servicios por parte de la población, junto con la dinámica económica, lo que complica aún más su disposición.

En el año 2015, el Centro de Investigación y Asistencia en Tecnología y Diseño del Estado de Jalisco (CIATEJ), con apoyo del CONACYT, realizó una caracterización de los RSU del municipio de Arandas, Jalisco. En el reporte final se estima la cantidad de RSU generados diariamente en el municipio (70.264 toneladas), la composición en porcentaje (23.09% de residuos sólidos orgánicos), el porcentaje de humedad (10.33%), el peso volumétrico (115.3 kg/m3), el poder calorífico superior (14.31 MJ/kg), entre algunas otras determinaciones (cenizas y metales pesados por ejemplo).

Gestión de los Residuos Sólidos Urbanos (RSU)

Madrid (2012) en su tesis, presenta un plan de manejo integral de residuos sólidos del mercado central del Cantón Esmeraldas, en la que discute la importancia de la concientización de la separación de los residuos sólidos para un posterior tratamiento, pero que no tiene sentido separar los residuos, si no se tiene un tratamiento establecido para cada tipo de residuo. Arboleda (2009), en su tesis propone un programa de manejo integral de residuos sólidos en el Parque Nacional Natural Gorgona, Cauca, Colombia. Menciona que se debe concientizar a los visitantes sobre la generación de residuos en el parque, puesto que la producción per cápita en el parque es superior al promedio del país.

En Colombia, la reincorporación de la fracción aprovechable de los Residuos Sólidos Municipales al ciclo productivo se ha fortalecido con la implementación de Plantas de Manejo de Residuos Sólidos. La determinación del flujo de residuos permitió establecer interrelaciones entre las características y cantidades de residuos con las fuentes de generación y las formas de aprovechamiento, obteniendo elementos fundamentales para la sostenibilidad de las Plantas (Marmolejo et al., 2009).

Escamilla (2012) en su tesis doctoral presenta una evaluación técnico-económica para la implementación de un sistema de compostaje en pila estática, utilizando como sustratos desperdicios de la planta de nopal y estiércol de vaca, para la delegación Milpa Alta de la Ciudad de México. En su tesis demuestra que el proyecto es totalmente factible. Tejada (2013) en su tesis de maestría expone una estrategia para la gestión y manejo de los RSU en la ciudad de la Paz, Baja California Sur.

Santiago et al. (2017), realizó un estudio sobre el nivel de concientización de la población de Arandas, Jalisco, con el objetivo de determinar el índice de disposición que se tiene para la separación de los residuos en el hogar; los resultados fueron muy satisfactorios, y se concluyó que la población Arandense sí está preocupada por la conservación del medio ambiente y que hay una muy buena disposición para la separación de la basura en el hogar. Además, plantea que la solución al problema de la basura, inicia con la separación de los residuos desde el sitio de generación, pero no tiene ningún sentido separar la basura si no se tiene un sistema de tratamiento posterior establecido.

El Compostaje

El compostaje es un proceso biológico aerobio, que bajo condiciones de aireación, humedad y temperaturas controladas y combinando fases mesófilas (temperatura y humedad medias) y termófilas (temperatura superior a 45 ºC), transforma los residuos orgánicos degradables, en un producto estable e higienizado, aplicable como abono o sustrato (Negro et al., 2000); se puede aplicar tanto a gran escala (a nivel municipal o empresarial), como individualmente (en el jardín, en la finca); para instalar una planta de compostaje no se necesita una gran inversión ni una formación técnica (Röben, 2002).

Con el compostaje, se pueden lograr las siguientes ventajas económicas y ecológicas: (Röben, 2002)

Ventajas económicas:

- Extensión de la vida útil del relleno sanitario municipal (no es necesario la inversión en un terreno para un nuevo relleno prematuramente)

- Venta o uso del compost

- Venta o uso de las lombrices (si se realiza el compostaje con el sistema de lombricultura)

- Reemplazo de fertilizadores artificiales por un producto más económico y natural.

Ventajas ecológicas:

- Producción de menos aguas lixiviadas y gases contaminados.

- Menos consumo de terreno, menor impacto al paisaje, al suelo y a las aguas subterráneas (porque se disminuye el volumen de basura que se va al relleno)

- Producción de humus que puede servir como estabilizador contra la erosión.

- El compost es un fertilizador natural que no produce sobrecarga química al suelo.

En plantas de compostaje, este proceso natural es optimizado con ayuda de ingeniería. Después del compostaje completo, el producto - la tierra humus que se llama "compost" o "abono" - es impecable desde el punto de vista de la higiene y se puede utilizar para la horticultura, agricultura, silvicultura, el mejoramiento del suelo o la arquitectura del paisaje. Con la utilización de plantas de compostaje, la cantidad de basura destinada para la disposición final en un relleno o botadero se puede reducir a un 50 %. Este porcentaje puede variar según la composición de la basura. En caso que los desechos reciclables sean recogidos separadamente y los desechos orgánicos sean compostados, el porcentaje de la basura descargada en el relleno puede reducirse a un 35 - 40 % (Röben, 2002).

Equipo para compostaje

Los métodos de compostaje se pueden clasificar en sistemas abiertos y sistemas cerrados. En los sistemas abiertos se encuentran el composteo en “pilas” y el vermicompostaje (composteo con lombrices). En los sistemas cerrados se encuentran los reactores, que pueden ser aerobios (con presencia de oxígeno) o anaerobios (ausencia de oxígeno). Los reactores aerobios son utilizados para producir composta como producto, mientras que los reactores anaerobios (generalmente llamados biodigestores) tienen como producto principal, el gas metano.

Los sistemas cerrados, que podríamos llamar industrializados, son recipientes de tamaño variable en los que se lleva a cabo el compostaje, puestos en marcha por entidades públicas o privadas y que generalmente se utilizan para compostar residuos en las proximidades de ciudades de tamaño medio o grande. En estos sistemas, la fase inicial de fermentación se realiza en reactores que pueden ser de dos tipos: horizontales o verticales, mientras que la fase final de maduración se hace al aire libre o en naves abiertas. Son sistemas desarrollados para reducir considerablemente las superficies de compostaje y lograr un mejor control de los parámetros de fermentación y controlar los olores de forma más adecuada (Negro et al., 2000).

En los sistemas cerrados continuos se utilizan reactores de 4-10 m de altura, con un volumen total de 1000 a 3000 m3 (Figura 1). El biorreactor consta de un cilindro cerrado, aislado térmicamente, que en su parte inferior posee un sistema de aireación y extracción de material. El material se introduce por la parte superior mediante un tornillo alimentador. A medida que se va extrayendo el material compostado, el material fresco va descendiendo. El control de la aireación se realiza por la temperatura y las características de los gases de salida (éstos son aspirados por la parte superior del reactor), el tiempo de residencia es de 2 semanas (Negro et al., 2000).

Naturaleza del diseño

Partiendo de un planteamiento de un problema, definido vagamente como una necesidad del cliente o de un conjunto de resultados experimentales, los ingenieros químicos pueden desarrollar una comprensión de la ciencia física subyacente importante relacionada con el problema y utilizar esta comprensión para crear un plan de acción y un conjunto de especificaciones detalladas, que, si se aplican, llevarán a los resultados financieros previstos (Sinnott et al., 2012).

Cuando se consideran posibles maneras para conseguir el objetivo, el diseñador se verá limitado por muchos factores, lo que limitará el número de diseños posibles. En raras ocasiones existe una única solución posible al problema, sólo un diseño. Normalmente son posibles varias maneras alternativas para conseguir el objetivo, incluso varios diseños buenos, dependiendo de la naturaleza de las limitaciones (Sinnott et al., 2012).

Estas limitaciones en las posibles soluciones a un problema de diseño se presentan de muchas maneras. Algunas limitaciones serán fijas e invariables, tales como aquellas que surgen de las leyes físicas, regulaciones gubernamentales y estándares. Otras serán menos rígidas, y el diseñador las puede “relajar” como parte de la estrategia general de búsqueda del mejor diseño. Las limitaciones que están fuera de la influencia del diseñador se pueden considerar limitaciones externas. En la Figura 2 se muestra este conjunto de límites externos de diseños posibles. Dentro de estos límites habrá un número de diseños plausibles constreñidos por otras limitaciones, las limitaciones internas, sobre las cuales el diseñador tiene algún tipo de control; tales como, elección del proceso, elección de las condiciones de proceso, de los materiales y del equipo (Sinnott et al., 2012).

Las consideraciones económicas obviamente son la principal limitación en cualquier diseño de ingeniería: las plantas deben proporcionar un beneficio. El tiempo también será una limitación. El tiempo disponible para completar un diseño limitará normalmente el número de diseños alternativos que se puedan considerar. En la Figura 3 se muestra un diagrama de las etapas en el desarrollo de un diseño, desde la identificación inicial del objetivo hasta el diseño final (Sinnott et al, 2012).

La Figura 3 muestra el diseño como un procedimiento, a medida que el diseño se desarrolla, el diseñador será consciente de más posibilidades y limitaciones, y estará constantemente buscando nuevos datos e ideas, y evaluando posibles soluciones del diseño (Sinnott et al, 2012).

MÉTODOS Y TÉCNICAS DE INVESTIGACIÓN

El tipo de investigación es aplicada, puesto que se utiliza el conocimiento para el diseño de la planta de tratamiento de residuos, la determinación de los equipos necesarios, la distribución de la planta en el sitio y la gestión para determinar la inversión requerida.

Para la planta de tratamiento de residuos inorgánicos, se consideró la separación de los residuos reciclables mediante una banda transportadora y para la planta de tratamiento de residuos orgánicos, se realizó el escalamiento a nivel industrial del biorreactor aerobio para la fermentación acelerada, a partir de los resultados obtenidos en las pruebas técnicas del equipo piloto.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Con el apoyo del H. Ayuntamiento de Arandas y del Instituto Tecnológico José Mario Molina Pasquel y Henríquez Campus Arandas, se construyó un equipo piloto de biorreactor aerobio para la conversión de la fracción orgánica en composta, en el cual se realizaron algunas pruebas técnicas, obteniéndose resultados satisfactorios. Si se cuenta con un sistema de tratamiento para los residuos sólidos urbanos generados en un municipio, es más sencillo convencer a la población de que separen la basura en las diferentes fracciones. En este sentido, en el presente proyecto se realizó el diseño de la planta industrial para el tratamiento de los residuos sólidos municipales y se determinó la inversión requerida, lo que implicó el diseño de la planta de tratamiento de residuos sólidos orgánicos y el diseño de la planta de tratamiento de residuos sólidos inorgánicos. Cabe mencionar que, para el diseño de la planta de tratamiento de residuos sólidos orgánicos para la producción de composta, se tomaron de base los resultados de las pruebas técnicas realizadas con el equipo biorreactor piloto.

La idea de utilizar un sistema aerobio (presencia de oxígeno) en lugar de uno anaerobio (ausencia de oxígeno) para el diseño de la planta de residuos sólidos orgánicos, es porque el primero es más amigable con el medio ambiente, puesto que solo se acelera la degradación de la materia orgánica que se lleva a cabo de manera natural, cumpliendo así el ciclo ecológico, puesto que la composta generada es regresada a la tierra, de donde partieron alguna vez las plantas de donde provienen los residuos orgánicos (los animales domésticos también son alimentados con plantas y/o productos de las mismas).

Diseño de la planta de tratamiento de residuos sólidos inorgánicos

Para la planta de tratamiento de residuos sólidos inorgánicos se cotizaron los equipos más idóneos para realizar la separación manual (y dar empleo a los pepenadores que ya trabajan en el relleno sanitario) de los residuos reciclables, no reciclables y peligrosos, mediante una banda transportadora; los residuos reciclables se pueden clasificar en: papel, cartón, metales, plásticos y vidrio.

Se consideraron equipos de molienda para reducir el volumen de los plásticos y un Bobcat para alimentar la banda transportadora. Todo esto en una nave industrial. Para la implementación de la planta de tratamiento se consideró el terreno que se tiene disponible a un lado del relleno sanitario actual. Ver la cotización de los equipos, nave industrial y obra civil en Figuras 4a y 4b, así como la distribución de planta en la Figura 5. También se contempló la incineración de los residuos sólidos sanitarios, textiles, madera y algunos plásticos no reciclables (que representan aproximadamente un 15% de la basura total, es decir, entre 10 y 12 toneladas diarias), utilizando un horno incinerador fabricado con ladrillo refractario en el sitio, equipado con quemadores de gas butano o diésel, tolva de alimentación y chimenea con tratamiento de gases de combustión para minimizar las emisiones a la atmósfera; este equipo es opcional.

Aunque el horno incinerador es opcional, es deseable su implementación, puesto que ayudaría a incrementar el tiempo de vida útil del relleno sanitario de 6 a 8 veces más el tiempo de vida proyectado, de otra manera solo se puede incrementar de 2 a 3 veces más. También se consideró un equipo montacargas que opera con gas como combustible, aunque también es opcional, es conveniente para cargar los residuos sólidos reciclables a los vehículos de transporte correspondientes que se los llevarían de la planta a su destino final.

Cabe mencionar que en lugar del horno incinerador, se había contemplado un turbogenerador (caldera de sólidos acoplada a una turbina) para la generación de energía eléctrica, y que ésta se aprovechara en los motores de la planta en general, pero lamentablemente al investigar sobre los posibles proveedores, se descubrió que en México no se fabrican ese tipo de equipos; y al cotizar con proveedores extranjeros, señalaron que para que el equipo sea rentable, se requieren por lo menos 120 toneladas diarias para quemar (y solo se tienen alrededor de 10 toneladas diarias de este tipo de residuos); por lo que esta opción tuvo que descartarse.

Diseño de la planta de tratamiento de residuos sólidos orgánicos

Con respecto a la planta de tratamiento de residuos sólidos orgánicos, se analizaron al menos dos alternativas: utilizando el equipo biorreactor aerobio de fermentación acelerada, o bien; composteo en pila, al igual que la planta de tratamiento de residuos sólidos inorgánicos, también se contempló la implementación de la planta de orgánicos en el terreno que se tiene disponible a un lado del relleno sanitario actual.

Para el composteo en pila, se requiere de una volteadora autopropulsada con un remolque para llevar agua para humedecer la composta cada vez que se necesite y un área significativamente grande, puesto que la composta en estas condiciones tarda hasta 4 meses para madurarse (ver la distribución de planta en Figura 6).

Las pilas de composta se ajustaron a las dimensiones de la tela especial que se utilizaría para protegerlas de la lluvia y mantener la humedad por más tiempo, dichas dimensiones son: 6 m de ancho y 50 m de largo; aunque por la forma del terreno se tuvieron que hacer algunos ajustes, considerando áreas de tránsito suficientes para el camión de volteo y para que la volteadora pueda dar la vuelta de regreso sin problemas para voltear otra pila. También se contempló en esta opción, una nave industrial de 20 m de ancho por 30 m de largo y 6 m de altura con techo de lámina, para almacenar la composta madura y que también serviría para resguardar la maquinaria de apoyo en las noches.

Como se puede ver en el Anexo 3, el composteo en pila requiere de prácticamente toda el área disponible del terreno y sólo deja un margen para un 25% de incremento, aunque esta opción es más económica que si se utiliza el biorreactor de fermentación acelerada, en cuanto a inversión se refiere (Figuras 4a, 4b y 7).

La segunda opción para la planta de tratamiento de residuos sólidos orgánicos es utilizar un biorreactor aerobio continuo de fermentación acelerada, cuyo escalamiento industrial a partir de las pruebas técnicas del equipo piloto, se pueden ver en la Figura 8. La inversión necesaria para esta configuración se puede apreciar en las Figuras 4a y 4b y la respectiva distribución de planta, en la Figura 5. Como se puede observar en la distribución de planta, se requieren de 2 biorreactores con un volumen de 350 m3 cada uno, para poder almacenar la materia orgánica generada por el municipio en 15 días (tiempo de residencia para obtener la composta inmadura).

Una vez que se obtiene la composta inmadura (cuyo volumen es aproximadamente la mitad del volumen inicial), se completará el proceso mediante composteo en pila durante 30 días más, haciendo un total de 45 días (mes y medio); por esta razón principalmente, es que se requiere una superficie de terreno mucho menor que sin los biorreactores; esto permitiría dar servicio incluso, a la industria tequilera (bagazo principalmente y vinazas) en forma moderada y a la ganadera (estiércol), que servirían como material estructurante y para humedecer la composta, además de compensar la falta de nitrógeno en la relación C-N necesaria para un buen composteo.

Esta configuración también requiere de una volteadora, pero no autopropulsada, sino que se acoplaría a un tractor que también halaría un remolque con un tinaco con agua para humedecer la composta inmadura; a la vez el tractor está equipado con un cucharón para cargar la composta al camión de volteo.

En el caso de las llantas, existen alternativas para molerlas y separar el acero y el caucho, pero la inversión es alta y no es conveniente para la cantidad de llantas que llegan al relleno sanitario. Es mejor almacenarlas y que un tercero se las lleve para su disposición, como actualmente se ha hecho.

CONCLUSIONES

Para la planta de tratamiento de residuos sólidos inorgánicos, es suficiente implementar una banda transportadora a baja velocidad para realizar la clasificación manual de los residuos y emplear a los “pepenadores” (que trabajan actualmente en el relleno sanitario), para dicha tarea. Las botellas de plástico hacen un volumen grande, que se puede reducir significativamente utilizando molinos acondicionados para tal efecto; las botellas de vidrio se quebrarían de forma manual siguiendo una metodología adecuada para evitar accidentes.

Los residuos sanitarios, textiles, madera y algunos plásticos no reciclables, se podrían incinerar para reducir el volumen a cenizas, y aunque el horno incinerador se considera opcional, es deseable su implementación, puesto que ayudaría a incrementar el tiempo de vida útil del relleno sanitario de 6 a 8 veces más el tiempo de vida proyectado que, de lo contrario, solo se podría incrementar de 2 a 3 veces más.

De las dos alternativas que se analizaron (utilizando biorreactores y sin ellos), la mejor alternativa es utilizando biorreactores, puesto que tiene la ventaja de que requiere una cantidad de terreno mucho menor que utilizando únicamente composteo en pila (Figuras 5 y 6); si bien la inversión es mayor (una diferencia de $111,765.27 USD), se compensa con la proyección de crecimiento de la planta de tratamiento de sólidos orgánicos, que podría soportar un incremento hasta del 600% (Figuras 4a, 4b y 7).

La implementación de una planta de tratamiento para los residuos sólidos municipales, es deseable, de esta manera se tendría una razón de peso para convencer a la población sobre la separación de los residuos en el hogar y aspirar a un desarrollo sustentable. Esta fue la razón principal del presente proyecto: el hacer un estudio técnico-económico para visualizar la factibilidad de la implementación de una planta de tratamiento de los residuos sólidos municipales, analizando diferentes alternativas.

Agradecimientos

A la Dirección del Instituto Tecnológico José Mario Molina Pasquel y Henríquez Campus Arandas y a la presidencia del H. Ayuntamiento Municipal de Arandas, Jalisco 2015-2018 por los apoyos a la presente investigación.

LITERATURA CITADA

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Notas de autor