Ervasti, Satu

Jukuri

Maataloustieteen Päivät 2016. www.smts.fi.  1  Typen erotus ja talteenotto lantaperäisestä nesteestä Ervasti Satu1), Winquist Erika2) 1)Luonnonvarakeskus, Uudet liiketoimintamahdollisuudet, Tietotie 2, 31600 Jokioinen, satu.ervasti@luke.fi 2)Luonnonvarakeskus, Uudet liiketoimintamahdollisuudet, Viikinkaari 4, 00790 Helsinki, erika.winquist@luke.fi  TIIVISTELMÄ 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 hyödyn-tämällä 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), ammoni-akin strippaus nestejakeesta kaasufaasiin ja ammoniakin pesu kaasufaasista vastaanottoliuokseen. Ko-keissa 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 pe-sutuotteena muodostui ammoniumsulfaattia. Koeajot toteutettiin kahdessa erillisessä jaksossa, joiden välillä laitteistoon tehtiin parannuksia ta-voitteena prosessiolosuhteiden optimointi ja sitä myötä tehokkaampi ammoniumtypen erottuminen. En-simmäisellä koejaksolla käytettävissä oli kaksi eri virtausnopeutta nesteelle, 0,37 ja 0,76 l/min. Ilmavir-taamat 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 vä-lillä 15–91 %. Ilma/neste-suhde ja pH vaikuttivat odotetusti erotustehokkuuteen stripperissä; erottuminen tehostui, kun käytettiin suurempaa ilmanpuhallusta, pienempää nesteen virtaamaa ja nostettiin pH korke-ammalle. Tehokkaimmillaan ammoniumtypen poistuma oli 92 %, joka saavutettiin pH:ssa 11,3 ja ilma/neste-suhteella 392. Happopesurissa käytettiin panostyyppisesti samaa pesuliuosta koko koejakson ajan. Ammoniakin ja rikkihapon reaktiossa muodostuvaa ammoniumsulfaattiliuosta tuotettiin siis kaksi erää. Tuotteiden ammo-niumtyppipitoisuudet 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.  Asiasanat: ammoniakki, strippaus, ammoniumsulfaatti, typen talteenotto   Maataloustieteen Päivät 2016. www.smts.fi.  2  Johdanto Suomessa käytetään maataloudessa epäorgaanista väkilannoitetyppeä noin 138 000-180 000 tonnia vuo-sittain (Eurostat). Tämä on noin 65 % maatalousmaahan kokonaisuudessaan lisätystä typestä. Yhteensä Suomen maatalousmaahan lisätään typpeä vuosittain 276 500 tN/a. Eläinten lannasta peräisin olevaa typ-peä käytetään lannoitukseen vuosittain noin 66 700 t. (Antikainen ym. 2005) Maatilojen koon kasvu ja keskittyneet lannan käsittelylaitokset aiheuttavat lannan ravinteiden ker-tymistä tietyille alueille. Lannan prosessoinnin tavoitteena on yleensä fosforin erottaminen kiintojakeeksi, joka voidaan kuljettaa kauemmaksi. Samalla muodostuu kuitenkin typpeä sisältävää nestettä, jonka vo-lyymit ovat suuria, mutta typpipitoisuudet varsin pieniä. Nesteessä oleva ammoniumtyppi voidaan erottaa ja konsentroida hyödyntämällä strippaustekniikkaa. Viljelijän kannalta olisi toivottavaa päästä eroon myös laimean nestejakeen kuljettamisesta. Tämä tavoite voidaan saavuttaa konsentroimalla typpi omaksi ja-keeksi strippaamalla, jolloin jäljelle jäävä nesteosa voidaan levittää esimerkiksi sadettamalla lähipelloille ja konsentroitu typpiliuos voidaan levittää kauemmille pelloille kaupallisten mineraalilannoitteiden ta-paan. Lannan prosessoinnilla voidaan parantaa typen käyttökelpoisuutta kasveille ja tarkentaa typpilan-noitusta, mikä vähentää typen huuhtoutumisriskiä vesistöihin.  Typen kierrätys on perusteltua myös epäorgaanisten lannoitteiden valmistuksessa kuluvan suuren fossiilisen energian määrän takia. Suomessa käytetään tällä hetkellä maataloudessa epäorgaanisia typpi-lannoitteita 135 000–155 000 tonnia vuosittain. Typpi sidotaan perinteisiin epäorgaanisiin lannoitteisiin maakaasulla tuotetun energian avulla ja kuljetetaan pääosin Venäjältä ammoniakkina Suomeen lannoittei-den valmistusta varten, joten typen kierrätyksellä voidaan lisätä Suomen typpiomavaraisuutta. Ammoniakin strippaus on yleisesti tunnettu menetelmä, jota käytetään mm. väkevien jätevesien ty-pen-poistossa (Cheung ym. 1997, Janus ym. 1997; Jardin ym. 2006). Se sopii hyvin aerobisesti ja anae-robisesti käsiteltyjen lannan ja biokaasulaitosten käsittely-jäännösten nestejakeiden prosessointiin, koska niiden liukoinen typpi on pääosin helposti haihtuvassa ammoniummuodossa. Strippauksessa ammonium-typpi siirretään nesteestä kaasufaasiin ja otetaan talteen esimerkiksi happoliuokseen. Molemmat vaiheet tapahtuvat kolonneissa, joita kutsutaan strippaus- ja pesuriyksiköiksi. Täsmätyppi-hankkeen (YM Raki 2014–2015) tavoitteena oli tarve kehittää ratkaisuja lannan sisäl-tämän typen tehokkaammalle, täsmällisemmälle ja ympäristöä vähemmän kuormittavalle käytölle. Am-moniumtypen talteenottoa tutkittiin sian lietelannasta peräisin olevalla nesteellä pilot-mittakaavan ammo-niakin strippaus- ja talteenottolaitteistolla. Stripperikokeissa etsittiin ammoniakin konsentrointiin opti-maalisia pH ja lämpötilatasoja sekä käytettävän laitteiston kannalta optimaalisia ilma- ja nestevirtaamia, tavoitteena tuottaa mahdollisimman konsentroitua ammoniumtyppiliuosta. Pilot-kokeissa osoitettiin pro-sessin tekninen toimivuus, mutta suuri kemikaali- ja energiakulutus nosti kierrätystyppilannoitteen val-mistuskustannuksia. Prosessi ei ole sellaisenaan kannattava, jos kannattavuutta tarkastellaan kierrätystyp-pilannoitteen valmistuksen kannalta. Sen sijaan tapauskohtaisesti prosessi saattaa olla kannattava, jos sen avulla pystytään laskemaan teollisen prosessin jätevesimaksuja esim. biokaasulaitoksen yhteydessä.  Aineisto ja menetelmät Kokeissa käytettiin Luonnonvarakeskuksen (Luke) omistamaa pilot-mittakaavan ammoniakin strippaus- ja talteenottolaitteistoa. Sekä stripperi- että pesurikolonni olivat korkeudeltaan 4,3 m, josta täytekappalekor-keutta oli 2,45 m. Stripperin sisähalkaisija oli 20,2 cm. Stripperi- ja pesuritornissa oli molemmissa täyte-kappaleina 40 mm halkaisijan pall-renkaat. Käsiteltävä neste esilämmitettiin + 40°C:een ja neste pumpat-tiin stripperitorniin vain kerran, eikä nestettä kierrätetty tornissa. Stripperiin puhallettiin sisään huoneil-maa, joka johdettiin pesurin kautta ulos prosessista. Käsiteltävä neste oli peräisin sian lietelantaa käsittelevästä prosessista, jossa kiintoaineesta erotettu neste käsiteltiin aerobisessa mikrobiprosessissa (Alitalo 2014). Nesteen kuiva-ainepitoisuus (TS) oli 5,4–8,2 g/kg ja ammoniumtypen (NH4-N) pitoisuus 1,23-1,33 g/l. Kuiva-aineen (TS) ja orgaanisen kuiva-aineen (VS) määritykset tehtiin standardin SFS 3008 mukaisesti. Ammoniumtyppi määritettiin suoralla kolorimetrisellä menetelmällä (McCullough 1967). Näytteet, lukuun ottamatta pesurin näytteitä, kestävöi-tiin heti näytteenoton jälkeen väkevällä rikkihapolla, jotta vältettäisiin säilytyksen aikaiset ammoniumty-pen tappiot. Strippausta varten nesteen pH nostettiin halutulle tasolle käyttäen 50 % natriumhydroksidia Maataloustieteen Päivät 2016. www.smts.fi.  3  (NaOH). Käsiteltäville nesteille tehtiin ennen strippauskokeita titraukset NaOH:lla, jotta saatiin selville tarvittava annostelu varsinaisissa kokeissa, kun haluttiin pH tietylle tasolle.  Testattavana oli aiempien kokeiden sekä pumpun ja puhaltimen toiminta-alueiden puitteissa kuusi eri ilma/neste -suhdetta. Nesteen pumppausnopeudet olivat 1, 2 ja 3 l/min ja ilman puhallus toteutettiin puhaltimella taajuuksilla 50, 70 ja 90 Hz, vastaten keskimäärin ilmavirtauksia 13,8; 19,0 ja 23,6 m3/h. Kullakin olosuhdekombinaatiolla tehtiin kaksi toistoa. Lisäksi tehtiin koeajo täysin ilman pH:n nostoa (1l 70 Hz) sekä kokeet kahdella ilma/neste -suhteella (1l, 70 Hz ja 1l, 90 Hz) muihin ajoihin verrattuna korke-ammalla pH:lla. Kokeen kestot vaihtelivat käytetyn nestevirtaaman mukaan, tavoitteena oli saada kullakin ajolla käsiteltyä noin 30 l nestettä. Neste pumpattiin stripperiin epäkeskoruuvipumpulla (toiminta-alue noin 1-11 l/min). NaOH syöttö tehtiin automaattisesti halutulla % -osuudella.  Samanaikaisesti ammoniumtypen erottumista stripperillä tutkittaessa tuotettiin happopesurilla kon-sentroitua typpiliuosta. Pesuriyksikössä kierrätettiin rikkihappoliuosta, jolloin pesutuotteena muodostui ammoniumsulfaattia. Pesuliuosta kierrätettiin pesurissa panostyyppisesti ja nestepanos oli koejakson alussa 30,5 l.    Tulokset ja tulosten tarkastelu Pilot-mittakaavan ammoniakin strippaus- ja talteenottokokeet Ammoniumtypen pitoisuudet nesteessä strippauksen jälkeen olivat 0,11–1,12 g/l lähtöpitoisuuden ollessa 1,23–1,33 g/l. Yksittäisissä ajoissa saatiin parhaimmillaan 91,9 % erotustehokkuus ammoniakille. Nesteen pH oli tällöin nostettu yli 11 tasolle, nestevirtaus oli 1 l/min, puhaltimen käyttötaajuus 90 Hz ja ilma/neste–suhde 368. Strippauskokeiden tulokset kahden toiston keskiarvoina on esitetty taulukossa 1.  Taulukko 1. Keskiarvot kahdesta toistosta eri käsittelyillä nestevirtaama minuutissa, ilmavirtaaman voimakkuus NH4-N-pitoisuus alussa  (g/l) NH4-N-pitoisuus lopussa (g/l) pH sisään menevän nesteen lämpötila (° C) ilma/neste -suhde (l/l) erotustehokkuus (%) 1 l, 50Hz 1,30 0,43 10,30 35,5 251 66,9 1 l, 70Hz 1,30 0,38 10,49 38,0 302 71,2 1 l, 90Hz 1,30 0,32 10,41 38,6 418 75,8 2 l, 70Hz 1,30 0,60 10,00 39,4 168 54,2 2 l, 90Hz 1,30 0,56 10,15 35,3 218 57,3 3 l, 90HZ 1,23 0,72 9,57 38,1 139 41,5 1 l, 70Hz, ei pH nostoa 1,33 1,12 8,42 37,8 340 15,5 1 l, 70Hz, pH korkea 1,24 0,14 11,81 39,9 321 88,7 1 l, 90Hz, pH korkea 1,24 0,11 11,30 39,7 392 91,5  Ammoniumtypen erotustehokkuus nousi ilma/neste -suhdetta kasvatettaessa ja pH:n noustessa. Kuuden ensimmäisen käsittelyn erotustehokkuudet on esitetty ilma/neste -suhteen funktiona kuvassa 1. Maataloustieteen Päivät 2016. www.smts.fi.  4   Kuva 1. NH4-N erotustehokkuus ilma/neste -suhteen funktiona, käsiteltävän nesteen pH 9,6-10,5.  Samanaikaisesti, kun tutkittiin ammoniumtypen erottumista stripperillä, tuotettiin happopesurilla konsentroitua typpiliuosta, ammoniakin ja rikkihapon reaktiossa muodostuvaa ammoniumsulfaattiliuosta. Pesuliuosta kierrätettiin pesurissa panostyyppisesti. Pesuliuoksen ammoniumtyppipitoisuus koejakson jälkeen oli 15,3 g/l, eli ammoniumsulfaatiksi laskettuna 72 g/l. Lannoituskäyttöä ajatellen tuotteen typpi-pitoisuus oli matala. Syitä alhaisiksi jääneille ammoniumtypen pitoisuuksille pesuliuoksessa olivat mm. käsiteltävän nesteen alhainen ammoniumtyppipitoisuus (1,2–1,3 g/l), stripperin pienet nestevirtaamat (1-3 l/min) ja heikko erotustehokkuus stripperissä osalla käsittelyillä. Näin ollen useankin viikon koeajojen aikana pesu-rille kertyvä ammoniumtypen määrä jäi vähäiseksi.  Kierrätystyppilannoitteen valmistuskustannus ja prosessin kannattavuus Ammoniumsulfaatin valmistuksen suurimmat kustannukset ovat energia- ja kemikaalikustannukset. Näi-den perusteella laskettiin minimituotantokustannus, joka ei huomioinut laitteiston investointikustannuksia eikä työaikaa. Ammoniumsulfaatin valmistuskustannuksen laskentaan käytetyt energian ja kemikaalien hintatiedot on annettu taulukossa 2. Pilot-prosessin mittakaava vastaa maatilamittakaavaa.  Taulukko 2. Laskuissa käytettyjä energian ja kemikaalien hintatietoja käyttöhyödyke hinta viite sähkö 0,094 € / kWh www.sahkonhinta.fi (27.10.2015) H2SO4 (93 %), maatilamittakaava 0,30 € / kg suullinen tiedonanto (28.8.2015): Eljas Jokinen, Koneta Agriculture Oy HNO3 (68 %), maatilamittakaava 0,60 € / kg arvioitu www.alibaba.com (27.11.2015) hintatietojen perusteella NaOH (99 %), maatilamittakaava 0,89 € / kg arvioitu www.alibaba.com (27.11.2015) hintatietojen perusteella  Kannattavuuslaskelmiin valittiin tehdyistä kokeista kaksi viimeisintä, jotka antoivat parhaan erotustehok-kuuden (Kuva 2). Näiden perusteella pilot-kokeissa käytettyä aerobisesti käsiteltyä sian lietelannan neste-jaetta olisi tarvittu 406 l (NH4-N pitoisuus 1,24 g/l) valmistamaan 30,1 l väkevöityä ammoniumsulfaatti-liuosta (NH4-N pitoisuus 15,3 g/l).  30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 0 100 200 300 400 500 NH4-N erotustehokkuus (%) ilma/neste -suhde (l/l) Maataloustieteen Päivät 2016. www.smts.fi.  5   Kuva 2. Ilma- ja nestevirtaamat stripperi- pesurisysteemissä ja ammoniumtypen tase.  Koeajoissa kului keskimäärin energiaa lämmitykseen 0,00126 kWh/l/aste. Nestejaetta (406 l) lämmitettiin lämpötilasta 21,5 °C lämpötilaan 39,8 °C, jolloin lämmitykseen kului energiaa 9,4 kWh (Taulukko 3).  Taulukko 3. Ammoniumsulfaatin valmistuskustannus Esikäsittely kWh € / kWh € Lämmitys 9,4 0,094 0,88  kg € / kg € pH:n säätö (NaOH 99 %) 2,4 0,89 2,18 Ammoniakin strippaus kWh € / kWh € Syöttöpumppu (nestejae) yhteinen mittaus   Puhallin yhteinen mittaus   Ammoniakin pesu kWh € / kWh € Syöttöpumppu (vastaanottoliuos) 12,0 0,094 1,12  kg € / kg € Vastaanottoliuos (H2SO4 93 %) 1,7 0,30 0,52 Kemikaali- ja energiakulut yht.   € 4,70  l g / l g Lopputuotteen saanto (NH4-N) 30,1 15,3 461 Tuotantokustannus   € / kg NH4-N 10,21  Maataloustieteen Päivät 2016. www.smts.fi.  6  Ammoniakin strippauksessa käytetyn pumpun (nestejakeen pumppaus) ja puhaltimen sekä pesussa käyte-tyn pumpun (vastaanottoliuoksen pumppaus) yhteinen sähkönkulutus mitattiin. Kahdessa viimeisessä koeajossa sähkönkulutus oli 0,0295 kWh/l käsiteltyä nestejaetta, jolloin 406 l nestejaetta kohti sähköä kului 12,0 kWh. Koeajoissa käytetyn aerobisesti käsitellyn sian lietelannan pH oli alussa 8,4. Kahdessa viimeisessä koeajossa se nostettiin pH 11,3 lisäämällä 50 % NaOH-liuosta 1,2 % nestevirtauksesta. Edullisinta on ostaa NaOH 99 % hiutaleina. Kulutus hiutaleina olisi vastaavasti ollut 2,4 kg. Rikkihapon kulutus laskettiin ammoniumsulfaatin saannon perusteella. Kun lopputuotteeksi saa-daan 30,1 l ammoniumsulfaattia, jonka typpipitoisuus on 15,3 g/l, on muodostuneen ammoniumsulfaatin määrä 461 g. Moolimassojen avulla laskettuna 93 % H2SO4-liuoksen menekki on tällöin 1,7 kg. Tuotantokustannukseksi kierrätystyppilannoitteelle saatiin pilot-mittakaavassa 10,20 €/kg NH4-N. Teollisessa mittakaavassa sekä energia- että kemikaalikustannuksissa on mahdollisuus säästää. Lämmi-tysenergiana voidaan käyttää esim. biokaasulaitoksen hukkalämpöä ja kemikaalien ostohinnat on mahdol-lista neuvotella edullisemmiksi kemikaalien kulutuksen kasvaessa. Teollisen mittakaavan tuotantokustan-nusten arvioitiin jäävän alle puoleen pilot-mittakaavan kustannuksista (4,10 €/kg, laskentaa ei esitetty tässä). Kustannus on silti nelinkertainen mineraalityppilannoitteiden sisältämän typen hintaan nähden (0,95 €/kg, https://portal.mtt.fi/portal/page/portal/kasper/pelto/peltopalvelut/fosforilaskuri, 1.6.2015). Prosessin kannattavuutta onkin tarkasteltava typen poiston kannalta. Teollisessa prosessissa hyöty voidaan saavuttaa alentuneina jätevesimaksuina, kun jäteveden typpipitoisuus laskee. Prosessikustannus-ten avulla laskettiin hinta myös käsitellyn nestejakeen tilavuutta kohti. Teollisen mittakaavan kemikaali- ja energiahinnoilla nestejakeen (1,24 g/l, NH4-N) käsittelykustannukseksi saatiin 4,60 €/m3.  Johtopäätökset Sian lietelannasta peräsin oleva neste soveltui käsiteltäväksi laitteistolla ja ammoniumtypen erotuksessa päästiin yli 90 %:n erotustehokkuuteen. Ammoniakin erottumiseen vaikuttivat sekä pH että ilma/neste -suhde; korkea pH ja suuri ilma/neste-suhde tehostivat ammoniakin erottumista.  Ammoniumsulfaatin valmistuksen minimituotantokustannus oli pilot-mittakaavan kokeissa korkea, 10,21 €/kg NH4-N. Teollisessa mittakaavassa on mahdollista säästää sekä kemikaali- että energiakustan-nuksissa. Prosessin pääasiallinen hyöty saavutetaan kuitenkin pikemminkin nestejakeen typenpoistosta eikä kierrätyslannoitteen valmistuksesta.  Kirjallisuus  Alitalo, A. 2014. Combination of biological and physico-chemical factors in the development of manue nutrient recovery and recycling-oriented technology. Doctoral Thesis. MTT Science  29. MTT Agrifood Research Finland, Jokioinen, Finland. 156 s. Antikainen, R., Lemola, R., Nousiainen, J. I., Sokka, L., Esala, M., Huhtanen, P. & Rekolainen, S. 2005. Stocks and flows of nitrogen and phosphorus in the Finnish food production and consumption system. Agriculture, Ecosystems and Environment 107: 287-305. Cheung, K. C., Chu, L. M., & Wong, M. H. 1997. Ammonia stripping as a pretreatment for landfill leachate. Water, Air, & Soil Pollution, 94(1), 209-220.  Eurostat [www]. [viitattu 13.12.2015]. Saatavissa: http://ec.europa.eu/eurostat Janus, H.M., & Van der Roest H.F. 1997. Don’t reject the idea of treating reject water. Water science and technology, vol 35, No 10, s. 27-34 Jardin, N., Thöle, D., Wett, B. 2006. Treatment of sludge return liquors: Experiences from the operation of full-scale plants. Teoksessa: Proceedings of the Water Environment Federation, WEFTEC 2006. Dallas, TX, USA. October 21-25, 2006 McCullough, H. 1967. The determination of ammonia in whole blood by a direct colorimetric method. Clinica Chimica Acta. 17, 297-304. SFS 1990. SFS 3008, Veden, lietteen ja sedimentin kuiva-aineen ja hehkutusjäännöksen määritys. Suomen Standardoimisliitto ry, Helsinki. 

Typen erotus ja talteenotto lantaperäisestä nesteestä

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Jukuri