Thermochemical treatment of biogas digestate solids to produce organic fertilisers: the effect of acidification and drying on N losses, soil N turnover and plant fertilizer value

Abstract

Anaerobic digestion of animal manures has been proposed as a process with twofold advantage. The production of biogas, a renewable source of energy, and the treatment of animal manures to increase their agronomic value and reduce their environmental impact. However, the residual of anaerobic digestion, called digestate, may need a combination of treatments to improve itsmanageability, reduce its environmental impact and facilitate the exportation of excessive nutrients to other areas. Often, mechanical separation, is implemented as a first treatment of the digestate. The resulting solids from digestate, are acknowledged for their potential to serve as organic amendments and fertilizers however, their characteristics constitutes them prone to N losses, and their management (handling, storage, transportation) costly. Thermal drying of manures is known to facilitate transportation by volume reduction, nutrient concentration and hygienization of the final product. However, thermal treatment of ammoniumrich organic wastes such as digestate solids has been linked with relative high volatilization of NH3 and therefore decrease in N fertilizing value of the final product. Temperature and air velocity during thermal treatment influence the evaporation rate of water from the manure solids. At the same time, they also influence the ammonia emission rates, affecting manure’s fertilizing value. Lowering manure pH (controlling the NH4 + - NH3 equilibrium) can potentially reduce the loss rate. Furthermore, the changes occurring in the solid digestate after acidification and/or drying should impact its behavior in the soil specifically, their N and P availability The objective of this study was i) to assess the effects of different acidification levels (by addition of concentrated sulphuric acid) and drying conditions on solids’ digestate nitrogen content (Paper I),ii) determine their C and N dynamics after soil incorporation (Paper II) and iii) assess the plant Nand P uptake of ryegrass amended with different thermochemical treatments of the solids (Paper III). For a more mechanistic understanding of the processes involved in the N cycle in the solids-soil-plant system, 15N has been utilized at the second and third study.In conclusion, drying of digestate solids resulted in an end-product with increased stability andreduced mass/volume which can facilitate its storage and transportation. Nevertheless, dried digestate solids had low N fertilizing value due to the excessive losses of inorganic N during thedrying process. On the contrary, acidification minimized ammonia volatilization from solids during the thermal treatment with direct impact on the N fertilizing value of acid treated solids. In addition, acidification promoted the stability of the organic matter in the acidified solids indicating a higher potential for C sequestration from this treatment. Phosphorus solubility increased by drying and acidification however, no significant differences in plant P uptake were detected mainly as a result of soil properties on plant P availability. A combined acidification and drying treatment of digestate solids may be proved an interesting option for increasing the fertilizing value of the final product and reduce the mineral fertilizingdependency of the agricultural sector. Despite the added cost of acidification, in the digestate solids management chain, the fertilizing value and stability of the end product may compensate for the acid-related expenditures. Nevertheless, alternatives to sulphuric acid should be exploited, to avoid excessive application of sulphur via acidified treatments, in the agricultural system. For a full utilization of acidification and drying as digestate solids treatment, a more systematic assessment of the effect of the thermochemical treatment on P availability is required. Moreover, the ameliorating properties of thermo-chemically treated solids should be assessed in comparison with known manure stabilizing treatments i.e. composting. Finally, the energy cost associated with thermal drying of bio-wastes is expected to largely determine the degree implementation in different areas.

Η αναερόβια χώνευση ζωικών αποβλήτων έχει προταθεί ως μια διαδικασία με διπλό πλεονέκτημα: την παραγωγή βιοαερίου, μιας ανανεώσιμης πηγής ενέργειας, και την επεξεργασία των ζωικών αποβλήτων με στόχο την αύξηση της αγρονομικής τους αξίας και τη μείωση των περιβαλλοντικών τους επιπτώσεων. Ωστόσο, το υπόλειμμα της αναερόβιας χώνευσης, γνωστό ως «digestate» (υπόλειμμα χώνευσης), ενδέχεται να απαιτεί περαιτέρω συνδυασμένες επεξεργασίες προκειμένου να βελτιωθεί η διαχείρισή του, να περιοριστεί η περιβαλλοντική του επιβάρυνση και να διευκολυνθεί η μεταφορά των πλεοναζόντων θρεπτικών στοιχείων σε άλλες περιοχές. Συχνά, εφαρμόζεται μηχανικός διαχωρισμός ως πρώτη φάση επεξεργασίας του digestate. Τα στερεά που προκύπτουν από τον διαχωρισμό αναγνωρίζονται για το δυναμικό τους να χρησιμοποιηθούν ως οργανικά εδαφοβελτιωτικά και λιπάσματα. Παρ’ όλα αυτά, τα χαρακτηριστικά τους τα καθιστούν επιρρεπή σε απώλειες αζώτου, ενώ η διαχείρισή τους (χειρισμός, αποθήκευση, μεταφορά) είναι δαπανηρή. Η θερμική ξήρανση της κοπριάς είναι γνωστό ότι διευκολύνει τη μεταφορά μέσω της μείωσης του όγκου, της συγκέντρωσης των θρεπτικών συστατικών και της υγειονοποίησης του τελικού προϊόντος. Ωστόσο, η θερμική επεξεργασία οργανικών αποβλήτων πλούσιων σε αμμώνιο, όπως τα στερεά του digestate, έχει συσχετιστεί με σχετικά υψηλές εκπομπές αμμωνίας (NH₃), γεγονός που μειώνει την αζωτούχα λιπαντική αξία του τελικού προϊόντος. Η θερμοκρασία και η ταχύτητα του αέρα κατά τη διάρκεια της ξήρανσης επηρεάζουν τον ρυθμό εξάτμισης του νερού από τα στερεά, αλλά ταυτόχρονα και τον ρυθμό εκπομπής αμμωνίας, επηρεάζοντας έτσι την αξία του λιπάσματος. Η μείωση του pH της κοπριάς (μέσω ελέγχου της ισορροπίας NH₄⁺/NH₃) μπορεί ενδεχομένως να περιορίσει τον ρυθμό απωλειών αζώτου. Επιπλέον, οι μεταβολές που επέρχονται στο στερεό digestate μετά από οξίνιση ή/και ξήρανση αναμένεται να επηρεάσουν τη συμπεριφορά του στο έδαφος, ειδικά ως προς τη διαθεσιμότητα αζώτου και φωσφόρου. Στόχος αυτής της μελέτης ήταν:i) να αξιολογηθούν οι επιδράσεις διαφορετικών επιπέδων οξίνισης (με την προσθήκη συμπυκνωμένου θειικού οξέος) και συνθηκών ξήρανσης στην περιεκτικότητα των στερεών του digestate σε άζωτο (Εργασία Ι),ii) να προσδιοριστεί η δυναμική του άνθρακα και του αζώτου μετά την ενσωμάτωση των στερεών στο έδαφος (Εργασία ΙΙ) καιiii) να αξιολογηθεί η απορρόφηση αζώτου και φωσφόρου από αγρωστώδη (ryegrass) που καλλιεργήθηκαν σε έδαφος εμπλουτισμένο με διαφορετικές θερμοχημικές επεξεργασίες των στερεών (Εργασία ΙΙΙ). Για μια πιο μηχανιστική κατανόηση των διεργασιών του κύκλου του αζώτου στο σύστημα στερεών–εδάφους–φυτών, χρησιμοποιήθηκε ισότοπο ¹⁵Ν στις δύο τελευταίες μελέτες. Συνοψίζοντας, η ξήρανση των στερεών του digestate οδήγησε σε ένα τελικό προϊόν αυξημένης σταθερότητας και μειωμένης μάζας/όγκου, γεγονός που διευκολύνει την αποθήκευση και τη μεταφορά. Παρόλα αυτά, τα ξηρά στερεά παρουσίασαν χαμηλή αζωτούχα λιπαντική αξία λόγω των σημαντικών απωλειών ανόργανου αζώτου κατά τη διαδικασία ξήρανσης. Αντιθέτως, η οξίνιση ελαχιστοποίησε την πτητικότητα της αμμωνίας κατά τη θερμική επεξεργασία, με άμεση θετική επίδραση στην αζωτούχα λιπαντική αξία των στερεών που υποβλήθηκαν σε οξίνιση. Επιπλέον, η οξίνιση αύξησε τη σταθερότητα της οργανικής ύλης στα στερεά, υποδεικνύοντας υψηλότερο δυναμικό δέσμευσης άνθρακα. Η διαλυτότητα του φωσφόρου αυξήθηκε τόσο με την ξήρανση όσο και με την οξίνιση· ωστόσο, δεν παρατηρήθηκαν σημαντικές διαφορές στην απορρόφηση φωσφόρου από τα φυτά, κυρίως λόγω της επίδρασης των ιδιοτήτων του εδάφους στη διαθεσιμότητα του φωσφόρου. Ένας συνδυασμός οξίνισης και ξήρανσης των στερεών του digestate ενδέχεται να αποτελέσει μια ενδιαφέρουσα επιλογή για τη βελτίωση της λιπαντικής αξίας του τελικού προϊόντος και τη μείωση της εξάρτησης του αγροτικού τομέα από ανόργανα λιπάσματα. Παρά το πρόσθετο κόστος που συνεπάγεται η οξίνιση στη διαχείριση των στερεών του digestate, η βελτιωμένη λιπαντική απόδοση και σταθερότητα του τελικού προϊόντος μπορεί να αντισταθμίσουν τις σχετικές δαπάνες. Ωστόσο, θα πρέπει να διερευνηθούν εναλλακτικές του θειικού οξέος, ώστε να αποφευχθεί η υπερβολική προσθήκη θείου στο αγροτικό σύστημα μέσω των οξινισμένων προϊόντων. Για την πλήρη αξιοποίηση της οξίνισης και της ξήρανσης ως μεθόδων επεξεργασίας των στερεών του digestate, απαιτείται μια πιο συστηματική αξιολόγηση της επίδρασης των θερμοχημικών επεξεργασιών στη διαθεσιμότητα του φωσφόρου. Επιπλέον, οι βελτιωτικές ιδιότητες των θερμοχημικά επεξεργασμένων στερεών πρέπει να συγκριθούν με γνωστές μεθόδους σταθεροποίησης της κοπριάς, όπως η κομποστοποίηση. Τέλος, το ενεργειακό κόστος που συνδέεται με τη θερμική ξήρανση των βιοαποβλήτων αναμένεται να αποτελέσει καθοριστικό παράγοντα για τον βαθμό εφαρμογής της σε διαφορετικές περιοχές.