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Doctoral Thesis
2023
Influence of biogas-digestate processing on composition, N partitioning, and N₂O emissions after soil application
Influence of biogas-digestate processing on composition, N partitioning, and N₂O emissions after soil application
Abstract (English)
The ever-growing need for agricultural products represents a global issue, particularly with a view to the limited availability of cultivable land. According to the latest estimates, the arable land per capita decreases and, in 2050, is expected to account for about 60% less than in the 1960s.
In order to meet the demand, agriculture has evolved into industrial-like structures. This development often goes along with nutrient surpluses (e.g., excess of nitrogen and phosphorus) and increased emissions, caused by mismanagement and inappropriate agricultural practices (e.g., over-fertilization). Biogas plants offer a possibility to valorize organic residues and wastes, but potentially aggravate this problem since additional organic residues (referred to as digestates) with considerable nutrient contents are generated as by-products.
A simple approach to adjust nutrient levels in the affected regions is the transfer of manures and digestates. However, to make this feasible, a reduction of water content (and consequently of total mass/volume) of digestates is required. Up to now, various techniques for digestate downstream processing are available. Previous research mainly addressed single processing stages or differences between feedstock mixtures. Only limited information was found about the influence of a completed downstream processing on total mass reduction and nitrogen concentration in digestate. Studies about the (gaseous) N losses that occur after the application of the respective intermediate and final products to soils were equally scarce.
Therefore, the aims of the current doctoral thesis were to determine (i) the mass reduction achieved by the gradual removal of water within competing processing chains, (ii) the nitrogen partitioning after every single processing step and its recovery in the end products, and (iii) the amount of greenhouse gases (especially N₂O) released after the application of intermediate and end products to soils in comparison to untreated, raw digestate.
For that purpose, two commercial, full-scale biogas plants were examined, which completely processed either the solid or the liquid fraction after mechanical screwpress separation of raw digestate. The separated solid fraction was subsequently dried and pelletized, while the liquid fraction was treated by vacuum evaporation with partial NH₃ scrubbing. As final products, digestate pellets and N-enriched ammonium sulfate solution were generated. Calculation of a mass flow balance served as the basis for determining (total) mass reduction, the partitioning of fresh mass and nitrogen during digestate processing, and the recovery of initial N in the products. Additionally, the environmental impact of utilizing digestate as an organic fertilizer was studied by measuring the N₂O release after application to soil under field and laboratory conditions. A further in-depth analysis was performed to observe the main factors influencing the production and release of climate-relevant N₂O from digestate pellets.
It was found that the mass reduction caused by water removal during subsequent processing accounted for 6% (solid chain) and 31% (liquid chain) of the total mass of raw digestate. Liquid processing required 40% less thermal energy per ton of water evaporated than solid processing. At the end of the downstream processing, the recovery of initial nitrogen in pellets was 33% lower than in ammonium sulfate solution. Regarding the environmental impact of digestate application to soil, mechanical solidliquid separation showed the potential to reduce N₂O emissions. Contrary to expectations, pelletizing of dry solid boosted the emissions, which was linked to the properties and composition of the pellet. Here, indigenous microbial activity triggered N₂O production and release from denitrification immediately after wetting.
Overall, the present work has shown that the subsequent processing of separated solid or liquid digestate generates different products with individual benefits and challenges. Solid digestates are characterized by a high share of recalcitrant organic compounds and therefore can serve, e.g., as soil improver. After processing to pellets, they can be easily transported, stored, and commercialized. However, it is questionable whether the pelletizing process is advisable, since pellets emitted a considerable amount of GHGs during utilization. Liquid processing produces ammonium sulfate solution, which can be utilized as a valuable inorganic fertilizer rich in plant-available N.
Besides the discussed advantages, a final decision for or against digestate processing always depends on individual factors, such as local situation and financial means. Smart decision-making must include fertilizer properties, technological performance, and economic feasibility.
With a view to future research, additional aspects were identified, such as returning to a laboratory-scale biogas plant for more accurate digestate sampling and analysis, consideration of digestate storage and transport, and economic evaluation of the entire digestate value chain including the assessment of digestate fertilizer value (expressed as e.g., N use efficiency or N fertilizer replacement value).
Abstract (German)
Der ständig wachsende Bedarf an landwirtschaftlichen Erzeugnissen stellt ein globales Problem dar, welches durch die begrenzte Verfügbarkeit von Anbauflächen noch weiter verschärft wird. Jüngsten Schätzungen zufolge nimmt die Ackerfläche pro Kopf ab und wird im Jahr 2050 voraussichtlich etwa 60 % weniger betragen als im Jahr 1960.
Um die steigende Nachfrage zu bedienen, haben sich in der Landwirtschaft industrieähnliche Strukturen ausgebildet. Diese Entwicklung geht jedoch häufig mit Nährstoffüberschüssen (z. B. Stickstoff- und Phosphorüberschüsse) und erhöhten Emissionen einher, die durch Missmanagement und unsachgemäße landwirtschaftliche Praktiken (z. B. Überdüngung) verursacht werden. Biogasanlagen bieten eine Möglichkeit, organische Rückstände und Abfälle zu verwerten, können das Problem jedoch weiter verschärfen, da zusätzliche organische Rückstände (sogenannte Gärreste) mit erheblichen Nährstoffgehalten anfallen.
Ein einfacher Ansatz, um die Nährstofffracht in betroffenen Regionen zu regulieren, ist die Verbringung von Gülle und Gärresten. Hierfür muss jedoch zunächst eine Verringerung des Wassergehalts (bzw. der Gesamtmasse/des Gesamtvolumens) der Gärreste erfolgen, welche mittels verschiedener Verfahren und Technologien realisiert werden kann. Die zugehörige Forschung befasste sich bislang hauptsächlich mit einzelnen Verfahrensschritten oder mit den Auswirkungen unterschiedlicher Ausgangsstoffe/Gemische. Über den exakten Einfluss einer abgeschlossenen Nachbehandlung auf die Gesamtmassenreduktion und die Stickstoffkonzentration im Gärrest sind kaum Informationen verfügbar. Gleichermaßen konnten nur wenige Studien gefunden werden, welche sich mit den (gasförmigen) N-Verlusten nach der Ausbringung der jeweiligen Zwischen- und Endprodukte beschäftigen.
Die Ziele der vorliegenden Dissertation waren daher die Untersuchung
(i) der Massenreduktion, die durch den Wasserentzug innerhalb verschiedener Aufbereitungsketten erzielt werden konnte,
(ii) der Stickstoffverteilung nach den einzelnen Aufbereitungsschritten und der N-Rückgewinnung in den Endprodukten, sowie
(iii) der freigesetzten Treibhausgase (insbesondere N₂O) nach der Ausbringung von Zwischen- und Endprodukten auf Böden (im Vergleich zu unbehandelten Rohgärresten).
Zu diesem Zweck wurden zwei kommerzielle Biogasanlagen im laufenden Betrieb untersucht. In beiden Anlagen wurde nach einer ersten, mechanischen Schneckenpressenseparation des Rohgärrestes entweder die feste oder die flüssige Fraktion vollständig aufbereitet. Die abgetrennte Feststofffraktion wurde anschließend getrocknet und pelletiert, wohingegen die Flüssigfraktion mittels Vakuumverdampfung mit partieller NH₃-Wäsche behandelt wurde. Als Endprodukte fielen dabei Gärrestpellets und N-angereicherte Ammoniumsulfat-Lösung an. Die Bilanzierung der Massenflüsse diente als Grundlage für die Ermittlung der (Gesamt-)Massenreduktion, der Verteilung von Frischmasse und Stickstoff während der Gärrestaufbereitung, sowie der Rückgewinnung des ursprünglichen Stickstoffs in den Produkten. Darüber hinaus wurden die Umweltauswirkungen einer Düngung mit Gärresten mit Hilfe von N₂O-Messungen unter Feld- und Laborbedingungen untersucht. Im Anschluss daran wurde eine weitergehende Analyse der Gärrestpellets durchgeführt, um die Hauptfaktoren zu bestimmen, welche die verstärkte Produktion und Freisetzung von N₂O beeinflussen.
Im Rahmen dieser Arbeit konnte festgestellt werden, dass die Massenreduktion (durch Wasserentzug) bei der Aufbereitung des separierten Feststoffes 6 % der Gesamtmasse des Rohgärrests betrug, wohingegen die flüssige Fraktion 31 % erzielte. Dabei benötigte die Flüssigaufbereitung etwa 40 % weniger thermische Energie (pro Tonne verdampftes Wasser) als die Feststoffaufbereitung. Am Ende des Verfahrens war die Rückgewinnung des ursprünglichen Stickstoffs in Pellets um 33 % geringer als in Ammoniumsulfat-Lösung. Was die Umweltauswirkungen der Gärrestausbringung betrifft, so konnten durch die mechanische fest-flüssig-Trennung N₂O-Emissionen verringert werden. Entgegen den Erwartungen erhöhte die Pelletierung der festen Fraktion diese Emissionen. Es wurde nachgewiesen, dass die autochthone mikrobielle Zusammensetzung der Pellets die N₂O-Produktion und Freisetzung aus der Denitrifikation unmittelbar nach der Befeuchtung auslöst.
Insgesamt konnte in der vorliegenden Dissertation gezeigt werden, dass die Weiterverarbeitung von separierten festen oder flüssigen Gärresten vielfältige Produkte mit spezifischen Vor- und Nachteilen erzeugt. Feste Gärreste zeichnen sich durch einen hohen Anteil an stabilen organischen Verbindungen aus und können daher z.B. als Bodenverbesserer dienen. Nach der Verarbeitung zu Pellets lassen sie sich leicht transportieren, lagern und vermarkten. Allerdings bleibt fraglich, ob eine Pelletierung generell sinnvoll ist, da bei der Anwendung der Pellets erhebliche Mengen an Treibhausgasen freigesetzt werden können. Durch die Aufbereitung der flüssigen Fraktion entsteht eine Ammoniumsulfat-Lösung, die als wertvoller anorganischer Dünger, mit einem hohen Gehalt an pflanzenverfügbarem Stickstoff, genutzt werden kann.
Neben den genannten Vorteilen hängt die endgültige Entscheidung für oder gegen die Aufbereitung von Gärresten stets von individuellen Faktoren ab, wie den örtlichen Gegebenheiten und den finanziellen Möglichkeiten. Ebenfalls müssen weitere Aspekte, wie Düngereigenschaften, technische Performance und Wirtschaftlichkeit einbezogen werden.
Überdies konnten im Hinblick auf die Durchführung künftiger Forschungsvorhaben weitere wichtige Aspekte identifiziert werden. So wird beispielsweise empfohlen Folgearbeiten mit einer Forschungs-Biogasanlage durchzuführen, um eine bessere Gärrestbeprobung und -analyse zu ermöglichen. Des Weiteren sollten Gärrestlagerung und -transport miteinbezogen werden, sowie eine wirtschaftliche Bewertung der gesamten Gärrest-Wertschöpfungskette (einschließlich der Bewertung des Gärrestdüngerwerts, z. B. in Form der N-Nutzungseffizienz).
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Notes
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Publication series
Published in
Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute of Crop Science
Examination date
2023-12-05
Supervisor
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ISSN
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Language
English
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
Collections
Original object
Standardized keywords (GND)
BibTeX
@phdthesis{Petrova2023,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/6928},
author = {Petrova, Ioana},
title = {Influence of biogas-digestate processing on composition, N partitioning, and N₂O emissions after soil application},
year = {2023},
school = {Universität Hohenheim},
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