Milieu

Fosfaat is onvervangbaar

Fosfor (´P´) is een essentieel element voor alle leven op aarde. Als fosfaat (vaak opgegeven als ´P2O5’) zit het in erfelijk materiaal, tanden, botten en celmembranen, en wordt het gebruikt voor stofwisseling. Het wordt op grote schaal ingezet als mest en veevoer in de landbouw. Daarnaast is het een zogenoemde kritieke industriële grondstof. De voorraden zijn groot maar eindig. In onze ‘lineaire economie’ gooien we fosfaat gemakkelijk weg. Hoe lang houden we dat nog vol?

Kunstmest

Oorspronkelijk was de fosfaatkringloop gesloten. Fosfaat zit in elke bodem en wordt opgenomen in ons voedsel. Alle afvalstoffen (gier, beer, beendermeel) werden als mest weer op het land gebracht. Maar de snelle bevolkingsgroei door de industriële revolutie leidde tot uitputting van de bodem. Malthus publiceerde in 1798 het beroemde pamflet ‘An Essay on the Principle of Population’, waarin hij voorspelde dat bevolkingsgroei de economische groei voor zal blijven, wat zal leiden tot hongersnood op grote schaal. Malthus kreeg in zijn tijd niet gelijk: de behoefte aan hogere opbrengsten per hectare werd vanaf 1800 vervuld middels het gebruik van aanvullende mest. In eerste instantie waren dat nog natuurlijke producten, zoals gedroogde vogelpoep (guano) en gefossiliseerde poep (coproliet). Maar toen die bronnen rond 1880 uitgeput raakten werden andere, industriële bronnen gezocht van zogeheten kunstmest. Fosfaat kwam beperkt uit hoogovenslakken (thomasslakkenmeel), maar rond 1900 werd de mijnbouw van fosfaatertsen dominant. Als gevolg van deze fosfaat-kunstmest, in combinatie met de opstart van het Haber-Bosch proces vanaf 1913 voor de productie van stikstof-kunstmest, groeide de wereldbevolking explosief: van 1 miljard in 1800 naar momenteel 8,2 miljard.

Fosfaatwinning

Fosfaaterts bestaat hoofdzakelijk uit calcium en fosfaat en wordt goedkoop gewonnen in dagbouw. Er zijn twee soorten: 95% is sedimentair fosfaat (vanuit oceaanwater neergeslagen) en 5% bestaat uit stollingsgesteente (gestolde lava; ‘igneous phosphate’). Met name sedimentair fosfaat kan – wisselend per winningsgebied – veel verontreinigingen bevatten waaronder zware metalen – waarvan cadmium het meest toxisch is – en radioactieve elementen zoals uranium en thorium. Stollingsgesteente is veel schoner, maar schaars. In 2018 is een grote voorraad gevonden in Noorwegen, maar deze ligt diep en moet via mijnbouw ontsloten worden, met bijkomende hoge kosten.

Fosfaat wordt meestal uit de erts vrijgemaakt door reactie met zwavelzuur; hierbij ontstaat opgelost calciumvrij fosforzuur of calcium-houdend superfosfaat, steeds met calcium-houdend fosfor-gips als bijproduct. Fosforzuur kan verder geraffineerd worden voor veeleisende toepassingen. Soms ook wordt fosfaaterts ontsloten via het energie-intensieve zogeheten thermische proces, in een vlamboogoven met behulp van cokes en silica. Hierbij ontstaat elementaire fosfor, waaruit schoner fosforzuur wordt geproduceerd samen met calcium-silicaat afval.

Toepassingen

89% van alle fosfor wordt in de landbouw gebruikt: 82% als kunstmest en 7% als supplement in veevoer. Dit gebeurt vooral in de rijkere delen van de wereld; voor arme landen is fosfaat een dure grondstof. De overige 11% wordt gebruikt in de industrie: als zuur en stabilisator in voeding, industrieel zuur, en zuur in cosmetica; voor dotering van n-type halfgeleiders; in brandstofcellen, vlamvertragers; voor behandeling van drinkwater en het voorkomen van corrosie van metalen. Een belangrijke nieuwe toepassing is die in moderne lithium-ijzer-fosfaat (LFP) batterijen. Deze bevatten geen (schaars) kobalt en worden snel dominant in de batterijenmarkt op basis van lage kosten, hoge capaciteit, lange levensduur en veiligheid. Ze vragen om fosforzuur-grondstof van hoge zuiverheid, bereid uit stollingsgesteente of opgewerkt met het thermische proces.

Lineaire economie

We zijn onze circulaire fosfaat-economie al lang geleden kwijtgeraakt. Bijna alle fosfaat wordt verspild in onze lineaire ‘make-use-waste’-economie. Fosfaat komt uiteindelijk in verdunde vorm terecht in water en vast afval. Het is daar moeilijk uit terug te winnen, we zijn het kwijt.

Van alle fosfaat die in de landbouw wordt gebruikt, eindigt circa 20% in ons voedsel. De overige 80% wordt deels gerecycled (de dierlijke mest), maar hoopt zich uiteindelijk vooral op in de bodem. De fosfaat wordt daar – deels omkeerbaar – gebonden aan humus en anorganische stoffen, zoals kalk, ijzer en  aluminium. Het deel van de fosfaat dat nog ondiep zit, kan later alsnog beschikbaar komen voor groei. [Dit kan versterkt worden door het gebruik van zogenoemde ‘groenbemesters’ met een wortelstelsel dat uitgebreid is en actief fosfaat opneemt, en door het bevorderen van de aanwezigheid van fosfaat-oplossende bacteriën of schimmels, waaronder de mycorrhiza (schimmel-wortelsymbioses).] Echter, het fosfaat dat dieper in de bodem gezakt is, is onbereikbaar geworden voor wortelstelsels en moet als verloren beschouwd worden. . Vanuit de bodem wordt fosfaat geleidelijk afgevoerd – via afspoelen en uitspoelen – naar grond- en oppervlaktewater, rivieren en oceanen.

Dierlijke mest wordt grotendeels in stallen verzameld en volledig gerecycled. Het wordt deels direct op het land gebracht binnen de bestaande gebruiksnormen en deels verwerkt bijvoorbeeld via vergisting of compostering. In Nederland is sprake van een uiterst intensieve veeteelt-industrie. Deze is al lang niet meer grondgebonden. Veevoer inclusief veel fosfaat wordt vooral geïmporteerd, en er is een groot overschot aan dierlijke mest ten opzichte van de hoeveelheid grond. De overheid heeft hier vanaf de jaren ’80 op allerlei manieren geprobeerd paal en perk aan te stellen – via melkquota, fosfaatrechten en beperking van fosfaatmestdosering afhankelijk van het fosfaatgehalte van de bodem – maar met weinig succes. Nederland produceerde in 2023 9% meer fosfaat-houdende mest dan het maximum dat de EU toestaat (135 miljoen kg fosfaat) en heeft daarvoor derogatie (ontheffing) tot 2025.

Anders dan bij dieren, eindigen de urine en ontlasting van mensen in afvalwater. Mensen produceren een fosfaat-afvalstroom ter grootte van 20% van de dierlijke meststroom. Poep en pies bevatten allebei ongeveer evenveel fosfaat. Direct hergebruik van beide als meststof is mogelijk, maar vraagt om het afscheid nemen van onze huidige doorspoel-wc’s. Gebruik van droge urinoirs en droge toiletten levert steriele urine op (die meestal alsnog wordt weggespoeld bij gebrek aan afzet). Bij droge of compost-toiletten wordt compost geproduceerd, vrij van ziektekiemen, met een fosfaatterugwinning van 50-100% (lees ook: Marnix Kluiters, https://ecosofie.net/blogs/de-schoonheid-van-shit/). In alle gevallen wordt drinkwater bespaard dat normaliter gebruikt werd om te spoelen en worden naast fosfaat ook andere nutriënten teruggewonnen.

Rioolwaterzuiveringsinstallaties zouden een goed alternatief moeten zijn voor fosfaatrecycling: ze verwijderen nu in Nederland een groot deel van het fosfaat uit afvalwater (88%; als slib en struviet), maar dat leidt helaas nog nauwelijks tot recycling. Het merendeel wordt verbrand en/of gestort of ingezet als laagwaardig vulmiddel. Fosfaat kan in principe worden teruggewonnen uit struviet en uit de as van de verbranding van huishoudelijk en bedrijfsafval, van beenderen en van rioolzuiveringsslib. Maar dat is nog experimenteel (TetraPhos van Remondis, 2021). Een Nederlandse start-up (SusPhos, met SNB) overweegt een investering in Moerdijk na 2025. Ook in de industrie wordt fosfaat maar beperkt teruggewonnen.

Diverse problemen zijn het gevolg zijn van de lineaire fosfaat-economie en worden hieronder behandeld: (1) eutrofiëring, (2) fosforgips, (3) cadmium en (4) uitputting.

Eutrofiëring

Eutrofiëring is overbemesting van oppervlakte- en grondwater met stikstof en fosfor. Dit leidt tot overmatige algengroei. Deze maakt het water zuurstofarm, waardoor vissen kunnen sterven. Ook leidt het tot bloei van giftige cyanobacteriën (blauwalgen). Wereldwijd gezien is eutrofiëring van oppervlakte- en kustwateren een groeiend probleem. In Nederland kennen we eutrofiëring al vanaf de jaren 1960, door lozing van ongezuiverd afvalwater met daarin fosfaat-houdende wasmiddelen (bedoeld om kalk te verwijderen uit hard water). Door een verbod op het gebruik van fosfaat in deze wasmiddelen (in 1987 vervangen door zeolieten), door betere rioolwaterzuivering en door reductie van industriële emissies, is de fosfaatlozing op oppervlaktewater in Nederland tot 2010 fors gedaald. Desalniettemin voldoet het Nederlandse water nu nog niet aan de fosfaatnormen voor 2027 uit de Europese Kaderrichtlijn Water. Dit wordt vooral veroorzaakt door af- en uitspoelen van overmaat mest en onvoldoende fosfaatterugwinning in rioolzuiveringsinstallaties.

Fosforgips

Fosfor-gips (calciumsulfaat) ontstaat als bijproduct van de behandeling van fosfaaterts met zwavelzuur. Sommige verontreinigingen in sedimentair erts komen in deze fosfor-gips terecht en maken die onbruikbaar; het wordt dan vooral gedumpt. Het bekendst is het gevaar van het vrijkomen van gasvormig radioactief radon (afvalproduct van uranium en thorium) uit gipsplaten in de woningbouw.

Cadmium

Sommige giftige verontreinigingen komen ook terecht in het fosfaat-hoofdproduct. Met name cadmium is een grote zorg. Een belangrijk deel van de cadmium komt via de landbouw in onze voeding terecht. Teveel cadmium leidt bijvoorbeeld tot acute longaantasting bij inademing, longkanker, schade aan nieren, osteoporose, ademhalingsproblemen, een lager geboortegewicht en verminderde vruchtbaarheid. De EU heeft per 2022 een norm gesteld van maximaal 60 mg cadmium per kg P2O5; deze norm kan in de EU net gehaald worden door het mengen van schonere en vuilere fosfaatstromen. Er is discussie over het verlagen van deze norm naar 40 en de uiteindelijk gewenste 20 mg/kg. In dat laatste geval is vrijwel alle sedimentaire fosfaaterts (95% van de voorraden) onbruikbaar zonder aanvullende kostbare technieken voor cadmiumverwijdering.

Uitputting

Tabel 1 geeft een overzicht van de productie en winbare voorraden van fosfaaterts. Verreweg de grootste voorraden liggen in Marokko (en binnenkort ook in Noorwegen), China is de grootste producent, voor zijn grote eigen bevolking. Bij het huidige verbruik is er nog een voorraad voor 336 jaar. Is dat veel of weinig? Het lijkt een lange periode, er wordt nog geen schaarste ervaren, de prijzen zijn meestal stabiel. Maar het is een beangstigend idee dat over tien generaties alle fosfaat op zou zijn. Er is geen alternatief voor fosfaat in de voedselketen. Niet ingrijpen zal uiteindelijk leiden tot hongersnood op grote schaal.

Soms dringt het eerste besef door dat er actie genomen moet worden. Fosfaat staat bijvoorbeeld sinds 2014 op de lijst van Critical Raw Materials van de EU. De EU is een grootverbruiker van fosfaat, heeft nauwelijks eigen productie en is afhankelijk van import uit een beperkt aantal landen. Naast dit geopolitieke risico zijn er ook andere issues. Zo maskeren de grote voorraden problemen met de kwaliteit van het fosfaaterts, die zich zullen vertalen in steeds hogere winnings- en zuiveringskosten. Nu vragen sommige producten, zoals de nieuwe LFP-batterijen, al om schaars, extreem zuiver fosforzuur. Mogelijk biedt de nieuwe productie in Noorwegen hier uitkomst, zij het tegen hoge kosten. Mettertijd zal ook de kwaliteit van het fosfaaterts dalen en bijvoorbeeld het cadmiumgehalte toenemen. Dat vraagt om cadmiumverwijdering, kunstmest zal duurder worden en minder betaalbaar voor arme landen. Honger begint niet pas wanneer fosfaat op is, maar al wanneer fosfaat duurder wordt.

LandProductieEconomisch winbare voorraad
  miljoen ton per jaar miljoen tonjaar
China903.800       42
Marokko3550.000     1429
VS201.000       50
Rusland142.400      171
Jordanië121.000       83
Saoedi Arabië8,51.400      165
Brazilië5,31.600      302
Egypte4,82.800      583
Peru4,2210       50
Tunesië3,62.500      694
totaal22074.000      336

Figuur 1. Overzicht van voorraden en productie van fosfaaterts (grootste 10 productielanden). Fosfaaterts bevat 5-35% fosfor als P2O5, gemiddeld 23%. Data uit 2023, nog exclusief de recente vondst in Noorwegen (2018) van 70.000 miljoen ton ‘igneous phosphate’ in diepe lagen, met productie vanaf 2028.

Minder gebruiken

We zullen terug moeten naar minder gebruik van fosfaat. En wat we gebruiken, zal meer circulair gebruikt moeten worden. De meeste zaken moeten opgepakt worden door overheid en boeren, maar ook de consument speelt een grote rol.

Minder gebruiken betekent:

  • Op weg naar een vegetarisch dieet, met consumptie van minder vlees en zuivel. Het meeste land en de meeste fosfaat is nu nodig voor de bereiding van veevoer. Er zijn overigens meer redenen om ons dieet aan te passen. Zo wordt 30% van het klimaatprobleem veroorzaakt door ons voedsel: door ontbossing, methaanemissie door vee en lachgas uit meststikstof.
  • Zuiniger omgaan met voedsel. Circa 30% van het voedsel wordt nu verspild.
  • Minder gebruik van fosfaatmest voor akkerbouw en veeteelt. Nu is de grond vaak al verzadigd met fosfaat, waardoor meer uit- en afspoelt dan nodig.

De biologische landbouw geeft in veel opzichten aan hoe de toekomst er uit zou kunnen zien. We zullen minder moeten bemesten per hectare: minder en liefst geen kunstmest, minder (geïmporteerd) veevoer met voedingssupplementen, en ook minder dierlijke mest. Er moet veel meer aandacht komen voor bodemstructuur en -vruchtbaarheid:

  • Regelmatige vruchtwisseling inclusief groenbemesters
  • Het stimuleren van mycorrhiza in de bodem (voor het beter beschikbaar maken van fosfaat), door niet-kerende bodembewerking en gebruik van compost
  • Meer organisch materiaal en verlaging van de zuurgraad door meer kalk (voor het beter vasthouden van fosfaat)
  • Het voorkomen van bodemverdichting die diepe wortelvorming belemmert (door vaste rijpaden).

Mogelijk zijn er ook andere (deel-)oplossingen. Precisielandbouw reduceert mestdosering. Er wordt steeds meer gesproken worden over permacultuur en ‘agroforestry’, met maximale fosfaat-mobilisatie door mycorrhiza door minimale bodembewerking. Hieronder vallen rijenteelt van bomen en voedselbossen (lees ook: Marnix Kluiters, https://ecosofie.net/blogs/zonder-planten-is-het-voor-ons-allemaal-einde-oefening/). In elk geval zullen we over moeten gaan naar een minder intensieve landbouw en grondgebonden veeteelt met minder dieren. Daarbij horen ook lagere opbrengsten. Maar de grote behoefte aan voedsel maakt dat alleen de meest productieve alternatieve systemen een kans zullen maken.

Meer recyclen

Meer recyclen betekent het terugwinnen van fosfaat uit alle afvalstromen:

  • Terugwinning uit verbrandings-as van rioolwaterzuiveringsslib en uit de producten van speciale fosfaatverwijderingsinstallaties, zoals struviet.
  • Verwerking van mestoverschotten om fosfaat te concentreren en te recyclen.
  • Recycling van fosfaat uit de bodem-as van afvalverbrandingsinstallaties en biomassacentrales, en uit beenderas.
  • Aanpakken van alle industriële emissies, inclusief recycling van batterijen.

Recycling kan gestimuleerd worden door een bijmengverplichting voor gerecycled fosfaat; hierdoor krijgt gerecycled fosfaat een eerlijke prijs.

Een tikkende tijdbom

Hoe lang houden we onze verspilling van fosfaat vol? Gezien de onmisbaarheid van fosfaat als nutriënt en de zorgen over de kwaliteit en geopolitieke beschikbaarheid van een groot deel van de fosfaatvoorraden lijkt het verstandig niet te wachten met ingrijpende maatregelen. Anders wordt fosfaat schaars en duur en krijgt Malthus alsnog zijn gelijk. Uitputting van fosfaat is een tikkende tijdbom.

Foto: Shane mcLendon (Unsplash)

Deel deze blog:

Nieuw: via Ecosofie Academy

Training Duurzame ambitie

Besteed je de 80.000 uur die een gemiddelde carrière telt wel optimaal om duurzaamheid te bevorderen? In dit programma ga je die vragen onderzoeken én word je geholpen om tot concrete acties te komen.