Life cycle assessment of municipal solid waste technologies, organic waste, and compost application to crops

Abstract

L’augment en la generació de residus sòlids municipals (RSM), principalment degut al creixement de la població i als nous patrons de consum, és un assumpte important per a la Unió Europea (UE) i per la majoria de països d’arreu del món. Polítiques sostenibles per a la gestió dels RSM han estat components claus en les directives de la UE (Directives 1999/31/EC and 2008/98/EC). Aquesta tesis doctoral te com a objectiu estudiar les tecnologies per al tractament dels RSM i avaluar els impactes ambientals derivats de l’ús de la matèria orgànica (compost) com a fertilitzant en cultius. Els estudis s’han basat en la anàlisis del cicle de vida utilitzant les metodologies CML i ReCipe. El capítol 2, fa referencia a l’avaluació ambiental de l’autoclavatge de residus, tecnologia que fins al moment ha estat principalment utilitzada per a l’esterilització de residus sanitaris. Els resultats de l’avaluació ambiental dels processos autoclave, separació i tractament biològic varen ser comparats amb els escenaris d’incineració i abocador. Els resultats mostraren, que els sistemes que consideraven la digestió anaeròbica, tenien els menors impactes per les categories d’eutrofització i escalfament global. En canvi, la incineració obtingué els millors resultats per la resta de categories d’impacte ambiental estudiades. Per altra banda, l’abocador obtingué els majors valors en totes les categories d’impacte. El capítol 3, correspon al segon cas d’estudi que es va dur a terme per comparar els resultats ambientals i agronòmics de dos compost (industrial i casolà) amb fertilitzant mineral. Els fertilitzants varen ser aplicats a cultius de coliflor. Els resultats varen mostrar un major rendiment agronòmic (fruita·ha-1) per cultius abonats amb fertilitzant mineral; en canvi, el millor perfil ambiental va ser pels cultius fertilitzats amb compost casolà. El capítol 4, correspon al tercer cas d’estudi en el qual dos composts procedents d’auto-compostatge van ser produïts mitjançant dos sistemes de gestió diferents, la diferent gestió va donar lloc a diferències significatives en termes d’emissions. Les emissions de metà, òxid nitrós i amoníac van ser experimentalment mesurades en ambdós composts. Els resultats mostraren que les emissions d’òxid nitrós i metà contribuïren considerablement a la categoria d’impacte d’escalfament global. En canvi, les emissions d’amoníac contribuïren a les categories d’acidificació, eutrofització i oxidació fotoquímica. Es va observar que aquestes emissions gasoses depenien considerablement de les pràctiques de gestió durant la producció del compost, tals com: qualitat i tipus de residus, freqüència de barreja del compost, control rigorós d’algunes característiques fotoquímiques (humitat, pH, temperatura), entre d’altres. El Capítol 6, correspon al quart cas d’estudi en el qual es va comparar la idoneïtat ambiental de fertilitzants orgànics i minerals en una seqüència de cultius de coliflor i tomàquet. A més a més, es compararen dos procediments per l’assignació del compost als cultius. El primer basat en el temps de duració del cultiu i el segon en el grau de mineralització del nitrogen al sòl. En general, el cultiu de coliflor mostrà un millor perfil ambiental que el del tomàquet en totes les categories d’impacte estudiades. Per altra banda, els impactes totals de la seqüència de cultius (suma d’impactes de la coliflor i tomàquet) varen ser menors que els impactes individuals (coliflor i tomàquet) pels tres tractaments de fertilització. Finalment, la Tesis conclou recomanacions per la gestió dels residus orgànics (Capítol 5). Aquestes recomanacions varen ser enfocades a la producció de compost domèstic i la seva aplicació hortícola. S’inclou un model V2V “vegetals a vegetals”. Aquest és un model de bucle tancat que comença des de els residus de cultius (hortalisses, vegetals i fruites) fins la transformació d’aquests novament en fertilitzants orgànics per ser aplicats a cultius. Les recomanacions van dirigides als agricultors i qualsevol persona interessada en la producció de compost domèstic.

El aumento en la generación de residuos sólidos municipales (RSM) debido al crecimiento de la población y nuevos patrones de consumo es un asunto importante en la Unión Europea (UE) y para la mayoría de países alrededor del mundo. Políticas para la gestión de los RSM de una manera sostenible han sido componentes claves en las directivas de la UE (Directives 1999/31/EC and 2008/98/EC). Esta tesis doctoral tiene como objetivo estudiar tecnologías para el tratamiento de los RSM y evaluar los impactos ambientales originados por usar la materia orgánica como fertilizante en cultivos. Los estudios están basado en el análisis del ciclo de vida usando las metodologías de CML and ReCipe. Capítulo 2, se refiere a la evaluación ambiental de la autoclave, la cual es una tecnología normalmente utilizada para la esterilización de residuos farmacéuticos. Esta tecnología ofrece la posibilidad de recuperar una parte importante de los RSM mezclados tales como: la fibra orgánica (OF) y los reciclables. Los resultados de la evaluación ambiental de los sistemas (autoclave + separación + tratamiento biológico) fueron comparados con incineración y vertedero. Los resultados indicaron que los sistemas que consideraron la digestión anaeróbica tuvieron los menores impactos para las categorías de eutrofización y calentamiento global. Mientras que, incineración tuvo los mejores resultados para el resto de las categorías estudiadas. Capítulo 3 corresponde al segundo caso de estudio el cual se llevó a cabo para comparar los resultados ambientales y agronómicos de dos composts (industrial y casero) con fertilizantes minerales. Los fertilizantes fueron aplicados a cultivos de coliflor. Los resultados mostraron un mejor rendimiento agronómico (fruta· ha-1) para los cultivos fertilizados con fertilizante mineral pero el mejor desempeño ambiental fue para los cultivos fertilizados con el compost casero. Capítulo 4, corresponde al tercer caso de estudio, en el cual dos composts caseros fueron producidos por dos sistemas de gestión de producción diferentes en los cuales se observaron diferencias significativas en términos de emisiones. Emisiones de metano, óxido nitroso y amoniaco fueron experimentalmente medidos para ambos composts. Los resultados mostraron que las emisiones de óxido nitroso, y metano contribuyeron considerablemente en la categoría de calentamiento global. Mientras que las emisiones de amoniaco contribuyeron en las categorías de acidificación, eutrofización y oxidación fotoquímica. Se observó que esas emisiones gaseosas dependen considerablemente de las prácticas de gestión cuando se produce el compost, tales como: calidad y tipo de residuos, frecuencia de mezclado del material, control riguroso de algunas características físico-químicas tales como: humedad, pH, y temperatura, entre otras. Capítulo 6, corresponde al cuarto caso de estudio en el cual se comparó el desempeño ambiental de fertilizantes orgánicos y minerales en una secuencia de cultivos de coliflor y tomate. Además se compararon dos procedimientos para la asignación del compost a los cultivos. El primero estuvo basado en el tiempo de duración del cultivo y el otro en el grado de mineralización del nitrógeno en el suelo. En general, el cultivo de coliflor mostró un mejor desempeño ambiental que el del tomate en todas las categorías de impacto estudiadas. Por otro lado, en ambos cultivos, el tratamiento de fertilización realizado con compost casero mostró un menor impacto ambiental que el compost industrial y el fertilizante mineral en la mayoría de las categorías estudiadas. Por otro lado, los impactos totales de la secuencia de cultivos (suma de impactos de la coliflor y el tomate) fueron menores que los impactos individuales (coliflor y tomate) para los tres tratamientos de fertilización. Finalmente, la tesis incluye recomendaciones para la producción y gestión de los residuos orgánicos (Capítulo 5). Estas recomendaciones se enfocaron en la producción de compost doméstico y su aplicación en horticultura. Se incluye el modelo V2V “vegetables to vegetables” que es un modelo de bucle cerrado empezando desde la generación de residuos de cultivos (hortalizas, vegetales y frutas) hasta que los mismos son transformados nuevamente en fertilizantes orgánicos para ser aplicados en cultivos.

The increased generation of municipal solid waste (MSW) due to population growth and new patterns of consumption is an important issue for European Union (EU) and countries around the world. Policies for managing MSW in a sustainable manner have been key components of EU directives (Directives 1999/31/EC and 2008/98/EC). This doctoral thesis aims to study technologies for the treatment of MSW and assess the environmental impacts of using organic waste to fertilize crop in order to optimize resources and reduce waste. The studies are based on life cycle analysis using CML and ReCipe methodologies. Chapter 2 is dedicated to the assessment of autoclaving a technology normally used for the sterilization of pharmaceutical waste. This technology offers the possibility of recovering the valuable portion of mixed MSW such as the organic fiber (OF). The processes of autoclaving, sorting and biological treatment were compared to two known technologies: incineration and landfill. The results showed that the systems which considered the anaerobic digestion had the lowest impacts in eutrophication potential and global warming potential. Meanwhile, incineration had the best results for the remainder five impact categories studied. On the other hand, landfill had the highest impact in all studied categories. Chapter 3, the second case study was carried out to compare the environmental and agronomical results of two composts (industrial and home) with mineral fertilizers. Fertilizers were applied to horticultural cauliflower crops. The results showed a better yield (fruit · ha-1) for the crops fertilized with mineral fertilizers but the best environmental performance was for the crops fertilized with home compost. Chapter 4, the third case study, two home composts were produced by two different methods (i.e. production management), resulting in significant differences in terms of emissions. Emissions of methane, nitrous oxides and ammonia were experimentally measured for both composts. The results showed that nitrous oxides and methane emissions contributed considerably the category of global warming potential. While ammonia emissions contributed to the categories of acidification potential, eutrophication and photochemical oxidation. It was observed that these gaseous emissions depend on the management practices employed when producing the compost such as: quality and type of waste stream, frequency mixing of the composting material, rigorous control of some physico-chemical characteristics (humidity, pH, temperature, etc.), among others. Chapter 6, the fourth case study was carried out to compare the environmental performance of organic and mineral fertilizer in a crop sequence of cauliflower and tomato. Furthermore, two procedures for allocating life cycle impacts to crops were also studied. The first one was based on time allocation and the other one in the mineralization N degree in soil. In general, the results showed a better environmental performance for cauliflower crop than tomato in all impact categories considered. Meanwhile, in both crops, the fertilization treatment with home compost showed the lowest impacts than industrial compost and mineral fertilizers in the most impact categories studied. Additionally, the total impacts for the crop sequence (sum of impacts of cauliflower and tomato) were lower than single (i.e. cauliflower and tomato) impacts for the three fertilization treatments. Finally, the dissertation also includes guidelines for organic waste management (Chapter 5). These guidelines focused on domestic compost production and its application in horticulture. The guidelines show the V2V “vegetables to vegetables” model, a closed loop model starting from food waste (e.g. vegetables and fruits) compost until it is again transformed in organic fertilizer to be applied to crops. The guidelines are targeted towards farmers and anyone interested in domestic compost production.