Phosphorus Management in an Environmental Systems Perspective: The role of secondary phosphorus recycling in the case of Norway

Abstract Crop production depends on fertilizer inputs, including phosphorus (P), to maintain soil fertility over time. The P source of mineral fertilizers is mined phosphate rock, a non-renewable resource that has been applied in excess to agricultural soils in Western Europe for decades. A more sustainable food system is one that uses P more efficiently to reduce the extraction of phosphate rock and to reduce the risk of P losses associated with the accumulation of P in the soil. The overall aim of this thesis was to contribute to improved P management and P use efficiency in Norwegian crop production by increasing our understanding of the potential for secondary P recycling. The first step was therefore to map flows and stocks of P in and between economic sectors associated with the Norwegian food system. Substance flow analysis (SFA) was employed in this work, including the integration of P plant-availability with SFA to obtain a more realistic picture of the total fertilizer value of organic residues. Furthermore, the total P fertilizer requirement on a national and regional (county) scale was adjusted according to soil P levels. This was done to provide a more correct picture of the theoretical potential of secondary P to cover P fertilizer requirements and replace mineral P in the short term. The results showed that there is substantial P consumption in agriculture, of the same order of magnitude as the throughput of P in fisheries and aquaculture. At 10.2 kilotonnes P per year, the losses of P from fisheries and aquaculture are also comparable to the net stock soil accumulation, which is 12 kilotonnes P per year. Furthermore, secondary plant-available P has the theoretical potential to satisfy national P fertilizer requirements in both the short and long term. This can, in fact, be achieved by animal manure alone. It was demonstrated that manure P is unequally distributed among Norwegian counties, with livestock-dense counties in the south-west and west of Norway typically displaying great surpluses of manure P after covering internal P fertilizer requirements. In contrast, in counties in the south-east arable crop production dominates and they would have a P deficit without P fertilizer imports. The full potential of manure to replace mineral fertilizer can therefore only be realized if manure P is redistributed to where it is needed. These findings were followed up by a life cycle assessment (LCA) study that looked at the environmental impacts of redistributing dairy cow manure over 500 km from a county with a P surplus to a county with a net P requirement. We compared several technology options and concluded that the most promising option was pretreatment by anaerobic digestion, followed by solid-liquid separation of the digestate using a decanter centrifuge. This alternative redistributed 71% of P in the cattle manure and did not increase potential environmental impacts compared to conventional cattle manure management. Secondary P fertilizer has the potential to replace mineral P fertilizer, but the amount of avoided mineral P calculated in LCA depends on the assumptions made in the calculations, which differ between studies. In the last paper, I identify three substitution principles used in the LCA literature and, through a case study, show that they can greatly affect the inventory of avoided mineral P and the final environmental impact results. In conclusion, this work has shown that organic residues in Norway have a great potential to meet P fertilizer requirements, and that the P redistribution that is necessary to realize this potential does not have to result in increased environmental impacts. Sammendrag Planteproduksjon avhenger av tilførsel av næringsstoffer i gjødsel, blant annet fosfor (P), for å vedlikeholde næringsstatusen i jord over tid. Kilden til P i mineralgjødsel er utvunnet fosfatstein, en ikke-fornybar global ressurs som har blitt tilført i overskudd til landbruksjord i Vest-Europa gjennom årtier. I en mer bærekraftig matproduksjon må P brukes mer effektivt for å redusere utvinningen av fosfatstein og redusere risikoen for tap av P som er forbundet med akkumulering av P i jord. Det overordnede målet med dette doktorgradsarbeidet er å bidra til forbedret P-forvaltning og mer effektiv bruk av P i norsk planteproduksjon for mat og fôr gjennom økt forståelse av potensialet for resirkulering av P. Det første steget i arbeidet var derfor å kartlegge beholdninger og strømmer av P i og mellom de sektorene som kan assosieres med det norske matsystemet. Materialstrømsanalyse (SFA) ble brukt, inkludert en integrering av plantetilgjengelighet av P i ulikt organisk avfall for å få et mer realistisk bilde av gjødselverdien. Videre ble det totale P-gjødselbehovet på nasjonal- og fylkesnivå justert med hensyn på P-nivået i jord. Dette for å få et mer korrekt bilde av det teoretiske potensialet for hvor mye resirkulert (sekundær) P kan dekke av gjødselbehovet og erstatte mineralsk (primær) P på kort sikt. Resultatene viste at det er et betydelig konsum av P i landbruket, i samme størrelsesorden som omsetningen av P i fiskeri- og akvakultursektoren. Tapene av P fra fiskeri og akvakultur på 10.2 kilotonn P per år er også sammenlignbare med netto akkumulering av P i jord på 12 kilotonn P per år. Videre fant vi at resirkulert plantetilgjengelig P har et teoretisk potensiale til å dekke det nasjonale P-gjødselbehovet på både kort og lang sikt og kan dekkes av P i husdyrgjødsel alene. Fosfor i husdyrgjødsel er imidlertid ujevnt fordelt mellom norske fylker. Typisk har fylkene på Vest- og Sørvestlandet med stor husdyrtetthet også store overskudd av P etter å ha dekket sitt interne Pgjødselbehov, i motsetning til fylkene i Sørøst-Norge, som er dominert av kornproduksjon, og som har et P-gjødselunderskudd uten import av P-gjødsel. Husdyrgjødselens fulle potensiale for å erstatte mineralgjødsel kan dermed bare realiseres om P i husdyrgjødsel omfordeles til der det trenges. Disse funnene ble fulgt opp av en livsløpsanalyse (LCA) hvor vi så på miljøeffektene av å omfordele storfegjødsel over 500 km fra et fylke med et P-overskudd til et fylke med et netto P-gjødselbehov. Vi sammenlignet ulike alternative teknologier og konkluderte med at den mest lovende løsningen var biogassprosessering etterfulgt av mekanisk separasjon av bioresten med dekantersentrifuge. Dette alternativet omfordelte 71% av P i storfegjødselen og økte ikke de potensielle miljøpåvirkningene sammenlignet med konvensjonell storfegjødselhåndtering. Sekundær P-gjødsel fra ulikt organisk avfall kan potensielt erstatte mineralsk P-gjødsel, men estimert mengde unngått mineralsk P i LCA er avhengig av antagelsene som blir gjort for utregningen, noe som kan variere mellom studier. I siste artikkel identifiserer jeg tre ulike substitusjonsprinsipper brukt i LCA-litteraturen og viser, gjennom et casestudie, at valget av substitusjonsprinsipp har en betydelig påvirkning på estimert mengde erstattet mineralsk P og de endelige miljøpåvirkningsresultatene. Som en konklusjon viser dette doktorgradsarbeidet at det ligger et stort potensiale i organisk avfall i Norge for å dekke det nasjonale P-gjødselbehovet, og at nødvendig omfordeling av sekundær P for å realisere dette potensialet ikke trenger å skje på bekostning av store miljøpåvirkninger.Digital full text not availabl