Phosphorus enrichment in the treatment of pig manure in China using anaerobic digestion technology

Pang, Zhiqi

Phosphorus (P) is a key irreplaceable nutrient element in all life forms. Almost all phosphorus used by society is mined from non-renewable phosphate rock. Approximately 80% of global phosphate rock consumption is used for fertilizer production. However, as a finite resource, the world phosphate reserve could be exhausted within the next 100-250 years. The phosphate resource in China is also limited. The exploitable deposits could be exhausted within 70 years. Investigations show that the largest recoverable phosphate resource in China is found in animal manure. It was estimated that the potential phosphate resource in intensive-scale animal plants accounts for 47% of the total consumption of phosphate rock of the country each year. Pig manure contains phosphorus and nitrogen in high concentration. The objective of this study is to investigate forced P-precipitation in pig manure combined with anaerobic digestion; when biogas is generated, an enriched P-containing digested manure sludge can be obtained. Anaerobic digestion experiments indicated that total concentrations of phosphorus (TP) and kjeldahl nitrogen (TKN) remained basically constant before and after anaerobic digestion. However, the composition of nitrogen and phosphorus in digested manure was quite different; 37.7% of phosphorus existed as PO4-P in the raw pig manure, whilst 20.8% of PO4-P was present in the digested pig manure. NH4-N accounted for 50.4% of the total TKN in raw pig manure, while most of the TKN in digested manure (79.3%) was composed of NH4-N. The pH value of pig manure rose by 0.88 units after anaerobic digestion. PO4-P was reduced by 45% during anaerobic digestion. The average molar ratios of Mg/P and Ca/P achieved were 1.3 and 1.7. It was found that solid/liquid separation has little influence on the change in the molar ratios. The optimal position for P-precipitation is after anaerobic digestion. P-precipitation should be conducted in homogeneous digested pig manure. The ideal pH range for P-precipitation is between 8.0 and 9.5. In the pH range of 8.8-9.5, struvite precipitation dominates the precipitation reaction. The existence of calcium ions results in competitive reaction with magnesium ions. In the pH range of 8.0-8.8, calcium phosphate was apt to form. Both MgCl2•6H2O and MgO can be adopted as a magnesium source. MgO is suitable for supplementation in raw manure. Without the addition of other alkali, the pH value rose to 8.5. Nearly 85% of soluble phosphorus (PO4-P) could be removed from liquid portion. MgCl2•6H2O has good solubility. When MgCl2•6H2O was used at a pH value of 9.0, the equilibrium time required was 30 minutes. The appropriate Mg2+/PO4-P molar ratio was 1.3. Under these conditions, whether with raw or digested manure, 90% of PO4-P could be removed. Forced P-precipitation combined with anaerobic digestion is suitable for application in China. More than 90% of the soluble phosphorus could be removed from the liquid portion of pig manure through forced P-precipitation. With the aid of flocculants, 95.7% of the total phosphorus could be precipitated in the final manure solid.

Phosphor (P) ist ein zentrales Element und ein unersetzbarer Nährstoff in allen Lebensformen. Phosphathaltige Mineraldünger werden aus Phosphaterz hergestellt. Ungefähr 80% des weltweiten Phosphaterzverbrauchs wird von der Düngemittelindustrie genutzt. Allerdings werden als eine endliche Ressource die weltwirtschaftlich abbaubaren Phosphatreserven für nur noch ca. 100-250 Jahre reichen. Die Ressource Phosphat in China ist ebenfalls begrenzt. Die verwertbaren Lagerstätten können noch 70 Jahre genutzt werden. Die Kosten für den Abbau steigen, es ist daher notwendig nach Recyclingmöglichkeiten zu suchen. Bilanzen zeigen, dass die größten wiedergewinnbaren Phosphatressourcen in China sich in tierischer Gülle befinden. Es wurde geschätzt, dass die potenzielle Phosphatressource in Massentierhaltungsanlagen 47% des gesamten Verbrauchs von Phosphaterz des Landes pro Jahr beträgt. Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der P-Fällung in der Schweinegülle, kombiniert mit anaerober Vergärung, um einen mit Phosphat angereicherten stabilisiersten Gülleschlamm zu erhalten, der landwirtschaftlich verwertet werden kann. Der Fokus liegt auf einem Einsatz in China. Die anaeroben Vergärungsversuche deuteten darauf hin, dass die Gesamtkonzentrationen von Phosphor (TP) und Total-Kjeldahl-Stickstoff (TKN) im Wesentlichen konstant vor und nach der anaeroben Vergärung blieben. Allerdings veränderte sich die Bindungsformen von Stickstoff und Phosphor durch die Vergärung. 37,7% des Phosphors lag als PO4-P in der rohen Gülle vor, während nur noch 20,8% als PO4-P in der vergorenen Schweinegülle enthalten war. NH4-N stellte 50,4% des gesamten TKN in der rohe Schweinegülle dar, während die größte Teil des TKN (79,3%) in der vergorenen Gülle aus NH4-N bestand. Der pH-Wert von Schweinegülle stieg um 0,88 Einheiten nach der anaeroben Vergärung an. 45% des PO4-P wurde während der anaeroben Vergärung reduziert. Die durchschnittlichen Molarverhältnisse von Mg/P und Ca/P betrugenen 1,3 und 1,7. Die Fest/Flüssig-Trennung hat wenig Einfluss auf die Änderung der Molarenverhältnisse. Es optimal ist die P-Fällung in der homogenen vergorenen Schweinegülle durchzuführen. Der optimale pH-Bereich für die P-Fällung liegt zwischen 8,0 und 9,5. Im pH-Bereich von 8,8-9.5 wird die Fällungsreaktion der Struviteformation dominiert. Die Existenz von Calcium-Ionen führt zu einer konkurrierenden Reaktion mit Magnesium-Ionen. Im pH-Bereich von 8,0 bis 8,8 bildete sich tendenziell mehr Calciumphosphat. Sowohl MgCl2•6H2O als auch MgO können als Magnesiumquelle verwendet werden. MgO ist geeignet zur Zugabe in roher Gülle. Ohne den Zusatz von anderen Alkalinen stieg der pH-Wert an auf 8,5. Fast 85% des löslichen Phosphors (PO4-P) konnte aus dem Flüssiganteil entfernt werden. MgCl2•6H2O ist gut löslich. Als MgCl2•6H2O mit einem pH-Wert von 9,0 verwendet wurde, betrug die Gleichgewichtszeit 30 Minuten. Das entsprechende Mg/P Molareverhältnis betrug 1,3. Die P-Fällung in Kombination mit anaerober Vergärung eignet sich für den Einsatz in China. Mehr als 90% des löslichen Phosphors konnten aus dem Flüssiganteil der Schweinegülle durch P-Fällung entfernt werden. Mit Hilfe von Flockungsmitteln konnten bis zu 95,7% des gesamten Phosphors (TP) in das Gärrest-Endprodukt eingebunden werden.

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Pang, Zhiqi: Phosphorus enrichment in the treatment of pig manure in China using anaerobic digestion technology. 2008.

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