buongiorno!!!...soil and organics to agriculture paolo guarnaccia aiab, italian association for...

BUONGIORNO!!!

Soil and organics to agriculture

Paolo Guarnaccia

AIAB, Italian Associationfor Organic Agriculture

Department of AgronomyUniversity of Catania ‐ Italy

Composting and soil need for organic matter

6th Zero Waste International Conference18-21 November 2009

Puerto Princesa, Philippines

Zero Waste Sicilian Network

This is the only one we have, we shouldn’t waste it all at once!

The 31th of December, one minute before midnight!

• 23,59’15’: Sumeri in Mesopotamia

• 23,59’43’: Alessandro Magno

• 23,59’46’: Jesus Christ 

• 23,59’49’: Fall of Roman Empire

• 23,59’57’: Discovery of America

• 23,59’59’: Industrial Revolution, French Revolution,

Colonialism, I and II World War,

Globalization, … Climate Change!

Soil erosion

University of CataniaExperimental field

We should learn, again, from the nature how to be sustainable

Soil and water

ECOSYSTEM

LivingOrganisms

Atmosphere

Solarenergy

Heat

Ecosystem  is the  fundamental unit of ecology;  it has a structure but also activities which can be identified as function.

5000

Years

World populationWorld population

- 30000 - 25000 - 20000 - 15000 - 10000 - 5000 0C

hris

t 0,1

1

10

100

1000

10000

End

of th

e la

st

W

urm

gla

ciat

ion

End

of p

aleo

lithi

cne

olith

icA

grar

ian

revo

ltion

Beg

inni

ng o

f met

hallu

rgy

Bro

nze

age

Iron

age

Indu

stria

l Rev

olut

ion

Mil l

ion

i nha

b ita

nts

AGRO‐ECOSYSTEM

Crops 

Soilhydrosphere

Atmosphere

Solar energy

Heat

AUXILIARY ENERGY

• soil tillage• fertilisation• irrigation• chemichals

• fuel• human  activities

Yield

‐ natural vegetation‐ consumers‐ herbivorous‐ carnivorous   predators‐ predators   of   predators

‐ decomposers of dead organic matter‐ saprophytes‐ phytofagi and predator, ecc.

Organic agriculture

“Practicing organic agriculture involves managing the agroecosystem as an  autonomous  system, based on  the primary  production  capacity  of the soil under local climatic conditions. 

Agroecosystem management  implies treating the system, on any scale, as a  living organism supporting  its own vital potential  for biomass and animal  production,  along  with  biological  mechanisms  for  mineral balancing, soil improvement and pest control.”

(United Nations Development Programme, New York, 1992)

Carbon cycle in the agro-ecosystem

ErosionErosion

Compost

Food

Bio‐waste

Soil is the key point of the environment equilibrium.It represents the source and the sink of all plant nutrients. 

The teory of “replacing” made by Just Von Liebig (1840) according to the plant uptake of only mineral nutrients (N, P, K, …) was succesfully  until when in the fields there was a sufficient amount of stabilized humus defined as “old strenght” of the soil.Many studies show today the limits of the Liebig  theory. To be validate it has to take in account the soil organic matter content.

Influences of Organic Matter on plant growth, soil systemand environment

Primary effects

‐ protects soil surface from solar energy and rain drop

‐ loosen soil, provide macropores and channels

‐ increase soil faunal and microbial activity

Secondary effects

‐ enhanced N fixation, disease antagonism, ecc.

‐ production of humic substances

‐ production of polysaccharides

‐ production of other non humic compounds

Subsequent effects

‐ increased buffering capacity

‐ increased water holding capacity

‐ increased ion adsorption capacity

‐ darker soil color

‐ production of burrows, macropores

‐ increased aggregate stability, macroporosity

‐ increased mineralization

‐ increased metal ion chelation

‐ reduction of evaporative water losses

‐moderationof soil temperature extremes

‐ greater adsorption of solar energy

‐more adsorption of organic compound

‐more retention of Ca, Mg, K and micronutrients

‐increased gas exchange

‐ increased water infiltration

‐ adsorption of pollutants such as Pb, Cd, Cu

‐ increased supply of available N, P, S and micronutrients

‐ increased availability of Fe, Mn, Cu, Zn

‐ reduced toxicity of aluminum

‐ warmer soil at night in winter

‐ cooler soil in daytime in summer

‐ warmer soil on average

‐ inactivation of toxins, pesticides

‐more stable soil pH

‐ better aeration, oxygen supply to roots

‐ less surface runoff water losses

‐ less soil erosion

‐ increased water availability to plants

Environmental effects

‐ less fertilizer use required

‐ less flooding, more even stream flows

‐ less of some pesticides may be needed

‐ greater groundwater recharge

‐ less water pollution

‐ less land degradation

‐ greater plant production

‐ increased sequestering of CO2

Effects on climate change

‐ Biowaste emits CO2 – short‐term (biogenic) carbon  C neutral

‐ THEREFORE, biowaste as “renewable replacement for fossil fuels” a 

popular argument (e.g. Directive 2001/77) 

‐ Use of compost replaces fertilisers – avoidance of CO2 and other 

GHG’s ought to be considered

‐ Use of compost may lock‐up carbon in the soil – “sequestration” ought 

to be considered

‐ AD turns carbon into a substitute fuel (biogas: 100‐150 m3/ton d.m.) –

this replaces fossil fuels

Janssens et al., 2004

Greenhouses gas savings

use of biogas as a fuel (diesel trucks)use of biogas as a fuel (diesel trucks) 27922792

displacing mineral fertiliserdisplacing mineral fertiliser 723723

displacing organic matter: peat (1/3)displacing organic matter: peat (1/3) 24012401

displacing organic matter: straw (2/3)displacing organic matter: straw (2/3) 400400

TOTAL SAVINGSTOTAL SAVINGS 63166316

Importance of C sequestration

545.000 Gg CO2

148.636.364 ton C

16.000.000 hectares Arable Land Area

3600 ton/ha unit weight of the soil

57.600.000.000,00 ton soil

0,258% % of Carbon to be locked up in the soil in order to balance the overall national emissions of carbon dioxide in 1 year

Source: "National Communications from Parties included in Annex 1 to the Convention: Greenhouse Gas Inventory Data from 1990 to 1998"

Southern Europe Soil Organic Content

Sicily

In  Europe  more  than  20  million  hectars  are  degraded  as  the result of industrial waste and of acid rains caused by air pollution, while more  than  25%  of  agricultural  land  and  25%  of  grazing areas are endangered.

Drought and desertification are consequences of the instability of the climate, but degradation of  soil and  loss of  fertility are due also  to  an  intensive  use  of  land  and  water  resources, deforestation,  inadequate agro‐pastoral practices, that  it  is, to a non‐sustainable use of natural resources by man.

In  Italy about 27% of  the  territory  is under  threat of  increasing aridity of the soil, even in the fertile plains.

UNCCD, United Nations Convention to Combat Desertification ‐ Paris, 14 October 1994

… the  aim  of  this  Directive  is,  by  way  of  stringent  operational  and  technical 

requirements on the waste and  landfills,  to provide  for measures, procedures and 

guidance  to  prevent  or  reduce  as  far  as  possible  negative  effects  on  the 

environment.

COUNCIL DIRECTIVE 1999/31/ECof 26 April 1999 on the landfill of waste

... this strategy shall ensure that not later than 15 years after the date laid down in 

Art. 18(1), biodegradable municipal waste going to  landfills must be reduced to 

35 % of the total amount (by weight) of biodegradable municipal waste produced 

in 1995 ….

COMMISSION OF THE EUROPEAN COMMUNITIESBrussels, 22.9.2006Thematic Strategy for Soil Protection

Soil  degradation  is  a  serious  problem  in  Europe.  It  is  driven  or

exacerbated by human activity  such as  inadequate agricultural and 

forestry practices,  industrial activities, tourism, urban and  industrial 

sprawl  and  construction  works.  These  activities  have  a  negative 

impact,  preventing  the  soil  from  performing  its  broad  range  of 

functions and services to humans and ecosystems. This results in loss 

of  soil  fertility,  carbon  and  biodiversity,  lower  water‐retention 

capacity,  disruption  of  gas  and  nutrient  cycles  and  reduced 

degradation of contaminants.

… continueAn estimated 115 million hectares or 12% of Europe’s total  land area are subject to water erosion, and 42 million hectares are affected by wind erosion.An estimated 45% of European soils have low organic matter content, principally in southern Europe but also in areas of France, the UK and Germany.

Concerning measures  for  combating  the  decline  in  soil  organic matter,  not  all types of organic matter have the potential to address this threat. Stable organic matter  is present  in compost and manure and, to a much  lesser extent,  in sewage sludge and animal slurry, and it is this stable fraction which contributes to the humus pool in the soil, thereby improving soil properties.

COMMISSION OF THE EUROPEAN COMMUNITIESBrussels, 22.9.2006Thematic Strategy for Soil Protection

"bio‐waste" means biodegradable garden and park waste, food 

and kitchen waste from households, restaurants, caterers and 

retail premises and comparable waste from food processing 

plants.

Article 3Definitions

DIRECTIVE 2008/98/EC  ON WASTE

Article 4

Waste hierarchy

(a) prevention;

(b) preparing for re‐use;

(c) recycling;

(d) other recovery, e.g. energy recovery; and

(e) disposal.

Article 22Bio‐waste

… encourage:

(a)the separate collection of bio‐waste with a view to the composting and digestion of bio‐waste;

(b) the treatment of bio‐waste in a way that fulfils a high level of environmental protection;

(c) the use of environmentally safe materials produced from bio‐waste.

European Organic Waste Situation:Potential organic Waste in EU15:50 Mio. t / year

Treatment (2004):11 Mio t Biowaste7 Mio t Greenwaste3,5 Mio t Digestion

=> 42 %=> 42 % (+2 % to 2002)

8,5 Mio t compost

Established separate collection and composting

In implementation

In beginning phase

No activities

4 Mt240 plants

Separate Coll.in all municipalities

.

3 Mt

12 Mt800 plants

Collection + transp. costs Municipalities in Verona Province 1998

61.389

62.197

0 20.000 40.000 60.000 80.000 100.000 120.000

Dolce'

Oppeano

Peschiera

MEDIA doppio contenitore

Fumane

S.Martino B.A.

Sona

Angiari

Bevilacqua

Mezzane di Sotto

Buttapietra

Casaleone

Castelnuovo D.G.

Bussolengo

Legnago

San Bonifacio

Villafranca

MEDIA convenzionale

Cost (ITL.inhab-1 yr-1)

61.090

MEDIA domiciliarizzato

TRADITIONAL COMMINGLED COLLECTION

SOURCE SEPARATION AT THE DOORSTEP

SOURCE SEPARATION BY MEANS OF ROAD CONTAINER

€€ 31,55 /inh.y31,55 /inh.y

€€ 31,70 /inh.y31,70 /inh.y

€€ 32,12 /inh.y32,12 /inh.y

What is left in residuals? Prov. Lucca Capannori

Categorie merceologiche % (peso/peso) % (peso/peso) 20%Materiale organico da cucina; 25,12% 14,84% 2,97%Materiale organico da giardino; 9,16% 4,36% 0,87%Giornali (quotidiani e riviste); 5,09% 0,95% 0,19%Cartone ondulato; 6,12% 0,06% 0,01%Cartone teso; 2,49% 0,27% 0,05%Imballaggi cellulosici poliaccoppiati; 0,98% 1,46% 0,29%Altra carta (non imballaggio e nongiornali e riviste); 5,68% 9,77% 1,95%Imballaggi flessibili in alluminio; 0,28% 1,07% 0,21%Imballaggi rigidi in alluminio; 1,00% 0,00% 0,00%Imballaggi in acciaio; 1,20% 9,35% 1,87%vetro; 2,11% 1,26% 0,25%Imballaggi flessibili in plastica; 8,76% 1,60% 0,32%Imballaggi rigidi in plastica (bottiglie e 2,08% 0,61% 0,12%Imballaggi rigidi in plastica (nonbottiglie e flaconi); 1,96% 1,17% 0,23%Imballaggi poliaccoppiati in plastica; 0,64% 1,91% 0,38%Altra plastica: sacchi neri; 4,83% 0,61% 0,12%Altra plastica: non imballo; 2,88% 8,05% 1,61%Imballaggi in legno; 0,72% 5,75% 1,15%Tessili e cuoio; 9,08% 17,30% 3,46%Materiali inerti, 0,22% 2,64% 0,53%Pannolini; 6,07% 13,65% 2,73%RUP; 0,30% 0,30% 0,06%Sottovaglio < 20mm. 3,25% 3,05% 0,61%TOTALE 100% 100% 20,00%

after = 12,7%after = 12,7%

Diversion = 82% !!Diversion = 82% !!

15% 15% plasticsplastics

before = 71,4%before = 71,4%

BMWBMW

organics

organics

napp

ies

napp

ies

15% 15% paperpaper

Anaerobic Digestion

• Turns biogenic C into a substitute fuel 

• Wider benefits (renewable energy AND soil improvers)

• Not dependent on availability of bulking materials (e.g. metropolitan 

areas, lack of gardens)

• Unit investment and operational cost usually  higher than composting (in 

spite of revenues from energy production, even if Renewable Energy is 

subsidised)

• Less independent from economies of scale

• Cost for the management of wastewaters – requires good integration of 

waste management and management of wastewater 

• Flexible system

• Simple technology

• Less complicate microbial biology

• Cheaper than anaerobic digestion

• But: odour management a critical issue

• Also, requires bulking agents (wooden waste or similar)

Composting

A Comparison of Anaerobic Digestion with Composting

Comparison Table From: “Introduction to Anaerobic Digestion”, Wolfgang Muller and Axel Huttner, ORA -Organic Resource Agency Ltd. and IGW – Ingenieurgemeinschaft Witzenhausen Fricke & Turk.

Presented at the Biowaste: Digesting the Alternatives Seminar, April 2005, UK.

Anaerobic Digestion: flowsheet and mass‐balance

Composting – flowsheet and mass‐ballance

36

AD + composting: flowsheet and mass‐balance

INTEGRATION OF AD + COMPOSTING

Improve facility energetic balance (biogas)

Odour control

Less area surface

Less CO2 emission

Less methane emission (potentially ‐ 20 million m3/d)

(that means  a  reduction  of    300.000  ton/d  of  CO2 equivalent,  3,6% of global european emission of CO2 or about 50% of the reduction of CO2 emission for Europe according to Kyoto

Compost companies and facilities in Italy

Decreto legislativo n. 217/2006

792 trade companies registered untill February 2008About other 5,000 companies applied after February 2008

237 composting facilities in 2006 (+ 22 vs. 2005)100 facilities have a capability > 10,000 t/yr

From: Massimo Centemero, Consorzio Italiano Compostatori

Separate collection of organic waste for composting in Italy

1,800 Municipalities  (20% of total italian municipalities)

7,000,000 Families

17,500,000 Inhabitants  (30% of total italian inhabitants)

From: Massimo Centemero, Consorzio Italiano Compostatori

Compost production in Italy. Anno 2006

Green organic waste 1,080,000 t

Kitchen organic waste 1,200,000 t

Sludges 536,000 t

Other 388,000 t

Total organic waste 3,185,000 t

Compost 1,439,000 t (+20% vs. 2005)

From: Massimo Centemero, Consorzio Italiano Compostatori

Compost trade and prices in Italy. Year 2005

62 %  Agriculture (field crops and horticulture)34% Plant nursery, hobbistic gardening4% Landscape (parks, sport facilities, ecc.)

30‐50 €/t (high investments, packaging, ecc.)0‐10 €/t (low investments, bulk product, local market, ecc.)

From: Massimo Centemero, Consorzio Italiano Compostatori

Financial support to farmers using compost in ItalyP.S.R. 2007‐ 2013 (EU Rural Development Plan)

Region Economic support (€/Ha/yr)

CAMPANIA  301 €/ha (area A1, A2, A3, B), 245 €/ha (C) e 167 €/ha (D1 e D2)

EMILIA ROMAGNA 180 €/ha (plain), 220 €/ha (hill)

LAZIO  100 €/ha

MARCHE 190 €/ha

PIEMONTE  180 €/ha

PUGLIA 91 €/ha

TOSCANA  240 €/ha

VALLE D’AOSTA  840 €/ha (grapes), 775 €/ha (fruit crops)

SARDEGNA  € 150/ha (slope <30%), € 155/ha (slope >30%)

SICILIA  from 90 €/ha (forage crops) to 600 €/ha (fruit crops)

Composting of biodegradable municipal waste in Europe

Key Observations

EU  policy  seeks  to  establish  a  Europe‐wide  systems  of  standards in  place  for 

compost that  seek  to ensure protection of human health and  the environment

and for quality assurance systems for compost producers.

The analysis of external costs and benefits in comparison with the other options is 

favourable  to  the  separate  collection  and  treatment  of  biowastes through 

composting.

From: Economic Analysis of Options for Managing Biodegradable Municipal Waste . Final Report to the European CommissionEunomia Research & Consulting, Scuola Agraria del Parco di Monza, HDRA Consultants, ZREU and LDK ECO on behalf of ECOTEC Research & Consulting

… continue

The magnitude  is not  large because of  the  limitations of  the economic analysis

and,  in  turn,  of  the  scientific  knowledge concerning  the  actual  effects  one  is 

seeking to quantify.

There is good reason to believe that a complete analysis would show compost in a 

rather  more  positive  light  because  some  of  the  more  negative  aspects  of 

landfilling and  incineration have not been yet captured and the real benefits of 

compost utilisation are relatively poorly understood and not so easily quantified.

Composting of biodegradable municipal waste in Europe 

Conclusions

A  policy  of  source  separation  will  be  justified  where  the  collection  system  for source‐separated biowastes is carried out in such a way as to optimise costs. 

The  costs  for  composting  are  likely  to  be  lower  under  mandatory  separate collection to the extent that this increases typical plant scale.

Separate  collection  increases  the  possibility  for  implementing  variable  charging schemes, which  can  influence waste  generation,  and  act  to  sensitise  citizens  to waste as an environmental issue.

From: Economic Analysis of Options for Managing Biodegradable Municipal Waste . Final Report to the European CommissionEunomia Research & Consulting, Scuola Agraria del Parco di Monza, HDRA Consultants, ZREU and LDK ECO on behalf of ECOTEC Research & Consulting

… continue

Larger  treatments  such  as  landfills  and  incinerators  are  relative unpopular while the potential linkages with agri‐environmental / rural  development  policies could  encourage  compost  utilisation (and production).

A policy  requiring source separation might not be necessary  in aworld where the Landfill Directive is fully implemented and where subsidies distorting  the net  costs  of  residual waste  treatmentswere less prevalent than they are.

From: Economic Analysis of Options for Managing Biodegradable Municipal Waste . Final Report to the European CommissionEunomia Research & Consulting, Scuola Agraria del Parco di Monza, HDRA Consultants, ZREU and LDK ECO on behalf of ECOTEC Research & Consulting

… continue

It  is  quite  possible,  even  likely,  that  the  external  benefits  of applying  compost to  land will  appear  greater  as  understanding improves concerning the complex  interactions between compost and soil.

Society  may  come  to  understand  that  the  benefits  of  applying quality  composts  to  the  soil,  and  hence,  of  a  policy mandating source  separation, are much greater  than have been anticipated thus far.

Composting of biodegradable municipal waste in Europe

Recommandations for future investigations

Further work  should  seek  to  investigate  the  potential  for  compost applications :

i. to contribute to the sequestration of carbon, and also, the build up of organic matter in the soil;

ii. to reduce requirements  for pesticide use in agriculture and other forms of cultivation;

iii.  to  offset  nitrous  oxide  emissions associated  with  the  use  of manures and synthetic nitrogenous fertilisers;

iv. to reduce the likelihood of flooding owing to compost tendency to support greater infiltration and retention of water.

From: Economic Analysis of Options for Managing Biodegradable Municipal Waste . Final Report to the European CommissionEunomia Research & Consulting, Scuola Agraria del Parco di Monza, HDRA Consultants, ZREU and LDK ECO on behalf of ECOTEC Research & Consulting

… from landfill and incinerators to composting!!!

Enzo FavoinoScuola Agraria del Parco di Monza

My special thank to:

GRAZIE e …ARRIVEDERCI!!!