Desarrollo y optimización de procesos de compostaje de alpechín para la obtención de productos fertilizantes

Abstract

El desarrollo global y el creciente requerimiento en producción han llevado a la sociedad actual a demandar nuevos modelos de gestión de recursos que permitan reutilizar materiales dentro del sistema. La aplicación de estos modelos de economía circular al sector agrícola consiste en la recirculación de los nutrientes de los subproductos y desechos de la actividad agrícola y la industria agroalimentaria de vuelta a los suelos de cultivo. El tamaño e importancia del sector oleícola español conllevan la necesidad de ajustar estos modelos de economía circular a sus actividades, empezando por la gestión de sus residuos de mayor impacto y problemática. En concreto, el alpechín supone un problema de gestión y, desde hace décadas, el método de gestión más comúnmente usado ha sido su almacenaje en balsas de secado, el cual se ha mostrado como un método de gestión ineficaz, ya que no consigue reducir el volumen del residuo y además, estas balsas suponen un potencial foco de contaminación ambiental. Aunque con los años se han planteado diversas estrategias de gestión para este material, la heterogeneidad, producción descentralizada y recalcitrancia de sus compuestos han llevado a la propuesta de técnicas de bajo coste y aplicación sencilla como el compostaje. A causa de la naturaleza fitotóxica y antimicrobiana de los alpechines, debida principalmente a su alto contenido en compuestos fenólicos, los sistemas de compostaje han de adaptarse a este reto para poder acondicionar el residuo y hacer un uso agronómicamente sostenible del mismo. Un método de tratamiento optimizado y ambientalmente seguro permitiría aprovechar el alpechín como una fuente de nutrientes, en especial potasio y materia orgánica para la restauración de suelos. De esta forma, se han planteado técnicas avanzadas como la bioaumentación de las pilas con microorganismos resistentes a los compuestos antimicrobianos del alpechín y capaces de degradar las sustancias más recalcitrantes. En este contexto, se plantea el objetivo principal de esta tesis, que ha sido el desarrollo y validación de procesos biotecnológicos basados en compostaje avanzado para la gestión y el tratamiento de alpechín de balsas abandonadas, teniendo en cuenta el valor agronómico del producto y tratando de mitigar el impacto ambiental de los gases de efecto invernadero (GEI) producidos, utilizando diversos enfoques en la optimización del proceso como son la aplicación de aditivos como el Biochar, el uso de técnicas de manejo alternativas y el uso de consorcios microbianos. Para llevarlo a cabo, se realizó un ensayo de compostaje en pilas con un 50% en peso fresco de alpechín mezclado con distintas fuentes de nitrógeno y carbono. A su vez, dichas pilas se aditivaron con Biochar y aditivos Bio-minerales y aplicó un sistema de cubiertas geotextiles con el objetivo de mitigar las emisiones de GEI. El alpechín causó problemas al inicio del proceso de compostaje, ya que las pilas tardaron en aumentar de temperatura, pero el compost resultante tuvo menor contenido en compuestos fitotóxicos de los que se observaban en el material original. Aun así, no se mitigaron todos los problemas del material. Se llevó a cabo un segundo ensayo de compostaje, con dos concentraciones distintas de alpechín, 30% y 50%, y utilizando las fuentes de nitrógeno y carbono más efectivas del primer ensayo, estiércol vacuno y poda de viña. Estas pilas fueron aditivadas con Biochar, inoculadas con un consorcio microbiano aportado por la Universidad de Almería y tratadas con una combinación de ambas técnicas. El resultado mostró que los microorganismos causaron el aumento de la nitrificación y de las temperaturas de las pilas, mientras que el Biochar redujo las emisiones GEI. Por último, los compost fueron validados en un ensayo de macetas de lechuga bajo condiciones controladas y se evaluó la fitotoxicidad en un ensayo con maíz. Los compost mostraron validez como enmiendas orgánicas, no mostraron efectos fitotóxicos y se comportaron como otros fertilizantes orgánicos similares. Las características del suelo mejoraron, incrementando el stock de carbono, y el ensayo en maíz mostró efectos fitoestimulantes en proporciones al 30% en sustrato.

The global development and increasing demands in production have led the modern society to demand new resource management models that enable the recirculation of materials within the system. The application of these new circular economy models in the agronomic sector consists in the recirculation of nutrients from by-products and waste derived from agricultural and agro-industrial activities back into cultivated soils. The size and relevance of the Spanish olive oil industry require the adaptation of circular economy models to manage its most environmentally harmful and problematic wastes. Specifically, the olive mill wastewater sludge (OMW) presents several management problems. For decades, the most widely used method has been accumulation in drying ponds, which has been proved ineffective, as it is not able to reduce the waste volume and the ponds themselves are a potential source of environmental pollution. Although several management strategies have been proposed over the years, the heterogeneity of the materials, their decentralized production, and the recalcitrancy of their compounds have led to low-cost, easy-to-apply proposals such as composting. Due to the phytotoxic and antimicrobial nature of OMW, mainly caused by its high phenolic content, composting systems require adaptation to address this challenge and be able to treat this waste and make an agronomically sustainable use of it. An optimized and environmentally safe treatment method may allow the use of OMW as a nutrient source, especially potassium and organic matter for soil restoration. Accordingly, several advanced techniques have been proposed, such as the bioaugmentation of composting piles with microorganisms resistant to OMW’s antimicrobial compounds, which may also be capable of decomposing the most recalcitrant substances. In this context, the main objective of this thesis is proposed: developing and validating advanced compost-based biotechnological processes for the management and treatment of OMW from abandoned drying ponds, considering the agronomic value of the product and trying to mitigate the environmental impact of greenhouse gases (GHG) emitted, proposing several alternatives to optimize the process, such as the use of additives like Biochar, different handling techniques, or the use of microbial consortia. To achieve this goal, a composting experiment was carried out, with piles composed of 50% OMW (fresh weight) mixed with different sources of nitrogen and carbon. Additionally, Biochar and Bio-mineral additives were applied to the piles and a system of geotextile covers was used in order to reduce GHG emissions. OMW caused some issues at the beginning of the composting process, as the piles struggled to raise their heat, but the resulting compost had a lower content of phytotoxic compounds compared with the source material. However, not all issues of the source material were mitigated. A second composting experiment was carried out, using two different concentrations of OMW, 30% and 50%, and the most effective nitrogen and carbon sources from the first experiment, cattle manure and grapevine pruning. The piles were treated with a Biochar addition, the inoculation of a microbial consortium from the University of Almería, and a combination of both techniques. The results showed that the microorganisms enhanced nitrification and increased temperature in the piles, and Biochar reduced GHG emissions. Lastly, the composts were tested in a pot experiment using lettuce under controlled conditions, and their phytotoxicity was evaluated in a test using maize. The results indicated that the composts can be used as organic amends, showed no phytotoxic effects, and performed similarly to other organic fertilizers. Soil characteristics improved, as the composts increased their carbon stock, and the maize test showed phytostimulant effects when applied in the substrate in proportions below 30%.