Los residuos sólidos urbanos (RSU, en inglés Municipal Solid Waste, MSW) es un tipo de contaminación muy heterogéneo en composición (madera, tela, plástico, metal, restos de alimentos, papel, etc.) muy concentrada en su producción (los grandes núcleos urbanos producen más RSU que los puebles pequeños) y a la que contribuimos todos de forma significativa. La composición de los RSU varía históricamente, estacionalmente y según el nivel económico del núcleo urbano que los produce.

Las soluciones para el tratamiento de los RSU son variadas: (1º) La más clásica es el vertedero en el que no se selecciona el material. Este procedimiento ha venido siendo poco costosos económicamente aunque no ecológicamente. Actualmente plantea dos problemas: (a) no existe seguridad de que no se produzcan filtraciones del material vertido a las aguas subterráneas; y (b) es muy difícil encontrar nuevos emplazamientos para los vertederos cerca de los núcleos urbanos, lo que incrementa el coste del vertido. La tendencia actual es hacia la reducción del número y la capacidad total de los vertederos; aunque seguirán existiendo como vertederos selectivos para el material biológicamente inactivo que no sea recuperable mediante reciclaje o compostaje. (2º) Incineración que presenta problemas económicos (las instalaciones son muy costosas) y ecológicos (problemas relacionados con la seguridad y toxicidad de los humos y cenizas). Sin embargo, la incineración permite una gran reducción del volumen (85%) y del peso (75%) del material destinado a los vertederos. (3º) Reciclado y compostaje. El reciclado consiste en la de restos de papel, metal o cristal en materias primas para nuevos productos en los que no cambia el material (el papel se convierte en nuevo papel). Compostaje es el proceso en el que los residuos no reciclables pero biodegradables se convierten por un proceso microbiológico en residuos orgánicos estables con menos peso y volumen, inocuos desde el punto de vista sanitario, fácilmente transportables y almacenables y útiles como aditivos en el tratamiento de suelos.

En los países más avanzados el tratamiento de los RSU comprende dos etapas: (1ª) la incentivación para la reducción del volumen e impacto ambiental de los productos iniciales (reducción de los envoltorios, substitución por materiales biodegradables, utilización de productos concentrados que requieren menos volumen para empaquetar, utilización de pilas de carbono-zinc menos contaminantes, etc.); y, (2ª), el tratamiento por reciclaje y compostaje de aquél material susceptible preferentemente a su incineración o vertido, siendo considerados estos dos últimos como métodos viables complementarios de los primeros dependiendo de cada caso particular.

Para un tratamiento correcto de los RSU es necesaria su clasificación por los consumidores (que son sus principales generadores) mediante la separación de los residuos siguiendo una de dos estrategias alternativas: (1º) históricamente se ha prestado más atención al reciclado por lo que la separación de los residuos en dos fracciones se hacía en reciclable/no reciclable más compostable. (2º) Alternativamente se puede hacer la clasificación en base al compostaje en dos fracciones: compostable/no compostable más reciclable. Esta última alternativa permite un compostaje más permite obtener un compost de más calidad que en el caso anterior puesto que la separación de los residuos no compostables se realiza por el consumidor y, por lo tanto, se realiza en el origen. La separación del material reciclable del no reciclable, en este caso, se hace en la factoría de tratamiento de los RSU.

La factoría de tratamiento de los RSU ha de realizar en cualquiera de los dos casos, una clasificación final de los residuos, y un tratamiento inicial previo al compostaje que suele consistir en la disgregación y fractura del material en trozos pequeños y en humedecerlo para que tenga la cantidad de agua adecuada para el proceso microbiológico.

2.1.- Definición.

El compostaje es un proceso de fermentación sólida espontánea basado en el aumento de la temperatura producido por la actividad de los microorganismos. El material a comportar es el medio de cultivo, la fuente de nutrientes, el inóculo, la fuente de agua y el producto final. El propio material retiene el calor producido por los microorganismos y esto causa el aumento en la temperatura del proceso. Para esto es necesario que la cantidad de material a comportar supere un mínimo crítico.

2.2.- Generación de calor durante el compostaje.

El aumento de la temperatura durante el proceso de compostaje se debe al catabolismo aerobio del material compostable por los microorganismos que forman su flora natural. Como consecuencia de este metabolismo aerobio se utilizan los carbohidratos, lípidos y proteínas del substrato como fuente de carbono y de energía por los microorganismos quimioheterotrofos; estos mutrientes son metabolizados por rutas diferentes que convergen en ciclos productores de gran cantidad de energía (ciclo de Krebs o de los ácidos tricarboxílicos) tanto directamente utilizable (una molécula de ATP por ciclo completo) como obtenible mediante la cadena transportadora de electrones (cadena respiratoria, 2 moléculas de NADH+H⁺, una de NADPH+H⁺ y una de FADH₂ por vuelta de ciclo). Parte de esta energía la disipan los microorganismos como calor, necesario para elevar la temperatura ambiental de forma que puedan funcionar metabólicamente de forma más eficiente. Cuando, debido al apilamiento de material compostable, parte del calor producido queda atrapado en el mismo material en proceso de compostaje, se produce un efecto de retroalimentación de la generación de calor.

Por consiguiente, para la generación de calor es necesario el metabolismo aerobio que permita convertir las moléculas de nucleótidos reducidos (NADH+H⁺, NADPH+H⁺ y FADH₂) en moléculas utilizables metabólicamente como unidades de energía (ATP), y esto sólo es posible mediante la cadena transportadora de electrones con el O₂ como aceptor final (cadena respiratoria). En caso de no existir suficiente oxígeno para permitir el metabolismo aerobio, los microorganismos cambian su tipo de producción de energía hacia procesos fermentativos mucho menos eficientes desde el punto de vista energético (menos producción de calor, procesos más lentos), que generan productos secundarios que, en ciertas ocasiones, pueden resultar indeseables (generación de metano, malos olores producidos por poliaminas, etc.), que no esterilizan el material (no sube la temperatura y no se produce la autoesterilización) por lo que sanitariamente el producto puede ser peligroso y que no logran la estabilización biológica total del producto (esto es: productos de fermentaciones anaerobias pueden ser utilizados como fuentes de carbono y energía por otros quimioheterotrofos posteriormente).

2.3.- Ejemplo de proceso de compostaje.

El proceso de compostaje puede ejemplificarse con el tratamiento de las hojas en producidas en otoño: al caer las hojas están cubiertas por muchos microorganismos. Por separado no muestran variaciones de temperatura como resultado del metabolismo microbiano; pero si se apilan para que contengan la temperatura, ésta sube y se produce un proceso de selección de los microorganismos: (1º) las bacterias y hongos mesófilos, mediante un proceso de retroalimentación positiva incrementan su número y la temperatura hasta que ésta se hace limitante y mueren (hacia 45ºC-55ºC); (2º) a esta temperatura los microorganismos más importantes son los termófilos que, mediante un segundo proceso de retroalimentación positiva-neutra-negativa, incrementan número y temperatura hasta alcanzar los 80ºC; (3º) a esta temperatura se produce un cierto proceso de autoesterilización del producto y la temperatura desciende progresiva e irreversiblemente. Si el material de partida está muy compactado o con mucha humedad, no se puede producir un intercambio efectivo de oxígeno y se desarrollan procesos fermentativos que retrasan o impiden el aumento de temperatura.

El proceso espontáneo de compostaje es relativamente lento debido al efecto inhibidor de la alta temperatura y a la disminución del oxígeno interno. Esto no es importante para procesos pequeños; pero es muy problemático en los procesos industriales debido al incremento del coste que supone.

2.4.-Manipulación del proceso de compostaje.

Industrialmente es necesario agilizar el proceso de compostaje para que se produzca totalmente con la máxima rapidez. Para esto hay que manipular las variables del proceso de fermentación para conseguir las condiciones óptimas para el proceso. Los aspectos manipulables del proceso son el tamaño y la forma de la pila de compostaje, la agitación mecánica del material y la ventilación del proceso. Vamos a estudiar varios casos en los que se alteran estas variables para estudiar su efecto en la velocidad del proceso.

(1) Efecto del tamaño y forma de la pila.

Como ejemplo estudiaremos con más detalle el compostaje urbano de las hojas de árboles. Este material se produce sólo durante un periodo concreto del año (dos meses en otoño) lo que permite disponer de nueve meses para su procesado y, por consiguiente, un compostaje lento. El diseño de la pila ha de hacerse en función de los requerimientos del proceso y de las condiciones ambientales: (a) al inicio es necesario una buena aireación del material para que se inicie el proceso de incremento de la temperatura evitando la anoxia; al mismo tiempo, es necesario evitar un excesivo incremento de la temperatura en esta primera etapa que conduzca a una autoesterilización del material antes de que sea biológicamente estable. Por consiguiente, esta primera pila será de dimensiones reducidas. (b) En invierno, el descenso acusado de la temperatura ambiental hace de este el factor limitante que hay que prevenir, y esto se logra combinando dos pilas de compostaje de otoño en una mayor de invierno. (c) En primavera es necesario, de nuevo, prevenir la anoxia por lo que el cultivo es agitado mecánicamente al principio de la estación permitiendo su evolución espontánea a continuación.

Este tipo de tratamiento no permite el co-compostaje de hojas con césped o con otro material putrescible o con otro ritmo de producción. El co-compostaje es factible en pequeñas instalaciones individuales; pero no en las industriales.

(2) Agitación mecánica.

Si se agita periódicamente el material conpostando para obtener un control de la temperatura y un aumento del nivel interno de oxígeno puede comprobarse que el proceso mecánico no supone una reducción de la temperatura significativa (45ºC-55ºC-79ºC a las 0, 10 y 35 horas tras la agitación) mientras que los niveles de oxígeno no se hacen limitantes durante un periodo en el que la temperatura lo es (20%, 2,5%, 10% durante el mismo periodo, indicando el último incremento el resultado de la autoesterilización del cultivo). Por consiguiente, la agitación mecánica no es un procedimiento realista de control de la temperatura durante el proceso de compostaje, y no tiene un efecto significativo sobre la disponibilidad de oxígeno.

La tabla indica la variación de la temperatura y del porcentaje de oxígeno en la masa en fermentación a diferentes tiempos (medidos en horas) después de un volteo mecánico. El aumento de la cantidad de oxígeno a las 35h se debe al proceso de autoesterilización por alta tempetratura que detiene su consumo por los microorganismos presentes en la mezcla.

(3) Ventilación.

La ventilación forzada de la pila de compostaje permite proporcionar oxígeno, eliminar CO₂ y descender la temperatura del proceso. La mayor parte del calor que se genera procede de la respiración aerobia de los microorganismos, y este calor se emplea, en su mayor parte (80%), en la vaporización del agua, de forma que es necesario mucho más aire para eliminar el calor generado que para proporcionar el O₂ necesario (relación 9:1). El calor eliminado por ventilación puede calcularse como Q_v=m(h_salida-h_entrada) donde m es el flujo de aire (masa por unidad de tiempo), h_entrada es la entalpía del aire de entrada (energía por unidad de masa de aire), h_salida la del aire de salida y Q_v la energía por unidad de tiempo eliminada. Los valores de h dependen de la humedad relativa del aire que en salida es del orden del 100%. Los valores de Q_v vienen limitados por las condiciones biológicas de los microorganismos.

3.1.- Procesos basados en el flujo libre de aire

3.1.1- Cuando la ventilación se diseña para proporcionar O₂ se hace pasar aire a través de la pila controlando el flujo con un programador de tiempo que está activo durante poco tiempo y es capaz de mover decenas de metros cúbicos de aire seco por tonelada y hora de material. En estas condiciones, para mantener una concentración de O₂ del orden del 10-15% el flujo de aire necesario (m) es demasiado pequeño para evitar que se produzca el suicidio por elevación de la temperatura de la población microbiana. Esto enlentece excesivamente la duración del compostaje.

3.1.2.- La ventilación puede diseñarse para controlar simultáneamente la temperatura (la adecuada biológicamente es del orden de 60ºC) y la oxigenación del proceso. En este caso, el regulador de la ventilación está controlado inicialmente por tiempo hasta llegar a una temperatura determinada, momento en el que la ventilación pasa a ser controlada para mantener la temperatura del proceso. En este caso, es necesario hacer frente a los picos de temperatura mediante la inoculación de una alto flujo de aire (centenares de metros cúbicos por tonelada y hora). Cuando el proceso de compostaje está completo, la temperatura comienza a descender y el control vuelve a ser temporal. Durante todo el proceso el nivel de oxígeno es alto debido a la relación 9:1 por lo que el aporte de O₂ es más que suficiente.

El mayor inconveniente de este sistema es que se produce un gradiente de temperatura muy acusado entre la parte inferior y la superior de la pila de compostaje, lo que genera diferencias en la velocidad del proceso y, finalmente, una desecación del material que puede comprometer la velocidad de crecimiento de los microorganismos. De hecho, como la humedad generada deriva únicamente del calor producido por la actividad biológica, una manera de seguir el proceso de compostaje es el seguimiento de la humedad del aire de salida.

3.2.- Procesos basados en la recirculación de aire.

El proceso denominado de «túnel holandés» se utiliza para producir compost destinado a la producción de champiñón. consiste en la construcción de pilas de 3x3x33m cerradas en salas especiales. El suelo es falso y permite que se insufle el aire desde la parte inferior del compost, este aire sale por la parte superior y es recogido en la bóveda de la cámara. El aire se hace recircular pasando bien por un compresor que lo refrigera y descarga de humedad o bien directamente a la parte inferior de la cámara; la elección de uno u otro circuito depende de la necesidad de humedad de la mezcla. Se permite la entrada de aire nuevo del exterior dependiendo de la necesidad de oxígeno para el proceso, el volumen de aire del exterior que entra es compensado por liberación al exterior de aire del circuito.

Con este sistema se puede lograr, mediante un control computerizado del proceso, que no se genere un gran gradiente de temperatura en la cámara de fermentación, lo que hace que el proceso, y el producto final, sea más homogéneo. Así mismo, permite un control muy fino de la temperatura y de la humedad. El sistema requiere menos consumo de aire ambiental y un aislamiento de una zona más pequeña que en los casos anteriores, lo que facilita la ventilación de las instalaciones y el manejo de los gases de salida.

4.- Bibliografía: