Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Máster Máster de Ingeniería Ambiental Planta de Compostaje de RSU y Residuos Cítricos Industriales Autor: Emilio Jarre Castro Tutor: Emilia Otal Salaverri Dep. de Ingeniería Química y Ambiental Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2015
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Equation Chapter 1 Section 1
Trabajo Fin de Máster
Máster de Ingeniería Ambiental
Planta de Compostaje de RSU y Residuos Cítricos
Industriales
Autor: Emilio Jarre Castro
Tutor: Emilia Otal Salaverri
Dep. de Ingeniería Química y Ambiental
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2015
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Trabajo Fin de Máster
Máster de Ingeniería Ambiental
Planta de Compostaje de RSU y Residuos Cítricos
Industriales
Autor:
Emilio Jarre Castro
Tutor:
Emilia Otal Salaverri
Profesor titular
Dep. de Ingeniería Química y Ambiental
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2015
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Trabajo Fin de Máster: Planta de Compostaje de RSU y Residuos Cítricos Industriales
Autor: Emilio Jarre Castro
Tutor: Emilia Otal Salaverri
El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros:
Presidente:
Vocales:
Secretario:
Acuerdan otorgarle la calificación de:
Sevilla, 2015
El Secretario del Tribunal
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A mi familia
A mis compañeros de máster
ix
AGRADECIMIENTOS
Uno de los sentimientos y valores morales presentes en el ser humano es sin duda la gratitud, y a la vez es
evidencia de que el aprendizaje obtenido ha sido logrado con esfuerzo y dedicación; en virtud de lo manifestado debo expresar mi agradecimiento a los siguientes:
A Dios por ser guía y dirección en mi vida.
A la universidad de Sevilla por permitirme culminar una meta más en mi camino profesional.
A mi tutora de trabajo de fin de máster, la Profesora Emilia Otal Salaverri por su esfuerzo y dedicación, quien
con sus conocimientos, experiencia, paciencia y motivación ha logrado que este trabajo llegue con éxito a su
final.
A mis compañeros del máster con quien he compartido aprendizajes que permitieron afianzar lazos de amistad
que con toda seguridad trascenderán en el tiempo.
Y a todas aquellas personas que de una u otra manera hicieron posible este éxito.
Emilio Jarre Castro
Estudiante de Máster de Ingeniería Ambiental
Sevilla, 2015
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RESUMEN
La gran cantidad de materia orgánica encontrada en los RSU, junto con su potencial de valorización en suelos
agrícolas, da lugar al diseño e implantación de una planta de compostaje situada en la Facultad de Ingeniería
Agrícola de la Universidad Técnica de Manabí (Ecuador) para el aprovechamiento de la fracción orgánica de
los RSU generados en la propia Universidad. La planta de compostaje, con un sistema abierto de pilas
volteadas, tratará una mezcla de residuos de (1) poda, (2) cáscaras de cítricos producidos por una empresa
agoindustrial de la provincia, y (3) la fracción orgánica de los RSU recogida selectivamente. Las cáscaras de
cítricos se someterán a un pretratamiento previo en un túnel de compostaje para facilitar su incorporación a las
pilas. La planta contará, además, con una balsa para la recogida de lixiviados y una zona para el afino del
compost producido antes de su paso a la etapa de maduración. Los resultados obtenidos indican que la planta
debe presentar una zona de compostaje de pilas de 435 m2, una zona de maduración con un sistema de pilas
sin volteo de 35 m2 y una balsa de lixiviados de 6,25 m3. El presupuesto total para la construcción y
adquisición de las instalaciones y equipos asciende a $ 117.606,92.
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ABSTRACT
The large amount of organic matter found in MSW, with its recovery potential in agricultural soils, results in
the design and implementation of a composting plant at the Faculty of Agricultural Engineering at the
Technical University of Manabi (Ecuador) for the use of organic fraction of MSW generated in the University.
The composting plant, with an open system of flipped batteries, will treat a mixture of residues of (1) pruning,
(2) citrus peels produced by an agro industrial company in the province, and (3) the organic fraction of MSW
collected selectively. Citrus peels will be subjected to a previous pretreatment into composting tunnels to
facilitate its incorporation to the batteries. The plant also will feature a raft for leachate collection and an area
for the refining of compost produced before passing to the stage of maturation. The obtained results indicate
that the plant must submit a composting area of 435 m2 batteries, an area of maturation with a system of
batteries without turning of 35 m2 and a leachate pond of 6.25 m3. The total budget for the construction and
acquisition of facilities and equipment amounted to $ 117,606.92.
xv
ÍNDICE
ÍNDICE DE CONTENIDOS
1. Objetivos y Alcance................................................................................................................ 1
Figura 10: Representación de la evolución de la materia orgánica durante el compostaje (Sharma et al., 2006). ................................................................................................................................................................ 12
Figura 11: Sucesión microbiana en el proceso de compostaje (Moreno y Moral, 2008). ...................... 13
Figura 12: Influencia de la Temperatura en la Eliminación de Patógenos (Rosal, 2007). ...................... 19
Figura 13: Evolución de la Temperatura y el pH durante el proceso (Rosal, 2007). .............................. 20
Figura 14: Equipo para el Test de Autocalentamiento (Rosal, 2007). .................................................... 23
Figura 15: Sistema de Respirometria VECO (Rosal, 2007). .................................................................. 23
Figura 16: Evolución de la VECO máx (Rosal, 2007). .......................................................................... 23
Figura 17: Criba rotatoria en una Planta de RSU. .................................................................................. 24
Figura 18: Apilamiento con Volteo (Planta de Estepa). ......................................................................... 26
Figura 19: Túnel Estático de Aireación Forzada (Planta de Estepa). ..................................................... 27
Figura 20: Tambor Rotatorio para el proceso de Compostaje. ............................................................... 28
Figura 21: Localización de la Planta de Compostaje. ............................................................................. 33
Figura 22: Producción de RSU en la Universidad Técnica de Manabí. ................................................. 34
Figura 23: Caracterización de RSU de la Universidad Técnica de Manabí. .......................................... 34
Figure 24: Diagrama de flujo de la planta de compostaje en la Universidad Técnica de Manabí................................... 35
Figura 15: Dimensiones del Túnel de Compostaje de Residuos de Cítricos. ......................................... 37
xxi
Figura 26: Dimensiones de cada Pila de Compostaje. ........................................................................... 38
Figura 27: Curvas y Datos de Prestaciones de Bombas Centrífugas...................................................... 41
Figura 28: Dimensiones de la Balsa de Lixiviados. ............................................................................... 43
Figura 29: Biotrituradora BIO 510. ........................................................................................................ 45
Figura 30: Biotrituradora BOMATIC B600-V. ..................................................................................... 45
Figura 31: BOBCAT S70. ...................................................................................................................... 46
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1 OBJETIVO Y ALCANCE
1.1 Objetivo General
El objetivo principal de este estudio es diseñar una planta de compostaje de residuos sólidos urbanos (RSU)
situada en la Facultad de Ingeniería Agrícola de la Universidad Técnica de Manabí (Ecuador) para producir un
compost de calidad aceptable para su aprovechamiento en los cultivos e invernaderos pertenecientes a esta
Facultad. Los RSU que procesará la planta provienen de las cafeterías de la Universidad Técnica de Manabí
mezclados con residuos cítricos producidos en una empresa agroindustrial de Ecuador.
1.2 Objetivos Específicos
Entre los objetivos específicos de este estudio destaca:
Minimización de la cantidad de residuos, principalmente de la fracción orgánica, destinada a
vertedero, dado que esta fracción de los residuos sólidos es la que tiene mayor potencial de
valorización y reciclaje.
Producción de compost a partir de la materia orgánica en el proceso de compostaje para su utilización
en cultivos y regeneración de suelos degradados como enmienda orgánica.
Aprovechamiento de las instalaciones de la planta de compostaje para labores de docencia e
investigación por parte del personal de la Facultad.
1.3 Alcance del estudio
El trabajo contempla el cálculo de todas las instalaciones necesarias para la ejecución y funcionamiento del
proceso de compostaje de una planta de residuos sólidos urbanos. El tipo compostaje elegido para la
valorización de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos es un sistema abierto de pilas volteadas
mediante palas cargadoras, por ser la forma más económica de producir compost a partir de las cantidades de
residuos existentes y el espacio disponible.
El proceso de compostaje en la planta, que se describe a lo largo del estudio, consta de:
- Acondicionamiento del residuo mediante trituración para aumentar el rendimiento del proceso.
- Transporte del residuo en el interior de la planta, es decir, entre los distintos equipos y zonas en los
que se desarrolla el proceso.
- Tecnología de compostaje utilizada, en este caso pilas volteadas.
- Equipos y maquinaria empleados.
- Presupuestos de las instalaciones y equipos.
Objetivo y Alcance
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Este estudio tan sólo detalla los aspectos preliminares más importantes en el estudio del diseño de una planta
de compostaje desde la recepción del residuo a tratar hasta la producción de compost. Por lo que no contempla
lo siguiente:
- Gestión, valorización y tratamiento de los residuos y subproductos del proceso de compostaje.
- Métodos de recogida y obtención de las materias primas.
- Conservación, transporte y método de aplicación del compost sobre el suelo y los cultivos.
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2 MEMORIA DESCRIPTIVA
2.1 Introducción
La producción de residuos es inherente a la actividad humana. Sin embargo, mientras que en otro tiempo el
volumen y características de los residuos permitían su asimilación por la naturaleza, actualmente, el aumento
en la cantidad de residuos producidos y la modificación de sus características se han convertido en grave
problema de eliminación para la sociedad y para la conservación del medio ambiente.
En la actualidad, la producción y tipo de residuos depende del tamaño de la población, de manera que, las
grandes sociedades de consumo de países desarrollados generan mayor cantidad de residuos que las
sociedades de países subdesarrollados, por lo que, cualquier sociedad en vías de desarrollo económico y
poblacional va a incrementar su producción de residuos y, por lo tanto, va a necesitar nuevos planes de gestión
y tratamiento eficaces.
En Ecuador, existe una gestión deficiente del servicio para la recogida de residuos sólidos. Desde el año 2002
a 2010, la situación nacional no había variado significativamente, puesto que de un total de 221 municipios,
160 disponían sus residuos en vertederos de cielo abierto, provocando serios problemas medioambientales en
importantes recursos como el agua, el suelo, el aire o el paisaje. El resto de municipios, disponían de
insuficientes infraestructuras técnicas para llevar a cabo la gestión de sus residuos en vertederos parcialmente
controlados (Figura 1).
Memoria Descriptiva
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Figura 1: Mapa de niveles socioeconómicos Ecuador: A: Alto, B: Medio Alto, C+: Medio, C-: Medio Bajo, D: Bajo. Fuente:
Castillo (2012).
En la actualidad, tan sólo el 84% de los residuos sólidos son recogidos en las grandes ciudades, siendo del
54% para las zonas rurales, por lo que la fracción no recolectada contribuye a la formación de pequeños
vertederos incontrolados. Además, sólo el 28% de los residuos generados son dispuestos en vertederos
controlados. El resto, 72%, acaba en terrenos baldíos o cuerpos de agua, con graves problemas de salud y
medio ambiente para la población de la zona.
Actualmente en el país, la producción de residuos sólidos es de 4,14 millones de toneladas al año, con una
producción per cápita de 0,73 kg/ha. De tales residuos, la fracción mayoritaria corresponde a la materia
orgánica (61%), seguida de plástico (11%) y papel/cartón (9%), mientras que las fracciones menores
corresponden a vidrio (3%) y metal (2%).
5 Planta de Compostaje de RSU y Residuos Cítricos Industriales
Por lo tanto, los residuos sólidos producidos en Ecuador presentan un gran potencial de reciclaje y valorización
mediante tratamiento biológico por su alta carga de materia orgánica. Es por eso que este proyecto se
fundamenta generalmente en los diferentes tratamientos biológicos de la fracción orgánica de los residuos
sólidos, y en particular, sobre el tratamiento de compostaje que veremos detalladamente a lo largo de este
estudio.
2.2 Definición de residuos sólidos
Según la Ley 22/2011, de 28 de Julio, de residuos y suelos contaminados (España) define:
Residuo “es cualquier sustancia u objeto que su poseedor deseche o tenga la intención o la obligación
de desechar”, de acuerdo con la Lista Europea de Residuos (L.E.R.).
Los residuos domésticos comprenden los residuos generados en los hogares por las actividades
domésticas, y los residuos producidos en servicios e industrias similares a los anteriores. También
pertenecen a esta categoría los residuos procedentes de la limpieza urbana, zonas verdes, áreas
recreativas y playas, animales domésticos muertos y vehículos abandonados.
Los residuos comerciales son los “residuos producidos por la actividad comercial, al por mayor o al
por menor, de los servicios de restauración y bares, de las oficinas y de los mercados, así como el
resto del sector servicios”.
Biorresiduo como un “residuo biodegradable de parques y jardines, residuos alimenticios y de cocina
procedente de hogares, restaurantes, servicios de restauración colectiva y establecimientos de venta al
por menor”. Los biorresiduos conformarían la fracción orgánica de los residuos urbanos.
Compost es una “enmienda orgánica obtenida a partir del tratamiento biológico aerobio y termófilo de
residuos biodegradables recogidos separadamente. No se considerará compost el material orgánico
obtenido de las plantas de tratamiento mecánico biológico de residuos mezclados, que se denominará
material bioestabilizado”.
2.3 Procesos de Tratamiento de Residuos Sólidos
Actualmente existen diferentes métodos de tratamiento físico, térmico y biológico de residuos sólidos, bien
para su aprovechamiento energético y/o agrario, o por el contrario, para depositarlos en zonas habilitadas.
Entre estos podemos destacar:
Deposición en vertedero
La deposición en vertedero es la colocación controlada de los residuos compactados sobre un área de terreno
habilitada para ello, depositándolos en capas de poco espesor. Cada capa se recubre de suelo para evitar la
contaminación y favorecer la fermentación de la materia orgánica (Arcos et al., 2008).
Se definen 3 tipos de vertederos o celdas independientes dentro de un mismo vertedero:
Memoria Descriptiva
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a) Residuos peligrosos. Sólo contendrán residuos peligrosos.
b) Residuos inertes. Admitirán materiales de construcción y residuos industriales no peligrosos.
c) Residuos no peligrosos. Contendrán residuos sólidos urbanos, residuos no peligrosos que cumplan
criterio de admisión, y residuos peligrosos estabilizados.
Incineración
La incineración es un proceso térmico de oxidación química de los residuos sólidos que se utiliza,
principalmente, para la reducción en volumen y la recuperación energética. Los residuos sólidos son
transformados en productos finales gaseosos y sólidos con la simultánea producción de energía calorífica.
Entre los productos finales de la incineración destacan, los gases de combustión, compuestos de nitrógeno,
dióxido de carbono y vapor de agua, y los sólidos (cenizas). Su principal desventaja es la posible emisión de
los gases de combustión a la atmósfera.
Biometanización
La biometanización o digestión anaerobia es un proceso biológico de degradación de los residuos orgánicos en
ausencia de oxígeno. Los productos finales de la biometanización son el biogás, compuesto principalmente por
metano (50%-70%) y dióxido de carbono (30%-40%), y un producto sólido altamente fertilizante.
Aunque puedan utilizarse la fracción orgánica de RSU para llevar a cabo este proceso, es más común la
aplicación de residuos agrícolas y lodos de depuradora. Su principal desventaja es la posible emisión de
metano a la atmósfera si el material no ha sido digerido en su totalidad.
Compostaje
El compostaje es el proceso biológico aerobio más utilizado en la degradación de la fracción orgánica de RSU.
El producto final del compostaje es un material húmico higienizado y estabilizado denominado compost. El
compostaje se puede llevar a cabo también mezclando RSU y poda, o RSU y lodos de depuradora.
2.4 Descripción de una planta típica de RSU
Las plantas de compostaje disponen de varias líneas de tratamiento de residuos según el sistema de recogida y
clasificación urbana, basura no seleccionada o residuos de recogida selectiva. La fracción orgánica, por lo
general, procede de la basura no seleccionada (Figura 2).
7 Planta de Compostaje de RSU y Residuos Cítricos Industriales
Figura 2: Recepción de Residuos no recogidos selectivamente.
La primera etapa de una planta de compostaje es la descarga de los residuos urbanos, envases, papel-cartón,
vidrio y basura no recogida selectivamente, en sus respectivas líneas de tratamiento. Los residuos procedentes
de la recogida selectiva pasan por un triaje manual en el cual se separan las distintas fracciones anteriormente
mencionadas. A continuación, cada una de las fracciones son prensadas y, recicladas o depositadas en el
vertedero (Figura 3).
Figura 3: Envases PET prensados y embalados.
Los residuos orgánicos, que proceden generalmente de la basura no selectiva, pasan por un triaje primario en
el cual son extraídas las fracciones voluminosas. Luego pasan por una criba rotatoria (trómmel) de 150 mm de
luz dotada en su interior de ganchos para la rotura de las bolsas. Las fracciones mayores de 150 mm pasan a
través de un triaje secundario manual para separar los envases para su empaquetamiento y reciclado.
Memoria Descriptiva
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Figura 4: Triaje Manual Secundario en una Planta de RSU.
El material cribado es conducido al electroimán y a las corrientes de Foucault para separar los metales férricos
y no férricos respectivamente, y el resto pasa al sistema de compostaje. Durante la fase de compostaje, los
lixiviados que puedan aparecer son recogidos en una balsa exterior. Una vez el material ha terminado de
compostar, pasa a la planta de refino.
En ésta, el material es introducido en un trómmel de separación de 10 mm de luz, y el cernido es conducido a
una mesa densimétrica, con un fondo inclinado y vibratorio, para su separación en función de la densidad y el
tamaño. La fracción más gruesa es rechazada y el compost resultante es trasladado a una zona final de
maduración (Figura 5).
Figura 5: Electroimán en una Planta de RSU. Figura 6: Balsa exterior de Lixiviados.
9 Planta de Compostaje de RSU y Residuos Cítricos Industriales
Figura 7: Planta de Refino del Compost producido (Planta de Estepa).
2.5 Proceso de Compostaje
El compostaje es un proceso biológico, aerobio, dinámico y, por lo tanto, termófilo, que para llevarse a cabo se
precisa: materia orgánica, microorganismos y unas condiciones ambientales óptimas para que este proceso de
desarrollo con una elevada eficiencia. Las condiciones ambientales en las que se desarrolla el proceso están en
constante cambio, como resultado de la acumulación de subproductos de la misma actividad.
Un proceso de compostaje bien controlado y aplicado a los materiales adecuados, permite reducir la humedad,
el peso y el volumen de los residuos tratados. Además, produce compost, un producto estabilizado,
almacenable y utilizable en suelos agrícolas para mejorar la infiltración y retención de agua, disminuir las
diferencias de temperatura, reducir la erosión y aportar nutrientes esenciales para el crecimiento de las plantas.
El compostaje comienza con la entrada de residuos orgánicos, todos ellos colonizados por microorganismos
que al tener las condiciones ambientales adecuadas se reproducen y favorecen la aparición de nuevas
comunidades microbianas. A partir del incremento de la actividad biológica, aumenta la temperatura del
material, provocando la higienización del compost final. La higienización cumple tres objetivos básicos:
prevenir el crecimiento de patógenos durante el proceso, destruir los existentes, y evitar la recolonización por
los mismos. Sin embargo, una excesiva temperatura podría limitar la actividad microbiana. Por eso, la
aireación tiene la función, además de aportar oxígeno, de reducir la temperatura del material.
2.5.1 Compostaje de residuos cítricos
Los residuos de cítricos son residuos orgánicos susceptibles de biodegradarse en cualquier proceso de
compostaje. Sin embargo, conviene que el pH de la materia prima sea lo más neutro posible puesto que los
microorganismos responsables de la degradación de la materia orgánica no toleran valores muy alejados del 7.
Si esto se produce, el proceso se detendría o se ralentizaría notablemente.
Por lo general, los residuos de cítricos suelen aportar valores bajos de pH al ser ricos en ácidos orgánicos, de
manera que se ponen en riesgo las condiciones óptimas de trabajo de los microorganismos que descomponen
Memoria Descriptiva
10
los restos orgánicos. Por lo que para compensar esta acidez, tales residuos se suelen mezclar con residuos de
pH complementario o se someten a un proceso de pretratamiento. No obstante, los ácidos orgánicos favorecen
la lixiviación de metales pesados (Rosal, 2007), y son una excelente fuente de fósforo y potasio.
Por otra parte, la descomposición de la lignina en un ambiente ácido es un proceso complicado sólo realizado
por microorganismos específicos del género penicillium sp. Estos microorganismos son capaces de degradar la
lignina tanto en condiciones aeróbicas como anaeróbicas, a la vez que van consumiendo gran parte de los
ácidos orgánicos neutralizando levemente el pH. Sin embargo, la mayoría de estas especies producen una
sustancia antibiótica durante el proceso de colonización, por lo que es recomendable iniciar el proceso de
compostaje en lugar apartado y luego mezclarlos con el resto de los residuos.
2.5.2 Microbiología y bioquímica en el compostaje
El material a compostar constituye un ecosistema donde las diversas poblaciones microbianas formadas por
bacterias, hongos y actinomicetos, degradan la materia orgánica en presencia de oxígeno generando un
compost estable e higienizado junto con gases, agua y calor como subproductos de metabolismo celular.
El tipo de microorganismo existente en la pila de compostaje variará en función del estado en el que se
encuentre el proceso, es decir, dependerá de las condiciones nutricionales y ambientales generadas a partir de
sus propias actividades (Figura 8).
Figura 8: Esquema de un proceso de compostaje (Mohedo, 2002).
Microorganismos beneficiosos durante el compostaje
Durante la producción de compost, los microorganismos quimioheterótrofos utilizan la materia orgánica como
fuente de carbono y energía en presencia de oxígeno, a través de rutas metabólicas, para generar grandes
cantidades de poder reductor y energía en forma de ATP. Parte de esta energía generada se disipa en forma de
calor, por lo que es importante que el material tenga una estructura apilada y una cantidad mínima de sustrato.
En las Figuras 9 y 10 se observa las distintas etapas de la respiración aeróbica llevada a cabo por los
microorganismos y la evolución de la materia orgánica a lo largo del compostaje.
11 Planta de Compostaje de RSU y Residuos Cítricos Industriales
Figura 9: Etapas de catabolismo y anabolismo en la oxidación de la materia orgánica (Teijón y Garrido, 2009).