Nutrients in a Circular Bioeconomy: Barriers and Opportunities for Mineral Phosphorus Independence in Norway

Fosfor (P)-bruken i Norge er svært ineffektiv, det resulterer i stor import av primærgjødsel og dyrefôr og akkumulering i jord- og vannsystemer. Importen av P bidrar til uttømming av ressursene og geopolitiske utfordringer, for eksempel Marokkos okkupasjon av Vest-Sahara. Dette bidrar til risiko for forstyrrelser i forsyningskjeden i Norge. Akkumulering av P i jord- og vannsystemer kan bidra til eutrofiering av vannsystemer som påvirker fisk og andre marindyr. En mer sirkulær og ressurseffektiv P-økonomi vil samtidig kunne håndtere både utfordringer, importavhengighet og utslipp. MIND-P utforsket mulighetene for at Norge kan utvikle en mer sirkulær P-økonomi ved å resirkulere sine største utslipp, husdyrgjødsel og fiskeslam. Vi har kartlagt flytt av P i alle landbruks- og akvakulturbruk i Norge for å forstå områdene med størst P-overskudd og områdene med P-underskudd, og for å kvantifisere det teoretiske potensialet for P-gjenvinning. Vi identifiserte de viktigste barrierene og mulighetene for en sirkulær P-økonomi, inkludert gjødslingseffektene av forskjellige resirkulerte P-produkter. Samt potensialet for å bruke næringsstoffene som er akkumulert i vannet til å dyrke marine produkter som alger til konsum eller fiskefôr, aksepten av resirkulert gjødsel fra bønder, og kostnadene og fordelene ved disse nye gjødslene. Ved å bruke kunnskapen fra kartleggingen av P-bruken og barrierene og mulighetene, og ved hjelp av eksterne eksperter fra industri og myndigheter, utforsket vi hvordan P kan brukes mer effektivt i fremtiden, og utviklet et veikart som beskriver muligheter for Norge til å utvikle en sirkulær P-økonomi. Resultatene viser at Norge har et potensial til å eliminere bruken av primær P-gjødsel ved å bruke gjødsel mer effektivt. Dette vil imidlertid medføre behov for å samle inn og bearbeide gjødselen til en resirkulert gjødsel av høy kvalitet som lett kan transporteres over større avstander og som oppfyller kravene til bøndene som i dag bruker primærgjødsel. Dersom det i tillegg samles opp fiskeslam, vil Norge ha et overskudd av P som ikke kan tas opp av norsk landbruk alene. Det er derfor viktig å vurdere alternativ bruk av resirkulert P, inkludert produksjon av høykvalitets resirkulerte gjødselprodukter som kan eksporteres til andre land med behov for P og organisk materiale. MIND-P-prosjektet resulterte i en prototype for en digital infrastruktur for bioøkonomien i Norge knyttet til landbruk og havbruk. Denne digitale infrastrukturen har et potensial til å bli en ryggrad for videre raffinerte studier om næringsbruk, men også for å identifisere og teste alternative strategier for en sirkulær bioøkonomi på gårds-, kommune-, fylkes- eller nasjonalt nivå.

The project has created new knowledge to inform the discussion on national strategy for nutrient management in a circular bioeconomy, and specific regulations concerning phosphorus use and emissions by the agriculture and aquaculture sectors. It has also contributed to the industry by providing regional potentials of upscaling of technologies for manure and fish management. It has developed a new network of stakeholders from different sectors in government, industry, research and civil society to further the efforts on sustainable P management in Norway. The following effects were generated in different stakeholders through the project: a) Government authorities (from community to national): Important government actors such as The Directorate for Land Use, The Directorate for Environment, Mattilsynet, SSB and Norsk Landbruks Rådgiving have been involved in the analysis of the project’s results. MIND-P used of data from various authorities and place them into a systems context. The workshops conducted in MIND-P at The Directorate for Environment helped facilitate efforts of these authorities to develop a shared understanding of (i) problems, (ii) key potentials that may be used more effectively, (iii) relevant barriers, (iv) promising intervention options and (v) their trade-offs and costs, as well as (vi) key data gaps and uncertainties. b) Industrial stakeholders (farmers, fish farmers, IMTA operators, food and by-product processing companies, biogas plant operators, and fertilizer consultants): MIND-P has produced a map of the Norwegian P cycle, which shows these stakeholders the P context in which they are operating. This allows them to recognize the magnitude of problems they may contribute to, but also the size of new potential business opportunities related to a more effective P utilization, and potential barriers and costs. c) Researchers: The project has developed a methodological innovation within bottom-up modelling in substance flow analysis and helped in developing new experiments to study fertilizer effects of recycled products. It contributed to several research fields including industrial ecology, agricultural sciences, aquaculture and IMTA-related sciences, including disciplines such as biology, engineering, economics, and other social sciences. While several of these disciplines traditionally operate in different specialized communities, this project allows the participants to work towards an integration of these complementary competencies. d) Teaching: The results of MIND-P have been implemented in the NTNU course TEP4285 – Material Flow analysis. A new lecture was developed based on the P management in Norway, and a new exercise was developed using the results of MIND-P. This course is attended by about 60 students per year.

Previous research has shown that the P resources in by-products from agriculture (dominated by manure) and aquaculture (dominated by fish sludge) generated in Norway are more than four times as large as the P demand for fertilization, and that this secondary resource surplus may increase to a factor of 12 by 2050. Nevertheless, Norway is currently still dependent on large amounts of mineral P fertilizers produced from phosphate rock imported mainly from Morocco, while accumulating unused P resources in soils and aquatic systems. The MIND-P project analyses the barriers and opportunities for transforming the Norwegian bio-economy to reach (direct) mineral phosphorus independence by 2030, focusing on manure and fish sludge. The barriers and opportunities to be investigated include (i) the spatial distribution of secondary P generation and options to use them locally (e.g., IMTA) or to collect and transport them to places where they are needed (manure and fish sludge), (ii) quality issues related to plant availability, (iii) quality issues related to toxicity (e.g., sources of heavy metal concentration in fish sludge), (iv) economic barriers related to costs of alternative systems and technologies, and (v) concerns of producers and consumers related to the acceptance of alternative systems and products. The bottom-up studies on barriers and opportunities will inform the development of scenarios for analyzing alternative transformation pathways towards mineral P independence and to identify potential tradeoffs and business opportunities at a large scale. The project is conducted in close co-operation with key stakeholders from government, industry, and research, and supports the development of a P-platform in Norway. The findings will be synthesized into a proposal for a Phosphorus Roadmap in Norway.