Fosforherwinning uit pluimveemestverbrandingsassen en uit beendermeel

Lorien Luyckx
Fosfor en fosfaat, voornamelijk afkomstig van fosfaatrots, zijn essentieel voor planten, dieren, mensen en voor de landbouw. Vanwege de nakende uitputting van fosfaatrots, was het doel van deze studie het optimaliseren van de extractie en herwinning van fosfor uit pluimveemestverbrandingsassen en uit beendermeel. De herwonnen fosfor moest optimaal zijn voor gebruik als meststof in de landbouw.

Fosforprobleem groter dan energieprobleem?

U weet het misschien nog niet, maar de uitputting van fosfor kan een grote invloed hebben op uw leven. Fosfor (P) en fosfaat (een vorm van fosfor) zijn namelijk essentieel voor planten, dieren, mensen en voor de landbouw. Wereldwijd wordt er jaarlijks ongeveer 17,8 miljoen ton fosfor gebruikt in kunstmest voor de productie van voedsel voor mensen en dieren. Het grote probleem is dat deze fosfor voornamelijk afkomstig is van fosfaatrots. Fosfaatrots is geen hernieuwbare grondstof en er dreigt hiervan een nakende uitputting. Uitputting van fosfaatrots betekent dat er niet meer voldoende fosfor is om onze voedselproductie te waarborgen, wat dus een grote invloed kan hebben op uw leven.

ProbleemstellingFosforpiek

Image removed. Het probleem kan heel eenvoudig geschetst worden aan de hand van de fosforpiek (zie figuur), die vergeleken kan worden met de alom bekende oliepiek (peak oil). Iedereen heeft wel al eens gehoord van het energieprobleem met de bijhorende oliepiek. De oliepiek stelt het moment voor waarop de wereldwijde oliewinning haar maximale productie bereikt heeft en waarna de wereldolieproductie gaat dalen. De rode curve in de figuur stelt de gemodelleerde fosforproductie voor en toont aan dat de fosforpiek gaat optreden binnen 20 tot 30 jaar waarna de fosforproductie vertrekkende van fosfaatrots noodgedwongen zal dalen. Het verschil tussen de fosforpiek en de oliepiek is dat er voor aardolie wel alternatieven zijn zoals bijvoorbeeld biomassa, windenergie, zonne-energie, waterkracht, etc., maar voor fosfor zijn er (nog) geen alternatieven en enkel hergebruik is een optie. Dit geeft een duidelijk antwoord op de titel van dit artikel: het fosforprobleem is groter dan het energieprobleem.

De witte puntjes in de figuur geven de actuele fosforproductie weer en tonen aan dat de vraag naar fosfor de laatste jaren in een stijgende lijn zit. Dit is voornamelijk te verklaren door de groeiende wereldbevolking en de verbeterde levenskwaliteit in ontwikkelingslanden. Er wordt geschat dat er nog maar fosfaatrots beschikbaar is voor 50 tot 100 jaar en dat binnen 25 tot 30 jaar de vraag naar fosfaatrots het aanbod zal overstijgen.

Om een fosfortekort te voorkomen is het daarom van groot belang dat deze fosfaatrotsen gespaard worden. Dit kan door te zoeken naar alternatieven voor het herwinnen van fosfor, zoals bijvoorbeeld slib van een waterzuiveringsinstallatie, mest van dieren zoals kippen, varkens en koeien, urine, huishoudelijk afvalwater, dierlijke bijproducten zoals beendermeel, etc. Hergebruik van fosfor zal na verloop van tijd de enige mogelijkheid zijn om onze voedselproductie, waarvoor meststoffen noodzakelijk zijn, te waarborgen.

Uitgevoerd onderzoek

Het doel van deze studie was het optimaliseren van de extractie en herwinning van fosfor uit pluimveemestverbrandingsassen en uit beendermeel. De herwonnen fosfor moest optimaal zijn voor gebruik als meststof in de landbouw. Chemische analyse toonde aan dat gezeefde pluimveemestverbrandingsassen (7,7 gew% P) en beendermeelverbrandingsassen (11,6 gew% P) twee potentieel zeer interessante fosforrijke afvalstromen zijn als alternatief ter vervanging van fosfaatrots (13 - 17,5 gew% P).

Een eerste stap in het proces was de extractie van de fosfor uit de verbrandingsassen. Extractie is een soort van scheidingstechniek waarbij de fosfor wordt onttrokken uit de assen en terecht komt in het oplosmiddel of met andere woorden in de extractievloeistof. Een alledaags voorbeeld van extractie is koffiezetten, waarbij de geur- en smaakstoffen uit de koffiebonen worden geëxtraheerd in warm water. In deze eerste stap werden verschillende extractievloeistoffen getest en werden ook verschillende andere parameters gevarieerd voor het behalen van een optimaal extractierendement.

Een volgende stap in het proces was het verwijderen van de fosfor uit de extractievloeistof door het vormen van een fosforverbinding die gebruikt kan worden als meststof. Het onderzoek behandelt de omzetting van fosfor naar struviet. Struviet is een fosforverbinding die gemakkelijk kan worden neergeslagen vertrekkende van de fosfor in de extractievloeistof. Door het toevoegen van magnesium en ammonium aan de extractievloeistof wordt er een vaste stof gevormd, namelijk struviet, dat naar de bodem zinkt waardoor het gemakkelijk van de oplossing kan worden gescheiden.

Uit de uitgevoerde experimenten en enkele chemische simulaties bleek dat met een innovatieve combinatie van een organisch en anorganisch zuur als extractievloeistof, een optimale extractie en herwinning van fosfor als struviet kon bekomen worden.

Een studie over de beschikbaarheid van de onderzochte afvalstromen toonde aan dat enkel fosforherwinning uit pluimveemestverbrandingsassen en uit beendermeel niet genoeg fosfor oplevert om aan de jaarlijkse wereldwijde vraag van 17,8 miljoen ton te kunnen voldoen. Daarom is het interessant om in verder onderzoek de ontwikkelde methode ook te testen op andere afvalstromen zoals bijvoorbeeld verbrandingsassen van slib van een waterzuiveringsinstallatie of mest van andere dieren zoals varkens en koeien.

De ontwikkelde methode vereist echter nog enkele optimalisatiestappen voor dat dit op grote schaal kan toegepast worden. Hiertoe behoort het limiteren van de co-extractie van zware metalen aanwezig in de afvalstromen, een aspect dat nog problematisch is in de bestaande patenten over fosforherwinning uit afvalstromen. Daarnaast is struviet, in vergelijking met de bestaande meststoffen, niet zo ideaal om te gebruiken in de landbouw en dit vanwege de trage vrijstelling van fosfor. Tenslotte zullen milieu- en economische aspecten een belangrijke rol spelen bij het opschalen naar een industrieel proces.

Voor een meer gedetailleerde uitleg over de verschillende stappen van de ontwikkelde methode verwijs ik u graag door naar de paper van mijn master thesis: “Fosforherwinning uit pluimveemestverbrandingsassen en uit beendermeel”.

Besluit

De bovenstaande conclusies zijn op basis van labotesten en vereisen nog zeer veel optimalisatie alvorens deze methode onze voedselproductie effectief zou kunnen waarborgen. Er kan wel al geconcludeerd worden dat de fosforextractie met een innovatieve combinatie van een organisch en anorganisch zuur een veelbelovende methode is voor verder onderzoek.

Vanwege de noodzakelijke technologische innovaties om fosfor uit afvalstromen terug in de materialencirkel te brengen, is het voor mij als industrieel ingenieur dan ook een uitstekende gelegenheid om mij tijdens mijn geplande doctoraat verder te verdiepen in dit onderzoek.

Bibliografie
  • [1] H. Xu, P. He,W. Gu, G.Wang, and L. Shao. Recoveryof phosphorus as struvite from sewage sludge ash. Journal of Environmental Sciences, 24(8):1533–1538, augustus 2012.
  • [2] U.H.A. de Haes, J.L.A. Jansen, W.J. van der weijden, and A.L. Smit. Fosfaat - van te veel naar tekort. Technical report, Stuurgroep Technology Assessment van het ministerie van LNV, 2009.
  • [3] Vilt. Uitputting wereldwijde fosfaatvoorraad komt dichterbij, januari 2011.
  • [4] M. Atienza-Martinez, G. Gea, J. Arauzo, S.R.A. Kersten, and A.M.J. Kootstra. Phosphorus recovery from sewage sludge char ash. Biomass and bioenergy, 65:42–50, juni 2014.
  • [5] S.Z. Sattari, A.F. Bouwman, K.E. Giller, and M.K. van Ittersum. Residual soil phosphorus as the missing piece in the global phosphorus crisis puzzle. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 109(16):6348–6353, februari 2012.
  • [6] A. Nauta. Eeuwfeest-symposium: Earth Resources, the next 100 years - Dutch Earth Sciences: Development and Impact. Geo.brief, 17(3):4–7, mei 2012.
  • [7] Vilt. Mondiale kunstmestvoorraad slinkt traag maar zeker, december 2012.
  • [8] Vilt. Verbruik van kunstmest in EU zal toenemen, mei 2011.
  • [9] C. Adam, B. Peplinski, M. Michaelis, G. Kley, and F.-G. Simon. Thermochemical treatment of sewage sludge ashes for phosphorus recovery. Waste Management, 29(3):1122–1128, maart 2009.
  • [10] P. Billen. Fluidized bed combustion of manure - Technology improvement and sustainability assessment. PhD thesis, KU Leuven, Science, Engineering & Technology, februari 2015.
  • [11] PubChem. Compound Summary for CID 24456 - Calcium Phosphate.
  • [12] M.J. Larsen and S.J. Jensen. The hydroxyapatite solubility product of human dental enamel as a function of ph in the range 4.6-7.6 at 20 degrees C. Archives of Oral Biology, 34(12):957–961, 1989.
  • [13] M.I. Bhuiyan, D.S. Mavinic, and R.D. Beckie. A solubility and thermodynamic study of struvite. Environmental Technology, 28(9):1015–1026, september 2007.
  • [14] Welzijn op school. Calciumdiwaterstoffosfaat.
  • [15] E. Jarvis. Europe’s phosphate experts. Europe outlook, pages 102–107, 2014.
  • [16] A.A. Szögi, M.B. Vanotti, and P.G. Hunt. Phosphorus recovery from pig manure solids prior to land
    application. Journal of Environmental Management, 157:1–7, juli 2015.
  • [17] P. Guedes, N. Couto, L.M. Ottosen, and A.B. Ribeiro. Phosphorus recovery from sewage sludge ash through an electrodialytic process. Waste Management,
    34(5):886–892, mei 2014.
  • [18] C. Blöcher, C. Niewersch, and T. Melin. Phosphorus recovery from sewage sludge with a hybrid process of low pressure wet oxidation and nanofiltration. Water Research, 46(6):2009–2019, april 2012.
  • [19] T. Schütte, C. Niewersch, T. Wintgens, and S. Yüce. Phosphorus recovery from sewage sludge by nanofiltration in diafiltration mode. Journal of Membrane Science, 480:74–82, april 2015.
  • [20] M. Gifford, J. Liu, B.E. Rittmann, R. Vannela, and P. Westerhoff. Phosphorus recovery from microbial biofuel residual using microwave peroxide digestion and anion exchange. Water Research, 70:130–137, maart 2015.
  • [21] W. Bi, Y. Li, and Y. Hu. Recovery of phosphorus and nitrogen from alkaline hydrolysis supernatant of excess sludge by magnesium ammonium phosphate. Bioresource Technology, 166:1–8, augustus 2014.
  • [22] Z. He and C.W. Honeycutt. A Modified Molybdenum Blue Method for Orthophosphate Determination Suitable for Investigating Enzymatic Hydrolysis of Organic Phosphates. Paper 536, Publications from USDA-ARS/UNL Faculty, 2005.
  • [23] M.S. Mahadevaiah, Y. Kumar, M.S.A. Galil, M.S. Suresha, M.A. Sathish, and G. Nagendrappa. A Simple Spectrophotometric Determination of Phosphate in Sugarcane Juices, Water and Detergent Samples. E-Journal of Chemistry, 4(4):467–473, oktober 2007.
  • [24] S. Pradhan and M.R. Pokhrel. Spectrophotometric determination of phosphate in sugarcane juice, fertilizer, detergent and water samples by
    molybdenum blue method. Scientific World, 11(11), 2013.
  • [25] O.P. Marg and H. Khas. How to measure Total Phosphorus: Ascorbic Acid Method. Technical
    report, Hydrology project, mei 2000.
  • [26] E.A. Nagul, I.D. McKelvie, P. Worsfold, and S.D. Kolev. The molybdenum blue reaction for the determination of orthophosphate revisited: Opening the black box. Analytica Chimica Acta, 890:60–82, augustus 2015.
  • [27] ISO 10304-1:2007 - Water quality - Determination of dissolved anions by liquid chromatography of ions - Part 1: Determination of bromide, chloride, fluoride, nitrate, nitrite, phosphate and sulfate, 2007.
  • [28] ISO 11885:2007 - Water quality - Determination of selected elements by inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES), 2007.
  • [29] D. Lynch, A.M. Henihan, B. Bowen, D. Lynch, K. McDonnel, W. Kwapinski, and J.J. Leahy. Utilisation of poultry litter as an energy feedstock. Biomass and Bioenergy, 49:197–204, 2013.
  • [30] E. Deydier, R. Guilet, S. Sarda, and P. Sharrock. Physical and chemical characterization of crude meat and bone meal combustion residue: waste or raw material? Journal of Hazardous Materials, 121:141–148, mei 2005.
  • [31] M. Bozkurt, A. Alçiçek, and M. Cabuk. The effect of dietary inclusion of meat and bone meal on the performance of laying hens at old age. South African Journal of Animal Science, 34(1), 2004.
  • [32] A.S. Jeng, T.K. Haraldsen, A. Gronlund, and P.A. Pedersen. Meat and bone meal as nitrogen and phosphorus fertilizer to cereals and rye grass. Nutrient Cycling in Agroecosystems, pages 245–253, 2006.
  • [33] S.L. Traylor, G.L. Cromwell, and M.D. Lindemann. Bioavailability of phosphorus in meat and bone meal for swine. Journal of Animal Science, 83(5):1054–1061, mei 2005.
  • [34] C. Vanhoof and K. Tirez. Bepaling van organische stof/koolstof in vaste stoffen. Technical report, OVAM, december 2003.
  • [35] CMA/2/I/A.6.3 - Ontsluiting voor de bepaling van geselecteerde elementen in water - salpeterzuurontsluiting. Belgisch staatsblad, april 2014.
  • [36] M.J. Anderson and P.J. Whitcomb. DOE Simplified: Practical Tools for Effective Experimentation. CRC Press, 2000.
  • [37] J. Van Caneghem. Design of experiments - introduction. Slides lecture Chemical Engineering Computing, februari 2015.
  • [38] S.L. Goss, K.A. Lemons, J.E. Kerstetter, and R.H. Bogner. Determination of calcium salt solubility with changes in pH and PCO2, simulating varying gastrointestinal environments. Journal of Pharmacyand Pharmacology, 59(11):1485–1492, november 2007.
  • [39] PubChem. Compound Summary for CID 25544 - Calcium EDTA Complex.
  • [40] G. Eby. Stability Constants (log K1) of Various Metal Chelates, 2006.
  • [41] PubChem. Compound Summary for CID 13136 - Calcium Citrate.
  • [42] PubChem. Compound Summary for CID 33005 - Calcium Oxalate.
  • [43] PubChem. Compound Summary for CID 6093170 - 62-33-9.
  • [44] S. Prakash, G.D. Tuli, S.K. Basu, and R.D. Madan. Advanced Inorganic Chemistry, Volume 1. 2000. page 1015.
  • [45] F. Habashi. Chemical Beneficiation of Phosphate Rock, oktober 2014.
  • [46] KTH. Visual MINTEQ ver. 3.0 / 3.1, maart 2016.
  • [47] M. Takhim. Method for the production of phosphoric acid and/or a salt thereof and products thus obtained, april 2008. US Patent 7 361 323.
  • [48] M. Takhim. Process for the production of high purity phosphoric acid, april 2013. US Patent 8 425 872.
  • [49] PubChem. Compound Summary for CID 61373 - Oxalic Acid Dihydrate.
  • [50] CMA/2/I/B.1 - Metalen met inductief gekoppeld plasma atoomemissiespectrometrie. Belgisch staatsblad, januari 2010.
  • [51] H. Rüdel, J. Kösters, and J. Schörmann. Guidelines for Chemical Analysis - Determination of the Elemental Content of Environment Samples using ICP-OES. Technical report, Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology, juli 2007.
  • [52] R.S. Lanigan and T.A. Yamarik. Final report on the safety assessment of EDTA, calcium disodium EDTA, diammonium EDTA, dipotassium EDTA, disodium EDTA, TEA-EDTA, tetrasodium EDTA, tripotassium EDTA, trisodium EDTA, HEDTA, and trisodium HEDTA. International Journal of Toxicology, 21(2):95–142, 2002. 
  • [53] Technical Report No. I to the European Commission, Directorate-General Environment concerning Manure Processing Activities in Europe - Project reference: ENV.B.1/ETU/2010/0007. Technical report, Agro Business Park, oktober 2011.
  • [54] K. Möller. Assessment of Alternative Phosphorus Fertilizers for Organic Farming: Meat and Bone Meal. Fact sheet FiBL-Order Nr. 1693, Improve-P, 2015. 
  • [55] C.R. Hamilton. Real and perceived issues involving animal proteins. Darling International Incorporated,
    2002. 
  • [56] S.K. Sahu, P.Y. Ajmal, R.C. Bhangare, M. Tiwari, and G.G. Pandit. Natural radioactivity assessment of a phosphate fertilizer plant area. Journal of Radiation Research and Applied Sciences, 7:123–128, 2014.
  • [57] Hummel Croton Inc. Calcium Oxalate, april 2007.
  • [58] New Allicance Dye Chem PVT. LTD. Calcium oxalate (product code: L016).
Universiteit of Hogeschool
Master in de industriële wetenschappen: chemie
Publicatiejaar
2016
Promotor(en)
Dr. ing. Jo Van Caneghem en Dr. ing. Bram Verbinnen
Kernwoorden
Deel deze scriptie