Växtupptag av fosfor och kväve från humanurin

Två vanliga former av behandlad humanurin: struvit och nitrifierad urin har efter preparering med isotoperna 33 P och 15 N doserats till rajgräs i krukor och upptaget av kväve och fosfor har uppmätts efter skörd. Arbetet har utförts vid ETH i Zürich.

Av: Jörgen Hanaeus

Urin är en viktig både kväve- och fosforkälla. Studiens syfte var att via odling av rajgräs (Lolium multiflorum) i krukor jämföra upptag av fosfor och kväve från syntetisk urin med upptag från mineralbaserad gödsel. Av den syntetiska urinen preparerades struvit genom tillsats av främst magnesiumklorid. Nitrifierad urin komponerades av ammoniumnitratlösning och kaliumdifosfat. Lösningarna spikades med små mängder av isotoperna ³³P och ¹⁵N.

Som odlingsmedium valdes en lätt sur jord (Mollic Fluvisol enl FAO) från ett närliggande odlingsfält. Sju behandlingar (fem referenser med olika N,P-tillförsel samt en dosering av vardera urinslaget) gjordes i fyra replikat. Tre skördeomgångar utfördes och biomassetillväxt med N- och P-innehåll analyserades. Det visade sig att P och N från urin i denna jord var lika växttillgänglig som motsvarande vattenlösliga komponenter i mineralgödsel.

Bakgrund

Att få fosfor och kväve i ett kretslopp är mycket viktigt och människor utsöndrar på global nivå 3,4 miljoner ton P/år varav kring 50 % i urinen. Kvävet utsöndras till ca 90 % med urinen, vilket i global skala betyder ca 28 miljoner ton N/år.

På grund av luktproblem, ammoniakavgång och innehåll av medicinrester kan alternativ till direkt uringödsling sökas. Ett sätt är att fälla ut struvit, magnesiumammoniumfosfat, ur urinen och gödsla med den. Det innebär dock ett ineffektivt tillvaratagande av kväve. I en bioreaktor kan urinens ammoniak konverteras till ammoniumnitrat och dess innehåll av organiskt kol mineraliseras till 90 %. I ett andra steg kan kvarvarande vatten destilleras bort som ånga.

Härigenom kan all fosfor, kalium, svavel och mer än 99 % av fosfor återanvändas.

Trots att endast ca 5 % av struviten är vattenlöslig anges i litteraturen att den är effektiv som gödning. Olika uppgifter finns om växtupptagen fosfor; huruvida den kommer från jorden eller från tillförd gödning. Föreliggande studie avsåg att genom att märka fosfor och kväve med ³³P och ¹⁵N i syntetiskt framställd urin kunna få grepp om näringsursprunget för föreliggande odlingsförhållanden.

Försök

Struvit framställdes genom att främst natriumfosfat och ammoniumacetat blandades i vatten med extra acetat som COD-bärare. Isotoper tillsattes motsvarande 3,2 % av kväveinnehållet och fosfor motsvarande 27 MBq/L radioaktivitet. Magnesiumklorid doserades och utfälld struvit  filtrerades med 0,45µm, torkades och finfördelades i mortel före användning.

Nitrifierad urinlösning tillverkades genom natriumfosfattillsats plus fosforsyra med ³³P och ¹⁵N ammoniumnitrat och pH-justering till 6. Lösningen destillerades och den fasta återstoden torkades och mortlades.

Odlingsförsöken gjordes med rajgräs i krukor och med jord från översta 0-20 cm av ett fält i Heitenred, Schweiz (16 % lera, 26 % silt, 58 % sand, tot-C 14 g/kg, tot-N  och katjonbyteskapacitet, CEC, 21 mol⁺/kg).  Fem referensförsök konstruerades: 0N0P, 0N1P, 1N0P, 1N1P och 1N1,5P där N och P tillsattes med vattenlösliga närsalter. P=1 motsvarade 50 mg P/kg jord och N=1 motsvarade 100 mg N/kg jord.

Struvit doserades med 23 mg N/kg jord förstärkt med 77 mg N/kg jord av vattenlöslig kemikalie, samt 50 mg P/kg jord. Nitrifierad urin doserades med 100 mg N/kg jord och 8 mg P/kg jord vilket förstärktes med 42 mg P/kg jord. Fler fysiska villkor presenteras i artikeln. Fyra replikat av varje försök gjordes.

Rajgräset skördades efter 30, 51 och 72 dygn efter sådd (3 cm ovan mark, 0,5 cm för den tredje skörden). Flest analyser gjordes efter den första skörden.

Radioaktiviteten detekterades i det skördade materialet och gav på så sätt ett mått på N,P-upptaget från doserad struvit eller nitrifierad urin.

Resultat

Den ackumulerade skörden av rajgräs varierade mellan 4-10 mg TS(DM)/kg jord. Krukorna med struvit eller nitrifierad urin gav bäst, men inte signifikant avvikande från försöken med 1N1P eller 1N1,5P.

Rajgräsets fosforupptag var linjärt upp till 50 mg P/kg jord. Gödslets bidrag till upptagen fosfor bestämdes till 30 % för 1N1P liksom för struvittillsatsen. För den nitrifierade urinen, där en mindre P-gödning kom från urinen blev P-bidraget 5 %.

Slutsatser

Fosfor- och kväveupptaget för rajgräs odlat i svagt sur jord var av lika storlek oavsett näringen kom från struvit, nitrifierad urin eller vattenlöslig mineralgödsel.

Rajgräs som medium för P-upptag har använts för flera avloppsprodukter, t ex i Elisabeth Kvarnströms doktorsavhandling vid LTU (2001)

Källa: Bonvin, C. ¹⁾, Etter, B.²⁾, Udert, K.M.²⁾, Frossard, E.¹⁾, Nanzer, S.³⁾, Tamburini,  F. ¹⁾, Oberson, A. ¹⁾ (2015), Plant uptake of phosphorus and nitrogen recycled from synthetic source-separated urine.  Ambio 44 (Suppl.2)  pp S217-S227.

Hela artikeln ur Ambio kan läsas gratis här.

Författarna från:

1)    ETH, Institute of Agricultural Sciences, Group of Plant Nutrition, Research Station Eschikon, Eschikon 33 8315 Lindau Schwitzerland.

2)    Eawag (Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology), 8600 Dübendorf, Switzerland.

3)    Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen, Switzerland.

Kontakt:   astrid.oberson@usys.ethz.ch