Ecological sanitation: performance evaluation of human urine as a fertilizer under laboratory and field conditions

Seven billion people are urinating every day, excreting 28 million tonnes of nitrogen (N) a year (Vinneräs, 2002). This mass of N excreted is equal to 26% of the annual global N fertilizer demand, a value of $21.3 trillion USD (based on $350 USD per metric tonne of urea) (Alibaba, 2012, FAO, 2011). The use of human excreta as N fertilizer would allow the recovery of nutrients, resulting in savings for farmers, and counter the threat to people's health by reducing contact with untreated human waste. This practice, termed ecological sanitation (EcoSan), has a long history of application in traditional agricultural contexts, but has a limited scientific knowledge base. This thesis builds upon the scientific knowledge base by: (1) analyzing the chemical changes in soil from long-term use (nine years) of human urine as a fertilizer compared to mineral fertilizer; (2) optimizing the human urine application rate for spinach in Himachal Pradesh, India; and (3) performing a theoretical quantitative microbial risk assessment (QMRA) for the use of human urine on spinach in northern rural India. A sensitivity experiment, comparing synthetic human urine, mineral fertilizer and in combination and with the increasing application rates, observed that spinach was able to withstand significantly higher EC soil levels than were commonly reported. Brown mustard biomass production rates did decrease with the increased application rates of the three fertilizer treatments. Tissue samples from field trials in India had no significant difference between N concentrations for the three fertilizer treatments (human urine, mineral fertilizer and combination of the two) and were all significantly higher than the control (no fertilizer). The dry biomass production of spinach from the human urine treatments were significantly higher than the control and were not significantly different to mineral fertilizer treatments, confirming that human urine can substitute mineral fertilizer. The optimal human urine application rate in Himachal Pradesh, India, was 59.3 m3 ha-1 of human urine, resulting in 360 kg N, 570 kg P2O5 and 720 kg K2O per ha per season which is higher than the current guidelines. Of the three fertilizer treatment, the optimal fertilizer was the combination treatment (human urine with additional phosphate (P) and potassium (K)) at 360 kg N ha-1 as it had significantly higher biomass productions to that of the human urine and the mineral fertilizer treatments. The novel finding was the use of sodium (Na) by the spinach plants as a supplement for K deficiencies in the human urine fertilizer treatments. The tissue samples from the human urine treatments had significantly higher Na concentrations than the other treatments, with no signs of toxicity. This finding illustrates that other crops with the ability to compensate for limited K will perform well with EcoSan systems by using the Na contained in urine. The results of this thesis illustrated that the 28 million tonnes of excreted human N is an effective substitute to expensive mineral fertilizer. Though, based on the QMRA, areas prone to high occurrence of diarrheal disease should use human urine for crops that will be processed, such as rice, or for cash-crops and not for edible crops grown close to the ground, such as spinach.Sept milliards de personnes urinent chaque jour, excrétant 28 millions de tonnes d'azote (N) par an (Vinnerås 2002). Cette masse d'azote excrétée est égale à 26% de la demande annuelle d'engrais azoté global, d'une valeur de $ 21,3 trillions USD (sur la base de 350 $ USD par tonne métrique d'urée) (Alibaba 2012, FAO, 2011). L'utilisation des excréments humains comme engrais permettrait la récupération des nutriments, ce qui permettrait aux agriculteurs de faire des économies, et contrer la menace pour la santé des personnes en réduisant le contact avec les déchets humains non traités. Cette pratique, appelée assainissement écologique (EcoSan), a une longue histoire d'utilisation dans des contextes agricoles traditionnelles, mais dispose d'une base de connaissances scientifiques limitée. Cette thèse s'appuie sur la base de connaissances scientifiques par: (1) l'analyse des changements chimiques dans le sol à partir de l'utilisation à long terme de l'urine humaine comme engrais par rapport aux engrais minéraux, (2) optimiser le taux d'application de l'urine humaine pour les épinards dans l'Himachal Pradesh, Inde, et (3) d'effectuer une évaluation quantitative des risques microbiologiques théorique (QMRA) pour l'utilisation de l'urine humaine sur les épinards dans le nord de l'Inde rurale. Une expérience de sensibilité, en comparant l'urine humaine synthétique, d'engrais minéraux et la combinaison avec l'augmentation des taux d'application, ont montré que les épinards étaient capable de résister à des niveaux de CE dans le sol nettement plus élevés que ce qui a fréquemment été rapporté. Les taux de production de biomasse de moutarde brune ont diminué avec l'augmentation du taux d'application des trois traitements de fertilisation. Des échantillons de tissus provenant d'essais sur le terrain en Inde n'avaient pas de différence significative entre les concentrations d'azote pour les trois traitements de fertilisation (urine humaine, engrais minéraux et la combinaison des deux) et étaient significativement plus élevés que le contrôle (sans engrais). La production de biomasse sèche des épinards dans les traitements de l'urine humaine a été significativement plus élevée que le contrôle et n'était pas significativement différente aux traitements d'engrais minéraux, confirmant que l'urine humaine peut remplacer les engrais minéraux. Le taux d'application de l'urine humaine optimale dans l'Himachal Pradesh, en Inde, était de 59,3 m3 par hectare d'urine humaine, résultant en 360 kg d'azote, 570 kg de P2O5 et 720 kg K2O par hectare et par saison, ce qui est plus élevé que les lignes directrices actuelles. Parmi les trois traitement d'engrais, l'engrais optimal était le traitement combiné (urine humaine avec du phosphate supplémentaire (P) et le potassium (K)) à 360 kg N ha-1 puisque les taux de production de la biomasse étaient sensiblement plus élevés pour celle de l'urine humaine et de l'engrais minéraux. La nouvelle découverte a été l'utilisation de sodium (Na) par les plants d'épinards comme un supplément pour les lacunes en K dans les traitements de fertilisation d'urine humaine. Les échantillons de tissus provenant des traitements d'urine humaine avaient des concentrations de Na significativement plus élevés que les autres traitements, sans aucun signe de toxicité. Ce résultat montre que d'autres cultures qui ont la capacité à compenser la quantité limité en K se développeront bien avec les systèmes ecosan en utilisant le Na contenu dans l'urine. Les résultats de cette thèse ont illustré que les 28 millions de tonnes de N humain excrété est un substitut efficace à l'engrais minéral cher. Bien que, sur la base du QMRA, les zones sujettes à la fréquence élevée des maladies diarrhéiques devraient utiliser l'urine humaine pour les cultures qui seront transformées, tels que le riz, ou de cultures de rente, et non pour des cultures comestibles poussant au ras du sol, comme les épinards