2.1 Métodos de descomposición de la biomasa interna

Los métodos utilizados en la descomposición de la biomasa interna se fundamentan en la técnica de compostaje, basados en función de la descomposición de los residuos orgánicos, esta es aeróbica o anaeróbica. La Unidad Administrativa Especial de Servicios Públicos (UAESP) (2010) define el compostaje como:

la intervención humana dentro del proceso natural de descomposición de la materia orgánica con una combinación de condiciones ambientales apropiadas y un tiempo adecuado. Dicho de otra manera, es un proceso bioxidativo controlado, en el que intervienen numerosos y variados microorganismos, que requiere una humedad adecuada y sustratos orgánicos heterogéneos en estado sólido, y que produce al final de los procesos de degradación, dióxido de carbono (CO₂), agua y minerales, así como una materia orgánica estabilizada, libre de fitotoxinas, dispuesta para su empleo en agricultura sin que provoque fenómenos adversos. (p.122)

La descomposición aeróbica o aerobia es el proceso que ocurre en presencia de oxígeno, el cual es realizado mediante aireaciones periódicas que aceleran el trabajo de bacterias y microorganismos aeróbicos que descomponen la materia orgánica por oxidación; los residuos generados en la descomposición aeróbica son CO₂, agua, y biomasa (^{Lugo, 1998}; ^{Román, Martínez y Pantoja 2013}). Alternativamente, en la descomposición anaeróbica, el proceso se realiza totalmente cubierto y sucede en ausencia de oxígeno, donde los microorganismos anaeróbicos son quienes descomponen la materia orgánica por reducción, y producen, en esta descomposición, CO₂, una pequeña cantidad de biomasa y un volumen considerable de gas metano (Lugo, 1998; Román et al., 2013).

2.2 Característica físico-químicas de los residuos sólidos orgánicos

Según la normativa colombiana se considera residuo sólido a:

cualquier objeto, material, sustancia o elemento principalmente sólido resultante del consumo o uso de un bien en actividades domésticas, industriales, comerciales, instituciones o de servicios, que el generador presenta para su recolección por parte de la persona prestadora del servicio público de aseo; igualmente, se considera como residuo sólido, aquel proveniente del barrido y limpieza de áreas y vías públicas, corte de césped y poda de árboles. (^{CONPES, 2016, p. 63})

Dentro de los residuos se encuentran los residuos orgánicos. Estos se clasifican según su naturaleza o característica física en residuos de alimentos, estiércol, restos vegetales, papel y cartón, cuero, plásticos biodegradables (^{Jaramillo y Zapata, 2008}); debido a las propiedades fisicoquímicas y biológicas, dichos residuos son ideales para el proceso de compostaje por la rápida descomposición (^{De la Cruz, 2008}). En las investigaciones realizadas por la UAESP (^2011a, ^2011b), se estimó la media ponderada de la composición química de residuos sólidos degradables residenciales y comerciales de pequeños grupos productores de la Ciudad de Bogotá (Cuadro 1), y se estableció que el porcentaje de humedad y el pH de la masa degradable se encuentran dentro de los rangos recomendados para el aprovechamiento de estos residuos en procesos de compostaje: la concentración de metales pesados está por debajo de los límites máximos establecido por la norma técnica colombiana NTC 5167.

Cuadro 1 Media ponderada de la composición química de masa degradable* de residuos sólidos residenciales y comerciales de pequeños productores de la ciudad de Bogotá en el año 2011 

*Masa degradable es una muestra representativa de los residuos orgánicos: alimentos, jardín, madera, textil, papel y carbón. ppm: partes por millón (g/Kg). Fuente: elaborado a partir de UAESP (2011a, 2011b).

Dentro de los residuos orgánicos se seleccionan los que se producen localmente, con base en aquellos utilizados en la elaboración de compostaje, teniendo en cuenta principalmente sus propiedades fisicoquímicas. Estas son:

3.1 Definición de las mezclas de la biomasa interna de los ladrillos no estructurales ecológicos

Para la definición de las combinaciones de la biomasa interna para la elaboración de ladrillos no estructurales ecológicos se seleccionaron los residuos sólidos orgánicos referenciados en el Cuadro 2. Luego, se estableció la relación C/N de las diferentes mezclas con base en el cálculo de proporcionalidad (^{Román et al., 2013}, pp. 53-54), obteniendo la proporción de cada residuo, la cual se convirtió en porcentaje. Para este cálculo, también se tuvo en cuenta que la relación C/N de las mezclas fuese cercana al 30:1, según lo indicado por ^{Román et al.}(2013).

Cuadro 2 Residuos orgánicos seleccionados según las mezclas de biomasa interna de los ladrillos no estructurales ecológicos 

* Residuos de alimentos no preparados

Los residuos orgánicos necesarios en las mezclas de las biomasas internas fueron acopiados en la cocina del Hogar Infantil Semillas de Mostaza, la plaza de mercado de Quirigua, un mercado fruver, asaderos de pollo y arepas, cafeterías, ubicados en la localidad de Engativá (Bogotá D.C.). De estos se tomó una muestra para evaluar las siguientes propiedades físicas:

La medición de estos parámetros se realizó con tres pedazos de cada residuo y los datos obtenidos se promediaron.

3.2 Prueba piloto

En esta prueba se prepararon las seis mezclas con la composición resultante en la definición de las combinaciones de la biomasa interna, adicionando a cada una 30 % de arena con el fin de que disminuya la pérdida de masa. Además, se reguló el contenido de humedad, alrededor del 60 %, por medio de la prueba de puño cerrado (^{Román et al., 2013}).

Las mezclas de las biomasas internas fueron dispuestas en recipientes de madera forrados en el interior con plástico, acoplando en una esquina una manguera conectada a un contenedor para la recolección de lixiviados. Los tratamientos para todas las mezclas fueron compostaje aerobio con tres repeticiones; y compostaje anaerobio, para el caso de esta investigación sin volteo, con tres repeticiones para las mezclas 1, 3, 4 y 5 y dos repeticiones para las mezclas 2 y 6.

A las mezclas en proceso de compostaje aerobio se les garantizó mayor aireación mediante volteos, tres veces por semana. Al total de las biomasas se les realizó el seguimiento y registro de los parámetros fisicoquímicos durante el proceso de descomposición como se describe a continuación:

Los datos colectados fueron analizados mediante comparación con los criterios descritos en el Cuadro 3. A los parámetros de pH y contenido de humedad se les efectuó análisis de la varianza con un intervalo de confianza del 95 %, para lo cual se utilizó Microsoft Excel.

Cuadro 3 Parámetros y condiciones a cumplir para la definición de las biomasas internas a encapsular en la carcasa de los ladrillos ecológicos no estructurales 

Fuente: elaborado a partir de INCONTEC (2004) y ^{Román et al. (2013}).

3.3 Prueba de la biomasa interna en los ladrillos ecológicos no estructurales

En esta prueba, las mezclas de biomasa interna de los resultados obtenidos de la prueba piloto fueron encapsuladas en la carcasa de los ladrillos ecológicos en tierra no estructurales; se elaboraron doce ladrillos. A los 45 días de la fabricación, para la definición de la biomasa interna final, se tomaron 3 muestras de biomasa en proceso de biodegradación, y se evaluaron los parámetros de pH, apreciación cualitativa determinados como se indicó en la prueba piloto; contenido de nitrógeno en forma de nitratos, amonio y nitritos con el KIT de suelos LAMOTTE, método factible para la medición de propiedades del suelo, y pérdida de masa. A los datos colectados de los parámetros de pH y pérdida de masa obtenidos se les estimaron el promedio y el análisis de varianza con un intervalo de confianza del 95 %.

Tres meses después de la elaboración de los ladrillos se les determinó parámetros físicos, químicos y biológicos a 2 muestras de biomasa interna final; los métodos empleados para la caracterización se mencionan en el Cuadro 4. Los resultados se analizan mediante la comparación con los indicadores de calidad sugeridos en la norma NTC 5167 y la Norma Técnica Chilena NCh 2880.

Cuadro 4 Parámetros y métodos empleados en laboratorio para la caracterización física, química y biológica de la biomasa final 

UFC: Unidad Formadora de Colonias.

4.1 Definición de las mezclas de la biomasa interna de los ladrillos no estructurales ecológicos

La composición de las seis mezclas de biomasa interna de los ladrillos se referencia en el Cuadro 5. La cantidad de los residuos depende del contenido de nitrógeno o carbono que estén contenidos en ellos, donde los alimentos no preparados, cáscara de naranja y corte de pastos son los que aportan mayor contenido de nitrógeno, de tal manera que la relación C/N sea cercana a 30:1.

Cuadro 5 Porcentaje de composición de las mezclas de biomasa interna de los ladrillos no estructurales ecológicos 

* Residuos de alimentos no preparados

La caracterización física de los residuos orgánicos urbanos se describe en el Cuadro 6. El contenido de humedad y la porosidad depende del tipo de residuo, los tallos de flores son los residuos orgánicos urbanos (RSU) empleados en la biomasa interna que presentan mayor tamaño de residuo y contenido de humedad, mientras que la ceniza es la que contiene mayor porosidad, sin humedad.

Cuadro 6 Caracterización de propiedades físicas de los residuos sólidos orgánicos urbanos utilizados en la biomasa interna final 

4.2 Seguimiento de parámetros fisicoquímicos en la prueba piloto

En el seguimiento de los parámetros fisicoquímicos en el proceso de compostaje en las 6 mezclas planteadas (Cuadro 5), al inicio de este, las mezclas 2 y 3 aerobias y anaerobias presentaron olores fuertes similares a la putrefacción; se realizó como correctivo la adición de ceniza y volteo diario de las mezclas, tres días después en la mezcla 2 desapareció el olor. Se repite dos veces más el correctivo en la mezcla 3, pero continúa la presencia del olor, sumado a la aparición y aumento de larvas de mosca, por lo cual, se descarta la mezcla 3 tanto aerobia, como anaerobia. El resto de las mezclas durante el proceso de compostaje no presentaron emisión de olores.

En relación con la generación de lixiviados, en la mezcla 6 anaerobia se presentó durante las dos primeras semanas. El resto de las mezclas no produjeron lixiviados durante todo el proceso.

La temperatura en el total de las mezclas no alcanzó el incremento ideal de la etapa termófila del proceso de compostaje. Las temperaturas máximas de las mezclas fueron: de 28 °C para las mezclas 1 y 4, de 29 °C para la mezcla 2, de 30 °C para la mezcla 5 y de 27 °C para la mezcla 6.

Durante el proceso de compostaje, en la mezcla 5 el corte de pasto, correspondiente al 40 % de la combinación, formó bolas, lo que no permitió la descomposición de este residuo. En la semana 12 los residuos orgánicos de la mezcla 2 estaban totalmente degradados; la hojarasca, tallos de flores y cascarilla de arroz en las mezclas 1, 4 y 6 no habían terminado su trasformación; esto resulta importante para la definición de la biomasa final, debido a que una de las características que se desean es que el tiempo de compostaje supere los 2 meses.

Al final del proceso de compostaje el pH es alcalino (Cuadro 7), con una certeza del 95 % la media del pH final en las mezclas 1, 2, 4, 5 y 6 se encuentran en intervalo de pH entre 8.2 y 10.6 para el compostaje anaerobio y pH entre 8.4 y 10.2 para la aerobia. Según Bueno, Díaz, y Cabrer (s. f.), si el pH se mantiene por encima de 7.5 durante el proceso de compostaje, es síntoma de una buena descomposición. La media del contenido de humedad final (CH) en todas mezclas se encuentra en el rango permitido por NTC 5167 (Cuadro 7).

Cuadro 7 Media del pH y CH de las mezclas de la biomasa interna, finalizado el proceso de compostaje durante la prueba piloto 

Con base en lo anterior, se definen las mezclas 4 y 6 para ser encapsuladas como parte integral del ladrillo ecológico no estructural, debido a que el tiempo de degradación del total de los residuos de tallos de flor y cascarilla de arroz superan los dos meses (Cuadro 3) y el pH se encuentra dentro de los valores propuestos en la NTC 5167. Además, según los resultados de la apreciación cualitativa y el lixiviado durante el proceso de compostaje cumplen con las condiciones propuestas para la definición (Cuadro 3).

4.3 Comportamiento de biomasa interna en los ladrillos ecológicos no estructurales

Durante el seguimiento de parámetros fisicoquímicos al proceso de compostaje de las biomasas internas, mezclas 4 y 6, encapsuladas como parte del ladrillo ecológico no estructural, los lixiviados y olores desagradables presentaron igual comportamiento que la prueba piloto en relación con que estaban ausentes. Además, la temperatura no alcanzó la etapa termófila: la temperatura máxima de 18.2 °C para mezcla 4 y de 17.6 °C para la mezcla 6.

A los 45 días de construidos los ladrillos ecológicos no estructurales, visualmente en las dos mezclas no se identificaron los residuos orgánicos provenientes de alimentos no preparados, la ceniza y el cuncho de café, por lo cual se afirma que presentaron proceso de descomposición. Mientras que, a los residuos de tallo de flores, corona de piña, corte de pasto y cascarilla de arroz les falta biodegradación, evidenciado por su forma y tamaño similar al adicionado, aunque perdieron el color y estaban deshidratados.

En este mismo tiempo la media del pH fue alcalina (Cuadro 8); según el análisis de varianza, con una significancia del 5 %, no hay diferencias significativas en las medias del pH entre las repeticiones de cada biomasa interna (mezclas 4 y 6), ni entre los dos tipos de biomasas internas encapsuladas en los ladrillos (Apéndice 1).

Cuadro 8 Media de parámetros físico-químicos de las biomasas internas dentro de la carcasa del ladrillo, tomados a los 45 días 

Los resultados del análisis de varianza (Apéndice 2), con una significancia del 5%, permiten determinar que no se registraron diferencias significativas en la pérdida de masa entre las repeticiones de cada biomasa interna (mezclas 4 y 6, p= 0.585), pero sí hay diferencias significativas entre las mezclas 4 y 6 de las biomasas internas encapsuladas en los ladrillos (p = 0.015), resulta menor la pérdida de masa en la mezcla 4 (Cuadro 8). Teniendo en cuenta esta última característica, se definió como biomasa interna final del ladrillo ecológico no estructural la mezcla 4, porque a menor pérdida de la masa se permite mejor estabilidad y permanencia al ladrillo ecológico.

La caracterización física, química y biológica de la biomasa interna final - mezcla 4 (BIF4) de dos muestras tomadas a los tres meses de encapsulamiento en la carcasa del ladrillo, se describe en el Cuadro 9.

Cuadro 9 Parámetros de la caracterización física, química y biológica de la biomasa interna final encapsulada durante tres meses en la carcasa del ladrillo ecológico no estructural 

Resultados en base húmeda, excepto nitrógeno total, amoniacal y nítrico, el cual es en base seca. UFC unidad formadora de colonia. NTC: norma técnica colombiana. NCh: Norma técnica chilena.

5.1 Definición de las mezclas de la biomasa interna de los ladrillos no estructurales ecológicos

A excepción de la ceniza, los residuos orgánicos urbanos (RSU) empleados en la biomasa interna final presentan contenido de humedad (CH) entre 71 al 87 %, humedad por encima de lo encontrado por UAESP (Cuadro 1), concordando con ^{García, Daza y Marmolejo (2016}) en que los CH inicial de los RSU son altos. Estos CH son similares a los reportados por ^{Torres, Perez, Escobar, Uribe e Imery (2007}) para los residuos orgánicos de la plaza mercado en la ciudad de Cali (71.3 %).

De acuerdo con lo planteado por ^{Miyatake y Iwabuchi (2006}), la humedad de la masa de compostaje debe ser tal que el agua no ocupe totalmente los poros de dicha masa, para que permita la circulación del oxígeno, debido a que el proceso debe desarrollarse en condiciones aerobias, cuando el contenido de humedad está por encima del 70 %, el agua desplaza al aire en los espacios libres existentes entre las partículas; por tal razón, los residuos orgánicos empleados en la mezcla de la biomasa interna final presentan humedad y porosidad diferentes (Cuadro 6), las cuales, al combinarse, distribuyen dichas características, aportando a las condiciones de aireación, en el proceso de compostaje, una vez se encapsule la biomasa de residuos orgánicos en la carcasa del ladrillo ecológico no estructural.

5.2 Seguimiento de parámetros fisicoquímicos en la prueba piloto

La poca descomposición del pasto en la mezcla 5 se puede atribuir a la disminución de la porosidad causada por aglutinación del pasto, que según la Alcaldía Mayor de Bogotá y Universidad Nacional de Colombia (2014) hace que el tiempo de descomposición sea más lento.

Durante el proceso de descomposición de las mezclas, estas no alcanzan la etapa termófila del proceso de compostaje, teniendo en cuenta a ^{Román et al. (2013}), ello se atribuye a la poca cantidad de residuos orgánicos necesarios para que alcance una mayor altura que permita la concentración de la temperatura al interior de la mezcla durante el proceso de compostaje. Lo anterior no afecta el objetivo de la investigación, debido a que se logra la descomposición de los RSU.

Con respecto al pH en las mezclas de la prueba piloto (Cuadro 7), este se encuentra entre los rangos de pH de la media (pH 7.7) y la máxima (pH 10,2) reportados por ^{Faverial, Boval, Sierra, y Sauvant (2016}), lo que ratifica que el pH es uno de las parámetros que se presenta en valores cercanos a la neutralidad o alcalinidad.

Las mezclas 4 y 6, anaerobias y aerobias, presentan la media del pH final (Cuadro 7) en los niveles permitidos para productos orgánicos según la NTC 5167, es más cercana a la neutralidad la mezcla 6 anaerobia con una media pH 7.8. Según ^{Vega (2016}), el compost maduro tendrá valores de pH cercanos al neutro, es difícil conseguir compost con un pH exactamente igual a 7.0, donde en algunos casos este tiende hacia la acidez o hacia la alcalinidad, en función de los materiales dominantes durante el proceso.

5.3 Comportamiento de biomasa interna en los ladrillos ecológicos no estructurales

De acuerdo con los resultados descritos en el Cuadro 9, el contenido de humedad (CH) en la BIF4 está por encima de la media obtenida durante la prueba piloto (Cuadro 7), del valor sugerido por la NTC 5167 y de los datos reportados por otros estudios en composta municipal (^{García et al., 2016}; García, Pineda, Totosaus, y González, 2008). Al compararlos con la Norma Técnica Chilena (NCh) 2880, está dentro del rango establecido en los requisitos de calidad del compost. El alto CH es de importancia para el ladrillo ecológico, debido a que la humedad retenida es necesaria para el crecimiento y desarrollo de la grama, esta última es hace parte de la carcasa del ladrillo.

Con respecto al pH de la BIF4, este es menor al obtenido en al prueba piloto (Cuadro 7), y a los reportados en otros estudios (Daza, 2014; ^{García et al., 2008}; ^{Torres et al., 2007}), se encuentra dentro del rango establecido por la NTC 5167. Esta variación no afecta la bidegradación de la mezcla, y se atribuye al encapsulemiento de la BIF4 en la carcasa del ladrillo ecológico.

En cuanto a los contenidos de carbono orgánico (CO) y nitrogeno total (N Total), son menores que los valores recomendados por las NTC 5167 y NCh 2880, respectivamente. Ello coincide con los hallazgo de ^{Faverial et al. (2016}) en que los compost producidos con residuos de uso doméstico y desechos sólidos municipales presentan menores contenidos de CO, N total. Dichos contenidos no son relevantes para esta investigación, ya que la función principal de los ladrillos es el aprovechamiento de los RSU.

En relación con los metales pesados, en la BIF4 solo se encontraron trazas, valores relevantes porque están por debajo de los límites máximos permitidos por NTC 5167, resultado acorde al estudio de ^{Rojas et al. (2016}) donde compara los metales pesados presentes en compost con tres normas técnicas encontrando que estos están entre los límites permisibles; y a los datos encontrados por ^{García et al. (2008}) en los análisis de cadmio y plomo presentes en una composta municipal.

Concordando con los resultados en muestras de compostaje reportados por ^{Rojas et al. (2016}) y ^{Cekmecelioglu, Demirci, Graves, y Davitt (2005}), los niveles de bacterias patógenas de BIF4 muestran ausencia de Salmonella sp y de Escherichia coli. Para Salmonella se cumple con el requisito de la NTC 5167 (Cuadro 9).

Sin embargo, la BIF4 tiene presencia de coliformes fecales (Cuadro 9), los cuales están por debajo de los límites permitidos en la NCh 2880¹, según Yanko (1988, citado por ^{Gómez, González, y Chiroles, 2004}), las muestras de compost que contengan menos de 1000 UFC/g de coliformes fecales indica que todos los microorganismos patógenos han sido destruidos, dicho plantemiento discrepa con el resultado la muestra 4.1 de la BIF4, en el cual hay contaminación con coliformes totales (valor está por encima del permitido en la NTC 5167).

Debido a lo anterior, se realiza un análisis adicional para coliformes a una muestra de la BIF4. En este se encontraron coliformes fecales ˂10 UFC/g y contaminación con coliformes totales, atribuido a que la temperatura en el proceso de compostaje no alcanzo la etapa termófila, tanto en la prueba piloto como en el seguimiento hasta los 45 días de la mezcla encapsulada en la carcasa del ladrillo.

Esta etapa del proceso de compostaje logra la eliminación de los patógenos, como sucedió en diferentes investigaciones donde el compost resultante presento el número más probable de bacterias coliformes totales por debajo del límite máximo permisible, cuyo proceso de compostaje alcanzó valores de temperatura entre 50 y 70 °C (^{Cekmecelioglu et al., 2005}; ^{Gómez et al., 2004}; ^{Sánchez, Zentella, y Fraire, 2015}; ^{Soares, Quina, Reis, y Quinta, 2017}).

Aunque la BIF4 después de estar tres meses encapsulada en la carcasa del ladrillo no cumple con todos los parámetros recomendados por la NTC 5167 para el empleo como abono orgánico. De acuerdo con Soliva y López (2004 citados por ^{García et al., 2016}), los productos compostados que no cumplen con la norma se les puede dar usos, como el recubrimiento de celdas en vertederos. En el caso de los ladrillos ecológicos no estructurales la biomasa final resultante se emplea como sustrato y parte integral del ladrillo, aprovechando así los residuos sólidos orgánicos que se generen a nivel domiciliario y municipal.