Efeito da adição de borras de café sobre a compostagem de
resíduos de Acacia dealbata L. (mimosa)
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ISSERTAÇÃO DE MESTRADO EM ENGENHARIA AGRONÓMICAJOÃO PAULO QUADRADO BOLOTA FONSECA
Orientador: Professor Doutor Henrique Trindade
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Nome: João Paulo Quadrado Bolota Fonseca E-mail: Fonsecavw@gmail.com
B. I.: 12591022
Título da Dissertação: Efeito da adição de borras de café sobre a compostagem de resíduos
de Acacia dealbata L. (mimosa).
Orientador: Professor Doutor Henrique Trindade
Designação do Mestrado: Mestrado em Engenharia Agronómica
Ano de Conclusão: 2012
Instituição: Universidade de Trás os Montes e Alto Douro/ UTAD
v
As doutrinas expressas neste trabalho são da exclusiva responsabilidade do autor
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O presente trabalho foi financiado pelas seguintes entidades:
Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT/MCTES), através do projeto “Efeito de fitoquímicos na transformação de resíduos orgânicos e em processos-chave dos ciclos do carbono e azoto no solo”, com a referência PTDC/AGR-AAM/102006/2008.
Centro de Investigação e de Tecnologias Agro-Ambientais e Biológicas (CITAB).
ix
Á minha Mãe, irmão, e á Filipa.
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A realização deste trabalho termina uma fase muito agradável de enriquecimento pessoal ao nível de vários saberes na minha vida. Para que tal tenha sido possível, existiram várias pessoas que muito contribuíram em todos os aspetos, e que aqui lhes deixo uma palavra de agradecimento:
Em primeiro lugar ao Prof. Doutor Henrique Trindade (Departamento de Agronomia, Escola de Ciências Agrárias e Veterinárias, Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro), pela grande disponibilidade e abertura, pelo apoio demonstrado em todas as fases do processo, pelo seu tempo e paciência, na resposta às minha dúvidas, questões e debates que sem dúvida enriqueceram o meu saber, pelo profissionalismo com que abordou sempre todas as situações, mas também pelo seu lado humano, aqui fica o meu agradecimento profundo e especial. Foi um privilégio tê-lo como orientador. Muito obrigado.
Á D. Áurea Queiroz (Departamento de Agronomia, Escola de Ciências Agrárias e
Veterinárias, Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro), á Cátia e á Andreia, agradeço a indispensável ajuda que sempre me disponibilizaram nas diversas etapas de realização do trabalho experimental.
Ao Professor Doutor João Coutinho e á equipa de trabalho do laboratório de solos da UTAD pela ajuda e disponibilidade na realização das inúmeras análises efetuadas.
Ao Professor Doutor Luís Pereira pela ajuda prestada na montagem dos equipamentos e preparação das misturas no trabalho experimental.
Ao Professor Doutor Eduardo Rosas por ter disponibilizado a título pessoal o triturador florestal.
À professora Doutora Isabel Cortez, por me ter sempre orientado da melhor forma o meu percurso de mestrado.
Ao Duarte pela tua ajuda em momentos cruciais. Obrigado.
Aos meus amigos em geral por me terem ajudado em alguns momentos fundamentais da realização deste trabalho, em especial á Filipa, mais que amiga uma companheira, um suporte
xii
A todas as pessoas que de alguma forma deram o seu contributo para a realização deste trabalho. Muito obrigado.
E por fim, mas o mais importante dos agradecimentos, á minha família, em especial á minha Mãe que sempre apoiou as minhas decisões, que acreditou de uma forma incondicional nas minha capacidades, que me ajudou a ser o que sou, mas mais que tudo, pelos valores que me transmitiu em toda a minha vida, que são sem dúvida o bem mais precioso que me possa ter dado. Para ti, o mais profundo dos agradecimentos. OBRIGADO.
xiii
agronómica destes materiais. No sentido de se estudar a incorporação de borras de café em compostados, efetuou-se um ensaio no qual se testaram quatro tratamentos com diferentes teores de borras de café com, tratamentos C0 (Testemunha), C10, C20 e C40,contendorespetivamente 0, 10, 20 e 40 % de borras no peso seco da
mistura (10 kg) efetuada com resíduos de Acacia dealbata L. e palha de trigo. O ensaio foi conduzido com 3 repetições utilizando compostores termicamente isolados com capacidade de 135L e arejamento forçado. Ao longo do ensaio foi monitorizada a evolução da temperatura e foram determinadas as emissões de dióxido de carbono (CO2), metano (CH4) e óxido nitroso (N2O) e, nos dias 0, 3, 9, 22, 41, 64, 105 e 156, foram avaliadas as
principais características físico-químicas dos compostados (humidade, pH, condutividade elétrica, relação C/N e teores de N mineral). Nas amostras iniciais e finais foi igualmente medida a concentração de compostos fenólicos e de taninos. Foi ainda determinada a fitotoxicidade dos compostados finais através da condução de um teste de germinação de sementes de alface, sorgo e Acacia dealbata L. com diluições de 0, 10, 20, 30 e 40% dos diferentes compostados.
A utilização de diferentes concentrações de borras de café nas misturas mostrou efeitos significativos sobre vários dos parâmetros avaliados. Os resultados obtidos sugerem que o valor de pH inicialmente ligeiramente ácido (pH <6) das misturas não impediu a obtenção do máximo de temperaturas ao 3ºdia (57,6 ± 0,1 °C). Nos tratamentos C20 e C40 foram observadas temperaturas altas durante um maior período de tempo. Os tratamentos
C20 e C40 revelaram uma maior emissão acumulada de CO2 (181,3 e 148,7 g C-CO2 kg-1 MS inicial,
respetivamente) e N2O (177,8 e 162,8 mg N-N2O kg-1 MS inicial) do que os tratamentos C0 e C10 (124,6 e 137,3
g C-CO2 kg-1 MS inicial e 160,3 e 151,2 mg N-N2O kg-1 MS inicial), tendo a análise de emissão de CH4 revelado
que apenas existiram condições de emissão (anaerobiose) nos 3 primeiros dias, possivelmente devido ao grande consumo de O2 por parte dos microrganismos. Não foi observada a presença de N-NO3- no final do processo de
compostagem, contudo os valores de carbono orgânico solúvel (COS) e azoto orgânico solúvel (AOS) mostraram aumentos consideráveis com o aumento dos teores de café presentes. Os compostados apresentaram na generalidade teores de matéria orgânica elevados, compreendidos entre 917,2±1,5 e 929,5±0,3 g kg-1 de MS e valores de condutividade elétrica (CE) baixos (entre 0, 78 e 1,62 dS m-1). As reduções da razão C/N variaram entre 18,7 - 22,2 no início do processo de compostagem para 8,6 - 12,1 no final. Nos ensaios de germinação efetuados observaram-se efeitos de toxicidade sobre a germinação de sementes de Lactuca sativa L. no tratamento C10, possivelmente devido á presença de taninos, contudo não foram observados efeitos sobre a
germinação de Sorghum Sudanense L.
A utilização de borras de café permitiu de uma forma geral obter compostados com qualidade agronómica mais elevada na maioria dos parâmetros em estudo.
Palavras Chave: compostagem, gases com efeito de estufa, mimosa, borras de café,
xv
materials. In order to study the effect of incorporation of coffee dregs on the composting process progress and end-product quality characteristics, four treatments with different amounts of coffee dregs were established: C0
(Control), C10, C20 and C40, containing respectively 0, 10, 20 and 40% of coffee dregs in relation to the dry
weight (10 kg). The mixtures were completed with Acacia dealbata L. wastes and wheat straw. Three repetitions were made and thermally insulated composters with 135L capacity and forced aeration were used. Throughout the trial the evolution of the temperature was monitored and the emission of carbon dioxide (CO2), methane
(CH4) and nitrous oxide (N2O) was measured. At days 0, 3, 9, 22, 41, 64, 105 and 156, physicochemical
key-characteristics of composts (moisture, pH, electrical conductivity, C / N, mineral N content) were evaluated. The concentrations of phenolic compounds and tannins were measured in the initial and final sampling days. Further it was determined the phytotoxicity of the final composts by conducting germination seed tests of Lactuca sativa L. (lettuce), Sorghum sudanense L. (sorghum) and Acacia dealbata L. using dilutions of 0, 10, 20, 30 and 40% of the different composts obtained.
Different coffee dreg concentrations showed significant effects on several parameters assessed. The results suggest that the initial slightly acidic pH value (pH <6) of the mixtures did not prevent the attainment of maximum temperatures on day 3 (57.6 ± 0.1 ° C). In treatments C20 and C40 it was observed high temperatures
over a longer period of time. C20 and C40 treatments showed greater cumulative CO2 emission (181.3 and 148.7 g
CO2-C kg-1 MS initial, respectively) and N2O (177.8 and 162.8 mg N2O-N kg-1 MS initial) than treatments C0
and C10 (124.6 and 137.3 g CO2-C kg-1 MS initial and 160.3 and 151.2 mg N2O-N kg-1 MS initial) and CH4
emissions results revealed that there were only emission conditions (anaerobic) over the first 3 days, possibly due to O2 consumption by the microorganisms. No presence of NO3--N at the end of the composting process was
observed. However the amounts of soluble organic carbon (COS) and soluble organic nitrogen (AOS) showed considerable increases when increasing the amount of coffee. The composts showed generally high levels of organic matter, comprised from 917.2 ± 1.5 to 929.5 ± 0.3 g kg-1 of dry matter and low values of electrical conductivity (EC) (between 0.78 and 1.62 dS m-1). The C/N ratio varied from 18.7 to 22.2 at the beginning of the composting process to 8.6 to 12.1 at the end. In the germination tests performed there were observed toxic effects on the germination of lettuce (C10 treatment), possibly due to the presence of tannins, but no effects were
observed on the germination of sorghum.
In general, the use of coffee dregs allowed obtaining composts with high quality relatively to most of the studied parameters.
xvii
Resumo ... xiii
Abstract ... xv
Índice ... xvii
ÍNDICE DE QUADROS ... xix
ÍNDICE DE FIGURAS ... xxi
ABREVIATURAS ... xxv
1. Introdução ... 1
1.1 O processo de compostagem ...5
1.2 Fatores que influenciam o processo de compostagem ...6
1.3 Biota envolvido ... 13
1.4 Vantagens ... 14
1.5 Desvantagens ... 15
1.6 Característica dos materiais para compostagem ... 16
1.7 Objetivos da dissertação ... 17
2. Material e Métodos ... 19
2.1 Tratamentos em ensaio e delineamento experimental ... 19
2.2 Condução do ensaio... 20
2.3 Recolha do material ... 21
2.4 Determinação das emissões gasosas ... 22
2.5 Outras medições ... 23
2.6 Análises laboratoriais ... 23
2.7 Condução do teste de germinação ... 24
xviii
3.2 Principais características Físico-químicas dos compostados ... 27
3.2.1 Carbono... 27 3.2.2 Azoto ... 29 3.2.3 Razão C/N ... 34 3.2.4 Matéria orgânica ... 36 3.2.5 Valor de pH ... 37 3.2.6 Condutividade elétrica ... 38 3.2.7 Humidade ... 40 3.2.8 Temperatura ... 41
3.2.9 Concentração de elementos minerais ... 43
3.3 Fitoquímicos ... 46
3.4 Emissões gasosas de azoto... 47
3.4.1 Emissões de N2O ... 47
3.5 Emissões gasosas de carbono... 52
3.5.1 Emissões de CO2 ... 52
3.5.2 Emissões de CH4 ... 57
3.6 Teste de germinação de sementes ... 61
4. Conclusões ... 65
Bibliografia ... 67
xix
Quadro 1. Relação C/N e decomposição de materiais para a compostagem. (fonte: Haleux,
1987; Mustin, 1987 e Leclerc, 2001, citado por Ferreira et al., 2009) ...9
Quadro 2. Composição de diversos materiais utilizados em compostagem (fonte: Epstein,
1997). ... 16
Quadro 3. Composição e caraterísticas previstas das misturas efetuadas. ... 20
Quadro 4. Caraterísticas técnicas das sementes de alface e sorgo utilizadas nos ensaios de
germinação. ... 26
Quadro 5. Caracterização dos materiais utilizados neste estudo. ... 27
Quadro 6. Valores recomendados para fertilizantes orgânicos de uso agrícola. ... 44
Quadro 7. Teor de fenólicos totais e taninos totais por tratamento no início e fim do processo
de compostagem expressa em mg de equivalentes de ácido gálico (GAE) g-1 de peso seco e em mg de catequina (CAE) g-1 de peso seco. ... 47
Quadro 8. Índice de estabilidade e maturação do compostado com base na evolução da
produção de CO2 (fonte: E & A Environmental Consultants INC, 1994, citado por Epstein,
1997) ... 54
Quadro 9. Resultados de Carbono orgânico solúvel obtidos nas amostras em g C kg-1 de MS. ... 79
Quadro 10. Resultados de Carbono orgânico total obtidos nas amostras em g C kg-1 de MS. 79
Quadro 11. Resultados de Azoto orgânico solúvel por tratamento obtidos nas amostras em
xx
Quadro 13. Evolução da concentração de Azoto amoniacal N-NH4+ (em mg N kg-1de MS)
nos tratamentos durante o período de compostagem. ... 81
Quadro 14. Evolução da concentração de Azoto nítrico N-NO3- (em mg N kg-1de MS) nos
tratamentos durante o período de compostagem. ... 81
Quadro 15. Evolução da razão C/N nos tratamentos durante o período de compostagem. .... 82
Quadro 16. Resultados do teor de matéria orgânica por tratamento obtidos nas amostras em g
kg-1 de MS. ... 82
Quadro 17. Resultados dos valores de pH por tratamento obtidos nas amostras. ... 83
Quadro 18. Resultados dos valores de condutividade elétrica por tratamento obtidos nas
amostras em dS m-1. ... 83
Quadro 19. Resultados dos teores de humidade por tratamento obtidos nas amostras em g kg -1
. ... 84
Quadro 20. Resultados dos valores de temperatura por tratamento obtidos nas amostragens
efetuadas em °C. ... 84
Quadro 21. Resultados dos teores de fosforo (P), potássio (K), cálcio (Ca) e magnésio (Mg)
xxi
Figura 1. Misturas efetuadas. a) Tratamento C0 b) Tratamento C10 c)Tratamento C20 d)
Tratamento C40 ... 19
Figura 2. Disposição dos compostores, bombas de ar e caudalímetros no ensaio experimental.
... 21
Figura 3. Materiais utilizados neste estudo (café, mimosa e palha) ... 22
Figura 4. Evolução dos teores de carbono orgânico solúvel (COS) em g C kg-1 de MS, em função do tempo de compostagem. ... 28
Figura 5. Evolução dos teores de carbono orgânico total (COT) em g C kg-1 de MS, em função do tempo de compostagem. ... 29
Figura 6. Evolução dos teores de azoto orgânico solúvel (AOS) em g N kg-1de MS nos tratamentos durante o período de compostagem. ... 32
Figura 7. Evolução dos teores de azoto total (N total) em g N kg-1de MS nos tratamentos durante o período de compostagem. ... 33
Figura 8. Evolução dos teores de azoto amoniacal (N-NH4+) em mg N kg-1 MS nos
tratamentos durante o período de compostagem. ... 33
Figura 9. Evolução dos teores de azoto nítrico (N-NO3-) em mg N kg-1 MS nos tratamentos
durante o período de compostagem. ... 34
Figura 10. Evolução da razão C/N em função do tempo de compostagem. ... 35
Figura 11. Evolução dos teores de matéria orgânica por tratamento em função do tempo de
xxii
... 38
Figura 13. Evolução dos valores de condutividade elétrica (CE) em dS m-1 por tratamento em função do tempo de compostagem. ... 39
Figura 14. Relação entre os teores médios de humidade em g kg-1 e condutividade elétrica em dS m-1. ... 40
Figura 15. Evolução dos teores de humidade em g kg-1por tratamento em função do tempo de compostagem... 41
Figura 16. Evolução da temperatura por tratamento em função do tempo de compostagem
expressa em °C. ... 42
Figura 17. Evolução da temperatura por tratamento nos primeiros 20 dias de compostagem
expressa em °C. ... 42
Figura 18. Evolução dos valores médios de temperatura em função do tempo de
compostagem expressa em °C. ... 43
Figura 19. Evolução dos teores de fosforo (P) em g kg-1 de MS, por tratamento em função do tempo de compostagem. ... 44
Figura 20. Evolução dos teores de potássio (K) em g kg-1 de MS, por tratamento em função do tempo de compostagem... 45
Figura 21. Evolução dos teores de cálcio (Ca) em g kg-1 de MS, por tratamento em função do tempo de compostagem. ... 45
Figura 22. Evolução dos teores de magnésio (Mg) em g kg-1 de MS, por tratamento em função do tempo de compostagem. ... 46
xxiii
Figura 24. Emissões médias de óxido nitroso em função do tempo de compostagem expressas
em mg N-N2O h-1 kg-1 MS inicial. ... 50
Figura 25. Emissões acumuladas de óxido nitroso em função do tempo de compostagem
expressas em mg N-N2O kg-1 MS inicial. ... 51
Figura 26. Emissões médias acumuladas de óxido nitroso em função do tempo de
compostagem expressas em mg N-N2O kg-1 MS inicial. ... 51
Figura 27. Emissões de dióxido de carbono por tratamento em função do tempo de
compostagem expressas em mg C-CO2 h-1 kg-1 MS inicial. ... 55
Figura 28. Emissões médias de dióxido de carbono em função do tempo de compostagem
expressas em mg C-CO2 h-1 kg-1 MS inicial. ... 55
Figura 29. Relação entre as emissões médias de dióxido de carbono (mg h-1 kg-1 de MS inicial) e a Temperatura média (Cº). ... 56
Figura 30. Emissões acumuladas de dióxido de carbono por tratamento em função do tempo
de compostagem expressas em g C-CO2 kg-1 MS inicial. ... 56
Figura 31. Emissões médias acumuladas de Dióxido de Carbono em função do tempo de
compostagem expressas em g C-CO2 kg-1 MS inicial. ... 57
Figura 32. Emissões de metano por tratamento em função do tempo de compostagem
expressas em mg de C-CH4 h-1 kg-1 MS inicial... 59
Figura 33. Emissões médias de metano em função do tempo de compostagem expressas em
xxiv
Figura 35. Emissões médias acumuladas de metano em função do tempo de compostagem
expressas em mg C-CH4 kg-1 MS inicial. ... 60
Figura 36. Percentagem de germinação de sementes de alface em função do tempo por
tratamento e por diluição do substrato utilizado. ... 62
Figura 37. Percentagem de germinação de sementes de sorgo em função do tempo por
tratamento e por diluição do substrato utilizado. ... 63
Figura 38. Percentagem de germinação de sementes de Acacia dealbata L. em função do
xxv
AOS Azoto orgânico solúvel
Ca Cálcio C Carbono CE Condutividade elétrica CH3SH Metil mercaptana (CH3)2S Dimetil sulfeto CH4 Metano C/N Razão carbono/azoto C/P Razão carbono/fósforo CO2 Dióxido de carbono
COS Carbono orgânico solúvel
COT Carbono orgânico total
Cl Cloro
GEE Gases com efeito de estufa
HPLC High-Pressure Liquid Chromatography
Mg Magnésio
MO Matéria orgânica
MS Matéria seca
N Azoto
xxvi NH4+ Azoto amoniacal NO- Óxido nítrico NO2- Nitrito NO3- Azoto nítrico O2 Oxigénio P Fósforo S Enxofre
UTAD Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro
H2O Água
1
1. Introdução
As últimas décadas levaram a um aumento das preocupações relativas aos problemas associados com métodos clássicos de tratamento de resíduos. Verificou-se que a eliminação dos resíduos através da incineração ou a sua colocação inicialmente em lixeiras (atualmente extintas) e em aterros não é a solução mais indicada para todos os tipos de resíduos, dado que em alguns casos levou a novos problemas de poluição ambiental como a degradação dos solos, redução do espaço disponível para deposição dos resíduos e emissão de gases com efeito de estufa (Daigle et al., 1989).
Além disso, os resíduos biodegradáveis não são adequados para a incineração dado o elevado teor de água que geralmente estes contêm, e criam problemas quando colocados em aterros (libertação de gases e lixiviados). Em relação aos processos de incineração e de deposição em aterros utilizados para o tratamento de resíduos orgânicos, o processo biológico de compostagem permite a estabilização dos resíduos, tornando possível a sua reutilização como fertilizante e matéria orgânica. Contudo, compostados imaturos aplicados ao solo poderão causar a imobilização de N (Bernal et al., 2009; Moral et al., 2009), efeitos fitotóxicos e presença de microrganismos perigosos (Fang et al., 1999). Devido á constante perda de matéria orgânica dos solos tem vindo a ser reconhecida a necessidade e vantagem de reciclar resíduos orgânicos de forma a fornecer nutrientes ao solo, assim como, aumentar os níveis da fração orgânica, (Beffa, 2002).
A compostagem é o processo biológico de decomposição de matéria orgânica em condições controladas. Os fatores mais importantes que afetam a decomposição da matéria orgânica pelos microrganismos são o oxigénio e a humidade. A temperatura é um fator importante no processo de compostagem, contudo a temperatura é o resultado da atividade dos microrganismos, que quando desacelera provoca uma diminuição daquele fator.
Além da temperatura, do oxigénio e do teor de humidade, outros fatores como a relação C/N (equilíbrio de nutrientes), pH e nutrientes disponíveis mostraram ter um impacto significativo no desempenho da compostagem (Schulze, 1961; Bertoldi et al., 1985; Jackson e Line, 1997). Os nutrientes, especialmente o carbono e o azoto, desempenham um papel importante no processo dado que são essenciais para o crescimento e atividade
2
microbiológica. O fósforo e o enxofre são também importantes, contudo pouco se sabe qual o seu papel na compostagem, assim como outros micronutrientes. A respiração microbiana resulta na produção de calor que por sua vez influência a velocidade de decomposição dos materiais orgânicos, sendo usado como indicador da decomposição e estabilidade do compostado. Durante o processo de compostagem o O2 é consumido e ocorre a libertação de
CO2 e água através da respiração microbiana. Dada a evolução da tecnologia, atualmente o
CO2 pode ser utilizado como um método de avaliação da taxa de decomposição de
compostados, algo que no passado era difícil de executar e era um processo muito demorado que requeria longos períodos de tempo em laboratório. Maturidade e estabilidade, são termos gerais que descrevem a aptidão de um compostado para um determinado uso específico, parâmetros importantes para a avaliação da qualidade dos compostados, tendo sido avaliados no presente estudo, quer ao nível de emissões gasosas quer ao nível da determinação da fito-toxicidade, através de análises específicas e testes de germinação.
A fitotoxicidade dos compostados foi previamente associada a compostados imaturos, sendo que a redução de ácidos orgânicos está correlacionada com o aumento do crescimento de plantas (Brinton e Trankner, 1999). A fitotoxicidade foi descrita como uma intoxicação das plantas por substâncias presentes no meio de crescimento, quando estas se acumulam nos tecidos celulares (Araujo e Monteiro, 2005; Chang et al., 1992). Compostados imaturos podem conter ou gerar amoníaco e/ou compostos orgânicos/inorgânicos que podem reduzir a germinação de sementes e o desenvolvimento e funcionamento da estrutura radicular. Durante as primeiras fases do processo de compostagem quantidades significativas de amónio e uma grande parte de ácidos orgânicos (e.g. ácido acético, aminas) solúveis e /ou voláteis são formados. Contudo, com o tempo num processo aeróbio, estes materiais são volatilizados para a atmosfera ou serão convertidos por ação biológica em compostos menos solúveis e/ou fitotóxicos. Os testes de germinação e crescimento de plantas são as técnicas mais utilizadas para avaliar a fitotoxicidade de compostados (Kapanen e Itavaara, 2001), sendo amplamente usados para testar o excesso de sais ou a presença de substâncias tóxicas tais como compostos fenólicos em resíduos vegetais (Zucconi et al., 1985; Handreck e Black, 1991; Gajdos, 1997). Desta forma foram também avaliados os teores de fenólicos e taninos totais, assim como a condutividade elétrica dos compostados, como complemento á análise dos testes de germinação de sementes efetuados, uma vez que mesmo os compostados maturados poderão ser fitotóxicos devido á quantidade ou tipo de sais solúveis presentes.
3
São vários os elementos que podem afetar a germinação de sementes, recomendando-se por isso a utilização de testes de germinação em conjunto com outras análirecomendando-ses, dada a subjetividade destes na avaliação da maturação de um compostado, uma vez que os resultados poderão ser de difícil interpretação dado que estes poderão ter origem em vários fatores. Um outro aspeto a ter em conta é o facto de não existirem parâmetros e metodologias universais padrão para a avaliação da estabilidade de um compostado. Vários países na Europa desenvolveram e usam os seus próprios parâmetros e outros estão em vias de o fazer (European Commission, 2001).
A compostagem tem benefícios, tais como: a decomposição de resíduos orgânicos urbanos e industriais, resíduos florestais, resíduos alimentares, estrume, etc., permitindo minimizar impactes ambientais e controlar odores e aerossóis, dado que uma unidade de compostagem deve ser desenhada e operada com esse objetivo; pode ajudar a atingir metas de redução de deposição de resíduos em aterros assim como de reciclagem; pode decompor ou degradar uma grande variedade de materiais orgânicos, produzindo um produto comercializável. Contudo, podem também observar-se algumas desvantagens, tais como: ocorrer emissões de odores e aerossóis durante o processo de compostagem; as instalações para a compostagem necessitam de maior área do que as de outras tecnologias de tratamento de resíduos, sendo que grande parte das necessidades em espaço estão relacionadas com o armazenamento do produto e este tem de ser comercializado num período de tempo relativamente curto que permita a obtenção de novos produtos.
Outro problema que a sociedade tem que enfrentar é a Invasão de habitats por espécies exóticas, sendo a Acacia dealbata L., vulgarmente conhecida como “mimosa”, um dos casos mais preocupantes; trata-se duma espécie nativa da Austrália à qual está atribuída a designação de planta invasora, ou seja, plantas que depois de introduzidas num novo território (plantas exóticas) se reproduzem rapidamente e ocupam áreas extensas, sem a ajuda do homem, causando prejuízos a vários níveis. Esta espécie obriga ao seu corte periódico quer para a preservação de habitats quer na gestão de taludes de estradas, tendo o resíduo gerado fins pouco nobres como a queima para produção de energia ou em casos mais graves a colocação direta dos resíduos no solo que podem provocar a dispersão de sementes, invadindo novos territórios. Os resíduos verdes gerados nas podas de vegetação urbana ou neste caso da A. dealbata L. possuem altos teores de matéria orgânica, no entanto a utilização destes
4
compostados para fertilização do solo, possui algumas limitações como fonte de nutrientes e um elevado teor de material carbonáceo.
Tchobanoglous et al. (1993) observaram que no processo de compostagem, as bactérias patogénicas Salmonella sp. e Escherichia coli podem ser destruídas em 15 a 20 min quando expostas a 60 °C, ou durante uma hora, a 55 °C. Com estes valores de temperatura, o processo de compostagem pode eliminar todos os organismos patogénicos e as sementes viáveis de infestantes, preocupação fundamental na compostagem de resíduos de plantas invasoras, como a mimosa, dada a necessidade de evitar a disseminação de sementes desta espécie.
Segundo a Organização das Nações Unidas para a Agricultura e Alimentação (FAO, Food and Agriculture Organization), Portugal obteve em 2010, um balanço comercial positivo de 42789 t de café e produtos transformados de café (Internet. Disponível em http://www.faostat.fao.org, consultado em 2 de Fevereiro de 2012) sendo que podemos assumir, que um valor nunca inferior a este de resíduos é gerado anualmente dada a adição de água a que é submetido aquando do consumo. Este resíduo é hoje desperdiçado, sendo enviado na sua grande maioria para aterros; contudo, existem algumas utilizações possíveis, como produção de fertilizantes ou a colocação das borras de café diretamente em jardins, hortas ou outro tipo de culturas. Ainda assim, as borras de café têm hoje um aproveitamento residual.
O presente trabalho pretende estudar qual o efeito das borras de café em possíveis aplicações na compostagem, quer na qualidade final dos compostados quer a sua influência no processo de compostagem. Tendo em conta o panorama nacional no que diz respeito ao teor de resíduos biodegradáveis produzidos, a compostagem surge aqui como uma opção viável que vai ao encontro de novas formas de valorização e aplicação destes materiais, tendo em conta a sua grande disponibilidade em Portugal. A compostagem é hoje igualmente uma solução para aumentar os teores de matéria orgânica no solo, mas também substituir parcialmente ou de forma total quando possível, adubos minerais por adubos orgânicos (compostados). Assim, procedendo ao aproveitamento de materiais sem qualquer valor económico, este trabalho pretende estudar a possibilidade de se produzir um compostado com qualidade para ser utilizado na agricultura biológica, cumprindo requisitos a nível ambiental e ecológico, procedendo assim á valorização destes resíduos orgânicos.
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1.1 O processo de compostagem
Por definição, a compostagem é um processo aeróbio controlado de bio-oxidação de substratos heterogéneos biodegradáveis, resultante da ação dos microrganismos naturalmente associados aos substratos, durante o qual ocorre uma fase termófila e a libertação temporária de substâncias com efeito fitotóxico. Durante este processo, a biomassa sofre profundas transformações (mineralização e humificação parciais), sendo o principal produto final, designado compostado, estável, higienizado e homogéneo (Queda, 1999).
Em condições ótimas, a compostagem ocorre em três fases: (1) fase mesófila, (2) fase termófila e (3) fase de arrefecimento e maturação. A duração de cada fase depende dos materiais a compostar e da eficiência do processo, determinada pela taxa de arejamento e de homogeneização (revolvimento). No início do processo a massa está a uma temperatura ambiente e ligeiramente ácida e as fontes de carbono solúveis e facilmente degradáveis como monossacarídeos, amido e lípidos, são utilizadas pelos microrganismos; o pH decresce, dado que ácidos orgânicos são formados a partir daqueles compostos durante a degradação. Na fase seguinte os microrganismos começam a degradar as proteínas, resultando numa libertação de amónio (e amoníaco) e subida do pH (Epstein, 1997). Após serem consumidas as fontes de carbono facilmente degradadas, os compostos mais resistentes como a celulose e hemicelulose são degradados e parcialmente transformados em húmus (Crawford, 1983; Paatero et al., 1984) num processo conhecido como maturação do compostado que se revela essencial para a obtenção de um produto final estável e com qualidade. O húmus é o produto final do processo de humificação em que os compostados de origem natural são parcialmente transformados em substâncias húmicas relativamente inertes. As substâncias húmicas podem ser consideradas o maior reservatório de carbono orgânico em solos e meios aquáticos (Aiken et al., 1985).
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1.2 Fatores que influenciam o processo de compostagem
Dado que a compostagem depende da ação dos microrganismos envolvidos, vários fatores afetam a sua atividade, pelo que, as seguintes condições devem ser asseguradas:
Arejamento
Dos fatores que afetam a compostagem, a taxa de arejamento é um dos elementos chave que afetam o processo de compostagem e a qualidade do compostado. Um adequado e constante fornecimento de oxigénio é necessário para manter as condições aeróbias que, simultaneamente com um conteúdo de humidade apropriado, auxilia o crescimento microbiano e processos de transporte (Epstein, 1997). A taxa de arejamento afeta a atividade dos microrganismos, a taxa de degradação do substrato e a variação de temperatura no processo de compostagem (Kuter et al., 1985). Baixas taxas de arejamento podem levar a condições anaeróbicas; contudo, demasiado arejamento pode levar a um excessivo arrefecimento, impedindo as condições termófilas necessárias para as taxas ótimas de decomposição (Ahn et al., 2007). A faixa ótima da taxa de arejamento é variável, dada a heterogeneidade dos materiais em diferentes processos de compostagem. O conteúdo de dióxido de carbono aumenta gradualmente enquanto o oxigénio vai diminuindo, á medida que este é usado nos processos metabólicos dos microrganismos. Em média a constituição de CO2
+ O2 nos interstícios é de cerca de 20%; a concentração em oxigénio é de 15 a 20% e a do
CO2 é de 0.5 a 5% (MacGregor et al., 1981). Richard et al. (2002) afirmam que as
concentrações de oxigênio acima de 10% são consideradas ótimas para a manutenção da compostagem em condições de aerobiose, assim como Magalhaes et al. (1993) que refere teores superiores a 10% de oxigénio para uma atividade ótima dos microrganismos. Se o nível de oxigénio for demasiado reduzido os microrganismos aeróbios são rapidamente substituídos por microrganismos anaeróbios que colonizam o compostado e rapidamente iniciam um processo fermentativo que poderá levar á emissão de gases com efeito de estufa (GEE) e maus odores.
Humidade
O teor de humidade da mistura da compostagem é uma variável importante dado que fornece um meio para o transporte de nutrientes dissolvidos necessários para a atividade metabólica e fisiológica dos microrganismos (Stentiford, 1996; McCartney e Tingley, 1998 e
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Liang et al., 2003). O excesso ou falta de humidade no meio condicionam negativamente a atividade destes seres vivos. Teores muito baixos de humidade provocam uma desidratação precoce durante a compostagem, que irá parar os processos biológicos, originando assim compostados fisicamente estáveis mas biologicamente instáveis (Bertoldi et al., 1983). Elevados teores de humidade afetam a agregação das partículas, matriz de porosidade, arejamento e a matriz de permeabilidade dos gases, que podem limitar o transporte de oxigénio essencial para zonas de compostagem onde decorre a decomposição dos materiais (Miller, 1989; Richard et al., 2002, 2004); esta situação pode resultar em condições anaeróbicas, devido ao alagamento da mistura, o que irá impedir as atividades em curso na compostagem (Schulze, 1962; Tiquia et al., 1996). Como consequência destas condições anaeróbicas, a taxa de decomposição decresce e os problemas com odores desagradáveis aumentam (Golueke, 1991). O teor de humidade existente depende essencialmente do tipo de matéria-prima empregue e, durante a fase ativa da compostagem, é por vezes adicionada água de forma a prevenir uma secagem prematura da mistura e uma estabilização incompleta. (Finstein, 1983; Keener et al., 1996; Atkinson et al., 1996). Vários investigadores conduziram estudos e verificaram que teores de 50-60% de humidade são geralmente favoráveis para a compostagem. (Tiquia et al., 1998; McKinley et al., 1986; Suler e Finstein, 1977); contudo, os teores de humidade ideais relatados para a compostagem variam de 25% a 80%, com valores geralmente recomendados de 50% a 70% (Bishop e Godfrey, 1983; Haug, 1993; Imbeah, 1997; Richard et al., 2002; Cronjé et al., 2004). Como é evidente, nesta gama relativamente ampla de valores relatados, não há um teor de humidade ótimo universal para a compostagem de materiais. Isto resulta do facto de que cada material tem características físicas, químicas e biológicas únicas, e estas afetam a relação entre o teor de humidade e fatores corolários como disponibilidade de água, tamanho das partículas, porosidade e permeabilidade.
Relação carbono/azoto
Dos elementos necessários à decomposição biológica, o carbono (C) e o azoto (N) são os mais importantes. A razão C/N varia com o tipo de matéria orgânica e é determinante para a velocidade do processo. O carbono fornece energia e constitui 50% da massa celular dos microrganismos. O azoto é um componente essencial das proteínas, ácidos nucleicos, aminoácidos, enzimas e coenzimas necessários ao crescimento e funcionamento celular.
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Contudo, se existir um excesso de azoto, este normalmente perde-se do sistema sob a forma de amoníaco ou outros compostos azotados.
Os microrganismos necessitam de uma fonte de carbono, e macronutrientes como azoto, fósforo e potássio e outros elementos para o seu crescimento. O carbono fornece inicialmente uma fonte de energia para os microrganismos enquanto uma pequena fração é incorporada nas células. Alguma da energia libertada é usada para o metabolismo dos microrganismos, enquanto o resto é libertado sob a forma de calor.
É considerado como ótimo para a razão C/N no início da compostagem um valor de 25 – 30, (Kumar et al., 2010); contudo, Golueke (1991), sugere uma razão C/N ótima para o início da compostagem entre 25 - 40, variando os valores consoante os substratos utilizados. O controlo do processo de compostagem através do ajuste de variáveis durante o processo em curso, quando é efetuado em operações de grande escala, é difícil e dispendioso (Stentiford, 1993), pelo que uma correta definição das condições iniciais pode ser mais simples e mais económica. Assim, a mistura inicial dos materiais a compostar deverá ter em conta a quantidade de C e de N de cada material a adicionar à mistura (Quadro 1), mas também as características inerentes a cada um, como por exemplo a granulometria. A mistura deverá ser efetuada através da adição de materiais ricos em azoto como por exemplo resíduos alimentares (cascas de batata, cenoura, etc..) com matérias ricos em carbono como por exemplo a palha, aparas de madeira, ramos triturados, etc., em quantidades corretas de forma a atingir valores de C/N ideais. Um cálculo errado poderá induzir problemas no processo de compostagem. Sabe-se que as bactérias e os fungos têm diferentes relações C/P e C/N ideais e, que a relação C/N pode ter influência na relação fungos/bactérias presentes na biomassa. (Eiland et al., 2001). O mesmo autor verificou que baixas relações C/N provocaram uma rápida degradação de fibras durante os 3 primeiros meses de compostagem (hemicelulose: 50 – 80%; celulose: 40-60%) enquanto que, uma elevada relação C/N resultou na degradação de 10 - 20% de hemicelulose e celulose respetivamente. Estes resultados poderão influenciar o produto final do processo de compostagem, podendo resultar em compostados imaturos e instáveis.
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Quadro 1. Relação C/N e decomposição de materiais para a compostagem. (fonte: Haleux, 1987; Mustin, 1987 e
Leclerc, 2001, citado por Ferreira et al., 2009)
Material Relação C/N Decomposição
Cartão 200-500 Rápida
Serradura de pinho 230 Lenta
Serradura de faia 100 Lenta
Cascas de árvores 100-150 Média
Lenha verde da poda 100-150 Média
Palha de trigo 100 Média
Palha de cevada 100 Média
Palha de centeio 60 Média
Palha de aveia 60 Média
Palha de leguminosas 40-50 Rápida
Folhas de árvores 30-60 Rápida
Resíduos sólidos domésticos 30-40 Média
Estrume de cavalo com palha 30-60 Média
Estrume de cavalo 25 Rápida
Estrume de bovino 20 Rápida
Borras de café 20 Rápida
Estrume de galinha com aparas de madeira 13-18 Rápida
Restos de hortícolas frescos 13 Rápida
Estrume de galinha 10 Rápida
Chorume (urina + feses) de bovino 8-13 Rápida
Bagaço de rícino 8 Rápida
Chorume (urina + feses) de porco 5-7 Rápida
Farinha de penas de galinhas ou frangos 5 Rápida
Farinha de sangue 5 Rápida
Farinha de carne 5 Rápida
Farinha de osso 4 Rápida
Temperatura
A temperatura a que ocorre o processo é um fator importante na eficiência da compostagem, devido á sua influência na atividade e diversidade de microrganismos (Finstein et al., 1986). Em condições ótimas a compostagem ocorre em três fases: (1) fase mesófila, (2)
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fase termófila, que pode durar dias ou meses, e (3) fase de arrefecimento e maturação que dura alguns meses. A primeira fase é caraterizada pelo aumento de temperatura devido a elevado grau de atividade microbiana e ou de respiração das células vegetais (no início do processo). Os hidratos de carbono simples e as proteínas são facilmente degradados por microrganismos mesófilos, seguidos por microrganismos termo tolerantes e termófilos assim que as temperaturas sobem acima de 45ºC. A segunda fase envolve a biodegradação dos materiais por microrganismos termófilos e é um processo exotérmico em que a temperatura pode ultrapassar os 70ºC. MacGregor et al. (1981) refere que o ótimo de temperaturas de compostagem, para uma máxima decomposição dos materiais, se situa entre os 52 e os 60ºC. Temperaturas superiores a 60ºC revelaram uma diminuição da atividade da comunidade microbiana, uma vez que acima desta temperatura, a atividade microbiológica decresce assim que o ponto ótimo dos microrganismos termófilos é ultrapassado (Miller, 1992); contudo, após o arrefecimento do compostado as bactérias mesófilas e actinomicetes dominam novamente (McKinley e Vestal, 1985; Strom, 1985). Caso as temperaturas atinjam 82ºC, a atividade da comunidade microbiológica é severamente impedida (Nell e Wiechers, 1978; Finstein et al., 1986; Fermor et al., 1989).
A manutenção de temperaturas elevadas por períodos muito prolongados (superiores a sete dias) terá como consequência uma mineralização excessiva da matéria orgânica e poderá eliminar, da mistura a compostar, microrganismos úteis para as fases seguintes do processo (Morais et al., 2001). Valores elevados são essenciais para maximizar a eficiência de decomposição e higienização dos materiais, sendo que a eficiência da compostagem na eliminação de patogénicos e sementes está diretamente ligada á duração da fase termófila e tecnologia empregue (ABES, 1999; Andreoli et al., 1997).
A compostagem tem também uma terceira fase de maturação que é caracterizada por baixas temperaturas. A fase de maturação envolve ainda a biodegradação de compostos intermédios e pode durar várias semanas até á sua conclusão.
Granulometria e porosidade
A distribuição do tamanho das partículas determina a disponibilidade de superfície de área para a degradação microbiana, sendo que através da redução do tamanho das partículas, uma maior superfície de área fica exposta á ação microbiana (Gray e Biddlestone, 1993). Contudo, Brito (2003) refere que o tamanho das partículas deve estar compreendido entre 1,3
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cm e 7,6 cm, e que se devem adotar sistemas de compostagem com arejamento forçado com valores inferiores a estes, sendo que valores ótimos para o processo de decomposição não devem exceder os 3 cm de diâmetro. Outros autores referem que partículas menores que 2 mm são muito finas, prejudicando o arejamento, enquanto que acima de 16 mm facilitam o arejamento natural (Russo, 2003). Ainda assim, para a compostagem de resíduos orgânicos urbanos, Pereira Neto (1989) recomenda uma granulometria de 20 a 50 mm, por estes valores facilitarem o arejamento ao criarem uma massa por onde passa o ar rico em oxigénio. Desta forma, podemos concluir que não existem parâmetros de análise universais quanto á granulometria adequada para a compostagem, uma vez que é necessário estabelecer uma mistura de materiais com diferentes granulometrias, que permitam uma estrutura uniforme adequada que promova o arejamento e todos os fatores que o influenciem, dado que a decomposição causa o abatimento e a redução de volume do compostado, em que uma maior densidade poderá inibir a atividade microbiana. A matriz estrutural e o teor de água alteram-se de forma dinâmica durante o processo de compostagem, sendo que o processo de decomposição reduz o tamanho das partículas e aumenta a densidade, levando a uma redução na porosidade total (Michel et al. 1996; van Ginkel et al. 1999).
As relações entre fração gasosa, densidade e taxa de respiração microbiana, são diferentes para diferentes substratos, em que cada substrato terá uma diferente mistura de densidades, formas e tamanhos, que irá afetar a configuração da matriz estrutural, trocas gasosas e disponibilidade de água. Vários investigadores têm estudado a relação entre a fração gasosa e o teor de humidade (Oppenheimer et al. 1997), entre a densidade do compostado e o seu estado de decomposição (van Ginkel et al. 1999), e entre o teor de humidade e a densidade do compostado (Das e Keener, 1997; Baker et al. 1998), assim como a relação biológica entre fração gasosa e a taxa de biodegradação (Schulze, 1962; Jeris e Regan, 1973; Zhang, 2000; McCartney e Chen, 2001).
A permeabilidade aumenta com o aumento da fração gasosa e diminui com a densidade do compostado (Agnew e Leonard, 2003; Richard et al., 2004), contudo a relação entre permeabilidade e teor de humidade é complexa. Richard et al. (2004), Calderwood e Intong (1983), Chung et al. (2001) Siebenmorgen e Jindal (1987), referem que a permeabilidade aumenta com o aumento do teor de humidade. Eles sugerem que o teor de humidade promove a agregação das partículas, e assim, o aumento do tamanho das partículas torna os tamanhos dos poros maiores. Finalmente, poros mais largos aumentam a
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permeabilidade. Schulze, (1962); Rynk, (1992); Nappi e Barberis, (1993), referem que a percentagem ótima e mínima de porosidade para a decomposição aeróbia é de 85 a 90%, e 30%, respetivamente. Quanto ao produto final da compostagem obtido, Kiehl (1998), refere que um compostado com granulometria entre 6 mm e 12 mm é muito atrativo aos agricultores.
Valor de pH
A acidez ou alcalinidade do meio influenciam o crescimento dos microrganismos. No início o processo tende a ser ácido, tendendo para o neutro no final. Um pH entre 6.7 e 9 proporciona uma boa atividade microbiana durante a compostagem, sendo que os valores ótimos estão compreendidos entre 5.5 e 8.0 (de Bertoldi et al., 1983; Miller, 1992). Normalmente o pH não é um fator chave na compostagem, dado que a maioria dos materiais estão dentro dos valores acima descritos. Contudo, este fator torna-se especialmente importante no controlo de perdas de N por volatilização de amoníaco, que poderá ser particularmente elevada para valores de pH> 7.5. O enxofre (S) tem sido usado como corretivo de forma a evitar valores excessivamente elevados de pH durante a compostagem (Mari et al., 2005).
Condutividade elétrica
A condutividade elétrica (CE) traduz a concentração de sais solúveis presentes na solução do substrato (Abad et al., 2004), depende da natureza dos produtos iniciais e da lixiviação que eventualmente possa ocorrer durante o processo (Reis, 1997). A condutividade elétrica tende a diminuir com a compostagem. Assim, a incorporação de compostados orgânicos mal maturados no solo aumenta a concentração de sais e logo a sua condutividade elétrica devido à salinidade do compostado (Brito, 2003). O excesso de sais tem efeitos adversos sobre a germinação e sobre a produtividade das culturas, seja diretamente, dificultando a absorção de água e catiões/nutrientes pelas plantas, ou indiretamente, pelo seu efeito dispersante sobre as argilas, causando uma desestruturação do solo e prejudicando a infiltração de água, oxigénio e crescimento de raízes (Tomé, 1997). Kiehl (1998) afirma que a condutividade elétrica é também um indicador do grau de maturação do fertilizante não devendo por isso ultrapassar os 4 dS m-1, contudo a condutividade elétrica mais apropriada para a germinação das sementes e crescimento das plântulas deve estar compreendida entre
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0,75 e 1,99 dS m-1 (no extrato de saturação do substrato) (Abad et al., 2004). No entanto, na Decisão da Comissão 2001/688/CE, de 28 de Agosto, relativa à atribuição de rótulo ecológico europeu aos compostados obtidos em tratamentos biológicos, na qual se discriminam as características do compostado que devem ser cumpridas por forma a poder aderir ao rótulo ecológico, os parâmetros são mais restritos, não devendo um compostado apresentar um valor superior a 1,5 dS m-1.
Em teoria, para maximizar a velocidade de decomposição no processo de compostagem deve proporcionar-se 25 a 30 partes de carbono para cada parte de azoto, níveis de oxigénio superiores a 10%, 50-60% de humidade 85 – 90% de porosidade total e garantir valores de pH entre os 6 e 8.
1.3 Biota envolvido
A compostagem é o processo natural de decomposição e reciclagem de materiais orgânicos num corretivo orgânico húmico pela sucessiva ação de bactérias, fungos, actinomicetas e anelídeos (Farrell e Jones, 2009), sendo este um processo dinâmico levado a cabo por uma rápida sucessão de misturas destas populações.
A descrição dos microrganismos envolvidos no processo de compostagem é complexa, dado que as populações e comunidades alteram-se continuamente em função da evolução da temperatura, disponibilidade de nutrientes, concentração de oxigénio, teor de humidade e pH. O ecossistema envolvido na compostagem é autoinibido devido a altas temperaturas geradas pela acumulação excessiva de calor. Durante a fase termófila, vários grupos microbianos sucedem-se em que cada um está adaptado a um ambiente com uma relativa curta duração. Se um bom arejamento for assegurado de forma contínua, a fase termófila continuará até a produção de calor ser inferior á sua dissipação, devido ao esgotamento de substratos facilmente metabolizados. De seguida, são descritos os microrganismos envolvidos no processo, de acordo com a sua abundância de maior para menor (Kreith, 1994):
Bactérias: Aeróbias/anaeróbicas facultativas. As bactérias desempenham um papel
importante dado que estes são os primeiros microrganismos que iniciam a decomposição de substratos facilmente degradáveis em fases iniciais do processo. As bactérias envolvidas no processo podem suportar uma ampla gama de temperaturas, sendo que, bactérias psicrófilas,
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mesófilas e termófilas são importantes em diferentes fases da compostagem. As bactérias termófilas degradam proteínas, lípidos, hemicelulose e hidratos de carbono. As bactérias mesófilas degradam proteínas e hidratos de carbono facilmente degradáveis.
Actinomicetas: Decompõem compostos aromáticos, esteróis e fenóis, entre outros.
Fungos: A sua importância na compostagem aumenta quando o material fica mais
seco, dado que são mais tolerantes a ambientes mais secos. Estes desempenham um papel importante na decomposição de lenhina e celulose.
Algas/Protozoários/Minhocas e Larvas: O papel mais importante da maioria destes
organismos é a movimentação, mistura e redução da granulometria dos materiais; assim permitem que outros organismos atinjam diferentes locais e ajudam a uma maior homogeneidade no processo. Do carbono total disponível, 80% é usado para reações catabólicas enquanto os restantes 20% são para anabolismo (Bilitewski et al., 1997). Esta é a razão de o processo de compostagem libertar tanta energia sob a forma de calor.
1.4 Vantagens
O uso de compostado como corretivo orgânico tem como benefícios:
Melhoramento das propriedades físicas do solo através da redução da densidade (Biswas e Khosla, 1971);
Aumento da capacidade de retenção de água no solo (Hernando et al., 1989);
Aumento do teor de matéria orgânica do solo (Liang et al., 2003);
Proteção da superfície do solo da água e do vento (Sanderson, 1980);
Promove a agregação das partículas, aumenta o arejamento e impede flutuações rápidas da temperatura do solo (Shiralipour et al., 1992);
Aumento das propriedades químicas do solo, através da retenção de mais nutrientes para as plantas e estabilização do azoto volátil das matérias-primas em grandes partículas proteicas durante a compostagem, reduzindo assim as perdas de N (Terman e Mays, 1973) e fornecendo agentes ativos;
Melhoramento das propriedades biológicas do solo, fornecendo alimento, incentivando o crescimento de microrganismos benéficos e minhocas ajudando
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assim a suprimir determinadas doenças de plantas, doenças do solo e parasitas (Shiralipour et al., 1992);
Redução da quantidade de resíduos que são incinerados ou depositados em aterros assim como a redução de cinzas produzidas;
No geral o processo tem custos inferiores á incineração, contudo os custos de tratamento em unidades altamente sofisticadas, em sistemas de compostagem fechados aproximam-se do processo de incineração;
Reciclagem do húmus e nutrientes no solo;
Preservação de turfeiras naturais, dado que o compostado pode ser utilizado como substituto da turfa;
Papel benéfico dos microrganismos do compostado na bio-remediação (biodegradação de compostos tóxicos e poluentes);
1.5 Desvantagens
As reclamações mais comuns relativas às instalações de compostagem são as perturbações causadas pelos maus odores, o que leva a que se adotem sistemas de compostagem mais dispendiosos (sistemas completamente fechados), em que o ar extraído é purificado através de bio-filtros; contudo, a melhor forma de prevenir a libertação de odores, é a adoção de processos de compostagem com elevado grau de decomposição eliminando assim substâncias putrescíveis o mais rapidamente possível. No entanto, outras desvantagens têm sido observadas no que diz respeito ao processo de compostagem:
Proliferação e dispersão de potenciais microrganismos patogénicos e/ou alergénicos;
Poluição do solo caso a concentração de metais pesados no compostado seja muito elevada;
Contaminação de lençóis freáticos caso a compostagem seja efetuada numa superfície imprópria ou quando as águas de escoamento não são recolhidas;
Problemas no crescimento/desenvolvimento das culturas quando aplicados compostados imaturos ou instáveis, ou com características físico/químicas e químicas impróprias;
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1.6 Característica dos materiais para compostagem
O conhecimento das características dos materiais a compostar é importante para desenhar os sistemas de compostagem. Por exemplo, a combinação de materiais com um elevado teor em proteína (azoto) com materiais celulósicos reduzem o potencial de libertação de odores quando a relação C/N é mais favorável para as populações microbianas.
Materiais com um elevado teor em celulose e lenhina demoram mais tempo a decompor-se, enquanto materiais ricos em açúcares, outros hidratos de carbono e lípidos demoram menos tempo a formar um compostado estável. Os microrganismos degradam em primeiro lugar os materiais como o amido e proteínas, materiais mais lábeis, e só quando estes se esgotam começam a usar outros compostos (Varennes, 2003), mais lentamente disponíveis (Quadro 2).
A combinação de resíduos alimentares ou relva com materiais com um elevado teor em hemicelulose ou celulose reduz o período de compostagem dado que os hidratos de carbono facilmente disponíveis e açúcares presentes nos resíduos alimentares ou relva começam a quebrar rapidamente, e assim aumentam o nível de atividade microbiana.
Quadro 2. Composição de diversos materiais utilizados em compostagem (fonte: Epstein, 1997). Material Proteína (%) Lípidos (%) Hemicelulose (%) Celulose (%) Lignina (%) Madeira de Pinho1 NA NA 26,0 44,0 27,8 Madeira de Bétula1 NA NA 39,0 40,0 19,5 Engaço de uva1 NA NA 30,0 33,4 18,9 Palha de Trigo1 NA NA 28,4 30,5 18,0 Bio-sólidos 37,0 4,7 NA 2,6-10 6,9 Resíduos Alimentares 12-18 9-15 NA 10 NA 1De (Poincelot, 1975)
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1.7 Objetivos da dissertação
O objetivo global deste estudo foi estudar o efeito nas características e propriedades finais dos compostados provocado pela adição de borras de café à compostagem de resíduos de A. dealbata L. e palha. Para tal foram considerados os seguintes objetivos parciais:
a) Determinar o efeito da adição de borras de café no processo de compostagem, conjuntamente com resíduos de A. dealbata L.;
b) Análise das emissões gasosas com a finalidade de caracterizar o processo e obter um indicador de estabilidade do compostado;
c) Avaliar a fitotoxicidade do compostado, pela condução de um teste de germinação de sementes;
d) Determinar a concentração de fitoquímicos;
e) Determinar as qualidades físico-químicas dos compostados e evolução destas durante o processo.
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2. Material e Métodos
2.1 Tratamentos em ensaio e delineamento experimental
Foram realizados 4 tratamentos com misturas variáveis de acordo com a proporção de borras de café de 0, 10, 20 e 40% com base na MS, sendo respetivamente os tratamentos ensaiados o tratamento controlo (C0), tratamento C10, Tratamento C20 e o tratamento C40
(Figura 1), estando descrito no Quadro 3 os dados da relação C/N e de MS de cada tratamento.
Para o ensaio foram utilizadas borras de café provenientes de um estabelecimento comercial e como material estruturante utilizaram-se resíduos de Acacia dealbata L. proveniente dos terrenos do campus da UTAD e palha de trigo.
Figura 1. Misturas efetuadas. a) Tratamento C0 b) Tratamento C10 c)Tratamento C20 d) Tratamento C40
No Quadro 3 apresentam-se as principais caraterísticas físicas e químicas destes materiais com interesse para a definição das misturas a compostar.
Todos os tratamentos foram repetidos em três compostores (N = 3), ficando os quatro tratamentos distribuídos por 12 compostores dispostos aleatoriamente no local de ensaio, um armazém fechado localizado no meio de terrenos agrícolas sendo o ar injetado nos
a)
b)
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compostores recolhido no exterior através de uma tubagem instalada de forma a evitar interferências na leitura das emissões gasosas, quer no processo de compostagem.
Quadro 3. Composição e caraterísticas previstas das misturas efetuadas.
C/N % MS % base MS Razão C/N da mistura % MS da mistura kg materiais frescos para 10 kg de MS Tratamento C0 Café 20 100 0 0 Palha 94,2 87,36 35 4,01 Mimosa 15,1 44 65 14,77 Mistura 30,79 53,25 18,78 Tratamento C10 Café 20 100 10 1 Palha 94,2 87,36 31 3,55 Mimosa 15,1 44 59 13,41 Mistura 29,31 55,69 17,96 Tratamento C20 Café 20 100 20 2 Palha 94,2 87,36 27 3,09 Mimosa 15,1 44 53 12,05 Mistura 28,02 58,36 17,14 Tratamento C40 Café 20 100 40 4 Palha 94,2 87,36 19 2,18 Mimosa 15,1 44 41 9,32 Mistura 25,81 64,54 15,49
2.2 Condução do ensaio
Os compostores foram construídos para que a compostagem decorresse num sistema semifechado com arejamento forçado da mistura e de forma a avaliar as emissões gasosas. Assim, foram modificados reservatórios de plástico de 135 L, nos quais foi introduzido um tubo na parte inferior para a introdução de um fluxo de ar constante, controlado através de caudalímetros. Foi também introduzido um prato de vaso com diversos furos no interior permitindo assim uma distribuição de ar uniforme ao longo de todo o material a compostar e, na tampa dos reservatórios, foram feitos dois furos de forma a permitir a saída de ar e a colocação do tubo do equipamento de amostragem de gases. Por fim, os compostores foram isolados termicamente com recurso a lã de vidro (8 cm de espessura) e plástico permitindo
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assim a manutenção da temperatura do compostado a valores constantes, evitando problemas de arrefecimento que pudessem influenciar o trabalho experimental (Figura 2).
A instalação das bombas de ar e respetivos caudalímetros foram calibrados para 3 L min
-1
após a introdução do material a compostar tendo sido feita uma verificação regular e, sempre que necessário, estes foram ajustados devido à natural alteração da compactação e porosidade do compostado. Foi efetuado um ajuste do caudal de ar para 0,8 L min-1 ao dia 103, quando a temperatura das misturas baixou para valores próximos da temperatura ambiente (início da fase de maturação do compostado), de forma a evitar perdas excessivas de água, mantendo as necessidades de oxigénio dos microrganismos no compostado.
O compostado foi revolvido de forma manual, com o objetivo de misturar e homogeneizar o material a compostar, permitindo também determinar visualmente a distribuição da humidade no compostor e quando necessário verificou-se em laboratório qual o teor de humidade presente em amostras recolhidas e procedeu-se às respetivas correções.
Figura 2. Disposição dos compostores, bombas de ar e caudalímetros no ensaio experimental.
2.3 Recolha do material
As borras de café foram recolhidas num estabelecimento comercial e posteriormente secas em laboratório numa estufa a 65ºC de forma a retirar toda a humidade existente no material e inibir qualquer processo fermentativo ou a ação de microrganismos.
A Acacia dealbata L. foi recolhida no interior do campus da UTAD e posteriormente triturada com recurso a um destroçador florestal assim como a palha que foi triturada com recurso a um moinho de facas.
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A Acacia dealbata L. após a recolha e processamento foi logo de seguida refrigerada e utilizada na mistura algumas horas após a recolha, de forma a evitar a ação dos microrganismos e a alteração das condições iniciais de compostagem calculadas com recurso á análise dos materiais previamente efetuada (Figura 3).
Figura 3. Materiais utilizados neste estudo (café, mimosa e palha)
2.4 Determinação das emissões gasosas
A monitorização das emissões de N2O, CO2 e CH4 foi realizada através de medições
intermitentes com recurso a um analisador foto-acústico (1412 Photoacoustic Field Gas- Monitor, Innova AirTech Instruments, Ballerup, Denmark), equipado com filtros internos para partículas e vapor de água e filtros óticos para o N2O (filtro: UA0985), CO2 (filtro:
UA0982) e CH4 (filtro: UA0969). Para tal, em cada compostor foi colocado na saída de ar um
tubo de Teflon para condução da amostra de ar ao analisador foto-acústico no momento de amostragem. As taxas de emissão de N2O, CO2 e CH4 em cada período de amostragem foram
calculadas descontando a concentração de cada gás no ar admitido em cada compostor. A emissão para cada período de amostragem e a emissão total acumulada, resultou do cálculo das emissões obtidas nas horas em que foram efetuadas as medições, e estimadas para o intervalo entre medições sucessivas. Para isso, foi assumido um valor médio da emissão obtida entre medições sucessivas e multiplicou-se pelo número de horas decorridas entre elas. As leituras das emissões gasosas foram efetuadas previamente á medição de temperaturas, ajuste dos caudalímetros, recolha de amostras ou revolvimento das misturas de forma a não influenciar os dados com a abertura da tampa.
Na análise dos gases, o analisador foto-acústico foi operado em modo manual e feitas correções a potenciais interferências cruzadas na análise entre o CO2 e o N2O e entre o CH4 e
o N2O (Yamulki e Jarvis, 1999). Os limites de deteção deste equipamento são de 0,03, 1,50 e
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2.5 Outras medições
Sempre que foram efetuadas medições das emissões gasosas foi também medida a temperatura através de um termómetro digital nos dias 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 12, 14, 16, 19, 22, 26, 29, 36, 41, 43, 49, 57, 64, 70, 93, 105. Foram também verificados os caudalímetros e realizada a sua calibração sempre que necessário. Nos dias 0, 3, 9, 22, 41, 64, 105 e 156 após o início da compostagem foram recolhidas amostras de cada compostor para determinações analíticas. As amostras recolhidas foram ultracongeladas (-20 °C) (Esala, 1995) a fim de paralisar os processos metabólicos em curso e tornar muito pouco significativos os fenómenos de volatilização de amoníaco e transportadas até aos laboratórios onde se procedeu a análise do teor de humidade, pH, condutividade elétrica, teor de N total, N mineral, N orgânico solúvel em água, C total, C solúvel em água e concentração de nutrientes mais importantes tais como P, K, Ca e Mg. As amostras recolhidas no início (dia 0) e no fim (dia 156) do período de compostagem foram também analisadas para o teor de compostos fenólicos e de taninos totais.
2.6 Análises laboratoriais
A preparação das amostras para análise nos laboratórios da UTAD foi efetuada com recurso a azoto líquido (de forma a evitar a perda de humidade durante o processo e facilitar também a fragmentação do material), no qual foram maceradas pequenas porções num almofariz até perfazer 50 g de amostra. De seguida o material a analisar foi colocado em sacos de congelação hermeticamente fechados sendo depois ultracongeladas a -20ºC. As preparações das amostras para análise de macro/micro elementos e fitoquímicos foram inicialmente desidratadas, sendo depois trituradas e colocadas em frascos PP 125 ml estéreis devidamente identificados.
A análise das amostras foi efetuada no Laboratório de Solos da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro. Recorreram-se às normas europeias (CEN, 1999) para a determinação das diferentes caraterísticas dos materiais.
O pH foi determinado por potenciometria em suspensões 1:5 g de compostado em água.
