background image

Seediscussions,stats,andauthorprofilesforthispublicationat:

https://www.researchgate.net/publication/280313871

ENVIRONMENTALIMPACTOFWASTEBASED

BIOGASDIGESTATESASINFLUENCEDBY

POST-TREATMENTMETHODS

CONFERENCEPAPER

·JUNE2015

READS

44

5AUTHORS

,INCLUDING:

Christina-LuiseRoß

Humboldt-UniversitätzuBerlin

11

PUBLICATIONS

5

CITATIONS

SEEPROFILE

Allin-textreferences

underlinedinblue

arelinkedtopublicationsonResearchGate,

lettingyouaccessandreadthemimmediately.

Availablefrom:Christina-LuiseRoß

Retrievedon:24February2016

background image

ENVIRONMENTAL IMPACT OF WASTE BASED BIOGAS DIGESTATES  

AS INFLUENCED BY POST-TREATMENT METHODS 

 

Ross, C.-L.; Wragge, V.; Nielsen, K.; Sensel-Gunke, K.; Bechstein, F.  

 

Institute of Agricultural and Urban Ecological Projects affiliated to Berlin Humboldt University (IASP) 

Philippstraße 13, 10115 Berlin, Germany 

roschris@agrar.hu-berlin.de, verena.wragge@agrar.hu-berlin.de, kerstin.nielsen@agrar.hu-berlin.de, karen.sensel@agrar.hu-

berlin.de, felicitas.bechstein@agrar.hu-berlin.de 

 
 

ABSTRACT: Biowastes contain valuable plant nutrients. After being processed, they could be used as fertilizers. Yet 
therefore  among  other  things  their  environmental  impacts  should  be  known.  The  impacts  of  biowaste  digestates  - 
composted after fermentation and processed in three different ways - were tested using two bio-tests with earthworms 
and two with plants. None of the tests with earthworms led to negative effects within the tested ranges. The tests with 
plants showed a slightly negative response especially of monocotyledonous plants (Avena sativa in the test) towards 
the  pure  compost  but  not  towards  the  further  worked  up  products.  For  dicotyledonous  plants  (here  represented  by 
Brassica  rapa)  no  negative  effects  were  found  within  the  tested  ranges.  The  results  of  the  conducted  tests  indicate 
that  bio-wastes  from  households,  if  treated  in  an  appropriate  way,  could  be  used  as  fertilizers  without  negative 
impacts to plants and earthworms. 
Keywords: organic waste, digestate, environmental impact, earthworms, biomaterial 
 

 
1  INTRODUCTION 
 

Since  January  2015  the  separate  collection  and 

recovery of organic wastes from households (“biowaste”) 
is  a  basic  statutory  obligation  in  Germany.  Biowaste  is 
particularly  suited  as  substrate  for  biogas  plants,  since  it 
can  be  digested  effectively  under  both  mesophilic  and 
thermophilic  conditions 

[9]. 

Consequently  more  biogas 

plants  using  organic  household  wastes  as  feedstock  are 
being  built.  Under  the  aspect  of  nutrient  recycling  an 
agricultural use of the resulting digestates as fertilizers on 
arable  land  is  desired 

[2]

.  However  so  far  not  enough 

knowledge  exists  about  the  ecological  aspects  of 
biowaste  application.  High  amounts  of  impurities  like 
heavy  metals  or  pieces  of  plastic  and  glass  could  cause 
environmental  problems  and  make  the  products 
unpopular  for  farm  use.  Two  ecotox-tests  (one  with 
earthworms  and  one  with  plants)  were  therefore  carried 
out  to  estimate  environmental  impacts  of  biowaste 
application. 

 
 

2  MATERIAL AND METHODS 
 
2.1 Production of Digestate Products 
      The  tested  digestate  products  are  obtained  by 
anaerobic  digestion,  done  with  a  batch  high  solids 
anaerobic  digestion  process  of  the  company  GICON 
(Germany)  with  separated  hydrolysis  and  methanization 
utilizing  percolation,  and  subsequent  composting  of 
organic  wastes.  In  a  second  step  the  thus  obtained  solid 
digestate is  further processed, resulting in three different 
products (Fig. 1): 
 

1. “Compost  fine”:  sieved  mechanically  (20  mm)  and 

thus  ridded  of  rough  impurities  like  bigger 
plastic particles 
 

2.  “Pellet”:  Compost  fine  pressed  into  Pellets  of  20  

mm in diameter and differing in length 

 

3.  “Agglomerate”: moistened Compost fine formed into 

small  round  agglomerates  through  treatment 
with a mixer of the company Eirich (Germany) 

 
 

 

Figure 1: The three tested digestate products, a) Compost 
fine, b) Agglomerate, c) Pellet 
 
2.2 Avoidance-Response Tests with Earthworms 
      Earthworms  feed  of  the  organic  matter  in  the  soil. 
This and the fact that they are in permanent contact with 
the soil, its water content and therein dissolved chemicals 
as well as their sensitivity against chemicals, makes them 
an  ideal  organism  for  testing  potentially  toxic  soil 
conditions 

[4,  8]

.  The  bio-tests  with  earthworms  were 

conducted as an Avoidance-Response Test in accordance 
with  the  International  Standard  Norm  ISO  17512-1 
(2008).  The  composts  and  two  reference  fertilizers,  cow 
manure  and  calcium  ammonium  nitrate  (CAN),  were 
tested  in  two  concentrations  according  to  a  nitrogen 
application  of  200  and  400  kg  ha

-1

.  The  tests  were 

conducted with two-section vessels (1 liter volume) with 
Eisenia  fetida  and  lasted  48  hours.  In  each  vessel  ten 
worms  had  the  choice  between  an  untreated  control  soil 
and soil mixed with compost or reference fertilizer. Each 
treatment was tested in four replications. Two tests were 
carried out with individual batches of the composted bio-
wastes, which differed only slightly in their composition. 
In  test  1  the  soil  was  completely  untreated,  whereas  in 
test  2  the  soil  in  the  control  and  in  the  treated  variants 
was  mixed  with  a  small  amount  of  dried  lucerne  green 
meal.  The  soil  was  adjusted  to  45  %  (1

st

  test)  and  50  % 

(2

nd

 test) of the water holding capacity. After 48 hours the 

number  of  worms  in  each  section  was  counted.  On  the 
assumption  of  a  50:50-distribution  the  avoidance  of  the 
treated  soil  by  the  earthworms  was  calculated.

 

An 

avoidance  of  >  80  %  of  the  treated  soil  would  be 
evaluated as a risk potential for earthworms [6]. 
 
 
 

background image

2.3 Phytotoxicity Test with Oat and Turnip rape 

Different  studies  have  shown  that  the  composting 

process and its duration may have a significant influence 
on the tolerance of plants against the composts  and their 
suitability  as 

fertilizers 

[1,  5]. 

Therefore  the 

phytotoxicity of the different products was tested in a pot 
experiment  with  dicotyledonous  and  monocotyledonous 
plant species (Brassica rapa and Avena sativa) following 
the  International  Standard  Norm  ISO  11269-2  (2012). 
The  test  detects  effects  on  the  emergence  and  early 
growth  of  plants.  For  each  pot  600  g  soil  were  mixed 
with  one  of  the  three  compost-products  or  calcium 
ammonium 

nitrate 

as 

reference 

fertilizer 

in 

concentrations  according  to  100,  200,  400,  600  and 
900 kg  N  ha

-1

.  Untreated  soil  was  used  as  control.

 

Ten 

seeds  were  sown  and  later  thinned  out  to  five  plants  per 
pot. Dry  matter  yield  was determined after 20 days.  The 
test was conducted with four replications per treatment. 
 
 
 
3  RESULTS AND DISCUSSION 
 
3.1 Tests with Eartworms 
       In  the  tests  all  three  soils  treated  with  compost-
products  and  also  soil  mixed  with  cow  manure  were 
preferred compared to untreated control soil (Fig. 2, 3). A 
significant 

difference 

between 

the 

two 

tested 

concentrations was  found only  for agglomerate in test 2. 
An  avoidance  response  of  the  earthworms  was  only 
detected  for  the  reference  substance  calcium  ammonium 
nitrate.  
 

 

 
Figure  2:  Avoidance  of  earthworms  (E.  fetida)  in 
reaction  towards  different  digestate  products  and  their 
concentration;  test  1  with  completely  untreated  control 
soil; n = 4 
 
The  slightly  higher  preference  of  the  control  soil  (lower 
negative  avoidance  of  the  treated  soil)  in  test  2  is 
probably due to the added dried lucerne, which gives the 
worms  an  alternative  feeding  substrate.  However,  the 
general tendency of the worms to prefer the variants with 
digestates  over  the  control  soil  was  not  affected  by  this. 
These results confirm with those found by Moreira et al. 
[7] who also didn´t observe negative effects of composts 
to earthworms, but a preference of treated soils. 
 
 

 

Figure  3:  Avoidance  of  earthworms  (E.  fetida)  in 
reaction  towards  different  digestate  products  and  their 
concentration; test 2 with soil treated with dried lucerne;  
n  =  4;  significant  differences  between  low  and  high 
concentration  are  marked  with  *,  Tukey-Test  with  α  = 
0.05, n = 4 
 
 
3.2 Phytotoxicity Test 
      Regarding  the  digestate-products  there  were  no 
significant  reductions  of  dry  matter  yield  compared  to 
untreated control soil for dicotyledonous plants.  A slight 
negative  effect  was  observed  for  sieved  compost  on 
monocotyledonous plants (Fig. 4).  
 

 

 

 

 
Figure  4:  Dry  matter  yield  [g  per  pot]  of  oat  and  turnip 
rape  in  dependence  of  application  of  different  digestate 
products  in  five  concentrations  compared  to  untreated 
control soil; n = 4; bars of one fertilizer product marked 
with  the  same  letters  do  not  differ  significantly,  Tukey-
Test with α = 0.05, n = 4 
 
 
 

background image

In  most  cases  there  was  no  clear  dose  response  either. 
Only  the  reference  fertilizer  calcium  ammonium  nitrate 
lead to heavy responses with  significant  yield reductions 
at  very  high  (and  for  field  application  unusual)  dosages. 
Since composted digestates are slow releasing sources of 
nutrients  tests  with  longer  duration  are  needed  to  fully 
assess their fertilizing qualities or e.g. possible hormesis-
effects [3]. 
 
In  contrast  to  the  sieved  compost  the  two  further 
processed  digestates  had  no  negative  influence  towards 
the apparently slightly more sensitive monocotyledonous 
plants.  This  could  be  an  indicator  for  growth  inhibiting 
chemical components, which get released easier from the 
pure  compost  than  from  the  pressed  or  agglomerated 
products  with  lower  surface  area  and  higher  density. 
Further investigation in this area is recommended. 
 
 
4  CONCLUSIONS 
 
     Within  the  conducted  bio-tests  also  very  high 
application rates of the tested biowaste digestates did not 
lead  to  significantly  negative  impacts  to  earthworms  or 
plants.  Only  the  reference  fertilizer  calcium  ammonium 
nitrate,  which  is  a  high  potential  nitrogen  fertilizer,  lead 
to  negative  impacts  at  highest  application  rates.  The 
composted  bio-wastes  can  therefore  be  considered  as  an 
environmentally save long term available nutrient source. 
Further  tests  should  assess  the  fertilizing  values  of  the 
products as well as their impacts to other soil organisms 
and the potential release of harmful chemical compounds.  
 
 
5  REFERENCES 
 
 
[1] ABDULLAHI, Y.A., AKUNNA, J.C., WHITE, N.A., 

HALLETT, 

P.D., 

WHEATLEY, 

R. 

(2008): 

Investigating  the  effects  of  anaerobic  and  aerobic 
post-treatment  on  quality  and  stability  of  organic 
fraction of municipal solid waste as soil amendment. 
Bioresource Technology, 99 (18) 8631-8636. 

[2]  BMELV  (2012):  Das  Erneuerbare-Energien-Gesetz. 

Daten und Fakten zur Biomasse – Die Novelle 2012. 
Bundesministerium  für  Ernährung,  Landwirtschaft 
und Verbraucherschutz. 

[3]  Erhart  E.,  Hartl  W.,  Putz  B.  (2005):  Biowaste 

compost  affects  yield,  nitrogen  supply  during  the 
vegetation  period  and  crop  quality  of  agricultural 
crops. European Journal of Agronomy 23, 305-314. 

[4]  FRÜND,  H.-C.;  BUTT,  K.;  CAPOWIEZ,  Y.; 

EISENHAUER,  N.;  EMMERLIN,  C.;  ERNST,  G.; 
POTTHOFF, M.; SCHÄDLER, M.; SCHRADER, S. 
(2009): Using earthworms as model organisms in the 
laboratory:  Recommendations  for  experimental 
implementations. Pedobiologia 53 (2010), 119–125. 

[5]  FUCHS,  J.,  BAIER  U.,  BERNER  A.,  MAYER  J., 

TAMM  L.,  SCHLEISS,  K.,  (2008).  Potential  of 
different  composts  to  improve  soil  fertility  and  plant 
health. Paper presented at the International workshop 
“The future for anaerobic digestion of organic waste 
in  Europe”,  16th  -17th  January  2008,  Nuremberg, 
Germany, 11 pp. (online publication). 

[6]  HUND-RINKE  K.,  WIECHERING  H.  (2001): 

Earthworm  Avoidance  Test  for  Soil  Assessments. 
Journal of Soils and Sediments 1(1), 15-20. 

[7] MOREIRA R., SOUSA J. P., CANHOTO C. (2008): 

Biological  testing  of  a  digested  sewage  sludge  and 
derived composts. Bioresource Technology 99, 8382-
8389. 

[8]  RATHKENS,  K.;  V.D.TRENCK,  K.T.  (2006): 

Schwermetalle 

in 

Regenwürmern 

Baden-

Württembergs.  Dokumentation  zum  Ergebnisbericht. 
LUBW  Landesanstalt  für  Umwelt,  Messungen  und 
Naturschutz Baden-Württemberg. 

[9] ZHANG, C.; SU, H.; BAEYENS, J.; TAN, T. (2014): 

Reviewing  the  anaerobic  digestion  of  food  waste  for 
biogas  production.  Renewable  and  Sustainable 
Energy Reviews 38 (2014), 383–392.