Agricultural and environmental evaluation of biochar obtained by pyrolysis from different organic wastes

Abstract

El biochar es un material sólido obtenido a través de la conversión termoquímica de la materia orgánica (tales como madera, estiércol, hojas, etc.) en un ambiente ausente de oxígeno a temperaturas relativamente bajas (<700°C). El biochar presenta propiedades físico-químicas favorables para su uso en agricultura y, además, está ganando importancia en los últimos años como estrategia de mitigación del cambio climático. El objetivo global del presente trabajo de tesis consiste en estudiar la viabilidad de una serie de residuos orgánicos de origen agrícola y urbano para su transformación en biochar y evaluar su uso como enmienda de suelos y como aditivo del proceso de compostaje. Para ello, el trabajo experimental se ha dividido en tres fases: • Caracterización físico-química de un amplio rango de residuos orgánicos (madera de encina, residuos de invernadero, residuos de parques y jardines, la fracción celulósica resultante del tratamiento térmico de residuos sólidos urbanos (CellMatt), purines de cerdo, y un digerido parcialmente deshidratado de residuos sólidos urbanos) y de los biochars obtenidos a partir de los mismos mediante pirólisis lenta a 400°C y 600°C. • Evaluación agrícola y ambiental del uso de diversos biochars como enmienda de suelo, ya sean solos o en combinación con fertilizantes minerales y otras enmiendas orgánicas. Con el fin de entender el impacto del origen del biochar (composición lignocelulósica y contenido en cenizas) sobre las dinámicas de nutrientes del suelo, el destino de los metales pesados y el crecimiento de las plantas. • Evaluación del biochar como aditivo durante el proceso de compostaje del alperujo y estiércol de oveja a escala piloto durante 31 semanas con el fin de valorar su impacto en el proceso de compostaje (degradación de la materia orgánica, emisión de gases, ciclo del N), y sobre la calidad del compost final en términos de su valor nutricional. A grandes rasgos la caracterización físico-química mostró que la mayoría de los biochars presentan propiedades aceptables para su uso. Las características de los materiales de partida usados y la temperatura del proceso de pirólisis determinaron las propiedades físico-químicas. El incremento de la temperatura de pirólisis conllevó un aumento del contenido de cenizas, del C recalcitrante y mayores pérdidas de los grupos funcionales que contienen N y O. La evaluación agronómica de los biochars obtenidos a partir de residuos agrícolas y urbanos muestra que la incorporación de biochar está poco influida por el tipo y el origen del biochar, apenas teniendo impacto sobre los principales ciclos de nutrientes (C, N y P). Las principales diferencias entre los biochars son originadas, por el contenido relativamente alto de cenizas, en los biochar preparados a partir de residuos orgánicos pre-tratados, comparados con los obtenidos a partir de biomasa lignocelulósica. Finalmente, al incorporar los biochar al suelo durante los ensayos de incubación no se observan impactos negativos sobre las dinámicas de nutrientes, ni efectos fitotóxicos que afectan negativamente a las plantas ensayadas. Algunos biochar muestran necesidades menores de agua para mantener los niveles de humedad. Sin embargo, el uso agrícola de los biochars preparados a partir de residuos municipales pre-tratados, se puede ver limitado por la presencia de metales pesados. Por último, se ensaya el impacto de una pequeña cantidad de biochar (4%) sobre el proceso de compostaje a escala piloto de alperujo (el residuo sólido de la almazara de dos fases) mezclados con un 54% de estiércol de oveja durante 31 semanas. La incorporación de biochar incrementó el contenido de NO3--N, indicando una mayor actividad nitrificante, y reduciendo las pérdidas de N en un 15% sin afectar a la cantidad de N2O liberada. El uso de biochar como aditivo del proceso de compostaje mejorar el valor de los compost de alperujo reduciendo las pérdidas de N e incrementando su disponibilidad en materiales pobres en N.

Biochar is produced by thermal decomposition of organic material (e.g. wood, manure or leaves) under limited supply of oxygen (O2), and at relatively low temperatures (<700°C). Biochar presents favourable physicochemical properties for its use in agriculture and has recently attracted attention as a climate change mitigation strategy. This thesis has a strong focus on developing a better understanding of the influence of the original waste used for pyrolysis on the biochar characteristics and its behaviour in soil. Also, the use of biochar as a composting additive was tested. The main objective of the present thesis was to explore the recycling in agriculture of a range of organic wastes of agricultural and urban origin through their transformation into biochar (by slow pyrolysis process) and to evaluate its use as soil amendment and as additive to the composting process. The experimental work has been structured in three stages: • To evaluate the physicochemical characteristics of a series of biochars obtained by pyrolysis from a wide range of organic wastes (oak, greenhouse waste, green waste, cellulosic fraction of MSW, pig manure and food digestate) and at different pyrolysis conditions (slow pyrolysis at 400°C and 600°C). • To perform an agricultural and environmental evaluation of the use of these biochars as soil amendment either alone or in combination with mineral fertilisers and other organic amendments. In order to understand the impact of the origin of the biochar (lignocellulosic composition and ash content) on soil nutrient dynamics, the fate of heavy metals and plant growth • To evaluate the effect of biochar as additive during composting of olive mill wastes and sheep manure in a pilot scale during 31 weeks, in order to assess its impact on the composting performance (organic matter degradation, gas emission, N cycling), and on the quality of the final compost in terms of its nutritional value. In broad terms, the physico-chemical characterization shows that most of biochars present suitable properties for its use. The physicochemical properties of biochars were driven by the characteristics of feedstocks and the pyrolysis temperature. The use of high temperatures increased the ash content and recalcitrant C and increased the losses of N and O containing functional groups. Agronomical and environmental evaluation of biochars from agricultural and urban organic wastes shows that the type and origin of feedstock only had a minor impact on most important nutrient cycles (C, N y P). The main differences among biochars were originated by the presence of relatively higher content of ash in biochars prepared from pre-treated organic wastes, compared to biochars from raw lignocellulosic biomass. Also, the tested biochars did not show any negative impacts on soil nutrient dynamics or phytotoxic effects on plant growth during the soil incubation experiments and pot trials. However, the agricultural use of the biochars prepared from feedstocks of urban origin can be only limited by the presence of heavy metals. Finally, in this thesis the impact of a small proportion of biochar (4% dry weight) was studied on the composting process of olive mill waste (two-phase olive mill waste) mixed with a 54% of sheep manure during 31 weeks. The incorporation of biochar improved N cycling by increasing NO3--N content, indicating a higher nitrifying activity, and reducing N losses by 15% without affecting the amount of N2O released. The use of biochar as an additive for composting could improve the value of olive mill waste composts by reducing N losses and increasing N availability in lignocellulosic and N-poor materials.