MODELACION DEL COMPOSTAJE DE BIOSÓLIDOS EN PILA ESTATICA AIREADA Mauro Monsalve, Edna L. Delgado, Eugenio Giraldo . Centro de Investigaciones en Ingeniería Civil y Ambiental (CIIA). Universidad de los Andes Carrera 65 B No. 17 A – 11, Bogotá, Colombia. Fax: 5 70 05 79. e-mail:
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Abstract This paper presents the results obtained during the composting of digested sludge from the Waste Water Treatment Plant “El Salitre”, in Bogotá, Colombia. Composting took place in an Aerated Static Pile System. A kinetic model is proposed for the consumption of biodegradable volatile solids in the system taking into account specifically the dehydrated digested sludge form “El Salitre” Water Treatment Plant. A dynamic model is proposed for the evolution of variables such as temperature, volatile solids and consumption rate of Oxygen in the center of the static pile. The data recollected showed that the sludge in question elicits the dehydration stage very dry; this makes easier the handling of the material, but retards the composting process due to Oxygen limitations inside the Pile.
Palabras Claves Compostaje, lodos digeridos, aguas residuales domésticas, modelo cinético, humedad, sólidos volátiles biodegradables.
Introducción El compostaje es un proceso ambientalmente amigable para el tratamiento de residuos sólidos que contengan materia orgánica por medio del cual se dispone un residuo y se obtiene compost, material usado con fines agronómicos. Para el caso de los biosólidos el compostaje es especialmente importante pues las plantas de tratamiento de aguas residuales generan millones de toneladas de este material diariamente; la disposición final de los biosólidos por lo general son los rellenos sanitarios de las ciudades, mientras que con el compostaje se elimina el uso de los rellenos y se tiene perspectiva económica al generar un producto comercializable. Dado el boom en el uso del compostaje su estudio se ha intensificado, con la determinación de las variables del proceso y su influencia; así como de la cinética de degradación. A pesar de estos grandes avances aún no se conoce a cabalidad todos los fenómenos que ocurren en un sistema de compostaje. El presente trabajo busca determinar la cinética asociada a la degradación de los biosólidos de la Planta “El Salitre” así como plantear un modelo para el proceso de compostaje en el centro de una pila estática aireada, logrando un mayor conocimiento del caso particular y explorando la posibilidad de implementar el compostaje como metodología para el tratamiento de los biosólidos.
Objetivos Por medio de este estudio se persiguieron tres objetivos principales: −
Plantear un modelo matemático que describa adecuadamente el proceso de compostaje en pila estática aireada.
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−
Realizar una descripción adecuada de la cinética de degradación de la materia orgánica contenida en los biosólidos de la planta “El Salitre”. Tal descripción estará basada en los resultados obtenidos de experimentos realizados en campo.
−
Evaluar la facilidad de compostaje de los biosólidos provenientes de la planta “El Salitre”.
Marco Teórico El Compostaje El compostaje es una forma de tratamiento de residuos orgánicos sólidos o semisólidos, mediante el cual el residuo se descompone biológicamente bajo condiciones controladas de humedad, aireación, temperatura, composición química, porosidad, etc. El producto final del proceso, el compost, es un material estable, parecido al humus, que puede ser manipulado, almacenado y utilizado sin afectar adversamente al medio ambiente o al hombre y que en cambio mejora las propiedades del suelo, por ejemplo: mejora la estructura y aumenta la capacidad de retención de humedad del suelo; puede reducir los patógenos y aumentar la resistencia a plagas de los cultivos; el compost contiene nutrientes como nitrógeno y fósforo y algunos elementos traza (bajas concentraciones de metales como hierro, cobre etc.) necesarios para las plantas.
Compostaje en Pila Estática Aireada El compostaje en pila estática aireada consiste en la disposición del material a compostar en pilas, o pequeñas montañas alargadas. El aire es proporcionado por ventiladores que pueden trabajar a succión o a descarga; en la parte inferior de la pila se colocan tuberías agujereadas a través de las cuales se recoje o descarga el aire. Se denomina al proceso estático pues una vez realizado el montaje no se altera, mientras que en otro sistema, conocido como pila estática con aireación por volteo (windrow) no se utilizan los ventiladores y la aireación se proporciona por volteos mecánicos del material.
Figura 1
Esquema del Compostaje en Pila Estática Aireada Compost que se utiliza como cobertura de las pilas
Alto puede variar entre 1.5 y 3 m.
Ventilador
Material compostándose Material abultante usado para distribuir
Largo puede variar entre 5 y 15 m.
Ancho puede variar entre 3 y 5 m
Con este sistema usualmente se composta un material con alto contenido de humedad, como lodos de aguas residuales, por lo que se mezcla con algún tipo de “agente abultante”, que proporciona intersticios para que el aire impulsado por el ventilador fluya a través del sistema, de estructura a la pila y en caso de ser necesario absorba parte del agua contenida en el material húmedo. Este agente abultante también se coloca en la base de la pila para mejorar la distribución del aire que sale de los agujeros de la tubería hacia el sistema. El compostaje en pila estática aireada es un proceso batch. Así es como el material a compostar se mezcla con el agente abultante (en caso de ser necesario) se realiza el montaje de la pila y el proceso empieza. A medida que transcurre el tiempo cambios ocurren en el sistema, la materia orgánica es degradada biológicamente por microorganismos aerobios, agua contenida en el material compostándose se evapora al ambiente y la temperatura de la pila cambia.
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Metodología Se montaron dos pilas estáticas aireadas como las de la Figura 1 con biosólido de la Planta “El Salitre” y astillas de madera como agente abultante. Durante el transcurso del compostaje se tomaron medidas continuas de temperatura por medio de un sistema automático de medida y registro. Se utilizó la aireación como variable de control para el proceso de compostaje, intentando fijar la temperatura del sistema en un rango entre 50 y 60 °C. A lo largo del proceso se midió de manera puntual la tasa de consumo de O2 en el centro de la pila, a la muestra a la que se medía la tasa de consumo de O2 también se medía porcentaje de humedad y porcentaje de sólidos volátiles. Durante el compostaje se midió la temperatura y la humedad del aire después de atravesar la pila, para evaluar el arrastre de agua y calor debido a la aireación. A partir de los datos recolectados se desarrolla un modelo cinético para la degradación de Sólidos Volátiles Biodegradables (SVB) que se ve influenciado por la temperatura, la humedad y la porosidad de las partículas de biosólido dentro del sistema. Con el modelo cinético desarrollado se plantea un modelo del compostaje en el centro de la pila, fundamentado en un balance energético del sistema.
Modelo Cinético El desarrollo del modelo cinético se basó en lo planteado por Haug (3). El modelo planteado es:
d SVB = (Kd L20 ⋅ SVB L + Kd L20 ⋅ SVB R ) ⋅ F1 (T ) ⋅ F2 (ST ) ⋅ F3 (ST ) dt
(1)
donde: dSVB/dt = Tasa de consumo de SVB. KdL20 = Constante de degradación de los SV biodegradables lentamente (KdL20 = 0.01 día-1). KdR20 = Constante de degradación de los SV biodegradables rápidamente (KdR20 = 0.075 día-1). SVBL = Masa de sólidos volátiles biodegradables lentamente en el sistema (g o Kg). SVBR = Masa de sólidos volátiles biodegradables rápidamente en el sistema (g o Kg). F1(T) = Factor que afecta la tasa de consumo de SVB asociado a la temperatura (adimensional, con valores que varían entre 0 y 15).
[
F1 (T ) = 1.0618 (T − 20 ) − 1.39 (T −65 )
]
(2)
En la ecuación (2) T es en °C. F2(ST) = Factor que afecta la tasa de consumo de SVB asociado a la humedad contenida en el sistema, necesaria para la vida de los microorganismos y para la solubilización de la materia orgánica de manera que esté disponible para los microorganimos (adimensional, con valores que varían entre 0 y 1).
F2 (ST ) =
1 ⎛ ⎞ ⎛ %ST ⎞ exp⎜⎜ A 2 ⋅ ⎜1 − ⎟ + B 2 ⎟⎟ + 1 100 ⎠ ⎝ ⎝ ⎠
(3)
3
En la ecuación (3) %ST es el porcentaje de sólidos totales del biosólido en el sistema (no de la mezcla de biosólido y madera), A2 = -30 y B2 = 4. F3(ST) = Factor que afecta la tasa de consumo de SVB asociado a la disponibilidad de O2 por parte de los microorganismos. Está relacionado con el tamaño de las partícula de biosólido, que a su vez está relacionado con el contenido de humedad en el biosóliodo ya que a menor humedad en las partículas mayor cantidad de poros dentro de ellas (adimensional, con valores que varían entre 0 y 1).
F3 (ST ) =
1 ⎛ ⎞ ⎛ %ST ⎞ exp⎜⎜ A 3 ⋅ ⎜ ⎟ + B 3 ⎟⎟ + 1 ⎝ 100 ⎠ ⎝ ⎠
(4)
En la ecuación (4) %ST es el porcentaje de sólidos totales del biosólido en el sistema (no de la mezcla de biosólido y madera), A2 = -19 y B2 = 11.5. Se realizó una verificación del modelo comparando las tasas de consumo de O2 (-rO2) medidas en campo con las calculadas a partir del modelo. En el Gráfico 1 se muestra la concordancia de los valores. Los valores de -rO2 están en mg de O2 consumidos por gramos de SV por hora. El coeficiente de correlación entre los valores es de 0.51. 1,75
- rO2 Calculada
1,5 1,25 1 0,75 0,5 0,25 0 0
0,25
0,5
0,75
1
1,25
1,5
1,75
- rO2 Medida
Gráfico 1
Planteamiento del Modelo de Compostaje Se plantea un modelo para el compostaje en el centro de una pila estática aireada con base en los trabajos realizados por Nagasaki (1 y 2). El modelo se basa en un balance energético del sistema. En la Figura 2 se muestra un esquema de la ubicación del sector a modelar.
Figura 2.
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Sector a modelar Material compostándose con menos flujo de aire
Material abultante usado para distribuir eficientemente el aire
∆T =
qr − qa − qw − qp ⋅ ∆t Cpm ⋅ M + Cps ⋅ S + Cpw ⋅ W
(5)
donde ∆T = Incremento en la temperatura del sistema, en °C. ∆t = Intervalo de tiempo para ∆T, en horas. qr = Calor generado por reacción. Depende de la termodinámica aerobia y de la tasa de degradación de SVB para ∆t. En KCal / hora qa = Calor arrastrado por el aire. Depende del fluo del aire y de la diferencia de temperaturas del aire al entrar y salir del sistema para ∆t. En KCal / hora qw = Calor de evaporación del agua. Depende de la cantidad de agua evaporada y de la entalpía de vaporización para la temperatura del sistema para ∆t. En KCal / hora qp = Calor de perdido por conducción desde el centro de la pila hacia los alrededores. Depende de la conductividad térmica del material en el volumen de control y de la diferencia de temperala temperatura del volumen de control y la de los alrededores para ∆t. En KCal / hora Cpm, Cps, Cpw = Calor específico para la madera, el biosólido y el agua respectivamente. En KCal / °C – Kg. M, S, W = Cantidad de madera, biosólido y agua respectivamente en el volumen de control para ∆t. En Kg. La variación de los SVB en el volumen de control para ∆t se calcula a partir del modelo cinético (ec. 1). La variación de agua en el sistema no se pudo modelar, dados los diversos y complejos fenómenos que intervienen en ella: Transferencia de agua desde el biosólido hacia la madera, agua evaporada y arrastrada por el aire, agua producida por reacción de degradación, flujo de agua por gravedad, movimiento de agua originado por la presión del aire dentro de los poros del sistema. Por estas circunstancias la variación de agua se fuerza al modelo con base en los resultados de % ST obtenido en campo.
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Resultados del Modelo de Compostaje A continuación se presentan los resultados obtenidos de la modelación y se comparan con los datos medidos en campo. Los datos comparados corresponden a la variación en la temperatura, en los sólidos volátiles del sistema y a la tasa de consumo de Oxígeno.
Temperatura ( C)
100 80 60 40 20 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
Tiempo de Compostaje (Días) Modelo Medidos
Gráfico 2
Evolución de la temperatura durante el compostaje
Como se aprecia en el Gráfico 2, la evolución de la temperatura modelada está muy por encima de los valores medidos. Muy posiblemente esta desviación del modelo se debe a que no se conoce con certeza la temperatura óptima para el proceso. Con los datos recolectados se concluye que la temperatura óptima es 68°C que corresponde también a la mayor temperatura registrada, pero quizá con una evaluación más detallada de la variación con la temperatura se puede alcanzar un valor menor y de esta manera el modelo se estabilizaría no a 72 °C sino a 60, algo mucho más cercano a lo registrado en campo.
Evolución de los Sólidos Volátiles durante el Compostaje.
% SV
Gráfico 3
44 42 40 38 36 34 32 30 0
10
20
30
40
50
60
70
80
Tiempo de Compostaje (Días) Modelo
Medidos
El Gráfico 3 muestra una mayor concordancia entre los valores arrojados por el modelo y los valores medidos. Se debe considerar la gran dispersión originada por las dificultades durante la medición, pero las tendencias son claramente concordantes.
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Evolución de la Tasa de Consumo de O2 durante el Compostaje.
rO2 (mg de O2 Cons / g SV - h)
Gráfico 4
3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
Tiempo de Compostaje (Días) Modelo
Medidos
Para el Gráfico 4 también se encuentra bastante concordancia entre los datos medidos y los que arroja el modelo, aunque un poco por encima de los valores reales. Con respecto al modelo se puede decir que de manera general arroja valores superiores a los medidos, lo cual puede tener origen en deficiencias al calcular el calor perdido por calentamiento del aire que es un campo bastante nubloso en esta etapa de la experimentación.
Conclusiones El biosólido sale de la etapa de deshidratación bastante seco, con un porcentaje de sólidos totales de 35% cuando el valor usual es de 28%. Esto es positivo para el manejo que se le da actualmente a éste material, pues es menos costoso el transporte y más fácil la manipulación. Además en el relleno sanitario “Doña Juana” donde actualmente se dispone este residuo existen restricciones sobre la humedad del material que se recibe. Pero para el compostaje este hecho es perjudicial, ya que tanta sequedad genera limitaciones para la transferencia de O2 lo que al final alarga el tiempo de compostaje en casi el doble. En caso tal que se logre implementar el compostaje de este residuo es necesario precisar la deshidratación óptima del material para que sea fácil su transporte y beneficioso para la estabilización. El modelo cinético que se desarrolló es poco general, pues el factor de tamaño de partícula propuesto se ajusta a las características físicas propias de los biosólidos de la Planta “El Salitre” La degradación de los biosólidos de la Planta “El Salitre” ocurre a humedades bastante bajas (inferiores al 25%). Este hecho es atípico para este tipo de material, pues la literatura siempre cita valores limitantes cercanos a 35 %. El aire que atraviesa la pila de compostaje no sale a la temperatura de la Pila ni saturado de agua, lo que va en contra de lo que se registra en la literatura. El origen de este fenómeno se puede encontrar en los patrones de flujo de aire dentro de la Pila de compostaje, que no abarcan a cabalidad todo el sistema, presentándose menor presencia en el centro de la pila justo encima del tubo de aireación, lugar en el que se acumula el agua y ocurre la mayor compactación. Se comprobó la importancia de la aireación para el control del proceso, la influencia de los tiempos de encendido y apagado y del caudal. Lo ideal es conocer la temperatura óptima para el proceso y controlar la aireación para mantener este valor, asegurando que los microorganismos tienen suficiente disponibilidad de O2.
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A pesar de que el compostaje de los biosólidos de la Planta “El Salitre” resultó mucho más demorado que el común de este proceso, al final el producto obtenido es de buena calidad, con apariencia y olor a humus, con concentraciones de metales pesados muy por debajo de los valores límites. La modelación del comportamiento del agua dentro de la pila de compostaje fue la variable más complicada por los múltiples fenómenos que intervienen. El desconocimiento de la temperatura de calentamiento al atravesar el sistema es una deficiencia del modelo.
Recomendaciones Esta es la primera aproximación a la modelación del compostaje de biosólidos que se conozca en Colombia, por lo que aún existen muchas oportunidades de mejora. Una correcta determinación del modelo cinético general de los biosólidos, a partir de ensayos de laboratorio es ideal, pues se puede controlar de mejor manera las variables, y de esta manera conocer las dependencias con mayor exactitud. El estudio del sistema de aireación apropiado es necesario para asegurar el correcto curso del compostaje y la homogeneidad en la estabilización de la materia orgánica. Antes de realizar nuevos montajes con fines de investigación, considerar ampliamente el tamaño de las partículas que entran al proceso y la humedad de las mismas. El compostaje es una alternativa excelente para el manejo de residuos sólidos con contenido orgánico. Continuar estudios de este tipo y la implementación de los resultados obtenidos es beneficioso tanto ambiental como social y económicamente.
Referencias 1. DINH BACH, Phan, NAGASAKI, Kiyohiko, et Al. “Thermal Balance in Composting Operations.” En: J. Ferment. Technol., Vol 65, No. 2. 199-209. 1987. 2. NAGASAKI, Kiyohiko, KATO, Junichi et Al. “A New Composting Model and Assessment of Optimum Operation For Effective Dryying of Composting Material.” En: J. Ferment. Technol., Vol 65, No. 4. 441447. 1987. 3. HAUG, Roger T. The Practical Hadbook of Compost Engineering. Lewis Publishers. Florida, USA.1993. 4. McCARTY, Perry L. “Energetics and Bacterial Growth. En: Organic Compounds y Aquatic Environments. Proceedings of the 5th Rudolf Research Conference. Capítulo 21”. Foust, J. J. & Hunter, J.V. Editors. 1969. 5.
Estudio del Potencial Agronómico de los Biosólidos de la Planta “El Salitre” – Primera Etapa. Convenio DAMA – Asocolflores - Universidad de los Andes. Informes de Avance (desde el #1 hasta el # 17). 1997 – 2001.
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