Reusable Perforated Plastic-Ball Bulking Agent for Decentralized Food Waste Composting: Maturity Validation, Nutrient Retention and Machine Learning-Based Process Interpretation

Todos os dias, milhões de toneladas de restos de alimentos são descartados, muitas vezes terminando em aterros sanitários onde apodrecem sem ar. Esse processo de decomposição libera odores desagradáveis e gases de efeito estufa, enquanto os nutrientes valiosos dentro do alimento são perdidos para sempre. Uma maneira melhor de lidar com esse resíduo é a compostagem, um método natural onde micróbios quebram a matéria orgânica em um fertilizante rico para o solo. Para que isso funcione bem, a pilha precisa de oxigênio. Sem ar suficiente, o processo estagna, a pilha fica muito úmida e compactada, e as bactérias benéficas não conseguem realizar seu trabalho. Tradicionalmente, as pessoas misturam materiais volumosos como serragem ou cavacos de madeira para manter a pilha solta e arejada. No entanto, esses materiais naturais se decompõem durante o processo, perdendo eventualmente sua capacidade de reter ar e exigindo substituição constante.

Pesquisadores têm buscado uma solução que mantenha a pilha aberta sem desaparecer. Eles também estão interessados em usar dados para entender exatamente como essas pilhas de compostagem mudam ao longo do tempo, indo além de simples suposições para previsões precisas. O objetivo é transformar resíduos alimentares de alta umidade em um produto estável, seguro e rico em nutrientes rapidamente, especialmente para locais como escolas, hotéis ou bairros que geram resíduos diariamente, mas carecem de espaço para grandes instalações industriais.

Em um ambiente controlado de laboratório, um pesquisador da MIT Art Design and Technology University em Pune, Índia, testou uma nova abordagem para este problema. O estudo focou no uso de bolas de plástico reutilizáveis, especificamente as perfuradas, como um substituto permanente para os tradicionais cavacos de madeira. Essas bolas de plástico atuam como um andaime, criando pequenos túneis para o ar fluir através do resíduo alimentar úmido sem se decomporem. O pesquisador misturou resíduos alimentares coletados de uma cantina universitária com alguns aditivos úteis: biochar para reter nutrientes, cal para equilibrar a acidez, pó de neem para controlar micróbios indesejados e jaggery para alimentar as bactérias. Para verificar quanto de andaime plástico era necessário, quatro lotes diferentes foram preparados. Um lote não continha bolas de plástico, servindo como controle. Os outros três lotes continham 2%, 4% e 8% de bolas de plástico por peso, misturadas ao resíduo alimentar.

O experimento durou trinta dias dentro de um reator metálico especialmente projetado que podia controlar a temperatura e o fluxo de ar. A máquina mantinha a pilha aquecida e fornecia oxigênio em ciclos, imitando as condições de um sistema de compostagem de larga escala. Durante o mês, o pesquisador mediu o quão quente a pilha ficava, como a acidez mudava e como a composição química do resíduo evoluía. A medida chave de sucesso foi a razão entre carbono e nitrogênio, um indicador padrão de se o composto está pronto para uso. Uma razão alta significa que o material ainda está bruto e instável, enquanto uma razão mais baixa indica que o composto amadureceu para um produto seguro e semelhante ao solo.

Os resultados mostraram uma diferença clara entre os lotes. A pilha de controle, sem bolas de plástico, teve dificuldade para se manter quente e atingiu uma temperatura máxima de apenas 40 graus Celsius. Ela nunca permaneceu na zona de alta temperatura por tempo suficiente para sanitizar totalmente o resíduo ou decompô-lo eficientemente. Ao final do mês, essa pilha ainda não estava totalmente madura, com uma razão de carbono-nitrogênio que permanecia alta demais para uso seguro. Em contrapartida, os lotes com bolas de plástico tiveram um desempenho muito superior. O lote com 8% de bolas de plástico atingiu uma temperatura de pico de 58 graus Celsius e permaneceu quente o suficiente para matar patógenos por onze dias. Esse calor ajudou os micróbios a trabalharem mais rápido, e a pilha amadureceu significativamente mais cedo. No décimo oitavo dia, este lote já havia atingido a faixa alvo de maturidade e, no vigésimo quarto dia, estava totalmente estável. Os outros lotes com 2% e 4% de plástico também melhoraram, mas o lote de 8% mostrou o desempenho mais consistente.

Além da velocidade, as bolas de plástico ajudaram o composto a manter seus nutrientes. Quando a matéria orgânica se decompõe, elementos valiosos como fósforo e potássio podem facilmente ser lavados ou escapar. O estudo descobriu que o lote com 8% de bolas de plástico reteve a maior parte do fósforo, mantendo 45,65% dele, comparado a apenas 24,44% no lote de controle. Também manteve mais potássio, retendo 22,96% contra apenas 7,69% no lote de controle. Isso significa que o produto final não apenas estava pronto para uso mais cedo, mas também era mais rico nos minerais que as plantas precisam para crescer. O composto final do lote de 8% foi classificado como de alta qualidade, seguro para a agricultura e livre de riscos de metais pesados, enquanto o lote de controle permaneceu de qualidade inferior.

Para entender exatamente quais fatores estavam impulsionando essas mudanças, o pesquisador utilizou modelos computacionais para analisar os dados. Um modelo analisou todas as medições feitas ao longo do mês para determinar o que era mais importante. Ele descobriu que a quantidade de nitrogênio na pilha, o nível de acidez e o teor de umidade eram os principais impulsionadores de quão rápido o composto amadurecia. Outro modelo, projetado para rastrear mudanças ao longo do tempo, previu com sucesso como a razão de carbono-nitrogênio diminuiria conforme os dias passavam. Essas ferramentas confirmaram que as bolas de plástico não apenas adicionaram volume; elas criaram um ambiente onde as reações químicas corretas poderiam acontecer de forma mais rápida e confiável.

O estudo sugere que o uso dessas bolas de plástico reutilizáveis pode ser uma solução prática para sistemas de compostagem descentralizados. Diferente da serragem ou dos cavacos de madeira, que são consumidos e precisam ser comprados repetidamente, essas bolas de plástico podem ser removidas do composto final e usadas no próximo lote. Isso poderia tornar a compostagem mais eficiente e menos dispendiosa para instituições que geram muitos resíduos alimentares diariamente. Embora o experimento tenha sido conduzido em pequena escala em um laboratório, os achados apontam para um método que acelera a decomposição de resíduos, preserva nutrientes e produz um fertilizante de alta qualidade sem a necessidade de reposição constante de materiais de enchimento. A pesquisa destaca que, com a estrutura física certa e um pouco de percepção baseada em dados, transformar restos de comida em solo pode ser mais rápido, limpo e eficaz do que se pensava anteriormente.