Quantitative characterization of pore structure of several biochars with 3D imaging

Pore space characteristics of biochars may vary depending on the used raw material and processing technology. Pore structure has significant effects on the water retention properties of biochar amended soils. In this work, several biochars were characterized with three-dimensional imaging and image analysis. X-ray computed microtomography was used to image biochars at resolution of 1.14 $\mu$m and the obtained images were analysed for porosity, pore-size distribution, specific surface area and structural anisotropy. In addition, random walk simulations were used to relate structural anisotropy to diffusive transport. Image analysis showed that considerable part of the biochar volume consist of pores in size range relevant to hydrological processes and storage of plant available water. Porosity and pore-size distribution were found to depend on the biochar type and the structural anisotopy analysis showed that used raw material considerably affects the pore characteristics at micrometre scale. Therefore attention should be paid to raw material selection and quality in applications requiring optimized pore structure.Comment: 16 pages, 4 figures. The final publication is available at Springer via http://dx.doi.org/10.1007/s11356-017-8823-

Nutrient retention by differently managed vegetation of buffer zones

Shoots growth and nutrient concentration of differently vegetated buffer zones(BZ) were studied in south-western Finland with clay soils. Aboveground plant biomasses differed greatly among each of the six vegetation types with different age and harvesting parctice. The concentration of P AAAc in soil surface increased with natural vegetation with no harvest. The preliminary results for the BZ plots emphasized the role of vegetation and grazing in an additional nutrient loading

Buffer zone water repellency: effects of the management practice

Water repellency index R was measured in a heavy clay and a sandy loam, used as arable land or buffer zone (BZ). Further, effect of management practise and ageing of BZs were studied. Water repellency was proved to be a common phenomenon on these soils. Harvesting and grazing increased water repellency as does ageing.Low water repellency is supposed to prevent preferential flows and provide evenly distributed water infiltration pattern through large soil volume, which favours nutrient retention

Fertilizer and soil conditioner value of broiler manure biochars

Peer reviewe

Compressive behaviour of the soil in buffer zones under different management practices in Finland

Soil structure that favours infiltration is essential for successful functioning of vegetated buffer zones. We measured bulk density, air permeability and precompression stress in a clay soil (Vertic Cambisol) and a sandy loam (Haplic Regosol) in Finland, to identify management-related changes in the physical and mechanical properties in the surface soil of buffer zones. In addition, the impact of texture on these properties was studied at depths down to 180?200 cm. Soil cores (240 cm3) were sampled from a cultivated field, from buffer zones harvested by grazing (only in a clay soil) or by cutting and removing the vegetation, and from buffer zones covered with natural grass vegetation. The samples were equilibrated at a matric potential of -6 kPa and compressed at a normal stress range of 20-400 kPa (7 h), followed by stress removal (1 h). Generally, the clay soil was more compressible than the sandy loam. Due to trampling by cattle, the young grazed buffer zone (0-3 cm) had the largest bulk density and the smallest total porosity. For the grazed sites, reduced air permeability (2.7-5.1 × 10-5 m s-1) was found, compared with that of the buffer zone under natural vegetation (15-22 × 10-5 m s-1), indicating decreased pore continuity. Although the old grazed site was easily compressed, compared with the younger site, it showed a greater resilience capacity due to the protective cover of organic residues accumulated on the soil surface

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

A novel solution for utilizing liquid fractions from slow pyrolysis and hydrothermal carbonization - Acidification of animal slurry

Pyrolysis and hydrothermal carbonization (HTC) have recently gained much interest in the field of biomass processing. This is due to the process flexibility with respect to raw materials and the range of potential applications proposed for the end products. In addition to the main product, biochar, the processes yield a liquid fraction that has turned out to be challenging to productize. Considering the feasibility of the thermochemical conversion technologies, it is crucial that all the produced fractions can be utilized reasonably and no waste fractions expensive to dispose remain. In spite of active research and development work, unambiguous uses for the liquid fractions have not been recognized yet. Please click on the file below for full content of the abstract

Potential of pyrolysis liquids to control the environmental weed Heracleum mantegazzianum

Replacement of synthetic pesticides with biochemical alternatives and other biological and mechanical control methods represents a future need in plant protection. We investigated if slow pyrolysis liquids (PL) originating from hardwoods, which contain a wide range of organic compounds, can be used to control giant hogweed (Heracleum mantegazzianum) either by (i) spraying directly on the seeds (Carum carvi seeds used as substitute) and seedlings or by (ii) covering seedlings with PL-containing mulching material (PLM). The effectiveness of the methods was evaluated in laboratory and greenhouse experiments using seedlings of various ages, PLs produced from aspen (Populus sp.), birch (Betula sp.) and willow (Salix sp.) and various PL/PLM application doses. In addition, the biodegradation of birch-derived PL was investigated. All tested liquids inhibited C. carvi seed germination effectively when used at > 20% concentrations and only slight differences existed among PLs produced from different biomasses. Direct spraying of PL on H. mantegazzianum seedlings was ineffective. PLM (containing 7.5%-40% of PL) inhibited seedling development effectively. Birch PL was readily biodegradable. Further product development is needed because the chemical composition of the PLs in PLM and their modes of action are poorly understood. The weed-inhibiting effect of PLM likely results from the PL and the mechanical barrier constituted by PL-bound peat fibers. (C) 2020 The Author(s). Published by Elsevier B.V.Peer reviewe

Selvitys puukaasun käytöstä viljankuivauksessa

Viljan lämminilmakuivauksessa käytetään yleisesti polttoaineena kevyttä polttoöljyä. Polttoaine muodostaa merkittävän osan viljankuivauksen muuttuvista kustannuksista. Mm. öljyn hinnan vaihtelut ovat nostaneet kiinnostusta käyttää kotimaista polttoainetta viljan kuivaukseen. Tässä tutkimuksessa tavoitteena oli arvioida kuinka tehokas ja käyttökelpoinen puukaasulla ja puukaasulaitteistolla varustettu kuivuri on verrattuna perinteiseen öljykäyttöiseen kuivuriin. Tarkasteltava puukaasulaitteisto oli konttiin sijoitettava ja se oli suunniteltu liikuteltavaksi, mikä mahdollistaa puintikauden ulkopuolisen käytön myös muissa kohteissa, kuin kuivurin välittömässä läheisyydessä. Puukaasua käytettäessä viljan loppukosteudet jäivät välille 13–14 %, eikä tavoiteltua 13 % viljan kosteutta saavutettu. Tämä johtui siitä, että kaasutuslaitteistolla ei kyetty tuottamaan poltettavaa kaasua riittävän tasaisesti ja riittävän pitkiä aikoja. Mittausten perusteella, käytettäessä polttoaineena öljyä energiahyötysuhde oli 78 % ja sähkön osuus kulutetusta energiasta 7 %. Puukaasulla vastaavasti energiahyötysuhde oli 64 % ja sähkön osuus kulutetusta energiasta 13 %. Tämän tutkimuksen perusteella ei voida sanoa, mikä toimivan laitteiston lopullinen hyötysuhde tulisi olemaan. Jatkotutkimuksissa laitteiston toiminta ja tekniikka pitää saada tasolle, jotta yhtäjaksoinen mittaus olisi mahdollista ja mittaukset olisi mahdollista toistaa riittävän usein. Vaikka puukaasulla tehdyissä kokeissa vaihtelu oli suuri ja vaikka laitteisto ei teholtaan eikä säädettävyydeltään vastannut viljankuivauksen vaatimuksia, ovat tulokset kuitenkin lupaavia. Laitteistoa pitäisi kehittää edelleen niin, että se toimii oman säätöjärjestelmän ohjaamana ja että toimintaan tarvitsee puuttua ainoastaan polttoaineen lisäämiseksi ja hyvin vähäisten tarkastusten tekemiseksi. Kaasukuivausta edelleen kehitettäessä huomiota on kiinnitettävä varmatoimisuuteen ja kuivausaikaisen työmenekin minimoimiseen. Koetulosten perusteella polttotekniikka, ainakin lyhyillä toimintajaksoilla, näyttää toimivan varsin hyvin. Puukaasulaitteistosta hyötyisivät erityisesti sellaiset tilat, jossa on mahdollisuus hyödyntää tilan omaa haketta ja edellytykset hakkeen varastoinnille. Lisämahdollisuuksia tuo laitteiston liikuteltavuus, mikä mahdollistaa energian tuotannon muihin tarkoituksiin, jos niitä tilalla on. Liikuteltavuus mahdollistaa myös sellaisen liiketoiminnan, jossa maatila ostaa viljan kuivauksen ulkopuoliselta yrittäjältä. Puintikauden ollessa kuitenkin lyhyt, edellyttää tämä toimintatapa sitä, että yrittäjällä on laitteistolle käyttöä puintikauden ulkopuolellakin. Laitteiston liikuteltavuuden lisäksi etua tuo, että kaasua voidaan jakaa myös esimerkiksi tuotantorakennusten lämmitysjärjestelmiin. Jatkotutkimuskohteina voisivat olla esimerkiksi kasvihuoneet, missä lämpöenergian lisäksi voitaisiin hyödyntää laitteiston tuottama hiilidioksidi. Lisätutkimusta vaatii myös neste- ja hiilifraktioiden loppusijoitus ja/tai hyötykäyttö. Maa- ja metsätalousministeriön rahoittama hanke toteutettiin syksyllä 2014 Maa- ja elintarviketalouden tutkimuskeskuksen (MTT), Fiskarsin Voiman ja Työtehoseuran (TTS) yhteistyönä.Fuel costs are significant portion of total costs of grain drying and oil is still the most generally used fuel. One of the reasons for increasing interest for using local fuel is the increasing price of oil. The aim of this study was to evaluate the grain drying with wood gas compared to traditional drying using oil as the fuel. Gasification unit that was used was placed in a shipping container and it was designed as removable, which allows to use it in other purposes also when grain drying is not needed. When wood gas was used, grain moisture was from 13 to 14 %. The aim was that grain moisture is 13% but it was not achieved because the production of gas was not stable enough with the used gasification system. According to measurements, energy efficiency with oil was 78% while with wood gas 64%. The portion of electricity of used energy was 7% with oils and 13% with wood gas. Based on the results gained from these experiments, the final efficiency could not be defined because of the variation between different measurements. Even though there was variation in different experiments done during this study, the results were promising. The equipment needs more developing but wood gas has potential for grain drying. The best benefit with gasification process is gained on farms, where own wood ships can be used and there is enough storage for fuel. The fact that the equipment is removable, gives more benefits as grain drying season is short and the equipment can be used for other purposes during the year. Removable equipment brings also business opportunities as grain drying can be bought from entrepreneur. Produced gas can also be distributed to other energy production systems, e.g. heating of farm buildings.201