Development of composting technology for biofertiliser production

Abstract

The intensification of the pig production systems can lead to an excess of pig slurry produced in areas without enough agricultural land for its direct soil application. Composting has been proved to be a feasible environmentallyfriendly management tool, based on nutrient recovery, for the treatment of the pig manure, minimising the environmental problems associated with its accumulation and allowing the safe storage and transportation of the nutrients surplus to areas where nutrients are needed for agriculture. This thesis focus on the development of the technology to produce high quality biofertilisers by co-composting of the pig slurry with plant residues, as bulking agents, optimising the composting conditions, compost quality, and finally assessing the biofertiliser capacities under agronomic conditions. The central body of this thesis consists of four international peer-review publications that investigate: 1. the best bulking agent to be used during the cocomposting of the solid fraction of pig slurry (SFP) and their implications on GHG mitigation; 2. the influence of the proportion of bulking agent on the composting process and GHG emissions; 3. the organic matter transformations during the composting at different composting scenarios; and 4. the fertiliser efficiency of the composts produced and the potential nitrate leaching risk. For the first peer-review publication, a self-heating test with several mixtures of SFP and four different bulking agents was run in a laboratory composting reactor. The samples taken from the beginning and the end of the experiment were incubated under aerobic conditions to assess the biodegradability of the mixtures tested and to evaluate their influence on the reduction of the CO2 emissions, and thus on the promotion of C conservation.The results indicated that the mixtures elaborated with cotton gin waste and garden prunings had the fastest temperature development, reaching the highest temperatures in the self-heating test, which may indicate a fast composting development. However, the use of maize stalks reduced the CO2 emissions due to its slow degradability, which could constitute a suitable strategy to promote C conservation during the management of pig slurry by composting. For the second peer-review publication, the influence of the bulking agent proportion on the composting of the SFP was studied in a composting pilot plant, focussing on the development of the process and on the greenhouse gas emissions. Then, two mixtures of the SFP and cotton gin waste at different proportions were prepared and composted by the Rutgers static pile system in a pilot-scale plant. The results indicated that the pile with the greater proportion of bulking agent led to highest temperatures and a longest thermophilic phase, with greatest aeration demand; but lower organic matter degradation occurred, reducing CH4 and N2O emissions with respect to the pile prepared with greater proportion of SFP. The thermal properties of the bulking agent may be responsible for the temperature profile. The OM mineralisation was faster in the pile with higher proportion of SFP, increasing the total-N losses by ammonia emissions. Then, the temperature evolution during the SFP composting process has been shown to rely on the thermal properties of the bulking agent, while the gaseous emissions were very well related to the OM degradation process. Both composts produced were stable, with a good degree of maturity; the compost with the higher proportion of SFP had greater organic matter humification and higher nutrient concentrations. For the third peer-review publication, different analytical techniques (thermogravimetric analysis, CP MAS NMR and FT-IR spectroscopy) were used to study the organic matter changes during the co-composting of pig slurry with cotton gin waste. Samples from the previous composting experiment at pilot scale and from a field scale composting system, with different proportions of the raw materials and different type of composting system were tested. The results of the thermogravimetric methods showed the degradation of the most labile organic matter during composting; NMR showed during composting a decrease of the carbohydrate molecules and an increase of the aliphatic materials due to a concentration effect. Also, FT-IR spectroscopy was a useful technique to study the trend of polysaccharides and nitrates as compounds indicative of organic matter transformations during composting. For the fourth peer-review publication, the fertilising value of compost made from the SFP and cotton gin waste was assessed in a pot trial using ryegrass as a plant test. The potential risk of nitrate-N leaching in the soil after intense rainfall events was also evaluated. The experiment was carried out in a glasshouse using double-layer pots, which allowed the collection of leachates from the pots. The results showed that both composts were able to increase biomass production and soil fertility with respect to the control treatment. The RAE (relative agronomic efficiency) values of compost N reached 47.6 %, indicative of a partial N-mineralisation of the compost organic-N; for compost-P, the RAE reached 56 and 75 % in each compost, and the high solubility of K in the compost gave high RAE values, demonstrating the nutrient fertiliser value of compost prepared from pig slurry. The high Cu and Zn concentrations provided by the composts did not affect negatively the development of the plants, neither provoked great soil accumulation; losses of N by leaching were low, especially at the highest application rate of compost. The use of compost in an agronomic scenario has been suggested for supplying the equilibrated ratio of nutrients required for efficient crop production.

La intensificación de los sistemas de producción porcina puede causar un exceso de producción de purines en áreas donde el suelo agrícola disponible para su aplicación directa es limitado o insuficiente. El compostaje ha demostrado ser una herramienta de gestión viable y respetuosa con el medio ambiente para el tratamiento de los purines de cerdo, basada en la recuperación de los nutrientes, y minimizando los problemas ambientales asociados con estos subproductos y permitiendo el almacenamiento y el transporte seguros del excedente de nutrientes a áreas agrícolas donde su aplicación es necesaria. Esta tesis se centra en el desarrollo de la tecnología de compostaje para el tratamiento de los purines de cerdo con residuos vegetales, como agentes estructurantes, para la producción de fertilizantes orgánicos de calidad mediante la optimización de las condiciones de compostaje y la calidad del compost, para finalmente, evaluar la capacidad fertilizante de los compost en condiciones agronómicas. La parte central de esta tesis consiste en cuatro publicaciones en revistas internacionales que abordan los siguientes aspectos: 1. Seleccionar el agente estructurante adecuado para el co-compostaje de la fracción sólida del purín de cerdo (SFP) y su implicación en la mitigación de gases de efecto invernadero; 2. Determinar la influencia de la proporción del agente estructurante en el proceso de compostaje y las emisiones de gases de efecto invernadero; 3. Identificar la transformación de materia orgánica (MO) durante el compostaje del purín de cerdo en diferentes escenarios; y 4. Cuantificar la eficiencia fertilizante de los compost producidos y determinar el riesgo potencial de lixiviación de nitratos. En la primera publicación, se realizaron ensayos de auto-calentamiento con mezclas de SFP y cuatro agentes estructurantes diferentes, utilizando un reactor de compostaje a nivel de laboratorio. Las muestras tomadas al inicio y al final de dicho experimento se incubaron aeróbicamente para evaluar la biodegradabilidad de las mezclas y su influencia en la reducción de las emisiones de CO2, y por lo tanto en la conservación de C. Los resultados indicaron que las mezclas elaboradas con residuos de desmotado de algodón y poda de jardín favorecían un rápido incremento de la temperatura, con el desarrollo de valores elevados, lo que podría suponer un mejor desarrollo del proceso de compostaje. Sin embargo, el uso de la caña de maíz redujo las emisiones de CO2 debido a su lenta descomposición, lo que podría constituir una estrategia adecuada para la conservación del C durante la gestión de los purines mediante compostaje. En la segunda publicación, la influencia de la proporción del agente estructurante en el compostaje de la SFP se estudió en una planta piloto de compostaje, enfocado hacia el desarrollo del proceso y las emisiones de gases de efecto invernadero. Se prepararon dos mezclas de SFP y de desmotado de algodón a diferentes proporciones, utilizando el sistema de pila estática Rutgers, en una planta a escala piloto. Los resultados indicaron que la pila con la mayor proporción de agente estructurante tuvo las temperaturas más elevadas, con una fase termófila más larga y mayor demanda de aireación; pero la degradación de la materia orgánica fue menor que en la pila con menor proporción de residuo de algodón, reduciendo las emisiones de CH4 y N2O. Las propiedades térmicas del agente estructurantes fueron responsables del perfil térmico logrado. La mineralización de la MO fue más rápida en la pila con una mayor proporción de SFP, con pérdidas de N más elevadas asociadas a las emisiones de amoníaco. Por tanto, la evolución de la temperatura durante el compostaje de la fracción sólida del purín de cerdo se asoció a las propiedades térmicas del agente estructurante, mientras que las emisiones gaseosas se relacionaron con el proceso de degradación de la materia orgánica. Ambos compost producidos eran estables, con un buen grado de madurez; el compost con la mayor proporción de fracción sólida de purín logró una materia orgánica con mayor grado de humificación y concentraciones de nutrientes más elevados. En la tercera publicación, se utilizaron distintas técnicas analíticas (análisis termogravimétrico, CP MAS RMN y espectroscopia FT-IR) para estudiar los cambios de la MO durante el co-compostaje de la fracción sólida de purín con residuo de desmotado de algodón. Se estudiaron muestras de los experimentos anteriores en planta piloto y también de un ensayo a nivel real in granja, utilizando diferentes proporciones de las materias primas y diferentes tipos de sistema de compostaje. Los resultados de los métodos termogravimétricos mostraron la degradación de la MO más lábil durante el compostaje; RMN mostró una disminución de los carbohidratos y un aumento de los compuestos alifáticos durante el compostaje, debido a un efecto de concentración. Además, la espectroscopia FT-IR fue una técnica útil para estudiar la tendencia de los polisacáridos y los nitratos como compuestos indicativos de las transformaciones de la MO durante el compostaje. En la cuarta publicación, el valor fertilizante del compost producido a partir de la fracción sólida de purín de cerdo y del desmotado de algodón se evaluó en un ensayo en macetas usando césped como planta testigo. También se evaluó el riesgo potencial de lixiviación de nitratos en el suelo después de eventos de lluvia intensos. El experimento se desarrolló en macetas de doble fondo que permiten la recogida de los lixiviados. Los resultados mostraron que ambos compost fueron capaces de aumentar la producción de biomasa y la fertilidad del suelo, con respecto al tratamiento control. Los valores de eficiencia agronómica relativa (EAR) del N del compost alcanzaron el 47%, indicando una mineralización parcial de las formas de N orgánico; la EAR del P del compost alcanzó 56 y 75 % para los compost con mayor y menor proporción de fracción sólida, respectivamente, y la alta solubilidad del K en ambos compost llevó a altos valores de EAR para este nutriente. Las altas concentraciones de Cu y Zn de los compost no afectaron negativamente al desarrollo de las plantas, ni crearon una gran acumulación de metales en el suelo; las pérdidas de N por lixiviación fueron bajas, especialmente con la dosis más alta de compost. Se ha planteado el escenario agronómico para el uso de compost de forma que suministre la proporción de nutrientes adecuada para una eficiente fertilización de los cultivos.