A life cycle assessment to identify benefits and trade-offs of nitrogen-enriched biochar in an agricultural context

Abstract

Biokull regnes som en negativ utslippsteknologi (NET), som kan binde karbon i jorda og samtidig tilføre fordeler til landbruksjord. Lagring av dyregjødsel er en betydelig kilde til utslipp av amoniakk (NH3), og biokull har vist seg å være effektiv til å redusere NH3-utslipp fra husdyrgjødsel. Denne studien har sett på å bruke biokull som en adsorbent av nitrogen fra grisegjødsel, og videre tilførsel av det adsorberte nitrogenet til landbruksjord. En livssyklusanalyse (LCA) ble gjennomført for å kvantifisere miljøkonsekvensene av nitrogenberiket (N-beriket) biokull i landbruksjord. To metoder for nitrogenberikelse av biokull ble undersøkt, adsorbering av flytende ammonium (NH4+) og NH3 i gassform. For å kunne identifisere miljømessige fordeler og ulemper for systemet, ble N-beriket biokull sammenlignet med bruk av vanlig biokull, og ikke å tilføre biokull i landbruksjord.

De viktigste fordelene med det N-berikede biokullsystemet er redusert jordforsuring og redusert svevestøv, grunnet reduserte utslipp av NH3 fra grisegjødsel. Biokull beriket med NH4+ og NH3 hadde henholdsvis 120% og 170% lavere påvirkning på jordforsuring, sammenlignet med å ikke bruke biokull i landbruksjord. N-beriket biokull gir også en fordel for marin eutrofiering, ettersom behovet for mineralgjødsel blir redusert når biokullet tilfører nitrogenet som har blitt tatt opp fra grisegjødsel. De viktigeste miljømessige ulempene med N-beriket biokull er økt eutrofiering av ferskvann, menneskelig toksisitet, og global oppvarming, avhengig av hvilken metode for N-berikelse som velges. Biokull beriket av NH4 + og NH3 har henholdsvis 100% og 146% høyere påvirkning på menneskelig toksisitet sammenlignet med å ikke bruke biokull i byggåkre.

Resultatene fra denne studien viser at det er både miljømessige fordeler og ulemper ved å bruke biokull beriket med nitrogen fra grisegjødsel i landbruksjord. Siden begge metodene for N-berikelse av biokull er knyttet til fordeler og ulemper, må en beslutning hvorvidt man skal implementere systemet tas på bakgrunn av hvilket miljømessig aspekt man er opptatt av. Noen nøkkelfunn fra studien er at biokull har evne til å redusere NH3 utslipp fra grisegjødsel betydelig. Andre funn er at fordelen med karbonfangst i jorda fra biokull på klimaendringer blir nesten utjevnet av de økte metanutslippene (CH4) som oppstår når man tilfører biokull til grisegjødsel, og at det å bruke fosforsyre til å øke adsopsjonsevnen til biokull medfører betydelig påvirkning på alle de valgte miljøindikatorene. Disse funnene kan brukes til å videre forbedre systemet til å ha en lavere miljøpåvirkning. Siden nitrogenberikelse av biokull fra grisegjødsel er et nytt forskningsfelt, er det viktig å få mer kunnskap på plass på dette området.

Biochar is a negative emission technology (NET) that can sequester carbon in soil while providing benefits for agricultural soils. Liquid manure storage is a significant source of atmospheric emissions of ammonia (NH3), and biochar has been shown to effectively reduce NH3 emissions from livestock manure. In this study, the use of biochar as an adsorbent of nitrogen from pig manure, and provider of the adsorbed nitrogen to agricultural soils was investigated. A life cycle assessment (LCA) was conducted to quantify the environmental impacts of the nitrogen-enriched (N-enriched) biochar system when applied to agricultural soils. Two methods of N enrichment were investigated, adsorption of liquid ammonium (NH4+) and gaseous ammonia (NH3). To be able to identify environmental benefits and trade-offs for the system, the N-enriched biochar was compared to using non-enriched biochar, and not using biochar in agricultural soils.

The main benefits of the N-enriched biochar system are reduced terrestrial acidification and reduced particulate matter formation, due to mitigation of ammonia (NH3) emissions from pig manure storage. N-enriched biochar using liquid adsorption and air adsorption have 120% and 170% lower impact on terrestrial acidification, respectively, compared to not using biochar in agricultural fields. The N-enriched biochar also provides a benefit for marine eutrophication, as the need for mineral nitrogen fertilizer for crop cultivation is reduced due to the recycling of nitrogen from pig manure storage. The main trade-offs are increased freshwater eutrophication, human toxicity, and climate change, depending on the N-enrichment method. For human toxicity, liquid adsorption and air adsorption have 100% and 146% higher impact compared to not applying biochar in barley fields.

The results of this study show that there are both benefits and trade-offs related to enriching biochar with nitrogen from pig manure storage and applying it to agricultural fields compared to not using biochar, so whether to implement the system or not depends on which environmental concern is in focus. Several hotspots were identified in this study, e.g. that biochar has the ability to significantly reduce NH3 emissions from pig manure storage. Other hotspots identified are that the benefit of carbon sequestering from biochar for climate change is almost evened out by the increased methane emissions when adding biochar to manure, and that using phosphoric acid to increase biochar’s adsorptive ability is related to significant impacts across all environmental impact categories included in this analysis. These insights can be used to improve the system to perform better. As nitrogen enrichment of biochar from pig manure is a novel field of study, more research is needed to increase the knowledge on this topic.