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Doctoral Thesis
2025
Investigation of phosphorus recovery from biogas digestate: low-technology approaches for enhanced solid-liquid separation
Investigation of phosphorus recovery from biogas digestate: low-technology approaches for enhanced solid-liquid separation
Abstract (English)
Phosphorus (P) is a critical nutrient for agriculture, essential for plant growth and food security. However, the global dependence on finite P reserves, primarily located in northern Africa and China, presents significant challenges, including supply chain vulnerabilities and rising fertilizer costs. Additionally, excessive P runoff into water bodies contributes to environmental issues, such as eutrophication. Addressing these challenges requires sustainable P management strategies, including P recovery from alternative sources like biogas digestate. To tackle these challenges, regulatory measures and innovative recovery techniques are being explored to improve P sustainability.
In Germany, regulations like the Fertilizer Ordinance and the Sewage Sludge Ordinance have introduced strict limits on P application and mandated the recovery of P from waste streams, promoting environmentally friendly nutrient management practices. These regulations aim to reduce environmental impacts while ensuring the efficient use of P resources. A primary objective of this research is to develop a cost-effective, practically feasible method for P recovery that can be easily integrated into existing biogas plants without requiring substantial infrastructure upgrades. This study investigated the recovery of P from biogas digestate using additives such as kieserite (MgSO₄∙H₂O), straw flour, and biochar to improve separation efficiency and nutrient recovery. The additives enhanced the P content in the solid phase, making it easier to recycle P back into agricultural systems.
The laboratory-scale separation trials were conducted to evaluate the effectiveness of three additives categorized into reactive (kieserite) and non-reactive (straw flour and biochar) groups. The separations were carried out using a hydraulic tincture press, with a pressure of 5 MPa applied for 120 seconds. The trials tested five different treatment times: 0 h, 1 h, 2 h, 8 h, and 20 h. Kieserite was tested at 25 °C and 50 °C, while straw flour and biochar were tested only at 25 °C. The results revealed that longer treatment durations with kieserite were more effective, with 61% of P shifting into the solid phase after 20 h. In contrast, treatment duration had little impact on the effectiveness of straw flour and biochar. Kieserite treatment increased NaOH-P and HCl-P, indicating the formation of more stable, non-labile P fractions due to the interaction between (Mg²⁺) ions from kieserite and phosphate (PO₄³⁻) ions. These findings concluded that kieserite, as a reactive additive, is more effective at enhancing P recovery by converting labile P into more stable, non-labile forms.
Based on the conclusions from laboratory-scale separation trials, practical scale experiments were conducted at the research biogas facility ‘Unterer Lindenhof’ at the University of Hohenheim. In these trials, straw flour and kieserite were used as additives, with treatment durations of 4 h and 22 h. The shorter duration represented same-day processing, while the longer duration simulated overnight treatment. Results showed that extending the treatment time with kieserite significantly improved P removal efficiency (PRE), reaching 67% of P shifted to the solid phase after 22 h. Straw flour, on the other hand, achieved a 52% PRE at the same duration, with most of the P remaining in labile fractions regardless of treatment time. Kieserite treatment resulted in notable changes in the distribution of P fractions, shifting from NaHCO₃-P to more stable NaOH-P and HCl-P fractions as the treatment duration increased. These experiments provide a technical proof-of-concept for the use of additives in biogas plants for digestate treatment to enhance P recovery into the solid phase, supporting more sustainable nutrient management practices.
Biochar modified with kieserite and calcium chloride (CaCl₂) was evaluated as an additive for P recovery, along with the metal salts used independently. The modification aimed to load Mg²⁺ and Ca²⁺ ions onto the biochar surface, enhancing its effectiveness. Initial separation trials established that using 5 gadditive/Ldigestate with a 22 h treatment time provided optimal conditions for solid-liquid separation. The separation trials were made in the laboratory using a hydraulic tincture press. The modification significantly increased the Mg content in kieserite-modified biochar (KIS-B) and the Ca content in CaCl₂-modified biochar (Ca-B). Both modified biochars and the metal salts increased P transfer to the solid phase, with the metal salts alone demonstrated higher PRE. KIS-B and Ca-B shifted P to non-labile fractions, while kieserite and CaCl₂ alone resulted in an even higher proportion of non-labile P fractions. Although the modified biochar showed slightly lower PRE compared to metal salts, its potential benefits in agricultural applications are noteworthy.
Future studies should include a comprehensive cost-benefit analysis to evaluate the long-term financial sustainability of implementing these recovery techniques at full scale. Reducing the reliance on expensive, finite phosphorus reserves through local recovery can lower input costs for farmers, making the process economically attractive. Additionally, plant pot trials will be essential in assessing the agronomic efficiency of P recovered from biogas digestate. These trials can help determine how effectively the recovered P promotes plant growth and nutrient uptake compared to conventional fertilizers. Ultimately, refining these recovery techniques and assessing their impact on both economic viability and agricultural productivity will play a key role in advancing sustainable nutrient management practices globally.
Abstract (German)
Phosphor (P) ist ein wichtiger Nährstoff für die Landwirtschaft, der für das Pflanzenwachstum und die Ernährungssicherheit unerlässlich ist. Die weltweite Abhängigkeit von endlichen P-Reserven, die sich vor allem in Nordafrika und China befinden, bringt jedoch erhebliche Herausforderungen mit sich, darunter Schwachstellen in der Versorgungskette und steigende Düngemittelkosten. Außerdem trägt ein übermäßiger P-Abfluss in Gewässer zu Umweltproblemen wie Eutrophierung bei. Die Bewältigung dieser Herausforderungen erfordert nachhaltige P-Managementstrategien, einschließlich der P- Rückgewinnung aus alternativen Quellen wie Biogas-Gärresten. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, werden gesetzliche Maßnahmen und innovative Rückgewinnungstechniken erforscht, um die Nachhaltigkeit von P zu verbessern. In Deutschland haben Verordnungen wie die Düngemittelverordnung und die Klärschlammverordnung strenge Grenzwerte für die Phosphatanwendung eingeführt und die Rückgewinnung von Phosphor aus Abfallströmen vorgeschrieben, um umweltfreundliche Nährstoffmanagementpraktiken zu fördern. Diese Verordnungen zielen darauf ab, die Auswirkungen auf die Umwelt zu verringern und gleichzeitig eine effiziente Nutzung der P-Ressourcen sicherzustellen. Ein Hauptziel dieser Doktorarbeit ist die Entwicklung einer kosteneffektiven, praktisch umsetzbaren Methode zur P- Rückgewinnung, die leicht in bestehende Biogasanlagen integriert werden kann, ohne dass die Infrastruktur wesentlich verändert werden muss. In dieser Studie wurde die Rückgewinnung von P aus Biogasgärresten unter Verwendung von Additiven wie Kieserit (MgSO₄∙H₂O), Strohmehl und Biokohle zur Verbesserung der Trennungseffizienz und Nährstoffrückgewinnung untersucht. Die Additive erhöhten den P-Gehalt in der festen Phase und erleichterten so die Rückführung von P in landwirtschaftliche Systeme. Die Trennversuche im Labormaßstab wurden durchgeführt, um die Wirksamkeit von drei Additiven zu bewerten, die in reaktive (Kieserit) und nicht reaktive (Strohmehl und Biokohle) Gruppen eingeteilt wurden. Die Abtrennungen wurden mit einer hydraulischen Tinkturenpresse durchgeführt, wobei ein Druck von 5 MPa für 120 Sekunden angewendet wurde. In den Versuchen wurden fünf verschiedene Behandlungszeiten getestet: 0 h, 1 h, 2 h, 8 h und 20 h. Kieserit wurde bei 25 °C und 50 °C getestet, während Strohmehl und Biokohle nur bei 25 °C getestet wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass eine längere Behandlungsdauer mit Kieserit wirksamer war, wobei 61 % des P nach 20 Stunden in die feste Phase übergingen. Im Gegensatz dazu hatte die Behandlungsdauer nur geringe Auswirkungen auf die Wirksamkeit von Strohmehl und Biokohle. Die Behandlung mit Kieserit erhöhte NaOH-P und HCl-P, was auf die Bildung stabilerer, nicht labiler P-Fraktionen aufgrund der Wechselwirkung zwischen (Mg²⁺)-Ionen aus Kieserit und Phosphat (PO₄³-)-Ionen hinweist. Diese Ergebnisse führten zu dem Schluss, dass Kieserit als reaktiver Additiv die P-Rückgewinnung durch Umwandlung von labilem P in stabilere, nicht labile Formen effektiver gestaltet. Auf der Grundlage der Schlussfolgerungen aus den Trennversuchen im Labormaßstab wurden in der Forschungsbiogasanlage "Unterer Lindenhof" an der Universität Hohenheim Versuche im Großmaßstab durchgeführt. In diesen Versuchen wurden Strohmehl und Kieserit als Additiven verwendet, mit Behandlungsdauern von 4 h und 22 h. Die kürzere Dauer entsprach einer Verarbeitung am gleichen Tag, während die längere Dauer eine Behandlung über Nacht darstellte. Die Ergebnisse zeigten, dass die Verlängerung der Behandlungsdauer mit Kieserit die P- Entfernungseffizienz (PRE) erheblich verbesserte und nach 22 Stunden 67 % des P in die feste Phase überging. Strohmehl hingegen erreichte bei gleicher Dauer eine PRE von 52 %, wobei der größte Teil des P unabhängig von der Behandlungsdauer in labilen Fraktionen verblieb. Die Kieserit-Behandlung führte zu bemerkenswerten Veränderungen in der Verteilung der P-Fraktionen, die sich mit zunehmender Behandlungsdauer von NaHCO₃-P zu stabileren NaOH- P- und HCl-P-Fraktionen verschoben. Diese Studie liefert einen technischen Konzeptnachweis für den Einsatz von Additiven bei der Behandlung von Biogasgärresten, um die P-Rückgewinnung in die feste Phase zu verbessern und damit eine nachhaltigere Nährstoffbewirtschaftung zu unterstützen. Mit Kieserit und Kalziumchlorid (CaCl₂) modifizierte Biokohle wurde als Additiven für die P-Rückgewinnung bewertet, zusammen mit den unabhängig davon verwendeten Metallsalzen. Ziel der Modifizierung war es, die Oberfläche der Biokohle mit Mg²⁺- und Ca²⁺-Ionen zu beladen und so ihre Wirksamkeit zu erhöhen. Erste Trennversuche ergaben, dass die Verwendung von 5 g Additiv/LGärrest mit einer Behandlungszeit von 22 Stunden optimale Bedingungen für die Fest-Flüssig-Trennung bot. Die Trennversuche wurden im Labor mit einer hydraulischen Tinkturenpresse durchgeführt. Durch die Modifizierung wurde der Mg-Gehalt in kieseritmodifizierter Biokohle (KIS-B) und der Ca-Gehalt in CaCl₂-modifizierter Biokohle (Ca-B) deutlich erhöht. Sowohl die modifizierten Biokohlen als auch die Metallsalze erhöhten den P-Transfer in die feste Phase, wobei die Metallsalze allein eine höhere PRE aufwiesen. KIS-B und Ca-B verlagerten den P in nicht labile Fraktionen, während Kieserit und CaCl₂ allein zu einem noch höheren Anteil an nicht labilen P- Fraktionen führten. Obwohl die modifizierte Biokohle im Vergleich zu den Metallsalzen eine etwas geringere PRE aufwies, sind ihre potenziellen Vorteile für landwirtschaftliche Anwendungen bemerkenswert. Künftige Forschungen sollten eine umfassende Kosten-Nutzen- Analyse beinhalten, um die langfristige finanzielle Tragfähigkeit der Umsetzung dieser Rückgewinnungstechniken in großem Maßstab zu bewerten. Die Verringerung der Abhängigkeit von teuren, endlichen Phosphorreserven durch lokale Rückgewinnung kann die Inputkosten für Landwirte senken und das Verfahren wirtschaftlich attraktiv machen. Darüber hinaus werden Pflanzentopfversuche für die Bewertung der agronomischen Effizienz des aus Biogasgärresten zurückgewonnenen Phosphors von entscheidender Bedeutung sein. Anhand dieser Versuche lässt sich feststellen, wie wirksam der zurückgewonnene P das Pflanzenwachstum und die Nährstoffaufnahme im Vergleich zu herkömmlichen Düngemitteln fördert. Letztendlich wird die Verfeinerung dieser Rückgewinnungstechniken und die Bewertung ihrer Auswirkungen auf die wirtschaftliche Lebensfähigkeit und die landwirtschaftliche Produktivität eine Schlüsselrolle bei der Förderung nachhaltiger Nährstoffmanagementpraktiken auf globaler Ebene spielen.
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Publication series
Forschungsbericht Agrartechnik des Fachausschusses Forschung und Lehre der Max-Eyth-Gesellschaft Agrartechnik im VDI (VDI-MEG); 641
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Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute of Agricultural Engineering
Examination date
2025-09-22
Supervisor
Cite this publication
Uppuluri, N. S. T. (2025). Investigation of Phosphorus Recovery from Biogas Digestate: Low-Technology Approaches for Enhanced Solid-Liquid Separation. https://doi.org/10.60848/13406
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English
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Classification (DDC)
630 Agriculture
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Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
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