Biochemical characterization of hydrochars and pyrochars derived from sewage sludge and their potential as n and p slow release fertilizers and as soil amendment in agriculture.

La cantidad de fertilizantes minerales que actualmente necesita el sector agrícola para mantener su producción no es sostenible. Al mismo tiempo la sociedad actual genera una gran cantidad de residuos orgánicos que representan un problema ambiental a escala global y que deben ser gestionados. En este sentido, el reciclaje se contempla como una de las opciones más sostenibles desde el punto de vista medioambiental y económicamente viables. Se ha mostrado en diversos estudios que el uso de lodos de depuradora en agricultura no solo disminuye la cantidad de este residuo es acumulado en vertederos, sino que además se trata de una fuente de nitrógeno (N) y fósforo (P) que podría contribuir de manera significativa a reducir el uso de fertilizantes inorgánicos. Sin embargo, los nutrientes que contienen los lodos de depuradora pueden ser lixiviados después de que estos hayan sido añadidos al suelo, incluso si estos han sido sometidos a un tratamiento de estabilización previo. Teniendo en cuenta el problema anterior, investigaciones recientes sobre los procesos de carbonización de residuos orgánicos ricos en N indican que carbonización hidrotermal y la pirólisis (denominadas respectivamente en la presente Tesis Doctoral HTC y Py) podrían producir una enmienda orgánica más estable que aumente el potencial de secuestro de C en el suelo y liberar el N y el P de forma más lenta. Considerando que la estructura química de un producto es clave en su funcionalidad, esta Tesis Doctoral se ha centrado en primer lugar en la caracterización de lodos de depurada tratados mediante pirolisis (Py) y carbonización hidrotermal (HTC). Posteriormente se ha evaluado el potencial estos productos como fertilizantes de liberación lenta de N y P. La primera fase de este trabajo consistió en la pirolización y HTC de dos lodos de depuradora diferentes. La HTC se realizó a 200 y 260 ºC durante 0.5 y 3 horas mientras que la pirólisis se desarrolló a 600 ºC durante 1 hora. El producto que resulta de una
The current demand for N and P fertilizers to meet the needs of agriculture is not sustainable. On the other hand, the huge amount of organic waste derived from human activity is a current environmental problem that needs to be solved urgently. Therefore, its recycling should be favored over disposal at landfills. Using sewage sludge (SS) as an alternative N and P sources in agriculture can alleviate both issues and may help to reduce our dependence on chemical fertilizers. However, aside of hygienic issues and possible input of organic and inorganic contaminants, nutrient leaching has been observed after SS application to soil, both directly and after stabilization by composting. Current knowledge indicates that pyrolysis and hydrothermal carbonization (HTC) can convert organic residues into recalcitrant amendments that may add to the C sequestration potential of soils. Bearing further in mind the high N and P content of SS, charring of the latter is likely to result in a product which slowly releases its N and P after its amendment to soils for plant growth. Considering that the chemical structure of a product defines its function, the present PhD thesis first focused on the characterization of pyrolyzed and HTC treated SS. Subsequently its potential to act as slow-release N and P fertilizer and its C sequestration potential was evaluated. Therefore, the first task of this work was the HTC and pyrolysis of two different SS derived from different steps of the water clean-up process of a rural waste water cleaning plant in Carrión de los Céspedes (Chapter 3). The HTC was performed at 200 and 260 ºC with residence times in the reactor of 0.5 and 3 h, whereas pyrolysis was carried out at 600 ºC for 1 h. The changes of the chemical composition of the feedstock during the thermal treatments were studied through a detailed characterization of the products by not only routine analyses but also more advanced techniques such as solid-state 13C and 15N nuclear magnetic reson