Engineered swine manure biochars for nutrient recovery and controlled release in agriculture
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Universidade Federal de Viçosa
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Swine production generates large volumes of waste rich in contaminants that, if improperly managed, can cause serious environmental impacts, including nutrient leaching and the dissemination of pharmaceutical compounds. In this context, biochars produced from animal manure have emerged as promising adsorbent materials capable of recovering nutrients and removing antibiotics, such as enrofloxacin (ENR), from wastewater. Furthermore, the application of nutrient- enriched biochar to soil enables the recovery of nutrients for crops fertilization such as forages, aligning with the circular economy. Therefore, this thesis investigated the use of swine manure-derived biochar for nutrient recovery and antibiotic immobilization, followed by its application as a fertilizer for Brachiaria cultivation. Initially, the biochar production conditions, including the activating agent, activating agent ratio, and pyrolysis temperature, were selected based on their performance for nitrogen and phosphorus removal. In addition, nutrient adsorption capacity and adsorption kinetics were investigated. Biochar activated with MgCl at a 3:1 ratio and pyrolyzed at 800 °C exhibited the highest nutrient adsorption. Adsorption kinetics followed the Elovich model for phosphate and the pseudo-second-order model for ammonium. Adsorption followed the Langmuir isotherm for phosphate (q = 67,56 mg g¹) and the Freundlich isotherm for ammonium (q = 17,48 mg g¹). In the second stage, the recovery of nutrients and immobilization of enrofloxacin (ENR) by the selected biochar were evaluated. Multicomponent adsorption experiments achieved 100% phosphate removal and 93% ammonium removal, which were attributed to struvite precipitation. In contrast, ENR adsorption was limited due to competition for metal-rich adsorption sites and the antibiotic speciation under alkaline conditions. Desorption assays revealed high nutrient release (150% for phosphorus and 40% for nitrogen) while maintaining reduced ENR leaching (<7%). Finally, the nutrient- enriched biochar was evaluated as a fertilizer for hybrid Brachiaria cv. Sabiá. Although biochar resulted in lower initial shoot biomass production, root biomass and total biomass were comparable to those obtained with conventional mineral fertilizer. Furthermore, soil chemical analysis showed that biochar application increased soil organic matter while maintaining high levels of available phosphorus. Foliar analysis demonstrated greater phosphorus availability to plants and reduced the bioavailability and uptake of potentially toxic elements, such as copper. Overall, the results demonstrate that magnesium-modified swine manure biochar is a multifunctional material capable of promoting nutrient recovery, mitigating emerging contaminants, and supporting sustainable agricultural production. This integrated strategy contributes to reducing environmental impacts, improving nutrient use efficiency, and advancing circular economy practices in swine production systems. Keywords: biochar; nutrient recovery; enrofloxacin; slow-release fertilizer; circular economy
A suinocultura gera grandes volumes de dejetos ricos em contaminantes, que se manejados inadequadamente, podem causar sérios impactos ambientais, incluindo a lixiviação de nutrientes e a disseminação de fármacos no ambiente. Nesse contexto, o uso de biocarvões produzidos a partir de esterco animal apresentam-se como adsorventes capazes de remover nutrientes e antibióticos (como a enrofloxacina) de efluentes. Além disso, a utilização do biocarvão enriquecido no solo permite a recuperação desses nutrientes na fertilização de culturas como as forrageiras, alinhando-se à economia circular. Assim, esta tese investigou o uso de biocarvões derivado de esterco suíno (ES) na recuperação de nutrientes e imobilização de antibiótico para sua aplicação como fertilizante no cultivo de Brachiaria. Inicialmente, selecionou-se o biocarvão em termos de agentes ativantes, proporção do ativante e temperatura de pirólise na remoção de nitrogênio e fósforo. Além disso, foram investigados a capacidade de adsorção, cinética de adsorção de nutrientes. A ativação com MgCl2 na proporção de 3:1 produzido a 800 °C favoreceu a adsorção de nutrientes. O ensaio de cinética indicou que a adsorção seguiu o modelo de Elovich para o fosfato e de pseudo-segunda ordem para o amônio. A adsorção seguiu a isoterma de Langmuir para o fosfato (q = 67,56 mg g¹) e a de Freundlich para o amônio (q = 17,48 mg g¹). Na segunda etapa, avaliou-se a recuperação de nutrientes e imobilização da enrofloxacina (ENR) pelo biocarvão selecionado. Os ensaios multicomponentes revelaram uma remoção de 100% de fosfato e 93% de amônio, atribuído à precipitação de estruvita. Por outro lado, a retenção da ENR foi limitada devido à disputa por sítios ativos ricos em metais e à especiação do composto em condições alcalinas. Os testes de dessorção apontaram uma elevada liberação de macroelementos (150% de P e 40% de N) e uma lixiviação reduzida de ENR (<7%). Na etapa final, o biocarvão enriquecido com nutrientes foi avaliado como fertilizante em cultivo de Brachiaria híbrida cv. Sabiá. Embora o biocarvão tenha proporcionado menor produção inicial de biomassa da parte aérea, a biomassa radicular e a biomassa total foram equivalentes às obtidas com o fertilizante mineral. Além disso, a análise química do solo mostrou que a aplicação dos biocarvão aumentou o teor de matéria orgânica e manteve o fósforo disponível. A análise química foliar demonstrou que esses materiais aumentaram a disponibilidade de fósforo para as plantas, enquanto restringiram a biodisponibilidade e a absorção de elementos potencialmente tóxicos, como o cobre. De forma integrada, os resultados demonstram que o biocarvão de esterco suíno modificado com magnésio promove a recuperação de nutrientes, a mitigação de contaminantes e um bom desempenho agrícola. Essa estratégia contribui para reduzir impactos ambientais, aumentar a eficiência do uso de nutrientes e fortalecer práticas de economia circular na cadeia produtiva da suinocultura. Palavras-chave: biocarvão; recuperação de nutrientes; enrofloxacina; fertilizante de liberação lenta; economia circular
A suinocultura gera grandes volumes de dejetos ricos em contaminantes, que se manejados inadequadamente, podem causar sérios impactos ambientais, incluindo a lixiviação de nutrientes e a disseminação de fármacos no ambiente. Nesse contexto, o uso de biocarvões produzidos a partir de esterco animal apresentam-se como adsorventes capazes de remover nutrientes e antibióticos (como a enrofloxacina) de efluentes. Além disso, a utilização do biocarvão enriquecido no solo permite a recuperação desses nutrientes na fertilização de culturas como as forrageiras, alinhando-se à economia circular. Assim, esta tese investigou o uso de biocarvões derivado de esterco suíno (ES) na recuperação de nutrientes e imobilização de antibiótico para sua aplicação como fertilizante no cultivo de Brachiaria. Inicialmente, selecionou-se o biocarvão em termos de agentes ativantes, proporção do ativante e temperatura de pirólise na remoção de nitrogênio e fósforo. Além disso, foram investigados a capacidade de adsorção, cinética de adsorção de nutrientes. A ativação com MgCl2 na proporção de 3:1 produzido a 800 °C favoreceu a adsorção de nutrientes. O ensaio de cinética indicou que a adsorção seguiu o modelo de Elovich para o fosfato e de pseudo-segunda ordem para o amônio. A adsorção seguiu a isoterma de Langmuir para o fosfato (q = 67,56 mg g¹) e a de Freundlich para o amônio (q = 17,48 mg g¹). Na segunda etapa, avaliou-se a recuperação de nutrientes e imobilização da enrofloxacina (ENR) pelo biocarvão selecionado. Os ensaios multicomponentes revelaram uma remoção de 100% de fosfato e 93% de amônio, atribuído à precipitação de estruvita. Por outro lado, a retenção da ENR foi limitada devido à disputa por sítios ativos ricos em metais e à especiação do composto em condições alcalinas. Os testes de dessorção apontaram uma elevada liberação de macroelementos (150% de P e 40% de N) e uma lixiviação reduzida de ENR (<7%). Na etapa final, o biocarvão enriquecido com nutrientes foi avaliado como fertilizante em cultivo de Brachiaria híbrida cv. Sabiá. Embora o biocarvão tenha proporcionado menor produção inicial de biomassa da parte aérea, a biomassa radicular e a biomassa total foram equivalentes às obtidas com o fertilizante mineral. Além disso, a análise química do solo mostrou que a aplicação dos biocarvão aumentou o teor de matéria orgânica e manteve o fósforo disponível. A análise química foliar demonstrou que esses materiais aumentaram a disponibilidade de fósforo para as plantas, enquanto restringiram a biodisponibilidade e a absorção de elementos potencialmente tóxicos, como o cobre. De forma integrada, os resultados demonstram que o biocarvão de esterco suíno modificado com magnésio promove a recuperação de nutrientes, a mitigação de contaminantes e um bom desempenho agrícola. Essa estratégia contribui para reduzir impactos ambientais, aumentar a eficiência do uso de nutrientes e fortalecer práticas de economia circular na cadeia produtiva da suinocultura. Palavras-chave: biocarvão; recuperação de nutrientes; enrofloxacina; fertilizante de liberação lenta; economia circular
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Citation
NASCIMENTO, Larissa Almeida. Engineered swine manure biochars for nutrient recovery and controlled release in agriculture. 2026. 93 f. Tese (Doutorado em Engenharia Agrícola) - Universidade Federal de Viçosa, Viçosa. 2026.