Evaluación de los gases de efecto invernadero en el compostaje de alperujo y de la inmovilización de carbono en su aplicación al suelo

Abstract

El compostaje tiene gran interés debido a su potencial para degradar y estabilizar el contenido en materia orgánica (MO) de los residuos, que pueden ser utilizados en agricultura como enmiendas orgánicas. En la actualidad, la aplicación de compost al suelo puede tener un valor añadido como estrategia para reducir la concentración de CO2 atmosférico mediante la estabilización de carbono orgánico en el suelo. Con este fin, son de especial interés los residuos ricos en lignocelulosa, cuyo compostaje dará lugar a un material altamente humificado que minimiza la posterior degradación del carbono a CO2 y favorece la incorporación de la MO del compost al suelo. Esta estrategia es de especial interés en las zonas de clima mediterráneo y semiárido donde los suelos agrícolas sufren además graves problemas degradativos debido a las pérdidas de carbono orgánico. El alperujo, residuo procedente de la extracción del aceite de oliva, tiene un alto contenido en lignocelulosa y compuestos fenólicos, características que favorecen la obtención de compost con un alto grado de madurez y estabilidad y que hacen que tenga una gran resistencia a la degradación. Así, el uso de este residuo como fuente de carbono, tras su compostaje, tiene importantes implicaciones en la inmovilización de carbono orgánico en el suelo. Sin embargo, los beneficios netos del compostaje de residuos orgánicos sobre el secuestro de carbono pueden verse contrarrestados por las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) con efectos potenciales negativos sobre el medio ambiente, tales como son el N2O y el CH4.

El objetivo global del presente trabajo es evaluar el impacto ambiental del compostaje de alperujo mediante el estudio de las emisiones de GEI generados durante el proceso y del potencial del compost obtenido para la inmovilización de carbono en suelos enmendados.

Los objetivos parciales de la presente memoria han sido:

• Determinar el efecto de la composición química de la mezcla inicial de residuos sobre la velocidad de descomposición de la MO (duración del proceso) en el compostaje de alperujo.

• Cuantificar la concentración de los gases CO2, CH4 y N2O generados durante el compostaje de alperujo para valorar el efecto de la composición inicial de las pilas y de la fuente de nitrógeno sobre la magnitud de las emisiones.

• Evaluar la influencia de la composición y del grado de estabilización de las mezclas de compost en la estabilización de carbono orgánico en suelos enmendados, simulando condiciones ambientales normales.

• Cuantificar la cantidad de carbono procedente de las enmiendas de compost de alperujo que puede quedar estabilizado entre las diferentes fracciones de carbono húmico del suelo, bajo condiciones óptimas para la mineralización.

Para conseguir estos objetivos, se estudió la evolución de cinco pilas elaboradas a escala industrial empleando distintas proporciones de alperujo, diferentes agentes estructurantes y fuentes de nitrógeno. El sistema de ventilación empleado fue el de pila móvil. Las muestras de los gases CO2, CH4 y N2O se recogieron en la cima de las pilas mediante un sistema de cámara cerrada. Por último se realizaron ensayos con suelos enmendados con las mezclas de compost de alperujo para el estudio de las dinámicas de mineralización y humificación.

Los resultados muestran que el uso de compost de alperujo como enmendante orgánico resulta eficaz en la estrategia de estabilizar carbono en el suelo a largo plazo. Hay un beneficio neto al final del proceso dada la resistencia del material a la degradación durante su compostaje y la baja mineralización de carbono tras su aplicación al suelo. A esto se suma el escaso impacto ambiental de su compostaje controlado, evaluado por la baja emisión de CH4 y N2O. Composting is a suitable low-cost strategy for the valorisation of organic wastes as soil amendments. The interest of this technology lies in its potential to degrade and stabilise the organic matter (OM) content of the wastes. At present, the application of compost to the soil could have an added value as a strategy to reduce the atmospheric concentration of CO2 by the stabilisation of organic carbon in the soil. To that end, is of special interest the composting of lignocellulosic wastes due to the quality of the compost obtained: a highly humified material which minimise the subsequent carbon mineralisation and contribute to the stabilisation of waste carbon in soil. This strategy is particularly important in Mediterranean areas, where a large proportion of agricultural lands have been degraded by loss of organic matter and other processes that reduce soil productivity. Two-phase olive mill waste (TPOMW), the main by-product generated by the two-phase centrifugation system, is characterised by a large content of OM, mainly of lignocellulosic nature, and by the presence of polyphenols. These are favourable physicochemical properties to produced a highly humifed compost which can promote long-term stabilisation of waste organic carbon in soil. However, the net benefit of the composting of organic wastes on the carbon sequestration strategy could be counteracted with the emissions of CH4 and N2O generated during composting operations, since these gases have a warming potential higher than CO2.

The global purpose of this work is to evaluate the environmental impact of TPOMW composting by studying the emissions of greenhouse gases (GHG) generated during the process and the potential of the obtained compost to sequester carbon in the amended soils.

The partial aims have been:

• To determine the effect of the initial chemical composition of the composting mixtures on the OM degradation rate (composting time) during TPOMW composting.

• To quantify the emissions of CO2, CH4 and N2O during TPOMW composting and to study the relationship between the mechanisms involved in the gas production and the carbon and nitrogen cycles of the composting mixtures.

• To evaluate the influence of the chemical composition and the degree of stabilisation of TPOMW composting mixtures on the stabilisation of organic carbon in amended soils under standard conditions.

• To quantify the amount of waste carbon stabilised in different soil humic fractions, under optimum conditions for mineralization.

To reach these goals, it has been studied the evolution of five composting mixtures prepared from TPOMW and different bulking agents and N sources. Composts were prepared in a pilot-scale plant by windrowing. A static closed chamber technique was used to measure CO2, CH4 and N2O fluxes from the surface of the composting pile. Finally, mineralization and humification dynamics were studied on different agricultural soils amended with TPOMW composting mixtures.

Results show the effectiveness of the use of TPOMW compost as organic amendment to promote long-term stabilisation of waste carbon in soil. There is a net benefit at the end of the process due to the low degradation rate of TPOMW during composting and the low mineralization rate in soil. In addition, the environmental impact of a controlled TPOMW composting is scarce due to the low CH4 and N2O surface flux emission observed in the piles.