Introducción

A nivel global, entre un cuarto y un tercio de los alimentos producidos anualmente para consumo humano se pierde o se desperdicia. El desperdicio equivale a más de 1 300 millones de toneladas de alimentos anualmente. En promedio se pierde o desperdicia el 30% de los cereales, entre el 40 y el 50% de las raíces, frutas, hortalizas y semillas oleaginosas, el 20% de la carne y productos lácteos, y el 35 % de los pescados. La Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO) calcula que dichos alimentos serían suficientes para alimentar a 2 000 millones de personas (¹).

En las últimas décadas, la generación de residuos sólidos ha ido aumentando potencialmente en el mundo, incluyendo a países como Costa Rica (²). Estudios puntuales indican que la generación de residuos sólidos biodegradables es de alrededor del 44 al 52% del total de residuos sólidos generados, dependiendo del estrato social o zona del país (³). Encontrar opciones sostenibles para un manejo integral es de suma importancia para reducir el impacto ambiental negativo que la ausencia de tratamiento ocasiona, además del potencial uso como sustrato, enmienda o fertilizante en actividades agrícolas tras su compostaje (⁴).

Por tal motivo el país debe apostar a estrategias de economía circular donde en primera instancia se busque la reducción de las entradas a los procesos productivos, es decir, la reducción en la fuente, y el aprovechamiento de los residuos que se generen en los mismos, jugando la gestión integral de los residuos un papel fundamental para el éxito de la estrategia.

Respaldando lo anterior, el 13 de Julio del año 2010 se creó la Ley para la Gestión Integral de Residuos 8839 dictada por la Asamblea Legislativa de la República de Costa Rica, que indica que los entes generadores deben contar con planes para una gestión integral de residuos, misma que define la ley como “conjunto articulado e interrelacionado de acciones regulatorias, operativas, financieras, administrativas, educativas, de planificación, monitoreo y evaluación para el manejo de los residuos, desde su generación hasta la disposición final”(⁵).

Dentro de las alternativas para aprovechar los residuos biodegradables se encuentra el compostaje, que es un proceso bio-oxidativo de los residuos orgánicos en condiciones controladas de temperatura, humedad y aireación, el cual convierte los residuos orgánicos degradables en un material estable e higienizado (⁶).

Los principales parámetros para el desarrollo efectivo del compostaje son la temperatura, humedad y el pH. Respecto a la temperatura, el proceso de compostaje comprende cuatro fases, una mesófila, donde el material aumenta su temperatura a rangos de 20 a 35 C; una termófila, donde asciende de 35 a 65 C y se digieren las moléculas complejas, por lo que facilita la eliminación de microorganismos patógenos; una fase de enfriamiento y finalmente una de maduración (⁷).

En cuanto al pH en el compostaje se da en tres fases. En la inicial se observa una disminución del mismo debido a la acción de los microorganismos en la materia orgánica fácilmente degradable, lo cual produce una liberación de ácidos orgánicos; en la segunda fase se produce una alcalinización progresiva del medio, debido a la pérdida de ácidos orgánicos y a la liberación de amoniaco procedente de la descomposición de proteínas, y en la tercera, el pH tiende a la neutralidad por la formación de compuestos orgánicos del suelo (⁸).

Si durante el proceso de compostaje el pH es bajo, se inhibe la degradación orgánica, pero si el pH se mantiene por encima de 7,5 o cercano a este valor, se puede decir que hay suficiente descomposición (⁴).

La humedad, es una de las variables de compostaje que afecta de manera considerable a las actividades microbianas, ya que proporciona un medio para el transporte de nutrientes disueltos necesario para las actividades metabólicas y fisiológicas de los microorganismos (⁹). La humedad óptima para el crecimiento microbiano está entre el 50-70%. La actividad biológica decrece cuando la humedad está por debajo del 30% y por encima del 70% el agua desplaza al aire en los espacios libres existentes entre las partículas, reduciendo la transferencia de oxígeno y produciéndose una anaerobiosis. Cuando las condiciones se hacen anaerobias se originan malos olores y disminuye la velocidad del proceso (⁸).

El aprovechamiento por medio de compostaje, consiste en la utilización de sustratos con inóculos microbiales, entre ellos el Takakura y los MM (microorganismos de montaña).

El inóculo MM se deriva de sustratos recolectados en ecosistemas silvestres como hojarasca, que al colocarlos en una determinada mezcla con otros ingredientes propicia una elevada y diversa calidad nutricional. Estos medios son ideales para el establecimiento y multiplicación de las diversas especies de microorganismos colectados. El método Takakura, es una técnica de conversión de los residuos orgánicos del hogar a abono orgánico, donde se utilizan microorganismos fermentativos provenientes de cáscaras de fruta o comida fermentada (⁴).

También se pueden utilizar pellets que son cilindros de aserrín prensado, virutas o polvo de madera y que ayudan a la descomposición de los residuos, mantenimiento de una humedad adecuada, lo que repercute en la temperatura, pH relación C/N favoreciendo el accionar de los microorganismos para la descomposición (⁹).

Es necesario tomar en cuenta que todo aprovechamiento de residuos trae consigo una serie de costos sociales, económicos o ambientales; por tal razón, la economía y el ambiente son elementos mutuamente dependientes, ya que el uso de los recursos y las condiciones del entorno varían según el desarrollo económico (¹⁰).

Entre las principales ventajas que tiene la valorización de los residuos sólidos biodegradables, se encuentran la posibilidad de cerrar el ciclo de la materia orgánica en el sistema, por medio de la mineralización realizada por los microorganismos que garantizan la reincorporación al suelo, la reducción de residuos sólidos destinados a los vertederos locales lo cual se traduce en una disminución de las emisiones que conllevan la descomposición de la materia orgánica, la generación de ahorro y el decremento en los costos en los que incurre el transporte, combustión y el tratamiento de esos residuos.

Además, el producto terminado del compostaje se comporta como un potenciador de la productividad del suelo natural y la adecuada gestión integral de los residuos sólidos biodegradables, y actúa como una vía de educación ambiental para cada individuo de la sociedad.

Por tal razón, el objetivo de la presente investigación es evaluar alternativas de compostaje de los residuos sólidos biodegradables del restaurante institucional del Tecnológico de Costa Rica, con el fin de brindar una posibilidad para la valorización de los residuos sólidos biodegradables.

Metodología

La investigación se realizó en el Instituto Tecnológico de Costa Rica en la Sede Central de la Universidad, en el Cantón Central de la Provincia de Cartago, en el distrito Oriental, Barrio Los Ángeles 9°51′16″N 83°54′33″O.

Diseño del Experimento

Se utilizó un diseño experimental factorial, el cual comparó tres tratamientos denominados Takakura (TK), Microorganismos de Montaña (MM) y Pellets (P), y a cada uno de ellos se incorporó Residuos Sólidos Biodegradables (RSB) en compostera de volteo y directamente sobre una superficie limpia de concreto sobre el suelo, con dos repeticiones cada uno.

Estos tres tratamientos tuvieron el debido seguimiento del proceso de compostaje. Primero, se adicionó los RSB provenientes del restaurante institucional incorporando los insumos propios de cada tratamiento. Luego se inspeccionó el comportamiento por medio de mediciones de temperatura, pH y humedad, y por último se obtuvo el compost, cuyas características también fueron revisadas.

El cuadro 1, muestra las cantidades, días de aporte y sistema utilizado en cada repetición para las alternativas propuestas en la investigación.

Cuadro 1.  Estructura de diseño de los tratamientos de compostaje propuestos 

El experimento se desarrolló entre los meses de abril a setiembre de 2017, en los cuales se aportó RSB por 10 días a cada uno de los tratamientos y se dejó 20 días en reposo.

Preparación y adición de los RSB

Los RSB estaban conformados por una mezcla de residuos de alimentos del desayuno, almuerzo o cena, acorde a la disponibilidad. Dentro de la variedad de residuos se pueden mencionar cáscaras de frutas, hojas de hortalizas, restos de arroz, frijoles, vegetales, huesos, pan, cáscaras de huevo, entre otros.

Se trasladaron a la Escuela de Agronegocios, se trituraron hasta un diámetro de 2 milímetros y se colocaron en una malla para que drenaran y así disminuir el exceso de humedad.

Figura 1 Compostera de volteo. 

Resultados y discusión

Propuesta de mezclas para el proceso de compostaje

Tomando en cuenta investigaciones realizadas recientemente en el tema de compostaje por investigadores del TEC (³,⁴,¹⁰), criterio experto y apoyándose en bibliografía se trabajó en dos modalidades para determinar la efectividad de cada uno de los tratamientos postulados. La primera consistió en una compostera de volteo JK400 en la cual se evaluaron los sustratos Takakura, microorganismos de montaña y pellets de madera; la segunda modalidad fue el composteo en suelo con los sustratos Takakura y Microorganismos de montaña.

La selección de una modalidad u otro, va determinado por la elección que más le convenga al desarrollador, ya que ninguno de las modalidades está catalogada mejor que el resto. Se elige la que más se adecua a las cantidades y tipos de residuos que se desean compostar, al espacio que se dispone, o a las condiciones económicas (¹¹).

Por tal motivo el resultado fue la elección de tres diferentes mezclas (tratamientos) como se detalla a continuación.

El Takakura y los Microorganismos de Montaña han sido probados en varias investigaciones, donde, por ejemplo, (¹²) obtuvieron como resultado que el uso de sustratos microbiales, como TK y MM en el compostaje doméstico, reduce, estabiliza y transforma los residuos biodegradables en compost inocuo de alta calidad química, física y microbiológica.

De igual forma (¹²), señalan la calidad del proceso de compostaje y la calidad del compost obtenido por medio del sustrato Takakura presenta mejores características, en comparación con el compost del sustrato MM. Además, señalan que la utilización de TK y MM presentan comportamientos adecuados para la degradación de los residuos sólidos, con temperaturas superiores a 50 °C, una evolución de pH adecuada para este tipo de compostaje y una reducción en altura del volumen del material de compost. Además, indican que no se observaron lixiviados ni se percibieron olores desagradables, ni se tuvo presencia de insectos en los sitios de procesamiento. Igualmente, señalan que por ambos métodos se obtuvo un abono inocuo y con características apropiadas para ser utilizado en huertas caseras, se identificaron diferencias significativas entre los procesos en cuanto a las variables temperatura y altura, no así en cuanto al pH. El compostaje con el método TK alcanzó una mayor temperatura y el volumen disminuyó más que con el MM, por lo que fue más eficiente en la reducción del residuo.

También (¹⁰), en un estudio donde compararon el TK respecto al MM y otros dos tratamientos en el crecimiento del cultivo de lechuga se determinó que a pesar de que el proceso de obtención de compost por el método Takakura tiene un costo mayor que el de MM, los beneficios dados por la eficiencia técnica (tamaño y diámetro de las lechugas) y ambiental lo postulan como el mejor de los tratamientos.

Por último (⁴), al probar TK y MM, indican que para ambos tratamientos se alcanzaron temperaturas termófilas superando los 50°C, necesaria para la eliminación de patógenos, y se mantuvieron en el rango óptimo por debajo de los 70°C.

Además, señalan que el Takakura presentó el mejor comportamiento en cuanto a temperatura promedio con diferencias significativas (p=0,0002). De igual forma variables como pH, reducción del volumen de los residuos, fitotoxicidad y grado de germinación, estos últimos dos factores en pruebas del producto para su uso en huertas caseras, hacen concluir que el compost obtenido por medio de la técnica Takakura presenta mejores resultados respecto al aprovechamiento del residuo y calidad del compost.

Respecto al uso de Pellets, éste fue exclusivo para la compostera de volteo, esto por recomendación de la casa fabricante y además porque los comprimidos de madera logran una superficie de contacto adecuada para reducir la humedad a un punto óptimo y así obtener un compost de calidad. También estos comprimidos coadyuvan a la degradación de los residuos y al mantenimiento de la temperatura, son una opción efectiva, inocua, barata y estandarizada para complementarla con las composteras de volteo (¹³).

Variables evaluadas

Temperatura de los tratamientos propuestos

Las temperaturas iniciaron su aumento a partir del primer aporte de residuos sólidos alcanzando temperaturas termófilas 35 °C a °65 C (cuadro 2), en los tratamientos TK en ambas repeticiones, así como MM desde el primer día. En el caso de los Pellets a partir del cuarto día inició el ascenso hacia fase termófila 35 °C a °65 C, pero fue el tratamiento con las temperaturas más bajas en promedio, dado que solamente se obtuvieron incrementos de temperatura al agregar los RSB, pero no se logró mantener a lo largo del experimento, esto por no contar con un inóculo para el aumento de temperatura, lo que provoca que exista mayor variabilidad de los datos.

Cuadro 2 Temperaturas promedio de los tratamientos propuestos en repeticiones 1 y 2. 

Para los tratamientos en suelo (TK, MM) las temperaturas también siguieron un patrón de ascenso, mostrando temperaturas termófilas, sin embargo, las máximas alcanzadas, así como los promedios fueron menores que en compostera de volteo.

La figura 2 muestra la relación de temperaturas para cada tratamiento. El Tratamiento TK fue el que alcanzó las mayores temperaturas en volteo, seguido del MM en volteo y TK en suelo, posteriormente el tratamiento de MM suelo y por último el P. Debido a que el TK y MM contienen un inoculante en la mezcla, provoca la activación de los microorganismos al colocar los residuos sólidos, coadyuvando al alza desde el primer aporte.

Las pruebas estadísticas evidencian diferencias significativas (p=0,0001) siendo Takakura en volteo la que alcanzó mayor temperatura, superior al tratamiento con Pellets y similar al TK en suelo (figura 3).

Figura 2 Mediciones de temperaturas de los tratamientos propuestos. 

Figura 3 Temperatura de los tratamientos de compostaje de residuos de alimentos. Letras diferentes denotan diferencias significativas. 

pH

Respecto al pH, se evidencia que todos los tratamientos presentaron los valores más bajos al inicio del proceso (días 1 al 5) debido a la liberación de ácidos orgánicos, durante los días del 10 al 20 aumentan los valores por la disposición de amoniaco y en el día 24 se tiende a un pH neutro (cuadro 3), por lo que se evidencia la descomposición de los residuos sólidos biodegradables.

Cuadro 3 Mediciones de pH de los tratamientos propuestos. 

Se obtuvo un valor de p=0,5740 por lo que estadísticamente indica que no hay diferencias significativas entre las medias de cada una de los tratamientos que se plantearon (figura 4).

Figura 4 Acidez (pH) de los tratamientos de compostaje de residuos de alimentos. Letras diferentes denotan diferencias significativas. 

Humedad

La humedad en el compostaje está relacionada con el contenido de agua de los materiales originales, la actividad biológica, el contenido de oxígeno, la porosidad de los materiales y la temperatura (¹⁴).

Los microorganismos requieren de agua para asimilar nutrientes, metabolizar nuevas células, catabolizar biomoléculas y reproducirse. La humedad máxima en un proceso de compostaje dependerá de la porosidad y absorción de los materiales, sin embargo, un contenido entre 50 - 70% es recomendado como óptimo (¹⁴ y ⁸).

La humedad tiende a disminuir con el avance del proceso de compostaje, debido a la evaporación. Si la humedad baja del 40% la actividad biológica disminuye y la descomposición se vuelve lenta, debido a que los nutrientes ya no están disponibles para los microorganismos por no estar en un medio acuoso. La actividad de estos es completamente inhibida por debajo del 15% de humedad (¹⁴).

Según el cuadro 4, se nota que todos los tratamientos siguieron un comportamiento normal y se encuentran dentro de los rangos esperados para un proceso de compostaje. Las humedades en los casos del volteo para MM y TK fueron menores que en suelo, esto debido a las condiciones de temperatura que presentaron los tratamientos, favoreciendo el aumento de ésta la pérdida de humedad. El P obtuvo la máxima humedad, inclusive que los tratamientos en suelo, y esto se debió a las bajas temperaturas en promedio alcanzado por P (42°C y 39 °C), lo que denota diferencias significativas (p=0,0343) en la humedad entre MM, TK y P (figura 5).

Cuadro 4 Humedad (%) durante el proceso de compostaje. 

Figura 5 Diferencias significativas de % humedad de los tratamientos propuestos. 

Eficiencia

La determinación de la eficiencia en el proceso de compostaje fue dada porcentualmente, en la cual participan el peso inicial a los 10 días de terminado el aporte con respecto al peso del material que resultó.

% Eficiencia= 100- ((peso final del material * 100) / peso inicial del material)

El cuadro 5 presenta los porcentajes de efectividad de cada uno de los tratamientos, es decir, la capacidad de disminuir la cantidad de residuos sólidos biodegradables incorporados.

Con respecto a las pruebas realizadas la mayor eficiencia se alcanzó en volteó con TK (86,88%), seguido por el tratamiento MM y con diferencias significativas entre ambas (p<0,0001). Esto demuestra que en ambos casos el contar con un inóculo favorece la disminución del volumen de los residuos sólidos biodegradables, dadas las temperaturas termófilas alcanzadas y el porcentaje de humedad entre el 50% y 70% en los tratamientos.

Cuadro 5 Eficiencia del compost final de los tratamientos propuestos. 

pH y humedad del compost

En el cuadro 6 se observa como el pH del compost proveniente del proceso de volteo es más cercano a lo neutro, valor que sería lo ideal, aunque se debe tomar en cuenta que el rango óptimo es de 6,0 a 8,5 (¹⁵). Por tal razón, el resultado por resaltar es que los compost de volteo presentaron mejores características que los de suelo. Lo anterior también se ve reflejado en la humedad, la cual debe ser de 35 a 45% (¹⁶).

Los contenidos de humedad del compost se acercan más a lo ideal, aunque se determina una oportunidad de mejora, ya que contenidos bajos de humedad favorecen el transporte del material final, pero dificultan el manejo y la aplicación debido al polvo que se origina, por ejemplo, si este se usara como enmienda al suelo.

Cuadro 6 Resultados de pH y humedad del compost. 

Costos económicos y valoración ambiental del proceso de compostaje

Para todos los tratamientos se tomó en cuenta el costo de los materiales, la mano de obra, inversión, transporte, análisis de laboratorio, así como todas las cargas de ley respectivas. El cuadro 7 presenta el costo total por kilogramo de residuo tratado, es decir, el costo de compostar un kilogramo de residuo sólido biodegradable.

Cuadro 7 Costo por kilogramo de Residuo Sólido Biodegradable compostado. 

Básicamente, los costos de operación en compostera de volteo y suelo son los mismos, claro está, sin tomar en cuenta el valor de las composteras de volteo y de las instalaciones donde se realiza el compostaje en suelo, por ser parte de la inversión inicial.

Del cuadro 7 se desprende que el Takakura y MM son los tratamientos que representan los menores costos económicos, pero se debe tomar en cuenta que el TK a lo largo de esta investigación ha demostrado mejores resultados técnicos.

Dados los buenos resultados del TK en todas las variables analizadas, ambientalmente se estaría reduciendo el volumen de los residuos en la salida del proceso, además de generar un compost con valor productivo y de inocuidad apropiado, por lo que la estrategia de economía circular se estaría cumpliendo.

Tomando en cuenta los factores de emisión de gases efecto invernadero del Instituto Meteorológico Nacional de Costa Rica para el año 2017, con un factor de emisión de 0,0581 kg CH4/kg de residuos sólidos, si se lograra estabilizar los residuos sólidos biodegradables por medio de compostaje y tratar los 229,16 kilogramos por día que se generan en el restaurante institucional (cuadro 8), bajo un escenario de 5 días por semana y 32 semanas al año (solo periodo lectivo), se dejarían de emitir, 44, 7 toneladas de CO2 equivalente al año, por la disposición en relleno sanitario, mientras que en compostaje se emitirían 37,18 toneladas de CO2 equivalente al año.

Cuadro 8.  Generación de residuos sólidos biodegradables en el restaurante institucional. 

Fuente: (17)

Conclusiones

Una gestión adecuada de los residuos sólidos orgánicos no solo afecta positivamente a la gestión de residuos en general, sino que también contribuye a la gestión sostenible de los recursos, a la protección del suelo y ayuda a combatir el cambio climático (¹⁸). La implementación de las propuestas de compostaje de esta investigación se postula como actividades potencialmente sostenibles que contribuyen a un sistema ambiental integral dentro del Tecnológico de Costa Rica, que contribuye a la economía circular.

Las diferentes mezclas propuestas para tratar los residuos sólidos biodegradables cumplieron en general, ya que se presentó una reducción de los residuos. La mezcla TK fue la que brindó los mejores resultados en la compostera de volteo y en general los tratamientos en volteo resultaron ser mejores técnicamente, que los de suelo, ya que el sistema cerrado de las mismas permitió un mejor control de las variables analizadas. Por tal motivo las mezclas propuestas son acertadas para la valorización de los residuos sólidos biodegradables impactando positivamente en el ambiente y la economía circular.

Respecto a las variables analizadas, la temperatura se comportó según lo esperado, es decir, un aumento de la misma según se incrementaban los días de aporte de residuos sólidos hasta alcanzar temperatura termófila y luego su enfriamiento en la etapa de reposo.

Las temperaturas en volteo fueron mayores que en suelo, siendo TK (53,39°C) la que alcanzó el máximo valor promedio. Además, se presentaron diferencias significativas (p= 0,0001).

Respecto al pH, no hubo diferencias significativas entre los tratamientos (p= 0,5740) y todos estuvieron cercanos a un pH neutro al final del proceso de compostaje, lo cual es adecuado para el mismo.

Respecto a la humedad, en volteo, las bajas temperaturas del tratamiento P, hicieron que éste tuviera el valor promedio más alto respecto a esta variable (64%), pero en los casos de MM y TK dada la elevada temperatura alcanzada provocaron una humedad ideal para el proceso de compostaje, superando a los tratamientos en suelo.

El tratamiento TK y MM presentaron los menores costos por kilogramo de residuo biodegradable tratado, pero si se toman en cuenta las variables analizadas, el TK supera al MM, por lo que se convierte en una buena alternativa de valorización de residuos, ya que se logra interiorizar las externalidades al aprovechar el residuo sólido y sacarlo de la corriente de descarte (economía circular), además de ser una solución de bajo costo, eficiente y segura, lo que permite crear un ciclo integral de los residuos que se generan, el cumplimiento de la ley 8839 y evita costos en la disposición final en el relleno sanitario, además del aporte en disminución de carbono equivalente.