Characterization of livestock waste in the view of improving the sustainability of the agricultural sector

In the field of sustainable agriculture, the proper management of organic waste, particularly livestock, is a priority for overcoming current environmental challenges. As the agricultural sector grapples with the need for resource efficiency and reduced environmental impact, these organic byproducts present a unique opportunity. Livestock waste, comprising animal urine and faeces, are rich reservoirs of essential nutrients (mainly nitrogen and phosphorous) that can be harnessed to enhance soil fertility and foster circular economy principles. This thesis embarks on a comprehensive exploration of these organic materials, aiming to characterize their composition, and interpret the implications of seasonal variations on the nutrient content. On this purpose, two sampling campaigns were conducted, one in July 2023 and one in October 2023, and samples at different stages of disposal were collected. More specifically, cow urine, faeces, mixed fractions along the collection system, pre-separation fraction (before mechanical centrifugation), liquid separate, and solid separate were collected from Cerzoo Centro di Ricerche per la Zootecnia e lAmbiente located in Piacenza (Italy), in collaboration with Universita Cattolica del Sacro Cuore. The heterogeneous composition of these organic matrices, rich in salts and variable-size solids, leads to the necessity of validating the standard characterization methods and exploring the most suitable ones. For solid samples (faeces and solid separate) acid mineralization was necessary, in order to release the phosphorous retained in solid particles and to enable the quantification through spectrophotometric methods, used also for liquid samples. Nitrogen content was mainly detected as ammonium and the results obtained from the two campaigns shown that a remarkable difference in nitrogen content is present for samples collected respectively in summer and autumn. Also, pH, conductivity, Chemical Oxygen Demand (COD), Volatile and Total Solids were monitored in the view of highlighting most relevant chemical/physical properties. In conclusion, this thesis aimed at evaluating new perspectives on nutrient recovery from livestock waste. The findings pave the way for informed resource management, advocating for adaptable strategies that align with the seasonal dynamics of organic waste composition.

Nel campo dell'agricoltura sostenibile, la corretta gestione dei rifiuti organici, in particolare del bestiame, è una priorità per superare le attuali sfide ambientali. Poiché il settore agricolo è alle prese con l'esigenza di un'efficienza delle risorse e di una riduzione dell'impatto ambientale, questi sottoprodotti organici rappresentano un'opportunità unica. I rifiuti zootecnici, che comprendono l'urina e le feci degli animali, sono ricchi di nutrienti essenziali (soprattutto azoto e fosforo) che possono essere sfruttati per migliorare la fertilità del suolo e promuovere i principi dell'economia circolare. Questa tesi intraprende un'esplorazione completa di questi materiali organici, con l'obiettivo di caratterizzarne la composizione e interpretare le implicazioni delle variazioni stagionali sul contenuto di nutrienti. A tal fine, sono state condotte due campagne di campionamento, una nel luglio 2023 e una nell'ottobre 2023, e sono stati raccolti campioni a diversi stadi di smaltimento. In particolare, urine di vacca, feci, frazioni miste lungo il sistema di raccolta, frazione di pre-separazione (prima della centrifugazione meccanica), separate liquide e separate solide sono state raccolte dal Cerzoo Centro di Ricerche per la Zootecnia e lAmbiente di Piacenza (Italia), in collaborazione con lUniversità Cattolica del Sacro Cuore. La composizione eterogenea di queste matrici organiche, ricche di sali e di solidi di dimensioni variabili, porta alla necessità di validare i metodi di caratterizzazione standard e di esplorare quelli più adatti. Per i campioni solidi (feci e solidi separati) è stata necessaria la mineralizzazione acida, al fine di liberare il fosforo trattenuto nelle particelle solide e consentire la quantificazione attraverso metodi spettrofotometrici, utilizzati anche per i campioni liquidi. Il contenuto di azoto è stato rilevato principalmente come ammonio e i risultati ottenuti dalle due campagne hanno mostrato una notevole differenza nel contenuto di azoto per i campioni raccolti rispettivamente in estate e in autunno. Sono stati inoltre monitorati il pH, la conducibilità, la domanda chimica di ossigeno (COD), i solidi volatili e totali, al fine di evidenziare le proprietà chimico-fisiche più rilevanti. In conclusione, questa tesi si proponeva di valutare nuove prospettive sul recupero dei nutrienti dai reflui zootecnici. I risultati aprono la strada a una gestione consapevole delle risorse, sostenendo strategie adattabili che si allineano alle dinamiche stagionali della composizione dei rifiuti organici.