Proceso bifásico (físico-fermentativo) para la conversión de lodos de depuradora en bioestimulantes: evaluación funcional y diseño de planta piloto

Abstract

La producción de lodos de depuradora, como principal residuo del tratamiento de aguas residuales, presenta una tendencia creciente y supone un problema de ámbito global, especialmente para las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) de pequeño y mediano tamaño que no cuentan en sus instalaciones con medios para su gestión. Considerado también como un subproducto, el lodo de depuradora puede suponer una fuente de recursos de interés para la producción de bioestimulantes, cuyo campo se encuentra en auge y en continua búsqueda de nuevas materias primas para el desarrollo de los mismos. Como alternativa al compostaje, que actualmente es la principal vía para la gestión de lodos, este trabajo de tesis doctoral propone un modelo replicable en EDARs de pequeño y mediano tamaño, por el que los lodos son transformados en un complejo bioestimulante con mayor valor añadido que el compost. Este modelo se basa en un proceso que integra dos etapas: un pretratamiento físico seguido de una fermentación aeróbica controlada. La primera fase consiste en un tratamiento a alta presión y temperatura mediante la inyección de vapor de forma directa, seguido de una descompresión súbita que consigue sanitizar el producto, aumentar el contenido soluble y aumenta la biodisponibilidad de la materia orgánica, haciéndolo más susceptible a ser fermentado. La etapa fermentativa, en condiciones controladas, es llevada a cabo por Bacillus licheniformis que, por acción del secretado enzimático, aumenta aún más el contenido soluble y la biodisponibilidad del producto, otorgándole propiedades bioestimulantes. El complejo bioestimulante obtenido está formado por esta rizobacteria promotora del crecimiento en plantas (PGPR), su secretado, rico en enzimas degradativas, un componente soluble, constituido principalmente por un hidrolizado proteico y otras biomoléculas altamente biodisponibles, y un componente orgánico insoluble accesible a la degradación microbiana como resultado del pretratamiento físico y de la acción microbiana. En esta tesis doctoral se muestran los estudios realizados para diseñar el proceso englobado en la unidad de fermentación, así como su implementación a escala demostrativa. Así mismo, se han realizado estudios funcionales para evaluar los productos obtenidos. Son destacables la capacidad de B. licheniformis para degradar compuestos xenobiótiocos tóxicos presentes con alta frecuencia en los lodos de depuradora, así como la capacidad del complejo bioestimulante, principalmente de la fracción soluble, de estimular la microbiota del suelo. Además, se ha evaluado de forma individual el efecto en suelo de la enzima proteasa, una de las que componen el secretado de B. licheniformis, que ha mostrado capacidad bioestimulante en sí misma, además de provocar cambios interesantes, desde el punto de vista agronómico, sobre la biodiversidad bacteriana del suelo. El proceso desarrollado ha demostrado ser una alternativa interesante y técnicamente factible a tener en cuenta para la gestión de lodos de depuradora, promoviendo la valorización de este subproducto mediante su conversión en bioestimulantes en el marco de la economía circular.

Sewage sludge, the main waste generated during wastewater treatment, has a growing production trend and suppose a global problem, especially for small and medium-sized wastewater treatment plants (WWTP) that have not integrated a solution for their management in its facilities. Also considered as a by-product, sewage sludge is a source of resources of interest that can be used for the production of biostimulants, whose field is booming and in continuous search for new raw materials for their development. As an alternative to composting, which currently is the main way for sludge management, this doctoral thesis proposes a replicable model in small and medium-size WWTP, whereby sludge is transformed into a biostimulant complex with greater added value than compost. This model is based on a process that integrates two stages: a physical pretreatment, followed by a controlled aerobic fermentation. The first phase consists of a high pressure and temperature treatment by direct steam injection into sludge, followed by a sudden decompression, which manages to sanitize the product, increasing the soluble content and the bioavailability of organic matter, thus making it more susceptible for being fermented. The fermentative stage, developed under controlled conditions, is carried out by Bacillus licheniformis, which by action of its enzymatic secretion, further increases the soluble content and bioavailability of the product, conferring it biostimulant properties. The biostimulant complex obtained is formed by this plant growth promoter rhizobacteria (PGPR), its secretion, which is rich in degrading enzymes, a soluble component consisting mainly of a protein hydrolyzate and other highly bioavailable biomolecules, and an insoluble organic component accessible to microbial degradation as a result of physical pretreatment and microbial action. Studies carried out to design the process that is developed in the fermentation unit, as well as its demonstrative scale implementation are shown in this doctoral thesis. Likewise, functional studies have also been carried out to evaluate the products obtained. The ability of B. licheniformis to degrade toxic xenobiotics, frequently present in sewage sludge, and the ability of the biostimulant complex, mainly of the soluble fraction, to stimulate the soil microbiota are remarkable. In addition, the effect of the protease, one of the enzymes of the secretion of B. licheniformis, was evaluated individually, showing to have biostimulant capacity by itself, and being responsible of causing interesting changes in bacterial soil biodiversity from the agronomic point of view. The process developed has proven to be an interesting and technically feasible alternative to be considered for the management of sewage sludge, promoting the recovery of this by-product through its conversion into biostimulants in the context of the circular economy.