Het Amerikaanse middenwesten produceert elk jaar minstens een derde van de wereldwijde aanvoer van maïs en sojabonen. Om de wereld te voeden is veel kunstmest nodig, meestal in de vorm van stikstof en fosfor. Terwijl stikstof letterlijk uit de lucht kan worden gehaald, fosfor moet worden gewonnen uit eindige fosfaatgesteentereserves en worden behandeld om beschikbaar te zijn voor planten. Het grootste deel van 's werelds fosfaatgesteente bevindt zich in Marokko, en op een gegeven moment zullen deze reserves opraken.

Aanvullend, een deel van de op landbouwgronden toegepaste fosfor gaat verloren door erosie, meegevoerd met gronddeeltjes in waterlopen, waar het zich voegt bij fosforproducten die worden uitgestoten uit afvalwaterzuiveringsinstallaties, veeteelt, en andere puntbronnen. Wanneer het zich ophoopt in ontvangende waterwegen, fosfor kan de waterkwaliteit aantasten en bijdragen aan "dode zones" die het waterleven niet langer ondersteunen.

een nieuwe Tijdschrift voor Milieukwaliteit rapport van de Universiteit van Illinois beschrijft de haalbaarheid van het recyclen van fosfor op regionale schaal in het Midwesten, tegelijkertijd het probleem van een onzeker wereldwijd aanbod oplossen en verlies van landbouwgronden tot een minimum beperken.

"Er wordt veel fosfor verplaatst, van kunstmest tot riolering. Nu is het vooral eenrichtingsverkeer. Het komt uiteindelijk in de afvalstromen terecht, zoals septic tanks of afvalwater van puntbronnen zoals afvalwaterzuiveringsinstallaties. Maar er zit veel waarde in die fosfor. We kunnen het opvangen en hergebruiken als meststof, " zegt Andrew Margenot, assistent-professor bij het Department of Crop Sciences in Illinois en hoofdauteur van het rapport. "We proberen iets circulair te maken dat momenteel eenrichtingsverkeer is."

Het concept van het recyclen van fosfor in de Midwest is niet helemaal nieuw. Een studie uit 2016 uit Canada stelde voor het eerst het idee voor dat de Amerikaanse Corn Belt volledig zelfvoorzienend zou kunnen zijn in zijn landbouwfosforbehoeften als alle fosfor uit de afvalstroom zou worden gerecycled. Maar het U of I-rapport vertegenwoordigt de eerste keer dat biogeochemici, economen, en ingenieurs zijn samengekomen om de echte haalbaarheid van een holistisch fosforrecyclingsysteem in het Midwesten te overwegen.

De onderzoekers beschouwden alle afvalbronnen van fosfor in de Verenigde Staten, en verdiepte zich in een aantal die over het hoofd werden gezien in eerdere gedachte-experimenten, inclusief maïs ethanol en sojabonen verwerkingsfabrieken. Vervolgens concentreerden ze zich op de vormen van fosfor die door het systeem stromen, een ander belangrijk aspect dat niet volledig is vastgelegd in eerdere onderzoeken.

Fosfaat, een veel voorkomende vorm van fosfor in afvalstromen, is zeer goed oplosbaar in water. Om te voorkomen dat het in afvalstromen verloren gaat, het water kan worden behandeld met middelen om fosfaat te laten bezinken. Echter, deze middelen maken ook fosfaat onoplosbaar en daardoor minder beschikbaar voor opname door planten.

"Er is een inherente spanning tussen het vermogen om fosfor uit afvalwater terug te winnen, waardoor het onoplosbaar wordt, en het nut ervan als meststof. Onoplosbare vormen lossen niet zo gemakkelijk op, dus ze zijn minder direct bruikbaar. Dat is een agronomische reden waarom we niet 100 procent kunnen hergebruiken van wat er door afvalstromen stroomt. Maar we kunnen spelen met de chemie van herstel om het juiste grondtype en gewastype te matchen, ' zegt Margenot. 'We moeten rekening houden met de context waarmee we te maken hebben. We geloven dat we deze uitdagingen kunnen overwinnen door gebruik te maken van expertise in verschillende wetenschappelijke disciplines."

Een van de grootste obstakels voor het opzetten van een circulaire fosforeconomie in het Midwesten zijn de huidige kosten van kunstmest. Pond voor pond, fosformeststof is duurder dan stikstof, maar op dit moment, het is veel goedkoper dan de huidige kosten van gerecycled fosfor.

Een paar afvalwaterzuiveringsinstallaties in het Midwesten zijn al bezig met het terugwinnen van fosfor, maar het zal grote investeringen en toewijding vergen om de infrastructuur op te bouwen die nodig is om het hele systeem te reviseren. En dat is exclusief de kosten die nodig zijn om gerecycled fosfor van puntbronnen naar velden te transporteren, vooral bij zware, natte vormen zoals fytine - een organisch stofrijk slib dat overblijft na de verwerking van sojabonen.

De onderzoekers zeggen dat fosforhandelsschema's, vergelijkbaar met koolstofkredieten, kan een deel van de oplossing zijn.

"In het artikel, we praten over de mogelijkheid dat puntbronnen boeren betalen om teruggewonnen fosfor uit handen te nemen. Het is onze taak als onderzoekers om boeren te laten zien dat deze alternatieve fosforbronnen de gewasopbrengsten niet in gevaar brengen en hen geld kunnen besparen op fosforinput", zegt Margenot.

Hij wijst op lopende veldexperimenten door zijn laboratorium die aantonen dat struviet - een anorganisch, korrelig, vorm van fosfor met langzame afgifte die kan worden teruggewonnen uit meerdere afvalstromen - kan traditionele fosformeststoffen bijna volledig vervangen zonder opbrengstverlies voor meerdere gewassen. De lage oplosbaarheid van struviet in water maakt het minder waarschijnlijk dat het van het veld naar de omliggende waterlopen gaat. Deze potentiële voordelen voor de waterkwaliteit zijn het onderwerp van doorlopend onderzoek als onderdeel van Margenot's Illinois Nutrient Research and Education Council-gefinancierd onderzoeksproject.

uiteindelijk, de onderzoekers denken dat een circulaire fosforeconomie haalbaar is voor het Midwesten.

"Ik denk dat we fosfor een beetje over het hoofd hebben gezien in systemen in het Midwesten, waar het vaak om stikstof gaat. Maar in veel opzichten fosfor is makkelijker te bestrijden dan stikstof. We kunnen het vangen en dwingen om door de landbouwproductieketen te stromen op manieren die gunstig zijn voor boeren en het milieu. Fosfor is laaghangend fruit, ' zegt Margenet.

Het artikel, "Naar een regionale (re)cycling van fosfor in het middenwesten van de VS, " is gepubliceerd in de Tijdschrift voor Milieukwaliteit .