Alternative fertilizers for urban agriculture within the circular economy framework

Abstract

L’agricultura urbana (AU) ha estat considerada una peça clau per augmentar la circularitat a les ciutats. Des d’una perspectiva d’economia circular (EC), l’addició d’AU pot servir com a destí per materials d’origen local per cobrir les necessitats de nutrients o substrats, alhora que redueix el transport d’aliments i la gestió de residus. Això pot ser crucial, especialment pel que fa la petjada ambiental de la sintetització i extracció de nutrients, com el nitrogen (N) i el fòsfor (P) utilitzats habitualment en l’agricultura hidropònica i aeropònica. La producció i extracció d’aquests nutrients són activitats consumidores d’energia i contaminants augmentant la petjada d’aquests sistemes de producció. L’objectiu de la present tesi és la reducció d’inputs no renovables/contaminants per la implementació d’una AU més sostenible, en el marc de l’EC. Per complir amb aquest objectiu, aquesta tesi vol donar resposta a les següents preguntes: Quines possibilitats hi ha a les ciutats per reduir l’impacte ambiental de la fertilització en la producció hidropònica tenint en compte el marc de l’EC? Els mètodes alternatius de fertilització són efectius en la producció hidropònica? Fins a quin punt millorem el sistema de producció/disminuïm la nostra petjada mediambiental? Per respondre a la primera aquestes questions, es va fer una revisió bibliogràfica de tecnologies de recuperació de nutrients a partir de residus urbans. També es va determinar el potencial actual de l’àrea metropolitana de Barcelona per recuperar N i P a partir dels fluxos d’aigües residuals, residus organics i compostatge. En aquesta tesi s’ha avaluat la viabilitat d’utilitzar l’estruvita precipitada d’una depuradora d’aigües residuals urbanes com a font única de P amb mongeta verda (Phaseolus vulgaris), pebrotera (Capsicum annum L.) i enciam (Lactuca sativa L.). En el cas de la mongeta, es van aplicar diverses quantitats d’estruvita al substrat i es van avaluar la producció i els balanços de P. Els rendiments obtinguts van indicar un gran potencial amés de quantitats d’estruvita no dissolts al substrat, cosa que indica la possibilitat per créixer cicles de cultiu addicionals, així com una concentració reduïda de P en els lixiviats. Aquest potencial es va avaluar més amb cicles de cultiu més llargs de pebrot i produccions consecutives d’enciam durant un experiment de 3 mesos. Les troballes d’aquests estudis de fertilització van mostrar el potencial i la viabilitat de la fertilització de P amb estruvita, un nutrient recuperat localment, en sistemes d’agricultura hidropònica, no només per a cicles de cultiu curts, sinó per a produccions llargues i consecutives. Per reduir l’ús de N sintètic en l’agricultura hidropònica, es va provar una combinació de fertilització d’estruvita i inoculacions de rizobium en mongeta. La nodulació del rizobium i les capacitats de fixació de N2 es van determinar amb resultats prometedors, ja que el contingut de N a l’estruvita semblava reforçar i no inhibir la nodulació del bacteri. Per entendre la petjada ambiental dels experiments de fertilització alternativa es va realitzar una anàlisi del cicle de vida (ACV), per a la fertilització d’estruvita en cicles de producció llargs i consecutius de pebrot i enciam, així com la combinació d’estruvita i rizobium en mongeta verda. Per als cultius d’enciam i pebrot, els resultats mostren una reducció de gairebé totes les categories d’impacte (IC) quan s’utilitza estruvita, mostrant resultats favorables també per produccións d’un any. Per a la combinació d’estruvita i rizobi en mongeta s’observa una reducció del rendiment en comparació amb el control, augmentant l’impacte ambiental dels tractaments fertilitzats alternativament especialment per a la infraestructura de producció. Es recomana seguir treballant sobre la combinació de rizobium i estruvita per evitar pèrdues de rendiment. Per aprofundir en els objectius proposats en aquesta tesi s’han detectat cinc vies d’investigació complementaries als experiments realitzats.

La agricultura urbana (AU) se ha considerado una pieza clave para aumentar la circularidad en las ciudades. Desde una perspectiva de economía circular (EC), la adición de AU puede servir como destino para materiales de origen local para cubrir las necesidades de nutrientes o sustratos, reduciendo el transporte de alimentos y la gestión de residuos. Esto puede ser crucial, especialmente en lo que respecta a la huella ambiental de la sintetización y extracción de nutrientes, como el nitrógeno (N) y el fósforo (P) utilizados habitualmente en agricultura hidropónica y aeropónica. La producción y extracción de estos nutrientes son actividades consumidoras de energía y contaminantes aumentando la huella de estos sistemas de producción. El objetivo de la presente tesis es la reducción de inputs no renovables/contaminantes por la implementación de una AU más sostenible, en el marco de la EC. Para cumplir con este objetivo, esta tesis quiere dar respuesta a las siguientes preguntas: ¿Qué posibilidades existen en las ciudades para reducir el impacto ambiental de la fertilización en hidroponía teniendo en cuenta el marco del EC? ¿Los métodos alternativos de fertilización son efectivos en la producción hidropónica? ¿Hasta qué punto mejoramos el sistema de producción/disminuimos su huella medioambiental? Para responder a la primera de estas cuestiones, se hizo una revisión bibliográfica de tecnologías de recuperación de nutrientes a partir de residuos urbanos. También se determinó el potencial actual del área metropolitana de Barcelona para recuperar N y P a partir de los flujos de aguas residuales, residuos orgánicos y compostaje. En esta tesis se ha evaluado la viabilidad de utilizar la estruvita precipitada de depuradora de aguas residuales urbanas como fuente única de P con judía (Phaseolus vulgaris), pimiento (Capsicum annum L.) y lechuga (Lactuca sativa L.). En el caso de la judía, se aplicaron varias cantidades de estruvita al sustrato y se evaluaron la producción y los balances de P. Los rendimientos obtenidos indicaron un gran potencial además de cantidades de estruvita no disueltos en el sustrato, indicando la posibilidad de crecer ciclos de cultivo consecutivos y una concentración reducida de P en los lixiviados. Este potencial se evaluó con ciclos de cultivo más largos de pimiento y producciones consecutivas de lechuga durante 3 meses. Los hallazgos de estos estudios de fertilización mostraron el potencial y la viabilidad de la fertilización de P con estruvita, un nutriente recuperado localmente, en sistemas hidropónicos, tanto para ciclos de cultivo cortos como largos y consecutivos. Para reducir el uso de N sintético en la agricultura hidropónica, se combinó estruvita y la inoculaciones de rhizobium en judía. La nodulación del rizobium y las capacidades de fijación de N2 se determinaron con resultados prometedores, puesto que el contenido de N en la estruvita parecía reforzar y no inhibir la nodulación de la bacteria. Para entender la huella ambiental de los experimentos de fertilización se realizó un análisis del ciclo de vida (ACV), para la fertilización con estruvita en ciclos de producción largos y consecutivos de pimiento y lechuga, así como la combinación de estruvita y rizobium en judía. Para los cultivos de lechuga y pimiento, los resultados muestran una reducción de casi todas las categorías de impacto (IC) usando estruvita, mostrando resultados favorables también para producciones anuales. La combinación de estruvita y rhizobium en judía muestra una reducción del rendimiento en comparación con el control, aumentando el impacto ambiental de tratamientos fertilizados alternativamente especialmente en la infraestructura de producción. Se recomienda seguir trabajando sobre la combinación de rizobium y estruvita para evitar pérdidas de rendimiento. Para profundizar en los objetivos propuestos en esta tesis, se han detectado cinco vías de investigación complementarias a los experimentos realizados.

Urban Agriculture (UA) has been regarded as a key player to increase circularity in urban areas. From a circular economy perspective, the addition of UA can serve as a sink for locally sourced materials to cover nutrient or substrate requirements, while at the same time reduce food transport and waste management. This can be a crucial point, especially regarding the environmental footprint of nutrient synthetization and extraction, like in the case of nitrogen (N) and phosphorous (P) commonly used in hydroponic and aeroponic agriculture. The production and extraction of these nutrients are energy consuming and polluting activities increasing the footprint of these agricultural production systems. The main objective of the present dissertation is the reduction of nonrenewable/ polluting inputs for the implementation of more sustainable UA production, within the circular economy framework. To fulfill this main objective, the present dissertation aims to give an answer to the following research questions: What possibilities are available in urban areas to reduce environmental impact of fertilization in hydroponic production taking in account the circular economy framework? Are alternative fertilization methods effective in hydroponic production? And to what extent do we improve our production system/ decrease our environmental footprint? To answer the first research, question an initial literature review of nutrient recovery technologies from urban waste was made. The current potential of the metropolitan area of Barcelona to recover N and P from waste is further determined specially from the wastewater flows and existing waste management and composting sites. The feasibility of using struvite precipitated from an urban wastewater treatment plant as the unique source of P fertilizer was assessed in this dissertation with green bean (Phaseolus vulgaris) peppers (Capsicum annum L.) and lettuce (Lactuca sativa L.). In the case of green bean, various quantities of struvite were applied to the substrate and assessed the production, water flows and P balances. While the obtained yields indicated great potential of struvite amounts of the fertilizer remained undissolved indicating a great potential to grow further cropping cycles as well as a reduced concentration of P in the leachates. This potential was further assessed with longer cropping cycles of pepper and consecutive productions of lettuce during a 3-month long experiment. The findings of these fertilization studies showed the potential and feasibility of P fertilization with struvite, a locally recovered nutrient, in hydroponic agriculture systems, not only for short cropping cycles but for longer and consecutive productions. To further reduce the use of synthetic N in hydroponic agriculture a combination of struvite fertilization and rhizobium inoculations were tested on green bean. Rhizobium nodulation and N2 fixation capacities were determined showing promising results, since the N content in the struvite seamed to reinforce and not inhibit the rhizobium nodulation. To understand the environmental footprint of the alternative fertilization experiments a Life Cycle Analysis (LCA) was performed, for the struvite fertilization in long and consecutive production cycles of pepper and lettuce as well as the struvite and rhizobium combination in green bean. For lettuce and pepper crops the results show a reduction of almost all impact categories (IC) when using struvite, showing favorable results also for 1 years’ worth production. For the struvite and rhizobium combination in green bean a yield reduction in comparison to the control is seen, increasing the environmental impact of the alternatively fertilized treatments specially for the production infrastructure. Further work on the combination of rhizobium and struvite is encouraged to avoid yield losses. To further dwell on the main goals proposed in this dissertation five main roads of research have been detected where further research could be made.