Aplicación de la tecnología de compostaje sobre residuos animales para la producción de abonos orgánicos de calidad
Dra. Mª Pilar BernalProfesor de InvestigaciónCentro de Edafología y Biología Aplicada del
Segura. CEBAS-CSIC, Murcia, España
Mitigación del cambio climático a través de la nutrición animal y el manejo de residuales Guadalajara, Mexico. 12-13 Mayo 2011
Seminario “Mitigación del cambio climático a través de la nutrición animal y el manejo de residuales”Guadalajara, México, 13 Mayo 2011
Compostaje
Un proceso biooxidativo controladodesarrollado sobre un material sólido que implica la mineralización y humificación parcial de la materia orgánica, que lleva a la formación de un producto final estable, libre de toxicidad y patógenos, con ciertas propiedades húmicas: Compost.
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Esquema general del proceso
Compost
Residuo
Oxigeno
Metabolismo microbianoCalor + H2O + CO2
H2O + CO2 + NH3
Reducción masa
Estiércol vacuno: 20-40 %Estiércol de ave: 32 %Estiércol porcino: 21 % p.s.
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Etapas del compostaje
Composting time
Tem
pera
ture
ºC
10
30
50
70
9
7
pH
5Volteo
Mesofila Termofila Enfriamiento MadurezFases
Degr
adac
ión
de c
ompu
esto
s so
lubl
es =
cal
or
Bact
eria
s +
hong
osBacterias + actinomicetos
Degradación polímerosbacterias + hongos
Formación del humus
Biooxidativa
Tiempo de compostajeTiempo de compostaje
Tem
per
atura
Tem
per
atura
ººCC
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microbes
COMPOST
Oxygen
microbesSoluble OM
Proteins, Hemicellu-
lose
ORGANICMATTER
Lignin
Ash
Cellu-lose
Moisture
dead
Esquema del proceso
Breakdown products
CO2
H2O
New microbes
Energy
Heat
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Composición de la mezcla inicial
Control del proceso
Factores de control
C/N: 25-35
Área superficial para el crecimiento microbiano
Asegura condiciones aerobias. Espacio poroso 35-50 %
Para el desarrollo microbiano y eliminar patógenos. 40-65 ºC
Para optimizar eficacia. 15-20 %
Velocidad de descomposición. 40-60%
Balance de nutrientesTamaño de partículaPorosidadHumedadTemperaturaConcentración O2
Compost
Compost es el producto estabilizado e higienizado del compostaje, que ha pasado por una etapa inicial rápida de descomposición y que está en proceso de humificación, es beneficioso para el crecimiento vegetal y tiene unas ciertas características húmicas en su materia orgánica.
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Compostaje de estiércol
Elimina patógenos y semillasEstabilización microbianaReducción de volumen y humedadEliminación y control de oloresFácil almacenamiento, transporte y usoCalidad como fertilizante y/o sustratoBeneficioso para la fertilidad del suelo
Coste de instalación y mantenimiento Requiere estructurante Precisa de áreas grandes de operación y almacenamientoPara purines: separación previa
DesventajasVentajas
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Composición de estiércol y purín
Materia seca C-orgánico N-total N-NH4 pH Estiércol líquido/purín (g/kg peso fresco) Vacuno Porcino Avícola
15-123 4,9-152 10-367
3,8-36 1,0-65 11-112
2,0-7,0 0,6-7,8 2,0-21
1,0-4,9 0,3-6,6 1,9-9,4
7,1-8,4 6,7-8,9 7,9-8,8
Estiércol sólido (g/kg peso fresco) Vacuno Porcino Avícola
140-300 150-330 220-700
65-126 42-132
103-597
4,2-8,1 3,5-11 10-58
0,3-2,0 0,5-6,0 2,4-18
8,6 8,1 7,6
Conditiones para compostaje: Humedad 50-60 % C/N 25-35pH 5.5-8.0
C/N 5.4 – 15.5Bajo
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OECD International Workshop Livestock Waste Treatment Systems of the Future: a challenge to environmental quality, food safety and sustainability
Florence, South Carolina, 3 April 2008
Estructurantes
Materiales Humedad pH COT N-total C/N WHC
Caña de maíz
Paja de cebada
Residuo de algodón
Cascarilla arroz
Bagazo de sorgo
Orujo de uva
Corteza de pino
6,1
7,4
8,5
7,9
78,0
56,0
9,2
7,2
6,5
7,1
6,7
6,0
5,8
5,3
38,7
44,6
42,3
37,4
43,2
43,4
53,5
0,70
0,86
2,10
0,35
1,24
2,15
0,28
55,3
51,9
20,1
107
34,8
20,2
191
527
541
314
256
642
112
-
% peso seco
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Flujo de materia durante el compostaje
Estiércol Mezcla Fase activa Fase de madurez
Estructurante
Agua?
Compost reciclado
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Compost
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Tipo de estiércol Estructurante Proceso Mineralización MO(% pérdida)
Pérdida N (%)
Vacuno (carne) - Pila móvil COT: 45-62 19-43
Paja COT: 53 42Vacuno (carne)
VirutasPila móvil, 8
volteos COT: 35 12
Vacuno (carne) - Pila móvil COT: 67 46
Serrín / virutas MO: 67 5Vacuno (leche)
Paja de trigoPila móvil
MO: 67 nd
Serrín MO: 46-76 7-26Vacuno (leche)
Paja de trigoPila móvil
MO: 58-81 15-43
Vacuno (leche)Paja de trigo.
Aditivos: melaza, papel.
Sistema cerrado MO: 29-55 12-25
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Tipo de estiércol Estructurante Proceso Mineralización MO(% pérdida) Pérdida N (%)
Serrín MS: 10-18 24-33Gallinaza
Mazorca maízC/N
(20 y 25) MS: 16-24 23-33
Gallinaza Residuo de algodón
Pila estática Rutgers
MO: 53COT: 52 26
Gallinaza - Ventilación forzada MO: 9 58
Purín de cerdo + Gallinaza
Bagazo de sorgo
Pila estática Rutgers MO: 62 < 40
Pila móvil COT: 50-72 3-59Estiércol de cerdo
Caña de maíz parcialmente degradada Pila estática COT: 30-54 8-60
Estiércol de cerdo
Trozos de madera y
serrínPila móvil MO: 55
COT: 52 43
Compostaje vs aplicación a suelos
Compostaje Aplicación a suelo
Es necesario producir compost de alta calidad para superar los costes
de producción
Compost de alta calidad
Zonas de alta carga ganadera con exceso de producción de estiércolPermite “exportar” los nutrientes a áreas agrícolas deficitarias
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Calidad en función del uso
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Sustrato desemillero
Sustrato demacetas
Fertilizanteorgánico
Enmienda (mulch)
Crecimiento veg.
Nutrientes
pH y sales
Color/olor
Impurezas
Madurez
Granulometría
++
-
++
++
+
++
++
++
+
++
++
+
++
+
++
+
+
+
-
+
+
-
-
-
+
+
-
+
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Calidad -Fertilizante
Orden APA/863/2008
ClaseEnmienda orgánicaCompost de estiércol
A B C
Materia orgánica total (%) > 35 (>58,3 s.m.s)
Humedad (%) < 40
Relación C/N < 20
Impurezas: metales, vidrios o plásticos Ausente
Gravas y piedras Ausente
Metales pesados (mg/kg m.s.):
Cadmio 0,7 2 3
Cromo (total) 70 250 300
Cromo (VI) 0 0 0
Cobre 70 300 400
Mercurio 0,4 1,5 2,5
Níquel 25 90 100
Plomo 45 150 200
Zinc 200 500 1000
Microorganismos patógenos:
Salmonella sp Ausentes en 25 g
E. coli < 1000 NMP/g
Contenido en nutrientes a garantizar
Materia orgánica total C orgánico N total (si > 1%) N orgánico (si > 1%) N amoniacal (si > 1%) P2O5 (si > 1%) K2O (si > 1%) Ácidos húmicos Granulometría
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Calidad –Sustrato Real Decreto 865/2010
Sustratos de cultivoClase A Clase B
Materia orgánica total (%) > 20
Salmonella spp Ausentes en 25 g producto elaborado
Listeria monocytogenes Ausentes en 1 g materia bruta
E. coli < 1000 NMP/g
Enterococcaceae Entre 104 y 105 NMP/g producto elaborado
Clostridium perfrigens Entre 102 y 103 NMP/g producto elaborado
Cadmio (mg/kg) 0,7 2
Cobre (mg/kg) 70 300
Níquel (mg/kg) 25 90
Plomo (mg/kg) 45 150
Cinc (mg/kg) 200 500
Mercurio (mg/kg) 0,4 1,5
Cromo (total) (mg/kg) 70 250
Cromo (VI) (mg/kg) 0,5 0,5
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Calidad
Material extraño (vidrio, metal, plástico)Higienización (patógenos, semillas)MO (humificación) y NutrientesEstabilidadMadurezHumedad, etc.
Material inicialDesarrollo del procesoCondiciones de almacenamiento
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Calidad: Material extrañoImpurezas (> 2 mm) < 0,5 %Gravas y piedras (> 5 mm) < 5 %Metales pesados:
EU Spain UK Canada Elements Class 1 Class 2 Class A Class B Class C Category A Category B*
As Cd Co Cr Cu Hg Mo Ni Pb Se Zn
NS 0.7 NS 100 100 0.5 NS 50
100 NS 200
NS 1.5 NS 150 150 1.0 NS 75 150 NS 400
NS 0.7 NS 70 70 0.4 NS 25 45 NS 200
NS 2
NS 250 300 1.5 NS 90
150 NS 500
NS 3
NS 300 400 2.5 NS 100 200 NS
1000
NS 1.5 NS 100 200 1.0 NS 50
200 NS 400
13 3
34 210 100 0.8
5 62
150 2
700
75 20
150 1060
757 5
20 180 500
14 1850
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Calidad: Higienización
Desarrollo de temperaturas
Patógenos
Compostaje en pilas: T ≥ 55 ºC, 2 semanas y 5 volteosT ≥ 65 ºC, 1 semana y 2 volteos
Compostaje cerrado: T ≥ 60 ºC, 1 semana
Salmonella spp.: ausente en 25 g compostE. coli < 1000 NMP/g compostClostridium perfrigens: ausente en 1 g compost
Alto contenido de nutrientes
Alto grado de humificación
Alto grado de madurez
Reducir pérdidas
Alargar la fase madurez
Controlar los índices de
madurez
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Calidad: MO y nutrientes
Estrategias
Pérdidas de N
NH3-volatilización
Desnitrificación
Lixiviación NO3
Aumentar la eficiencia del sistema:
Selección de las mezclasAdecuado manejo del proceso
Asegurar condiciones aerobias
Controlar lixiviados
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2
22
Compuestos orgánicos de N complejos
Compuestos orgánicosde N de bajo PM NH4
+
Urea yÁcido urico
NO2- NO3
-
N2ON2
1
1
1NH3
3 3
54
44
4
Lixiviación
Volatilización
Fracción orgánica
Fracción inorgánica
Desnitrificación
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Reacciones de N en compostaje
Evolución del nitrógeno
Weeks of composting0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Nitr
ogen
(%)
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
Inor
gani
c-N
(%)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
NH4-N
NO3-N
Total-N
Organic-N
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Pérdida de NH3
NH4+
(absorbido)NH4
+
(disolución)NH3
(disolución)
NH3(adsorbido)
NH3(gas en compost)
NH3(gas en atmosfera)
N del estiércol
Mineralización / Inmovilización
EstructuranteEstructurante
pHpH
AireaciAireacióónn
Evolución de la temperatura
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Semanas de compostaje
°C
Mezcla 4 Mezcla 5 Mezcla 6
Tem
pera
tura
8 9 10 1176543210
Sin estructuranteEstructurantePila estática
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Pérdidas de N
0
10
20
30
40
50
60
70
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Semanas de compostaje
Mezcla 4 Mezcla 5 Mezcla 6
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EstructurantePila estática
%
Sin estructurante
OECD International Workshop Livestock Waste Treatment Systems of the Future: a challenge to environmental quality, food safety and sustainability
Florence, South Carolina, 3 April 2008 OECD International Workshop Livestock Waste Treatment Systems of the Future: a challenge to environmental quality, food safety and sustainability
Florence, South Carolina, 3 April 2007
Sistemas estáticos
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Grado de humificación
La humificación de la MO durante el compostaje lleva a la formación de ácidos húmicos,
aumentando el peso molecular (polimerización), sus características aromáticas, concentración de
O, N y de grupos funcionales.
El valor agronómico del compost es mayor cuando su MO alcanza un
alto grado de humificación.
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Evolución de la materia orgánica
Tiempo
(días)
CW
(%)
CW/Norg
CFA
(%)
CHA
(%)
CHA/ CFA HI CEC
(cmolc kg-1)
GI
(%)
0
21
35
49
105
2,27
2,02
1,88
1,66
1,12
1,17
0,71
0,59
0,54
0,34
3,75
3,80
3,73
3,11
2,57
7,18
7,42
7,79
7,75
7,90
1,91
1,95
2,09
2,49
3,07
16,4
18,6
22,6
21,5
22,2
53,5
95,3
109,9
100,7
124,4
77,8
65,4
n.d.
71,1
89,4
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Parametros de humificación
Relación de humificación: CEX/Corg x 100;Indice de humificación: CHA/ Corg x 100;Porcentaje de ácidos húmicos: CHA/ CEX x 100;Indice de polimerización : CHA/CFA.
Composición elemental y grupos funcionales,
Relación E4/E6,
Distribución del peso molecular,
Electroforesis & electroenfoque,
Pirolisis - cromatografia de gases-masas (GC-MS),
Análisis espectroscópico (IR, FT-IR, ESR, RMN, FTIR, NIRS, etc).
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Calidad: Madurez - Estabilidad
El requisito principal de un compost de calidad para poder ser usado en la
agricultura con seguridad, es su grado de estabilidad y madurez, que implica una
materia orgánica estable, la ausencia de compuestos fitotóxicos y de microorganismos
patógenos.
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Definiciones
Estabilidad se refiere a un estado específico o de descomposición o estado de la MO durante el compostaje, que está relacionado con el tipo de compuestos orgánicos que permanecen en el compost y de la actividad biológica resultante. Madurez es el grado o nivel de terminación del compostaje e implica una mejora de sus propiedades resultante de la “edad” o “curado” del producto.
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Criterios de madurez del compost
Físicos: color, olor, temperatura. Químicos: pH, características de MO en fase solida y liquida, C/N, formas de N, CCC, grado de humificación, etc.Biológicos: Actividad microbiana, fitotoxicidad.
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Criterios químicos (1)
Hidrosoluble:
Nitrificación:
Otros:
Corg/Norg 5-6Corg/total-N < 0.55Corg< 1.7
NH4-N < 400 µg g-1
NH4-N/NO3-N < 0.16
C/N < 12CEC >60 meq/100 gCEC/Corg>1.9
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Criterios químicos (2)
Humificación: CFA ≤ 12.5 g kg-1
CEX ≤ 60 g kg-1
CEX/CW ≥ 6.0
HI: (CHA/ Corg x 100) > 13 %PHA: (CHA/ CEX x 100) > 62 %CHA/CFA > 1.6
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Biológicos
Actividad microbiana
Fitotoxicidad Test de germinación: IG >50 %Test de crecimiento vegetal
RespiraciónBiomasa microbiana, actividades enzimáticas, ATP, N-mineralización, nitrificación
Compuestos biodegradables
Consumo O2
Producción CO2
Auto-calentamiento
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Actividad microbiana
Respiración:Producción de CO2 < 120 mg/kg/h; 1 mg C/g/d; 0,5 mg C/g MO/d
Consumo de O2 < 7 mg/g en 7 d.
Mineralización de C-orgánico < 30 % en 70 d.
Velocidad de mineralización lenta <0,35 % /d.
BOD5: 6 – 25 mg O2/ g de MO.
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Actividad enzimática:Deshidrogenasa < 35 µg TPF/g
Respiración: criterio de calidad
UE: 2º Borrador “Tratamiento Biologico de Biorresiduos”AT4: < 10 mg O2/g dmDRI: < 1000 mg O2/kg VS/h
UK Composting Association (mg CO2/g VS/d):>20, activo y altamente inestable <6 semanas; 16.0-19.9, muy inmaduro e inestable con 6-8 semanas; 12.0-15.5, inmaduro e inestable con 8-10 semanas; 8-11.9, madurando y estabilizando con 10-14 semanas; 6.0-7.9, maduro y relativamente estable con14-20 semanas; <6.0, muy estable y maduro con >20 semanas de compostaje.
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Actividad microbiana
Fitotoxicidad Test de germinación: IG >50 %Test de crecimiento vegetal
RespiraciónBiomasa microbiana, actividades enzimáticas, ATP, N-mineralización, nitrificación
Compuestos biodegradables
Biológicos
Fitotoxicidad: test de germinación
Composting time (days)0 28 56 84 112 140 168 196 224 252 280
Ger
min
atio
n in
dex
(%)
0
20
40
60
80
100
OMSW + cotton wasteOMSW + cotton waste + ureaOMSW + grape stalk + ureaOMSW + olive leaves
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Fitotoxicidad: test de crecimiento
0 2 1 4 90
1
2
3
4
5
6
7
8
9Fr
esh
wei
ght
0 2 1 4 9 días
Suelo
Suelo + C. inmaduro
Suelo + C. Maduro
Peso fresco
Eficacia fertilizante de N
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
I I 21 I 49 T A M M 21 M 49
Treatments
N e
ffici
ency
(%)
11+21+2+3
Cosechas
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Compost:I: inicialT: termófiloA: fase activaM: maduro
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Mineralización-N - madurez
Time (days)
0 10 20 30 40 50 60 70
N-m
iner
alis
atio
n (%
of t
otal
-N)
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30Raw wasteBiooxidative compostMature compost
InmaduroPoco maduroMaduro
Madurez : CCQC
Estabilidad Very stable Rating stable Less stable Specific Oxygen uptake rate CO2 evolution rate Dewar Self-Heating test Headspace CO2 (Solvita) Biologically available C
mg O2/g OM/d mg CO2-C/g OM/d Dewar index % CO2 (code) mg CO2-C/g OC/d
<12 <2 V ≤0.5 (7-8) <2
12-36 2-8 IV 1-2 (5-6) 2-4
>36 >8 III, II, I 4-20 (1-4) >4
Madurez Very mature Rating mature Immature NH4-N NH4-N/NO3-N Seedling emergence Seedling vigor In-vitro germination index NH3 (Solvita) Volatile fatty acids
mg/kg dw - % of control % of control % of control mg NH3-N (code) mmol/g dw
<75 <0.5 >90 >95 >90 0.02 (5) <200
75-500 0.5-3.0 80-90 85-95 80-90 0.1 (4) 200-1000
>500 >3.0 <80 <85 <80 0.3-3 (3-1) >1000
C/N < 25 y al menos uno de los parámetros de cada grupo
Seminario “Mitigación del cambio climático a través de la nutrición animal y el manejo de residuales”Guadalajara, México, 13 Mayo 2011
Evaluación de la madurez (CCQC)
Muy maduro Maduro Inmaduro
Muy estable Muy maduro
Estable Maduro
Poco estable Inmaduro
Muy maduro: Para sustrato de cultivo sin suelo, macetas y semillero, alternativo a la turba.Maduro: uso agrícola en general, viñedo, cultivos hortícolas, fertilizante orgánico.Inmaduro: aplicación al suelo en barbecho, inóculo de compost.
Seminario “Mitigación del cambio climático a través de la nutrición animal y el manejo de residuales “Guadalajara, México, 13 Mayo 2011
ConclusionesEl compostaje de residuos de animales es una tecnología adecuada pata producir compost de alta calidad, que proporcione un valor añadido al estiércol.Es necesario utilizar un agente estructuranteadecuado y controlar el proceso para obtener un compost con alto contenido en nutrientes. La evaluación de la madurez del compost es necesario para garantizar la calidad del compost para usos específicos.
Seminario “Mitigación del cambio climático a través de la nutrición animal y el manejo de residuales”Guadalajara, México, 13 Mayo 2011