Valorisation of organic wastes: assessment of compost quality

Abstract

The physico-chemical and structural characterization of compost is fundamental for the valorisation of this sustainable material obtained from the aerobic decomposition of the organic solid wastes. Although the available methods and analytical parameters provide relevant information on the degree of maturation of the compost and on the content of major nutrients or contaminants, there are still some important questions that remain unanswered. In the scope of thisthesis three major topics were addressed, namely, the identification of the most adequate parameters to monitor compost along the composting process and provide information on the variability of the compost features related to the feedstock and composting methods. The first goal is relevant in view of the diversity characterization parameters obtained either directly from the compost or from its extracts. For this purpose, a total of 108 parameters, obtained using very different techniques and methodologies, were compared for the characterization of a compost at 4 composting stages. The compost used in this study was prepared by tunnel composting using the organic fraction of urban wastes obtained by selective collection. The statistical analysis of the results using a statical tool (Common Dimensions) indicated that either the solid compost or the extracts can be used interchangeably to monitor the composting process. Among the most significant parameters are the C/N molar ratio from the compost characterization, the electric conductivity from the water-soluble extract and the content of C and N in the humic-like (HA-L) and fulvic-like acid (FA-L), respectively. The variability of the compost features was studied by means of the characterization of 7 composts of different origin, including vermicomposts and composts from industrial and domestic composting, prepared using feedstocks of different nature, such as urban wastes, sewage sludge, manure, and algae. The characterization was performed by means of physico-chemical parameters obtained from elemental, thermal and spectroscopic methods and by reactivity parameters from acid-base and metal binding titrations. Despite the stabilisation of organic matter in all composts being adequate for agricultural applications, they display distinct elemental and structural composition. The principal component analysis of the results from the direct characterization of the composts lead to samples distribution patterns that are more closely associated with the nature of the raw materials than with the composting method. Furthermore, correlation analysis suggested that the chemical structure of the constituents of the composts produced from different feedstock and composting methodologies possess important similarities. Characterization results of extracts from composts of different origins were analysed and the parameters that can better detect the changes in the composition of the extracts were identified. Within the extracts of the same nature, the higher number of correlations were found for HA-L extract with a total of 30 correlations. The HA-L extract was also the extract that exhibited a larger number of correlations with the compost characterization parameters. Finally, the extracts of the different composts were compared with those of a non-composted fertiliser through the binding extent with Cd2+. Results from the HA-L extract were the best to differentiate the composts of different origin. Using the experimental values of the metal complex concentration, cML,HA-L, that is related to the abundance and reactivity of the HA-L extract in the compost, a classification parameter, mEF, was proposed for the first time. This parameter corresponds to the mass of fertiliser required to bind an amount of Cd (II) identical to that complexed by the HA extracts existing in 1 kg of compost. The validity of this scale was tested by comparing the reactivity parameters with growth results from a lettuce crop. The high correlation obtained demonstrates that the reactivity parameter used in the definition of the compost quality scale has a high potential to assess the bioactivity of the compost, and therefore could serve as a marker of compost bioactivity.

A caracterização físico-química e estrutural do composto é fundamental para a valorização deste material sustentável obtido a partir da decomposição aeróbica dos resíduos sólidos orgânicos. Embora os métodos e parâmetros analíticos disponíveis forneçam informação relevante sobre o grau de maturação do composto e sobre o conteúdo dos principais nutrientes ou contaminantes, existem ainda algumas questões importantes que permanecem sem resposta. No âmbito desta tese foram abordados três tópicos principais, nomeadamente, a identificação dos parâmetros mais adequados para monitorizar o composto ao longo do processo de compostagem, e fornecer informações sobre a variabilidade das características do composto relacionadas com a matéria-prima e os métodos de compostagem. O primeiro objetivo é relevante tendo em conta a diversidade dos parâmetros de caracterização que podem ser utilizados diretamente sobre o composto e sobre os seus extratos. Para este efeito, foram comparados um total de 108 parâmetros da caracterização de um composto em quatro fases de compostagem. O composto utilizado neste estudo foi preparado por compostagem em túnel utilizando a recolha seletiva de resíduos urbanos. A análise estatística dos resultados utilizando ComDim indicou que tanto o composto sólido como os extratos podem ser utilizados de forma intermutável para monitorizar a compostagem. Entre os parâmetros mais significativos encontram-se a razão molar C/N da caracterização do composto, a condutividade elétrica do extrato solúvel em água e o conteúdo de C das substâncias tipo húmico. A variabilidade das características do composto foi estudada através da caracterização de 7 compostos de origem diferente, incluindo vermicompostos e compostos provenientes da compostagem industrial e doméstica, preparados utilizando matérias-primas de diferente natureza, tais como resíduos urbanos, lamas de esgoto, estrume e algas. A caracterização foi realizada por meio de parâmetros físico-químicos de métodos elementares, térmicos e espectroscópicos e por parâmetros de reatividade de titulações ácido-base e ligação de metais. Apesar da estabilização da matéria orgânica em todos os compostos ser adequada para aplicações agrícolas, estes apresentam uma composição elementar e estrutural distinta. A análise de componentes principais dos resultados da caracterização direta dos compostos leva a padrões de distribuição de amostras que estão mais estreitamente associados à natureza das matérias-primas do que ao método de compostagem. Além disso, a análise de correlação sugeriu que a estrutura química dos constituintes dos compostos produzidos a partir de diferentes matérias-primas e metodologias de compostagem possuem semelhanças importantes. Foram analisados os resultados da caracterização de extratos de compostos de diferentes origens e os parâmetros que melhor podem detetar melhor as alterações na composição dos extratos. Dentro dos extratos da mesma natureza, foi encontrado um total de 30 correlações para o extrato HA-L, verificando se que foi este que apresentou um maior número de correlações com os parâmetros de caracterização do composto. Finalmente, os extratos dos diferentes compostos foram comparados com os de um fertilizante não composto através da extensão de complexação com Cd2+. Os resultados do extrato HA-L foram os melhores para diferenciar os compostos de origem diferente. Utilizando os valores experimentais da concentração do metal complexado cML,HA-L, que está relacionado com a abundância e reatividade do extrato HA-L, foi proposto pela primeira vez um parâmetro de classificação, mEF. Este parâmetro corresponde à massa de fertilizante necessária para complexar uma quantidade de Cd(II) idêntica à quantidade complexada pelos extratos de HA-L existentes num 1 kg de composto. A validade desta escala de qualidade foi verificada através da comparação dos parâmetros de reatividade com os resultados de crescimento de uma cultura de alface. A elevada correlação obtida demonstra que o parâmetro de reatividade utilizado na definição da escala do composto tem um elevado potencial para avaliar a bioatividade do composto e, portanto, servir como um marcador da bioatividade dos compostos.