Ecological sanitation via thermophilic co-composting of humanure and biochar as an approach to climate-smart agriculture

Abstract

Lack of basic sanitation and appropriate waste management, limited access to mineral and organic fertilizers, and land degradation are major public health and food security challenges, particularly in developing regions with financial and infrastructural limitations such as in Sub-Saharan Africa. Developing integrated interventions that address these challenges is of great relevance and is becoming more urgent as the effects of climate change increase and as the global population continuously rises. Here, we developed an appropriate-technology ecological sanitation concept via thermophilic composting of human excreta and cattle manure as an approach for climate-smart agriculture. For this, inside traditional wooden compost boxes, we composted human excreta, and separately cattle manure, both with kitchen scraps and teff straw, sawdust and biochar as bulking agents, to produce a compost free of phytotoxicity and pathogens, but rich in nutrients that can be used to improve soil fertility. In order to maximize the benefits of this approach, we particularly aimed at: <br /> (1) Investigating the dynamics of key nutrients and physical and chemical parameters of four composting treatments −human excreta or cattle manure, with and without biochar− to evaluate the feasibility of the appropriate-technology composting process, the type of manure used and the effect of biochar during composting. <br /> (2) Quantifying CO₂, CH₄, N₂O, and NH₃ emissions of the different composting treatments to assess their environmental impact and the effect that biochar has on these gas emissions when used as amendment during composting. <br /> (3) Exploring the nutrient dynamics and greenhouse gas emissions of these four types of compost when applied at two different rates (total compost N equaled 170 kg N ha^-1, and three times this amount) to a sandy soil at 25°C to evaluate their potential as fertilizers and the role of biochar in increasing C sequestration and reducing nutrient leaching in agricultural soils. <br /> We found that our appropriate-technology thermophilic composting process enabled a well-running and hygienically safe composting not only of cattle manure, but also of human excreta as a hygienically critical waste, as demonstrated by the low nutrient losses, the temperature course, and the relatively low N₂O and CH₄ emissions. Phosphorus and K delivered by both compost forms showed that the plant demand for P and K based on maize at tropical temperature conditions can be fully covered through human excreta and cattle manure-derived compost application, even at the lower application rate, and could be especially suitable for highly weathered and depleted soils in the tropics with very low P, K and organic matter contents. In contrast, the N provided by all compost treatments was not enough to meet the crop N demand. Our research also demonstrated that compost, especially biochar-compost mixtures, may contribute to carbon sequestration and nutrient retention in agricultural soils and decrease the dependency on synthetic fertilizers, especially on mineral P and K. This work thus demonstrates that the ecological sanitation concept via thermophilic composting with biochar addition is a feasible and climate-smart approach with low requirement for investment and with high potential to increase access to sanitation, soil fertility and food security, and to contribute to climate change mitigation, ecological waste management and sustainable agricultural production.

Fehlende sanitäre Grundversorgung, unangemessenes Abfallmanagement, begrenzter Zugang zu mineralischen und organischen Düngemitteln sowie Bodendegradation sind große Herausforderungen für die öffentliche Gesundheit und die Ernährungssicherheit, insbesondere in Entwicklungsregionen mit finanziellen und infrastrukturellen Einschränkungen wie in Afrika südlich der Sahara. Die Entwicklung integrierter Maßnahmen, die diese Herausforderungen angehen, ist von großer Bedeutung und wird immer dringlicher, da die Auswirkungen des Klimawandels zunehmen und die Weltbevölkerung kontinuierlich wächst. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein technologisch geeignetes, ökologisches Sanitärkonzept auf der Basis thermophiler Kompostierung von menschlichen Ausscheidungen und Rindermist als Ansatz für eine klimafreundliche Landwirtschaft entwickelt. Dazu kompostierten wir in traditionellen Holzkompostboxen menschliche Ausscheidungen und separat Rindermist mit Küchenabfällen und Teffstroh, Sägemehl und Biokohle als Füllstoffe, um einen Kompost zu erzeugen, der frei von Phytotoxizität und Krankheitserregern ist und reich an Nährstoffen, die zur Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit verwendet werden können. Um die Vorteile dieses Ansatzes zu maximieren, hatten wir insbesondere folgende Punkte als Ziel: <br /> (1) Untersuchung der Dynamik von Schlüsselnährstoffen und physikalischen und chemischen Parametern von vier Kompostierungsbehandlungen (menschliche Ausscheidungen oder Rindergülle, mit und ohne Biokohle), um die Machbarkeit des technologisch geeigneten Kompostierungsprozesses, die Art der verwendeten Gülle und den Effekt von Biokohle während der Kompostierung zu bewerten. <br /> (2) Quantifizierung der CO₂-, CH₄-, N₂O- und NH₃-Emissionen dieser Kompostierungsprozesse, um ihre Umweltauswirkungen zu beurteilen und den Effekt zu evaluieren, den Biokohle auf diese Gasemissionen hat, wenn sie als Zusatz während der Kompostierung verwendet wird. <br /> (3) Untersuchung der Nährstoffdynamik und der Treibhausgasemissionen dieser vier Komposttypen bei zwei Ausbringungsraten (gesamte Kompost-N-Menge äquivalent zu 170 kg N ha^-1 sowie die dreifache Menge) in einem Sandboden bei 25°C, um ihr Potenzial als Dünger und die Rolle von Biokohle bei der Erhöhung der C-Sequestrierung und der Reduzierung der Nährstoffauswaschung in landwirtschaftlichen Böden zu bewerten. <br /> Wir fanden heraus, dass der thermophile Kompostierungsprozess mit angepasster Technologie eine gut funktionierende und hygienisch sichere Behandlung nicht nur von Rindermist, sondern auch von menschlichen Ausscheidungen als hygienisch kritischem Abfall ermöglichte, was durch die geringen Nährstoffverluste, den Temperaturverlauf und die relativ geringen N₂O- und CH₄-Emissionen gezeigt wurde. Die P- und K-Nachlieferung bei beiden Aufbringungsraten von Kompost aus menschlichen Ausscheidungen und Rindermist war ausreichend, um den auf Basis von Mais berechneten P- und K-Bedarf der Pflanzen bei tropischen Temperaturen vollständig zu decken. Daher erscheint diese Art der organischen Düngung besonders geeignet für stark verwitterte und ausgelaugte Böden in den Tropen mit sehr geringen P-, K- und organischen Substanzgehalten. Im Gegensatz dazu war die von allen Kompostbehandlungen nachgelieferte N-Menge nicht ausreichend, um den N-Bedarf der Pflanzen zu decken. Die Forschungsergebnisse zeigten auch, dass Kompost, insbesondere Biokohle-Kompost-Mischungen, zur Kohlenstoffbindung und Nährstoffretention in landwirtschaftlichen Böden beitragen und die Abhängigkeit von synthetischen Düngemitteln, insbesondere von mineralischem P und K, verringern können. Die vorgelegte Arbeit zeigt somit, dass dieses ökologische Abfallentsorgungskonzept über thermophile Kompostierung mit Biokohle-Zugabe ein praktikabler und klimafreundlicher Ansatz mit geringem Investitionsbedarf, aber hohem Potenzial ist, um den Zugang zu sanitären Versorgung, die Bodenfruchtbarkeit und die Ernährungssicherheit zu verbessern und zum Klimaschutz, einer ökologischen Abfallwirtschaft und nachhaltiger Landwirtschaft beizutragen.