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Approche systémique des flux et bilans de phosphore (P) en France: les enjeux du recyclage
Mollier ANesme Thomas, Senthilkumar Kalimuthu, Pellerin Sylv ain
UMR ISPA (INRA/Bordeaux Sciences Agro)
Séminaire Phosph’OR, Rennes le 23 Janvier 2014
ContexteLe phosphore : une ressource limitée non renouvelab le
Le phosphore nécessaire à la synthèse des engrais est aujourd’hui considéré comme une ressource limitée globalement
A Mollier et al. Flux et bilans de P à l’échelle de la France Rennes Janv-2014
Ceci entraîne un changement de posture scientifique:De l’optimisation technico-économique de la fertilisation pour les agriculteurs
À la mise au point de scénarios valorisant au mieux une ressource non renouvelable, non substituable pour les pouvoirs publics
(Van Enk et al., 2011)
ContexteLe phosphore : un enjeu géopolitique potentiel
800
1000
1200
1400
US
Dol
lars
per
ton
TSP
DAP
Phosphate Rock
L’évolution du contexte (hausse de la demande, élasticité faible de l’offre) risque d’entraîner une augmentation rapide du prix des engrais P
De plus, les ressources fossiles mondiales en P sont inégalement distribuées
(Source: World Bank)
A Mollier et al. Flux et bilans de P à l’échelle de la France Rennes Janv-2014
0
200
400
600
déc.-8
3déc
.-85
déc.-8
7dé
c.-89
déc.-
91dé
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ton
La France, comme presque toute l’Europe n’a pas de ressources fossiles sur son territoire
Réserves minières18 milliards de t (estimation 2005)
(Stewart, Hammond & Van Kauwenbergh. 2005 )
Objectifs de recherche
La réduction de la dépendance vis-à-vis des engrais de synthèse phosphatés impose un diagnostic sur cet état de dépendance et la mise au point de modes de production et de consommation plus efficients
Objectif de quantification et traçage des stocks et des flux de P à une échelle large : nationale (ex: France)
A Mollier et al. Flux et bilans de P à l’échelle de la France Rennes Janv-2014
� Identifier� Les principaux flux et stocks� Les forces motrices / déterminants des ces flux et stocks� Les pertes� Les efficiences et opportunités de recyclage
� Evaluer les efficiences d’utilisation de la ressource P
Démarche
Représentation conceptuelle du cycle du P à l’échel le nationale� Compartiments agrégés en sphères (ex: sols, cultures,
animaux =>Agriculture)� Stocks des compartiments et flux entre les compartiments� Une méthodologie dérivée de l’écologie industrielle
A Mollier et al. Flux et bilans de P à l’échelle de la France Rennes Janv-2014
Quantification des flux annuels
Flux de P = Flux de matière x [P]kt P/an = kt MS/an x kt P/kt MS
Statistiques, BDD nationalesAnnées 1990-2006
Littérature scientifique
Agriculture 2
3
4
1
Cultures Sols
Animaux
7
98
6
5
Masses d'eaux
Décharges
Pertes
26
Atm
osp
he
re
24 25
1612
13
14Aliments
Imp
ort
ati
on
s
Animaux
vivants
Alimentation
Ex
po
rta
tio
ns
Animaux
vivants
i1 e1
A Mollier et al. Flux et bilans de P à l’échelle de la France Rennes Janv-2014
Domestique Industrie
Eaux usées
Humains
Alimentation
humaine
Déchets
IAA
Engrais
Détergents
18
17
21
23
20
19
1511
22
10
Aliments
humaine et
animale
Engrais
Détergents
Imp
ort
ati
on
s
Engrais
Alimentation
humaine et
animale
Détergents
Ex
po
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tio
ns
i3
i4
i2 e2
e3
e4
i1 e1
4
1
2
23
2115
Agriculture
9
6
3
5
8
25
Waste
Atm
osph
ere
Crops
564 (0)Soils (111075)
778 (156)
Animals (47.2) 390 (-3.1)
564
112213 310
239
80.3
11.8
43.3
222
177
286
3.7
45.2
719 24
29.9
30.2
Water bodies
103 (101)
Landfill
46.5 (46.5)
Environment
24
14.8
20 16.3
Animals (47.2)
390 (-3.1)Inflow Outflow
Total inflow Balance
StockCompartment name
(Senthilkumar et al., 2012 GBC )
1
2
3
4
5
Crop uptake
Crop residue
Fodder
Animal excretion
Crop products
7
8
9
Feed
Fertilizer use
Seed
Processed food10
6 Animal products
Reused waste
Municipal waste
Composted waste
13
14
15
Processed goods
Processing waste
11
12
Landfilled waste16
DetergentsWastewater
17
18
19 Composted sludge
Incinerated sludge20 25 Atmospheric deposition
Seafood
Treated wastewater21
22
23
24
Runoff & erosion
Leaching
Food & Feed
113
Fertilizer318
Detergents
33.2
Impo
rt
Live animals
0.3
e2
e3
e4i4
i3
i2
Fertilizer
29.8
Food & Feed133
Detergents
NA
Exp
ort
Live animals2.5
Domestic Industry14
Wastewater
85.5 (0)
Humans (39.8)
119 (-6.5)
Waste
70.3 (0)
Food & Feed(25.2)
471 (16)
Fertilizer
318 (2)
Detergents33.2 (0)
85.5
33.2
30.216
40.4
11
12 30
78.5
7.713
10.3
17
10
18
1. Une rôle majeur joué par l’agriculture
Les flux les plus intenses concernent l’agriculture :
� Ex: entrées de P dans les sols = 780 kt P/an (290 kt P/an sous forme d’engrais)
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Agriculture
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Animals (47.2)
390 (-3.1)
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112213 310
239
80.3
11.8
43.3
222
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3.7
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Water bodies
103 (101)
Landfill
46.5 (46.5)
Environment
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Animals (47.2) 390 (-3.1)
Inflow Outflow
Total inflow Balance
StockCompartment name
Rôle clé de l’élevage :� Consommation : 390 kt P/an� Emissions de 310 kt P/an dans
les effluents d’élevage� Moteur d’importations de
concentrés
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Crop uptake
Crop residue
Fodder
Animal excretion
Crop products
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Feed
Fertilizer use
Seed
Processed food10
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Reused waste
Municipal waste
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Processed goods
Processing waste
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DetergentsWastewater
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Incinerated sludge20 25 Atmospheric deposition
Seafood
Treated wastewater21
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Food & Feed
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Domestic Industry14
Wastewater
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Humans (39.8)
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Food & Feed(25.2) 471 (16)
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Detergents
33.2 (0)
85.5
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78.5
7.713
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(Senthilkumar et al., 2012 GBC )
2. Des importations et exportations massives de P sous forme d’aliments
Import of food and feed
Mineral P feed42%
Crop products
14%
Animal products
5%
133 kt P/an exportés ��113 kt P/an importés 133 kt P/an exportés �Import of food and feed
Mineral P feed42%
Crop products
14%
Animal products
5%
Export of food and feed
Oilcakes2%
Animal products
6%
� Ces importations représentent quasiment la moitié du flux d’engrais importé
� Ces importations génèrent un usage d’engrais de P dans les pays fournisseurs
Oilcakes39%
Oilcakes39%
Crop products
92%
(Senthilkumar et al., 2012 GBC )
3. Le bilan de P des sols agricoles reste positif
Entrées
Sorties
� Entrées de P dans les sols agricoles: 778 kt P/an:
� 40% en déjections� 37% en engrais� 14% en résidus de culture� 7% recyclage de déchets urbains Sorties
Bilan
� 2% autres (semences, dépôts)
� Sorties de P: 622 kt P/an� 91% prélèvement par les cultures� 9% ruissellement/lessivage
� Bilan positif de +4 kg P/ha/an , en forte baisse depuis 15 ans
(Senthilkumar et al., 2012 GBC )
4. L’efficience d’utilisation du P au sein de la chaîne alimentaire reste faible
L’efficience d’utilisation du P globale peut-être définie comme:
∑ agricolessolslesdansentrantP
consommésesalimentairproduitsdesP
Elle ne tient pas compte des importations et exportations des produits alimentaires
En France : efficience d’utilisation du P globale = 10% (79/778)
L’efficience d’utilisation globale du P
� La faible efficience estimée ne tient pas compte des nombreux recyclages se produisant le long de la chaîne
Sols(∑entrées = 778)
Cultures
322 kt P/an
564
390
58
112
� Elle n’intègre pas non plus les pertes chez les consommateurs finaux (50% des entrées)
Animaux
Industries AA
Consommateurs
finaux
80
62
390
30
7940
310
30
D’importantes différences d’efficience d’utilisation du P selon les secteurs
�L’efficience de l’agricultureprogresse globalement :
� Forte progression pour les cultures, associée à une forte réduction de l’usage d’engrais (-60% en 15 ans).
���� Soil P efficiency
l’usage d’engrais (-60% en 15 ans). 564/778=72% en 2006
� Pas de progression pour les élevages malgré des progrès en alimentation pris partiellement en compte ici. 80/390=20.5% en 2006
���� Animals P efficiency
(Senthilkumar et al., 2012 GBC )
D’importantes différences d’efficience d’utilisation du P selon les secteurs
� Les efficiences de recyclage du P sont variables suivant les catégories de déchets
Waste category
P generated
(kt P /yr)
P recycled
(% of P generated)
Current P recycling
efficiency (%)
To agricultural
soils
To food and feed
processingsoils processing
Food processing waste 28.0 40.7% 33.9% 74.6%
Household wastewater 62.9 43.1% 0% 43.1%
Municipal waste 43.8 43.2% 4.2% 46.3%
(Senthilkumar et al., 2014 en prép.
D’importantes différences d’efficience d’utilisation du P selon les secteurs
Efficiences de recyclage du P des eaux usées (ex: 2 002-2006)
Eaux usées produites(62.9)
Eaux usées traitées(56)
89% 11%
48%
30%
Eaux usées non traitées(6.9)
22%
P non capté par les traitements
(12.2)
19.4% du P des eaux usées
Boues épandues en frais ou
compostéessur sols agricoles
(27.1)
43% du P des eaux usées
Boues incinérées et enfouies
(16.7)
26% du P des eaux usées
Potentiellement ~35 kt P/an pourraient être recyclés
Pertes vers le réseau hydro(19.1)
(flux de P en kt P/an)
(Senthilkumar et al., 2014 en prép.
D’importantes différences d’efficience d’utilisation du P selon les secteurs
Municipal waste (43.8)
Paper and cardboards (1.9)
Textile and sanitary textile (0.4) Organics (41.5)
Glass, plastic and metal (0)*
Cas des déchets municipaux
Reusing (1.4)
Agricultural soils (18.9)Landfill (23.5)Processing (1.4)
Landfilling (0.6) Incineration (22.6) Composting (18.9)Incineration (0.4)
Potentiellement ~23.5 kt P/an pourraient être recyclés
43%54%
(flux de P en kt P/an)
(Senthilkumar et al., 2014 en prép.
En conséquence, les pertes environnementales restent fortes
� Les pertes vers l’environnement (vers le réseau hydrographique, mise en décharge/enfouissement) représentent 150 kt P/an, soit l’équivalent de 52%
� Ces pertes environnementales se composent de
� 39% en provenance de l’agriculture
(érosion 43 kt P, lessivage 15 kt P)150 kt P/an, soit l’équivalent de 52% des engrais épandus (286 kt P/an)!
�Elles représentent des sorties de P du système d’étude
�A cela se rajoute la fonction de puits des sols (+156 kt P/an)
(érosion 43 kt P, lessivage 15 kt P)
� 41% en provenance des eaux usées
(16 kt P enfouies, 45 kt P rejetées en
rivière)
� 20% en provenance des déchets
5. Le bilan national de P masque une importante variabilité interrégionale
� La variabilité s’exprime sur les bilans de P des sols comme sur les flux agricoles
� Elle est associée à d’importantes différences des caractéristiques régionales des systèmes de production
Senthilkumar et al, 2012 Nutrient Cycling in Agroecosystems
Dans les régions de grandes cultures (ex: la région Centre)
5. Le bilan national de P masque une importante variabilité interrégionale
� Le bilan des sols tend à l’équilibre (+ 1kg P /ha/an)
� Les exportations reposent sur un recours massif aux engrais de synthèse
Senthilkumar et al, 2012 Nutrient Cycling in Agroecosystems
Dans les régions d’élevage (ex: la région Bretagne)
5. Le bilan national de P masque une importante variabilité interrégionale
� Le bilan des sols reste très positif (+ 19 kg P /ha/an)
� Les entrées de P: 20% engrais de synthèse + 74% aliments pour animaux
� Même sans utilisation d’engrais, le bilan des sols resterait positif
Senthilkumar et al, 2012 Nutrient Cycling in Agroecosystems
Synthèse des principaux résultats
1. L’agriculture, notamment l’élevage, ainsi que les importations/exportations jouent un rôle majeur dans le cycle du P à l’échelle nationale
2. Le bilan de P des sols reste positif en France
3. L’efficience globale d’utilisation du P reste faible, mais varie selon les
A Mollier et al. Flux et bilans de P à l’échelle de la France Rennes Janv-2014
3. L’efficience globale d’utilisation du P reste faible, mais varie selon les secteurs du cycle
4. Les pertes environnementales sont importantes, encore en majorité d’origine urbaine
5. Les différences régionales restent fortes, déterminées par les systèmes de production régionaux
Conséquences pratiques
� La France, via son agriculture, contribue à l’épuisement de la ressource en P− Consommation = 1.2% de la production mondiale d’engrais P en 2006− Population = 0.9% de la population mondiale− A cela se rajoute la consommation ‘distale’ d’engrais P générée par l’importation de
concentrés pour nourrir les animaux
� Du point de vue de l’économie de la ressource en P, l’effort est plutôt à réaliser sur l’efficience en agriculture (valorisation cultures/élevages).
A Mollier et al. Flux et bilans de P à l’échelle de la France Rennes Janv-2014
sur l’efficience en agriculture (valorisation cultures/élevages). − Environ 59 kt P/an (21% des fertilisants P épandus) pourraient être
économisés− Autant de réduction des pertes de P vers l’environnement
� Des voies de progrès nécessaires en aval de la chaîne alimentaire…
Perspectives scientifiques
� Meilleure prise en compte de l’incertitude des données
� Analyse de l’articulation des échelles étudiées (exploitations, petites régions, pays, globale)
� Elaboration et test de scénarios alternatifs, à partir de modèles dynamiques de flux et stocks
A Mollier et al. Flux et bilans de P à l’échelle de la France Rennes Janv-2014
flux et stocks
� Besoin de considérer les formes de P des produits recyclés, notamment dans la sphère agricole, pour évaluer la part du P biodisponible et leur valeur fertilisante (cf exposé de C Morel)
Opportunités d’amélioration du recyclage du P des déchets
Waste category Current P recycling efficiency
(%)
Potential P recycling efficiency
(%)
Gain in recycled P in kt P y –1
Comment
Food processing waste 74.6 74.6 0 Already high P recycling efficiency, difficult to increase for sanitary reasons
Household wastewater 43.1 97.3 34.1 Improved recycling through improved household
connection to municipal WWTP (+6.9 kt P y–1),
(Senthilkumar et al., 2014 en révision)
connection to municipal WWTP (+6.9 kt P y–1), generalization of tertiary wastewater treatment (+10.5
kt P y–1) and full use of sludge on agricultural soils
(+16.7 kt P y–1)
Municipal waste 46.3 100 25 Full P recovery and recycling through separate organic fraction collection
Total 50.7 94.6 59.1
Industrial food transformation waste (9.0)
Liquid waste (6.4) Solid waste (2.6)
Sludge (6.2) Effluent (0.2) Animal product waste (2.0) Other waste (0.6)
Methanisation (0.1)
Cas des déchets de l’industrie alimentaire
Agricultural spreading (5.8)
Composting (0.7) Reusing (1.4)
Sent to WWTP (0.2) Incineration (0.7)
Methanisation (0.1)
Landfill (0.1)
Agricultural soils (6.5) Landfill (0.9)
WWTP (0.2)Processing (1.4)
(Senthilkumar et al., 2014 en révision)