Typen erotus ja talteenotto lantaperäisestä nesteestä

201

The potential of ligninolytic fungi in bioremediation of contaminated soils

Soils that are contaminated with the most recalcitrant organic contaminants, such as high molecular weight polyaromatic hydrocarbons (HMW PAH) and polychlorinated dibenzo-p-dioxins and dibenzofurans (PCDD/F), cannot be degraded efficiently by conventional composting. The only available treatment method for these soils, which destroys the contaminants, is combustion at high temperature. This thesis examines three alternative fungal methods to treat these soils: 1) treatment with fungal enzymes, 2) treatment with fungal inoculum, and 3) fungal treatment used as a pre-treatment to improve the energy efficacy in combustion. Manganese peroxidase (MnP), which belongs to lignin-modifying enzymes (LME), was produced and used to treat PCDD/F-contaminated soil in the laboratory scale. Nevertheless, no degradation with a MnP preparation was observed, although a substantial amount of MnP activity was found in the soil still after 10 days of incubation. Both PAH- and PCDD/F- contaminated soils were treated with fungal inoculum in the laboratory scale. HMW PAHs were degraded significantly more by the fungi than by the indigenous microbes alone in the laboratory experiments, where the PAH concentration of soil was 3500 mg kg -1 (sum of 16 PAH). Treatment with Phanerochaete velutina (inoculum) resulted to degradation of 96 % of 4- ring PAHs and 39 % of 5- and 6-ring PAHs in three months. With PCDD/F-contaminated soil, no degradation was observed in the control, but the degradation of PCDD/Fs with fungal treatments was significant ( P. velutina : 62 %, Stropharia rugosoannulata : 64 % of WHO-TEQ value). Fungal treatment of PAH-contaminated soil was also applied in the field scale (2 t). However, both P. velutina (inoculum) and control treatment resulted in equal degradation in soil with lower PAH concentration (1400 mg kg -1 , sum of 16 PAH): 94 % of the 16 PAHs were degraded in three months. Fungal treatment was even applied as a pre-treatment for contaminated soil with high organic matter content, and which will be later combusted. In the pilot-scale (300 kg), 13 % degradation of the original organic matter content was obtained in 6 months. To conclude, fungal treatment is reasonable to apply for soils with organic contaminants that cannot be bioremediated by composting. With soils contaminated by chlorinated dioxins, this is always the case, but also PAH-contaminated soils with high total concentration or high proportion of HMW-PAHs. In addition, with fungal treatment the amount of organic matter in the soil can be reduced and the efficacy of the combustion process is improved.Diss.: Aalto-yliopisto, 201

The potential of ligninolytic fungi in bioremediation of contaminated soils

Diss. : Aalto University, 201

Typen talteenotto lantaperäisestä nesteestä – tekninen toteutettavuus ja prosessin kannattavuusarvio

Suomessa käytetään maataloudessa epäorgaanista väkilannoitetyppeä noin 135 000–180 000 tonnia vuosittain (Eurostat 2015a), mikä on noin 65 % maatalousmaahan kokonaisuudessaan lisätystä typestä. Perinteisesti epäorgaanisen lannoitetypen valmistukseen kuluu suuri määrä energiaa, joka on käytännössä valmistettu fossiilisilla polttoaineilla. Esimerkiksi Suomen lannoitemarkkinoille typpi sidotaan epäorgaanisiin lannoitteisiin maakaasulla tuotetun energian avulla ja kuljetetaan pääosin Venäjältä ammoniakkina Suomeen lannoitteiden valmistusta varten. Synteettistä väkilannoitetyppeä voitaisiin korvata ainakin osittain kierrätystypellä. Typen erottaminen ja talteenotto sivuvirroista voidaan nähdä myös puhdistusprosessina. Hallitsemattomasti jätevesien tai jätteiden mukana vesistöön jouduttuaan ravinteet aiheuttavat vesistöjen rehevöitymistä. Jalostamattomina näillä sivuvirroilla, esim. lannalla, on jalostettua tuotetta suurempi riski joutua vesistöihin. Viljelyn vaatimuksiin kehitettyinä lannoitteina typpi palautuu viljelykasvien kautta suuremmalla osuudella ravintoketjuun. Vuosina 2014–2015 käynnissä olleessa Täsmätyppi -hankkeessa (Typpilannoitteiden valmistus lantaperäisistä materiaaleista, YM RaKi) tarkasteltiin ammoniakkistrippauksen toteuttamista ja sen kustannuksia. Pilot-kokeiden pohjalta tehtiin kustannusten arviointi sekä kannattavuuslaskelmat maatila- ja teollisessa mittakaavassa tapahtuvaan ammoniakkistrippaukseen. Lisäksi tehtiin kirjallisuusselvitys erilaisten pesuliuosten käytöstä ammoniakin talteenotossa ja muodostuvien typpituotteiden käytettävyydestä maataloudessa. Hankkeen koeajoissa osoitettiin, että typen poisto nestejakeesta strippaamalla on teknisesti valmis menetelmä toteutettavaksi. Stripperillä päästiin yli 90 % erotustehokkuuksiin ja myös konsentroidumman ammoniumsulfaattiliuoksen valmistus olisi ollut mahdollista, jos typpipitoista nestejaetta olisi käsitelty suurempia määriä. Prosessin kannattavuus löytyy tällä hetkellä pikemminkin typen poistossa jätejakeesta kuin typpilannoitteen valmistuksessa, mutta samalla kun uusiutuvan energian tuotanto ja kierrätysravinteiden hyödyntäminen lisääntyvät, myös typen strippaukselle saattaa löytyä sovelluskohteita, joissa strippaus osana muuta prosessia on kannattavaa.201

Typen erotus ja talteenotto lantaperäisestä nesteestä

Lannan prosessoinnin tavoitteena on yleensä fosforin erottaminen kiintojakeeksi, joka voidaan kuljettaa kauemmaksi. Samalla muodostuu kuitenkin typpeä sisältävää nestettä, jonka volyymit ovat suuria, mutta typpipitoisuudet varsin pieniä. Nesteessä oleva ammoniumtyppi voidaan erottaa ja konsentroida hyödyntämällä strippaustekniikkaa. Täsmätyppi-hankkeessa (YM Raki 2014–2015) tutkittiin ammoniumtypen talteenottoa sian lietelannasta peräisin olevalla nesteellä. Ammoniumtypen talteenotossa prosessivaiheet ovat esikäsittely (lämmitys ja pH:n säätö), ammoniakin strippaus nestejakeesta kaasufaasiin ja ammoniakin pesu kaasufaasista vastaanottoliuokseen. Kokeissa käytettiin pilot-mittakaavan ammoniakin strippaus- ja talteenottolaitteistoa. Käsiteltävä neste oli peräisin sian lietelantaa käsittelevästä prosessista, jossa kiintoaineesta erotettu neste käsiteltiin aerobisessa mikrobiprosessissa. Nesteen kuiva-ainepitoisuus oli 0,5–0,8 %, ammoniumtyppipitoisuus 1,2–1,3 g/l ja pH 8,0–8,8. Strippausta varten nesteen pH nostettiin halutulle tasolle käyttäen 50 % natriumhydroksidia (NaOH) ja neste esilämmitettiin +40 °C:seen sähkövastuksilla. Stripperiin puhallettiin sisään huoneilmaa, joka johdettiin pesurin kautta ulos prosessista. Pesuriyksikössä kierrätettiin rikkihappoliuosta, jolloin pesutuotteena muodostui ammoniumsulfaattia. Koeajot toteutettiin kahdessa erillisessä jaksossa, joiden välillä laitteistoon tehtiin parannuksia tavoitteena prosessiolosuhteiden optimointi ja sitä myötä tehokkaampi ammoniumtypen erottuminen. Ensimmäisellä koejaksolla käytettävissä oli kaksi eri virtausnopeutta nesteelle, 0,37 ja 0,76 l/min. Ilmavirtaamat olivat puolestaan 3,6–10,9 m3/h. Toisella koejaksolla nestevirtaamat olivat välillä 1-3 l/min ja ilmavirtaamat 13–24 m3/h. Tähän esitykseen on otettu mukaan vain toisen koejakson tulokset, joiden perusteella tarkasteltiin myös prosessin taloudellista kannattavuutta. Täsmätyppi-hankkeen tulokset jul-kaistaan kokonaisuudessaan alkuvuodesta 2016 Luonnonvarakeskuksen julkaisusarjassa. Eri käsittelyolosuhteissa toteutetuissa kokeissa ammoniumtypen erotustehokkuudet vaihtelivat välillä 15–91 %. Ilma/neste-suhde ja pH vaikuttivat odotetusti erotustehokkuuteen stripperissä; erottuminen tehostui, kun käytettiin suurempaa ilmanpuhallusta, pienempää nesteen virtaamaa ja nostettiin pH korkeammalle. Tehokkaimmillaan ammoniumtypen poistuma oli 92 %, joka saavutettiin pH:ssa 11,3 ja ilma/nestesuhteella 392. Happopesurissa käytettiin panostyyppisesti samaa pesuliuosta koko koejakson ajan. Ammoniakin ja rikkihapon reaktiossa muodostuvaa ammoniumsulfaattiliuosta tuotettiin siis kaksi erää. Tuotteiden ammoniumtyppipitoisuudet olivat 15,3 ja 21,7 g/l, eli ammoniumsulfaatiksi laskettuina 7,2 ja 10,2 %. Kokeista kerättiin tietoa käytössä olleen stripperilaitteiston erotustehokkuudesta, taloudellisuudesta ja käytettävyydestä. Kokeissa mitattiin prosessin energiankulutus sekä kerättiin tiedot kemikaalien (NaOH ja rikkihappo) kulutuksesta. Prosessoinnin kustannukset on laskettu sekä käsiteltävää nestetonnia että tuotettua typpikiloa kohti. Lisäksi kokeista saatiin käytännön kokemusta tekniikan toteutettavuudesta

Maatilojen biokaasulaitosten kannattavuus ja kasvihuonekaasujen päästövähennys

Tässä julkaisussa esitetään maatilojen biokaasulaitosten kannattavuus käyttäen kahta kuvitteellista esimerkkiä: suuren lypsykarjatilan oma biokaasulaitos ja viiden lypsykarjatilan yhteinen biokaasulaitos. Tilakohtaiselle laitokselle laskettiin lisäksi kasvihuonekaasujen päästövähennyspotentiaali. Tilakohtainen biokaasulaitos korvasi joko maatilan öljy- tai hakelämpölaitoksen. Biokaasusta tuotettiin lämpöä ja sähköä CHP-yksiköllä. Tuotettu lämpö korvasi kevyttä polttoöljyä tai puuhaketta ja tuotettu sähkö ostosähköä. Biokaasulaitos osoittautui öljy- ja hakelämpölaitosta kannattavammaksi, jos laitokselle saatiin investointitukea (35 %), korkeimmasta investointihinnasta huolimatta. Tilojen yhteinen biokaasulaitos sai tulonsa energian myynnistä. Lietelannan separointi osalla osakastiloja ja kuivajakeen käyttö biokaasulaitoksen syötteenä vähensivät kuljetuskustannuksia ja mahdollistivat tilojen yhteisen laitoksen kannattavan toiminnan. Vaihtoehtoisina biokaasun hyödyntämistapoina tarkasteltiin lämmön ja sähkön yhteistuotantoa sekä biokaasun puhdistusta liikennepolttoaineeksi. Paras kannattavuus saatiin, kun tuotetusta biokaasusta puhdistettiin liikennepolttoainetta ja tehdylle investoinnille saatiin investointitukea (vuosittainen tulo 22 600 €, investoinnin takaisinmaksuaika 6,8 vuotta). Lähes yhtä hyvään kannattavuuteen päästiin myös lämmön ja sähkön yhteistuotannossa, mikäli kaikki lämpö voitiin hyödyntää ja myydystä sähköstä saatiin v. 2015 mukainen tariffihinta lämpöpreemiolla (vuosittainen tulo 22 900 €, investoinnin takaisinmaksuaika 7,3 vuotta). Merkittävimmät kasvihuonekaasupäästövähennykset saatiin lannan varastoinnista ja energian tuotannosta. Lietelanta siirtyi navetasta jatkuvatoimisesti biokaasulaitokseen, jossa vapautuva metaani otettiin hallitusti talteen. Energian tuotannon päästövähennyspotentiaali riippuu korvattavasta energiasta. Tässä laskelmassa korvattiin puuhaketta ja sähköä. Biokaasulaitos osana maatilan toimintoja vähensi vuosittaisia kasvihuonekaasuja 240 t CO2e (noin 90 henkilöauton päästöt), kun vertailukohtana oli hakelämpölaitos.201

Suomen biokaasualan haasteet ja mahdollisuudet

Tutkimuksessa selvitettiin biokaasualan nykytilaa ja tulevaisuuden näkymiä. Kevään ja kesän 2017 aikana haastateltiin 15 biokaasualan toimijaa. Tavoitteena oli koota yhteen näkemyksiä biokaasualan nykytilanteesta sekä tulevaisuuden haasteista ja mahdollisuuksista, viedä kentän viestiä eteenpäin päättäjille sekä myös tuoda yksittäisten toimijoiden tietoon laajempaa näkemystä alalta. Haastattelut jaettiin näkökulman mukaan maatilamittakaavaan ja keskitettyyn laitokseen. Kaikki haastatellut eivät olleet biokaasuyrittäjiä vaan mukana oli myös konsultteja, viranomaisia ja muita uusiutuvan energiantuotannon toimijoita. Sekä maatilamittakaavasta että keskitetystä teollisesta tuotannosta löytyi useita yhdistäviä tekijöitä. Biokaasualan kannattavuus on yleisesti heikkoa. Perussyinä nousivat esiin korkeat investointikustannukset ja lopputuotteiden matala hinta. Erityisesti sähkön markkinahinta on Suomessa alhainen ja kierrätysravinteille markkinoita ei vielä ole. Liikennekaasu nousi esiin useissa keskusteluissa ratkaisuna parempaan kannattavuuteen. Tähän antaa uskoa Gasumin mukaan tulo biokaasualalle ja kaasuntankkausasemaverkoston laajentaminen. Myös kierrätysravinteilla uskottiin tulevaisuudessa olevan kysyntää erityisesti kasvavan luomutuotannon piirissä. Vaikka tulevaisuudessa nähtiin mahdollisuuksia, samalla myös todettiin, että niiden toteutuminen on monin tavoin riippuvainen poliittisista päätöksistä. Toimintaympäristön vakiinnuttaminen kaipaa pitkäjänteistä ja johdonmukaista politiikkaa. Biokaasun tuotanto on vahvasti riippuvainen tuista. Maatilamittakaavassa on mahdollista saada investointitukea ja teollisessa mittakaavassa joko investointitukea tai tuotantotukea sähkön tariffihinnan muodossa. Lisäksi biokaasusta puhdistettu liikennekaasu on vapautettu valmisteverosta. Biokaasu tarjoaa monia ratkaisuja tulevaisuuden kiertotalousyhteiskuntaan. Se parantaa maaseudun energiaomavaraisuutta ja huoltovarmuutta ja samalla vähentää maatalouden päästöjä. Keskitetty biokaasulaitos voi tulevaisuudessa olla biojalostamo, joka hyödyntää resurssitehokkaasti jäteja sivuvirtoja ja tuottaa niistä biokemikaaleja, liikennepolttoainetta ja kierrätyslannoitteita. Myös energiantuotannolla biokaasusta on tulevaisuudessa201

Valorization of non-wood biomass - case studies with food industry side-streams and municipal foodwaste

201

Maatilojen biokaasulaitokset : Mahdollisuudet, kannattavuus ja ympäristövaikutukset

Maatilojen biokaasulaitokset voisivat olla olennainen osa tuotantoketjua. Niiden avulla voidaan hyödyntää tiloilla muodostuvat jätteet ja sivutuotteet, kuten lanta ja erilaiset kasvintuotannon sivutuotteet tehokkaasti energiana ja kierrätysravinteina. Samalla on mahdollista tehostaa maatalouden päästöjen hallintaa. Maatalouden biokaasulaitosten käyttöönoton haasteena on kuitenkin ollut kannattavuus. Suurehko kertainvestointi ei ole lukuisista hyödyistään huolimatta välttämättä noussut riittävän kannattavaksi verrattuna muihin energiantuottovaihtoehtoihin nähden. Tässä raportissa esittelemme kahdelle todelliselle kotieläintilalle suunnitellut biokaasulaitokset, niiden tekniset ratkaisut, kannattavuuden arvioinnit sekä ympäristövaikutukset verrattuna tilan nykyiseen toimintaan ilman biokaasulaitosta. Laitokset ovat tapauskohtaiset esimerkit, joita myös muut asiasta kiinnostuneet maatilat voivat hyödyntää pohtiessaan mahdollisuuksiaan toteuttaa oma tilakohtainen biokaasulaitos. Laitokset suunniteltiin lypsykarjatilalle ja sikatilalle. Niiden lähtökohtana oli pääasiassa tehostaa tilojen lannan hyödyntämistä erityisesti lämmöntuotannossa ja ravinteina. Suunnittelussa pyrittiin hyödyntämään tilan olemassa olevia rakenteita, kuten lietesäiliöitä ja lämpökeskuksia. Lypsykarjatilalle laskettiin kaksi laitosvaihtoehtoa, joista toinen hyödynsi pelkän lietelannan ja tuotti lämpöä ja toinen hyödynsi lannan lisäksi tilan hävikkisäilörehun ja tuotti sekä sähköä että lämpöä. Sikatilalle laskettiin laitos, joka hyödynsi tilan liete- ja kuivikepohjalannat lämmöntuotannossa. Lypsykarjatilalla pelkän lietelannan käsittely lämmöksi ei ollut kannattavaa, mutta lannan ja hävikkisäilörehun käsittely sähköksi ja lämmöksi oli yhtä kannattavaa kuin hakelämpöön ja ostosähköön perustuva energiaratkaisu. Investointituki (35 %) oli kannattavuudelle välttämätön. Uuden lietesäiliön rakentaminen vanhan muuntamisen sijaan oli kannattavampaa, sillä uuden säiliön käyttöikä on merkittävästi vanhaa allasta pitempi. Vanhat säiliöt kannatti ennemmin hyödyntää varastosäiliöinä käsittelyjäännökselle. Laitoksen myötä tila sai myös levitykseen enemmän liukoista typpeä käsittelyjäännöksen lannoitekäytössä. Sikatilalla lantojen käsittely lämmöksi oli kannattavuudeltaan investointituen ja uuden reaktorialtaan myötä lähes sama kuin hakkeella. Kannattavuus olisi mahdollisesti saavutettu myös hyödyntämällä alueen suojavyöhykenurmet ja tuottamalla sekä sähköä että lämpöä. Tätä ei kuitenkaan hankkeessa laskettu. Laitosten ympäristövaikutukset ovat riippuvaisia tuotetun energian hyödyntämisestä ja käsittelyjäännöksen varastoinnin ja levityksen ratkaisuista. Mikäli koko tuotettu biokaasuenergia voidaan hyödyntää ja energialla saadaan korvattua fossiilisiin polttoaineisiin pohjatuvia energiamuotoja, laitosten vaikutus ilmastonmuutokseen on raakalannan hyödyntämistä vähäisempi. Oikeanlaisella lannankäsittelyn kokonaisratkaisulla voidaan myös vähentää tilan happamoitumis- ja rehevöitymisvaikutuksia. Tällöin jäännös on varastoitava katetusti ja levitettävä kasvukaudella (keväällä, kesällä) multaavilla menetelmillä.201