Evolução das características físico-químicas e dinâmica dos nutrientes durante
a compostagem da fracção sólida do chorume
Evolução das características físico-químicas e dinâmica dos nutrientes durante
a compostagem da fracção sólida do chorume
Introdução
A fracção sólida do chorume (FSC) é constituída por um material fibroso que,
dentro de certos limites, variáveis com o teor de humidade da FSC, permite a
deslocação de ar para o interior da pilha em compostagem. A entrada de ar
aumenta pela acção do fluxo ascendente provocado pelo calor da compostagem
(Oenema et al., 2001), cuja produção depende da velocidade a que os
microrganismos crescem e actuam. Por sua vez, o crescimento microbiano depende
do teor de humidade, do arejamento, da razão C/N e do sistema de compostagem
utilizado (Tchobanoglous et al., 1993). Por isso, as características físico-
químicas das pilhas de compostagem da FSC são responsáveis pela criação de
condições aeróbias ou anaeróbias que determinam a actividade metabólica, e a
temperatura no seu interior. A dimensão das pilhas influencia o arejamento
devido ao fenómeno de convecção (Michel, 1999); quanto maior a dimensão da
pilha, maior o número de locais no seu interior com anaerobiose. O teor de
oxigénio no interior da pilha determina, também, o tipo de gases azotados que
se formam nas pilhas. As emissões de NH3 em condições de excessivo arejamento,
e de N2O e N2 produzidos por desnitrificação em anaerobiose, prejudicam o
ambiente e diminuem o valor agronómico do compostado final (Hao e Chang, 2001).
As principais causas responsáveis pelas emissões de N durante o processo de
compostagem, para além da intensidade com que se realizam as trocas gasosas com
o exterior, são a baixa razão C/N dos materiais originais, o elevado pH e a
elevada temperatura que ocorre durante a fase termófila (Sommer e Moller, 2000;
Raviv et al., 2004). Para minimizar as perdas de NH3 o pH não deve exceder 8,5
(Tchobanoglous et al., 1993). No entanto, este valor pode ser excedido durante
a compostagem da FSC (Brito et al., 2008) devido ao elevado teor de
bicarbonatos na FSC, os quais, são muito utilizados na alimentação intensiva
dos bovinos. Nestas condições, as perdas de N poderão ser contrariadas pela
ausência de revolvimento das pilhas.
A razão C/N de materiais bem compostados pode variar devido ao tipo de material
original e às condições do processo de compostagem. Por exemplo, enquanto um
decréscimo de uma razão C/N inicial de 35-40 para um valor final de 18-20
normalmente revela um avançado grau de maturação já com materiais ricos em N
(como os dejectos de origem animal ou as lamas de ETAR) poderá começar-se por
uma razão C/N baixa (inferior a 10) e esta tenderá a aumentar devido às perdas
de N serem superiores às de C durante a compostagem (Zucconi e Bertoldi, 1987).
Assim, a razão C/N não pode ser considerada um indicador absoluto do estado de
maturação de um compostado, e terá de ser interpretada sempre de acordo com as
características iniciais dos materiais orgânicos. Contudo, para materiais com
elevada razão C/N inicial (como a FSC), esta pode ser considerada como um
indicador aceitável do grau de decomposição dos mesmos (Larney e Hao, 2007).
Quando a razão C/N diminui durante a compostagem, significa que as perdas de C
são superiores às perdas de N em termos relativos, resultando um aumento no
teor de N na MS. A diminuição da razão C/N e o aumento relativo de N durante a
compostagem de dejectos animais encontra-se bem documentado (Brito et al.,
2008; de Bertoldi e Civilini, 2006). Estudos recentes (Beauchamp et al., 2006;
Hatayama et al., 2005; Schwintzer et al., 2002) sugerem, também, aumentos de N
em termos absolutos em consequência da fixação de N atmosférico por
microrganismos (dos géneros Azotobacter e Pseudomonas) durante a compostagem de
materiais com elevada razão C/N, particularmente quando o teor de NH4+ é baixo
(Cayuela et al., 2009). Simultaneamente, o elevado teor de C disponível permite
aos fixadores obter a grande quantidade de energia necessária para o processo
de fixação (Beauchamp et al., 2006).
Neste trabalho, estudou-se o processo de compostagem da FSC com o objectivo
avaliar a dinâmica dos nutrientes durante este processo e para verificar se
este material, com elevada razão C/N e elevado teor de humidade, pode ser
compostado em pilhas estáticas, sem adição de qualquer material estruturante, e
sem revolvimento das pilhas, de modo a minimizar os custos da compostagem e as
perdas de N por volatilização.
MATERIAL E MÉTODOS
A FSC foi recolhida em duas explorações de pecuária leiteira intensiva, ambas
localizadas no concelho de Vila do Conde, no NW de Portugal. As máquinas
separadoras utilizadas na extracção da FSC baseavam-se na pressão provocada por
um parafuso sem-fim que impulsiona os sólidos para a extremidade frontal da
máquina, enquanto a fracção líquida atravessa um crivo que rodeia o parafuso
sem-fim. Na primeira exploração o rendimento da máquina em FSC foi superior em
trabalho (4 m3 hora-1, FSC1) em comparação com a segunda (1 m3 hora-1, FSC2).
As modalidades de compostagem incluíram: (A) FSC1 em pilha alta (1,7 m de
altura); (B) FSC2 em pilha alta; (C) FSC1 em pilha baixa (1,2 m de altura) e
(D) FSC2 em pilha baixa. As pilhas localizaram-se ao ar livre, sobre uma tela
de cobertura do solo de polietileno e foram cobertas com uma tela de
polipropileno não tecido, tipo geotextil (Toptex), que impede a infiltração da
água da chuva mas possibilita as trocas gasosas com o exterior.
As temperaturas no centro das pilhas e do ambiente exterior foram medidas em
cada minuto com termístores (tipo ST1, Delta-T Devices). A temperatura média do
ar ambiente durante o período experimental foi 14,4 ºC. Realizaram-se nove
colheitas de quatro amostras por cada pilha nos seguintes dias de compostagem:
0, 7, 14, 28, 42, 63, 91, 126 e 168. Recorreram-se às normas europeias para a
determinação das seguintes características: humidade, com base em 50 g de
material original (CEN, 1999a); pH por potenciometria utilizando extractos de
60 cm3 de amostra por 300 ml de água (CEN, 1999b); condutividade eléctrica dos
extractos aquosos obtidos de acordo com a norma do pH (1+5, v/v), após
filtragem (CEN, 1999c), com um condutivímetro; matéria orgânica (MO) por
calcinação numa mufla a 550°C durante 4 horas (CEN, 1999d); e azoto (N)
Kjeldahl modificado (CEN, 2001). A concentração de carbono total, destinado ao
cálculo da relação C/N, foi determinada pela fracção entre a concentração da
matéria orgânica e a constante 1,8 (Gonçalves e Baptista, 2001).
A mineralização da MO foi estimada com base nas perdas de MO que foram
calculadas pela seguinte fórmula:
Perdas MO (g kg-1)=1000'1000[X1(1000'X2)]/[X2(1000'X1)]
em que X1 e X2 representam a percentagem de cinzas (g kg-1), respectivamente,
no início e no fim de cada período de compostagem (Paredes et al., 2000).
Parte das amostras foram congeladas imediatamente após a colheita, para a
determinação do azoto mineral, após extracção com KCl 2M (1:5), por
espectrofotometria de absorção molecular (Houba et al., 1995), após diálise, em
autoanalisador de fluxo segmentado. Para a extracção dos nutrientes utilizou-se
uma digestão sulfúrica para o P total e uma digestão nitro-perclórica para K e
Ca. O P nos digeridos foi determinado por espectrofotometria de absorção
molecular, o K por espectrofotometria de emissão de chama e o Ca por
espectrofotometria de absorção atómica.
Utilizou-se o método de Levenberg-Marquardt na análise de regressão e o método
da menor diferença significativa (P <0,05) para comparar as médias dos
parâmetros químicos analisados, recorrendo-se ao programa SPSS v. 15.0. (SPSS
Inc.).
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A fase termófila (> 50ºC) da compostagem iniciou-se pouco tempo depois da
construção das pilhas altas (Figura 1), mais lentamente na pilha A, e
prolongou-se por quatro meses nesta pilha e por dois meses na pilha B. As
temperaturas máximas registadas durante a compostagem foram 64 ºC e 62 ºC,
respectivamente nas pilhas A e B. Nestas pilhas, a temperatura permaneceu acima
dos 55 ºC por um período superior a 15 dias o que deverá ter garantido a
higienização do compostado final de acordo com Wu e Smith (1999). Nas pilhas
baixas as temperaturas permaneceram acima dos 45 ºC por um período de 21-35
dias (Figura 1) mas só foram superiores a 50 ºC num período de tempo muito
reduzido em que atingiram a temperatura máxima de 52 ºC. Devido à fácil
degradação da MO da FSC verificou-se que, mesmo nestas pilhas de pequena
dimensão, foi possível alcançar uma subida rápida das temperaturas no seu
interior, as quais, terão acelerado a hidrólise das principais moléculas
estruturantes da FSC. Contudo, poderão não ter garantido a higienização e a
perda de viabilidade das sementes de infestantes do compostado final.
Figura 1 - Temperatura (ºC) durante a compostagem da fracção sólida do chorume
em pilhas altas com separação rápida (A) e lenta (B) e em pilhas baixas com
separação rápida (C) e lenta (D). Ta representa a temperatura do ar ambiente.
O aumento da temperatura com a dimensão das pilhas poderá ser explicado pela
menor superfície específica das pilhas de maior dimensão, que terá contribuído
para diminuir a dissipação de calor por unidade de massa da FSC e conservar o
calor no interior das pilhas. Na generalidade das pilhas, a temperatura diminui
para valores pouco superiores à temperatura do ambiente exterior ao fim de 3-
5 meses, indicando o fim do período mais activo da compostagem, sem prejuízo da
existência de um período mais prolongado de maturação do compostado. A fase
termófila foi mais prolongada com a FSC1 que teve um teor de humidade
geralmente mais elevado nos primeiros 42 dias de compostagem em comparação com
a FSC2 (Quadro 1). No entanto, o teor de humidade da FSC após 63 dias de
compostagem dependeu mais da dimensão das pilhas do que da origem da FSC.
Quadro 1 - Teor de humidade (%) durante a compostagem da FSC em pilhas altas
com separação rápida (A) e lenta (B) e em pilhas baixas com separação rápida
(C) e lenta (D).
A evaporação foi superior nas pilhas altas, que alcançaram temperaturas mais
elevadas, nas quais o teor de humidade diminuiu durante a compostagem para
valores finais de 36-46%, enquanto o teor humidade nos compostados finais das
pilhas baixas foi de 67-72%. Assim, conclui-se que as pilhas mais altas são
recomendáveis para elevar as temperaturas durante a compostagem.
O pH nas pilhas de compostagem foi sempre alcalino variando entre valores de
8,7-9,2 no início da compostagem e de 7,1-9,9 no final do processo (Quadro 2).
Não se observaram diferenças consistentes de pH ao longo do tempo de
compostagem, ou em função do rendimento de separação da FSC ou da dimensão das
pilhas, com a excepção de uma ligeira diminuição de pH no final da compostagem
nas pilhas baixas e que poderá estar relacionada com uma taxa de nitrificação
mais elevada nestas pilhas (Figura 2). Angelidaki e Ahring (1993) também não
encontraram grandes alterações de pH durante a digestão do chorume bovino e
referiram que tal foi devido ao elevado poder tampão do material.
Quadro 2 - pH durante a compostagem da FSC em pilhas altas com separação rápida
(A) e lenta (B) e em pilhas baixas com separação rápida (C) e lenta (D).
Figura_2 ' N-Amoniacal (N-NH4+) e N-Nítrico (N-NO3-) (g kg-1 MS) durante a
compostagem da FSC em pilhas altas com separação rápida (A) e lenta (B) e em
pilhas baixas com separação rápida (C) e lenta (D). As barras do erro indicam o
desvio padrão da média.
A elevada concentração de sais pode ser fitotóxica e, por isso, a baixa
condutividade eléctrica (CE) é um indicador da segurança do compostado para uso
agrícola. Durante a compostagem, a CE dos extractos aquosos variou entre 1,6 e
2,4 dS m-1 para o conjunto das pilhas (Quadro 3), sendo inferior nos
compostados finais (0,6-1,4 dS m-1) onde nunca alcançou o valor de 3 dS m -
1 referido por Soumaré et al. (2002) como limite para um compostado ser
aplicado ao solo como correctivo orgânico. Apesar da mineralização da MO
durante a compostagem, a diminuição da CE foi já observada em experiências
anteriores (Benito et al., 2009; Grigatti et al., 2011; Khalil et al., 2007;
Rashad et al., 2011). A diminuição nos valores de CE pode ser atribuída à
redução de substâncias solúveis em água e à volatilização de amónia, bem como à
precipitação de sais minerais durante o processo de compostagem (Rashad et al.,
2011).
Quadro 3 - Condutividade eléctrica (dS m-1) durante a compostagem da fracção
sólida do chorume (FS) em pilhas altas com separação rápida (A) e lenta (B) e
em pilhas baixas com separação rápida (C) e lenta (D).
O teor de MO da FSC diminuiu desde um valor médio de 919 g kg-1 MS no início da
compostagem até um valor médio de 822 g kg-1 MS no final dos 168 dias de
compostagem. O valor mais baixo de MO (772 g kg-1 MS) foi alcançado na pilha C.
Mais de metade das perdas de MO das pilhas ocorreu num período de 91 a 126 dias
de compostagem (Quadro 4) e mais de 450 g kg-1 foram mineralizadas em apenas 2
meses, excepto na pilha C. No final da compostagem, a mineralização ultrapassou
os 500 g kg-1 em todas as pilhas e alcançou os valores mais elevados nas pilhas
de menor dimensão, respectivamente de 605 g kg-1 na pilha D e 661 g kg-1 na
pilha C.
Quadro 4 - Perdas de MO (g kg-1 MS) durante a compostagem da FSC em pilhas
altas com separação rápida (A) e lenta (B) e pilhas baixas com separação rápida
(C) e lenta (D).
As perdas de MO durante a compostagem da FSC foram semelhantes às perdas
referidas por Eghball et al. (1997) durante a compostagem de estrume bovino
(460'620 g kg-1 MS) e por Vuorinen e Saharinen (1997) durante a compostagem de
estrume de bovino com palha (620'660 g kg-1 MS), mas foram inferiores às perdas
de 670 g kg-1 MS referidas por Larney e Hao (2007) para um estrume de bovinos
de engorda compostado num digestor aeróbio.
A razão C/N tem sido utilizada como indicador do grau de decomposição dos
materiais orgânicos (Larney e Hao, 2007). Diversos autores apontaram valores da
razão C/N inferiores a 20 como indicadores de uma maturação aceitável (Cardenas
e Wang, 1980; Larney e Hao, 2007). A razão C/N da FSC diminuiu desde valores de
43-55 até valores geralmente inferiores a 20 no final da compostagem, nas
pilhas altas e inferiores a 14 nas pilhas baixas (resultados não apresentados),
parecendo indicar um elevado grau de estabilização do compostado final (Zucconi
e Bertoldi, 1987; Bernal et al., 1998).
O teor de N-NH4+ foi mais elevado durante a fase termófila da compostagem nas
pilhas com a FSC1, provavelmente porque a FSC2 separada mais lentamente teve um
maior contacto com o oxigénio do ar, e foi superior nas pilhas de menor
dimensão que possuíam um teor de humidade mais elevado (Figura_2). Na pilha C o
teor de N-NH4+ alcançou um valor próximo de 6 g kg-1 MS, 28 dias após o início
da compostagem, e diminuiu até valores muito reduzidos após 3 meses de
compostagem. No final da compostagem o teor de N-NH4+ foi inferior a 44 mg kg-
1 MS em qualquer das pilhas, bastante menor que o teor limite de N-NH4+ de 400
mg kg−1 MS sugerido como indicador da estabilização por Zucconi e De Bertoldi
(1987).
O teor de N-NO3- no interior das pilhas foi muito reduzido (< 4 mg kg-1 MS) no
início da compostagem, aumentando significativamente após a fase termófila
(Figura_2). Por isso, será de esperar que nos primeiros 2-3 meses de
compostagem, as perdas de azoto por lixiviação de nitratos, mesmo em pilhas
destapadas, sejam muito reduzidas. Na fase termófila da compostagem, o teor de
N-NO3- foi muito baixo, provavelmente porque o N mineral foi imobilizado pelos
microrganismos no processo de decomposição da matéria orgânica e porque as
temperaturas elevadas não permitem a sobrevivência das bactérias nitrificantes
(Hellmann et al., 1997).
Após 3 meses de compostagem, a concentração de N-NO3- ultrapassou a
concentração de N-NH4+ em todas as pilhas. A nitrificação iniciou-se mais cedo
nas pilhas com separação mais rápida da FSC e a concentração de N-NO3- foi
desde então, muito superior nas pilhas baixas em comparação com as pilhas
altas, o que se pode explicar pelo maior teor de N-NH4+ e pelas maiores taxas
de mineralização da MO que se verificaram nestas pilhas nos meses anteriores. A
razão N-NH4+ / N-NO3- tem sido frequentemente utilizada para avaliar a
maturação dos compostados (Bernal et al., 1998), sendo sugeridos valores <1
(Larney e Hao, 2007) como indicativos de compostados bem estalilizados. Os
compostados da FSC avaliados neste trabalho tiveram uma razão N-NH4+ / N-NO3-
muito inferior a 0,5 o que indica que estavam bem maturados de acordo com o
índice de maturação do CCQC (2001).
Os teores de azoto (N), fósforo (P), potássio (K) e cálcio (Ca) totais da FSC
aumentaram durante a compostagem (Figura 3), em consequência das perdas de MO.
Quando se relacionaram estas perdas com a concentração de nutrientes no
material compostado (Figura 4), verificou-se que a FSC pode ser compostada com
perdas mínimas de nutrientes em pilhas estáticas sem revolvimento, já que as
perdas de MO variaram, aproximadamente entre 1/2 e 2/3, enquanto o teor de
nutrientes aumentou na ordem de um factor de 2 a 3 na MS restante, o que poderá
explicar-se, no caso do N, pela elevada razão C/N da FSC e pelo facto das
pilhas estarem cobertas durante a compostagem o que impediu a lixiviação de N,
e no caso dos restantes nutrientes por não estarem sujeitos à volatilização.
Figura 3 - Teores (g kg-1 MS) de azoto (N), fósforo (P), potássio (K) e cálcio
(Ca) totais durante a compostagem da FSC em pilhas altas com separação rápida
(A) e lenta (B) e em pilhas baixas com separação rápida (C) e lenta (D). As
barras do erro indicam o desvio padrão da média.
Figura_4 - Relação entre o teor dos nutrientes N, P, K e Ca (g kg-1 MS) e o
teor de MO (g kg-1 MS) durante a compostagem da FSC. ***P <0,001.
O teor de N total da FSC aumentou durante a compostagem desde valores iniciais
de 9-12 g kg-1 até valores de 24-27 g kg-1 nos compostados finais nas pilhas
baixas e 32-40 g kg-1 nas pilhas altas. No final da compostagem, o teor de N
total no compostado foi, em todas as pilhas, muito superior à concentração de N
da maioria dos compostados comerciais produzidos em climas quentes (15 g kg-
1 MS) referido por Hadas e Portnoy (1997).
A concentração de nutrientes durante a compostagem esteve associada às perdas
de MO, verificando-se uma relação positiva muito forte entre o aumento no teor
de nutrientes e a diminuição da MO. A regressão linear entre o teor de
nutrientes e o teor de MO (Figura_4) revelou coeficientes de regressão sempre
muito significativos (P <0,001), que diminuíram pela seguinte ordem: N, Ca, P,
K. Estes resultados indicam que estes nutrientes tendem a conservar-se durante
a compostagem, aumentando nos compostados finais em função da degradação da MO
e consequente perda de carbono na forma de CO2, o que é vantajoso do ponto de
vista agronómico. Os elevados teores de MO (772-856 g kg-1), N (24-40 g kg-1),
P (4-7 g kg-1), K (11-15 g kg-1) e Ca (13-21 g kg-1) referentes à matéria seca,
e a baixa condutividade eléctrica (0,6-1,4 dS m-1), sugerem que os compostados
da FSC são apropriados como correctivos orgânicos.
CONCLUSÕES
A compostagem da FSC pode ser realizada em pilhas estática sem revolvimento, o
que diminui os custos da compostagem e a emissão de gases azotados para a
atmosfera, conservando o N no compostado final. Enquanto a compostagem da FSC
em pilhas altas poderá garantir a higienização do compostado e a eliminação das
sementes viáveis de infestantes, o mesmo poderá não ser conseguido em pilhas
baixas, com maior superfície específica. As temperaturas mais elevadas das
pilhas altas promovem a secagem da FSC em comparação com as pilhas baixas, o
que é vantajoso para o transporte e manuseamento do compostado.
A CE da FSC durante a compostagem e nos compostados finais é inferior ao limite
para um compostado ser aplicado ao solo como correctivo orgânico. O elevado pH
da FSC contribui para a protólise do amoníaco e para as perdas potenciais de N
por volatilização, mas estas poderão ser contrariadas quando não se procede ao
revolvimento das pilhas. As taxas de mineralização da MO, estimadas com base
nas perdas de MO durante a compostagem, variaram entre 520 e 660 g kg-1 MS e a
razão C/N diminuiu de valores iniciais de 43-51 para 11-20 no final da
compostagem, indicando um grau aceitável de estabilização.
Os compostados apresentaram-se bem maturados de acordo com os baixos teores de
N amoniacal (< 50 mg kg-1 MS), os elevados teores de N nítrico (> 650 mg kg-
1 MS), os baixos valores da razão C/N em relação aos valores iniciais e as
baixas temperaturas no final da compostagem. As concentrações de N, P, K e Ca
aumentaram proporcionalmente à redução de MO, sendo estes aumentos vantajosos
para a valorização agronómica do compostado.
