Toward Consistent Life Cycle Assessment for Nutrient Circularity: A Framework Based on Avoided Burden and Substitution for Decision-Making

As essential inputs for sustaining soil fertility and food production, fertilizers are increasingly applied to meet the rising demand for agricultural outputs. Environmental concerns over energy use and resource depletion have driven efforts in the fertilizer industry toward sustainable production. Recent geopolitical tensions have also revealed supply chain vulnerabilities, making the development of alternative feedstocks for fertilizer production an urgent priority. Waste and wastewater streams represents nutrient-rich resources suitable for producing secondary fertilizers, helping reduce discharge burdens and support resource recovery in line with circular economy (CE) principles. However, environmental benefits from a circular system are not automatically guaranteed; sustainable nutrient circularity depends on a deep understanding of the CE system dynamics and methodology in environmental assessment. Life cycle assessment (LCA) is a standardized method for evaluating the potential environmental impacts of a product relative to a functional unit (FU). In applying LCA to circular end-of-life systems such as nutrient circularity, a significant challenge arises from multifunctionality. Substitution, commonly employed to address this issue, assigns avoided burdens to non-FU function. However, it is not the sole method to assign credits. In consequential LCA, avoided burden captures changes in environmental impacts driven by the FU. Inconsistencies in modeling avoided burden are widespread, risking greenwashing and undermining the reliability of decision-making. This dissertation explores nutrient circularity, defined as the recycling of nutrients from waste and wastewater streams into fertilizers, and presents a consistent framework for modeling avoided burden to support robust decision-making. It consists of three sequential publications, each addressing distinct yet interconnected dimensions of the topic. The first publication (literature review) offers a comprehensive assessment of the current state of nutrient circularity and critically examines the role of LCA in evaluating nutrient CE pathways. The literature review synthesizes existing CE pathways, encompassing direct land application, integrated processes that are commonly employed in wastewater treatment plants, and targeted nutrient recycling technologies. These CE pathways establish a basis for systematically categorizing their characteristics to support their accurate representation in LCA studies. The second publication (literature review) deepens the methodological discussion by analyzing substitution and avoided burden, highlighting both theoretical foundations and the practical challenges involved in quantifying the substitution potential of secondary fertilizers. It identifies that although substitution is frequently used in LCA, its application often lacks coherence with other methodological choices, such as FU and system boundary, resulting in an arbitrary assignment of avoided burdens. Additionally, consensus is lacking on how to calculate the fertilizer technical substitution rate. A range of parameters, from internal product quality to external environmental and societal factors, is identified as key determinants in shaping the comparison between virgin and secondary fertilizers. Building on identified gaps in the literature, the third paper presents a unified framework to clarify the distinction and calculation of avoided burden and substitution in LCA. It pinpoints that avoided burden reflects broader system-level effects than substitution. The stepwise framework supports scientifically rigorous LCA design in nutrient circularity by aligning functional units, system boundaries, research objectives, and modeling choices, improving consistency and reliability for decision-making. This framework also contributes a method based on plant nutrient uptake for calculating avoided burden and provides 65 technical substitution potentials across nine secondary fertilizer classes. By distinguishing product quality from environmental influences and reducing sampling bias through statistical analysis, it improves the robustness of life cycle inventory data. A case study on phosphorus recycling in Germany illustrates the framework’s application through 14 scenarios combining three functional units, two LCA modeling approaches, and three levels of system boundaries. The study highlights the importance of product-specific LCA aligned with the proposed framework. Results show that different system boundaries yield different avoided burdens, even for the same functional unit, and that system modeling choices primarily shape how these burdens appear. Substitution potential influences results only certain scenarios, while inclusion of the use-on-land (UoL) phase notably influences toxicity indicators, offering a basis for comparing secondary and commercial fertilizer quality. This dissertation clarifies the distinct role of avoided burden and substitution in nutrient circularity, addressing methodological ambiguities and promoting consistent application in LCA. By including various forms of avoided burden and their environmental co-benefits and co-costs, the framework helps prevent greenwashing and supports methodological rigor. Given the role of avoided burden in crediting systems, quality criteria are essential to avoid non-additional or short-term claims. The framework supports the further development and integration in harmonized LCA (e.g., Environmental Product Declaration), carbon credits, and system redesign under Safe and Sustainable by Design (SSbD). It also enhances phosphorus accounting, encouraging future research on improving the phosphorus cycle through circular economy strategies. In addition, it strengthens phosphorus flow representation in LCA, opening new avenues for further research focused on improving the phosphorus cycle through nutrient circularity.

Düngemittel sind für die Aufrechterhaltung der Bodenfruchtbarkeit und der Nahrungsmittelproduktion unerlässlich und werden zunehmend eingesetzt, um die steigende Nachfrage nach landwirtschaftlichen Erzeugnissen zu decken. Umweltbedenken hinsichtlich des Energieverbrauchs und der Erschöpfung der Ressourcen haben die Bemühungen der Düngemittelindustrie um eine nachhaltige Produktion vorangetrieben. Aktuelle geopolitische Spannungen haben auch Schwachstellen in der Lieferkette aufgezeigt, so dass die Entwicklung alternativer Rohstoffe für die Düngemittelproduktion zu einer dringenden Priorität geworden ist. Abfall- und Abwasserströme stellen nährstoffreiche Ressourcen dar, die sich für die Herstellung von Sekundärdüngern eignen und dazu beitragen, die Belastung durch Abwässer zu verringern und die Rückgewinnung von Ressourcen im Einklang mit den Prinzipien der Kreislaufwirtschaft (Circular Economy, CE) zu unterstützen. Die Umweltvorteile eines Kreislaufsystems sind jedoch nicht automatisch garantiert; die nachhaltige Kreislaufwirtschaft von Nährstoffen hängt von einem tiefen Verständnis der Dynamik des Kreislaufsystems und der Methodik der Umweltbewertung ab. Die Lebenszyklusanalyse (Life Cycle Assessment, LCA) ist eine standardisierte Methode zur Bewertung der potenziellen Umweltauswirkungen eines Produkts in Bezug auf eine funktionelle Einheit (Functional Unit, FU). Bei der Anwendung der Ökobilanz auf zirkuläre End-of-Life-Systeme, wie z.B. Nährstoffkreisläufe, stellt die Multifunktionalität eine große Herausforderung dar. Die Substitution, die üblicherweise eingesetzt wird, um dieses Problem zu lösen, ordnet die vermiedenen Belastungen der Nicht-FU-Funktion zu. Dies ist jedoch nicht die einzige Methode zur Zuweisung von Gutschriften. In der CLCA (eng. Consequential LCA) erfasst die vermiedene Belastung die durch den FU verursachten Veränderungen der Umweltauswirkungen. Inkonsistenzen bei der Modellierung der vermiedenen Belastung sind weit verbreitet und bergen die Gefahr von Greenwashing und untergraben die Zuverlässigkeit der Entscheidungsfindung. Diese Dissertation untersucht den Nährstoffkreislauf, definiert als das Recycling von Nährstoffen aus Abfall- und Abwasserströmen zu Düngemitteln, und stellt einen konsistenten Rahmen für die Modellierung der vermiedenen Belastung vor, um eine solide Entscheidungsfindung zu unterstützen. Die Arbeit besteht aus drei aufeinanderfolgenden Veröffentlichungen, die sich jeweils mit unterschiedlichen, aber miteinander verbundenen Aspekten des Themas befassen. Die erste Veröffentlichung (Literaturanalyse) bietet eine umfassende Bewertung des aktuellen Stands der Kreislaufwirtschaft für Nährstoffe und untersucht kritisch die Rolle der Ökobilanz bei der Bewertung von CE-Pfaden für Nährstoffe. Die Literaturanalyse fasst bestehende CE-Pfade zusammen, die die direkte Ausbringung auf dem Land, integrierte Prozesse, die üblicherweise in Kläranlagen eingesetzt werden, und gezielte Nährstoffrecyclingtechnologien umfassen. Diese CE-Pfade bilden eine Grundlage für die systematische Kategorisierung ihrer Merkmale, um ihre genaue Darstellung in LCA-Studien zu unterstützen. Die zweite Publikation (Literaturanalyse) vertieft die Methodendiskussion, indem sie die Substitution und die vermiedene Belastung analysiert und sowohl die theoretischen Grundlagen als auch die praktischen Herausforderungen bei der Quantifizierung des Substitutionspotenzials von Sekundärdüngern aufzeigt. Es wird festgestellt, dass die Substitution zwar häufig in Ökobilanz verwendet wird, ihre Anwendung jedoch oft nicht mit anderen methodischen Entscheidungen, wie FU und Systemgrenzen, übereinstimmt, was zu einer willkürlichen Zuordnung vermiedener Belastungen führt. Darüber hinaus gibt es keinen Konsens darüber, wie die technische Substitutionsrate für Düngemittel zu berechnen ist. Eine Reihe von Parametern, von der internen Produktqualität bis hin zu externen Umwelt- und gesellschaftlichen Faktoren, werden als Schlüsseldeterminanten für den Vergleich zwischen Primär- und Sekundärdünger identifiziert. Aufbauend auf den festgestellten Lücken in der Literatur stellt das dritte Papier ein einheitliches Rahmenwerk vor, um die Unterscheidung und Berechnung von vermiedener Belastung und Substitution in Ökobilanz zu klären. Es zeigt auf, dass die vermiedene Belastung umfassendere Effekte auf Systemebene als die Substitution widerspiegelt. Das Rahmenwerk mit einer schrittweisenden Vorgehensweise unterstützt wissenschaftlich rigorose LCA-Designs im Nährstoffkreislauf, indem es funktionale Einheiten, Systemgrenzen, Forschungsziele und Modellierungsentscheidungen aufeinander abstimmt und so die Konsistenz und Zuverlässigkeit von Entscheidungen verbessert. Dieses Rahmenwerk trägt auch zu einer Methode bei, die auf der Aufnahme von Pflanzennährstoffen basiert, um die vermiedene Belastung zu berechnen, und bietet 65 technische Substitutionspotenziale für neun sekundäre Düngemittelklassen. Durch die Unterscheidung von Produktqualität und Umwelteinflüssen und die Verringerung von Stichprobenverzerrungen durch statistische Analysen wird die Robustheit von Sachbilanzdaten verbessert. Eine Fallstudie zum Phosphorrecycling in Deutschland veranschaulicht die Anwendung des Rahmens anhand von 14 Szenarien, die drei funktionale Einheiten, zwei LCA-Modellierungsansätze und drei Ebenen von Systemgrenzen kombinieren. Die Studie unterstreicht die Bedeutung einer produktspezifischen LCA, die mit dem vorgeschlagenen Rahmenwerk abgestimmt ist. Die Ergebnisse zeigen, dass unterschiedliche Systemgrenzen zu unterschiedlichen vermiedenen Belastungen führen, selbst für dieselbe funktionale Einheit, und dass die Wahl der Systemmodellierung in erster Linie das Erscheinungsbild dieser Belastungen beeinflusst. Das Substitutionspotenzial beeinflusst die Ergebnisse nur in bestimmten Szenarien, während die Einbeziehung der Use-on-Land-Phase (UoL) die Toxizitätsindikatoren deutlich beeinflusst und eine Grundlage für den Vergleich der Qualität von Sekundär- und Handelsdüngern bietet. Diese Dissertation verdeutlicht die unterschiedliche Rolle von vermiedener Belastung und Substitution in LCA, beseitigt methodische Unklarheiten und fördert die konsistente Anwendung. Durch die Einbeziehung verschiedener Formen der vermiedenen Belastung und ihrer ökologischen Zusatznutzen und Zusatzkosten trägt das Rahmenwerk dazu bei, Greenwashing zu verhindern und methodische Strenge zu fördern. In Anbetracht der Rolle der vermiedenen Belastung in Gutschriftensystemen sind Qualitätskriterien unerlässlich, um nicht-zusätzliche oder kurzfristige Angaben zu vermeiden. Das Rahmenwerk unterstützt die weitere Entwicklung und Integration in harmonisierte Ökobilanz (z. B. Environmental Product Declaration), Carbon Credits und Produktumgestaltung im Rahmen von „Safe and Sustainable by Design“ (SSbD). Das verbessert auch die Bilanzierung von Phosphor und fördert die künftige Forschung zur Verbesserung des Phosphorkreislaufs durch Strategien der Kreislaufwirtschaft. Darüber hinaus wird die Darstellung der Phosphorflüsse in Ökobilanz gestärkt, was neue Wege für weitere Forschungen eröffnet, die sich auf die Verbesserung des Phosphorkreislaufs durch die Kreislaufwirtschaft konzentrieren.