Characterization of phosphate fertilizers recycled from biogas digestates and their influenceon plant-soil fertility indicators

Abstract

Phosphor (P) supply to plants is a key production factor for quantity and quality of food in agriculture. P consumption in modern agriculture has increased with raising world population. Mineral P fertilizer derived from Phosphate Rock (PR) mines is a limited resource on earth and large amounts of P used in agriculture are diluted by distribution into the environment, causing unwanted environmental side effects. Future oriented use of P therefore has to be based on technologies for P-recycling from the main anthropogenic product streams. In this thesis, P recycling products from a pilot plant were investigated for their biological efficien-cy as fertilizer in comparison to a conventional mineral fertilizer triple superphosphate (TSP). Investigations were part of two research projects (BioEcosim & GOBi) that had the goal to develop scalable technology for a sustainable P recycling in agriculture. Inputs into the pilot plant were unprocessed pig manure, and on the other hand a biogas co-digestate from cow manure and maize. Outputs were salt precipitates (P-Salt) from the separated liquid fractions with high P content, and solid fractions dried by pyrolysis, air-drying or steam-drying with moderate P content and high organic carbon. The objective of the work described here was the biological and agronomical investigation of the recycled fertilizer fractions for their potential to substitute a mineral fertilizer. In a first step, the obtained fractions were chemically characterized for basic characteristics. Based on the P content of the recycled fertilizers, greenhouse pot experiments were set up to compare equivalent P concentrations of single doses and combinations, in different crops and soils, with TSP and an unfertilized control as reference. Fertilizers were applied once before the beginning of the vegetation phase at recommended field rates. Variables investigated were above ground plant biomass production, concentration, and content of P in shoots, and plant-available P in soil. The characterization of the precipitated P rich fractions revealed that the composition of the P bound minerals was a mixture of magnesium ammonium phosphate (struvite) and calcium phosphates. Their total P content (circa 110 g/kg DM) was slightly lower than TSP (190 g/kg). The organic solids contained lower (circa 20 g/kg) but still significant amounts of P. All fractions dis-played a slightly alkaline pH in CaCl2, between 7 and 8.5. In all experiments, single dosing with the recycled P-Salt fractions resulted in fertilizer effects on biomass growth similar or higher than the reference TSP. This result was found in all soils and crops investigated, indicating that the recycled P-Salt was an effective substitute for TSP. Under the conditions tested, three of the investigated crops, namely marigold, Chinese cabbage and ryegrass, did not develop P induced biomass increase at all, probably because the relevant growth phases were not covered or because the initial P concentrations in soil were already equal or above the optimum P concentration in soil. Highest effects were found in maize, a typical input crop for biogas plants. The single dosing of the isolated solid fractions in two acidic soils, using maize and sunflower, resulted in an even higher biomass increase compared to TSP and P-Salt, whereas effects were generally lower in neutral soils. Steam-dried solids showed a tendency to be superior to air-dried and pyrolyzed solids. When some combinations of solids with P-Salt were applied, biomass increased to an extent equal or higher than P-Salt or TSP alone. Effects were partly synergistic or additive, but never antagonistic. Different mixing techniques investigated resulted in only small differences in biomass increase. A fertilizer induced increase of P concentration or content in the above ground plant biomass, dependent on the plant growth rate, was found in almost every tested crop. The results indicate that uptake of P from soil treated with recycled fertilizers occurred to the same extent than with TSP, independent from the individual growth rate. Plant available P in soil, detected as CAL-P, was increased by all fertilizer fractions compared to untreated controls. This suggests that the chemical composition of the recycled P fertilizers was favorable for a high release of plant available P in soil and underlines the high technical quality of the established manufacturing processes. Overall, the results indicate that P fertilizers recycled from unprocessed manure or biogas plant digestates can be used as an adequate substitute for mineral P fertilizer in a range of different crops and soils. Confirmation of the results in the field and adoption to actual crop-soil-climate situations will be needed for practical use in agriculture. A detailed sustainability evaluation, taking into account all input and output parameters, will help to assess the practical use, applicability and value of the described recycling process.

Die Versorgung von Pflanzen mit Phosphor (P) ist ein wesentlicher Produktionsfaktor für die Quantität und Qualität von Nahrungsmitteln in der Landwirtschaft. Der P-Verbrauch in der modernen Landwirtschaft hat mit steigender Weltbevölkerung zugenommen. Mineralischer P-Dünger aus natürlich vorkommenden Phosphat-Erzen (engl. Phosphate Rock, PR) ist eine global be-grenzte Ressource und große Mengen des in der Landwirtschaft verwendeten P werden in die Umwelt ausverdünnt, was zu unerwünschten Nebenwirkungen in der Umwelt führt. Eine zu-kunftsorientierte Verwendung von P muss daher auf Technologien zum P-Recycling aus den wichtigsten anthropogenen Produktströmen basieren. In dieser Arbeit wurden P-Recyclingprodukte aus einer Pilotanlage auf ihre biologische Effizienz als Dünger im Vergleich zu einem konventionellen Mineraldünger Triple superphosphat (TSP) untersucht. Die Untersuchungen waren Teil zweier Forschungsprojekte (BioEcosim & GOBi), die zum Ziel hatten, skalierbare Technologien für ein nachhaltiges P-Recycling in der Landwirtschaft zu entwickeln. Inputs in die Pilotanlage waren einerseits unverarbeiteter Schweinedung, und zum anderen ein Biogas-Gärrest aus Kuhdung und Mais. Outputs waren Salz-Präzipitate (P-Salz) aus den abgetrennten flüssigen Fraktionen mit hohem P-Gehalt, sowie mittels Pyrolyse, Lufttrocknung oder Dampftrocknung getrocknete, feste Fraktionen mit mäßigem P-Gehalt und hohem organischem Kohlenstoff. Ziel der hier beschriebenen Arbeiten war die biologische und agronomische Untersuchung der recycelten Düngemittelfraktionen auf deren Potential, als Ersatz eines Mineraldüngers dienen zu können. In einem ersten Schritt wurden die erhaltenen Fraktionen chemisch auf grundlegende Kenngrößen charakterisiert. Basierend auf den Ergebnissen des P-Gehalts der recycelten Düngemittel wurden Topfexperimente im Gewächshaus durchgeführt, um äquivalente P-Konzentrationen von Einzeldosen und Kombinationen in verschiedenen Kulturen und Böden mit TSP und einer ungedüngten Kontrolle als Referenz zu vergleichen. Düngemittel wurden einmalig vor Beginn der Ve-getationsphase in empfohlenen Feldmengen ausgebracht. Untersuchte Variablen waren die Pro-duktion von Pflanzenbiomasse, Konzentration und Gehalt von P im Spross und pflanzenverfügbares P im Boden. Die Charakterisierung der ausgefällten, P-reichen Fraktionen ergab, dass die Zusammensetzung der P-gebundenen Mineralien eine Mischung aus Magnesium-Ammonium-Phosphat (Struvit) und Calcium-Phosphaten war. Ihr Gesamt-P-Gehalt (ca. 110 g/kg Trockenmasse (TM)) war etwas niedriger als der von TSP (190 g/kg). Die organischen Feststoffe enthielten geringere (ca. 20 g/kg TM), aber immer noch signifikante Mengen an P. Alle Fraktionen zeigten einen leicht alkalischen pH-Wert in CaCl2 zwischen 7 und 8,5. In allen Experimenten führte die Einzeldosierung mit den recycelten P-Salz-Fraktionen zu Düngemitteleffekten auf das Biomassewachstum, die ähnlich oder höher waren als die der Referenz TSP. Dieses Ergebnis wurde in allen untersuchten Böden und Kulturen gefunden, was darauf hindeutet, dass das recycelte P-Salz ein wirksamer Ersatz für TSP war. Unter den getesteten Bedingungen entwickelten drei der untersuchten Kulturpflanzen, nämlich Ringelblume, Chinakohl und Weidelgras, überhaupt keinen P-induzierten Biomasseanstieg, wahrscheinlich weil die relevanten Wachstumsphasen nicht abgedeckt wurden oder die im Boden vorhandene Initialkonzentration schon im oder über dem Optimum lag. Die stärksten Effekte wurden bei Mais, einer typischen Input-Kultur für Biogasanlagen, festgestellt. Die einmalige Dosierung der isolierten Feststoff-Fraktionen in zwei sauren Böden unter Mais und Sonnenblumen führte zu einer noch höheren Biomassezunahme im Vergleich zu TSP und P-Salz, während die Effekte in neutralen Böden im Allgemeinen geringer waren. Dampfgetrocknete Fest-stoffe zeigten tendenziell höhere Effekte im Vergleich zu luftgetrockneten und pyrolysierten Feststoff-Fraktionen. Bei der Applikation von einigen Kombinationen von Feststoffen mit P-Salz nahm die Biomasse in einem Ausmaß zu, das vergleichbar oder höher war als das von P-Salz oder TSP allein. Die Effekte waren teilweise synergistisch oder additiv, aber nie antagonistisch. Unterschiedliche unter-suchte Mischtechniken ergaben nur geringe Unterschiede in der Biomassezunahme. Ein durch Dünger induzierter Anstieg der P-Konzentration bzw. des P-Gehalts in der oberirdischen Pflanzen-Biomasse, abhängig von der Pflanzenwachstumsrate, wurde bei fast allen unter-suchten Kulturpflanzen festgestellt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Aufnahme von P aus mit Recyclingdünger behandelten Böden unabhängig von der individuellen Wachstumsrate im gleichen Ausmaß erfolgte wie bei TSP. Pflanzenverfügbares P im Boden, nachgewiesen als CAL-P, war durch alle Düngemittelfraktionen im Vergleich zu unbehandelten Kontrollen erhöht. Dies legt nahe, dass die chemische Zusam-mensetzung der recycelten P-Düngemittel eine hohe Freisetzung von pflanzenverfügbarem P im Boden begünstigt und unterstreicht die hohe technische Qualität der etablierten Herstellungsverfahren. Die Ergebnisse zeigen, dass P-Düngemittel, die aus unverarbeitetem Dung oder Biogasanlagen-Gärresten recycelt werden, als adäquater Ersatz für mineralischen P-Dünger in einer Reihe ver-schiedener Kulturen und Böden verwendet werden können. Für den praktischen Einsatz in der Landwirtschaft ist eine Bestätigung der Ergebnisse im Feld und eine Anpassung an die tatsächlichen Pflanzen-Boden-Klima-Situationen erforderlich. Eine detaillierte Nachhaltigkeitsbewertung unter Berücksichtigung aller Input- und Output Parameter wird dabei hilfreich sein, den praktischen Nutzen, die Anwendbarkeit und den Wert des beschrie-benen Recyclingverfahrens zu beurteilen.