Sewage sludge has great potential for phosphorus (P) recovery. However, sewage sludge-derived biochar suffers from low P bioavailability in land application. K, Ca-rich biomass ash was used to co-pyrolyze with sewage sludge to enhance P bioavailability of synthesized biochar. Phase transformation mechanism of P during the co-pyrolysis process was studied. When sunflower straw ash (SSA) was used as an additive (50 wt%) for co-pyrolysis with sludge at 600 °C, the ratio of bioavailable P (Bio-P, determined by 2 wt% citric acid) to total P (TP) of the co-pyrolyzed biochar could achieve 92.1 wt%, which was remarkably higher than that of biochar pyrolyzed by sludge alone (9.5 wt%). The K and Ca elements in SSA significantly contributed to the conversion of the Fe-phosphate phase (FePO4) in sludge into K, Ca-phosphates (KCaPO4, K2CaP2O7 and K2CaP2O7·4H2O) and Ca-phosphate (Ca5(PO4)3OH) phases, therefore enhancing the Bio-P content in the co-pyrolyzed biochar. Model compound pyrolysis results indicate that KCl/K2CO3 and CaCO3 phases in SSA play a synergistic role in enhancing the P bioavailability of co-pyrolyzed biochar. Based on the DFT calculations, the absolute value of the adsorption energy (|ΔEads|) of CH3COO- presented an order: K2CaP2O7 (2.43 eV) > KCaPO4 (1.70 eV) > Ca5(PO4)3OH (1.64 eV)> FePO4 (1.08 eV), indicating that K2CaP2O7, KCaPO4, and Ca5(PO4)3OH are more likely to interact with organic acid and have higher bioavailability than FePO4. Furthermore, the co-pyrolyzed biochar reaches the release rate standard for P, K-slow-release fertilizer. This study proposes a promising and sustainable solution to simultaneously realize sludge utilization and P resource recycling.

中文翻译：

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提高污水污泥与富含 K、Ca的生物质灰分共热解的生物炭的磷生物利用度


污水污泥具有巨大的磷 （P） 回收潜力。然而，污水污泥衍生的生物炭在土地应用中的 P 生物利用度较低。富钙生物质灰分 K 与污水污泥共热解，以提高合成生物炭的 P 生物利用度。研究了 P 在共热解过程中的相变机制。当葵花籽秸秆灰 （SSA） 作为添加剂 （50 wt%） 在 600 °C 下与污泥共热解时，共热解生物炭的生物利用度 P （Bio-P，由 2 wt% 柠檬酸测定） 与总 P （TP） 的比率可以达到 92.1 wt%，明显高于单独污泥热解的生物炭 （9.5 wt%）。SSA 中的 K 和 Ca 元素显着促进了污泥中 Fe-磷酸相 （FePO4） 转化为 K、Ca-磷酸盐 （KCaPO4、K2CaP2O7 和 K2CaP2O7·4H2O） 和 Ca-磷酸盐 （Ca5（PO4）3OH） 相，从而提高了共热解生物炭中的 Bio-P 含量。模型化合物热解结果表明，SSA 中的 KCl/K2CO3 和 CaCO3 固定相在提高共热解生物炭的 P 生物利用度方面起协同作用。根据 DFT 计算，CH3COO- 的吸附能 （|ΔEads|） 的绝对值呈顺序：K2CaP2O7 （2.43 eV） > KCaPO4 （1.70 eV） > Ca5（PO4）3OH （1.64 eV）> FePO4 （1.08 eV），表明 K2CaP2O7、KCaPO4 和 Ca5（PO4）3OH 比 FePO4 更可能与有机酸相互作用，具有更高的生物利用度。此外，共热解生物炭达到了 P、K-缓释肥料的释放速率标准。本研究提出了一种有前途且可持续的解决方案，以同时实现污泥利用和 P 资源回收。