Illinois-undersøgelse foreslår cirkulær fosforøkonomi for Midtvesten

Midtvesten i USA producerer hvert år mindst en tredjedel af verdens majs- og sojabønneforsyning. At brødføde verden kræver meget gødning, mest i form af nitrogen og fosfor. Mens nitrogen bogstaveligt talt kan trækkes ud af luften, Fosfor skal udvindes fra begrænsede fosfatbjergarter og behandles for at blive gjort tilgængeligt for planter. Det meste af verdens fosfatsten er i Marokko, og på et tidspunkt vil disse reserver løbe tør.

Derudover noget af det fosfor, der tilføres landbrugsmarker, går tabt gennem erosion, bortført med jordpartikler ud i vandveje, hvor det forbinder fosforprodukter, der bortvises fra spildevandsrensningsanlæg, husdyrdrift, og andre punktkilder. Når det bygger sig op i modtagende vandveje, fosfor kan forringe vandkvaliteten og bidrage til "døde zoner", der ikke længere understøtter vandlevende liv.

En ny Tidsskrift for Miljøkvalitet rapport fra University of Illinois beskriver gennemførligheden af ​​genanvendelse af fosfor på regional skala i Midtvesten, samtidig løse problemet med et usikkert globalt udbud og minimere tab fra landbrugsmarker.

"Der er en masse fosfor, der flyttes rundt, fra gødning hele vejen til spildevand. Lige nu er det mest en ensrettet gade. Det ender i sidste ende i affaldsstrømme, som septiktanke eller spildevand fra punktkilder som spildevandsrensningsanlæg. Men der er meget værdi i det fosfor. Vi kan fange det og genbruge det som gødning, " siger Andrew Margenot, assisterende professor ved Institut for Afgrødevidenskab i Illinois og hovedforfatter af rapporten. "Vi forsøger at gøre cirkulært til noget, der i øjeblikket er en ensrettet bane."

Konceptet med genanvendelse af fosfor i Midtvesten er ikke helt nyt. En undersøgelse fra 2016 fra Canada foreslog først ideen om, at det amerikanske majsbælte kunne være fuldt selvforsynende med sit landbrugsfosforbehov, hvis al affaldsstrømphosphor blev genbrugt. Men U of I-rapporten repræsenterer første gang biogeokemikere, økonomer, og ingeniører er gået sammen for at overveje den sande gennemførlighed af et holistisk fosforgenanvendelsessystem i Midtvesten.

Forskerne overvejede alle affaldskilderne til fosfor i USA, og finpudset flere, der blev overset i tidligere tankeeksperimenter, herunder majsethanol og sojabønneforarbejdningsanlæg. De fokuserede derefter på de former for fosfor, der strømmer gennem systemet, et andet nøgleaspekt, der ikke er fuldt ud fanget i tidligere undersøgelser.

fosfat, en almindelig form for fosfor i affaldsstrømme, er meget opløseligt i vand. For at undgå at miste det i affaldsstrømme, vandet kan behandles med midler for at få fosfat til at bundfælde sig. Imidlertid, disse midler gør også fosfat uopløseligt og derfor mindre tilgængeligt for planternes optagelse.

"Der er en iboende spænding mellem evnen til at genvinde fosfor fra spildevand, hvilket gør det uopløseligt, og dets anvendelighed som gødning. Uopløselige former opløses ikke så let, så de er mindre umiddelbart nyttige. Det er en agronomisk grund til, at vi ikke kan genbruge 100 procent af det, der strømmer gennem affaldsstrømmene. Men vi kan lege med genvindingskemien for at matche den rigtige jordtype og afgrødetype, " siger Margenot. "Vi er nødt til at overveje den kontekst, vi har at gøre med. Vi tror på, at vi kan overvinde disse udfordringer ved at trække på ekspertise på tværs af videnskabelige discipliner."

En af de største vejspærringer for at etablere en cirkulær fosforøkonomi i Midtvesten er de nuværende omkostninger til gødning. Pund for pund, fosforgødning er dyrere end nitrogen, men i øjeblikket, det er meget billigere end de nuværende omkostninger ved genbrugsfosfor.

Nogle få spildevandsrensningsanlæg i Midtvesten genvinder allerede fosfor, men det vil kræve store investeringer og engagement at opbygge den infrastruktur, der er nødvendig for at revidere hele systemet. Og det inkluderer ikke de omkostninger, der kræves for at transportere genanvendt fosfor fra punktkilder til marker, især i tunge, våde former som phytin - et organisk stof-rigt slam tilbage fra sojabønneforarbejdning.

Forskerne siger, at fosforhandelsordninger, svarende til kulstofkreditter, kunne være en del af løsningen.

"I artiklen vi taler om muligheden for, at punktkilder betaler landmændene for at tage genvundet fosfor fra hænderne. Vores opgave som forskere er at vise landmændene, at disse alternative fosforkilder ikke vil kompromittere afgrødeudbyttet og kan spare dem penge på fosfortilførslen," siger Margenot.

Han peger på igangværende felteksperimenter fra sit laboratorium, der viser, at struvit - en uorganisk, granulært, slow-release form for fosfor, der kan genvindes fra flere affaldsstrømme - kan næsten fuldstændig erstatte traditionelle fosforgødninger uden udbyttetab for flere afgrøder. Den lave vandopløselighed af struvit gør det mindre sandsynligt, at det bevæger sig fra marken til de omkringliggende vandveje. Disse potentielle vandkvalitetsfordele er genstand for igangværende undersøgelser som en del af Margenots Illinois Nutrient Research and Education Council-finansierede forskningsprojekt.

Ultimativt, forskerne mener, at en cirkulær fosforøkonomi er mulig for Midtvesten.

"Jeg tror, ​​vi har overset fosfor lidt i Midtvestens systemer, hvor det ofte handler om nitrogen. Men på mange måder, fosfor er nemmere at have med at gøre end nitrogen. Vi kan fange det og tvinge det til at flyde gennem landbrugets produktionskæde på måder, der er til gavn for landmændene og miljøet. Fosfor er lavthængende frugt, " siger Margenot.

Artiklen, "Mod en regional fosfor(gen)cyklus i det amerikanske midtvest, " er offentliggjort i Tidsskrift for Miljøkvalitet .