Lannan käsittelyteknologiat nykyajan maatilalla

Transkriptio

1 Lannan käsittelyteknologiat nykyajan maatilalla Sari Luostarinen Erikoistutkija, FT LANTAPÄIVÄ, Kokemäki

2 Baltic MANURE Lannasta liiketoimintaa EU:n Itämeristrategian lippulaivahanke MTT koordinoi, 18 partneria kaikista Itämeren maista , Baltic Sea Region Programme rahoittaa Tavoite muuttaa käsitys lannasta jätteenä arvokkaaksi resurssiksi ja luoda lannasta liiketoimintaa Tiedon keruu ja jako tieto-, politiikka- ja liiketoimintafoorumeiden kautta Työ keskittyy lannan käsittelyn uusiin teknologioihin, lannan käytön kestävään ja ympäristöystävälliseen tehostamiseen, ravinteiden (fosfori) kierrättämiseen, lannan energiapotentiaaliin sekä lannan käsittelyn liiketoimintaan

3 Miksi prosessoida lantaa? Hiili ja ravinteet merkittävä Potentiaalinen ympäristökuormittaja Mm. kasvihuonekaasu- ja ammoniakkipäästöt, ravinnevalumat Resurssi Orgaaninen aine: energiasisältö ja maaperän kunnon ylläpito Ravinteiden kierto väkilannoitetuotannon sijaan Fosfori uusiutumaton, typen tuotanto energiaintensiivistä ja kasvihuonekaasulähde Ympäristökuormitus hallittavissa ja resurssi otettavissa käyttöön ympäristöteknologisilla prosesseilla

4 Prosessointiteknologiat (1) Lukuisia erilaisia ympäristöteknologian prosesseja, joilla erilaiset käyttökohteet Soveltuvin prosessi tai prosessiketju valittava tapauskohtaisesti Käytettävissä olevat materiaalit Hinta (investointi- ja käyttökulut, tulot, säästöt) Työmäärä, erikoisosaaminen Mittakaava Tavoitteet Tuotteiden hyödynnettävyys ja markkinat Raaka-aineet: lanta kasvit biojäte teollisuuden sivutuotteet puhdistamoliete jne. Raaka-aineet: lanta kasvit biojäte teollisuuden sivutuotteet puhdistamoliete jne. Terminen käsittely Biokaasuprosessi Biokaasuprosessi Kompostointi Terminen kaasutus Biokaasu energiaksi Orgaaninen ravinnetuote Kaasu energiaksi Tuhka Biokaasu energiaksi Mekaaninen erotus lingolla Orgaaninen ravinnetuote Suotovesi Epäorgaaninen ravinnetuote Kuivajae Nestejae Ammoniakin strippaus Ilmastus, fosforin saostus ja biologinen typen poisto Orgaaninen ravinnetuote Epäorgaaninen ravinnetuote Purku vesistöön Energia- ja ravinnetaseet Ympäristöpäästöt ja kokonaiskestävyys

5 Prosessointiteknologiat (2) Katsaus lannan ja muiden eloperäisten materiaalien prosessointiin julkaistu osana HYÖTYLANTA-tutkimusohjelmaa 2010: Saatavissa sähköisenä: Ympäristöteknologian prosessi Biologiset prosessit Biokaasuteknologia Kompostointi Ilmastus Nitrifikaatio-denitrifikaatio Vaihtoehtoiset typenpoistoprosessit Biologinen fosforin poisto Kemialliset prosessit Termokemiallinen käsittely Terminen kaasutus Fosforin ja kiintoaineen saostus ja/tai kiteytys Fysikaaliset prosessit Terminen käsittely Erotusprosessit Ammoniakin strippaus Kalvotekniikat Ultraääni Prosessoinnin tavoite/tavoitteet Biokaasun (energian) tuotanto, materiaalin hallittu stabilointi, liukoisen typen määrän lisääminen (ammonifikaatio), lannoitevalmisteet Materiaalin hallittu stabilointi, lannoitevalmisteet Orgaanisen aineen poisto Typen poisto jäte- ja rejektivesistä Typen poisto jäte- ja rejektivesistä Fosforin poisto jäte- ja rejektivesistä Hygienisointi/sterilointi, materiaalin hajoavuuden lisääminen (esikäsittely) Energiantuotto, materiaalin määrän vähentäminen, lannoitevalmisteet Fosforin ja kiintoaineen poisto ja/tai talteenotto väkevöinnillä eri jakeeseen Hygienisointi/sterilointi, materiaalin hajoavuuden lisääminen (esikäsittely) Materiaalin erottelu kuiva- ja nestejakeeseen Typen poisto ja/tai talteenotto väkevöimällä eri jakeeseen Orgaanisen aineen ja ravinteiden poisto ja/tai talteenotto eri jakeisiin Materiaalin hajoavuuden lisääminen (esikäsittely), hygienisointi

6 Kompostointi (1) Orgaanisen aineen mikrobiologinen hajotus hapellisissa eli aerobisissa olosuhteissa Optimaaliset olosuhteet varmistetaan sekoittamalla kompostoitava materiaali tukiaineeseen siten, että Seos on tasalaatuinen Ravinnesuhteet ovat tasaiset ja hiili:typpi-suhde 25 30:1 Kaasunvaihto ja mikrobien hapen saanti varmistuvat (huokoisuus) Seoksen kosteusprosentti on optimaalisesti 50-60%, karkealla aineksella jopa 75% (vesi mikrobeille välttämätön) Tukiaineena lantakomposteissa yleensä turve, olki tai hake Karkea tukiaine seulottavissa valmiista kompostista erilleen ja uudelleen käytettäväksi Myös riittävästä lämmöneristyksestä on huolehdittava

7 Kompostointi (2) Aumakompostointi Tiivis alusta kuten kuivikelantalassa Kaasunvaihdon varmistaminen auman sopivan korkeuden (1,5-2,5 m) ja leveyden (1,5 m) mukaan ja/tai koneellinen ilmastus Kääntäminen tasaisen hajoamisen ja hygienisoitumisen varmistamiseksi Peittäminen edistää hajoamista (turve, komposti lämmöneristeeksi) Kypsymisvaiheen saavuttaminen kestää muutaman viikon Tuubikompostointi Muovikalvoon pakattu lantaa/lantaseosta ilmastetaan puhaltimella Tuubin halkaisija 1,5 tai 2 m, pituus jopa 60 m Traktoritäyttö, tasainen alusta Laitoskompostointi rummussa tai tunnelissa Hallituin ja nopein prosessi (kypsymisvaihe saavutettu muutamassa päivässä) Koneellinen ilmastus Lämmön talteenotto, hajukaasujen pesu ja ammoniakin talteenotto mahdollista

8 Kompostointi (3) Kompostoinnin lopputuote stabiili, kypsä, humusmainen komposti Kaikki helposti hajoava orgaaninen aine hajonnut Orgaaniset ravinteet vapautuneet Vähäinen kasvitoksisuus Hiili:typpi-suhde alle 20:1 Liukoinen typpi nitraattityppeä Tasalaatuisempi ja helpommin käsiteltävä kuin raakalanta Päästöt Lannan typestä voidaan hukata merkittävä osa ammoniakkipäästöinä erityisesti aumakompostoinnissa Heikentää kompostin lannoitevaikutusta, haisee, happamoittaa, rehevöittää, hiukkaspäästöt Myös typpioksiduulipäästöjä (voimakas kasvihuonekaasu) Huonosti toimiva kompostointi voi tuottaa metaanipäästöjä (kasvihuonekaasu) Väkevät suotovedet myös kerättävä ja käsiteltävä asianmukaisesti

9 Jakeistus / separointi / erottaminen (1) Lannan kiintoaineen ja/tai ravinteiden erottaminen eri jakeisiin Prosesseja lukuisia ja jaoteltavissa seuraavasti: Ominaispainoon perustuvat, kuten laskeutus, flotaatio ja linkous Partikkelikokoon perustuvat, kuten seulat, suotonauhat, ruuvit, kalvot Haihdutus / kuivaus Voidaan yhdistää eri tavoin myös muihin prosesseihin Esim. elektroflotaatio, fosforin saostus/kiteytys Valintakriteerit tavoitteen mukaan Seula tai laskeutus: lannan pumpattavuuden nosto, tukkeumien ja sedimentaation esto Ruuvi: polttokelpoisen lannan kuivajakeen tuottaminen Dekantterilinko: fosforin erotuksen ja kuivajakeen kuiva-ainepitoisuuden maksimointi, nestejakeeseen kasville käyttökelpoinen N:P:K-suhde Erotettuja jakeita voidaan jatkojalostaa

10 Jakeistus / separointi / erottaminen (2) Linkouksessa käytetään yleensä dekantterilinkoa Jakeistettavaan lantaan kohdistetaan pyörivällä rummulla keskipakoisvoima, jolloin raskaammat hiukkaset ajautuvat reunalle ja rummun sisällä eri vauhdilla pyörivä ruuvi siirtää ne kiintoaineen poistopäähän. Samalla erottuva nestejae poistetaan ulommalla kehällä sijaitsevista aukoista. Tehokkain hienojakoisen aineen ja fosforin jakeistustekniikka Ruuvit, seulat ja suotonauhat jakeistavat seuloihin tai kankaisiin perustuen Valuttavat tehottomampia kuin puristavat, toisaalta jälkimmäiset puristavat myös hienojakoista ainetta seulan läpi Erilaisia tehoja moottorikäyttöisistä traktorikäyttöisiin (karkeasti m 3 /h) Erotuskyky fosforin osalta rajallinen Erotuskykyä voidaan tehostaa saostamalla fosforia ja kiintoainetta ennen jakeistamista

11 Jakeistus / separointi / erottaminen (3) Nauhapuristin Rumpuseula Ruuvipuristin Seulalinko Dekantterilinko Virtausnopeus (m 3 /h) 3, ,9 5, Erotusteho (%) - kuiva-aine typpi fosfori kalium Tilavuuden vähenemä (%) Spesifinen energia (kwh/m 3 ) 0,7 1 0,5 2,0 2,2 6,7 2,0 5,3 Lietelannan jakeistuslaitteiden teknisiä ominaisuuksia ja erottelukyky (Hjorth M PhD thesis, Aarhus University / University of Southern Denmark)

12

13 Fraktiointi- ja hajunpoistolaitos

14 European Regional Development Fund

15 Esimerkki lihasian lannan hyödyntäminen (Pellon jakeet edellinen kalvo) Lanta Määrä m3 N kg P kg Levitysala, ha Levitysmäärä, m3/ha Kriteeri Raaka lietelanta P 15 kg/ha Nestejae ,5 94 N 170 kg/ha Kiintojae ,2 14 P 36 + tasaus 3v = P 108 kg/ha

16 Pellon - arviointia Ensimmäinen täysimittainen laitteisto käytössä Seinäjoella noin 1000 lihasian sikalassa Järjestelmä koostuu komponenteista: kiintoaineen erotus, fosforin erotus nestejakeesta nestejakeen käsittely hajuttomaksi, kehitteillä nestejakeen typen rikastaminen ja talteenotto Markkinahinnasta ei tietoa Pelkästä separoinnista saavutettava levityksen kustannussäästö ei kata kovin suuria investointikustannuksia Työn nopeutuminen ja sääriskin pieneneminen voi olla merkittävä etu Hajunpoiston etua vaikea hinnoitella Jossakin tilanteessa ei mitään merkitystä Toisessa tilanteessa elämän ja kuoleman kysymys Ympäristölupa tai YVA-menettely

17 Biokaasuteknologia Eloperäisen materiaalin mikrobiologinen hajotus Maatilojen raaka-aineet Eläintuotannon jätteet (lanta) Kasvibiomassat (energiakasvit, kasvintuotannon jätteet ja sivutuotteet, ympäristönhoidolliset kasvit) Yhdyskuntien raaka-aineet Puhdistamo- ja saostuskaivoliete Biojäte Teollisuuden jätteet ja sivutuotteet Perustana hapeton eli anaerobinen mikrobiologinen toiminta Lopputuotteina Metaania sisältävä biokaasu (50-70 % CH 4 ) Ravinnerikas käsittelyjäännös HYDROLYYSI ASIDOGENEESI ASETOGENEESI Proteiinit Aminohapot, sokerit Asetaatti NH 4 + Hiilihydraatit Välituotteet (lyhytketjuiset rasvahapot) Rasvat Rasvahapot, alkoholit Vety METANOGENEESI Metaani

18 Maataloudessa Maatilojen biokaasulaitokset Merkittävimmät raaka-aineet: lanta, kasvibiomassa Selkeät käyttökohteet lopputuotteille: ravinteet, orgaaninen aine Tarve hallita ympäristövaikutuksia: kiristyvät vaateet Yhdyskuntien ja teollisuuden materiaalit hyötykäyttöön Harkinta vastaanottamisessa silti tarpeen maatilojen laitoksilla Tilojen yhteislaitosten avulla (lanta)ravinteiden alueellinen uusjako Teknologian kokonaisvaltainen tarkastelu tarpeen: Biokaasuteknologia ei ole pelkkää uusiutuvan energian tuotantoa; hiilen ja ravinteiden tehokas ja turvallinen kierrätys sekä ympäristövaikutusten vähentäminen jopa tärkeämpää Kuva: Metener Oy

19 Lanta biokaasuprosessissa Erinomainen perusmateriaali Jatkuva, tasainen tuotanto Ravinteikas, hyvä puskurointikyky Metaanintuottopotentiaali yksin melko alhainen Biokaasutuotannon nostaminen lisämateriaaleilla Maatiloilla erityisesti kasvibiomassa Keskitetyissä myös teollisuuden ja yhdyskuntien sivuvirrat ja jätteet Lisämateriaalin valinnan perusteita: Saatavuus, varastoitavuus Kilpailukykyinen porttimaksu Lisäenergia Kuljetustarve Jäännöksen laatu (hygienia, haitta-aineet) Levityspinta-alan tarve Lanta/ Metaanipotentiaali Naudan lietelanta Naudan kuivalanta Sian lietelanta Sian kuivalanta Kananlanta m 3 CH 4 / t VS Kuvat: S. Luostarinen m 3 CH 4 / t (tuorepaino)

20 Lisämateriaalit biokaasuprosessissa Soveltuvia kasvibiomassoja: Kasvintuotannon sivuvirrat Säilö- ja tuorerehu Erityiset energiakasvit Ympäristönhoidolliset kasvit Materiaali / Metaanipotentiaali m 3 CH 4 / t VS m 3 CH 4 / t (tuorepaino) Nurmi / nurmirehu Ruokohelpi (tuorekorjattu) Apila Ruokajäte Lihanjalostuksen sivutuotteet Puhdistamoliete

21 Biokaasuprosessin jäännös vs. lanta Kasville käyttökelpoisempi typpi:fosfori -suhde Liukoisen typen osuus kasvaa ( % lanta; % kasvit) Ammoniumtyppi suoraan kasvien käytettävissä Liukoistumisen määrä riippuu mm. raaka-aineista ja käsittelyprosessista Hiili/typpi-suhde laskee Muut lannoitevaikutukseltaan tärkeät aineet ennallaan Kalium, fosfori, kalsium, magnesium, mikroravinteet Muita etuja Maaperän orgaanisen aineen ylläpito Hygienisoituminen Riippuen prosessista Varmistettavissa erillisellä hygienisointiyksiköllä) Tasalaatuisempi ja juoksevampi Alhaisempi kuiva-ainepitoisuus Kasvitoksisuuden laskeminen, rikkakasvinsiementen tuhoutuminen

22 Jäännöksen jatkojalostus mahdollista Mittakaava vaikuttaa Tilakohtaisesti ehkä jakeistus, suurissa laitoksissa myös moninainen prosessiketju Tavoite yleensä kierrättää ravinteet, ei poistaa (hukata) niitä Jatkojalostusteknologiat Jakeistaminen yleensä ensimmäinen vaihe Kuivajakeen kompostointi tai rakeistus Nestejakeen väkevöinti väkilannoitteen omaisiksi tuotteiksi Typen strippaus, fosforin kiteytys/saostus, kalvotekniikat, Biovakka Suomi Oy:n stripperi Vehmaan biokaasulaitoksella. Kuva: Sari Luostarinen, MTT

23 Esimerkkejä jalostustekniikoista (1) Ammoniakin strippaus Ammoniumtypen väkevöinti ja talteenotto ammoniakkina kaasufaasin kautta haluttuun pesunesteeseen Käytännössä nestejakeen ph nostetaan korkeaksi, jolloin suurin osa ammoniumtypestä on ammoniakkimuodossa ja siirrettävissä puhaltamalla kaasufaasiin; kaasu johdetaan pesuriin, jossa ammoniakki liukenee pesunesteeseen Lopputuote lannoitevalmiste, esim. ammoniumvesi, ammoniumsulfaatti

24 Esimerkkejä jalostustekniikoista (2) Fosforin (ja kiintoaineen) saostus / kiteytys Saostuskemikaalin valinta vaikuttaa saostustehoon sekä saostettujen ravinteiden käytettävyyteen Rauta- ja alumiinisuolat tehokkaita, mutta muodostuvat fosforiyhdisteet kasveille käytännössä käyttökelvottomia Kiteytys kalsiumfosfaattina (apatiitti) tai magnesiumammoniumfosfaattina (struviitti) kehitysasteella, mutta ravinteet käyttökelpoisia hidasliukoisina lannoitteina Fosforin kiteytys mahdollista, Struviittina, kun käsiteltävässä materiaalissa on sekä fosforia että ammoniumtyppeä (biokaasuprosessin jäännös, erit. jakeistettu nestejae) Apatiittina, kun fosforipitoiseen materiaaliin lisätään kalkkia Kiteytysprosessit vielä kehitysasteella Oma menetelmänsä myös Yara Suomi Oy:llä: vesiliukoisen fosforin saostus kalsiumfosfaateiksi ja struviitiksi kipsin ja magnesiumoksidivalmisteen avulla

25 Lannan jäähdytys Lämmön talteenotto lietekanavaan sijoitetulla putkistolla ja lämpöpumpulla Lisäenergiaa esim. porakaivolla Lämmön hyödyntäminen rakennusten tai veden lämmittämisessä Sähkön kulutus nousee, mutta lämmöntuotto yleensä kompensoi Varajärjestelmä oltava Myös päästövähennyskeino (ammoniakki, haju, CO 2 )

26 Prosessoidut lopputuotteet oikein menetelmin käyttöön Lannan prosessoinnilla (jakeistus, biokaasu) on potentiaalia vähentää merkittävästi maatalouden päästöjä ilmaan, vesistöihin ja maaperään yhdessä muiden oikeiden ja oikea-aikaisten toimien kanssa mm. HYÖTYLANTA-raportti, Grönroos ym Ympäristöetujen varmistamiseksi prosessoitujen lopputuotteiden oikea käsittely avainasemassa! Jakeiden ominaisuudet tunnettava Varastojen kattaminen (ammoniakki) Etävarastot Peltolevitys sijoittamalla / multaamalla Levitys pelloille, joille eri jakeet parhaiten sopivat Levitys vain kasvukaudella Levitys todellisten ravinnepitoisuuksien mukaan Eläin- ja kasvitilojen yhteistyö tärkeää ja kehittämisen arvoista

27 Kiitos mielenkiinnosta!