Phosphorus uptake patterns and yield responses of barley fertilized with meat and bone meal

In this study we evaluated the effect of P acquisition during the growth period based on its subsequent effect on barley yield using two different P sources, either superphosphate (SP), a soluble P source, or meat and bone meal (MBM), representing a low-solubility P source (Ylivainio et al., 2008)

Solubility and plant-availability of P in manure

201

Luomun vesistökuormituksesta vain vähän tietoa

Tavanomaisen ja luomuviljelyn aiheuttamia ravinnehuuhtoutumia on vertailtu vain harvoissa tutkimuksissa. Näidenkin tutkimusten tulosten tulkintaa vaikeuttaa muun muassa se, että maata on muokattu ja lantaa levitetty luomussa eri aikaan kuin tavanomaisessa viljelyssä.vokmk

Jätevesilietteen pyrolyysi - laboratorio- ja pilot-mittakaavan kokeita

Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää jätevesipohjaisten raaka-aineiden käyttäytymistä pyrolyysiprosessissa sekä arvioida syntyvien lopputuotteiden soveltuvuutta lannoitevalmisteeksi. Tutkimuksessa 1) pyrolysoitiin eri prosessiolosuhteissa (310 ja 410 °C) laboratoriomittakaavan laitteistolla jätevedenpuhdistamon raakalietettä, biokaasulaitoksen mädätysjäännöstä (syötteenä mm. puhdistamoliete) sekä sakokaivolietettä, 2) tutkittiin pyrolyysiprosessin hiilipitoisten lopputuotteiden ravinteiden ja raskasmetallien kokonaispitoisuuksia sekä liukoisen fosforin määrää, 3) toteutettiin mädätysjäännöksellä testiajo pilot-mittakaavan pyrolyysilaitteistolla. Raakalietteen ja mädätteen pyrolysointi muunsi kiinteän jakeen massasta lämpötilasta riippuen 25–52 % kaasu ja nestejakeiksi. Samalla fosforin määrä hiilipitoisessa kiintojakeessa kohosi mineraalilannoitteiden tasolle (3–6 %). Pyrolyysi ei vaikuttanut merkittävästi helppoliukoisen fosforin määrään, vaan se oli alhainen sekä raaka-aineissa että hiilipitoisessa lopputuotteessa. Myös raskasmetallit konsentroituivat hiilijakeeseen: kadmiuminpitoisuus vaihteli välillä 0,7–1,3 mg kg-1. Sakokaivoliette osoittautui alhaisesta orgaanisen aineen määrästä johtuen epäsuotuisaksi raaka-aineeksi pyrolyysiin. Pyrolyysi onnistui ongelmitta pilot-mittakaavan laitteistolla ja laskennallisesti pyrolyysin avulla voitiin alentaa kiintojakeen varastointi- ja kuljetustarvetta neljännekseen. Laboratoriomittakaavan pyrolyysiajoissa havaittiin kuitenkin merkittävä turvallisuusriski, kun hiilipitoinen lopputuote kuumeni voimakkaasti joutuessaan kontaktiin hapen kanssa. Soveltuvilla laitevalinnoilla ja prosessia optimoimalla voidaan pyrolyysiteknologiaa hyödyntää jätevesilietepohjaisten materiaalien prosessoinnissa. Lopputuotteen maatalouskäyttö on ravinne- ja raskasmetallipitoisuuksien valossa mahdollista, mutta mm. fosforin pitkäaikainen käyttökelpoisuus tulisi selvittää. Lisätutkimusta tarvitaan myös prosessissa syntyvien neste- ja kaasujakeiden hyödyntämisestä, sekä orgaanisten haitta-aineiden esiintymisestä kiinteässä hiilipitoisessa lopputuotteessa. Tutkimus oli osa Luonnonvarakeskuksen laajempaa ravinteiden kierrätyksen tehostamiseen tähtäävää tutkimuskokonaisuutta. Jätevesilietteiden prosessointiin liittyvää tutkimusosiota rahoitti Vesihuoltolaitosten kehittämisrahasto.The aim of this research was to test pyrolysis of sewage sludge in laboratory and pilot scale, and to evaluate the suitability of solid end-products for agricultural use. We pyrolysed sewage sludge from municipal waste water treatment plant with and without anaerobic digestion (AD, biogas plant) as well as waste water sludge from scattered settlements. Slow pyrolyses were carried out in two maximum peak temperature (310 and 410 °C) using laboratory scale devise. In addition test run using pilot scale mobile pyrolysis device was performed. After pyrolysis, solid char fractions were studied for contents of nutrients and heavy metals. In addition, solubility of phosphorus (P) was assessed by sequential chemical fractionation procedure. In the pyrolysis process 25–52 % of the initial raw material mass ended up to gas and liquid fractions. Most of the phosphorus was recovered in the solid char fraction, and its P concentration corresponded to commercial mineral fertilizers (3–6 %). However, pyrolysis had only minor effect on the solubility of phosphorus; it was low in raw materials and pyrolysed char fractions. Heavy metals concentrated also into char fraction, for example, cadmium concentrations varied between 0.7 and 1.3 mg kg-1. Waste water sludge from scattered settlements proven to be unfavourable raw material for pyrolysis because of low initial organic matter content. In the pilot scale pyrolysis of AD sludge was successful. Based on calculations we estimated that pyrolysis could cut the need for storage and transport capacity to one fourth (char fraction vs. raw material). However, there was severe safety risk when pyrolysis was carried out at higher temperature using laboratory scale devise. After pyrolysis, cooled char fraction started to heat up strongly, which may cause risk for fire damage. The results indicate that successful pyrolysis of sewage sludge requires optimisation of pyrolysis conditions with respect to raw material, device in use and desired quality of end-products. In the light of nutrient and heavy metal contents of studied end-products agricultural use of solid char fraction is possible. Due to the low solubility of phosphorus in these materials, plant availability, especially in a long term, needs to be assessed in growth experiments. In addition research is needed to identify the most feasible usage for gas and liquid fractions as well as to assess organic pollutants potentially occurring in the solid char fraction.201

Lämpökemiallisen käsittelyn vaikutus jätevesilietefosforin lannoitusarvoon

Jätevesien fosfori kiertoon lannoitteeksi (PRecover) -hankkeen loppuraporttiRavinteiden kierrätyksen edistämiseksi viljelykasvien lannoitustarve tulee tyydyttää yhä enenevässä määrin orgaanisilla ravinnerikkailla sivuvirroilla, joista merkittävimmät ovat tuotantoeläinten lannat ja jätevedenpuhdistuksessa muodostuva jätevesiliete. Tuotantoeläinten lanta päätyy jo nykyisellään suurimmaksi osaksi takaisin maatalouden ravinnekiertoon, kun taas jätevesilietteiden ravinteista suurin osa ohjautuu maatalouden sijasta viherrakentamiseen. Jätevesilietteiden käyttöä lannoitteena rajoittavat epätietoisuus orgaanisten haitta-aineiden ja raskasmetallien mahdollisesta siirtymisestä ruokaketjuun sekä vaikutuksisista maaperäeliöihin. Yksi mahdollisuus vähentää jätevesilietteiden orgaanisia haitta-ainepitoisuuksia on jätevesilietteiden lämpökemiallien käsittely. Jätevesilietteiden sisältämän fosforin käyttökelpoisuus kasveille voi kuitenkin muuttua lämpökemiallisten käsittelyjen myötä, mutta asiasta on vähän tutkimustietoa. Maa- ja metsätalousministeriön rahoittamassa ”Jätevesien fosfori kiertoon lannoitteeksi (PRecover)” -hankkeessa selvitettiin lämpökemiallisten käsittelyjen, torrefioinnin ja märkähiillon (HTC), vaikutusta lietefosforin välittömään käyttökelpoisuuteen kasvatuskokeilla. Tutkimuksessa selvitettiin myös kotieläinlantafosforin (sian-, naudan- ja ketunlannan) käyttökelpoisuus ja orgaanisten fosforilähteiden aikaansaamaa satoa verrattiin väkilannoitefosforin vastaavaan. Hankkeessa tutkittiin myös muiden menetelmien soveltuvuutta ennustamaan orgaanisten fosforilähteiden lannoitusvaikutusta. Lisäksi määritettiin kasvinravinteiden ja haitallisten raskasmetallien pitoisuudet ohran jyvissä ja oljissa. Lämpökemiallisilla käsittelyillä pystyttiin muokkaamaan jätevesilietteen fysikaalisia ominaisuuksia ja muodostamaan erottuva biohiilifraktio. Rautasaostetun lietteen torrefiointi- ja HTC-käsittelyt vähensivät raudan sitomaa fosforipitoisuutta 75 %:sta 20 %:iin, lisäten vastaavasti vahvaan happoon liukenevan fosforin osuutta 22 %:sta 78 %:iin (Hedleyn fraktiointi). Märkähiillytyksessä neste- ja kuivajakeen erottamiseksi tarvittava käsittelyaika oli 30 minuuttia 230 °C:ssa ja fosfori sitoutui suurimmaksi osaksi kiintoainekseen, muodostaen rauta- ja kalsiumyhdisteitä. Hiilijakeeseen sitoutunut fosfori voidaan erottaa nestejakeeseen vahvalla hapolla, mutta tässä tutkimuksessa valituilla lämpökemiallisilla menetelmillä ei pystytty luomaan tarpeeksi kestävää biohiilijaetta, joka olisi mahdollistanut em. uuton ilman hiilen liukenemista. Mädätetyn ja kompostoidun jätevesilietefosforin välitön käyttökelpoisuus ohralle oli noin 10 %. Kalkkistabilointi paransi fosforin käyttökelpoisuuden 37 %:iin, kun taas torrefiointi ja märkähiilto alensivat fosforin välittömän käyttökelpoisuuden muutamaan prosenttiin. Kotieläinlannoissa paras fosforin välitön käyttökelpoisuus oli sian lietelannassa, jopa 160 % väkilannoitefosforiin verrattuna. Fosforin käyttökelpoisuuden kasveille ennusti mädätetyssä ja kompostoidussa jätevesilietteessä sekä naudan- ja sianlannassa parhaiten rauta ja – alumiinipitoisuuden moolisuhde suhteessa fosforin vastaavaan. Lannoitevalmistelain mukaisista fosforin käyttökelpoisuuden määrittämiseen käytettävistä uuttoliuoksista käyttökelpoisuuden ennusti parhaiten 2 % muurahaishappo, kun taas 2 % sitruunahappo ja 1 M neutraali ammoniumsitraatti-EDTA yliarvioivat sen. DGT- menetelmä ennusti puolestaan parhaiten fosforin liukoisuuden muutoksen maassa ja sen yhteyden kasvatuskokeissa havaittuun fosforin käyttökelpoisuuteen. Muut viljavuusuuttoliuokset (hapan ammoniumasetaatti, Mehlich-3 ja Olsen-P) sen sijaan yliarvioivat fosforin käyttökelpoisuuden. Jätevesilietteet tai kotieläinlannat eivät kohottaneet ohran jyväsatojen kadmium-, lyijy-, nikkeli-, arseeni- tai kromipitoisuuksia. Myöskään jätevesilietteiden torrefiointi tai HTC-käsittely eivät kasvattaneet jyväsadon raskasmetallipitoisuuksia. Jätevesilietefosforin potentiaalia fosforilannoitteena voidaan havainnollistaa laskemalla lannan ja jätevesilietteen fosforin riittävyys viljelykasvien tarpeisiin alueellisesti. Kun ensin huomioidaan lannan fosforisisältö eri ELY-keskusten alueilla, jäljelle jäävä lannoitustarve on tällä hetkellä suurin Uudellamaalla. Uudellamaalla muodostuva jätevesilietefosfori myös kattaisi kasvien jäljelle jäävän fosforilannoitustarpeen, jos olisi käytössä lietteenkäsittelytekniikoita, jotka nostaisivat fosforin käyttökelpoisuuden lähes väkilannoitefosforin veroiseksi. Tässä tutkimuksessa kehitetyt lämpökemialliset käsittelyt eivät kuitenkaan parantaneet fosforin käyttökelpoisuutta kasveille, minkä tulisi olla tärkeä tavoite fosforikierron tehostamiseksi.201

Jätevesilietefosforin liukoisuus maassa

Fosforilannoitteiden kohonneet hinnat ja ympäristötietoisuus ovat lisänneet viljelijöiden kiinnostusta sivutuotteiden sisältämää fosforia kohtaan. Jätevesilietteet ovat merkittävä fosforilähde, mutta niiden käyttöä rajoittavat mm. haitallisten metallien pitoisuutta ja kuormitusta koskevat rajat sekä levityksestä seuraavat viljelyrajoitukset. Fosforilannoitteeksi soveltuvuuteen vaikuttaa myös jätevesilietteiden sisältämän fosforin liukoisuus, johon taas vaikuttaa suuresti fosforin saostuksessa käytetyt kemikaalit. Tässä tutkimuksessa verrattiin erilaisten lietteiden käsittelymenetelmien vaikutusta lietetuotteiden fosforin liukoisuuteen sekä sen muutoksia kalkitsemattomassa ja kalkitussa maassa ajan kuluessa. Jätevesilietteet olivat peräisin viideltä eri paikkakunnalla toimivalta jätevedenpuhdistamolta (Forssa, Biovakka Oy; Vehmaa, Pori, Kaarina ja Uusikaupunki). Fosforin saostuksessa oli käytetty rauta- ja alumiinipohjaisia kemikaaleja. Lietetuotteiden hygienisointiin käytettiin KemiCond®-menetelmää sekä kalkkistabilointia. Lisäksi lietettä mädätettiin (Forssa, Biovakka Oy) ja separoitiin kiinto- ja nestejakeen erottamiseksi (Biovakka Oy). Lietetuotteiden fosforin liukoisuus määritettiin Hedleyn fraktioinnilla, jossa näytettä uutetaan peräkkäisillä uuttoliuoksilla (vesi, 0,5 M NaHCO3, 0,1 M NaOH ja 1 M HCl, uuttosuhde 1:60). Jätevesilietteiden vaikututa fosforin liukoisuuteen maassa tutkittiin vuoden kestäneellä inkubointikokeella, minkä aikana koemaasta otettiin maanäytteet Hedleyn fraktiointia varten neljän kuukauden väliajoin. Verranteena käytettiin superfosfaattia. Maahan lisätty kokonaisfosforilisä oli 100 mg kg-1 maata. Jätevesilietteiden kokonaisfosforipitoisuudet kuiva-ainetta kohden olivat noin 2 %. Rauta- ja alumiinipohjaisten saostuskemikaalien käytön seurauksena suurin osa fosforista (noin 80 %) oli sitoutuneena rauta- ja alumiiniyhdisteisiin. Saostuskemikaalien käyttö laski vesiliukoisen fosforipitoisuuden alle 1 %:n lietteiden kokonaisfosforipitoisuudesta. Saostetun lietteen kalkkistabilointi kasvatti happoliukoisen fosforipitoisuuden jopa 87 %:iin kokonaisfosforista, kun taas vesiliukoisen fosforin osuus jäi ainoastaan 0,1 %:iin. Kalkkistabiloitu jätevesiliete kasvatti koemaan vesiliukoista fosforipitoisuutta 36 % superfosfaatin aikaansaamasta pitoisuuden kasvusta neljän kuukauden inkuboinnin jälkeen, kun se kalkkistabiloimattomalla rauta- ja alumiiniyhdisteillä saostetuilla lietteillä oli enimmillään 12 %. Eniten vesiliukoista fosforipitoisuutta kasvatti Biovakan mädätysjäännöksestä separoitu nestefraktio (rejektivesi), jopa 82 % enemmän kuin superfosfaatin aikaansaama lisäys kalkitussa koemaassa. Jätevesilietteet kasvattivat maan labiilia (vesi + 0,5 M NaHCO3 uutot), kasveille käyttökelpoista fosforipitoisuutta vähemmän kalkitussa (pH 6,8) kuin kalkitsemattomassa maassa (pH 5,4). Inkubointiajan pidetessä jätevesilietteiden aikaansaama labiili fosforipitoisuus kasvoi suhteessa superfosfaatin vastaavaan. Saostuskemikaalien käyttö alentaa jätevesilietteiden sisältämän fosforin liukoisuutta merkittävästi ja sitä kautta myös sen käyttökelpoisuutta kasveille. Pidemmällä ajanjaksolla lieteperäisen fosforin liukoisuus maassa kuitenkin kasvoi suhteessa superfosfaattina lisättyyn fosforiin. Jätevesilietefosfori voikin toimia paremmin pitkäkestoisena fosforilannoitteena

Accumulation and translocation of sparingly soluble manure phosphorus in different types of soils after long-term excessive inputs

When phosphorus (P) is applied to soils in excess of plant P demand, P accumulation takes place. By means of P fractionation, we studied the fate of P in 35 soils that had received long-term surplus P rates as fox and mink manure P (F&MM-P), considered as a sparingly soluble P source. We compared these data with those from the same soils under a more typical P management, i.e., fields amended with soluble P sources superphosphate and dairy manure (SP+DM). Fractionation of manures according to the Hedley procedure suggested limited solubility of F&MM-P, two-thirds of the F&MM-P being soluble in acid (HCl) only. In mineral soils, surplus F&MM-P accumulated for the most part as HCl-P (poorly available), whereas in organic soils accumulation occurred largely as NaOH-soluble (moderately available) and labile P. Translocation of F&MM-P was evidenced by P fractionation and by agronomic P test: subsurface soil of F&MM-amended fields contained more P than the same soils in fields amended with SP+DM. In the 35 soils that had received surplus F&MM-P, agronomic P status was classified as “excessive” in 90% of the samples taken from the plough layer, in 75% of those from 20–40 cm depth, and in 50% of those from 40–60 cm depth. In the reference soils amended with SP+DM, “excessive” P status was recorded for 23% of the plough layer samples and 4% of the subsurface samples. These results show that manure P which appears as sparingly soluble in P fractionation may in a longer term increase the content of labile soil P and translocate in the soil profile when applied in high rates

Phosphorus fertilization in field vegetable production

Esitelmä201

Regional P stocks in soil and in animal manure as compared to P requirement of plants in Finland : Baltic Forum for Innovative Technologies for Sustainable Manure Management. WP4 Standardisation of manure types with focus on phosphorus

Fosfori on välttämätön kasvinravinne, jonka saatavuus riippuu mm. maan helppoliukoisen fosforin pitoisuudesta ja fosforilannoituksesta. Fosforilannoitus ja maan helppoliukoinen fosfori vaikuttavat myös fosforin huuhtoutumisriskiin. Fosforihuuhtoumien minimoimiseksi fosforilannoitus tulisi tarkentaa kasvien tarpeen mukaiseksi. Tässä tutkimuksessa selvitettiin alueellinen fosforilannoitustarve pyrittäessä 95 %:iin maksimisadosta ja huomioiden maassa olevat fosforireservit (viljavuusuuttoinen fosfori) sekä kunnassa muodostuva lantafosforin määrä. Peltolohkojen viljavuusanalyysitiedot koostuivat viljelijöiden vuosina 2005-2009 ottamista ja viljavuuslaboratorioiden analysoimista maanäytteistä (1 008 302 maanäytettä). Kuntakohtaiset eläinmäärät toimittivat Tilastokeskus (TIKE), Suomen Hippos ry, Saga Furs Oyj ja Kopenhagen Fur. Eläinten lannan sisältämä fosforimäärä arvioitiin perustuen MTT:n ruokintakokeisiin. Suomalaisten peltolohkojen keskimääräinen fosforiluku oli 13,0 mg l-1. Maalajeittain ryhmiteltynä vastaavat fosforiluvut savimailla, karkeammilla kivennäismailla ja orgaanisilla mailla olivat 12,3, 13,9 ja 9,8 mg l-1. Noin puolessa analysoiduista maanäytteistä (49 %) fosforin saatavuus ei ollut kasvin kasvua rajoittava tekijä, toisin sanoen näillä mailla ei ole fosforilannoitusvastetta viljaa tai nurmea viljeltäessä. Maalajeittain tarkasteltuna vastaavat osuudet savimaille, karkeammille kivennäismaille ja orgaanisille maille olivat 69, 47 ja 14 %. Manner-Suomen ELY-keskuksista Varsinais-Suomen alueella on eniten peltolohkoja (73 %), missä fosfori-lannoituksella ei saada satovastetta. Ahvenanmaalla vastaava osuus on 76 %. Kotieläinlannan sisältämä fosforimäärä oli 17,5 milj. kg vuonna 2011, koostuen pääasiassa naudan- (9,8 milj. kg), sian- (3,6), turkiseläin- (1,8) ja kananlannasta (1,5). Suurin osa lantafosforista (42 %) muodostui Pohjanmaalla. Lantafosforia riittäisi viljellylle peltopinta-alalle tasaisesti levitettynä 8,8 kg ha-1, kun koko lannoitustarve on 8,6 kg ha-1. Lantafosforin lisäksi väkilannoitefosforia käytettiin 5,6 kg ha-1 vuonna 2011. Koska peltojen fosforiluvulla on merkittävä vaikutus fosforin huuhtoutumispotentiaaliin, olisi fosforilannoitus säädettävä kasvien tarpeen mukaiseksi. Näin voitaisiin aikaa myöten alentaa maan fosforilukuja ja vähentää fosforin huuhtoutumista. Tällä hetkellä lantafosforilla voitaisiinkin korvata väkilannoitefosforin käyttö kokonaan. Tämä vaatii kuitenkin lantafosforin kuljettamista kauemmaksi lannan syntysijoilta, mikä ei nykyisillä tekniikoilla ja hintasuhteilla ole taloudellisesti kannattavaa. Myös ympäristölainsäädäntö sallii nykymuotoisen fosforin käytön.201

Vihannesten ravinnehuolto on maan hoitoa, ennakointia ja tarpeen mukaista lannoitusta

201