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Nutrient recycling from animal slurries
Solutions for minimizing eutrophication and environmental pollution

dc.contributor.advisorGoldbach, Heiner E.
dc.contributor.authorStamm, Nadine
dc.date.accessioned2020-04-18T13:33:32Z
dc.date.available2020-04-18T13:33:32Z
dc.date.issued21.11.2013
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/20.500.11811/5561
dc.description.abstractEconomic development with a concomitant higher income as in China is often associated with a growing demand for protein rich food. This has led to high animal densities, especially large pig farms and consequently vast amounts of manure in peri-urban areas in China. As arable land available for direct manure application is limited, this leads to high nutrient (nitrogen (N), phosphate (P)) overloads. Leaching, direct discharge, and gaseous emissions from animal husbandry thus contribute finally to eutrophication of water bodies.
The present work focuses on the recycling of nutrients as a measure to minimize environmental pollution. The objective in this context was to test different techniques for the elimination of N and P from effluents of animal husbandry. The research focused on i) precipitation experiments for phosphate recovery in the form of struvite (MgNH4PO4), ii) the development of an ammonia stripping device consisting of rotating discs and iii) the identification of parameters influencing both processes most. P removal from effluents was assessed by comparing soluble Pi-concentrations before and after different treatments. In a comparison of different methods, I found that the monovanadate-yellow method tended to sometimes grossly overestimate P levels, whereas the molybdenum-blue method was superior. i) Struvite precipitation in slurry or digestate samples was assessed by adding MgO at different molar ratios (Mg:P as 1:1 and 2:1). The PO4-P concentration decreased significantly by around 80% in slurry as well as digestate samples through struvite precipitation. Struvite was identified via X-ray diffractometry. ii) Ammonia stripping was successfully carried out with a rotating disc system. Different surface areas (0.14 m2, 0.28 m2, 0.57 m2 and 1 m2), performed by varying numbers of discs, were rotated through containers with acid and digestate. Ammonium nitrogen (NH4-N) removal efficiencies of up to 85% could be obtained within 4 days. iii) A higher surface area, achieved by more discs in the system or an increased rotating speed removed a higher percentage of the NH4-N in a shorter time. However, an increased temperature did not affect ammonia stripping. Organic matter and suspended solids in the samples influenced struvite precipitation most.
The pretreatment (chemical oxidation) released large quantities of bound P, which could then be precipitated. Struvite precipitation was neither influenced significantly by an increased pH nor by an increased molar Mg:P ratio. During anaerobic digestion, large quantities of struvite precipitated spontaneously in the digester, thus reducing the PO4-P concentration in the digestate. The main conclusions drawn from this research showed a huge N and P recovery potential through struvite precipitation and ammonia stripping in these particular slurry and digestate samples. The removal and subsequent conversion into a transportable form facilitates the nutrient export and redistribution to areas with nutrient shortages. This can thus help to reduce the threat on the environment in peri-urban areas.
dc.description.abstractNährstoffrecycling aus Gülle : Lösungsansätze zur Verminderung von Eutrophierung und Umweltverschmutzung
Das rasante Wirtschaftswachstum der Volksrepublik China führte in den vergangenen 40 Jahren zu steigendem Wohlstand und damit auch zu einer Veränderung des Lebensstandards der vorwiegend städtischen Bevölkerung mit einer erhöhten Nachfrage nach proteinreichen Nahrungsmitteln wie Käse und Fleisch. Vor allem der vermehrte Schweinefleischkonsum führte zu einer Zunahme von Mastbetrieben in unmittelbarer Nähe von Großstädten und infolgedessen zu großen Mengen an tierischen Abwässern wie Gülle und Gärresten. Im Umfeld der immer größer werdenden Städte wird vermehrt Ackerland zu Bauland umgewandelt, was den Einsatz dieser Abwässer als organisches Düngemittel begrenzt und zu erheblichen Nährstoffüberschüssen von Stickstoff (N) und Phosphat (P) führt. Weitere Folgen der intensiven Tierhaltung sind erhöhte Ammoniakemissionen sowie Nährstoffauswaschungen, die zur Eutrophierung von Fließ- und Standgewässern führen.
Ziel der Doktorarbeit war das Nährstoffrecycling von N und P aus Gülle und Gärresten, die unter folgen Aspekten untersucht wurden: i) Fällungsexperimente zur Phosphatrückgewinnung in Form von Struvit (MgNH4PO4), ii) die Entwicklung einer Versuchsvorrichtung mit rotierenden Platten zur Ammoniakstrippung und iii) die Identifizierung der Haupteinflussparameter beider Prozesse. Der Phosphatentzug aus tierischen Abwässern wurde durch den Vergleich der gelösten Pi-Konzentrationen vor und nach den unterschiedlichen Behandlungen beurteilt. Der Methodenvergleich zur P-Bestimmung zeigte eindeutig, dass die Monovanadat-Gelbmethode dazu neigte die P-Gehalte deutlich zu überschätzen, wohingegen die Molybdän-Blaumethode unbeeinflusst von Matrixeffekten war. i) Die Struvitfällung in Gülle oder Gärresten wurde durch die Zugabe von MgO in unterschiedlichen molaren Verhältnissen (Mg:P von 1:1 und 2:1) analysiert. Die Orthophosphat-Konzentrationen nahmen in allen Proben durch Fällung um etwa 80% ab. Der Nachweis von Struvit erfolgte mittels Röntgendiffraktometrie. ii) Ammoniak konnte erfolgreich mit der neuen Versuchsvorrichtung aus rotierenden Scheiben gestrippt werden. Eine unterschiedliche Anzahl von Scheiben, und damit veränderte Oberflächen (0.14 m2, 0.28 m2, 0.57 m2 und 1 m2), rotierten abwechselnd durch Behälter mit Säure und Gärrest und erzielten eine Ammonium-Stickstoff (NH4-N)-Entfrachtung von bis zu 85% innerhalb von 4 Tagen. iii) Eine größere Oberfläche (mehr rotierende Scheiben) oder eine erhöhte Umdrehungsgeschwindigkeit waren die maßgeblichen Einflussfaktoren der Ammoniakstrippung. Höhere Temperaturen beeinflussten die Ammoniakstrippung hingegen nicht. Die Struvitfällung wurde am stärksten von organischer Substanz und Schwebstoffen in den Proben beeinflusst.
Die Vorbehandlung des Probenmaterials durch chemische Oxidation setzte große Mengen an gebundenem P frei, das als Struvit ausgefällt werden konnte. Die Struvitfällung wurde weder durch einen erhöhten pH-Wert noch durch ein erhöhtes molares Mg:P Verhältnis signifikant beeinflusst. Ein Großteil des Orthophosphats fiel bereits spontan während des Biogasprozesses aus und reduzierte damit die Konzentration im Gärrest. Die Untersuchungen zeigten eindeutig, dass in den Gülle- und Gärrestproben ein hohes Potential zur Nährstoffrückgewinnung liegt und die vorgestellten Verfahren zu einer Verminderung der Umweltbelastung in stadtnahen Gebieten beitragen können. Die Rückgewinnung und anschließende Umwandlung der Nährstoffe in eine transportable Form erleichtert den Nährstoffexport und die Umverteilung in nährstoffarme Gebiete.
dc.language.isoeng
dc.rightsIn Copyright
dc.rights.urihttp://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
dc.subjectNährstoffrecycling
dc.subjectSchweinegülle
dc.subjectStruvitfällung
dc.subjectAmmoniakstrippung
dc.subjectChina
dc.subjectnutrient recycling
dc.subjectstruvite precipitation
dc.subjectammonia stripping
dc.subjectpig slurry
dc.subject.ddc630 Landwirtschaft, Veterinärmedizin
dc.titleNutrient recycling from animal slurries
dc.title.alternativeSolutions for minimizing eutrophication and environmental pollution
dc.typeDissertation oder Habilitation
dc.publisher.nameUniversitäts- und Landesbibliothek Bonn
dc.publisher.locationBonn
dc.rights.accessRightsopenAccess
dc.identifier.urnhttps://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:5n-34129
ulbbn.pubtypeErstveröffentlichung
ulbbnediss.affiliation.nameRheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
ulbbnediss.affiliation.locationBonn
ulbbnediss.thesis.levelDissertation
ulbbnediss.dissID3412
ulbbnediss.date.accepted2013-09-05
ulbbnediss.fakultaetLandwirtschaftliche Fakultät
dc.contributor.coRefereeWelp, Gerhard


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