Valorització de residus orgànics en tecnosols i avaluació de la restauració d’espais degradats

Abstract

Aquesta tesi pretén contribuir a donar resposta a les necessitats que es plantegen des de la pràctica de la restauració ecològica d’espais degradats, així com des de la gestió sostenible dels residus urbans. En un primer treball es valida la utilitat del protocol OCDE-217, basat en l’activitat respiratòria del sòl, per estudiar la toxicitat d’alguns dels metalls pesants habitualment presents en major proporció a les esmenes orgàniques utilitzades en restauració, especialment als fangs de depuradora urbana. En aquest sentit, el protocol OCDE-217 ha estat una metodologia vàlida per a la detecció d’efectes adversos dels tres metalls estudiats, Cr, Zn i Cu, sobre la respiració del sòl induïda per substrat. La magnitud dels efectes inhibidors observats és coherent amb les referències consultades, essent el Cu el metall més tòxic després de 28 dies d’exposició. També s’ha comprovat que l’adició de matèria orgànica fresca emmascara l’efecte dels metalls pesants sobre la respiració del sòl ja que incrementa la biomassa microbiana, així com l’adsorció i la immobilització dels metalls. En un segon treball de la tesi s’entra en la caracterització de diferents tipus d’esmenes orgàniques procedents de residus urbans, així com en l’avaluació dels seus efectes sobre el sòl i la vegetació quan són usats en la construcció de tecnosols per a la restauració de pedreres, abocadors o talussos de carretera. Així s’avaluen els efectes de l’aplicació de fangs de depuradora urbana a curt (2 anys) i mitjà termini (10 anys), en una selecció de tipus d’actuacions de rehabilitació representatives de les realitzades en pedreres de roca calcària. S’ha demostrat que l’ús de fangs de depuradora permet millorar els resultats de la rehabilitació de sòls degradats, a la vegada que es valoritzen residus orgànics i minerals. La construcció de tecnosols amb fangs de depuradora facilita una ràpida revegetació, especialment pel que fa a espècies herbàcies, fet que permet l’estabilització ràpida de talussos i controla l’escorrentiu, la qual cosa redueix també l’erosió superficial, que és un objectiu prioritari en talussos de fort pendent com els que trobem en activitats extractives, infraestructures de transport o abocadors. A mitjà termini (una dècada), els sòls esmenats amb fangs de depuradora afavoreixen l’enriquiment del sòl en matèria orgànica i el segrest de carboni, ja que hem comprovat que contenen fins a cinc vegades més de carboni orgànic que els sòls homòlegs no esmenats. Aquest enriquiment és el resultat de l’augment de la producció primària a causa dels nutrients aportats pels fangs, que encara és evident després de deu anys. Aquest augment de la producció primària es tradueix també en un major recobriment vegetal que protegeix el sòl de l’erosió. Pel que fa als bioestabilitzats, resultants de l’estabilització aeròbica de la fracció orgànica de residus municipals, s’ha constatat que existeix una important heterogeneïtat en relació als principals paràmetres estudiats. Els digests, procedents de la digestió anaeròbica de la matèria orgànica obtinguda per la separació mecànica de la fracció resta dels residus urbans, presenten un contingut baix d’impureses i una major concentració de N que els bioestabilitzats, la qual cosa els fa més adequats per a ser aplicats al sòl. L’últim treball de la tesi es dedica a l’establiment i validació d’un protocol per a l’avaluació de la restauració d’activitats extractives, anomenat RESTOQUARRY. El protocol RESTOQUARRY permet identificar problemes crítics que posen en risc l’èxit de la restauració i que requereixen de canvis profunds en el disseny i l’execució dels treballs. La major part de les restauracions avaluades amb RESTOQUARRY requereixen de mesures correctores per a millorar alguns aspectes de la restauració.

Esta tesis pretende contribuir a dar respuesta a las necesidades que se plantean desde la práctica de la restauración ecológica de espacios degradados, así como desde la gestión sostenible de los residuos urbanos. En un primer trabajo se valida la utilidad del protocolo OCDE-217, basado en la actividad respiratoria del suelo, para estudiar la toxicidad de algunos de los metales pesados habitualmente presentes en mayor proporción en algunas de las enmiendas orgánicas utilizadas en restauración, especialmente los lodos de depuradora urbana. En este sentido, el protocolo OCDE-217 ha sido una metodología válida para la detección de efectos adversos (y también beneficiosos) de los tres metales estudiados, Cr, Zn y Cu, sobre la respiración del suelo inducida por sustrato. La magnitud de los efectos inhibidores observados es coherente con las referencias consultadas, siendo el Cu el metal más tóxico después de 28 días de exposición. También se ha comprobado que la adición de materia orgánica fresca enmascara el efecto de los metales pesados sobre la respiración del suelo ya que incrementa la biomasa microbiana, así como la adsorción y la inmovilización de los metales.

En un segundo trabajo de la tesis se entra en la caracterización de diferentes tipos de enmiendas orgánicas procedentes de residuos urbanos, así como en la evaluación de sus efectos sobre el suelo y la vegetación cuando son usados en la construcción de tecnosoles para la restauración de canteras, vertederos o taludes de carretera. Así se evalúan los efectos de la aplicación de lodos de depuradora urbana a corto (2 años) y medio plazo (10 años), en una selección de tipos de actuaciones de rehabilitación representativas. Se ha demostrado que el uso de lodos de depuradora permite mejorar los resultados de la rehabilitación de suelos degradados, a la vez que se valorizan residuos orgánicos y minerales. A medio plazo (una década), los suelos enmendados con lodos de depuradora favorecen el enriquecimiento del suelo en materia orgánica y el secuestro de carbono, ya que hemos comprobado que contienen hasta cinco veces más carbono orgánico que los suelos homólogos no enmendados. Este enriquecimiento es el resultado del aumento de la producción primaria debido a los nutrientes aportados por los lodos, que todavía es evidente después de diez años. Este aumento de la producción primaria se traduce también en una mayor cobertura vegetal que protege el suelo de la erosión.

En cuanto a los bioestabilizados, resultantes de la estabilización aeróbica de la fracción orgánica de residuos municipales, se ha constatado que existe una importante heterogeneidad en relación a los principales parámetros estudiados. Esta heterogeneidad se da entre diferentes plantas de tratamiento de residuos, pero también entre diferentes lotes de una misma planta, lo que supone una importante restricción a la hora de hacer generalizaciones para su uso. Los digestatos, procedentes de la digestión anaeróbica de la materia orgánica obtenida por la separación mecánica de la fracción resto de los residuos urbanos, presentan un contenido bajo de impurezas y una mayor concentración de N que los bioestabilizados, lo que los hace más adecuados para a ser aplicados al suelo.

El último trabajo de la tesis se dedica al establecimiento y validación de un protocolo para la evaluación de la restauración de actividades extractivas, llamado RESTOQUARRY. El protocolo RESTOQUARRY permite identificar problemas críticos que ponen en riesgo el éxito de la restauración y que requieren de cambios profundos en el diseño y la ejecución de los trabajos. La mayor parte de las restauraciones evaluadas con RESTOQUARRY requieren de medidas correctoras para mejorar algún aspecto de la restauración.

This thesis aims to contribute to respond to the needs that arise from the practice of ecological restoration, as well as from the sustainable management of urban waste. In a first study, the usefulness of the OECD-217 protocol is validated for studying the toxicity of some of the heavy metals usually present in a greater proportion in some of the organic amendments used in restoration, especially sewage sludge. In this sense, the OECD-217 protocol has been a valid methodology for the detection of adverse (and also beneficial) effects of the three metals studied, Cr, Zn and Cu, on substrate-induced soil respiration. The magnitude of the inhibitory effects observed is consistent with the references consulted, with Cu being the most toxic metal after 28 days of exposure. The addition of fresh organic matter has also been shown to mask the effect of heavy metals on soil respiration as it increases microbial biomass, as well as the adsorption and immobilization of metals.

A second thesis work is focused on the characterization of different types of organic amendments from urban waste, as well as the evaluation of their effects on the soil and vegetation when used in the construction of technosols for the restoration of quarries, landfills or road slopes. Thus, the effects of the application of urban sewage sludge in the short (2 years) and medium term (10 years) are evaluated, in a selection of representative types of rehabilitation actions. The use of sewage sludge has been shown to improve the results of the rehabilitation of degraded soils, at the same time that organic and mineral wastes are valorized. In the medium term (one decade), soils amended with sewage sludge favor the enrichment of the soil in organic matter, and consequently carbon sequestration, since we have found that they contain up to five times more organic carbon than non-amended homologous soils. This enrichment is the result of the increase in primary production due to the nutrients provided by the sludge, which is still evident after ten years. This increase in primary production also translates into greater plant cover that protects the soil from erosion.

As for the biostabilized (Compost-Like-Output), resulting from the aerobic stabilization of the organic fraction of municipal waste, it has been found that there is significant heterogeneity in relation to the main parameters studied. This heterogeneity occurs between different waste treatment plants, but also between different batches of the same plant, which is an important restriction when making generalizations for its use. The digestates, derived from the anaerobic digestion of organic matter obtained by the mechanical separation of the remaining fraction of urban waste, have a low content of impurities and a higher concentration of N than the biostabilized, which makes them more suitable for being applied to the soil.

The last work of the thesis is devoted to the establishment and validation of a protocol for the evaluation of the restoration of extractive activities, called RESTOQUARRY. The RESTOQUARRY protocol allows the identification of critical problems that put the success of the restoration at risk and that require profound changes in the design and execution of the work. Most of the restorations evaluated with RESTOQUARRY require corrective measures to improve some aspects of the restoration.