IMMU Paikallisilla teoilla ilmastonmuutoksen hillintään

Transkriptio

1 Aalto yliopisto Teknillinen korkeakoulu Lahden keskus IMMU Paikallisilla teoilla ilmastonmuutoksen hillintään Erikoistyö Pirjo Korhonen 2010 Metaanin talteenoton tehostaminen uusilla kaatopaikoilla

2 Sisällys 1 Johdanto Metaanin tuotanto kaatopaikoilla Jätteen hajoamisen prosessit Jätejakeiden metaanintuottopotentiaali Massataseen perustuva metaanintuottopotentiaali FOD menetelmä (first order decay) MTM menetelmä (muunnettu kolmikulmio menetelmä) Metaanin hallinnan tekniikat Metaanin talteenotto Metaanin hapetus Metaanin synnyn ehkäisy Loppusijoitettavan jätteen biohajoavuus Kaatopaikan täyttötekniikat Kaatopaikkakaasun hyödyntäminen Metaanin hallinnan kustannukset Talteenoton kustannustehokkuus Metaanin hapetuksen kustannukset Johtopäätökset Case Kujala Suosituksia Yhteenveto...28 Lähteet

3 1 Johdanto EU:n kaatopaikkadirektiivi (1999/31/EY) edellyttää kaatopaikoille sijoitettavan biohajoavan jätteen vähentämistä 75 prosentilla vuoden 2005 tasosta vuoteen 2016 mennessä. Tavoitteena on vähentää kaatopaikkakaasupäästöjä ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi. Lisäksi edellytetään kaatopaikka kaasujen hallinnan järjestämistä kaatopaikoilla. Valtioneuvoston päätökset kaatopaikoista (861/1997) ja kaatopaikoista annetun valtioneuvoston päätöksen muuttamiseksi (1049/1999) edellyttävät, ettei kaatopaikoille saa sijoittaa esikäsittelemätöntä jätettä. Näillä vaatimuksilla voi olla vaikutusta uusilla kaatopaikoilla syntyvien kaatopaikkakaasujen määrään ja ominaisuuksiin. Tämän jätehuollon erikoistyön tarkoituksena on selvittää ja vertailla erilaisia tekniikoita metaanin talteenoton tehostamiseksi erityisesti uusilla kaatopaikoilla. Työssä käydään läpi kaatopaikalle sijoitettavien jätteiden hajoamisprosessit, metaanintuotannon arviointiin käytettävät laskennalliset mallit sekä metaanin talteenoton tekniikat ja kustannukset sekä metaanin hyötykäyttö ja sen kustannukset. Erikoistyö on pääasiassa kirjallisuustutkimus, mutta johtopäätöksissä tietoja sovelletaan Päijät Hämeen Jätehuolto Oy:n Kujalan jätteenkäsittelykeskuksen uuden täyttöalueen tietoihin. Erikoistyö on osa Päijät Hämeen alueella käynnissä olevaa IMMU hanketta, jonka tavoitteena on selvittää alueellisia konkreettisia keinoja ilmastonmuutoksen hillintään. Lisätietoja hankkeesta löytyy osoitteesta hanke.fi. 2 Metaanin tuotanto kaatopaikoilla Kaatopaikoille loppusijoitettu jäte alkaa hajota heti sijoituksen jälkeen. Jätetäytössä tapahtuu biologisia, kemiallisia ja fysikaalisia prosesseja, joissa tapahtuu aineiden muuntumista ja kulkeutumista jätetäytön sisällä ja jätetäytön ulkopuolelle. Näiden prosessien reaktiolopputuotteina syntyy kaasuja ja muita komponentteja, jotka joko jäävät jätetäyttöön tai poistuvat sieltä kaasuna ilmakehään ja liuenneina suotoveden mukana. Uuden kaatopaikan ja sen toimintojen suunnittelu perustuu kaatopaikan täytössä tapahtuvien prosessien tuntemiseen ja niiden etenemiseen ajan suhteen. Tchobanoglous et al. (1993) esittää kirjassaan Integrated Solid Waste management kaatopaikan prosesseina 1) tulevan jätevirran monitoroinnin, 2) jätteen sijoittamisen kaatopaikalle ja tiivistämisen sekä 3) ympäristön monitoroinnin ja kontrollilaitteiden asennuksen. Kaatopaikalle sijoitettavan jätevirran seurannalla saadaan tietoa kuinka paljon ja millaista jätettä kulloinkin jätetäyttöön on sijoitettu. Jätetäytön reaktioita voidaan ennustaa sijoitettujen jätejakeiden biohajoavuuden perusteella. Sijoitusajankohdan mukaan voidaan ennustaa prosessin etenemistä aikaperspektiivissä ja kontrollilaitteilla seurata jätetäytön prosessien etenemistä. 3

4 2.1 Jätteen hajoamisen prosessit Tchobanoglous et al. (1993) jakaa kaatopaikan hajoamis ja stabiloitumisprosessit viiteen vaiheeseen: I Aerobinen vaihe, II Siirtymävaihe, III Anaerobinen vaihe, IV Metaanintuottovaihe ja V Kypsymisvaihe. Kuvassa 1 on esitetty eri vaiheissa syntyvien kaasujen koostumus tilavuusprosentteina. Kuva 1. Kaatopaikkakaasut jätetäytön hajoamisen vaiheissa. (Tchobanoglous et al., s. 385, 1993) Aerobinen vaihe alkaa välittömästi kaatopaikalle sijoituksen jälkeen ja jätteen aerobinen hajoaminen jatkuu kunnes täyttöön jäänyt ilman happi on kulutettu loppuun. Aerobisen vaiheen mikrobitoiminnan lopputuotteena syntyy hiilidioksidia CO2, joka esiintyy täytössä sekä kaasuna että liuenneena suotoveteen. (Tchobanoglous et al. 1993, s ) Siirtymävaiheessa anaerobiset olosuhteet alkavat kehittyä. Tällöin jätetäytössä olevat nitraatti ja sulfaatti pelkistyvät typpikaasuksi ja rikkivedyksi. Mikrobien aktiivisuuden vuoksi hajoamisprosessissa siirrytään happovaiheeseen, jossa metaanintuotantoon siirtyminen tapahtuu kolmessa vaiheessa. Kuvassa 2 on esitetty anaerobisen hajoamisen kolme vaihetta ja niiden lopputuotteet. Ensiksi hydrolyysissä anaerobiset bakteerit muuttavat rasvoja rasvahapoiksi, polysakkarideja monosakkarideiksi, proteiineja aminohapoiksi ja nukleiinihappoja puriiniksi saadakseen energiaa ja soluhiiltä. Seuraavaksi happoja tuottavassa vaiheessa syntyy tyypillisesti etikkahappoa (CH3COOH) sekä muita happoja. Lopputuotteena syntyy hiilidioksidia ja vetyä. (Tchobanoglous et al., s ,1993) 4

5 Orgaaninen aines (esim. valkuaisaineet, hiilihydraatit, rasvat) Hydrolyysi Liuennut orgaaninen aines (esim. aminohapot, sokerit, rasvahapot) Fermentaatio ja anaerobinen hapetus Rasvahapot ja alkoholit (esim. propionaatti, Etikkahappo (asetaatti) Metanogeneesi Metaani Vety Hiilidioksidi Ammoniumtyppi Metanogeneesi Kuva 2. Orgaanisen aineen anaerobisen hajoamisprosessin vaiheet. (Kettunen, 2006) Happovaiheen lopulla alkaa hidas metaanibakteerien kasvaminen ja hajoamisprosessissa siirrytään metaanintuottovaiheeseen, jossa mikro organismit muuttavat etikkahappoa metaaniksi ja hiilidioksidiksi. Metaanintuottovaiheessa tapahtuu samanaikaisesti sekä happokäymistä että metaanintuotantoa. (Tchobanoglous et al., s ,1993) Koska metaanintuotanto riippuu mikrobien aktiivisuudesta, on jätetäytön olosuhteilla suuri merkitys syntyvien kaatopaikkakaasujen määrään. Metaanin maksimituotanto vaatii % kosteuden jätteen märkäpainosta. Metaanintuotanto nousee kaksinkertaiseksi jokaista 10 C kohden aina C saakka ja laskee merkittävästi sen jälkeen, samoin tapahtuu lämpötilan laskiessa alle C. Jätetäytön paksuudella on merkitystä metaanintuotantoon, sillä syvällä täytössä säätilojen vaikutus jätetäytön sisäiseen lämpötilaan on vähäinen, jätetäyttö on tiiviimpää, pidättää paremmin kosteutta ja ylipäätään anaerobiset olosuhteet ovat paremmat kaasujen tuotantoon. (Garg 2006) Kaatopaikan hajoamisprosessissa siirrytään kypsymisvaiheeseen, kun saatavissaoleva biohajoava orgaaninen aines on kulunut loppuun ja kaatopaikkakaasujen muodostuminen vähenee merkittävästi. Kaatopaikan loppupeitosta ja pintarakenteesta riippuen typen ja hapen osuus lisääntyy kaatopaikka kaasussa metaanin ja hiilidioksidin lisäksi. (Tchobanoglous et al., s. 387,1993) Hajoamisprosessin eri vaiheiden kesto vaihtelee kaatopaikkakohtaisesti riippuen orgaanisen aineen esiintymisestä, käytettävissä olevista ravinteista, jätteen kosteudesta, kosteuden kulkeutuvuudesta jätetäytössä, johon vaikuttaa jätetäytön tiiviys. (Tchobanoglous et al., s. 387,1993) Kaatopaikan suotoveden ominaisuuksien perusteella voidaan arvioida, missä vaiheessa täytön hajoamisprosessi on. Kuvassa 3 on esitetty vaiheiden I V vaikutukset suotoveden ominaisuuksiin. 5

6 Kuva 3. Kaatopaikkaveden ominaisuudet jätetäytön hajoamisen vaiheissa. (Tchobanoglous et al., s. 385, 1993) Metaanintuoton kannalta oleellista on seurata, milloin jätetäyttö on siirtymässä happovaiheesta metaanivaiheeseen. Tarkkailtavia suotoveden ominaisuuksia ovat ph, kemiallinen hapen kulutus (KHK, COD), biologinen hapen kulutus (BHK, BOD), biologisen ja kemiallisen hapen kulutuksen suhde, sähkönjohtavuus, liukoiset raskasmetallit ja hapetus pelkistyspotentiaali (ORP). Suotoveden ph laskee vaiheiden I II aikana kohoavan hiilidioksidin ja happokäymisen tuottamien happojen vaikutuksesta, erityisesti vaiheessa III ph voi laskea alle 5. Suotoveden biologinen hapen kulutus, kemiallinen hapen kulutus ja sähkönjohtavuus kohoavat merkittävästi orgaanisten happojen liukenemisen vuoksi. Matalan ph:n vuoksi myös epäorgaanisia aineita kuten raskasmetalleja esiintyy suotovedessä. Vaiheen III aikana suotovedessä on runsaasti ravinteita, jotka voidaan palauttaa mikrobien ravinnoksi kierrättämällä suotovettä takaisin jätetäyttöön. Metaanintuotto vaiheessa ph nousee neutraalille alueelle, kun mikrobit muuttavat happoja sekä vetykaasua metaaniksi ja hiilidioksidiksi (kts. reaktioyhtälöt 3 ja 4). Aktiivisen mikrobitoiminnan vuoksi BHK, KHK ja sähkönjohtavuus alenevat sekä kohonneen ph:n vuoksi raskasmetallien määrä suotovedessä vähenee. (Tchobanoglous et al., s ,1993) 2.2 Jätejakeiden metaanintuottopotentiaali Jätejakeen metaanintuottopotentiaalilla tarkoitetaan kaatopaikalle sijoitettavien biohajoavien jätejakeiden anaerobisen hajoamisen seurauksena syntyvien kaatopaikkakaasujen laskennallista määrää. Kaatopaikkakaasupäästöjen arviointimalleja ovat empiiriset mallit, stokiometriset mallit ja biokemialliset mallit, jotka eroavat toisistaan kineettisten lausekkeiden ja parametrien osalta.(kumar et al. 2004) Hallitustenvälinen Ilmastopaneeli (IPCC) ehdotti 1996 kansallisella tasolla kaatopaikkojen metaanipäästöjen arviointiin massataseeseen perustuvaa mallia ja päästöjen aikakäyttäytymisen huomioivaa ns. first order decay (FOD) mallia (Kumar et al., 2004). Vuonna 2000 IPCC suosittaa ns. hyvän arviointikäytännön ohjeissa käyttämään päästöjen aikakäyttäytymisen huomioimaa FOD mallia (Tuhkanen, 2002) Lukuisia arviointimalleja on kehitelty kaasun tuoton arviointiin. Teoreettisissa malleissa käytetään metaanintuoton olosuhteita kuvaavien parametrien lisäksi metaanintuoton syntynopeutta k (per vuosi), joka on riippuvainen monista kaatopaikkakohtaisista parametreistä. 6

7 Näitä parametrejä ovat kosteus, lämpötila, jätteen koostumus, hapetus pelkistyspotentiaali, alkaliteetti, happo emästasapaino (ph), jätetäytön tiiviys ja jätepartikkelien koko. Toisena parametrina käytetään metaanintuottopotentiaalia L0 (m³t 1 ), joka on jätteen koostumuksen funktio. (Garg, 2006) Massataseen perustuva metaanintuottopotentiaali Tchobanoglous et al. (1993) jakaa kaatopaikalle sijoitettavan yhdyskuntajätteen nopeasti hajoaviin ja hitaasti hajoaviin. Nopeasti hajoaviin kuuluvat jätejakeet hajoavat kolmesta kuukaudesta viiteen vuotta ja hitaasti hajoavien hajoamisaika on voi kestää jopa 50 vuotta tai kauemmin. Taulukossa 1 on esitetty yhdyskuntajätteen eri jätejakeiden sijoittuminen hajoamisnopeuden mukaisiin luokkiin. Taulukko 1. Orgaanisten jätejakeiden luokittelu. (Tchobanoglous et al., s. 389, 1993) Orgaaninen jätejae Nopeasti Hitaasti biohajoava biohajoava Ruuantähteen * Sanomalehtipaperi * Toimistopaperi * Pahvi * Muovit (a Tekstiilit * Kumi * Nahka * Puutarhajäte *(b *(c Puu * Hienoaines * (a Muovia pidentää yleensä biohajoamattomina (b Lehdet ja ruohonleikkuutähde. Yleisesti 60 % puutarhajätteestä pidetään nopeasti hajoavana. (c Puutarhajätteen puumainen osa Kaatopaikalle tulevan jätevirran seurantatietojen perusteella voidaan laskennallisesti arvioida anaerobisessa hajoamisessa syntyvien kaasujen määrä yksittäisten orgaanisten jätejakeiden yleisellä kaavalla, kun oletetaan, että hajoaminen on täydellistä. 4a b 2c 3d CaHbOcNd + H2O > 4 4a b 2c 3d 4a b 2c 3d CH4 + CO2 + dnh3 8 8 (1) Tästä yleisestä kaavasta voidaan johtaa nopeasti ja hitaasti hajoavien orgaanisten aineiden kaatopaikkakaasujen tuotannon yhtälöt. 7

8 Nopeasti hajoavat: C68H111O50N + 16H2O > 35CH4 + 33CO2 + NH Hitaasti hajoavat: C20H29O9N + 9H2O > 11CH4 + 9CO2 + NH Laskennallisilla kaavoilla pystystään arvioimaan se määrä syntyvää metaania, mikä on mahdollista kaatopaikan jätetäytön biologisesta massasta massatasapainon perusteella. (Tchobanoglous et al., s ,1993) Themelisin ja Ulloan (2007) mukaan yhdyskuntajätteen eri biomassan tyyppien analyysistä ja sen elementtien kemiallisesta koostumuksesta voidaan johtaa yhdistetty molekyylikaava biojätteelle ja paperille: Biojäte: C6H9.6O3.5N0.28S0.2 Paperi: C6H9.6O4.6N0.036S0.01 Molekyylikaavoissa on typen ja rikin osuus suhteellisen pieni, joten jättämällä ne pois, voidaan yhdyskuntajätteen orgaanisen osan molekyylirakenne esittää karkealla tasolla muodossa C6H10O4. Themelis ja Ulloa (2007) esittävät esimerkkeinä anaerobisen hajoamisen toisen ja kolmannen vaiheen kemiallisista reaktioista seuraavat: C6H12O6 > 2C2H5OH + 2CO2 (2) Kolmannessa vaiheessa metanogeeniset bakteerit tuottavat metaania joko a) hajottamalla happoja metaaniksi ja hiilidioksidiksi tai b) pelkistämällä hiilidioksidia vedyn avulla metaaniksi ja vedeksi. a) CH3COOH > CH4 + CO2 (3) b) CO2 + 4H2 > CH4 + 2 H2O (4) Massataseeseen perustuva metaanintuoton arviossa lasketaan tiettynä vuonna t kaatopaikalle sijoitetun jätteen metaanipäästöt käyttäen kaavaa (Tuhkanen, 2002): ECH4(t) = [M(t)*L0(t) R(t)]*(1 OX) (5) missä M(t) vuonna t kaatopaikkasijoitettu jäte L0(t) metaanin tuottopotentiaali, L0(t)= MCF(t) * DOC(t) * DOCF * F * 16/12 (Gg CH4/Gg jätettä) missä MCF(t) kaatopaikan tyypistä riippuva korjaustekijä DOC(t) biokemiallisesti hajoavan orgaanisen hiilen osuus jätteessä (Gg C/Gg jätettä) DOCF kaatopaikkakaasuksi muuttuvan DOC:n osuus (paino %) F hiilenä laskettavan metaanin osuus kaatopaikkakaasun 8

9 R(t) OX sisältämästä hiilestä (g C(CH4)/g C(kp kaasu)) 16/12 konversiokerroin hiilestä metaaniksi (g CH4/g C) talteenotettu metaanimäärä vuonna t (Gg/a) osuus kaatopaikan pintakerroksessa hapettuneesta metaanista MCF parametrin arvo riippuu kaatopaikan tyypistä, täyttötavasta ja kaatopaikan hoidosta. Hyvin hoidetuilla kaatopaikoilla aerobisen hajoamisen osuus on pienempi ja siten metaanintuotolle paremmat olosuhteet kuin huonosti hoidetuilla. MCF parametrin arvoon on vastaava vaikutus myös kaatopaikan täytön paksuudella. Mikäli kaatopaikalla sijoitettavaa jätettä käsitellään tiivistämällä tai levittämällä ja peittämällä, käytetään MCF parametrille arvoa 1. (Tuhkanen, 2002) Metaanituottopotentiaalin L0 laskentaa varten on olemassa IPCC:n suosittelemia parametrien oletusarvoja DOCF = 0.5, MCF = 1 ja F = 0.5. Parametrin DOC arvot vaihtelevat jätejakeittain, joten laskennassa käytetään saatavissaolevia maakohtaisia arvoja, muutoin käytetään IPCC:n oletusarvoja. (Bahor et al. 2009). Tarvittava tieto yhdyskuntajätteen koostumuksesta saadaan kaatopaikalle tulevien jätevirtojen seurannalla (IPCC 2006). Jätejakeittaisen orgaanisen hiilen osuus jätteen märkäpainosta biokemiallisessa prosessissa on esitetty taulukossa 3. Näiden arvojen perusteella on laskettu Suomen päästöarvot. Taulukko 2. Eri jätejakeiden DOC osuudet, p % (Jouko Petäjä, SYKE) (Tuhkanen, 2002) DOC osuus (p %) Kiinteät jätteet paperi 40 % pahvi ja kartonki 40 % nestepakkauskartonki 40 % puu,kuori 30 % vaatteet, tekstiilit 40 % öljy ja rasva 16 % keittiöjäte 16 % pihajäte 16 % muu palava 10 % muovi, lasi, metalli, sähkölaitteet 0 % muu ei palava 0 % siistausjäterejekti 10 % eloperäinen 16 % pastalietteet 10 % hiekka, laski 0 % tuhka 0 % viherlipeä, soodasakka, meesa 0 % Jätteen sisältämän hiilen muuttuminen kaatopaikkakaasuksi on riippuvainen jätetäytön optimiolosuhteista, joten DOCF parametrin arvoksi on Suomessa arvioitu 50 p %, joka on sama kuin IPCC:n oletusarvo. Loput orgaanisesta hiilestä joko varastoituu jätetäyttöön tai poistuu täytöstä suotoveden mukana. Metaanin osuus kaatopaikkakaasuissa vaihtelee % välillä, joten laskennassa voidaan käyttää keskimääräisesti arvoa 50 % parametrille F. Kaatopaikkakaasujen talteenoton parametri R saa arvon kaatopaikalta kerättävän vuosittaisen määrän mukaan. 9

10 Syntyvästä metaanista arvioidaan hapettuvan kaatopaikan pintakerroksissa 10 % (OX). (Tuhkanen 2002) FOD menetelmä (first order decay) Kaatopaikkakaasut vapautuvat hajoamisprosesseissa suhteessa aikaan, jota massatasapainolaskelmat eivät ota huomioon. Muutokset jätteen laadussa vaikuttavat heti metaanintuottopotentiaaliin ja metaanipäästöjen arviointiin. Tämän vuoksi IPCC suositteli FODmenetelmän käyttöä kaatopaikan metaanipäästöjen arvioinnissa. FOD arviointimenetelmä huomioi päästöjen aikakäyttäytymisen ja määrityksessä käytetään kaatopaikkakohtaisia historiatietoja, joten se on käyttökelpoinen uusien kaatopaikkojen metaanipäästöjen arvioinnissa. (Tuhkanen 2002) Metaanin määrän arvioinnissa vuodelle t käytetään kaavaa (Tuhkanen 2002): t k ( t x) [ 0 * e ] GCH4(t) = ( A k * M ( x)* L ( x) ) x= t0 * (6) missä GCH4(t) on kaatopaikan jätekerroksissa syntyvän metaanin määrä vuonna t (Gg/a) t0 on laskennan aloitusvuosi ( 1 e k ) A on summaamisen normeeraustekijä, A= k k on metaanin syntymisnopeus (1/a), vaihtelee jätejakeittain (k=ln2/t½, missä t½ on jätejakeen puoliintumisaika) M(x) L0(t) on vuonna x kaatopaikkasijoitettu jäte on metaanin tuottopotentiaali (tekijät selitetty yhtälön 5 selitteissä) Yhtälössä 5 esitetyllä metaanituottopotentiaalin L0 laskentakaavalla saadaan arvioitua jätejakeen tuottaman metaanin määrän Gg:na. Esimerkiksi keittiöjätteen hajoamisen kaasuntuotantopotentiaalille saadaan arvo, kun kaavaan L0(t)= MCF(t) * DOC(t) * DOCF * F * 16/12 sijoitetaan oletusarvot MCF = 1, DOC(t) = 0.16 (taulukko 2), DOCF = 0.5, ja F = 0.5. L0(t)= 1*0.16*0.5*0.5*16/12 = Gg CH4/Gg jätettä Kun kaavan loppuun lisätään konversiotekijä 1503 (Bahor et al. 2009), saadaan metaanintuottopotentiaali kuutiometreinä per 1000 tonnia jätettä vuonna t: L0(t)= 1*0.16*0.5*0.5*16/12 *1505 = m 3 t Eri jätejakeiden anaerobisen hajoamisen metaanin syntynopeutta kuvan parametrin k arvo määritetään jätejakeen metaanintuottopotentiaalin L0 puoliintumisajan perusteella. 10

11 Puoliintumisaika on se aika, jolloin biokemiallisesti hajoavan hiilen määrä puoliintuu. Puoliintumisaikaan vaikuttaa jätteen koostumus ja laatu (nopeasti tai hitaasti hajoava), ilmastolliset olosuhteet ja jätteen käsittely kaatopaikalla. Taulukossa 3 on esitetty IPCC:n oletusarvot eri nopeudella hajoaville jätteille. (IPCC 2006) Taulukko 3. Eri jätejakeiden puoliintumisajat (t½) vuosina. (IPCC, s.3.18, 2006) Jätteen tyyppi Hitaasti hajoavat jätteet Kohtalaisesti hajoavat jätteet Paperi / tekstiili Puu / korsi Muu mätänevä orgaaninen aine / puutarhajäte Pohjoinen ilmasto ja vuosittainen keskilämpötila <= 20 ºC Kuiva Kostea Oletus Vaihteluväli Oletus Vaihteluväli Nopeasti hajoavat jätteet Ruuantähteet / jätevesiliete Irtojätteet Kosteusolosuhteet määritetään kuivaksi, kun vuosittaisen keskisadannan ja haihtumispotentiaalin suhde on alle 1 ja kosteaksi, kun suhde on yli 1. Vastaavat k arvot saadaan yhtälöstä k = ln2/t½. (IPCC 2006) MTM menetelmä (muunnettu kolmikulmio menetelmä) Kumar et al. (2004) esittää metaanipäästöjen arviointimenetelmän, jota nimitetään Modified triangular method (MTM), jossa aikariippuvaisen kaatopaikkakaasujen määrä lasketaan FODmenetelmällä. Suotuisissa olosuhteissa jätteen hajoaminen mitattuna kaasuntuotannolla saavuttaa korkeimman arvon ensimmäisten 3 6 vuoden aikana ja sen jälkeen vähenee 25 vuoden tai pidemmän ajan kuluessa. Ensimmäisessä vaiheessa alkavat nopeasti hajoavat orgaaniset aineet hajota vuoden kuluttua jätteen sijoittamisesta kaatopaikalle ja kaasuntuotanto kasvaa vuosittain saavuttaen huipun kuudentena vuotena sijoituksesta. Ensimmäinen vaihe perustuu hajoamisprosessin vaiheisiin I III. Tämän jälkeen alkavat hitaasti hajoavat orgaaniset aineet hajota toisessa vaiheessa, joka ajoittuu hajoamisprosessin vaiheisiin IV V. Tällöin kaasuntuotanto laskee hitaasti saavuttaen nollan kuudentenatoista vuotena jätteen sijoittamisesta kaatopaikalle. (Kumar et al. 2004) Mallissa lasketaan vuosittainen kaasuntuotto joko Ford menetelmällä, mikäli yksityiskohtaista tietoa on saatavissa, tai massataseeseen perustuvalla mallilla käyttäen parametrien 11

12 oletusarvoja. Kolmion huippu (h) lasketaan vuosittaisille jätteille laskemalla ensin kaasuntuottopotentiaali (Gg), joka muutetaan tilaavuudeksi (m³) ja sijoitetaan kaavaan: h = 2* CH ( m 3 4 ) 15 (7) Metaanin tuottopotentiaali jaetaan kuvan 4 mukaisesti kolmion muotoon aika akselille. Kasun tuotanto (m³) Vuodet kaatopaikalle sijoituksen jälkeen Kuva 4. Kaasuntuotannon kolmikulmio. (Kumar et al. 2004) Varmuus syntyvästä kaatopaikkakaasusta saadaan kenttätutkimuksilla, joiden ajankohdan voi määrittä kaatopaikkaveden parametreistä suhteessa kaasupäästöjen aikaperspektiivejä kuvaaviin malleihin. Kaatopaikkaveden salaojaputkista voidaan tehdä koeimuja kaatopaikan täytön kaasun esiintyvyyden selvittämiseksi. Kaatopaikkakaasupäästöjä voidaan tarkkailla mikrometeorologisin mittausjärjestelmin. (Laurila et al. 2009) 3 Metaanin hallinnan tekniikat EU:n kaatopaikkadirektiivin 1999/31/EY mukaan on kaatopaikoilla toteutettava toimenpiteitä, joilla vähennetään syntyvän metaanin määrää, sekä vähentämällä kaatopaikalle sijoitettavan jätteen biohajoavan osan määrää että rakentamalla kaatopaikkakaasujen hallintajärjestelmiä. Kaatopaikkadirektiivin 1999/31/EY mukaan kaatopaikalla syntyvien kaasujen hallintaan liittyviä toimenpiteitä ovat: 1. toimenpiteet kaatopaikkakaasujen kertymisen ja purkautumisen valvomiseksi edustavasti kaatopaikan kaikissa osissa. Valvomisella ja seurannalla varmistetaan, 12

13 että kaatopaikan sisäiset prosessit etenevät tarkoitetulla tavalla. Tietoja kerätään säästä (sadanta, lämpötila, ilmanpaine) ja potentiaalisista kaasupäästöistä. 2. kaatopaikkakaasujen kerääminen, käsittely ja hyödyntäminen kaatopaikoilta, joihin on sijoitettu biohajoavaa jätettä. Toimenpiteiden tavoitteena on minimoida kaatopaikan kaasujen ympäristöhaitat, ympäristön pilaantuminen ja ihmisen terveydelle aiheutuva vaara. 3.1 Metaanin talteenotto Suomen Biokaasurekisterin mukaan vuonna 2008 kerättiin biokaasua 33 kaatopaikalta yhteensä 112,2 milj. m³, kun kaatopaikoilla arvioidaan syntyvän biokaasua yli 200 milj. m³ vuodessa. Vuonna 2008 biokaasun tuotanto oli 4 % suurempi kuin vuonna (Kuittinen & Huttunen, 2009) Koko kaasunkeräysjärjestelmä muodostuu kaatopaikkatäytön imukaivoista ja/tai vaakaputkista, imuputkista täytöltä säätöasemalle/ asemille tai keräyskaivoille, siirtoputkistosta, kompressioasemasta ja hyötykäyttölaitteistosta, jota ennen kaatopaikkakaasu on puhdistettava käyttötavan vaatimusten mukaiseksi. (Lehtilä & Tuhkanen, 1999) Kaasujen keräämiseksi täyttökerrosten väliin asennetaan kaatopaikkakaasujen keräysputket, joiden avulla imetään jätetäyttöön syntyvät kaasut talteen ja hyödynnettäväksi. Kaasujen keräys voidaan toteuttaa joko pystykaivoina (kuva 5) tai vaakaputkistoina tai näiden yhdistelmänä. Väisäsen ja Salmenojan (n.d.) mukaan pystykaivot soveltuvat vanhoille ja korkeille kaatopaikoille, ja vaakatason salaojaputket uusille ja matalille kaatopaikoille. Kaasunkeräyskaivot voidaan asentaa jätetäyttöön jo täyttö vaiheessa tai täytön loputtua. Täyttövaiheessa asennetuista kaasunkeräyskaivoista voidaan jo täyttövaiheessa imeä syntyviä kaasuja täytön alapuolelta. Imukaivot voidaan asentaa jälkikäteen jo suljetuille kaatopaikoille poraamalla jätetäyttöön. Kaasu imetään jätetäytöstä alipaineella putkistoa pitkin pumppaamolle, jossa kaasua käsitellään ja johdetaan edelleen hyötykäyttöön. (Väisänen ja Salmenoja n.d. ) 13

14 Kuva 5. Pystykaivon periaatekuva. (Reili 2009) Pipatin et al. (1996) mukaan pystykaivojen asennus on helppoa, mutta niiden haittapuolena on pieni vaikutusalue täytössä. Vaakaputkistot ovat noin 20 % tehokkaampia kuin pystykaivot ja ne yleensä asennetaan täytön aikana, joten kaasua voidaan kerätä alimmista kerroksista ja täytön aikana. Vaakaputkiston ongelmana ovat niiden toimintahäiriöt jätetäytön painumisen tai sisäisen veden kuljettamien partikkeleiden aiheuttaman tukkeutumisen vuoksi, kun vastaavia ongelmia ei pystykaivoilla ole. (Reili 2009) YTV:n Ämmässuon jätteenkäsittelylaitoksen laajennusalueelle on suunniteltu kuvan 6 mukaiset pystykaivot, jota asennetaan pohjarakenteiden yhteydessä. Kaivoja korotetaan jätekerroksittain ja niiden pohjarakenne mahdollistaa kaatopaikkakaasujen keräyksen alimmista kerroksista pohjalla olevan kaasunkeräysputken kautta. (Ämmässuon täyttösuunnitelma 2008) 14

15 Kuva 6. Ämmässuon kaasukaivojen periaatepiirros. (Ämmässuon täyttösuunnitelma 2008) Kaasunkeräysputkien ja kaivojen lukumäärä jätetäytössä on rajoitettu, joten kaikkea täytössä syntyvää kaasua ei saada talteen vaan osa kaasusta vapautuu ilmakehään. Kaatopaikkatäytön tiiviydestä riippuen kaasujen keräys alipaineella aiheuttaa ilman imeytymistä jätetäyttöön, jolloin kaatopaikkakaasussa hapen ja typen osuus lisääntyvät. Ilman imeytymisen estämiseksi Popov (2005) esittää kaatopaikkakaasujen keräysjärjestelmää, jossa kaatopaikkakaasusta erotettu hiilidioksidi syötetään takaisin kaatopaikan pintakerrokseen. Kun hiilidioksidin syöttöpaine on ilmakehän painetta suurempi, se estää ilman imeytymisen täyttöön. Kaatopaikan pintarakenne tehdään kerrosvoileipämallilla, jossa kahden vähän kaasualäpäisevän kerroksen välissä on hyvin kaasualäpäisevä kerros. Kuvassa 7 on esitetty Popovin keräyskaivon yksinkertaistettu periaatepiirros. 15

16 Kuva 7. Piirros Popovin kaasunkeräysjärjestelmästä. (1 siirtoputki, 2 venttiili, 3 keräyskaivo, 4 hiilidioksidin syöttöputki, 5 ja 6 vähän kaasua läpäisevä kerros, 7 hyvin kaasualäpäisevä kerros, 8 pumppausasema, 9 tarkkailuputki, 10 täyttöalueen seinämä) (Popov, 2005) Hiilidioksidin pumppaaminen pintarakenteeseen ja sieltä siirtyminen jätetäyttöön ei vaikuta anaerobiseen hajoamiseen. Hiilidioksidia on käytettävissä, kun kaatopaikkakaasua puhdistetaan syötettäväksi kaasun jakeluverkkoon, eikä erotetulle hiilidioksidille löydy teollista käyttöä. Hiilidioksidin syöttö pintarakenteeseen mahdollistaa kaasujen imun suuremmalla alipaineella ilman, että täyttöön virtaa ulkopuolelta ilmaa. Järjestelmän avulla kerätty kaatopaikkakaasu sisältää vähemmän hapen ja typen, joten kerätty kaasu on puhtaampaa. Järjestelmällä voidaan hyödyntää pienten ja matalien kaatopaikkojen kaasut, joiden hyödyntäminen muutoin olisi taloudellisesti kannattamatonta. (Popov, 2005) Bahor et al. (2009) mukaan keräilyjärjestelmien tehokkuus vaihtelee jätteen hajoamisprosessin eri vaiheissa. Jätteen sijoittamisen alkuvaiheessa ei kaatopaikkakaasujen talteenottoa yleensä tapahdu. Toisessa vaiheessa suoritetaan väliaikaista kaasujen keräystä vaakaputkistolla. Kolmannessa vaiheessa lopullinen keräysjärjestelmä asennetaan pystykeräyskaivoina, mutta täytön peitto puuttuu. Neljäs vaihe ajoittuu kaatopaikan sulkuvaiheen jälkeen, jolloin lopullinen peitto on asennettu. Viidennessä vaiheessa kaasujen keräys lopetetaan ja järjestelmä suljetaan. Taulukossa 4 esitetään kaasujenkeräyksen tehokkuuden arviot vuosille 2004 ja 2054 edellä esitetyissä viidessä vaiheessa. 16

17 Taulukko 4. Kaasunkeräysjärjestelmän tehokkuus viiden vaiheen tehokkuuden ja FODmetaanintuottopotentiaalin perusteella 100 vuoden periodissa. (Bahor et al. 2009) KPK keräyksen vaiheet Vaiheen kesto KPK keräyksen tehokkuus maat (vuosi) CH4 Kehittyvät maat ja Kehittyneet % Itä Eurooppa (pl. Itä Eurooppa) Jätteen alkusijoitus % 0% 0% 0% 2 Väliaikainen keräysjärjestelmä % 50% 50% 50% 3 Lopullinen keräysjärjestelmä % 75% 75% 75% 4 Loppupeitto ja keräys % 75% 75% 90% 5 Keräyksen päättymisen jälkeen % 0% 0% 0% Arvioitu KHK keräyksen tehokkuus 35% 50% 50% 60% Kaasunkeräyksen eri vaiheiden kestot perustuvat US EPA kaatopaikkakaasupäästöjen säätelyyn kaasujen keräysjärjestelmien asennusaikatauluohjeistuksen perusteella. Syntyvän metaanin määrä arvioitiin FOD menetelmällä käyttäen metaanin syntynopeutta kuvaavan parametrin k arvoa 0.05/vuosi. Metaanista arvioitiin hapettuvan pintakerroksessa 10%. (Bahor et al. 2009) 3.2 Metaanin hapetus Metaanin hapetusta täytön pintakerroksessa kaatopaikalla syntyvän metaanin hallintajärjestelmän osana ja vanhojen kaatopaikkojen metaanipäästöjen vähentämiseksi on viime vuosina paljon tutkittu (mm. He et al. 2008; Jugnia et al. 2008; Huber Humer et al. 2009; Einola et al. 2009; Scheutz et al. 2009). Metaanin hapetus perustuu metaania hajottavien mikrobien, metanotrofien, toimintaan luomalla hapetukselle optimaaliset olosuhteet. Metaani hapettuu biomassassa aina, kun sekä metaania että happea on samanaikaisesti läsnä. Kaatopaikan pintakerrokseen virtaa metaania jätetäytöstä ja happea ilmasta, jolloin syntyy suotuisat olosuhteen metanotrofisille bakteereille. Hapettumisen optimilämpötila on ºC, mutta hapettumista on todettu tapahtuvan jopa 1 2 ºC lämpötilassa. Hapetusmateriaalin optimikosteus on % (vesimäärän suhde huokostilavuuteen) ja jo 5 %:n nousu vähentää metaanin hapettumista. Hapen suhteellisen osuuden optimialue on 1 3 %. (Scheutz et al. 2009) Metaanin hapetusta voidaan hyödyntää jo kaatopaikan täyttövaiheessa väliaikaisella pintakerroksella, jota voidaan siirtää uuden solun peitoksi. Jugnia et al. (2008) tutkimusten mukaan hiekan ja kaksi vuotta vanhan kompostin sekoitus luo parhaat olosuhteet mikrobien toiminnalle, johon vaikutti oleellisesti myös sadanta ja lämpötila. Neljän kuukauden aikana suoritettujen mittausten perusteella hapettuminen tapahtui 0 20 cm syvyydessä, kun hapetuskerroksen paksuus oli 80 cm ja sen tiheys kg m 3. Einola et al. (2009) mukaan metaanin hapettumiseen kaatopaikan pintakerroksessa vaikuttaa pintakerroksen lämpötila, ilmanpaine ja hapetuskerroksen paksuus. Hapetuskerros materiaalina 17

18 käytettiin turpeen ja lietekompostin sekoitusta, jota levitettiin kaatopaikan pintakerrokseen 50 cm paksuudelta. Hapettumisen arviointiin vaikutti kaasujen epätasainen virtaus pintakerrokseen kaatopaikan eri osissa. Varovasti arvioiden kylminä vuodenaikoina pintakerrokseen vuotaneesta metaanista hapettuu vähintään 25 % ja lämpiminä vuodenaikoina vähintään 46 %. Kaasunkeräys järjestelmien säädöillä pystytään tasoittamaan kaasun vuotoa pintakerrokseen niin, että hapetus on tasaisempaa ja metaanipäästöt ilmaan pieniä. Tutkittujen kaatopaikkojen hapettavan kerroksen paksuus oli 50 cm. Lisäämällä kerroksen paksuutta metriin voi parantaa hapetuskapasiteettia ja vähentää päästöjä kaasun purkautumispaikoilla, vähentää ilmanpaineen muutoksien vaikutuksia ja vakauttaa lämpö ja kosteusoloja säävaihteluista huolimatta. (Einola et al. 2009) He et al. (2008) vertailivat kahta hapetusmateriaalia: kolme vuotta vanhaa jätettä ja kuusi vuotta vanhaa kaatopaikan pintamaata, joista poistettiin suuret partikkelit kuten kivet ja maatumattomat muovit ja tekstiilit, jonka jälkeen ne seulottiin 4 mm seulalla. Molempia materiaaleja levitettiin koealueille 30 cm paksuudelta ja tiivistettiin 750 kg märkäpainona m 3. Kokeen mukaan kolme vuotta vanha jäte toimi paremmin hapetusmateriaalina vähentäen metaanipäästöjä 48 %. Hapettavaan kerrokseen kehittyi aktiivisempi metanotrofikanta sen korkean veden pidätyskapasiteetin, huokoisuuden ja orgaanisen aineen määrän vuoksi. Scheutz et al. (2009) mukaan tehokkaan metaanin hapetuksen toteuttaminen vaatii kaikkien metaanin massataseeseen vaikuttavien tekijöiden huomioimista. Kuvassa 8 on esitetty kaatopaikan metaanin massataseeseen vaikuttavat prosessit. Kuva 8. Kaatopaikan metaanin massatase. (Scheutz et al. 2009) Albanna et al. (2009) tutkimuksen mukaan metaanin hapettamisen yhteydessä metanotrofiset bakteerit pystyvät kompostia sisältävässä hapetuskerroksessa hapettamaan myös muita kaatopaikkakaasun sisältämiä orgaanisia komponentteja (NMOC), joista havainnoitiin koeolosuhteissa 1,1,1 trikloorietaania (TCA), trikloorietyleenia (TCE) ja dikloorimetaania (DCM). Näiden kolmen tutkitun komponentin esiintyminen kaatopaikkakaasussa vaikutti 18

19 estävästi metaanin hapettumiseen, mutta lisätutkimuksia tarvitaan siitä, mistä tämä estävä vaikutus johtuu. YTV:n Ämmässuon jätteenkäsittelylaitoksen laajennusalueen täyttösuunnitelman (2008) mukaan metaania tullaan hapettamaan täyttövaiheessa sijoittamalla lepotilaan jäävien täyttösolun päälle kompostin ja kivituhkan sekoitusta (tilavuussuhde 80:20 t %) vähintään 40 cm paksuudelta ja peittoa ei tiivistetä. Pintakerroksella pystytään optimiolosuhteissa hapettamaan hajukaasuista jopa 97 %. 3.3 Metaanin synnyn ehkäisy Loppusijoitettavan jätteen biohajoavuus EU kaatopaikkadirektiivin mukaan kaatopaikalla on toteutettava toimenpiteitä, joilla vähennetään syntyvän metaanin määrää. Toimenpiteinä direktiivissä esitetään kaatopaikalle sijoitettavan biohajoavan jätteen määrän vähentämistä ja edellyttämällä kaatopaikkakaasujen hallintaa. Metaanintuotannon määrä riippuu metaaniatuottavien mikrobien optimaalisista olosuhteista kuten lämpö, kosteus, ph ja ravinteet. Metaanintuotantoa inhibitioi tai mikrobien kasvua rajoittavat matala lämpötila, hapen esiintyminen täytössä, hajoamisreaktion välituotteet kuten ammoniakki, rikkivety, haihtuvat ja pitkäketjuiset rasvahapot. (Latvala, 2009) Kaatopaikan täyttötekniikat Jätetäytön yksikkö on solu, joka on tietty tilavuus tai alue täyttöalueella, jonne sijoitetaan tiettynä aikana tulevat jätteet. Saapuvat jätevirrat määrittävät periodin pituuden, joka voi lyhimmillään olla päivä. Erityyppiset jätteet kuten yhdyskuntajäte, rakennusjäte ja vaarallinen jäte (esim. asbesti ja sairaalajäte) sijoitetaan omiin soluihinsa. Kun suunniteltu tilavuus on saavutettu, solu peitetään ylijäämä mailla tai kompostilla. Peitto estää jätteitä leviämästä ympäristöön sekä ehkäisee haittaeläinten pääsyä jätteisiin. Vaarallinen tai haitallinen jäte peitetään välittömästi sijoituksen jälkeen. (Tchobanoglous et al., s ,1993) Solut sijaitsevat täyttöalueella kerroksittain. Uudella kaatopaikalla ennen täyttöä on pohjarakenteet tehtävä huolella, ettei jätetäytön reaktiotuotteet pääse siirtymään hallitsemattomasti ympäristöön. Pohjalle asennetaan suotoveden keräysputket, joiden kautta suotovesi ohjataan vedenpuhdistamolle. Jätetäytön ulkopuolelle asennetaan sadannan valuntavesien keräysjärjestelmät. (Tchobanoglous et al., s ,1993) Komilis et al. (1999) jakavat kaatopaikat kolmeen tyyppiin: 1. Kuiva Kaatopaikka on suunniteltu ja hoidetaan niin, että veden imeityminen täyttöön on rajoitettu. Kaatopaikalle on tyypillistä matala suotoveden ja metaanin tuotto pitkällä aikajänteellä. Jätteen stabiloituminen kestää kauan ja se voi vaikeutua kuivuuden vuoksi. Kustannuksia aiheutuu täytön peittämisestä ja tiivistämiseen. 19

20 2. Bioreaktori Kaatopaikan suunnittelun ja hoidon tavoitteena on lisätä hajoamista ja metaanin tuotantoa lyhentämällä hajoamisprosessin happovaihetta. Metaanin hyötykäytön lisäksi kustannuksissa voidaan säästää, kun ei täyttöä tarvitse suojata kosteudelta. Happovaiheen lyhyyden vuoksi myös suotoveden puhdistuskustannukset laskevat, kun suotoveteen ei liukene orgaanisia aineita. Nopea jätteen stabiloituminen vähentää kaatopaikan jälkihoidon kustannuksia. 3. Loppusijoituskaatopaikka Kaatopaikalle sijoitetaan jätteitä, joiden ympäristöpäästöt ovat minimaaliset, sillä sijoitettavat jätteet valitaan tai esikäsitellään ennen sijoitusta. Tavoitteena on vähentää biologisesti hajoavan orgaanisen aineen kuormaa kaatopaikan täytössä, jolloin niin orgaaniset kuin epäorgaaniset kaatopaikkapäästöt vähenevät. Kaatopaikan monitoroinnin, suotoveden käsittelyn ja kaasujen keräämisen alhaiset kustannusten on suhteutettava jätteiden lajittelun ja esikäsittely kustannuksiin tämän tyyppisen kaatopaikan kokonaishyödyn arvioinnissa. Komilis et al (1999) mukaan erilaisilla täyttötekniikoilla voidaan lyhentää biohajoamisen happovaihetta ja näin nopeuttaa metaanintuotantoa. Artikkelissa arvioitiin kaatopaikan toimintojen kuten päivittäispeiton, biologisesti stabiilien kerrosten, jätteen kosteuden ja veden virtaaman sekä puskureiden, ravinteiden ja ympin vaikutuksiin metaanintuotannon maksimoinnissa. Täytön alemman kerroksen pitäminen avoimena ja löyhänä aerobisen hajoamisen edistämiseksi, lyhensi kerroksen happovaihetta ja lisäsi metaanintuotantoa sen jälkeen, kun se oli peitetty uudella jätekerroksella. Tuhkan tai muun epäorgaanisen aineen (esim. purkujätteen) sekoittaminen biohajoavan jätteen joukkoon ennen täyttöön sijoittamista laimentaa ja neutralisoi happoja, ehkäisee ph:n laskua ja parantaa metaanintuotantoa. 4 Kaatopaikkakaasun hyödyntäminen Kaatopaikkakaasujen talteenotolla ja hyötykäytöllä vähennetään merkittävästi kasvihuonekaasupäästöjä. Kaatopaikalta kerättävä kaatopaikkakaasu sisältää % metaania, % hiilidioksidia ja pieninä pitoisuuksina muita kaasuja mm. rikkivetyä. Hyötykäyttömuodon valintaan vaikuttaa kaatopaikan metaanintuottopotentiaali, hyötykäytön etäisyys ja metaanin puhtausvaatimus. Biokaasu kuuluu uusiutuviin energialähteisiin, jota pääasiassa hyödynnetään lämmön ja sähköntuotannossa. Ylimääräinen kaasu yleensä poltetaan soihdussa, vaikka sen hyötykäyttö puhdistamisen jälkeen liikennepolttoaineena olisi teknisesti mahdollista ja kannattavaa (Läntelä, 2007). Kuvassa 9 on esitetty metaanin puhdistustarpeet eri hyötykäyttötarkoituksissa. 20

21 Kuva 9. Metaanin puhdistusprosessit eri hyötykäyttötavoille. (Latvala, 2009) Lämmön ja sähköntuotannossa hyödynnettävän metaanin puhdistustarpeet ovat vähäiset ja biokaasun metaanipitoisuudeksi riittää 30 %, koska metaani syttyy jo alhaisina pitoisuuksina ilmassa. Lämmöntuotannossa saatava lämpöteho vaikuttaa siihen, kuinka pitkän matkan kaasua kannattaa siirtää syntypaikalta. Metaanin hyödyntämisen energiatehokkuuteen vaikuttaa käytetyn tuotantotekniikan hyötysuhde. Selvitysten mukaan paras hyötysuhde saadaan yhdistetyllä lämmön ja sähköntuotannolla (CHP, Combined Heat & Power), jolloin metaanin sisältämästä energiasta pystytään hyödyntämään %, sähköntuotannon hyötysuhteen ollessa % ja lämmöntuotannon %. (Latvala, 2009) Suomen Biokaasurekisterin mukaan vuonan 2008 kaatopaikkalaitoksilla tuotettiin milj. m³ biokaasua, jonka metaanipitoisuus oli %. Tuotetusta kaasusta hyödynnettiin milj. m³, jolla tuotettiin sähköä 17.3 GWh ja lämpöä 303,8 GWH. Kuvassa 10 on esitetty biokaasua hyödyntävän kaatopaikkalaitoksen prosessit.(kuittinen & Huttunen, 2009) Kuva 10. Kaatopaikkalaitoksen toimintaperiaate. (Lähde: Kuittinen & Huttunen, 2009) 21

22 Lämmön ja sähkön yhteistuotannossa sähköä tuotetaan joko kaasumoottorilla tai mikroturbiinilla, joista jälkimmäinen on investointina kalliimpi, mutta mikroturbiinin etuna on matalammat käyttö ja huoltokulut sekä parempi hyötysuhde. Tuotantolaitteiston hankinnassa on huomioitava laitteen mitoitus syntyvään kaasumäärään, koska laitteita voidaan yleensä käyttää % teholla. Mikroturbiini on yleisesti käytössä kaatopaikoilla ja energiatarpeen mukaan sähkön tuotantoa voidaan helposti lisätä sijoittamalla uusia mikroturbiiniyksiköitä rinnan. (Latvala, 2009) Kaatopaikkakaasun hyödyntäminen liikennepolttoaineena vaatii metaanin puhdistamisen, veden erotuksen ja paineistuksen. Kaatopaikkakaasuun sisältämät epäpuhtaudet kuten orgaaniset halogeeniyhdisteet ja siloksaanit ovat haitallisia liikennepolttoaineissa. Epäpuhtauksien poistoon on käytettävissä useita puhdistustekniikoita, joista yleisin on vastavirta absorptioon perustuva vesipesu hiilidioksidin ja rikkivedyn poistossa. Pesun ja kosteuden poiston jälkeen noin 95 %:a metaania sisältävä kaasu paineistetaan noin 200 Bar paineeseen. (Läntelä 2007) 5 Metaanin hallinnan kustannukset 5.1 Talteenoton kustannustehokkuus Metaanin talteenoton kustannustehokkuus perustuu talteenotettavan kaasun metaanipitoisuuteen ja määrään sekä hyödyntämistapaan. Kokonaiskustannustehokkuuteen vaikuttaa oleellisesti se, missä vaiheessa kaatopaikkakaasujen talteenotto ja hyödyntäminen aloitetaan. Metaanipäästöjen ja hajuhaittojen vähentämiseksi metaanin talteenotto tulisi aloittaa jo täyttövaiheessa. Talteenotettavan metaanin hyödyntämismahdollisuudet on kartoitettava jo kaatopaikan suunnitteluvaiheessa. Kaatopaikkojen sijainti kaukana taajamista rajoittaa kerättävän ja tuotettavan biokaasun hyödyntämis mahdollisuuksia. (Latvala, 2009) Talteenoton kulut koostuvat laitteiston investointikustannuksista ja käyttö ja huoltokustannuksista sekä mahdollisista hyötykäytön kustannuksista, jos kaasu hyödynnetään kaatopaikalla. Taulukossa 5 on esitetty biokaasun hyötykäytön investointi, käyttö ja huoltokustannukset. Tiedot ovat vuodelta

23 Taulukko 5. Biokaasun hyötykäytön kustannukset (Latvala, 2005) Investointikustannukset Käyttö ja huoltokustannukset Soihtupoltto / kw TH 0,005 0,01 / kwh TH Lämpökattila / kw TH 0,01 0,05 / kwh TH CHP Kaasumoottori / kw e 0,03 0,08 / kwh e Mikroturbiini / kw e 0,02 0,06 / kwh e Jalostaminen liikennepolttoaineeksi / kw TH 0,01 0,045 / kwh TH Tankkaus / kw TH 0,001 0,005 / kwh TH kwth lämpöenergia, kwe sähköenergia Läntilän (2007) mukaan kaatopaikkakaasuista vastavirta absorptiolla tuotetun liikennepolttoaineen tuotantokustannukset ovat /Nm³. Tuotettu polttoaine sisältää t %:a metaania paineistettuna 250 Bar:iin. Kaatopaikkakaasun kustannustehokkuuteen vaikuttaa oikein mitoitettu hyödyntämistapa suhteessa todelliseen kaasun saantiin. Tehokas kaasunkeräys hyötykäyttöön vaatii aktiivista keräysjärjestelmän ylläpitoa. Kaatopaikkakaasun hyötykäytön vaihtoehtoiskustannuksena käytetään korvattavan polttoaineen hintaa. Tuotetun sähkön / lämmön markkinahinta vaikuttaa talteenoton kannattavuuteen. Kaatopaikkakaasun hinta polttoaineena noudattaa maakaasun hintaa, mutta epäpuhtauden vuoksi % metaania sisältävä kaatopaikkakaasu on myyntihinnaltaan halvempaa (Hagström et al. 2005). 5.2 Metaanin hapetuksen kustannukset Metaanin hapetuksella vähennetään kaatopaikalla syntyviä päästöjä ilmakehään. Kustannukset ovat peittoaineen osalta vähäiset, mutta väliaikaiseen peittämiseen ja peiton siirtoon liittyvä työ on yleensä kallista. Lisäksi on huomioitava, että väliaikainen peittokerros aiheuttaa kaatopaikan täytön tilavuuden menetyksiä. (Leiskallio 2009) Ilmastonmuutoksen hallinnan ja hiilidioksidipäästökaupan näkökulmasta metaanin hapetuksella voisi olla taloudellista arvoa, mutta se vaatii menetelmiä siitä, kuinka hapettuneen metaanin määrä pystytään luotettavasti mittaamaan (Scheutz et al. 2009). 23

24 6 Johtopäätökset Kaatopaikkakaasujen talteenoton tehostamiseksi tarvitaan jo kaatopaikan suunnitteluvaiheessa tietoa siitä millaista jätettä ja kuinka paljon kaatopaikalle tullaan loppusijoittamaan. Kaatopaikan käyttösuunnitelmassa määritetään kaatopaikan täyttöalue ja sen rakenteet. Loppusijoitettavan jätteen laadun perusteella voidaan suunnitella jätteiden sijoittelu täyttöalueelle niin, että syntyvien kaasujen hallinta olisi tehokkaampaa. EU:n kaatopaikkadirektiivin tavoitteena on vähentää biohajoavan jätteen loppusijoittamista kaatopaikoille 75 %:lla vuoteen 2016 mennessä. Tämän johdosta uusien kaatopaikkojen kaatopaikkakaasujen koostumus voi muuttua. Metaanin tuotannon vähentyessä sen talteenotto ja hyödyntäminen ei enää ole taloudellisesti kannattavaa. Jätetäytöstä voi kuitenkin syntyä muita kaasuja, joista voi olla ympäristölle haju tai terveyshaittoja. Yhdyskuntajätteen lajittelusta, materiaalin hyötykäytöstä ja kierrätyspolttoaineiden valmistuksesta syntyy rejekteinä (ylitteet ja alitteet) loppusijoitettavaa jätettä, joiden kaasun tuotannosta erikseen ja sekoitettuna ei ole tarkkaa tietoa. Kaatopaikkakaasupäästöjen arviointia varten on kehitetty teoreettisia malleja, jotka perustuvat hajoamisen biologis kemiallisiin prosesseihin. Mallit perustuvat massataseen perusteella arvioituun syntyvien kaasujen määrään, joka allokoidaan aikajänteelle. Hallitustenvälinen ilmastopaneeli IPCC suosittelee käytettäväksi FOD menetelmä (first order decay method), joka ottaa huomioon kaatopaikkakaasupäästöjen aikakäyttäytymisen. Metaanin tuottopotentiaali ohjaa kaatopaikan kaasujen hallintamenetelmän valintaa joko aktiiviseen tai passiiviseen kaasujen hallintaan. Aktiivinen kaasujen hallinta tarkoittaa investointeja kaasujen keräysjärjestelmän ja hyötykäytön rakentamiseen. 6.1 Case Kujala Päijät Hämeen Jätehuolto Oy:n Kujalan jätekeskuksen 2008 käyttöön otetulle uudelle täyttöalueelle loppusijoitetaan pysyviä ja tavanomaisia yhdyskuntajätteitä. Suotovesitutkimusten perusteella voidaan arvioida, että uuden täytön hajoaminen on happovaiheesta. Merkkejä suotuisten olosuhteiden kehittymisestä metaanintuotannolle on havaittavissa suotovesinäytteistä. Elokuussa 2009 suotoveden ph oli 6.7, kun metaanintuottovaiheessa ph on > 6.8 (Komilis et al. 1999), mutta BOD7/COD suhde on edelleen korkea 0.52, kun metaanintuottovaiheessa sen tulisi olla alle 0.1 (Komilis et al. 1999). Taulukosta 6 huomataan, että BOD7/COD suhde on alentunut vuoden 2009 toukokuusta elokuuhun. Metaanintuottovaiheen BOD7/COD suhteen arvo eri lähteissä vaihtelee välillä (Sormunen 2008, s. 59). Korkea BOD7/COD suhde johtuu korkeasta BOD7 pitoisuudesta suotovedessä. Taulukossa 5 on esitetty suotovesitutkimusten tulokset lämpötilan, ph:n ja BOD7/COD suhteen osalta vuodesta 2008 elokuuhun

25 Taulukko 6. Suotovesitutkimusten tulokset Tapani pumppaamolta otetuista näytteistä. BOD Lämpötila 7 /COD Cr suhde Ottopvm ºC ph ,4 6,4 0, ,0 6,4 1, ,9 6,2 0, ,5 6,5 0, ,7 6,5 0, ª 11,8 6,7 0, ,8 6,7 0,52 a) Näytteenottopäivä ilmoitettu kuukausitasolla Anaerobisesti hajoittavat mikrobit tarvitsevat myös ravinteita, joita on oltava riittävästi suhteessa hajoitettavaan orgaaniseen aineeseen. Tätä riittävää suhdetta kuvataan kemiallisen hapenkulutuksen ja ravinteiden suhteella, joka optimiolosuhteissa on esitetty olevan CODCr:N:P = 100:0,44;0,08. Kujalan uuden täytön suotovesitulosten perusteella elokuussa 2009 kemiallisen hapenkulutuksen ja ravinteiden suhde oli CODCr:N:P = 100:2,56:0,01. Kuvassa 11 on esitetty muita suotoveden ominaisuuksia, joiden perusteella voidaan hajoamisen tilaa arvioida. Kuvan 3 (s. 5) mukaan happovaiheen lopulla raskasmetallien liukoisuus suotoveteen vähenee ph:n nousun vuoksi. Kujalan uuden täytön suotoveden sinkkipitoisuus on laskenut heinäkuun 2008 jälkeen. Suotoveden ominaisuudet Kujalan uusi täyttö Pitoisuudet Kokonaistyppi mg/l Sähkönjohtavuus ms/m Ammonium N mg/l Sinkki (Zn) µg/l Kuva 11. Suotoveden ominaisuuksia ja niiden muutos. Kaasuntuottopotentiaaliksi tähän mennessä loppusijoitetun jätteen perusteella saadaan eri malleilla hieman erilaisia lukuja. Taulukossa 7 on massatasemenetelmällä lasketut metaanipäästöt vuosille 2008 ja 2009 penkoille I ja II. 25

26 Taulukko 7. Metaanipäästöt massatasemenetelmällä laskettuna. (Laaksonen & Törn 2009) 2008; penkka I 2009;penkka Iª 2009; penkka II metaanipäästö (m³/a) milj. m³ 2,76 0,48 0,07 metaanipäästö (Gg/a) Gg 1,98 0,34 0,05 a) jätemäärät ajalta MTM menetelmässä lasketaan massatasemenetelmän mukainen kokonaismetaanipäästö, jonka aikakäyttäytyminen jaettiin kahteen vaiheeseen niin, että päästöhuippu (h) saavutetaan kuudentena vuotena jätteen sijoituksesta. Taulukossa 8 on esitetty MTM mallilla laskettu metaanintuotto potentiaali penkan I osalta perustuen Laaksosen ja Törnin massatasetuloksiin. Taulukko 8. MTM menetelmän mukaan laskettu metaanipäästö. Penkka I MSW Gg CH4 Gg CH4 m³ h , , , , ª 39, , , ,78 Yhteensä 115,9475 2, ,57 a) jätemäärät ajalta Kuvassa 12 on esitetty metaanipäästöjen aikakäyttäytyminen saatujen päästömäärien perusteella penkan I osalta. MTM menetelmän mukaan vuoden 2010 metaanipäästö penkkaan I sijoitetun jätteen perusteella olisi m³/a. Elokuun 2009 lopussa olleen täytön metaanintuotannon huippu saavutettaisiin tämän mallin perusteella vuonna Metaanipäästöt ja niiden aikakäyttäytyminen MTM mallin mukaan Kujalan uusi täyttö, penkka CH4 m Kuva 12. Metaanipäästöjen jakautuminen eri vuosille MTM menetelmän mukaan. 26

27 Taulukossa 9 on esitetty FOD menetelmällä laskettu metaanipäästö vuodelle 2010 Kujalan uuden täytön penkasta I. Laskennassa on käytetty Laaksosen ja Törnin (2009) L0 arvoja (2008 L0 = 0,0289; 2009 L0 = 0,0096). Metaanipäästöt on laskettu erikseen metaanin tuottonopeutta kuvaavan parametrin k keskimääräiselle arvolle sekä vaihteluvälin alimmalle ja ylimmälle arvolle. Taulukko 9. FOD menetelmällä arvioitu metaanipäästö vuonna 2010 eri k arvoilla. CH4 Gg CH4 m³ m³/h/haª a) Täyttöalue 2 hehtaaria. k=0,1039 k=0,1336 k=0,0746 0, , , ,74 20,08 12,86 Laskennallisesti uudella täyttöalueella syntyy metaania nopeasti biohajoavista jätteistä. Varmuus syntyvästä kaasusta saadaan mikrometeorologisen mittauksen tuloksista ja kaatopaikan suotovesi putkiston kautta koeimulla. Laitteet on asennettu uuden täytön alueelle joulukuussa Kaasun tuotto on vielä vähäistä ja sähköenergiaksi muutettuna vuositasolla olisi noin 135 MWhe. Kujalan alueella on jo olemassa kaasujen talteenottojärjestelmä vanhalta täyttöalueelta ja kaasulle on olemassa hyötykäyttöä, joten uuden täytön osalta kaasujen keräysjärjestelmän investoinnit kohdistuvat kaasunkeräyskaivojen tai salaojien ja siirtoputkien sekä siirtopumppaamon rakentamiseen. 7 Suosituksia Syntyvien kaatopaikkakaasujen laskennallinen arviointi vaatii tarkennusta etenkin metaanin tuottonopeutta kuvaavan k parametrin ja metaanintuottopotentiaalia kuvaavan L0 parametrin osalta. Laskennallisen arviointimenetelmän tarkentamisessa voidaan hyödyntää mikrometeorologisten mittauksen tulosten tulkintaa. Jätetäytön hajoamisvaiheen etenemisen arviointiin tarvitaan lisää suotovesitulosia sekä mahdollisten metaanintuottoa estävien ominaisuuksien kuten sulfaattien esiintymistä suotovedessä. Lisätutkimuksia tarvitaan myös jätteiden käsittelyn ja kierrätyspolttoaineen valmistuksen alitteiden ja ylitteiden reaktiotuotteista. Uuden kaatopaikan kustannustehokkain kaatopaikkakaasujen hallintajärjestelmä voidaan suunnitella täyttöalueelle sijoitettavaksi suunniteltujen jätteiden tarkempien kaasuntuottoarvioiden perusteella. Täytön hajoamisvaiheen tunnistamisen perusteella voidaan arvioida, milloin ja mitä kaatopaikka kaasujen hallintaan liittyviä toimenpiteitä on toteutettava päästöjen minimoimiseksi. 27