Struvite-based composites for slow-release fertilization: a case study in sand

Struvite (St) recovered from wastewaters is a sustainable option for phosphorus (P) recovery and fertilization, whose solubility is low in water and high in environments characterized by a low pH, such as acidic soils. To broaden the use of struvite in the field, its application as granules is recommended, and thus the way of application should be optimized to control the solubility. In this study struvite slow-release fertilizers were designed by dispersing St particles (25, 50, and 75 wt%) in a biodegradable and hydrophilic matrix of thermoplastic starch (TPS). It was shown that, in citric acid solution (pH = 2), TPS promoted a steadier P-release from St compared to the pure St pattern. In a pH neutral sand, P-diffusion from St-TPS fertilizers was slower than from the positive control of triple superphosphate (TSP). Nevertheless, St-TPS featured comparable maize growth (i.e. plant height, leaf area, and biomass) and similar available P as TSP in sand after 42 days of cultivation. These results indicated that St-TPS slow P release could provide enough P for maize in sand, achieving a desirable agronomic efficiency while also reducing P runoff losses in highly permeable soils.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Sugarcane bagasse ash as fertilizer for soybeans: Effects of added residues on ash composition, mineralogy, phosphorus extractability and plant availability

Sugarcane bagasse is commonly combusted to generate energy. Unfortunately, recycling strategies rarely consider the resulting ash as a potential fertilizer. To evaluate this recycling strategy for a sustainable circular economy, we characterized bagasse ash as a fertilizer and measured the effects of co-gasification and co-combustion of bagasse with either chicken manure or sewage sludge: on the phosphorus (P) mass fraction, P-extractability, and mineral P phases. Furthermore, we investigated the ashes as fertilizer for soybeans under greenhouse conditions. All methods in combination are reliable indicators helping to assess and predict P availability from ashes to soybeans. The fertilizer efficiency of pure bagasse ash increased with the ash amount supplied to the substrate. Nevertheless, it was not as effective as fertilization with triple-superphosphate and K2SO4, which we attributed to lower P availability. Co-gasification and co-combustion increased the P mass fraction in all bagasse-based ashes, but its extractability and availability to soybeans increased only when co-processed with chicken manure, because it enabled the formation of readily available Ca-alkali phosphates. Therefore, we recommend co-combusting biomass with alkali-rich residues to increase the availability of P from the ash to plants

From Lab to Field - Investigations of Phosphorus Availability from Sugarcane Bagasse Ash to Soybeans

Every year the Brazilian sugarcane industry generates up to 10 million tons (dry matter) of ash from the combustion of sugarcane bagasse, which is a fibrous plant material that remains after sugarcane juice extraction. Bagasse ash is alkaline and contains minerals, including phosphorus (P) and potassium (K). Bagasse ash as a P-fertilizer has been poorly investigated. The experiments conducted and presented in this dissertation were aimed at investigating the fertilization effects of bagasse and bagasse-based ashes following a “From Lab to Field” approach. Soybean (Glycine max) was chosen as a model plant because of its suitability for greenhouse and field experiments, relevance for the Brazilian economy and use as rotation crop after sugarcane harvest. The aims of the present study were i) to investigate the efficiency of bagasse ash as a fertilizer for soybeans, ii) to identify factors integral to its fertilization success, and iii) to analyse the potential of bagasse ash as an additive to conventional and organic fertilizers under field conditions. In greenhouse pot experiments on nutrient-poor substrate, soybeans fertilized with bagasseashes accumulated significantly less dry matter and took up less P and K than from triplesuperphosphate (TSP) and potassium sulphate. The fertilization effects of bagasse ashes were driven by the availability of P, a result supported by solubility analyses in various extraction solutions. The application of large dosages of ash produced comparable amounts of biomass as TSP-fertilized plants, but the uptake of P remained significantly lower than that from TSP. This is potentially related to suboptimal concentrations and ratios of minerals supplied by large dosages of ash. Co-combustion of bagasse with chicken manure, which is poor in Fe and Al but rich in alkali and alkaline earth metals, altered the physical and chemical composition of the ashes and their thermochemical products. The resulting increase in availability of P to soybeans appears to be due to the formation of Ca-alkali phosphates, as determined by X-ray diffraction analyses. Under greenhouse conditions in Oxisol soil, the P-fertilization effects of bagasse-based ash and its thermochemical products on soybean remained significantly lower than from TSP. This was probably due tofewer soluble P-forms in ash as compared to TSP, an increase in pH and suboptimal nutrient ratios and nutrient concentrations; all of which affected the ability of this fertilizer to meet the P demand for soybeans. Under field conditions (Goiânia, Brazil), co-fertilization of soybeans with bagasse ash and TSP (70% of P from bagasse ash) allowed a reduction in the P2O5 consumption from TSP by more than 50% and increased the grain yield by 11%. TSP-free fertilization of soybeans with 80 kg P2O5 in form of bagasse ash and cattle manure compost (50% of P from bagasse ash) increased the grain yield by 13%. Both increases are in comparison to control fertilization using TSP alone. Overall, fertilization effects of bagasse and bagasse-based ashes cannot compete with TSP. However, using bagasse ash as an additive to conventional and organic fertilizer has the potential to reduce the consumption of rock-P based fertilizer for soybeans in the field

Recycling of nutrients from residues of thermo-chemical processing of sugarcane bagasse and straw – handling of produced fertilisers based on biomass ash

In Brazil, approximately 2 until 10 million tons of ash are generated each year during sugarcane bagasse incineration. The ashes contain varying amounts of minerals essential for plant nutrition that could be used for fertilizing the plants. The project ASHES is a collaborative research between 7 partners from Germany and 4 partners from Brazil and deals with “recycling of nutrients from residues of thermochemical processing of sugarcane bagasse and straw”. The aim of the project is to develop optimised pathways for thermochemical utilisation of residues from sugar and bioethanol production, and to produce bagasse ash based fertiliser for major crops in Brazil

Algen für die Abwasserbehandlung und ihre Verwendung in der Düngemittelproduktion

Abwässer aus Kläranlagen und (Lebensmittel-) Industrie enthalten unterschiedliche Konzentrationen von Mineralie, bspw. Stickstoff und Phosphat, die für das Pflanzenwachstum esentiel sind. Wenn diese Abwässer in die Umwelt gelangen, können sie Grund- und Oberflächengewässer verunreinigen. Algen sind effizient bei der Entfernung von Nährstoffen aus dem Wasser. Im Rahmen des Projektes "AlgaeSolarBoxes" konstruieren wir (IBG-2 und SIJ) ein mobiles System mit (i) einem Photobioreaktor zur Reinigung der Abwässer durch Algen, (ii) einem Spiegelsystem zur Versorgung des Photobioreaktors mit sichtbarem Sonnen- und LED-Licht und (iii) einem Infrarot-Photovoltaik Modul zur Erzeugung von Strom aus dem nicht für die Photosynthese verwertbaren Infrarotanteil des Sonnenlichts. Das System wird zur Wasseraufbereitung an Kläranlagen und (Lebensmittel-) Industrie verwendet werden können. Das mobile System wird sich vor allem für saisonal anfallende Abwässer mit geringen Verunreinigungen (bspw. Lebensmittelindustrie) eignen können

Algenbasierte Kreiswirtschaft mittels AlgaeFertilizerBox

Intensive Landwirtschaft aber auch Anwohner und Industrie belasten die Oberflä-chen- und Grundgewässer mit Nährstoffen (Landesamt für Natur, Umwelt und Ver-braucherschutz NRW, 2014). Die Nährstoffanreicherung in Oberflächengewässern (Eutrophierung) äußert sich in Abhängigkeit vom Schweregrad durch Algenblüten. Algen haben eine hohe Kapazität für die Phosphataufnahme und können im Idealfall bis zu 90% des Phosphats aus dem Abwasser entfernen (Solovchenko et al., 2016). Diese Fähigkeit der Algen wird im Projekt AlgaeFertilizerBoxes genutzt, um einen Demonstrator zur Wasseraufbereitung mittels Algen zu entwickeln.Das System wird aus zwei Modulen bestehen: i. Algen Modul und einem Spektral Modul. Dieses besteht aus einer flachen, geneigten (0,5-2% Gefälle) und freiliegen-den Oberfläche mit gepulstem Wasserfluss (Calahan et al., 2018). Hier bildet sich ein schnellwachsender, benthischer Biofilm aus überwiegend filamentösen Algen (Sala-ma et al., 2017, Calahan et al., 2018). Der Biofilm kann aus über 100 Algenspezies bestehen, ist gegenüber Umwelteinflüssen sehr robust (Kangas et al., 2017) und zeigt eine überwiegend gleichbleibende Funktionalität (Calahan et al., 2018). Im Ge-gensatz zur üblichen, energieaufwendigen Algenbiomasseernteverfahren durch Zent-rifugation, wird der Biofilm aus dem ATS-System durch Schrubben (scrubbing) ge-erntet. Unter kontrollierten Bedingungen entfernte das ATS-System bereits nach 24 Stunden bis zu 70% der Nitrate und 80% der Phosphate aus der Nährlösung. Der Biofilm ist photoautotroph und wird mit Licht der Sonneneinstrahlung und LED-Beleuchtung versorgt. Die Konzentration der Sonnenstrahlung wird mit einem mehr-stufigen Lichtsammel- und -lenksystem aus Mikroheliostat Boxen (Synhelion GmbH, Bergisch Gladbach, Deutschland) und einem linearen Spiegel zur Lenkung der Son-nenstrahlung in den Container erreicht. Das Spiegelsystem wird sich auf dem Dach des Containers befinden, um den Demonstrator möglichst kompakt zu halten. Da derBiofilm nur das sichtbare Licht für die Photosynthese nutzen kann (Nwoba et al., 2019), wird der Infrarotanteil mittels einer spektral selektiven Folie ausgekoppelt um die Überhitzung des Photobioreaktors zu verhindern. Die ausgekoppelte Infrarot-strahlung wird zur Stromerzeugung im Infrarot-Photovoltaik Modul genutzt. Abschlie-ßend wird das sichtbare Licht mit Hilfe eines Spiegelsystems im Photobioreaktor ver-teilt. Zusätzlich wird der Photobioreaktor mit LEDs ausgestattet, um den Demonstra-tor von Wetter- und Jahresbedingungen unabhängig zu machen. Darüber hinaus werden die LEDs einen Dauerbetrieb (24/7) des Demonstrators ermöglichen. Die Algen und Spektral Module werden in einen 20-Fuß-ISO-Container integriert, um die Mobilität des Systems zu gewährleisten.Die ATS-Biofilme wurden auf Nährstoffzusammensetzungen untersucht. Aus der Perspektive der Nährstoffzusammensetzungen sind diese als Stickstoff/ Phosphat Dünger (NP-Dünger) geeignet. Die Untersuchungen zur Nutzung des Biofilms als Dünger für Weizen sind in der Durchführung

Recycling of nutrients from residues of thermo-chemical processing of sugarcane bagasse and straw - handling of produced fertilizers based on biomass ash

Jährlich entstehen in Brasilien ca. 2 bis 10 Millionen Tonnen Aschen aus der Verbrennung von Zuckerrohrbagasse. Die Aschen enthalten schwankende Zusammensetzungen an mineralischen Nährelementen und könnten daher zu Düngezwecken verwendet werden. Allerdings ist die Nährstoffverfügbarkeit gering, die entsprechende Nährstoffzusammensetzung nicht optimal für die Nutzung der Aschen als Düngemittel für die Hauptanbaukulturen in Brasilien und weisen die Aschen aufgrund häufig schlechter Verbrennungsqualitäten hohe organische Kohlenstoffgehalte auf. Im Rahmen des Forschungsprojekts ASHES („Rückführung von Nährstoffen aus Aschen von thermochemischen Prozessen mit Bagasse bzw. Zuckerrohrstroh“), arbeiten 7 deutsche und 4 brasilianische Partner an der Optimierung der thermochemischen Verwertung von Rückständen aus der Zuckerproduktion in Brasilien, inklusive der Formulierung von optimierten Düngemischungen auf Basis der generierten Aschen. In dieser Veröffentlichung wird die Verarbeitung dieser optimierten Mischungen zu Pellets und Granulaten unter Verwendung verfügbarer regionaler Reststoffe wie Filterkuchen (Vinasse-Presskuchen) sowie Hühnertrockenkot beschrieben. Zur Untersuchung der Handlingeigenschaften wurden die produzierten Pellets und Granulate hinsichtlich ihrer mechanischen Stabilität und des Wasseraufnahmevermögensuntersucht. Dafür wurden geeignete Prüfverfahren angepasst und entsprechende Versuche durchgeführt