Translate PaperArtículo originalObtención de compost mediante la biotransformación de residuos de mercados agropecuarios
Clara García-Ramos [1] [*]
Noel J. Arozarena-Daza [2]
Francisco Martínez-Rodríguez [1]
Marcela Hernández-Guillén [1]
José Ángel Pascual-Amaro [1]
[1] Instituto
de Suelos/Ministerio de la Agricultura. Autopista Costa-Costa, y
Antigua Carretera de Vento, Km. 8½., Capdevila, Boyeros. La Habana, Cuba
[2] Instituto
de Investigaciones Fundamentales en Agricultura Tropical “Alejandro de
Humboldt” INIFAT/Ministerio de la Agricultura. Calle 188 No. 38754 entre
397 y Linderos, Santiago de las Vegas, Boyeros, La Habana, Cuba
[3] Unidad
Provincial Presupuestada de Recogida y Disposición Final de
Basura/Gobierno Provincial La Habana. Calle 100 y Línea del Ferrocarril.
Marianao, La Habana, Cuba
[*] Autor para correspondencia. clara.garcia@isuelos.cu
RESUMENLa generación de residuos sólidos urbanos en La Habana ciudad con más de dos millones de habitantes alcanza los 20 000 m3
diarios y demanda alternativas eficientes para su manejo y tratamiento;
una fracción considerable corresponde a residuos de productos
agrícolas, derivados del funcionamiento de más de 300 mercados públicos
existentes, que por su naturaleza química pueden convertirse en fuente
de obtención de portadores de materia orgánica para la agricultura. Para
evitar impactos ambientales desfavorables asociados a la acumulación y
descomposición de estos residuos, se evaluó su biotransformación como
alternativa de tratamiento; se compostaron bajo dos tratamientos los
residuos sólidos urbanos generados en mercados (básicamente de frutas,
hortalizas, viandas, raíces y tubérculos), a saber: adición de un 20 %
de estiércol vacuno usado como inoculante microbiano para acelerar el
proceso de biotransformación y sin dicho inóculo; al material
biotransformado obtenido se le evaluó el pH, la conductividad eléctrica y
los contenidos de materia orgánica, fósforo, potasio, calcio, magnesio,
cobre, cinc, cadmio y plomo; también se le determinaron el índice de
germinación, la respiración basal y la presencia de microorganismos
patógenos (coliformes totales y fecales y Salmonella sp.). Las
compostas obtenidas sirven para preparar sustratos de uso agrícola, en
mezclas con suelos de reacción ácida; su uso no implica afectaciones por
microorganismos patógenos ni por metales pesados, según normas
internacionales vigentes, lo que valida la vía de tratamiento
seleccionada para estos residuos.
INTRODUCCIÓNLos
residuos sólidos urbanos (RSU) son los materiales de desecho (basura,
desperdicio, lodos, etc.) de carácter heterogéneo, generados por las
actividades ininterrumpidas, múltiples y simultáneas, propias de los
núcleos poblacionales o sus zonas de influencia y que deben ser
colectados o tratados por carecer de valor económico, por razones
sanitarias, para evitar la ocupación de espacio y por razones estéticas 1.
Su
generación y acumulación constantes constituyen uno de los principales
desafíos que enfrenta la sostenibilidad de los asentamientos humanos,
principalmente a causa del aumento de la población urbana, que en el
contexto latinoamericano representa ya, más del 75 % de la población
total 2; es importante recordar que uno de
los indicadores de desarrollo sostenible de los asentamientos urbanos
es, precisamente, el porcentaje de basura urbana reciclada, respecto al
volumen total de generación diaria de ese tipo de desecho.
Una
alternativa de enfrentamiento a esa situación, lo es el aprovechamiento
o reciclaje de algunos componentes de las basuras urbanas: a esa visión
responden las acciones de recuperación de materias primas (plástico,
vidrio, metal, papel, escombros, etc.) presentes en los RSU 3;
otra práctica común es el uso de la fracción biodegradable de los RSU,
para la obtención de portadores de materia orgánica de uso agrícola 4-6.
En ambos casos se consigue disminuir la cantidad de residuos a
disponer, lo que alarga la vida útil de los vertederos, obteniéndose
impactos positivos, para el medio ambiente y la economía 7.
No
es ajena La Habana a la problemática descrita, a la que se suma la
demanda no satisfecha de portadores de materia orgánica, de parte del
sistema de agricultura urbana, suburbana y familiar, comprometido con el
abasto a la población de condimentos, frutas y hortalizas 8.
Sin embargo, el aprovechamiento de la fracción orgánica de los RSU, ya
sea vía lombricultura o compostaje, si bien contribuye a solucionar
ambos problemas, también implica la responsabilidad de garantizar la
inocuidad y calidad de los alimentos producidos, a la vez que la
preservación ambiental, aspectos que han hecho muy vulnerables y
cuestionadas las prácticas de manejo y tratamiento de RSU, que incluyen
su procesamiento con fines de uso agrícola 9-11.
Con
el estudio realizado, se pretendió aportar elementos técnicamente
fundamentados al debate sobre la temática, a partir de la identificación
de aspectos a tener en cuenta en la biotransformación mediante
compostaje, de RSU generados en mercados agropecuarios de La Habana.
MATERIALES Y MÉTODOSLotes
de 12000 ± 100 kg de residuos sólidos provenientes de diferentes
mercados agropecuarios, se usaron para establecer pilas de compostaje de
3.00 m de ancho x 5,00 m de largo x 2,00 m de alto, en áreas de la
Unidad Provincial Presupuestada de Recogida y Disposición Final de
Basura, ubicada en el municipio Marianao y perteneciente a la Dirección
de Servicios Comunales de La Habana.
Se
estableció como esquema de trabajo, el montaje de dos tratamientos o
variantes, cada una con tres repeticiones dispuestas en un área de 50 m2
bajo techo y con las condiciones de riego y drenaje requeridas por el
trabajo a realizar: tratamiento A) Pilas de 100 % v de residuos de
mercados agropecuarios y tratamiento B) Pilas de 80 % v de residuos de
mercados agropecuarios + 20 % v de estiércol vacuno parcialmente
descompuesto, como inoculante para acelerar la biotransformación.
Cada
montaje se repitió dos veces en el año (febrero-mayo y septiembre a
diciembre), para descartar efectos de la variación en la composición del
material de partida; tanto el estiércol vacuno (EV) como los residuos
de mercados agropecuarios (RMA) fueron homogenizados en cuanto a tamaño
de las fracciones entre 5 cm y 10 cm de diámetro 7,
para garantizar la mayor superficie de contacto o interacción durante
el proceso de compostaje y a la vez prevenir, compactación y
anaerobiosis 12,13;
se dispuso de viraje mecanizado diariamente hasta la fase termófila y
posteriormente con frecuencia semanal, hasta la maduración del compost.
Antes de cada viraje, se midió la temperatura con un termómetro (°C;
tres repeticiones/variante/fecha) a 0,20 m 14,15 y 0.60 m de profundidad en las pilas 16.
La adición del agua se realizó semanalmente en coincidencia con el
viraje. Se tomaron y analizaron muestras compuestas de 1 kg de masa, del
EV, de los RMA, de las pilas, al momento del montaje y del compost
obtenido en cada caso, con un total de tres repeticiones por cada
material a analizar; las determinaciones analíticas y los métodos
utilizados se muestran a continuación en la Tabla 1.
A los resultados obtenidos en los dos momentos
en que se realizó el estudio se les determinó la media. Las muestras de
estiércol y la temperatura, fueron procesadas para el cálculo de valor
promedio y desviación estándar; los datos de las muestras de RMA, de
pilas de compostaje y de compost, se procesaron para cálculo de rango,
mediana y media de las siguientes variables: pH, conductividad eléctrica
y contenidos de materia orgánica, fósforo, potasio, magnesio, cobre,
cinc, cadmio y plomo.
RESULTADOS Y DISCUSIÓNLa temperaturaEl registro de la temperatura a las profundidades seleccionadas aparece en la Figura 1,
para las pilas sin estiércol vacuno y con dicho inóculo. En ambos
casos, se muestra la sucesión de las fases propias de la degradación
bioquímica de la materia orgánica fermentable, que tuvo lugar durante el
compostaje; esa tendencia fue independiente de la profundidad a la que
se tomó el dato correspondiente; los valores de la medición a 0.20 m
resultaron inferiores por tratarse de la zona más superficial de las
pilas, aspecto que corrobora la importancia del volteo, para garantizar
la homogeneidad de la biotransformación y la calidad de su resultado 28-30
y favorecer la actividad de las oxidasas producidas por los
microorganismos descomponedores y lograr temperaturas uniformes en la
masa en transformación, lo que se expresa en la calidad y uniformidad
del producto final 31.
Las
diferencias entre ambos tratamientos se deben a que, si bien la materia
orgánica a transformar contiene una carga propia o natural de
microorganismos participantes en la biodegradación, también es
reconocido que el empleo de otros portadores de microorganismos
contribuye a aumentar la población microbiana y reducir el tiempo de
elaboración y maduración de compostas 31.
Variación
de la temperatura [T; ºC] durante el compostaje de RMA y de RMA +
estiércol vacuno, [datos promedio de seis observaciones por fecha]
Las líneas verticales corresponden a la desviación estándar
Así, el adelanto del orden de los diez días
que se logró con la mezcla descrita como variante B, para alcanzar la
maduración de las compostas, se explica por el incremento de la
actividad microbiana, asociado a la inclusión del estiércol en el
proceso 32. Tras evaluar el compostaje de residuos de maní, con inclusión de pollinaza 31
informó reducciones del tiempo de descomposición y aumentos adelantados
de la temperatura durante el compostaje, a favor de los tratamientos
con estiércol efecto que se mantiene incluso frente a la inoculación de
los residuos con un biopreparado de B. cereus y T. longibrachiatum
formulado para estimular el compostaje. Vale comentar que la
incorporación del estiércol en la proporción establecida implicó una
mejora en la uniformidad del material dispuesto en las pilas: a eso se
debe la mayor cercanía entre los valores de temperatura tomados a cada
profundidad, para el tratamiento B respecto al A.
En
ambos tratamientos se alcanzó la etapa termofílica, lo que garantizó la
higienización o desinfección biológica del producto final respecto a
microorganismos patógenos, como resultado de la incidencia simultánea de
las altas temperaturas, la presencia de sustancias químicas de efecto
antibiótico y la generación in situ de vapores y productos tóxicos causada por el calentamiento y la transformación química 33.
En la Tabla 2
se muestra que durante la primera semana de compostaje no hubo
diferencias significativas entre los tratamientos, posteriormente
comienza a incrementarse la temperatura debido a la rápida
transformación de los materiales solubles y de elevada disponibilidad
(azúcares, aminoácidos) mediados por la acción de poblaciones de
bacterias y hongos mesófilos 34.
A partir de los 14 días del proceso de
compostaje y hasta el día 28, en los tratamientos donde se incorporó el
estiércol vacuno se observaron diferencias significativas con respecto a
los tratamientos donde no se incorporó dicho inóculo, lo que puede
atribuirse a la carga microbiana presente en el estiércol 32, que permite la elevación de la temperatura. Estos resultados fueron diferentes a los obtenidos por 34
quienes obtuvieron diferencias significativas a partir de la tercera
semana de compostaje en residuos de alimentos y su inoculación con un
biopreparado comercial y un biopreparado de B. cereus y T. longibraquiatum usado como aceleradores del proceso de compostaje, atribuyendo este comportamiento a la poca altura de las pilas.
Puede
observarse que hasta los 49 días ocurre una mayor elevación de la
temperatura en las variantes que están inoculadas con estiércol. A
partir de ese tiempo hay una disminución de la temperatura en todas las
variantes sin embargo a partir del día 63 hasta el día 70 no hay
diferencias significativas entre los tratamientos y posteriormente se
observa que en los tratamientos con estiércol presentan temperaturas más
bajas lo que se relaciona con el aporte del estiércol en una primera
etapa de carbono fácilmente biodegradable lo que proporciona condiciones
para la actividad microbiológica y por lo tanto mayor disponibilidad de
energía hasta que se agota la fuente carbonada por lo que la
temperatura comienza a descender.
Análisis inicial de muestras de estiércol y de las pilas al inicio del compostajeCaracterización química y física químicaLa Tabla 3
muestra los resultados de la caracterización del estiércol vacuno. La
mayoría de los microorganismos que intervienen en el proceso de
descomposición de la materia orgánica se desarrollan bien en un medio
poco ácido o neutro y aún mejor si es ligeramente alcalino 7,
lo que indicaría otra ventaja a favor del empleo de estiércol en este
caso, si se toma en cuenta que su aplicación representó el 20 % de la
masa de las pilas. Una tendencia igualmente coincidente, se obtuvo para
el contenido de materia orgánica, lo que permite afirmar que el
estiércol utilizado no mostró para estas propiedades, desviaciones
respecto a los resultados tradicionalmente obtenidos para su
caracterización con fines de su uso agrícola, en el país 35,36.
Para la interpretación de los valores de
potasio y sodio, se tuvo en cuenta que los estiércoles son materiales de
composición muy variable y dependiente de factores tan diversos como la
calidad y cantidad de alimento suministrado a los animales, la edad o
fase de desarrollo en que se encuentren los mismos, la época estacional,
entre otros 16: por estas razones es que
los estiércoles son reconocidos más como enmendantes, por su condición
de portadores de materia orgánica y sus efectos sobre las propiedades
físicas y biológicas de los suelos, que por su aporte neto de elementos
nutrientes.
La Tabla 4 ofrece
los resultados de la caracterización de muestras iniciales de pilas de
RMA según tratamientos A y B. Los valores de pH al inicio del compostaje
resultaron alcalinos, lo cual es típico de estos residuales orgánicos 29.
Los porcentajes de materia orgánica en los tratamientos alcanzaron
valores similares a los informados para residuales del mismo origen 29
y ratifican la posibilidad de uso de los residuos sólidos empleados,
para la elaboración de compostas, lo que representa una opción atractiva
para su manejo y para la reducción del creciente volumen de materiales
de desecho que se envían a diario hacia los vertederos de la ciudad.
En cuanto a la conductividad eléctrica, los valores fueron similares a los obtenidos por 29,
al iniciar el compostaje de lotes de residuos de mercados,
respectivamente. Estos valores no tienen que asumirse como definitivos,
ya que durante el compostaje ocurren numerosas transformaciones químicas
que también tienen como resultado, la formación de productos y
sustancias capaces de incidir en las magnitudes de esta propiedad.
Cabe
destacar, que los valores del pH, el porcentaje de materia orgánica y
la conductividad eléctrica mostraron desde el punto de vista estadístico
poca variabilidad, independientemente de la época del año en que se
realizara el estudio ~ el coeficiente de variación máximo entre las
determinaciones analíticas realizadas, no superó el 9,6 %~, algo que los
autores consideran asociado al hecho de que se trató, genéricamente, de
un tipo único de residual y válida para las condiciones de la capital
cubana, la opción de recogida o acopio de los residuos sólidos urbanos,
por separado y en función de su posible empleo posterior.
No obstante lo anterior, los residuos
sólidos generados por la actividad de mercados agropecuarios, no pueden
considerarse como un material de composición homogénea, por su origen y
por los factores de diversa índole que inciden en su generación, manejo y
acopio. Así se explica la variabilidad que expresan los resultados del
análisis químico para los contenidos de sodio, potasio, magnesio y
metales pesados. No existen datos publicados sobre semejantes estudios
en este tipo de RSU, por lo que esta información podría servir de
referente para posteriores y necesarias evaluaciones de los mismos.
Estudios realizados establecieron en suelos cubanos, valores de 8,2 mg∙kg-1 y de 28,6 mg∙kg-1 para Pb y Cu 37,
por lo que los resultados señalan, que al empleo de los residuos en la
obtención de sustratos de uso agrícola, no se asocian riesgos de
contaminación ambiental por la presencia de estos elementos y que en
este caso, por la forma en que se seleccionaron ~in situ y en las dos
épocas estacionales del año y desde las unidades o mercados generadores~
son representativos del estándar de calidad química de este tipo de
material. Para Cd y Zn, los valores también resultaron notablemente
bajos, de acuerdo a lo comentado por este autor en su estudio sobre los
microelementos en la agricultura.
Por los
resultados obtenidos se desestimó realizar el análisis de estos
elementos en las compostas; no obstante, se recomienda el monitoreo
regular de los materiales de partida, para asegurar la calidad de uso de
las compostas elaboradas. Similares resultados fueron reportados por 38 al evaluar los contenidos de Cd, Pb, Ni, Cr, Zn y Cu en compostas de residuos de cosecha y su mezcla con estiércol vacuno.
Finalmente, si bien la discusión anterior se ajusta a la información mostrada en la Tabla 4,
no resulta ocioso comentar que las diferencias entre ambos
tratamientos, se debe al efecto de la adición de estiércol a los RMA al
momento de conformar las pilas de compostaje, lo que al parecer supuso
por su magnitud ~20 % de la cantidad total~ un efecto de dilución que
dio lugar a la disminución de la concentración de algunos elementos
químicos y con ello, de la conductividad eléctrica.
Caracterización biológicaMicroorganismos Patógenos
La Tabla 5
muestra los contenidos de microorganismos patógenos correspondientes a
los tratamientos A y B. Los valores de la determinación de la presencia
de coliformes fueron notablemente inferiores al límite de menos de 1000
NMP de individuos/g de peso seco 7, como criterio de calidad aceptable de uso para este tipo de material; también hubo ausencia total de Salmonella.
Esta información señala que los RSU utilizados, no son un material
contaminante o de riesgo por la presencia de estos microorganismos, lo
que se suma al hecho de que la vía de su identificación y acopio, los
hace representativos del estándar de calidad microbiológica de este tipo
de material.
Este patrón de respuesta para los análisis microbiológicos, junto al carácter pasteurizador 33,
como atributo de los procesos de compostaje fundamenta la decisión de
no realizar similares análisis a las compostas obtenidas en casos como
este, si bien los mismos son indispensables para los materiales de
entrada al proceso.
Obviamente, la mayor cantidad de coliformes totales propia del tratamiento B, se debe a la inclusión del estiércol vacuno 39, como parte del material presente en las pilas de compostaje.
Caracterización de compostas obtenidas a partir de residuos sólidos de mercados agropecuarios de La HabanaCaracterización químicaLos resultados del análisis químico de las compostas obtenidas según los tratamientos A y B, se muestran en la Tabla 6.
Los valores de pH fueron similares a 29 al evaluar este parámetro en compostas de residuos agrícolas con valores de 8,85. Estudios realizados por 40
en la descomposición de residuos orgánicos bajo un sistema de
compostaje abierto y cerrado asociaron el aumento del pH a las altas
temperaturas ocurridas durante la etapa termofílica debido a la acción
metabólica de algunos tipos de ácidos como los carboxílicos y los grupos
fenólicos y la consecuente mineralización de la materia orgánica.
Las compostas maduras de RSU presentan un pH neutro o ligeramente alcalino 36;
las desviaciones de ese comportamiento indicarían falta de
completamiento en la maduración de las compostas y consecuentemente, que
no están aptas para su uso agrícola. Por esa calidad de base, las
compostas pueden ser utilizadas como enmendantes de suelos ácidos, donde
se produce un aumento del pH en los mismos, amortiguando incluso, los
descensos de pH que ocasionan algunos fertilizantes minerales, en tanto
sobre suelos neutros o alcalinos, igual proceder no provoca cambios
apreciables sobre el pH 41.
Los valores de conductividad eléctrica resultaron adecuados al rango que proponen para ese indicador 36, quienes reconocen en compostas de RSU, concentraciones relativamente elevadas de sales y coinciden con 42,43
al señalar que su aplicación al suelo, especialmente a dosis elevadas,
puede aumentar el contenido de sales de este medio, lo que tendría un
efecto adverso sobre la germinación y desarrollo de especies de interés
agrícola. Sin embargo, no deja de resultar alentador que, como resultado
de la incorporación de estiércol al proceso, la conductividad eléctrica
disminuyó notablemente en el orden del 40 % dando lugar así a un
producto de menor impacto sobre similar propiedad del suelo.
Los
porcentajes de materia orgánica, que equivalen en cualquier caso a no
menos del 85 % de los valores propios de los materiales
biotransformados, se pueden interpretar como indicadores de eficiencia
en el aprovechamiento de los RSU procesados. Está documentado que
durante el compostaje, se suceden eventos de reducción de la cantidad de
materia orgánica presente, a través de procesos de mineralización que
implican pérdida de carbono en forma de CO2 y que pueden llegar a reducir hasta en un 20 % la masa inicial del material sometido a la biotransformación; Otros autores 31 han descrito desde sus respectivas experiencias eventos similares. Sin embargo, 7 plantean que los valores de materia orgánica al final del proceso de compostaje resultaron adecuados al estar superior al 20 %.
Los contenidos de sodio, potasio y magnesio son inferiores a sus correspondientes valores iniciales en la Tabla 4,
lo que se relaciona, además de con la reducción de la masa de material
durante el compostaje, con la posible pérdida de ambos elementos por
lixiviación que ocurre en las pilas, a través de todo el proceso de
compostaje; igual interpretación ofrecen 29.
Caracterización biológicaFitotoxicidad
Un
adecuado proceso de compostaje de los residuos orgánicos y el logro de
una composta de calidad debe garantizar su empleo en la agricultura, sin
que provoque efectos perjudiciales para el suelo o las plantas. Sin
embargo, se ha señalado que no hay mayor consenso en cuanto a la
determinación del momento o las condiciones de las compostas 31.
Así,
la madurez de las compostas se puede establecer mediante ensayos de
germinación, con especies sensibles a sustancias fitotóxicas. Un
material sin terminar de compostar contiene compuestos químicos
inestables como ácidos orgánicos que resultan tóxicos para las semillas y
plantas 7 y que han mostrado tener un efecto inhibitorio en la germinación de semillas de determinadas especies.
En cuanto a la fitoxicidad, en la Tabla 7 se aprecian los resultados de la prueba de germinación conducida con Raphanus sativum L. Ambas compostas (tratamientos A y B) presentaron fitotoxicidad moderada, según la gradación propuesta por 23,
si bien la composta producida según la variante B, se caracterizó por
una mejor respuesta, de acuerdo con el rango establecido por los autores
para la evaluación y que admite valores desde 50 % hasta 80 % para esa
categoría del indicador.
Algunos autores han relacionado esta
afectación, con la elevada concentración de sales que se le atribuye a
las compostas, a causa de los valores de conductividad que las
caracterizan 44 siendo así, esta propiedad
no invalidaría el uso de las compostas obtenidas en este caso, toda vez
que el mayor valor de uso de los portadores de materia orgánica en la
agricultura cubana, se asocia a su empleo como componentes de sustratos
elaborados para la producción de plántulas de diversas especies de
interés y para la producción en condiciones de organoponía.
No
obstante, si bien el resultado no limita el empleo del compostaje como
alternativa de manejo de estos RSU, la mejor respuesta obtenida con la
inclusión de estiércol como inoculante microbiano en varias de las
evaluaciones, también identifica demandas de conocimiento a atender en
la búsqueda de la mejor opción de tratamiento para estos residuales.
Respiración basal
En la Tabla 8
se muestra el resultado de las pruebas de respiración basal realizadas a
las muestras de las compostas obtenidas en los tratamientos A y B. Esta
prueba se aplicó como indicador o criterio de terminación del proceso
de biotransformación donde valores < 2 mg CO2∙g de muestra-1
corresponden a una reducción notable de la actividad microbiana,
asociable al cese del compostaje y por extensión, a la maduración o
estabilización biológica del compost 45.
Nótese como los valores obtenidos cumplen
con los criterios de uso del indicador, para cualquiera de las variantes
de compostaje puestas en práctica; este resultado permite afirmar que
el proceso de compostaje transcurrió en 112 días, según el tratamiento A
y en 105 días ~una semana menos~ con la adición de estiércol vacuno, o
sea: según la variante B, tal y como se observa en la Figura 1 en que se muestran los respectivos momentos en que se alcanzó la temperatura ambiente.
CONCLUSIONES
El
compostaje es una alternativa viable para el manejo de residuos sólidos
urbanos generados por mercados agropecuarios y la obtención de un abono
orgánico de posible uso agrícola.
La
inclusión de estiércol vacuno como inoculante microbiano en dicho
proceso mejora la eficiencia de la biotransformación y permite acortar
su duración en diez días.
Los contenidos
de metales pesados y la presencia de microorganismos patógenos en estos
materiales de desecho, no ofrecen riesgos de contaminación ambiental,
asociados ni a su acopio y manejo con fines de compostaje, ni al uso
agrícola de las compostas producidas.
El
proceso de biotransformación a través del compostaje de este tipo de
RSU permite el recobrado en las compostas, de un elevado porcentaje del
contenido de materia orgánica inicialmente presente.
Traducir DocumentoOriginal ArticleObtaining compost from agricultural waste markets biotransformation
Clara García-Ramos [1] [*]
Noel J. Arozarena-Daza [2]
Francisco Martínez-Rodríguez [1]
Marcela Hernández-Guillén [1]
José Ángel Pascual-Amaro [1]
[1] Instituto
de Suelos/Ministerio de la Agricultura. Autopista Costa-Costa, y
Antigua Carretera de Vento, Km. 8½., Capdevila, Boyeros. La Habana, Cuba
[2] Instituto
de Investigaciones Fundamentales en Agricultura Tropical “Alejandro de
Humboldt” INIFAT/Ministerio de la Agricultura. Calle 188 No. 38754 entre
397 y Linderos, Santiago de las Vegas, Boyeros, La Habana, Cuba
[3] Unidad
Provincial Presupuestada de Recogida y Disposición Final de
Basura/Gobierno Provincial La Habana. Calle 100 y Línea del Ferrocarril.
Marianao, La Habana, Cuba
[*] Author for correspondence. clara.garcia@isuelos.cu
ABSTRACTThe generation of solid urban waste in Havana city with more than two million habitants reaches 20,000 m3
per day and demands efficient alternatives for its management and
treatment. A considerable fraction corresponds to agricultural products
residues, derived from the operation of more than 300 existing public
markets, which due to their chemical nature can become a source to
obtain organic matter carriers for agriculture. The biotransformation of
these wastes was evaluated as an alternative treatment to avoid
unfavorable environmental impacts associated to their accumulation and
decomposition; the urban solid waste from the markets was composted (of
fruits, vegetables, roots and tubers). The biotransformed material was
evaluated for pH, electrical conductivity and the contents of organic
matter, phosphorus, potassium, calcium, magnesium, copper, zinc, cadmium
and lead; the germination index, basal respiration and the presence of
pathogenic microorganisms (total and fecal coliforms and Salmonella
sp.) were also determined. The obtained compost serves to prepare
substrates for agricultural use, in mixtures with acid reaction soils.
Its use does not imply contaminations by pathogenic microorganisms nor
by heavy metals, according to valid international norms, which validates
the selected treatment route for these residues.
INTRODUCTIONUrban
solid waste (MSW) are waste materials (garbage, waste, sludge, etc.) of
a heterogeneous nature, generated by uninterrupted, multiple and
simultaneous activities, typical of population centers or their areas of
influence and that must be collected or treated for lack of economic
value, for sanitary reasons, to avoid the occupation of space and for
aesthetic reasons 1.
Its
constant generation and accumulation constitute one of the main
challenges facing the sustainability of human settlements, mainly
because of the increase in the urban population, which in the Latin
American context already represents more than 75 % of the total
population 2. It is important to remember
that one of the indicators of sustainable development of urban
settlements is precisely the percentage of recycled urban waste, with
respect to the total daily generation volume of this type of waste.
An
alternative to cope with this situation is the use or recycling of some
components of urban waste: to that vision respond the actions of
recovery of raw materials (plastic, glass, metal, paper, rubble, etc.)
present in the RSU 3. Another common
practice is the use of the biodegradable fraction of MSW, to obtain
organic matter carriers for agricultural use 4-6.
In both cases, it is possible to reduce the amount of waste to be
disposed of, which extends the useful life of the landfills, obtaining
positive impacts for the environment and the economy 7.
Havana
is no stranger to the problem described, to which the unsatisfied
demand of carriers of organic matter, from the urban, suburban and
family farming system, committed to the supply of condiments, fruits and
vegetables to the population is added 8.
However, the use of the organic fraction of the MSW, whether via
vermiculture or composting, although it contributes to solving both
problems, also implies the responsibility of guaranteeing the safety and
quality of the food produced, as well as the environmental
preservation. The aspects that have made the management and treatment
practices of MSW very vulnerable and questioned, including its
processing for agricultural use purposes 9-11.
With
the study carried out, it was intended to contribute technically based
elements to the debate on the subject, based on the identification of
aspects to be taken into account in the biotransformation through
composting, of MSW generated in agricultural markets of Havana.
MATERIALS AND METHODSBatches
of 12000 ± 100 kg of solid waste from different agricultural markets
were used to establish composting piles 3.00 m wide x 5.00 m long x 2.00
m high, in areas of the Provincial Budget Unit of Garbage Collection
and Final Disposal, located in the Marianao municipality and belonging
to the Directorate of Community Services of Havana.
It
was established as a work scheme, the assembly of two treatments or
variants, each with three repetitions arranged in an area of 50 m2
indoor and with the irrigation and drainage conditions required by the
work to be performed. Treatments: A) Stacks of 100 % v of waste from
agricultural markets and treatment B) Stacks of 80 % v of waste from
agricultural markets + 20 % v of partially decomposed cattle manure, as
inoculant to accelerate biotransformation.
Each
assembly was repeated twice in the year (February-May and September to
December). To rule out effects of the variation in the composition of
the starting material; both cattle manure (EV) and agricultural market
waste (RMA) were homogenized in terms of size of the fractions between 5
cm and 10 cm in diameter 7. To ensure the
greatest contact or interaction surface during the process of composting
and at the same time prevent, compaction and anaerobiosis 12,13;
mechanized turning was available daily until the thermophilic phase and
then weekly, until the compost maturation. Before each turn, the
temperature was measured with a thermometer (°C; three
repetitions/variant / date) at 0.20 m (14.15) and 0.60 m deep in the stacks 16.
The water addition was carried out weekly in coincidence with the turn.
Samples composed of 1 kg of mass, EV, RMA, stacks were taken and
analyzed at the time of assembly and compost obtained in each case, with
three repetitions for each material to be analyzed; the analytical
determinations and the methods used are shown in Table 1 below.
The results obtained in the two moments in
which the study was carried out were determined by the average. The
manure and temperature samples were processed for the calculation of
average value and standard deviation; The data of the RMA samples,
composting and compost piles, were processed to calculate the range,
median and average of the following variables: pH, electrical
conductivity and organic matter contents, phosphorus, potassium,
magnesium, copper, zinc , cadmium and lead.
RESULTADS AND DISCUSSIONTemperatureThe temperature record at the selected depths appears in Figure 1,
for piles without cattle manure and with such inoculum. In both cases,
the succession of the phases of the biochemical degradation of the
fermentable organic matter, which took place during composting. It is
shown; that trend was independent of the depth at which the
corresponding data was taken. The measurement values at 0.20 m were
lower because it is the most superficial area of the piles, an aspect
that corroborates the importance of the turnaround, to guarantee the
homogeneity of the biotransformation and the quality of its result 28-30.
In addition, it favors the activity of oxidases produced by decomposing
microorganisms and achieving uniform temperatures in the mass in
transformation, which is expressed in the quality and uniformity of the
final product 31.
The
differences between the two treatments are due to the fact that,
although the organic matter to be transformed contains its own or
natural load of microorganisms participating in biodegradation, it is
also recognized that the use of other microorganism carriers contributes
to increasing the microbial population and reducing the time of
elaboration and maturation of composts 31.
Temperature variation [T; ºC] during the composting of RMA and RMA + cattle manure, [ average data of six observations per date]
The vertical lines correspond to the standard deviation
Thus, the advance of the order of the ten
days that was achieved with the mixture described as variant B, to reach
the maturation of the composts, is explained by the increase in
microbial activity, associated with the inclusion of manure in the
process 32. After evaluating the composting of peanut residues, including chicken poultry 31,
it reported reductions in decomposition time and advanced temperature
increases during composting, in favor of manure treatments that are
maintained even in the face of inoculation of residues with a
biopreparation of B. cereus and T. longibrachiatum
formulated to stimulate composting. It is worth mentioning that the
incorporation of manure in the established proportion implied an
improvement in the uniformity of the material arranged in the batteries:
this is due to the greater proximity between the temperature values
taken at each depth, for treatment B with respect to A.
In
both treatments the thermophilic stage was reached, which guaranteed
the sanitation or biological disinfection of the final product with
respect to pathogenic microorganisms, as a result of the simultaneous
incidence of high temperatures, the presence of chemical substances of
antibiotic effect and the generation in situ of Vapors and toxic
products caused by heating and chemical transformation 33).
In Table 2
it is shown that during the first week of composting there were no
significant differences between treatments, subsequently the temperature
begins to increase due to the rapid transformation of soluble materials
and high availability (sugars, amino acids) mediated by the action of
populations of bacteria and mesophilic fungi 34.
From the 14 days of the composting process and until the 28th,
in the treatments where the cattle manure was incorporated, significant
differences were observed with respect to the treatments where said
inoculum was not incorporated, which can be attributed to the microbial
load present in manure 32, which allows the temperature to rise. These results were different from those obtained by 34
who obtained significant differences from the third week of composting
in food waste and its inoculation with a commercial biopreparation and a
biopreparation of B. cereus and T. longibraquiatum used as process accelerators of composting, attributing this behavior to the low height of the piles.
It
can be seen that up to 49 days there is a higher temperature rise in
the variants that are inoculated with manure. From that time there is a
decrease in the temperature in all the variants, however, from day 63 to
day 70 there are no significant differences between the treatments and
later. It is observed that in the manure treatments they present lower
temperatures which is it relates to the contribution of manure in a
first stage of easily biodegradable carbon, which provides conditions
for microbiological activity and therefore greater availability of
energy until the carbon source is depleted so that the temperature
begins to fall.
Initial analysis of manure samples and piles at the beginning of Chemical Chemical and physical-chemical characterization
Table 3 shows the results of the
characterization of cattle manure. Most of the microorganisms involved
in the process of decomposition of organic matter develop well in a
slightly acidic or neutral environment and even better if it is slightly
alkaline 7 which would indicate another
advantage in favor of the use of manure in this case. If it is taken
into account that its application represented 20% of the mass of the
batteries. An equally coincident trend was obtained for the content of
organic matter, which makes it possible to affirm that the manure used
did not show deviations from these properties with respect to the
results traditionally obtained for its characterization for agricultural
use purposes, in the country 35,36.
For the interpretation of potassium and
sodium values, it was taken into account that manures are materials of
very variable composition and dependent on factors as diverse as the
quality and quantity of food supplied to animals, the age or stage of
development in which they are the same, the seasonal time, among others 16.
For these reasons it is that the manures are recognized more as
amending, for their status as carriers of organic matter and their
effects on the physical and biological properties of soils, which for
its net contribution of nutrients.
Table 4 gives the results of the
characterization of initial samples of RMA piles according to treatments
A and B. The pH values at the beginning of the composting were
alkaline, which is typical of these organic residuals 29. The percentages of organic matter in the treatments reached similar values to those reported for residuals of the same origin 29
and ratify the possibility of using the solid wastes used for
composting, which represents an attractive option for their management
and for the reduction of the increasing volume of waste materials that
are sent daily to the city's landfills.
Regarding the electrical conductivity, the values were similar to those obtained by 29,
at the beginning of the composting of lots of waste from markets,
respectively. These values do not have to be assumed as definitive,
since during the composting there are numerous chemical transformations
that also result in the formation of products and substances capable of
influencing the magnitudes of this property.
It
should be noted that the pH values, the percentage of organic matter and
the electrical conductivity showed, from the statistical point of view,
little variability. Regardless of the time of the year in which the
study was carried out the maximum coefficient of variation between the
analytical determinations made, did not exceed 9.6 % ~. For some authors
it is associated with the fact that it was, generically, a unique type
of residual and valid for the conditions of the Cuban capital, the
option of collection or collection of solid urban waste, separately and
based on its possible subsequent use.
Notwithstanding the foregoing, the solid
waste generated by the activity of agricultural markets cannot be
considered as a material of homogeneous composition, due to its origin
and due to the factors of various kinds that affect its generation,
management and collection. This explains the variability expressed by
the results of the chemical analysis for the sodium, potassium,
magnesium and heavy metal contents. There are no published data on such
studies in this type of RSU, so this information could serve as a
reference for subsequent and necessary evaluations of them.
Studies carried out in Cuban soils, values of 8.2 mg kg-1 and 28.6 mg para kg-1 for Pb and Cu 37,
For this reason, the results indicate that the use of waste in the
obtaining substrates for agricultural use, environmental pollution risks
are not associated due to the presence of these elements. In this case,
due to the way in which they were selected in situ and during
the two seasonal seasons of the year and from the units or markets
Generators ~ are representative of the chemical quality standard of this
type of material. For Cd and Zn, the values were also remarkably low,
as commented by this author in his study, on microelements in
agriculture.
Due to the results obtained, the
analysis of these elements in the composts was rejected; however,
regular monitoring of the starting materials is recommended, to ensure
the quality of use of the compost made. Similar results were reported
when evaluating the contents of Cd, Pb, Ni, Cr, Zn and Cu in composts of
crop residues and their mixture with cattle manure 38.
Finally, although the previous discussion is consistent with the information shown in Table 4,
it is not idle to comment that the differences between both treatments
are due to the effect of adding manure to the RMA at the time of
composting stacks, which apparently supposed a magnitude effect 20% of
the total amount a dilution effect. It resulted in a decrease in the
concentration of some chemical elements and with it, in the electrical
conductivity.
Biological characterizationPathogenic microorganisms
Table 5 shows the contents of pathogenic
microorganisms corresponding to treatments A and B. The values for the
determination of the presence of coliforms were significantly lower than
the limit of less than 1000 NMP of individuals/g dry weight 7, as criteria of acceptable quality of use for this type of material; there was also total absence of Salmonella.
This information indicates that the RSU used are not a contaminant or
risk material due to the presence of these microorganisms, which adds to
the fact that the route of their identification and collection makes
them representative of the microbiological quality standard of this type
of material.
This response pattern for microbiological analyzes, together with the pasteurizing character 33,
as an attribute of composting processes bases the decision not to
perform similar analyzes on composts obtained in cases like this,
although they are essential for materials input to the process
Obviamente, la mayor cantidad de coliformes totales propia del tratamiento B, se debe a la inclusión del estiércol vacuno 39, como parte del material presente en las pilas de compostaje.
Characterization of composts obtained from solid waste from agricultural markets in HavanaChemical characterization The results of the chemical analysis of the composts obtained according to treatments A and B in Table 6 are shown.
The pH values were similar when evaluating this parameter in agricultural waste composts with values of 8.85 29.
Studies in the decomposition of organic waste under an open and closed
composting system associated the increase in pH at the high temperatures
that occurred during the thermophilic stage due to the metabolic action
of some types of acids such as carboxylic and phenolic groups and the
consequent mineralization of organic matter 40.
Mature RSU composts have a neutral or slightly alkaline pH 36;
the deviations from this behavior would indicate a lack of completeness
in the maturation of the compost and consequently, that they are not
suitable for agricultural use. Because of this basic quality, the
composters can be used as amendments to acid soils, where there is an
increase in pH in them, even buffering the pH drops caused by some
mineral fertilizers, both on neutral or alkaline soils. , the same
procedure does not cause appreciable changes in pH 41.
The electrical conductivity values were adequate to the range they propose for this indicator 36. It recognizes relatively high salt concentrations in RSU composts and coincide with 42,43
by pointing out that their application to the soil, especially at high
doses may increase the salt content of this medium, which would have an
adverse effect on the germination and development of species of
agricultural interest. However, it is still encouraging that, because of
the incorporation of manure into the process, the electrical
conductivity decreased significantly in the order of 40 %, thus giving
rise to a product of lesser impact on similar land ownership.
The
percentages of organic matter, which in any case equal to not less than
85 % of the values of biotransformed materials, can be interpreted as
efficiency indicators in the use of processed MSW. It is documented that
during the composting, there are events of reduction of the amount of
organic matter present, through mineralization processes that involve
loss of carbon in the form of CO2 and that can reduce mass by up to 20 % initial of the material undergoing biotransformation; Other authors 31
have described similar events from their respective experiences.
However, they plan that the values of organic matter at the end of the
composting process were adequate to be higher than 20 % 7.
The sodium, potassium and magnesium contents are lower than their corresponding initial values in Table 4,
which is related, in addition to the reduction of the mass of material
during composting, with the possible loss of both elements by leaching
which occurs in the batteries, throughout the composting process; equal
interpretation offer 29.
Biological characterizationPhytotoxicity
An
adequate process of composting organic waste and the achievement of a
quality compost must guarantee its use in agriculture, without causing
harmful effects on the soil or plants. However, it has been pointed out
that there is no greater consensus regarding the determination of the
moment or conditions of the composts 31.
Thus,
the maturity of the composts can be established by germination tests,
with species sensitive to phytotoxic substances. An unfinished
composting material contains unstable chemical compounds such as organic
acids that are toxic to seeds and plants 7 and that have been shown to have an inhibitory effect on the germination of seeds of certain species.
Regarding phytoxicity, Table 7 shows the results of the germination test conducted with Raphanus sativum L. Both composts (treatments A and B) presented moderate phytotoxicity, according to the gradation 23, although the compost produced according to variant B, was characterized by a
better response, according to the range established by the authors for
the evaluation and that admits values from 50 % to 80 % for that
category of the indicator.
Some authors have related this affectation with the high concentration of salts attributed to
composts, because of the conductivity values that characterize them 44.
This property would not invalidate the use of composts obtained in this
case, since the greater use value of organic matter carriers in Cuban
agriculture is associated with their use as components of substrates
prepared for the production of seedlings of various species of interest
and for production under organopony conditions.
However,
although the result does not limit the use of composting as an
alternative for the management of these MSW, the best response obtained
with the inclusion of manure as a microbial inoculant in several of the
evaluations, also identifies demands for knowledge to be addressed in
the Search for the best treatment option for these residuals.
Basal respiration
Table 8 shows the result of the basal
respiration tests performed on the samples of the composts obtained in
treatments A and B. This test was applied as an indicator or termination
criterion of the biotransformation process where values <2 mg CO2∙g of sample-1
correspond to a notable reduction in microbial activity, associable to
the cessation of composting and by extension, to the maturation or
biological stabilization of compost 45.
Note how the values obtained meet the
criteria of use of the indicator, for any of the composting variants put
into practice. This result allows us to state that the composting
process took place in 112 days, according to treatment A and in 105 days
(one week less) with the addition of cattle manure, that is: according
to variant B, as shown in Figure 1 in which the respective moments at which the ambient temperature was reached are shown.
CONCLUSIONS
Composting
is a viable alternative for the management of urban solid waste
generated by agricultural markets and obtaining an organic fertilizer
for possible agricultural use.
The
inclusion of cattle manure as a microbial inoculant in this process
improves the efficiency of biotransformation and shortens its duration
by ten days.
The contents of heavy metals
and the presence of pathogenic microorganisms in these waste materials
do not offer risks of environmental contamination, associated with their
collection and handling for composting purposes, or the agricultural
use of the composts produced.
The
biotransformation process through the composting of this type of RSU
allows the recovery in composts of a high percentage of the organic
matter content initially present.