A Circular Economy Approach to Urban Agriculture: an Environmental Assessment

Abstract

El subministrament d’aliments a les zones urbanes en creixement segueix una tendència lineal: les ciutats consumeixen una gran quantitat d’aliments importats alhora que generen residus i impactes ambientals en diferents fronts. L’agricultura urbana (UA) ha destacat com una pràctica per mitigar la quantitat d’aliments importats, generant beneficis en les tres dimensions de la sostenibilitat i una excel·lent oportunitat per a la restauració de fluxos. El concepte d’economia circular (CE) pot contribuir a aquesta mitigació minimitzant els fluxos de residus i aprofitant estratègies per recuperar recursos mentre s’exploten les sinergies entre sistemes urbans, contribuint a la millora del metabolisme urbà. No obstant això, l’aplicació dels principis de la CE als sistemes de la UA s’ha de controlar estrictament en termes de comportament ambiental per evitar un xoc entre els objectius de la CE i la sostenibilitat. Per evitar-ho, la present tesi pretén avaluar el comportament ambiental de l’aplicació d’estratègies circulars en sistemes de UA. Per arribar a aquest objectiu, utilitzem l’anàlisi de cicle de vida (ACV) combinada amb altres mètodes i eines complementàries: estudi dels fluxos de nutrients, anàlisi de variables climàtiques, sistemes d’informació geogràfica o avaluació de la circularitat mitjançant l’indicador de circularitat de materials (MCI).

En primera instància analitzem el rendiment ambiental de 25 cicles de 7 cultius diferents en un hivernacle hidropònic en coberta per determinar quins haurien de ser els elements de l’inventari a optimitzar i definir les millors combinacions anuals de cultius. Els resultats mostren que els fertilitzants i les seves emissions a l’aigua són l’element amb més marge de millora. En aquest sentit, avaluem l’aplicació de tres possibles estratègies de recuperació de nutrients: filtració per membranes, precipitació química i recirculació directa de lixiviats, trobant que aquesta última és la que presenta el millor comportament ambiental. Tenint en compte això, avaluem mitjançant diferents enfocaments el rendiment de dues estratègies de recirculació diferents: la recirculació de lixiviats en un mateix cultiu i la recirculació de lixiviats en un cultiu paral·lel en el que es coneix com a sistema en cascada. Els resultats de l’anàlisi descriuen els potencials i les limitacions d’ambdós sistemes, concloent que la configuració definitiva inclouria un sistema en cascada en què el cultiu receptor reutilitzi els nutrients que lixivia.

El fòsfor (P) és un recurs escàs i valuós a causa de la demanda antropogènica per produir fertilitzants. La sinergia entre sistemes urbans pot contribuir a augmentar la utilitat dels recursos de P a nivell urbà. En aquest sentit, analitzem la recuperació d’estruvita a les plantes de tractament d’aigües residuals urbanes i la seva aplicació en sistemes UA amb dos enfocaments diferents: (1) experimentalment per comprovar el seu potencial i limitacions en sistemes hidropònics, i (2) amb una perspectiva regional que tracta una àrea metropolitana com una entitat auto-suficient. Els resultats mostren com l’ús d’estruvita pot generar produccions més elevades que els fertilitzants minerals, a més de disminuir les pèrdues de P. La perspectiva regional a la recuperació i reutilització d’estruvita mostra com l’àrea estudiada és capaç de recuperar prou P per alimentar tota l’agricultura de la regió, tot i que alguns paràmetres com l’elecció de la planta de tractament d’aigües residuals o la tecnologia de recuperació implementada són importants per evitar impactes ambientals addicionals.

Tenint en compte les conclusions de la tesi, es poden definir diferents línies de recerca futures: estandardització de mètriques i conceptes al voltant de l’economia circular o integració de diferents perspectives en l’avaluació de sistemes UA.

El suministro de alimentos en zonas urbanas en crecimiento sigue una tendencia lineal: las ciudades consumen una gran cantidad de alimentos importados, generando residuos e impactos ambientales en distintos frentes. La agricultura urbana (UA) ha permitido disminuir la cantidad de alimentos importados, generando beneficios en las tres dimensiones de la sostenibilidad y una excelente oportunidad para la restauración de flujos. El concepto de economía circular (CE) puede contribuir a esta mitigación minimizando los flujos de residuos y aprovechando estrategias para recuperar recursos mientras se explotan las sinergias entre sistemas urbanos, contribuyendo a la mejora del metabolismo urbano. Sin embargo, la aplicación de los principios de la CE a los sistemas de la UA se debe controlar estrictamente en términos de comportamiento ambiental para evitar un choque entre los objetivos de la CE y la sostenibilidad. Para evitar esto, la presente tesis pretende evaluar el comportamiento ambiental de la aplicación de estrategias circulares en sistemas de UA. Para llegar a este objetivo, utilizamos el análisis de ciclo de vida (ACV) combinado con otros métodos y herramientas complementarias: estudio de los flujos de nutrientes, análisis de variables climáticas, sistemas de información geográfica o evaluación de la circularidad mediante el indicador de circularidad de materiales (MCI).

En primera instancia analizamos el rendimiento ambiental de 25 ciclos de 7 cultivos diferentes en un invernadero hidropónico en cubierta para determinar cuáles deberían ser los elementos del inventario a optimizar y definir las mejores combinaciones anuales de cultivos. Los resultados muestran que los fertilizantes y sus emisiones al agua son el elemento con más margen de mejora. En este sentido, evaluamos la aplicación de tres posibles estrategias de recuperación de nutrientes: filtración por membranas, precipitación química y recirculación directa de lixiviados, concluyendo que esta última es la que presenta el mejor comportamiento ambiental. Teniendo en cuenta esto, evaluamos mediante distintos enfoques el rendimiento de dos estrategias de recirculación diferentes: la recirculación de lixiviados en un mismo cultivo y la recirculación de lixiviados en un cultivo paralelo en lo que se conoce como un sistema en cascada. Los resultados del análisis describen los potenciales y las limitaciones de ambos sistemas, concluyendo que la configuración definitiva incluiría un sistema en cascada en el que el cultivo receptor reutilice los nutrientes que lixivia.

El fósforo (P) es un recurso escaso y valioso debido a la demanda antropogénica de P para producir fertilizantes. La sinergia entre sistemas urbanos puede contribuir a aumentar la utilidad de los recursos de P a nivel urbano. En este sentido, analizamos la recuperación de estruvita en las plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas y su aplicación en sistemas UA con dos enfoques diferentes: (1) experimentalmente para cuantificar su potencial y limitaciones en sistemas hidropónicos, y (2) con una perspectiva regional que trata un área metropolitana como una entidad auto-suficiente. Los resultados muestran como el uso de estruvita puede generar producciones más elevadas que los fertilizantes minerales, además de disminuir las pérdidas de P. La perspectiva regional en la recuperación y reutilización de estruvita muestra como el área estudiada es capaz de recuperar suficiente P para alimentar toda la agricultura de la región, aunque algunos parámetros como la elección de la planta de tratamiento de aguas residuales o la tecnología de recuperación implementada son importantes para evitar impactos ambientales adicionales.

Teniendo en cuenta las conclusiones de la tesis, se pueden definir diferentes líneas de investigación futuras: estandarización de métricas y conceptos alrededor de la economía circular o integración de diferentes perspectivas en la evaluación de sistemas UA.

Food supply to ever-growing urban areas follows a linear tendency: cities consume a vast amount of imported food while generating waste and environmental impacts in different fronts. Urban agriculture (UA) has stood out as a practice to mitigate the volume of the imported flow, generating benefits in all three dimensions of sustainability and an excellent opportunity for the restoration of flows. The young concept of a circular economy (CE) can contribute to this mitigation by minimizing waste flows and take advantage of strategies to recover resources while exploiting synergies between urban systems, contributing to an improvement of the urban metabolism. However, the application of CE principles in UA systems should be strictly monitored in terms of environmental performance to avoid a clash between CE and sustainability goals. To avoid this, the present thesis aims to evaluate the environmental performance of applying circular strategies in UA systems. We use the Life Cycle Assessment (LCA) combined with other complementary methods and tools: nutrient balances, analysis of climatic variables, geographical information systems or a circularity assessment through the material circularity indicator (MCI).

We first analyze the environmental performance of 25 cycles of 7 different crops in a hydroponic rooftop greenhouse to determine which should be the targets to optimize within the inventory and define the best year-round crop combinations. The results show that the fertilizers and their related emissions to water are the item with the biggest room for improvement. To avoid nutrient depletion, we evaluate the application of three possible nutrient recovery strategies: membrane filtration, chemical precipitation and direct leachate recirculation, finding that the latter had the best environmental performance. Considering this, we evaluate with different approaches the performance of two different recirculation strategies: the recirculation of leachates in the same crop and the recirculation of leachates in a parallel crop in what is known as a cascade system. The results of the analysis outline the potentials and limitations of both systems, concluding that the ultimate configuration would include a cascade system in which the receiving crop reuses the nutrients that leaches.

Phosphorus (P) is a scarce and valuable resource due to the anthropogenic demand to produce fertilizers. The synergy between urban systems can contribute to enlarge the utility of P resources at the urban level. In this sense, we analyze the recovery of struvite in urban wastewater treatment plants and its application in UA systems with two different approaches: experimentally to test its potential and limitations in hydroponic systems, and with a regional perspective that treats a metropolitan area like a self-sufficient entity. The results show how the use of struvite can produce higher yields than mineral fertilizers while diminishing P losses. The regional perspective showed how the area under study is able to recover enough P to feed all the agriculture of the region, although parameters like the choice of the wastewater treatment plant or the recovery technology are important to avoid additional environmental impacts.

Finally, we gather all the recovery strategies and evaluate their environmental performance and degree of circularity to prioritize circular strategies in UA systems. After solving detected limitations of the assessment through indicator development, we find that nutrient recirculation, the use of struvite or recycled materials are the best strategies to improve both the circularity and environmental performance of the system.

Considering the findings of the thesis, different future research lines were defined: standardization of circular economy metrics and concepts or integration of different perspectives in the assessment of UA systems.