The global nitrogen (N) cycle operates far beyond its safety threshold. Anthropogenic activities, such as the production of synthetic N fertilizers and the consumption of fossil fuels, have been indicated as the main causes for this imbalance. However, synthetic N fertilizers are essential to maintain or increase agricultural productivity, and their future use will likely increase with population growth. Today, the synthesis of N fertilizers is mostly fossil-based, and accounts for a considerable share of anthropogenic greenhouse gas emissions. For these reasons, there is an increasing focus on N recovery from nutrient-rich waste – also known as white ammonia – to substitute synthetic N, and prevent additional fixation of nitrogen gas to reactive N.

Biogas plants produce biogas and digestate via anaerobic digestion. Biogas can substitute fossil fuels with considerable climate impact savings. Digestate carries recalcitrant organic matter and high shares of mineralized nutrients, can be valorized as biofertilizer and substitute synthetic fertilizers. Therefore, white ammonia from digestate can help meet the demand for synthetic N fertilizers, while reducing the reliance on fossil synthetic N.

In this thesis, I view biogas plants as integrated centers for renewable energy and nutrient recovery and processing.  I investigated some technical solutions to separate and recover N from biogas digestate using a systematic literature review of data from full-scale biogas plants, and laboratory studies. The latter focused on ammonia stripping in-between anaerobic reactors. Furthermore, we considered the energy and climate implications of the results in broader systems perspectives. The available knowledge about full-scale digestate solid-liquid separation showed that centrifuges separate 60% more solids, and 45% more organic-N, but with a 4.5 higher energy use than screw presses. In a systems perspective, digestate solid-liquid separation lowered operational costs associated with digestate transportation both in a Swedish and Belgian context. Gas emissions from digestate storage considerably reduced the net-climate impact savings from the substitution of conventional synthetic fertilizers. In regions where recovered N cannot be used due to excess of N, as in Belgium, the removal of N from digestate in wastewater treatment plants caused a higher climate impact than that currently generated from the synthesis of an equivalent mass of synthetic N fertilizers. In a wider systems perspective, I demonstrated the importance of considering the embedded energy of reactive N in digestate from biogas plants. Accounting for that energy means that biogas plants could be credited with an additional 12% (fossil) energy savings.

Ammonia stripping is a technology to recover reactive N and can be an intermediate treatment during the anaerobic digestion process. Thermal-alkaline ammonia stripping recovered between 60 and 90% of ammonium-N from different types of unseparated digestate. Also, it enhanced N mineralization and boosted biomethane production in a post-incubation. Thermal ammonia stripping recovered 46% of ammonium-N from unseparated sewage sludge digestate. This treatment enhanced biomethane production by 50% in a continuous post-incubation of treated digestate, and increased the ammonium-N concentration three times more than in the control.

This thesis aims at contributing to the development of biogas plants as integrated centers for renewable energy and nutrient recovery and processing. The results offer insights into the technical and environmental performance of digestate processing, and assess broader system effects. Lab results indicate a solution on how to increase the throughput of ammonium-N from biogas plants.

Människans aktiviteter har gjort att de planetära gränserna vad gäller kvävets (N) globala kretslopp är kraftigt överskridna.  Aktiviteter, som produktion av syntetisk N gödsel och konsumtion av fossila bränslen, har pekats ut som de största bidragen till denna obalans. Syntetisk N gödsel är dock i dagsläget avgörande för att bibehålla eller öka jordbrukets produktivitet. Med den fortsatta befolkningstillväxten kommer tillverkning och användning av N gödsel att öka. Idag är produktionen av N gödsel mest fossilbaserad och står för en betydande del av antropogent orsakade utsläpp av växthusgaser. Därför har intresset ökat för möjligheterna att återvinna reaktivt N från näringsrikt avfall - även känt som vit ammoniak - för att ersätta syntetiskt N, och minska tillförseln av reaktivt N till det globala kretsloppet.

Biogasanläggningar producerar biogas och rötrest via en anaerob rötningsprocess. Biogas kan ersätta fossila bränslen med en betydande minskning av klimatpåverkan. Rötresten innehåller stabiliserat organiskt material och en hög andel av mineraliserade näringsämnen. Den kan användas som biogödsel och på så sätt ersätta en del av dagens syntetiska gödselmedel. Därmed kan vit ammoniak från rötrest hjälpa till att möta efterfrågan på N gödsel, samtidigt som den kan minska beroendet av fossilbaserad syntetisk sådan.

I den här avhandlingen ser jag biogasanläggningar som integrerade anläggningar för utvinning och bearbetning av förnyelsebar energi och näringsämnen. Jag har undersökt några tekniska lösningar för att separera och återvinna N från rötresten, dels med en systematisk litteratur-översikt, och dels med laboratoriestudier, fokuserade på ammoniakstripping applicerad som ett mellansteg mellan anaeroba reaktorer. Vi har även undersökt resultatens energi- och klimatkonsekvenser i bredare systemperspektiv. Den tillgängliga kunskapen om fullskalig separation av rötresters fasta- och vätske-fas visar att centrifuger separerar ut 60 % mer torrsubstans och 45% mer organisk-N från vätskefasen, men med 4.5 gånger högre energianvändning än skruvpressar. Ur ett systemperspektiv visade resultaten att separation av fast- och vätskefas sänkte driftskostnaderna förknippade med transport av rötrest i båda de undersökta systemen (Belgien och Sverige). Gasformiga emissioner från lagring av rötrest ledde till en avsevärd minskning av netto-klimatnyttan av att ersätta syntetisk gödsel. I regioner där N inte kan nyttig-göras på grund av stora N överskott, t.ex. Belgien, blev klimatpåverkan av att avskilja N i avloppsreningsverk högre än den från produktionen av motsvarande mängd syntetisk N gödsel.  I ett bredare systemperspektiv visar jag betydelsen av den energi som är inbyggd i reaktivt N i rötrest. Biogasanläggningar skulle kunna kunde tillgodoräknas ytterligare 12 % (fossil) energibesparing associerad med biometanproduktionen, om den energi som motsvaras av N i rötresterna togs med i beräkningen.

Ammoniakstripping är en teknik för att återvinna reaktivt N, men kan också användas som ett mellansteg i en anaerob rötningsprocess. Genom termisk-alkalisk ammoniakstrippning utvanns mellan 60 och 90 % av ammonium-N från olika typer av oseparerad rötrest. Behandlingen ökade även N mineraliseringen och snabbade på biometanproduktionen i en efterföljande anaerob inkubering. Med enbart termisk ammoniakstrippning av oseparerad rötrest från rötat avloppsslam utvanns 46 % ammonium-N. Behandlingen ökade biometanproduktionen med 50 % i kontinuerlig efterrötning, och ökade koncentrationen ammonium-N under efterrötningen tre gånger mer än koncentrationsökningen i en kontroll.

Syftet med avhandlingen är att bidra till att biogasanläggningar ska utvecklas mot att bli integrerade center för utvinning och bearbetning av förnyelsebar energi och näringsämnen. Resultaten ger en ökad förståelse av teknisk och miljömässig prestanda hos tekniker för att förädla rötrester, samt en utvärdering av bredare systemeffekter. Resultaten från laboratorie-försök pekar mot ett sätt att öka flödet av ammonium-N genom biogasanläggningar.