Biojätteen kompostoinnin ja mädätyksen innovatiiviset prosessiyhdistelmät - KOMBI Biohiilikokeen raportti

Transkriptio

1 Biojätteen kompostoinnin ja mädätyksen innovatiiviset prosessiyhdistelmät - KOMBI Biohiilikokeen raportti Helsingin seudun ympäristöpalvelut -kuntayhtymä Samkommunen Helsingforsregionens miljötjänster Helsinki Region Environmental Services Authority

2 Helsingin seudun ympäristöpalvelut -kuntayhtymä Opastinsilta 6 A Helsinki puhelin faksi Lisätietoja Aino Kainulainen, puhelin aino.kainulainen@hsy.fi Copyright Kartat, graafit, ja muut kuvat: HSY Kansikuva: HSY 2

3 Tiivistelmä Biohiilen vaikutusta tunnelikompostointiprosessin tehokkuuteen ja ravinnevirtoihin tarkasteltiin kokeellisesti Ämmässuon jätteenkäsittelykeskuksen kompostointilaitoksella. Täyden mittakaavan kokeessa ei kyetty toistamaan kompostoinnin olosuhteita riittävän samanlaisina, jotta tulosten perusteella voitaisiin tehdä varmoja johtopäätöksiä. Tulokset tukevat oletusta siitä, että biohiili kiihdyttää kompostointiprosessia, vähentää sen hajuhaittoja ja auttaa sitomaan typpeä ja fosforia kompostimassaan. Poistoilman ammoniakkipitoisuuteen näyttäisi kuitenkin vaikuttavan biohiiltä enemmän muut tekijät, joita voidaan osin hallita prosessia ohjaamalla. Tekijä: Aino Kainulainen ja Pekka Mäkinen Pvm: Julkaisun nimi: KOMBI - Biohiilikokeen raportti Avainsanat: Biohiili, kompostointi, ravinteet Kieli: suomi Sivuja: 15 Helsingin seudun ympäristöpalvelut -kuntayhtymä PL 100, HSY, puhelin , faksi , 3

4 Abstract An experimental study was conducted to observe the effect of biochar on the effectiveness of and nutrient flows in a batch composting process at the Ämmässuo waste management center in Espoo, Finland. Because of varying conditions the study, conducted in full-scale, could not provide scientifically valid results. The results support the assumption that biochar accelerates the composting process, reduces odor problems and helps retain nutrients in the compost. However, the concentrations of ammonia in the exhaust air seem to be more influenced by other process variables, some of which can be controlled with process design. Author: Aino Kainulainen & Pekka Mäkinen Date of publication: Title of publication: KOMBI - Report on the biochar experiment Keywords: Biochar, composting, nutrients Language: Finnish Pages: 15 Helsinki Region Environmental Services Authority PO Box 100, HSY, Tel , Fax , 4

5 Sisällys 1 Johdanto 6 2 Menetelmät Koeasetelma Näytteenotto Tulokset Biohiilen vaikutus kompostointiprosessiin Biohiilen vaikutus typen virtoihin prosessissa Biohiilen vaikutus fosforin virtoihin prosessissa Johtopäätökset 14 5 Lähteet 15 5

6 1 Johdanto Biohiiltä voidaan valmistaa erilaisista biomassoista, esimerkiksi puista, ruohoista tai maatalousjätteistä pyrolyysimenetelmällä. Pyrolyysissä biomassa kuumennetaan hapettomissa oloissa hitaasti noin 500 C:een, jolloin siitä muodostuu biohiiltä. Kun biomassaa kuumennetaan hapettomissa oloissa ja matalissa lämpötiloissa, sen energiatiheys kasvaa. Biohiilen hiilipitoisuus on kaksinkertainen verrattuna tuoreen biomassan hiilipitoisuuteen (VTT 2014 ja Lehmann 2007). Kompostointiprosessin aikana suurin osa typpihävikistä tapahtuu kaasumaisina typpiyhdisteinä (Malinska 2014). Monissa tutkimuksissa on saatu näyttöä siitä, että biohiilen käyttö kompostoinnissa vähentää kompostoinnissa syntyvien kaasumaisten typpiyhdisteiden määrää, vähentää hajuhaittoja sekä lisää orgaanisen aineksen hajotusta (Malinska ym. 2014, VTT 2014 ja Vandecasteele ym. 2013). Malinskan ym. (2014) mukaan biohiilen lisäys (4 % kompostointimassan märkäpainosta) jäteveden lietteen ja puuhakkeen sekoituksen kompostointiin vähentää ammoniakin haihtumista kompostoinnin ensimmäisen viikon aikana sekä nostaa kompostin lämpötilaa. Toisaalta kokeiden toisen viikon aikana ammoniakin haihtuminen oli suurempaa komposteissa, joihin oli lisätty biohiiltä (Malinska ym. 2014). Merkittävämpiä vähennyksiä ammoniakkipäästöihin on saatu suuremmilla määrillä biohiiltä (Malinska ym. 2014). Biohileen lisäyksen (10 % kompostointimassan kuivapainosta) kompostoitavaan biojätemassaan on todettu myös vähentävän hiilidioksidi- ja metaanipäästöjä (Vandecasteele ym. 2013). Biohiilen kyky vähentää hajuongelmia ja kasvihuonekaasuja perustuu sen adsorptio-ominaisuuksiin (VTT 2014 ja Malinska ym. 2014). Kompostoitavan materiaalin korkea typpipitoisuus ja alhainen hiili/typpi-suhde lisäävät ammoniakin haihtumista (Malinska ym. 2014). Kotitalouksissa syntyvä biojäte on yleisesti hyvin typpipitoista, kun taas teollisuusbiojätteen typpipitoisuudet voivat vaihdella huomattavasti. Ämmässuolle kompostointiin tuotavasta biojätteestä noin 2/3 on kotitalousbiojätettä ja 1/3 on teollisuusbiojätettä (HSY 2011). Kompostoinnissa typen sitoutumisen kannalta ihanteellinen hiili/typpi-suhde on 20:1 ja 30:1 välillä (Malinska ym. 2014). Biohiilen lisäys kompostoitavaan biojätemassaan vaikuttaa sen hiili/typpi-suhteeseen, mutta biohiilen kemiallisen rakenteen takia kompostointiprosessin aikana käytettävässä muodossa olevan hiilen määrä pysyy samana (Steiner ym. 2010). Biojätteen typpi- ja fosforipitoisuudet vaikuttavat molempien ravinteiden hävikkiin, typpihävikkiin kaasuissa ja suotovedessä sekä fosforihävikkiin suotovedessä. Ravinnehävikit vaikuttavat edelleen biojätteestä valmistettavien lopputuotteiden koostumukseen. Biojätteestä valmistetaan hyötykäytettäviä lopputuotteita esimerkiksi lannoitteita, joissa ravinteiden tulisi olla kasveille helposti käytettävässä muodossa (HSY 2011). Alhainen ph kompostointiprosessin alkuvaiheessa saattaa rajoittaa prosessin tehokkuutta (Sundberg ym. 2010). Sundbergin ym. (2004) mukaan kompostin mikrobiaktiivisuuden aleneminen on yleinen ongelma, kun kompostin lämpötila on 46 C ja ph on alle 6. Mikrobiaktiivisuuden aleneminen alhaisissa ph lukemissa voi selittää viiveen kompostointiprosessin mesofiilisen ja termofiilisen vaiheen välissä (Sundberg 2004). Pääkaupunkiseudun biojätteistä tehtyjen kokoomanäytteiden perusteella käsiteltävän biojätteen ph on keskimäärin 5,3 (HSY 2011). Biojätteiden kompostointi on kuitenkin tehokkainta lähellä neutraaliolosuhteita (HSY 2011). Biohiilen ph on neutraali tai hieman emäksinen, joten sen lisääminen biojätteeseen nostaa kompostoitavan biojätemassan ph:ta (Malinska ym. 2014) ja tämän seurauksena sen pitäisi tehostaa kompostointiprosessia. Toimivan kompostointiprosessin loppuvaiheessa ph-arvot nousevat yleensä 8 9:ään (Sundberg ym. 2004). Sundbergin ym. (2011) mukaan kompostointiin menevän biojätemassan pharvojen tulisi olla yli 6. Tämä lisäisi kompostin mikrobiaktiivisuutta, jonka seurauksena ph-arvot nousisivat (Sundberg ym. 2011). Alhaiset ph-arvot kompostointiprosessin alkuvaiheessa lisäävät myös hajuhaittoja (Sundberg ym. 2004). 6

7 Biohiilen lisääminen vaikuttaa kompostin fysikaalisiin ja kemiallisiin ominaisuuksiin ja sitä kautta myös mikrobiyhteisön rakenteeseen (Jindo ym. 2012). Wein ym. (2012) mukaan biohiilen lisääminen aiheuttaa muutoksia yksittäisissä mikrobiheimoissa ja mikrobiyhteisön monimuotoisuudessa. Esimerkiksi maaperän mikrobeihin suurin vaikutus on heti biohiilen lisäyksen jälkeen (VTT 2014). Biohiilen aiheuttama mikrobiyhteisön muutos riippuu myös biojätteen koostumuksesta (Jindo ym. 2012). Muutokset kompostin fysikaalisissa ja kemiallisissa ominaisuuksissa sekä mikrobiyhteisössä vaikuttavat mikrobien metaboliatuotteiden määriin. Kompostoinnissa tämä tarkoittaa sitä, missä muodossa esimerkiksi ravinteet esiintyvät. Tällä on edelleen merkitystä ravinteiden sitoutumiseen ja typen haihtumiseen. Tutkimusten perusteella pääkaupunkiseudulla asuinkiinteistöistä ja palvelutoimialoilta erilliskerätyn biojätteen koostumus vaihtelee merkittävästi (HSY 2011), mistä voi seurata vaihtelua kompostointiprosessin eri vaiheissa. 7

8 2 Menetelmät 2.1 Koeasetelma Biojätteen kompostoinnissa biojätemassaan lisätään tukiainetta, jotta biojätemassa pysyy ilmavana ja siten mikrobitoiminta aerobisena. Ämmässuolla tukiaineena käytetään risuhaketta, puuhaketta ja kierrätystukiainetta. Tukiainetta lisätään biojätemassaan siten, että tukiaineen osuus kokonaistilavuudesta on noin 50 prosenttia. Painoprosentteina tukiaineen määrä on noin 33 prosenttia kokonaismassasta. Yleisesti tukiainetta lisätään siten, että tukiaineseoksessa on risuhaketta, puuhaketta ja kierrätystukiainetta tilavuussuhteessa 2:3:10. Biohiilitutkimus suoritettiin Espoossa Ämmässuon jätteenkäsittelykeskuksessa. Tutkimuksen kompostointiosio tapahtui samoissa kompostointitunneleissa ja samassa mittakaavassa kuin biojätteen kompostointi yleensä. Tutkimuksessa verrattiin kahta kontrollitunnelia, joiden kompostointiprosessin ajo tapahtui normaalisti ja kahta kompostointitunnelia, joiden ajo tapahtui samalla tavalla, mutta tukiaineen puuhake oli korvattu biohiilellä. Käytetty biohiili oli grillihiilituotannossa syntyvää sivutuotetta. Hiili vaihteli kokojakaumaltaan hienojakoisesta pölystä noin 3 cm pitkiin lastuihin (Kuva 1) ja oli valmistettu pyrolyysilla sekapuusta. Kuva 1. Kokeessa käytettyä biohiiltä Biohiilen prosenttiosuudet kokonaismassasta olivat 3,98 % ja 1,71 % (Taulukko 1). Biojätemassan kompostointi tapahtui 28 x 5 x 6 m kompostointitunneleissa. Tunnelit täytettiin noin puolilleen niiden kokonaistilavuudesta. Biojätteen, tukiaineen ja biohiilen massat löytyvät taulukosta 1. Kompostointiprosessi tunneleissa kesti yhteensä 14 päivää. Biojätemassa käännettiin ja samalla siirrettiin toiseen tunneliin prosessin seitsemäntenä päivänä. Kompostointitunnelivaiheen jälkeen biojätemassa seulottiin ja se siirrettiin jälkikompostointiin. 8

9 Taulukko 1. Biojätteen, tukiaineen ja biohiilen massat panoksissa Panos V1 V2 B1 B2 Biojätteen massa (t) 195,30 182,30 169,60 185,10 Tukiaineen massa (t) 71,55 72,05 89,90 74,50 Kokonaismassa (t) 266,85 254,35 259,50 259,60 Biohiilen massa (t) 10,33 4,43 Biohiilen osuus (m-%) 3,98 1, Näytteenotto Kompostointitunneleiden kiertoilmasta mitattiin haihtuneen ammoniakin määrä. Haihtuneen ammoniakin määrä mitattiin Dräger -ilmaisinputkien ja -pumpun avulla. Kiertoilmatunneleista suljettiin raitisilmasyöttö näytteenoton ajaksi. Ammoniakkimittaukset suoritettiin kahdesti päivässä aamulla noin kello 8:30 ja iltapäivällä noin kello 14:30. Ammoniakkia mitattiin koko kompostointitunnelivaiheen ajan. Kompostointitunneleiden kiertoilmasta otettiin myös hajunäytteet. Näytteet otettiin tunneleista toisen tai kolmannen vuorokauden alussa. Hajunäytteet otettiin näytepusseihin alipainepumpun avulla ja lähetettiin Nap Labs Oy:n laboratorioon käsiteltäväksi. Kompostointitunneleiden suotovedestä määritettiin ph, kemiallinen hapenkulutus, ammonium, kokonaistyppi, fosfaattifosfori ja kokonaisfosfori. Kompostien suotovesinäytteet otettiin kompostointitunneleiden peräpoteroista. Poteron lattiakaivoon asennettiin kaulus, joka pidätti suotovettä poterossa. Tämä oli välttämätöntä näytteiden saamiseksi, mutta samalla aiheutti sen, että kukin näyte koostuu näytteenottohetkeen saakka kertyneestä suotovedestä eikä siten tarjoa täsmällistä kuvaa suotoveden ominaisuuksista tietyllä ajanhetkellä. Poterossa seisovassa suotovedessä voidaan myös olettaa tapahtuneen orgaanisen aineksen hajoamista. Poteroiden luukkuihin asennettiin venttiili, jonka kautta suotovesinäyte saatiin pumpattua. Suotovettä pumpattiin noin kaksi litraa ja siitä otettiin 500 ml osanäyte. Suotovesinäyte otettiin kahdesti päivässä kompostoinnin ensimmäisen viikon ajan, aamulla noin kello 8:30 ja iltapäivällä noin kello 14:30. Suotovesinäytteitä otettiin vain kokeen ensimmäisen viikon ajan, koska kompostointiprosessissa suotovettä oletettiin muodostuvan suurempia määriä vain kompostoinnin alkuvaiheessa. Näytteet toimitettiin päivittäin MetropoliLab Oy:n laboratorioon, joka suoritti näytteiden käsittelyn. Kompostointitunneleiden massasta märitettiin kokonaiskiintoaineen määrä, orgaanisen aineen määrä, kokonaistyppi, NH 4 /NO 3 -suhde, kokonaisfosfori, fosfaattifosfori, ph, hiili/typpi-suhde ja hiilidioksidin tuotto. Kompostimassaa kerättiin kolmesta kohtaa tunnelia, jotta suuresta tunnelista saatiin mahdollisimman edustava näyte. Osanäytteet otettiin tunnelin alusta, kun tunnelia oli tyhjennetty 1/4 ja tunnelin puolesta välistä. Tunnelin alusta, missä kompostipatja on matalampi, näytettä otettiin neljä lapiollista ja muista kohdista, missä patjan korkeus oli maksimissaan, molemmista kuusi lapiollista 60 litran saaviin. Osanäytteet sekoitettiin saavissa ja sekoitetusta kompostimassasta otettiin pienempi kuuden litran näyte käsittelyä varten (Kuva 2). Näytteet otettiin biojätemassan kääntämisen yhteydessä seitsemäntenä päivänä sekä tunnelista poistamisen yhteydessä neljäntenätoista päivänä. Kompostimassanäytteiden käsittelyn suoritti MetropoliLab. 9

10 Kuva 2. Kompostinäytteiden ottamiseen käytetyt välineet 10

11 3 Tulokset 3.1 Biohiilen vaikutus kompostointiprosessiin Eniten biohiiltä sisältänyt panos B1 saavutti tavoitelämpötilan puoli vuorokautta muita panoksia aiemmin. Tämä ja se, että kokeen lopussa kyseisen panoksen CO 2 -tuotto oli muita alhaisempaa (1,4 mgco 2 /gvs/vrk, muiden vaihdellessa välillä 7,5-24,7 mgco 2 /gvs/vrk), viittaavat siihen, että biohiili on tehostanut orgaanisen aineksen hajoamista prosessissa. Tarkasteltaessa panosten massaa prosessin eri vaiheissa voidaan todeta panoksen B1 hajoamisen painottuvan ensimmäiseen koeviikkoon, massahävikin jakautuessa muiden panosten kohdalla tasaisemmin koko koejaksolle (Taulukko 2). Mitattaessa panosten kypsyyttä NO 3 /NH 4 -suhteella ei saatu luotettavia tuloksia NO 3 -pitoisuuksien pysytellessä pääosin määritysrajan alapuolella. Taulukko 2. Panosten massat kokeen eri vaiheissa (t) ja niiden muutokset (%) V1 V2 B1 B2 kokeen alussa 266,85 254,35 259,50 259,45 7. päivänä 206,55 213,05 176,50 197, päivänä 171,55 158,70 178,10 159,50 muutos 1. viikolla (%) -22,60-16,24-31,98-23,99 muutos 2. viikolla (%) -16,95-25,51 0,91-19,12 muutos kokeen aikana (%) -35,71-37,61-31,37-38,52 Panoksen V2 poistoilmanäytteen hajupitoisuus oli HY/m 3 kun se biohiilipanoksilla oli HY/m 3 (B1) ja HY/m 3 (B2). Hajun kuvailussa ei ollut eroa panosten välillä vaan kaikissa toistuivat mm. säilörehun ja virtsan tai likaveden tuoksu. Panoksesta V1 ei saatu hajunäytettä. 3.2 Biohiilen vaikutus typen virtoihin prosessissa Ammoniakkimittausten tulokset vaihtelivat panosten välillä radikaalisti (Kuva 3). Vaihtelu johtunee suurelta osin siitä, ettei olosuhteita kyetty täyden mittakaavan laitoksessa toistamaan identtisinä. Panoksen kosteus lähtötilanteessa oli riippuvainen vallitsevasta säästä ja sen voidaan olettaa vaihtelevan. Panoksen liiallinen kosteus myös vaikeutti ammoniakinmääritystä ensimmäisellä viikolla (Kuva 4). Tämä korostui erityisesti panoksen B1 tapauksessa. Kompostointiprosessia hallitseva automaatiojärjestelmä ei myöskään toiminut virheettömästi. Panos V1 on ammoniakkipiikin aikana 4 C lämpimämpi kuin muut panokset, mikä vaikuttaa haihtumiseen. Toisaalta myös panoksen ph oli toista verrokkia korkeampi. Panoksen B2 postoilman ammoniakkipitoisuuden vaihtelut toisella koeviikolla (Kuva 3) puolestaan liittynevät raitisilmasyötössä tapahtuneeseen toimintahäiriöön, josta johtuen panoksen lämpötila vaihteli. 11

12 Kuva 3. Poistoilman ammoniakkipitoisuus panoskohtaisesti ajan funktiona Kuva 4. Ilmankosteuden vaikutus Dräger-mittauksen onnistumiseen. Ylimpänä onnistunut mittaus ja sen alla samasta tunnelista peräkkäisenä ajanhetkenä otettu mittaus(v2, 5.päivä), missä näkyy veden valumat määritysputken pintaa pitkin. Alimpana määritysputki, josta indikaattoriväri on kokonaan huuhtoutunut pois (B1, 2.päivä). 12

13 Toisen viikon aikana biohiilipanokset ovat menettäneet selkeästi vähemmän kokonaistyppeä verrokkeihin nähden (Taulukko 3). Vaikka panoksen V2 ammoniakkipäästöt olivat pienet, on sen menettämä kokonaistyppi toisen koeviikon aikana yhtä suuri kuin panoksen V1. Tämä viittaa siihen, että panoksesta on vielä toisellakin viikolla syntynyt suotovettä. Suotoveden typpipitoisuudet olivat panoksella V2 pääosin muita korkeammat ensimmäisellä koeviikolla, kun taas panoksessa B1 kokonaistypen määrä suotovedessä oli alhaisempi muihin verrattuna. Taulukko 3. Kokonaistypen määrä (mg/kgts) kompostinäytteissä Panos V1 V2 B1 B2 Näyte , , , ,00 Näyte , , , ,00 muutos -3000, , ,00 0,00 % -13,64-13,64-4,76 0, Biohiilen vaikutus fosforin virtoihin prosessissa Biohiili nopeutti prosessin ph:n nousua neutraaliksi. Tämä korreloi käänteisesti melko hyvin suotoveteen päätyneen fosforin määrän kanssa (Kuva 5). Kuva 5. Panosten suotoveden ph:ta (vas) ja kokonaisfosforin käänteislukua (oik) kuvaavat käyrät. Panos V2 on menettänyt muita panoksia enemmän fosforia toisen kompostointiviikon aikana. Samoin kuin typen tapauksessa, sen suotoveden fosforipitoisuudet olivat ensimmäisen viikon lopulla muita panoksia korkeammat. Panos V2 oli ensimmäisen viikon jälkeen muita kosteampi ja suotovettä voidaan olettaa muodostuneen kompostoinnin toisella viikolla. 13

14 4 Johtopäätökset Vähäisestä toistosta ja näytemäärästä sekä koeolosuhteiden vaihtelusta johtuen ei kokeen perusteella voida tehdä tieteellisesti päteviä johtopäätöksiä. Tulokset kuitenkin tukevat oletusta siitä, että biohiili kiihdyttää kompostointiprosessia, vähentää sen hajuhaittoja ja auttaa sitomaan typpeä ja fosforia kompostimassaan. Tulokset viittaavat siihen, että poistoilman ammoniakkipitoisuuteen vaikuttavat biohiiltä enemmän muut tekijät, joita voidaan osin hallita prosessia ohjaamalla. Toisaalta Dräger-ilmaisinputket osoittautuivat epäluotettavaksi menetelmäksi määrittää poistoilman ammoniakkipitoisuutta ilman ollessa kosteaa. Lisäksi määritykseen käytettävä kaasumäärä on varsin pieni ja määritys tarjoaa hyvin lyhytkestoisen (10 s - 1 min) tilannekuvan pitoisuuteen, jonka voidaan olettaa vaihtelevan eri ajanhetkinä. Jatkuvatoimisen menetelmän käyttämistä kannattanee harkita luotettavan arvion saamiseksi ammoniakkipitoisuudesta jatkossa. 14

15 5 Lähteet HSY 2011: Pääkaupunkiseudun biojätteen koostumus Kotitalouksien ja palvelutoimialojen erilliskerätyn biojätteen lajittelututkimus. Jindo K., Sanchez-Monedero M. A., Hernandez T., Garcia C., Furukawa T., Matsumoto K., Sonoki T., Bastida F. 2012: Biochar influences the microbial community structure during manure composting with agricultural wastes Science of the Total Environment Vol. 416 s: Lehmann 2007: A handful of carbon Nature Vol. 447, s: Malinska K., Zabochincka-Swiatek M., Dach J. 2014: Effets of biochar amendment on ammonia emission during composting of sewage sludge Ecological Engineering Vol. 71 s: Steiner C., Das K.C., Melear N., Lakly D. 2010: Reducing nitrogen loss during poultry litter composting using biochar Journal of Environmental Quality Vol. 39, s: Sundberg C., Franke-Whittle I. H., Kauppi S., Yu D., Romantschuk M., Insam H., Jönsson H. 2011: Characterisation of source-separated household waste intended for composting Bioresource Technology Vol. 102, s: Sundberg C., Smårs S., Jönsson H. 2004: Low ph as an inhibiting factor in the transition from mesophilic to thermophilic phase in composting Bioresource Technology Vol. 95 s: Vandecasteele B., Mondini C., D hose T., Russo S., Sinicco T., Quero Alba A. 2011: Effect of biochar amendment during composting and compost storage on greenhouse gas emissions, N losses and P availability siteerattu , saatavilla: VTT 2014: Hidaspyrolyysituotteiden hyödyntäminen ja tuotannon kannattavuus, biohiili ja tisle, s:

16 Helsingin seudun ympäristöpalvelut -kuntayhtymä PL 100, HSY, Opastinsilta 6 A, Helsinki Puh , Fax , Samkommunen Helsingforsregionens miljötjänster PB 100, HRM, Semaforbron 6 A, Helsingfors Tfn , Fax , Helsinki Region Environmental Services Authority P.O. Box 100, FI HSY, Opastinsilta 6 A, Helsinki Tel , Fax ,