Hydrothermal carbonization compared to biological processes for nutrient recovery

Abstract

As a literature review, this thesis compares the efficiency and behavior of nitrogen (N), phosphorus (P), and potassium (K) recovery in three processes: hydrothermal carbonization (HTC), anaerobic digestion (AD), and composting. The study evaluated nutrient forms before and after the processes, differences in end-product applications, and environmental impacts. Nutrients recycling is important to secure food production and reduce environmental impacts.

The results show that HTC produces hydrochar with bound nitrogen and phosphorus, and potassium in ionic form. Phosphorus in HTC process water is precipitated into a soluble form, enabling controlled soil nutrient release and reducing runoff and eutrophication risks. AD digestate contains plant-available ammonium nitrogen, phosphate, and potassium, making it highly effective as a quick-release fertilizer. Composting produces slow-release fertilizers that enhance long-term soil fertility.

In conclusion, HTC, AD, and composting recycle nutrients effectively, though with differences in nutrient content and forms. Bio-based fertilizers can reduce reliance on mineral fertilizers. Further research is needed to optimize these processes, integrate their strengths, and conduct field tests to maximize nutrient recovery for agricultural use.

Tässä diplomityössä vertailtiin kirjallisuuskatsauksena typen (N), fosforin (P) ja kaliumin (K) talteenoton tehokkuutta ja käyttäytymistä kolmessa eri prosessissa: märkähiilto (HTC), anaerobinen mädätys (AD) ja kompostointi. Arviointiin sisältyivät ravinteiden muoto ennen ja jälkeen prosessien sekä miten lopputuotteiden ravinteiden osuus ja mahdolliset sovellukset eroavat prosessien välillä. Myös ympäristövaikutuksia tutkittiin. Ravinteiden kierrätys on tärkeää ruuantuotannon turvaamiseksi sekä ympäristövaikutusten pienentämiseksi.

Tulokset osoittavat, että HTC-prosessi tuottaa hydrohiiltä, joka sisältää sitoutunutta typpeä ja fosforia sekä kaliumia ionimuodossa. HTC-prosessivedessä P on saostunut liukoisempaan muotoon. Tämä mahdollistaa ravinteiden hallitun vapautumisen maaperään, joka vähentää valumariskiä ja siten vesistöjen rehevöitymistä. AD-prosessin mädätysjäännös sisältää kasveille helposti hyödynnettävää ammoniumtyppeä, fosfaattia ja kaliumia ionimuodossa, mikä tekee siitä erityisen käyttökelpoisen nopeasti tarpeisiin vastaavana lannoitteena. Kompostointi tuottaa hitaasti hajoavaa, maata parantavaa lannoitetta, joka tukee maaperän pitkäaikaista hedelmällisyyttä.

Johtopäätöksenä voidaan todeta, että HTC-, AD- ja kompostointiprosesseilla voidaan kierrättää ravinteita, mutta lopputuotteiden ravinnepitoisuuksissa ja -muodoissa on eroja. Biopohjaiset lannoitteet voivat vähentää mineraalilannoitteiden tarvetta. Lisätutkimuksia tarvitaan prosessien optimoinnin ja integroinnin suhteen sekä pilotointi- ja kenttäkokeisiin. Siten on mahdollista maksimoida ravinteiden talteenotto ja hyödyntää erilaiset vahvuudet maatalouden tarpeisiin.