The recycling potential of phosphorus in secondary resources

Abstract

Mineable rock phosphate is a limited resource. Replacing mineral phosphorus (P) fertilizer with P-rich secondary resources is one way to manage P more efficiently. The Norwegian potential to replace mineral P fertiliser with total P in secondary resources was analysed here using substance flow analysis. The results obtained were integrated with data on P plant-availability in secondary resources and showed that, theoretically, plant-available P in manure alone could fulfil the Norwegian demand for P fertiliser. However, P in manure is inefficiently utilised due to the geographical segregation of animal husbandry and arable farming, which contributes to considerable P over-application to agricultural soil. In Norway, agriculture and aquaculture drive P consumption and losses at similar levels, and the amount of P in fish excrement and feed losses from off-shore aquaculture pens (fish sludge) is of the same order of magnitude as P in manure. Fish sludge is currently not collected or utilised, but lost to coastal marine waters. All other secondary resources represent relatively small amounts of P, but may still be important regionally. Political incentives are thus needed in current regulations to efficiently close P cycles. To achieve P recycling in practice, it is essential to know the relative agronomic efficiency (RAE) of secondary P products compared with mineral fertiliser. Nine secondary P products were analysed here: Two biomass ashes, meat bone meal, fish sludge, catering waste, two food waste-based digestate products, dairy manure and chicken manure. The RAE of these secondary products studied in a bioassay with ryegrass (Lolium multiflorum) varied widely, partly depending on soil pH. Fertilisation effects were mainly attributable to the solubility of the inorganic P species contained in the secondary products. Combining sequential chemical fractionation and non-destructive speciation methods revealed that P was mainly present as calcium phosphates of differing solubility. Further analysis showed that microbial and physicochemical soil processes induced by the secondary P products studied were of little overall importance for total P uptake in barley (Hordeum vulgare). Based on the results obtained, two chemical extraction methods for predicting the RAE of secondary products with unknown fertilisation effects are suggested: At soil pH <6.5, RAE should be predicted by the fraction of inorganic P in the secondary product (% of total P) that is extractable in H2O. At soil pH >6.5, RAE should be predicted by the fraction of inorganic P (% of total P) that is extractable in 0.5 M NaHCO3 (Olsen P).

Fosfatstein er en ikke-fornybar ressurs. Å erstatte fosfor (P) i mineralgjødsel med P-rike sekundære ressurser er en måte for å forbedre forvaltningen av P. For å kvantifisere den totale mengden P i sekundære ressurser i det norske matvaresystemet ble materialstrømsanalyse anvendt. Resultatene fra materialstrømsanalysen ble integrert med data på plantetilgjengelighet av P i sekundære ressurser. Studien viste at husdyrgjødsel alene inneholder tilstrekkelig plantetilgjengelig P til å dekke det norske behovet for P-gjødsel. P-utnyttelsen er imidlertid dårlig selv om husdyrgjødselen blir tilbakeført til landbruksjord. Dette skyldes kanaliseringspolitikken som over tid har resultert i en konsentrasjon av husdyrproduksjon på Vestlandet og kornproduksjon på Østlandet. Dette bidrar til en betydelig akkumulering av P i landbruksjord. Norsk landbruk og oppdrettsnæring bruker og taper omtrent like mye P, og totalmengden P i fiskeslam (ekskrementer og fôrrester fra oppdrettsanlegg) er i samme størrelsesorden som P i husdyrgjødsel. Fosfor i fiskeslam blir per i dag ikke utnyttet, men forsvinner i havet. Alle andre sekundære ressurser representerer små P-mengder, men kan likevel være betydningsfulle ressurser regionalt. Det er derfor et behov for sterkere politiske insentiver i dagens regelverk for å lukke P-kretsløpet. Den relative gjødseleffekten (RAE) av sekundære P-produkter sammenlignet med mineralgjødsel, må være kjent for å kunne realisere effektiv resirkulering av P i praksis. Ni sekundære P-produkter ble analysert: To biomasseasker, kjøttbeinmel, fiskeslam, cateringavfall, to biorester basert på matavfall, storfegjødsel og hønsegjødsel. De sekundære produktene som ble studert i et potteforsøk med raigras (Lolium multiflorum), hadde en varierende RAE delvis avhengig av jordas pH. Gjødseleffektene kunne i stor grad forklares med løseligheten av de uorganiske P-forbindelsene i de sekundære produktene. Gjennom sekvensiell kjemisk fraksjonering og ikke-destruktive karakteriseringsmetoder ble det klart at P hovedsakelig foreligger som en kompleks blanding av uorganiske P-forbindelser, fortrinnsvis kalsiumfosfater med ulik løselighet. Effektene av de studerte sekundære Pproduktene på mikrobielle og fysisk-kjemiske jordprosesser hadde liten betydning for totalt P-opptak i bygg (Hordeum vulgare). Det anbefales to kjemiske ekstraksjonsmetoder for å predikere RAE for sekundære produkter med ukjente gjødseleffekter. Hvis pH er <6.5, anbefales det å predikere RAE med andelen av uorganisk P (% av total P) i det sekundære produktet som er løselig i H2O. Hvis pH er >6.5, anbefales det å predikere RAE med andelen av uorganisk P (% av total P) som er løselig i 0.5 M NaHCO3 (Olsen P).