Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model...

64
Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren Stråå t Master of Science Thesis Stockholm 2013

Transcript of Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model...

Page 1: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the

Swedish Bovine and Poultry Industries

Kim Dahlgren Strååt

Master of Science Thesis

Stockholm 2013

Page 2: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren
Page 3: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

Kim Dahlgren Strååt

Master of Science Thesis STOCKHOLM 2013

Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the

Swedish Bovine and Poultry Industries

PRESENTED AT

INDUSTRIAL ECOLOGY ROYAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Supervisor:

Monika Olsson, Industriell ekologi, KTH Jonas Svensson, Senior advisor and Business developer, Atkins Examiner:

Monika Olsson, Industriell ekologi, KTH

Page 4: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

TRITA-IM 2013:15

Industrial Ecology,

Royal Institute of Technology

www.ima.kth.se

Page 5: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

I    

 

Abstract  

For  this  master’s  thesis  a  Phosphorus  footprint  model  is  developed  for  and  applied  to  the  Swedish  bovine  and  poultry  industries.  The  flows  of  phosphorus  are  identified  and  quantified  to  create  an  input-­‐output  balance  of  phosphorus  per  single  life  stage  of  a  meat  product.  The  Phosphorus  footprint  model  is  validated  by  applying  it  to  Kronfågel,  part  of  the  food  production  sector  at  Lantmännen.  The  results  are  presented  as  a  “Phosphorus  declaration”  for  one  kg  of  fresh,  boneless  chicken  meat.  The  declaration  shows  potential  for  Kronfågel  to  be  more  effective  in  their  phosphorus  management  by  closing  the  loop  between  their  core  processes  (animal  husbandry  and  livestock  industry)  and  the  upstream  process  (crop  production)  and  re-­‐circulating  manure  plus  slaughter  waste  back  to  agricultural  land.  The  largest  losses  are  identified  in  feed  production  and  animal  husbandry.    

The  conclusion  is  that  the  Phosphorus  footprint  is  the  accounting  methodology  framework  for  creating  a  quantified  flow  chart  and  the  Phosphorus  declaration  illustrates  the  losses  and  management  improvement  possibilities.  Also  the  declaration  can  be  used  to  label  products,  increase  consumer  awareness,  as  well  as  implement  conscious  consumption  and  a  life  cycle  perspective  on  all  levels  related  to  Swedish  bovine  and  poultry  industries.  

   

Page 6: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

II    

Sammanfattning    

I  denna  master  uppsats  har  en  ”Phosphorus  footprint”  modell  utvecklats  för  och  applicerats  på  svensk  livsmedelsproduktion  med  fokus  på  kött.  Livscykeln  och  flödena  av  fosfor  är  identifierade  och  konsumtionen  är  kvantifierad  för  att  skapa  en  substansflödesbalans  för  varje  enskilt  livssteg  i  en  köttprodukt.  Phosphorus  footprint  modellen  är  validerad  och  exemplifierad  genom  att  applikation    på  Kronfågel,  som  är  en  del  av  matproduktionssektorn  hos  Lantmännen.  Resultaten  presenteras  som  en  ”Fosfordeklaration”.    

Beräkningsmetodiken  är  retrospektiv  och  konsumtionsbaserad..  De  beräknade  in-­‐  och  utflödena  används  för  att  skapa  ett  kvantifierat  flödesschema  som  illustrerar  var  i  livscykeln  hushållningen  av  fosfor  kan  förbättras.    Genom  att  skapa  ett  flödesschema  över  kända  flöden,  så  kan  förlusterna  identifieras  och  beräknas  som  skillnaden.  Resultatet  presenteras  som  en  fosfordeklaration  för  den  studerade  köttprodukten,  vilken  kan  användas  som  underlag  för  att  effektivisera  fosforhushållningen.  

Phosphorus  footprint  modellen  är  validerad  på  ett  verkligt  fall  som  är  utvecklat  tillsammans  med  Lantmännen  och  applicerat  på  Kronfågels  kyckling.  Den  analyserade  produkten  är  ett  kg  av  färsk  och  kyld  kycklingfilé,  det  vill  säga  kött  utan  skinn  och  ben..  Resultaten  visar  att  det  finns  potential  för  Kronfågel  att  bli  bättre  med  avseende  på  deras  fosforhushållning.  Detta  kan  göras  genom  att  sluta  loopen  mellan  deras  kärnproduktioner  som  är  djurhållning  och  livsmedelsproduktion  och  uppströmsprocessen  odlingen  av  grödor  genom  återföring  av  stallgödsel  och  slakteriavfall  till  jordbruksmark.  De  största  förlusterna  är  identifierade  i  odlingen  av  grödor  och  hushållningen  av  djur.  Appliceringen  visar  att  det  är  brist  på  grundläggande  data  för  fosfor,  framförallt  i  konsumtions-­‐  och  slutstegen.  Beräkningarna  har  gjorts  genom  att  använda  statistisk  and  genomsnittliga  värden,  vilket  negativt  påverkar  noggrannheten  i  resultaten.    

Phosphorus  footprint  modellen  är  begränsad  till  att  visa  kvantitativ  och  inte  kvalitativ  data,  alltså  den  beräknar  endast  mängden  fosfor  i  de  identifierade  flödena  utan  att  redogöra  för  detaljer  kring  förening  eller  kvalité.  Modellen  saknar  även  en  koppling  till  de  ekonomiska  och  miljömässiga  fördelarna  av  förbättrad  och  mer  medveten  konsumtion.  Emellertid  resulterar  den  i  ett  illustrativt  och  kvantifierat  flödesschema  där  förbättrings-­‐  och  recirkulationsmöjligheter  enkelt  identifieras.  Dessutom  kan  fosfordeklarationen  användas  för  att  märka  produkter  och  öka  konsumenters  medvetenhet,  samt  för  att  skapa  en  mer  eftertänksam  användning  och  ett  livscykelperspektiv  på  alla  nivåer  inom  svensk  köttproduktion.  

Slutsatsen  är  att  Phosphorus  footprint  modellen  bistår  med  beräkningsmetodiken  för  att  skapa  ett  kvantifierat  flödesschema  och  att  fosfordeklarationen  illustrerar  förlusterna  och  möjligheterna  till  förbättrad  hushållning.  Generellt  presenterar  studien  viktiga  insikter  om  användningen  och  förlusterna  av  fosfor,  medan  de  identifierade  begränsningarna  (brist  på  data  och  en  ekonomisk  koppling)  borde  undersökas  för  att  vidare  förbättra  den  värdefulla  Phosphorus  footprint  modellen.      

   

Page 7: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

III    

Acknowledgements  

During  the  process  I  have  had  the  privilege  to  meet  many  talented  people  that  gave  valuable  insights,  guidance  and  advice  along  the  way.  I  would  like  to  thank  my  academic  supervisor  Monika  Olsson,  Director  of  studies  in  the  Industrial  Ecology  department  at  the  Royal  Institute  of  Technology,  which  has  shown  great  patience  and  understanding  throughout  this  process;  without  you  I  would  have  lost  my  way  plenty  of  times.  Also,  I  would  like  to  thank  my  business  contact  and  supervisor  Jonas  Svensson,  Senior  advisor  and  business  developer  at  Atkins,  with  whom  every  meeting  stirred  my  thoughts  around  the  project  mixing  it  with  new  ideas  and  points-­‐of-­‐view;  leaving  it  to  settle  into  something  better  every  time.  Furthermore,  a  big  thank  you  to  Sofie  Villman  at  Lantmännen  for  believing  in  the  project  by  allowing  me  to  exemplify  and  apply  the  Phosphorus  footprint  model  on  the  Kronfågel  chicken  production.  In  addition,  a  big  thank  you  to  Markus  Hoffman  at  the  Federation  of  Swedish  Farmers  and  Kersti  Linderholm  for  your  time  and  interest  put  into  my  project,  as  well  as  for  your  comments  and  expertise  in  this  field.    

Thank  you  to  all  the  people  at  the  Sweco  Environment  department  in  Stockholm  and  in  particular  Petra  Carlenarson,  head  of  the  Environmental  Strategies  group,  for  having  me  and  for  your  support.  I  would  also  like  to  give  a  special  thank  you  to  Annika  Börje,  Environmental  consultant  at  Sweco,  who  took  an  orphan  under  her  wing  and  showed  her  the  ways  around  the  office.  Without  your  mentoring  I  would  have  missed  out  on  the  all  the  social  pleasures  and  benefits  of  the  everyday  working  life.    

Finally  a  great  thank  you  to  my  family  and  friends,  you  built  me  the  solid  ground  I  needed  to  power  through  until  the  end.  

Kim  Dahlgren  Strååt

Page 8: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

IV    

 Table  of  contents  Abstract   I  

Sammanfattning   II  

Acknowledgements   III  

1.   Introduction   1  1.1.   Aim  and  scope  ...............................................................................................................................  2  1.2.   System  boundaries  and  limitations  ...............................................................................................  3  1.3.   Methodology  and  structure  of  report  ............................................................................................  4  

2.   Literature  background  and  overview  of  phosphorus   6  2.1.   Three  aspects  of  phosphorus  .........................................................................................................  6  2.2.   Natural  and  anthropogenic  flows  .................................................................................................  8  

3.   Model  development:  Phosphorus  accounting  and  flow  methodology   10  3.1.   Aims  and  accounting  methodology  .............................................................................................  10  3.2.   Phosphorus  flow  chart  .................................................................................................................  12  3.3.   Phosphorus  declaration  ...............................................................................................................  15  

4.   The  Phosphorus  footprint  model   17  4.1.   System  definition  and  setting  the  aim  .........................................................................................  17  4.2.   Identification  of  life  stages  and  flows  ..........................................................................................  19  4.3.   Data  collection  and  calculation  ...................................................................................................  20  4.4.   Interpretation  and  phosphorus  declaration  ................................................................................  22  

5.   Model  validation:  Case  study  -­‐  Kronfågel   23  5.1.   System  definition  and  aim  ...........................................................................................................  23  5.2.   Identification  of  life  stages  and  flows  ..........................................................................................  25  5.3.   Data  collection  and  calculation  ...................................................................................................  27  5.4.   Interpretation  and  Phosphorus  declaration  ................................................................................  34  

6.   Discussion     38  6.1.   Objectives  of  the  Phosphorus  footprint  model  ............................................................................  38  6.2.   Model  application  .......................................................................................................................  39  6.3.   Final  comments  ...........................................................................................................................  40  

7.   Conclusions  and  future  recommendations   42  

8.   References   43  

Appendix  1:  The  Phosphorus  Footprint  Manual   48  

Appendix  2:  Model  validation  data  and  calculations   53  

Page 9: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

1    

 

1. Introduction  The  world’s  population  is  increasing;  in  2011  it  passed  the  seven  billion  mark  and  it  is  predicted  to  continue  to  increase  2.8%  annually  (World  Bank,  2013).  This  puts  pressure  on  our  planet  and  its  resources  and  in  realization  of  this;  the  concept  of  planetary  boundaries  was  introduced  in  2009  (Rockström,  et  al.,  2009).  The  boundaries  identify  and  quantify  the  safe  operating  space  for  humanity  with  respect  to  nine  Earth  System  processes;  climate  change,  ocean  acidification,  stratospheric  ozone  depletion,  atmospheric  aerosol  loading,  biogeochemical  flows  including  interference  with  phosphorus  and  nitrogen  cycles,  global  freshwater  consumption,  land-­‐system  change,  rate  of  bio-­‐diversity  loss  and  chemical  pollution.  Information  on  the  planetary  boundaries  and  the  overshoot  our  consumption  cause  is  spreading  and  initiatives  to  support  the  development  of  sustainable  business  is  increasing  (Stockholm  Resilience  Centre,  2012;  Sustainable  Business,  2013).    Scientists  call  for  a  shift  in  mind-­‐set  from  linear,  command-­‐control  to  an  adaptive  and  more  flexible  approach  as  the  resilience  of  Earth  behaves  in  a  non-­‐linear  way;  with  dips  and  transition  states  (Rockström,  et  al.,  2009).  

As  globalization  increases,  so  does  the  complexity  regarding  where  in  the  world  the  environmental  effects  connected  to  our  consumption  occur.  This  complexity  makes  it  increasingly  complicated  for  companies,  municipalities  and  consumers  to  investigate  and  identify  the  environmental  consequences  connected  to  the  goods  they  consume.  Still,  there  are  many  positive  incentives,  e.g.  companies  have  the  possibility  to  increase  the  efficiency  in  their  production  chain,  increase  profits  and,  strengthen  its  brand  and  competitiveness  (Wiedmann,  2009).  More  importantly  however  is  the  escalating  pressure  our  consumption  puts  on  our  limited  natural  resources  and  soon  the  peak  will  be  reached  for  many  of  them.  Phosphorus  is  one  example  where  some  scientists  predict  a  “Peak  Phosphorus”  in  50-­‐100  years  (Cordell,  et  al.,  2009).  Phosphorus  is  a  multifaceted  substance  and  its  inherent  intricacy  is  further  complicated  by  global  market  systems,  which  decouple  source  and  consequence;  geopolitics  that  inevitably  follow  natural  resource  distribution;  and  a  lack  of  information  and  data.    

The  mining  and  search  for  phosphate  rock  is  intensifying  in  order  to  accommodate  the  growing  demand  in  agriculture  and  food  production  and  at  the  same  time  as  the  known  reserves  and  their  quality  are  diminishing  (Cordell,  et  al.,  2009).  But  even  though  phosphorus  is  an  essential  and  finite  resource,  only  about  20%  of  the  mined  phosphorus  ends  up  in  the  goods  we  consume  (Cordell  &  Rosemarin,  2011).  Large  amounts  are  lost  along  the  chain,  in  waste,  wastewater,  in  surrounding  streams  or  as  store  fertilization  to  soils  causing  disruption  in  the  ecosystems  and  eutrophication,  one  of  today’s  major  environmental  issues.  Municipalities  are  evaluating  their  possibilities  of  becoming  phosphorus  and  nitrogen  neutral  and  actors  within  the  agricultural  sector  are  realizing  the  importance  of  good  management  and  adjust  their  business  accordingly.  The  lens  through  which  we  view  sustainable  development  is  too  small  and  the  focus  lies  to  a  great  extent  on  reactive,  end-­‐of-­‐pipe  solutions  instead  of  proactive,  circular  system.  For  phosphorus,  a  broader  focus  is  needed  that  includes  not  only  the  environmental  issues,  but  also  the  scarcity  of  the  resource  (Cordell  &  Rosemarin,  2011).  This  could  help  secure  access  and  availability  of  phosphorus  in  the  future,  along  with  preventing  and  limiting  further  imbalance  of  the  ecosystems.  So  by  dealing  with  this  shortage,  the  imbalance  and  to  improve  the  

Page 10: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

2    

resource  management;  the  environmentally  disruptive  losses  and  leakages  can  be  limited.  For  this  a  shift  in  focus  is  essential;  from  linear  to  looped  systems,  end-­‐of-­‐pipe  to  recirculation  techniques,  reactive  to  proactive  solutions.  The  first  step  towards  doing  this  is  investigating  and  mapping  the  resource  use.  For  this  a  model  needs  to  be  developed.    

Water  footprint,  Carbon  footprint  and  Ecological  footprint  models  have  all  been  developed  to  account  for  consumption,  assess  environmental  impacts  and  to  recognize  other  consequences  connected  to  a  product,  an  industry  or  a  population.  There  are  several  models  for  accounting  the  environmental  impact  caused  by  the  production  of  goods,  e.g.  Life  Cycle  Analysis  (LCA)  measured  in  carbon  dioxide  equivalents,  and  by  the  usage  of  materials  and  substances,  e.g.  Material  Flow  Analysis  (MFA)  and  Substance  Flow  Analysis  (SFA)  (Moberg,  et  al.,  1999).  From  these  concepts  and  this  information,  Environmental  Product  Declarations  (EPD)  and  Climate  Declarations  have  been  developed  to  communicate  the  impact  the  life  of  products  and  services  have  on  the  environment  (International  EPDsystem,  2008;  Swedish  Environmental  Management  Council,  unknown).    Currently  however  there  is  no  “Phosphorus  footprint”  model  to  account  for  the  use  and  “Phosphorus  declare”  products.  As  Peak  Phosphorous  is  approaching  without  the  use  or  need  is  decreasing,  it  is  necessary  to  oversee  the  usage  and  find  the  possible  management  improvements.  As  researchers  submit  that  Sweden  could  reuse  more  phosphorus  (Linderholm,  2012),  improving  its  management  is  not  only  a  necessity  but  also  possible.  

The  phosphorus  flows  through  society  and  nature  due  to  human  activities  in  Swedish  bovine  and  poultry  industries  are  numerous.  One  of  the  purposes  of  the  Phosphorus  footprint  model  and  accounting  framework  developed  in  this  project  is  to  quantify  and  illustrate  these  flows.  The  result  is  a  phosphorus  flow  map  that  can  be  used  to  facilitate  an  optimized  use  of  phosphorus  by  minimizing  losses  and  waste,  as  well  as  illustrate  recirculation  possibilities.    

1.1. Aim  and  scope  The  aim  of  this  master’s  thesis  project  is  to  develop,  apply  and  analyse  a  Phosphorus  footprint  model  for  Swedish  bovine  and  poultry  industries.  The  specific  aim  and  methodology  will  be  explained  later  in  the  Model  Development  chapter.  The  project  has  four  main  objectives:    

1) Description  of  phosphorus  and  the  concept  of  Phosphorus  footprint,  focusing  on  the  conditions  for  the  Swedish  bovine  and  poultry  industries    

2) Development  of  the  Phosphorus  footprint  model,  aims  and  framework  for  phosphorus  accounting  through  the  whole  life  cycle  of  a  meat  produced,  consumed  and  disposed  of  in  Sweden    

3) Validation  of  the  Phosphorus  footprint  model  by  real  case  application  4) Evaluation  and  critical  analysis  of  the  Phosphorus  footprint  model    

The  first  objective  includes  an  introduction  to  phosphorus  with  respect  to  three  aspects  essential  nutrient,  environmental  issue  and  finite  resource,  as  well  as  an  account  of  the  natural  and  anthropogenic  phosphorus  flows.  The  second  objective  includes  a  description  of  the  aims  of  the  phosphorus  accounting  model  that  include:  to  provide  a  life  cycle  view  and  show  the  use  of  phosphorus  through  all  the  life  stages  of  a  meat  product;  be  used  as  a  basis  for  improving  phosphorus  management;  highlight  the  

Page 11: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

3    

scarcity  issue;  illustrate  possibilities  for  recycling;  and  be  easy  to  use  and  apply.  Also  included  is  the  development  of  a  phosphorus  flow  chart,  accounting  methodology  and  an  explanation  to  the  concept  of  Phosphorus  declaration.  The  third  objective  includes  application  of  the  Phosphorus  footprint  model  on  a  Kronfågel  fresh  chicken.  Kronfågel  is  part  of  Lantmännen,  a  Swedish  agriculture  and  food  production  company.  The  fourth  objective  includes  an  account  for  the  weaknesses  and  strengths  of  the  methodology  based  on  the  aims  set  for  the  model,  its  transparency,  applicability  and  accuracy.  

1.2. System  boundaries  and  limitations  The  report  will  only  briefly  present  the  status  of  the  global  use,  current  policies  and  the  consequences  of  the  environmental  effects  associated  to  phosphorus,  i.e.  the  report  will  not  investigate  nor  explain  these  issues  in  detail.  The  general  system  boundaries  for  the  Phosphorus  footprint  are  illustrated  in  Figure  1.  The  life  stages  are  divided  into  pre-­‐production,  production,  consumption  and  disposal.  Flows  are  illustrated  with  arrows  and  those  in  solid  black  are  included  while  those  in  dotted  grey  are  excluded.  The  potential  phosphorus  footprint  for  biofuel  used  for  transportation,  running  machines  and  for  any  bio  packaging  and  so  on  is  excluded  from  the  model.  The  pre-­‐production,  i.e.  the  extraction  of  natural  phosphorus  and  the  production  of  mineral  fertilizers,  is  also  excluded.  

 Figure  1:  Illustration  of  the  Phosphorus  footprint  model  boundaries,  flows  in  solid,  black  are  included  while  flows  in  dotted  grey  are  excluded.  

   

Page 12: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

4    

1.3. Methodology  and  structure  of  report  The  project  is  performed  at  the  Industrial  Ecology  Department  at  the  Royal  Institute  of  Technology  and  Sweco,  an  international  consulting  company  within  engineering,  environmental  technology  and  architecture.  The  model  application  and  study  is  developed  in  collaboration  with  Lantmännen,  a  Swedish  agriculture  and  food  production  company,  on  Kronfågel  fresh  chicken.  The  model  is  developed  for  mapping  and  accounting  the  flows  of  phosphorus  through  the  life  cycle  of  a  meat  product  produced  by  Swedish  bovine  and  poultry  industries.  The  foodstuff  meat  was  chosen  after  literature  research  on  the  basis  of  its  relatively  high  Phosphorus  footprint  and  the  increased  consumption  of  meat  following  a  change  in  dietary  trends  and  consumption  patterns.  Methodologies  used  are  literature  studies,  including  background  studies,  model  development  and  phosphorus  flow  analysis,  and  case  application.  The  report  is  divided  into  six  main  chapters  explained  below  and  illustrated  in  Figure  2:  

1) Introduction  to  the  relevance  and  importance  of  the  thesis  project  including  general  aim,  objectives  and  methodology    

2) Background  and  overview  to  the  phosphorus  issue  with  regards  to  its  three-­‐faceted  nature:  essential  nutrient,  environmental  issue  and  finite  resource  as  well  as  a  study  of  the  natural  and  anthropogenic  phosphorus  flows  

3) Model  development  focusing  on  the  aims,  methodology  and  structure  for  the  Phosphorus  footprint  model.  The  chapter  also  identifies  the  flows  of  phosphorus  specific  to  Swedish  bovine  and  poultry  industries,  in  addition  to  briefly  explaining  the  concept  of  Phosphorus  declaration  as  a  way  of  presenting  the  results  of  phosphorus  accounting  

4) The  Phosphorus  footprint  model  presentation  in  its  completeness  structured  according  to  the  step-­‐wise  accounting  methodology  developed  in  the  previous  chapter  and  that  can  be  directly  applied  to  a  Phosphorus  footprint  study  

5) Model  validation  and  evaluation  through  real  case  application  on  fresh,  boneless  chicken  from  Kronfågel,  part  of  the  food  production  sector  at  Lantmännen  

6) Discussion,  conclusion  and  recommendations  for  future  work  

Page 13: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

5    

 Figure  2:  Illutration  of  the  report  structure  

Model  development  The  Phosphorus  footprint  model  is  a  way  for  agriculture  and  food  production  companies  to  create  a  quantitative  map  of  their  phosphorus  flows  and  identify  losses  on  a  per  life  stage  basis.  Primarily  it  is  developed  for  food  production  companies  in  the  bovine  and  poultry  industries  to  improve  collaborations  between  actors  in  the  food  production  chain.  The  model  is  developed  using  literature  studies  to  understand  how  the  flows  of  and  politics  around  phosphorus  look  (i.e.  investigate  what  is  being  done  and  is  missing  in  the  field  of  phosphorus  management),  to  understand  the  structure  and  methodology  behind  the  existing  footprint  models,  and  identify  the  life  stages  and  flows  in  meat  production.    

Case  application  The  Phosphorus  footprint  model  developed  in  this  report  is  applied  on  Kronfågel  chicken  to  quantify  the  phosphorus  flows  through  all  the  life  stages.  For  the  application,  the  Product  Category  Rules  (PCR)  for  meat  of  poultry,  CPC  group  2112  (IVL,  2010)  is  used  along  with  the  developed  accounting  methodology  and  Phosphorus  footprint  model.  Also,  an  LCA  for  Lantmännen  Kronfågel  (Widheden,  et  al.,  2001)  and  the  report  behind  the  Lantmännen  Kronfågel  Climate  declaration  (Tynelius,  2008)  are  used.  

Page 14: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

6    

2. Literature  background  and  overview  of  phosphorus  This  first  chapter  supplies  a  background  and  an  introduction  to  the  phosphorus  issue  with  regards  to  its  three-­‐faceted  nature  in  addition  to  its  natural  and  anthropogenic  flows.  

2.1. Three  aspects  of  phosphorus  In  the  middle  of  the  17th  century  the  German  alchemist  Henning  Brand  attempted  to  create  gold  by  condensing  urine  (Söderhäll,  2011).  Instead  Brand  discovered  phosphorus,  named  from  the  Greek  word  phosphoros  meaning,  “light  bearer”  as  it  became  luminous  when  in  contact  with  air.  Phosphorus  was  thus  one  of  the  first  elements  to  be  discovered.  This  section  is  an  introduction  to  the  importance  of  and  the  issues  around  phosphorus  with  respect  to  three  aspects;  it  is  an  essential  nutrient,  an  environmental  issue  and  a  finite  resource.  

Essential  nutrient  All  living  things  require  phosphorus  (Nationalencyklopedin,  2013).  It  is  a  structure  element  in  DNA  and  RNA,  a  component  in  bones,  teeth  and  cell  membranes,  and  for  several  biological  systems  it  acts  as  a  buffer  and  energy  currency.  Also  it  is  necessary  for  several  essential  biological  processes  and  systems  such  as  photosynthesis,  respiration  and  various  muscle  and  nerve  functions.  In  humans  it  is  the  sixth  most  common  element  in  our  bodies  with  most  of  it  stored  in  our  bones  as  hydroxyapatite  (Söderhäll,  2011).  Plants  take  up  inorganic  phosphate  and  incorporate  it  into  organic  compounds,  and  this  organic  phosphate,  which  is  a  soluble  form,  is  thus  made  accessible  for  humans  and  other  animals  to  consume  (Naturvårdsverket,  2013).  Along  with  nitrogen,  sulphur  and  potassium,  phosphorus  is  one  of  the  elements  that  plants  often  have  a  deficit  of  and  consequently,  is  a  limiting  factor  in  cultivation  (Nationalencyklopedin,  2013).  Therefore  fertilizers  have  long  since  been  added  in  modern  agriculture  to  ensure  good  cultivation  yields.    

Environmental  issue  During  the  middle  of  the  20th  century  the  use  of  fertilizers  steadily  increased  and  created  a  phosphorus-­‐storage  in  soils  (Nationalencyklopedin,  2013)  and,  the  release  from  waste  and  wastewater  treatment  plants  has  created  phosphorus-­‐storage  in  the  sediments  (Linderholm,  2013).  These  anthropogenic  phosphorus  stores  leaks  (mainly  from  sediments  but  to  some  extent  from  agricultural  soils)  causing  disruption  in  the  surrounding  ecosystems,  leading  to  eutrophication  in  waterways  and  putting  pressure  on  the  natural  regenerative  cycle.  Eutrophication  occurs  when  there  is  an  excess  of  nutrients,  which  lead  to  fast-­‐growing  bacteria  and  microorganisms  such  as  cyanobacteria  to  thrive  and  consume  the  oxygen  in  order  to  grow.  This  shakes  the  natural  balance  in  biological  and  hydrological  ecosystems  causing  eutrophication,  and  in  some  cases  dead  zones  due  to  the  oxygen  deficit  (Blomqvist  &  Gunnars,  2006).  

The  realization  of  the  effects  fertilizers  had  on  the  ecosystems  in  developed  countries  has  led  to  strict  environmental  policies  frameworks,  which  have  contributed  to  food  production  in  industrialized  countries  being  outsourced  to  great  extent  (Cordell,  et  al.,  2009).  The  production  is  thereby  decoupled  from  the  consumption  and  disposal  that  causes  an  imbalance  on  the  global  phosphorus  scale.  Because,  when  food  is  produced,  phosphate  is  incorporated  or  invested,  into  the  good.  The  good  is  then  exported  and  consumed  and  disposed  of  elsewhere.  The  imbalance  is  caused,  as  the  investment  is  never  returned  to  the  production  site  for  reuse,  and  lead  to  a  deficit  in  exporting  countries  and  surplus  in  importing  

Page 15: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

7    

countries  (Cordell,  et  al.,  2009).  The  decoupling,  i.e.  the  separation  of  animal  husbandry  from  feed  production,  spread  after  the  Second  World  War  when  the  use  and  availability  of  mineral  fertilizers  increased  in  response  to  the  population  growth  (Tidåker,  2011)  and  the  accessibility  to  mineral  fertilizers  lessened  the  need  for  organic  fertilizers  (manure)  in  feed  and  feed  production.  Also,  the  separation  further  increased  the  need  for  mineral  fertilizers,  as  manure  was  no  longer  available  to  the  same  extent  locally,  further  tipping  the  regional  and  later  global  imbalance  scale.  This  is  the  case  for  many  other  consumer  goods:  as  the  separation,  globalization  and  expansion  of  markets  increase,  so  does  the  complexity  regarding  where  in  the  world  the  environmental  effects  connected  to  our  consumption  occur.  All  these  factors  make  tracking  and  taking  action  against  the  effects  increasingly  difficult  (Tidåker,  2011).  

Finite  resource  Being  the  eleventh  most  common  substance  in  the  Earth’s  crust,  phosphorus  can  be  found  all  over  the  world,  but  there  are  only  a  few  places  where  there  are  large  enough  amounts  to  mine  (Nationalencyklopedin,  2013).  Today  the  largest  reserves  are  in  China,  North  America  and  Western  Sahara  (Steen,  1998).  China  has  limited  their  exports  to  secure  their  own  supplies,  North  America  is  consuming  more  than  they  have  and  the  reserves  in  Western  Sahara  are  a  geopolitically  sensitive  issue  (Cordell,  et  al.,  2009).  Increasing  world  population  along  with  increased  consumption  and  demand  for  goods  and  services  adds  to  the  anthropogenic  pressure  on  nature,  its  reserves  and  services.  Some  scientists  predict  that  Peak  Phosphorus  is  soon  approaching,  if  not  already  passed,  and  that  the  reserves  may  be  depleted  in  50-­‐100  years  (Steen,  1998).  Others  add  that  the  notion  of  depletion  is  an  economic  and  technical  definition,  the  reserves  will  not  run-­‐out,  but  it  will  not  be  economically  viable  or  technologically  possible  to  extract  them  (Selinus,  2011).  Most  policies  today  are  directed  at  handling  the  leakage  of  nutrients  from  croplands  into  lakes  and  streams,  i.e.  end-­‐of-­‐pipe  solutions,  and  few  mentions  that  phosphorus  is  a  finite  resource  that  has  to  be  managed  more  carefully.  This  is  both  with  regards  to  its  scarcity  and  to  the  negative  environmental  effects.    Nevertheless  the  issue  is  being  investigated  and  discussed  more  frequently  in  academia,  business  and  on  regional  levels.  

Sörenby  (2010)  map  the  flows  of  phosphorus  in  Stockholm,  Sweden  and  conclude  that  there  is  a  lack  of  recirculation  (despite  the  potential),  of  scarcity  related  governmental  policies  and  of  usage  economization  (Sörenby,  2010).  The  most  interesting  conclusion,  which  highlights  the  relevance  of  this  project,  is  that  the  flows  of  phosphorus  to  lakes,  streams  and  the  Baltic  Sea  are  relatively  small  when  compared  to  flows  within  the  Stockholm  city  area.  These  flows  come  from  food  import,  from  shops  to  households  and  from  households  to  waste.  This  means  that  a  shift  in  mind-­‐set  from  end-­‐of-­‐pipe  solutions  to  recirculation  techniques  is  needed.  Another  example  is  a  project  commissioned  by  the  region  of  Norrköping,  Sweden  (Andersson,  et  al.,  2012).  Its  purpose  was  to  map  the  flows  of  nutrients  through  the  region,  and  propose  technical  solutions  to  obtain  a  better  recirculation  of  phosphorus  and  nitrogen,  in  order  to  evaluate  the  possibility  for  Norrköping  to  be  a  phosphorus  and  nitrogen  neutral  state  (Andersson,  et  al.,  2012).  

Page 16: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

8    

2.2. Natural  and  anthropogenic  flows  The  world  has  its  natural  regenerative  cycles;  resources  are  shaped,  used  and  disposed  of,  then  broken  down  to  become  new  building  material  and  be  shaped  into  something  else,  ready  to  start  over.  These  cycles  occur  within  and  between  all  the  ecosystems  compartments;  atmosphere,  biosphere,  hydrosphere  and  lithosphere.  Phosphorus  is  part  of  a  land  and  water  based  biological  cycle  (Naturvårdsverket,  2013),  making  the  biosphere  and  the  hydrosphere  its  key  ecosystem  compartments.  Below  is  an  account  for  the  natural  flows  and  anthropogenic  phosphorus  flows,  and  the  human  pressure  on  the  natural  system,  in  order  to  understand  the  system  and  way  that  phosphorus  moves  through  society.  This  is  also  the  basis  for  developing  the  conceptual  phosphorus  flow  chart  under  chapter  Model  development:  Phosphorus  accounting  and  flow  methodology.  

Natural  flows  Plants  take  up  inorganic  phosphate  (PO4

3-­‐)  from  the  soil  and  incorporate  it  into  organic  compounds.  Plants  thus  make  phosphorus  available  for  animals,  fungi  and  bacteria  to  consume  (Naturvårdsverket,  2013).  In  turn,  these  animals  and  decomposers  break  it  down  to  inorganic  phosphate  and  return  it  to  the  soil,  completing  the  biological  phosphorus  cycle.  Phosphorus  is  also  part  of  a  hydrological  cycle  similar  to  the  biological,  and  these  two  are  connected  by  a  much  slower  (millions  of  years  compared  to  months  or  weeks)  geological  cycle.  The  geological  cycle  incorporate  sediments  from  the  hydrosphere,  by  lifting  it  up  into  the  terrestrial  environments,  creating  phosphate  rock.  Through  weathering  of  the  rock,  phosphates  are  released  into  the  soil  and  enter  the  biological  cycle.  (Naturvårdsverket,  2013)  This  is  the  natural  phosphorus  cycle;  see  Figure  3  below  (Selinus,  2011).    

 Figure  3:  Illustration  of  the  three  natural  phosphorus  cycles  and  their  respective  time  frames  for  regeneration  without  anthropogenic  pressure  (Source:  Selinus,  2011)  

   

Page 17: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

9    

Anthropogenic  flows  When  the  athropogenic  pressure  is  considered  as  in  Figure  4,  phosphorus  flows  in  a  different  way.  The  raw  input  of  phosphate  rock  is  mined  and  processed  for  mineral  fertilizer  production,  which  is  used  on  agricultural  land  for  feed  production.  Also  there  is  a  natural  addition  of  phosphorus  to  agricultural  land  as  existing  storage  in  soil  and  atmospheric  deposition.  The  cultivated  crops  are  fed  to  the  animals,  which  proceed  to  food  industry  for  slaughter,  processing  and  packaging.  The  food  industry  produces  waste  and  process  water,  which  goes  to  wastewater  and  water  treatment  respectively.  The  animals  produce  manure  that  is  used  on  agricultural  land  and  thus  part  of  an  internal  cycle.  After  the  meat  products  are  prepared  and  packaged,  they  are  sold  and  distributed  to  the  consumers.  Consumers  produce  household  food  waste,  mainly  organic  waste,  for  waste  treatment  and  toilet  waste  for  wastewater  treatment.  The  waste  is  used  for  biogas  or  energy  production.  Losses  and  waste  production  occur  in  all  stages;  phosphate  mining  produce  mining  waste,  there  is  leakage  and  losses  from  agricultural  land  in  cultivation  and  animal  husbandry,  food  industry,  consumption  and  waste  management.    

 Figure  4:  Phosphorus  flows  induced  by  anthropogenic  use.  Blue  arrow  shows  raw  input  of  phosphate  rock,  black  arrows  shows  the  direction  of  flows  between  the  life  stages  in  agriculture  and  food  production,  green  arrows  shows  internal  recycling  flows  in  agriculture  and  the  red  arrows  show  outputs  and  losses  to  the  environment  (Source:  Selinus,  2011;  Bergström,  et  al.,  2012).    

The  inputs  are  in  blue,  outputs  are  in  and  the  internal  flows  are  green.  The  flows  going  through  each  life  stage  and  on  to  the  next,  i.e.  intermediate  products  are  black.  

 

Page 18: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

10    

3. Model  development:  Phosphorus  accounting  and  flow  methodology  In  the  same  way  as  a  foot  leaves  a  print  when  walking  down  the  beach;  the  life  of  products,  services,  industries,  populations  and  individuals  leave  their  mark  on  the  world.  Each  product  or  service,  similar  as  each  individual  or  population,  has  an  impact  on  the  world,  which  is  often  referred  to  as  its/their  footprint.  Throughout  a  life  cycle  there  are  stages  of  material  extraction,  production,  usage  and  disposal,  and  during  each  of  these  there  are  inputs,  outputs,  accumulations  and  losses  of  energy  and  resources.  These  in  turn  affect  the  environment  they  came  from,  are  consumed  in  and  where  they  are  disposed  have,  not  unlike  the  footprint  in  the  sand.  However,  the  consequences  of  these  footprints-­‐of-­‐consumption  are  more  complex.  The  concept  of  Phosphorus  footprint  in  this  report  is  defined  as  a  way  of  mapping  the  inputs  and  outputs  of  a  phosphorus  during  the  whole  life  cycle  of  a  meat  product.  The  result  is  a  quantification  and  illustration  of  the  amounts  of  phosphorus  used  and  lost  per  life  stage  and  kg  of  meat  produced.  The  assessment  shows  where  in  the  life  stages  improvements  in  management  and  re-­‐circulation  efforts  can  be  done.  In  this  section  the  development  of  the  Phosphorus  footprint  model  is  accounted  for.  The  development  process  is  divided  into  three  stages:  first  setting  the  aims  and  accounting  methodology  of  the  Phosphorus  footprint  model,  second  identifying  the  life  stages  of  a  meat  product  and  establishing  a  flow  chart  with  the  inputs,  outputs  and  internal  flows  on  a  per  life  stage  basis,  and  finally  presenting  the  concept  of  Phosphorus  declaration  using  the  PCR  for  meat  of  poultry  and  meat  of  mammals.  

3.1. Aims  and  accounting  methodology  In  this  report  five  aims  for  the  Phosphorus  footprint  accounting  model  are  set.  First,  the  developed  model  should  provide  a  life  cycle  view  and  show  the  use  of  phosphorus  through  all  the  life  stages  of  a  meat  product.  For  this  purpose  both  the  stages  production,  consumption  and  disposal  are  included.  Second,  it  should  be  used  as  a  basis  for  improving  the  phosphorus  management  by  using  substance  flows  analysis  on  a  per  life  stage  basis  to  quantify  and  illustrate  the  inputs,  outputs  and  most  importantly  losses.  Third,  it  should  highlight  the  scarcity  issue,  rather  than  the  environmental  issues.  This  is  important  due  to  the  geopolitical  issues  surrounding  phosphorus;  the  increasing  global  necessity  and  approaching  Peak  Phosphorus;  and  the  fact  that  Sweden  has  the  potential  to  reuse  more  and  to  some  extent  be  self-­‐sufficient.  This  leads  into  the  fourth  aim,  to  illustrate  the  possibilities  for  recycling  by  creating  a  flow  map  based  on  the  usage  in  each  life  stage,  which  is  connected  greatly  to  the  first  and  second  aim,  and  support  the  third.  Fifth  and  last,  the  Phosphorus  footprint  model  developed  during  this  project  should  be  easy  to  use  and  apply.  

The  phosphorus  footprint  model  follows  a  four-­‐step  accounting  methodology  that  results  in  a  flow  chart  and  an  input-­‐output  based  accounting.  The  accounting  methodology  is  based  on  the  methodology  of  substance  flow  analysis  as  described  by  Moberg,  et  al.,  1999  and  of  the  “Footprint  family”  that  integrates  the  Water,  Carbon  and  Ecological  footprint  approaches  (Galli,  et  al.,  2011).  The  aim  is  to  illustrate  where  there  are  possibilities  for  recirculation,  improved  management  or  closing  loops  between  life  stages.  Below  is  an  illustration  (Figure  5)  and  a  brief  explanation  of  the  step-­‐wise  accounting.  The  accounting  methodology  is  clarified  further  for  direct  application  in  the  next  chapter  The  Phosphorus  footprint  model.  

Page 19: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

11    

 Figure  5:  An  illustration  of  the  Phosphorus  footprint  accounting  methodology  (Based  on:  Moberg,  et  al.,  1999  and  Galli,  et  al.,  2011)  

Definition  of  the  system  and  the  aim  Here  the  scope  and  purpose  of  the  study  is  set.  Besides  the  inherent  boundaries  of  the  model,  by  being  developed  for  phosphorus  and  the  Swedish  bovine  and  poultry  industries,  there  are  other  considerations.  These  include  setting  the  functional  unit,  system  boundaries,  methodology,  assumptions,  allocations  and  data  quality  coverage.  Other  considerations  are  type  of  meat  studied,  the  geographical  boundaries  and  the  temporal  boundaries.  Also  where  there  are  PCR  (Product  Category  Rules)  developed  for  the  product,  these  are  considered  and  included.  The  considerations  of  the  first  step  will  lay  the  base  for  the  entire  study  and  in  the  end  the  final  result.  

Identifying  life  stages  and  flows  In  this  stage  a  flow  chart  is  produced  showing  the  life  stages  of  the  chosen  meat  product  and  the  flows  through  each  stage  that  is  to  be  included  in  the  study.  The  Phosphorus  footprint  model  provides  a  guideline  with  the  accounting  model  and  identifies  the  life  stages  and  flows.  However,  these  can  be  added  to  or  changed,  depending  on  the  level  of  detail  or  specific  inputs/outputs  for  the  study.  This  identification  stage  sets  the  scope  of  the  data  collection  and  in  the  end  the  footprint  account.  Hence  it  is  important  to  be  as  inclusive  as  possible  with  regards  to  data  availability  and  as  needed  with  regards  to  the  aim  and  scope  of  the  analysis.  

Data  collection  and  calculation    Here  the  goal  is  to  put  numbers  on  each  of  the  flows  by  doing  an  inventory  analysis.  The  numbers  should  preferably  come  from  direct  measurement  by  the  investigator,  the  concerned  company  or  third  party  research.  Some  numbers  are  “set”  such  as  atmospheric  deposition,  which  is  considered  a  national  value.  When  direct  measurement  is  unavailable,  data  from  commonly  available  sources  is  used;  this  is  in  accordance  to  the  PCR  meat  of  poultry  (IVL,  2010)  and  meat  of  mammals  (Boeri,  et  al.,  2012).  The  PCR  are  helpful  by  supplying  allocation  rules  for  when  the  production  of  meat  generates  more  than  one  product,  and  how  the  in-­‐  and  outputs  of  those  stages  should  be  divided  (IVL,  2010).  The  PCR  also  supply  a  standardised  format  for  how  the  result  of  the  data  should  be  presented.  

Interpretation  and  phosphorus  declaration  Here  the  results  are  evaluated,  analysed  and  formulated  into  recommendations  or  indicators  if  the  accounting  is  done  frequently  and  a  trend  can  be  produced.  The  result  is  a  quantified  flow  chart  and  identification  of  losses  on  a  per  life  stage  basis.  Losses  are  accounted  as  the  difference  between  the  sums  of  all  outflows  per  single  stage  minus  the  sum  of  all  inflows  for  that  stage;  see  Equation  below.  

                                                                     𝐿𝑜𝑠𝑠𝑒𝑠! = 𝑜𝑢𝑡𝑓𝑙𝑜𝑤𝑠!

−   𝑖𝑛𝑓𝑙𝑜𝑤𝑠                                                                                                                                        (1)          !

 

Definimon  of  system  and  the  

aim  Idenmfy  the  life  stages  and  flows  

Data  collecmon  and  calculamon  

Interpretamon  of  results  

Page 20: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

12    

The  internal  flows  do  not  affect  the  overall  footprint,  i.e.  for  the  entire  life  cycle,  but  they  are  essential  for  the  construction  of  a  complete  life  cycle  analysis,  give  valuable  information  on  possible  improvements  and  indicate  where  efforts  are  needed.  

3.2. Phosphorus  flow  chart  There  are  several  examples  of  substance  flow  analysis’  done  for  phosphorus.  Sörenby  (2010)  map  the  total  flows  of  phosphorus  through  and  in  the  Stockholm  County,  Linderholm  et.al.  (2012)  account  the  in-­‐  and  outputs,  and  internal  flows  of  phosphorus  for  the  Swedish  agriculture  and  food  chain,  and  Cordell  et.al.  (2009)  highlights  the  issues  of  phosphorus  scarcity  for  global  food  security.  Based  on  their  results  and  on  the  flows  illustrated  in  Figure  4  above;  a  general  flow  chart  adapted  to  the  aim  and  boundaries  of  this  report  is  developed  and  illustrated  in  Figure  6,  explained  below.  

 Figure  6:  General  flow  chart  illustrating  the  phosphorus  flows  in  Swedish  agriculture  and  food  production  

   

Page 21: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

13    

Inputs    Below  is  an  account  of  the  flows  of  phosphorus  entering  the  system  as  raw  phosphorus  input,  i.e.  does  not  go  through  the  use  of  recycled  source,  these  internal  flows  are  discussed  together  with  the  outputs  at  the  end  of  this  section  under  Outputs  and  internal  flows.  

• Fertilizer:    To  help  farmers,  there  are  plenty  of  self-­‐monitoring  tools  available  to  calculate  the  flows  of  fertilizers  on  agricultural  soils  as  a  way  of  optimizing  the  use.  These  include  taking  soil  concentrations,  kind  of  crop  produced  and  the  foodstuff  security  into  account  when  distributing  fertilizers  on  agricultural  land,  keeping  livestock  or  producing  meat  products  (Lantbrukarnas  Riksförbund,  2012).  Also,  there  are  yearly  fertilization  guidelines  published  by  the  Swedish  Board  of  Agriculture  (Albertsson,  2012);  information  from  “Focus  on  Nutrients”  (Greppa  Näringen,  2011);  and  a  self-­‐supervision  checklist  by  the  Federation  of  Swedish  Farmers  and  the  Swedish  Board  of  Agriculture  (Miljöhusesyn,  2013).  For  this  project,  mainly  information  from  SIK  -­‐  the  Swedish  Institute  for  Food  and  Biotechnology  is  used.  They  have  collected  lifecycle  analysis  (LCA)  data  for  feed  and  feed  ingredients  commonly  used  in  Swedish  animal  feed  (SIK,  2011).  The  LCA  data  is  prepared  by  SP  Technical  Research  Institute  of  Sweden,  funded  by  the  Swedish  Farmer´s  Foundation  for  Agricultural  Research  and  SIK.  The  purpose  is  to  present  information  on  the  environmental  issues  related  to  feed  from  a  lifecycle  perspective  until  feed  factory.  All  the  data  is  public,  the  system  boundaries  and  sources  used  are  clearly  stated,  and  can  be  found  on  the  website:  sikfoder.se  

• Atmospheric  deposition:  Phosphorus  deposition  was  officially  monitored  until  the  early  1990s,  but  due  to  low  concentrations  and  data  measuring  and  analysing  difficulties,  this  is  no  longer  done  (Linderholm,  et  al.,  2012).  The  most  commonly  used  value  is  0.3  kg  phosphorus  year-­‐1  ha-­‐1  of  land  (Bergström,  et  al.,  2012).  

• Phosphorus  storage  in  soil:    There  are  large  differences  in  phosphorus  concentration  depending  on  the  ground  hydrology,  soil  type  and  agricultural  production  (Börling,  et  al.,  1999).  In  Sweden,  the  total  phosphorus  content  in  agricultural  soils  can  vary  between  200-­‐800  mg  phosphorus  year-­‐1  kg-­‐1  of  soil  (Bergström,  et  al.,  2012).  However  these  amounts  are  not  equal  to  the  amount  available  for  the  plants.  The  phosphorus  in  soils  exists  in  bound  and  soluble  form,  and  only  the  soluble  phosphorus  is  available  for  plants  to  take  up  (Linderholm,  2011).  This  is  about  0.1-­‐1  mg  of  phosphorus  year-­‐1  liter-­‐1  of  soil  or  approximately  1  kg  of  phosphorus  year-­‐1  ha-­‐1  of  agricultural  land  (Bergström,  et  al.,  2012).  Soil  mapping  is  a  way  for  farmers  to  get  valuable,  direct  and  site-­‐specific  information  when  accounting  for  the  phosphorus  flows  on  their  land  and  to  help  optimize  the  use  of  fertilizers.  The  results  are  accounted  for  on  a  map  or  within  a  protocol  (Albertsson,  2012).  

• Import  of  feed  and  feed  minerals:    In  Sweden,  the  majority  of  dietary  fibre  and  grain  needed  for  animal  production  is  produced  nationally  (Linderholm,  et  al.,  2012).  LCA  results  on  most  of  these  can  be  found  on  sikfoder.se  (SIK,  2011).  However,  a  lot  of  minerals  and  concentrates  are  imported.  The  phosphorus  content  of  these  imports  can  be  calculated  using  information  from  the  Swedish  Board  of  Agriculture  and  Statistics  Sweden  (Linderholm,  et  al.,  2012).  Also,  at  sikfoder.se  LCA  results  from  some  common  minerals  and  supplements  is  available.  

Page 22: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

14    

Outputs  and  internal  flows  Below  is  and  account  of  the  flows  of  phosphorus  leaving  the  system  and  the  internal  flows.  

• Manure:    Manure  is  both  an  input  and  an  output,  and  thus  it  does  not  affect  the  overall  balance  of  phosphorus  in  Sweden.  It  is  excreted  by  the  livestock  in  the  breeding  phase  and  used  as  fertilizer  in  the  cultivation  of  feed.  Today  7  kg  manure  year-­‐1  ha-­‐1  is  added  to  the  Swedish  arable  soils  (Bergström,  et  al.,  2012).  In  a  study  by  Wivstad,  et.al,  (2009),  which  discusses  the  possibilities  to  decrease  eutrophication  through  ecological  production,  the  phosphorus  flows  is  identified  and  quantified.  The  study  shows  that  the  amount  of  recirculation  within  the  agricultural  sector  in  the  form  of  manure  is  larger  than  the  addition  of  mineral  fertilizers.    

• Leakage  and  losses:    The  magnitude  of  the  leakage  from  arable  lands  depends  on  soil  composition,  topography  and  type  (Linderholm,  et  al.,  2012).  The  leakage  is  larger  in  the  north  of  Sweden  due  to  soil  freezing,  but  on  average  the  leakage  are  0,  4  kg  phosphorus  year-­‐1  ha-­‐1  from  arable  land  to  water  (Bergström,  et  al.,  2012).  In  each  stage  losses  occur  and  for  this  Phosphorus  footprint  model  is  used.  As  explained  under  section  Aims  and  accounting  methodology,  the  losses  for  each  life  stage  are  calculated  as  the  difference  between  the  inputs  and  the  outputs  for  that  stage.  This  is  based  on  substance  flow  analysis  where  the  flows  entering  a  system  should  be  equal  to  the  amount  leaving  the  system,  and  thus  the  difference  in  this  report  is  considered  as  losses.    

• Food  industry  waste:    In  the  food  industry  stage  the  livestock  is  slaughtered  and  the  meat  is  processed  and  prepared  for  wholesale.  This  includes  removing  feathers,  intestines,  head,  and  bone  etcetera,  the  amount  and  extent  of  removal  depend  on  the  end  product,  and  also  packaging.  Most  of  the  low-­‐risk  organic  waste  from  the  food  processing  industry,  e.g.  from  slaughterhouses,  is  used  as  fertilizers  or  pet  and  mink  feed  (Linderholm,  et  al.,  2012;  Wivstad,  et  al.,  2009),  and  some  goes  to  waste  treatment  facilities.  The  high-­‐risk  waste  and  discard  goes  to  destruction  (Villman,  2013).    

• Sludge  and  ashes:  Sludge  is  a  by-­‐product  from  the  wastewater  treatment  process.  The  more  effective  the  treatment  is,  the  more  sludge  is  produced  and  the  more  unwanted  substances  and  organisms  ends  up  in  the  sludge  (Johansson,  2011).  Sludge  is  also  produced  in  waste  treatment  when  the  waste  is  biologically  treated  to  produce  biogas.  When  the  waste  is  incinerated  for  energy  production,  ash  is  the  by-­‐product.  Returning  the  phosphorus  from  the  waste  treatment  system  to  productive  land  can  be  done  in  three  ways;  sludge  spreading,  sorting  toilet  systems  and  extraction  from  wastewater,  using  sludge  or  ashes  after  sludge  incineration  (Holm  &  Staaf,  2011).  The  use  of  sludge  on  agricultural  land  as  a  source  of  nutrients  has  decreased  from  40  %  in  the  1980s  to  about  25  %  today  (Johansson,  2011)  and  through  nutrient  flow  analysis  it  is  shown  that  little  of  the  phosphorus  in  food  stuff  is  returned  to  agricultural  land.  Each  year  approximately  6  150  tons  of  phosphorus  in  feedstuff  is  consumed  (Wivstad,  et  al.,  2009),  from  this  most  ends  up  as  toilet  waste,  4  730  tons  or  77  %  and  goes  to  wastewater  treatment.  The  residual  1  420  tons  or  23  %  ends  up  as  household  waste  that  goes  for  waste  treatment.  Out  of  the  yearly  flows  into  wastewater  

Page 23: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

15    

treatment  only  840  tons  is  used  on  agricultural  land,  this  represents  about  18  %.  For  waste,  only  100  tons  or  7  %  of  the  yearly  input  in  household  waste  are  used  on  agricultural  land  (Wivstad,  et.al,  2009).  However,  in  the  Swedish  Environmental  Objective  A  god  built  environment,  60  %  of  the  phosphorus  in  sewage  water  is  to  be  extracted  and  reused  it  on  productive  land,  where  half  is  agricultural  land,  by  the  year  2015  (Svenska  Miljömål,  2012)  and  for  this  purpose  extraction  techniques  are  assessed  and  evaluated  (Naturvårdsverket,  2013).  

3.3. Phosphorus  declaration  PCR  are  a  product  unique  set  of  rules  for  data  collection,  calculation  and  presentation  developed  for  Environmental  Product  Declarations  (EPD)  and  also  used  for  Climate  declarations  (International  EPDsystem,  2012;  Swedish  Environmental  Management  Council,  n.d.).  For  the  purpose  of  the  Phosphorus  footprint  model  development,  two  PCRs  are  used:  PCR  Meat  of  Poultry  (IVL,  2010)  and  PCR  Meat  of  Mammals  (Boeri,  et  al.,  2012).  These  are  applied  to  ensure  a  similar  inclusiveness  with  regards  to  system  boundaries  and  life  stages  for  meat  production,  as  is  used  when  performing  EPDs  and  Climate  declarations.  They  are  also  useful  when  dealing  with  issues  of  allocation  between  e.g.  products  and  by-­‐products.  Allocation  rules  differ  between  Meat  of  Poultry  and  Meat  of  Mammals,  thus  it  is  important  to  study  the  relevant  set  of  rules  applicable  to  the  study  at  hand.  Later  in  the  report,  under  section  7  Model  validation,  the  PCR  Meat  of  Poultry  is  applied.  The  system  boundaries  of  the  PCRs  are  structured  into  upstream,  core  and  downstream  processes.  The  set  of  rules  for  Meat  of  Poultry  and  Meat  of  Mammals  are  summarized  in  Table  1.  Note  that  manure  management  is  listed  as  its  own  process  for  mammals  whereas  for  poultry  it  is  included  in  the  breeding  of  poultry  stage.  

Processes:   Meat  of  Poultry  PCR   Meat  of  Mammals  PCR  

Upstream   Production  of  feed     Feed  cultivation     Breeding  of  poultry     Feed  products  preparation       Animal  breeding       Manure  management  Core   Production  of  final  product   Slaughter  activities  Downstream   Retailer/Consumer  use   Primary  packaging  end  of  life     Recycling/Waste    Table  1:  Summary  of  the  PCR  processes  for  Meat  of  Poultry  and  Mammals  respectively  (IVL,  2010;  Boeri,  et  al.,  2012)  

As  the  rules  are  created  for  calculating  the  environmental  impact  expressed  in  carbon  dioxide  equivalents  some  processes  are  excluded  from  the  summary  as  not  all  are  applicable  for  a  phosphorus  flow  analysis.  The  excluded  processes  are:  transportation,  production  and  process  of  packaging,  cold  or  frozen  storage  and  final  product  distribution.  The  inherent  boundaries  of  the  model  exclude  the  potential  phosphorus  footprint  for  all  stages  of  transportation,  distribution  and  packaging  including  packaging  production.  The  process  of  cold  or  frozen  storage  is  also  excluded  on  the  basis  of  it  not  being  applicable  when  accounting  phosphorus.  

The  PCRs  are  used  for  structuring  the  results  presentation  format  in  the  shape  of  a  Phosphorus  declaration  to  state  the  phosphorus  losses  through  the  studied  product’s  life  cycle.    The  declaration  

Page 24: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

16    

includes  a  specification  of  the  declared  product,  the  result  of  the  study,  i.e.  the  map  or  phosphorus  flow  illustration  (created  from  the  accounting  sheet)  and  the  amount  of  phosphorus  losses,  what  stages  that  are  included  in  the  study  and  an  account  and  interpretation  of  the  flows  through  the  different  life  stages.  Also  included  on  the  declaration  is  information  about  the  studied,  manufacturing  company.    

   

Page 25: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

17    

4. The  Phosphorus  footprint  model  In  this  section  the  Phosphorus  footprint  model  is  developed  by  using  the  information  and  conceptual  flow  chart  from  the  previous  sections  Literature  background  and  overview  of  phosphorus  and  Model  development:  Phosphorus  accounting  and  flow  methodology.  Here  the  model  is  further  developed  with  the  aim  of  being  directly  applicable  for  phosphorus  accounting.  Appendix  1:  The  Phosphorus  Footprint  Manual  is  attached  and  there  the  process  condensed.  In  full  scale  the  model  can  be  used  for  tracking  the  use  of  phosphorus  during  the  whole  life  cycle  of  a  meat  product,  but  it  could  be  condensed  and  only  focus  on  the  crop  production  for  human  consumption.  This  would  remove  the  breeding  and  livestock  processing  steps.    

The  Phosphorus  footprint  accounting  methodology  is  retrospective  and  consumer-­‐based.  The  flows  of  phosphorus  are  identified  and  the  usage  quantified  to  create  an  input-­‐output  balance  of  phosphorus  for  each  single  life  stage  of  a  meat  product.  The  accounted  flows  are  used  to  create  a  quantified  flow  chart  map  that  illustrates  where  in  the  life  cycle  management  improvements  can  be  made.  Also,  by  creating  a  flow  chart  with  the  known  input  and  output  amounts,  the  losses  for  each  life  stage  can  be  calculated  as  the  difference.  The  result  is  presented  as  a  Phosphorus  declaration  for  the  studied  meat  product.  Values  are  measured  in  mass  units,  i.e.  g  of  phosphorus.    For  a  production  process  or  business  it  can  also  be  calculated  as  g  of  phosphorus  per  unit  produced  or  per  time  unit.  The  unit  depend  on  what  the  end  use  is.  

4.1. System  definition  and  setting  the  aim  In  the  first  stage  of  the  accounting  the  footprint  the  aim  and  system  is  defined.  This  is  includes;  setting  the  aim  and  scope  of  the  study;  defining  the  functional  unit;  system  boundaries  and  methodology;  and  discussing  the  assumptions,  allocations  and  data  quality  demands.    

Goal  Setting  the  goal  of  the  study  is  done  by  clearly  formulating  the  purpose  of  the  footprint  accounting;  some  examples  of  plausible  purposes  are  listed  below:  

• Is  it  evaluative,  e.g.  finding  points  for  recirculation,  examine  a  whole  production  line,  a  single  process  step  or  business  strategy  in  order  to  find  possibilities  to  improvements?  Improvements  include  finding  points  for  recirculation,  management  improvements  and  closing  loop  solutions.    

• Is  it  informative,  i.e.  for  consumers,  farmers  or  other  stakeholders  to  see  the  consumption  and  footprint  caused  by  the  product?  This  information  could  be  used  for  usage  improvement  or  to  change  consumption  or  production  patterns  by  increasing  awareness.  

• Is  it  comparative  by  analysing  different  technologies,  processes  or  production  strategies  and  compare  their  respective  strengths  and  weaknesses?  

• Is  it  for  internal  or  public  use,  e.g.  for  brand  strengthening,  increased  competitiveness  etc.?  

Scope  The  scope  definition  is  a  short  walk-­‐through  of  the  process  and  life  cycle  of  the  studied  product.  The  model  is  developed  to  include  and  handle  the  entire  life  cycle,  from  cultivation  to  disposal;  however  it  can  be  condensed  depending  on  the  purpose  of  the  study.  

Page 26: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

18    

Functional  unit  The  functional  unit  defines  in  which  form  the  data  results  are  presented,  inherent  in  the  model  is  that  all  results  are  listed  as  grams  of  phosphorus  per  functional  unit,  which  can  based  on  various  factors,  examples  listed  below:  

• Production  based:  definition  based  on  what  is  produced  and/or  sold,  e.g.  per  amount  of  product  unit,  production  facility  or  business  division.  

• Geographically  based:  classifies  flows  per  geographically  limited  area,  a  city,  region  or  country,  depending  on  the  size  of  the  company.  Note  that  the  model  is  developed  with  respect  to  Swedish  conditions  and  production  conditions  may  differ  in  other  countries.  

• Temporally  based:  presenting  consumption  within  a  specific  time  frame,  e.g.  per  production  year,  which  if  followed  up  annually  can  result  in  a  trend  prognosis  and  a  year-­‐to-­‐year  comparative  study.  

• Spatially  based:  focus  on  the  usage  of  a  production  unit,  factory  or  farm.  

The  functional  unit  can  be  a  combination  of  factors,  but  keeping  it  simple  and  straightforward  is  recommended  as  this  is  the  basis  for  data  collection  and  the  availability  can  be  a  limiting  factor.  

System  boundaries  The  general  system  boundaries  are  set  in  the  model,  which  include  the  life  stages  of  a  meat  product  and  the  flows  through  each  stage.  Also  the  model  exclude  the  potential  phosphorus  footprint  for  biofuel  used  for  transportation,  running  machines  etcetera  and  for  any  bio  packaging  that  might  be  used  is  excluded  from  the  model.  The  pre-­‐production,  i.e.  the  extraction  of  natural  phosphorus  and  the  production  of  mineral  fertilizers,  is  also  excluded.  Besides  these  boundaries,  there  can  be  product  and  study  specific  boundaries  that  should  be  defined  and  explained.  These  depend  on  the  aim  and  scope  of  the  study.    

Accounting  methodology    The  accounting  methodology  describes  how  the  accounting  and  study  is  performed,  where  data  is  collected  and  sources  used.  The  Phosphorus  footprint  accounting  methodology  is  a  four-­‐step  process:  

• Definition  of  the  system  and  the  aim  • Identification  of  life  stages  and  flows  • Data  collection  • Interpretation  and  phosphorus  declaration  of  results  

Assumptions    Here  exclusions  and  assumptions  made  for  the  study  and  what  these  are  based  on  are  presented.  For  example,  flows  that  will  not  be  considered  because  their  impact  on  the  overall  study  are  deemed  too  small  and  stages  prior,  between  or  after  those  defined  in  the  Phosphorus  footprint  system  boundaries  that  are  excluded  and  on  what  basis.    

   

Page 27: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

19    

Allocations    This  section  describes  how  the  question  of  allocating  phosphorus  flows  with  respect  to  different  products,  by-­‐product  and  waste  in  the  production  and  processing.  The  allocations  can  be  done  with  respect  to  mass  or  economic  value.  The  PCRs  supply  flow  specific  guidelines  and  should  be  used  to  deal  with  allocation  issues.    

Data  quality  The  demands  on  data  quality  are  discussed  with  respect  to  several  aspects:  temporal  coverage,  geographical  coverage,  technical  coverage,  precision  and  range,  accuracy  and  robustness.  

4.2. Identification  of  life  stages  and  flows  In  this  step  the  production  process  of  the  studied  system  is  explained  to  produce  a  flow  chart  showing  the  life  stages  of  the  chosen  meat  product  and  the  flows  through  each  stage  that  is  to  be  included  in  the  study.  The  Phosphorus  footprint  model  provides  a  guideline  with  the  accounting  model,  which  identifies  the  life  stages  and  flows.  The  general  flows  and  life  stages  defined  in  the  Phosphorus  Footprint  model  are  illustrated  in  the  flow  chart  below,  Figure  7.  Note  the  difference  in  the  format  of  the  flow  chart.  This  is  an  adaption  the  accounting  sheet  in  the  subsequent  step.  The  dividing  lines  between  the  life  stages  are  to  simplify  the  assembly  of  a  combined  flow  and  accounting  sheet.  In  general,  all  the  life  stages  are  to  be  included  for  a  complete  study.  Any  exceptions,  additions  or  exclusions,  should  be  listed  and  defined.  This  includes  any  changes  regarding  flows:  inputs,  internal  or  outputs.  The  flow  chart  should  be  adjusted  according  to  these  changes  and  each  addition  shall  be  defined  and  explained.  

 Figure  7:  General  phosphorus  flow  chart  illustrating  the  phosphorus  flows  in  Swedish  agriculture  and  food  production  

Page 28: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

20    

4.3. Data  collection  and  calculation  When  the  system  is  defined,  the  aims  are  set  and  the  flows  are  identified  for  the  study,  the  data  is  collected.  The  purpose  of  the  third  step  is  to  quantify  each  of  the  identified  flows  by  doing  an  inventory  analysis.  The  inventory  lists  the  amount  of  phosphorus  entering  and  leaving  each  life  stage.  After  all  the  numbers  for  the  known  inputs  and  outputs  are  calculated,  a  substance  flow  balance  is  created.  The  balance  for  each  life  stage  should  be  zero,  i.e.  what  goes  in  should  be  equal  to  what  goes  out,  and  thus  the  losses  in  each  stage  can  be  identified  and  quantified.  All  quantified  data  is  calculated  and  presented  in  the  functional  unit.  The  resulting  data  is  summarized  in  the  flow  and  accounting  sheet  (Figure  8),  which  connects  the  phosphorus  flow  chart  created  in  the  previous  stage  with  the  input-­‐output  based  inventory  analysis  or  substance  flow  balance.    

For  the  calculations  primary  data  or  site-­‐specific  data  shall  be  used  in  the  core  module,  which  is  the  animal  husbandry  and  food  industry.  The  data  is  gathered  on  or  directly  from  the  sites  where  the  processes  take  place.  This  is  to  ensure  high  accuracy  in  the  results.  When  primary  data  is  not  available,  as  is  usually  the  case  principally  in  the  disposal  stages,  statistical  and  selected  generic  data  is  used.  Also,  some  numbers,  such  as  atmospheric  deposition,  are  considered  national  values.  For  the  upstream  process  of  feed  production,  life  cycle  analyses  done  by  SIK  are  available  for  some  of  the  most  common  feed  components  and  additives  on  their  website  (SIK,  2011).  The  PCR  are  helpful  by  supplying  allocation  rules  for  when  the  production  of  meat  generates  more  than  one  products  and  how  the  in-­‐  and  outputs  of  those  stages  should  be  divided  (IVL,  2010).    

To  some  extent  the  processes  of  life  stage  and  flow  identification,  data  collection  and  calculation  are  iterative,  as  sources  and  flows  of  phosphorus  will  likely  be  found  during  the  quantification  in  stage  three,  which  may  not  have  been  considered  when  establishing  the  flow  chart  in  stage  two.  In  these  cases,  the  flow  chart  is  modified  accordingly  and  the  additions  defined  and  explained.  The  same  applies  if  flows  are  removed.  Removal  could  be  due  to  non-­‐applicability  or  inability  to  quantify.  Flows  that  are  unable  to  quantify  should  not  be  removed  from  the  flow  chart  or  accounting  sheet,  but  remain  as  a  dotted  line  and  noted  “unknown”.  This  is  to  maintain  the  complete  overview  supplied  by  the  Phosphorus  footprint  model  and  as  an  indication  of  what  is  still  needed.  

   

Page 29: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

21    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure  8:  The  Phosphorus  footprint  flow  and  accounting  sheet,  unit  in  general  sheet  is  defined  as  kg  of  P  year-­‐1,  but  depending  on  the  aim  of  the  study  the  functional  unit  can  change  

Page 30: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

22    

4.4. Interpretation  and  phosphorus  declaration  Last  is  results  interpretation  and  phosphorus  declaration.  The  accounting  sheet  will  show  the  consumption  and  losses  of  phosphorus  per  each  life  stage  and  for  the  entire  life  cycle.  The  sheet  also  shows  in  which  stages  and  for  which  flows  improvements  to  the  system  can  be  done.  This  is  the  goal  of  the  Phosphorus  footprint  -­‐  to  illustrate  where  there  are  possibilities  for  recirculation,  improved  management  and  closing  loops  between  life  stages.  Either  the  accounting  sheet  is  used  for  interpretation  or  an  illustration  of  flows  can  be  constructed  by  using  the  quantified  values  and  the  constructed  flow  chart  in  the  accounting  sheet  (see  chapter  Model  validation:  Case  study)  where  the  arrows  in  the  illustration  can  be  used  to  represent  the  size  of  the  flows.  

To  interpret  the  results,  the  aims  of  the  Phosphorus  footprint  model  are  used.  These  include  provide  a  life  cycle  view  and  show  the  use  of  phosphorus  through  all  the  life  stages  of  a  meat  product,  be  used  as  a  basis  for  improving  phosphorus  management,  highlight  the  scarcity  issue,  illustrate  possibilities  for  recycling  and  be  easy  to  use  and  apply.  Based  on  these  the  results  are  evaluated  with  respect  to  the  following  aspects:  

• Assessing  the  life  cycle  view  in  the  studied  system:  Is  the  system  linear  or  a  closed  loop  system?  If  the  system  is  closed,  describe  to  what  extent.  Are  there  policies,  framework  or  other  structures  aimed  at  implementing  a  closed  loop  system  or  is  it  possible  to  employ?  

• Assessing  the  possibilities  for  improved  phosphorus  management:  Where  are  the  large,  consumption  flows  and  if  so  could  they  be  smaller,  i.e.  where  are  the  possibilities  for  decreased  raw  resource  use?  

• Assessing  the  possibilities  for  recycling:  Where  there  are  large  flows  leaving  the  system,  could  these  complement  and  decrease  the  need  of  a  raw  resource  input  or  even  replace  it?  Are  there  recycled  flows  already  and  if  so  could  they  increase,  i.e.  more  re-­‐circulation?  

The  results  are  then  presented  in  the  form  of  a  Phosphorus  declaration.  The  declaration  includes  a  specification  of  the  declared  product,  the  result  of  the  study,  i.e.  the  map  or  phosphorus  flow  illustration  (created  from  the  accounting  sheet)  and  the  amount  of  phosphorus  losses,  the  stages  included  in  the  study,  an  account  of  the  flows  through  the  different  life  stages  and  information  about  the  studied  company.  

 

 

 

 

 

 

Page 31: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

23    

5. Model  validation:  Case  study  -­‐  Kronfågel  The  Phosphorus  footprint  model  is  applied  to  Kronfågel,  part  of  the  food  sector  at  Lantmännen,  and  their  fresh  chicken  product.  Kronfågel  consists  of  46  chicken  farms  in  Sweden  (Lantmännen  Kronfågel,  u.d.).  The  production  is  located  in  Valla,  Sörmland,  where  about  38  million  chickens  each  year  are  slaughtered  and  prepared  for  wholesale  (Lantmännen  Kronfågel,  u.d.).      

5.1. System  definition  and  aim  The  first  step  in  phosphorus  accounting  is  definition  of  the  system  and  the  aim.  Here  the  scope  and  goal  of  the  study,  system  boundaries,  allocation  issues  and  data  quality  coverage  is  set.    

Goal  The  purpose  of  this  study  is  to  validate  and  help  evaluate  the  strengths  and  weaknesses  of  the  Phosphorus  footprint  model  developed  during  this  master’s  thesis  project.  This  is  done  by  phosphorus  declaring  the  Lantmännen  Kronfågel  fresh,  boneless  chicken.  The  declaration  is  done  using  the  meat  of  poultry  PCR  (IVL,  2010),  an  LCA  done  on  Kronfågel  chicken  (Widheden,  et  al.,  2001)  and  the  underlying  report  to  the  Climate  declaration  of  Kronfågel  chicken  (Tynelius,  2008).  

Scope  The  study  includes  the  whole  life  cycle  of  the  Lantmännen  Kronfågel  chicken,  from  feed  production  to  end-­‐of-­‐life  treatment.  Data  on  the  flows  of  phosphorus  through  each  stage  are  collected  and  in  some  stages  calculated  from  statistics  to  account  the  footprint.  The  grandparents  of  the  chickens  are  imported  and  after  a  24-­‐week  long  breeding  period,  they  produce  eggs  for  a  total  of  40  weeks  (Widheden,  et  al.,  2001).  This  is  followed  by  a  three  weeks  hatching  period  of  the  parents.  The  parents  share  the  life  pattern  of  the  grandparents,  i.e.  24  weeks  breeding,  40  weeks  egg  producing  and  three  weeks  of  hatching.  After  a  35-­‐week  breeding  period,  the  third  generation  of  chickens  are  slaughtered  and  prepared  for  wholesale.    

Functional  unit  The  functional  unit  for  this  study  is  1kg  of  chilled,  boneless  chicken  meat.  This  enables  a  comparison  between  the  resulting  phosphorus  declaration  and  the  climate  declaration  done  by  Lantmännen  on  the  same  product.    

System  boundaries  The  system  boundaries  for  the  study  are  listed  in  the  Phosphorus  footprint  model.  Besides  these  boundaries  there  are  some  set  specifically  for  the  study.  For  example,  for  the  consumption  and  disposal,  the  study  applies  data  and  statistics  for  the  Stockholm  region.  These  in-­‐  and  outflows  are  identified  and  motivated  under  this  section.    

Accounting  methodology  The  accounting  methodology  defined  by  the  Phosphorus  Footprint  model  is  used.  The  study  is  performed  with  Lantmännen  Kronfågel  and  the  data  used  is  total  elementary  data  and  mean  values  from  five  farms  are  used  to  calculate  the  flows  of  phosphorus,  supplied  by  Villman  at  Lantmännen,  personal  communication  (2013).  The  five  farms  stand  for  about  13  %  of  the  chicken  production  and  are  

Page 32: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

24    

considered  representative  for  the  total  production  by  Kronfågel  (Villman,  2013).  Also  statistics  and  average  values  are  used  in  the  final  stages,  for  the  disposal  stage,  where  elementary  data  is  not  available  or  accessible.  

Assumptions  Based  on  a  LCA  report  done  by  SIK  –  the  Swedish  Institute  for  Food  and  Biotechnology  on  Swedish  turkey  production  (deemed  comparable  for  the  study  by  Villman,  2013),  the  impact  of  the  life  stages  before  animal  husbandry  and  slaughter,  on  the  overall  life  cycle  balance  are  assumed  too  small  and  are  excluded  from  this  study  (Wallman  &  Sonesson,  2010).  These  include  breeding  of  the  grandparents  and  parents  and  the  by-­‐products  they  produce,  e.g.  eggs  and  manure.  

Allocations  Allocations  are  done  based  on  mass  and  economical  values  using  an  average  market  price  of  the  last  five  years  (IVL,  2010).  The  environmental  impact  of  fresh  chilled  chicken  products  and  frozen,  two  of  many  yields  from  the  food  industry  and  processing,  is  allocated  on  the  basis  of  weight  (Widheden,  et  al.,  2001).  The  phosphorus-­‐amount  in  manure  and  the  impact  of  that  in  the  accounting  is  spread  over  the  entire  cultivation  line,  i.e.  not  only  allocated  to  the  singular  crop  that  was  fertilized  with  it.  

Data  quality  Below  the  demands  put  on  data  quality  are  discussed.  

• Temporal  coverage:  The  study  is  an  inventory  to  describe  the  current  status  of  the  phosphorus  flows  by  using  average  yearly  data.    

• Geographical  coverage:  Lantmännen  Kronfågel  consists  of  46  Swedish  chicken  farmers  who  produce  and  sell  their  products  in  Sweden.  Also,  the  model  is  designed  to  account  the  Phosphorus  footprint  for  Swedish  agriculture  and  food  production.  This  is  what  the  data  used  in  the  study  will  represent.  Regarding  consumption  and  disposal  treatment  the  study  is  limited  to  applying  data  and  statistics  for  the  Stockholm  region.    

• Technical  coverage:  As  the  study  is  a  description  of  the  current  status  of  the  phosphorus  usage,  the  data  used  will  represent  the  average  technical  baseline  for  chicken  production  in  Sweden.    

• Precision  and  range:  The  goal  is  to  acquire  as  a  high  precision  and  coverage  on  the  data  quality  as  possible,  but  there  is  an  aim  of  the  Phosphorus  footprint  model  to  be  user  friendly  and  easy  to  use,  also  a  limit  of  resources  and  time  available  for  the  study.  Thus  there  is  a  compromise  between  data  precision  and  range,  user  friendliness  and  the  resource  limitations  of  the  project.  

• Accuracy:  Accuracy  is  a  qualitative  assessment  on  how  well  the  data  represents  the  reality  (Widheden,  et  al.,  2001),  which  will  be  discussed  in  step  4  Interpretation  and  phosphorus  declaration.  

• Reproducibility:  The  study  is  performed  using  the  highest  possible  transparency  during  the  accounting  to  ensure  reliable  results  and  reproducibility.    

   

Page 33: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

25    

5.2. Identification  of  life  stages  and  flows    In  accordance  with  the  Phosphorus  footprint  model,  the  PCR  Meat  of  Poultry  and  the  specifics  for  Lantmännen  Kronfågel,  the  life  stages  and  the  flows  through  them  are  illustrated  in  figure  9.    

 Figure  9:  The  life  stages  and  flows  through  Lantmännen  Kronfågel  chicken  (Source:  IVL,  2010;  SIK,  n.d.;  Svensk  fågel,  2013)  

The  young  chickens  are  bought  from  the  hatchery  in  Flyinge  and  fed  with  a  mixture  of  grains,  protein  fodder  and  mineral  and  vitamin  supplements  (Widheden,  et  al.,  2001).  Some  farms  produce  all  or  parts  of  the  feed,  while  others  buy.  The  manure  is  thus,  in  some  cases,  used  on  the  own  farm  or  sold  to  the  neighbour  (Villman,  2013).  For  this  study,  it  is  assumed  that  all  the  feed  is  bought  and  that  the  manure  is  not  used  on  the  farm.  Also,  since  all  feed  is  assumed  to  be  important,  information  regarding  the  soil  to  assess  the  concentration  of  nutrients,  is  missing,  this  flow  has  not  been  included.  

At  35  days  of  age,  the  broilers,  i.e.  grown  chickens  for  food  production,  have  an  average  weight  of  2  kg.  In  the  food  industry  life  stage,  the  broilers  are  slaughtered  and  the  different  products  are  prepared  for  wholesale.  All  the  slaughterhouses  that  are  members  of  the  Swedish  Poultry  Meat  Association  are  monitored  and  follow  the  standards  set  by  National  Food  Agency  (Svensk  fågel,  2013),  this  include  Lantmännen  Kronfågel.  The  chickens  produced  by  Lantmännen  Kronfågel  farmers  are  all  slaughtered  and  prepared  at  the  production  facility  in  Valla,  Sörmland.  A  modern  slaughterhouse  has  the  capacity  to  slaughter  from  5000  to  12  000  animals  per  hour  (Svensk  fågel,  2013).  The  animals  are  sedated  before  they  are  quickly  emptied  of  blood  with  a  knife  incision.  They  are  scalded  in  a  bath  for  easier  removal  of  

Page 34: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

26    

the  feathers  and  then  the  intestines  are  removed.  After  a  general  inspection  the  chickens  are  chilled  in  a  water  bath  or  in  air.  Last  they  are  classified  and  sorted  for  the  different  meat  products.  (Svensk  fågel,  2013).  The  packaged  chicken  meat  is  then  transported  to  stores  and  sold  to  consumers.  The  household  waste  goes  to  waste  treatment  for  biogas  production  or  incineration  for  heat  generation.  The  toilet  waste  goes  to  wastewater  the  treatment  plant  Rosenholm  in  Katrineholm.    

Before  data  collection  and  calculation  a  conceptual  mass  and  product  flow  chart  based  on  the  functional  unit  is  developed,  Figure  10.  This  is  used  for  final  calculation  of  the  phosphorus  flows  to  get  the  data  per  grams  of  phosphorus  in  flow  per  kg  of  fresh,  boneless  chicken  meat.  

 Figure  10:  A  conceptual  mass-­‐  and  product  flowchart  expressed  with  respect  to  the  functional  unit  (Based  on  Villman,  personal  communication,  2013  and  Widheden,  et  al.,  2001)  

   

Page 35: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

27    

5.3. Data  collection  and  calculation  Site-­‐specific  data  for  the  core  module,  i.e.  animal  husbandry  and  food  industry,  is  supplied  by  Sofie  Villman  at  Lantmännen  and  from  the  Lantmännen  Kronfågel  webpage  and  the  LCA  report  on  Kronfågel  chicken  by  Widheden,  et  al.,  2001.  Also  used  for  reference  is  an  LCA  report  done  on  turkey  by  Wallman  and  Sonesson,  2010.  Complimentary  sources  of  information  for  the  upstream  processes  are  LCA-­‐results  for  Swedish  feed  production  by  SIK  and  for  the  downstream  processes  a  report  on  the  phosphorus  flows  through  society  done  by  Wivstad,  et.al,  (2009).  Other  complimentary  sources  are  listed  with  the  numbers.  All  the  raw  data  and  calculations  behind  the  results  are  in  Appendix  2  (confidential  data,  not  included).  The  mass-­‐  and  product  flowchart  (Figure  9)  is  used  for  calculating  the  yield  of  fresh  boneless  chicken  meat  from  whole  chicken  for  slaughter  under  section  Food  industry.  The  yield  is  calculated  to  1.98  kg  broiler  (chicken  for  slaughter)  per  1  kg  of  fresh,  boneless  chicken  meat  (functional  unit).  

Feed  production    Chickens  are  highly  efficient  feeders;  according  to  the  Swedish  Poultry  Meat  Association,  approximately  1.7  kg  of  feed  results  in  1  kg  of  meat  (Svensk  fågel,  2013).  This  efficiency  is  ensured  by  good  quality  and  highly  nutritious  feed.  

• Mineral  fertilizers  and  leakage:  Lantmännen  Kronfågel  chickens  are  fed  with  a  mixture  of  grains  (wheat,  corn  and  oats),  protein  (based  on  soy  and  rapeseed)  and  nutrient  supplements.  The  feed  is  produced  in  Sweden  (SIK,  2010a;  SIK,  2010b),  except  for  the  soy,  which  is  imported  from  Brazil  (SIK,  2010c).  Data  on  the  phosphorus  flows  for  the  production  of  the  feed  components  show  that  the  average  amount  of  phosphorus  in  mineral  fertilizers  used  for  feed  production  is  15.4  g  P  kg-­‐1  of  feed  and  the  leakage  is  2.6  g  P  kg-­‐1  of  feed  produced,  Table  2.  

Table  2:  Amount  of  P  in  mineral  fertilizer  and  leakage  per  kg  of  feed  produced  

Type  of  feed  Average  amount  of  P  in  mineral  fertilizer  [g  P/kg  feed]  

Average  amount  of  P  leakage  [g  P/kg  feed]   Source:  

Wheat   1,01   0,28   (SIK,  2010a)  Corn   1,10   0,37   (SIK,  2010a)  Oat   1,77   0,47   (SIK,  2010a)  Rapeseed   2,70   0,61   (SIK,  2010b)  Soy   8,8   0,89   (SIK,  2010c)  Total  [g  P/kg  feed]   15,38   2,62      

     

Page 36: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

28    

Based  on  the  amount  of  feed  one  kg  of  chicken  consume,  the  approximate  feed  composition  that  the  farmers  at  Lantmännen  Kronfågel  use  and  data  from  SIK  on  phosphorus,  the  amount  of  phosphorus  in  mineral  fertilizers  used  to  produce  the  feed  and  the  leakage  from  the  agricultural  soils  is  calculated.    The  total  amount  of  phosphorus  in  mineral  fertilizer  is  9.2  g  P  kg-­‐1  of  chicken  meat  and  in  leakage  is  1.4  g  P  kg-­‐1  of  chicken  meat,  Table  3.  

Table  3:  Amount  of  P  in  mineral  fertilizer  and  leakage  to  produce  one  functional  unit  (Based  on  LCA-­‐results  from  SIKa-­‐c)  

Type  of  feed  Amount  of  P  in  mineral  fertilizer  per  kg  chicken  [g  P/kg  chicken]  

Amount  of  P  leakage  per  kg  chicken  [g  P/kg  chicken]  

Wheat    1,06   0,29  Corn   0,10   0,03  Oat   0,15   0,04  Rapeseed   0,24   0,05  Soy   3,08   0,31  

Total  [g  P/kg  chicken]   4,63   0,73  

Expressed  in  [g  P/kg  chicken  meat]   9,2   1,4  

• Atmospheric  deposition:    Phosphorus  deposition  was  officially  monitored  until  the  early  1990s,  but  due  to  low  concentrations  and  data  measuring  and  analysing  difficulties,  this  is  no  longer  done  (Linderholm,  et  al.,  2012).  Using  the  most  commonly  used  value  of  0.3  kg  P  ha-­‐1  (Bergström,  et  al.,  2012)  the  atmospheric  deposition  on  the  agricultural  land  is  1.0  g  P  kg-­‐1  of  chicken  meat,  Table  4.  

Table  4:  Approximate  calculation  of  atmospheric  deposition  on  the  agricultural  land  used  to  produce  one  functional  unit  (Based  on  SIKa-­‐c,  2010;  Bergström,  et.al,  2012)  

Deposition  [g  P/m2]  

Agricultural  land  used  for  cultivation  of  the  feed  [m2/kg  feed]  

Agricultural  land  used  for  cultivation  of  chicken  [m2/kg  chicken]  

Atmospheric  deposition  [g  P/kg  chicken  meat]  

0,03   10,1   17,7   1,0  

• Phosphorus  storage  in  soil:  The  phosphorus  in  soils  exists  in  bound  and  soluble  form  and  only  the  soluble  phosphorus  is  available  for  plants  to  take  up  (Linderholm,  2011).  This  is  about  0,  1-­‐1  mg  liter-­‐1  or  some  single  kg  P  ha-­‐1  (Bergström,  et  al.,  2012).  Assuming  some  single  kg  per  hectare  is  1kg  P  ha-­‐1  and  based  on  the  average  land  use  for  feed  cultivation  per  chicken  17.7  m2  land  kg-­‐1,  the  phosphorus  storage  is  estimated  to  1.8  g  P  kg-­‐1  chicken  meat,  Table  5.  

Table  5:  Approximate  phosphorus  storage  in  the  agricultural  soil  used  to  produce  one  functional  unit  (Based  on  Bergström,  et  al,  2012)  

Assumed  storage  [kg/ha]    

Assumed  storage  [g/m2]    

Phosphorus  storage    [g  P/kg  chicken  meat]    

1   0,1   0,1*17,7  =  1,77      

Page 37: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

29    

Animal  husbandry    In  2012  about  36,  2  million  chickens  were  produced  (Villman,  2013)  and  these  consume  about  82  000  tons  of  feed  per  year  and  produce  about  37  000  tons  of  manure  per  year  (own  calculation  based  on  Villman,  2013).  The  phosphorus  flows  in  animal  husbandry  are  based  on  Widheden,  et.al.  (2001)  and  recalculated  to  g  P  kg-­‐1  of  flow.  The  amounts  of  phosphorus  entering  animal  husbandry  are  shown  in  Table  6  and  the  amounts  exiting  are  shown  in  Table  7.  

Table  6:  Phosphorus  flows  into  animal  husbandry  (Based  on  Widheden,  et.al,  2001;  Villman,  2013)  

Flows  into  animal  husbandry    [g  P/kg  chicken  meat]  

Young  chicken   11,9  Fodder    8,7  Mineral  fertilizer   0  

Table  7:  Phosphorus  flows  out  from  animal  husbandry  (Based  on  Widheden,  et.al,  2001;  Villman,  2013)  

Flows  out  of  animal  husbandry    [g  P/kg  chicken  meat]  

Grown  chicken  (Broiler)   11,9  Manure   7,1  Losses   0,3  

The  manure  produced  by  is  either  spread  on  the  own  farm  or  goes  to  the  neighbours  (Villman,  2013).  However,  based  on  personal  communication  with  Villman  (2013)  it  is  assumed  for  this  study  that  all  feed  is  purchased,  thus  manure  is  noted  as  an  output  and  not  an  internal  flow.  Losses  are  based  on  an  average  loss  of  0.31  kg  ha-­‐1  (Widheden,  et  al.,  2001)  and  given  the  average  production  of  1  800  tons  chicken  year-­‐1  ha-­‐1  (based  on  Villman,  2013),  the  approximate  amount  of  loss  is  0.3  g  P  kg-­‐1  chicken  meat  produced.  

Food  industry    The  grown  chickens  for  slaughter  are  called  broilers  and  these  enter  the  food  industry  with  an  average  weight  of  2  kg.  After  slaughter  and  wholesale  preparation  including  packaging,  the  different  chicken  products  are  transported  to  the  stores  and  sold.  The  chicken  products  are  either  sold  fresh  and  chilled  or  frozen.  The  allocation  between  these  chicken  products  is  based  on  mass  and  shown  in  Table  8.  

Table  8:  Allocation  between  chilled,  fresh  chicken  products  and  frozen  (Source:  Villman,  personal  communication,  2013)  

Products   Allocation  based  on  mass  [%]  

Chilled,  fresh  chicken   73,9  Frozen  chicken   26,1  

An  description  on  how  the  yield  from  the  food  industry  is  calculated,  i.e.  the  amount  of  whole  chicken  that  has  to  enter  the  stage  in  order  to  produce  one  kg  of  fresh,  boneless  chicken  (which  represents  the  functional  unit),  is  given  below.  According  to  Widheden,  et.al,  (2001)  the  approximate  composition  of  a  chicken  is  70  %  meat,  skin  and  bone  and  30  %  feathers,  head,  intestines  etc.  The  composition  is  illustrated  in  more  detail  in  Figure  11.  Other  includes  head,  legs,  intestines  and  other  by-­‐products,  is  sold  

Page 38: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

30    

as  mink  feed.  Waste  includes  skin,  bone  and  other  low  risk  waste  not  sold  as  mink  feed  goes  to  waste  treatment  (Widheden,  et  al.,  2001).  

 Figure  11:  The  approximate  composition  of  a  chicken  (Source:  Widheden,  et.al,  2001)  

Using  the  amount  of  broilers  produced  every  year  and  the  amount  of  fresh  and  frozen  chicken  products  produced  (note:  these  are  including  bone  and  skin),  a  mass  balance  can  be  calculated.  To  calculate  the  amount  of  by-­‐products  and  waste,  the  amount  of  fresh  and  frozen  chicken  products  is  subtracted  from  total  amount  of  chickens  for  slaughter.  By  subtracting  the  amount  of  “other”,  which  is  30  %  of  the  total  amount  of  chickens  for  slaughter,  the  amount  of  skin  and  bone  in  the  waste  and  by-­‐products  fraction  is  calculated.  The  rest  of  the  skin  and  bone  follows  the  chicken  products.  To  calculate  the  amount,  the  skin  and  bone  that  end  up  in  the  waste  and  by-­‐product  fraction  is  subtracted  from  the  total  amount  of  skin  and  bone  in  the  chicken  for  slaughter,  i.e.  the  15  %  and  2.5  %.  Assuming  that  the  relation  of  skin  and  bone  is  the  same  in  the  chicken  products  fraction  as  in  the  whole  chicken,  85.7  %  is  bone  and  14.3  %  is  skin  out  of  the  total  amount  of  skin  and  bone  that  goes  with  the  products  fraction.  Also  assuming  that  the  same  amount  of  skin  and  bone  goes  with  each  product  fraction,  73.9  %  of  the  skin  and  the  ends  up  with  the  fresh  chicken  products  and  26.1  %  go  with  the  frozen  chicken  products  (see  Table  8).  Finally,  to  calculate  the  amount  of  fresh,  boneless  chicken  meat  with  some  skin  that  is  produced,  which  is  the  functional  unit  and  the  amount  needed,  the  amount  of  bone  with  the  fresh  chicken  product  is  subtracted  from  the  total  amount  of  fresh  chicken  products.    

To  calculate  how  much  chicken  is  needed  to  produce  one  kg  of  fresh,  boneless  chicken  meat  with  some  skin,  one  functional  unit  is  multiplied  by  the  total  amount  of  fresh  chicken  product,  i.e.  73.9  %  of  the  total  chicken  amount  of  chickens  for  slaughter,  divided  by  the  amount  of  fresh,  boneless  chicken  meat  produced  and  the  result  is  the  yield.  Lantmännen  Kronfågel  calculated  the  amount  of  fresh,  boneless  chicken  meat  produced  per  1  kg  broiler  and  the  calculations  were  based  on  economic  allocations  between  chicken  and  by-­‐products  and  mass  allocation  to  separate  meat  from  the  bone.  Using  the  calculated  yield  and  data  from  Widheden,  et.al,  (2001)  the  flows  through  food  industry  can  be  calculated,  see  Table  9.  

Page 39: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

31    

Table  9:  Phosphorus  flows  through  food  industry  (Based  on  Widheden,  et.al,  2001)  

Food  industry   [g  P/kg  chicken  meat]  

In:  Broiler   11,9  Out:  Chicken  meat:  prepared  and  sold  for  consumption     6,0  Other:  intestines,  head  and  some  skin  and  bones  is  sold  as  pet  and  mink  feed   3,6  High-­‐risk  waste:  diseased  or  discarded  animals  goes  to  destruction   0,2  Food  industry  waste:  the  rest  of  the  skin  and  bones  goes  to  waste  treatment   2,2  

Kronfågel  has  an  internal  treatment  plant  for  the  wastewater  streams  in  the  food  industry  stage  before  it  goes  to  the  municipal  water  treatment  plant  Rosenholm,  in  Katrineholm  (Villman,  2013).  At  Rosenholm  the  treatment  consists  of  mechanical,  biological  and  chemical  purification,  as  well  as  treatment  of  the  sludge  that  is  produced  (Lundahl,  2011).  Phosphorus  is  removed  in  the  chemical  purification  stage  by  adding  a  chemical  causing  the  phosphorus  to  cluster  and  be  removed.  The  sludge  produced  is  ReVAQ-­‐  certified  and  is  thus  approved  to  be  used  on  agricultural  land  (Lundahl,  2011).  The  total  phosphorus  load  at  Rosenholm  is  132  kg/day  (Lundahl,  2011);  however  the  amount  of  phosphorus  in  the  process  water  leaving  the  Valla  slaughterhouse  is  unknown.    

At  Kronfågel  the  waste  and  product  output  is  divided  into  three  fractions:  human  food,  animal  feed  and  high-­‐risk  waste.  The  human  food  is  the  chicken  meat  prepared  for  wholesale  and  sold  for  consumption.  The  animal  feed  fraction  is  the  other  fraction,  which  is  sold  as  pet  food  and  mink  feed.  The  high-­‐risk  waste  such  as    diseased  or  discarded  animals  goes  to  destruction.  The  rest  of  the  skin  and  bones,  which  is  denoted  as  food  industry  waste  goes  to  waste  treatment  (Villman,  2013).  

Consumption    It  is  assumed  that  the  organic  waste  from  the  consumption  of  chicken  meat  is  thrown  with  the  unsorted  household  waste,  which  goes  to  the  incineration  plant  for  energy  generation  or  biogas  production.  On  a  yearly  basis  approximately  6  150  tons  of  phosphorus  in  feedstuff  is  consumed  (Wivstad,  et  al.,  2009).  Leaving  society  was  1  420  tons  in  household  waste  and  4  730  tons  in  wastewater  (toilet  waste),  see  Table  10.    

Table  10:  Flows  of  phosphorus  through  consumption  (Based  on  Wivstad,  et.al,  2009)  

Consumption   [g  P/kg  chicken  meat]  

In:    Foodstuff   5,9  Out:    Household  waste   1,4  Wastewater   4,6  

Page 40: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

32    

The  allocation  of  phosphorus  from  food  consumption  to  household  waste  and  wastewater  respectively  is  done  based  on  the  percentage  calculated  from  Wivstad,  et.al,  (2009)  and  the  amount  of  phosphorus  per  kg  chicken  that  enters  consumption.  

Disposal  After  consumption,  the  household  waste  and  wastewater  goes  to  their  respective  treatment  facilities.  The  wastewater  treatment  (WWT)  handles  the  toilet  waste;  the  waste  treatment  handles  the  food  industry  waste  (excluding  the  high-­‐risk  and  animal  food  fractions)  and  the  household  waste.  The  yearly  flows  of  phosphorus  in  wastewater  is  4  730  tons  and  in  household  waste  it  is  1  420  tons.  After  wastewater  treatment  about  0.8  g  P  kg-­‐1  chicken  meat  is  used  on  agricultural  land  (Table  11)  and  after  waste  treatment  about  0.3  g  P  kg-­‐1  chicken  meat  is  used  (Table  12).  

Table  11:  Flows  of  phosphorus  through  wastewater  treatment  (Based  on  Wivstad,  et.al,  2009)  

Wastewater  treatment     [g  P/kg  chicken  meat]  

In:    Wastewater     4,6  Out:    Agricultural  use   0,8  Rest   3,8  

Table  12:  Flows  of  phosphorus  through  waste  treatment  (Based  on  Wivstad,  et.al,  2009)  

Waste  treatment   [g  P/kg  chicken  meat]  

In:    Household  waste   1,4  Food  industry   2,2  Out:    Agricultural  use   0,3  Rest   3,3  

Phosphorus  flow  and  accounting  sheet  for  Lantmännen  Kronfågel  The  results  from  the  phosphorus  flow  calculations  for  Lantmännen  Kronfågel  chicken  is  show  in  the  Phosphorus  footprint  flow  and  accounting  sheet  below  in  Figure  12.  

Page 41: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

33    

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure  12:  The  resulting  Phosphorus  footprint  accounting  sheet  for  Lantmännen  Kronfågel  chicken,  all  numbers  are  in  g  P  kg-­‐1  chicken  meat  

Page 42: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

34    

5.4. Interpretation  and  Phosphorus  declaration  Using  the  flow  and  accounting  sheet  that  summarizes  the  results  from  the  initial  three  stages  of  the  accounting  process  a  quantified  flow  chart  is  created,  Figure  13.  The  results  are  converted  to  this  format  to  be  more  illustrative  and  communicable.  The  thickness  of  the  arrows  corresponds  to  the  amount  of  phosphorus  in  that  flow.  The  results  are  interpreted  based  on  the  three  assessment-­‐criteria  life  cycle  view,  management  improvements  and  recycling  possibilities.  Then  they  are  presented  in  the  format  of  a  Phosphorus  declaration.  

 Figure  13:  Illustration  of  the  phosphorus  flows  through  the  life  cycle  of  Lantmännen  Kronfågel  chicken;  all  numbers  are  in  g  P  kg-­‐1  chicken  meat.  The  thickness  of  the  arrows  represents  the  amount  of  the  flow.  The  solid,  black  arrows  show  the  flows  of  intermediate  products,  the  blue  show  the  inflows  to  the  system  and  the  red  show  the  outflows  leaving  the  system.  The  green  arrows  show  the  re-­‐circulated,  internal  flows  and  the  dotted,  black  arrows  indicate  potential  amounts  of  phosphorus  in  the  flows  but  for  which  information  have  not  been  found.  

 

Page 43: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

35    

Interpretation  Below  is  an  interpretation  of  the  results  from  the  model  validation    

• Assessment  of  the  life  cycle  view:  The  phosphorus  flow  illustration  shows  that  there  is  a  closed  loop  system,  to  some  extent,  between  the  first  and  the  last  stage.  After  the  waste  and  wastewater  is  treated,  some  of  the  phosphorus  in  the  sludge/ashes  is  reused  on  agricultural  land  as  fertilizer,  however  this  represents  only  about  a  fifth  of  the  phosphorus  amounts.  For  Kronfågel,  closing  this  loop  further  does  not  fall  within  their  core  processes,  i.e.  livestock  husbandry  and  food  industry,  but  for  their  agricultural  division  and  the  farmers  that  combine  feed  production  and  animal  husbandry  there  is  potential.  

• Assessment  of  the  possibilities  for  improved  phosphorus  management:    The  only  raw  phosphorus  flows  occur  in  the  feed  production,  due  to  the  mineral  fertilizer  is  used.  This  is  about  9.2  g  of  phosphorus  per  kg  of  chicken  meat.  Adding  the  atmospheric  deposition,  phosphorus  storage  and  the  recycled  sludge/ashes,  the  input  to  the  life  stage  is  13.2  g  of  phosphorus.  If  the  intermediate  products  and  leakage,  which  have  been  quantified,  is  subtracted  this  leaves  3.1  g  of  phosphorus  in  losses  in  the  feed  production  stage  in  order  for  the  substance  flow  analysis  to  break  even.  The  values  for  atmospheric  deposition  and  soil  storage  are  national  values  and  are  not  specific  for  the  studied  production  area.  Thus  these  values  are  associated  with  uncertainty.  Especially  soil  concentrations,  which  depend  greatly  on  the  agricultural  production,  soil  type  and  ground  hydrology.  Despite  the  uncertainty  of  the  quantity,  there  is  potential  for  improving  the  phosphorous  management  in  this  stage  in  terms  of  decreasing  raw  resource  use  and  perhaps  decreased  consumption.  Site-­‐specific  soil  mapping  of  the  nutrient  availability  on  the  agricultural  areas  is  recommended  when  exploring  this  potential  further.  

• Assessment  of  the  recycling  possibilities:  By  viewing  the  flow  illustration,  several  potential  sources  for  recycling  are  identified.  The  procedure  regarding  manure  management  differs  between  farms,  some  use  the  manure  themselves  depending  on  what  they  grow  themselves,  while  other  give  it  to  their  “neighbour”  or  drive  it  to  a  biogas  production  plant  (Villman,  personal  communication,  2013).  Generally  at  Kronfågel  there  is  no  standard  regarding  manure  management,  so  this  could  be  a  suggestion  for  the  future.  For  example  develop  a  system  for  manure  distribution  within  the  close  region  or  on  a  larger  geographical  scale.  Regarding  the  by-­‐products  flow,  which  consists  of  animal  waste,  it  is  not  reused  within  the  system  but  sold  as  pet  and  mink  feed  and  thus  used  elsewhere,  outside  the  studied  system.  Nevertheless,  the  assessment  of  the  phosphorus  flows  in  Sweden  by  Wivstad,  et.al,  (2009)  shows  that  a  lot  of  the  organic  waste  produced  in  food  industry  is  reused  in  animal  husbandry  as  feed  and  feed  production  as  fertilizer.  So  also  here  there  are  possibilities  for  reuse  within  the  core  system.    

A  lot  of  effort  has  been  put  into  finding  the  amount  of  phosphorus  in  the  process  water  from  the  food  industry,  but  due  to  lack  of  information  this  flow  has  not  been  able  to  be  included.  But  research  indicates  that  that  could  also  be  a  potential  recirculation  flow,  for  example  there  it  could  potentially  be  used  as  irrigation  water  on  agricultural  land,  assuming  there  are  no  issues  with  hazardous  substances.  

Page 44: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

36    

Phosphorus  declaration  of  Kronfågel  fresh  chicken  This  Phosphorus  declaration  summarizes  the  results  from  the  phosphorus  accounting  done  as  a  Phosphorus  footprint  model  validation  and  describes  the  consumption  of  phosphorus  during  the  life  cycle  of  chilled  chicken  meat  from  Kronfågel.    

• Specification  of  declared  product:  The  functional  unit  for  the  phosphorus  declaration  is  one  kg  of  chilled,  boneless  chicken  meat  from  Kronfågel.  

• The  chicken’s  phosphorus  consumption:  Based  on  a  life  cycle  perspective  the  total  phosphorus  losses  are  4.7  g  P  kg-­‐1  chilled  chicken  meat.  

• Stages  included  in  the  study:  o Feed  production  including  cultivation  of  crops  o Animal  husbandry  including  breeding,  rearing  of  the  chicken  and  manure  management    o Food  industry  including  slaughter  and  wholesale  preparation  o Consumption    o Disposal  including  waste  treatment  of  household  food  industry  waste  as  well  as  

wastewater  treatment  

Excluded  from  the  study  is  the  breeding  of  the  parents  and  grandparents  of  the  chickens  and  their  by-­‐products,  the  potential  phosphorus  footprint  for  any  biofuel  used  for  transportation  or  biodegradable  materials  in  packaging,  the  mining  of  phosphate  rock  and  the  production  of  mineral  fertilizers.  Also  excluded  is  the  production  of  secondary  products  such  as  detergents  and  handling  of  by-­‐products.    

The  results  are  declared  in  grams  of  phosphorus  and  to  enable  a  comparison  of  “Climate  declared”  products  the  functional  unit  kg  chilled  chicken  meat  and  the  standardized  system  of  PCR  meat  of  poultry  is  used.  The  PCR  meat  of  poultry  is  prepared  by  IVL  Swedish  research  Institute  for  the  International  EPD  (Environment  Product  Declaration)  System.  

• Phosphorus  outputs  per  life  stage:  Below  is  a  diagram  of  the  phosphorus  the  losses  leaving  the  studied  system,  expressed  per  life  stage,  see  Diagram  1.  The  largest  unidentified  losses  occur  in  the  feed  production.  These  losses  could  occur  during  e.g.  harvest  or  preparation  of  the  crops.  Also  there  are  large  amounts  leaving  the  stage  as  leakage.  This  ends  up  in  the  soils  as  storage  or  waterways.  The  other  source  of  unidentified  losses  is  animal  husbandry.  Here  the  losses  could  occur  in  the  handling  of  the  manure  or  when  cleaning  the  area  where  the  chickens  are  kept.  From  livestock  husbandry  there  is  a  large  output  of  manure  and  as  mentioned  the  procedure  and  management  of  manure  on  the  farms  differ  greatly.  However  based  on  the  assumption  made  in  the  study  that  manure  is  not  used,  the  conclusion  is  that  there  is  potential  for  fulfilling  all  three  of  the  assessment  criterions  by  closing  the  loop  between  livestock  husbandry  and  feed  production  through  recycling  of  the  manure  and  thus  improving  the  management  by  decreasing  the  raw  resource  use.  There  are  outputs  from  food  industry  that  leave  the  system,  however  these  amounts  are  not  unidentified  losses.  Some  is  sold  as  mink  and  pet  feed,  while  the  rest  goes  to  waste  treatment  and  the  sludge/ashes  from  this  is  used  to  some  extent  on  agricultural  lands.  There  is  potential  and  efforts  aimed  

Page 45: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

37    

at  reusing  more  of  the  phosphorus  amounts  remaining  in  the  sludge  and  ashes  after  waste  and  wastewater  treatment.    

 Diagram  1:  An  illustration  of  the  phosphorus  losses  through  the  life  cycle  of  a  Kronfågel  fresh,  chilled  chicken  product  (Based  on  the  results  of  the  data  collection  and  calculation  as  summarized  in  Figure  12:  The  Phosphorus  footprint  accounting  sheet  for  Lantmännen  Kronfågel  chicken)  

• Information  about  the  studied  company:  Kronfågel  is  part  of  the  food  sector  at  Lantmännen,  which  one  of  the  largest  groups  within  food,  machinery,  energy  and  agriculture  in  Scandinavia  (Lantmännen,  u.d.).  Kronfågel  consists  of  46  chicken  farms  in  Sweden  (Lantmännen  Kronfågel,  u.d.).  The  hatchery  Lantmännen  SweHatch  is  located  in  Flyinge,  Skåne  and  delivers  the  day-­‐old  chickens  for  the  breeders  in  Sweden  and  for  export.  The  production  is  located  in  Valla,  Sörmland,  where  about  38  million  chickens  each  year  are  slaughtered  and  prepared  for  wholesale  (Lantmännen  Kronfågel,  u.d.).  Kronfågel  has  an  internal  treatment  plant  for  the  wastewater  streams  in  the  food  industry  stage  before  it  goes  to  the  municipal  water  treatment  plant  Rosenholm,  in  Katrineholm  (Villman,  2013).    

   

Page 46: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

38    

6. Discussion    The  concept  of  taking  the  whole  life  cycle  of  a  good  (product  or  service)  into  account  is  becoming  increasingly  more  common  and  implemented.  Tools  are  available  for  companies  and  consumers  to  oversee  the  consequences  of  their  business  and  consumption.  These  include  Carbon,  Water  and  Ecological  footprint  accounts,  LCA,  MFA  and  SFA,  among  others.  Policies  and  regulations  are  set  to  improve  awareness  on  the  pressure  humans  put  on  the  environment  and  its  services.  Information  on  the  planetary  boundaries  and  the  overshoot  our  consumption  cause  is  spreading  and  initiatives  to  support  the  development  of  sustainable  business  is  increasing.  A  life  cycle  view  in  the  field  of  phosphorus  is  needed  in  order  to  secure  the  availability  of  this  essential  nutrient.  Researchers  discuss  the  concept  of  Peak  phosphorus  and  predict  that  the  resources  will  run  out  in  50  to  a  100  years  time.  This  means  that  it  will  become  economically  and/or  technically  unviable  to  extract  them.  Considering  the  potential  for  Sweden  to  be  self-­‐sufficient,  closing  loops  between  the  production,  consumption  and  disposal  stages  and  implementing  a  life  cycle  view  in  the  agricultural  and  food  production  industry,  could  enable  long-­‐term  sustainability  in  terms  of  phosphorus.  The  discussion  section  is  divided  into  three  parts.  The  first  part  covers  the  model  with  respect  to  its  objectives,  the  second  covers  the  case  application  and  Phosphorus  declaration  and  the  final  part  covers  the  evaluation,  conclusions  drawn  and  recommendations  given.  

6.1. Objectives  of  the  Phosphorus  footprint  model  The  objectives  set  for  the  Phosphorus  footprint  model  are  to  provide  a  life  cycle  view,  illustrate  possibilities  for  improved  management  and  recycling,  expand  the  view  and  highlight  the  scarcity  issue,  also  be  easy  to  use  and  to  communicate  results.  

To  improve  the  resource  management,  the  Phosphorus  footprint  account  is  a  good  basis  for  information  as  it  provides  an  indication  on  where  efforts  are  best  invested.  Within  the  agricultural  sector,  among  fertilizer  producers,  distributers  and  farmers  alike,  there  is  an  increasing  awareness  regarding  phosphorus  and  the  consequences  of  its  use.  This  had  led  to  several  self-­‐monitoring  tools  that  take  soil  concentrations,  type  of  crop  produced  and  foodstuff  security  into  account  when  distributing  fertilizers  on  agricultural  land,  keeping  livestock  or  producing  meat  products.  Also,  end-­‐of-­‐life  actors,  i.e.  waste  and  water  management  companies,  deal  with  the  consequences  of  the  phosphorus  usage  by  developing  techniques  for  treating  and  extracting  the  phosphorus  in  their  ashes  and  sludge.  However,  as  discovered  in  the  model  application  chapter  there  is  a  lack  of  management  of  and  information  transfer  to  the  consumption  stage,  something  that  affects  the  entire  life  cycle.  The  Phosphorus  footprint  model  helps  to  improve  the  management  within  and  between  each  life  stage  by  observing  all  the  life  stages  and  their  respective  ins  and  outs.  Also  it  connects  the  actors  in  each  life  stage  and  shows  their  interrelationship  with  each  other.  This  bridging  between  the  different  life-­‐stage-­‐actors  is  important  for  improving  the  management  and  making  recycling  possible.  The  section  Interpretation  and  Phosphorus  declaration  clearly  illustrate  the  possibilities  for  improved  management  and  recycling,  thus  the  first  objective  of  the  Phosphorus  footprint  model  is  fulfilled.  

A  lot  of  attention  has  been  given  to  phosphorus  as  an  “environmental  issue”  and  the  issues  of  disposal  or  when  dealing  with  leakage.  However  the  issue  of  scarcity  is  much  less  mentioned  and  taken  into  account.  The  fact  that  phosphate  rock  is  a  finite  and  limited  resource,  where  the  reserves  are  either  

Page 47: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

39    

diminishing  in  amount  and  quality  or  are  connected  to  geopolitical  issues,  is  not  only  an  environmental  problem,  but  an  economic  and  social  one  as  well.  When  the  demand  increase  and  supply  and  quality  do  not  or  even  decrease,  the  price  of  the  good  goes  up.  As  the  price  of  a  resource  goes  up,  it  affects  the  rest  of  the  life  cycle,  causing  in  this  case  food  prices  to  increase  as  well,  making  it  a  social  issue.  Consumer  behaviour  such  as  increased  demand  for  food  and  changes  in  dietary  trends,  currently  more  meat  and  dairy  products,  e.g.  GI-­‐diet  and  LCHF  (Low  Carb,  High  Fat),  also  affect  the  prices.  By  highlighting  the  scarcity  issue  the  model  gives  incentives  for  all  aspects  of  sustainability  and  for  a  broadening  of  perspective  regarding  phosphorus  management,  to  include  all  life  stages  and  the  importance  of  proactive  solutions  along  with  the  existing  reactive.  As  a  consequence,  the  needs  for  reactive  solutions  could  in  the  future  decrease,  as  the  end-­‐of-­‐pipe  pressures  will  lessen  along  with  improved  management  upstream.  

The  model  is  developed  with  the  target  user  in  mind,  a  food  production  company  or  actors  within  that  sector,  where  user  ability  is  the  key  while  still  taking  accuracy  and  result  reliability  into  account,  but  compromising  in  favour  of  the  first.  Transparency  is  also  a  focus  in  the  model  to  ensure  accountability  and  traceability  and  has  been  achieved  by  clearly  stating  all  incoming  and  outgoing  flows  that  have  been  considered.  To  ensure  this,  the  issue  of  transparency  has  been  discussed  with  some  stakeholders  and  experts.  

6.2. Model  application  During  the  model  application  the  Phosphorus  footprint  framework  was  applied  and  the  step-­‐wise  accounting  followed.  The  results  are  also  discussed  under  section  Interpretation  and  Phosphorus  declaration.  In  this  section  the  four  stages  of  the  accounting  methodology  are  discussed  with  respect  to  the  model  application.  

The  first  step,  establishing  the  aim  and  scope  of  the  study,  gave  a  clear  goal  and  good  starting  point  for  the  study.  Having  an  idea  of  what  the  purpose  and  guidelines  are  is  essential  for  any  project.  These  provided  a  platform  on  which  to  build  the  information  and  boundaries  within  which  to  look  during  the  process  of  the  study.      

For  the  second  stage,  flow  and  life  stage  identification,  the  Phosphorus  footprint  supplied  an  inclusive  flow  chart  and  additions  or  alterations  specific  to  the  study  was  either  easily  identified  from  the  start  or  during  the  third  stage,  data  collection  and  calculation.  The  difficulty  was  establishing  a  mass-­‐  and  product  balance  for  the  study  based  on  the  functional  unit.  This  balance  was  the  basis  for  converting  the  amounts  in  each  stage  to  the  same  unit,  i.e.  g  phosphorus/kg  of  chicken  meat  and  a  crucial  piece  of  information  for  the  core  processes,  animal  husbandry  and  food  industry.    

In  the  third  stage,  data  collection  and  calculation,  there  were  some  difficulties  with  either  lack  of  data  or  site  specific  information.  The  broad  scope  of  the  study,  which  cover  the  chicken  production  at  the  46  farms  that  are  part  of  Kronfågel  and  spread  out  in  Sweden,  meant  assumptions  and  approximations  necessary.  The  processes  and  procedures  on  the  farms  differ,  not  only  with  respect  to  what  is  produced  or  how  by-­‐products  are  handled  (e.g.  manure)  but  also  in  terms  of  location,  which  affect  site-­‐specific  data.  For  example  leakage  and  losses  from  agricultural  land,  the  amount  of  phosphorus  in  the  flows  is  

Page 48: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

40    

highly  site  specific  and  depends  on  the  several  natural  conditions  such  as  topography,  soil  composition  and  weather  conditions.  These  natural  conditions  also  affect  the  existing  phosphorus  concentration  in  the  soil.    Furthermore,  the  assumption  made  in  the  food  industry  stage  when  the  chicken  meat  is  separated  from  the  bones,  skin  etc.  affect  the  accuracy  as  well.  The  allocations  of  phosphorus  amounts  are  done  based  on  mass  and  economic  value,  thus  assuming  that  these  chicken  parts  contain  the  same  amount  of  phosphorus.  All  these  issues  influence  the  accuracy  of  the  results,  though  as  the  main  purpose  of  the  study  was  model  validation  this  is  not  crucial.  For  future  reference,  when  conducting  a  Phosphorus  footprint  assessment,  it  is  important  to  keep  in  mind  that:  the  broader  the  scope  and  boundaries  -­‐  the  more  general  the  results.  In  the  fourth  and  final  stage,  interpretation  and  phosphorus  declaration,  the  lack  of  site-­‐specific  data  became  evident.    

The  calculations  of  the  final  stages,  consumption  and  disposal,  is  based  to  a  great  extent  on  statistics  and  approximations  from  total  phosphorus  flow  analysis  through  society  as  a  whole,  where  the  unknown  flow  is  based  on  the  measurable  flow,  resulting  in  an  even  balance  and  no  impact  to  the  overall  footprint.    

The  interpretation  of  the  results  is  primarily  difficult  due  to  the  lack  of  comparison.  Most  studies  analyse  the  total  flows  within  a  region,  which  puts  the  resulting  losses  of  4.7  g  P/kg  of  chicken  in  some  perspective,  but  does  not  provide  a  satisfactory  comparison.  Also  using  the  PCR  meat  of  Poultry  gave  good  guidelines  and  a  framework  for  the  study,  especially  in  the  first  step  when  setting  the  aim  and  scope.  However,  the  PCR  is  developed  for  environmental  and  climate  product  declarations  that  are  expressed  in  carbon  dioxide  equivalents.  Thus  it  is  important  to  keep  in  mind  that  not  that  all  stages  and  flows  listed  in  the  PCR  are  applicable,  and  that  there  are  other  additions.  

6.3. Final  comments  The  methodology  of  the  model  is  based  on  a  step-­‐wise  accounting  for  performing  an  input-­‐output  analysis  based  on  each  single  life  stage  of  a  meat  product,  produced,  consumed  and  disposed  of  in  Sweden.  The  methodology  is  simply  and  uses  basic  mass  balance  calculations.  The  accounting  sheet  provides  a  clear  view  of  the  accounting  process  by  connecting  it  to  the  flow  chart.  During  the  model  application  however,  the  generality  of  the  methodology  became  evident  and  the  effect  of  the  objective  of  being  user-­‐friendly  on  accuracy  was  clear.  In  order  to  develop  a  model  for  wide  applicability,  there  was  a  compromise  on  accuracy.  This  does  not  need  to  be  a  weakness  if  the  transparency  including  scope,  boundaries  and  assumptions  of  the  accounting  is  good  and  it  is  clear  what  the  limitations  of  the  model  are.  

The  Phosphorus  footprint  model  lacks  a  link  between  the  consumption,  which  is  analysed  on  a  mainly  regional  and  to  some  extent  national  scale,  with  the  global  resource  availability.  Unlike  the  Ecological  and  Water  Footprints,  the  Phosphorus  footprint  model  does  not  show  the  pressure  human  activities  put  on  Earth’s  resources,  biological  regenerative  cycle  or  ecological  assets.  Because  the  geological-­‐inorganic  cycle  that  connects  the  water  and  land  based  cycle  that  regenerates  the  phosphate  rock,  is  too  slow  (up  to  millions  of  years),  like  the  regenerative  cycle  for  carbon  into  oil.  Hence  it  does  not  cover  all  aspects  of  sustainability  or  the  full  impact  of  anthropogenic  pressure  on  the  environment.  The  lack  of  elementary  data  leads  to  inconsistency  and  difficulty  when  comparing  with  other  countries,  companies  and  other.  

Page 49: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

41    

Developing  a  model  for  tracing  an  elemental  substance  through  the  different  life  cycles  of  meat  production  proved  most  difficult  when  the  results  were  to  be  analysed.  What  is  a  phosphorus  footprint?  For  the  model  it  is  defined  as  the  consumption  or  usage  of  phosphorus,  but  in  the  interpretation  of  the  results,  the  definition  becomes  unclear,  as  the  substance  is  not  consumed.    

The  model  is  limited  to  showing  only  quantitative  and  not  qualitative  data,  i.e.  it  only  account  for  the  amounts  of  phosphorus  in  the  identified  flows  without  details  about  the  compound  or  quality.  Also  it  does  not  clearly  link  the  environmental  issues  and  monetary  effects  of  the  consumption.  However,  it  results  in  an  illustrative  and  straightforwardly  communicative  map  or  quantified  flow  chart,  where  flows,  amounts  and  improvement  possibilities  are  easily  identified.  The  Phosphorus  declaration  can  be  used  as  a  basis  for  making  the  phosphorus  management  more  effective  and  consequently  it  can  encourage  a  decreased  use  of  raw  phosphorus.  The  declaration  can  illustrate  the  possibilities  for  Sweden  to  become  self-­‐sufficient  in  terms  of  phosphorus  through  recycling  and  resource  extraction.  This  can  lead  to  beneficial  changes  in  both  monetary  and  ecological  terms  by  linking  environmental  effects  and  economical  activities.  Finally,  the  phosphorus  declaration  is  easily  communicated  to  both  suppliers  and  producers,  which  is  a  great  benefit  for  highlighting  the  scarcity  issue  and  encourage  conscious  raw  resource  use.  Also,  the  Phosphorus  declaration  can  be  used  to  label  products,  increase  consumer  awareness  and  implement  conscious  consumption  and  a  life  cycle  perspective  on  all  levels  related  to  Swedish  agriculture  and  food  production.  

   

Page 50: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

42    

7. Conclusions  and  future  recommendations  Besides  issues  with  data  avalability  for  calculations  and  comparison,  there  are  two  recommendations  for  future  work.  First,  develop  similar  methods  or  models  for  tracing  other  essential  nutrients  for  cultivation,  such  as  nitrogen,  sulphur  and  potassium.  Researchers  argue  in  a  article  published  by  DN  Debatt  (2012)  that  the  resources  for  the  production  of  nitrogen  and  sulphur  are  even  scarcer  than  for  phosphorus  and  that  the  economic  value  of  the  plant  accessible  nitrogen  and  potassium  in  excreta  is  four  and  40%  (for  N  and  K  respectively)  higher  than  for  phosphorus  (Jönsson,  et  al.,  2012).  Second,  integrate  the  economical  aspects  of  phosphorus  accounting.  This  would  fully  enable  the  final  objective  of  highlighting  the  scarcity  issue  to  be  better  represented  in  the  model  by  including  the  market  prices  and  how  they  are  affected    by  the  availability.  Furthermore,  this  intergration  would  highlight  the  value  of  a  hollistically  and  fully  developed  model.  

The  here  presented  study  gives  some  main  insights  into  the  usage  and  losses  of  phosphours  during  the  whole  life  cycle  of  a  meatstuff  produced  in  the  Swedish  bovine  and  poultry  indutries.  The  conclusion  is  drawn  that  the  Phosphorus  footprint  model  is  the  accounting  methodology  framework  for  creating  a  quantified  flow  chart  and  a  Phosphorus  declaration  of  the  losses  and  management  improvement  possibilities.  For  future  research  the  named  limitations  of  data  availability  and  a  lack  of  economic  connection  should  be  targeted  to  further  improve  the  highly  valuable  Phosporous  footprint  model.    

 

   

Page 51: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

43    

8. References  Albertsson,  B.,  2012.  Riktlinjer  för  gödsling  och  kalkning  2013,  Malmö:  Jordbruksverket.  

Andersson,  T.  et  al.,  2012.  Fosfor-­‐  och  kväveneutral  kommun:  Norrköpings  kommun,  Stockholm:  Teknikmarknad.  

Bergström,  L.  et  al.,  2012.  Fosfor  från  jordbruksmark  till  vatten  -­‐  tillstånd,  flöden  och  motåtgärderi  ett  nordiskt  perspektiv,  Uppsala:  Svenska  Lantbruksuniversitetet,  MAT  21.  

Bertilsson,  G.,  2011.  Fosforresurserna  finna  -­‐  men  flödena  måste  ändå  minskas.  In:  B.  Johansson,  ed.  Återvinna  fosfor  -­‐  hur  bråttom  är  det?.  Stockholm:  Formas  Fokuserar,  pp.  87-­‐100.  

Blomqvist,  S.  &  Gunnars,  A.,  2006.  Fosforproblemet  -­‐  en  kvävefråga.  HavsUtsikt,  Issue  1,  pp.  8-­‐9.  

Boeri,  F.,  Marino,  M.,  Niccolucci,  V.  &  Bastianoni,  S.,  2012.  Product  Category  Rules,  CPC  2111-­‐2113,  Meat  of  Mammals,  version  1.0,  Online:  The  International  EPD  System.  

Borucke,  M.  et  al.,  2013.  Accounting  for  demand  and  supply  of  the  Biosphere’s  regenerative  capacity:  the  National  Footprint  Accounts’  underlying  methodology  and  framework.  Ecological  Indicators,  Issue  24,  pp.  518-­‐533.  

Börling,  K.  et  al.,  1999.  Fakta  Jordbruk:  Fosforhållning  -­‐  mykorrhiza,  fixering  och  utlakning,  Uppsala:  Sveriges  Lantbruksuniversitet,  MAT  21.  

Cordell,  D.,  Drangert,  J.-­‐O.  &  White,  S.,  2009.  The  story  of  phosphorus:  Global  food  security  and  food  for  thought,  Online:  Elsevier.  

Cordell,  D.  &  Rosemarin,  A.,  2011.  Det  behövs  en  global  fosforkonvention.  In:  B.  Johansson,  ed.  Återvinna  fosfor  -­‐  hur  bråttom  är  det.  Stockholm:  Formas  Fokuserar,  pp.  55-­‐73.  

Galli,  A.  et  al.,  2011.  Integrating  Ecological,  Carbon  and  Water  Footprint:  Defining  the  "Footprint  Family"  and  its  Application  in  Tracking  Human  Pressure  on  the  Planet,  s.l.:  One  Planet  Economy  Network.  

Global  Footprint  Network,  2012.  Footprint  Basics  -­‐  Overview.  [Online]    Available  at:  http://www.footprintnetwork.org/en/index.php/GFN/page/footprint_basics_overview/  [Accessed  26  03  2013].  

Greppa  Näringen,  2011.  Om  Greppa  -­‐  Rådgivning  för  lantbruk  och  miljö.  [Online]    Available  at:  http://www.greppa.nu/omgreppa.4.32b12c7f12940112a7c800017025.html  [Accessed  06  03  2012].  

Hoekstra,  A.,  Chapagain,  A.,  Aldaya,  M.  &  Mekonnen,  M.,  2011.  The  Water  Footprint  assessment  manual  -­‐  Setting  the  global  standard,  London:  Earthscan.  

Holm,  M.  &  Staaf,  H.,  2011.  Fosforåtervinning  ur  avlopp  -­‐  Naturvårdsverkets  aktionsplan.  In:  B.  Johansson,  ed.  Återvinna  fosfor  -­‐  hur  bråttom  är  det?.  Stockholm:  Formas  Forkuserar,  pp.  187-­‐197.  

Page 52: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

44    

International  EPDsystem,  2008.  General  Programe  Instructions  for  environmental  product  declarations,  EPD,  Stockholm:  The  International  EPD  Organisation.  

International  EPDsystem,  2012.  What  is  an  EPD?.  [Online]    Available  at:  http://environdec.com/en/What-­‐is-­‐an-­‐EPD/  [Accessed  27  03  2013].  

IVL,  2010.  Product  Category  Rules,  CPC  group  2112  -­‐  Meat  of  poultry,  fresh  and  chilled,  Online:  http://environdec.com:  The  International  EPD  System.  

Johansson,  B.,  2011.  Fakta  om  avloppsrening  och  slam.  In:  B.  Johansson,  ed.  Återvinna  fosfor  -­‐  hur  bråttom  är  det?.  Stockholm:  Formas  Fokuserar,  pp.  176-­‐181.  

Jönsson,  H.  et  al.,  2012.  Återvinn  fler  näringsämnen  än  fosfor  i  avloppsvattnet.  [Online]    Available  at:  http://www.dn.se/debatt/atervinn-­‐fler-­‐naringsamnen-­‐an-­‐fosfor-­‐i-­‐avloppsvattnet  [Accessed  07  02  2013].  

Kitzes,  J.  et  al.,  2008.  Guidebook  to  the  National  Footprint  Accounts:  2008  Edition,  Oakland:  Global  Footprint  Network.  

Lantbrukarnas  Riksförbund,  2012.  Miljöhusesyn  -­‐  Egen  tillsyn  för  lantbruk  och  trädgård,  Stockholm:  Lantbrukarnas  Riksförbund.  

Lantmännen  Kronfågel,  n.d.  Kronfågel  group,  Kyckling  är  vår  passion.  [Online]    Available  at:  http://www.kronfagel.se/en/Om-­‐oss/Kronfagelholding/  [Accessed  08  04  2013].  

Lantmännen,  n.d.  About  Lantmännen.  [Online]    Available  at:  http://lantmannen.com/en/Globala-­‐sidor/Gloal-­‐navigation/About-­‐Lantmannen/  [Accessed  08  03  2013].  

Linderholm,  K.,  2011.  Fosfokampen  i  marken.  In:  B.  Johansson,  ed.  Återvinna  fosfor  -­‐  hur  bråttom  är  det?.  Stockholm:  Formas  Fokuserar,  pp.  113-­‐126.  

Linderholm,  K.,  2013.  Personal  communication.  Stockholm:  s.n.  

Linderholm,  K.,  Mattson,  J.  E.  &  Tillman,  A.-­‐M.,  2012.  Phosphorus  Flows  to  and  from  Swedish  Agriculture  and  Food  Chain,  Online:  Springer,  Kungl.  Vetenskapsakademin/The  Royal  Swedish  Academy  of  Sciences.  

Lundahl,  T.,  2011.  Yttrande  över  ansökan  om  tillstånd  enl  miljöbalken  för  Rosenholms  avloppsreningsverk  i  Katrineholm,  Katrineholm:  Miljö-­‐  och  hälsoskyddsnämnden,  handling  7/2011,  beteckning  2011-­‐1257-­‐426.  

Miljöhusesyn,  2013.  Välkommen  till  miljöhusesyn  på  internet!.  [Online]    Available  at:  http://www.miljohusesyn.nu/  [Accessed  06  03  2013].  

Page 53: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

45    

Miljöstyrningsrådet,  200?.  Så  här  gör  du.  [Online]    Available  at:  http://www.klimatdeklaration.se/Skapa/Sa-­‐har-­‐gor-­‐du/  [Accessed  26  02  2013].  

Moberg,  Å.,  Finnveden,  G.  &  Steen,  P.,  1999.  Miljösystemanalytiska  verktyg  -­‐  en  intoduktion  med  koppling  till  beslutssituationer,  Stockholm:  Naturvårdsverket.  

Nationalencyklopedin,  2013.  fosfor.  [Online]    Available  at:  http://www.ne.se/lang/fosfor  [Accessed  18  02  2013].  

Naturvårdsverket,  2011.  Naturvårdsverket  rapport  6456;  Köttkonsumtionens  klimatpåverkan  -­‐  Drivkrafter  och  styrmedel,  Stockholm:  Naturvårdsverket.  

Naturvårdsverket,  2013.  Hållbar  återföring  av  fosfor.  [Online]    Available  at:  http://www.naturvardsverket.se/Miljoarbete-­‐i-­‐samhallet/Miljoarbete-­‐i-­‐Sverige/Regeringsuppdrag/Fosfor/  [Accessed  11  03  2013].  

Reckmann,  K.,  Traulsen,  I.  &  Krieter,  J.,  2012.  Environmental  Impact  Assessment  e  methodology  with  special  emphasis.  Journal  of  Environmental  Management,  Volume  107,  pp.  102-­‐109.  

Rockström,  J.  et  al.,  2009.  Planetary  Boundaries:  Exploring  the  Safe  Operating  Space  for  Humanity.  Ecology  and  Society,  14(2),  p.  art.  32.  

Selinus,  O.,  2011.  Teknik  och  ekonomi  avgör  fosfortillgångarns  livslängd.  In:  B.  Johansson,  ed.  Återvinna  fosfor  -­‐  hur  bråttom  är  det?.  Stockholm:  Formas  Fokuserar,  pp.  39-­‐54.  

SIK,  2010a.  LCA-­‐resultat,  Spannmål.  [Online]    Available  at:  http://sikfoder.se/Sv/LCA-­‐resultat/Spannm%c3%a5l/Sidor/default.aspx  [Accessed  09  04  2013].  

SIK,  2010b.  LCA-­‐resultat,  Rapsfrö.  [Online]    Available  at:  http://sikfoder.se/Sv/LCA-­‐resultat/Proteinfoder/Rapsfr%c3%b6/Sidor/default.aspx  [Accessed  09  04  2013].  

SIK,  2010c.  LCA-­‐resultat,  Sojamjöl.  [Online]    Available  at:  http://sikfoder.se/Sv/LCA-­‐resultat/Proteinfoder/Sojamjol/Sidor/default.aspx  [Accessed  09  04  2013].  

SIK,  2011.  SIK  foder,  LCA-­‐data  för  fodermedel.  [Online]    Available  at:  http://sikfoder.se/Sv/Sidor/default.aspx  [Accessed  24  04  2013].  

   

Page 54: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

46    

SIS  Swedish  Standards  Institute,  2010.  SS-­‐EN  ISO  14025:2010,  Miljömärkning  och  miljödeklarationer  -­‐  Typ  lll  miljödeklarationer  -­‐  Principer  och  procedurer  (ISO  14025:2006).  [Online]    Available  at:  http://www.sis.se/ledningssystem/ledningssystem-­‐f%C3%B6r-­‐milj%C3%B6/ss-­‐en-­‐iso-­‐140252010  [Accessed  27  03  2013].  

Skoglund,  N.,  Boström,  D.,  Grimm,  A.  &  Öhman,  M.,  2012.  Återvinning  av  fosfor  och  energi  ur  avloppsslam  genom  termisk  behandling  i  fluidiserad  bädd,  Stockholm:  Svenska  Vatten  Utveckling.  

Steen,  I.,  1998.  Phosphorus  availability  in  the  21st  Century:  management  of  a  nonrenewable.  Phosphorus  and  Potassium  (217),  pp.  25-­‐31.  

Stockholm  Recilience  Centre,  2012.  Planetary  boundaries  research.  [Online]    Available  at:  http://www.stockholmresilience.org/21/research/research-­‐programmes/planetary-­‐boundaries.html  [Accessed  20  02  2013].  

Sustainable  Business,  2013.  Sustainable  Business.  [Online]    Available  at:  http://www.sustainablebusiness.com/  [Accessed  20  02  2013].  

Swedish  Environmental  Management  Council,  n.d.  EPD  Climate  declaration  -­‐  About  climate  declarations.  [Online]    Available  at:  http://www.climatedec.com/about/  [Accessed  27  03  2013].  

SSwedish  Environmental  Management  Council,  n.d.  How  to  create  a  climate  declaration.  [Online]    Available  at:  http://www.climatedec.com/Create/howto/  [Accessed  27  03  2013].  

Svensk  fågel,  2013.  Fakta  om  matfågel.  [Online]    Available  at:  http://www.svenskfagel.se/?p=1007&m=449  [Accessed  04  04  2013].  

Svenska  Miljömål,  2012.  God  bebyggd  miljö,  Delmål:  Avfall  (2005-­‐2015),  Online:  Naturvårdsverket/Miljömål.se.  

Söderhäll,  I.,  2011.  Livsviktigt  ämne  med  risk  för  brist.  In:  B.  Johansson,  ed.  Återvinna  fosfor  -­‐  hur  bråttom  är  det?.  Stockholm:  Formas  Fokuserar,  pp.  25-­‐35.  

Sörenby,  L.,  2010.  Hållbar  växtnäringshantering  -­‐  en  kartläggning  av  fosforflöden  i  Stockholms  län,  Stockholm:  Kungliga  Tekniska  Högskolan.  

Tideström,  H.,  Alvin,  L.,  Jennische,  U.  &  Hultman,  B.,  2009.  Fosforutvinning  ur  avloppsslam,  teknik,  miljö-­‐,  hälso-­‐  och  klimateffekter,  Stockholm:  Sweco  Environment  AB.  

Page 55: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

47    

Tidåker,  P.,  2011.  Kretsloppet  i  jordbruket  kan  förbättras.  In:  B.  Johansson,  ed.  Återvinna  fosfor  -­‐  hur  bråttom  är  det?.  Stockholm:  Formas  Fokuserar,  pp.  163-­‐175.  

Tynelius,  G.,  2008.  Klimatpåverkan  och  förbättringsåtgärder  för  Lantmännens  livsmedel  -­‐  fallstudie  Kronfågels  slaktkyckling,  Lund:  Institutionen  för  Teknik  och  samhälle,  Miljö-­‐  och  Energisystem,  Lunds  Tekniska  Högskola.  

Wallman,  M.  &  Sonesson,  U.,  2010.  Livscykelanalys  (LCA)  av  svensk  kalkonproduktion,  Göteborg:  SIK-­‐rapport,  nr  808  2010.  

Widheden,  A.,  Strömberg,  K.,  Andersson,  K.  &  Ahlmén,  K.,  2001.  LCA  Kyckling,  Göteborg:  CIT  Ekologik  AB  and  Miljöledarna  Ciconia.  

Wiedmann,  T.,  2009.  A  review  of  recent  multi-­‐region  input–output  models  used  for  consumption-­‐based  emission  and  resource  accounting.  Ecological  Economics,  Volume  69,  pp.  211-­‐222.  

Villman,  S.,  2013.  Lantmännen:  Personlig  kommunikation.  Stockholm:  s.n.  

Wivstad,  M.,  Salomon,  E.,  Spångberg,  J.  &  Jönsson,  H.,  2009.  Ekologisk  produktion  -­‐  möjligheter  att  minska  övergödning,  Uppsala:  Centrum  för  uthålligt  lantbruk,  SLU.  

World  Bank,  2013.  The  World  Bank,  Working  for  a  World  Free  of  Poverty.  [Online]    [Accessed  08  03  2013].  

 

   

Page 56: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

48    

Appendix  1:  The  Phosphorus  Footprint  Manual  This  is  a  manual  for  the  Phosphorus  Footprint  Model  developed  in  the  master’s  thesis  “Phosphorus  footprint  –  A  model  development,  analysis  and  application  in  Swedish  bovine  and  poultry  industries”.  

The  Phosphorus  footprint  model  is  a  way  for  agriculture  and  food  production  companies  to  create  a  map  over  their  phosphorus  flows  from  a  consumption  point  of  view.    It  is  a  consumer-­‐based  accounting  model  based  on  input-­‐output-­‐balances  of  phosphorus  for  each  single  life  stage  of  a  meat  product  that  is  produced,  consumed  and  disposed  of  in  Sweden.  The  model  is  primarily  developed  for  food  production  companies  and  collaborations  between  actors  in  the  food  production  chain.  In  full  scale  the  model  can  be  used  for  tracking  the  use  of  phosphorus  during  the  whole  life  cycle  of  a  meat  product.  The  model  is  a  retrospective  accounting  analysis  tool,  where  flows  and  supplies  are  overseen  and  a  quantitative  map  is  produced.  Values  are  measured  in  mass  units,  kg  of  phosphorus.    For  a  production  process  or  business  it  can  also  be  calculated  as  kg  P  per  unit  product  produced  or  per  time  unit  for  e.g.  a  geographical  area,  depending  on  what  the  end  use  is.  

The  model  follows  a  four-­‐step  accounting  methodology  and  result  in  an  easily  communicative  and  illustrative  flow  chart  and  input-­‐output  based  accounting  sheet.  The  Phosphorus  Footprint  accounting  model  is  illustrated  in  Figure  I.  The  goal  is  to  illustrate  where  there  are  possibilities  for  recirculation,  improved  management  or  closing  loops  between  life  stages.  The  accounting  sheet  is  developed  from  the  schematic  phosphorus  flow  chart  and  consists  of  two  parts,  a  flow  chart  illustrating  the  flows  with  arrows  and  an  inventory  input-­‐output-­‐sheet.  The  inputs  are  in  blue  marked  with  a  plus  sign,  outputs  are  in  red  marked  with  a  minus  sign  and  the  internal  flows  are  green.  The  flows  going  through  each  life  stage  and  on  to  the  next  are  in  black.  These  flows  are:  the  cultivated  crops  used  to  feed  the  livestock,  the  reared  livestock  to  food  industry,  the  prepared  meat  products  to  consumption  and  waste  to  waste  treatment  and  excreta  to  wastewater  treatment.  

System  definition  and  setting  the  aim  In  the  first  stage  of  the  accounting  the  footprint  the  aim  and  system  is  defined.  This  is  includes  setting  the  aim  and  scope  of  the  study,  defining  the  functional  unit,  system  boundaries  and  methodology,  and  discussing  the  assumptions,  allocations  and  data  quality  demands.    

Goal  Setting  the  goal  of  the  study  is  done  by  clearly  formulating  the  purpose  of  the  footprint  accounting.  

Scope  The  scope  definition  is  an  account  of  the  process  and  life  cycle  of  the  studied  meat  product.  The  model  is  developed  to  include  and  handle  the  entire  life  cycle,  from  cultivation  to  disposal;  however  it  can  be  condensed  depending  on  the  purpose  of  the  study.  

Page 57: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

49    

   

Figure  I:  The  Phosphorus  footprint  flow  and  accounting  sheet  

Page 58: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

50    

Functional  unit  The  functional  unit  defines  in  which  form  the  data  results  are  presented,  inherent  in  the  model  is  that  all  results  are  listed  as  grams  of  phosphorus  per  functional  unit,  which  can  based  on  various  factors;  production,  geographically,  temporally  or  spatially.  The  functional  unit  can  be  a  combination  of  factors,  but  keeping  it  simple  and  straightforward  is  recommended  as  this  is  the  basis  for  data  collection  and  the  availability  can  be  a  limiting  factor.  

System  boundaries  The  general  system  boundaries  are  set  in  the  model,  which  include  the  life  stages  of  a  meat  product  and  the  flows  through  each  stage.  Besides  these  boundaries,  there  can  be  product  and  study  specific  boundaries  that  should  be  defined  and  explained.  These  depend  on  the  aim  and  scope  of  the  study.  There  are  PCR  for  meat  of  poultry  (IVL,  2010)  and  meat  of  mammals  (Boeri,  et  al.,  2012)  available  and  explained  on  the  International  EPD  System  website  environdec.com.  

Methodology    This  section  describes  how  the  accounting  and  study  is  performed,  where  data  is  collected  and  sources  used.  The  Phosphorus  footprint  methodology  is  defined  as;  system  and  aim  definition,  life  stage  and  flow  identification,  data  collection  and  Interpretation  and  phosphorus  declaration.  If  a  PCR  is  used,  there  might  be  other  applicable  stages  to  take  into  account  when  defining  the  methodology.  Also  if  there  are  any  other  study-­‐specific  considerations  taken  into  account  when  performing  the  study,  these  should  be  listed  here.  

Assumptions    List  exclusions  and  assumptions  made  for  the  study,  and  what  these  are  based  on.  For  example,  flows  that  will  not  be  considered  because  their  impact  on  the  overall  study  are  deemed  to  small  and  by  who  or  what  study  confirms  this  exclusion  or  if  stages  prior,  between  or  after  those  defined  in  the  general  system  boundaries  are  excluded  and  on  what  basis.    

Allocations    How  the  question  of  allocating  the  phosphorus  flows  with  respect  to  different  products,  by-­‐product  and  other  in  the  production  and  processing.  The  allocations  can  be  done  with  respect  to  mass  or  economic  value.  The  PCR  give  good  guidelines  and  help  on  how  to  deal  with  allocation  issues.    

Data  quality  The  demands  on  data  quality  are  discussed  with  respect  to  several  aspects;  temporal,  geographical  and  technical  coverage,  precision  and  range,  accuracy  and  robustness.  

Reporting    Present  in  what  format  the  results  will  be  presented  if  it  is  in  an  additional  format  than  the  Phosphorus  footprint  model,  which  result  in  a  combined  accounting  sheet  and  flow  chart.  Additional  reporting  formats  may  be  as  defined  in  the  PCR,  Climate  compensation  or  similar  structures.    

   

Page 59: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

51    

Identification  of  life  stages  and  flows  In  this  step  a  the  production  process  of  the  studied  system  is  explained  to  produce  a  flow  chart  showing  the  life  stages  of  the  chosen  meat  product  and  the  flows  through  each  stage  that  is  to  be  included  in  the  study.  The  Phosphorus  footprint  model  provides  a  guideline  with  the  accounting  model,  which  identifies  the  life  stages  and  flows.  The  general  flows  and  life  stages  defined  in  the  Phosphorus  Footprint  model  are  listed  and  illustrated  in  the  flow  chart  below,  see  Figure  2.  

 Figure  II:  General  phosphorus  flow  chart  illustrating  the  phosphorus  flows  in  Swedish  agriculture  and  food  production  

The  flows  illustrated  are  broad  and  may  differ  depending  on  the  specificities  of  the  studied  meat  product  and  the  boundaries  set  for  the  study.  In  general,  all  the  life  stages  are  to  be  included  for  a  complete  study,  and  any  exceptions,  additions  or  exclusions,  should  be  listed  and  defined.  This  includes  any  changes  regarding  flows  –  inputs,  internal  or  outputs.  The  flow  chart  should  be  adjusted  according  to  these  changes  and  each  addition  shall  be  defined  and  explained.  

   

Page 60: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

52    

Data  collection  and  calculation  The  third  step  the  goal  is  to  put  numbers  on  each  of  the  flows,  identified  in  the  previous  stage,  by  doing  an  inventory  analysis.  The  PCR  are  helpful  by  supplying  allocation  rules  for  when  the  production  of  meat  generates  more  than  one  product,  and  how  the  in-­‐  and  outputs  of  those  stages  should  be  divided  (IVL,  2010).  The  PCR  also  supply  a  standardized  format  for  how  the  result  of  the  data  should  be  presented.  

For  the  calculations  primary  data  or  site-­‐specific  data  shall  be  used  in  the  core  module,  which  is  the  animal  husbandry  and  food  industry.  The  data  is  gathered  on  or  directly  from  the  sites  where  the  processes  take  place.  This  is  to  ensure  high  accuracy  in  the  results.  When  primary  data  is  not  available,  as  is  usually  the  case  principally  in  the  last  stages;  consumption  and  disposal,  statistical  and  selected  generic  data  is  used.  Also,  some  numbers,  such  as  atmospheric  deposition,  are  considered  national  values.  For  atmospheric  deposition  this  value  is  0.3  kg  per  hectare.  To  some  extent  the  processes  of  life  stage  and  flow  identification,  and  data  collection  and  calculation  are  iterative,  as  sources  and  flows  of  phosphorus  will  likely  be  found  during  the  quantification  in  stage  four,  which  may  not  have  been  considered  when  establishing  the  flow  chart  in  stage  three.  In  those  cases,  the  flow  chart  is  modified  accordingly  and  the  additions  defined  and  explained.  The  same  applies  if  flows  are  removed.  Removal  could  be  due  to  non-­‐applicability  or  inability  to  quantify.    

Interpretation  and  phosphorus  declaration  Last  is  results  Interpretation  and  phosphorus  declaration.  The  accounting  sheet  will  show  the  footprint  or  the  consumption,  of  phosphorus  for  each  life  stage  and  for  the  entire  life  cycle.  The  sum  of  the  flows  per  life  stage  shows  where  improvements  to  the  system  can  be  done.  If  there  are  large  flows  entering  the  life  stage  AND  leaving  the  same  stage,  there  might  be  possibilities  for  recirculation  and/or  improved  management.    

The  goal  of  the  Phosphorus  footprint  is  to  illustrate  where  there  are  possibilities  for  recirculation,  improved  management  or  closing  loops  between  life  stages.  Either  the  accounting  sheet  is  used  for  Interpretation  and  phosphorus  declaration.  Or  by  using  the  quantified  values  and  the  constructed  flow  chart  in  the  accounting  sheet,  an  illustration  of  flows  can  be  constructed  where  the  arrows  in  the  illustration  represent  the  size  of  the  flows.  

The  results  are  interpreted  and  evaluated  with  respect  to  the  following  aspects:  

• Assessing  the  life  cycle  view  in  the  studied  system:  Is  the  system  linear  or  a  closed  loop  system?  If  yes,  to  what  extent  is  the  system  closed?  Are  there  policies,  framework  or  other  structures  aimed  at  implementing  a  closed  loop  system  or  is  it  possible  to  employ?  

• Assessing  the  possibilities  for  improved  phosphorus  management:  Where  are  the  large,  consumption  flows,  and  if  so  could  they  be  smaller,  i.e.  where  are  the  possibilities  for  decreased  raw  resource  use?  

Assessing  the  possibilities  for  recycling:  Where  there  are  large  flows  leaving  the  system,  could  these  complement  and  decrease  the  need  of  a  raw  resource  input  or  even  replace  it?  Are  there  recycled  flows  already  and  if  so  could  they  increase,  i.e.  more  be  re-­‐circulated?    

Page 61: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

53    

Appendix  2:  Model  validation  data  and  calculations    Removed  due  to  confidential  data  

Page 62: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren
Page 63: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren
Page 64: Phosphorus Footprint Model656668/... · 2013. 10. 16. · Phosphorus Footprint Model A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries Kim Dahlgren

TRITA-IM 2013:15

Industrial Ecology,

Royal Institute of Technology

www.ima.kth.se