«Fosforkrisen», kan den løses?

Alle har hørt om klimakrisen, dette er ikke nødvendigvis tilfellet med fosforkrisen.

Fosfor er et grunnstoff (P) som er nødvendig for alt liv. Det kan ikke lages. Fosfor inngår i arvestoffet DNA og i ATP (Adenosine TriPhosphate), som er nødvendig for energiomsetningen i kroppen.

Noen mener at fosforkrisen allerede er her. Når det er tomt, er verden ille ute. Går vi tom for fosfor går vi også tom for mat. Det snakkes om at «Peak Phosphorous» (tilsvarende betydning som Peak Oil) vil inntre allerede i 2030 – 2040, og at de gjenværende forekomster vil være tømt en gang i perioden fra ca. 2075 til 2100.

UiO-professor Dag Hessen påpekte i en kronikk i Aftenposten for en tid tilbake at vi er på kanten av en alvorlig krise. Agronom Anders Rognlien (Yara) responderte imidlertid på dette med at det er i alle fall er nok råstoff for 2 000 år fremover.

Imidlertid, Problemet med stor P (P for phosphorous) er der og det vil bli verre og verre hvis vi ikke foretar oss noe. Her blir det viktig å utvikle bedre (og andre) separasjonsmetoder, for å kunne utvinne fosformineraler fra bergarter (eventuelt fra «tailings» eller separasjonsrester) med lave gehalter (mindre enn ca. 4 prosent), som i dag ikke ansees for å være drivverdige. Her kan det ligge betydelige reserver.

Jordskorpen inneholder ca. 65 000 mill. tonn fosforforbindelser. Omtrent 80 prosent av verdens drivverdige fosforforekomster finnes i Marokko og Vest-Sahara, Kina, Jordan og Sør-Afrika (vesentlig i fosforittbergarter, opprinnelig avsatt på overflaten).

Når det gjelder fosformineraler (apatitt) i intrusive silikatbergarter, er det en viktig forekomst på Kolahalvøya (apatitt i nefelinsyenitt). I Norge peker Storeknutenforekomsten i Bjerkreim – Sokndal-intrusjonen seg ut som svært interessant. I Norge har vi også forekomster av fosfor i såkalte karbonatittbergarter (intrusive karbonatbergarter) i Fensfeltet i Telemark og på Stjernøy i Finnmark.

I dag anvendes fosfor først og fremst i kunstgjødsel (82 prosent). Det er også en viktig komponent i stålproduksjon. Fosfor brukes også i antennelsesteknikk (fyrstikker og fosforbomber), på innsiden i bilderør- og plasmaskjermer, legemidler, vaskemidler og det er ca. 60 kg fosfor i hvert elbilbatteri. Det er her grunn til å påpeke at fosfor også inngår i kunstgjødsel til produksjonen av biomasse som anvendes til drivstoff. Dette aktualiserer problemstillingen «phosphorous for food or for fuel»

Selv om fosfor er nødvendig for alt liv (planter og dyr) så er det bare en liten del som blir «forbrukt». Det meste av fosforen (mer enn 90 prosent), som opprinnelig kommer fra mineralsk fosfor, ender opp i forskjellige typer organisk avfall, eller blir dårlig utnyttet.

I dag medfører fosfor ofte et miljøproblem som for eksempel kan resultere i algeoppblomstring med ubehagelige og ofte store økonomiske følger. Dette er i første rekke knyttet til; Overgjødsling (kunstgjødsel) i landbruk (vassdrag, innsjøer og fjorder). Urenset kloakk (vassdrag, innsjøer og fjorder). Fiskeslam (avføring og matrester) fra oppdrettsnæringen (fjorder og kyst).

Samtidig som disse miljøproblemene må løses, så må det etableres (forbedres) et fosforkretsløp. I stedet for et forurensningsproblem må organisk avfall bli en ressurs.

Det dreier seg her om store mengder fosfor. Forskjellige typer organisk avfall i Norge, inneholder ifølge Eva Brod i Nibio (Fosfor må brukes smartere) følgende mengder:

i) Landbrukssektoren; husdyrgjødsel i Norge inneholder 12 000 tonn P pr. år.

ii) Avløpsvann/kloakk; Avløpsslam inneholder 1 900 tonn P pr. år.

iii)   Matavfall; inneholder 26 000 tonn P pr. år.

iv) Fosfortap i norsk havbruk; Avføring og for svinn 9 000 tonn P pr. år.

Planene om en femdobling av norsk havbruk innen 2050 vil bety et fosfortap på 45 000 tonn pr. år. Dette vil ikke bli bærekraftig uten at det gjøres tiltak for å samle opp avfallet («tette merder», anlegg på land), samt ta det i bruk på en bærekraftig måte.

Vekstforsøk viser at fosfor i «råtnerester» (fast og flytende) etter biogassproduksjon av organisk avfall gjør fosforet betydelig mer tilgjengelig for plateopptak. En attraktiv måte å behandle organisk avfall på, er derfor å utsette det for en anaerob prosess i såkalte «digestors» for å produsere biogass (ca. 65 prosent metan (CH₄) og ca. 35 prosent CO₂).

Etter at CO₂ er separert fra biogassen (f.eks. med vannvasking, PSA eller andre metoder) kan metanen brukes til energiformål både innen transportsektoren og i stasjonære anlegg, den er også råstoff for hydrogen produksjon. Den flytende og faste råtnerest (liquid and solid digestrates) inneholder fosfor og andre nødvendige næringssalter og kan brukes direkte eller etter videre bearbeiding til (organisk) gjødsel.

Imidlertid vil ikke bare et godt etablert fosforkretsløp av organisk avfall løse fremtidens behov i gjødselsnæringen. Etter hvert som de drivverdige forekomstene av mineralsk fosfor (mer enn ca. 4 prosent) blir mindre og mindre, vil det bli nødvendig å utvikle metoder for å kunne utvinne fosformineraler fra bergarter med lave gehalter, samt fra bergarter med en mineralsk sammensetning som gjør en fysisk separasjon utfordrende.

Her kan en fullstendig oppløsning av moderbergarten (spesielt hvis det dreier seg om en karbonatbergart), eller en (mest mulig) selektiv oppløsning av et fosformineral (apatitt) fra bergarter der dette er mulig (silikatbergarter), representere aktuelle eksempler.

Når det gjelder en fullstendig oppløsning av moderbergarten (karbonatitt, kalkstein, marmor) kan CO₂ løst i vann (karbonsyre) under de rette trykk- og temperaturbetingelser for å oppnå riktig pH (mindre enn 5), være en attraktiv metode. Et eksempel på dette er gitt i figur 1, som er hentet og modifisert fra patentet (Munz, et al. WO 2010/107320 A1).

Her løses «uren» kalkstein med innhold av fosformineraler og eventuelt andre mineraler som kan ha stor verdi (for eksempel sjeldne jordartsmetaller) i en reaktor. Bunnfallet som inneholder et fosformineral separeres fra, og bearbeides eventuelt videre ved å skille fosformineralet (f.eks. apatitt) fra andre mineraler i bunnfallet. Løsningen som inneholder kalsium, karbonat og bikarbonat-ioner føres over til en annen reaktor, trykk og temperatur justeres slik at salgsproduktet finkornet kalsiumkarbonat (precipitated calsium carbonate, PCC) felles.

Et eksempel på en selektiv oppløsning av apatitt fra en silikatbergart er gitt i figur 2, som er hentet og modifisert fra patentet (Brannvoll, et. Al. WO2012141596).

Apatitten løses i mineralsyrer (salpetersyre, svovelsyre, (saltsyre)). Uløste bergartsfragmenter/mineraler og utfelte faste stoffer, avhengig av moderbergartstype (kan ofte bearbeides videre til salgbare produkter) filtreres fra. Løsningen tilsettes vann (sjøvann) og ammoniakk (justere pH), og den kjemiske sammensetning justeres slik at løsningen nå innehar de riktige næringssalter for alge produksjon.

Til slutt tilsettes karbon i form av CO₂, karbonsyre eller karbonsalt for å få inn algenes hovedingrediens. I denne prosessen holdes næringssaltene i løsning (unngår inndampning) med fokus på algeproduksjon. Etter at utvinnbare produkter er tatt ut av algebiomassen, kan algebiomasseresten, som inneholder det meste av fosforet, brukes som (organisk) gjødsel.

Som nevnt tidligere, kan en anaerob behandling av organisk avfall i en «digestor» for produksjon av biogass være attraktiv. Ved å ta i bruk den utseparerte CO₂en fra biogassen, sammen med en riktig/nødvendig bearbeiding av de flytene og faste råtne rester («liquid and solid digestrates»), oppnås de såkalte «key nutrients», karbon, nitrogen og fosfor, som er nødvendig i algeproduksjon (se figur 3, hentet og modifisert fra en nylig innlevert patentsøknad).

Det er her viktig å legge merke til CO₂ens, eller karbonets, dominerende rolle. Mengdeforholdet mellom de viktige næringsingrediensene i alger, karbon, nitrogen og fosfor (C : N : P) er omtrent 90:9:1. De flytende og faste råtnerestene inneholder også andre viktige næringsingredienser (K, Mg etc. ), eventuelt så justeres sammensetningen, før den skreddersydde næringsblanding for spesifikke alger  føres inn i algeproduksjonsanlegget (se figur 3).

Algene bearbeides til kommersielle produkter. Algebiomasseresten, som inneholder det meste av fosforet, kan brukes som gjødsel. Algeproduksjon relatert til de kommende store mengder avfall fra fiskeoppdretts industrien, vil som et eksempel på bruk, kunne bli spesielt interessant. Algene kan her fores direkte til fisken, eller de kan gå via et fiskefor-anlegg, med formål om å gjøre oppdrettslaksen sunnere, ved at laksefettet får tilbake sin opprinnelige omega-3 mengde (21.,5 prosent).

Det er her gitt tre eksempler på hvorledes fosforproblemstillingen kan angripes. Dette er ikke de eneste, det er også varianter av de metoder som er skissert her. Det må i tillegg påpekes (dette gjelder kanskje spesielt mineralsk fosfor), at det er nødvendig med betydelig forskning og utvikling, hvor også de metoder som er skissert her må testes ut.

I dag er det fremdeles store fosforforekomster med mineralgehalter større enn 4 – 5 prosent. Insitamentet for å drive med forsking og utvikling av nye separasjonsmetoder, samt forbedring av eksiterende, er derfor kanskje ikke så stort. Imidlertid, prisen på fosfor har i det siste økt betydelig, forskning og utvikling tar tid. Det er derfor viktig å prioritere forskningsmidler til dette nå.

Når det gjelder det organiske avfallet, så må en betydelig forbedring av fosforkretsløpet stå sentralt. Gitt hvor kritisk dette er, er det forbløffende mangel på en nasjonal og global politikk for å overvåke og forvalte fosforressursene fra det organiske avfallet. Dette kan ikke bare styres av kommersielle aktører. I Norge må vi, i samarbeid med andre land, få på plass et regelverk som gir de riktige insentivene.

En fornuftig forvaltning av fosforressursene vil etter min mening medføre at vi ikke får noen fosforkrise. Det vil imidlertid kreve at nødvendig FoU intensiveres, både når det gjelder mineralsk fosfor fra bergarter med lave fosfor gehalter og når det gjelder fosforkretsløpet basert på organisk avfall. Det vil imidlertid her bli nødvendig med et betydelig engasjement fra myndighetene.

ARNE RÅHEIM

Senior konsulent i Råheims Energy Consulting, tidligere viseadm. dir ved Institutt for energiteknikk