Fundamentos da compostagem de resíduos sólidos

Abstract

Pode definir-se a compostagem como uma decomposição biológica aeróbia da matéria orgânica, produzindo um material estável, higienizado, e que é benéfico para os solos e para o crescimento vegetal. Os produtos de decomposição são CO2, H2O e material sólido que passou pelo processo de humificação, assumindo a designação de composto. Por alguns considerado “em parte uma ciência, mas principalmente uma arte” (Ball, 1998), o processo de compostagem tem sido francamente estudado, mas só parcialmente compreendido. A investigação no domínio da compostagem tem-se orientado tanto para o estudo dos fenómenos a montante como a jusante do processo. Os estudos a jusante têm como objetivo caracterizar as propriedades físico-químicas e microbiológicas do composto final obtido (razão C/N, pH, teor húmico, etc) tendo em vista a avaliação da sua eficiência como agente de fertilização de solos, o que tem sido feito, por exemplo, com a realização de ensaios de fitotoxicidade e de biodisponibilidade (tanto em vaso como de campo). Neste domínio de aplicação existe já uma bibliografia e experiência acumuladas bastante vastas. Se este orientação representa certamente o ‘lado prático’ da investigação, não é menos certo que a compreensão dos fenómenos físico-químicos que estão na base da transformação dum substrato orgânico complexo num produto humificado estável não é menos importante. Daqui a relevância dos estudos a montante. Existe já um número considerável de modelos matemáticos para descrever o mecanismo da compostagem. Todos foram genericamente validados por dados experimentais. A sua complexidade matemática e a exigência do conhecimento de, literalmente algumas dezenas de parâmetros físico-químicos e biológicos (na maioria dos casos inacessíveis à determinação experimental em cada caso concreto de substrato e condições processuais), tornam a divulgação e aplicação destes modelos pouco prática, pese embora a sua indiscutível utilidade na compreensão mais profunda da fenomenologia da fermentação aeróbia. Com o presente trabalho pretende-se acrescentar algo ao conhecimento acumulado, tendo como objetivo encontrar um modelo para o processo que, contabilizando os princípios básicos da física, química e microbiologia, fosse de aplicação mais simplificada e prática (nomeadamente em projeto de engenharia), e que pudesse ser validado por resultados. Na realização experimental uilizaram-se dois tipos de substrato: um simples (fibra celulósica) e um complexo (arroz completo: mistura de farinha, farelo e casca). Para além de estes substratos terem uma composição invariável, no caso do arroz trata-se dum ‘substrato natural’ pois a utilização de casca dispensa o uso de agentes de porosidade convencionais, já que a casca é praticamente não biodegradável e confere a porosidade necessária à manutenção de condições aeróbicas. A utilização destes dois tipos de complexidade de substrato tinha em vista a obtenção de informação relativa à sequência de diversos tipos de populações microbiológicas durante o processo (embora não tenha sido feita a sua caracterização, mas apenas analisadas as formas das curvas de produção de CO2). Usou-se um reator descontínuo com controle automático de temperatura de modo a ter sempre condições isotérmicas durante os ensaios; para isso cada reator dispunha de uma camisa externa onde circulava ora um fluido frio ora um quente, provenientes de dum banho de água aquecido e dum criostato, respectivamente. Durante cada ensaio foi monitorizada a composição dos gases de saída por meio de cromatografia gasosa; a injeção da amostra e a sua análise cromatográfica eram automáticas, controladas em tempo real por computador, usando ‘software’ e ‘hardware’ desenhados para o efeito. Para, além disso, foram tiradas amostras do substrato do reator ao longo de cada ensaio para determinação das principais características físicoquímicas. Os parâmetros cuja variação foi estudada foram: temperatura (30 a 60ºC) e % de O2 nos gases de entrada (10 a 50% vol.). No âmbito da modelização do processo foram concebidos vários modelos com o intuito de justificar os resultados experimentais obtidos. Destes modelos destacam-se três: (1) modelo difusivo, (2) modelo cinético de agregação de parâmetros e (3) modelo cinético de segregação de parâmetros (por sua vez subdividido em dois submodelos: de penetração total, e de penetração parcial ou biofilme externo). O modelo difusivo pretendeu simular a situação em que a cinética do processo é tão rápida que a velocidade do processo global era limitada pela difusão na camada limite externa das partículas. No modelo cinético de agregação de parâmetros foi simulada a situação em que o substrato sólido era o reagente limitante, que a concentração de oxigénio não intervinha na cinética e que a reação tinha lugar simultaneamente em todos os pontos no interior das partículas (não se gerando, por conseguinte gradientes internos de concentração) embora variando de intensidade ao longo do tempo. Finalmente no modelo cinético de segregação de parâmetros foi simulada a situação contrária, em que o oxigénio era o reagente limitante e que a velocidade do processo era dependente da sua concentração intrapartícula; consideraram-se aqui duas situações: numa delas o oxigénio difunde-se, com penetração total, no interior dos poros das partículas para reagir com o biofilme interno cobrindo os poros e na outra o oxigénio difunde-se no interior dum biofilme criado na superfície externa das partículas (penetração parcial); em qualquer dos casos geram-se gradientes de concentração significativos no interior das partículas e a modelização do processo foi feita usando o conceito de fator de eficiência, por analogia com as reações catalíticas gás/sólido, mas em que os locais ativos existem no biofilme reativo. A análise dos resultados experimentais permitiu concluir que no caso da pasta, a temperatura tem um efeito fortemente inibidor do processo, começando logo a cerca de 30ºC; no caso da mistura de farinha a temperatura tem um efeito benéfico até cerca de 60ºC, a partir da qual parece começar a notar-se um efeito de inibição. No que respeita ao efeito da concentração de oxigénio, ele foi estudado apenas no caso da mistura, tendo-se constatado que a velocidade do processo não é influenciada na gama de 10-50% (vol) de O2. Os resultados experimentais puderam ser interpretados com base no modelo de agregação de parâmetros, em que a velocidade do processo global é limitada pela concentração de substrato sólido, podendo ser simulada por um conjunto de reações de pseudo-primeira ordem em série (hidrólise, seguida de oxidação microbiológica), tendo-se determinado os respectivos parâmetros cinéticos e sua dependência da temperatura. Este modelo permitiu concluir que a hidrólise era o passo mais lento, embora dificilmente pudesse ser considerada como limitante da velocidade global do processo. Esta observação está substancialmente de acordo com os resultados experimentais que não detectaram efeito significativo da concentração de oxigénio, e sugere que, para efeitos práticos, o aumento da velocidade do processo tem de conseguir-se não, como muitas vezes sucede, à custa de inoculação de microorganismos típicos da fermentação aeróbia, mas sim da potenciação da hidrólise, por exemplo, por adição de enzimas hidrolíticos (ou correspondentes microorganismos). A análise dos restantes modelos revelou que a difusão nunca controlou a velocidade global do processo, e que o oxigénio dificilmente poderá ter sido o reagente limitante de modo a criar significativos gradientes de concentração intrapartícula; ambos os casos estão de acordo com a observação