MÄDÄTYSJÄÄNNÖKSEN LABORATORIOTASON VALUMAVESIKOKEET

Transkriptio

1 MÄDÄTYSJÄÄNNÖKSEN LABORATORIOTASON VALUMAVESIKOKEET Biojäte- ja lietepohjainen Laura Kannisto 214 Bioliike-projektia (v ) rahoitetaan Etelä-Suomen EAKR-ohjelmasta

2 SISÄLLYS 1 JOHDANTO KOEJÄRJESTELY ANALYYSIT TULOKSET Mädätysjäännöksen kuiva-aine ja orgaaninen aines Valumaveden kiintoainepitoisuus Valumaveden hapenkulutus (COD ja BOD7) Typen valumatarkastelu Fosforin valumatarkastelu JOHTOPÄÄTÖKSET... 9

3 1 JOHDANTO Bioliike-hankkeessa tehtiin ensimmäiset laboratoriotason valumavesitestit osana Anni Pihkamäen opinnäytetyötä, keväällä 214. Opinnäytetyössä pääpainona oli biokaasulaitoksella sijainneen kasan valumavesiseuranta. Laboratoriotason valumavesitestit suoritettiin HAMKin Visamäen yksikössä. Koetta varten laboratorioon rakennettiin koroke kolmelle laatikolle, joista kasteluvesi pääsi valumaan pohjasta läpi (Kuva 1). Opinnäytetyössä tutkittiin eri-ikäisten ten valumaa kahden viikon kertymänäytteenä. Testauksessa oli mukana mädätysjäännöksiä kahdelta eri biokaasulaitokselta, yhteiskäsittelylaitos ja biojätettä käsittelevä laitos. Kuva 1. Valumavesikokeen koejärjestely (kuva: Anni Pihkamäki) Opinnäytetyön tulokset esitettiin Bioliike-hankkeen ohjausryhmän palaverissa Palaverissa tuli keskusteluun biojäte- ja lietepohjaisten ten mahdollinen erilainen ravinnevalumakäyttäytyminen kasavarastoinnin aikana. Tämän perusteella päätettiin toistaa koe käyttäen puhtaita biojäte- ja lietepohjaisia mädätysjäännöksiä sekä ottaa näytteet 14 vuorokauden jälkeen (kuten opinnäytetyössä), mutta myös 28 vuorokauden jälkeen. Kolmantena näytteenä käytettiin näiden ten seosta. 2 KOEJÄRJESTELY Valumavesikokeen koejärjestely suoritettiin vastaavasti kuin Pihkamäen opinnäytetyössä. Punnittiin 1 kg tuoretta tä (seoksella vain 7,7, josta 53 % oli biojätepohjaista tä). Laatikoiden pohjassa olevan reiän kohdalle sijoitettiin valumaveden keräilyä varten 2 l säilöpullot, jotka vaihdettiin 14 vrk:n kohdalla. Koe suoritettiin hyvin ilmastoidussa sisätilassa, lämpötila oli koejakson ajan n. 24 ºC. Koekasat kasteltiin arkipäivisin 525 ml vesijohtovettä. Kastelumäärä oli laskettu vuoden 212 keskimääräisen kuukausittaisen sademäärän mukaan (52 mm/kk). 1

4 litraa Koekasoista otettiin näytteet 14 vuorokauden jälkeen. Kasteluun oli käytetty yhteensä 4,73 l vettä. Kasoja kasteltiin vielä toiset kaksi viikkoa, jolloin kasteluun oli käytetty yhteensä 9,45 l vettä. Kuten opinnäytetyössä myös 14 vuorokauden aikana haihtuneen veden osuus kasteluvedestä oli suuri %. 2 vuorokauden jälkeen vesi alkoi kerääntymään laatikoihin. Kokeen lopussa 28 vuorokauden jälkeen haihtuneen veden osuus kasteluvedestä oli %. Kasteluvedestä vain pieni osa muodosti valumaveden. 14 vuorokauden aikana valumaa oli muodostunut,6-1,28 l (13-27 % kasteluvedestä), 28 vuorokauden jälkeen tilanne oli tasaisempi 3,6-3,8 l (36-4 %) alussa 14 vrk alussa 14 vrk alussa 14 vrk Valumavesi Mädätysjäännöksen vesi Haihtunut vesi Kasteluvesi Kuva 2. Biojäte (vas.), seos ja lietepohjaisen mädätysjäännöksen vesitase 14 vrk kohdalla (haihtunut vesi laskettu lisätyn veden, alkukosteuden, valuman ja loppukosteuden perusteella.) 21 vuorokauden jälkeen biojätepohjaisessa mädätysjäännöksessä oli huomattavissa hometta. Vettä alkoi kertyä kaikkiin laatikoihin, vesi ei valunut laatikon pohjassa olevasta reiästä, mutta se ei imeytynyt täydellisesti mädätysjäännökseen. Tämä on todennäköisesti seurausta laatikon pohjassa olevan reiän tukkeutumisesta. Muutama päivä ennen kokeen loppua biojätepohjaisessa mädätysjäännöksessä alkoi näkyä banaanikärpäsiä. 3 ANALYYSIT Analyysit suoritettiin kokeeseen käytetyistä mädätysjäännöksistä ennen kokeen aloittamista. Kasoista otettiin näyte samalla kuin valumavedestä. Valumavesinäytteestä tutkittiin ph, kiinto-aine (SFS-EN 872), kokonais- ja liukoinen kemiallinen (Hach Lange LCK 514) ja biologinen hapenkulutus (Oxitop ), ammonium-, liukoinen ja kokonaistyppi (Kjeldahl) sekä liukoinen ja kokonaisfosfori (SFS-EN ISO 6878:24). Mädätysjäännöksestä tutkittiin kuiva-aineen ja orgaanisen aineen pitoisuus (SFS 38), ammonium-, liukoinen ja kokonaistyppi sekä liukoinen ja kokonaisfosfori. 2

5 Liukoista kemiallista hapenkulutusta varten näytteet suodatettiin (<,2µm) ruiskusuodattimella. Liukoisen typen ja fosforin määritystä varten näytteet uutettiin standardin SFS-EN mukaan, käyttäen uuttosuhdetta 1:1. Liukoista fosforin määritystä varten valumavesinäytettä ei uutettu, mutta se suodatettiin standardin SFS-EN mukaan. Biologinen hapenkulutus määritettiin Oxitop -laitteistolla. Määrityksessä käytettiin 1 ml säilöpulloja, sekä 1 ml ja 2 ml näytemääriä. Määritys suoritettiin 2 ºC lämpötilassa 7 vuorokauden ajan. Menetelmänä käytettiin paineen muutosta. Hiilidioksidin vastaanottoliuoksena käytettiin 8 ml 2 M NaOH-liuosta. Oxitop-määrityksen jälkeen NaOH-liuos titrattiin 1 M HCl-liuoksella. Tulosten vertailuksi biologinen hapenkulutus laskettiin myös titraukseen kuluneen HCl-liuoksen perusteella. 4 TULOKSET 4.1 Mädätysjäännöksen kuiva-aine ja orgaaninen aines Mädätysjäännöksestä tehtiin alkutilanteesta ja valumavesinäytteiden oton yhteydessä kuiva-aineen ja orgaanisen aineksen määritykset. oli selvästi kuivempaa (TS 24 %) kuin lietepohjainen (31 %). Myös VS/TS-suhteessa oli merkittävä ero, biojätepohjaisella mädätysjäännöksellä suhde oli 78 % ja lietepohjaisella 48 %. TS ja VS määritystä ei tehty alussa seokselle, vaan sen pitoisuudet laskettiin biojäte- ja lietepohjaisten ten perusteella. 35% 3% 25% 2% 15% 1% 5% % TS VS Kuva 3. Mädätysjäännösten kuiva-aineen ja orgaanisen aineksen pitoisuudet alussa ja 14 vrk jälkeen. Mädätysjäännöksen kosteus oli koejakson lopulla alkutilanteen kaltainen. Tämän perusteella voidaan olettaa, että kasteluvesi, joka ei muodostanut valumavettä, haihtui kasasta nopeasti. 3

6 mg/kgts (alkuperäinen) 4.2 Valumaveden kiintoainepitoisuus Valumavesinäytteet sisälsivät paljon kiintoainesta, jonka takia näytemääräksi analyysiin valittiin 25 ml yht yht yht. Kuva 4. Kiintoainevalumat (mg suhteessa mädätysjäännöksen alkuperäiseen kuiva-ainemäärään kgts) Kiintoainetta irtosi eniten lietepohjaisesta mädätysjäännöksestä, yhteensä 46 mg/kgts, biojätepohjaisesta ja seoksesta kiintoainetta irtosi vajaat 4 mg/kgts. Liete-ja biojätepohjaisilla mädätysjäännöksillä kiintoaineen määrä valumassa kasvoi toiseen näytteenottoon. Biojätepohjaisella mädätysjäännöksellä toisessa näytteessä oli 4 % enemmän kiintoainetta kuin ensimmäisessä, lietepohjaisella mädätysjäännöksellä toiseen näytteeseen kertyi melkein 3 kertaa enemmän kiintoainetta. Seoksen kohdalla tilanne oli päinvastainen, toisessa näytteessä oli 3 % vähemmän kiintoainetta kuin ensimmäisessä. Nyt suoritetun kokeen aikana muodostuneet kiintoainevalumat olivat selvästi alhaisempia kuin opinnäytetyössä tutkittujen ten. Suurimmat kiintoainevalumat opinnäytetyössä tuli biojätettä käsittelevän laitoksen tuoreesta mädätysjäännöksestä (1 2 mg/kgts). 4.3 Valumaveden hapenkulutus (COD ja BOD7) Valumakertymän kokonaishapenkulutus (COD) oli kaikissa näytteissä suurempi vuorokauden välillä kuin ensimmäisen 14 vuorokauden aikana. Tähän vaikuttaa osaltaan näytteiden suurempi kiintoainepitoisuus. Huomattavin muutos hapenkulutuksessa oli biojätepohjaisella mädätysjäännöksellä, vuorokauden kertymänäytteessä oli n. 6 kertaa enemmän COD:ta kuin - 14 vuorokauden kertymänäytteessä. Jälkimmäisessä näytteessä oli n. 1 kertaa enemmän liukoista COD:tä ja n. 4 kertainen määrä BOD7:tä. 4

7 go2/kgts (alkuperäinen) Lietepohjaisen mädätysjäännöksen toisessa näytteessä oli n. 25 % enemmän liukoista ja kokonais-cod:tä kuin ensimmäisessä. Toisen näytteen BOD7 oli n. 1,5-kertainen ensimmäiseen näytteeseen verrattuna. Pienintä muutos ensimmäisen ja toisen näytteen COD ja BOD7 tuloksissa oli seoksella. Toisen näytteen COD oli 5 % a BOD7 12 % suurempi kuin ensimmäisen näytteen yht yht yht. COD tot COD sol BOD7 Kuva 5. Valumavesinäytteiden kemiallinen ja biologinen hapenkulutus. (mg suhteessa mädätysjäännöksen alkuperäiseen kuiva-ainemäärään kgts) Koejakson aikana biojätepohjaisen mädätysjäännöksen valumassa oli selvästi enemmän COD:tä kuin lietepohjaisella mädätysjäännöksellä. BOD:n osuus COD:stä oli biojätepohjaisen mädätysjäännöksen valumassa 21 %, Seoksella valumassa 3 % ja lietepohjaisella mädätysjäännöksellä 32 %. Pihkamäen opinnäytetyössä biojätepohjaista tä vastaavan mädätysjäännöksen valumien COD ja BOD tulokset olivat hieman korkeampi kuin nyt 14 vrk:n kohdalla. Tässä biojätepohjaisen mädätysjäännöksen CODtot 14 vuorokauden kohdalla oli 1,8 go2/kgts, CODsol,8 go2/kgts ja BOD7,5 go2/kgts, kun ne opinnäytetyössä biojätettä käsittelevän laitoksen tuoreella näytteellä olivat CODtot 2,2 go2/kgts, CODsol 1,8 go2/kgts ja BOD7 1 go2/kgts. Opinnäytetyössä COD tulos oli biojätettä käsittelevällä laitoksella 46 % korkeampi kuin yhteiskäsittelylaitoksella. Tulos oli siis samansuuntainen kuin tässä työssä: biojätepohjainen johtaa suurempiin orgaanisen aineksen valumiin kuin lietepohjainen. 4.4 Typen valumatarkastelu Mädätysjäännöksistä typpimääritys tehtiin ainoastaan biojäte- ja lietepohjaisille, seoksen pitoisuudet laskettiin näiden perusteella (Kuva 6). sisälsi selvästi enemmän typpeä kuin lietepoh- 5

8 gn/kgts (alkuperäinen) jainen. Lietepohjaisessa mädätysjäännöksessä oli vain 4 % biojätepohjaisen mädätysjäännöksen typpipitoisuudesta. Biojätepohjaisella mädätysjäännöksellä liukoisen typen osuus kokonaistypestä (14 %) oli hieman korkeampi kuin lietepohjaisella mädätysjäännöksellä (12 %). Tässä määritetyt biojätepohjaisen mädätysjäännöksen typpipitoisuudet olivat korkeampi kuin opinnäytetyössä vastaavan näytteen. Opinnäytetyössä ammoniumtyppi oli 55 % nyt tutkitun näytteen ammoniumtyppipitoisuudesta, kokonaistyppi 78 % ja liukoinen vain 16 %. Opinnäytetyössä tutkitun yhteiskäsittelylaitoksen tuoreen mädätysjäännöksen tulokset vastaavat nyt tutkitun lietepohjaisen mädätysjäännöksen typpipitoisuuksia kokonaistyppi liukoinen typpi ammoniumtyppi Kuva 6. Mädätysjäännöksen kokonais-, liukoinen ja ammoniumtyppi kokeen alussa. (Seoksen pitoisuudet laskettu biojäte-ja lietepohjaisten pitoisuuksista.) Valumavesinäytteistä määritettiin ainoastaan kokonais- ja ammoniumtyppi, oletuksena, että suurin osa valuman liukoisesta typestä on ammoniummuotoista. Kaikissa valumanäytteissä vrk:n näytteessä typpipitoisuudet olivat korkeampi kuin - 14 vrk näytteessä. Biojätepohjaisella mädätysjäännöksellä ero oli suurin, jälkimmäinen näyte sisälsi n. 5,5 kertaa enemmän typpeä kuin ensimmäinen. Seoksella toisessa näytteessä oli 13 % ja lietepohjaisella mädätysjäännöksellä 47 % enemmän typpeä kuin ensimmäisessä. 6

9 gn/kgts (alkuperäinen) yht yht yht. kokonaistyppi ammoniumtyppi Kuva 7. Valumien ammonium- ja kokonaistyppimäärät. (gn suhteessa mädätysjäännöksen alkuperäiseen kuiva-ainemäärään kgts) Mädätysjäännöksessä alussa olleesta kokonaistypestä poistui valumien myötä 28 vrk:n aikana vain 4-6 %. Lietepohjaisen mädätysjäännöksen valuman mukana poistui selvästi vähemmän typpeä kuin muiden. Valumavesien ammoniumtypen osuus kokonaistypestä oli kaikilla näytteillä n %. Pihkamäen opinnäytetyössä olleessa biojätettä käsittelevän laitoksen mädätysjäännöksessä oli vähemmän typpeä kuin nyt tutkitussa vastaavassa mädätysjäännöksessä, joten myös valuman typpimäärät olivat alhaisempia kuin nyt 14 vuorokauden tulokset. Opinnäytetyössä valumien ammoniumtypen osuus kokonaistypestä oli n. 68 % ja valuman kokonaistypen osuus mädätysjäännöksen kokonaistypestä oli 1 %. Nyt tukitulla biojätepohjaisella mädätysjäännöksellä valuman kokonaistypen osuus mädätysjäännöksen kokonaistypestä 14 vuorokauden kohdalla oli,8 %. 4.5 Fosforin valumatarkastelu Fosforimääritys tehtiin ainoastaan biojäte- ja lietepohjaiselle mädätysjäännökselle, näiden perusteella laskettiin seoksen pitoisuudet. sisälsi selvästi enemmän fosforia kuin biojätepohjainen. Biojätepohjaisen mädätysjäännöksen kokonaisfosfori oli 37 % pienempi kuin lietepohjaisen. Biojätepohjaisella mädätysjäännöksellä suurempi osa fosforista oli liukoista kuin lietepohjaisella. Biojätepohjaisella mädätysjäännöksellä liukoisen fosforin osuus kokonaisfosforista oli,23 %, kun se lietepohjaisella mädätysjäännöksellä oli vain,5 %. Opinnäytetyössä mädätysjäännöksessä oli vain 35 % nyt tutkitun näytteen fosforista. Tässä testattu biojätepohjainen sisälsi huomat- 7

10 tot mgp/kgts (alkuperäinen) liuk. mgp/kgts (alkuperäinen) tavasti vähemmän fosforia kuin opinnäytetyössä ollut vastaava näyte. Liukoisen fosforin osuus oli suurempi kuin nyt tutkitussa, opinnäytetyössä 6,4 % ja nyt,23 %. Yhteiskäsittelylaitoksen mädätysjäännöksessä oli enemmän (41 %) fosforia, kuin biojätettä käsittelevän laitoksen mädätysjäännöksessä, liukoisen fosforin osuus tästä oli vain,78 % Biojäte- ja lietepohjaisen mädätysjäännöksen seos Kokonaisfosfori liukoinen fosfori Kuva 8. Mädätysjäännöksen kokonais-, liukoinen fosfori kokeen alussa. (Seoksen pitoisuudet laskettu biojäte-ja lietepohjaisten pitoisuuksista.) Valumavesinäytteistä määritettiin molempien näytteenottojen yhteydessä sekä kokonais- että liukoinen fosfori. Biojätepohjaisella mädätysjäännöksellä ja seoksella näyte sisälsi enemmän fosforia kuin ensimmäinen näyte. Biojätepohjaisella toisen näytteen kokonaisfosfori oli 4 kertaa suurempi kuin ensimmäinen ja seoksella 42 %. Lietepohjaisella mädätysjäännöksellä molempien valumien fosforitulokset olivat melkein sama, eroa vain 2 %. Liukoisten näytteiden kohdalla biojätepohjaisen mädätysjäännöksen toinen näyte sisälsi n. 3 kertaa enemmän fosforia kuin ensimmäinen, seoksella 4 % enemmän ja lietepohjaisella liukoinen fosfori oli 9 % suurempi toisessa kuin ensimmäisessä näytteessä. Liukoisen ja kokonaisfosforin suhde valumavesinäytteissä oli välillä,5 -,55. 8

11 mgp/kgts (alkuperäinen) yht yht yht. Kokonaisfosfori liukoinen fosfori Kuva 9. Valumien liukoinen- ja kokonaistyppi. (mgp suhteessa mädätysjäännöksen alkuperäiseen kuiva-ainemäärään kgts) Vaikka lietepohjaisessa mädätysjäännöksessä on eniten fosforia, niin siitä liuenneen fosforin määrä oli koejakson näytteistä alhaisin. Biojätepohjaisella mädätysjäännöksellä fosforista selvästi suurempi osa on liukoista. Biojätepohjaisen mädätysjäännöksen valumassa ollut kokonaisfosfori on,8 % mädätysjäännöksen alkutilanteen fosforista, seoksella,5 % ja lietepohjaisella mädätysjäännöksellä vain,4 %. Opinnäytetyössä biojätepohjaisen mädätysjäännöksen valumaa vastaavan näytteen fosfori 14 vuorokauden kohdalla (25 mgp/kgts) oli hieman suurempi kuin nyt (21 mgp/kgts). Liukoisen fosforin osuus kokonaisfosforista oli molemmissa tapauksissa 7 %. Yhteiskäsittelylaitoksen tuoreen näytteen valumavedessä oli vain 42 % biojätettä käsittelevän laitoksen mädätysjäännöksen valuman kokonaisfosforista. Sekä tässä kokeessa että opinnäytetyössä pienimmät mädätysjäännöksen fosforipitoisuudet on biojätepohjaisella mädätysjäännöksellä. Tästä kuitenkin suurempi osuus on liukoista. Tämän seurauksena biojätepohjaisen mädätysjäännöksen valumien fosforipitoisuudet ovat suurempia kuin muiden testattujen ten. Opinnäytetyössä yhteiskäsittelylaitoksella valuman kokonaisfosforin osuus mädätysjäännöksen kokonaisfosforista oli,14 %, kun se biojätettä käsittelevällä laitoksella oli,45 % 5 JOHTOPÄÄTÖKSET Mädätysjäännösten kuiva-ainepitoisuus muuttui vain hieman kokeen aikana ja valumavettä muodostui lisätystä kasteluveden määrästä vain %, joten suurin osa kasteluvedestä haihtui näissä koeolosuhteissa. Tätä tulosta vastaava havainto oli tehty myös ulko-olosuhteissa olleen kasan seurannassa: suurin osa sadevedestä hetkeksi pidättyi ja haihtui kasalta. 9

12 Koejakson tulosten perusteella biojätepohjaisesta mädätysjäännöksestä irtoaa selvästi enemmän orgaanista ainesta kuin lietepohjaisesta mädätysjäännöksestä: valumaveden sekä kemiallinen että biologinen hapenkulutus (COD ja BOD) oli suurempi biojätepohjaisesta kasasta. Mitä enemmän mädätysjäännöksessä on typpeä ja mitä suurempi osa siitä on liukoisessa muodossa niin sitä suuremmat typpipitoisuudet valumaveteenkin muodostuu. Suurin osa valumaveden kokonaistypestä on ammoniummuotoista. Tässä, valumaveden mukana biojätepohjaisesta mädätysjäännöksestä poistui kokonaistypestä vain noin 4-6 % 28 vuorokauden aikana, ja lietepohjaisesta vielä vähemmän. Liukoisesta typestä tämä määrä on selvästi merkittävämpi, eli liukoisesta typestä menetettiin n. 4-5 %. Fosforivalumat ovat tutkimuksen perusteella olemattoman pienet. Valumaveden pitoisuuteen ei niinkään vaikuta mädätysjäännöksen kokonaisfosforipitoisuus kuin sen liukoinen fosfori. Lietenäytteen kokonaisfosfori oli koejakson suurin, liukoinen fosfori koejakson alhaisin, ja sen valumaveden fosforipitoisuudet olivat koejakson vähäisimmät (,4 % mädätysjäännöksen kokonaisfosforista). Biojätepohjaisella mädätysjäännöksellä taas kokonaisfosfori oli koejakson alhaisin, mutta liukoinen fosfori suurin, sen valumaveden fosforipitoisuus oli koejakson korkein (,8 % mädätysjäännöksen kokonaisfosforista). Tämä valumatulos tukee tietoa, että fosfori on puhdistamolietteessä huonosti liukenevassa muodossa, mikä johtaa myös alempiin fosforihäviöihin valumaveden mukana. Yleisesti ottaen fosforihäviöt valumaveden mukana jäivät tässä kuitenkin erittäin alhaisiksi, alle 1 % kokonaisfosforista. 1