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Compostagem - Mestrado em
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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
Termófilos 104 108 105 14
Fungos
Mesófilos 106 103 105 18
Termófilos 103 107 106 16
*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
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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
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•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)
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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
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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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Métodos de compostagem
Em pilhas
Em reactores ou digestores
Métodos de compostagem
Em pilhas amovíveis (com reviramento mecânico)
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Métodos de compostagem
Em pilhas amovíveis (com reviramento mecânico)
Preparação do material
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Preparação do material
Métodos de compostagem
Reviramento mecânico
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Métodos de compostagem
Reviramento mecânico
Métodos de compostagemReviramento mecânico
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Métodos de compostagemReviramento mecânico
Equipamento para revirar o composto
montado frontalmente
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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: