Life cycle assessment of fish sludge utilization for black soldier fly substrate
Abstract
Etter hvert som verdens befolkning vokser, og etterspørselen etter fôr øker, kan svart soldatflue være en viktig proteinkilde med lavt miljøavtrykk. Produksjonen av svarte soldatfluer krever en stor mengde substrat for å få larvene til å vokse. En rekke faktorer, som miljøpåvirkning og mengde, må vurderes ved valg av larvesubstrat. Bruk av avfallskilder er foretrukket, da avfall har lav miljøpåvirkning, og utnyttelse for svart soldatflue kan løse avfallsproblemer. En mulig avfallskilde kan være fiskeslam fra oppdrettsanlegg, da utnyttelsen vil hindre utslipp av næringsstoffer til miljøet rundt. Andre bruksområder for fiskeslam kan være mer bærekraftig enn svart soldatfluesubstrat, og miljøpåvirkningen kan muligens endres etter hvert som slammet transporteres vått eller tørt.
Tidligere LCA-studier for slamutnyttelse har vurdert bioenergi og gjødselproduksjon som mulige bruksområder, eller miljøavtrykket av å ikke utnytte fiskeslam. Livssyklusanalyser på svarte soldatfluer har inkludert forskjellige substratalternativer, men aldri fiskeslam. I tillegg har ingen studier inkludert transportalternativer for vått og tørt slam. Målet med denne studien er derfor å beregne og sammenligne økosystempåvirkningen fra bruken av fiskeslam til svartsoldatflue, bioenergi og gjødsel, sammenlignet med å ikke utnyttelse slammet i en scenarioanalyse.
Effekten fra hvert utnyttelsesscenario ble beregnet i en LCA med hensyn på eutrofiering og globalt oppvarmingspotensial over 20 år. Hovedfasene for slammets levetid var avvanning og tørking, transport av slam og bruksspesifikk behandling. Disse fasene krevde produksjon av maskineri (A1-A3), transport (A4-A5), vedlikehold (B2-B4), drift (B1 og B6) og resirkulering (C1-C4). Scenarier med tørket slam krevde mer maskineri, men mindre transport. Alternative miljøpåvirkninger var også substituert med to metoder, da slammet ville forhindre mulig økosystempåvirkning ved å erstatte produkter. Den første substitusjonsmetoden substituerte miljøpåvirkning knyttet til hvilket produkt slammet ville erstatte, mens den andre metoden substituerte miljøpåvirkningen fra grunntilfellet der slammet ikke ble utnyttet.
Resultatene viser at utnyttelse for svart soldatflue har lavest miljøpåvirkning sammenlignet med andre utnyttelsesscenarier. De alternative utnyttelsesscenarioene benyttet fiskeslam til biogass- og gjødselproduksjon, og et basistilfelle hvor slam ikke ble utnyttet ble også inkludert. Grunntilfellet hadde den største miljøpåvirkningen, med 7,65*10^-4 arter per år, på grunn av de store fosforutslippene. Etter substitusjonen ble økosystempåvirkningen negativ for scenarier der fiskeslam ble brukt til svart soldatflue, med begge substitusjonsmetodene.
Tørkemaskineri ved oppdrettsanleggene hadde betydelig økosystempåvirkning, noe som gjorde påvirkningen fra tørking større enn de ekstra utslippene fra transport av vått slam. Dette gjorde scenariet der fiskeslam ble transportert vått for svart soldatfluesubstrat til det foretrukne alternativet. Men når materialene ble antatt å bli resirkulert, ble miljøpåvirkningen fra tørking redusert. Resirkulering gjorde tørt og vått transportscenario like foretrukket for bruk av svart soldatflue. Dette viser hvor følsomme resultatene er for endringer i tørkemaskineriet, noe som innebærer at hovedinnsatsen bør være å redusere miljøpåvirkningen herifra. For å konkludere viser resultatene hvordan bruk av fiskeslam som svart soldatflue substrat er et rimelig valg i et miljøperspektiv sammenlignet med andre utnyttelsesmuligheter.
Anbefalingen etter tolkning av resultatene er å bygge avvannings- og tørkemaskineriet med den hensikt å redusere miljøpåvirkningen fra denne fasen. Miljøavtrykket kan reduseres ved å nedskalere maskineriet, dele tungt tørkemaskineri mellom flere anlegg og resirkulere de fleste materialer. Selv uten disse tiltakene vil utnyttelsesscenarioene ha lavere økosystempåvirkning enn basistilfellet. Dette gjør bruksscenarier å foretrekke, spesielt bruk for svart soldatfluesubstrat virker som et godt utnyttelsesalternativ. As the world population grows, and the demand for feed increases, could black soldier fly be an important protein source with low environmental impact. Breeding black soldier flies requires a large amount of substrate to make the larvae grow. A number of factors, like environmental impact and quantity, must be considered while choosing this substrate. Using waste sources is preferred, as waste has low environmental impact, and the utilization for black soldier fly could solve waste problems. A potential waste source could be fish sludge from breeding facilities, because the utilization will prevent nutrition emissions to the environment. However, other utilization options for fish sludge could have a better environmental performance than black soldier fly substrate, and the environmental impact could potentially change as the sludge is transported wet or dry.
Previous LCA studies have assessed sludge utilization options like bioenergy production, fertilizer, and the impact from not utilizing fish sludge. LCAs of black soldier flies have included different substrate options, but never fish sludge. None LCAs of fish sludge for black soldier fly have been conducted, and no studies have included transportation options for wet and dry sludge. The aim of this study is therefore to calculate and compare the ecosystem impact from utilizing fish sludge for black soldier fly, bioenergy, and fertilizer, compared to not utilizing the sludge in a scenario analysis.
The impact from each utilization scenario were calculated in a LCA with respect to the eutrophication and global warming potential for 20 years. The main phases for the sludge's lifetime were dewatering and drying machinery, transportation of sludge, and utilization specific requirements. These phases required manufacturing of machinery (A1-A3), transportation (A4-A5), maintenance (B2-B4), operation (B1 and B6), and recycling (C1-C4). Scenarios with dried sludge required more machinery, but less transportation. Also, alternative impacts were substitutes with two methods, as the sludge would prevent potential impact from replacing products. The first substitution method substituted impact related to which product the sludge would replace, while the second method substituted the base case impact from not utilizing the sludge.
The results show that utilization for black soldier fly has the lowest environmental impact compared to other utilization scenarios. The alternative utilization scenarios used substrate for biogas and fertilizer production, and a base case where sludge was not utilized was included as well. The base case had the largest environmental impact, with 7.65*10^-4 species.year, because of the large phosphorus emissions. After substituting avoided emissions from the utilization scenarios with two different methods became the ecosystem impact negative for scenarios where fish sludge was used for black soldier fly.
Drying machinery at the breeding facilities had significant ecosystem impact, which made the impact from drying machinery larger than the extra emissions from transporting sludge wet. This made the scenario where fish sludge was transported wet to be used as black soldier fly substrate the preferred option. However, when the materials were assumed to be recycled, the impact from drying decreased. Recycling made the drying scenario preferred for black solder fly utilization. This shows how sensitive the results are to changes in drying machinery, which implies that the main effort should be to lower drying impacts. To conclude, the results show how using fish sludge as black soldier fly is a reasonable choice in an environmental perspective compared to other utilization options.
The recommendation after interpreting the results is to build the dewatering and drying machinery with the intention to reduce the impact from this phase. An impact reduction could be done by down scaling the machinery, sharing heavy drying machinery between multiple facilities, and recycle most materials. Even without these measurements will the utilization scenarios have lower impact then the base case. This makes utilization scenarios preferred, especially utilization for black soldier fly substrate seems like a good utilization option.