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A pot experiment was carried out with maize to determine the phosphorus (P) plant-availability of different secondary P-fertilizers derived from wastewater. We analyzed the respective soils by P K-edge X-ray absorption near-edge structure (XANES) spectroscopy to determine the P chemical forms that were present and determine the transformation processes. Macro- and micro-XANES spectroscopy were used to determine the chemical state of the overall soil P and identify P compounds in P-rich spots. Mainly organic P and/or P adsorbed on organic matter or other substrates were detected in unfertilized and fertilized soils. In addition, there were indications for the formation of ammonium phosphates in some fertilized soils. However, this effect was not seen in the maize yield of all P-fertilizers. The observed reactions between phosphate from secondary P-fertilizers and cofertilized nitrogen compounds should be further investigated. Formation of highly plant-available compounds such as ammonium phosphates could make secondary P-fertilizers more competitive to commercial phosphate rock-based fertilizers with positive effects on resources conservation.
The present study shows the potential of high-resolution imaging and nano-Fourier-transform infrared (nano-FTIR) spectroscopy for corrosion science. The protective oxidation layers of different chlorine-gas treated silicon
carbides (SiCs) were characterized with these techniques. A nitrified SiC showed the highest resistant strength against chlorine corrosion at 1000 °C compared to the other SiCs. Nano-FTIR spectroscopy with a lateral resolution below 40 nm detected differences in the crystallinity of the bulk-SiC and in the transitional region to the protective layer. Furthermore, high-resolution imaging provides deep insight in the interfacial layer between bulk-SiC and the protective oxidation layer on sub-micrometer scale.
In the near future, phosphorus (P) recycling will gain importance in terms of decreasing primary resources. Sewage sludge (SSL) is an adequate secondary P-resource for P-fertilizer production but it is also a sink for heavy metals and organic pollutants. The present study is an investigation on thermochemical P-recycling of SSL. Various temperatures and amendments were tested regarding their performance to remove heavy metals and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) and simultaneous increase of the plant-availability of P. The investigations were carried out on two types of SSL originating from wastewater treatment plants with chemical P-precipitation and enhanced biological P-removal, respectively. The results show that thermochemical treatment with chlorine donors is suitable to remove the majority of heavy metals and that a combination of a gaseous chlorine donor (HCl) and sodium additives leads to both high heavy metal removal and high plant availability of P. Furthermore, plant experiments Show that almost all investigated thermochemical treatments can significantly reduce the bioavailability and plant uptake of heavy metals. Furthermore, PAHs are secondarily formed during low-temperature treatments (400–500 ° ), but can be significantly reduced by using sodium carbonate as an additive.
Die agronomische Effizienz von Düngemitteln wird üblicherweise im Vegetationsversuch geprüft. Vegetationsversuche erlauben die Betrachtung unterschiedlicher Kulturpflanzen und deren Strategien der Nährstoffmobilisierung und -Aneignung ebenso wie die Berücksichtigung verschiedener Substrattypen und deren Eigenschaften hinsichtlich Nährstofffixierung und -freisetzung. Solche Versuche, selbst wenn sie nicht im Feld, sondern nur im Gefäß durchgeführt werden, sind jedoch sowohl zeit- als auch kostenintensiv. In erster Näherung wird die Pflanzenverfügbarkeit insbesondere von Phosphor (P)-Düngemitteln daher herkömmlicherweise mit Hilfe standardisierter chemischer Extraktionsmethoden abgeschätzt, deren Durchführung in der deutschen ebenso wie in der europäischen Düngemittelverordnung normiert ist. Diese Methoden werden auch im Rahmen der staatlichen Düngemittelverkehrskontrolle genutzt, um die Einhaltung düngemittelrechtlicher Vorgaben zu überprüfen. Wie jüngere Arbeiten gezeigt haben, ist jedoch die Übertragung herkömmlicher Standardextraktionsmethoden auf neue Dünger aus Recyclingmaterialien wie Klärschlamm mit einigen Schwierigkeiten verbunden. Korrelationen zwischen P-Aufnahme im Vegetationsversuch und chemischer Löslichkeit im Standardextrakt sind oft nur mäßig bis schwach oder überhaupt nicht signifikant. Die vorliegende Literaturübersicht gibt einen Überblick zum aktuellen Stand des Wissens über die chemische Löslichkeit von klärschlammbasierten P-Recyclingdüngern, deren Effizienz im Vegetationsversuch und statistische Relationen zwischen beiden Parametern. Anschließend werden alternative Methoden
zur Abschätzung der P-Verfügbarkeit von Recyclingdüngern vorgestellt, die derzeit Gegenstand der wissenschaftlichen Diskussion sind.
Die agronomische Effizienz von Düngemitteln wird üblicherweise in Vegetationsversuchen geprüft. Diese erlauben die es, unterschiedliche Kulturpflanzen und deren Strategien der Nährstoffmobilisierung und -aneignung zu betrachten und verschiedene Substrattypen und deren Eigenschaften im Hinblick auf Nährstofffixierung und -freisetzung zu berücksichtigen. Solche Versuche, selbst wenn sie nicht im Feld, sondern nur im Gefäß durchgeführt werden, sind jedoch sowohl zeit- als auch kostenintensiv. In erster Näherung wird die Pflanzenverfügbarkeit insbesondere von Phosphor (P)-Düngemitteln daher in der Regel mit Hilfe standardisierter chemischer Extraktionsmethoden abgeschätzt, deren Durchführung in der deutschen ebenso wie in der europäischen Düngemittelverordnung normiert ist. Diese Methoden werden auch bei der staatlichen Düngemittelverkehrskontrolle genutzt, um zu überprüfen, ob die düngemittelrechtlichen Vorgaben eingehalten werden. Wie jüngere Arbeiten gezeigt haben, ist es jedoch schwierig, herkömmliche Standardextraktionsmethoden auf neue Dünger aus Recyclingmaterialien wie Klärschlamm zu übertragen. Korrelationen zwischen P-Aufnahme im Vegetationsversuch und chemischer Löslichkeit im Standardextrakt sind oft nur mäßig bis schwach oder überhaupt nicht signifikant. Die vorliegende Literaturübersicht gibt einen Überblick zum aktuellen Stand des Wissens über die chemische Löslichkeit von klärschlammbasierten P-Recyclingdüngern, deren Effizienz im Vegetationsversuch und statistische Relationen zwischen beiden Parametern. Anschließend werden alternative Methoden zur Abschätzung der P-Verfügbarkeit von Recyclingdüngern vorgestellt, die derzeit Gegenstand der wissenschaftlichen Diskussion sind.
Phosphorus (P) is an essential element for all life forms, and P-availability thus an important driver of a functioning agriculture. However, phosphate rock resources for P-fertilizer production are only available in a few countries. Therefore, P-recovery from waste materials has become of increasing interest during the last decade and has been investigated worldwide. In order to characterize potential novel P-fertilizers made from recycled materials, a large array of P-compound characterizations, chemical extractions and growth experiments were performed. This review bundles the work carried out in that field over the last years. Overall, P-fertilizers from recycled materials show a broad range of P-compounds with very different chemical structure and solubility. Growth experiments performed to assess their fertilizing effects display high variations for most of the products. While these experiments have demonstrated that some fertilizers made of recycled materials may reach P effects in the same order of magnitude as water-soluble phosphate rock-based fertilizers, an important limitation in their interpretation is the fact that they often vary considerably in their experimental design. The existing data show clearly that standardization of growth experiments is urgently needed to achieve comparable results. Standard chemical extractants used to assess the chemical solubility of P-fertilizers were found to be of limited reliability for predicting plant P uptake. Therefore, alternative methods such as sequential fractionation, or the extraction of incubated soil/fertilizer mixtures with standard soil extractants or with P sink methods should be tested more intensively in the future to provide alternative options to predict the P-availability of fertilizers from recycled materials.
Uranium and thorium species in phosphate rock and sewage sludge ash based phosphorus fertilizers
(2020)
Phosphorus (P) is an essential element for all forms of life and is thus often applied as phosphate rock-based P-fertilizers in agriculture to enable continuous farming. However, these P-fertilizers contain also hazardous uranium (U) and thorium (Th), up to 660 and 220 mg/kg, respectively. On the contrary, novel P-fertilizers made from sewage sludge (ash) contain only low mass fractions of U and Th. In addition to the total amount of U and Th in P-fertilizers, their mobility and bioavailability is important, which depends to a large extent on their chemical state, especially oxidation state and chemical bonding. Thus, we analyzed their chemical state in various P-fertilizers by U and Th L3-edge HERFD-XANES spectroscopy. Phosphate rocks and sewage sludge-based P-fertilizers contain mainly U(IV) compounds which have only a low bioavailability. In contrast, acidic treatment of phosphate rock to produce super phosphates lead to an oxidation to U(VI) compounds (including formation of uranium phosphates) with a strongly increased bioavailability. On the contrary, all analyzed P-fertilizers contain Th in form of strongly insoluble phosphates and oxides with a low bioavailability. Additionally performed water extractions and Diffusive Gradients in Thin-films (DGT) experiments support these findings.
Weltweit werden etwa 80–85 % aller abgebauten Rohphosphate für die Produktion von Düngemitteln verwendet. Bei noch steigendem Bedarf an Phosphor (P) geht man derzeit davon aus, dass die weltweiten P-Reserven noch über 200 Jahre ausreichen. Um den P-Vorrat langfristig abzusichern, sollte der in Reststoffen enthaltene Phosphor möglichst umfänglich genutzt werden. Dieser Forderung trägt das von der Bundesregierung 2012 erstmals beschlossene Deutsche Ressourceneffizienzprogramm ProgRess Rechnung. Rohphosphat wird auch seitens der Europäischen Kommission aufgrundseiner ökonomischen Bedeutung und des unsicheren Angebots als „kritischer Rohstoff“ eingestuft. Vor diesem Hintergrund hat die Bundesregierung in der Verordnung zur Neuordnung der Klärschlammverwertung vom 27. September 2017 in Deutschland eine verpflichtende technische Rückgewinnung von Phosphor für Abwasserbehandlungsanlagen ab einer Ausbaugröße von 100.000 Einwohnerwerten (12 Jahre nach Inkrafttreten der Verordnung) bzw. ab einer Ausbaugröße von über 50.000 Einwohnerwerten (15 Jahre nach Inkrafttreten der Verordnung) vorgeschrieben. Die Verordnung enthält keine Vorgaben hinsichtlich der anzuwendenden Technologie bei der Phosphorrückgewinnung. Ausgenommen von der Rückgewinnungspflicht sind Klärschlämme mit niedrigen Phosphorgehalten (weniger als 20 Gramm Phosphor je Kilogramm Klärschlamm-Trockenmasse). Auch die im Jahre 2017 verabschiedeten neuen Rechtsvorschriften für die Düngung verlangen zukünftig einen nachhaltigen und ressourceneffizienten Umgang mit Nährstoffen bei der landwirtschaftlichen Erzeugung und schränken die P-Zufuhr insbesondere auf hoch versorgten Böden ein (Düngeverordnung vom 26. Mai 2017). Dies wird zu einem mehr am Pflanzenbedarf orientierten und ggf. vermehrt überbetrieblichen Einsatz von wirtschaftseigenen Düngern führen. Um den politischen und gesetzlichen Anforderungen gerecht zu werden, müssen einerseits wirksame und kosteneffiziente technische Verfahren zum P-Recycling (weiter)entwickelt werden. Andererseits müssen die Recyclingprodukte die Anforderungen für eine direkte Verwendung in der Landwirtschaft oder als Rohstoff für die Herstellung von Düngemitteln erfüllen. In dem vorliegenden Standpunkt wird zunächst der potenzielle Beitrag von Reststoffen zur Deckung des P-Bedarfs in der deutschen Pflanzenproduktion geschätzt. Für die wichtigsten Reststoffe werden technische Verfahren zur P-Rückgewinnung bzw. Aufarbeitung skizziert. Auf Basis der Anforderungen der Landwirtschaft bzw. der Düngemittelindustrie
an die P-Recyclingprodukte werden deren Herstellungsverfahren bewertet. Schließlich wird der Regelungs- und Forschungsbedarf formuliert.
Microspectroscopy reveals dust-derived apatite grains in acidic, highly-weathered Hawaiian soils
(2021)
Dust deposition is an important source of phosphorus (P) to many ecosystems. However, there is little evidence of dust-derived P-containing minerals in soils. Here we studied P forms along a well-described climatic Gradient on Hawaii, which is also a dust deposition gradient. Soil mineralogy and soil P forms from six sites along the climatic gradient were analyzed with bulk (X-ray diffraction and P K-edge X-ray absorption near edge structure) and microscale (X-ray fluorescence, P K-edge X-ray absorption near edge structure, and Raman) analysis methods. In the wettest soils, apatite grains ranging from 5 to 30 μm in size were co-located at the micro-scale with quartz, a known continental dust indicator suggesting recent atmospheric deposition. In addition to co-location with quartz, further evidence of dust-derived P included backward trajectory modeling indicating that dust particles could be brought to Hawaii from the major global dust-loading areas in central Asia and northern Africa. Although it is not certain whether the individual observed apatite grains were derived from long-distance transport of dust, or from local dust sources such as volcanic ash or windblown fertilizer, these observations offer direct evidence that P-containing minerals have reached surface layers of highly-weathered grassland soils through atmospheric deposition.
A wide range of methods are used to estimate the plant-availability of soil phosphorus (P). Published research has shown that the diffusive gradients in thin films (DGT) technique has a superior correlation to plant-available P in soils compared to standard chemical extraction tests. In order to identify the plantavailable soil P species, we combined DGT with infrared and P K- and L2,3-edge X-ray adsorption near edge structure (XANES) spectroscopy. This was achieved by spectroscopically investigating the dried binding layer of DGT devices after soil deployment. All three spectroscopic methods were able to distinguish between different kinds of phosphates (poly-, trimeta-, pyro- and orthophosphate) on the DGT binding layer. However, infrared spectroscopy was most sensitive to distinguish between different types of adsorbed inorganic and organic phosphates. Furthermore, intermediates of the time-resolved hydrolysis of trimetaphosphate in soil could be analyzed.