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RAFAEL JOSÉ CAMPANER ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA DE UMA USINA DE COMPOSTAGEM EM LEIRAS COM AERAÇÃO FORÇADA Londrina 2017 RAFAEL JOSÉ CAMPANER ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA DE UMA USINA DE COMPOSTAGEM EM LEIRAS COM AERAÇÃO FORÇADA Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Departamento de Agronomia da Universidade Estadual de Londrina, como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro Agrônomo. Orientador: Prof. Dr. Efraim Rodrigues Londrina 2017 RAFAEL JOSÉ CAMPANER ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA DE UMA USINA DE COMPOSTAGEM EM LEIRAS COM AERAÇÃO FORÇADA Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Departamento de Agronomia da Universidade Estadual de Londrina, como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro Agrônomo. BANCA EXAMINADORA ____________________________________ Orientador: Prof. Dr. Efraim Rodrigues Universidade Estadual de Londrina - UEL ____________________________________ Prof. Dr. Adilson Luiz Seifert Universidade Estadual de Londrina - UEL ____________________________________ Prof. Dr. Eli Carlos de Oliveira Universidade Estadual de Londrina - UEL Londrina, _____de ___________de _____. AGRADECIMENTO Agradeço primeiramente a meu irmão Olívio por ser meu exemplo, e modelo a seguir para ser uma pessoa melhor. A meus pais e meu irmão Fernando por estarem sempre do meu lado e fazer da convivência em família absolutamente agradável. A minha psicóloga Angélica por ser um conforto para que eu terminasse esta tarefa a princípio aparentemente interminável. Agradeço também a meus mestres que passaram pela minha formação e engrandeceram meu conhecimento durante esta jornada. “Na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma.” Antoine Laurent de Lavoisier (1743-1794). CAMPANER, Rafael José. Análise de viabilidade econômica de uma usina de compostagem em leiras com aeração forçada. 2017. 79 p. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Agronomia) – Universidade Estadual de Londrina, Londrina, 2017. Resumo O trabalho teve como objetivo realizar uma análise de viabilidade econômica de um usina de compostagem. A compostagem é uma forma de ciclagem de nutrientes, devolvendo ao solo os nutriente retirados pela atividade agropecuária. Porém mais do que isso, o composto orgânico (produto da compostagem) tem uma função estrutural muito importante no solo, melhorando suas características físicas, químicas, físico-químicas e biológicas. A compostagem pode ser realizada através de vários métodos. Para este trabalho foi escolhido o método de leiras com aeração forçada. Para realização da análise de viabilidade econômica, foi necessário estimar a receita. Esta foi determinada de três modos. No primeiro, foi feita uma média do gasto com adubação mineral de produtores. Considerando que a adubação orgânica tem potencial para reduzir os gastos com adubação, foi estimado que o custo do composto orgânica deveria ser igual à redução de gastos relatados na literatura. A receita obtida foi de R$ 95.160,00 ao ano, valor que não foi capaz de superar os custos anuais de produção estimados em R$ 149.413,48 ao ano. Como consequência, através do método de análise do Valor Presente Líquido (VPL), o projeto com esta premissa foi recusado. O segundo modo de estimar a receita foi, por tentativa e erro, encontrar qual o preço mínimo do produto que faz com que o VPL seja positivo, fazendo com que o projeto seja aceito. Este valor foi de R$102,92 por tonelada. O terceiro método de determinação da receita para a análise é utilizando o preço praticado no mercado de composto orgânico. O valor considerado para análise foi de R$ 135,00 t-1 de composto. A este preço a receita esperada seria de R$ 351.000,00 ao ano e o VPL ao término da análise seria R$ 521.809,62. Pelo método do PBD (Paback descontado) foi estimado que no ano 4,93 o projeto tem capacidade de pagar o capital investido, considerando a taxa de remuneração do capital como 6% ao ano. A taxa interna de retorno (TIR) indica qual a taxa de retorno do capital investido ao final do projeto. A TIR, pelo terceiro método de determinação de renda foi de 20%. Tanto o PBD, como o VPL e a TIR deste método de estimativa da receita, atendem os requisitos para aceitação do projeto. Palavras-Chave: Nutrientes, Composto orgânico, Valor Present Líquido, Payback Descontado, Taxa Interna de Retorno. CAMPANER, Rafael José. Economical feasibility analysis of an aerated pile Composting Plant. 2017. 79 p. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Agronomia) – Universidade Estadual de Londrina, Londrina, 2017. Abstract This paper aims to make a feasibility analysis of a composting plant. Composting is a way of giving back to the soil the nutrients that were taken by agricultural activity. But beyond that, the organic compost has a very important structural function in the soil, improving its physical, chemical, physico-chemical and biological characteristics. Composting may be done through several methods. The aerated pile method was choosen for this analysis. For the economical feasibility analysis it is needed to estimate the revenue. It was determined by three diferent ways. The first one consists on determining an average spent of mineral fertilizer by farmers. Considering the potential of the organic fertilization of reducing the expenditure in fertilization, it was estimated that the price of the organic compost should be equal to the reduction in costs present in the literature. The obtained revenue was R$ 95.160,00 each year. Such value was not able to overcome the annual production cost estimated in R$ 149.413,48 per year. As a consequence, by the Liquid Present Value (LPV) anlysis method the project with this premiss was refused. The second method to estimate the revenue is, by trial an error, to find which is the minimum product price that makes the LPV be positive, which accepts the project. The value was R$ 102,92 per metric ton. The third method to determine the revenue for the analysis is using the price that is usually seen in the organic compost market. The value considered for analysis is R$ 135,00 t-1 of compost. At this price the revenue would be R$ 351.000,00 per year and LPV at the end of the analysis would be R$ 521.809,62. By the Payback method, it was estimated that in the year 4,58 the project has the capacity of paying the invested capital, considering an interest rate of 6% per year. The internal return reate (IRR) indicates what is the rate in which the project returns to the invested capital. The IRR, by the third method of revenue determination was 20%. The Payback method, alonside the LPV and IRR methods applied in this revenue estimation method achieve the requisites for the project to be accepted. Key words: Composting, Feasibility, Liquid Present Value, Payback, Internal Return Rate. LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 – Esquema prático de uma leira estática com aeração forçada. ................ 33 Figura 2 – Esquema representando a formatação do pátio de compostagem. .........50 Figura 3 – Esquema representando o armazém de composto e matéria prima. ...... 53 LISTA DE TABELAS Tabela 1 – Concentração média de N, P2O5 e K2O e teor de matéria seca de materiais orgânicos de origem animal ....................................................................... 36 Tabela 2 – Teor de nutrientes de acordo com o teor de sólidos em dejetos de suínos compostados ............................................................................................................. 37 Tabela 3 – Exemplo de exportação de nutrientes em função da produtividade esperada de algumas culturas .................................................................................. 37 Tabela 4 – Critérios de controle de qualidade de um composto orgânico produzido a partir de lixo orgânico municipal ................................................................................ 39 Tabela 5 – Níveis máximos de tolerância a metais pesados e composto orgânico de Lixo urbano. Valores em mg kg-1 de composto seco a 65 °C .................................. 40 Tabela 6 – Parâmetros A e B da equação de Shedd para diferentes agentes estruturantes quando submetidos à compostagem com cama de frango na proporção 60:40, respectivamente ............................................................................................ 46 Tabela 7 – Carga diária necessária, distância da usina até o ponto de coleta e o tempo de percurso em minutos de cada um dos materiais utilizados como matéria- prima ........................................................................................................................ 48 Tabela 8 – Ferramentas e EPI necessárias para as operações manuais ................ 50 Tabela 9 – Dados para cálculo das dimensões do barracão ................................... 55 Tabela 10 – Tabela para pagamento de taxas, para empresas de porte médio, segundo a Lei Estadual do Paraná .......................................................................... 56 Tabela 11 – Parâmetros utilizados para o cálculo do dimensionamento das leiras de compostagem ........................................................................................................... 63 Tabela 12 – Área total do pátio, valores calculados através das equações 1 a 12 .. 64 Tabela 13 – Encargos salariais a serem pagos para os funcionários contratados .. 64 Tabela 14 – Itens e preços dos componentes do sistema de irrigação ................... 65 Tabela 15 – Dimensões do barracão de armazenamento ....................................... 65 Tabela 16 – Detalhamento dos gastos de implantação da usina de compostagem. 66 Tabela 17 – Custos operacionais de produção ........................................................ 67 Tabela 18 – Cálculo de depreciação de máquinas e benfeitorias ............................ 68 Tabela 19 – Estimativa de preço do produto baseado no gasto médio com adubos na região .................................................................................................................. 69 Tabela 20 – Custo total de produção incluindo o imposto de renda, para o método de estimativa de receita baseado no gasto médio com adubação dos produtores da região ....................................................................................................................... 69 Tabela 21 – Fluxo de caixa estimado a partir do método da receita baseado nos gastos médios com adubos ...................................................................................... 70 Tabela 22 – Preço mínimo do produto para que o projeto seja aceito ..................... 71 Tabela 23 – Custo de produção incluindo o imposto sobre a renda pelo método da receita mínima .......................................................................................................... 71 Tabela 24 – Fluxo de caixa estimado pelo método da receita mínima. ................... 72 Tabela 25 – Receita esperada pelo método do preço de mercado .......................... 73 Tabela 26 – Custo total de produção incluindo o imposto de renda, pelo método do preço de mercado .................................................................................................... 73 Tabela 27 – Fluxo de caixa estimado pelo método do preço praticado ................... 74 Tabela 28 – Comparação entre o gasto médio com adubação convencional e o gasto com o produto estipulado pelo preço de mercado .......................................... 75 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas EPA Environment protection agency, Agência de proteção ambiental. h Horas ha Hectares l Litros L Medida analítica de comprimento M Medida analítica de massa m Metros min Minutos PBD Payback descontado RSU Resíduos sólidos urbanos s Segundos T Medida analítica de tempo t Toneladas TIR Taxa Interna de Retorno VPL Valor Presente Líquido SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO .......................................................................................... 12 1.1 DEFINIÇÃO E HISTÓRICO ............................................................................... 12 1.2 OBJETIVO GERAL ......................................................................................... 14 1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................. 14 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ..................................................................... 15 2.1 RAZÕES PARA UTILIZAÇÃO DO COMPOSTO ORGÂNICO...................................... 15 2.1.1 Propriedades Físicas do Solo ................................................................... 15 2.1.1.1 Densidade aparente .................................................................................. 15 2.1.1.2 Estrutura .................................................................................................... 16 2.1.1.3 Aeração ..................................................................................................... 16 2.1.1.4 Temperatura .............................................................................................. 17 2.1.2 Retenção de Água no Solo ....................................................................... 17 2.1.3 Macronutrientes de Plantas ....................................................................... 18 2.1.3.1 Nitrogênio .................................................................................................. 18 2.1.3.2 Fósforo ...................................................................................................... 19 2.1.3.3 Enxofre ...................................................................................................... 21 2.1.3.4 Cálcio, Magnésio e Potássio ..................................................................... 21 2.1.4 Micronutrientes de Plantas ........................................................................ 21 2.1.5 Poder de Tamponamento da Matéria Orgânica e pH do Solo ................... 23 2.1.6 Propriedades Físico-químicas do Solo ...................................................... 23 2.1.7 Propriedades Biológicas ............................................................................ 24 2.1.8 Salinidade do Solo .................................................................................... 25 2.2 FUNDAMENTOS DA COMPOSTAGEM ............................................................... 26 2.2.1 Aeração ..................................................................................................... 26 2.2.2 Temperatura ..............................................................................................27 2.2.3 Umidade .................................................................................................... 28 2.2.4 Relação C/N .............................................................................................. 29 2.2.5 pH .............................................................................................................. 30 2.2.6 Estrutura .................................................................................................... 31 2.2.7 Microrganismos e Microbiologia ................................................................ 31 2.3 SISTEMAS DE COMPOSTAGEM ...................................................................... 32 2.3.1 Sistema de Leiras Revolvidas ................................................................... 32 2.3.2 Sistema de Leiras Estáticas Aeradas ........................................................ 33 2.4 PRINCIPAIS MATÉRIAS-PRIMAS PARA UM COMPOSTO DE BOA QUALIDADE AGRONÔMICA .............................................................................................. 35 2.4.1 Casca de café ........................................................................................... 35 2.4.2 Estercos animais ....................................................................................... 35 2.4.3 Resíduos sólidos urbanos ......................................................................... 38 3 METODOLOGIA ....................................................................................... 42 3.1 DIMENSIONAMENTO DA USINA DE COMPOSTAGEM ........................................... 42 3.1.1 Determinação da Matéria Prima e Sistema de Compostagem .................. 42 3.1.2 Determinação da Potência do Ventilador .................................................. 43 3.1.3 Dimensionamento das Leiras de Compostagem ....................................... 46 3.1.4 Determinação da Demanda ...................................................................... 46 3.1.5 Determinação dos Maquinários e Ferramentas Necessárias .................... 47 3.1.6 Dimensionamento do Pátio e Barracão de Proteção Pluvial ..................... 50 3.1.7 Determinação da Mão de Obra ................................................................. 53 3.1.8 Sistema de Captação de Efluentes e Irrigação ......................................... 53 3.1.9 Dimensionamento do Barracão de Armazenamento ................................. 54 3.1.10 Licenciamento Ambiental .......................................................................... 55 3.2 ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA............................................................. 56 3.2.1 Custos de Implantação, Investimento Inicial ............................................. 56 3.2.2 Fluxo de Caixa Anual ................................................................................ 56 3.2.2.1 Eletricidade e água .................................................................................... 57 3.2.2.2 Combustível .............................................................................................. 57 3.2.2.3 Conservação e reparo ............................................................................... 57 3.2.2.4 Imposto sobre a renda .............................................................................. 58 3.2.3 Determinação das Receitas ...................................................................... 59 3.2.4 Modelo Payback Descontado (PBD) ......................................................... 60 3.2.5 Modelo do Valor Presente Líquido (VPL) .................................................. 62 3.2.6 Taxa Interna de Retorno (TIR) .................................................................. 62 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................................ 63 4.1 DIMENSIONAMENTO DA USINA ....................................................................... 63 4.2 VIABILIDADE ECONÔMICA .............................................................................. 67 4.2.1 Primeiro método de determinação da receita: Gasto Médio com adubos minerais ..................................................................................................... 69 4.2.2 Segundo método de determinação da receita: Preço mínimo do composto para que o projeto seja aceito. .................................................................. 71 4.2.3 Terceiro método de determinação da receita: Preço de composto usualmente praticado no mercado. ........................................................... 73 5 CONCLUSÃO ........................................................................................... 76 REFERÊNCIAS ..................................................................................... 78 12 1 INTRODUÇÃO 1.1 DEFINIÇÃO E HISTÓRICO Compostagem é definida por Fernandes e Silva (1999) como o conjunto de reações que ocorrem em certo material de origem biológica. São reações de oxidação feitas por microrganismos em um ambiente aeróbio e que liberam energia. O substrato para a compostagem geralmente é heterogêneo e feito com material no estado sólido. Essas reações caracterizam-se pela produção de CO2, água e pela liberação das substâncias minerais presentes nas células e compostos orgânicos. Além disso, a matéria orgânica produzida torna-se estável. A adição de material orgânico não compostado no solo causa uma série de complicações tanto na química quanto na física e biologia do solo. Por isso, a estabilização da matéria orgânica se mostra tão necessária para a sua utilização na agricultura. Como Albert Howard (1873-1947), considerado pai da agricultura orgânica descreve, uma cultura adicionada de material orgânico verde empobrece a solução do solo, contamina sua atmosfera e exaure sua umidade. O húmus, principal produto da compostagem, exerce influência favorável na lavoura, na capacidade de retenção de água e temperatura do solo. As propriedades biológicas do húmus oferecem não só um habitat apropriado para os microrganismos como também são fonte de nitrogênio e nutrientes minerais. Além disso, os ácidos orgânicos fracos presentes na matéria orgânica decomposta alteram a reação geral do solo, combinando-se com várias bases e sais do solo (HOWARD, 1935). Estes ácidos orgânicos fracos funcionam como tampões no solo, retendo bases além de evitar o efeito de dispersão das partículas de argila. A legislação vigente que regulamenta a produção e comercialização de fertilizantes no Brasil é o anexo ao decreto nº 4.954, de 14 de janeiro de 2004, que regulamenta a Lei n° 6.894, de 16 de dezembro de 1980. Nele, a definição de fertilizantes orgânicos é: “produto de natureza fundamentalmente orgânica, obtido por processo físico, químico, físico-químico ou bioquímico, natural ou controlado, a partir de matérias-primas de origem industrial, urbana ou rural, vegetal ou animal, enriquecido ou não de nutrientes minerais”. Neste sentido, o produto denominado “fertilizante orgânico” pode ser ou não adicionado de nutrientes minerais. Para fertilizantes exclusivamente orgânicos, ou seja, provenientes de resíduos exclusivamente biológicos, a legislação toma a expressão: “fertilizante orgânico 13 simples”. Este termo difere-se, do produto denominado “fertilizante organomineral” cuja definição é: “produto resultante da mistura física ou combinação de fertilizantes minerais e orgânicos”. É importante salientar aqui a diferença de nomenclatura entre matéria orgânica, material orgânico e composto orgânico. Na literatura especializada, assim como neste trabalho, o verbete “matéria orgânica” é usado para definir as moléculas ativas no soloque têm participação nas suas propriedades físicas, químicas, biológicas e físico-químicas (BRAIDA et al. 2011). São as partículas húmicas, como o ácido húmico e o ácido fúlvico. Em contrapartida, material orgânico diz respeito a um material de origem biológica, e que está sujeito a decomposição, tal como estrume de gado, palha de restos vegetais e resíduo sólido urbano. Por composto orgânico entenda-se o preparado de material orgânico já fermentado e pronto para ser adicionado à lavoura. A compostagem é um método de se obter um material de qualidade no solo, semelhante ao processo natural que ocorre em florestas. A diferença é que são dadas as condições para que o processo seja acelerado. No século XIX, na Europa, era conhecido um método de preparação de adubo orgânico chamado de “nitreira”. Era um método rústico e simples, sem nenhuma técnica especializada e consistia simplesmente de uma pilha onde eram colocados os materiais de origem animal para se decomporem e, posteriormente, serem usados como adubo nas plantações. Tinham esse nome por causa do ciclo do nitrogênio, que o faz passar de sua forma orgânica, tornando-se amônia e depois nitrito e nitrato. A função de transformar o nitrogênio orgânico em nitrato é que dava o nome às nitreiras (KIEHL, 1985). No início do século XX, o fitopatologista inglês sir Albert Howard, através de suas publicações, tornou famoso o método de fabricação de composto orgânico conhecido mundialmente como método ou processo Indore. Foi na cidade de Indore, na Índia, que Howard estudou e aprimorou uma técnica que os nativos praticavam de forma empírica para obter adubo de alta qualidade. Em sua publicação de 1935, “The manufacture of humus by the Indore process”, Howard explica as formulações de vários tipos de compostos, as adequações para várias culturas, e os resultados considerados por ele “incríveis (amazing)” em vários locais nas proximidades de 14 Indore, na África e na Europa com relatos de produtores europeus que utilizaram o processo na época. Hoje em dia, pensa-se em adubação orgânica como uma alternativa, já que o modo mais convencional é a aplicação de adubos minerais. Adubos orgânicos são tão necessários na agricultura de modo geral, quanto a adubação química comum. Porém não se é dado o devido valor a este tipo de material, por causa da falta de conhecimento quanto à necessidade de matéria orgânica no solo. Talvez, o barateamento deste produto através da produção em grande escala, aumente a demanda por este material. 1.2 OBJETIVO GERAL O objetivo deste trabalho foi analisar os custos de produção de compostagem de material orgânico, testando assim a viabilidade de um negócio nesse ramo. 1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS a) Buscar na bibliografia informação que favoreça adesão à prática de aplicação de adubos orgânicos na agricultura; b) Definir o material a ser utilizado como matéria prima e o método mais adequado, que tenha baixo custo e ao mesmo tempo alta eficiência; c) Definir a quantidade de composto a ser produzido, para atender uma demanda hipotética de produtores, no município de Rolândia; d) Dimensionar uma usina de compostagem e calcular todos os gastos iniciais necessários e no decorrer da atividade, testando a viabilidade do negócio. 15 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 RAZÕES PARA UTILIZAÇÃO DO COMPOSTO ORGÂNICO Pensando no modo como é realizada a agricultura, o objetivo é produzir cada vez mais, já que as lavouras são praticamente todas empresas rurais, e visam acima de tudo o lucro na sua atividade. Além disso, usam de todos os meios para baratear os custos de produção, que afetam diretamente o rendimento de qualquer empresa. Portanto, pode-se dizer que o importante é produzir mais, gastando menos. Ao contrário do que se pensa no senso comum, a adubação orgânica pode sim aumentar a produtividade e ao mesmo tempo reduzir os custos de produção. Além disso, ela traz benefícios imensuráveis, em termos financeiros, e também pode ajudar a preservar o meio ambiente, melhorando o agroecossistema. 2.1.1 Propriedades Físicas do Solo A compactação do solo, com certeza, é um dos maiores problemas do norte do Paraná, região formada por solos basálticos ricos em argila. O uso indiscriminado de máquinas agrícolas é o fator mais importante para o surgimento da compactação na camada subsuperficial do solo na região. Com a implementação do método do plantio direto na palha, o problema da compactação foi amenizado, primeiramente pela diminuição do tráfego de máquinas na lavoura. Mas o protagonista da diminuição da compactação é a matéria orgânica remanescente no solo entre uma cultura e outra. O húmus no solo funciona como uma partícula coloidal, e se liga às partículas de argila para formar o chamado complexo coloidal argilo-húmico, que também tem função estrutural (KIEHL, 1985). Por isso, alguns autores costumam classificar a matéria orgânica mais como melhoradora do solo, do que como fertilizante fonte de nutrientes de plantas. Ela apresenta várias características apreciáveis na melhoria das características físicas do solo. 2.1.1.1 Densidade aparente Refere-se à relação entre a massa de uma amostra seca a 110 °C e seu volume aparente, ou seja, soma do volume ocupado pelas partículas e poros do solo. Solos com densidade aparente superior a 1,9 g cm-3 inibem a emergência de plântulas e dificultam a penetração das raízes. Dados indicam que a densidade 16 aparente se relaciona indiretamente à emergência de plântulas, dado que a densidade altera outros fatores como taxa de difusão de oxigênio e resistência do solo à penetração (HANKS & THORP, 1955). Solos arenosos com textura grosseira apresentam alta densidade, na faixa de 1,4 a 1,6 g cm-3. Solos argilosos de textura fina apresentam densidade aparente na faixa de 1,2 a 1,4 g cm-3. Solos ricos em matéria orgânica apresentam densidade aparente entre 0,6 e 0,8 g cm-3 (KIEHL, 1985). No entanto, a densidade do solo não é estritamente dependente da sua textura. A densidade aparente do solo depende da porosidade e da densidade de partículas, esta sim dependente da textura do solo (MANTOVANI, 1987). A matéria orgânica altera a densidade do solo indiretamente ao aumentar a sua porosidade total. Além disso, o composto orgânico apresenta densidade média entre 0,2 e 0,4 g cm-3. A redução da densidade aparente contribui para uma melhor agregação dos coloides e melhoria da condutibilidade hidráulica (KIEHL, 1985), aumentando a quantidade de microporos. 2.1.1.2 Estrutura É essencial para defender o solo da erosão hídrica e eólica. Os agregados formados pelo solo têm tamanho maior do que as partículas que o formam e, por isso, são mais difíceis de serem carregados pela enxurrada. Estrutura do solo é definida como o resultado da agregação das partículas que compõem o solo. Portanto, quanto maior a superfície de contato das partículas, maior a capacidade de agregação das mesmas. Os agregados do solo possuem as mais diferentes formas e tamanhos, que dependem não só da sua composição, mas também da forma como foram agregados. Estas são as duas condições para a agregação: ação mecânica para aproximação das partículas, seja pela ação animal, crescimento de raízes, ou ação de animais terrestres, e um agente cimentante como os minerais de argila e as substâncias húmicas, provenientes da decomposição da matéria orgânica. A matéria orgânica mostra-se mais eficiente que a argila para agregação de partículas de areia. Assim, melhora a agregação de solos arenosos e reduz a coesão de solos argilosos, por isso é tão importante como melhorador das características físicasdo solo (KIEHL, 1985). 2.1.1.3 Aeração Refere-se aos macroporos do solo, que têm alta importância na drenagem de água e na ciclagem de gás carbônico, e outros gases presentes na atmosfera do 17 solo. Em solos argilosos, existe baixa aeração e drenagem, enquanto que em solos arenosos ocorre o contrário, têm aeração e drenagem em excesso (KIEHL, 1985). Em ambos os casos a matéria orgânica adicionada melhora a aeração e a drenagem por causa da agregação de partículas e estruturação já mencionadas. 2.1.1.4 Temperatura A matéria orgânica tem muita influência na temperatura do solo por causa de seu alto calor específico, que faz com que seja mais demorada a variação de temperatura. Isto contribui para que o solo esteja sempre na temperatura adequada para o bom funcionamento das raízes, ação de microrganismos e pequenos animais que vivem na superfície e subsuperfície do solo. Dentre os constituintes do solo a areia é o que tem menor calor específico e a matéria orgânica tem o maior (KIEHL, 1985). 2.1.2 Retenção de Água no Solo A retenção de água no solo é um assunto tão importante quando se trata de matéria orgânica no solo, que deve ser considerado como um tópico próprio. Não é fato novo que, na agricultura, a água é o insumo mais precioso e que é consumido em maior volume. Por isso, quando há uma seca inesperada, o prejuízo para produtores é grande. Por este motivo será abordada a importância de se ter altos níveis de matéria orgânica no solo a fim de reter a maior quantidade possível de água, no horizonte agricultável. Calcula-se que um solo de boa qualidade física deve ter 50% de seu volume total ocupado por partículas sólidas e 50% por espaços vazios, poros. Destes, 17% devem ser macroporos e o restante, 33%, deve ser composto por microporos (Kiehl, 1985). A água que penetra no solo preenche primeiramente os microporos e é chamada de água capilar, pois é retida pela força capilar, que é maior do que a gravitacional, impedindo esta porção de água de percolar até os horizontes mais subterrâneos. Quando todos os microporos foram preenchidos, a água que chega ao solo (pela chuva, ou irrigação), começa a preencher os macroporos, e passa a ser chamada de água gravitacional, pois esses poros são buracos muito grandes e não têm força capilar suficiente para segurar a água contra a força gravitacional, sendo levada para os horizontes mais profundos (LIBARDI, 2005). Quando todos os macro e microporos do solo foram preenchidos, a água não pode mais penetrar e começa a 18 escorrer pela superfície, ou até mesmo pela subsuperfície, carregando consigo minerais solúveis, os nutrientes de plantas, além de partículas maiores como coloides de argila que, apesar de serem pouco solúveis, são leves e facilmente carregados. Esta é a chamada erosão laminar, e pode causar grandes perdas quando a vazão da chuva é maior do que o que a capacidade de drenagem do solo pode suportar. (SANTOS et al., 2010; GUIMARÃES et al. 2011). Em solos muito compactados, com baixa drenagem, uma vazão baixa de chuva pode causar uma erosão laminar prejudicial, lavando toda a adubação custosa, causando não só prejuízos ao produtor como também danos ao ecossistema de rios ao qual essa água vai escorrer (GUERRA et al., 2014). Como mencionado acima, a matéria orgânica pode aumentar a capacidade de drenagem do solo, e reduzir os efeitos de uma chuva intensa. Segundo Kiehl (1985) a matéria orgânica bem humificada tem capacidade de retenção de água por volta de 350% de seu volume. Isso significa que a matéria orgânica pode armazenar aproximadamente 3,5 vezes seu volume em água. Assim a matéria orgânica aumenta a capacidade de retenção de água do solo indiretamente, através da melhoria na estruturação de macro e microporos do solo, como mencionado acima, e diretamente através de suas propriedades físicas inerentes, quando se encontra em quantidades apreciáveis. 2.1.3 Macronutrientes de Plantas Dentre os macronutrientes de plantas é importante citar o nitrogênio, o fósforo e o enxofre, pela dificuldade de aportar esses nutrientes ao solo, na sua forma mineral mais comum, e também por se encontrarem em grande quantidade nos tecidos orgânicos e, consequentemente, nos compostos orgânicos produzidos. 2.1.3.1 Nitrogênio A matéria orgânica é a única forma de se armazenar este nutriente no solo. As formas minerais de nitrogênio, NH4+ e NO3-, estão sujeitas a volatilização e lixiviação respectivamente, devido à natureza volátil do íon amônio a temperatura ambiente (COSTA et al., 2003; Da ROS et al., 2005), e à natureza coloidal negativa do solo, que impede a adsorção de N na forma de nitrato, que é muito solúvel (De ARAÚJO, 2004). O teor de nitrogênio mineral no solo varia muito em função da época do ano, podendo ir de valores como 420 kg ha-1 em épocas favoráveis, a 10 kg ha-1 em 19 épocas menos favoráveis (KIEHL, 1985). As plantas, com exceção das leguminosas, obtém seu nitrogênio através da interação com o solo. Calcula-se que de 1 a 10% do N encontrado no solo está na forma mineral, e o restante está presente na forma orgânica (STEVENSON, 1982). Entretanto, o nitrogênio na forma orgânica não está diretamente disponível para as plantas e precisa passar por um processo microbiológico, transformando-se em uma forma solúvel e assimilável para as plantas (MALAVOLTA, 1979), comumente chamado de mineralização da matéria orgânica. Segundo Singer et al. (2010) o uso de composto orgânico em sistema de plantio direto diminui a necessidade de adubação nitrogenada em até 33%, aumentando a lucratividade da lavoura. 2.1.3.2 Fósforo O fósforo é o macronutriente que aparece em menor concentração nas plantas. Ainda assim, é um dos mais importantes quando se trata de adubação de plantas, sendo aplicado em volumes mais altos que o potássio e, por vezes até mesmo que o nitrogênio. Isto ocorre por causa do já conhecido fenômeno de fixação do fósforo (MALAVOLTA, 1979). O fósforo ocorre no solo em três formas simultâneas: fósforo fixado (A), fósforo solúvel (B), e fósforo orgânico (C), que funcionam também como reservatórios de fósforo. A forma A, é o fósforo que está fixado nos coloides do solo e indisponível para as plantas. Ele pode estar fixado de várias formas diferentes: fósforo monocálcico, bicálcico e tricálcico, sendo este último o mais insolúvel e encontrado nas rochas e minerais; na presença de óxidos e hidróxidos de ferro (muito comuns em solos bastante intemperizados) o fósforo precipita, assim como na presença de manganês e alumínio. A forma B, é o fósforo que está solubilizado na solução do solo e prontamente disponível para absorção das plantas. Mas esta forma é muito instável, e se insolubiliza rápido (BRANCO, 2001). A forma C, é o fósforo que faz parte de compostos orgânicos, também não está disponível para as plantas. A importância da matéria orgânica na adubação fosfatada, é justamente o equilíbrio que ocorre entre as três formas, o que significa que sempre que houver uma retirada de fósforo de um dos reservatórios (a planta absorvendo fósforo orgânico, por exemplo), haverá realocação dos outros reservatórios para manter o equilíbrio (KIEHL, 1985). 20 A adubação fosfatada convencional consiste na adição de fósforo na forma solúvel, que vai acabar preenchendo o reservatório B. Após o equilíbrio, observar- se-á que apenas 10% do fósforo adicionado permanecerá na forma solúvel B, o restante passará para a forma fixada A, para que ocorra o equilíbrio entre os reservatórios (KIEHL, 1985). Com a adição de matéria orgânica, todo o fósforo permanece na forma orgânica C, até que ocorra a mineralização e consequente liberaçãodo fosfato para a forma solúvel B. Os fósforos orgânicos podem ou não interagir com a matéria mineral do solo, passando para a forma fixada A, dependendo da molécula que ele faz parte na matéria orgânica. Por exemplo, os compostos como fosfolipídeos e ácidos nucleicos, que apresentam ligação diéster, possuem uma estrutura química que facilita sua decomposição e consequente mineralização, ficando prontamente disponível na solução do solo. Outros compostos como os de inositol, apresentam uma estrutura que dificulta sua mineralização (alta energia de ligação) e facilita a interação com os minerais do solo (alta carga residual). Assim o fósforo proveniente deste composto fica adsorvido por mais tempo e a matéria orgânica funciona como um segundo reservatório de fósforo, não o disponibilizando de imediato, mas sim aos poucos, conforme vai se decompondo (SANTOS et al., 2008). Segundo Branco et al. (2001) os microrganismos ajudam a disponibilizar o fósforo insolúvel de várias maneiras diferentes, não somente aquele que se encontra na forma orgânica C, como também disponibilizam o fósforo fixado A. Indiretamente, os microrganismos solubilizam o fósforo através da liberação de gás carbônico no meio. Essa grande quantidade de CO2, reage com os fosfatos tricácicos (Ca3(PO4)2) e dicálcicos (Ca2(HPO4)2), formando produtos mais solúveis como o fosfato bicálcico (Ca(H2PO4)2), liberando carbonato de cálcio (CaCO3) para o meio. Essas reações acontecem somente em condições de alta temperatura e pressão, ambas fornecidas pela ação microbiana ao decompor a matéria orgânica do solo. No artigo de Branco et al. (2001), foram feitas misturas de compostos orgânicos feitos a partir de resíduos urbanos e rurais, com adubo mineral de fósforo insolúvel e aplicadas em diversas culturas, fazendo a comparação de custos e produtividade em relação à adubação mineral convencional. Como resultado, obteve 35% de redução de custos na adubação do feijão, 34% na soja, 40,2% na Brachiaria brizantha, e 21 17% a mais de produtividade no milho. Além disso, todas as culturas estudadas apresentaram maior concentração de nutrientes na análise foliar. 2.1.3.3 Enxofre O enxofre é um elemento macronutriente de plantas secundário, e geralmente não se pensa em adubação sulfatada. Acontece que alguns fertilizantes fosfatados geralmente já contém quantidades suficientes de enxofre na sua composição (MALAVOLTA, 1979), para suprimento das plantas. O enxofre é elemento componente de alguns aminoácidos, e por isso, além de ser essencial para as plantas também está presente em grande quantidade na matéria orgânica. 2.1.3.4 Cálcio, magnésio e potássio Esses três elementos são absorvidos pelas plantas nas suas formas iônicas, Ca2+, Mg2+ e K+, respectivamente. Diferentemente dos outros macronutrientes, a matéria orgânica fornece pouco desses elementos, devido ao seu alto teor no solo. Porém a matéria orgânica tem um papel importante na solubilização e retenção desses nutrientes iônicos, através da propriedade de adsorção. 2.1.4 Micronutrientes de Plantas Micronutrientes são os elementos essenciais para o desenvolvimento das plantas, que são necessários em pequenas quantidades. A matéria orgânica tem grande importância no fornecimento de micronutrientes, não só por servir como fonte desses minerais, como também por contribuir para a sua retenção e liberação, através das interações com o solo. São considerados micronutrientes de plantas o ferro, cobre, manganês, zinco, boro, molibdênio e cloro. Em sua maioria são metálicos, com exceção do boro e do cloro. Como tal, eles apresentam algumas características, e interações importantes com outras moléculas. A interação mais importante, quando se trata de íons metálicos micronutrientes de plantas no solo, é a quelação. Esse fenômeno ocorre com moléculas longas de carbono na presença de íons metálicos. As moléculas orgânicas envolvem o íon e fazem múltiplas ligações com ele, formando uma estrutura em forma de anel, no centro da qual o íon é complexado, ou pinçado através das ligações com os grupos carboxílicos (O=C-OH), hidroxílicos (C-OH) e alguns tipos de carbonila (C=O) das 22 cadeias carbônicas, sem fazer parte de sua composição química (CAMARGO, 2006). Vários quelatos sintéticos foram testados para serem usados como fornecedores de micronutrientes metálicos às lavouras, mas a produção deles é muito cara em grande escala o que inviabiliza seu uso na agricultura (SÁNCHEZ, 2002). Na cultura hidropônica, foi comprovado que os complexos orgânicos de ferro são mais eficientes e mais ambientalmente corretos do que os quelatos sintéticos para fornecimento de ferro às plantas (MATSUZAKI, 2013). Miyazawa et al. (1993) reforçam que a complexação orgânica é o mecanismo de solubilização de manganês mais provável no solo. Segundo Canesin (2007) a aplicação foliar de zinco e boro, surtiu mais efeito no teor desses elementos na folha, quando aplicados juntamente a agentes quelantes. Porém, isso não representou ganho em nenhum dos aspectos produtivos da cultura. Possivelmente, o experimento não tenha levado em conta se os elementos estavam ou não em equilíbrio na planta. Quando se fala em micronutrientes de plantas, mais importante que a suficiência desses minerais, é o equilíbrio entre eles. As plantas podem absorver mais desses elementos do que necessitam, dependendo da sua disponibilidade no solo. Quando um elemento está em excesso, ele pode ocasionar sintomas de deficiência de outro elemento por conta de desequilíbrio nutricional. Além disso a absorção de macronutrientes, como o potássio e o fósforo, também podem influenciar no equilíbrio de micronutrientes, como o manganês e o boro (SANTOS et al. 2004; CASTAMANN et al. 2012). A matéria orgânica proveniente de um composto estável é constituída de várias espécies químicas diferentes. Dentre elas, os agentes quelantes são os mais importantes para a assimilação e o fornecimento de micronutrientes metálicos às plantas. Além disso podem ajudar a reduzir a toxidez causada por metais pesados (KIEHL, 1985). Ênfase deve ser dada aos micronutrientes não metálicos, boro e cloro, pois eles interagem com a matéria orgânica de modo diferente dos outros. O boro e o cloro são absorvidos pelas plantas em formas iônicas negativas (BASTOS & CARVALHO, 2004; GIRACCA, 2016), o que dificulta a adsorção deles 23 nos minerais de argila. Assim, esses dois nutrientes são muito suscetíveis à lixiviação, que acontece muito rapidamente. Na década de 70 foi constatada uma deficiência generalizada de boro nas lavouras de café no estado de São Paulo. Acredita-se que a causa foi a intensa adubação mineral nos anos anteriores, que aumentou a produtividade, consequentemente aumentando a extração de todos os nutrientes do solo. Porém, somente os macronutrientes eram repostos pela adubação mineral, e a falta de adubação com compostos orgânicos deve ter contribuído para a deficiência generalizada de boro na região, na época (MALAVOLTA, 1979). Quanto ao cloro, a matéria orgânica tem pouca influência na sua retenção no solo, geralmente sendo suprido através da adubação de outros nutrientes que contém cloro em sua composição (KIEHL, 1985). 2.1.5 Poder de Tamponamento da Matéria Orgânica e pH do Solo Poder tampão refere-se à capacidade que uma substância em meio aquoso tem em resistir à mudança de pH pela adição de ácidos ou bases fortes. O procedimento de adubação mineral e adição de calcário, nada mais é do que a adição de bases fortes ao solo. Este procedimento alteraria a solução do solo drasticamente, caso este não tivesse um forte poder tampão, passando de pH ácido aalcalino rapidamente, ou vice-versa. Isto traria consequências na microbiota do solo, pois dado grupo de microrganismos se adapta a uma dada faixa de pH, e a alteração de pH causaria a substituição constante das populações de microrganismos (KIEHL, 1985). A matéria orgânica age como um tampão no solo devido aos íons de hidrogênio adsorvidos, que podem ser trocados na presença de bases como cálcio, magnésio e potássio, regulando o pH da solução do solo. Neste sentido, a matéria orgânica age como um agente tamponante da solução do solo. 2.1.6 Propriedades Físico-químicas do Solo Como mencionado acima, a matéria orgânica interfere na capacidade de adsorção de bases do solo, através dos átomos de hidrogênio presentes nas carboxilas, hidroxilas e fenóis. A adsorção é uma interação que ocorre entre uma partícula sólida (adsorvente ou também chamada de coloide) e uma partícula 24 solubilizada em meio aquoso (adsorvida). No solo esta interação ocorre entre as partículas de argila (coloides minerais) e a matéria orgânica (coloide orgânico), que agem como adsorventes, e os minerais solubilizados na solução do solo, que agem como adsorvidos. Esta interação pode ser de natureza física, a fisissorção, ou de natureza química, a quimissorção (CARDOSO et al. 2005). No solo, somente esta última tem relevância. A quimissorção pode ocorrer através de ligações covalentes, ou iônicas. Os coloides minerais interagem por ligações iônicas, e os coloides orgânicos interagem tanto por ligações covalentes como iônicas. Como ambos os coloides no solo têm carga predominantemente negativa (AZEVEDO & BONUMÁ, 2004), eles retêm muito mais partículas com carga positiva, do que com carga negativa. Por isso, uma das propriedades físico-químicas mais importantes é a capacidade de troca de cátions (CTC) que retém elementos minerais nutrientes de plantas, com carga positiva. É o caso dos cátions Ca2+, Mg2+ e K+ e alguns micronutrientes. A matéria orgânica tem uma capacidade de adsorção muito maior do que os minerais de argila, devido à sua grande superfície específica, dada dividindo-se a área de superfície da partícula, pela sua massa. Calcula-se que a matéria orgânica tenha uma superfície específica 70 vezes maior que a da caulinita, mineral de argila mais comum no Brasil (KIEHL, 1985). Deste modo, a matéria orgânica ajuda a aumentar a CTC do solo. Estima-se que a matéria orgânica tenha de 30 a 40% de participação na CTC de solos argilosos, e de 50 a 60% na CTC de solos arenosos (KIEHL, 1985). Segundo estudos do Iapar (Instituto Agronômico do Paraná), como citado por Fernandes e Silva (1999), as partículas húmicas são responsáveis por até 80% da CTC de solos argilosos em região de clima quente, por conta das partículas de argila altamente intemperizadas e com baixa CTC, encontradas nessas regiões. 2.1.7 Propriedades Biológicas A matéria orgânica tem grande importância na manutenção da vida no solo. Primeiramente, “vida no solo” diz respeito não só às plantas cultivadas, mas também todo o conjunto de microrganismos e macrofauna presentes no agroecossistema, sem os quais seria muito difícil a produção eficiente das plantas. Como foi citado, os microrganismos são responsáveis por solubilizar muitos dos nutrientes minerais de 25 plantas, através de mecanismos como liberação de ácidos orgânicos, quelação de íons metálicos, e decomposição de material biológico e matéria orgânica. A decomposição mostra-se muito importante para ciclagem de nutrientes na matéria orgânica, que passa por vários agentes biológicos antes de retornar ao solo como nutriente para outras plantas. 2.1.8 Salinidade do Solo A concentração salina, em condições de cultivo normais deve variar de 3 a 5 g l-1. Se essa concentração passar de 5 g l-1 geralmente as plantas tendem a apresentar uma redução no seu desenvolvimento e produtividade. Entre 10 e 12 g, a redução ocorre de maneira drástica. Se chegar a níveis de 20 a 25 g l-1, geralmente as plantas perdem a capacidade de se desenvolver e morrem (OLIVEIRA, 1997). A salinidade depende diretamente dos processos de formação do solo. Solos salinos geralmente se encontram em regiões áridas e semiáridas e a salinidade pode ter uma correlação negativa com os parâmetros de umidade e precipitação. Embora realmente hajam solo com salinidade elevada em regiões tropicais úmidas, quanto mais seca a região, via de regra, mais salino será o solo (FAO, 1973). A aridez do clima é um dos fatores que influenciam na intensidade salina do solo, assim como o modo com o qual o sal se acumula no perfil do solo. A FAO (1973) diferencia cinco ciclos de acumulação de sais: o ciclo continental, o ciclo marinho, o ciclo dos deltas, o ciclo artesiano e o ciclo antropogênico. Porém, somente este último é capaz de alterar significativamente a salinidade do solo em um período curto de tempo. Ciclo antropogênico é o resultado de erros nas atividades econômicas do homem, e pode ter gênese no emprego inadequado de tecnologias de irrigação, quando as características químicas e mineralógicas preexistentes não são levadas em conta. O homem pode alterar o solo muito mais rapidamente em comparação com os processos de intemperização natural. Através da irrigação ou adição de melhoradores químicos como o CaSO4, por exemplo, o homem pode diminuir a salinidade na camada cultivável do solo. Porém com essas medidas os sais simplesmente migram para camadas subsuperficiais, e podem retornar para a superfície, dependendo dos níveis dos lençóis freáticos (OLIVEIRA, 1997). 26 Segundo Silva et al. (2008) quanto maior a salinidade da água de irrigação menor é o número de folhas e a área foliar em rúcula (Eruca sativa). O tratamento com adubação orgânica reduziu significativamente os efeitos negativos da salinidade do solo na planta, sendo uma ótima alternativa para contornar esse obstáculo à produção. 2.2 FUNDAMENTOS DA COMPOSTAGEM 2.2.1 Aeração O processo de compostagem pode ser aeróbio ou anaeróbio. No processo anaeróbio é gerado mau cheiro na leira de compostagem e moscas são atraídas. Por motivos estéticos e de saúde pública, é preferível que ocorra somente a compostagem em aerobiose (KIEHL, 1985). Assim, os processos de aeração tornam-se essenciais para suprir a demanda bioquímica de oxigênio (DBO) dentro da leira de compostagem. A aeração é um fator extremamente importante para a obtenção de um composto de boa qualidade. O processo de aeração consiste em retirar o ar rico em gás carbônico que ocupa os espaços da leira da composteira e repor com ar atmosférico, rico em oxigênio. Segundo Fernandes & Silva (1999), os métodos utilizados para aeração da pilha de compostagem devem ser pensados visando não somente o suprimento de oxigênio, como também o controle de umidade e temperatura. Um material orgânico com boa estrutura e de consistência firme, é considerado ótimo para a boa aeração da pilha de composto. Materiais desse tipo garantem a aeração pelo fato de não exercerem pressão nas partes mais profundas, não compactando o material. Deste modo a leira de compostagem continua com uma boa porosidade. Em comparação, materiais tenros de granulometria fina, compactam mais a leira, necessitando mais cuidado com a aeração. Uma boa porosidade no material orgânico está entre 30 a 36% do volume, e umidade entre 55 e 65% em peso. Os processos de aeração ajudam a aumentar a porosidade total, assim como facilita a troca de gases entre a pilha e a atmosfera em volta. 27 O teor de oxigênio dentro da leira varia muito, diminuindo progressivamente da superfície ao centro da leira. A camada mais externa, apresenta um teor entre 18 a20% de oxigênio, bem próximo ao teor atmosférico que é de 21%. Adentrando-se 60 cm, nota-se teores tão baixos quanto 0,5% a 2%. Em geral considera-se que uma boa quantidade de oxigênio esteja por volta de 5%, para que ocorra decomposição aeróbia normal. O teor de oxigênio pode ser medido indiretamente através do teor de CO2. Por exemplo, se o teor de CO2 encontrado é de 6%, subtrai-se este valor de 21%, que é valor médio atmosférico, e obtém-se o valor de 15% de oxigênio, um método empírico e mais prático (KIEHL, 1985). A demanda bioquímica de oxigênio (DBO) é um parâmetro utilizado para saber a quantidade de material orgânico sujeito à decomposição, e à atividade microbiana no meio. Ela avalia a quantidade em mg de oxigênio por volume do meio (no caso da água, oxigênio dissolvido; no caso da compostagem, trata-se do oxigênio nos poros) que está sendo requisitado pelos microrganismos no meio, para decomposição da matéria orgânica (SOUZA, 2017). Assim, a DBO está relacionada à quantidade de matéria orgânica sujeita a decomposição no meio, e não à quantidade de oxigênio. Pereira (2016) encontrou um valor de DBO inicial no material orgânico variando de 2500 a 4000 mg dm-3 em diferentes leiras testadas, e valores finais variando de 400 a 1000 mg dm-3. Como a matéria orgânica compostável vai diminuindo com o tempo a DBO também tende a diminuir, e isto pode ser usado como parâmetro para indicar a maturidade do composto. 2.2.2 Temperatura A temperatura na compostagem serve como um parâmetro para identificar se tudo está correndo bem no processo. Isso porque é uma consequência da atividade biológica, já que a decomposição da matéria orgânica consiste de um processo exotérmico, que libera energia térmica para o ambiente. As altas temperaturas atingidas pelo material em decomposição são essenciais para certificar a segurança do material, já que microrganismos patogênicos e qualquer semente de planta daninha que estiver presente no material a ser compostado não toleram temperaturas altas. Em certa fase do processo a temperatura pode chegar a valores tão altos quanto 60 - 65 °C. Essas temperaturas são continuadas por vários dias, sendo suficiente para eliminar patógenos e sementes de plantas invasoras (EPSTEIN 1997). 28 A temperatura é não somente uma consequência da atividade microbiana, como também reguladora da mesma. Distintos tipos de materiais necessitam de temperaturas diferentes para atingir a maturidade do composto. Segundo Epstein (1997), o ponto de máxima taxa de absorção de oxigênio indica a máxima atividade microbiana e, portanto, a temperatura encontrada nesse ponto pode ser considerada a melhor temperatura para o processo microbiológico. Assim, pode-se aferir empiricamente qual temperatura deve ser mantida em uma pilha de composto de determinada composição. De acordo com Fernandes e Silva (1999), altas temperaturas na pilha de composto otimizam a atividade microbiana, porém, acima de 65 °C, as populações aptas diminuem e o processo se torna mais lento. Assim, pode-se usar dos métodos de aeração para controlar a temperatura e manter a velocidade de decomposição. Segundo Epstein (1997), fungos em geral não sobrevivem em ambientes com temperaturas acima de 60 °C, que é a temperatura encontrada no centro da pilha de compostagem. Depois que são feitos os processos para diminuir essa temperatura, ou após o fim da fase termofílica, os fungos que estavam sobrevivendo nas camadas mais superficiais da pilha recolonizam o centro. De acordo com Kiehl (1985), a curva tempo-temperatura durante o processo é semelhante para todos os materiais que se utiliza na pilha de compostagem, embora haja pequenas variações. É possível encontrar uma variação na temperatura, em função da profundidade em que foi feita a medição. No início do processo a temperatura da leira encontra-se igualada à temperatura ambiente, começa a subir rapidamente, e em poucos dias, atinge um pico, e se mantém estável entre 60 - 65 °C por alguns dias. Esta é a chamada fase termófila, na qual somente os microrganismos decompositores termófilos sobrevivem. Após essa fase considera-se que a matéria orgânica está bioestabilizada, ou semicurada. Depois, a temperatura cai e se mantém na fase mesófila por um período mais longo. Após a terminação da fase mesófila, a matéria orgânica volta à temperatura ambiente e pode ter atingido a humificação completa, mas isto deve ser verificado através de outros parâmetros, como a DBO e a relação carbono nitrogênio. 2.2.3 Umidade A água é essencial para o metabolismo de todos os organismos vivos, assim como as bactérias decompositoras. Em sistemas completamente encharcados, 29 ocorre a fermentação anaeróbia, e, como já foi discutido, é preferível evitar esse tipo de fermentação. Assim, é bom que haja um equilíbrio entre a quantidade de água, e a aeração dentro da pilha de compostagem. Como já foi apontado, para a boa condução da compostagem, é recomendado que a umidade deva ficar em torno de 50 - 60% em volume por volume do material. Conforme a decomposição se sucede, e também por conta dos processos de aeração, o teor de umidade do meio vai diminuindo (EPSTEIN, 1997). Portanto, é necessário medir o teor de água sempre que possível, e adicionar sempre que necessário. Nas várias fases do processo, diferentes teores de umidade são ideais. Por exemplo, ao final do processo, quando se deseja transportar o composto pronto, é preferível que haja o mínimo possível de umidade, para diminuir o volume e facilitar o manuseio. 2.2.4 Relação carbono/nitrogênio (C/N) Segundo Kiehl (1985), um composto bem humificado deve apresentar uma relação C/N de 10/1. Isto porque o protoplasma das bactérias decompositoras apresenta essa proporção. A cada 30 partes de carbono presentes no meio, 20 são metabolizadas e liberadas na forma de CO2, e as outras 10 são assimiladas nas formas orgânicas estruturais, necessárias para a manutenção da célula. E a cada 10 partes de carbono assimiladas, eles assimilam uma parte de nitrogênio. Materiais com alto teor de carbono, fazem com que os microrganismos reciclem o nitrogênio, e eliminem o carbono excedente na forma de CO2 até atingirem a relação C/N de 10/1. Por esse motivo matérias-primas com alta relação C/N demoram mais para se decompor. Quando a matéria orgânica está com essa relação, diz-se que ela está estável e humificada, e pode ser adicionada ao solo, para servir com suas funções acimas detalhadas. Quando um material orgânico de alta relação C/N é adicionado ao solo, os microrganismos, além de reciclarem o nitrogênio do material, irão “emprestar” do nitrogênio presente no solo para completar seu ciclo. É dito “emprestar” porque ao final da mineralização da matéria orgânica o nitrogênio retorna ao solo, na forma solúvel, disponível às plantas. O carbono é utilizado como energia e com função estrutural de moléculas orgânicas no protoplasma dos microrganismos. O nitrogênio é utilizado como 30 integrante de aminoácidos das proteínas. Segundo Epstein (1997), quando a relação C/N é maior que 50, o processo de compostagem é lento por causa do rápido crescimento bacteriano e esgotamento de nitrogênio disponível, como mencionado acima. No extremo oposto, quando a relação C/N está abaixo de 30, existe uma perda muito grande de nitrogênio por volatilização na forma de amônia. Segundo Rezende (2010), os intervalos de revolvimento têm alta influência na perda de nitrogênio na forma de amônia. O autor relata que quanto menor forem os intervalos de revolvimento da leira (mais revolvimentos), a fim de fazer a aeração da pilha de compostagem, maior é a perda de nitrogênioamoniacal. Portanto mostra-se necessário encontrar o equilíbrio de intervalos de revolvimento, para manter uma boa aeração, e perder o mínimo possível de nitrogênio nessa operação. Quando a relação C/N de um material for muito baixa, como lodo de esgoto, ou esterco animal, por exemplo, basta adicionar algum material de C/N alta, como palha de arroz ou pó de serra. A relação será corrigida por uma equação de proporcionalidade simples, após a mistura (KIEHL, 1985). A relação C/N pode ser utilizada como parâmetro para a maturação do composto. Um composto que atingiu temperatura estabilizada em uma relação C/N próxima de 10, está bom para ser aplicado na lavoura, pois dali em diante o nitrogênio será mineralizado e o húmus estará ativo para agir nas propriedades do solo anteriormente detalhadas (KIEHL, 1985). 2.2.5 pH Microrganismos em geral têm seu metabolismo influenciado pelo pH do meio, assim como todos os seres vivos. Algumas espécies de microrganismos se desenvolvem melhor em meios ácidos e outros em meio alcalino. Os microrganismos decompositores necessários para o processo de compostagem exigem uma faixa de pH específica. Segundo Yu e Huang (2005), a faixa ideal na fase inicial é de 5,2 a 5,5. Nas fases seguintes as faixas variam um pouco, devido à mudança nas populações microbianas no meio. De acordo com Epstein (1997), o pH da pilha deve chegar a uma faixa entre 6.5 e 9.6 por alguns dias, pois somente dentro desta faixa é que a pilha atinge a temperatura necessária para atestar a segurança do composto de acordo com as regulamentações dos Estados Unidos. 31 De acordo com Fernandes & Silva (1999), o pH geralmente não é um fator limitante no processo de compostagem. 2.2.6 Estrutura A estrutura da pilha de compostagem está intrinsecamente ligada à matéria prima utilizada. Na compostagem de lodo de esgoto, por exemplo, é necessária a adição de outra matéria prima, não somente para corrigir a relação C/N, como também para garantir estrutura adequada para que haja aeração suficiente no meio, por ser um material de granulometria fina (FERNANDES & SILVA, 1999). 2.2.7 Microrganismos e microbiologia Microrganismos associados com a compostagem caem em duas classes: mesófilos e termófilos. Alguns microrganismos mesófilos não suportam altas temperaturas e morrem. Outros simplesmente diminuem sua população e atividade metabólica, mas conseguem sobreviver. Epstein (1997) lista 16 espécies de bactéria, 16 espécies de actinomicetes, 35 espécies de fungos, 4 espécies de protozoários e 10 espécies de algas já encontradas em compostos orgânicos com variadas matérias primas. As bactérias são os organismos dominantes durante todo o processo de compostagem, apesar de ser verificada uma queda na atividade bacteriana ao final do processo. Nos estágios iniciais, são encontrados muitos compostos solúveis como açúcares, álcoois, ácidos e proteínas disponíveis no meio. Apesar de serem atingidas temperaturas altas durante parte do processo, encontrou-se quantidades maiores de bactérias mesofílicas do que termofílicas, considerando todo o processo. Nos primeiros 60 dias, bactérias que metabolizam celulose aumentam conforme há um aumento na temperatura e posteriormente praticamente desapareceram (Epstein 1997). Segundo Kiehl (1985), na formação do húmus, três fases podem ser diferenciadas: a) A fase de decomposição rápida pelos microrganismos; b) A de síntese de novas substâncias, essenciais para a manutenção dos microrganismos; 32 c) Por último a fase de formação de complexos resistentes, formados por processos de condensação e polimerização, nos quais os microrganismos não têm influência. Os microrganismos sintetizam uma grande quantidade de substâncias para formar suas células. Quando estas células morrem, os compostos são atacados por outros microrganismos, ocorrendo assim a ciclagem dos elementos até que toda a matéria orgânica seja transformada em minerais simples. Esta transformação é chamada mineralização da matéria orgânica (KIEHL, 1985). Segundo Fernandes & Silva (1999), a compostagem é o processo mais eficiente para redução das populações de microrganismos patogênicos no tratamento do lodo de esgoto, por causa das temperaturas atingidas nos processos microbiológicos já descritos. 2.3 SISTEMAS DE COMPOSTAGEM 2.3.1 Sistema de Leiras Revolvidas Dos sistemas aqui apresentados este é o sistema mais simples. Consiste em empilhar as misturas de matérias-primas em leiras, com tamanho de base e altura empiricamente definidas, e comprimento de acordo com a necessidade de produção e disponibilidade de espaço. Essas leiras serão revolvidas em intervalos predefinidos, de acordo com o material utilizado. Segundo Fernandes e Silva (1999), as dimensões da leira devem estar entre 1,5 e 1,8 m de altura, e entre 4,0 e 4,5 m de base da seção transversal. O espaçamento entre leiras deve ser pensado conforme a tecnologia empregada no revolvimento. a) Revolvimento manual No revolvimento manual utiliza-se ferramentas como enxada, rastelo e garfo agrícola. Por questões práticas, as pilhas devem ser mais baixas e de comprimento menor, para facilitar a mão-de-obra. É recomendado fazer pilhas com comprimento curto, para facilitar o trânsito no pátio de compostagem. O espaçamento não precisa ser tão grande como no revolvimento mecânico, já que o trânsito no pátio será feito a pé. 33 b) Revolvimento mecânico Neste modo de produção, as leiras devem ser sistematizadas para facilitar o tráfego de máquinas. As máquinas podem ser especializadas ou adaptadas. Pás mecânicas, são exemplo de maquinário adaptado, que podem ser utilizadas para revolvimento das leiras de compostagem. Neste caso, o espaçamento entre as leiras deve ser de aproximadamente 3 m. Caso houver maquinário especializado para revolvimento disponível, o espaçamento das leiras deve ser determinado respeitando as características do mesmo (FERNANDES & SILVA, 1999). É importante encontrar um equilíbrio na quantidade de revolvimentos durante o processo. Como já foi comentado, quanto maior o intervalo de revolvimento menor é a perda de nitrogênio no composto (REZENDE, 2010). 2.3.2 Sistema de Leiras Estáticas Aeradas Neste sistema, as pilhas são praticamente idênticas ao sistema anterior, a diferença é que não é necessário fazer o revolvimento da leira de compostagem. A pilha é montada sobre um sistema de tubulação perfurada que fornece aeração diretamente para o centro da pilha, através de pressão positiva, ou negativa (sucção). Cada planta de compostagem pode montar a tubulação e as leiras conforme achar mais adequado ao espaço, materiais e tecnologia disponíveis. Um método bastante estudado, e apresentado como padrão em várias apostilas de compostagem, é o explicado por Wilson et al. (1980) em “Manual For Composting Sewage by the Beltsvillle Aerated-Pile Method” (Figura 1). Neste exemplo, a pilha é toda montada em cima da tubulação já instalada. Esta tubulação é perfurada na parte que fica por baixo da pilha, e não perfurada na parte que fica do lado de fora do composto, tendo uma serpentina para exaustão de água condensada, e uma ponta com uma abertura. Para filtração do mau odor, esta ponta de saída de ar, fica sob um monte formado por composto maturado e peneirado. Segundo Fernandes & Silva (1999), este composto tem capacidade e função de absorver moléculas orgânicas voláteis, que causam o mau cheiro. 34 Figura 1: Esquema prático de uma leira estática com aeração forçada. Segundo dados da EPA (Agência de Proteção Ambiental), citados por Fernandes e Silva (1999), é necessáriauma aeração contínua de 3,6 m3 min-1 t-1 de matéria seca de composto. Além disso, após vinte minutos da interrupção da aeração, foram constatadas características anaeróbias no interior da pilha. A demanda de oxigênio no centro da pilha varia de acordo com a fase de decomposição em que se encontra. Entretanto, a demanda de aeração para manter a temperatura dentro de uma faixa determinada (geralmente 55 a 65 °C) é muito maior do que a demanda de aeração estritamente para fornecimento de oxigênio aos microrganismos (FERNANDES & SILVA, 1999). O sistema pode ser construído pensando no monitoramento de um, ou outro parâmetro, ou ambos, levando em conta a fase de decomposição para tomada de decisão. Nesse sistema, é interessante cobrir a pilha de compostagem com 5 a 10 cm de material com alta relação C/N, como cavacos de madeira e palha de café, ou composto já curado. Os objetivos desta cobertura são: impedir o ressecamento da parte mais externa do composto; diminuir a atração de moscas; isolamento parcial da parte externa permitindo aumento de temperatura nesta região; e garantia de eliminação de patógenos. 35 2.4 PRINCIPAIS MATÉRIAS-PRIMAS PARA UM COMPOSTO DE BOA QUALIDADE AGRONÔMICA De modo geral na literatura, resíduos vegetais com grande concentração de nitrogênio apresentam decomposição mais rápida, transformando este nitrogênio da forma orgânica para as formas inorgânicas, amônia e nitrato, e formando poucos compostos húmicos. Em contrapartida, matérias-primas consideradas pobres em nitrogênio, apresentarão baixa concentração de nitrogênio no composto final e grande quantidade de húmus. Deste modo, palhas e restos vegetais ricos em celulose, sem adição de nenhum outro ingrediente que contenha nutrientes essenciais para as plantas, devem ser considerados como fonte de húmus e não como fornecedor de nutrientes para as plantas. (KIEHL, 1985) 2.4.1 Casca de Café A casca de café é um ótimo material para se obter um composto de boa qualidade. Na safra de 2016/2017, a CONAB estima uma produção de 49 milhões de sacas de café, volume 15% superior ao ano anterior (QUEIROZ, 2017). Estima-se que da separação da casca do café em coco, a proporção de casca obtida seja de 1:1, ou seja, uma unidade de massa de casca para cada unidade de massa de café beneficiado (MATIELLO, 2016). Sendo assim, a casca de café acaba se tornando um resíduo de alto volume e um destino deve ser dado a ele. Testes com sorgo demonstraram a eficiência do composto de casca de café, principalmente quando adicionado de esterco bovino durante a compostagem, incrementando a produção de massa seca e fresca da gramínea (REZENDE, 2010). Além disso, a palha de café adicionada de esterco bovino aumenta a disponibilidade de N, K, Ca e Cu, porém se usada em excesso pode reduzir a concentração de outros nutrientes no esterco, como P, Mg, S, Mn, Fe e Zn. Portanto, o mais recomendado é uma mistura meio a meio destes dois ingredientes (NASCIMENTO et al., 2015). 2.4.2 Estercos Animais No Brasil os principais produtos de origem animal são carnes bovina, suína e de aves, principalmente frango. Esta produção pode gerar grande quantidade de resíduos, que podem se tornar ótimas matérias-primas se tratadas adequadamente. 36 Isto estabelece o princípio da reciclagem, onde “o resíduo de um sistema pode constituir-se em insumo potencial para outro sistema produtivo” (KONZEN, 2003). Em núcleo de produção de leitões, é produzido em média, de 35 a 40 litros de dejetos por dia por matriz. Em criatórios, a média é de 13 a 15 litros por suíno por dia. Na produção leiteira, é calculado que a produção de esterco seja aproximadamente 10% de peso vivo do animal, o que representa 45 a 48 quilogramas por dia por cabeça. Em bovinos de corte em confinamento, a média é de 30 a 35 quilogramas por dia por cabeça (KONZEN & ALVARENGA, 2007). A criação de frangos de corte produz em torno de 4 toneladas por ano de cama, para cada 1.000 aves (KONZEN, 2003) Os estercos animais, são ricos em material orgânico compostável, que ao serem adicionados no solo trazem todos os benefícios já mencionados. Comparando as tabelas 1 e 2 de composição dos diferentes estercos, com a tabela 3 que mostra a exportação dos principais macronutrientes, pode-se ter uma ideia de como calcular a quantidade de composto que precisa ser produzido em t ha-1. A adubação deve ser feita pensando não somente na quantidade de nutrientes aportados, mas também na quantidade de nutrientes existentes no solo, encontrados através da análise química do solo, e nas possíveis perdas de nutrientes por lixiviação e volatilização. Após feita a correção de pH, acidez por alumínio (se necessário), saturação por bases e imobilização de fósforo, pode ser feito o cálculo da adubação orgânica, combinada ou não com a adubação mineral, baseado na exportação de nutrientes pelas culturas de acordo com a produção potencial esperada, e nas possíveis perdas durante a adubação. Tabela 1: Concentração média de N, P2O5 e K2O e teor de matéria seca de materiais orgânicos de origem animal. Material Orgânico N P2O5 K2O Matéria seca % Esterco sólido de suínos 2,1 2,8 2,9 25 kg m-3 Esterco líquido de suínos 4,5 4,0 1,6 6 Fonte: Diesel et al. (2002). 37 Tabela 2: Teor de nutrientes de acordo com o teor de sólidos em dejetos de suínos compostados. Nutrientes kg m-3 ou kg t-1 de dejetos Sólidos 0,72% 1,63% 2,09% 2,54% 3,46% 4,37% Nitrogênio 1,29 1,91 2,21 2,52 3,13 3,75 P2O5 0,83 1,45 1,75 2,06 2,68 3,29 K2O 0,88 1,13 1,25 1,38 1,63 1,88 NPK 3,00 4,49 5,21 5,96 7,44 8,92 Fonte: Konzen (2003). Tabela 3: Exemplo de exportação de nutrientes em função da produtividade esperada de algumas culturas. Culturas Produção N P2O5 K2O kg ha-1 Exportação em kg ha-1 Milho 6.000 136 28 39 Milho 9.000 190 39 59 Milho selvagem 32.000 224 90 275 Soja 2.700 164 14 51 Pastagem (MS) 30.000 450 45 600 Fonte: Konzen (2003). De acordo com ensaios realizados pela EMBRAPA Milho e Sorgo (KONZEN, 2003) a adubação mineral nitrogenada, testada em vários teores de aplicação, não surte efeito quando combinado com esterco suíno para adubação da cultura de milho, para produção de grãos, com produção potencial de 7.000 a 8.000 kg ha-1. Konzen (2003) sugere que para a compostagem desse material, deve ser feita a correção do teor de fósforo para 5 a 7% do peso, utilizando fósforo natural. Isto se dá porque esse material apresenta cerca de 1% de fósforo em média, um teor baixo deste elemento que, assim como o carbono e o nitrogênio, é extremamente importante para a atividade microbiana durante o processo de compostagem. Ainda, 38 os estercos animais possuem uma relação C/N muito baixa, e isto deve ser corrigido com outros materiais de relação C/N mais alta, até alcançar o padrão de 30/1. Os estercos podem ser mistos ou separados em sólidos e líquidos. Segundo Konzen (2003), os resíduos de suínos separados na fase líquida podem ser diretamente adicionados ao solo por aspersão, ou com tanques mecanizados, implementos especialmente desenvolvidos para este tipo de operação. 2.4.3 Resíduos Sólidos Urbanos Os resíduos sólidos urbanos (RSU), ou simplesmente “lixo urbano”, podem vir a ser uma matéria-prima de boa qualidade para a compostagem e a agricultura. Na literatura especializada não existe distinção entre os termos “resíduos sólidos urbanos” e “lixo”. Para a sociedade em geral o lixo é considerado inútil e deve ser destruído. Porém, a característica inservível do lixo é relativa, sendo inútil para uns e fonte de matéria-prima para outros (MONTEIRO et al. 2001). A compostagem
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