53 julio torres sandoval

cenidetCentro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico

Departamento de Mecátronica

TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS

Diseño y Construcción de un Prototipo Automático para

Julio Torres SandovalIng. Mecánico Agrícola por la Universidad Autónoma Chapingo

como requisito para la obtención del grado de:Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecátronica

Dr.

M.C. José Luis González

Cuernavaca, Morelos, México.

cenidet

Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico



Diseño y Construcción de un Prototipo Automático para Preparar Composta

presentada por

Julio Torres Sandoval g. Mecánico Agrícola por la Universidad Autónoma Chapingo

como requisito para la obtención del grado de: Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecátronica

Director de tesis: Dr. Rigoberto Longoria Ramírez

Co-Director de tesis: José Luis González Rubio Sandoval

Cuernavaca, Morelos, México. Febrero del 2010



Diseño y Construcción de un Prototipo Automático

g. Mecánico Agrícola por la Universidad Autónoma Chapingo

Febrero del 2010

Centro Nacional de Investigación y Desarrollo TecnológicoDepartamento de


Diseño y Construcción de un Prototi

Ing. Mecánico Agrícola por la Universidad Autónoma Chapingo

como requisito para la obtención del grado de:Maestría en Ciencias en

M.C. José Luis González Rubio Sandoval

Dr. Enrique Quintero Mármol Márquez Dra. María del Refugio Trejo Hernández

Dr. Rigoberto Longoria RamírezDr. José Luis

Cuernavaca, Morelos, México.

cenidet Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico



Diseño y Construcción de un Prototipo Automático para Preparar Composta

presentada por

Julio Torres Sandoval Mecánico Agrícola por la Universidad Autónoma Chapingo

como requisito para la obtención del grado de: Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecátronica

Director de tesis: Dr. Rigoberto Longoria Ramírez

Co-Director de tesis:

M.C. José Luis González Rubio Sandoval

Jurado: Enrique Quintero Mármol Márquez – Presidente María del Refugio Trejo Hernández – Secretario

Rigoberto Longoria Ramírez – Vocal José Luis González Rubio Sandoval – Vocal Suplente

xico. Febrero del 2010



po Automático para

Febrero del 2010

i

DEDICATORIA

A Dios por los momentos que he vivido, por las enseñanzas que me ha permitido asimilar,

y por cuidar lo más preciado que tengo “Mi familia”.

A mis padres Joel Torres Y Piedad Sandoval por su gran apoyo y cariño.

A mis hermanos Clemente, Miriam y Liliana por su amistad y por ser una fuente de

motivación para seguir adelante.

A mi abuela Demetria, Tíos, Tías, Primos y Primas por formar una bonita familia muy

unida, por la convivencia que con ellos he mantenido, además por su ejemplo de respeto,

amistad y superación.

A mis amigos los Lentos por su amistad, malos consejos y ejemplos, con quienes he

pasado momentos inolvidables.

ii

AGRADECIMIENTOS

A dios por darme la oportunidad de haber vivido esta bella etapa.

A mis padres y hermanos por sus consejos y ayuda.

A mis compañeros de la maestría: Francisco, Julio, Román, Moisés, Esteban, Felipe,

Alejandro e Ixchel por su amistad, por compartir sus conocimientos y su ayuda en los

momentos difíciles.

A mis compañeros del CENEMA: Jaime, Marcos, Gabriel y Ángel por su apoyo

incondicional.

A mis asesores de tesis: Dr. Rigoberto Longoria y M.C. José Luis González Rubio por la

dirección de este trabajo.

Al comité revisor: Dr. Enrique Quintero y Dra. María del Refugio Trejo por las

observaciones que permitieron mejorar este trabajo.

Un agradecimiento muy especial al INIFAP (Instituto Nacional de Investigaciones

Forestales, Agrícolas y Pecuarias) por el apoyo institucional y económico recibido, y

por darme la oportunidad de superarme personal y profesionalmente.

Al CENIDET por el apoyo institucional y formativo que recibí a través de sus

investigadores. Así como a la DGEST por el apoyo institucional y económico.

A la Universidad Autónoma del Estado de Morelos (UAEM) por la realización de

algunas de las pruebas a la composta, así como al Sr. Daniel Morales.

Y a todas aquellas personas que de una u otra manera me ayudaron y motivaron a la

culminación de este trabajo tan significativo para mí.

iii

RESUMEN

RESUMEN

El presente trabajo presenta el diseño, construcción y prueba de un prototipo automático

para preparar composta a partir de Residuos Sólidos Orgánicos Domésticos (RSOD) de

cocina y jardinería. El prototipo tiene la capacidad para tratar 3 kg de RSOD al día,

cantidad aproximada de residuos generada por una familia típica de cinco integrantes. El

procesamiento de los residuos es continuo, y el compostaje tiene una duración de 30

días, es decir desde que los residuos son introducidos al compostador hasta que salen del

mismo, tiempo que permite la obtención de un producto con estabilidad biológica

aceptable y que puede ser aplicado como enmienda directamente al suelo cultivado.

Como parte del diseño de este compostador automático, se realizaron cálculos para su

dimensionamiento, se elaboraron los planos del equipo, se determinaron las

especificaciones técnicas y los diagramas de ensamble para su construcción, además del

programa fuente y diagrama electrónico.

Las dimensiones del prototipo son: longitud de 1500 mm, ancho de 700 mm y altura de

1250 mm; las funciones que realiza son: monitoreo de la temperatura de los residuos y su

disminución cuando supera los 65 °C; aireación busc ando mantener una concentración de

oxígeno adecuada para el desarrollo microbiano (concentración de oxígeno en el aire al

interior del compostador >6 %); extracción del exceso de humedad, movimiento,

descompactación y mezclado de los residuos en algunas partes del proceso; desplegado

de la información de la temperatura del material y del medio ambiente en una pantalla de

cristal líquido (LCD); y desplegado de información de la fecha y hora en el LCD,

información que puede ser ajustada por el usuario.

Las pruebas realizadas al compostador permitieron verificar su correcto funcionamiento y

determinar que la calidad del producto final obtenido es adecuada para su uso como

enmienda.

iv

ABSTRACT

Within this work is presented the design, construction and testing the prototype of an

automatic machine to prepare compost from Organic Household Solid Wastes (OHSW). The

prototype has the capacity to process 3 kg of OHSW daily, which is the approximate amount of this

kind of wastes generated each day by a typical family of five members. The waste processing is

continuous, and composting lasts 30 days, since the wastes are introduced into the composter, until

they come out of it, as a product with acceptable biological stability, which could be applied directly

as amendment to the cultivated soil.

As part of the design of this automatic composter, calculations were made for its

dimensioning, plans of the prototype were drawn up, the technical specifications and assembly

diagrams for the construction were determined, besides the source program and circuit diagram.

The dimensions of the prototype are: length 1500 mm, width 700 mm and height 1250 mm.

Their functions performed are: monitoring and control of the composting process temperature (set

point of 65 °C) ; aeration to maintain an adequate oxygen concentration for microbial growth

(oxygen concentration inside the composter > 6 %); removal of moisture in excess; loosen and

mixing of the wastes at some stages of the process; to shows the information of the wastes

temperature and the surrounding environment in a liquid crystal display (LCD); and displays data as

date on the LCD. This last information can be adjusted by the user.

The correct performance of the composter was verified by individual probes of its

different systems and through the quality test of the obtained compost.

v

CONTENIDO

ÍNDICE DE TABLAS………………………………………………………………..……viii

ÍNDICE DE FIGURAS…………………………………………………………………….ix

NOMENCLATURA……………………….………………………………………………..xi

ACRÓNIMOS……………………….……………………………………………..xi

SIMBOLOGÍA…………………….……………………………………………....xii

1 ANTECEDENTES .................................................................................................................................................. 1

1.1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 1

1.2 RESIDUOS SÓLIDOS ORGÁNICOS DOMÉSTICOS .......................................... 3

1.3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .................................................................. 5

1.3.1 OBJETIVOS ................................................................................................. 6

1.3.2 HIPÓTESIS .................................................................................................. 6

2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS ............................................................................................................................ 7

2.1 ETAPAS DEL PROCESO DE COMPOSTAJE ..................................................... 9

2.2 REQUERIMIENTOS QUIMÍCOS Y FISÍCOS PARA EL COMPOSTAJE ........... 11

2.2.1 FACTORES QUÍMICOS ............................................................................. 11

2.2.2 FACTORES FÍSICOS ................................................................................. 12

2.2.3 FACTOR BIOLÓGICO ................................................................................ 14

2.2.4 NIVELES RECOMENDADOS DE LOS FACTORES ................................... 14

2.3 LIMITANTES PARA EL USO DE LA COMPOSTA ............................................. 15

2.3.1 EXCESO DE SALINIDAD ........................................................................... 15

2.3.2 EXCESO DE NUTRIENTES ....................................................................... 15

2.3.3 CONTAMINANTES ORGÁNICOS .............................................................. 16

2.3.4 MICROORGANISMOS PATÓGENOS ........................................................ 16

2.3.5 METALES PESADOS ................................................................................. 18

2.3.6 GRADO DE ESTABILIDAD ........................................................................ 18

2.4 SISTEMAS DE COMPOSTAJE ........................................................................ 19

2.4.1 SISTEMAS ABIERTOS .............................................................................. 20

2.4.2 SISTEMAS CERRADOS ............................................................................ 22

2.4.3 COMPARATIVA ENTRE SISTEMAS DE COMPOSTAJE ........................... 23

2.5 COMPOSTADORES DOMÉSTICOS ................................................................. 24

2.5.1 RECIPIENTES COMPOSTADORES .......................................................... 24

2.5.2 COMPOSTADORES MECÁNICOS ............................................................ 24

vi

2.5.3 COMPOSTADORES AUTOMÁTICOS ........................................................ 25

2.5.4 CARACTERÍSTICAS DE LOS COMPOSTADORES AUTOMÁTICOS COMERCIALES ........................................................................................................ 26

2.6 ESTUDIO DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS DOMÉSTICOS PARA EL COMPOSTAJE. ........................................................................................................... 26

2.6.1 COMPOSICIÓN DE LOS RSOD ................................................................. 26

2.6.2 PROPIEDADES DE LOS RSOD ................................................................. 28

3 DISEÑO ................................................................................................................................................................. 30

3.1 CONSIDERACIONES DE DISEÑO ................................................................... 30

3.1.1 MANEJO DE LOS FACTORES EN EL PROTOTIPO ................................. 30

3.1.2 CRITERIOS Y CONSIDERACIONES DE DISEÑO ..................................... 31

3.2 DISEÑO CONCEPTUAL .................................................................................... 32

3.2.1 DEFINICIÓN DE LAS FUNCIONES DEL PROTOTIPO .............................. 32

3.2.2 GENERACION DE LA ALTERNATIVA DE SOLUCION .............................. 34

3.3 DISEÑO MECÁNICO ......................................................................................... 40

3.3.1 DIMENSIONAMIENTO DE LA CÁMARA DE COMPOSTAJE ..................... 40

3.3.2 SELECCIÓN DEL SISTEMA DE TRANSMISIÓN, BANDAS Y FLECHAS. . 42

3.4 NECESIDADES DE AIREACIÓN DEL MATERIAL. ........................................... 60

3.4.1 REQUERIMIENTOS DE OXÍGENO POR LOS MICROORGANISMOS ...... 60

3.4.2 DEMANDA DE AIREACIÓN PARA REMOVER LA HUMEDAD DE LA MEZCLA COMPOSTADA. ........................................................................................ 62

3.4.3 DEMANDA DE AIREACIÓN PARA REMOVER EL EXCESO DE CALOR .. 64

3.4.4 SELECCIÓN DEL EXTRACTOR. ............................................................... 65

3.5 DISEÑO ELECTRÓNICO Y DE CONTROL ....................................................... 66

4 CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO ............................................................................................................ 70

5 PRUEBAS Y RESULTADOS ............................................................................................................................ 76

5.1 PRUEBAS ......................................................................................................... 76

5.1.1 MEDICIÓN DE LA DENSIDAD ................................................................... 77

5.1.2 COMPOSTAJE DE LOS RSOD CON DIFERENTES INICIADORES .......... 78

5.1.3 PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO DEL PROTOTIPO ................................ 79

5.1.4 COMPROBACIÓN DE LA MADUREZ POR EL MÉTODO DE OBSERVACIÓN DIRECTA. ...................................................................................... 84

5.1.5 DETERMINACIÓN DEL PH. ....................................................................... 84

5.1.6 RELACIÓN CARBONO NITRÓGENO (C/N). .............................................. 85

5.1.7 ENSAYO DE GERMINACIÓN. ................................................................... 85

5.2 RESULTADOS .................................................................................................. 87

5.2.1 MEDICIÓN DE LA DENSIDAD ................................................................... 87

5.2.2 COMPOSTAJE DE LOS RSOD CON DIFERENTES INICIADORES .......... 87

vii

5.2.3 PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO DEL PROTOTIPO ................................ 89

5.2.4 COMPROBACIÓN DE LA MADUREZ POR EL MÉTODO DE OBSERVACIÓN DIRECTA. ...................................................................................... 93

5.2.5 RELACIÓN C/N Y PH ................................................................................. 94

5.2.6 ENSAYO DE GERMINACIÓN. ................................................................... 94

6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................................................... 95

6.1 CONCLUSIONES .............................................................................................. 95

6.2 RECOMENDACIONES ...................................................................................... 96

BIBLIOGRAFÍA…………………….………………………………………………………….98

DOCUMENTOS COMPLEMENTARIOS DE LA TESIS.……………….…………..……102

DOCUMENTO TECNICO DE DISEÑO

REGISTROS DE LAS PRUEBAS REALIZADAS AL COMPOSTADOR Y A LA COMPOSTA

ANEXO 1. TABLAS Y FIGURAS.…………………………………………………….….…103

ANEXO 2. MANUAL DE OPERACIÓN DEL COMPOSTADOR..……………….……...114

ANEXO 3. MODELO DEL COMPOSTAJE.………………………………..……...……...123

ANEXO 4. ARTÍCULO TÉCNICO ACEPTADO EN CONGRESO Y PUBLICADO

………….…..……...………………..……...……………………………………………………131

viii

LISTA DE TABLAS

Tabla 1.1. Composición de los residuos sólidos municipales generados en el país por región. .......... 5

Tabla 2.1. Niveles aceptables de los factores físicos y químicos para el compostaje, y los valores óptimos. ............................................................................................................................................. 15

Tabla 2.2. Temperatura y tiempo de exposición necesario para la destrucción de patógenos (Gouleke, 1972). ................................................................................................................................ 17

Tabla 2.3. Estudio comparativo entre los sistemas de compostaje abiertos y cerrados. ................... 23

Tabla 2.4. Productos considerados como los más consumidos por los mexicanos. .......................... 27

Tabla 2.5. RSOD de jardinería que se considera más frecuente en los RSM. ................................... 28

Tabla 3.1. Principales consideraciones que las partes y mecanismos del prototipo. ......................... 33

Tabla 3.2. Datos considerados y cálculos realizados para el dimensionamiento de las secciones del compostador. ..................................................................................................................................... 41

Tabla 3.3.Coeficientes [42] y datos utilizados para el cálculo de la tensión de las bandas................ 43

Tabla 3.4. Datos considerados para la selección de las catarinas del sistema de transmisión. ........ 49

Tabla 3.5. Número de dientes de las catarinas y cadena a la cual corresponden. ............................ 49

Tabla 5.1. Materiales para la mezcla en el compostaje y algunas de sus propiedades. .................... 77

Tabla 5.2. Material utilizado para cada tipo de Residuos de la mezcla de prueba. ............................ 87

Tabla 6.1. Propiedades de los RSOD. ............................................................................................. 103

Tabla 6.2. Algunos Géneros de microorganismos encontrados con frecuencia en la composta. .... 104

Tabla 6.3. Pruebas realizadas para determinar la estabilidad o madurez de la composta. ............ 105

Tabla 6.4. Comparativa del compostador diseñado con otros comerciales. .................................... 106

Tabla 6.5. Características de la composta procesada en el prototipo compostador. ....................... 106

ix

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1. Distribución porcentual de la generación de RSM en las diferentes zonas del país. ------- 1

Figura 1.2. Manejo de los RSM.------------------------------------------------------------------------------------------- 2

Figura 1.3. Composición promedio de la generación de residuos sólidos municipales por su fuente. 4

Figura 1.4. Composición promedio de los residuos sólidos municipales.-------------------------------------- 4

Figura 2.1. Esquema básico de un proceso de compostaje. ------------------------------------------------------ 8

Figura 2.2. Representación gráfica de las tres fases del proceso de compostaje [40]. ------------------- 10

Figura 2.3. Influencia de la temperatura y el tiempo de exposición en la destrucción de gérmenes patógenos (Feachem et al 1978).---------------------------------------------------------------------------------------- 17

Figura 2.4. Sistemas de compostaje [20]. ----------------------------------------------------------------------------- 19

Figura 2.5. Flujo de aire caliente en el interior de una pila estática de composta. ------------------------- 20

Figura 2.6. Nivel de Oxígeno durante el compostaje. (−) demanda de oxígeno del residuo a compostar; (+) suministro de oxígeno con un sistema de volteos periódicos (cada 7 días). ------------ 21

Figura 2.7. Sistema de pila estática con aireación forzada por succión. -------------------------------------- 22

Figura 2.8. Reactor circular de lecho agitado. ------------------------------------------------------------------------ 23

Figura 2.9. Recipientes compostadores. ------------------------------------------------------------------------------- 24

Figura 2.10. Compostadores mecánicos. ------------------------------------------------------------------------------ 25

Figura 2.11. Compostadores automáticos. ---------------------------------------------------------------------------- 25

Figura 2.12. Compostador horizontal (Marca: Jora Kompost Modelo JK 5100) ---------------------------- 26

Figura 3.1. Elementos principales del dispositivo. ------------------------------------------------------------------ 35

Figura 3.2. Flujo de los residuos al interior del dispositivo. ------------------------------------------------------- 36

Figura 3.3. Partes principales del prototipo. -------------------------------------------------------------------------- 37

Figura 3.4. Flujo del material dentro del prototipo. ------------------------------------------------------------------ 38

Figura 3.5. Flecha con aspas. -------------------------------------------------------------------------------------------- 45

Figura 3.6. Diagrama cinemático del sistema de transmisión. --------------------------------------------------- 47

Figura 3.7. Sistema de transmisión del prototipo. ------------------------------------------------------------------- 48

Figura 3.8. Rodillo que transmite el movimiento a la banda dos. ----------------------------------------------- 50

Figura 3.9. Diagrama de cuerpo libre del rodillo principal de la banda dos. --------------------------------- 50

Figura 3.10. Diagrama de distribución de los momento de flexión y torsión en la flecha principal de transmisión (flecha con aspas de la banda tres). -------------------------------------------------------------------- 54

Figura 3.11. Flecha principal con aspas. ------------------------------------------------------------------------------ 56

Figura 3.12. Flecha principal de transmisión (Flecha con aspas de la banda tres). ----------------------- 56

Figura 3.13. Diagrama de distribución de los momentos de flexión y torsión en la flecha principal de transmisión (flecha con aspas de la banda tres). -------------------------------------------------------------------- 59

Figura 3.14. Carátula del panel de control y ejemplos de los mensajes que aparecerán en el LCD. - 67

Figura 3.15. Diagrama de bloques del sistema electrónico y de control. ------------------------------------- 68

Figura 4.1. Cámara de compostaje. ------------------------------------------------------------------------------------- 71

Figura 4.2. Soporte del compostador. ---------------------------------------------------------------------------------- 71

Figura 4.3. Flechas con aspas. ------------------------------------------------------------------------------------------- 72

Figura 4.4. Flechas con aspas. ------------------------------------------------------------------------------------------- 73

Figura 4.5. Compostador con bandas. --------------------------------------------------------------------------------- 74

Figura 4.6. Vista lateral izquierda del dispositivo e interior de la cámara de compostaje. --------------- 75

Figura 5.1. Puntos donde se toman las medidas de temperatura. --------------------------------------------- 82

Figura 5.2. Comportamiento de la temperatura en el proceso de compostaje. ---------------------------- 88

x

Figura 5.3. Peso de las muestras con diferentes iniciadores con respecto a los días de compostaje. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 89

Figura 5.4. Comportamiento de la temperatura de los RSOD en el proceso de compostaje en el prototipo. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 91

Figura 6.1. Diagrama de flujo del funcionamiento general del sistema electrónico y de control del compostador. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 107

Figura 6.2. Diagrama de flujo del funcionamiento de las interrupciones para el ajuste del reloj. ---- 108

Figura 6.3. Diagrama del circuito electrónico del compostador, parte 1. Los componentes de este diagrama se indican en el Documento técnico de diseño [45]. ------------------------------------------------ 109

Figura 6.4. Diagrama del circuito electrónico del compostador, parte 2. Los componentes de este diagrama se indican en el Documento técnico de diseño [45]. ------------------------------------------------ 110

Figura 6.5. Vistas del compostador con bandas. ------------------------------------------------------------------ 111

Figura 6.6. Desensamble del compostador con bandas, la lista de las piezas y sus características se presentan en el Documento técnico de diseño [45], complementario a ésta tesis. ---------------------- 112

Figura 6.7. Curvas del comportamiento de la temperatura al interior de la cámara de compostaje. 113

Figura 7.1. Elementos principales del dispositivo. ---------------------------------------------------------------- 115

Figura 7.2. Flujo de los residuos al interior del dispositivo. ----------------------------------------------------- 116

Figura 7.3. Panel de control y desplegado de la fecha y hora en el LCD. ---------------------------------- 120

Figura 7.4. Diagrama generalizado del proceso de compostaje.---------------------------------------------- 123

xi

NOMENCLATURA

ACRÓNIMOS SIGNIFICADO

C/N Relación carbono nitrógeno

CENEMA Centro Nacional de Estandarización de Maquinaria Agrícola

CENIDET Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico

EPA Environmental Protection Agency

(Agencia de protección ambiental de los Estados Unidos)

GIRSM Gestión Integral de los Residuos Sólidos Municipales

INEGI Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática

INIFAP Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y

Pecuarias

LED Diodo emisor de luz

LCD Pantalla de cristal líquido

M.O. Materia Orgánica

OECD Organización para la Cooperación y Desarrollo Económico

pH Potencial de hidrógeno

PROFECO Procuraduría Federal del consumidor

RSOD Residuos sólidos orgánicos domésticos

RSM Residuos sólidos municipales

SAGARPA Secretaría de Agricultura, Ganadería, Desarrollo Rural, Pesca y

Alimentación

SEDESOL Secretaría de Desarrollo Social

SEMARNAT Secretaría del Medio Ambiente y Recursos Naturales

UAEM Universidad Autónoma del Estado de Morelos

xii

NOMENCLATURA

SÍMBOLO SIGNIFICADO UNIDADES

� Ancho de la banda m

!" Cantidad de carbono en el material % C Carga estática que puede soportar el rodamiento N #" Porción que ocupa el material en la mezcla % $% Diámetro de la flecha o rodillo i. m $&' Diámetro de la flecha con aspas m F( Fuerza radial que actúa en el rodamiento N ) " Fuerza de tensión de la banda N )*+ Fuerza de tracción de la cadena uno N )*, Fuerza de tracción de la cadena dos N )*- Fuerza de tracción de la cadena tres N )*. Fuerza de tracción de la cadena cuatro N F/ Fuerza radial que actúa en el rodamiento N F012 Factor de seguridad Adimensional 3 Coeficiente de la gravedad de 9.81 (m/s2) m/s2 4" Cantidad de Hidrógeno % 5 Altura del material m i(7 Relación de transmisión entre a y b Adimensional 89 Coeficiente de resistencia en los puntos de viraje Adimensional :'; Longitud del aspa m : Longitud de la banda m :< Longitud en la proyección horizontal de la banda m Lh Duración del rodamiento con la carga h

xiii

> Masa del material kg ?" Masa del material i kg M@(A Momento de flexión máximo en la flecha Nm MB Momento de flexión en la dirección x Nm MC Momento de flexión en la dirección y Nm D" Cantidad de nitrógeno % E Número de transmisiones Adimensional E' Frecuencia de rotación de la flecha con aspas rpm E7 Frecuencia de rotación de la flecha ubicada en el punto b rpm n% Frecuencia de rotación del rodillo i. rpm G" Cantidad de Oxígeno % H Potencia requerida en el motor W HI Potencia requerida para mover una flecha con aspas W HJ Potencia requerida para mover la flecha de la banda W H " Potencia requerida para mover la banda i. W H' Potencia para mover las aspas W PK Carga a la que es sometido el rodamiento N LM Peso lineal del material transportado kg m L Peso lineal de la banda kg m LN+ Peso de las partes móviles de los rodillos en el ramal con

carga

O Relación carbono/nitrógeno Adimensional O,B , O,B Fuerza de reacción en el rodamiento dos en la dirección x e y N O+B, O+B Fuerza de reacción en el rodamiento uno en la dirección x e y N SQ Resistencia a la fluencia (MPa) MPa

xiv

RI Par en la flecha con aspas Nm R " Par de resistencia en la flecha que mueve la banda Nm R*+ Par aplicado por la cadena uno Nm R*, Par aplicado por la cadena dos Nm R*- Par aplicado por la cadena tres Nm R*. Par aplicado por la cadena cuatro Nm TST/ Par en la sección crítica de la flecha Nm U " Velocidad de la cadena m/s V Peso del material en contacto con las aspas kg W7 Peso del material sobre la banda kg V<" Contenido de humedad del material % VX Humedad en la mezcla de residuos Kg YN Coeficiente de resistencia al movimiento del ramal inferior Adimensional Y; Coeficiente de resistencia al movimiento del ramal superior Adimensional z( Número de dientes de la catarina del punto a Adimensional [7 Número de dientes de la catarina del punto b Adimensional \% Número de dientes de la catarina i. Adimensional π Constante pi ≈ 3.1416 Adimensional ^ Velocidad angular s-1 _X Eficiencia total de transmisión % ` Densidad del material (kg/m3) Kg/m3

1

CAPÍTULO 1. ANTECEDENTES

1 ANTECEDENTES

1.1 INTRODUCCIÓN

La elevada cantidad de residuos sólidos municipales (RSM) generados en México

ha creado problemas de contaminación del medioambiente afectando el aire, suelo y agua

sustento para el desarrollo de plantas y animales, incluso ocasionando el cambio en el

sistema ecológico de algunas regiones. De acuerdo a la Secretaría del Medio Ambiente y

Recursos Naturales (SEMARNAT) para el año 2000, se estimó que la cantidad de RSM

generados por habitante al día en el país, fue de 860 gramos en promedio, contribuyendo

a la generación nacional estimada de 84,200 toneladas diarias [32].

Cabe destacar que la mayor cantidad de RSM se genera en las grandes ciudades

del país. Tan sólo en la zona centro junto con el Distrito Federal se produce el 62 % de los

residuos sólidos generados en México, como se muestra en la Figura 1.1 [29]. Para el año

2002, el Distrito Federal presentaba una generación de RSM promedio al día, por

habitante, de 1.4246 kg y, en la ciudad de Cuernavaca, en el estado de Morelos de 1.1 kg

[29].

Figura 1.1. Distribución porcentual de la generación de RSM en las diferentes zonas del país.

Acerca del tratamiento de los RSM generados en México, es importante destacar

que en el año 2000 se recolectaba el 83 % (69,886 toneladas) del total de los residuos

generados diariamente y quedaban dispersas el 17 % (14 314 toneladas). Del total

2

generado, poco más del 49 % (41 258 toneladas) se depositaban en sitios controlados, lo

que significa que el 51 % (42 942 toneladas) se disponía diariamente a cielo abierto, en

depósitos no controlados y clandestinos [32] (ver Figura 1.2).

a) Recolección de los RSM b) Disposición de los RSM

Figura 1.2. Manejo de los RSM.

Estos datos reflejan el deficiente e insuficiente manejo integral de los residuos

sólidos en México, creando un problema crítico que debe remediarse, y que involucra a

los diferentes sectores de la sociedad y necesita de propuestas viables para solucionarlo.

Al proceso orientado a administrar eficientemente los recursos naturales existentes

en un determinado territorio, buscando el mejoramiento de la calidad de vida de la

población, con un enfoque de desarrollo sustentable se le denomina gestión ambiental.

La gestión ambiental está conformada por una serie de acciones y programas

diseñados por las autoridades municipales tomando en cuenta todos los elementos que

puedan impactar al ambiente en su localidad:

· Gestión integral del agua

· Gestión integral del aire

· Gestión integral de los residuos

· Gestión integral de la flora y fauna silvestres

· Gestión integral de la biodiversidad y las áreas naturales protegidas

La Gestión Integral de los Residuos Sólidos Municipales (GIRSM) tiene que ser

considerada como una parte integral de la Gestión Ambiental. Puede ser definida como la

disciplina asociada al control del manejo integral de los RSM (reducción en la fuente,

reuso, reciclaje, barrido, almacenamiento, recolección, transferencia, tratamiento y

3

disposición final) de forma que armonice con los mejores principios de la salud pública, de

la economía, de la ingeniería, de la conservación, de la estética y de otras

consideraciones ambientales, que responde a las expectativas públicas [33].

El enfoque tradicional para el manejo de los residuos sólidos, ha influido

significativamente en sus decisiones y estrategias a nivel local, estatal, nacional e

internacional durante los últimos 25 años, y se le conoce comúnmente como jerarquía del

manejo de residuos sólidos, la cual establece prioridad en las opciones de manejo de

residuos a través de un orden de preferencia que parte de la reducción en la fuente,

rehúso, reciclaje, tratamiento y disposición en sitios sanitarios controlados como última

opción [33].

Los residuos sólidos orgánicos generados requieren de un tratamiento para

eliminar su efecto negativo de contaminación y hacerlos reutilizables. Los tratamientos

realizados para cumplir con este objetivo son: el compostaje, la incineración y la

disposición en rellenos sanitarios, donde se puede distinguir al compostaje como el más

aceptado.

1.2 RESIDUOS SÓLIDOS ORGÁNICOS DOMÉSTICOS

La composición de los RSM en el país es heterogénea y responde a la distribución

de hábitos de consumo y poder adquisitivo de la población, pero es de destacarse que la

mayor proporción de los RSM, está constituida por residuos sólidos orgánicos [23], como

se muestra en la Tabla 1.1 y Figura 1.4.

De acuerdo a estudios realizados por la Secretaría del Medio Ambiente y Recursos

Naturales (SEMARNAT) en el año 2000, el 45 % de los RSM son orgánicos [23]. Además,

el 77 % de los RSM se generan en los hogares de acuerdo a información generada por la

Organización para la Cooperación y Desarrollo Económico (OECD) en el año 2001 (ver

Figura 1.3) [15]. En el mismo año, la SEMARNAT indica que el 41.4 % de los RSM

generados en México son residuos de comida y de jardinería provenientes principalmente

del hogar (ver Figura 1.4) [23].

4

Figura 1.3. Composición promedio de la generación de residuos sólidos municipales por su fuente.

Figura 1.4. Composición promedio de los residuos sólidos municipales.

De acuerdo a la jerarquía de manejo de los residuos, el método de tratamiento más

aceptado para los Residuos Sólidos Orgánicos Domésticos (RSOD) es el compostaje.

Aunado a ello, si el tratamiento se realiza en el lugar donde se generan los residuos,

permite disminuir los costos de manera sustancial, al evitar los gastos de recolección,

transporte, separación, tratamiento y disposición final al municipio, permitiendo

aprovechar el producto del compostaje en el hogar, en los jardines o como sustrato para

macetas disminuyendo con ello la extracción de la tierra de monte y las afectaciones en

los bosques o selvas.

El producto obtenido del compostaje conocido como “composta” es un material

estable utilizado como enmienda orgánica en el suelo, con el fin de mejorar su estructura,

porosidad, aumentar la capacidad de intercambio catiónico (facilidad con la cual las

plantas pueden acceder a los nutrientes), la retención de humedad y disminuir su

compactación, propiedades del suelo que se traducen como un mejor medio de

crecimiento para las plantas [36].

5

Tabla 1.1. Composición de los residuos sólidos municipales generados en el país por región.

SUBPRODUCTOS FRONTERA NORTE

NORTE CENTRO SUR D.F.

Residuos de alimentos

26.972 21.271 38.538 16.344 34.660

Residuos de jardinería

16.091 19.762 7.113 26.975 5.120

Papel 12.128 10.555 13.684 8.853 14.580 Cartón 3.973 4.366 1.831 4.844 5.360 Residuos finos 1.369 2.225 3.512 8.075 1.210 Hueso 0.504 0.644 0.269 0.250 0.080 Hule 0.278 0.200 0.087 0.350 0.200 Lata 2.926 1.409 1.700 2.966 1.580 Material ferroso 1.183 1.476 0.286 0.399 1.390 Material no ferroso 0.226 0.652 0.937 1.698 0.060 Pañal desechable 6.552 8.308 6.008 5.723 3.370 Plástico película 4.787 5.120 1.656 1.723 6.240 Plástico rígido 2.897 3.152 1.948 1.228 4.330 Trapo 1.966 2.406 0.807 2.157 0.640 Vidrios de color 2.059 0.934 4.248 0.599 4.000 Vidrios transparente 4.590 5.254 5.051 3.715 6.770 Otros 11.500 12.267 12.326 14.102 10.410 Total 100.000 100.000 100.000 100.000 100.000

Fuente: Sancho y Cervera J. y G. Rosiles, 1999.

1.3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Como una respuesta al problema de contaminación provocado por los RSM al

medio ambiente, debida al mal manejo de los RSM, se plantea una alternativa de

tratamiento de los RSOD (que representan el 45 % de los RSM y provienen

principalmente del hogar) en el lugar en el cual se generan, mediante el uso de un

dispositivo compostador automático continuo de RSOD que al final del proceso permita

obtener un producto estable listo para ser utilizado como enmienda en suelos cultivables o

como sustrato para macetas.

Por lo anterior, se plantea el desarrollo de un prototipo automático en el cual el ama

de casa pueda introducir material orgánico de manera continua hasta una cantidad

máxima de tres kilogramos por día, valor típico de residuos orgánicos generados por una

familia de cinco integrantes de clase media, posteriormente el dispositivo podrá realizar de

manera automática el compostaje del material por un tiempo aproximado de 30 días,

posterior a este periodo el material podrá salir del dispositivo como composta estable y

lista para utilizarse.

6

La facilidad en la utilización del prototipo permitirá que cualquier integrante de la

familia incluyendo a los niños puedan usarlo, además de requerir un bajo mantenimiento y

gastos de energía. El precio de este producto estará orientado a las familias con un nivel

económico medio, sus dimensiones deben permitir ubicarlo en espacios pequeños dentro

de una casa o departamento como si fuera un mueble más del hogar.

1.3.1 OBJETIVOS

1.3.1.1 OBJETIVO GENERAL

Diseño, construcción y evaluación funcional de un prototipo para preparar

composta a partir de residuos sólidos orgánicos de origen doméstico (RSOD), con

capacidad para procesar los RSOD generados por una familia de cinco integrantes.

1.3.1.2 OBJETIVOS PARTICULARES

1. Desarrollar un prototipo para preparar composta, mediante un equipo seguro y

fácilmente operable y de costo accesible para familias de nivel económico medio.

2. Identificar los principales factores que afectan de manera significativa el proceso

de compostaje de los RSOD y la calidad del producto obtenido, al preparar la

composta, indicando sus niveles adecuados.

3. Desarrollar un sistema de control aplicado al dispositivo, para mantener los

principales factores que afectan el compostaje dentro de un nivel adecuado.

4. Valorar la factibilidad del uso del prototipo construido, para la preparación de

composta mediante una prueba de funcionamiento.

1.3.2 HIPÓTESIS

Es posible desarrollar un dispositivo mecatrónico funcional y sencillo de usar, que

utilice el método de compostaje para el tratamiento de los residuos sólidos orgánicos

domésticos generados por una familia de cinco integrantes.

7

CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS

2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS

El compostaje fue una práctica realizada desde los inicios de la civilización

occidental (Roma y Grecia) donde los granjeros amontonaban estiércol para utilizarlo

como fertilizante. Esta práctica continúa en la Edad Media y en el Renacimiento [28].

Probablemente el Sr. Albert Howard fue el primer agricultor que tuvo un

acercamiento científico al compostaje hace 75 años en la India (Rodale, 1946, citado por

[28]), quien estableció que la elaboración de composta tenía por objeto digerir materiales

frescos de origen agrícola, antes de ser incorporados, de tal manera que se evitara que

las bacterias terminaran su proceso en el suelo, a expensas del nuevo cultivo.

El compostaje es definido como un método de degradación de la fracción orgánica

de los residuos sólidos por la acción de diversas poblaciones biológicas bajo condiciones

controladas de oxigenación, humedad y temperatura, que le permiten alcanzar un estado

suficientemente estable para su almacenamiento y utilización sin efectos nocivos para las

plantas [2].

En la Figura 2.1 se muestra el esquema del proceso de compostaje, el cual puede ser

representado con la siguiente reacción que representa el equilibrio dinámico del proceso

[8]:

!'4 GMDa b 0.5cEd b 2e f #gG, h E!i4BGCDj b k4,G b e!G, b c$ f ElgD4-

A esta reacción se le conoce como la ecuación estequiométrica del compostaje,

donde !'4 GMDa representa la materia orgánica y !i4BGCDj la fracción de materia

orgánica resistente, no se considera la producción de células nuevas o de sulfato, e m n f EY y k m 0.5ocp f Eq f 3c$ f Eqgr; n, p, #, $ describen la cantidad relativa molar

de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno respectivamente en la porción seca inicial de

la fracción de Sólidos Volátiles Biodegradables (SVB) ; Y, q, d, [ describen la cantidad

8

relativa molar de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno respectivamente en la porción

seca de la fracción de SVB que no fueron degradados, y E el número de moléculas de los

SVB no degradados.

Figura 2.1. Esquema básico de un proceso de compostaje.

Si la degradación de los sólidos volátiles biodegradables fuera total, la ecuación

estequiométrica queda de la siguiente forma:

!'4 GMDa b s4n b p f 2# f 3$4 t G, h n!G, b sp f 3$2 t 4,G b $D4-

Lo que indica que los sólidos biodegradables en combinación con oxígeno producen

dióxido de carbono, agua y amoniaco. El dióxido de carbono y amoniaco se obtienen

como gases, y el agua producida se mezcla con el material o se pierde por evaporación

por el flujo de aire.

El proceso de compostaje es un proceso complicado debido a que es afectado por

factores tanto físicos, químicos como biológicos. En la actualidad existen modelos que

permiten predecir de manera aproximada el comportamiento de algunas variables del

9

proceso. Investigadores como Finger, Smith, Eilers, Bach, Kishimoto, Nakasaki, Haug,

entre otros, desarrollaron estos modelos.

Dentro de las variables de interés en el proceso de compostaje están: la velocidad

de degradación del material (afectada por factores de temperatura, contenido de

humedad, concentración de oxígeno, espacio de aire libre, principalmente).

La temperatura (afectada por la degradación del material, flujos de aire,

evaporación, contenido de humedad y pérdidas de calor, principalmente).

Contenido de humedad (afectada por el arrastre de humedad en el aire, contenido

de humedad de los materiales compostados y líquidos lixiviados).

Crecimiento microbiano (afectado por cantidad de materia orgánica disponible,

muerte microbiana, temperatura, concentración de oxígeno, contenido de humedad,

espacio libre, principalmente).

En el Anexo 3 se presenta un modelo sencillo de las variables que participan en el

proceso de compostaje. Debido, a que el alcance de esta tesis no contempla el modelado

sólo se presentan las ecuaciones que permiten de manera aproximada predecir el valor

de algunas de sus variables en las diferentes etapas del proceso.

2.1 ETAPAS DEL PROCESO DE COMPOSTAJE

El proceso de compostaje pueden dividirse en tres etapas, basado en la

temperatura del material durante el proceso, que son: la etapa mesófila1 inicial, etapa

termófila2 y etapa mesófila final [28] y [40], éstas pueden observarse en la Figura 2.2.

1. Mesófila: así se conoce a la etapa del proceso de descomposición aerobia, en la cual se presentan las condiciones que permiten el

crecimiento principalmente de organismos mesófilos y las temperaturas se encuentran en un intervalo de 10 a 40 °C.

2. Termofila: así se conoce a la etapa del proceso de descomposición aerobia, en la cual se presentan las condiciones que permiten el

crecimiento principalmente de organismos termófilos y las temperatura se encuentran en un intervalo de 40 a 70°C.

10

Figura 2.2. Representación gráfica de las tres fases del proceso de compostaje [40].

Etapa mesófila inicial: etapa inicial del compostaje que dura aproximadamente de 2

a 3 días. Los organismos presentes en ella pueden ser microorganismos como bacterias y

hongos mesófilos que destruyen rápidamente los compuestos fácilmente degradables, y

el calor producido causa que la temperatura del material aumente rápidamente. La

tendencia ascendente de la temperatura de la composta hace que el material suba de una

temperatura inicial, que puede ser de los 10 °C, a los 40 °C y cuando esta última es

rebasada, comienza la siguiente etapa del proceso de compostaje [14].

Etapa termófila: En esta etapa pueden alcanzarse temperaturas entre los 40 a 75

ºC y en ella se eliminan la mayoría de los patógenos, larvas de mosca, y las semillas

termo sensitivas de malezas. Las temperaturas elevadas aceleran la descomposición de

proteínas, grasas, y polisacáridos como celulosa y hemicelulosa, la mayor estructura

molecular de las plantas. En esta etapa, se alcanza la mayor degradación de la materia

orgánica y la higienización de la misma, su duración depende de los materiales

compostados, disposición y la cantidad de los mismos.

Etapa mesófila final. En esta etapa la temperatura descenderá paulatinamente

de 40 °C hasta presentar valores cercanos a la te mperatura ambiente. Cuando la

temperatura alcanza la temperatura ambiente el material se presenta estable

biológicamente y se da por culminado el proceso. Desde el punto de vista microbiológico

11

la finalización del proceso de compostaje se caracteriza por la ausencia de actividad

metabólica.

2.2 REQUERIMIENTOS QUIMÍCOS Y FISÍCOS PARA EL COMPOSTAJE

En el proceso de compostaje intervienen factores químicos, físicos y biológicos.

Dentro de los factores químicos, tenemos el oxígeno y la composición del material dentro

del cual se consideran como principales: la relación carbono/nitrógeno (C/N) y potencial

de hidrógeno (pH). Como factores físicos podemos mencionar la aireación, humedad,

temperatura, espacio poroso (dependendiente del tamaño de partícula), tamaño y forma

del sistema de compostaje. El factor biológico está determinado por la acción de

macroorganismos y microorganismos (bacterias, hongos y actinomicetos3) siendo éstos

últimos los más importantes.

2.2.1 FACTORES QUÍMICOS

Dentro de los factores químicos tenemos el suministro de oxígeno y algunos otros

que dependen de la composición del material compostado, la importancia de cada uno de

ellos se describe a continuación:

2.2.1.1 OXÍGENO

El oxígeno es esencial para el metabolismo y la respiración de los

microorganismos aerobios y para oxidar las variadas moléculas orgánicas presentes en

los residuos de material. Como los microorganismos oxidan la materia orgánica para

obtener energía y nutrirse, el oxígeno es consumido y se produce dióxido de carbono. Sin

suficiente oxígeno, el proceso llegará a ser anaerobio y produce olores indeseables,

además de la baja calidad de la composta [40]. Las concentraciones óptimas de oxígeno

para mantener el compostaje aerobio son del 10 %, considerando que valores menores al

5 % crean una descomposición anaerobia [2].

2.2.1.2 RELACIÓN C/N

El cociente C/N (carbono/nitrógeno) del material por compostar es uno de los

factores más importantes para la descomposición microbiana. El carbono proporciona una

fuente de energía y compone cerca del 50 % de la masa celular microbiana. El nitrógeno

es un componente crucial de las proteínas, de los ácidos nucleicos, de los aminoácidos,

de las enzimas y de las coenzimas necesario para el crecimiento y la función de la célula.

3. Actinomicetos: Género muy heterogéneo de eubacterias gram-positivas, con tendencia a desarrollar formas filamentosas.

12

Una célula bacteriana típica tiene de 12 a 15 % de nitrógeno en base seca (Brock y

Madigan, 1991, citado por [2]). Para proporcionar cantidades óptimas de estos dos

elementos cruciales, se puede utilizar el cociente del carbón-a-nitrógeno (C/N) de 30/1, o

de 30 porciones de carbón por cada uno de nitrógeno, en peso [40]

Valores de la relación C/N apropiadas son entre los 25 y 35:1; ya que en porciones

más elevadas de nitrógeno, éste se elimina como amoníaco, causando olores

indeseables; y en proporciones más bajas de nitrógeno, significan insuficiente nitrógeno

para el crecimiento óptimo de las poblaciones microbianas, así que la composta seguirá

siendo relativamente fresca y la degradación continuará a una velocidad más lenta [40].

2.2.1.3 EL pH

Esta variable es importante para evaluar el ambiente microbiano y la estabilización

de los residuos. Los microorganismos tienen distintos requerimientos respecto al medio

ácido o alcalino más propicio para su desarrollo. El rango ideal se encuentra entre 6,5 y

8,5 unidades de pH. Los niveles de pH varían en respuesta a los materiales utilizados en

la mezcla inicial y a la producción de varios compuestos intermedios que se generan

durante el compostaje. Durante el proceso de compostaje se producen diferentes

fenómenos o procesos que hacen variar este parámetro. Al comienzo y como

consecuencia del metabolismo fundamentalmente bacteriano, los complejos carbonados

fácilmente degradables, se transforman en ácidos orgánicos, provocando que el pH

descienda. Luego los niveles aumentan como consecuencia de la formación de amoníaco,

alcanzando valores más altos (alrededor de 8,5), lo cual coincide con el máximo de

actividad de la fase termófila. Finalmente, el pH disminuye en la fase final o de

maduración (pH entre 7 y 8), [37]. Cuando un sistema llega a ser anaerobio, la

acumulación ácida puede bajar el pH a 4.5, limitando seriamente la actividad microbiana.

En tales casos, la aireación es generalmente suficiente para regresar el material

compostado a un pH aceptable [40]. El monitoreo del pH no es necesario, ya que éste

puede mantenerse en valores aceptables con una adecuada preparación de la mezcla a

compostar, y controlando factores como la aireación, humedad y tamaño de partícula del

material.

2.2.2 FACTORES FÍSICOS

A continuación se presentan los factores físicos más importantes del proceso de

compostaje:

13

2.2.2.1 AIREACIÓN

La aireación es importante para proveer a los microorganismos aerobios de

oxígeno que permiten el metabolismo, la respiración y su crecimiento, mediante la

oxidación de las moléculas orgánicas presentes en el material de desecho. Al principio de

la actividad oxidante microbiana, la concentración de oxígeno (O2) en los espacios

porosos es aproximadamente del 15 al 20 % (similar a la composición normal del aire), y

la concentración del dióxido de carbono (CO2) varía del 0.5 al 5 %. Mientras progresa la

actividad biológica, la concentración O2 baja y la concentración del CO2 aumenta. Si la

concentración media de O2 en el material es menor al 5 %, la descomposición del material

se vuelve anaerobia [37].

2.2.2.2 HUMEDAD

La descomposición microbiana inducida ocurre lo más rápidamente posible en las

películas líquidas finas encontradas en las superficies de las partículas orgánicas.

Mientras que poca humedad (<30 %) inhibe la actividad bacteriana, demasiada humedad

(>65 %) da lugar a la descomposición lenta, a la producción de malos olores, crea

regiones anaerobias y aumenta la lixiviación de nutrientes [40].

2.2.2.3 EL TAMAÑO DE PARTÍCULA

La actividad microbiana ocurre generalmente en la superficie de las partículas

orgánicas. Por este motivo cuando el tamaño de partícula disminuye, con su efecto de

aumentar el área superficial, ayuda a incrementar la actividad microbiana y el índice de

descomposición. Por otra parte, cuando las partículas son demasiado pequeñas y

compactas, la circulación de aire a través de la composta se inhibe disminuyendo el

oxígeno disponible para los microorganismos dentro del material y reduciendo en última

instancia el índice de la actividad microbiana. El tamaño de partícula también afecta la

disponibilidad del carbono y del nitrógeno [40].

2.2.2.4 TEMPERATURA

La temperatura es un indicador de cómo está trabajando el sistema de compostaje

y el avance del proceso del mismo. Cuando la temperatura alcanza de los 40 a 50°C se

puede deducir que los materiales contenían el nitrógeno y la humedad adecuados para el

crecimiento microbiano rápido. Un sistema bien construido de compostaje elevará su

temperatura de 40 a 50 °C en un plazo de dos a tres días [40]. En la etapa termófila debe

mantenerse a una temperatura mayor a 50 °C por un m ínimo de tres días, para eliminar

14

los patógenos, sustancias fitotóxicos y semillas de malezas; y en esa etapa no debe

rebasarse la temperatura de los 65°C, ya que provoc aría la muerte de los

microorganismos que efectúan la descomposición del material [4].

2.2.2.5 TAMAÑO Y FORMA DEL MATERIAL A COMPOSTAR

El tamaño o la cantidad de material a compostar, debe ser suficiente para prevenir

la disipación rápida del calor y de la humedad y lo suficientemente pequeño para permitir

la suficiente aireación. Un mínimo de 40 litros se requieren para los sistemas

experimentales en basura si la acumulación de calor ocurre en pocos días. Sistemas más

pequeños se pueden utilizar para proyectos de investigación o demostración en salas de

clase pero requerirán el aislamiento para la retención del calor [40].

2.2.3 FACTOR BIOLÓGICO

Son muchos los microorganismos que intervienen en el proceso de compostaje;

bacterias, hongos, actinomicetos, entre otras (en la Tabla 6.2 del Anexo 1 se presentan

algunos géneros); las poblaciones se suceden durante el proceso de compostaje en

función de la temperatura y el pH principalmente. Algunos residuos orgánicos contienen

suficientes microorganismos para su descomposición; esto puede presentarse en el caso

de los RSOD.

En general, para el compostaje de los RSOD se recomienda proveer de

microorganismos al material a compostar mediante un iniciador (material que cuenta con

huevecillos o microorganismos que actúan en la degradación del material orgánico), para

tal fin puede utilizarse composta madura, suelo, estiércol u otros materiales.

2.2.4 NIVELES RECOMENDADOS DE LOS FACTORES

Los niveles de los factores físicos y químicos importantes para lograr un proceso

de compostaje adecuado se presentan en la Tabla 2.1, además de indicarse el nivel

óptimo recomendado.

15

Tabla 2.1. Niveles aceptables de los factores físicos y químicos para el compostaje, y los valores

óptimos.

Núm. Factor considerado Intervalo aceptable Valor óptimo

1. Composición inicial de la mezcla, relación C/N (%) 25 a 35 : 1 30:1

2. Potencial de hidrógeno en la mezcla inicial, pH 6.5 a 8.5 7

3. Contenido de humedad de la mezcla durante el compostaje (%)

40 - 60 60

4. Contenido de oxígeno en el aire dentro de la cámara de compostaje (%)

> 5 % Mínimo: 10 %

5. Temperatura en la etapa termófila (°C) Entre los 40 y 65 60

6. Tamaño de partícula de los materiales (cm) En general de 1 a 5 cm y para materiales leñosos 1 a 2 cm.

1- 2 cm

Fuente: [4], [2], [22] y [25].

2.3 LIMITANTES PARA EL USO DE LA COMPOSTA

En general los principales factores que limitan el uso de la composta en la

agricultura son: el exceso de salinidad, exceso de nutrientes, contaminantes orgánicos,

microorganismos patógenos, metales pesados y grado de estabilidad.

2.3.1 EXCESO DE SALINIDAD

El exceso de salinidad influye negativamente en la capacidad de germinación de las

semillas y en el crecimiento de las plantas; además provoca un empeoramiento en la

estructura del suelo (Shainberg y Letey, 1984 citado por [20]).

La composta generada a partir de los RSOD puede presentar problemas de

salinidad, debido al amplio uso del cloruro de sodio en los alimentos, por ello es

recomendable evitar el composataje de residuos de cocina que hayan sido mezclados con

sal.

2.3.2 EXCESO DE NUTRIENTES

Este problema se presenta en materiales con alto contenido de nitrógeno y cuando

el proceso de compostaje no es el adecuado. Para los RSOD, el problema del alto

contenido de nitrógeno no es probable que se presente.

16

El exceso de N2

se puede lixiviar cuando se encuentra en forma de nitratos, con la

consiguiente contaminación del agua. Asimismo, el empleo de residuos en los cuales la

relación C/N es baja, puede provocar una alta volatilización de nitrógeno en forma de

amoniaco, lo que puede originar problemas de fitotoxicidad sobre la germinación de las

semillas (Findenegg, 1987, citado por [20]).

2.3.3 CONTAMINANTES ORGÁNICOS

La contaminación de la composta puede generarse por el compostaje de residuos

que han sido tratados con plaguicidas (insecticida, fungicidas, herbicidas, nematicidas,

hormonas o desinfectantes), colorantes y algunos derivados del petróleo (combustibles,

aceites, caucho, entre otros), estos productos pueden limitar o evitar el crecimiento o la

muerte de las plantas.

Por lo anterior, debe evitarse el compostaje de materiales que contengan colorantes

(papel, revistas, periódico y cartón con colores diferentes a la tinta negra) residuos de

jardinería a los cuales se les haya aplicado algún tipo de plaguicida.

2.3.4 MICROORGANISMOS PATÓGENOS

Los microorganismos patógenos y semillas de malezas son dos aspectos que

demeritan la calidad de la composta producida, los primeros pueden causar problemas

sanitarios en las plantas y animales, mientras que las segundas pueden germinar junto

con las plantas de interés y competir por nutrientes y agua.

Para higienizar la composta de microorganismos patógenos y de semillas de

maleza es necesario un buen proceso bioxidativo, completado con una buena fase de

estabilización.

Las semillas de malezas al igual que la gran mayoría de microorganismos

patógenos no llegan a resistir los 60-70ºC alcanzados durante el proceso de compostaje

(ver Figura 2.3 y Tabla 2.2).

En un sistema de compostaje por medio del control del volteo junto con la

temperatura y la humedad, permiten alcanzar la temperatura necesaria para la

destrucción de los patógenos y semillas en todos los residuos compostados.

17

Los microorganismos patógenos pueden presentarse en los residuos de origen

animal, mientras que las semillas de maleza en los residuos de jardinería.

Tabla 2.2. Temperatura y tiempo de exposición necesario para la destrucción de patógenos

(Gouleke, 1972).

Organismos Temper atura y tiempo de exposición Salmonella thyphosa Son suficientes 30 min a 55-60 ºC, no se

desarrolla a temperatura superiores a 46 ºC Salmonella sp. Se destruyen al exponerse 1 hora a 55 ºC o 15-

20 minutos a 60 ºC Shigella sp. Se destruyen al exponerse 1 hora a 55 ºC Escherichia Coli La mayoría mueren al exponerse 1 hora a 55

ºC o 15-20 minutos a 60 ºC Taenia Saginata Se elimina en unos pocos minutos a 55 ºC Larvas de Trichinella spiralis Mueren rápidamente a 55 ºC e

instantáneamente a 60 ºC Brucella abortus Se destruyen a 55 ºC en 1 hora Micrococcus pyogenes var. Aureus Mueren después de 10 min a 50 ºC

Streptococcus pyogenes Mueren después de 10 min a 54ºC Mycobacterium tuberculosis var. Hominis De 15 a 20 min a 66 ºC Corynebacterium diphtheriae Se elimina por exposición, 45 min a 55 ºC Huevos de Ascaris lumbricoides Mueren en menos de 1 hora a 55 ºC

Figura 2.3. Influencia de la temperatura y el tiempo de exposición en la destrucción de gérmenes

patógenos (Feachem et al 1978).

18

2.3.5 METALES PESADOS

En general, los metales pesados son un problema principalmente de los residuos

de origen industrial, mientras que para los RSOD no lo son.

2.3.6 GRADO DE ESTABILIDAD

El empleo de la composta sin un adecuado grado de estabilidad, es el origen de la

mayor parte de los efectos negativos que se producen en las plantas. Algunos de los

fenómenos negativos provocados, son los siguientes:

o Disminución de la concentración de oxígeno y del potencial de oxido-reducción a

nivel radicular (sustrato donde se desarrollan las raíces), favoreciéndose la

aparición de zonas anaerobias que afectan negativamente el crecimiento y

provocando la pudrición.

o En el caso de relaciones C/N altas, bloqueo del nitrógeno del medio por la

competencia establecida entre los microorganismos y la planta por dicho nutriente.

o Elevación de la temperatura (autocalentamiento), hasta alcanzar valores

incompatibles con el desarrollo de la planta.

o Acumulación de ácidos orgánicos de bajo peso molecular y otros metabolitos

orgánicos considerados como fitotóxicos.

o Posibilidad de aparición de microorganismos patógenos.

2.3.6.1 MÉTODOS PARA EVALUAR LA ESTABILIDAD DE LA COMPOSTA

Existen diferentes métodos para determinar la estabilidad de la composta los cuales

pueden ser divididos en los siguientes: método por observaciones directas, métodos

físicos, métodos químicos y métodos biológicos. En la Tabla 6.3 del Anexo 1, se presenta

un resumen de las principales pruebas correspondientes a cada uno de los métodos para

determinar la estabilidad, además de las consideraciones que deben tomarse para su

realización y, con base a los resultados de las pruebas, los parámetros para definir la

estabilidad de la composta ([35], [4] y [16].

La determinación de la estabilidad de la composta obtenida en el prototipo se hará

mediante el método de observación directa (observación del color, olor y mediante la

curva de temperatura), método químico (relación C:N y potencial de hidrógeno pH) y

método biológico (ensayo de germinación).

19

El método de observación directa permite de manera rápida identificar si el material es

inestable, mientras que el método químico permite determinar de manera más objetiva la

estabilidad de la composta considerando que al medir la relación C/N si ésta resulta ser

>20 indica un alto contenido de materia orgánica indicador de inestabilidad de la

composta (considerando que la mezcla de RSOD utilizados presentan una relación de

C/N inicial > 25/1), la medición del pH con valores entre 5 y 8.5 indican madurez esto

puede tomarse como parámetro de estabilidad, aunque depende del pH inicial de los

RSOD. El método biológico con la prueba de germinación permite observar si la composta

es un substrato adecuado para la germinación y crecimiento de las plantas que es el

objetivo principal de las pruebas de estabilidad. Con estas pruebas mencionadas

anteriormente se puede determinar si la composta obtenida en el prototipo es estable.

2.4 SISTEMAS DE COMPOSTAJE

Los sistemas de compostaje tienen como finalidad facilitar el control y la

optimización de parámetros operacionales, para obtener un producto final con la suficiente

calidad, tanto desde el punto de vista sanitario como de su valor como fertilizante.

Los tiempos de residencia en planta, la disminución de los requisitos de espacio y

energía, la seguridad higiénica de la planta de tratamiento son factores decisivos en el

diseño de estos sistemas de compostaje.

Los sistemas utilizados se pueden clasificar en dos grupos: abiertos y cerrados

(Figura 2.4). En los primeros, el compostaje se realiza al aire libre, en pilas o hileras,

mientras que en los segundos la fase termófila se realiza en reactores.

Figura 2.4. Sistemas de compostaje [20].

20

2.4.1 SISTEMAS ABIERTOS

Los sistemas abiertos son los sistemas tradicionales de compostaje. Los sustratos

a compostar se disponen en hileras o pilas que pueden estar al aire libre o en naves. La

aireación del material puede hacerse por volteo mecánico de la pila o por aireación

forzada. Esta última tiene la ventaja de permitir el control del nivel de oxígeno, así como

de la humedad y la temperatura ([20]).

2.4.1.1 PILAS ESTÁTICAS.

El sistema más antiguo que se conoce es el apilamiento estático con aireación

natural; se realiza en pilas de tamaño reducido (1.5 m de alto, 2-3 m de ancho) muy

porosas y no se mueven durante el compostaje; se considera un sistema lento. El flujo de

aire caliente en el interior de una pila estática se muestra en la Figura 2.5 (Kiehl, 1985

Citado por [20]).

Figura 2.5. Flujo de aire caliente en el interior de una pila estática de composta.

La pila de composta presenta porcentajes variables de oxígeno en el aire de sus

intersticios, la parte externa de la hilera contiene casi tanto oxígeno como el aire

atmosférico (18-20 %) hacia el interior, el contenido en O2 desciende y el de CO2 aumenta,

hasta el punto de que a una profundidad mayor de 60 cm, el contenido de oxígeno puede

estar entre el 0.5 y el 2 %. Según Poincelot, (1974), el contenido mínimo de O2, en la fase

termófila, debe ser de al menos 6 % para garantizar una descomposición aerobia.

Para lograr una mejor aireación se recurre a sistemas de aireación forzada, en los

que un sistema de tuberías y bombas permiten operar en condiciones controladas.

21

2.4.1.2 PILAS CON VOLTEO.

Es un sistema lento, la pila es oxigenada periódicamente, requiere más espacio y

presenta dificultades en el control higiénico. La altura de la pila es mayor que en las pilas

estáticas (2.5 m). La frecuencia de volteo depende del tipo de material, la humedad y

climatología, el grado de estabilidad y de los tiempos de residencia en planta que se

estimen adecuados.

Dado que, para una buena oxidación biológica, el nivel de O2

ha de permanecer

relativamente elevado, el volteo periódico facilita la renovación del aire en el interior de la

pila (De Bertoldi et al., 1982) Figura 2.6.

Figura 2.6. Nivel de Oxígeno durante el compostaje. (−) demanda de oxígeno del residuo a

compostar; (+) suministro de oxígeno con un sistema de volteos periódicos (cada 7 días).

Un sistema mejorado, es aquel en el que además de voltear se provoca la

aireación forzada. La mezcla a compostar se voltea y homogeniza para posteriormente

suministrarle aire por ventilación. La descomposición se realiza en depósitos colocados

bajo un cobertizo, la ventilación se realiza por tuberías perforadas o por un canal

empotrado en la solera. Las tuberías se conectan a un ventilador que asegura la entrada

de oxígeno y la salida del CO2. La ventilación se puede realizar por inyección, succión

(Figura 2.7) o utilizando sistemas alternantes.

En los sistemas alternantes (succión-inyección) una primera etapa de aireación por

succión permite controlar mejor el proceso, la emisión de olores y que se alcancen

mayores temperaturas (necesarias para la higienización) en una segunda etapa, tras la

22

reducción de microorganismos patógenos se reinvierte el flujo de aire (inyección) y se

continua el proceso.

Figura 2.7. Sistema de pila estática con aireación forzada por succión.

2.4.2 SISTEMAS CERRADOS

Los sistemas cerrados (reactores) en su mayoría son de grandes tamaños y

capacidades siendo casi exclusivos para el tratamiento de grandes cantidades de

residuos sólidos orgánicas por sus elevados costos de construcción. El compostaje en los

reactores se realiza en un período de 3 a 15 días, posterior a ello el material es puesto en

pilas para su descomposición final o estabilización. Estos sistemas tienen la ventaja de

tener un mayor control del proceso de compostaje, son independientes en gran medida de

los factores ambientales y requieren pequeñas superficies de terreno para el tratamiento

de los residuos, lo que es ideal para el tratamiento de los RSOD de hogares

principalmente en zonas densamente pobladas.

2.4.2.1 REACTORES VERTICALES.

Los reactores generalmente son de grandes tamaños, de 4 a 10 m de altura, que

pueden ser continuos o discontinuos; en los primeros el material es alimentado

constantemente, mientras que en los segundos, los residuos a compostar se alimentan

una sola vez hasta que termina el ciclo de compostaje. Los reactores de tipo continuo

pueden constar de un cilindro cerrado, aislado térmicamente, con un sistema de aireación

y extracción del material; conforme se extrae el producto compostado desciende

progresivamente el residuo fresco. El tiempo de residencia generalmente es de 2

semanas, posterior a ello se pasa a un parque de maduración. El inconveniente de estos

reactores es su alto costo de instalación y mantenimiento. En la Figura 2.8 se muestra un

reactor vertical circular, en el cual, el material a compostar se introduce por la parte

superior del reactor y la masa se voltea mediante un brazo giratorio, el material

compostado se retira por el centro de la base. Con este sistema se alcanzan tiempos de

retención de 10 días, tras los cuales se continúa con la maduración.

23

Figura 2.8. Reactor circular de lecho agitado.

2.4.2.2 REACTORES HORIZONTALES.

Este tipo de reactores presenta características similares a los reactores verticales.

2.4.3 COMPARATIVA ENTRE SISTEMAS DE COMPOSTAJE

En la Tabla 2.3, se presenta una comparativa de los sistemas abiertos de compostaje

frente a los cerrados, la utilización de unos u otros depende de muchos factores entre los

cuales podemos señalar el clima de la región, el control del proceso (malos olores,

generación de microorganismos, entre otros), tamaño de la superficie del terreno disponible,

cantidad de residuos que requieren ser tratados, rapidez para el tratamiento, costo, entre

otros.

Cuando se piensa en el compostaje en los hogares de México, principalmente en

zonas densamente pobladas (D.F., Monterrey, Puebla, Cuernavaca, entre otros) los sistemas

abiertos de compostaje no son una opción debido a que son lugares donde el espacio

reducido es una limitante, se requiere de un control adecuado del proceso de compostaje

(para minimizar la generación de olores, organismos perjudiciales, entre otros) y que los

factores climáticos no lo afecten.

Tabla 2.3. Estudio comparativo entre los sistemas de compostaje abiertos y cerrados.

Elementos de comparación Sistemas abiertos Sistemas cerrados Superficie Grande Reducida Tecnología Sencilla Sofisticada Sistema Discontinuo/semicontinuo Semicontinuo/Continuo Inversión De baja a moderada De elevada a muy elevada Costos de explotación Variables según estructurales Elevados Consumo energético Bajo/medio Medio elevado Mano de obra Variable según la instalación Más especializada Duración de la descomposición Semanas De 3 a 15 días Olores Problemas si no hay aireación Aireación controlada

24

2.5 COMPOSTADORES DOMÉSTICOS

Para el compostaje doméstico existen una variedad de compostadores los cuales

pueden dividirse en recipientes, mecánicos o automáticos.

2.5.1 RECIPIENTES COMPOSTADORES

Este tipo de compostadores están construidos de plástico o madera, su forma puede

ser cuadrada, rectangular o redonda, ver Figura 2.9. Este tipo de compostadores son muy

económicos, en los cuales los residuos se introducen continuamente conforme estos son

generados hasta alcanzar su máxima capacidad. En el recipiente se pueden encontrar

residuos frescos, residuos parcialmente descompuestos y material completamente

degradado el cual puede ser extraído por alguna vía de manera manual.

Figura 2.9. Recipientes compostadores.

2.5.2 COMPOSTADORES MECÁNICOS

Estos compostadores son cilíndricos generalmente, los cuales cuentan con un

mecanismo manual o con motor que permite el movimiento o mezclado del material

compostado, su costo es moderado, en la Figura 2.10 se muestran dos ejemplos de ellos.

Los residuos se introducen conforme se van generando hasta alcanzar su capacidad máxima

o la descomposición completa de los residuos, la extracción es manual y la aireación del

material se realiza durante el movimiento o mezclado del mismo.

25

a) Marca: Organics CVSWMD b) Marca: Jora Kompost

Figura 2.10. Compostadores mecánicos.

2.5.3 COMPOSTADORES AUTOMÁTICOS

Los compostadores automáticos domésticos comerciales presentan capacidades que

permiten tratar los residuos generados por varias familias y únicamente se encontró una

empresa que fabrica compostadores de baja capacidad, para el tratamiento de los residuos

generados por una familia, ver Figura 2.11.

Las formas de los compostadores automáticos encontrados son rectangulares, de

cilindro vertical u horizontal. El sistema de control permite airear el material, mezclarlo y

controlar el exceso de temperatura.

a) Compostador rectangular (Marca: Nature Mill) b) Cilindro vertical (Marca: Composting machine).

Figura 2.11. Compostadores automáticos.

26

Figura 2.12. Compostador horizontal (Marca: Jora Kompost Modelo JK 5100)

2.5.4 CARACTERÍSTICAS DE LOS COMPOSTADORES AUTOMÁ TICOS

COMERCIALES

Los compostadores comerciales para el tratamiento de RSOD, aún y cuando tienen

diferentes capacidades de tratamiento de los residuos, presentan características similares

con respecto a su funcionamiento, las cuales son principalmente las siguientes:

• Mezclado y movimiento del material

• Presentan aireación forzada

• Cámara de compostaje construida con materiales termo aislantes

• Drenado de lixiviados

• Características encontrados solo en un compostador:

o Control de la temperatura

o Cuentan con mecanismo de trituración

o Calentador

2.6 ESTUDIO DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS DOMÉSTICOS PARA EL

COMPOSTAJE.

Para cumplir con los objetivos planteados de diseño del prototipo, es necesario tener

un conocimiento de algunas propiedades importantes de los residuos que se generan en el

hogar, definiendo a los materiales que serán compostados en el dispositivo.

2.6.1 COMPOSICIÓN DE LOS RSOD

La naturaleza o composición de los residuos orgánicos permite conocer a los

materiales que los constituyen, sus propiedades físico-mecánicas y químicas importantes

para el proceso o diseño.

27

Determinar los materiales presentes en los residuos sólidos orgánicos de origen

doméstico, es muy complicado debido a que dependen de diferentes factores como: hábitos

alimenticios de la familia, la región y época del año, principalmente. Una aproximación, para

el caso de los residuos alimenticios se presenta en la Tabla 2.4, basada en estudios

realizados por algunas instituciones mexicanas, tal es el caso del Instituto Nacional de

Estadística, Geografía e Informática (INEGI) donde se publican los 20 productos alimenticios

que generan mayor gasto a las familias mexicanas (de los tres estratos económicos: bajo,

medio y alto) [18]; de la Procuraduría Federal del Consumidor (PROFECO) en su publicación

de la lista de productos incluidos en la canasta básica [27][25]; y de la Secretaría de

Agricultura, Ganadería, Pesca y Alimentación (SAGARPA), donde se presentan los cultivos

que ocupan la mayor superficie sembrada y los que alcanzan el más alto valor de producción

en México [17].

Tabla 2.4. Productos considerados como los más consumidos por los mexicanos.

Tipo de producto Alimentos más consumidos por los mexicanos Granos Maíz (tortilla)

Frijol Arroz Trigo

Hortalizas Jitomate Cebolla Papa Chile serrano y jalapeño

Frutas Plátano Manzana Naranja Limón Mandarina

Productos procesados Tortilla Pasta para sopa

Pan de dulce Pan blanco: bolillo, telera, baguette Galletas dulces Azúcar blanca

Para el caso de los materiales más comunes en los residuos de jardinería se

presenta una lista en la Tabla 2.5, basada en observaciones de los residuos generados en

la ciudad de Cuernavaca Estado de Morelos.

28

Tabla 2.5. RSOD de jardinería que se considera más frecuente en los RSM.

Todos los hogares Pastos

Hojas de arboles Malezas (hiervas)

Ramas de árboles y arbustos

2.6.2 PROPIEDADES DE LOS RSOD

Para lograr un proceso de compostaje adecuado es necesario mantener la relación

carbono/nitrógeno (C/N) y contenido de humedad de la mezcla de residuos a compostar en

los niveles apropiados como se muestra en la Tabla 2.1 [44], para ello es necesario conocer

la relación C/N y contenido de humedad de cada material (en la Tabla 6.1 del anexo se

presenta para algunos materiales) que son utilizados en el compostaje, y con la ayuda de la

Ecuación 1 y Ecuación 2 se comprueba si se cumple con los valores convenientes de las

propiedades.

O m ∑ o!"c100 f V<"gr?" v"w+∑ oD"c100 f V<"gr?" v"w+ Ecuación 1

Donde:

R: Relación carbono nitrógeno C/N de la mezcla (adim.) !": Cantidad de carbono en el material i (%) D" : Contenido de nitrógeno en el material i (%) ?": Masa del material húmedo i (kg) V<" : Contenido de humedad del material i (%) E: Número total de materiales mezclados (adim.)

VX m ∑ ?"V<" v"w+∑ ?" v"w+ Ecuación 2

Donde:

WT: Humedad de la mezcla (kg) ?": Masa del material húmedo i (kg) V<" : Contenido de humedad del material i (%)

29

En la Tabla 6.1 del Anexo 1, se incluyen los valores de la densidad de algunos de los

residuos orgánicos domésticos que pueden ser frecuentemente compostados en el prototipo,

permitiendo suponer una mezcla de residuos típica a compostar y con ayuda de la Ecuación

3 determinar su densidad con la cual se dimensionará la cámara de compostaje.

` m x #"`"v"w+

Ecuación 3

Donde:

`": Densidad del material i (kg/m3)

#" : Porción ocupada del material i en la mezcla (adim.).

`: Densidad de la mezcla de RSOD, (kg/m3)

Otra propiedad importante de los materiales orgánicos domésticos es su potencial de

hidrógeno, pero debido a que la mayoría de ellos se cree presenta un valor cercano a los 7

(valor neutro) no se le prestará mucha atención, únicamente se darán algunas

recomendaciones para evitar el uso de materiales altamente ácidos o alcalinos en elevadas

proporciones al preparar la mezcla.

Al realizar algunos cálculos de la densidad, con los datos de los residuos presentados

en la Tabla 2.4 y considerando las proporciones de los residuos que permitan cumplir con los

requerimientos de humedad y relación carbono nitrógeno para el compostaje, se encontró un

intervalo de valores de la densidad entre 400 a 500 kg/m3. Debido a que el material que será

introducido al dispositivo no debe ser comprimido y debe considerar el espacio poroso, se

procedió a medirlo experimentalmente y se obtuvo un valor promedio de 202 kg/m3, el cual

será el valor utilizado en los cálculos para dimensionar la cámara de compostaje.

30

CAPITULO 3. DISEÑO

3 DISEÑO

El diseño del prototipo, requirió considerar las propiedades de los residuos que permitan

el apropiado funcionamiento del dispositivo, además de los factores físicos que intervienen

en el proceso de compostaje y permiten lograr un proceso adecuado.

Como parte inicial del diseño se realizó el diseño conceptual del prototipo, en el cual se

definieron las partes y mecanismos principales que llevan a cabo las funciones deseadas del

dispositivo; posterior a ello, se hizo el diseño detallado en el cual se realizó una serie de

cálculos que permitieron dimensionar de manera detallada al prototipo (los cuales se

presentan en la memoria de cálculo), además en él se definieron las características y

especificaciones técnicas de piezas y componentes para su fabricación o selección. Como

resultado del diseño fueron los planos, diagramas de ensamble y lista de especificaciones

técnicas de piezas y componentes, las cuales se presentan en el “Documento técnico de

diseño” [45]. También se realizó el diseño de la parte electrónica y de control del prototipo.

3.1 CONSIDERACIONES DE DISEÑO

3.1.1 MANEJO DE LOS FACTORES EN EL PROTOTIPO

Como se ha mencionado, los factores que afectan el proceso de compostaje pueden

ser clasificados en físicos, químicos y biológicos.

Debido, a que el funcionamiento del prototipo únicamente puede realizar acciones

que permitan manejar los factores físicos que afectan el proceso de compostaje, ya que los

factores químicos y biológicos dependen de la preparación de la mezcla de residuos

(dependientes de la combinación que haga el usuario) y de los microorganismos presentes o

agregados para que se efectúe el proceso de compostaje, sólo se trabaja sobre los factores

físicos que permiten un proceso de compostaje adecuado.

31

Los factores físicos sobre los cuales se implementan sistemas o mecanismos que

permiten afectarlos favorablemente para el compostaje son: la temperatura, contenido de

humedad y concentración de oxígeno en el aire.

Para el manejo de la temperatura, se utiliza un sistema que permite evitar que la

temperatura del material alcance niveles superiores a los 65°C, para ello se coloca un sensor

de temperatura para monitorearla en el punto donde se alcanza la mayor temperatura

durante el proceso de compostaje (donde se presenta la etapa termófila), y con ayuda de un

extractor se introduce aire para controlar la temperatura.

Las temperaturas bajas, que son un indicativo de que el proceso de compostaje no se

realiza adecuadamente, y puede ser provocada por una inadecuada preparación de la

mezcla de residuos, inadecuado contenido de humedad o por la baja población microbiana.

Para el manejo de la humedad, se recomienda al usuario del dispositivo hacer

mezclas que permitan obtener un nivel adecuado de humedad y fraccionar los residuos en

tamaños apropiados para disminuir los problemas de difusión del oxígeno (tamaños de las

fracciones mayores a 1 cm). Debido a que comúnmente los RSOD tienen un elevado

contenido de humedad, el extractor que es utilizado en el compostador suministra

diariamente el volumen de aire necesario para extraer el 20 % de la humedad con la que

entran los RSOD (considerando que la humedad de los RSOD esté entre el 70 y el 80 %).

Además, se cuenta con elementos que permiten el drenado de los líquidos lixiviados.

El oxígeno es suministrado por la aireación del material con el extractor que remplaza

el aire del interior de la cámara de compostaje y así cubrir los requerimientos de oxígeno

demandados por los microorganismos.

3.1.2 CRITERIOS Y CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Los criterios de diseño para el dispositivo deben contemplar principalmente: el buen

funcionamiento, sencillez en el mantenimiento, seguridad, facilidad de operación, durabilidad

y sencillez para su construcción. A continuación se presenta la lista de criterios y

consideraciones que se tomaron en cuenta para el diseño:

32

1. La capacidad mínima de procesamiento del compostador de 3 kg de RSOD por día,

lo que implica alimentación y procesamiento continúo de residuos.

2. El tiempo que el material permanece dentro del dispositivo es de 30 días, con lo cual

se pretende lograr la estabilidad biológica de la composta. Este es el tiempo que se

reporta como el necesario para alcanzar la estabilidad de la composta.

3. Se considera que los RSOD antes de introducirse a la cámara de compostaje son

fraccionados en tamaños de 1 a 2 cm, evitando fracciones mayores a los 5 cm.

Además la mezcla de los RSOD debe cumplir lo mejor posible con las condiciones de

relación C:N, pH y humedad establecidas en la Tabla 2.1.

4. Las dimensiones del dispositivo deben permitir ubicarlo dentro de un departamento o

casa como cualquier otro mueble. Además de poderse trasladar sin dificultad.

5. Se utiliza aireación forzada por succión, ya que permite el mejor control del proceso,

la emisión de olores y que se alcancen mayores temperaturas (necesarias para la

higienización) [20].

6. El prototipo está orientado a compostar materiales de origen vegetal, y aunque es

posible compostar residuos de origen animal esto no es recomendable, ya que estos

materiales pueden contener microorganismos difíciles de eliminar y peligrosos para la

salud humana. Además de ello se debe evitar el compostaje de materiales

contaminados y la introducción de materiales inorgánicos dentro del compostador.

3.2 DISEÑO CONCEPTUAL

En esta parte del diseño se generan alternativas de solución y se selecciona la que se

considera más adecuada para cumplir con los requerimientos definidos, así mismo se

definen las partes del prototipo.

3.2.1 DEFINICIÓN DE LAS FUNCIONES DEL PROTOTIPO

Para el diseño del prototipo, se definieron las características del material a procesar

(características de la materia prima) y del producto que se desea obtener al final del proceso

33

(composta), a partir de ello y del estudio realizado de los requerimientos del proceso de

compostaje, se establecieron las funciones que debe realizar el prototipo para alcanzar éste

fin; lo que se resume en la Tabla 3.1.

Tabla 3.1. Principales consideraciones que las partes y mecanismos del prototipo.

Puntos considerados Consideraciones definidas para el diseño

Características de la materia

prima a procesar

Materiales principalmente de origen vegetal

Material fraccionado en tamaños de 1 a 5 cm.

Mezcla con humedad no mayor al 80 %.

Mezcla con un pH entre 6 y 8.5.

Mezcla con relación C/N de 1/20-30.

Funciones del prototipo

durante el proceso de

compostaje

Proporcionar un medio que permita que material no se enfríe

Evitar que el material que se encuentre en diferente etapa de

descomposición se mezclen (mezclado entre el material fresco con el

material parcialmente descompuesto o con la composta terminada).

Que el material introducido tenga el mismo tiempo de compostaje (para

obtener una descomposición uniforme del material).

Descompactación y mezclado del material.

Aireación del material

Enfriamiento cuando la temperatura es mayor a los 65°C

Transporte del material hasta la salida del compostador

Almacenamiento de la composta al final del proceso

Que sea posible identificar cuando el proceso de compostaje del

material no se realice

Salida del material Composta biológicamente estable

Libre de patógenos y semillas de malezas

Con base a lo indicado en la Tabla 3.1 y a las particularidades de los compostadores

comerciales, se establecieron las partes, mecanismos o sistemas principales con los cuales

debe contar el prototipo, las cuales se enlistan a continuación:

• Cámara que aísle térmicamente el material del medio ambiente (cámara de

compostaje)

• Mecanismo de descompactacion y mezclado del material (uso de aspas o a través de

volteos)

34

• Mecanismo evite mezclar el material que se encuentra en diferentes etapas de

descomposición y permita un procesamiento continuo (división por secciones o

realizando un flujo continuo de manera uniforme del material)

• Mecanismo que transporte el material a la salida del compostador (uso de bandas,

aspas o tornillo sin fin)

• Depósito para el almacenamiento del material (recipiente de recolección)

• Sistema que permita el funcionamiento automático del compostador (sistema

electrónico y de control)

• Fuente de potencia y transmisión que facilite el funcionamiento de los demás

mecanismos o sistemas (motor y transmisión por bandas, cadenas o bandas)

• Sistema de ventilación (uso de ventilador o extractor y vías de entrada y salida de

aire)

• Soporte

3.2.2 GENERACION DE LA ALTERNATIVA DE SOLUCION

Debido a que comercialmente no existe un compostador que cumpla con los

requerimientos deseados, ya sea por qué su capacidad de tratamiento de residuos es muy

superior a la deseada, porque son discontinuos en el procesamiento de los residuos o

porque sólo son recipientes de almacenamiento con perforaciones para la aireación,

únicamente se consideraron algunas particularidades para proponer dos de las alternativas

de solución.

Las alternativas de solución generadas, son las siguientes:

1. Compostador horizontal con bandas

2. Compostador cilíndrico vertical

Las alternativas propuestas como solución cuentan con las partes, mecanismos o

sistemas que permiten cumplir con las funciones que debe tener el compostador, de acuerdo

a lo establecido en la Tabla 3.1, pero únicamente se describe el funcionamiento de las partes

que tienen contacto con el material, ya que las demás partes son comunes para las dos

alternativas como son: soporte, sistema de transmisión y potencia, sistema electrónico y de

control, recipiente de recolección, entre otros.

35

3.2.2.1 COMPOSTADOR HORIZONTAL CON BANDAS

La primera alternativa se muestra en la Figura 3.1 y sus partes principales se enlistan a

continuación:

1. Puerta de alimentación

2. Cámara de compostaje (con tres secciones)

3. Bandas transportadoras (tres bandas)

4. Flecha con aspas que mueven y mezclan al material (tres flechas)

5. Extractor

6. Compuertas de apertura para la entrada de aire (tres entradas de aire)

7. Recipiente recolector del material final

8. Soporte o chasis

9. Motor y sistema de transmisión

10. Placa para escurrimiento de lixiviados

11. Sistema electrónico y de control

a) Vista frontal de compostador b) Partes del compostador

Figura 3.1. Elementos principales del dispositivo.

El funcionamiento del dispositivo es el siguiente: inicia con la introducción de los

residuos a la cámara de compostaje a través de la puerta de alimentación, cayendo sobre la

parte inicial del recorrido de la primera banda (sección uno). En esta banda los residuos

permanecen por un tiempo aproximado de siete días y medio, tiempo en el cual se efectúa la

primera y segunda etapa del proceso de compostaje (etapa mesófila y termófila), antes de

llegar al final del recorrido de la banda, y con la ayuda de la flecha con aspas, se

36

desmenuzan los residuos y se permite la caída del material a la segunda banda, ver Figura

3.2.

Los residuos que caen a la segunda banda (sección dos) se desplazan por el

movimiento de la misma, hasta llegar al final del recorrido, donde se ubica una segunda

flecha con aspas, que al igual que la primera desmenuza y facilita la caída del material a la

tercera banda. El tiempo que los residuos tardan en desplazarse, desde su caída a la

segunda banda hasta llegar al final del recorrido de la misma, es de aproximadamente 10.5

días, en este período se efectúa la etapa mesófila final.

La caída del material a la tercera banda (sección tres) es a los 18 días

aproximadamente de haberse introducido a la cámara de compostaje, en esta banda se

desplaza el material por un tiempo de 12 días hasta llegar al final de la misma y con la ayuda

de la flecha con aspas los residuos caen al recipiente recolector en el cual se almacena la

composta obtenida (Figura 3.2). El tiempo total desde que el material es introducido al

prototipo hasta que sale, es de aproximadamente 30 días.

Figura 3.2. Flujo de los residuos al interior del dispositivo.

Como se puede observar el procesamiento de los residuos es continuo, el material en

diferentes etapas de descomposición no se mezcla (ya que es movido uniformemente hacia

la salida del compostador) y se aprovecha la caída del material para su desmenuzamiento lo

que permite disminuir los requerimientos de potencia.

37

3.2.2.2 COMPOSTADOR CILÍNDRICO VERTICAL

Otra de las alternativas generadas es el compostador con cilindro vertical el cual se

presenta en la Figura 3.3. Sus partes principales se enlistan a continuación:

1. Tolva de Alimentación 2. Motor y sistema de transmisión 3. Mecanismo de trituración (flecha cortadora y tornillo sin fin) 4. Cámara de compostaje 5. Mecanismo de movimiento del material 6. Extractor 7. Recipiente recolector 8. Soporte o chasís 9. Recipiente recolector de lixiviados

Figura 3.3. Partes principales del prototipo.

El funcionamiento planeado del dispositivo es el siguiente: inicia con la introducción

de los RSOD a la tolva de alimentación por el usuario, de la tolva de alimentación los

residuos son fraccionados en tamaños mayores a 1 cm y transportados e introducidos a la

cámara de compostaje por un tornillo sin fin, lo cual se realiza una vez al día. Los residuos

introducidos a la cámara de compostaje son removidos periódicamente (una vez al día) por

las aspas horizontales fijadas a una flecha vertical giratoria. Conforme se introducen más

residuos a la cámara de compostaje el material asciende, a causa del movimiento de las

aspas, hasta alcanzar el nivel superior de la cámara; en ese momento los residuos son

empujados hacia un recipiente recolector donde se obtiene el producto final del proceso y el

usuario puede extraerlos, ver Figura 3.4.

38

Como se puede observar el material en diferentes etapas de descomposición no se

mezcla, ya que es movido uniformemente hacia la salida del compostador.

El tiempo que el material permanece al interior de la cámara de compostaje es de 30

días. En la Figura 3.4 se muestra el flujo que seguirán los residuos en el proceso de

compostaje.

El prototipo cuenta con dos motores para la trituración y el movimiento de los

residuos; con un extractor para cubrir los requerimientos de aireación y un sistema de

electrónico que permita el control para el funcionamiento automático del dispositivo.

Figura 3.4. Flujo del material dentro del prototipo.

Al igual que la alternativa anterior el procesamiento de los residuos es continuo, el

material en diferentes etapas de descomposición no se mezcla (ya que se mueve

uniformemente de manera ascendente hasta el recipiente de recolección), y tiene la ventaja

de que el material puede ser introducido en diferentes tamaños ya que cuenta con un

mecanismo de trituración que fracciona el material al tamaño requerido por el proceso.

3.2.2.3 SELECCIÓN DE LA ALTERNATIVA DE SOLUCIÓN

Al realizar la comparación de las dos alternativas se encontró que el compostador de

cilindro vertical tiene una fuerte desventaja, por requerir de una fuente de potencia con

capacidad elevada (motor) para mover al triturador y a la flecha con aspas. A demás, por la

39

disposición entre estas dos flechas (dispuestas en un ángulo de 90°), lo que implica el uso

de un motor y un motoreductor o un motor con reductor en V, que por su precio elevado

permitió eliminar esta alternativa y seleccionar como la alternativa del compostador

horizontal con bandas como la más viable, que en lo adelante nos referiremos a ella como:

prototipo, dispositivo o compostador.

3.2.2.4 DESCRIPCION DE LA ALTERNATIVA SELECCIONADA

Parte de las funciones descritas en el punto 3.2.2.1, el dispositivo seleccionado

presenta otras particularidades que se describen a continuación.

La capacidad del recipiente recolector permite almacenar la composta que cae al

recipiente, durante una semana o 7 días, es decir, que el usuario del dispositivo debe vaciar

el recipiente una vez a la semana para evitar que el compostador se atasque. Este período,

da tiempo al usuario para que sin apresuramientos pueda extraer la composta y aplicarlo a

las plantas o al suelo.

El sistema electrónico y de control permite cumplir con el desplazamiento deseado de

las bandas y con ello de los residuos, mantener la temperatura por debajo de los 65°C al

interior de la cámara de compostaje, extraer el exceso de humedad de los residuos y

suministrar los requerimientos de oxígeno para el desarrollo de los microorganismos. Para

ello, se desarrolló una tarjeta con dos sensores de temperatura, un reloj de tiempo real,

interfaz para el control de un motor y un extractor, así como una pantalla de cristal líquido

(LCD) donde se pueden visualizar algunas variables que permiten comprobar que el proceso

de compostaje se efectúa adecuadamente. Este sistema se describe con detalle en el diseño

electrónico y de control en el punto 3.5.

El funcionamiento adecuado de las bandas, flecha con aspas y sistema de

transmisión es fundamental para el dispositivo de compostaje, con tal fin fue necesario

sincronizar adecuadamente el movimiento de las bandas transportadoras.

Para ello, el sistema de transmisión que se utilizó es por cadenas y un motor de baja

velocidad que transmite la potencia requerida para el funcionamiento del compostador. La

40

transmisión por cadenas tiene la ventaja de ser más eficiente en la transmisión de la

potencia, permite trabajar las flechas a bajas velocidades sin problemas de deslizamiento,

mejor sincronización en el movimiento de piezas y con ello mayor control.

El sistema que transmite el movimiento a las piezas que interaccionan con los RSOD

inicia con el motor, el cual acciona una flecha principal de distribución (flecha con aspas

principal) utilizando la cadena uno. De la flecha principal se transmite el movimiento a la

flecha con aspas de la banda uno utilizando la cadena dos, así como a la flecha o rodillo que

mueve a la banda dos, mediante la cadena tres. La flecha o rodillo de la banda dos transmite

el movimiento a los demás rodillos de las bandas (banda uno y dos) y a la flecha con aspas

de la banda dos utilizando la cadena tres, ver Figura 3.1.

3.3 DISEÑO MECÁNICO

En esta parte del diseño se determinó la potencia o energía requerida para el

funcionamiento de cada uno de los sistemas o mecanismos, se dimensiona cada una de las

piezas, se definen los materiales y especificaciones para la construcción.

3.3.1 DIMENSIONAMIENTO DE LA CÁMARA DE COMPOSTAJE

Para realizar el dimensionamiento de la cámara de compostaje, se consideró que el

material es dispuesto en tres secciones, limitadas por las bandas y las paredes de la cámara.

También se consideró que las propiedades del material cambian conforme avanza el

proceso de compostaje, es decir, que en la primera sección (material ubicado sobre la

primera banda) el material tiene propiedades diferentes a los de la segunda y tercera

sección, ver Figura 3.1. La propiedad más importante que afecta el dimensionamiento de la

cámara de compostaje es la densidad, ya que de ella depende el volumen requerido en cada

sección. En la Tabla 3.2 se muestra el valor de la densidad utilizado para el cálculo de las

dimensiones de cada sección y la cantidad de masa que pierde el material que llega a las

bandas.

Debido a que las bandas comerciales tienen un ancho estándar, fue seleccionado un

ancho de acuerdo a las especificaciones de los fabricantes, con ancho de 0.5 m y longitud de

1 m. Estas dimensiones permiten obtener un tamaño del dispositivo final, adecuadas para

espacios pequeños en el hogar. Una vez que se conoce la cantidad de material que soporta

41

cada banda, y las dimensiones de la misma (ancho y longitud de la banda) se determinó la

altura de material sobre cada banda utilizando la Ecuación 4 y con ello se definieron las

dimensiones de las secciones y de la propia cámara de compostaje.

5 m >:�` Ecuación 4

Donde:

>: Masa del material (kg)

5: Altura del material sobre la banda uno (m)

�: Ancho de la banda (m)

: : Longitud de la banda (m)

` : Densidad de la mezcla (kg/m3)

En la Tabla 3.2 se presentan los datos considerados para realizar los cálculos y sus

resultados.

Tabla 3.2. Datos considerados y cálculos realizados para el dimensionamiento de las secciones del compostador.

Sección Días que mantiene el

material (adim.)*

Densidad (kg/m 3)

Pérdida de masa

(%)**

Masa esperada en la sección

(kg)

Altura mínima (mm)

Distancia a utilizar**

(mm)

1 7.5 200 0 22.5 220 250 2 10.5 300 23 23.3 150 200 3 12.0 400 48 19.1 100 200

Nota: *Para determinar los residuos que habrá sobre las bandas (secciones) se considera el número de días que mantendrán al

material antes de caer a la otra banda o al recipiente de recolección, se considera que por cada día son 3 kg con la pérdida de

masa correspondiente a cada sección. ** La pérdida de masa se produce por la descomposición de los residuos y se determinó

experimentalmente al realizar la prueba de los iniciadores. ***La distancia que se utiliza se refiera a la separación entre bandas

o de la banda y la tapa superior del compostador construido (la distancia entre la banda uno y la tapa del compostador es de

250 mm, la distancia entre la banda dos y la banda uno, así como la distancia entre la banda tres a la banda dos son de 200

mm.

La altura de cada sección seleccionada, considera la altura mínima más un

porcentaje del 20 % para evitar que el material al desplazarse sobre las bandas encuentre

resistencia al movimiento en caso de que hubiera contacto con la pared superior, que limita

cada sección. El volumen efectivo de la cámara de compostaje es de aproximadamente 325

L (0.325 m3), pero es necesario considerar también los espesores de las bandas y los

diámetros de los rodillos para definir adecuadamente las dimensiones de la cámara de

compostaje. Las dimensiones de la cámara de compostaje seleccionados en su interior, es

42

de 0.5 m de ancho, 1.2 m de longitud y una altura efectiva de 0.65 m (altura que puede ser

ocupada por los residuos sin considerar el aumento por las flechas y espesor de las bandas).

3.3.2 SELECCIÓN DEL SISTEMA DE TRANSMISIÓN, BANDAS Y FLECHAS.

En esta parte se considera la selección de las bandas, flechas con aspas, así como el

sistema de transmisión y el motor que suministran la potencia requerida para el movimiento.

Iniciaremos con las partes que tienen contacto con el material a compostar, que son;

las bandas, las flechas con aspas y los elementos auxiliares que transmiten la potencia

requerida por los elementos primarios.

3.3.2.1 SELECCIÓN DE LAS BANDAS.

El material seleccionado para las bandas es poliuretano con perforaciones a lo largo y

ancho de la misma, con un ancho de 500 mm. Esta malla es seleccionada debido a que es

muy ligera y soporta las cargas a las cuales es sometida, además, por sus características,

que le permiten soportar las condiciones a las cuales es expuesta dentro del compostador.

Uno de los parámetros importantes que fue necesario determinar de la banda, es la

tensión de trabajo y que nos permite determinar la potencia requerida para darle movimiento

a través de la flecha o rodillo, además para asegurar la resistencia de la banda se compara

con la tensión máxima que soporta la cual debe ser mayor. Para determinar la tensión de

trabajo de la banda se utiliza la Ecuación 5 [42].

) " m 89:<ocLM" b LN+ b L gY; b cLN, b L gYNr y LMH Ecuación 5

Donde:

) ": Fuerza de tensión de la banda correspondiente (una, dos o tres) (N) 89 : Coeficiente de resistencia en los puntos de viraje (adim.) :<: Longitud en la proyección horizontal de la banda (m) LM": Peso lineal del material transportado (N/m) LN+: Peso de las partes móviles de los rodillos en el ramal con carga (N/m) LN,: Peso de las partes móviles de los rodillos en el ramal sin carga (N/m) L : Peso de la banda (N/m) Y;: Coeficiente de resistencia al movimiento del ramal superior de la banda

(adim.)

43

YN: Coeficiente de resistencia al movimiento del ramal inferior de la banda

(adim.)

El valor de los coeficientes [42] y datos considerados para el cálculo de la fuerza de

tensión en las bandas, se presentan en la Tabla 3.3. El valor de la tensión resultante es de

505.13 N.

Tabla 3.3.Coeficientes [42] y datos utilizados para el cálculo de la tensión de las bandas.

Datos y resultados obtenidos Símbolo Valor Unidades Coeficiente de resistencia en los puntos de viraje 89 0.45 Adim. Longitud de la proyección horizontal de la banda :< 1 m Masa del material sobre la bandas >+ 25 kg Peso de las partes móviles del ramal con carga LN+ 2 kg Peso de las partes móviles de los rodillos en el ramal sin carga LN, 2 kg

Peso de la banda L 2 kg

Coeficiente de resistencia al movimiento del ramal superior de la banda

Y; 0.45 Adim.

Coeficiente de resistencia al movimiento del ramal inferior de la banda

YN 0.022 Adim.

3.3.2.2 SELECCIÓN DEL MOTOR PRINCIPAL.

El motor principal es el encargado de suministrar la potencia necesaria para dar movimiento

a los residuos durante el compostaje, para ello, debe suministrar la potencia requerida para

mover las bandas, las flechas con aspas y contemplar las pérdidas de potencia del sistema

de transmisión. La ecuación que permite determinar la potencia requerida en el motor es la

Ecuación 6 [42].

H m HX_X m x HJ"_"v-"w+ b x HI"_"v-

"w+ Ecuación 6

Donde: H: Potencia requerida en el motor (W) HX: Potencia total requerida (W) _X: Eficiencia total de transmisión (Adimensional) H ": Potencia requerida para mover la banda correspondiente (W) H': Potencia requerida para mover la flecha con aspas (W) _: Eficiencia de transmisión por cadenas, se toma de 0.9 [5] (adim.)

44

E: Número de transmisiones por cadenas que va del motor a la flecha o al

rodillo considerado.

{: Ubicación de la flecha con aspas o flecha de la banda considerada (1:

banda uno, 2: banda dos, 3: banda tres).

El número de transmisiones por banda puede observarse en la Figura 3.7.

3.3.2.2.1 Cálculo de la potencia requerida para mover una banda.

La forma como se determinó la potencia requerida para mover una banda fue al

conocer la fuerza de tensión y la velocidad con la cual se desplaza la banda, como lo

muestra la Ecuación 7. El Par requerido para mover la flecha se determinó con la Ecuación 8

[5].

H " m ) "U " m ) "πn "d/60 Ecuación 7

Donde: H ": Potencia requerida para mover la banda correspondiente uno, dos o tres (W). ) ": Fuerza de tensión de la banda correspondiente (N). U ": Velocidad de desplazamiento de la banda correspondiente (m/s) E ": Frecuencia de rotación del rodillo que mueve la banda correspondiente (rpm).

d: Diámetro del rodillo (m).

R " m d) "2 Ecuación 8

Donde:

R " : Par que se opone al movimiento de la banda (N)

La frecuencia de rotación de la flecha o rodillo de la banda, está en dependencia de la

frecuencia de rotación del motor seleccionado y de la relación de transmisión existente entre

la flecha de la banda y la flecha del motor. Debido a que no se requieren altas velocidades

de desplazamiento de las bandas fue seleccionado un motor de corriente alterna de baja

frecuencia de rotación (6 rpm). La determinación de la relación de transmisión se presenta

en el punto 3.3.2.3. y del diámetro de la flecha en el punto 3.3.2.4.1.

45

3.3.2.2.2 Cálculo de la potencia requerida para mover la flecha con aspas.

En el prototipo se tienen tres flechas con aspas, ubicadas al final de cada una de las

bandas. La función de cada una, es ayudar a la caída del material de una banda a otra,

además de permitir la descompactación del material, para ello es necesario vencer la fuerza

de cohesión entre los residuos, en la Figura 3.5 se muestra la flecha con aspas. Esta fuerza

requerida se determina de manera aproximada con el peso del material que tiene contacto

con las aspas, el cual depende del volumen del material y la densidad del mismo, y la

potencia requerida para mover esta flecha se puede determinar con la Ecuación 9.

Figura 3.5. Flecha con aspas.

H' m V$&'~E'60 m ~`3$&':';-E90 Ecuación 9

Donde:

H': Potencia para mover las aspas (W)

$&': Diámetro de la flecha con aspas (m)

� : Ancho de la banda o longitud de la flecha con aspas (m)

:';: Longitud de la aspa (m)

E': Frecuencia de rotación de la flecha con aspas (rpm)

W:Peso del material en contacto con las aspas (N)

`: Densidad de los residuos en la sección correspondiente (kg/m3)

3: Gravedad de 9.81 (m/s2)

El par requerido para mover la flecha depende de la potencia y la velocidad angular

de la flecha, la cual se determinó con la Ecuación 10.

46

R' m H'̂ m 30H'~E' Ecuación 10

Donde: ^: Velocidad angular de la flecha (s-1) R': Momento de torsión o par en la flecha con aspas (Nm)

3.3.2.3 CÁLCULO DE LAS RELACIONES DE TRANSMISIÓN.

Las relaciones de transmisión que se utilizan para alcanzar una velocidad y

desplazamiento deseado de las bandas y la frecuencia de rotación de la flecha con aspas,

nos permite definir los elementos del sistema de transmisión.

Como se ha comentado anteriormente el sistema de transmisión seleccionado, es por

cadenas, ya que nos permite tener un mayor control sobre el desplazamiento de las bandas,

debido a que no hay deslizamiento y pueden trabajar a bajas velocidades, además que son

más eficientes en la transmisión de potencia.

De acuerdo a los requerimientos del proceso las bandas uno, dos y tres deben

desplazarse una cierta distancia la cual depende del número de vueltas y del diámetro de las

flechas que las mueven. El diámetro seleccionado para las flechas que mueven las bandas

fue de 1” (25.4 mm) y se hizo la selección del material de manera que soporte las cargas a

las cuales son sometidas como se indica en el punto 3.3.2.4.1. El número de giros que darán

las flechas de las bandas dependen: de la relación de transmisión que exista entre ellas y el

motor, de la frecuencia de giro y tiempo de funcionamiento de la flecha del motor

(parámetros definidos con base al desplazamiento deseado para cada banda).

Una vez que fue seleccionado el motor, la relación de transmisión entre la flecha del

motor y las flechas de las bandas, el control de desplazamiento de las bandas depende del

tiempo de encendido del motor el cual es controlado por un microcontrolador PIC16F84A.

Considerando que el motor acciona el sistema de transmisión, para mover las bandas y

flechas, funcionará dos minutos al día y su frecuencia de rotación es de 6 rpm.

Para el caso de la primera banda, se definió un desplazamiento de 133 mm por día (1

m en 7.5 días), considerando un diámetro del rodillo que mueve la banda de 25.4 mm (1”), lo

que implica que en 1.7 giros del rodillo la banda se desplaza la distancia deseada, por lo

tanto la flecha debe tener una frecuencia de rotación de 0.85 rpm.

47

La segunda banda se desplaza 95 mm por día (1 m en 10.5 días), es decir 1.4 veces

más lento que la banda uno, lo que implica una frecuencia de rotación del rodillo de 0.61

rpm. La tercera banda se desplaza 83 mm por día (1 m en 12 días), es decir 1.6 veces más

lento que la banda uno, lo que implica una frecuencia de rotación del rodillo de 0.53 rpm.

En la Figura 3.6 y Figura 3.7 se muestra el diagrama cinemático del sistema de

transmisión y su correspondencia en el dibujo del prototipo. En la Figura 3.6 cada línea

corresponde a la cadena que transmite movimiento y las cruces a la catarina que es fijada en

la flecha en cuestión. La transmisión inicia con el motor, punto 1, donde se tiene una

frecuencia de rotación de 6 rpm.

1: Flecha del motor, 2: Flecha con aspas principal, 3: Flecha con aspas de la banda uno, 4: Rodillo o flecha de la banda dos, 5:

Rodillo o flecha de la banda uno, 6: Flecha con aspas de la banda dos, 7: Rodillo o flecha de la banda tres. iab: Relación de

transmisión del punto a al punto b. α: Ángulo.

Figura 3.6. Diagrama cinemático del sistema de transmisión.

Como se puede ver en la Figura 3.7, el sistema de transmisión cuenta con cuatro

cadenas, la primera que va del punto uno al punto dos (flecha del motor a la flecha con

aspas principal); la segunda, que va del punto dos al punto tres (flecha con aspas principal a

la flecha con aspas de la banda uno); la tercera va del punto dos al punto cuatro (flecha con

aspas principal a la flecha o rodillo de la banda dos); la cuarta va del punto cuatro a los

puntos cinco, seis y siete (rodillo de la banda dos a la flecha con aspas de la banda dos y

rodillos de la banda uno y tres).

48

Para determinar las relaciones de transmisión de una flecha a otra se utiliza la

Ecuación 11.

i(7 m E(E7 m z(z7 m d(d7 Ecuación 11

Donde: i(7: Relación de transmisión del punto a al punto b (adim.) E(: Frecuencia de rotación de la flecha ubicada en el punto a (rpm) E7: Frecuencia de rotación de la flecha ubicada en el punto b (rpm) [(: Número de dientes de la catarina del punto a (adim.) [7: Número de dientes de la catarina del punto b (adim.) $(: Desplazamiento de la banda a (m) $7: Desplazamiento de la banda b (m)

Figura 3.7. Sistema de transmisión del prototipo.

Cuando en un diagrama cinemático se puede llegar de un punto a otro, a través de

líneas de transmisión, sin que haya discontinuidades, la relación de transmisión entre estos

dos puntos puede determinarse con la Ecuación 12.

49

i+� m i+,i,-……..i��+ � Ecuación 12

Donde: i+�: Relación de transmisión del punto 1 al punto n (adim.) i+,: Relación de transmisión del punto 1 al punto 2 (adim.) .

.

. i+�: Relación de transmisión del punto 1 al punto n (adim.)

Utilizando la Ecuación 11, Ecuación 12 y los datos de la Tabla 3.4 se realiza la

selección de las catarinas utilizadas en el sistema de transmisión.

Tabla 3.4. Datos considerados para la selección de las catarinas del sistema de transmisión.

Núm. Datos considerados valor 1. Desplazamiento de la banda uno, por día 1000 mm / 7.5días 2. Desplazamiento de la banda dos, por día 1000 mm / 10.5días 3. Desplazamiento de la banda tres, por día 1000 mm / 12días 4. Diámetros de los rodillos de las bandas 25.4 mm 5. Tiempo que se desea que funcione el motor por día 2 minutos 6. Frecuencia del motor 6 rpm

En la Tabla 3.5, se presentan una lista del número de dientes de las catarinas, su posición

de acuerdo a la Figura 3.6 y el número de cadena a la cual corresponden.

Tabla 3.5. Número de dientes de las catarinas y cadena a la cual corresponden.

CADENA 1 CADENA 2 CADENA 3 CADENA 4 z1=10 dientes z2=10 dientes z2=10 dientes z4=14 dientes

z2= 50 dientes Z4=20 dientes Z3= 9 dientes z5= 10 dientes z6= 9 dientes z7=16 dientes Nota: Z: Número de dientes; i: Subíndice que indica el punto donde se localiza la catarina en el diagrama cinemático.

3.3.2.4 DIMENSIONAMIENTO DE LA FLECHA (RODILLO) QUE MUEVE LA BANDA DOS Y

SELECCIÓN DE ELEMENTOS FIJADOS EN ELLA.

Se analiza la flecha o rodillo que mueve a la banda dos, ya que de ella se transmite el

movimiento de las bandas uno, tres y flecha con aspas. El diámetro seleccionado para esta

flecha es utilizado para cada rodillo o flecha de las bandas.

En la Figura 3.8 se observan las piezas montadas sobre la flecha que se analiza. La

catarina uno recibe la potencia para mover la flecha a través de la cadena dos; la catarina

50

dos mueve a las bandas uno, tres y a la flecha con aspas; y dos rodamientos que soportan a

la flecha.

Figura 3.8. Rodillo que transmite el movimiento a la banda dos.

En la Figura 3.9, se muestra el diagrama de cuerpo libre de la flecha donde se

remplazan los elementos fijados a la flecha por las cargas que ejercen.

El peso del material sobre la banda dos se consideró de 25 kg (W =245 N), FB la

tensión de la banda y el par TB se determinaron con la Ecuación 5 y Ecuación 8

respectivamente.

Figura 3.9. Diagrama de cuerpo libre del rodillo principal de la banda dos.

51

Al analizar el diagrama de cuerpo libre de la flecha, se puede observar que existen

dos momentos de torsión que se oponen al giro de la flecha, el primero de ellos provocado

por la banda fijada sobre la flecha (banda dos) y la segunda fuerza debida a la catarina dos

de la flecha (ver Figura 3.8 y Figura 3.7). La potencia requerida para mover la banda dos de

la flecha fue determinada con la Ecuación 7. La potencia requerida para mover la catarina

dos (donde se fija la cadena cuatro) fue determinada con la Ecuación 13 , Ecuación 7 (para H +, H -) y Ecuación 8 (para H&').

La eficiencia de transmisión para la cadena cuatro (_*.) considera las pérdidas por

fricción en los elementos (catarinas, cadena y rodamientos).

HM'a. m H + b H - b H&'_*. Ecuación 13

Donde:

HM'a.: Potencia requerida en la cadena cuatro o catarina uno (W). H&': Potencia requerida por la flecha con aspas de la banda dos (W). H + y H -: Potencia requerida por la flecha de la banda uno y tres (W). _*.: Eficiencia de transmisión de la cadena, se considera de 65 % para la cadena cuatro.

El par requerido para mover la catarina dos R*,, que mueve la cadena cuatro, se

determina con la Ecuación 14.

Para determinar el par R*+ (en la catarina uno de la flecha o rodillo) se utiliza la

potencia requerida para mover la cadena cuatro y la banda dos, para lo cual se utiliza la

Ecuación 14.

R*, m HM'a.ω/, m 30 �H + b H - b H&'_*. �πn/,

y

R*+ m HM'a. b H ,ω/, m 30 �H + b H - b H&'_*. b H ,�πn/,

Ecuación 14

Donde:

R*+: Par requerido en la flecha en la posición donde se fija la catarina uno (Nm). R*,: Par exigido en la flecha en la posición donde se fija la catarina dos (Nm).

52

H&': Potencia requerida por la flecha con aspas de la banda dos (W). H +, H , y H -: Potencia requerida por la flecha de la banda uno, dos y tres (W). _*.: Eficiencia de transmisión de la cadena, se considera de 65 % para la cadena cuatro. ω/,: Velocidad angular del rodillo de la banda dos (s-1) n/,: Frecuencia de rotación del rodillo de la banda dos (s-1)

Las fuerzas que actúan en el rodillo o flecha se determinan con la Ecuación 15

(fuerzas aplicadas en la catarina uno )*, y en la catarina dos )*.):

)*, m 2R*, $�, m 2 R*, e�Ec180\, g H

y

)*+ m 2R*+ $�+ m 2 R*, e�Ec180\+ g H

Ecuación 15

Donde: )*,: Fuerza de tensión ejercida por la cadena sobre la catarina

dos del rodillo (N) )*+: Fuerza de tensión ejercida por la cadena dos sobre la

catarina uno del rodillo (N) $�,: Diámetro de paso de la catarina dos (m). $�+: Diámetro de paso de la catarina uno (m). H: Paso de la cadena mm. \+: Número de dientes de la catarina uno. \,: Número de dientes de la catarina dos.

Para el cálculo de las reacciones en los apoyos del rodamiento dos R2x, R2y en ambas

direcciones se utilizan la Ecuación 16 y Ecuación 18.

O,B m 0.285 ) , b 0.62 )*, e�E�, b 0.65 )*+ #�e�+0.57 Ecuación 16

Donde: O,B : Fuerza de reacción en el rodamiento dos (apoyo

dos) en la dirección X. �+: Ángulo de aplicación de la fuerza en la catarina uno

53

(° o rad.) �,: Ángulo de aplicación de la fuerza en la catarina dos

(° o rad.)

O+B m ) , b )*,e�E�, b )*+#�e�+ f O,B Ecuación 17

Donde:

O+B : Fuerza de reacción en el rodamiento uno (apoyo

uno) en la dirección X.

Para el cálculo de reacciones en el rodamiento uno (R1x, R1y) se utilizan la Ecuación

17 y Ecuación 19.

O,C m f0.285 �V2 � b 0.62)*,!�e�, f 0.65)*+��E�+0.57

Ecuación 18

Donde:

O,B , O,B: Fuerzas de reacción en los rodamientos uno

y dos respectivamente en la dirección X.

O+C m fO,C f V2 b )*,!�e�, f )*+��E�+ Ecuación 19

Donde:

O,B , O,B: Fuerzas de reacción en los rodamientos uno

y dos respectivamente en la dirección X.

Una vez realizados los cálculos anteriores se hacen los diagramas de momentos de

flexión y de torsión los cuales se presentan en la Figura 3.10. De acuerdo al diagrama de la

figura se observa que la sección crítica en la flecha es donde se presenta los momentos de

flexión pico a una longitud de 570 mm donde se ubica el rodamiento dos, la longitud cero se

consideró en el lugar donde se localiza el rodamiento uno.

Los momentos de flexión y torsión en la sección crítica son considerados para

determinar el diámetro mínimo de la flecha.

54

Figura 3.10. Diagrama de distribución de los momento de flexión y torsión en la flecha principal de

transmisión (flecha con aspas de la banda tres).

3.3.2.4.1 Cálculo del diámetro mínimo de la flecha o rodillo.

La determinación del diámetro mínimo se realizó utilizando la Ecuación 20

considerando los momentos de flexión y torsión de la sección crítica [5].

$ m �32F012 �M@(A, b TST/,� πSQ� m �32F012 ��MB2 bMC2 b TST/,�

πSQ�

Ecuación 20

Donde:

M@(A : Momento máximo en la sección crítica (Nm) TST/ : Par máximo en la sección crítica (Nm) MA, MQ : Momento de flexión en la dirección X y Y

(Nm).

3.3.2.4.2 Selección de rodamientos.

De acuerdo a las condiciones a las que son sometidos los rodamientos se

seleccionaron rodamientos sellados, de fundición gris del tipo YAT 204-012. Su elección se

realizó con base a la carga estática que soportan por un período mínimo de 10000 horas de

trabajo, el cual se comprueba con la Ecuación 21 [5].

55

Lh m 10�60n � CPK�- m 10�60n � C0.6F/ b 0.5F(�-

Ecuación 21

Donde:

C : carga estática que puede soportar el rodamiento

(valores indicados por el fabricante), kN PK : Carga a la que es sometido el rodamiento (kN) F/ : Fuerza radial que actúa en el rodamiento (kN) F( : Fuerza axial que actúa en el rodamiento (kN)

Para este caso, como no hay fuerzas axiales, la fuerza axial F( se considera igual a

cero, para determinar la fuerza radial F/ se utilizan las fuerzas de reacción que actúan en el

rodamiento dos de acuerdo a la Ecuación 22.

)N m �O,B, b O,C,

Ecuación 22

Donde:

F/ : Fuerza radial que actúa en el rodamiento (kN) O,B, O,B : Fuerzas de reacción que actúan en el

rodamiento dos del rodillo en la dirección X, Y (kN)

3.3.2.5 DIMENSIONAMIENTO DE FLECHA DE TRANSMISIÓN PRINCIPAL.

En la Figura 3.11 se observan los elementos que actúan en la flecha principal de

transmisión (flecha con aspas principal), los cuales son: la catarina uno accionada por la

banda que proviene del motor, la catarina dos que mueve la cadena dos, la catarina tres que

mueve la cadena tres (ver Figura 3.7), dos rodamientos y las aspas.

56

Figura 3.11. Flecha principal con aspas.

En la Figura 3.12 se muestra el diagrama de cuerpo libre de la flecha con aspas

donde se sustituyen los elementos por las cargas que ejercen sobre la flecha.

Figura 3.12. Flecha principal de transmisión (Flecha con aspas de la banda tres).

Para determinar las fuerzas, momentos de flexión y torsión que actúan sobre la flecha

es necesario considerar cada uno de los elementos.

57

Para el caso de la catarina tres, la cual mueve la cadena tres que transmite

movimiento a la flecha con aspas de la banda uno, la potencia requerida en la catarina

puede ser determinada con la Ecuación 23.

H*- m H&'+_*- Ecuación 23

Donde:

H*-: Potencia requerida en la catarina tres (W). H&'+: Potencia requerida por la flecha con aspas (W). _*-: Eficiencia de transmisión de la cadena tres (%).

Para el caso de la catarina dos, la cual mueve la cadena dos y le transmite el

movimiento al rodillo de la banda dos, la potencia requerida para realizar esta función se

determinó con la Ecuación 24.

H*, m H +bH - b H&'_*._*, b H ,_*, Ecuación 24

Donde:

H*,: Potencia requerida en la catarina dos (W). H&': Potencia requerida por la flecha con aspas (W). H +: Potencia requerida por la banda uno (W). H ,: Potencia requerida por la banda dos (W). H -: Potencia requerida por la banda Tres (W). _*. d _*,: Eficiencia de transmisión en la cadena dos y

cuatro (%).

Las cargas generadas por las aspas de la flecha son determinadas con la Ecuación 9.

La fuerza W se determinó como se establece en el punto 3.3.2.2.2. El par total R*+,

que se opone al movimiento de la flecha (flecha con aspas principal), se puede determinar

con la Ecuación 25 y el par R*, aplicado en la catarina dos se puede considerar similar al

determinado con la Ecuación 14, el par R*- aplicado a la catarina tres se considera igual al

par TA, debido a que mediante ésta la cadena cuatro mueve la flecha con aspas de la banda

58

uno. Para todos los cálculos la eficiencia se considera de 0.9 por ser transmisión por

cadenas.

R*+ m H*, b H*- b H&'-ω m 30 �H +bH - b H&',_*._*, b H ,_*, b H&'+_*- b H&'-�πn

Ecuación 25

Donde:

R*+: Par requerido para mover la flecha con

aspas (Nm).

La fuerza de tensión aplicada a la cadena uno se puede determinar con la Ecuación

26.

)X&'� m 2R*+ $�+ m 2 R*, e�Ec180\+ g H

Ecuación 26

Donde: )XJ: Fuerza de tensión de la cadena (N) \+: Número de dientes de la catarina uno (adim.) H: Paso de la cadena (m)

Las reacciones en los apoyos, para el caso del rodamiento dos, donde se tienen las

fuerzas R2x, R2y se determinan con la Ecuación 27 y Ecuación 28.

O,B m 0.065 )*,cos�, b 0.69)*+e�E�+0.57 Ecuación 27

Donde:

O,B : Fuerza de reacción en el rodamiento dos

(apoyo dos) en la dirección X.

O,C m 0.69e�E�+ f 0.65 )*,cos�, f 0.62 )*- b 0.285 )I0.57 Ecuación 28

Donde:

O,B : Fuerza de reacción en el rodamiento dos

(apoyo dos) en la dirección Y.

59

Las reacciones en el rodamiento uno se determinan con la Ecuación 29 y Ecuación

30.

O+B m f)*,cos�, f )*+e�E�+ b O,B

Ecuación 29

Donde:

O+B : Fuerzas de reacción en el rodamientos uno

en la dirección X.

O+C m f)*+e�E�+ b )*,cos�, b )*- f )I b O+C

Ecuación 30

Donde:

O,C : Fuerzas de reacción en el rodamientos uno

en la dirección Y.

De los cálculos realizados, se determinaron los diagramas de momentos de flexión y

torsión que actúa a lo largo de la flecha principal, como se observa en la Figura 3.13. En

estos diagramas se observa que la sección crítica en la flecha se localiza donde se fija el

rodamiento dos (570 mm) y es ahí donde se determina el diámetro mínimo de la flecha.

Figura 3.13. Diagrama de distribución de los momentos de flexión y torsión en la flecha principal de

transmisión (flecha con aspas de la banda tres).

60

Para determinar el diámetro se siguió el procedimiento realizado en el punto 3.3.2.4 y

se continúa con la selección de los rodamientos y la chaveta.

La potencia requerida para mover el motor puede determinase por la Ecuación 31.

H� m H +_*+_*,_*. b H -_*+_*,_*. b H ,_*+_*, b H&',_*+_*,_*. b H&'+_*+_*- b H&'-_*+

Ecuación 31

Donde:

H�: Potencia del motor (W).

3.4 NECESIDADES DE AIREACIÓN DEL MATERIAL.

El suministro de aire debe tiene tres funciones, (Haug, 1986):

• Suministro de oxígeno a los microorganismos encargados de la descomposición

aerobia

• La remoción del exceso de humedad en el material

• La remoción de calor producto de la descomposición, para controlar la temperatura

del proceso y prevenir la inactivación microbiana.

3.4.1 REQUERIMIENTOS DE OXÍGENO POR LOS MICROORGANISMOS

La primera función permite cubrir las necesidades de los microorganismos para que

puedan oxidar el carbono y convertirlo en CO2 (dióxido de carbono). Si la cantidad de

oxígeno es insuficiente, el proceso se volverá anaerobio y producirá olores indeseables.

Las necesidades de oxígeno en la descomposición orgánica, se determinaron por la

fórmula química básica de acuerdo a la ecuación estequiométrica siguiente:

AC�HQO�N( b BO, f� ! !O, b D H,O b cE NH-g

Los valores de A, B, C, D y E se determinaron al realizar un balance químico, y los

valores de los subíndices x, y, z corresponden a la composición promedio de la mezcla

utilizada en el compostaje y de la población microbiana.

61

Debido a la variabilidad de la composición de la mezcla de RSOD de acuerdo a los

materiales utilizados, a las cantidades de los mismos y al tipo y cantidad de microorganismos

que en ella se encuentran, aunado a que es un proceso continuo, esto dificulta fuertemente

el determinar la cantidad de aire requerido.

Una aproximación que se utilizó para determinar la aireación requerida por los

microorganismos, fue al utilizar la composición química de los materiales indicada por Haug,

1993 [13], que son:

C+�H,�O+�N → Residuos de alimentos C+�H,�O+�N → Residuos de jardines

Además, se consideró un coeficiente de degradabilidad para estos materiales del 70

% que está dentro del intervalo indicado por, Haug 1993 [12].

El balance de la ecuación estequiométrica para los residuos indicados anteriormente

es la siguiente: C+�H,�O+�N b 18.75 O, f� 18 !O, b 11.5 H,O b NH- → Para residuos de alimentos C,�H-�O+�N b 27.75 O, f� 27 !O, b 17.5 H,O b NH- → Para residuos de jardines

Para determinar la cantidad de aire requerido en la descomposición diaria de los

residuos se utiliza Ecuación 32.

!I/� m ?¡,?� ¢ !£?X�`I¤�, Ecuación 32

Donde: !I/�: Volumen de aire (m3) ?¡, : Masa molecular total del oxígeno en la ecuación estequiométrica ?� : Masa molecular del residuo en la ecuación estequiométrica !£ : Constante de degradación del material (%) ?X� : Masa total de los residuos en peso seco (kg) `I : Densidad del aire a 25 °C a 1 atmósfera (se toma de 1.2 kg/m3) ¤�,: Concentración de oxígeno en el aire (se toma de 23.2 %)

62

El flujo de aire para cubrir los requerimientos de oxígeno por los microorganismos se

determina con la Ecuación 33. ¥ m !I/�¦ Ecuación 33

Donde:

¥: Cantidad de aire (litros de aire/g de residuo)

t : Tiempo (día, hora o minutos).

3.4.2 DEMANDA DE AIREACIÓN PARA REMOVER LA HUMEDAD DE LA MEZCLA

COMPOSTADA.

La segundo función cumple con el objetivo de eliminar el exceso de humedad del

material (80 % es la humedad máxima donde la descomposición aerobia se inhibe)

condiciones que pueden provocar que el proceso de compostaje se convierta en anaerobio

por la saturación con agua de los espacios entre partículas (depende del tipo de material y

tamaño de partícula) que dificultan el flujo del aire a través del material.

La determinación de la tasa de aireación que debe ser suministrada para la remoción

de humedad en la mezcla compostada, puede ser estimada tomando en cuenta los factores

ambientales y la masa de agua que necesita ser removida de la mezcla, para alcanzar el

contenido de humedad deseado.

Pueden tomarse dos métodos diferentes para la determinación de la tasa de aireación,

uno de ellos requiere el uso de cartas psicométricas estándar y tablas de vapor, y la otra con

el uso de ecuaciones que se dan más adelante.

Las ecuaciones y el procedimiento a seguir para determinar la cantidad de aireación

necesaria para remover el exceso de humedad en la mezcla se describen a continuación

(Metodología dada por [11]):

1. Determinar la cantidad de agua a remover.

2. Como parámetros iníciales debe medirse la temperatura de entrada y salida del aire

de la cámara de compostaje.

63

Para cumplir con el primer paso se debe determinar el contenido de humedad de los

RSOD por el método directo. Debido a que las mezclas de RSOD pueden ser muy variables

se considera que la humedad puede estar en un rango de 40 a 80 %. Para determinar la

humedad a remover en los residuos con humedad mayor al 60 %, se realizó con la Ecuación

34.

m(/1@ m m¨+cH+ f H,g 100 f H, Ecuación 34

Donde:

m(/1@ : Masa de agua a remover, kg H+: Humedad inicial de la mezcla a compostar(se

considero de 70 %) % H,: Humedad deseada del material (60 %) % m¨+: Masa del material de la mezcla a compostar kg

Con la Ecuación 35 se determinó el contenido de agua a la entrada o a la salida del

compostador.

Y" m 0.622 © HR% e («¬7¢ H® f HR% e («¬7¢ ¯

Ecuación 35

Donde:

HR1 , HRS : Humedad relativa de entrada y humedad relativa de

salida. T1, TS: Temperatura de entrada y temperatura de salida, K. Y° , Y;: Humedad específica de entrada y de salida respectivamente

(razón de la masa de vapor del agua con respecto a la masa de aire

seco en un volumen dado de la mezcla de gas en kg agua/kg de

aire).

a: Constante para el vapor de agua, -2238.

b: Constante para el vapor de agua, 8.896

La determinación de la masa de aire necesaria para remover el exceso de humedad

se realizó con la Ecuación 36.

64

m(%/1 m m(/1@Y; f Y" Ecuación 36

Donde:

m(%/1: Masa de aire requerida, kg de aire seco.

La determinación del flujo de aire requerido para eliminar el exceso de humedad en los

RSOD se hizo con la Ecuación 37.

Q mV

tm

m(%/1ρ(%/1

t

Ecuación 37

Donde:

Q: Flujo de aire, m3/min ó m3/día.

ρ(%/1: Densidad del aire kg/L

m(%/1: Masa de aire (kg)

T: Tiempo (min, hora o día)

Para extraer la humedad excesiva del material en el proceso de compostaje se

consideró la cantidad de procesamiento de 3 kg de RSOD/día con una humedad inicial del

70 %, considerando una humedad relativa promedio de 50 % y humedad de salida del

compostador del 99 % (humedad de salida considerada por varios autores como Haug,

1993) con temperatura promedio de entrada del 20 °C y de salida de 30 °C para dejar el

material con humedad óptima de 60 % con la Ecuación 35, Ecuación 36 y Ecuación 37 se

estima un requerimiento de aireación de 23.3 L/min. Considerando la capacidad del extractor

comercial de 110 L/s, que fue seleccionado para fijarse en el prototipo, él cual se mantiene

encendido por un tiempo de 5 minutos una vez al día, extrayendo el exceso de humedad.

Las características del extractor se indican en la lista de especificaciones técnicas del

“Documento técnico de diseño” [45].

3.4.3 DEMANDA DE AIREACIÓN PARA REMOVER EL EXCESO DE CALOR

Determinar la cantidad de calor que es necesario remover en el compostaje es muy

complicado, debido al número de variables complejas que involucra. Las razones que

65

complican hacer la estimación de la cantidad de calor generado son las siguientes: durante

la degradación de los residuos la descomposición del material o mezcla original es

incompleta; la oxidación varia con la etapa de descomposición del material; la naturaleza

heterogénea de los residuos, que dificulta determinar la generación de calor en términos de

composición. La determinación del calor generado durante el proceso de compostaje se

realizó experimentalmente.

De acuerdo con [13] para un proceso de alimentación continua, la cantidad de aire

requerido puede ser convertido en una razón promedio de aireación considerando la unidad

de peso diaria de substrato alimentado, es el equivalente a 1660 m3h/ tonelada métrica seca

por día. Lo que implica que para tres kilogramos de residuos con un contenido de humedad

del 60 % las necesidades de aireación es de 33.2 L/min.

3.4.4 SELECCIÓN DEL EXTRACTOR.

Para la selección del extractor, fue necesario conocer los requerimientos de aireación

y la presión estática requerida por el aire para atravesar el material a través de los espacios

o poros formados entre los trozos del material.

La capacidad mínima del extractor que fue calcula con base a los requerimientos de

aireación para extraer el exceso de humedad de los residuos, que debe ser de un flujo

aproximado a 33.2 L/min.

De acuerdo a experimentos realizados para determinar la caída de presión en lecho

fijo de cubos de papa, remolacha y zanahoria fraccionados en tamaños de 8 mm, se

determinó que la caída de presión aumenta conforme aumenta la velocidad del flujo de aire

requerido y de la altura del lecho de material. Para nuestro caso donde la velocidad del flujo

de aire no es importante el requerimiento puede ser cubierto por extractores pequeños como

los utilizados en computadoras.

3.4.4.1 RESULTADOS DEL DISEÑO MECÁNICO

Como resultados del diseño mecánico se presenta en el “Documento técnico de

diseño” [45] la hoja de especificaciones técnicas de las piezas donde se definen las

dimensiones, materiales u otras especificaciones para su fabricación o selección algunas de

ellas obtenidas de los cálculos realizados de acuerdo a como se presentó en esta sección.

66

En el “Documento técnico de diseño” también se presentan los planos de piezas y

dibujos de ensamble del prototipo, que permiten su construcción.

3.5 DISEÑO ELECTRÓNICO Y DE CONTROL

El sistema electrónico y de control permite el funcionamiento automático del compostador

y facilita su uso al operador, las funciones del sistema son las siguientes:

1. Encendido diario del motor por un tiempo de dos minutos, para cumplir con el

desplazamiento de las bandas o residuos compostados al interior de la cámara de

compostaje.

2. Suministro del aire necesario, para que la descomposición aerobia de los residuos se

realice de manera adecuada.

3. Suministra el flujo de aire necesario para extraer el exceso de humedad de los RSOD

(manteniendo la humedad ≤ 60 %).

4. Mantiene la temperatura del material compostado por debajo de los 65 °C, y cuando

este valor es alcanzado la baja a los 60 °C.

5. Despliega la temperatura del material en la etapa termófila y temperatura ambiental la

pantalla de cristal líquido (LCD).

6. Despliega la fecha y hora en el LCD, y permite su ajuste.

Para cumplir con la primera función se utiliza un motor de corriente alterna que es

accionado diariamente durante dos minutos (seleccionando el horario de las diez de la noche

10:00 p.m. debido a que generalmente los miembros de la familia más pequeños están

descansando) tiempo requerido para que las bandas se desplacen lo necesario para lograr

que los residuos tengan un recorrido a través de la cámara de compostaje de 30 días. Diez

segundos antes de que el motor inicie su funcionamiento se prende un diodo emisor de luz

(LED) que anticipa el encendido del motor para que el usuario se aleje de las partes del

prototipo que le puedan causar daño, además en la pantalla de cristal líquido (LCD) aparece

el siguiente mensaje “CUIDADO CON EL MOTOR”. El LED se apaga junto con el motor,

momento en el cual se prende el extractor por un período de cinco minutos. El

funcionamiento del extractor permite suministrar el aire requerido para extraer el exceso de

humedad del material, conforme a lo descrito por Haug (1993) [13].

67

De acuerdo a la revisión documental realizada, donde se indicó que la temperatura es la

variable a controlar más importante, debido a que demanda un mayor suministro de aire para

mantenerla en los niveles adecuados para el proceso de compostaje, se utiliza un sensor

para monitorear la temperatura del material al interior de la cámara de compostaje (en el

lugar donde se presenta la etapa termófila) con el fin de evitar que alcance los 65 °C, y

cuando esta condición llega a suceder se activa un extractor para corregir la temperatura al

disminuirla a los 60 °C.

Para que el usuario pueda verificar que el proceso de compostaje se efectúa

adecuadamente, se despliega en la pantalla del panel de control la temperatura del material

que se encuentra en la etapa termófila al interior de la cámara, y la temperatura ambiente

permitiendo compararlas y comprobar que el material se encuentra en descomposición.

También se desplegará la fecha y hora para que el usuario pueda verificar que el motor se

activa a las 10:00 pm y una vez al día, en caso de que el motor se accione en otro horario

indicará la falla del sistema de control. Como se mencionó anteriormente diez segundos

antes de que se encienda al motor aparecerá un mensaje en la pantalla del panel de control

con la leyenda “CUIDADO MOTOR” además del encendido de un LED. En la Figura 3.14 se

observa el panel de control (a) y ejemplos de los mensajes que aparecerán durante el

funcionamiento del prototipo (b).

(a) Panel de control. (b) Ejemplos de los mensajes visualizados en la pantalla.

Figura 3.14. Carátula del panel de control y ejemplos de los mensajes que aparecerán en el LCD.

El panel de control cuenta con cuatro botones y una pantalla LCD, el primer botón

que corresponde al encendido y apagado del compostador, el botón rojo con letrero

“REINICIE” debe ser presionado cinco segundos después del ajuste de la fecha y hora, para

68

que el microcontrolador realice las rutinas de control, el botón verde con leyenda

“SELECCIONE” permite seleccionar uno de los registros de la fecha u hora (año, mes, día

del mes, día de la semana, hora, minuto y segundo) y el botón con leyenda “INCREMENTE”

permite corregir el registro seleccionado. En el manual de operación que se presenta en el

Anexo 2, se describe la forma en la cual se ajusta y opera el compostador.

Los componentes principales del sistema electrónico y de control son un

microcontrolador PIC16F84A, un reloj de tiempo real (DS 1307), dos sensores de

temperatura DS1624, un LCD modelo JHD162A, un motor de corriente alterna de 93 W (1/8

HP) y un extractor. En la Figura 3.15 se muestra el diagrama de bloques de los componentes

electrónicos más importantes.

Figura 3.15. Diagrama de bloques del sistema electrónico y de control.

Las actividades que realiza el microcontrolador se presentan en el diagrama de flujo,

donde se pueden destacar dos rutinas principales (Ver Figura 6.1y Figura 6.2 del anexo 1), la

primera de ellas que se ejecuta continuamente la cual permite visualizar la fecha y la hora

durante cinco segundos, las temperaturas medidas por los sensores durante cuatro

segundos, comprueba que la temperatura del material no rebase los 65 °C y si la hora de

encendido diario del motor se cumple (10:00 pm). La segunda rutina permite actualizar los

registros de la fecha y hora a través de las interrupciones en la pata RB0 del

microcontrolador generada por la señal cuadrada del reloj de tiempo real o la selección de

los registros con el botón “SELECCIONA” para ajustarlos con el botón “INCREMENTA” que

69

activan las interrupciones detectadas por las patas RB6 y RB7 del microcontrolador, como se

observa en la Figura 3.14.

En la Figura 6.3 y Figura 6.4 del Anexo 1, se presenta el diagrama del circuito

electrónico, que permite el funcionamiento del compostador.

En el “Documento técnico de diseño” [45], se presenta el circuito electrónico y de

control, el diagrama de flujo de su funcionamiento, el código fuente del programa, listado de

componentes y hojas de especificaciones de los componentes principales.

70

CAPITULO 4. CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO

4 CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO

El prototipo fue construido con base a los planos de piezas, dibujos de ensamble y lista

de especificaciones técnicas realizadas durante el diseño. Debido a que no se contó con

recursos para la construcción del prototipo, se tuvo la necesidad de comprar materiales y

componentes que reemplazaran a los elementos del diseño presentados en el “Documento

técnico de diseño” [45].

La construcción del prototipo se realizó en el taller de máquinas y herramientas del

Centro Nacional de Estandarización de Maquinaria Agrícola (CENEMA) perteneciente al

Instituto Nacional de investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP).

Cámara de compostaje:

La construcción del prototipo se inicia con la cámara de compostaje, para la cual se

utilizan tablas de madera con espesor de 19.04 mm o (3/4”). Las dimensiones de las piezas

que forman las paredes laterales, frontal, trasera, tapa superior y tapa inferior se presentan

en los planos del CC1 al CC4 del “Documento técnico de diseño” [45]. Después de cortar los

tablones con las dimensiones especificadas se procede a perforar y a ranurar cada uno de

los tablones con una fresadora. Una vez que se han realizado los cortes y las perforaciones

como lo indican los planos se procede a unir cada una de las piezas con clavos hasta

formarse la caja o cámara de compostaje, posteriormente se aplica pegamento en los

extremos de los tablones que quedan fijos. En la Figura 4.1a) se muestra la cámara de

compostaje ensamblada y su ensamblaje se muestra en la Figura 4.1b); las partes que en

esta figura se muestran son: 1) Frontal, 2) Posterior, 3) Lateral derecha, 4) Lateral izquierda,

5) Tapa superior, 6) Tapa inferior 7) Puerta de alimentación.

Al terminar la construcción de la cámara de compostaje se procedió a aplicar una

capa de dos milímetros de impermeabilizante en sus paredes, para crear una capa

71

protectora que aísle la madera del compostador de los RSOD para evitar que se

descomponga.

(a) Camara de compostaje ensamblada. (b) Ensamble de la camara de compostaje.

Figura 4.1. Cámara de compostaje.

Soporte:

Para la construcción del soporte, es necesario hacer el corte de las piezas

especificadas en los planos del SP-1 al SP-4 utilizando los materiales indicados en la hoja de

especificaciones técnicas. Tanto los planos como las hojas de especificaciones se muestran

en el “Documento técnico de diseño” [45]. En la Figura 4.2 a) se observa el ensamble del

soporte, también se presenta el motor y el recipiente de recolección, en la Figura 4.2 b) se

presenta el desensamble de estos componentes.

(a) Soporte armado. (b) Ensamble del soporte.

Figura 4.2. Soporte del compostador.

Una vez construido el soporte, se procede a pintar la estructura construida con acero

estructural para disminuir la oxidación.

Flechas con aspas:

En el prototipo se tienen tres flechas con aspas, ubicadas al extremo de cada una de

las bandas. La primera y segunda flecha con aspas de las bandas uno y dos, presentan los

mismos elementos y dimensiones, que son: una flecha de 12.54 mm (½”) de diámetro, un

72

tubo de 12.54 mm (½”) de diámetro interior con aspas, catarina de nueve dientes y dos

chumaceras con diámetro de 12.54 mm. Para el caso de la tercera flecha con aspas (flecha

principal de transmisión) presenta los siguientes elementos: una flecha de 19.04 mm (3/4”)

de diámetro, tubo de 19.04 mm (3/4”) de diámetro interior con aspas, dos catarinas una de

50 dientes y la otra de 10 dientes, además de dos chumaceras con diámetro de 19.04 mm

(3/4”). Los elementos para la construcción de las flechas con aspas se presentan en los

planos SPT-1 al SPT-3 ( “Documento técnico de diseño” [45]), los materiales y componentes

para su construcción se indican en la tabla de especificaciones que se presentan en el

“Documento técnico de diseño” [45].

(a) Ensamble de la flecha principal. (b) Ensamble de la flecha con aspas uno y dos.

Figura 4.3. Flechas con aspas.

En la Figura 4.3a) se muestra el ensamble de los componentes que integran a la

flecha principal y en la Figura 4.3b) los componentes de la flecha con aspas de la primera y

segunda banda.

Flechas o rodillos de las bandas:

En el prototipo por cada banda se tiene una flecha motriz (que dan movimiento a las

bandas) y una conducida, es decir, que se tienen tres flechas motrices y tres conducidas. La

flecha motriz de la primera banda presenta los siguientes elementos: flecha con diámetro de

19,05 mm (3/4”) con un proceso de vulcanizado en el área de contacto con la banda que

incrementa el diámetro a 25.4 mm (1”), catarina de diez dientes y dos chumaceras; para el

caso de la flecha de la tercera banda presenta los mismos elementos, la única diferencia es

que la catarina es de 16 dientes; la flecha de la tercera banda tiene las mismas

características que las anteriores pero en ésta se fijan dos catarinas una de 16 dientes y la

otra de 20.

73

Los elementos para la construcción de las flechas motrices se presentan en los

planos SPT-1 al SPT-3 del compostador, los materiales y componentes para su construcción

se indican en la tabla de especificaciones que se presentan en el “Documento técnico de

diseño” [45]. En la Figura 4.3a) se muestra el ensamble de los componentes que integran a

la flecha principal de las bandas y en la Figura 4.3b) los componentes de las flecha de la

primera y tercera banda.

(a) Ensamble de la flecha de la segunda banda.

(b) Ensamble de la flecha de la segunda y tercera banda.

Figura 4.4. Flechas con aspas.

Las flechas conducidas de las bandas, son del mismo diámetro y material que las

flechas motrices, pero en ellas únicamente se fijan dos rodamientos o chumaceras, sus

especificaciones se presentan en el plano STP-1.

Cada banda, también presenta dos ejes intermedios para soportar la carga que sobre

ella se aplica. Dichos ejes tienen un diámetro de 12.7 mm (1/2”) y sus especificaciones se

presentan en el plano STP-1.

Sistema de transmisión:

El sistema de transmisión se ensambló de acuerdo a lo indicado en el punto 3.3.2.3,

en él se muestran las figuras y la tabla que indican de manera detalla la posición en la cual

deben fijarse las catarinas y cadenas.

Ensamble del prototipo:

Para facilitar el ensamblaje se presenta el despiece del prototipo donde se indican las

piezas que lo integran y la posición en la cual deben ser colocados, ver Figura 6.6 del Anexo

74

1; además se presentan las principales vistas del prototipo armado y un isométrico del

mismo, ver Figura 6.5 del Anexo 1.

La construcción final del prototipo puede observarse en la Figura 4.5, en el inciso a)

se muestra una vista frontal del prototipo donde puede observar la cámara de compostaje,

motor, transmisión, recipiente recolector y soporte; en el inciso b) se muestra la vista lateral

derecha en la cual puede verse la fijación del extractor y del panel de control del prototipo.

a) Vista frontal. b) Vista lateral derecha. Figura 4.5. Compostador con bandas.

En la Figura 4.6 pueden observarse dos vistas del compostador: en el inciso a) se

muestra una vista lateral derecha en la cual se pueden ver dos compuertas para la entrada

de aire y en el inciso b) se puede ver la banda uno, banda dos y la flecha con aspas de la

primera banda.

75

a) Vista lateral izquierda. b) Bandas uno y tres, flechas con aspas.

Figura 4.6. Vista lateral izquierda del dispositivo e interior de la cámara de compostaje.

76

CAPÍTULO 5. PRUEBAS Y RESULTADOS

5 PRUEBAS Y RESULTADOS

5.1 PRUEBAS

Las primeras pruebas que fueron realizadas tuvieron por objetivo evaluar ciertas

características de los RSOD que son importantes en el diseño del prototipo, una vez

construido el prototipo, se efectuaron las pruebas de funcionamiento para conocer su

desempeño y otras pruebas para verificar la estabilidad biológica de la composta obtenida en

la prueba de compostaje del prototipo. Algunas de estas últimas se hicieron en laboratorios

comerciales.

Las pruebas que se efectuaron son las siguientes:

1. Medición de la densidad del material.

2. Compostaje de residuos con el uso de diferentes iniciadores.

3. Prueba de funcionamiento del prototipo.

4. Comprobación de la madurez por el método de observación directa.

5. Determinación del pH de la composta

6. Determinación de la relación (C/N)

7. Prueba de germinación.

Los RSOD utilizados como materia prima para determinar algunas de sus propiedades y

utilizados en el compostaje, fueron una combinación de materiales que corresponden a los

más comúnmente encontrados en los residuos sólidos municipales o considerados de esa

forma de acuerdo a lo indicado en la Tabla 2.4 y Tabla 2.5.

La proporción en la cual se mezclaron los materiales a compostar en el prototipo para las

pruebas, se presentan en la Tabla 5.1, las que se determinaron con base a la Ecuación 1 y

Ecuación 2, con la cual se obtiene una relación C:N teórica de 32.9 y humedad teórica 68.5

%.

77

Tabla 5.1. Materiales para la mezcla en el compostaje y algunas de sus propiedades.

Material a compostar

Contenido de humedad (%) Relación C/N

Proporción en la

mezcla

Rango Considerado Rango Considerado Material en %

Residuos de granos (pan – tortilla) 20 17 10

Residuos de frutas 62-88 75 20-49 35 30

Residuos de verduras 87 87 11 -13 12 30

Recortes de pastos 82 82 9-25 17 10

Residuos de hojas 38 38 40-80 60 15

Recortes de hierbas 80 80 10–25 17 5

En la mezcla de prueba 68.5 32.9 100

5.1.1 MEDICIÓN DE LA DENSIDAD

La densidad de los RSOD es una propiedad importante para el diseño del prototipo ya

que de ella dependen las dimensiones del dispositivo.

Condiciones de prueba

La mezcla de RSOD se preparó utilizando las proporciones presentadas en la Tabla

5.1 para determinar la densidad. La densidad se determina en cinco muestras y se toma el

promedio.

Materiales e instrumentos de medición

Se utilizan 5 kg de RSOD en las proporciones presentadas en la Tabla 5.1, recipiente

rectangular o cuadrado de sección transversal conocida y constante en toda la altura del

recipiente, balanza de 10 kg con resolución de 1 g y regla milimétrica de 50 cm con escala

de 1 mm.

Puntos a medir o calcular:

Los puntos que se consideran en esta prueba son:

1. Altura del material en el recipiente (m)

2. Volumen que ocupa el material (m3)

3. Densidad del material (kg/m3)

78

Procedimiento

En el recipiente se vertieron 5 kg de RSOD con una caída suave y uniforme

simulando la forma en la cual se espera caigan los residuos al interior de la cámara de

compostaje del prototipo.

Los residuos dentro del recipiente fueron nivelados pero sin comprimirlos,

posteriormente se determina el volumen que ocupan los residuos dentro del recipiente,

mediante la medición de la altura. La densidad se determina utilizando la Ecuación 38.

` m >µ Ecuación 38

Donde: >: masa de la mezcla (kg)

µ: Volumen que ocupa el material (m3)

`: Densidad del material, (kg/m3)

5.1.2 COMPOSTAJE DE LOS RSOD CON DIFERENTES INICIAD ORES

Esta prueba tiene por objetivo conocer el efecto que tienen tres tipos de iniciadores al

mezclarse con los RSOD para acelerar el inicio del proceso de compostaje. Los iniciadores

(composta madura, estiércol seco, levadura) permiten inocular los microorganismos

encargados de la descomposición de la materia orgánica. El comportamiento del proceso fue

caracterizado con base a la temperatura y pérdida de masa del material compostado.


La mezcla de RSOD fue la misma utilizada para determinar la densidad, como lo

indica la Tabla 5.1, los tipos de iniciadores utilizados fueron: composta madura, levadura y

estiércol seco.


Se utilizaron cuatro muestras de 5 kg de RSOD, cuatro recipientes cilíndricos de

cartón (con 40 cm de diámetro por 50 cm de altura), balanza de 10 kg con resolución de 1 g

y sensor de temperatura termopar tipo K con sonda de medición y resolución de 1 °C.

Puntos sujetos a medición, cálculo u observación:

Los puntos sujetos a medición o cálculo que se registraron durante la prueba fueron:

79

1. Temperatura del material (°C)

2. Temperatura del ambiente (°C)

3. Humedad relativa del ambiente (%)

4. Peso del material compostado (kg)

5. Pérdida de la masa de los RSOD (%)

Procedimiento

Se hicieron cuatro muestras de 5 kg de RSOD, con las proporciones presentadas en

la Tabla 5.1, tres de estas muestras se combinaron con 300 g de uno de los iniciadores, ya

sea composta madura, levadura o estiércol seco, de tal forma que la mezcla sea

homogénea. Una de las muestras es utilizada como testigo y por ello no se le aplica

iniciador.

Posterior a ello, cada muestra fue vertida al recipiente cilíndrico el cual no estará

completamente cerrado para permitir la entrada de aire, el material será aireado en caso de

que se detecten olores que indiquen una descomposición anaerobia.

Las mediciones de la temperatura del material, temperatura ambiente y humedad

relativa del aire se realizaron diariamente y el pesado del material se realizó cada 5 días

después de iniciado el proceso de compostaje. Para determinar la pérdida de la masa de los

RSOD se utilizó la Ecuación 39.

H¶ m �1 f s>&>" t� · 100 Ecuación 39

Donde: P/: Pérdida de masa (%) m%: Masa inicial (kg) m¸: Masa final (kg)

5.1.3 PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO DEL PROTOTIPO

Esta prueba tuvo como propósito caracterizar el desempeño del prototipo al realizar el

compostaje, con el fin de identificar fallas o defectos en su funcionamiento, y que permitieron

proponer mejoras al dispositivo.

80


La alimentación del prototipo se realizó con una mezcla homogénea de 3 kg de

RSOD diarios, preparada con las proporciones y los materiales presentados en la Tabla 5.1 y

Tabla 5.2; el tiempo que se mantuvieron los residuos al interior de la cámara de compostaje

fue de aproximadamente 30 días; además el material fue fraccionado en tamaños de 1 a 3

cm. La alimentación de los RSOD fue continúa en el tiempo que duro la prueba (que fue de

58 días) y se realizo una sola vez.


Recipiente rectangular con capacidad suficiente para 3 kg de mezcla de RSOD,

balanza de 10 kg con resolución de 1 g, balanza de 2 kg con resolución de 0.1 g, horno de

secado, sensor termopar tipo K con sonda de 30cm y resolución de 1 °C, sensor de

humedad relativa con resolución de 1 %.

Puntos a medir, calcular u observar:

Durante la prueba se consideraron diferentes puntos de medición, observación y

cálculo, los cuales se presentan a continuación:

Mediciones durante la prueba:

• Temperatura en doce diferentes posiciones de la cámara de compostaje (°C), ver

Figura 5.1.

• Humedad relativa a la entrada y a la salida del compostador (%).

• Temperatura ambiente (°C).

• Humedad relativa (%).

• Humedad de la composta obtenida del proceso de compostaje (%).

Observaciones durante la prueba:

• Flujo de los RSOD a través de las bandas

• Movimiento del sistema de transmisión en conjunto con las bandas

• Problemas de atascamiento de los residuos durante el proceso de compostaje o

bloqueo de elementos del sistema de transmisión.

• Vibraciones o ruido excesivo durante la prueba

• Presencia de malos olores

81

• Humedad del material (escurrimiento de lixiviados, exceso de humedad o material

muy seco)

• Comportamiento de la temperatura del material durante el proceso de compostaje.

• Efecto de la temperatura o humedad relativa del ambiente sobre el proceso de

compostaje.

• Presencia de óxidos o corrosión en piezas del dispositivo.

• Otras observaciones.

Mediciones al final de la prueba:

• Masa de la composta obtenida diariamente al terminar el proceso de compostaje (kg)

Observaciones de la composta obtenido al final del proceso ([16] y [4]):

• Color

• Olor

Cálculos

• Humedad de la composta

• Rendimiento del compostador [34] [30] (kg de composta/día)

• Productividad [34], kg de composta/hkW

Procedimiento

Antes de iniciar la prueba de compostaje se hizo funcionar el prototipo en vacío para

ajustar cadenas, bandas u otro elemento que pudiera provocar algún problema posterior.

Una vez que se verificó que el prototipo presenta un funcionamiento aceptable se inició con

la prueba.

La prueba se inició con la introducción de una mezcla de 3 kg de RSOD por primera

vez a la cámara de compostaje del prototipo. Dicha mezcla se combinó con 300 g de

iniciador de manera homogénea, para este caso se utilizó composta madura. Al introducirse

por primera vez la mezcla de RSOD se registró la hora y fecha como inicio de la prueba de

compostaje, además de haberse medido la temperatura ambiente y humedad relativa.

Después de iniciado el proceso de compostaje se realizaron mediciones periódicas,

una vez al día, cada 24 horas, de: temperatura del material, temperatura ambiente, humedad

82

relativa a la entrada y salida del compostador. Las mediciones se realizaron antes de

introducir la mezcla de RSOD diaria de 3 kg.

Los puntos de medición de la temperatura en el prototipo fueron: seis en la sección

uno de la cámara de compostaje (distribuidos uniformemente cada 150 mm de distancia a

excepción del primero ubicado a los 80 mm), tres en la sección dos (distribuidos cada 300

mm de distancia a excepción del primero ubicado a los 150 mm) y tres en la sección tres

(distribuidos de igual forma como en la sección 2), como se observa en la Figura 5.1.

Figura 5.1. Puntos donde se toman las medidas de temperatura.

Los puntos a observar del funcionamiento del prototipo o del proceso, que se indican

en “observaciones de la prueba” se realizaron en el instante que se presentaba algún

aspecto o cambio que se considerara importante, por tener alguna relación con el

funcionamiento del prototipo o el desarrollo del proceso de compostaje.

Las observaciones del color, olor y las mediciones de humedad se realizaron al caer

el material de la tercera banda, que corresponde al material que ha finalizado el proceso de

compostaje. El cálculo del rendimiento y la productividad se determinan con la Ecuación 41 y

Ecuación 42 respectivamente.

83

El contenido de humedad del material obtenido al final del proceso de compostaje en

el prototipo se determinó con 5 muestras de la composta de 1 kg, utilizando la Ecuación 40.

La primera muestra se tomo cuando el primer material cae de la tercera banda de la cámara

de compostaje y posterior a ella se toman muestras cada dos días.

Para la determinación del contenido de humedad, se utilizó un recipiente previamente

identificado y pesado, en el cual se vertió la muestra colectada y se introdujo a un horno de

secado donde se mantuvo a 105 °C por 24 horas hasta que las muestras alcanzaron un peso

constante [3].

4* m s>M< f >M;>M< t 100 Ecuación 40

Donde: H¹: Humedad de la composta (%) >T¨: Masa de la composta húmeda (kg) >T¨: Masa de la composta seca (kg)

O* m >*¦* Ecuación 41

Donde: R¹: Rendimiento del compostador, kg/día m¹: Masa de la composta madura que sale por ciclo (kg) t¹: tiempo entre cada ciclo de salida de la composta (día)

HN m O*HX* Ecuación 42

Donde: P/: Productividad del compostador (kg / día W) R¹: Rendimiento del compostador (kg/día) P«¹: Potencia diaria consumida por el compostador (W)

84

5.1.4 COMPROBACIÓN DE LA MADUREZ POR EL MÉTODO DE O BSERVACIÓN

DIRECTA.

Este método es una manera inicial que permite evaluar de manera rápida si la composta

obtenida en el dispositivo es inestable. Las observaciones realizadas durante la prueba de

compostaje, fueron del: color, olor y comportamiento de la temperatura del material en la

fase final (ubicado al final del proceso de compostaje) considerando lo establecido en la

Tabla 6.3 del Anexo 1 y lo descrito en los siguientes puntos:

o Olor: La composta madura debe estar exenta de olores de descomposición

anaerobia como el ácido sulfhídrico, amoniaco (muy común con relaciones C/N bajas)

y mercaptanos4; y debe tener un olor agradable (parecido al humus o a tierra mojada)

olor producido por los actinomicetos.

o Color: La composta se oscurece a medida que va madurando, hasta llegar a un color

marrón oscuro o casi negro.

o Temperatura estable: Se observa que la temperatura en el proceso de

compostaje evoluciona hasta finalmente ser similar a la temperatura ambiente

y su variación depende del comportamiento de esta última.

5.1.5 DETERMINACIÓN DEL pH.

En el punto 2.2.1.3 se describió la evolución del pH durante del proceso de compostaje el

cual tiende a volverse neutro cuando la composta es madura, aunque esto depende del pH

del material al inicio del proceso de compostaje. El pH puede ser determinado por dos

métodos, que son: el de pasta saturada y la adición de volumen. El método empleado para

este caso fue el de adición de volumen.


Secado de la composta a 105 o 110°C en un horno de secado.


Contenedores pequeños, horno de secado y medidor de pH.

4. Mercaptanos: compuesto que contiene el grupo funcional formado por un átomo de azufre y un átomo de hidrógeno (-SH)

85



1. Potencial de hidrógeno pH.

Procedimiento

Se toman 5 muestras de aproximadamente 5 g y se le agrega a cada muestra agua destilada

en una relación de 1:5, es decir, 5 g de composta por 25 mL de agua destilada. Se mezcla

cada muestra durante 5 segundos dejándola reposar por 10 minutos. Posteriormente se

procede a leer el pH de cada muestra con el instrumento previamente calibrado.

5.1.6 RELACIÓN CARBONO NITRÓGENO (C/N).

Cuando se tienen una relación C/N inicial elevada en los residuos sólidos orgánicos (mayor o

igual de 1/25) es posible caracterizar la madurez de la composta, que de ellos se obtiene

después de un proceso de compostaje, al medirle la relación C/N la cual debe tener un valor

menor o igual de 1/20, de acuerdo a la United States Enviromental Protection Agency (EPA).

La determinación de la relación C/N, se mandó a realizar a un laboratorio especializado por

no contarse con los materiales e instrumentos necesarios para realizarla.

5.1.7 ENSAYO DE GERMINACIÓN.

Esta prueba permitió verificar si la composta presenta un grado de madurez adecuado.

Cuando el índice de germinación es mayor o igual al 80 % indica que la composta obtenida

es madura de acuerdo a la norma Chilena [16], mientras que la norma para composta

establecida en el Estado de California en Estados Unidos considera un valor entre el 80 y 90

% para la composta madura.

El método empleado para determinar el índice de germinación es una adaptación del método

Zucconi et al (1981) citado por [41] y [6].


La prueba se realiza con una temperatura controlada de 25 °C (±1 °C).


Se utilizó: una incubadora, 8 placas de petri de 12 cm de diámetro, papel fieltro,

semillas de rábano, agua destilada y sustrato de la composta.

86



2. Número de semillas testigo germinadas (adim.)

3. Número de semillas germinadas en el extracto (adim.)

4. Porcentaje de germinación relativo (%)

Procedimiento

Se toman 8 placas petri limpias y desinfectadas, a las cuales se les colocó papel fieltro

(recortado de forma redonda) de manera que al ponerse sobre la placa cubrió el fondo de la

misma; sobre el papel fieltro se posicionaron 10 semillas de rábano distanciadas

uniformemente y distribuidas en todo el fondo de la placa.

Se tomaron 4 placas petri y se les agregó 10 mL de agua destilada. A las 4 placas de petri

restantes, se les agregó 10 mL de una solución preparada. Esta solución resulta de mezclar

residuos de composta con agua destilada a razón de 1 a 10 (10 g de composta: 100 mL de

agua destilada), posteriormente se mantiene durante una hora. La metodología indica que

después, debe realizarse el centrifugado por 15 minutos a 3000 rpm [6], pero como no se

cuenta con equipo de esta capacidad, el centrifugado se realizó por 60 minutos a 1000 rpm

que al finalizar se procedió a filtrar la solución de la cual se toman los 10 mL para las placas

petrí.

Finalmente, las 8 placas fueron introducidas a una incubadora donde se mantuvieron a una

temperatura de 25 °C (±1 °C) por un tiempo de 5 dí as, período en el cual se observó la

germinación [41].

Diariamente se determinó la germinación de las semillas las cuales fueron

contabilizadas de forma separada para cada placa petri. Al final de los cinco días de la

prueba, se determinó la cantidad de semillas germinadas en las placas petri testigo (con

agua destilada) y en las placas petri que utilizaron el sustrato de composta. Con estos datos

y la Ecuación 43 [38], se determinó el porcentaje de germinación de las semillas de rábano.

El resultado puede ser comparado con los valores de porcentaje de germinación dados en la

Tabla 6.3 del Anexo 1 para una composta madura.

87

ºO m Dú>. $� e�>{¼¼ne 3�k>{En$ne �E �¼ �q¦kn#¦�Dú>. $� e�>{¼¼ne ¦�e¦{3� 3�k>{En$ne c100g Ecuación 43

Donde: ºO: Porcentaje de germinación relativo (%)

5.2 RESULTADOS

Como ya se mencionó la mezcla de prueba utilizada fue en las proporciones que se

muestra en la Tabla 5.1, con la cual se obtiene una relación teórica de C/N de 32.9 y

humedad del 68.5 %. Los materiales utilizados en la mezcla de prueba de acuerdo al tipo de

residuo que en ella se consideraron fueron los presentados en la Tabla 5.2.

Tabla 5.2. Material utilizado para cada tipo de Residuos de la mezcla de prueba.

Núm. Residuo considerado Material utilizado en la mezcla • Residuos de granos Tortilla, Pan • Residuos de frutas Plátano, Manzana, Mandarina

Naranja. • Verduras Jitomate, Zanahoria, Cebolla

papa • Pasto Presentes en jardines • Hojas Presentes en jardines • Hierbas Presentes en jardines

5.2.1 MEDICIÓN DE LA DENSIDAD

La densidad promedio obtenida en las cinco repeticiones de la mezcla de RSOD fue de

202 kg/m3, los resultados completos de la prueba se presentan en el “Registros de las

pruebas realizadas al compostador y a la composta” [46].

5.2.2 COMPOSTAJE DE LOS RSOD CON DIFERENTES INICIAD ORES

Los registros de esta prueba se presentan en el documento “Registros de las pruebas

realizadas al compostador y a la composta” [46], donde se presentan las mediciones de

temperatura de la mezcla, temperatura ambiente, humedad relativa y masa de la mezcla.

En la Figura 5.2 se muestran las curvas del comportamiento de la temperatura de las

cuatro muestras que fueron compostadas con respecto al tiempo de iniciado el proceso de

compostaje.

88

Figura 5.2. Comportamiento de la temperatura en el proceso de compostaje.

La temperatura tiene un comportamiento similar para las muestras que utilizaron

algún iniciador al principio de la prueba de compostaje, para el caso de la muestra testigo

(que no utiliza iniciador) presenta un aumento inicial de temperatura lento pero que alcanza

la temperatura de las demás muestras e incluso en un tiempo breve logra rebasarlas, como

se observa en la Figura 5.2.

Una explicación a lo anterior puede deberse a que la población de microorganismos

al inicio del proceso de compostaje en la muestra sin iniciador es baja, lo que explica una

baja temperatura y pérdida de masa; y para el caso de las muestras con iniciador, en las

cuales se inocula los microorganismos, presentan una mayor población y con ello mayor

degradación de los residuos que provocan el aumento de temperatura y pérdida de masa;

posteriormente conforme avanza el proceso de compostaje la disminución en la temperatura

y en la caída de la masa de las muestras es debida a que los RSOD de fácil degradación

(azúcares) han sido descompuestos y la población microbiana disminuye; para el caso de la

muestra sin iniciador se incrementa la temperatura, debido a que dichos residuos no han

sido totalmente degradados, lo que implica crecimiento o que se mantenga la población

microbiana.

89

Para el caso de las muestras que utilizaron como iniciador composta madura y

estiércol seco presentaron una temperatura ligeramente mayor en los primeros cuatro días

que la muestra que utilizó levadura, sin embargo en los días posteriores ésta última muestra

presentó una temperatura ligeramente mayor a las demás muestras.

De acuerdo con la gráfica presentada en la Figura 5.3, se puede observar que la

caída de masa en las muestras con iniciador es muy parecida y casi imperceptible hasta el

día 10 de iniciado el proceso de compostaje, para el caso de la caída de la masa en la

muestra sin iniciador fue más lenta, pero ésta se mantuvo muy cercana con las muestras que

utilizaron algún iniciador. La caída de masa en cada una de las muestras se determinó con la

Ecuación 39.

De acuerdo a los resultados de la prueba con los iniciadores se determinaron los

datos que se utilizaron en el diseño del prototipo y que se muestran en la Tabla 3.2.

Figura 5.3. Peso de las muestras con diferentes iniciadores con respecto a los días de compostaje.

5.2.3 PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO DEL PROTOTIPO

Los valores obtenidos de las mediciones de temperatura del material compostado, de

la temperatura ambiente, de la humedad relativa a la entrada y salida del prototipo se

90

presentan en el documento “Registros de las pruebas realizadas al compostador y a la

composta” [46].

En la Figura 6.7 del Anexo 1, se muestran las curvas de temperatura medidas durante

la prueba de funcionamiento, las curvas corresponden a la temperatura medida cada día de

la prueba (nombre de la serie) en los diferentes puntos ubicados en las secciones de la

cámara de compostaje (seis en la primera sección, tres en la segunda y tres más en la

tercera sección), ver Figura 5.1. Cada punto tiene correspondencia con el tiempo en el cual

fue introducido el material a la cámara de compostaje y está representado en el eje x, ver

Figura 5.4.

De acuerdo a los resultados de la prueba de funcionamiento, se observa que cuando

se inicia con el uso del prototipo no se logra alcanzar las tres etapas del proceso de

compostaje. Esto se explica, debido a que en el prototipo la poca cantidad de material que

ha sido introducido y que se encuentra en descomposición no alcanza a generar el calor

suficiente para elevar la temperatura de la etapa termófila o, también debido a que las

pérdidas de calor son mayores. Las etapas del proceso de compostaje se lograron alcanzar

a los 16 días de iniciada la alimentación del prototipo o prueba de funcionamiento.

Cuando los residuos cubren las tres secciones de la cámara de compostaje (día 30 de

iniciado el proceso con alimentación continua de 3 kg de RSOD/día), se tiene un

comportamiento uniforme de la temperatura medida en los diferentes puntos de la cámara de

compostaje, momento cuando el proceso de compostaje se torna estable.

En la Figura 5.1 se indican los puntos donde se mide la temperatura, que corresponde

a la temperatura del material en ese punto dentro de la cámara, y que corresponden al punto

indicado en la curva de temperatura que se muestra en la Figura 5.4. Como se puede

observar cada punto puede ser relacionado con el tiempo que lleva al interior de la cámara

de compostaje, esto debido a que las bandas que mueven a los RSOD tienen un

desplazamiento constante por día, por ello la curva de la Figura 5.4 muestra el valor

promedio de la temperatura con respecto al tiempo de haberse introducido los RSOD al

compostador.

91

La curva de la Figura 5.4 muestra el valor de la temperatura promedio, que se presentó

durante el proceso de compostaje a partir del momento en el cual se torna estable.

Nota: El punto de inicio de la curva “0”: Indica la temperatura promedio con la cual era introducida los RSOD al compostador.

Figura 5.4. Comportamiento de la temperatura de los RSOD en el proceso de compostaje en el

prototipo.

De acuerdo a la curva de la Figura 5.4, el comportamiento de la temperatura del

material al interior de la cámara de compostaje permite distinguir tres etapas del proceso. La

primera de ellas, etapa mesófila inicial (temperatura <40 °C), comienza con la introducción

de la mezcla de RSOD a la cámara de compostaje y termina entre los dos y tres días

siguientes, el final de la etapa marca el principio de la segunda etapa, etapa termófila

(temperatura > 40 °C), la cual finaliza entre los 6 y 7 días de haberse introducido el material a

la cámara de compostaje. La temperatura máxima alcanzada en esta etapa fue de 53 °C.

Las etapas mesófila inicial y termófila se generan en la primera sección de la cámara de

compostaje (banda uno) y en ella se inicia la tercera etapa, etapa mesófila final (temperatura

<40 °C), que principia con el término de la etapa t ermófila y continúa en las siguientes

secciones (banda dos y tres) de la cámara de compostaje.

Algunos de los resultados de la prueba de compostaje son los siguientes:

1. La humedad relativa del aire a la salida del prototipo, cuando los RSOD cubren las

secciones de la cámara de compostaje fue del 99 %.

92

2. La cantidad de material obtenido en el recipiente de recolección fue de 1.7 kg/día,

que al secarse quedó una masa de 407 g.

3. La humedad de la composta obtenida al final del proceso de compostaje fue en

promedio de 76 %.

4. Se considera que a los 27 días de iniciado el proceso de compostaje se tiene un

material biológicamente estable, por que el comportamiento de la temperatura del

material fue similar en magnitud con la temperatura ambiente.

Algunas de las observaciones realizadas durante el proceso de compostaje son las

siguientes:

• Se observó que la temperatura del material compostado es afectada por la

temperatura ambiente, ya que el material que se ubicaba en las superficies de la

capa de material acumulada presentaba menor temperatura que el material que se

encontraba más al centro de la capa. Esto se explica porque el aire entraba a la

temperatura ambiente a la cámara de compostaje y absorbe el calor del material que

se encuentra en la superficie de cada sección.

• El comportamiento de la temperatura del material observado en la cámara de

compostaje, es el siguiente: para el caso del material de la primera sección (banda

uno), se tuvo un incremento rápido de la temperatura al inicio de la banda, conforme

avanzaba la banda la temperatura se incrementó a niveles superiores a los 40 °C,

pero al acercarse al final del recorrido de la banda la temperatura del material

disminuía rápidamente; para el caso de la segunda sección (banda dos), la

temperatura se mantuvo casi uniforme a lo largo de la banda, aunque la diferencia de

temperaturas con el material de la banda uno es grande; para el caso de la

temperatura del material en la sección tres (banda tres), disminuye de manera casi

constante hasta llegar a temperaturas similares a la temperatura ambiente, esto hasta

el día 27 donde se toma la última lectura.

• El material obtenido del proceso de compostaje presenta un color pardo obscuro y

olor característico a composta. Lo anterior aunado a la temperatura del material en la

última parte de la banda tres (sección tres) con valores cercanos a la temperatura

ambiente, con esto se puede considerar que el material presenta características de

composta biológicamente estable.

93

• Durante el proceso de compostaje no se aprecian olores desagradables al exterior

del compostador, que indique descomposición anaerobia de los RSOD.

Una de las observaciones importantes que se hicieron, fue que el material no

requiere una remoción o mezclado frecuente, debido a que el material no es

compactado dentro de la cámara y por su soltura permite el flujo de aire a través de

los residuos, además de que la cantidad de material vertido crea una capa delgada

de material sobre las bandas.

• También, se observó una pérdida de calor elevada cuando el material era removido

continuamente lo que se comprobó al probar el diseño inicial del prototipo.

Durante la prueba de compostaje también se realizaron observaciones referentes al

funcionamiento de algunas piezas o mecanismos del prototipo:

• Se observo un flujo adecuado del material a través de la cámara de compostaje.

• Se observo una adecuada sincronía en el sistema de transmisión y las bandas de

acuerdo al diseño, con lo que se determina que el deslizamiento de las bandas y las

cadenas fue mínimo.

• No se presentan vibraciones o ruidos por mal funcionamiento durante el trabajo del

motor, bandas y sistema de transmisión.

• A la salida de la cámara de compostaje se apreció bajo escurrimiento de líquidos

lixiviados. Esto se considera que fue debido a que los líquidos lixiviados que caían de

la primera banda eran captados por el material de la segunda banda y que los

lixiviados de la segunda banda caían al material de la tercera banda. Esto también

provocó que el contenido de humedad de la composta o material obtenido al final del

proceso fuera elevado.

5.2.4 COMPROBACIÓN DE LA MADUREZ POR EL MÉTODO DE O BSERVACIÓN

DIRECTA.

De acuerdo a las observaciones realizadas durante la prueba de compostaje se puede decir,

en primera instancia, que el material compostado en el prototipo alcanzó una estabilidad

adecuada, por las observaciones de color (pardo obscuro), ausencia de olores fuertes y

desagradables, además por el comportamiento de la temperatura al final del proceso, que

ésta fue parecida e influenciada por la temperatura ambiente. Estas aseveraciones son una

premisa inicial para decir que se trata de un material biológicamente estable o maduro.

94

5.2.5 RELACIÓN C/N Y pH

Las pruebas para determinar el pH y la relación C/N de la composta obtenida en el prototipo,

fueron realizadas en el Laboratorio de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos

(UAEM).

Las muestras analizadas fueron colectadas de la composta procesada en el prototipo, las

cuales se dejaron secar a temperatura ambiente por un período de ocho días,

posteriormente fueron molidas y homogeneizadas, finalmente se realizó el análisis para

determinar el contenido de materia orgánica (M.O.) y contenido de nitrógeno total.

El contenido de materia orgánica (M.O.) fue de 47.95 %, el de nitrógeno total de 3.12 % y la

relación C/N de 15:1. Estos valores de acuerdo a la Norma Chilena y de la EPA

corresponden a una composta de calidad adecuada para las plantas por su contenido de

nitrógeno, y alto contenido de M.O., además de indicar una estabilidad del sustrato adecuada

por la relación C/N que es menor al indicado por las mismas normas de 20:1 para sustrato

estable, ver Tabla 6.3.

El pH de la composta fue de 9.44, valor que supera el intervalo adecuado para la composta

de acuerdo a indicaciones dadas por las normas chilena y de la EPA, pero el cual puede ser

corregido y se atribuye principalmente a los residuos utilizados para el compostaje.

5.2.6 ENSAYO DE GERMINACIÓN.

El resultado obtenido al determinar el índice de germinación promedio fue del 85 %, lo que

indica que la composta es madura de acuerdo con la Norma Chilena [16] y la norma aplicada

en el estado de California de Estados Unidos [4] para determinar la madurez de la composta,

donde se indica un índice de germinación mínimo del 80 % para considerar a la composta

madura.

En la Tabla 6.5 se presenta un resumen de las características de la composta obtenida en el

compostador.

95

CAPÍTULO 6. CONCLUSIONES Y RECOMEDACIONES

6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

6.1 CONCLUSIONES

Cuando se utilizó el prototipo por primera vez, el material compostado no logró

alcanzar las temperaturas de la etapa termófila (40°C) hasta después de los primeros

dieciséis días, debido a que la cantidad de material en descomposición no generaba el calor

suficiente para incrementarla, además de que se tenían orificios abiertos en el compostador

y la temperatura del medio ambiente era baja.

Una vez que fueron cubiertas las secciones de la cámara de compostaje del prototipo

con RSOD, los valores de la temperatura medidas en diferentes ocasiones en un mismo

punto de la cámara de compostaje no cambiaron significativamente, esto se presentó en

cada uno de los 12 puntos distribuidos en la cámara de compostaje donde se hicieron

mediciones. Lo anterior indica que el proceso de compostaje sigue una tendencia uniforme al

utilizar una misma mezcla de residuos y mantener la alimentación de manera continúa.

Además, este resultado nos llevó a hacer las pruebas con diferentes iniciadores con el

propósito de catalizar la etapa mesofílica inicial.

De acuerdo a las pruebas de funcionamiento realizadas en el prototipo, se encontró

que a los 27 días de iniciado el proceso de compostaje el material presentaba una

temperatura que variaba de manera similar a la temperatura ambiente con valores parecidos,

lo que presupone la estabilidad biológica del los residuos, es decir, que la descomposición

del material en este punto es baja y por ello el calor generado es mínimo, provocando que la

temperatura de los residuos cambie de manera similar a como lo hace la temperatura

ambiente.

El material obtenido al final del proceso de compostaje en el prototipo (en un período

de 30 días) presentaba características como un color pardo – obscuro, con olor característico

96

similar a la composta, por lo que se supone que las condiciones y el tiempo de compostaje

fueron los adecuados.

La prueba de germinación en la composta indica que presenta una estabilidad o

madurez adecuada para su uso en las plantas, esto con base al cumplimiento de las

exigencias de la Norma Chilena [16] y Normas Europeas [4] . La relación C:N de la composta

obtenida en el prototipo (15:1), es otro indicador de su estabilidad o madurez y cumplimiento

de las exigencias de las normas mencionadas.

La composta obtenida en el compostador puede ser utilizada directamente en las

plantas, lo que es ventaja comparativa con respecto a algunos compostadores comerciales

que requieren de un tiempo de estabilización del material final.

El exceso de humedad del material obtenido al final del proceso de compostaje en el

prototipo, se debió a que los líquidos lixiviados de la banda uno y banda dos fueron vertidos

al material de la banda tres.

El rendimiento del compostador durante la prueba fue de 0.407 kg de composta

seca/día, aunque ésta puede incrementarse en dependencia de la densidad y el tipo de

material que sea introducido al compostador.

La productividad del compostador durante la prueba de funcionamiento fue de 0.130

g/día W.

Se consigue el diseño de un prototipo automático para preparar composta a partir de

RSOD, con capacidad de procesamiento de los residuos generados por una familia de cinco

integrantes, que es fácil y seguro de operar, con lo que se confirma la hipótesis planteada en

esta investigación.

6.2 RECOMENDACIONES

Utilizar una mezcla de materiales de RSOD que pueda cumplir con las relaciones de

carbono/nitrógeno (C/N) y humedad establecidos en la Tabla 2.1. Además, debe evitarse el

uso de grandes cantidades de materiales con un pH ácido en la mezcla de RSOD como los

cítricos (naranja, mandarina, limón, toronja, entre otros).

97

El material que se introduzca al compostador debe fraccionarse en trozos menores a

los 5 cm, de preferencia en tamaños cercanos pero no menores a 1 cm.

Cuando se usa el dispositivo por primera vez, debe mezclarse un iniciador a los RSOD

que serán introducidos al prototipo, en una proporción mayor o igual a los 100 g por

kilogramo de residuos.

La alimentación del prototipo con RSOD debe ser continua (diaria), para que los

microorganismos que actúan sobre los residuos de las etapas más avanzadas del proceso,

puedan pasar al material nuevo o fresco. Con ello se evita que queden secciones vacías de

material sobre las bandas y haya pérdidas elevadas de calor o se retrase el inicio de la

descomposición del material fresco por la falta de microorganismos.

En caso de dejar de alimentar material al prototipo por uno o más días debe aplicarse

iniciador a los RSOD frescos que se introducen al dispositivo.

La altura del material fresco introducido al dispositivo, debe uniformizarse

manualmente dentro de la cámara de compostaje sobre el espacio vacío que genera el

desplazamiento de la primera banda.

Es recomendable que la cantidad de material vertido a la cámara de compostaje sea

cercano a los 3 kg de RSOD diarios, para obtener una capa sobre la banda que permita

generar el calor suficiente para alcanzar la etapa termófila; además se debe evitar que el

material rose con la tapa superior del dispositivo, previniendo con esto, obstrucciones o

dificultades en el flujo del material a través de la cámara de compostaje y evitar

atascamientos. También, se debe evitar compactar el material introducido al interior de la

cámara de compostaje, para no apretarlo contra las paredes y provocar atascamientos.

Si el material presenta exceso de humedad al final del proceso de compostaje se

recomienda secarse al sol durante un tiempo de 3 a 4 días.

En caso de que la temperatura ambiente sea baja inferior a los 10 °C, debe regularse

la apertura de las compuertas para la entrada del aire, esto mismo debe realizarse cuando la

temperatura del material es elevada (constantemente alcanza los 65°C).

98

BIBLIOGRAFÍA

[1] Angulo U. Jose M. e Angulo M. Ignacio, 2003. Diseño practico de aplicaciones

PIC16F84. 3ra edición. Mc GrawHill/Interamericana de España, S. A. U.

[2] Avendaño R. Daniella A. y Bonomelli de Pinaga Claudia, 2003. El proceso de

compostaje. Pontificia Universidad Católica de Chile Facultad de Agronomía e

Ingeniería Forestal. Santiago de Chile, Chile.

[3] Beidou Xi, Zimin Wei and Hongliang Lui., 2005. Dynamic Simulation for Domestic

Solid Waste Composting Processes. The Journal of American Science.

[4] Brinton William F., Ph.D., 2000. Compost quality standards & guidelines. Project

Manager Final Report. New York State Association of Recyclers.

[5] Budynas Richard G. y Nisbett J. Keith., 2008. Diseño en ingeniería mecánica de

Shigley. The Mc Graw-Hill companies, Inc. Octava edición. México, D. F.

[6] Cabaña Vargas D. D., Sánchez Monedero M. A., Urpilainen S. T., Kamilaki A.,

Stentiford E. I., 2005. Assessing the stability and maturity of compost at large scale-

plants. Ingeniería Revista Académica. Universidad Autónoma de Yucatan. Merida,

México.

[7] Cervantes Camacho Ilse y González Rangel Lilián G., 1996. Diseño de una planta de

composteo vecinal. Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa. D.F. México

1996.

[8] Cortez Cádiz Elvira del Carmen, 2003. “Fundamentos de ingeniería para el

tratamiento de los biosólidos generados por la depuración de aguas servidas de la

región metropolitana”. Universidad de Chile, Facultad de Ciencias Físicas y

Matemáticas, Departamento de Ingeniería Química. Santiago de chile.

99

[9] Dirección General de Normas (DGN). Protección al ambiente contaminación del

suelo-residuos sólidos municipales-determinación de humedad. NMX-AA-016-1984.

[10] Ernest W. Tollner, Jordan Smith y K.C. Das., 2003. Development and preliminary validation of a compost process simulation model. Biol. & Agr. Engineering Dept., Driftmier Engineering Center, University of Georgia U.S.

[11] Graves Robert E., 2000. Chapter 2. Composting. Part 637 Environmental

Engineering National Engineering Handbook. United States Department of

Agriculture, USA.

[12] Haug, Roger T., 1980. Compost engineering Principles and Practice. Technomic Publishing Company. Inc. Pennsylvania E. U.

[13] Haug, Roger T., 1993. The practical Handbook of compost engineering. Copyright by Lewis Publishers. Florida E. U.

[14] Instituto Nacional de Ecología, 1997. Estadísticas e indicadores de inversión

sobre residuos sólidos municipales en los principales centros urbanos de México.

Primera edición, Delegación Álvaro Obregón, D. F., México.

[15] Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI), 2002.

Estadísticas a propósito del día mundial del medio ambiente, bases conceptuales y

procedimientos. Organización Panamericana de la Salud. (http://www.inegi.gob.mx;

http://www.consumosustentable.org/4_5.htm).

[16] Instituto Nacional de Normalización, 2004. Compost, clasificación y requisitos.

Norma Chilena Oficial NCh 2880. Santiago de Chile, Chile.

[17] López I. Rogelio y Rodríguez G, 2004. Eduardo. Los recursos fitogenéticos de

México. Instituto de Manejo y Aprovechamiento de Recursos Fitogenéticos

(IMAREFI). Departamento de Producción Agrícola. Universidad de Guadalajara.

[18] Martínez J. Irma y Villezca B. Pedro A., 2003. La alimentación en México: un

estudio a partir de la Encuesta Nacional de Ingresos y Gastos de los Hogares.

Revistas de información y análisis núm. 21.

100

[19] Mason I.G., 2005. Mathematical modeling of the composting process: A review. Department of Civil Engineering, University of Canterbury, Private Bag 4800, Christchurch, New Zealand.

[20] Mohedo Gatón Juan José., 2002. “Estudio de la estabilidad durante el

compostaje de residuos municipales”. Tesis doctoral, Departamento de Química

Inorgánica E Ingeniería Química. Universidad de Córdoba. Córdoba, España, 20

Noviembre de2002.

[21] Monsalve Mauro, Delgado Edna L., Giraldo Eugenio. Modelación del compostaje de biosólidos en pila estática aireada. Centro de Investigaciones en Ingeniería Civil y Ambiental (CIIA). Universidad de los Andes. Carrera 65 B No. 17 A – 11, Bogotá, Colombia.

[22] Navarro Ricardo A. 1999. Manual para hacer composta aerobia. CESTA

Amigos de la Tierra. San Salvador, El Salvador.

[23] Neves D. S. F., Gomes A. P.D., Tharelho L. A. C. And Matos M. A.A., 2007. Application of a dynamic model to the simulation of the composting process. Department of Environment and Planning, University of Aveiro, 3810 – 193. Aveiro, Portugal.

[24] Organización Mundial de la salud, 2002. Evaluación regional de los servicios de manejo de residuos sólidos municipales. Organización panamericana de la salud, Informe analítico de México / evaluación 2002.

[25] Organización Panamericana de la Salud. Organización Mundial de la Salud.

Manual para la elaboración de compost bases conceptuales y procedimientos.

[26] Palacios M. E., Ramiro D. F. y López Pérez L. J. 2006. Microcontrolador

PIC16F84 desarrollo de proyectos. Ed. Alfaomega Grupo editor S. A. de C. V. México

D. F.

[27] Procuraduría federal del consumidor (PROFECO) Tutorial Canasta Básica,

Reporte Especial, Tutorial Canasta Básica.

[28] Sauri R. María R. y Castillo B. Elva R., 2002. Utilización de la composta en

procesos para la remoción de contaminantes. Ingeniería Revista académica,

101

septiembre-diciembre, año/vol. 006 núm. 003. Universidad Autónoma de Yucatán,

Mérida, México.

[29] Secretaría de Economía, 2002. Norma Oficial Mexicana NOM-008-SCFI-2002.

Sistema general de unidades de medida. México, D. F.

[30] Secretaría de Economía, 2004. Norma Mexicana NMX-O-221-SCFI-2004.

Trilladoras de frijol estacionarias. México, D. F.

[31] SEMARNAT, 2002. “Compendio de Estadísticas Ambientales, 2002”.

Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales (Editor). México, D. F.

[32] SEMARNAT, 2001. Guía para la gestión integral de los residuos sólidos

municipales. Subsecretaría de Gestión para la Protección Ambiental-SEMARNAT Av.

Revolución No. 1425, Col. Tlacopac, Deleg. Álvaro Obregón, C.P. 01040, México,

D.F.

[33] SEMARNAT, 2002. Minimización y manejo ambiental de los residuos sólidos

Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales (Editor). México, D. F.

[34] Silveiras Juan A R., 1998. “Teoría y cálculo de máquinas agrícolas”. Primera edición. Ed. Pueblo y educación. La Habana Cuba.

[35] Stoffella Peter J. y Kahn Brian A., 2005. Utilización de compost en los

sistemas de cultivo hortícola. Ed. Mundi-prensa, Madrid, España.

[36] Sztern Daniel y Pravia Miguel A., 2002. Manual para la elaboración de

compost. Instituto Nacional de Ecología, Delegación Álvaro Obregón, D. F., México.

[37] Sztern Daniel, MGA y Pravia Miguel A., 1999. Manual para la elaboración de

compost bases conceptuales y procedimientos. Organización Panamericana de la

Salud, Organizacion Mundial de la Salud.

102

[38] Tam N.F.Y. and Tiquia S., 1994. Assessing toxicity of spent pig litter using a

seed germination technique. Department of Biology and Chemistry, City Polytechnic

of Hong Kong, Kowloon, Hong Kong

[39] Telis-Romero Javier y Amaral Sobral do Paulo José, 2003. Caída de Presión

en lecho fijo de cubos de papa, remolacha y zanahoria considerando encogimiento.

Ciencia y tecnología alimentaria, Universidad de Sao Paulo, Brasil.

[40] Trautmann Nancy M. And KRASNY Marianne E., 1997. Composting in The

Classroom, National Science Foundation, Cornell Waste Management Institute. E.U.

[41] Varnero M. María T., Rojas A. Claudia, Orellana R. Roberto, 2007. Índices de

fitotoxicidad en residuos orgánicos durante el compostaje. Universidad de Chile,

Facultad de Ciencias Agronómicas. Departamento de Ingeniería y Suelos. Santiago,

Chile.

[42] Villaseñor P. Carlos A., 1994. Máquinas de transporte y elevación en procesos

agroindustriales. Dpto. de Ingeniería Mecánica Agrícola. Universidad Autónoma

Chapingo.

[43] Widman A. F., Herrera R. F., Cabañas V. D., 2005. El uso de composta

proveniente de residuos sólidos municipales como mejorador de suelos para cultivos

en Yucatán, Articulo científico. Facultad de Ingeniería Química de la UADY. Mérida,

Yucatán, México, 2005.

[44] http://compost.css.cornell.edu/OnFarmHandbook/apa.taba1.html

Documentos complementarios a la Tesis:

[45] Documento Técnico de Diseño

[46] Registros de las pruebas realizadas al compostador y a la composta.

103

ANEXO 1. TABLAS Y FIGURAS

Tabla 6.1. Propiedades de los RSOD.

Razón C/N

Humedad % N Densidad de la masa

RSOD Tipo de Valor

Peso a peso

Contenido en % (peso húmedo)

Peso seco kg/m 3

Residuos de cultivos y frutas / verdura – residuos procesados Cáscara de manzana Típica 48 88 1.1 925

Café molido Típica 20 - - - Mazorca de maíz Rango 56-123 9-18 0.4-0.8 -

Promedio 98 15 0.6 330 Arroz con cáscara Típica 42 71 1.2 770 Papas rebanadas Típica 18 78 - 914 Residuos de frutas Rango 20-49 62-88 0.9-2.6 -

Promedio 40 80 1.4 - Cáscara de la papa Típica 25 - 1.5 - Jitomate residuos

procesados Típica 11 a 62 4.5 -

Productos de verdura Típica 19 87 2.7 940 Residuos de verdura Típica 11-13 - 2.5-4 - Basura residuos de

alimentos Típica 14-16 69 1.9-2.9 -

Recortes de pasto Rango 9-25 - 2.0-6.0 - Promedio 17 82 3.4 -

Suelto Típica - - - 178 - 237 Compactado Típica - - - 297- 475

Hojas Rango 40-80 - 0.5-1.3 - Promedio 54 38 0.9 -

Sueltas y secas Típica - - - 159 – 178 Compactadas y mojadas Típica - - - 237 – 297

Recortes de maleza Típica 10-25 80 220

104

Tabla 6.2. Algunos Géneros de microorganismos encontrados con frecuencia en la composta.

FAMILIAS GÉNEROS B

AC

TE

RIA

S

Pseudomonadales Pseudomonas,

Nitrosomonas,Nitrobacter, Thiobacillus, Vibrio, Acetobacter

Hipomicrobiales Hypomicrobium (en lodos) Eubacteriales Azotobacteriáceas Azotobacter, Beijerinckia Rhizobacteriáceas Rhizobium Acromobateriáceas Acromobácter, Flavobacterium Enterobacteriáceas

Escherichia, Proteus, Aerobacter Serratía

Lactobaciláceas Streptococcus, Lactobacilus, Stafilococcus

Corinebacteriáceas Corinebacterium, Arthrobácter Baciláceas Bacillus, Clostridium

AC

TIN

OM

ICE

TO

S Micobacteriáceas Micobacterium (M.Tuberculosis)

Actinomicetáceas Nocardia, Pseudocardia

Streptomicetáceas

Streptomices, Micromonospora, Termonospora, Termopolispora, Termoactinomices

HO

NG

OS

SIFOMICETOS Mixococus Mixomicetos Mixomicetales Acrasiales EUMICETOS Zigomicetos Mucorales Entomoftorales Parásitos de insectos y vegetales Ascomicetos ( ≈ 30.000 especies)

Protoascomicetos Lipomices, Candida, Torula, Rodotorula

Ascomicetos Penicillium, Aspergilus, Trichoderma

Basidiomicetos Coprinus

105

Tabla 6.3. Pruebas realizadas para determinar la estabilidad o madurez de la composta.

METODOS VALOR QUE INDICA MADUREZ COMENTARIOS OBS. DIRECTA Olor Similar al humus o a la tierra mojada Subjetivo y no es muy apreciable en la composta durante la fase de degradación. Color Marrón obscuro o casi negro Es subjetivo y está afectado por la materia prima utilizada. Temperatura estable

Similar a la del ambiente, sin cambios por el manejo.

Indica estabilidad siempre y cuando se mantengan los factores que afectan el compostaje en los niveles adecuados.

FÍSICOS Autocalentamiento Ensayo de 2 a 9 días: 0-20 °C

estable; 0-40 °C activo; 40 °C residuos frescos2

Sencillez del equipo y de la interpretación. Simula el calentamiento natural de un montón de residuos. El contenido de humedad afecta los resultados del ensayo.

Conductividad eléctrica (CE)

<3diecisiemens/m1 Permite evaluar las concentraciones de sales solubles.

QUÍMICOS Sólidos volátiles Incremento de un 45 a un 60 %2. Depende de la materia prima utilizada. El cálculo se basa en el contenido inicial de

cenizas de la mezcla de materia prima con respecto al contenido final de la composta. La parte de la muestra pérdida por la combustión a temperaturas elevadas (550°C) valora la materia orgánica; la parte que permanece después de la combustión son las cenizas. El contenido de sólidos volátiles se toma como el contenido de la materia orgánica que es aproximadamente igual.

Potencial de hidrógeno (pH)

Valores entre 5 y 8.5. Norma EPA entre 6 y 8.

Tiende a hacerse neutro cuando la composta es madura. Depende de los residuos utilizados en el compostaje y de la adición de cualquier enmienda. Para la medición del pH se utiliza un instrumento diseñado para tal fin y puede realizarse mediante dos métodos: el de pasta saturada y el de adición de volumen.

Relación C:N Maduro de 15 a 20:1; 25 a 30:1 inmovilizan el N inorgánico.2

Permite confirmar la madurez de la composta producida por mezclas de residuos con alto valor de C/N (C/N inicial >25:1), caso contrario con materia prima inicial con relaciones de C/N menores. Para determinar la relación C/N se determina el carbono total y el Nitrógeno total. Presenta el inconveniente que no se distingue entre el carbono orgánico e inorgánico.

Nitrógeno total El nitrógeno total > 0.8 %1 Valor mínimo para una composta. N inorgánico La composta madura contiene más

NO3- –N que NH4+ –N.2 Disminuye el NH4 y aumenta el NO3-. Los montones de composta secos e inestables pueden tener altos contenidos de NO3-. Rehumedecida la composta madura puede perder NO3 rápidamente por desnitrificación.

Capacidad de intercambio catíonico (CEC)

>60meq. 100 g-1 de sólidos volátiles de composta MSW.2

La CEC se incrementa en una composta madura. El valor máximo de CEC en la composta madura depende de los residuos iníciales utilizados.

Contenido de M.O. Materia orgánica > 45 % Para composta de calidad A de acuerdo a la norma chilena. BIOLÓGICOS Medida del consumo de oxigeno

≤3.5 mg O2 /g de M.O. por día1,3 Bueno para determinar la estabilidad. El proceso de incubación es relativamente lento. Requiere de aparatos especializados. No es fácilmente disponible en los laboratorios comerciales.

Medida del CO2 desprendido

≤8 mg CO2 /g de M.O. por día1,3 Requiere de aparatos especializados. No es fácilmente disponible en los laboratorios comerciales.

Ensayo de germinación

>80 % para semillas de rábano1,3 Los ácidos orgánicos de cadena corta resultados de descomposición de la materia orgánica pueden inhibir o reducir la germinación de la semilla y crecimiento de la raíz. Depende de la sensibilidad de la especie utilizada y a la concentración de sal en la composta.

Ácidos orgánicos de cadena corta.

Concentración de acido acético >300 mgkg-1 inhiben la germinación de las semillas de berro3

La composta inestable que contiene ácidos de cadena corta como el acido acético, butírico y propiónico son fitotóxicos. La determinación directa de los ácidos de cadena corta son costosos, requieren la cromatografía de gases o iónica.

1: Norma Chilena[16]; 2: Valores dados por la EPA (Enviromental Protection Agency of United States) presentados por Peter J. Stoffella y Brian A. Kahn ([35]. 3: Normas Europeas [4].

106

Tabla 6.4. Comparativa del compostador diseñado con otros comerciales.

COMPARATIVA COMPOSTADOR DE ESTA TESIS

NATUREMILL

JURAFORM KOMPOST AB

Compostador casero

Modelo CENIDET NatureMill Automatic Indoor Composter

JK 125 Compost Machine

Dimensiones Longitud x Ancho x Altura (LxWxH)

1455 x 723 x 1269 mm 22” x 14” x 22” (558.8x355.6x558.8) mm

1160 mm x 886 mm x 886 mm

Altura: 1120 mm / 44" Diám.: 725 mm / 29"

Capacidad 3 kg con una densidad

de 200 kg/m3. Para un hogar de 5

personas. 4 – 6 personas

Material que puede ser compostado

Residuos de comida y jardinería

Residuos de cocina Residuos de comida Residuos de comida

Volumen de la cámara

0.456 L efectivos 40 L aproximadamente 125 L 335 L

Volumen disponible 16.7 L/día (3.25 kg/día) 8 litros por día aprox. 12 l/semana 15.9 L por día Variables que controlan o particularidades

Frecuencia de aireación Movimiento del material Temperaturas elevadas

(>65 °C)

Frecuencia en el movimiento del material

Aireación Calentamiento del material

Cilindro metálico como cámara de compostaje. Volteo al girar el cilindro de manera manual. Perforaciones para ventilación natural.

Bote compostador de plástico reciclado. Perforaciones para ventilación natural. Puerta para salida de material.

Precio $ 8500 $6000 Funcionamiento Automático Automático Manual Bote compostador Ventajas Capacidad elevada

Compostador continuo Capacidad limitada

Compostador intermitente (compostaje discontinuo).

Capacidad limitada Compostador continuo.

Capacidad elevada Compostador continuo.

Tabla 6.5. Características de la composta procesada en el prototipo compostador.

Núm. Propiedad Valor determinado

1. Contenido de humedad 76 %

2. pH 9.44

3. Contenido de materia orgánica (M.O.) 47.95 %

4. Nitrógeno total 3.12 %

5. Relación C/N 1:15

107

Figura 6.1. Diagrama de flujo del funcionamiento general del sistema electrónico y de control del

compostador.

108

Figura 6.2. Diagrama de flujo del funcionamiento de las interrupciones para el ajuste del reloj.

109

Figura 6.3. Diagrama del circuito electrónico del compostador, parte 1. Los componentes de este

diagrama se indican en el Documento técnico de diseño [45].

110

Figura 6.4. Diagrama del circuito electrónico del compostador, parte 2. Los componentes de este

diagrama se indican en el Documento técnico de diseño [45].

111

Figura 6.5. Vistas del compostador con bandas.

112

Figura 6.6. Desensamble del compostador con bandas, la lista de las piezas y sus características se

presentan en el Documento técnico de diseño [45], complementario a ésta tesis.

113

Figura 6.7. Curvas del comportamiento de la temperatura al interior de la cámara de compostaje.

114

ANEXO 2. MANUAL DE OPERACIÓN DEL COMPOSTADOR

A 2. MANUAL DE OPERACIÓN DEL COMPOSTADOR

Antes de utilizar el compostador es necesario leer este manual de operación.

A 2.1. INSTALACIÓN DEL PROTOTIPO

• El prototipo debe ser puesto sobre un piso nivelado o con un desnivel máximo de 1

%.

• El lugar de preferencia debe ser bien ventilado, protegido de las lluvias y las bajas

temperaturas. Aunque puede soportar las lluvias y funcionar en temperaturas bajas

cercanas a los 0 °C.

• Coloque un recipiente en la parte lateral izquierda del compostador que permita

captar los líquidos lixiviados.

A 2.2. FUNCIONAMIENTO DEL COMPOSTADOR

El prototipo permite el compostaje diario de 3 kg de RSOD (residuos sólidos orgánicos

domésticos) como máximo, considerando una densidad de 200 kg/m3 de la mezcla, en caso

de que la densidad de la mezcla preparada de RSOD sea mayor, la capacidad del

compostador aumenta proporcionalmente, por ejemplo, si la densidad es de 400 kg/m3 su

capacidad aumenta al doble, es decir a los 6 kg diarios. Para que el compostador realice

adecuadamente el compostaje de los RSOD, los residuos deben ser preparados de acuerdo

a lo descrito en el punto 0 de este manual.

Las partes principales del compostador se muestran en la Figura 6.8, y se enlistan a

continuación:

1. Puerta de alimentación

2. Cámara de compostaje (con tres secciones)

3. Bandas transportadoras (Tres bandas)

4. Flecha con aspas que mueven y mezclan al material (tres flechas)

5. Extractor

6. Compuertas de apertura para la entrada de aire (dos entradas de aire)

7. Recipiente recolector del material final

115

8. Soporte o chasis

9. Motor y sistema de transmisión

10. Placa para escurrimiento de lixiviados

11. Sistema electrónico y de control

c) Vista frontal del compostador d) Partes del compostador

Figura 6.8. Elementos principales del dispositivo.

El funcionamiento del dispositivo inicia con la conexión del compostador a la línea eléctrica

doméstica, donde se manejan voltajes de 110 a 120 V de corriente alterna a 60 Hz.

Posterior a ello, el usuario debe ajustar el reloj del dispositivo fijando la hora y fecha actual,

de acuerdo a lo descrito en el punto 0. Una vez realizado esto, el usuario puede iniciar el uso

normal del compostador introduciendo una mezcla diaria de RSOD, a través de la puerta de

alimentación, hasta 25 cm de espesor de la capa de residuos que están sobre la primera

banda (con una densidad de 200 kg/m3 corresponde a 3 kg de RSOD diarios) y podrá

obtener el producto (composta) de manera continua a los 30 días de iniciada la alimentación.

Para extraer la composta generada, se debe quitar el recipiente recolector, el cual tiene una

capacidad de almacenamiento de la composta generada en 7 días.

El funcionamiento del compostador es el siguiente: cuando el reloj ha sido ajustado

adecuadamente, se hace funcionar el motor diariamente por un período de dos minutos y al

extractor por un período de cinco minutos a las 10:00pm (todo esto lo hace el compostador

automáticamente).

116

El funcionamiento del motor a través del sistema de transmisión por cadenas, permite el

movimiento de las bandas las cuales transportan el material a través de la cámara de

compostaje, permitiendo que el material se mantenga en su interior por un período de 30

días, tiempo en el cual se efectúa el proceso de compostaje; además, mueve las flechas con

aspas que permiten descompactar los residuos y la caída de los mismos a los elementos

inferiores del compostador (bandas o recipiente recolector). El movimiento de los residuos a

través de la cámara de compostaje se indica con flechas y número de días que lleva en el

compostador, ver Figura 6.9.

Figura 6.9. Flujo de los residuos al interior del dispositivo.

El dispositivo permite que el proceso de compostaje se realice de manera automática por lo

que el usuario sólo debe ajustar adecuadamente el reloj del compostador, introducir una

mezcla adecuada de residuos como se describe en 0 y retirar la composta obtenida con un

intervalo de tiempo menor o igual a los 7 días.

Dentro de las funciones del sistema de control del prototipo tenemos las siguientes:

1. Encendido diario del motor por un tiempo de dos minutos, para cumplir con el

desplazamiento de las bandas o residuos compostados al interior de la cámara de

compostaje.

2. Suministrar el aire necesario para que la descomposición aerobia de los residuos se

realice de manera adecuada.

3. Mantener la temperatura del material compostado por debajo de los 65 °C y cuando

este valor sea alcanzado, corregirlo disminuyendo la temperatura a los 60 °C.

117

4. Presentación de la temperatura del material y temperatura ambiente en el panel de

control, para que el usuario pueda verificar si el proceso de compostaje se realiza

adecuadamente.

5. Presentación de la fecha y hora en el panel de control, con el fin de que el usuario

pueda verificar si no ha ocurrido algún fallo en el funcionamiento del compostador

causado por fallas en el suministro de energía eléctrica.

A 2.3. INSTRUCCIONES DE OPERACIÓN

1. Instalar adecuadamente el compostador, de acuerdo a las recomendaciones

indicadas en el punto 0.

2. Conecte el cable del compostador a la energía eléctrica domestica, únicamente

donde haya voltajes de 110 a 120 V de corriente alterna a 60 Hz.

3. Encienda el compostador, al presionar el botón de encendido, ver Figura 3.14.

4. Ajuste la fecha y la hora en el panel de control, conforme a lo establecido en el punto

0.

5. Puede iniciar el uso del compostador.

o Antes de introducir los residuos al dispositivo, debe prepararlos en una

mezcla de acuerdo a lo descrito en el punto 0.

6. Extraer la composta generada a los 31 días de iniciada la alimentación del

dispositivo, la extracción puede realizarse diariamente o cada siete días.

7. Efectuar el mantenimiento como lo indica el punto 0.

Para que la operación del prototipo sea la adecuada deben considerarse las siguientes

recomendaciones:

• Al alimentar los residuos debe mantenerse un nivel máximo de 25 cm de espesor

(distancia entre la superficie de la primera banda y la superficie superior de la capa

de RSOD), ya que en caso de alimentarse mayor cantidad se corre el riesgo de

atascamientos.

• Los residuos no deben compactarse al ser alimentados, ya que esto puede provocar

un apriete con las paredes laterales y el atascamiento del compostador.

• Cuando vaya a introducir por primera vez residuos al compostador, debe primero

colocarlos en un recipiente y agregarles algún iniciador (ya sea suelo de huerto,

composta, levadura o estiércol seco, no utilice haces fecales de mascotas) en una

118

proporción de preferencia cercana a los 100g por cada kilogramo de residuos,

mézclelos uniformemente y posteriormente puede introducirlos al compostador.

• Antes de introducir los residuos al compostador éstos deben ser fraccionados en

tamaños menores a 5 cm y mayores a 1 cm (de preferencia en fracciones de 1 a 3

cm).

• El compostador debe ser alimentado diariamente con RSOD, ya que esto facilita el

paso de los microorganismos del material con mayor tiempo de ser compostado en el

dispositivo con el material recién introducido. En caso de que en uno o más días no

se alimente al compostador, debe desconectarse el motor del panel de control antes

de las 10:00pm y conectarse el día que se alimente con más residuos.

• Si la composta obtenida está muy húmeda, una forma de secarla es al exponerla al

sol colocando una capa delgada sobre el piso. El tiempo de secado depende del

clima, pero si los días son soleados puede secarse composta húmeda (con

escurrimiento de agua) en cuatro días.

• Si la mezcla de residuos a compostar es ácida, aplique algún elemento para

neutralizar el pH como el bicarbonato.

• Los residuos introducidos al prototipo en el primer día de uso, deben ser mezclados

homogéneamente con un iniciador (composta madura, estiércol seco o levadura), en

una proporción de 100 g de iniciador por cada kilogramo de residuos.

A 2.4. MANTENIMIENTO

El principal mantenimiento del prototipo es el engrasado de las chumaceras. La frecuencia

de engrasado se debe realizar cada dos meses.

Cuando el compostador se deje de usar por un tiempo prolongado, deben limpiarse los

componentes al interior de la cámara de compostaje, así como sus paredes.

A 2.5. PROBLEMAS QUE PUEDEN PRESENTARSE Y SUS CORRECCIONES

1. Atascamiento del material en las bandas.

Las causas que pueden provocar este problema son: 1) el usuario comprimió los residuos al

interior de la cámara de compostaje, 2) no ha sido extraída la composta del recipiente

recolector, 3) se introdujo algún objeto (bolsas de plástico, tela u otros objetos) que obstruye

el flujo de los RSOD. Para solucionar los problemas correspondientes a cada punto

enumerado, se realiza lo siguiente: 1) descomprimir y extraer el exceso de material que limita

119

el traslado de los residuos por las bandas, 2) extraer la composta del recipiente recolector, 3)

retirar el objeto que obstruye el flujo del material. Para solucionar el problema de

atascamiento del dispositivo se cuentan con algunas vías de acceso al interior de la cámara

de compostaje, que son: puerta de alimentación, la tapa superior del compostador, las

compuertas de entrada de aire o el acceso generado al quitar el recipiente recolector.

2. Descomposición inadecuada de los residuos:

Cuando la temperatura del material mostrada en el panel de control es menor a los 40°C o

similar a la temperatura ambiente puede asociarse a un mal proceso de compostaje. Este

problema puede deberse a diferentes causas, que son: 1) pequeña cantidad de RSOD al

interior de la cámara de compostaje, 2) No se aplicó iniciador a la primera mezcla de

residuos introducidos al compostador, 3) Bajas temperaturas del ambiente y 4) RSOD secos.

Para solucionar los problemas correspondientes a cada punto enumerado se realiza lo

siguiente: 1) esperar a que la cantidad de material al interior de la cámara de compostaje sea

mayor, 2) Aplicar algún iniciador al material compostado, 3) Disminuya el flujo de aire a

través de la cámara de compostaje al disminuir la apertura de las compuertas de aire, 4)

agregue agua a los RSOD.

A 2.6. AJUSTE DE LA HORA Y LA FECHA DEL RELOJ

El ajuste de la fecha y la hora debe realizarse cuando es desplegada la información en el

LCD (ver Figura 6.10), cuando esto suceda presione el botón seleccionar para que

seleccione el registro que desea modificar. Una vez seleccionado el registro modifique su

valor con el botón incrementar, y ponga el valor deseado de acuerdo a la fecha y hora

actuales. Cuando termine de realizar los ajustes seleccione el registro de los segundos

manténgalo ahí, cuando los segundos comiencen a incrementarse puede presionar el botón

reiniciar para que el sistema de control realice las funciones para las cuales fue diseñado.

120

Figura 6.10. Panel de control y desplegado de la fecha y hora en el LCD.

A 2.7. PREPARACIÓN DE UNA MEZCLA ADECUADA PARA EL COMPOSTAJE

Una mezcla de residuos adecuada para realizar el proceso de compostaje debe cumplir con

ciertos factores químicos y físicos los cuales se indican en la Tabla 6.6.

Tabla 6.6. Niveles aceptables de los factores físicos y químicos para el compostaje, y los valores

óptimos.

Núm. Factor considerado Intervalo aceptable Valor óptimo

7. Composición inicial de la mezcla, relación C/N (%)

25 a 35 / 1 30/1

8. Contenido de humedad de la mezcla durante el compostaje (%)

40 - 60 60

9. Potencial de hidrógeno en la mezcla inicial, pH

6.5 a 8 7

10. Tamaño de partícula de los materiales (cm)

En general de 1 a 5 cm y para materiales leñosos 1 a 2 cm.

1- 3 cm

Por lo anterior se recomienda el fraccionamiento de los residuos antes de ser introducidos al

compostador, además de hacer una mezcla que permita un nivel adecuado con respecto a la

relación carbono: nitrógeno (C:N), contenido de humedad y potencial de hidrógeno (pH).

Para el caso de la relación C/N y contenido de humedad debe conocerse estas propiedades

para cada material, para ello deben considerarse tablas como la Tabla 6.7, y con ayuda de la

121

Ecuación 44 y Ecuación 45 se verifica si se está cumpliendo con los valores convenientes

presentados en la Tabla 2.1.

El potencial de hidrógeno puede ser ajustado a valores aceptables al utilizar residuos con un

pH neutro o utilizar pequeñas cantidades de materiales ácidos. Cuando la mayor cantidad de

los residuos a compostar tienen un pH ácido, el pH se puede ajustar al mezclar los residuos

con bicarbonato.

O m ∑ o!"c100 f V<"gr?" v"w+∑ oD"c100 f V"gr?" v"w+ Ecuación 44

Donde:

R: Relación carbono nitrógeno C/N de la mezcla (adim.) !": Cantidad de carbono en el material i (%) D" : Contenido de nitrógeno en el material i (%) ?": Masa del material i (kg) V" : Contenido de humedad del material i (%)

VX m ∑ ?"V" v"w+∑ V" v"w+ Ecuación 45

Donde:

WT: Humedad de la mezcla (%) ?": Masa del material i (kg) V" : Contenido de humedad del material i (%)

122

Tabla 6.7. Propiedades de los RSOD.

Razón C/N

Humedad % N Densidad de la masa

RSOD Tipo de Valor

Peso a peso

Contenido en % (peso húmedo)

Peso seco kg/m 3

Residuos de cultivos y frutas / verdura – residuos procesados Cáscara de manzana Típica 48 88 1.1 925

Café molido Típica 20 - - - Mazorca de maíz Rango 56-123 9-18 0.4-0.8 -

Promedio 98 15 0.6 330 Arroz con cáscara Típica 42 71 1.2 770 Papas rebanadas Típica 18 78 - 914 Residuos de frutas Rango 20-49 62-88 0.9-2.6 -

Promedio 40 80 1.4 - Cáscara de la papa Típica 25 - 1.5 - Jitomate residuos

procesados Típica 11 a 62 4.5 -

Productos de verdura Típica 19 87 2.7 940 Residuos de verdura Típica 11-13 - 2.5-4 - Basura residuos de

alimentos Típica 14-16 69 1.9-2.9 -

Recortes de pasto Rango 9-25 - 2.0-6.0 - Promedio 17 82 3.4 -

Suelto Típica - - - 178 - 237 Compactado Típica - - - 297- 475

Hojas Rango 40-80 - 0.5-1.3 - Promedio 54 38 0.9 -

Sueltas y secas Típica - - - 159 – 178 Compactadas y mojadas Típica - - - 237 – 297

Recortes de maleza Típica 10-25 80 220

123

ANEXO 3. MODELO DEL COMPOSTAJE

A 3. MODELO DEL COMPOSTAJE

Un diagrama generalizado que muestra la interacción de los diferentes factores que

intervienen en el proceso de compostaje es el que se muestra en la Figura 6.11 [23].

Figura 6.11. Diagrama generalizado del proceso de compostaje.

A 3.1. PARÁMETROS FÍSICOS Y QUÍMICOS IMPORTANTES EN EL MODELADO DEL PROCESO.

Ecuación química general de reacción en el proceso de compostaje [20]: !'4 GM½a b �4n b p f 2# f 3$4 � G, h n!G, b p f 3$2 4,G b $D4-

Determinación de la porosidad (ε) [12]:

¾ m µ¿µX m 1 f µ;µX m 1 f À¶�¶Àiº¶ ó ¾ m 1 f `NÀ; Ecuación 46

Donde:

¾: Porosidad (Adim.). µ¿: Volumen vacío (comprende al volumen ocupado por el agua y el aire)(m3) µÂ: Volumen ocupado por los sólidos (m3) µX: Volumen total (m3)

124

À¶: Peso unitario del montón del material a ser compostado, peso húmedo por

unidad de volumen (kg/m3) �¶: Contenido fraccional de los sólidos de la mezcla (adimensional) º¶: Gravedad específica de la mezcla de sólidos (adimensional) Ài: Peso unitario del agua (kg/m3) `N: Densidad de real de los residuos (kg/m3) À;: Gravedad específica (kg/m3)

Densidad real de los residuos: `N m Y >;100 Ecuación 47

Donde: `N: Densidad real de los residuos (kg/m3) Y : Peso del bulto (kg/m3) >;: Materia seca (%)

Determinación del FAS (volumen de aire libre) [12]:

)�� m µÃµX m 1 f µ; b µiµX m 1 f À¶�¶Àiº¶ f À¶c1 f �¶gÀi ó )�� m ¾c1 f 5Ä>�$n$g m �1 f Y >;À; � >;100 Ecuación 48

Donde:

¾: Porosidad (adimensional). µÃ: Volumen ocupado por el aire (m3) µÂ: Volumen ocupado por los sólidos (m3) µi: Volumen ocupado por el agua (m3) µX: Volumen total (m3) Y : Peso de los residuos (kg/m3) >;: Materia seca (%)

125

Determinación de los SVB [12] �µÅ m Æ�Â¡£µ�Â¡£��Â¡£l�Â¡£ Ecuación 49

Donde:

�µÅ: Sólidos volátiles biodegradables (g o kg). Æ�Â¡£: Coeficiente de degradabilidad (%) µ�Â¡£: Contenido de sólidos volátiles (%) ��Â¡£: Fracción de sólidos en peso seco (%) l�Â¡£: Peso húmedo de los residuos sólidos orgánicos domésticos (kg)

Contenido de sólidos volátiles en los residuos sólidos orgánicos domésticos, a compostar en

el reactor.

µ�Â¡£ m �µÅ& b �µDÅ& Ecuación 50

Donde:

�µÅ&: Fracción de sólidos volátiles biodegradables en los RSOD (adim.), se

considera de 1. �µDÅ& : Fracción de sólidos volátiles no biodegradables en los RSOD (Adim.), se

considera de 0. µ�Â¡£: Contenido de sólidos volátiles (%)

A 3.2. VELOCIDAD DE DEGRADACIÓN DE LOS RSOD

Modelo cinético de degradación del substrato planteado por Haug [19] y [21]

$�µÅ$¦ m ÇÆXcÈ';®g �µÅcÈ';®g b ÆXc;ÉÊig �µÅc;ÉÊigË )�cRg)+cG,g),c4,Gg)-c)��g

Ecuación 51

Donde:

aÂÌJa® : Razón del consumo de los sólidos volátiles biodegradables (masa/tiempo). ÆXcÈ';®g: Constante de degradación de los SVB lentamente (ÆXcÈ';®g m 0.075 ${n�+) ÆXc;ÉÊig: Constante de degradación de los SVB rápidamente (ÆXc;ÉÊig m 0.01 ${n�+) �µÅcÈ';®g: Masa de los SVB de degradación rápida en el reactor o alimentado (g o kg). �µÅc;ÉÊig: Masa de los SVB de degradación lenta en el reactor o alimentado (g o kg).

126

)�cRg: Factor de corrección por el afecto de la temperatura en la degradación de los

SVB (adim.) )+cG,g: Factor de corrección por el afecto del oxígeno en la degradación de los SVB

(adim.) ),c4,Gg: Factor de corrección por el afecto de la humedad en la degradación de los

SVB (adim.) )-c)��g: Factor de corrección por el afecto del espacio de aire libre (FAS), en la

degradación de los SVB (adim.)

Efecto de la temperatura en la degradación de los SVB, corrección de la ecuación por efecto

de la temperatura realizada por Arrhenius presentada por [13].

)�cRg m Æa�+ Ç!+cX�X�,g f !,cX�X�,gË

Ecuación 52

Donde:

Æa�+: Es la constante de degradación ideal obtenida de estudios

de respirometría (0.0126) RO2: Temperatura de referencia (RO2 m 20 °!) RO2: Temperatura óptima para el proceso de degradación

(RO2 m 60 °!)

T: Temperatura del substrato (°C) !+, !,: Coeficientes de temperatura de Arrhenius !+ m 1.066, !, m1.21

Efectos de la variación de la humedad en la degradación de los SVB, función empírica

presentada por Haug (1993) [13], para el compostaje de biosólidos:

),c4,Gg m 11 b �o�+�.�.c+�Îg�.��,r

Ecuación 53

Donde:

V: Contenido de humedad de los RSOD (adim.)

127

Efecto de la concentración del oxígeno en el reactor, ecuación del tipo Monod, presentada

por [13].

)+cG,g m µG:HG2µG:HG2 b 2

Ecuación 54

Donde:

µG:HG2: Porcentaje de oxígeno en el volumen de aire de salida del

reactor (%). µG:HG2 > 6 % Para evitar que la degradación de los residuos sea

anaerobio.

Efecto de la FAS en los residuos compostados del tipo Monod, presentada por Haug (1993).

)-c)��g m 11 b �o�,-.��Ï·ÈIÂ-..Ð.Ïr Ecuación 55

Donde:

)��: Espacio de aire libre

A 3.3. COMPORTAMIENTO DE LA POBLACIÓN MICROBIANA EN EL TIEMPO

Ecuación de Monod [3]

$l$¦ m Ñ¶ sf $�$¦t f Æ°l m Ñ¶ sf Æ¶�l8Â b �t f Æ°l

Ecuación 56

Donde:

aÂ

a®: Razón de utilización del sustrato (masa/volumen tiempo)

aÒ

a®: Razón de crecimiento de microbios (masa/volumen tiempo)

l: Concentración de la masa microbiana (masa/volumen)

8¶: Coeficiente de utilización máxima, máxima razón de utilización del

substrato a alta concentración de substrato (masa del substrato/masa

de microorganismos por día)

8; : Coeficiente de velocidad media, masa/volumen

128

8° : Coeficiente de respiración endógena, tiempo-1 o masa de

respiración microbiana/masa de microbios por el tiempo. Ñ¶: Coeficiente de crecimiento de campo, (masa de microbios / masa

del substrato)

Razón de crecimiento específico (Ó) [3].

Ó m $l$¦l m Ñ¶ sf Æ¶�8Â b �t f Æ°

Ecuación 57

Donde:

Ó: Razón de crecimiento específico

A 3.4. CAMBIO DE LA HUMEDAD CON RESPECTO AL TIEMPO

Comportamiento de la humedad del material compostado [19]

$? $¦ m º'o4;cR'g f 4;cRMgr f dÔ�¡/ÂÌJ $c�µÅg$¦ `a µN

Ecuación 58

Donde:

a�Õa® : Razón de cambio de la humedad (masa de agua/masa de aire

seco por el tiempo ó kg H2O/kg de aire seco día) º': Flujo de aire seco (kg de aire seco/dia) 4;cR'g: Contenido de humedad en el aire a temperatura ambiente (kg

de agua /kg de aire seco) 4;cRMg: Contenido de humedad en el aire a la temperatura de salida

del reactor (kg de agua /kg de aire seco). dÔ�¡/ÂÌJ : Cantidad de agua generada por cada cantidad de SVB

degradada en un tiempo determinado (kg H2O/kg de SVB). `a : Densidad de los RSOD compostados en peso seco (kg/m3). µN: Volumen de trabajo del reactor (m3).

129

A 3.5. CAMBIO DEL CONTENIDO DE OXÍGENO CON RESPECTO AL TIEMPO

Comportamiento de la concentración de oxígeno en el material compostado [19].

$l¡�$¦ m º'Çl¡�,' f l¡�,°B"aË f d¡�/ÂÌJ $c�µÅg$¦ µN¾`'cRg

Ecuación 59

Donde:

l¡�: Es la concentración de oxígeno (kg O2/kg de aire seco) º': Flujo de aires seco (kg de aires seco/día) 4;cR'g: Contenido de humedad en el aire a temperatura ambiente (kg

de agua /kg de aire seco) l¡�,': Concentración de oxígeno en el aire(kg O2/kg de aire seco) l¡�,': Concentración de oxígeno en el aire que sale del reactor (kg

O2/kg de aire seco). ¾: Porosidad del material compostado (kg O2/kg de aire seco) d¡�/ÂÌJ : Cantidad de oxígeno consumido por la degradación de los

SVB (kg O2/kg de SVB). `'cRg: Densidad del aire seco a la temperatura de salida del

compostador (kg/m3). µN: Volumen de trabajo del reactor (m3).

A 3.6. BALANCE TÉRMICO

Modelo del balance de calor generalizado (utilizado por van Lier et al., 1994; Stombaugh and

Nokes, 1996; Das and Keneer, 1997; VanderGheynst et al, 1997; Mohee et al., 1998;

Haggings and Walker, 2001, Citados por [19]).

$R$¦ m º4" f $c�µÅg$¦ 4M f º4Ê f Ö�cR f R'g>#

Ecuación 60

Donde:

T: Temperatura del material compostado (°C) R': Temperatura del ambiente (°C)

130

º: Razón de flujo del aire (kg/s)

4": Entalpia del aire de entrada (kJ/kg)

4�: Entalpia del aire de salida (kJ/kg)

4M: Calor de combustión del substrato (kJ/kg)

�µÅ: Masa de los sólidos volátiles biodegradables (kg)

Ö: Coeficiente de transferencia de calor total (kW/m2 °C)

�: Área de la superficie del reactor (m2)

131

ANEXOS 4. ARTÍCULO PUBLICADO

ARTÍCULO ACEPTADO PARA EL VII CONGRESO INTERNACIONA L EN

INNOVACIÓN Y DESARROLLO TECNOLÓGICO.

CIINDET 2009

VII Congreso Internacional en Innovación y Desarrollo T ecnológico, 7 al 9 de octubre de 2009, Cuernavaca, Morelos., M éxico.

132

Diseño, construcción y prueba de un prototipo automático para compostaje

R. Longoria Ramírez, J. Torres Sandoval y J. L. González R. Sandoval, del CENIDET

Resumen:

En este trabajo se presenta el diseño, la construcción y algunos resultados de la prueba de funcionamiento realizada a un prototipo automático para preparar composta. El prototipo realiza el compostaje de los residuos sólidos orgánicos de manera automática, su diseño basado en las necesidades de tratamiento de los residuos generados en los hogares y a los requerimientos del proceso de compostaje para efectuarlo de manera adecuada. Este dispositivo tiene la capacidad de procesar 3 kg diarios de residuos sólidos orgánicos. Los residuos introducidos al prototipo permanecen en el compostador por un tiempo de 30 días, período en el cual se transforman en composta. El control del prototipo se realiza con un microcontrolador y sus funciones monitorear la temperatura y disminuirla cuando rebasa los 65°C, airear los residuos frecuentemente, mezclar el material para uniformizar la descomposición y el movimiento desde la alimentación hasta la salida del dispositivo, para tener un procesamiento continuo de los residuos. El resultado de la prueba de compostaje fue obtener composta de color pardo obscuro, sin malos olores, con temperaturas al final del proceso cercanas a la ambiente, indicadores que suponen una composta biológicamente estable.

Palabras clave : composta, prototipo automatizado, residuos sólidos orgánicos.

Abstract:

In this work we present the design, construction and some functioning test results of an automatic prototype to prepare compost. The prototype fulfils the compost process of the solid organic residues in an automatic manner, its design is based on the treatment needs of domestic residues generated at home and, on the requirements of the compost process itself to be carried out in a suitable way. This device has capacity to process 3 kg per day of solid organic residues. The residues introduced to the prototype remain inside for a period of 30 days, time in which they are transformed into compost. The control of the prototype is achieved with a microcontroller and its functions are to keep the temperature at levels <65°C, to provide the needed air for the residues aerobic decomposition, to mix the material, in order to get its uniform decomposition, and to move de material from the entrance up to the exit of the device. The objective of the compost process was to obtain a dun obscure material, without smells, at room temperature; all of these conditions were indicators of a stable compost.

Keywords : compost, automatic prototype, solid organic residues.

Introducción

México, al igual que otros países, enfrenta grandes retos en el manejo integral de sus residuos sólidos municipales. De acuerdo a la Secretaría del Medio Ambiente y Recursos Naturales (SEMARNAT), la generación nacional estimada en el año 2000 de residuos sólidos municipales (RSM) fue de 84,200 toneladas diarias, de las cuales el 50 % fueron dispuestas

_______________________________________________

J. Torres Sandoval, e-mail:[email protected].

Dr. R. Longoria Ramírez J., e-mail: [email protected]

L. González R. Sandoval, e-mail: [email protected]

CENIDET, Avenida Palmira y Apatzingán s/n, Colonia Palmira,

C.P. 62 490, Cuernavaca, Morelos, México.

CIINDET 2009


133

en tiraderos a cielo abierto sin recibir tratamiento, lo que generó fuertes problemas de contaminación [1]. Para el año 2000, en México la cantidad promedio de residuos sólidos generados por persona fue de 1 kg [1]. La composición de los RSM es de origen orgánico en un 52 %, generándose el 70 % de los RSM en los hogares, de acuerdo a estudios realizados por la Organización para la Cooperación y Desarrollo Económico (OCDE) en México en el año 2001[2]. De acuerdo a información de la SEMARNAT, entre los residuos sólidos orgánicos domésticos (RSOD) más comunes se encuentran los de comida y jardinería que ocupan el 45 % del total de los RSM [1]. De acuerdo a lo anterior se tienen problemas muy fuertes de contaminación. Esto sirvió como justificación para plantear el diseño de un dispositivo compostador que pudiera procesar los residuos sólidos orgánicos generados diariamente en los hogares, que para familias típicas de cinco integrantes quienes generan alrededor de 3 kg diarios. Algunas de las ventajas del dispositivo son: que utiliza la técnica del compostaje aerobio que es una de las técnicas más recomendadas para el tratamiento de los residuos sólidos orgánicos [2] y que permite aprovechar el producto final obtenido (composta) como enmienda para el mejoramiento del suelo o como material para las plantas; otra ventaja es que se evita la contaminación y fauna nociva por la descomposición de los residuos, además de disminuir los gastos de transporte de los RSOD ya que son tratados en el lugar donde se generan. Actualmente en México se comercializan dispositivos compostadores que requieren de la intervención del usuario, para lograr un proceso de compostaje adecuado o en caso contrario se crean problemas de malos olores, descomposición inadecuada de los residuos, contaminación del medio ambiente o del suelo debido a la baja calidad del producto final obtenido (composta). El compostaje es definido como un proceso bioquímico de descomposición aerobia de los

residuos sólidos orgánicos, donde participan microorganismos que transforman la materia orgánica heterogénea en un producto homogéneo y estable [28]. El proceso de compostaje puede ser dividido en tres etapas diferenciadas según la temperatura del material en el proceso: la etapa mesófila inicial que tiene una duración aproximada de 2 a 3 días, donde la temperatura sigue un comportamiento ascendente que inicia con la temperatura ambiente hasta alcanzar los 40 °C; la etapa termófila con duración variable, en ella la temperatura se incrementa de 40 ºC pudiendo alcanzar los 75ºC; la etapa mesófila final o de maduración con duración variable, donde la temperatura desciende de los 40°C hasta alcanzar la temperatura ambiente. En esta última etapa se alcanza la estabilidad biológica del material y se da por terminado el proceso [28]. La forma en la cual se desarrolla el proceso de compostaje depende de diferentes variables tanto físicas como químicas; las variables físicas principales son: el tamaño de partícula, el espacio poroso o huecos entre el material, dimensiones del sistema de compostaje, aireación, temperatura y humedad del material; las variables químicas son la relación carbono-nitrógeno, el contenido de oxígeno y la acidez o alcalinidad del medio (pH) [4]. Los valores deseados de las variables físicas y químicas, que permiten el compostaje aerobio adecuado se presentan en la Tabla 1.

Tabla 1. Variables de control en el prototipo [4], [5]. Factor Recomendado Tamaño de partícula 1 a 2 cm Temperatura en la etapa termófila

40 a 65°C

Humedad del material 40 al 60 % Oxígeno 15 a 21% en el aire Relación C:N 30:1 pH 5.5 a 8.5

CIINDET 2009


134

Materiales y método

El diseño del prototipo se plantea para el tratamiento los residuos de origen vegetal principalmente. Sin embargo será posible tratar residuos de origen animal, aunque esto no se recomienda, debido a que se pueden presentar microorganismos de difícil eliminación y ser peligrosos para la salud humana o animal. Otro de los requerimientos del prototipo, es que los residuos a tratar deben ser fraccionados en tamaños menores a los 5 cm, siendo preferente fracciones de 1 a 2 cm. Al compostar los residuos sólidos orgánicos en el prototipo, se tiene un flujo de los residuos que inicia con la introducción del material a la cámara de compostaje a través de la puerta de alimentación, quedando sobre la primera banda (sección uno). La banda se desplazara 133 mm por día permitiendo que el material permanezca por un periodo de 7.5 días antes de caer a la segunda banda, en este tiempo se espera se efectúen las dos primeras etapas del proceso de compostaje, la etapa mesófila y termófila. La primera flecha con aspas ubicada al final de la primera banda permite desmenuzar y facilitar la caída del material a la siguiente banda (Figura 2). La segunda banda de la cámara de compostaje recibirá el material que cae de la primera banda y lo transporta 95 mm por día, lo que permitirá mantener los residuos por un periodo de 10.5 días antes de caer a la tercera banda. La flecha con aspas ubicada al final de la segunda banda realiza la misma función que la anterior. Los residuos que caen a la tercera banda son transportados a 83 mm por día permitiendo que el material permanezca durante 12 días antes de caer al recipiente recolector, al final de la banda también se cuenta con una tercera flecha con aspas que realiza la misma función que la primera. El material que cae de la tercera banda es recibido por un recipiente de recolector en el cual se almacena el producto final del proceso y cuenta con la capacidad para recibir el material procesado durante siete días. En total el proceso de compostaje tendrá una duración de 30 días.

Figura 1. Flujo del material atreves de la cámara de compostaje.

Diseño del prototipo

El prototipo diseñado cuenta con diferentes partes que son: (1) puerta de alimentación, (2) cámara de compostaje (con tres secciones), (3) Bandas transportadoras (Tres bandas), (4) Flecha con aspas que mueven y mezclan los residuos (tres flechas), (5) Extractor, (6) Compuertas de apertura para la entrada de aire (tres entradas de aire), (7) Recipiente recolector, (8) Soporte o chasis, (9) Motor y sistema de transmisión, (10) Placa recolectora de líquidos lixiviados. En la Figura 1 se muestra un dibujo del prototipo, en el cual se observa el interior de la cámara de compostaje.

Figura 2. Partes del prototipo.

El motor a seleccionar debe ser de baja velocidad y se escogió el sistema de transmisión por cadenas para permitir un buen control y precisión en el desplazamiento de las bandas y

CIINDET 2009


135

evitar el deslizamiento. Además permitirá accionar con mayor eficiencia las flechas con aspas y los rodillos de las bandas. El extractor y las compuertas con las que cuenta el dispositivo permiten disminuir la temperatura elevada (>65°C), y airear el material frecuentemente tratando de suministrar el oxígeno necesario para la descomposición aerobia y extraer el exceso de humedad de los RSOD (considerando que la humedad máxima aceptada es de 60 %). Diseño detallado

En el diseño se realizaron los cálculos para dimensionar la cámara de compostaje en sus tres secciones, el recipiente recolector, las flechas, así como los cálculos para la selección del motor, sistema de transmisión y los rodamientos. Las dimensiones de la cámara de compostaje dependen de las dimensiones de cada sección, limitadas por las bandas. El cálculo se realiza considerando la densidad de los residuos, a la cantidad de material que estará sobre cada banda, y a las pérdidas durante el proceso de compostaje, de acuerdo a lo mostrado en la Tabla 2. Las dimensiones del recipiente recolector se determinan considerando también los datos presentados en la Tabla 1.

Tabla 2. Proporción de los residuos alimentados al compostador.

Residuos Densidad (kg/m3)

Cantidad del material* (kg)

Pérdida de masa** (%)

Sección 1 200 22.5 0 Sección 2 300 31.5 22 Sección 3 400 36.0 47 Recipiente recolector

700 21.0 62

*Corresponde a la cantidad de material almacenado por los

días que mantendrá a los residuos, considerando que por

cada día recibirá 3 kg. **Estos valores fueron determinados al

realizar pruebas de compostaje.

Algunos datos tomados para el dimensionamiento de la cámara de compostaje,

se consideraron con base a los anchos de las bandas comerciales, para las cuales se seleccionó de 500 mm, además se definió una longitud de la banda de 1000 mm, por ello solo fue necesario determinar la altura la cual se determina con la ecuación 1. El recipiente recolector debe poderse fijar en las paredes de la cámara de compostaje y tener un ancho similar al espacio que hay entre la banda al final de su recorrido y la pared de la cámara de compostaje, por ello se selecciona una longitud de 500 mm y ancho de 200 mm y su altura se determina con la ecuación 1. 5 m >/:�`

(1)

Donde 5 es la altura de la sección o del recipiente de recolección (m), � es el ancho de la banda o del recipiente de recolección (m), : la longitud de la banda o del recipiente de recolección (m) y ` la densidad de los residuos, ver Tabla 1 (kg/m3). Las dimensiones generales del prototipo final son una longitud de 1.3m, ancho de 0.71m y una altura de 1.2m. Para la selección del motor se determinó la potencia requerida en el prototipo, que considera la potencia necesaria para mover las bandas y las flechas con aspas a plena carga, además de las pérdidas en el sistema de transmisión, para lo cual se utiliza la ecuación 2 [7].

H m x H "_"v-"w+ b x H'"_"v-

"w+

(2)

Donde P es la potencia total requerida para mover cada una de las flechas del sistema de transmisión (considera a las flechas o rodillos que accionan a las bandas, las flechas con aspas y las pérdidas de potencia por fricción), H es la potencia requerida para mover la banda correspondiente (W), H' es la potencia requerida para mover la flecha con aspas correspondiente (W), _ es la eficiencia de transmisión por

CIINDET 2009


136

cadenas, se toma de 0.9, (adim.), E es el número de transmisiones por cadenas que van desde el motor hasta la flecha o el rodillo considerado, ver Figura 3 (adim.), { indica la flecha o banda que se ésta considerando. Para determinar la potencia a vencer para mover una banda se utiliza la ecuación 3 [8]. H m ) U m ) πnD/60

(3)

Donde H es la potencia requerida para mover la banda a plena carga (W), ) es la fuerza de tensión de la banda (N), U es la velocidad de desplazamiento de la banda (m/s), E es la frecuencia de rotación del rodillo que mueve la banda (rpm) y D es el diámetro del rodillo (m). El cálculo de la tensión de la banda se determina por la ecuación 4[8]. ) m 89:<ocLM b LN+ b L gY;b cLN, b L gYNr y LMH

(4)

Donde 89 es el coeficiente de resistencia local en los puntos de viraje (adim.), :< es la longitud en la proyección horizontal de la banda (m), LM es el peso lineal del material transportado (N/m), LN+ es el peso de las partes móviles de los rodillos en el ramal con carga (N/m), LN, es el peso de las partes móviles de los rodillos en el ramal sin carga (N/m), L es el peso de la banda (N/m), Y; es el coeficiente de resistencia al movimiento del ramal superior de la banda (adim.), YM es el coeficiente de resistencia al movimiento del ramal inferior de la banda (adim.). Los coeficientes se escogen de acuerdo a las condiciones de trabajo de la banda y los pesos a excepción del peso del material transportado, estos son indicados por el fabricante. Para nuestro caso LM corresponde al material que transporta la banda. La determinación de la potencia requerida para mover la flecha con aspas se utiliza la ecuación 5.

H' m π)N¶:'E'/30 (5)

Donde H' es la potencia requerida para mover la flecha con aspas (W), )N¶ es la fuerza de resistencia que oponen los residuos compostados al movimiento de la flecha con aspas (N), :' es la longitud del aspa (m) y E' es la frecuencia de rotación de la flecha con aspas (rpm). Finalmente el motor seleccionado tiene una potencia de 1/8HP (93.25W), la flecha gira con una frecuencia de rotación de 6 rpm y la alimentación es con corriente alterna de 110 a 120V. Las flechas de las bandas y las flechas con aspas fueron analizadas de acuerdo a las cargas que actúan sobre ellas y se determinaron las secciones criticas en cada una, con lo cual se obtuvo el diámetro de la sección transversal de estas secciones, utilizando la ecuación 6 [6].

$ m �32F012 �MB, b MC, b TST/,� πSQ�

(6)

Donde d es el diámetro de la sección transversal de la flecha (m), F012 es el factor de seguridad (adim.), MB, MC son los momentos de flexión en la dirección x y y respectivamente (Nm), TST/ es el par en la sección crítica (Nm) y SQ es la resistencia de fluencia del material (MPa). Para la selección de los rodamientos se utilizó la ecuación 7, de acuerdo a la duración deseada de los rodamientos [6]. Lh m 10�60n � C0.6F/ b 0.5F(�-

(7)

Donde )' es la fuerza axial sobre el rodamiento (N), )N es la fuerza radial en el rodamiento (N), :< es la duración del rodamiento (h), ! es la carga estática (N) y E es la frecuencia de rotación de la flecha (rpm).

CIINDET 2009


137

Figura 3. Vista frontal del prototipo.

Diseño del sistema electrónico y de control

Para este sistema se utilizó un microcontrolador PIC16F84 y dos sensores de temperatura DS1624, un reloj de tiempo real DS1307 utilizando la comunicación serial I2C, ver Figura 4. El microcontrolador fue programado en lenguaje ensamblador para monitorear la temperatura al interior de la cámara de compostaje. La temperatura es medida con el sensor DS1624 y con un extractor que se enciende automáticamente cuando la temperatura del material compostado rebasa los 65°C y se apaga cuando baja de los 60°C (temperatura óptima para el proceso de compostaje). El microcontrolador también activa el motor que mueve las bandas y aspas para que estas realicen su función, además de accionar el extractor frecuentemente para airear el material compostado y tratar de cubrir las necesidades de oxígeno. Otra de las funciones del microcontrolador, es monitorear la temperatura ambiente y la temperatura de los residuos mostrándolas en una pantalla de cristal líquido, para que el usuario pueda comprobar que el proceso de compostaje se esté realizando de manera adecuada.

Figura 4. Diagrama de bloques del sistema de control.

Construcción

La cámara de compostaje se construyó de madera a la cual se le aplicó una capa de impermeabilizante, las bandas seleccionadas fueron de material de poliuretano anti derrapante, el material seleccionado para flechas y ejes fue de acero 1018(CR) al cual se le dio un tratamiento de pintura, para el caso de las aspas se construyeron con lámina galvanizada al igual que el recipiente recolector, los rodamientos seleccionados fueron del tipo SKF YAT 204-012 fijados en un soporte de fundición ovalada (FYT 504U) con prisioneros, la transmisión seleccionada fue por cadenas con paso 40, para el soporte y piezas que no tenían contacto con la humedad o los residuos se utilizó acero estructural para su construcción. Prueba de funcionamiento

La prueba de funcionamiento del prototipo fue realizada en un periodo de dos meses, donde diariamente se introducían 3 kg de residuos en las proporciones que se indican en la Tabla 3. La primera porción de material que se introdujo a la cámara de compostaje, fue mezclada con composta madura para inocular los microorganismos que iniciaran la descomposición de la mezcla. Los residuos introducidos a la cámara de compostaje fueron fraccionados en tamaños de 1 a 3 centímetros y mezclados uniformemente.

CIINDET 2009


138

Con la mezcla se tiene una relación teórica de C:N de 32.9, que es un factor importante en el proceso de compostaje. El material fue aireado por un periodo de 5 minutos con el fin de suministrar el oxígeno requerido para la descomposición aerobia de los residuos. El motor se mantiene por dos minutos en operación (tiempo en el cual se alcanza el desplazamiento deseado de las bandas) diariamente.

Tabla 3. Proporción de los residuos alimentados al compostador.

Residuos Proporción en la mezcla (%) Residuos de granos 10

Residuos de frutas 30

Residuos de verduras 30

Recortes de pastos 10

Residuos de hojas 15

Recortes de hierbas 5

Las variables medidas en la prueba son la temperatura en diferentes puntos del compostador, humedad relativa a la entrada y salida del dispositivo, el peso y la humedad del material que llega al recipiente de recolección. También, se hicieron observaciones del funcionamiento del prototipo. Resultados y Discusión de Resultados

Durante la prueba de funcionamiento se tomaron medidas de temperatura en diferentes puntos de la cámara de compostaje que son representativas del material en las diferentes etapas del proceso o días de haber sido introducidos al prototipo utilizando un termopar tipo K. En la gráfica de la Figura 5, se presenta la temperatura promedio de las mediciones realizadas durante un mes con respecto al tiempo de avance del proceso. Las temperaturas que fueron consideradas se tomaron cuando el prototipo estaba con material en cada una de las secciones de la cámara de compostaje. El comportamiento de la temperatura del material al interior de la cámara de compostaje permite

distinguir las tres etapas del proceso de compostaje. La primera de ellas, etapa mesófila inicial (temperatura <40°C), comienza con la introducción de la mezcla de RSOD a la cámara de compostaje y termina entre los dos y tres días, el fin de esta etapa marca el principio de la segunda etapa, etapa termófila (temperatura > 40 °C), la cual finaliza entre los 6 y 7 días de haberse introducido el material a la cámara de compostaje, la temperatura máxima alcanzada en esta etapa fue de 53°C. Las etapas mesófila inicial y termófila se generan en la primera sección de la cámara de compostaje (banda uno) y en ella se inicia la tercera etapa, etapa mesófila final (temperatura <40°C), que principia con el término de la etapa termófila y continúa en las siguientes secciones (banda dos y tres) de la cámara de compostaje. La composta obtenida al final del proceso fue de 1.7 kg, el cual al deshidratarse en un horno de secado quedo con una masa de 407g de composta de materia seca. Por lo que la humedad de la composta al salir del dispositivo fue de 76 %. La apariencia del producto es pardo obscuro, sin malos olores, el cual al secarse al sol resulta en un material fácilmente triturable y listo para ser empacado o usado. Algunos de los problemas observados durante la prueba de funcionamiento fueron algunos atascamientos del material en el prototipo y la excesiva humedad con la cual salía al terminar el proceso de compostaje. El problema de la humedad excesiva, fue debida a que los líquidos lixiviados pasaban a través de las bandas uno y dos (las bandas presentan perforaciones) y caen sobre el material de la tercera banda el cual absorbió la humedad y por su menor espacio poroso no permitió que la humedad escapara llegando hasta el recipiente de recolección.

CIINDET 2009


139

Figura 5. Gráfica de la temperatura de los RSOD compostados en

el prototipo con respecto al tiempo de iniciado el proceso.

Conclusiones y recomendaciones

Para que el proceso de compostaje se realice adecuadamente debe cumplirse con los requerimientos de los factores químicos y físicos presentados en la Tabla 1. Al introducirse los residuos por primera vez al prototipo, deben mezclarse con algún iniciador para inocular los microorganismos encargados de la degradación del material, para provocar el inicio del proceso de compostaje. Si al introducir el material a la cámara de compostaje se compacta provocará el atascamiento de las bandas. El material obtenido al final del proceso de compostaje en el dispositivo, presenta características que permiten decir que se trata de un material estable. Para disminuir el exceso de humedad de la composta al final del proceso es necesario colocar un dispositivo que capte los líquidos lixiviados y los transporte fuera del compostador, o incrementar el tiempo de aeración. La alimentación del compostador debe realizarse diariamente, para evitar que la temperatura al interior de la cámara de compostaje descienda, provocando que el material no tenga una buena descomposición e higienización debida a las bajas temperaturas.

Referencias

[1] Secretaría del Medio Ambiente y Recursos Naturales, 2001. Guía para la gestión integral de los residuos sólidos municipales. Subsecretaría de Gestión para la Protección Ambiental-SEMARNAT Av. Revolución No. 1425, Col. Tlacopac, Deleg. Álvaro Obregón, C.P. 01040, México, D.F.

[2] Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI) 2002. Estadísticas a propósito del día mundial del medio ambiente, bases conceptuales y procedimientos. Organización Panamericana de la Salud. (http://www.inegi.gob.mx; http://www.consumosustentable.org/4_5.htm).

[3] Organización Mundial de la salud, 2002. Evaluación regional de los servicios de manejo de residuos sólidos municipales. Organización panamericana de la salud, Informe analítico de México / evaluación 2002.

[4] Cornell, composting. The Science and Engineering of Composting http://www.css.cornell.edu/compost/science.html.

[5] Kiyohiko Nakasaki, Makoto Shoda, and Hiroshi Kubota, 1985. Effect of Temperature on Composting of Sewage Sludge. Research Laboratory of Resources Utilization, Tokyo Institute of Technology, Nagatsuta, Midori-ku, Yokohama, Japan.

[6] Richard G. Bundynas y J. Keith Nisbett 2008. Diseño en ingeniería mecánica . McGrawHill/Interamenricana S.A. de C. V. octava edidición. México D. F.

[7] Silveiras Juan A R., 1998. “Teoría y cálculo de máquinas agrícolas”. Primera edición. Ed. Pueblo y educación. La Habana Cuba.

[8] Villaseñor Perea C. Alberto, 1994. Maquinas de transporte y elevación en procesos agroindustriales. Universidad Autónoma Chapingo, Chapingo, México.

CIINDET 2009


140

Dr. Rigoberto Longoria Ramírez Ingeniero Químico por la Universidad Autónoma de Nuevo León. Obtuvo su doctorado en el Reino Unido sobre estudios de reacciones químicas en la atmósfera. Ha trabajado en el Grupo Alfa de Monterrey, el Instituto de Investigaciones Eléctricas y en el Centro de Ciencias de la Atmósfera de la UNAM. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores. José Luis González Rubio Sandoval Ingeniero Mecánico egresado del Instituto Politécnico Nacional en 1976. Obtuvo el grado de Maestro en Ciencias en el Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico CENIDET en 1994. Ha sido profesor de los programas de posgrado de Mecatrónica del CENIDET desde su inicio en 2000. Julio Torres Sandoval Ingeniero Mecánico Agrícola egresado de la Universidad Autónoma Chapingo en 1998. Investigador del Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias de 1999 al 2006. Estudiante de Maestría del Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CENIDET) del 2006 a la fecha.

53 julio torres sandoval

Documents