Optimización del compostaje de residuos agropecuarios para la recuperación de la energía calórica del proceso y empleo agrícola de los compost obtenidos

Abstract

El manejo inadecuado inadecuado de los residuos agropecuarios a nivel mundial está causando varios problemas ambientales. En Ecuador, la agricultura y ganadería, actividades que sustentan la economía, generan grandes cantidades de residuos con consecuencias medioambientales negativas si su gestión no se lleva a cabo de manera adecuada. En la actualidad, el manejo de los residuos agropecuarios y su disposición están provocando la contaminación del agua, suelo y emisiones de gases de efecto invernadero. Uno de los factores que contribuye a este fenómeno es la naturaleza de las prácticas agrícolas que se realizan por pequeños productores pertenecientes a la población rural, los cuales carecen de conocimiento y recursos para gestionar los residuos generados adecuadamente, y una escasa legislación que no controla estas prácticas. Por lo tanto, es necesario implementar estrategias de gestión sostenible para el tratamiento de estos residuos, como el compostaje. Este método se considera un opción eficaz, poco tecnificada y económica para la gestión de residuos orgánicos. Durante el proceso de compostajes se libera calor, como subproducto del metabolismo microbiano, que puede ser recuperado para proporcionar energía térmica y también se produce un producto higienizado y estabilizado con capacidad fertilizante denominado compost. Además, el proceso de compostaje puede optimizarse mediante diversas tecnologías centradas en el sistema de aireación empleado. Por lo tanto, en base a las consideraciones antes mencionadas, el objetivo general de esta tesis doctoral fue optimizar el proceso de compostaje de residuos agropecuarios en Ecuador para aprovechar la energía calórica generada durante el proceso y producir compost de alta calidad que se empleó como enmienda orgánica de suelos agrícolas. De esta manera, se espera reducir el impacto ambiental de los residuos agropecuarios generados en el país, transformándolos en recursos con valor energético y agronómico, contribuyendo al desarrollo sostenible y la economía circular. Para la consecución de este objetivo, primero se realizó un estudio sobre los principales cultivos, especies de ganado y residuos agropecuarios producidos en una zona rural ecuatoriana, como la Parroquia de San Andrés. Posteriormente, se optimizaron mezclas de varios de estos residuos para co-compostarlos y se evaluaron diferentes sistemas de aireación (pasiva, volteos y combinación de volteos y aireación forzada) en la producción de compost, estudiando su grado de estabilidad y madurez, contenido de nutrientes y metales pesados, valor económico de los nutrientes, consumo energético y emisiones de CO2. También, se evaluó la recuperación de calor durante la etapa termófila del compostaje a través de un intercambiador de calor situado en la parte central de la pila. Finalmente, se evaluó el efecto de la aplicación de compost de origen agro-ganadero en la producción de alfalfa (Medicago sativa L.), comparándolo con fertilizantes minerales y estiércol, y se calcularon los ingresos netos de la producción de este cultivo en función del tratamiento empleado. Los resultados obtenidos mostraron que los residuos agropecuarios analizados en la zona agrícola rural seleccionada presentaron características positivas para su compostaje, como adecuados valores de pH, notables contenidos de materia orgánica y macro y micronutrientes, y contenidos muy bajos en metales pesados. Sin embargo, estos residuos presentaron valores de la relación carbono orgánico/nitrógeno total inadecuados para el inicio del proceso de compostaje y algunos presentaron alta salinidad y elevada presencia de aniones y polifenoles solubles, con mercado efecto fitotóxico. Por este motivo, la estrategia de compostaje diseñada para estos residuos fue el co-compostar los residuos agropecuarios estudiados, no se encontraron diferencias significativas en la calidad de los compost obtenidos cuando se empleó la aireación pasiva o por volteos, mientras que el empleo del sistema de aireación combinado de volteo con aireación forzada consiguió compost con mayor contenido de materia orgánica y nutrientes, dándole un mayor valor comercializable, y un consumo de energía y de emisiones de CO2 asociadas mayores que cuando se empleó el sistema de aireación solo con volteo. En relación a la cantidad de energía recuperada del sistema de compostaje de residuos agropecuarios, se logró recuperar 14.528 W o 0,105 MJ de energía térmica por kg de materia seca inicial, sin afectar negativamente la calidad del compost obtenido, demostrándose que el compostaje de estos residuos puede ser una alternativa sostenible para producir energía térmica descentralizada para uso doméstico. Finalmente, el uso de compost elaborado con residuos agro-ganaderos como fertilizante orgánico en el cultivo de alfalfa tuvo efectos positivos en la fertilidad del suelo, como un aumento del contenido de materia orgánica y nutrientes (especialmente N y K), y en la producción de este cultivo en comparación con otros tratamientos de fertilización (fertilizante mineral y estiércol). También, se observó que el aumento de la producción de alfalfa con este tipo de compost compensó los costes de producción de compost, logrando así los mayores ingresos netos en comparación con los otros tratamientos estudiados. De este modo, el compostaje de residuos agropecuarios se muestra como un método viable para gestionar estos residuos, obtener energía térmica sostenible y producir compost con calidad agrícola adecuada. Estos compost pueden ser reintegrados en los ciclos de cultivo que originaron los residuos, contribuyendo a cerrar los ciclos productivos, agro-ganaderos, obteniendo mayor rentabilidad y desarrollo sostenible en un marco de economía circular

The inadequate management of agro-livestock waste worldwide is causing several environmental problems. In Ecuador, agriculture and livestock farming, activities that sustain the economy, generate large amounts of waste with negative environmental consequences if they are not managed properly. At present, the management of agro-livestock waste and its disposal are causing water and soil contamination and greenhouse gas emissions. One of the factors contributing to this phenomenon is the nature of agricultural practices carried out by small farmers belonging to the rural population, who lack the knowledge and resources to manage the waste generated properly, and weak legislation that does not control these practices. Therefore, it is necessary to implement sustainable management strategies for the treatment of these wastes, such as composting. This method is considered an effective, low-tech and economical option for organic waste management. During the composting process, heat is released as a by-product of microbial metabolism, which can be recovered to provide thermal energy, and also this process produces a sanitised and stabilised product with fertiliser capacity called compost. In addition, the composting process can be optimised by various technologies focusing on the aeration system employed. Therefore, based on the aforementioned considerations, the general objective of this doctoral thesis was to optimise the composting process of agro-livestock waste in Ecuador to take advantage of the caloric energy generated during the process and produce high quality compost with potential use as organic amendment of agricultural soils. In this way, it is expected to reduce the environmental impact of agro-livestock waste generated in the country, transforming them into resources with energy and agronomic value, contributing to sustainable development and the circular economy. To achieve this objective, a study was first conducted on the main crops, livestock species and agro-livestock residues produced in a rural Ecuadorian area, such as the Parish of San Andres. Subsequently, mixtures of several of these wastes were optimised for co-composting and different aeration systems (passive, turnings and combination of turnings and forced aeration) were evaluated in the production of compost, studying their stability and maturity, nutrient and heavy metal content, economic value of the nutrients, energy comsumption and CO2 emissions. Also, heat recovery during the thermophilic stage of composting was evaluated by using a heat exchanger located in the central part of the pile. Finally, the effect of the aplicaton of agro-livestock compost on alfalfa (Medicago sativa L.) production was evaluated, comparing it with mineral fertilisers and manure, and the net income from the production of this crop was calculated according to the treatment used. The results obtained showed that the agro-livestock residues analysed in the selected rural agricultural zone showed positive characteristics for composting, such as adequate pH values, notalbe contents of organic matter and macro and micronutrients, and very low contents of heavy metals. However, these residues presented inadequate values of organic carbon/total nitrogen ration for the beginning of the composting process and some wastes presented high salinity and high presence of soluble anons and polyphenols, with a marked phytotoxic effect. For this reason, the composting strategy designed for these wastes was the co-composting of several wastes in the appropiate proportions and the unitary composting of only one of the wastes studied was avoided. Regarding the aeraton systems used to co-compost the agro-livestock wastes studied, no significant differences were found in the quality of the compost obtained when passive aeration or turning was used, while the use of the combined aeration system of turning with forced aeraton resulted in composts with a higher content of organic matter and nutrients, giving them a higher marketable value, and a higher energy consumption and associated CO2 emissions than when the aeration system with only turning was used. Regarding the amount of energy recovered from the agro-livestock waste composting system, 14,528 W or 0.105 MJ of thermal energy per kg of initial dry matter was recovered, without negatively affecting the qualilty of the compost obtained, demonstrating that composting these wastes can be a sustainable alternative to produce descentralized thermal energy for domestic use. Finally, the use of compost made from agro-livestock residues as an organic fertiliser in alfalfa crop had positive effects on soil fertility, such as an increase in organic matter and nutrient content (especially N and K), and on the production of this crop compared to other fertilisation treatments (mineral fertiliser and manure). Also, it was observed that the increase in alfalfa production with this type of compost compensated the compost production costs, thus achieving the highest net income compared to the other treatments studied. Thus, the composting of agro-livestock wastes is shown as a viable method to manage these residues, obtain sustainable thermal energy and produce compost of adequate agricultural quality. These composts can be reintegrated into the crop cycles that originated the wastes, contributing to close the agro-livestock production cycles, obtaining greater profitability and sustainable development within a circular economy framework.