Compostagem - Mestrado em Energias Renováveis e Gestão de ...w3.ualg.pt/~rbarros/documentos/Bioenergia/Bioenergia 8-Compostagem... · Energias Renováveis e Gestão de Energia 1

Compostagem - Mestrado em

Energias Renováveis e Gestão de Energia

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8. Compostagem8.1 Caracterização do processo e Condições de operação8.1 Aproveitamento energético



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"processo bioxidativo controlado envolvendo um material orgânico heterogéneo na fase sólida, ocorrendo uma fase termofílica com libertação temporária de fitotoxinas, produzindo-se água, dióxido de carbono, substâncias minerais e matéria orgânica estabilizada, a qual toma o nome de "composto" (Zucconi e Bertoldi, 1987; Chen e Inbar, 1993)

"método de tratamento de resíduos sólidos, mediante o qual a sua componente orgânica é decomposta biológicamente em condições controladas, alcançando-se um estado em que pode ser manuseado, armazenado ou aplicado aos solos sem afectar o ambiente“ (Golueke, 1991)

Compostagem ?

Compostagem…na natureza…

processo controlado pelo Homem…



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Composto

transformação da matéria orgânica

COMPOSTO

tratamento (valorização) de resíduos sólidos

decomposição biológica

componente orgânica dos resíduos

condições controladas (aeróbias)

Compostagem



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Descrição geral do processo de compostagem

Oxigénio Humidade Microrganismos

Composto

Água Dióx ido de carbono

novos microrganismos

(morte)

produtos intermédios Energia Calor

Matéria orgânica

(polimerização)

Condições necessárias para o processo de compostagem

•Qualidade e quantidade da matéria orgânica no material inicial

•Condições ambientais (temperatura, humidade, oxigénio, pH)

•Comunidade microbiana



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BactériasFungosActinomicetas

População microbiana

Algas

Vírus

Protozoários....

•Psicrófilos (até 13ºC), mesófilos (15ºC–40ºC), termófilos (40/45ºC- 70ºC)

População microbiana durante a compostagem(provavelmente composto de resíduos de jardim, Daye Shaw, 2001)

Temperatura (ºC)

Nº de microorganismos* <40 40 70 70 arrefecimento nº espécies

Bactérias

Mesófilos 108 106 1011 6

Termófilos 104 109 107 1

Actinomicetas


Fungos

Mesófilos 106 103 105 18


*nº de organismos por g de composto



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Cadeia trófica durante a compostagem

•Os mais pequenos e númerosos no composto (80 a 90% dos biliões de microrganismos/ g de composto), mas cerca de metade do protoplasma

•Responsáveis pela maioria da decomposição e libertação de calor

•Maior diversidade de “dieta” devido à grande diversidade de enzimas

•Reprodução rápida (20–30 minutos/ geração)

•Aeróbias e anaeróbias

•Mais exigentes em humidade (distribuição regular nas pilhas)

•Decompõem sobretudo hidratos de carbono e proteínas

Bactérias

compost.css.cornell.edu/microorg.html



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•Menos numerosos, mas superiores em biomassa

•São fundamentais por destruírem a celulose, facilitando a acção das bactérias

•São os mais favorecidos por condições ácidas (pH <5), conseguindo atacar resíduos “secos” ou pobres em N

•Distribuem-se sobretudo no exterior das pilhas, mas as hifas têm capacidade de “colonizar” o meio devido ao seu crescimento vigoroso

•Além da celulose, decompõem açucares e hemiceluloses

Fungos


•Bactérias filamentosas, semelhantes a fungos no aspecto

•São afectados por condições ácidas

•Importantes por decomporem celulose, hemiceluloses, quitina, proteínas e, em pequena extensão, a lenhina (mais tolerantes a T > 60ºC), podendo por isso atacar madeira, cascas e papel

•Formam colónias típicas a 10-15cm do exterior do material, próximo do final da compostagem

•Responsáveis pelo odor a “terra fresca”

Actinomicetas




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Formigas, centopeias, moscas, mil-pés, aranhas, etc

Macrorganismos

28ºC: população heterogénea

40-45ºC: re-invasão de mesófilos50ºC: actividade intensa

37ºC: bactérias nitrificantes

bactérias formadoras de ácidos, fungos e actinomicetas mesófilos

até 40-45ºC: bactérias, fungos e actinomicetas mesófilos

60ºC: bactérias e actinomicetas termófilos

65ºC: ↓↓↓↓ actividade

70ºC: actividade praticamente cessa

75-90ºC: referências a fungos e actinomicetas

65ºC: bactérias e actinomicetas termófilos (re-aparecem)

60ºC: os fungos termófilos (re-aparecem)

Tempo (dias)

Tem

peratura (ºC

)

Evolução das populações microbianas e temperatura do meio

45

55

65

60

35



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Água

•O seu teor máximo é limitado pela sua influência na disponibilidade de oxigénio

•Ideal: 40-65% (p/p) (função da natureza e granulometria: min. 30-40, máx. 75-90%)

•Valores inadequados afectam evolução do processo (actividade, efeito letal da temperatura) e maneabilidade do produto

•Essencial: actividade dos microrganismos (migração colonização), difusão de substratos e de resíduos metabólicos

Tempo (dias)

Tem

peratura (ºC

)

Evolução das populações microbianas e temperatura do meio

45

55

65

60

35

Máx. actividade microbiana

Máx. biodegradação

Máx. higienização



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Oxigénio

•Essencial para condições aeróbias (eficiência, produtos intermédios)

•Mediante arejamento (juntamente com a temperatura): é o problema mais comum, mas mais facilmente controlado

•Mínimo: 5 a 10%

•Óptimo: 14 - 17%

•Importância da granulometria das partículas



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Variação do teor de oxigénio no interior da pilha de material

pH

•Compostagem ocorre em intervalo largo (3-11), mas:

•Fungos: (ópt.) 5,5 – 8

•Bactérias (ópt.) 6 –7,5

•Óptimo: 6,5-8,5 / 5,5-8 (segundo autores)

•Influência indirecta: insolubi lização de nutrientes

•Ajuste prévio pouco justificado

•Evolução tipica: decréscimo inicial (AO simples), aumento (destruição de grupos carboxí licos e fenólicos, e de proteínas →amónia → ↑amoníaco (T alta, pH alto), decréscimo (neutro/alcalino)



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Granulometria

tamanho daspartículas*

arejamento (O2,temperatura)

superfície específica (exposição ao “ataque”)

humidade

qualidade final do composto (granulometria e humidade)

actividade microbiana(intensidade, rapidez do processo)

* (20-50 mm)

É importante por condicionar vários aspectos:

Hidratos de carbono

Proteínas

Lípidos

Lenhina

Matéria orgânica

•(meio aeróbio) → CO2 + água

•(meio anaeróbio) → CO2+água+ácidos+alcoois+gases (CH4, H2)



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•Açucares solúveis e os faci lmente hidrolizáveis

•Celulose

•Estrutura linear (faci li ta degradação) de D-glucose

•Conversão incompleta em C02 e água →humificação

•Pouco degradada acima dos 60ºC

•Principal ataque: fungos termofí licos (na recolinização do meio)

•Hemiceluloses (grupo heterogeneo)

•Sofrem ataque mais fáci l e regular que a celulose

•Actinomicetas (mais tolerantes a T > 60ºC)

Hidratos de carbono

•Meio aeróbio básico: decomposição rápida (nitratos)

•nitratos → humificação

•Meio ácido (<bactérias nitrificantes): sais amoniacais

•Meio anaeróbio (não ocorre nitrificação): sais amoniacias + amoníaco (↑)

Proteínas



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Hidrólise → decomposição rápida e versáti l

Lípidos



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•Polímero muito heterogéneo → difícil degradação

•Meio básico: alguns fungos→ bactérias (humificação)

•Meio ácido: decomposição mais rápida mas formam-se polifenois solúveis (↓pH, toxicidade)

• ( ) + compostos azotados → ácidos húmicos

•Meio anaeróbio: praticamente sem alteração (turfeiras)

Lenhina

Nutrientes

•Teor e balanço de nutrientes influencia os microrganismos presentes

•Para a assimiliação dos composto de carbono o N é o nutriente mais solicitado, seguido do P e em menor escala K, Mg, S, Ca e micronutrientes

•Ideal: 25-30 partes de C para 1 de N (C/N)

(> 30: atraso no processo/baixa: ↑amoníaco)



16

40

50

60

70

90

Tempo

Tem

peratura

Degradação dos compostos orgânicos

ºC

80

30

Fase mesofílica Fase termofílica Fase de estabilizaçãoou de maturação

Degradação compostos facilmente biodegradéveis(hidratos de carbono, proteínas e lípidos)

Degradação dos polímeros mais resistentes(celulose, hemiceluloses, lenhina)

pH

45678

Decomposição (exotérmico, rápido) Estabilização ou humificação (endotérmico, lento)

Fases típicas da compostagem

I-Fase inicial ou fase mesofílica

(são consumidas as substâncias mais facilmente degradáveis; ocorre aumento muito rápida da temperatura e o pH baixa; dura poucos dias)



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II-Fase intermédia ou termofílica

III-Fase final ou fase de estabilização ou de maturação

(diminui a taxa de decomposição dos materiais, a sua temperatura e a libertação de toxinas; ocorre a recolonização do meio com microrganismos antagonistas e outros e, também macrofauna; a celulose e a hemicelulosesão degradadas; o pH torna-se ligeiramente alcalino e desenrola-se intensa competição pelo alimento existente; ocorrem processos de antagonismo e formação de antibióticos, que conduzem à obtenção de um produto estabilizado; pode durar meses)

Alguns autores limitam a fase termofílica apenas até ao início do decréscimo da temperatura e consideram, a partir desta altura, uma (IV) fase de arrefecimento, que decorre até o material alcançar a temperatura ambiente



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Exemplo de evolução de temperatura durante a compostagem

C asca de Eucalipto: evolução da temperatura

perfil horizontal

10

20

30

40

50

60

70

80

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Duração (semanas)

C -30 -10Pontos:

oC

Evolução da matéria orgânica

HC, lenhina, lípidos e proteínas

Ácidos húmicos, lenhina

celulose

toxinas



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Decomposição (exotérmico, rápido)

Estabilização ou humificação (endotérmico, lento)

Moléculas complexas

Moléculas simples

Moléculas simples ou do material inicial

Moléculas complexas:

HUMÚS(condensação e polimerização)

(proteólise, celulólise,lenhinolólise, etc)

Transformações da matéria orgânica

Materiais “frescos”

40

50

60

70

90

Tempo

Tem

peratura

Transformação da matéria orgânica

ºC

80

30

Fase mesofílica Fase termofílica Fase de estabilizaçãoou de maturação

pH

45678

Decomposição

Estabilização ou humificação



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Matérias-primas



21



22



23



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Material % C (MS) % N (MS) C/N (p/p)

Aparas de relva 41,6 2,2-6 12-25

Resíduos de frutos - 1,5 25-45

Folhas 44,5 0,7-0,93 40-80

Serradura 56,2 0,1-0,2 100-750

Madeira - 0,09 200-1300

Papel 43,3 0,12-0,25 173-800

Restos de comida 50 3,0-3,2 11-16

Estrumes 30,6 1,7-6,3 15-25

Palhas - 0,3-1,1 48-150

Características de alguns materiais(valores extraídos de fontes diversas)

Métodos de compostagem

A selecção do método depende de:

•Características do material (físicas, químicas)

•Condições ambientais (clima)

•Condições físicas (localização, ventos)

•Condições económicas (aquisição manutenção)•(outros...)



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Em pilhas

Em reactores ou digestores


Em pilhas amovíveis (com reviramento mecânico)



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Em pilhas amovíveis (com reviramento mecânico)

Preparação do material



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Preparação do material


Reviramento mecânico



28


Reviramento mecânico

Métodos de compostagemReviramento mecânico



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Métodos de compostagemReviramento mecânico

Equipamento para revirar o composto

montado frontalmente



30

montado lateralmente

Em pilhas estáticas (com arejamento forçado)Em baias

Em pilha

Ventilador



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Compostagem em reactores ou digestores

Equipamento auto-motriz para revirar o composto

Em tunel fechado

Em saco



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Condições:•Em espaço fechado

•Arejamento por circulação forçada de ar, reviramento ou ambos

•Características•Custo de instalação mais elevados

•Redução de área para a sua realização

•Maior homegeneidade de temperatura

•Redução da duração do processo

•Possível controlo mais sofisticado

Compostagem em reactores ou digestores

Qualidade do composto

Legislação

•metais pesados

•materiais estranhos

•estabilidade

•ausência de patógenos



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Qualidade do composto

Utilização agrícola

•teor em nutrientes•teor em MO•capacidade de retenção de água•condutividade eléctrica

•ausência de fitotoxicidade•pH

Grau de maturação do composto para fins agrícolas

•Matéria orgânica fresca (a que não se pode chamar composto)

•Composto fresco

•Composto (= composto estabilizado)

•Composto curtido



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Exigência de qualidade do composto em função do sua utilização:

•cobertura de aterros

•recuperação de solos

•culturas arvenses

•solos de cobertura

•fruticultura

•horticultura

•produção de tapetes de relva

•plantas ornamentais

•jardinagem familiar

•relvados para golfe

•substrato para plantas envasadas

O produto final

•teor em nutrientes

•teor em matéria orgânica

•capacidade de retenção de água

•condutividade eléctrica

•ausência de fitotoxicidade

•pH

Utilização agrícola

Mestrado em Gestão Sustentável dos Espaços Rurais - Fundamentos da SustentabilidadeMário Reis (FERN)



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Formas de aplicação dos compostos

•Aplicação à superfície

•Incorporação no solo

•Aplicação de extractos aquosos

solo

planta

•Outros benefícios da compostagem

Redução do volume de resíduos

Valorização económica de resíduos

Tratamento de resíduos



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Resolução de problemas durante a compostagem

Sintoma Causa possível SoluçãoA temperatura não sobe Material muito seco Verificar humidade,+ água

Material muito húmido Verificar humidade, misturar material mais seco, espalhar para secar

Falta de azoto Verificar C/N, misturar com material rico em N,juntar N

Pequeno volume material Aumentar volume

Temperatura do ar muito baixa Isolar, pilhas maiores, cobrir com composto maduro

pH muito baixo Misturar, a rejar,adicionar CaCO3

Temperatura acima de 65ºC Demasiada actividade: Arejar (revirar, injectar reduz-se eficiência do ar), humedecer se processo, risco de incêndio demasiado seco,mistura r

fonte de C se C/N baixa

Pilha húmida e Falta de N Adicionar relva ou outro material cheiro agradável

O material atrai Há resíduos animais Eliminar este s re síduos,cobrir pilha animais na mistura com material tecido

Há resíduos de alimentos Cobrir com resí duos (folhas, aparas na mistura cascas) ou composto

Sintoma Causa possível Solução

Mau cheiro Pouco ar, Revirar.(a ranço,vinagre demasiado azoto ou Misturar palha, se rradura, aparas. ou ovos podres) demasiado húmido Drenagem interna



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4.2 Sustentabilidade Biológica: A matéria orgânica e nutrientes no

solo Organismos do Solo

Compostagem e aplicação de composto

Alguns casos particulares do efeito da agricultura no ambiente

Módulo IV – Componentes da Sustentabilidade Biofísica na Agricultura



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Valores máximos de metais pesados e desvios aceites na UE (mg/kg MS)

Country Quality Standard of Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn

AT Biowaste Ordinance Class A 1 70 150 0,7 60 120 500

BE (Fland.) Agricultural Ministry 1,5 70 90 1 20 120 300

DK Agricultural Ministry 0,4 - 1000 0,8 30 120 4000

D Biowaste Ordinance Type II 1,5 100 100 1 50 150 400

IRE Draft 1,5 100 100 1 50 150 350

LUX Environmental Ministry 1,5 100 100 1 50 150 400

NL Second Class ?Compost? 1 50 60 0,3 20 100 200

ES (Cata.) Class A (draft) 2 100 100 1 60 150 400

SWE Quality assurance organisation 1 100 100 1 50 100 300

UK TCA Quality Label 1,5 100 200 1 50 150 400

Fonte: www.compostnetwork.info/biowaste/index.htm



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Volume de composto que se pode aplicar em função da condutividade eléctrica (L m-2) (à superfície ou incorporado até 5 cm)

CE (dS m-1) Plantas sensíveis Plantas tolerantes0 – 1 Sem limite Sem limite1 – 2 < 15 > 602 – 4 < 8 < 324 – 8 < 4 < 168 – 12 < 2,5 < 10> 12 < 2 < 8 . Para incorporação mais profunda, podem-se duplicar as quantidades

Fonte:

http://www

.wrap.org.uk/downloads

/Review_

of_C

ompost_S

tandards.9c2

f928

3.pd

f

Estabilidade(resistência da matéria orgânica do composto à degradação)

Maturação(aptidão do composto para determinado uso)



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Estabilidade (resistência da matéria orgânica à degradação)

Maturação

(aptidão para determ

inado uso)

uso A

uso B

uso C…

Protótipo desenvolvido pelo Projecto LIFE 543



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Concentração média de alguns macronutrientes em compostos de RSU (adaptado de He et al., 2001)

(g kg-1)

País P K Ca Mg

USA 3.4 4.3 27.8 2.8

Alemanha 2.7 8.4 28.2 4.8

Espanha 6.0 7.0 75.0 5.0

França 2.6 2.5 40.0 3.0

Itália 2.7 0.7 - -

Holanda 3.3 2.7 21.4 3.5

Concentração média de alguns micronutrientes em compostos de RSU (adaptado de He et al., 2001)

(mg kg-1)

País Fe B Cu Mn Mo Zn

USA 16400 54.1 250 431 7.2 609

Alemanha - - 43.2 - - 211

Espanha 2200 3.0 200 500 - 700

França - 60.0 250 600 - 1000

Itália - - 422 - - 857

Holanda - 60.0 630 400 - 1650



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Mistura de estrume, palha e turfa1 s.a. % de redução Herbicida bromofenoxin 80 2,4-D 80 Insecticida lindano 80 diazinão 80 oxidemetão-metilo 100 paratião 80 Fungicida benomil 80 propinebe 80 Regulador de CCC 18 crescimento tylosin 100 Mistura de estrume de frangos e turfa2 Antibiótico Zn-Bacitracin 80

Fonte: 1Vogtmann et al., 1983 in Russo, 2003 2Vogtmann et al., 1978

Degradação de agro-químicos durante a compostagem

de:

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