Alternative phosphorus resources from urban waste as fertilization

Phosphorus (P) is an essential macronutrient for plants. Plant roots assimilate P in soil mainly in the form of orthophosphates as H2PO4- and HPO42-. Due to the high reactivity, orthophosphates generally exist at low concentrations in soils that have high P sorption capacity. Besides the indigenous P in soil, fertilizers manufactured from phosphate rock are the main source of P to ensure a satisfactory yield in agricultural production. However, phosphate rock is a limited reserve with uneven quality and is geographically restricted. Technologies for recovering and reusing the P from waste streams were therefore developed to alleviate the dependency on this critical raw material and to promote sustainable solutions. Sewage sludge, which contains most of the P from wastewater, has great potential to produce P-rich products. However, the evaluation of their P availabilities to plants by simple chemical extraction of the product is difficult because they often contain different P species that do not easily dissolve in water. In the first chapter, three types of recycled P fertilizers derived from sewage sludge were tested first in the greenhouse using maize in two different substrates and were incubated in soil for 0, 22, and 56 days. Untreated sewage sludge ash (SSA), Na-treated SSA, and struvite were tested here. Untreated SSA failed to promote the growth of young maize, while Na-treated SSA and struvite achieved similar biomass as mineral P fertilizer. The pre-incubation time had a negative impact on the P use efficiency of recycled fertilizers. Although the P availability of untreated SSA was very low, it might be a potential substitute for phosphate rock to produce fertilizers. In Chapter II, the P availability and heavy metal contamination risk of superphosphate produced with untreated SSA in the lab were investigated. It was found that the superphosphate produced with the mixture of 25% SSA and 75% rock phosphate had a similar P use efficiency as the superphosphate produced with 100% rock phosphate, indicating untreated SSA could be a suitable substitution of rock phosphate in the P fertilizer production. Despite the heavy metal accumulations in soil and plant being minimal, the Pb and Cu concentration in untreated SSA exceeded the maximum limit according to the EU regulation on fertilizers and therefore its use is restricted in fertilizer production. The separation of industrial and municipal sludge before incineration is recommended to obtain SSAs with high P concentrations but less heavy metal. In Chapter III, the P availability of granulated struvite as affected by fertilizer application methods in comparison to di-ammonium phosphate (DAP) was investigated under field conditions. The experiment was conducted in one field in 2020 and repeated in an adjacent field in 2021. Two-year maize results showed an increase of 30% in maize yield and P content when struvite was placed, indicating that fertilizer placement enhanced the efficiency of granulated struvite. Struvite-placed had similar P use efficiency as DAP-placed, and both treatments led to significantly higher yield and P content of maize than no-P control. The residual effect of fertilizer treatment was evaluated with faba bean (Vicia faba) and triticale (Triticosecale Wittm. ex A. Camus.) as subsequent crops after maize. No significant difference in yield and P content was found between struvite-placed and DAP-placed. Nevertheless, this chapter demonstrated that placed struvite can replace DAP as P fertilizer in maize cultivation. In Chapter IV, the sensitivity of three P extraction methods to different P species was investigated to provide insights into the characterization of current soil P tests to plant P availability. Three soil P tests were compared: calcium acetate-lactate (CAL), Olsen, and diffusive gradients in thin films (DGT). Results showed that a portion of added orthophosphates was immediately fixed in the soil and cannot be extracted by any of the methods. The acidic CAL method may overestimate immediately plant-available P of insoluble calcium phosphate like Ca3(PO4)2. The most suitable method to determine immediately available P might be the Olsen and DGT method. To conclude, this dissertation demonstrated the P availability of recycled P fertilizers derived from sewage sludge and possible strategies to enhance their P use efficiencies. It provided agronomic evidence on the feasibility of replacing phosphate rock-derived P fertilizers with recycled fertilizers and insight into its land application. With the recently revised EU regulation on fertilizing products, it can be expected that recycled fertilizers will soon share the market with mineral fertilizers and help develop sustainable agriculture.

Phosphor (P) ist ein wesentlicher Makronährstoff für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen. Pflanzenwurzeln assimilieren P im Boden hauptsächlich in Form von Orthophosphaten wie H2PO4- und HPO42-. Aufgrund der hohen Reaktivität liegen Orthophosphate in Böden, die eine hohe P-Sorptionskapazität haben, oft in geringen Konzentrationen vor. Neben dem bodeneigenen P sind aus Phosphorit hergestellte Düngemittel die wichtigste P-Quelle, um einen zufriedenstellenden Ertrag in der landwirtschaftlichen Produktion zu gewährleisten. Rohphosphat ist jedoch eine begrenzte Reserve mit uneinheitlicher Qualität und geografisch sehr ungleich verteilt mit nur geringen Vorkommen in Europa. Technologien zur Rückgewinnung und Wiederverwendung von P aus Abfallströmen wurden entwickelt, um die Abhängigkeit von diesem wichtigen Rohstoff zu verringern und nachhaltige Lösungen zu fördern. Klärschlamm, der den größten Teil des P im Abwasser enthält, hat ein großes Potenzial zur Herstellung von P-reichen Produkten. Die Bewertung ihrer P-Verfügbarkeit für Pflanzen durch einfache chemische Extraktion des Produkts ist jedoch schwierig, da sie oft verschiedene P-Fraktionen enthalten, die sich nicht leicht in Wasser auflösen. Im ersten Kapitel wurden drei Arten von recyceltem P-Dünger aus Klärschlamm zunächst im Gewächshaus mit Mais in zwei verschiedenen Substraten getestet und 0, 22 und 56 Tage lang im Boden bebrütet. Hier wurden unbehandelte Klärschlammasche (SSA), Na-behandelte SSA und Struvit getestet. Unbehandeltes SSA förderte das Wachstum von jungem Mais nicht, während mit Na-behandeltem SSA und Struvit eine ähnliche Biomasse erreicht wurde wie mit mineralischem P-Dünger. Die Vorinkubationszeit wirkte sich negativ auf die P-Nutzungseffizienz der recycelten Düngemittel aus. Obwohl die P-Verfügbarkeit von unbehandeltem SSA sehr gering war, könnte es ein möglicher Ersatz für Rohphosphat zur Herstellung von Düngemitteln sein. In Kapitel II untersuchten wir die P-Verfügbarkeit und das Risiko einer Schwermetallverunreinigung von Superphosphat, das mit unbehandeltem SSA im Labor hergestellt wurde. Wir fanden heraus, dass das mit einer Mischung aus 25 % SSA und 75 % Rohphosphat hergestellte Superphosphat fast die gleiche P-Nutzungseffizienz aufwies wie das mit 100 % Rohphosphat hergestellte Superphosphat, was darauf hindeutet, dass unbehandeltes SSA ein geeigneter Ersatz für Rohphosphat in der P-Düngerproduktion sein könnte. Obwohl die Anreicherung von Schwermetallen im Boden und in den Pflanzen minimal war, überstieg die Pb- und Cu-Konzentration in unbehandeltem SSA den Höchstwert gemäß der EU-Düngemittelverordnung, so dass seine Verwendung in der Düngemittelproduktion eingeschränkt ist. Die Trennung von Industrie- und Kommunalschlämmen vor der Verbrennung wird empfohlen, um SSA mit hohen P-Konzentrationen, aber weniger Schwermetallen zu erhalten. In Kapitel III untersuchten wir die P-Verfügbarkeit von granuliertem Struvit im Vergleich zu Diammoniumphosphat (DAP) unter Feldbedingungen in Abhängigkeit von der Art der Düngung. Der Versuch wurde im Jahr 2020 auf einem Feld durchgeführt und 2021 auf einem benachbarten Feld wiederholt. Die Ergebnisse für zweijährigen Mais zeigten eine Steigerung des Maisertrags und des P-Gehalts um 30 %, wenn Struvit unterfußdüngt wurde, was darauf hindeutet, dass die Unterfußdüngung von Dünger die Effizienz von granuliertem Struvit erhöht. Bei der Unterfußdüngung, hatte Struvit eine ähnliche P-Nutzungseffizienz wie DAP, und beide Behandlungen führten zu einem signifikant höheren Ertrag und P-Gehalt von Mais als die Kontrolle ohne P. Der Residualeffekt der Düngerbehandlung wurde mit Ackerbohne (Vicia faba) und Triticale (Triticosecale Wittm. ex A. Camus.) als Folgekulturen nach Mais untersucht. Es wurde kein signifikanter Unterschied im Ertrag und P-Gehalt zwischen Struvit- und DAP-Düngung festgestellt. Dennoch hat dieses Kapitel gezeigt, dass unterfußdüngtes Struvit DAP als P-Dünger im Maisanbau ersetzen kann. In Kapitel IV wurde die Empfindlichkeit von drei P-Extraktionsmethoden gegenüber verschiedenen P-Fraktionen untersucht, um Einblicke in die Vorhersage aktueller Boden-P-Tests zur P-Verfügbarkeit in Pflanzen zu erhalten. Drei Boden-P-Tests wurden verglichen: Calciumacetat-Lactat (CAL), Olsen und Diffusionsgradienten in dünnen Schichten (DGT). Die Ergebnisse zeigten, dass ein Teil der zugesetzten Orthophosphate sofort im Boden fixiert wurde und mit keiner der Methoden extrahiert werden kann. Die Extraktion mit der sauren CAL-Lösung kann den unmittelbar pflanzenverfügbaren P von unlöslichem Kalziumphosphat wie Ca3(PO4)2 überschätzen. Die geeignetste Methode zur Bestimmung des unmittelbar verfügbaren P dürfte die Olsen- und DGT-Methode sein. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Dissertation die P-Verfügbarkeit von rezyklierten P-Düngern aus Klärschlamm und mögliche Strategien zur Verbesserung ihrer P-Nutzungseffizienz aufgezeigt hat. Sie lieferte agronomische Beweise für die Durchführbarkeit des Ersatzes von aus Phosphorit gewonnenen P-Düngern durch rezyklierte Düngemittel und neue Erkenntnisse über deren Ausbringung. Mit der kürzlich überarbeiteten EU-Verordnung über Düngemittel ist zu erwarten, dass recycelte Düngemittel bald den Markt mit Mineraldüngern teilen und zur Entwicklung einer nachhaltigen Landwirtschaft beitragen