fundamentos da compostagem de resíduos sólidos

Universidade de Aveiro Departamento de Ambiente e Ordenamento 2001

Ana Paula Duarte Gomes

fundamentos da compostagem de resduos slidos


Ana Paula Duarte Gomes

fundamentos da compostagem de resduos slidos dissertao apresentada Universidade de Aveiro para cumprimento dos requisitos necessrios obteno do grau de Doutor em Cincias Aplicadas ao Ambiente, realizada sob a orientao cientfica do Dr. Fernando Jorge Malaquias Antunes Pereira, Professor Catedrtico do Departamento de Ambiente e Ordenamento da Universidade de Aveiro


o jri presidente

Prof. Dr. Marlia Duarte F. Thomaz professora catedrtica do Departamento de Fsica da Universidade de Aveiro Prof. Dr. Rui Manuel Baptista Ganho professor catedrtico da Faculdade de Cincias e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa Prof. Dr. Fernando Jorge Malaquias Antunes Pereira professor catedrtico (aposentado) do Departamento de Ambiente e Ordenamento da Universidade de Aveiro Prof. Dr. Maria Isabel Aparcio Paulo Fernandes Capela professora Associada do Departamento de Ambiente e Ordenamento da Universidade de Aveiro Prof. Dr. Domingas do Rosrio Verssimo Jacinto Tavares de Oliveira professora Associada da Universidade do MInho Prof. Dr. Lus Manuel Guerreiro Alves Arroja professor Auxiliar do Departamento de Ambiente e Ordenamento da Universidade de Aveiro Prof. Dr. Manuel Arlindo Amador de Matos professor Auxiliar do Departamento de Ambiente e Ordenamento da Universidade de Aveiro Prof. Dr. Lus Miguel Cortez Mesquita de Brito professor Coordenador do Instituto Politcnico de Viana do Castelo


resumo

Pode definir-se a compostagem como uma decomposio biolgica aerbia da matria orgnica, produzindo um material estvel, higienizado, e que benfico para os solos e para o crescimento vegetal. Os produtos de decomposio so CO2, H2O e material slido que passou pelo processo de humificao, assumindo a designao de composto. Por alguns considerado em parte uma cincia, mas principalmente uma arte (Ball, 1998), o processo de compostagem tem sido francamente estudado, mas s parcialmente compreendido. A investigao no domnio da compostagem tem-se orientado tanto para o estudo dos fenmenos a montante como a jusante do processo. Os estudos a jusante tm como objetivo caracterizar as propriedades fsico-qumicas e microbiolgicas do composto final obtido (razo C/N, pH, teor hmico, etc) tendo em vista a avaliao da sua eficincia como agente de fertilizao de solos, o que tem sido feito, por exemplo, com a realizao de ensaios de fitotoxicidade e de biodisponibilidade (tanto em vaso como de campo). Neste domnio de aplicao existe j uma bibliografia e experincia acumuladas bastante vastas. Se este orientao representa certamente o lado prtico da investigao, no menos certo que a compreenso dos fenmenos fsico-qumicos que esto na base da transformao dum substrato orgnico complexo num produto humificado estvel no menos importante. Daqui a relevncia dos estudos a montante. Existe j um nmero considervel de modelos matemticos para descrever o mecanismo da compostagem. Todos foram genericamente validados por dados experimentais. A sua complexidade matemtica e a exigncia do conhecimento de, literalmente algumas dezenas de parmetros fsico-qumicos e biolgicos (na maioria dos casos inacessveis determinao experimental em cada caso concreto de substrato e condies processuais), tornam a divulgao e aplicao destes modelos pouco prtica, pese embora a sua indiscutvel utilidade na compreenso mais profunda da fenomenologia da fermentao aerbia. Com o presente trabalho pretende-se acrescentar algo ao conhecimento acumulado, tendo como objetivo encontrar um modelo para o processo que, contabilizando os princpios bsicos da fsica, qumica e microbiologia, fosse de aplicao mais simplificada e prtica (nomeadamente em projeto de engenharia), e que pudesse ser validado por resultados. Na realizao experimental uilizaram-se dois tipos de substrato: um simples (fibra celulsica) e um complexo (arroz completo: mistura de

farinha, farelo e casca). Para alm de estes substratos terem uma composio invarivel, no caso do arroz trata-se dum substrato natural pois a utilizao de casca dispensa o uso de agentes de porosidade convencionais, j que a casca praticamente no biodegradvel e confere a porosidade necessria manuteno de condies aerbicas. A utilizao destes dois tipos de complexidade de substrato tinha em vista a obteno de informao relativa sequncia de diversos tipos de populaes microbiolgicas durante o processo (embora no tenha sido feita a sua caracterizao, mas apenas analisadas as formas das curvas de produo de CO2). Usou-se um reator descontnuo com controle automtico de temperatura de modo a ter sempre condies isotrmicas durante os ensaios; para isso cada reator dispunha de uma camisa externa onde circulava ora um fluido frio ora um quente, provenientes de dum banho de gua aquecido e dum criostato, respectivamente. Durante cada ensaio foi monitorizada a composio dos gases de sada por meio de cromatografia gasosa; a injeo da amostra e a sua anlise cromatogrfica eram automticas, controladas em tempo real por computador, usando software e hardware desenhados para o efeito. Para, alm disso, foram tiradas amostras do substrato do reator ao longo de cada ensaio para determinao das principais caractersticas fsico-qumicas. Os parmetros cuja variao foi estudada foram: temperatura (30 a 60C) e % de O2 nos gases de entrada (10 a 50% vol.). No mbito da modelizao do processo foram concebidos vrios modelos com o intuito de justificar os resultados experimentais obtidos. Destes modelos destacam-se trs: (1) modelo difusivo, (2) modelo cintico de agregao de parmetros e (3) modelo cintico de segregao de parmetros (por sua vez subdividido em dois submodelos: de penetrao total, e de penetrao parcial ou biofilme externo). O modelo difusivo pretendeu simular a situao em que a cintica do processo to rpida que a velocidade do processo global era limitada pela difuso na camada limite externa das partculas. No modelo cintico de agregao de parmetros foi simulada a situao em que o substrato slido era o reagente limitante, que a concentrao de oxignio no intervinha na cintica e que a reao tinha lugar simultaneamente em todos os pontos no interior das partculas (no se gerando, por conseguinte gradientes internos de concentrao) embora variando de intensidade ao longo do tempo. Finalmente no modelo cintico de segregao de parmetros foi simulada a situao contrria, em que o oxignio era o reagente limitante e que a velocidade do processo era dependente da sua concentrao intrapartcula; consideraram-se aqui duas situaes: numa delas o oxignio difunde-se, com penetrao total, no interior dos poros das partculas para reagir com o biofilme interno cobrindo os poros e na outra o oxignio difunde-se no interior dum biofilme criado na superfcie externa das partculas (penetrao parcial); em qualquer dos casos geram-se gradientes de concentrao significativos no interior das partculas e a modelizao do processo foi feita usando o conceito de fator de eficincia, por analogia com as reaes catalticas gs/slido, mas em que os locais ativos existem no biofilme reativo. A anlise dos resultados experimentais permitiu concluir que no caso da pasta, a temperatura tem um efeito fortemente inibidor do processo, comeando logo a cerca de 30C; no caso da mistura de farinha a temperatura tem um efeito benfico at cerca de 60C, a partir da qual parece comear a notar-se um efeito de inibio. No que respeita ao efeito da concentrao de oxignio, ele foi estudado apenas no caso da mistura, tendo-se constatado que a velocidade do processo no influenciada na gama de 10-50% (vol) de O2. Os resultados experimentais puderam ser interpretados com base no modelo de agregao de parmetros, em que a velocidade do processo global limitada pela concentrao de substrato slido, podendo ser simulada por um conjunto de reaes de pseudo-primeira ordem em

srie (hidrlise, seguida de oxidao microbiolgica), tendo-se determinado os respectivos parmetros cinticos e sua dependncia da temperatura. Este modelo permitiu concluir que a hidrlise era o passo mais lento, embora dificilmente pudesse ser considerada como limitante da velocidade global do processo. Esta observao est substancialmente de acordo com os resultados experimentais que no detectaram efeito significativo da concentrao de oxignio, e sugere que, para efeitos prticos, o aumento da velocidade do processo tem de conseguir-se no, como muitas vezes sucede, custa de inoculao de microorganismos tpicos da fermentao aerbia, mas sim da potenciao da hidrlise, por exemplo, por adio de enzimas hidrolticos (ou correspondentes microorganismos). A anlise dos restantes modelos revelou que a difuso nunca controlou a velocidade global do processo, e que o oxignio dificilmente poder ter sido o reagente limitante de modo a criar significativos gradientes de concentrao intrapartcula; ambos os casos esto de acordo com a observao


abstract

Composting can be defined as the aerobic microbiological decomposition of organic matter, to produce a stable, pasteurized product that is beneficial to soil and plants. The main products are CO2, H2O and a humified material (compost). For some considered in part as a science, but mainly as an art, composting has been thoroughly studied but only partially understood. Research in composting has been oriented towards the study of phenomena both upstream and downstream of the process. Downstream studies aim at characterizing the physico-chemical and microbiological properties of the final compost (C/N ratio, pH, humic content, etc) in view of its application as a soil conditioner and a fertilizer; this has been accomplished with phytotoxicity and bioavailability tests, and much empirical knowledge is already available. If this orientation represents the practical side of the research, the understanding of the basic phenomena that are at the heart of the organic matter transformation are none the less important. Hence the relevance of upstream studies. There are already a reasonable number of papers dealing with the mathematical modelling of composting, generally validated by experimentation. Due to their complexity, they need the knowledge of a great number of the system parameters, most of them not easily accessible to experimental determination, which makes their ready application difficult. The present work aims at developing a mathematical model of composting which, not overlooking the fundamental principles of physical and microbiological chemistry, can be easily applied in practice and be validated by experimental data. In the experimental set-up, two different substrates were used: a simple one (cellulosic fibre from paper pulp manufacturing) and a complex one (mixture containing rice flour and rice husks), the objective being the study of the relation between the chemical composition and the activity of different microbiological populations, as measured by the CO2 rate of formation (rather than by microorganism identification). Both substrates are readily available with constant composition, the rice mixture having the further advantage of dispensing with the common bulking agents, due to the presence of husks.

A battery of 4 batch, isothermal, temperature controlled, reactors were used to carry out the fermentation. A hot water bath and a cryostat provided the heat sink and sources for maintaining the isothermicity of the reaction. A computer controlled data acquisition system monitored the reaction temperature, the gas sampling and flow rates. Process gases (CO2, O2, N2, and CH4) were monitored semi-continuously in a gas chromatograph; solid samples were withdrawn from the reactor several times during a run for immediate analysis (moisture, volatile solids and ash), elementary analysis (C, H, N, O), pH, rH, and main compounds (cellulose, hemicellulose, lignin, starch, lipids, and proteins). Each run lasted for about 30 days. The variable parameters were: temperature (four levels: 30, 40, 50, and 60C) and inlet oxygen concentration (four levels: 10, 21, 30, and 50% volumetric). As far as the modelling is concerned, three types of mathematical models were developed: (1)Diffusion model, (2)Kinetic model (with parameter aggregation) and (3) Kinetic model (with parameter segregation, this in turn, with two sub-models: total particle penetration, and partial penetration or external biofilm). The diffusion model aimed at simulating the situation where the chemical reaction is so fast that oxygen diffusion in the particle external boundary layer became the controlling mechanism. In the kinetic model with parameter aggregation the substrate was considered the limiting reagent, that the oxygen concentration did not intervene in the process kinetics and that the reaction took place uniformly inside the particle (albeit in transient state), without any intraparticle concentration gradients. Finally in the kinetic model with parameter segregation the opposite situation was considered, whereby it was assumed that the oxygen was the limiting reagent and that its concentration affected the kinetics; here both zero order and first order were tested, and an unsteady state, intraparticle oxygen concentration was generated; in the total particle penetration sub-model, oxygen was considered to fully penetrating the particle pores, which were covered by a thin inner biofilm, whereas in the partial penetration sub-model, the biofilm just covered the external particle surface area; this model/submodels was conceived making use of the analogy with gas-solid catalytic reactions theory, the active sites being dispersed in the biofilm mass or in the solid-liquid interface. The experimental results show that the temperature has an accelerating effect on the reaction rate, in the case of the rice mixture (although there seemed to exist a temperature inhibition above about 60C), whereas in the case of cellulose fibre a strong temperature inhibition was observed above 30C. On the other hand the gas phase oxygen concentration did not affect the reaction rate in the range of 10-50% volume O2. The results of the rice mixture fermentation could be explained in terms of the parameter aggregation model, assuming a set of pseudo-first order reactions in series, where a hydrolysis step is followed by a biochemical oxidative step with formation of compost, biomass and biological gases (CO2, O2). The corresponding kinetic parameters, and their temperature dependence were determined. These parameters indicated that the hydrolysis step is always the slowest one, although not entirely overall rate determining. This is in substantial agreement with the observed non-dependency of the overall rate on the oxygen concentration, and suggests that rather than using mesophilic and thermophilic bacteria and fungi for seeding or accelerating the process, adequate hydrolytic enzymes (or related microorganisms) should be added, instead. The remaining models showed that the external oxygen diffusion did not control the process, and that the same oxygen could have not been the limiting reagent so that significant intraparticle concentration gradients should develop, which again is in agreement with the observed non-dependence on the O2 concentration.

NDICE Pg.: INTRODUO

1

CAPTULO 1 FUNDAMENTOS DO PROCESSO DE COMPOSTAGEM 61.1 MICROBIOLOGIA DO PROCESSO 61.2 BIOQUMICA DO PROCESSO 71.3 PARMETROS DE CONTROLE DA COMPOSTAGEM 141.3.1 AMBIENTE BIOLGICO 141.3.2 AMBIENTE QUMICO 171.3.3 AMBIENTE FSICO 201.4 HUMIFICAO E PERCURSORES DAS SUBSTNCIAS HMICAS 321.5 PARMETROS DE ESTABILIZAO E MATURAO

34

CAPTULO 2 DESENVOLVIMENTO DO SUPORTE TERICO MODELIZAO (CINTICA E DIFUSO)

39

2.1 PESQUISA BIBLIOGRFIA 392.2 MODELIZAO DOS PROCESSOS ELEMENTARES DA COMPOSTAGEM (CINTICA, DIFUSO)

51

2.2.1 DIFUSO GASOSA (EXTERNA) 512.2.2 PARTCULA REACTIVA 532.2.3 REACTOR

66

CAPTULO 3 MODELO DIFUSIVO 783.1 REACTOR AXIAL 793.1.1 SOLUES APROXIMADAS PARA O PERFIL DE CONCENTRAO DE OXIGNIO 813.1.2 UTILIZAO DO MODELO DIFUSIVO NA PREVISO DA EVOLUO DO PROCESSO 823.1.3 PREVISO DO REGIME DIFUSIVO A PARTIR DE GRANDEZAS OBSERVVEIS 853.2 REACTOR RADIAL

89

CAPTULO 4 MODELO CINTICO DE DISTRIBUIO DE PARMETROS: I PENETRAO TOTAL

91

4.1 CINTICA DE ORDEM ZERO 924.1.1 DETERMINAO DO PERFIL DE CONCENTRAO DO O2 (INTRAPARTCULA) 934.1.2 UTILIZAO DE UMA OBSERVVEL DO SISTEMA 954.1.3 TESTES AO MODELO DE PENETRAO COMPLETA 964.1.4 EQUAO DA CONTINUIDADE DO REACTOR AXIAL: CLCULO DA CONSTANTE k2 1004.2 CINTICA DE ORDEM UNITRIA 1054.2.1 DETERMINAO DO PERFIL DE CONCENTRAO DO O2 (INTRAPARTCULA) 1054.2.2 EQUAO DA CONTINUIDADE DO REACTOR AXIAL: CLCULO DA CONSTANTE k1

107

CAPTULO 5 MODELO CINTICO DE DISTRIBUIO DE PARMETROS: II PENETRAO PARCIAL (BIOFILME EXTERNO)

112

5.1 CINTICA DE ORDEM ZERO 1125.1.1 PERFIL DE CONCENTRAO DE O2 (NO BIOFILME EXTERNO) 1125.1.2 ESTIMATIVA DA ESPESSURA DO BIOFILME 1155.2 CINTICA DE ORDEM UNITRIA 1195.2.1 DEFINIES DE VELOCIDADE DE REACO 1195.2.2 PERFIL DE CONCENTRAO DE O2 (NO BIOFILME EXTERNO) 1215.2.3 EQUAO DO REACTOR AXIAL

125

CAPTULO 6 MODELO CINTICO DE AGREGAO DE PARMETROS 127

6.1 CINTICA DO TIPO k mn 1276.2 CINTICA DO TIPO k C /(k+ C) 1296.3 CINTICA DO TIPO SEQUENCIAL (ARS) 1316.3.1 DEFINIES DE CONVERSO DE SLIDOS VOLTEIS E BIODEGRADABILIDADE 1316.3.2 CINTICA DO PROCESSO 1366.4 - CINTICA DO TIPO PARALELO (AC, BC)

143

CAPTULO 7 SNTESE DOS MODELOS PROPOSTOS

146

CAPTULO 8 ENSAIOS LABORATORIAIS DE COMPOSTAGEM 1478.1 OBJECTIVOS 1478.2 INSTALAO LABORATORIAL 1488.2.1 INTRODUO 1488.2.2 INSTALAO E SUA OPERAO 1498.3 SUBSTRATO ORGNICO 1558.4 CONTROLE DO PROCESSO 1578.4.1 ANLISE DA FASE GASOSA 1578.4.2 ANLISE DA FASE SLIDA 1588.5 TCNICAS EXPERIMENTAIS 1598.5.1 ANLISE DA FASE GASOSA 1598.5.2 ANLISE DA FASE SLIDA 1598.6 PLANO EXPERIMENTAL E CONDIES OPERACIONAIS

162

CAPTULO 9 RESULTADOS EXPERIMENTAIS E SUA ANLISE 1659.1 RESULTADOS PRELIMINARES 1689.2 RESULTADOS FINAIS 1749.2.1 EFEITOS DA TEMPERATURA E NATUREZA DO SUBSTRATO 1749.2.2 EFEITO DA CONCENTRAO DE O2 NO AREJAMENTO (CASO DA MISTURA) 1839.2.3 DISCUSSO E CONCLUSES

191

CAPTULO 10 APLICAO DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS NA MODELIZAO DO PROCESSO

202

10.1 MODELO DIFUSIVO 20210.1.1 INFLUNCIA DO TIPO DE ESCOAMENTO NA APLICAO DO MODELO DIFUSIVO 20410.2 MODELO CINTICO DE DISTRIBUIO DE PARMETROS:I PENETRAO TOTAL 20610.2.1 CINTICA DE ORDEM ZERO 20610.2.2 CINTICA DE ORDEM UNITRIA 20810.3 MODELO CINTICO DE DISTRIBUIO DE PARMETROS:II PENETRAO PARCIAL (BIOFILME EXTERNO)

209

10.3.1 CINTICA DE ORDEM ZERO 20910.3.2 CINTICA DE ORDEM UNITRIA 21010.4 MODELO CINTICO DE AGREGAO DE PARMETROS CINTICA DO TIPO SEQUENCIAL (ARS)

211

10.5 CONCLUSES

219

CAPTULO 11 CONCLUSES

220

BIBLIOGRAFIA

222

NOMENCLATURA E SIMBOLOGIA

230

ANEXO A - CONDIES FRONTEIRA DE DANCKWERTS (REACTORES AXIAL E RADIAL)

ANEXO B - CLCULO DOS COEFICIENTES DE TRANSFERNCIA DE MASSA (KG) DO FILME: CORRELAES EMPRICAS ANEXO C - SOLUES APROXIMADAS DO PERFIL DE CONCENTRAO DE OXIGNIO ANEXO D - VARIAO DOS PARMETROS AO LONGO DO PROCESSO DE COMPOSTAGEM ANEXO E - RELAES GEOMTRICAS ENTRE DIMETRO E VOLUME DE ESFERAS ANEXO F - PROPRIEDADES FSICAS MAIS RELEVANTES ANEXO G - INFLUNCIA DA TEMPERATURA NAS PROPRIEDADES FSICAS E DE

TRANSPORTE ANEXO H - HIDRODINMICA DO ESCOAMENTO RADIAL EM SIMETRIA CILNDRICA: PERFIL

DE VELOCIDADES ANEXO I - SOLUES APROXIMADAS DA EQUAO DO BALANO MSSICO DO

REACTOR ANEXO J - SIGNIFICADO E CLCULO DE ND (N DE DISPERSO) ANEXO L - FACTOR DE EFICINCIA PARA CINTICA DE ORDEM UNITRIA EM PARTCULA

ESFRICA COM PENETRAO TOTAL ANEXO M - FACTOR DE EFICINCIA PARA CINTICA DE ORDEM UNITRIA EM BIOFILME

COM SIMETRIA ESFRICA ANEXO N - RELAO ENTRE GRAU DE CONVERSO E BIODEGRADABILIDADE DE

SLIDOS VOLTEIS ANEXO O - RESULTADOS EXPERIMENTAIS PRELIMINARES ANEXO P - RESULTADOS EXPERIMENTAIS FINAIS ANEXO Q BALANO MSSICO DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS ANEXO R - DETERMINAO EXPERIMENTAL DO COEFICIENTE DE DISPERSO DO

OXIGNIO

INTRODUO

1

INTRODUO

Compostagem pode ser definido como decomposio biolgica aerbia da matria

orgnica, produzindo um material estvel, higienizado, que benfico para os solos e no

crescimento das plantas. Os produtos da decomposio so, dixido de carbono, gua e

material slido que passou pelo processo de humificao, assumindo a designao de

composto. Por alguns considerado em parte um cincia, mas principalmente uma arte

(Ball, 1998), o processo de compostagem tem sido francamente estudado, mas s

parcialmente compreendido.

Os organismos envolvidos no processo so abundantes tanto no ar como no solo, por isso

uma decomposio deste tipo ocorre sem a interveno humana. A chave do sucesso da

compostagem est no cuidadoso controle, desde o princpio (comeando na qualidade da

matria orgnica inicial) at ao fim, no deixando que simplesmente a natureza faa o seu

papel. Isto, porque, quando se trata de implementar a compostagem como processo

tecnolgico de tratamento de resduos slidos municipais, as falhas no adequado controle

do processo podem resultar em numerosos problemas ambientais e sociais, que podem

implicar reduo da qualidade do composto e a sua menor aceitao no mercado, como at

o encerramento da unidade de tratamento. Neste sentido, devem ser minimizadas as

emisses para o ambiente circundante, particularmente para o ar e gua. As emisses para

o ar so principalmente dixido de carbono e gua, contudo podem existir compostos

orgnicos volteis (COVs) e amnia. Muitos dos COVs possuem um mau odor o que pode

resultar num problema pblico, que muitas vezes tem mais impacto do que um problema

ambiental, condicionando toda uma estratgia de gesto.

No mbito da gesto de resduos slidos municipais, a compostagem nunca pode ser

encarada como uma soluo de destino final, por si s completa, uma vez que os

resduos municipais contm uma fraco inerte que cerca de 55% (nos pases

desenvolvidos). No entanto, a compostagem oferece um certo nmero de contributos

atractivos, na estratgia de gesto de resduos slidos municipais nomeadamente:

uma tecnologia de tratamento aceite pelo pblico;

implica uma reduo significativa na emisso de gases com potencial efeito de

aquecimento global (GWP);

a produo de composto tem aplicao a trs nveis, como condicionador de solos

fazendo face eroso, como fonte de matria orgnica na agricultura

INTRODUO

2

enriquecendo os solos em hmus e nutrientes, como meio de cultura na

horticultura;

constitui um mtodo de contribuir para a reciclagem de resduos de embalagem;

permite uma reduo de volume e massa de 70% e 50% respectivamente,

reduzindo fortemente a quantidade de poluentes que vulgarmente vo para o

aterro sanitrio, facilitando a operao destes, pois diminui a toxicidade dos

lixiviados. (Hindle, 1997.)

A compostagem da fraco de resduos municipais provenientes de uma colecta

diferenciada dos resduos slidos orgnicos, um sistema de reciclagem ecolgico e

econmico, que, quando associado a outras formas de reprocessamento, pode elevar

as taxas de reciclagem a perto de 90% (Manser, 1996). Assim, uma maior utilizao da

compostagem na gesto de resduos municipais, ir ao encontro da Directiva comunitria

(1994/62/CE) sobre embalagens e resduos de embalagens, que define a compostagem

como uma forma de reciclagem, bem como da Directiva comunitria (1999/31/CE), que

obriga a uma reduo na quantidade de resduos urbanos biodegradveis destinados a

aterro sanitrio. Essa reduo dever atingir 35% da massa de resduos urbanos

biodegradveis produzidos em 1995, no prazo de 15 anos, depois da Directiva entrar em

vigor.

Deste modo, a compostagem inicialmente encarada como uma tecnologia de produo

de composto cada vez mais utilizada como tecnologia de tratamento ou de pr-

tratamento.

Do ponto de vista cientfico, vrias dcadas que o fenmeno tem vindo a ser abordado.

Um dos trabalhos mais antigos data de 1939, Waksman e Condon, em que os autores

estudaram alguns parmetros controladores do processo e sobre os quais ainda hoje

existe alguma controvrsia, como por exemplo, a temperatura, e o tipo de populaes.

medida que os estudos foram avanando novos factores tm vindo a ser tomados em

conta.

A matriz do material em compostagem pode ser considerada como uma malha de

partculas slidas que contem interstcios de vrios tamanhos, os quais conferem ao

slido uma dada porosidade. Os espaos entre as partculas (poros) esto cheios com

ar, gua ou uma mistura de ar e gua. Dependendo da porosidade e humidade alguns

INTRODUO

3

destes poros permanecem vazios (porosidade livre (Haug, 1980)) permitindo a circulao

de ar. Na compostagem acelerada a actividade microbiolgica controlada pelo

fornecimento de oxignio conseguido atravs de arejamento forado do substrato em

compostagem. No entanto, atravs de fenmenos de difuso que o oxignio chega aos

microorganismos, permitindo o seu desenvolvimento.

As reaces microbiolgicas ocorrem na fase lquida que se encontra distribuda pelos

macroporos e microporos do substrato. Se por um lado, a concentrao de oxignio

residual que se deve manter nos gases de exausto, e que representativa da

concentrao nos macroporos, suficiente para assegurar a difuso do oxignio atravs

dos microporos (Finstein, 1986); por outro lado, o oxignio necessita difundir-se na fase

lquida dos microporos para chegar at aos microorganismos. Como o coeficiente de

difuso do oxignio na gua dez vezes inferior ao que ocorre no ar, e, considerando as

possveis elevadas taxas de consumo de oxignio, no difcil pensar que este se possa

tornar um factor limitante do processo.

A compostagem envolve portanto um fenmeno de difuso seguido de reaco. A

contribuio relativa dos dois termos para a velocidade global do processo no est

perfeitamente esclarecida. De facto, todos os dados da literatura assumem partida que

os valores medidos para as velocidades do processo so representativos da velocidade

de reaco biolgica e que portanto esta o passo controlador ou determinante. Contudo

no h uma evidncia conclusiva.

A primeira referncia difuso foi apresentada por Haug, 1980, mas no foi estabelecida

nenhuma relao quantitativa. Posteriormente surgiram outros trabalhos de carcter

quantitativo, referindo explicitamente medio de velocidades de difuso em matrizes de

compostagem (Nakasaki et al, 1987), mas torna-se necessrio obter mais informaes

antes de tirar concluses definitivas.

No contexto da influncia da concentrao de oxignio pe-se a seguinte questo : (i)

baixas concentraes de oxignio impem um limite inferior para a velocidade do

processo, como tem sido provado experimentalmente, (ii) ento a velocidade do processo

aumenta com o aumento do oxignio disponvel; desconhece-se contudo se haver um

tecto para a concentrao de oxignio a partir da qual os microorganismos no sejam j

capazes de o assimilar, ou seja, eles atinjam uma "saturao". Se assim for, ser de

INTRODUO

4

esperar a existncia de um "plateau" na gama de oxignio que optimiza a velocidade do

processo. De facto, embora de maneira no completamente concludente, j foram citados

resultados (Suler et al, 1977 e Nakasaki et al 1990 e 1992).

Embora seja pouco provvel, do ponto de vista da prtica industrial, a utilizao futura de

atmosferas enriquecidas em oxignio como estratgia para melhorar a velocidade do

processo, prev-se, no entanto, que os resultados de estudos naquelas condies

possam conduzir a concluses importantes, no s do ponto de vista de estudo

fundamental (cintica do processo) como para a compreenso do sucesso de certas

tecnologias hoje muito vulgarizadas que usam o controlo retroactivo da temperatura e da

concentrao do oxignio para optimizar a operao de compostagem (Finstein et al

1983).

Durante a fase termfila da compostagem pode ocorrer um excesso de produo de calor

que se no for removido faz com que sejam atingidas temperaturas causadoras da

autoinibio do sistema. Assim a temperatura um parmetro crtico pois pequenas

variaes podem afectar dramaticamente a actividade biolgica e a biomassa.

Continua a existir alguma controvrsia quanto s condies trmicas que optimizam a

compostagem, o que natural, pois diferentes materiais orgnicos revelam diferentes

susceptibilidades ao ataque biolgico, sendo assim mais ou menos propensos gerao

de calor (Finstein, 1986).

O efeito da temperatura importante pois ele condiciona em grande medida estes dois

aspectos prticos: (i) a diminuio de risco de impacte ambiental por utilizao de

temperaturas elevadas para desinfeco do composto (isto vai contra a economia do

processo por retardar a sua velocidade por aco da inibio trmica), (ii) o aumento da

velocidade de arejamento para baixar a temperatura (isto traduz-se em certos custos em

termos energticos).

A variabilidade dos resultados da literatura relativamente temperatura reflecte-se na

indicao de diferentes "plateaus" de temperatura pelos diversos autores. Assim, foram

referidas as gamas de 55 - 63C (Wiley, 1957), 56 - 60C (Suler et al, 1977), 40 - 60C

(Kuter et al, 1985); por outro lado foram citadas temperaturas mximas possveis de

INTRODUO

5

atingir de 50C (Gomes et al, 1992), 60C (Nakasaki et al, 1985.d)), e 70C (Schulze,

1962).

Finalmente a comparao dos efeitos conjugados de oxignio, temperatura, humidade e

pH, sobre a velocidade do processo com base nos resultados de diferentes autores

mostra discrepncias significativas a que no sero estranhas as diferentes

configuraes e condies operacionais dos reactores usados, assim como a natureza

do substrato poder constituir uma razo importante para essas diferenas encontradas.

O trabalho que se apresenta tem como fora motriz a controvrsia gerada pelos assuntos

expostos. A sua base de sustentao reside numa montagem experimental escala

laboratorial cujo projecto de operao foi orientado para satisfazer as condies

necessrias ao esclarecimento das questes em aberto no mbito da compostagem.

Para ser possvel debater a questo do efeito da temperatura no desempenho do

processo as experincias foram realizadas em condies isotrmicas variveis. Ao

mesmo tempo procurou-se respeitar o conhecimento estabelecido sobre determinados

parmetros, como seja a humidade, o pH, a granulometria, a porosidade.

Atendendo a que o desenrolar da compostagem poder estar relacionado com as

caractersticas da matria orgnica, processaram-se dois substratos de caractersticas

orgnicas diferentes, para averiguar at que ponto a prpria matria orgnica controla o

modo com a compostagem se desenrola.

Na busca de optimizao da reaco de oxidao microbiolgica, experimentou-se

enriquecer a atmosfera reaccional com oxignio e trabalhar os resultados obtidos no

sentido de distinguir a contribuio relativa dos fenmenos reaccional e fsico sobre a

velocidade global do processo.

A interpretao dos resultados ao nvel dos fenmenos fundamentais no foi possvel

sem o tratamento matemtico de modelizao do processo, realizado na fase final do

trabalho sobre os resultados obtidos nas experincias de compostagem.

FUNDAMENTOS DO PROCESSO DE COMPOSTAGEM

6

1 FUNDAMENTOS DO PROCESSO DE COMPOSTAGEM

1.1 MICROBIOLOGIA DO PROCESSO

Os microorganismos com interesse tecnolgico fazem parte do reino dos protistas, do qual

se salienta: os vrus (seres acelulares); as bactrias (seres procariotas, ou seja,

unicelulares) e os fungos (seres eucariotas, ou seja, multicelulares).

Vrus Constituem os sistemas biolgicos mais pequenos. S se reproduzem na clula hospedeira

e diferem dos microorganismos unicelulares na sua organizao interna, composio

qumica e caractersticas de crescimento. Os vrus podem afectar os animais, as plantas e

todos os microorganismos, os procariotas e os eucariotas, tendo diferentes designaes

consoante o seu hospedeiro. Nos eucariotas os virus atacam os protozorios, as algas e os

fungos, tanto os microfungos como os bolores.

Bactrias - diviso Bacteriophyta So microorganismos unicelulares de tamanho muito pequeno, desde os 500 nm aos 2000

nm. Estas dimenses conferem-lhes uma elevada razo rea/volume, o que permite uma

rpida transferncia de substncias solveis para a clula e elevadas taxas de actividade

metablica. As clulas podem ter diferentes formas morfolgicas e estarem isoladas ou em

grupo. So constitudas por um protoplasma rodeado por uma parede celular e um

citoplasma rodeado por uma membrana citoplasmtica, contendo vacolos, material

granular e nuclear. Reproduzem-se principalmente por diviso binria e algumas bactrias

so capazes de produzir formas esporuladas, que so mais resistentes ao calor, radiao e

desinfeco qumica. Os dois grandes grupos de bactrias designam-se por Gran positivas

e Gran negativas, distinguindo-se pelos componentes da parede celular.

O grupo dos Actinomycetos, subgrupo Actinomycetales so bactrias com tendncia

formao de filamentos ramificados e miclio, multiplicando-se por esporos. Nestas

caractersticas, esto relacionados com os fungos, mas a organizao procariota das

clulas, a composio qumica da parede celular e a sua susceptibilidade aos vrus,

colocam-nos definitivamente na classificao das bactrias. Algumas espcies tm flagelos,

algumas so autotrficas e estritamente anaerbias. So resistentes aos antibiticos


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antifungos. Os esporos diferem dos endoesporos das bactrias na sua gnese e pela fraca

resistncia a altas temperaturas. O aparecimento de colnias superficiais reduzido. Os

actinomicetos so principalmente Gran positivos. Esto largamente distribudos na natureza

habitando o solo e participando na degradao da matria orgnica. Este grupo de bactrias

tem um grande interesse industrial na produo de antibiticos, vitaminas e na

transformao dos cidos orgnicos. Esto divididos nas seguintes famlias: Actinomyce-

taceae, Mycobacteriaceae, Frankiaceae, Actinoplanaceae, Dermatophilaceae,

Nocardiaceae, Streptomycetaceae, Micromonosporaceae.

Fungos - diviso Mycota Em contraste com as plantas verdes, os fungos so incapazes de assimilar CO2 como fonte

de carbono. Depois das bactrias os microfungos so os organismos mais importantes em

biotecnologia e a micetologia constitui um grande campo de estudo, tendo j sido descritas

90000 espcies de fungos. Eles possuem um ncleo bem diferenciado e geralmente

reproduzem-se sexuadamente ou assexuadamente , com a formao de esporos. Durante a

fase vegetativa dos fungos filamentosos, os filamentos tm 10 a 50 m de dimetro, tornando-se muito maiores que as bactrias. As classes mais importantes so:

Ascomycetos, a maior classe - 30% de todos os fungos; Basidiomycetos, o maior grupo -

30% dos microfungos usados na fermentao industrial; Deuteromycetos - fungos

imperfeitos (Kratochvlov, 1981).

Os fungos e as bactrias servem-se de substratos semelhantes, fazendo com que os dois

grupos sejam competitivos. Ambos conseguem usar substratos slidos produzindo enzimas

extracelulares hidrolisantes. Contudo, os fungos so menos afectados pelo teor em

humidade do meio, podendo mesmo crescer em substratos secos absorvendo a humidade

da atmosfera. Conseguem suportar uma larga gama de pH e geralmente tm uma menor

necessidade de azoto do que as bactrias (Haug, 1980).


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1.2 BIOQUMICA DO PROCESSO

O material compostvel tem origem em tecidos outrora vivos, de plantas ou animais e

durante o processo estes materiais so utilizados como nutrientes para os

microorganismos. Os principais componentes da matria orgnica animal e vegetal

encontram-se na Tabela 1.1.

Tabela 1.1 Matria orgnica animal e vegetal

Matria Vegetal

Matria animal

Celulose Hemicelulose Lenhina Lpidos Protenas cidos nucleicos Amido

Lpidos Protenas cidos nucleicos Amido

As protenas so polmeros de aminocidos, ligados entre si por ligaes peptdicas, em

cadeia no ramificada. A sua frmula geral NH2CHRCOOH, e a massa varia entre dez

mil e alguns milhes de unidades de massa molecular. As protenas podem sofrer

desnaturao (quebra das pontes de hidrognio) em situaes de valores de pH

extremos e/ou temperaturas elevadas (acima de 45C) (Belitz, 1986).

A presena de azoto nas protenas geralmente usada como base de estimativa do teor

de protena num substrato orgnico. Existem vrios mtodos para estimar o teor de

protena e a sua escolha depende do grau de rigor e de preciso requeridos bem como

dos meios disponveis.

Os lpidos constituem um grupo heterogneo de substncias com uma propriedade

comum, a insolubilidade em gua e a solubilidade em solventes no polares. Podem ser

divididos em lpidos simples, lpidos compostos e em derivados de lpidos. Dos lpidos

simples fazem parte os leos e gorduras que so steres de cidos gordos e glicerol

(tambm designados por glicerdeos) e as ceras que so steres de cidos gordos e de

lcoois lineares, com elevado peso molecular. Os lpidos compostos incluem fosfolpidos

(steres de cidos gordos e do cido fosfrico e de compostos azotados) e sulfolpidos

(estruturas pouco conhecidas que contm enxofre). Nos derivados de lpidos (produtos

de hidrlise) podemos encontrar cidos gordos, lcoois como o glicerol, esteris,

hidrocarbonetos, vitaminas pigmentos e compostos azotados.


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A estimativa das gorduras envolve no a estimativa do verdadeiro teor de gorduras mas

sim do teor em lpidos, isto , dos compostos solveis em solventes orgnicos no-

polares, tais como: ter de petrleo ou ter dietlico. Existe uma vasta gama de mtodos

para estimativa de gorduras nos alimentos, sendo um dos mais generalizados a

extraco de Soxhlet. Este utilizado para variadas aplicaes, apresentando grande

rigor e reprodutibilidade e para o qual tem sido desenvolvido equipamento especializado.

Na natureza existem pequenas quantidades de monossacardeos (glucose, frutose,

galactose e ribose), quantidades substanciais de dissacardeos (sacarose, lactose e

maltose), tambm pequenas quantidades de oligossacardeos (como dextrinas) que

provm da degradao parcial de polissacardeos e em grandes quantidades encontram-

se os polissacardeos como o amido, o glicognio, a celulose, a hemicelulose e ainda

pectina e agar.

Os hidratos de carbono podem ser classificados em vrias categorias, baseadas em

parte na sua natureza qumica e em parte na sua utilizao pelos seres vivos, no

entanto, o modo como essa classificao faz mais sentido com base nos mtodos

analticos escolhidos para estimar as vrias fraces presentes nos compostos

orgnicos. Assim, sob o ponto de vista nutricional, pode identificar-se duas grandes

classes: hidratos de carbono disponneis e hidratos de carbono no disponveis;

consoante so ou no so, respectivamente, susceptveis de serem atacados pelas

endo-enzimas do aparelho digestivo superior dos humanos. O amido, por exemplo um

polmero degradado enzimaticamente atravs da quebra das ligaes (I4) e

consequente formao de maltose. Os hidratos de carbono no disponveis (ou fibra)

geralmente contm ligaes (14) que as endo-enzimas do aparelho digestivo no conseguem quebrar.

No processo de compostagem os microrganismos degradam as macromolculas em

monmoros que depois podem ser incorporados na biomassa microbiolgica, segundo o

esquema apresentado na Tabela 1.2.

Na maioria das situaes, cerca de 80% do material inicial constitudo por celulose,

hemicelulose e lenhina, na proporo tpica em que se encontra na matria vegetal. Estima-

se que a fixao do dixido de carbono atravs da fotossntese produz anualmente 150109

ton de biomassa seca. Quase metade deste material celulose (28-50%) e os outros


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componentes maioritrios so as hemiceluloses (20-30%) e a lenhina (18-30%). Outros

hidratos de carbono importantes mas minoritrios na biomassa so o amido, a quitina e a

pectina. (Martin, 1961).

Assim se compreende o especial interesse por estes polmeros e o seu comportamento na

natureza.

Tabela 1.2 Degradao da matria orgnica

Amnia

Nitrato

Protenas

Aminocidos

Protena celular

Lpidos

cidos gordos

Lpidos celulares e produo de energia

cidos nucleicos

Nucleotidos e bases

cidos nucleicos celulares

Amido

Acares simples

Polissacardeos celulares e produo de energia

Celulose hemicelulose

Acares (monomros e dmeros)

Polissacardeos celulares e produo de energia

Substncias hmicas Lenhina

Derivados de fenol

Polifenis

Quinonas

Amido Encontra-se em grande abundncia nos nos tecidos das plantas (tubrculos e cereais) e

ocorre na forma de grnulos cuja forma e tamanho so uma caracterstica de cada

planta, determinada pela proporo dos constituintes amilase e amilopectina, que so

dois polmeros de D-glucose unidos por ligaes (I4). A amilase um polmero linear

que consiste em longas cadeias (500 a 2000 unidades de glucose), enquanto que a

amilopectina um polmero ramificado com algumas centenas de curtos ramos (25

unidades de glucose cada). a proporo relativa destes constituintes que determina a

viscosidade e o poder de gelatinizao do amido. A hidrlise completa do amido, qumica

ou enzimtica, produz smente unidades de glucose.

Os grnulos de amido no danificados so insolveis em gua fria devido fora das

pontes de hidrognio que ligam as cadeias, medida que a temperatura aumenta ocorre


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a quebra das pontes de hidrognio entre a amilose e a amilopectina. O intervalo de

temperatura em que ocorre este fenmeno denomina-se intervalo de temperatura de

gelatinizao e est compreendido entre 55 e 70C. A dissoluo completa ocorre para

uma temperatura de 120C. (Martin,1961)

Celulose A celulose o constituinte carbonceo predominante das plantas superiores e

provavelmente o componente orgnico mais abundante na natureza e o maioritrio dos

recursos renovveis disponveis na Terra. A celulose tambm o principal componente

estrutural em todas as clulas das plantas desde as algas s rvores. Estima-se que a

quantidade de celulose formada na biosfera de 1011 ton/ano. Cada molcula de celulose

uma longa cadeia no ramificada de subunidades de glucose-D e com um peso molecular

que vai dos 50 mil ao milho de u.m.a.. Neste homopolmero as unidades de D-glucose

ligam-se entre si por ligaes (14), que conduz a uma estrutura ordenada em fita, mantida por ligaes de hidrognio intra e intermoleculares que conferem estabilidade e a

caracterstica insolubilidade e fora das microfibras da celulose (Bailey 1977).

A celulose no ocorre pura na natureza, est sempre associada com vrios

polisacardeos, tais como o amido, a pectina, a lenhina e uma variedade de

hemiceluloses, bem como a outras substncias. Esta mesma interaco ocorre nos

processos de degradao dos diferentes constituintes da biomassa o que torna a

degradao microbiolgica da celulose um processo complexo. Na natureza, a

degradao da celulose quase exclusiva dos processos microbiolgicos e so

abundantes os microorganismos que a degradam, distribuindo-se pelos grupos de

bactrias e fungos, aerbios e anaerbios, incluindo os que conseguem sobreviver em

condies extremas de temperatura e pH.

Aparentemente, a degradao microbiolgica da celulose ocorre com eficincia, pois

muito pouca celulose ou produtos resultantes da sua hidrlise se acumulam na natureza.

O processo inicializado por microorganismos celulolticos, considerados

microorganismos primrios (fungos ou bactrias). Os produtos iniciais da degradao

so a celobiose e a glucose. Estes acares so utilizados pelos microorganismos

primrios, por um lado, para a constituio de material celular, por outro lado, no

metabolismo para produo de energia e para o crescimento celular e manuteno. Num

ambiente natural, os microorganismos primrios aparecem associados a uma populao


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de microorganismos muito diversa, incapaz de hidrolisar a celulose mas que usa a

celobiose, a glucose e outros acares livres, como fonte de energia. Esta populao que

depende dos microorganismos primrios para o fornecimento de acares livres,

formada pelos microorganismos secundrios. Embora os microorganismos secundrios

dependam dos microorganismos primrios, eles tambm os ajudam removendo os

acares livres que normalmente so inibidores (principalmente a celobiose) da

degradao da celulose. Assim, esta simbiose promove a degradao da celulose.

(Ljungdahl, 1985)

Hemicelulose Conjunto de polissacardeos de relativo baixo peso molecular e consequente maior

solubilidade.

Os polissacardeos denominados hemiceluloses so os segundos maiores constituintes

estruturais das plantas, logo a seguir celulose e englobam todos os polissacardeos

que fazem parte das paredes celulares das plantas superiores com excpo da celulose

e da pectina. Estes polmeros so constitudos por acares simples ou cidos urnicos

ligados entre si e formando uma grande molcula. Dividem-se em duas categorias:

- homoglicanos - geralmente no so maioritrios, contm um s tipo de

monossacardeo, tipicamente unidades de xilose, manose ou galactose, dando origem a

xilano, manano ou galactano;

- heteroglicanos - geralmente mais abundantes, so formados por mais que um tipo de

monossacardeo ou cido urnico coexistindo numa s molcula.

A estrutura destes polmeros geralmente complexa, contendo 50 a 200 unidades de

acar numa cadeia ramificada e ordenada formada por: pentoses (xilose e arabinose),

hexoses (manose, glucose e galactose) e cidos urnicos (cido glucurnico e cido

galacturnico).

A decomposio da hemicelulose dum resduo vegetal no solo ocorre rapidamente

durante uma fase inicial mas depois torna-se mais lenta. Povavelmente este facto

resultado da heterogeneidade da hemicelulose, no entanto pode tambm atribuir-se

prpria sintese de polissacardeos por parte dos microorganismos e que reflete uma

degradao aparentemente mais lenta.


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Quando as hemiceluloses so degradadas o carbono convertido em CO2 e clulas

microbiolgias, mas ao mesmo tempo os microorganismos sintetizam novos

polissacardeos contendo glucose e manose. Por outro lado estes novos polissacardeos

tambm esto sujeitos a ataque biolgico e so convertidos noutros constituintes

celulares, bem como em complexos aromticos constituintes do humus.

A degradao das hemiceluloses favorecida pelo aumento de temperatura (dos 30 aos

60C), bem como pela presena de oxignio e de nutrientes inorgnicos, principalmente

azoto. Vrios fungos bactrias e actinomicetos conseguem decompor hemiceluloses em

cultura pura, usando-as como nica fonte de carbono e energia. (Martin, 1961)

Lenhina A lenhina um polimero que se encontra nas plantas superiores fazendo parte da parede

celular. Est intimamente intercalada com a hemicelulose formando uma matriz que

contorna as ordenadas microfibras das celulose. A lenhina o composto aromtico mais

abundante na natureza e est entre os mais recalcitrantes produtos naturais conhecidos. A

sua biodegradao de grande interesse para os microbiologistas, devido sua

importncia global no ciclo do carbono e porque representa uma das mais abundantes

fontes renovveis para a produo de qumicos industriais (Leisinger, 1986), pois a sua

decomposio em unidades de baixo peso molecular leva formao de um grande nmero

de cidos phenoxy, alcois, fenis e quinonas. A proporo dos fragmentos estruturais da

lenhina depende da sua origem. (Orlov, 1995)

A lenhina resiste ao decaimento biolgico porque: i) as suas molculas so insolveis,

demasiadamente grandes para atravesar as paredes celulares e heterogneas demais para

poderem ser degradadas por enzimas especficas; ii) muitos dos produtos de decomposio

da lenhina so tambem difceis de degradar ou txicos; iii) a razo C/N muito elevada.

Por outro lado, em ambiente aqutico, a diluio das enzimas impede a degradao da

lenhina, e, em condies anxicas a sua degradao biolgicamente difcil pois a estrutura

molecular da lenhina tal que requer oxignio para que ocorra degradao.

Os basidiomicetos (cogumelos e outros fungos) so os principas organismos degradadores

da lenhina, mas para nveis de oxignio superiores a 5%, aumentando a sua actividade

lenhinoltica para valores de 40-60% de oxignio. Alguns ascomicetos (fungos e bactrias

tambm segregam enzimas linholticas. (Robinson, 1990)


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1.3 PARMETROS DE CONTROLE DA COMPOSTAGEM

A preocupao na compostagem em larga escala, est no controle do processo, de modo a

minimizar as emisses para o ambiente e conseguir uma rpida produo de composto de

qualidade. Assim, importante identificar os factores limitantes da taxa de decomposio e

determinar o modo como interferem no controle do processo de compostagem. Encontram-

se parmetros diversos consoante o ambiente considerado.

1.3.1 AMBIENTE BIOLGICO

A compostagem um processo dinmico que representa a actividade combinada de uma

vasta sucesso de populaes de bactrias e fungos, associada a uma sucesso de

habitats, uns desaparecendo e outros aparecendo lentamente, como resultado de uma

modificao contnua da temperatura e do substrato.

As alteraes do substrato so devidas progressiva actividade bacteriana de degradao

dos compostos orgnicos complexos em compostos cada vez mais simples. A temperatura

aumenta proporcionalmente com a actividade biolgica por isso as condies mesfilas

so rapidamente substituidas pelas termfilas. Como este processo dinmico e qualquer

grupo individual de organismos pode sobreviver numa larga gama de condies am-

bientais, uma populao comea a emergir quando outra est no seu auge e uma outra

est a desaparecer (Golueke, 1953).

Cada grupo microbiolgico atinge o seu pico populacional quando as condies ambientais

lhe so inteiramente favorveis. Alguns microorganismos conseguem obter os seus

nutrientes essenciais a partir das molculas complexas, outros s conseguem assimilar

compostos simples, enquanto outros ainda so sensveis presena de compostos

inorgnicos ou orgnicos. A barreira nutricional que controla a sucesso dos grupos micro-

biolgicos devida complexidade dos compostos. Certos grupos no aparecem

enquanto os compostos no so parcialmente degradados por outros microorganismos que

faam com que os nutrientes fiquem disponveis. A populao microbiolgica cresce a uma

taxa proporcional disponibilidade de nutrientes (Singley, 1982).


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As populaes microbiolgicas determinam a velocidade a que se d o processo de

compostagem e a qualidade do produto final. A sua actividade depende dos nutrientes

disponveis e dos parmetros fsicos do meio circundante.

Os fungos e actinomicetos so de grande importncia na compostagem especialmente na

fase final do processo, apesar de serem as bactrias que predominam durante a fase

termfila. A razo desta predominncia ainda no clara, mas certamente que envolve

interaces entre temperatura, pH, humidade, concentrao de oxignio, fontes disponveis

de carbono e as inerentes taxas mximas de proliferao (Strom, 1985.b).

A utilizao de inculo/semente na compostagem

Um inculo descrito como uma mistura de vrias culturas puras, produzidas em laboratrio

e especializadas na decomposio da matria orgnica e na fixao do azoto. No entanto

existem outros tipos de inculos constituidos por "sistemas enzimticos", "hormonas",

"organismos vivos preservados", "bio-catalizadores", etc (Golueke, 1977).

A utilizao de inculos base de enzimas no processo de compostagem torna-se

impraticvel, devido ao vasto nmero de enzimas envolvidas, bem como dificuldade e

despesa que acarreta o isolamento e sntese dessas enzimas. Por outro lado, se os

microorganismos estiverem presentes num determinado resduo, a adio de enzimas

torna-se desnecessria, pois uma parte essencial da actividade microbiolgica a sntese

rpida e eficaz de todas as enzimas necessrias no processo de compostagem. Contudo,

pode haver casos em que a adio de certas enzimas no sintetizadas pelas populaes

microbiolgicas residentes pode ser benfica, como por exemplo a adio de enzimas

especializadas na quebra de ligaes das molculas refractrias (Golueke, 1989).

A utilizao de um inculo microbiolgico permite fornecer uma abundante fauna

microbilgica especialmente desenvolvida para quebrar as complexas ligaes dum resduo

especfico, facilitando o processo e assegurando uma mais completa degradao dos

componentes biodegradveis e refractrios do resduo. Com a adio do inculo

consegue-se: fornecer um tipo essencial de micrbios ainda no presentes no resduo bruto,

aumentar uma determinada populao microbiolgica adequada e introduzir um ou vrios

tipos de micrbios mais eficientes do que os indgenas (Golueke, 1989).


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Quando se fala em inculo microbiolgico, devem distinguir-se dois conceitos: "inoculao"

e "inoculao em massa". O primeiro usado em microbiologia e significa uma adio

mnima de microorganismos provenientes de uma cultura pura. O segundo usado pelos

engenheiros sanitaristas e significa a adio de uma grande quantidade de material

inoculante, relativamente massa ou volume de inoculado. As consideraes que se podem

tecer sobre a "inoculao" ou a "inoculao em massa", sero as mesmas, desde que a

magnitude da massa inoculante no seja tal que afecte as caractersticas fsicas e qumicas

do material que recebe a massa de inculo. Em muitos dos casos de compostagem,

pratica-se a "inoculao em massa" que genericamente designada por adio de inculo

ou semente e que se aplica nos sistemas "batch" e nos sistemas contnuos, atravs da

reciclagem. A inoculao por meio de reciclagem traz algumas vantagens, nomeadamente:

- minimizar ou eliminar o perodo de latncia, reduzindo as necessidades em equipamento

e os gastos operatrios;

- beneficiar a composio e/ou propriedades do resduo inicial em termos de textura fsica,

quando se pratica a inoculao com material j processado;

- duplicar os benefcios do inculo, no caso de se usar reciclagem, se no incio j tiver sido

adicionado um determinado inculo, pois esta j contm uma massa representativa dos

grupos introduzidos inicialmente (Golueke, 1989).

Na compostagem de resduos orgnicos no estreis a adio de inculo poder ser

suprflua pois se as condies ambientais forem satisfatrias, as populaes nativas

prevalecero sobre o inculo, principalmente se estas estiverem presentes em grande

nmero (Golueke, 1953, Nakasaki, 1985.c). Nestes casos, o nmero de bactrias raramente

um factor limitante e, para optimizar o processo, a alternativa ao uso de inculos e

engenharia gentica reside no controle dos parmetros fsico-qumicos disponveis, que

permitem controlar um reactor biolgico, seleccionando o tipo de populaes naturais

desejadas. Isto , dada a diversidade de populaes naturais, possvel manipular o

ambiente do reactor maximizando a taxa de degradao dos compostos orgnicos

(Golueke, 1989).

A compostagem pode ser acelerada tanto na fase mesfila como na fase trmofila, atravs

da adio de semente. Como a baixas temperaturas a taxa de multiplicao dos

microorganismos baixa, a adio de semente torna-se bastante importante, pois ajuda a

acelerar o processo (Nakasaki, 1988).


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Um outro exemplo em que a inoculao de um substrato se mostra vantajosa, o caso da

compostagem de resduos agrcolas ricos em componentes celulsicos e que possuem uma

elevada razo C:N. Experincias efectuadas por Matthur et al (1986) revelaram que o

processo pode ser acelerado quer pela adio de fungos mesfilos celulolticos - Aspergillus

niger - quer pela adio de microorganismos fixadores de azoto - Azotobacter - e

microorganismos solubilizadores de fosfato, juntamente com rocha fosfatada. Neste caso a

inoculao no s reduz o tempo de compostagem como conduz obteno de um produto

de melhor qualidade devido ao maior teor hmico final.

Nos casos da compostagem de resduos orgnicos especiais, em que estes se apresentam

estreis ou de composio completamente homognea, de tal modo que a populao

bacteriana incapaz de se desenvolver com suficiente rapidez, a inoculao ser

importante para o processo. Nestes casos existe um perodo de latncia longo, que pode

ser evitado complementando a populao inicial com um inculo (Golueke, 1977).

1.3.2 AMBIENTE QUMICO

Nutrientes / Razo C:N

Para manter a reproduo e assegurar as funes metablicas, todos os organismos

necessitam de uma quantidade mnima de todos os elementos, a partir dos quais

composta a sua matria celular - macronutrientes. Adicionalmente, necessitam de uma

quantidade mnima de certos elementos que entram na actividade metablica como fonte

energtica ou como constituintes das enzimas e que no contribuem necessriamente para

o aumento da massa dos organismos - micronutrientes.

Na compostagem, um dos mais importantes balanos de macronutrientes a razo

mssica carbono-azoto (razo C:N); o carbono a fonte de energia e o azoto necessrio

na sntese do protoplasma. Como parte do carbono perdido na forma de CO2 e como

este est presente no material celular em concentraes bastante mais elevadas do que o

azoto, as quantidades de carbono necessrias so sempre consideravelmente superiores

s do azoto (Golueke, 1977).


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A razo C:N para as clulas microbiolgicas cerca de 10, o que tericamente seria o

valor adequado da razo C:N para o metabolismo celular; no entanto, valores assim baixos

conduzem perda do azoto atravs da volatilizao de amnia, especialmente em

situaes de pH e temperaturas elevados, arejamento forado e/ou remeximento. Assim,

tem-se verificado que o valor ptimo para a razo C:N no material inicial cerca de 25

(Golueke, 1977).

Razes C:N menores que 25 retardam a decomposio e favorecem a perda de azoto. Se

a razo inicial de C:N for superior a 35 os microorganismos passsam por diferentes ciclos

de vida, oxidando o excesso de carbono at ser atingida uma razo C:N adequada para o

seu metabolismo. Contudo, o limite superior da razo depende do grau de disponibilidade

do carbono, ou seja, se o carbono estiver presente numa forma altamente resistente ao

ataque bacteriolgico ele ser de pouca utilidade e o valor adequado da razo C:N poder

ser superior (Golueke, 1977).

Apesar da maioria dos resduos orgnicos possuir uma razo C:N elevada, sempre

possvel fazer uma correco do material com aditivos ou resduos ricos em azoto, de

modo a favorecer o processo de compostagem (Bertoldi, 1983).

Quando um composto para ser utilizado no melhoramento do crescimento das plantas, a

quantidade de N, P e K presente no composto bastante importante. Destes trs nutrientes

o azoto talvez o mais crtico por ser o mais susceptvel de se per der durante o processo.

O contedo em azoto geralmente baixa durante a compostagem, a maioria das vezes

atravs da volatilizao da amnia. Esta perda ocorre em termos de valores absolutos, pois

em termos de fraco mssica verifica-se um aumento, devido mineralizao da matria

orgnica e consequente libertao de CO2 e H2O, de modo que se pode observar um

decrscimo na razo C:N ao longo do processo. Apesar da perda de azoto atravs da

volatilizao da amnia, ocorre mais tarde uma recuperao parcial devido actividade das

bactrias fixadoras de azoto. A fixao biolgica de azoto inibida pela presena de

amnia e por elevadas temperaturas, por isso ela ocorre na fase final da compostagem

quando as temperaturas so moderadas (abaixo dos 50C) e o oxignio existe em

quantidades adequadas (Sikora, 1983).

O mximo de libertao da amnia ocorre aps o mximo de libertao de CO2,

podendo-se apontar algumas razes para este facto:


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. a amnia em excessso acumulada durante a rpida degradao da matria orgnica e

libertada quando excedido o nvel de solubilidade para o valor de pH do sistema;

. a utilizao biolgica da amnia menor;

. a acumulao de amnia pode ter um efeito inibidor nos microorganismos (Sikora, 1983).

As condies ambientais que favorecem a reteno de azoto no composto so muitas

vezes opostas s necessrias para uma adequada estabilizao da matria orgnica e

destruio dos microorganismos patognicos. Assim, para um sistema particular de

compostagem, a escolha das condies operacionais ptimas depender dum balano dos

mritos relativos de cada um desses conjuntos de condies (Bishop, 1983).

pH

Pode-se dizer que todo o material com valores de pH numa larga gama (de 3 a 11) pode

ser compostado; contudo os valores ptimos situam-se entre 5.5 e 8 (Bertoldi, 1983).

O pH pode afectar fortemente o tipo e a actividade da microflora presente. Valores de pH

muito elevado, cerca de 10, provocam a existncia de um perodo de latncia bastante

grande (da ordem de alguns dias). Valores de pH abaixo de cerca de 5.5 no evitam que o

processo arranque, mas fazem com que o aumento de temperatura seja mais lento pois,

de certo modo, inibem o crescimento das bactrias e actinomicetos termfilos (Nakasaki,

1985.e).

Enquanto as bactrias preferem um pH prximo do neutro (6 - 7,5), os fungos

desenvolvem-se melhor num ambiente levemente cido (Bertoldi, 1983). Genricamente

pode-se dizer que os fungos toleram uma gama mais larga de pH do que as bactrias; de

facto o nvel superior de pH para muitos fungos funo da remoo dos nutrientes

essenciais do meio de crescimento e no do pH s por si (Golueke, 1977).

Geralmente o pH comea a descer no incio do processo de compostagem como

consequncia da actividade das bactrias formadoras de cidos que, ao hidrolisarem os

materiais orgnicos complexos, originam cidos orgnicos intermdios. Aps algum tempo,

o pH volta a subir at que o material se torna alcalino. Na prtica no muito fcil alterar o

nvel de pH dum sistema em compostagem; as razes prendem-se com questes

econmicas e de conservao do azoto no material em compostagem (Bertoldi, 1983).


20

1.3.3 AMBIENTE FSICO

Uma aplicao racional do processo de compostagem envolve o controle dos parmetros

relacionados com a libertao de calor por aco microbiolgica: temperatura, humidade e

arejamento.

Temperatura

A compostagem o resultado das aces da comunidade de microorganismos que

convertem a matria facilmente degradvel em formas mais estveis, compostos hmicos

e produtos inorgnicos (essencialmente dixido de carbono e gua) verificando-se

libertao de calor como resultado do metabolismo aerbio. Os microorganismos tambm

incorporam alguma da matria orgnica como novo material celular, de modo a poderem

crescer e subdividirem-se. As condies fsicas e qumicas do ambiente que circunda os

microorganismos esto em constante modificao, principalmente como resultado da

acumulao dos prprios produtos metablicos, incluindo o calor. Essas mesmas

condies ambientais podem ento afectar grandemente a sua capacidade para crescer,

metabolizar e sobreviver (McKinley, 1985.a).

Inicialmente, o material orgnico est todo temperatura ambiente mas, criadas as

condies propcias, os microorganismos multiplicam-se na massa em compostagem e

ocorre um rpido aquecimento. Neste processo autotrmico a temperatura atinge cerca de

45C permanecendo posteriormente mais ou menos constante - fase mesfila - perodo de

intenso crescimento e multiplicao microbiolgica. Seguidamente, verifica-se novo

aumento de temperatura, que estabiliza mais ou menos a 60 C - fase termfila - aps a

qual ocorre o lento arrefecimento do material.

Durante a fase termfila pode ocorrer um excesso de produo de calor que se no for

removido faz com que sejam atingidas temperaturas superiores a 60C, causando a

autoinibio do sistema de compostagem. Assim, a temperatura um parmetro crtico;

pequenas variaes podem afectar a actividade microbiolgica e a biomassa muito mais

dramticamente do que pequenas variaes noutros parmetros, como o contedo em

volteis, a humidade, o pH, e a razo C:N (McKinley, 1985.b)


21

O controle da temperatura evita o efeito depressivo associado a temperaturas

excessivamente elevadas, que inibem o crescimento da maioria dos microorganismos

resultando num consequente abrandamento da taxa de degradao da matria orgnica e

de remoo da humidade (Finstein, 1980).

Por outro lado, as temperaturas termfilas, caractersticas do processo de compostagem,

actuam como um forte agente de pasteurizao; a maior parte das formas patognicas so

rapidamente eliminadas por efeito directo do calor sobre os constituintes vitais, tais como

DNA e protenas. Adicionalmente verifica-se o efeito antagnico resultante do crescimento

activo da populao microbiolgica durante a compostagem e que leva posterior

eliminao dos patognicos. Existe evidncia de que as substncias capazes de proteger

alguns vrus da inativao pelo calor ficam parcial ou completamente sem efeito durante a

compostagem. No entanto preciso ter cuidado com o crescimento de patognicos no

necessriamente presentes no resduo; o caso do fungo Aspergillus fumigatus, cujos

esporos so agentes infecciosos e causadores de alergias, atacando os pulmes.

possvel controlar o seu crescimento atravs do controle da humidade do material em

compostagem (Finstein, 1980).

O parmetro temperatura frequentemente usado para controlar a eficincia do processo

de compostagem e tem sido a chave dos factores ambientais que afectam a actividade

biolgica. Em geral, para cada grupo de organismos existe uma temperatura ambiente

ptima e qualquer desvio desse valor manifesta-se por um declnio no crescimento e na

actividade do organismo (Golueke, 1977).

Para os proponentes da compostagem mesfila (dos 15C aos 40 ou 45C), as bactrias

mesfilas so mais eficientes do que as termfilas e a compostagem mais rpida quando

em condies mesfilas. Para os proponentes da compostagem termoflica (dos 40 ou

45C aos 70C) a grande vantagem reside no facto de ser possvel eliminar os

microorganismos patognicos quando a compostagem decorre a temperaturas elevadas.

Esta provavelmente a razo porque os sistemas modernos de compostagem envolvem

condies termfilas pelo menos num estadio do processo (Golueke, 1977), sendo

necessrio manter o material durante trs dias a 55C como critrio de desinfeco (Stenti-

ford, 1985.a). natural que exista alguma controvrsia quanto s condies trmicas que

optimizam a compostagem, pois diferentes materiais orgnicos revelam diferentes

susceptibilidades ao ataque biolgico, sendo correspondentemente mais ou menos


22

propensos gerao de calor (Finstein, 1986). De qualquer forma, todos esto em acordo

de que a temperatura operacional ter que ser pelo menos superior a 35C (Golueke,

1977)

A temperatura ptima para o processo de compostagem uma integrao, ou melhor,

um compromisso entre as temperaturas ptimas para as vrias formas de microorganismos

envolvidos no processo, e a no ser que se use para a compostagem um reactor

fortemente agitado, nunca se consegue uma temperatura uniforme em toda a massa do

material e em qualquer momento (Golueke, 1977).

Quando as temperaturas excedem a temperatura de crescimento ptima de um organismo,

este rapidamente entra em forte situao de stress. Embora os microorganismos termfilos

se adaptem ptimamente de modo a crescerem sob temperaturas superiores a 55 - 60C,

fazem-no custa do sacrifcio de alguma eficincia metablica (McKinley, 1985.b).

medida que as temperaturas excedem 55C a velocidade reaccional decai abruptamente

e torna-se negligencivel para temperaturas superiores a 70C. A temperaturas acima de

65C a maioria das espcies comea a perder a sua forma vegetativa e a assumir a forma

de esporo, na qual pouca actividade ocorre. As espcies no formadoras de esporos,

simplesmente morrem. Embora um nmero reduzido de espcies ainda apresente activi-

dade metablica acima de 70C, no h dvida que a sua contribuio insignificante para

a velocidade global do processo (Golueke, 1977). Essas poucas espcies so algumas

bactrias formadoras de esporos: Bacillus stearothermophilus, Bacillus subtilis, Clostridium

sp. e a bactria no formadora de esporos, gran-negativa e aerbia gnero Thermus

(Bertoldi, 1983).

Das bactrias mesfilas formadoras de esporos, 60% consegue permanecer na forma

vegetativa quando a temperatura se eleva a 60C, os restantes 40% formam esporos. No

entanto, a termotolerncia de 60% das bactrias mesfilas conseguida custa da

formao de colnias no material em compostagem; contudo essas colnias tm uma

actividade praticamente nula (Nakasaki, 1985.b).

Nakasaki et al (1985.d) realizaram diferentes ensaios de compostagem em condies

isotrmicas controladas a 50, 60 e 70C, usando lamas resultantes do tratamento de

efluentes domsticos, com e sem semente, tendo verificado que:


23

- um mesmo grau de converso mais rapidamente atingido nos ensaios a 60C;

- a taxa especfica de produo de CO2 (taxa de produo de CO2 por clula) atinge o valor

maior a 70C, embora o nmero de clulas viveis seja menor do que a 50 e a 60C;

- a temperatura ptima dever ser a que produz uma taxa mxima de produo de CO2,

conduzindo a um determinado grau de converso o mais rapidamente possvel, o que

acontece para temperaturas de 60C;

-s nos ensaios temperatura de 50C que se verifica a influncia da utilizao de

inculo.

A diversidade de espcies no est geralmente relacionada com a produtividade biolgica,

mas sim com a estabilidade da comunidade biolgica. Esta uma razo pela qual

desejvel ter diversidade de espcies na compostagem. Outra razo prende-se com o facto

de que para a degradao do maior nmero possvel dos vrios componentes orgnicos de

um resduo ser necessria uma populao metablicamente verstil, o que na prtica equi-

vale a uma comunidade diversificada (Strom, 1985.a). Isto torna-se importante no caso de

resduos de composio heterognea, em que a decomposio favorecida pela

diversidade microbiolgica, conseguida na zona dos 55C (Sikora, 1983). Para tempe-

raturas de compostagem superiores a 60C resulta um efeito brusco na reduo da

diversidade das espcies. Na compostagem termfila em contnuo a temperatura mxima

dever ser de 60C, para manter a diversidade de espcies desejvel estabilidade

populacional e versatilidade metablica (Strom, 1985.a).

impossvel dissociar os efeitos da temperatura, da evoluo e actividade microbiolgica.

Nakasaki et al (1985.a) ensaiou a compostagem de lamas resultantes do tratamento de

efluentes domsticos por um processo autotrmico, estabelecendo um patamar para a

temperatura aos 60C durante o mximo de tempo possvel atravs do controle do fluxo de

arejamento; isso permitiu fazer importantes observaes:

- a 60C, a presena de fungos e actinomicetos mesfilos mnima;

- a variao do nmero de bactrias mesfilas pequena e, embora elas estejam

presentes em grande nmero, a sua actividade respiratria a 60C desprezvel;

- a quantidade de bactrias e actinomicetos termfilos tem uma grande variao, atingindo

um nmero aprecivel aos 60C, devendo-se a sobrevivncia s suas propriedades

termotolerantes;


24

- existem dois mximos para a taxa de produo de CO2 ao longo do tempo tendo sido

estimado que na primeira fase da temperatura constante a 60C, a produo de CO2

atribuda principalmente s bactrias termfilas e s mais tarde, que consequncia da

actividade dos actinomicetos termfilos;

- aumentando a taxa de inoculao no material em compostagem os dois mximos da taxa

de produo de CO2 aproximam-se um do outro e a contribuio dos actinomicetos

termfilos torna-se mais pronunciada.

Nakasaki et al (1985.a) concluiu que quando um processo de compostagem autotrmico

atinge os 60C e forado a manter-se nesse patamar, podem detectar-se dois mximos

de produo de CO2, estando o primeiro associado actividade das bactrias termfilas e

o segundo actividade dos actinomicetos termfilos. Os actinomicetos termfilos

desenvolvem-se mais lentamente do que a maioria das bactrias e fungos e para elevados

nveis de nutrientes exercem fraca competio. No entanto como so mais tolerantes a

elevadas temperaturas tornam-se mais activos na parte final da fase termfila, quando as

bactrias entram em declnio por falta de nutrientes e pelo stress criado pela elevada

temperatura. Concluiu ainda que os fungos raramente so encontrados em fases termfilas

com temperaturas da ordem dos 60C, pois a temperatura ptima para o seu crescimento

termfilo situa-se entre os 45 a 50C, e que a contribuio dos actinomicetos para o

processo de compostagem fortemente dependente da taxa de inoculao (Nakasaki,

1985.a).

O fungo Aspergillus fumigatus tem um interesse especial devido sua actividade

celuloltica. Este fungo e os gneros de actinomicetos Streptomyces e Thermoactinomyces

esto vulgarmente presentes nos materiais em compostagem. Das bactrias no

formadoras de esporos encontram-se espcies dos gneros Pseudomonas e Arthrobacter

mas s em material a temperaturas inferiores a 50C. As espcies do gnero Bacillus

encontram-se nos materiais em compostagem termfila, sendo muitas vezes este gnero o

componente maioritrio da microfauna (Strom, 1985.b).

O meio afecta o crescimento dos actinomicetos termfilos de modo diferenciado e a

diferentes temperaturas. natural pensar que quando crescem a temperaturas prximo do

seu mximo percam certas funes particulares, como por exemplo, a capacidade para

hidrolisar o amido (Strom, 1985.a).


25

Controlando a temperatura de compostagem, mantendo-a no valor ptimo, til no s por

reduzir o tempo necessrio reaco, mas tambm por remover eficientemente a gua do

slido em degradao (Bach, 1987).

Humidade

Os microorganismos s podem assimilar nutrientes atravs das suas paredes celulares

semi-permeveis quando estes se encontram na forma dissolvida. Assim, para que seja

possvel a actividade metablica, necessrio que o meio de crescimento possua uma

certa humidade, de modo que o material biolgico permanea coberto por um filme de

gua (Bidlingmaier, 1985).

O teor ptimo em humidade para a compostagem seria, tericamente de 100%; contudo, o

valor prtico menor, sendo funo da capacidade de arejamento do equipamento durante

o processo e da natureza estrutural do material a ser compostado. Isto porque o oxignio

fornecido aos microorganismos pela circulao de ar atravs dos espaos entre as

partculas. Se os interstcios forem cheios com gua o ar removido e deixa de haver

oxignio disponvel para os microorganismos. Como resultado, a massa de resduos

torna-se anaerbia, o processo de compostagem retardado e geram-se maus cheiros. O

tamanho dos interstcios determinado pelo tamanho das partculas do material e a sua

estabilidade determinada pela capacidade de resistirem compactao e consequente

colmatao dos interstcios (Golueke, 1977).

O teor ptimo em humidade dum material a compostar dever ento ser o valor mximo

admissvel, que varivel, dependendo essencialmente do estado fsico e do tamanho das

partculas, situando-se na gama dos 50 a 60% (Golueke, 1977).

O teor mnimo de humidade para o qual ainda existe actividade microbiolgica de 12 a

15%. Quanto mais o teor em humidade duma massa em compostagem se aproxima deste

valor mais lento ser o processo. A humidade torna-se um factor limitante quando desce

para valores de 45 a 50% (Golueke, 1977).

A humidade um parmetro perfeitamente controlvel e possvel de descrever durante a

reaco, atravs da anlise do balano trmico (Bach, 1987). Se o teor em humidade do

resduo a compostar for inferior ao valor ptimo, a correco pode efectuar-se por simples


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irrigao do material com gua, ou misturando um outro resduo orgnico de elevado teor

em humidade; disto exemplo a co-compostagem de resduos slidos domsticos, de

baixo teor em humidade, com lamas resultantes do tratamento de efluentes domsticos,

com elevado teor em humidade (Stentiford, 1985.b).

Se o teor em humidade do resduo a compostar for superior ao valor mximo admissvel,

vrias opes se podem tomar para ajustar este parmetro:

- reciclar material j compostado e seco;

- adicionar um resduo absorvente, com ou sem reciclagem de material compostado;

- adicionar um agente "bulking" para fornecer estrutura e porosidade ao material;

- providenciar uma agitao constante atravs de equipamento mecnico, e

- secar o material ao ar ou em estufa, antes de compostar (Haug, 1980).

A humidade um parmetro fundamental no s no processo de compostagem mas

tambm na qualidade do produto final. Um composto seco mais fcil de manusear, no

desenvolve maus cheiros quando armazenado; a secagem assim um passo essencial no

condicionamento ou utilizao do composto, se se tiver em vista uma boa armazenagem e

comercializao (Golueke, 1987).

A humidade e o arejamento esto perfeitamente interrelacionados em termos de remoo

do ar dos interstcios pela gua, levando compactao e diminuio da estabilidade da

estrutura do material (Bertoldi, 1983).

Arejamento (Oxigenao, secagem, arrefecimento)

O arejamento necessrio durante a compostagem aerbia por trs importantes razes:

1 - fornecer o oxignio necessrio actividade biolgica;

2 - remover humidade da massa em compostagem;

3 - remover calor evitando assim temperaturas excessivas.

necessrio fornecer ar a qualquer material em compostagem para assegurar o oxignio

necessrio decomposio orgnica sem que este se torne um factor limitante. A

necessidade em oxignio estequiomtrico para a oxidao dos compostos orgnicos pode

ser determinada a partir da composio qumica dos slidos orgnicos e do seu grau de

degradao durante a compostagem, variando entre 1.0 g(O2)/g(SV) para resduos


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altamente oxigenados, tais como a celulose, at 4.0 g(O2)/g(SV) para hidrocarbonetos

saturados (Haug, 1980).

Durante a compostagem a temperatura e o consumo microbiolgico de oxignio esto

intimamente relacionados. Num sistema autotrmico o consumo mximo de oxignio

ocorre para o mximo de actividade microbiolgica, entre os 30 e 55C de temperatura

(Haug, 1980).

Em qualquer sistema prtico de compostagem necessrio fornecer um excesso de ar

relativamente s necessidades estequiomtricas, para assegurar condies

completamente aerbias, o que geralmente avaliado em termos de concentraes de

oxignio nos gases de exausto ou nos macroporos interesticiais. No contexto da

compostagem os macroporos podem ser definidos como os espaos vazios entre as

partculas ou agregados de substrato, enquanto os microporos podem ser definidos como

os espaos vazios dentro das partculas ou agregados. Assim, a concentrao de oxignio

residual que se deve manter nos gases de exausto, ou nos macroporos, tem de ser

suficiente para assegurar a difuso do oxignio at aos microporos (Finstein, 1986).

O ar fornecido mistura em compostagem aquecido por esta, e como a quantidade de

vapor de gua contido no ar saturado aumenta exponencialmente com o aumento de

temperatura os gases aquecidos na massa em compostagem podem remover quantidades

apreciveis de vapor de gua ao composto, mesmo que o ar ambiente possua uma

humidade relativa elevada. O ar que abandona o material hmido em compostagem pode

considerar-se como estando saturado e temperatura desse material. Se a diferena de

temperatura entre o ar de entrada e o ar de sada for superior a 25C, a humidade relativa

do ar de entrada tem um efeito reduzido na remoo da humidade total.

Obviamente a oxigenao e a secagem esto relacionadas, pois ambos dependem da

quantidade de ar fornecido; contudo, o ar necessrio para satisfazer ambos os processos

pode ser significativamente diferente e em alguns casos pode ser difcil satisfaz-los

simultneamente. Dum modo geral, a quantidade de ar necessria para a secagem

bastante maior do que a necessria para a oxidao biolgica, sendo fortemente

influenciada pelo teor em humidade dos resduos e pela temperatura do ar sada. Se for

fornecido demasiado ar ao material em compostagem pode correr-se o risco de este

arrefecer e a temperatura do ar sada baixar, diminuindo a amplitude trmica, de modo


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que a quantidade de ar necessrio para a secagem passa a ser cada vez maior (Haug,

1980).

A velocidade de reaco bioqumica geralmente aumenta exponencialmente com a

temperatura, mas durante o processo de compostagem a temperatura pode atingir valores

tais que causem o colapso trmico. Para manter a temperatura do processo numa gama

ptima para a populao microbiolgica o fornecimento de ar pode ser aumentado,

incrementando assim a taxa de remoo de calor.

O calor libertado pela decomposio da matria orgnica no s eleva a temperatura do ar

seco e do vapor de gua da corrente de arejamento at temperatura de sada, como

fornece o calor latente de vaporizao e aquece a gua evaporada da massa em

compostagem at temperatura dos gases de sada. A sua remoo efectuada principal-

mente pela corrente gasosa hmida e quente que abandona o sistema, sendo insigni-

ficantes os efeitos da radiao e da conduo. Durante o arejamento cerca de 90% do

calor removido por via do mecanismo de vaporizao e o restante na forma de calor

sensvel (Finstein, 1986).

Dum modo geral a quantidade de ar necessrio para a remoo de calor superior

necessria para garantir o oxignio estequiomtrico ou a secagem do material. Assim, na

maioria dos casos, o ar necessrio para remover o calor que governa o processo, no

havendo o perigo da quantidade de oxignio se tornar limitante, ou de o sistema arrefecer

exageradamente diminuindo a taxa de actividade biolgica (Haug, 1986).

A taxa de arejamento necessria para o oxignio estequiomtrico, para a secagem e para

a remoo de calor, pode ser facilmente estimada em qualquer momento do processo de

compostagem atravs dum algoritmo de clculo, permitindo efectuar um controle

computorizado do sistema, que estabelecer as condies operacionais para o momento

seguinte mediante determinados parmetros de entrada.

No arejamento de uma massa em compostagem usam-se duas tcnicas distintas: numa o

material forado a passar atravs do ar, e noutra o ar forado a passar atravs do

material. A primeira corresponde agitao mecnica e a segunda ventilao forada

com ar, que pode ser por suco ou por insuflao (Finstein, 1986). Para manter constante

o nvel de oxignio residual desejado, o arejamento peridico atravs do remeximento


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insuficiente, s a agitao contnua que garante uma oxigenao constante; contudo em

termos prticos isso acarreta custos excessivos, alm de interferir no crescimento de

alguns microorganismos, tais como os fungos filamentosos. A ventilao forada contnua

o sistema de arejamento que mantem um nvel de oxignio residual satisfatrio.

Relativamente s diferenas entre a ventilao forada por suco e por insuflao, os

resultados experimentais de vrios estudos tm revelado que a insuflao de ar mais

eficiente na remoo de calor e vapor de gua, conduzindo a uma degradao mais rpida

e a um produto final de melhor qualidade (Bertoldi, 1983). A insuflao de ar possui ainda

outras vantagens adicionais: evita a colmatao dos orifcios da conduta adutora de ar,

evita a acumulao de lquido nessa conduta, permite uma distribuio de temperaturas

mais uniforme, favorece a porosidade da massa em compostagem e torna o fluxo de ar

mais eficiente pois o ar ambiente frio e seco move-se com mais facili

fundamentos da compostagem de resíduos sólidos

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