New composting scenarios for municipal organic waste management in the circular economy framework: evaluation of the processes and quality of the final composts

Abstract

El crecimiento de la población a nivel mundial junto con la expansión urbana y el progreso económico de la sociedad, han incrementado el consumo de recursos y la producción de residuos. En consecuencia, gestionar de manera adecuada los residuos y, concretamente los residuos municipales o residuos sólidos urbanos, se presenta como un reto actual. En los últimos años, se ha producido un cambio en los modelos de gestión de residuos a nivel global, de modelos lineales basados en el consumo de materias primas, recursos naturales y generación de residuos, a modelos basados en la economía circular. En estos modelos, los residuos se convierten en nuevos recursos que pueden utilizarse como materias primas secundarias. Sin embargo, la reintroducción en el sistema productivo depende de la calidad de los materiales. En este sentido, a nivel nacional se han establecido modelos de gestión separada de los residuos municipales. La recogida selectiva contempla fracciones ampliamente conocidas (papel/cartón, vidrio y envases ligeros) e incorpora otras fracciones más peculiares. Una de ellas, es la fracción de residuos orgánicos, conocida como biorresiduos y formada, principalmente, por restos de alimentos y restos de podas vegetales. Las características de los biorresiduos condicionan su separación, recogida y tratamiento, pero a su vez, los señala como una fuente de recursos naturales que, a través de una gestión y valorización adecuada, promueve la sostenibilidad y eficiencia en el uso de recursos. Por lo tanto, la gestión de biorresiduos mediante compostaje se presenta como un tratamiento de gestión sostenible que permite obtener compost maduros, estables e higienizados, que aumenta la circularidad de los sistemas de gestión y disminuye el impacto ambiental de una gestión inadecuada. Tradicionalmente, esta gestión se ha desarrollado en instalaciones centralizadas, que requieren una amplia inversión, el transporte de residuos a grandes distancias y son instalaciones que, por sus características, resultan difíciles de emplazar. Además, las necesidades especiales de determinadas zonas, como las zonas rurales o semi-rurales donde la gestión de residuos puede ser complicada, unido a las nuevas directrices legislativas que establecen la obligación de gestionar de forma separada los biorresiduos, han dado lugar a nuevos escenarios de compostaje descentralizado, como son el compostaje comunitario y el compostaje urbano descentralizado. Sin embargo, la falta de estandarización y monitorización de estos procesos, así como un conocimiento profundo de los materiales iniciales utilizados y los compost finales obtenidos y de los posibles beneficios/riesgos que puedan reportar, han motivado este estudio. Por lo tanto, el objetivo principal de esta tesis fue estudiar los nuevos escenarios de gestión de los residuos orgánicos municipales, formados principalmente por biorresiduos, mediante compostaje comunitario y compostaje urbano descentralizado desde el entorno de la economía circular. Además, se realizó una valoración de los beneficios agronómicos y ambientales asociados al uso de estos compost en agricultura y su capacidad de mitigación del cambio climático, mediante la recuperación de nutrientes esenciales para los cultivos, evitando la transferencia de contaminantes a la cadena alimentaria y mejorando la capacidad de adaptación de las plantas frente a diferentes estreses abióticos. Para conseguir este objetivo, primero se realizó una evaluación de los materiales iniciales utilizados como ingredientes de las mezclas en cada modelo de compostaje. Para ello, se realizó una caracterización a nivel agronómico y de los parámetros asociados a potenciales riesgos para la salud humana y el medioambiente. Los resultados obtenidos indicaron que los residuos gestionados en los modelos de compostaje descentralizado estudiados presentaban propiedades óptimas que garantizaban un buen desarrollo del proceso, así como ausencia de riesgos potenciales tanto para la salud como para el medioambiente. A continuación, se realizó un seguimiento de los diferentes procesos de compostaje determinando las condiciones bajo las que se desarrolla cada proceso y la influencia de la escala. Las muestras obtenidas durante cada etapa del proceso de compostaje fueron caracterizadas a nivel agronómico, de madurez y estabilidad, así como indicadores de riesgos biológicos y químicos. Los resultados obtenidos evidenciaron la capacidad de ambos modelos de gestión descentralizada de obtener compost maduros y estables, con óptimas características fisico-químicas, químicas y biológicas, que permiten su uso seguro en agricultura seguro. Además, se demostró homogeneidad y alta reproducibilidad entre los procesos y los compost finales de cada modelo, lo que garantiza la fiabilidad de estos modelos de gestión. Con la finalidad de poder clasificar los compost obtenidos en los modelos de compostaje urbano descentralizado, se diseñaron diferentes índices que permiten evaluar y comparar de forma rápida la calidad de los compost. Por otro lado, se estudiaron los beneficios de la aplicación de compost en un ensayo en mesocosmos, así como en un ensayo estandarizado suelo-planta. La finalidad de estos experimentos fue evaluar la dinámica del nitrógeno en el suelo y la capacidad de mitigación del cambio climático, así como determinar el poder fertilizante del compost y de retención de humedad en un cultivo hortícola. El estudio en mesocosmos demostró una adecuada tasa de mineralización de los compost procedentes de compostaje comunitario y urbano descentralizado y se observó como las emisiones de gases de efecto invernadero no se vieron incrementadas. Además, la aplicación agronómica de los compost en el cultivo hortícola confirmó su posible uso como sustituto de fertilizantes y mejorando las propiedades del suelo sin causar efectos perjudiciales en el sistema suelo-planta. Por último, se escogieron compost de cada modelo de compostaje descentralizado para estudiar los efectos de su aplicación en cuanto a la capacidad de incrementar la adaptación de una especie mediterranea al estrés por sequía y por salinidad. Se estudiaron diferentes parámetros de la planta, que permitían determinar su nivel de estrés, como la emisión de monoterpenos, conductancia estomática, fotosíntesis y diferentes índices de reflectancia. Este estudio mostró que ambos estreses influyeron en la ecofisiología de la planta, reduciendo la fotosíntesis y la emisión de monoterpenos, mientras que los índices de reflectancia solo se vieron afectados por la sequía y el uso de compost con alta salinidad. Este estudio demostró que la aplicación de compost del modelo comunitario incrementaba la adaptación del romero a ambos estreses, mientras que en el modelo urbano descentralizado dependía de las propias características del compost.

The global population growth, together with urban expansion and economic progress, has led to increased consumption of resources and waste production. As a result, the proper management of waste, and specifically municipal waste or solid urban waste, has become a current challenge. In recent years, there has been a shift in waste management models globally, moving from linear models based on the consumption of raw materials, natural resources and waste generation to circular models based on the circular economy. In these new models, waste becomes a new resource that can be used as secondary raw materials. However, these new raw materials must be of a certain quality to allow them to be reintroduced into production systems. In this regard, separate municipal waste management models have been established at the national level. Selective collection covers widely known fractions (paper/cardboard, glass and light packaging), to which other more specific fractions have been added. One of these is the organic waste fraction, also known as biowaste, which consists mainly of food scraps or waste generated after food handling and plant pruning waste. The characteristics of biowaste determine how it is separated, collected and treated, but at the same time, they identify it as a source of natural resources which, through proper management and recovery, promotes sustainability and efficiency in the use of resources. Therefore, the management of biowaste through composting is presented as a sustainable management treatment that allows for the production of mature, stable and sanitized compost, which increases the circularity of management systems and reduces the environmental impact of inadequate management. Traditionally, organic waste management has been carried out in centralized facilities, which require significant investment, the transport of waste over long distances and are difficult to locate due to their characteristics. In addition, the special needs of certain areas, such as rural or semi-rural areas where waste management can be complicated, together with new legislative guidelines establishing the obligation to manage biowaste separately, have given rise to new decentralized composting scenarios, such as community composting and decentralized urban composting. However, the lack of standardization and monitoring of these processes, as well as a thorough understanding of the initial materials used and the final compost obtained and the possible benefits/risks they may bring, have motivated this study. Therefore, the main objective of this thesis was to study new scenarios for the management of municipal organic waste, mainly consisting of biowaste, through community composting and decentralized urban composting from a circular economy perspective. In addition, an assessment was made of the agronomic and environmental benefits associated with the use of these composts in agriculture and their capacity to mitigate climate change, through the recovery of essential nutrients for crops, avoiding the transfer of contaminants to the food chain and improving the adaptability of plants to different abiotic stresses. To achieve this objective, an assessment was first carried out of the initial materials used as ingredients in the mixtures in each composting model. To this end, a characterization was carried out at the agronomic level and of the parameters associated with potential risks to human health and the environment. The results obtained indicated that the waste managed in the decentralized composting models studied had optimal properties that guaranteed the proper development of the process, as well as the absence of potential risks to both health and the environment. After that, the different composting processes were monitored, determining the conditions under which each process takes place and the influence of scale. The samples obtained during each stage of the composting process were characterized in terms of agronomy, maturity and stability, as well as biological and chemical risk indicators. The results obtained demonstrated the capacity of both decentralized management models to produce mature and stable compost with optimal physical-chemical, chemical and biological characteristics, allowing for safe use in agriculture. In addition, homogeneity and high reproducibility were demonstrated between the processes and the final composts of each model, guaranteeing the reliability of these management models. In order to classify the compost obtained in the decentralized urban composting models, different indices were designed to quickly evaluate and compare the quality of the compost. On the other hand, the benefits of applying compost were studied in a mesocosm assay, as well as in a standardized soil-plant experiment. The purpose of these experiments was to evaluate the dynamics of nitrogen in the soil and the capacity for climate change mitigation, as well as to determine the fertilizing power of the composts and their moisture retention in a horticultural crop. The mesocosm study demonstrated an adequate mineralization rate for the composts from community and decentralized urban composting, and it was observed that greenhouse gas emissions were not increased. In addition, the agronomic application of these composts in an horticultural crop confirmed their potential use as substitutes for inorganic fertilizers and for improving soil properties without causing harmful effects on the soil-plant system. Finally, composts from each decentralized composting model were selected to study the effects of their application in terms of their ability to increase the adaptation of a Mediterranean species to drought and salinity stress. Different plant parameters were studied to determine their stress level, such as monoterpene emission, stomatal conductance, photosynthesis and different reflectance indices. This study showed that both stresses influenced the plant ecophysiology, reducing photosynthesis and monoterpene emission, while reflectance indices were only affected by drought and the use of composts with high salinity. This study demonstrated that the application of the composts from the community model increased rosemary adaptation to both stresses, while in the decentralized urban model it depended on the characteristics of the compost itself.