Sustainability assessment of municipal compost use in horticulture using a life cycle approach

Abstract

Davant del ràpid col·lapse dels abocadors, així com els alts impactes relacionats amb l'abocament dels residus biodegradables, i al baix contingut en matèria orgànica dels sòls mediterranis, el compostatge es presenta com una opció rellevant per tancar els cicles de la matèria orgànica i els nutrients. No obstant això, dades específiques, reals i quantitatives sobre tecnologies i aplicació de compost i considerant diferents perspectives d'anàlisi, són necessàries. Les eines de cicle de vida són metodologies per a construir el perfil ambiental, social i econòmic de productes al llarg de totes les etapes del seu cicle de vida. Aquesta tesi presenta una visió holística del compost, incloent totes les etapes del seu cicle de vida i avaluant el comportament ambiental, la viabilitat agrícola, així com les perspectives del consumidor, el territori i la sostenibilitat. A més, es proposen millores metodològiques per als diferents anàlisi de la producció de compost i la seva aplicació. Dades reals de dues formes de compostatge, domèstic i a escala industrial, i de camps hortícoles es van recollir dins el marc de la tesi. Aquestes dades han estat utilitzades en l'avaluació ambiental i agrícola de la producció i aplicació de compost, tenint en compte diferents cultius, opcions de fertilització i medi natural / hivernacle. En relació al rendiment agronòmic, produccions i qualitat suficients només es poden assegurar quan al compost l'acompanya una font de nitrogen d'alliberament ràpida. Els resultats apunten a la producció industrial de compost com la principal font d'impacte ambiental al llarg del cicle de vida dels dos cultius hortícoles. Això implica que les opcions de cultiu amb compost, i quan es resten els impactes evitats per la no deposició dels bio-residus en abocador, són les més respectuoses amb el medi ambient per 3 de 7 categories d'impacte i presenten impactes similars per a 2. El compostatge domèstic sembla ser una millor alternativa des de la perspectiva del consum de recursos però presenta majors emissions gasoses que el compostatge industrial. Dues qüestions metodològiques relacionades amb l'avaluació ambiental del cicle de vida del compost són abordades en aquesta tesi. Unitats funcionals relacionades amb la qualitat, a part de la producció, s'han utilitzat i amb elles les diferències ambientals entre opcions de fertilització es suavitzen o inverteixen. Aquesta tesi també proporciona una descripció de les magnituds, les dinàmiques i els factors limitants per a cada un dels beneficis de l'aplicació de compost considerats i analitza els temes metodològics clau per a la seva quantificació amb LCA. A més, segons els resultats obtinguts amb la norma PAS2050, la Carbon footprinting (CF) subestima els valors ambientals comunicats als consumidors, a causa principalment dels béns de capital. La tesi també inclou una de les poques temptatives d'aplicar el Social Life Cycle Assessment i el Life Cycle Sustainability Assessment, que avalua els fertilitzants minerals nitrogenats i el compost al llarg del seu cicle de vida. Finalment, es presenta una primera aproximació a la perspectiva de la planificació territorial en relació a l’aplicació de compost i el seu ús combinat amb aigua contaminada per nitrats. Concloent, aquesta tesi és un pas rellevant cap a la sostenibilitat per a la producció i aplicació de compost i ofereix un enfoc multidisciplinari del sistema. Entre d'altres, futurs estudis haurien d'abordar o aprofundir en: l'ús de compost a llarg termini, les alternatives per a l'assignació de les càrregues del compost entre conreus, les taxes de mineralització, els potencials efectes negatius de l'ús de compost en LCA, les adequades categories d'impacte ambiental per a la avaluació de l'ús de compost, i un major desenvolupament de les eines per a la sostenibilitat.

Frente al rápido colapso de los vertederos, así como los altos impactos relacionados con el vertido de los residuos biodegradables, y al bajo contenido en materia orgánica de los suelos mediterráneos, el compostaje se presenta como una opción relevante para cerrar los ciclos de la materia orgánica y los nutrientes. Sin embargo, datos específicos, reales y cuantitativos sobre tecnologías y aplicación de compost y considerando diferentes perspectivas de análisis, son necesarios. Las herramientas de ciclo de vida son metodologías para construir el perfil ambiental, social y económico de productos a lo largo de todas las etapas de su ciclo de vida. Esta tesis presenta una visión holística del compost, incluyendo todas las etapas de su ciclo de vida y evaluando el comportamiento ambiental, la viabilidad agrícola, así como las perspectivas del consumidor, el territorio y la sostenibilidad. Además, se proponen mejoras metodológicas para los diferentes análisis de la producción de compost y su aplicación. Datos reales de dos formas de compostaje, doméstico y a escala industrial, y de campos hortícolas se recogieron dentro del marco de la tesis. Estos datos han sido utilizados en la evaluación ambiental y agrícola de la producción y aplicación de compost, teniendo en cuenta diferentes cultivos, opciones de fertilización y aire libre/invernadero. En relación al rendimiento agronómico, producciones y calidad suficientes solo se pueden asegurar cuando al compost le acompaña una fuente de nitrógeno de liberación rápida. Los resultados apuntan a la producción industrial de compost como la principal fuente de impacto ambiental a lo largo del ciclo de vida de los dos cultivos hortícolas. Esto implica que las opciones de cultivo con compost, y cuando se restan los impactos evitados por la no deposición de los bio-residuos en vertedero, son las más respetuosas con el medio ambiente para 3 de 7 categorías de impacto y presentan impactos similares para 2. El compostaje doméstico parece ser una mejor alternativa desde la perspectiva del consumo de recursos pero presenta mayores emisiones gaseosas que el compostaje industrial. Dos cuestiones metodológicas relacionadas con la evaluación ambiental del ciclo de vida del compost son abordadas en esta tesis. Unidades funcionales relacionadas con la calidad, aparte de la producción, se han utilizado y con ellas las diferencias ambientales entre opciones de fertilización se suavizan o invierten. Esta tesis también proporciona una descripción de las magnitudes, las dinámicas y los factores limitantes para cada uno de los beneficios de la aplicación de compost considerados y analiza los temas metodológicos clave para su cuantificación con LCA. Además, según los resultados obtenidos con la norma PAS2050, la Carbon Footprinting (CF) subestima los valores ambientales comunicados a los consumidores, debido principalmente a los bienes de capital. La tesis también incluye una de las pocas tentativas de aplicar el Social Life Cycle Assessment y el Life Cycle Sustainability Assessment, que evalúa los fertilizantes minerales nitrogenados y el compost a lo largo de su ciclo de vida. Por último, se presenta una primera aproximación a la perspectiva de la planificación territorial en relación a la aplicación de compost y su uso combinado con agua contaminada por nitratos. Concluyendo, esta tesis es un paso relevante hacia la sostenibilidad para la producción y aplicación de compost y ofrece un enfoque multidisciplinario del sistema. Entre otros, futuros estudios deberían abordar o profundizar en: el uso de compost en el largo plazo, las alternativas para la asignación de las cargas del compost entre cultivos, las tasas de mineralización, los potenciales efectos negativos del uso de compost en LCA, las adecuadas categorías de impacto ambiental para la evaluación del uso de compost, y el mayor desarrollo de las herramientas para la sostenibilidad.

Facing the rapid collapse of landfills, along with high impacts related to biodegradable waste dumping, and the low organic matter contents in Mediterranean soils, composting arises as a relevant option to close the organic matter and nutrient cycles. Nevertheless, specific, real and quantitative data about compost technologies and application and from several perspectives, are necessary. Life-cycle-thinking tools are methodologies to construct environmental, social and economic profiles of production systems along their life cycle. This dissertation presents a holistic approach of compost, including all the stages of its life cycle and assessing environmental performance, agricultural viability, as well as consumer, territorial and other sustainability perspectives. In addition, methodological improvements for the different assessments of compost production and application are proposed. Real data from two composting sites, at home and full scale, as well as real data from horticultural fields have been collected within the framework of the thesis. Subsequently, these data are used on the environmental and agricultural assessment of compost production and application, taking into account several horticultural crops, fertilization options and open field/greenhouse. Regarding agronomic performance, sufficient yields and quality of the crops are only assured when compost is accompanied by a source of rapid nitrogen release. The outcomes state industrial composting production as the main source of environmental impact in the entire life cycle. This result implies that cultivation options with compost, and when avoided burdens from not landfilling the OFMSW are considered, are more environmentally friendly for 3 out of 7 impact categories and have similar impacts for 2. Home composting seems to be an environmentally better alternative than industrial composting for resources consumptions, even though it has major gaseous emissions. Two methodological issues regarding compost LCA are discussed in the dissertation. When functional units related to quality, apart from production ones, are considered, the environmental differences among fertilization options are tempered or reversed. The dissertation also provides a description of the magnitude, dynamics and limiting factors for each of the considered benefits of compost application and discusses the key methodological issues for their quantification within LCA. Furthermore, according to the results using the PAS2050 standard, Carbon Footprinting underestimates the environmental figures communicated to consumers, mainly due to capital goods. The dissertation also includes one of the few attempts to apply Social Life Cycle Assessment (SLCA) and Life Cycle Sustainability Assessment (LCSA). It consists on the assessment of nitrogenated mineral fertilizers and compost along their entire production life cycle. Finally, territorial planning perspective regarding compost use in horticulture and the combined use of nitrate polluted water as a source of rapid nitrogen are overviewed. In conclusion, this thesis is a relevant step towards sustainability taken by compost production and application and offers a multidisciplinary approach of the system. Among others, future research should focus on: compost application in the long-term, alternatives for the allocation of compost burdens among crops, mineralization rates, potential drawbacks of compost application in LCA, suitable environmental impact categories for the assessment of compost application, and further development of sustainability tools.