Archivo 20

Vista previa del material en texto

1
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: maumons@hotmail.com 
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. 
 2
− 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 
 
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. 
Largo puede variar entre 5 y 15 m.
Ventilador Alto puede 
variar entre 
1.5 y 3 m. 
Ancho puede variar entre 3 y 5 
m
Compost que se utiliza 
como cobertura de las pilas
Material 
compostándose 
Material abultante usado 
para distribuir 
 3
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: 
( ) ( ) ( ) ( )STFSTFTFSVBKdSVBKd
dt
SVB d
321RL20LL20 ⋅⋅⋅⋅+⋅= (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 entre0 y 15). 
( ) ( ) ( )[ ]65T20T
1 1.391.0618TF −− −= (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). 
( )
1B
100
%ST
1Aexp
1
STF
22
2 +⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ +⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ −⋅
= (3) 
 4
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). 
( )
1B
100
%ST
Aexp
1
STF
33
3 +⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ +⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛⋅
= (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. 
0
0,25
0,5
0,75
1
1,25
1,5
1,75
0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75
- rO2 Medida
- 
rO
2 
C
al
cu
la
da
 
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. 
 
 5
 
∆t
WCpwSCpsM Cpm
qpqwqaqr∆T ⋅⋅+⋅+⋅
−−−= (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. 
Material compostándose con
menos flujo de aire
Material abultante usado para distribuir
eficientemente el aire
Sector a
modelar
 6
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. 
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. 
Gráfico 3 Evolución de los Sólidos Volátiles durante el Compostaje. 
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. 
30
32
34
36
38
40
42
44
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Tiempo de Compostaje (Días)
%
 S
V
Modelo Medidos
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Tiempo de Compostaje (Días)
T
em
pe
ra
tu
ra
 (
 C
)
Modelo Medidos
 7
Gráfico 4 Evolución de la Tasa de Consumo de O2 durante el Compostaje. 
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, asegurandoque los microorganismos tienen suficiente disponibilidad de O2. 
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Tiempo de Compostaje (Días)
rO
2 
(m
g 
de
 O
2 
C
on
s 
/ g
 
S
V
 -
 h
)
Modelo Medidos
 8
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. 441-
447. 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 5
th
 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.