Reuse of phosphorus from wastewater in agricultural products - fertiliser effect and set up of cultivation tests

This report is part of the strategic work at RISE Research Institutes of Sweden to generate andspread knowledge on recovery and reuse of nutrients in Sweden. The aim of the report is to help ensure that high-quality products which are attractive for agricultural use emerge from Swedish wastewater treatment plants. The findings can be useful in further work on quality assurance of attractive recovered phosphorus products as fertilisers. Over 200 000 tons of dry matter sludge are produced annually at Swedish wastewater treatment plants, containing in total around 5400 tons of phosphorus that could potentially be reused inagriculture. Apart from direct spreading of bio-sludge on farmland, many different extraction technologies have been developed to recover and thus recycle phosphorus and other nutrients from wastewater and sludge. These different technologies extract phosphorus in different compounds with varying properties as a fertiliser in agriculture. The report reflects on and describes the properties of compounds produced by existing extraction technologies and estimates their value as fertilisers based on fertiliser experiments described in the literature.Two phosphorus compounds that appear particularly interesting are 1) phosphoric acid, a rawmaterial in the production of N-P-K and N-P products and certain forms of superphosphate, and 2) struvite, which has a fertiliser effect comparable to that of super-phosphate. However, it is difficult to assess and compare the fertiliser effect, or plant availability, of recovered phosphorus compounds in a fair manner. As soon as the compound touches the soil,all kinds of processes commence releasing phosphorus in plant-available forms or perhaps binding it in even stronger ways to soil minerals. The pH of the soil, but also its texture,composition of minerals, redox potential and current phosphorus concentration, are factors influencing the actual processes that take place. Other contextual factors such as climate also affect the complicated turnover of phosphorus in soil. However, once applied to farmland, all phosphorus compounds contribute to the pool of plant-available phosphorus in either the shortor long term. Phosphorus compounds that become available in the long term are valuable froma nutrient storage point of view. However, for a highly phosphorus-demanding crop on a phosphorus-deficient soil, rapid delivery of plant-available phosphorus is required. The variation between different types of soil is often great, but an attempt is made in this report to present amore general ranking of different recovered compounds from wastewater or sludge extraction(based on their function as a phosphorus fertiliser according to the literature). The table below summarises the compounds and provides a rough estimate of their general function as phosphorus fertiliser, where 1 indicates good fertilising effect and 4 indicates weak fertilising effect. [table, see fulltext] It is not only the fertiliser effect that determines the attractiveness of a product to farmers. Other decisive factors are competitive price, physical properties of the product that are compatible with modern cultivation techniques and machinery, and a well-defined nutrient content that is homogeneous and stable over time.Tests to assess and evaluate the fertiliser properties of recovered phosphorus products are currently based on varying and often simplified methodologies, meaning that data from different producers are difficult to compare. This report highlights the need for developing comparable and applicable tests for recovered phosphorus products. It also considers relevant parameters to analyse and suggests an appropriate test set-up. The plant availability and effect of nutrients in (recovered) fertiliser products can be assessed in three steps: Chemical determination and content quantification of phosphorus forms and environmental toxins. Greenhouse cultivation experiments. Field cultivation tests.Denna kunskapssammanställning är skriven inom ramen för RISE Research Institutes of Swedens strategiska satsning för att höja och sprida kunskap inom närsaltsåtervinning i Sverige. Rapporten önskar belysa behoven av kvalitetssäkrade och attraktiva produkter som lantbruket vill ha och är skriven för att lägga en grund till fortsatt arbete inom kvalitetssäkring av återvunna och attraktiva fosforprodukter som gödselmedel. Idag produceras årligen dryga 200 000 ton torrsubstansslam på de svenska avloppsreningsverken(ARV) innehållande omkring 5 400 ton fosfor som potentiellt kan återanvändas som näring i lantbruket. Det näringsämne som framförallt begränsar skörden i svenskt lantbruk är dock kväve. Förutom direkt slamspridning på åkermark, finns det en rad olika tekniker under utveckling för att utvinna och på så vis återvinna näringsämnen ur avloppsvatten och -slam.Längst har man kommit med fosfor. Olika tekniker får ut fosfor i olika kemiska former med varierande egenskaper som just gödselmedel i lantbruket. Rapporten lyfter upp och beskriver dessa föreningars egenskaper och ger en uppskattning av deras värde som gödselmedel utifrån en genomgång av litteraturen vad gäller främst odlingsförsök på området. Tre fosforföreningarinom återvunnen fosfor som framstår som mycket intressanta är fosforsyra, monokalciumfosfatoch struvit. Fosforsyra används i produktionen av såväl NPK/NP-produkter som av vissa typer av superfosfat. Monokalciumfosfat ingår i superfosfat och struvit har visat sig ha en fosforgödslingseffekt som ofta kan jämföra sig med den av superfosfat. Men att bedöma och jämföra recirkulerade produkters fosforeffekt eller växttillgänglighet på ett rättvist sätt är svårt, vilket framförallt beror på fosforns reaktioner med sin omgivning. När en produkt kommer i kontakt med marken startar genast processer i olika riktningar där fosforn kan både frigöras i tillgänglig form, bindas hårt till markens mineral och fällas ut i svårlösliga föreningar. Kanske framförallt jordens pH, men också dess mineralsammansättning, redoxförhållanden, fosforkoncentration och temperatur är faktorer som påverkar vilka processer som kommer att ske. Likväl kommer all fosfor som tillförs marken att på kort eller långsikt bidra till poolen av växttillgänglig fosfor. Även den som blir tillgänglig på lite längre sikt,förrådsgödslingen, är värdefull. För en fosforkrävande gröda på en fosforfattig jord krävs emellertid en snabb leverans av växttillgänglig fosfor. Ytterligare komplicerat blir det eftersom produkterna i sig själva, genom sin kemiska sammansättning, kan inverka på markens pH och därmed på tillgängligheten av såväl fosforn i produkten som den i markens eget fosforförråd. Det går helt enkelt inte i odlingsförsök att skilja produktens tillskott av växttillgänglig fosfor från den ökning eller minskning av tillgängligheten av markens egen fosfor som produkten ger upphov till. Vidare har det visat sig att även andra ämnen i produkterna än fosfor kan ge stort utslag. Till exempel kan man få mycket positivt resultat av struvittillförsel, vilken innehåller både fosfor och magnesium, i en jord med magnesiumbrist. En skördehöjande effekt betyder alltså inte automatiskt högre fosfortillgänglighet av produktens ingående fosfor.Trots att olika framtagna föreningars funktion som fosforgödselmedel kan variera betydligt mellan olika jordar görs här ett försök till en mer generell rangordning av dom. I tabellen nedan presenteras kort olika föreningar inom recirkulering av fosfor i avloppsvatten och -slam samt en grov indelning av deras funktion som gödselmedel (baserad på genomgången litteratur), där vi satt (1) till god gödslingseffekt och (4) till mindre god: [tabell, se fulltext] För att lantbrukssektorn skall finna en gödselprodukt attraktiv krävs att den har ett välkänt innehåll av de växtnäringsämnen som förekommer i produkten, som helst också är homogent och stabilt över tid. Dessutom behöver gödselprodukten innehålla en stor andel lättlöslig fosfor som kan bli växttillgänglig under odlingssäsong. Den ska dessutom ha ett konkurrenskraftigt pris och specifika fysikaliska egenskaper kompatibla med dagens odlingsmetoder och jordbruksredskap. Idag utförs olika tester för att utvärdera gödselegenskaper hos nyare cirkulerade produkter med varierande och ofta förenklade metoder. Olika producentersuppgifter är därför svåra att jämföra. Rapporten belyser behovet av att utveckla jämförbara och relevanta tester för framtagna produkter. Vidare diskuteras vilka parametrar som är relevanta att analysera samt förslag på hur testupplägg kan planeras. Bedömning av växttillgänglighet och effekt på produktionen kan förslagsvis göras i tre steg: kemisk bestämning och kvantifiering av ingående former av fosfor samt också andraväxtnäringsämnen och miljögifter odlingsförsök i växthus och odlingstester i fullskala i fält