Phosphate fertilizers from pig manure - feasibility study of alternatives for increased phosphorus recovery from pig manure ash and char

Abstract

The objective of this study was to examine the feasibility to treat manure further to recover phosphorus and at the same time utilize the energy content in manure and decrease the surplus manure in the Netherlands. First the possible methods to recover phosphorus and to produce energy from manure were indicated. Followed by the literature study a process comparison was made by comparing yields and concentrations of phosphorus and also energy consumption and production in different methods. Resulting process route included first treatment of manure in an anaerobic digestion followed by solid-liquid separation. Solid fraction would be dried and then combusted and formed ashes would be leached with sulfuric acid. Finally, phosphates would be precipitated from the extract as dicalcium phosphates (DCPD), which are comparable to the fertilizer products from phosphate rock. Best way to treat the liquid fraction would be to first separate organics by ultrafiltration and recycle them to the drying section of the solid manure and then purify water with reverse osmosis. The concentrate from reverse osmosis could be used as a mineral fertilizer, which is rich in nitrogen and potassium. Experiments were done for the solid fraction of pig manure, since there is no research done for this process route. Experiments were also done for pig manure char from a gasification plant. Results showed that it is possible to produce DCPD from the acid leached ash solution with highest yield of phosphate being 94.4 % in precipitation. Precipitation from char originated solutions gave calcium carbonate and amorphous DCPD as final products with lower phosphate yields. By combining results from literature and results from experiments, it was observed that 79.0 % of the phosphorus from initial manure could be recovered as DCPD via incineration process route. Based on energy balances the same route would produce 118 MJ/tonmanure energy. Economical evaluation showed that after 9 years the studied treatment process would be more feasible than the conventional way of applying manure on the fields. Gasification route resulted being unfeasible.

Työn tarkoituksena oli tutkia, onko lantaa kannattavaa käsitellä pidemmälle, jotta lannassa oleva fosfori ja energia saataisiin talteen ja lisäksi Hollannissa ongelmaksi muodostunut lannan vuosittainen ylimäärä saataisiin pienennettyä. Ensin mahdolliset fosforin talteenottomenetel-mät lannasta selvitettiin ja myös millä menetelmillä energiaa voidaan tuottaa lannasta. Kirjallisuuskatsauksen jälkeen eri menetelmiä vertailtiin keskenään fosforisaantojen, fosfori-konsentraatioiden ja energiakulutuksen ja – tuoton perusteella. Prosessivertailun tulosten perusteella lanta tulisi käsitellä ensin anaerobisella mädätyksellä tuottaen biokaasua, jonka jälkeen lanta erotettaisiin kiinto- ja nestevirtoihin. Kiintoaines kuivattaisiin ensin ja sen jälkeen se poltettaisiin täysin tuhkaksi. Tuhkissa oleva fosfori uutettaisiin rikkihapolla liuokseen, jonka jälkeen se voidaan kiteyttää kalsiumhydroksidin lisäyksellä. Kokeet sisälsivät kiinteän lannan kuivauksen, polton, happouuton ja kiteytyksen. Kaasutuksen jäljiltä oleva hiili, johon fosfori päätyy kaasutuksen jälkeen, sisällytettiin myös kokeelliseen osaan. Tulosten perusteella tuhkien uuton ja uuttoliuoksen kiteytyksen jälkeen lopputuote oli dikalsium fosfaatti (DCPD). Fosfaatin saannoksi saatiin 74.7 %. Hiilen uuttamisella ja kiteytyksellä saatiin lopputuotteiksi DCPD ja kalsiumkarbonaatti. Fosfaatin saanto hiilestä oli maksimissaan 60 %. Teknisen ja taloudellisen arvioinnin perusteella 9 vuoden jälkeen lannan käsittely käyttämällä polttoprosessia ja tuottamalla DCPD:tä olisi kannattavampaa kuin lannan levittäminen pelloille, mistä sikalan pitäjien pitää maksaa tällä hetkellä. Jos lantaa käsiteltäisiin ehdotetulla prosessilla, fosfori saataisiin talteen lannoitetuotteena, prosessissa tuotettu energia voitaisiin myydä ja lopuksi Hollannin lannan ylimäärää saataisiin pienennettyä.