KAATOPRO-HANKE 22-25 MEKAANISESTI JA MEKAANIS-BIOLOGISESTI ESIKÄSITELLYN YHDYSKUNTAJÄTTEEN KAATOPAIKKASIJOITTAMINEN Väliraportti 1.5.25 Kai Sormunen, Juha Einola, Elina Karhu ja Jukka Rintala Jyväskylän yliopisto Bio- ja ympäristötieteiden laitos
MEKAANISESTI JA MEKAANIS-BIOLOGISESTI ESIKÄSITELLYN YHDYSKUNTAJÄTTEEN KAATOPAIKKASIJOITTAMINEN 1. JOHDANTO...4 2. YHDYSKUNTAJÄTTEEN MEKAANINEN JA MEKAANIS-BIOLOGINEN KÄSITTELY...5 2.1 Mekaaninen käsittely...5 2.2 Mekaanis-biologinen käsittely...5 2.3 Seula-alite...6 3. MEKAANIS-BIOLOGISESTI KÄSITELTYJEN JÄTTEIDEN KAATOPAIKKASIJOITUS...6 3.1 Raja-arvot...6 3.2 Käsittelyn vaikutus raja-arvoihin...6 3.3 Jätetäytön geomekaaniset ja hydrauliset ominaisuudet...8 3.3.1 Raekokojakauma...8 3.3.2 Geomekaaninen stabiilisuus...9 3.3.3 Tiivistyvyys ja painumat...1 3.3.4 Vedenläpäisevyys...1 3.4 Päästöt...11 3.4.1 Kaasuntuotto...11 3.4.2 Suotovesipäästöt...13 3.5 Jätetäytön lämpötila...14 4. MATERIAALIT JA MENETELMÄT...14 4.1 Mekaaninen ja mekaanis-biologinen jäte...14 4.2 Kenttälysimetrit...15 4.2.1 Rakenne...15 4.2.2 Jätetäytöt...15 4.2.3 Instrumentointi...16 4.4 Kasvihuonekaasupäästöjen mittaus...17 4.5 Kaasuntuottopotentiaalin määritys...17 4.6 Liukoisuuskokeet...18 4.7 Suotovesien käsittelykokeet...18 4.7 Laboratorioanalyysit...19 5. MEKAANIS-BIOLOGISTEN JÄTTEIDEN KAATOPAIKKAKELPOISUUS JA SOVELTUVUUS HYÖTYKÄYTTÖÖN KAATOPAIKAN PINTARAKENTEESSA...19 5.1 Biologisen käsittelyn vaikutus metaanin tuottopotentiaaliin...19 5.2 Kaatopaikkakelpoisuus kaasuntuottopotentiaalin perusteella...2 5.3 Kaatopaikkakelpoisuus liukoisuusominaisuuksien perusteella...22 5.4 Kelpoisuus pintakerrokseksi liukoisuusominaisuuksien ja haitta-aineiden kokonaispitoisuuksien perusteella...24 5.5 Pintakerroksen suotovedet ja niiden käsittelytarve...25 6. MEKAANISEN JA MEKAANIS-BIOLOGISEN ALITTEEN KENTTÄLYSIMETRITUTKIMUKSET...27 6.1 Jätetäyttöjen lämpötilat...27 6.1.1 NTC-vastukset...27 6.1.2 Valokaapelit...28 6.2 Suotovesien määrät...3 6.3 Suotovesien ominaisuudet...31 6.3.1 Orgaaninen aine...31 6.3.2 Ammoniumtyppi...33 2
6.3.3 Kokonaistyppi...34 6.3.4 Fosfori...35 6.3.5 Sulfaatti...36 6.3.6 Kloridi...37 6.3.7 Raskasmetallit...38 6.3.8 Suotovesien muut ominaisuudet...41 6.4 Mekaanisen ja mekaanis-biologisen jätteen kasvihuonekaasupäästöt...42 6.4.1 Metaanipäästöt...42 6.4.2 Hiilidioksidipäästöt...43 6.4.3 Typpioksiduulipäästöt...44 6.5 Jätetäyttöjen huokoskaasut...46 7. MEKAANISEN JA MEKAANIS-BIOLOGISEN ALITTEEN SUOTOVESIEN BIOLOGISEN KÄSITELTÄVYYDEN LABORATORIOKOKEET...47 7.1 Mekaanisen alitteen suotovesi...47 7.1.1 Anerobinen käsittely...47 7.1.2 Aerobinen käsittely...48 7.2 Mekaanis-biologisen alitteen suotovesi...5 7.2.1 Anerobinen käsittely...5 7.2.2 Aerobinen käsittely...51 8. TULOSTEN TARKASTELU...52 8.1 Jätetäyttöjen geomekaaniset ominaisuudet...52 8.2 Jätetäyttöjen instrumentointi...52 8.3 Suotovesikuormitus ja suotovesien käsittely...53 8.4 Kasvihuonekaasupäästöt ja päästöjen käsittely...54 9. JOHTOPÄÄTÖKSET...54 3
1. JOHDANTO Nykyisen jätelainsäädännön ohjaamana esikäsittelemättömien yhdyskuntajätteiden kaatopaikkasijoittaminen (Vnp 861/1997 ja 149/1999) loppuu ja biohajoavien jätteiden kaatopaikkasijoittaminen vähenee. Jätteiden syntypaikkalajittelu ei todennäköisesti tule olemaan riittävä menetelmä ko. tavoitteiden saavuttamiseksi, joten jätteiden laitosmainen käsittely lisääntyy lähivuosina. Viime vuosikymmenellä Saksassa ja Itävallassa kehitetty yhdyskuntajätteiden mekaanis-biologinen esikäsittely tuottaa jätteistä kierrätys- ja polttokelpoisia jakeita ja vain käsittelyn rejektit (alitteet) sijoitetaan kaatopaikalle. Käsittelyllä vähennetään kaatopaikkasijoitettavien jätteiden määrää ja tuotetaan tasalaatuisempia kaatopaikkasijoitettavia jätteitä, joiden hajoamistila ja ominaisuudet tunnetaan melko hyvin. Erilaiset mekaanis-biologiset jätteenkäsittelyprosessit ovat jo jossakin määrin vakiintuneita jätteiden esikäsittelymenetelmiä Saksassa ja Itävallassa. Suomessa yhdyskuntajätteiden laitosmainen käsittely on ollut vähäistä, biojätteen kompostointia ja muutamien kierrätyspolttoaine- ja jätteenpolttolaitosten toimintaa lukuun ottamatta, mutta lainsäädännön vaikutuksesta laitosmainen käsittely lisääntyy lähivuosina. Tässä raportissa on käsitelty mekaanisen ja mekaanis-biologisen käsittelyn alitteiden kaatopaikkasijoittamista. Alitteiden kaatopaikkasijoittamista tutkittiin Kaatopro-hankkeessa (22-25) toteutetuilla mekaanisen ja mekaanis-biologisen jätteen kenttäkoerakenteissa. Kenttätutkimuksia täydennettiin useilla laboratoriomittakaavan tutkimuksilla. Kirjallisuusselvityksessä ja tulosten tulkinnassa käytettiin Saksassa ja Itävallassa raportoituja tutkimuksia. Tämä on osaraportti Kaatopro-hankkeen tutkimuksista, joissa kehitettiin vanhojen ja tulevaisuuden kaatopaikkojen operointi- ja mittausmenetelmiä jätetäytön hallittavuuden tehostamiseksi. Tämän Kaatopro-hankkeen osatutkimuksen tavoitteena oli selvittää mekaanis-biologisten jätteiden kaatopaikkasijoittamisen erityispiirteet, ympäristökuormituspotentiaali ja kehittää menetelmiä jätetäytön tilan monitorointiin ja hallintaan sekä päästöjen vähentämiseen. 4
2. YHDYSKUNTAJÄTTEEN MEKAANINEN JA MEKAANIS-BIOLOGINEN KÄSITTELY Mekaanis-biologisessa (MB) käsittelyssä erotellaan jätevirrasta kierrätys- ja polttokelpoiset jätejakeet sekä stabiloidaan kaatopaikkasijoitettavat jätteet. Käsittelyssä kaatopaikkasijoitettavan jätteen määrä vähenee ja kaatopaikkasijoittavaksi päätyy tasalaatuisempia jätteitä, joiden ympäristökuormituspotentiaali on merkittävästi alhaisempi kuin esikäsittelemättömillä jätteillä. 2.1 Mekaaninen käsittely Yhdyskuntajätteen mekaanisessa käsittelylaitoksessa valmistetaan yleensä jäteperäisiä polttoaineita (REF=Recycled Fuel) ja erotellaan kierrätyskelpoiset materiaalit (esim. metallit). Käsittelyssä jätteiden kappalekoko pienennetään esimurskauksella siten, että seulonnalla (rumpu- ja täryseulat) ja erilaisilla lajittelu- ja erotusmenetelmillä (mm. magneetti- ja tuulierotus) voidaan poistaa materiaalivirrasta hyödyntämiskelpoiset jakeet. Syntypaikkalajitellusta hyötykäyttöön sellaisenaan kelpaamattomasta fraktiosta voidaan erottaa laitosmaisella käsittelyllä poltto- ja kierrätyskelpoista materiaalia merkittävä osuus (esim. 3-4 %) jätteen laadusta ja laitoksen prosessiteknologiasta riippuen. Tässä hankkeessa tutkittiin mekaanisesti käsiteltyä kuivajätealitetta (jäännösrejektiä) Loimi - Hämeen Jätehuolto Oy:n Forssan REF -kierrätyspolttoaineen valmistuslaitokselta. Kuivajäte on yhdyskuntajätteestä jäljelle jäävä osa, kun biojäte (sekä paperi, metalli, lasi) erilliskerätään jätteen syntypaikalla. Kuivajätteen mekaanisen käsittelyn vaiheet ovat jätepussien aukaisu, täryseulonta (hienoaineksen erottamiseksi), magneettimetallien ja alumiinin erotus, jätteen esimurskaus, toinen magneettierotus ja rumpuseulonta (seulakoko 5 mm). Rumpuseulan ylite prosessoidaan kierrätyspolttoaineeksi ja rejekti (alite) kompostoidaan ennen kaatopaikkasijoitusta. 2.2 Mekaanis-biologinen käsittely Mekaanisen käsittelyn alitteessa on yleensä paljon biohajoavaa materiaalia, koska mm. kuivajätteen sisältämät biojätteet päätyvät valtaosin tähän fraktioon. Vaikka biojätteet yleensä erilliskerätään, niin merkittävä osuus niistä päätyy muiden jätteiden joukkoon. Mekaanisen käsittelyn alite stabiloidaan yleensä biologisin menetelmin. Biologinen käsittely voi olla esim. yhdistetty kolmen viikon tunnelikompostointi ja 1 viikon aumakompostointi, anaerobinen käsittely tai näiden yhdistelmä. Tarvittavan käsittelyn kesto riippuu lopputuotteelle asetetuista vaatimuksista mm. biologisen stabiiliuden ja epäpuhtauksien liukoisuuden suhteen. Biologisessa käsittelyssä biohajoavat materiaalit stabiloituvat ja muuttuvat stabiilimmiksi yhdisteiksi mm. humuksen kaltaisiksi yhdisteiksi. Biologisessa käsittelyssä materiaalissa tapahtuu jonkin verran hävikkiä (esim. 2 %) biohajoamisen seurauksena. Tässä hankkeessa tutkittu mekaanis-biologinen alite oli Forssan Loimi-Hämeen jätehuollon REFkierrätyspolttoainelaitokselta, mutta alite oli kompostoitu Jyväskylässä Vapo Biotech Oy:n tunnelikompostoinnin koelaitoksella. Tunnelikompostoinnin kesto oli yleensä kolme viikkoa, mutta aumakompostoinnin kesto oli pääsääntöisesti 7-1 viikkoa, minkä jälkeen alitteita vielä varastoitiin aumoissa ennen sijoittamista koerakenteeseen.
2.3 Seula-alite Käsittelyn rejekteistä valtaosa on seula-alitetta, mikä yleensä käsitellään biologisesti ja seulotaan ennen kaatopaikkasijoitusta. Kaatopaikkasijoitettavan jätteen määrä on yleensä 24-4 % mekaanisbiologisessa jätteenkäsittelylaitoksessa käsitellyn jätteen määrästä. (Kuehle-Weidemeyer 24). Alitteen hyödyntämistä kaatopaikan pintarakenteissa on myös selvitetty ja mm. sen soveltuvuutta kaatopaikan metaaninhapetuskerrokseen tutkittiin tässä hankkeessa. Käsittelyn myötä jäte muuttuu humusmaa-aineksen kaltaiseksi materiaaliksi. MB-alitteen tasalaatuisuus ja raekokojakauma (esim. <4 mm) mahdollistavat ominaisuuksien määrittelemisen laboratorio-oloissa, joten muutamissa maissa raja-arvot kaatopaikkasijoittamiselle ovat jo voimassa. 3. MEKAANIS-BIOLOGISESTI KÄSITELTYJEN JÄTTEIDEN KAATOPAIKKA- SIJOITUS 3.1 Raja-arvot Suomessa ei ole vielä lainsäädännöllisiä tai ohjeellisia raja-arvoja MB-jätteen kaatopaikkasijoittamiselle. Lähes kaikki MB-jätteen kaatopaikkasijoituskelpoisuuteen liittyvät tutkimukset ovat tehty Saksassa ja Itävallassa. Kyseisissä maissa myös on myös lainsäädännöllisesti vahvistettu MB-jätteen kaatopaikkasijoituskelpoisuuden raja-arvot. Saksassa kesäkuun 25 jälkeen MB-käsiteltyjen kaatopaikkasijoitettavien jätteiden tulee alittaa biologista stabiiliutta kuvaavan kaasutuottotestin (GB21) raja-arvo 2 ml/g (kuiva-ainetta) tai hapenkulutustestin (AT 4 ) raja-arvo 5 mg O 2 /g (kuiva-ainetta). Kyseiset raja-arvot ovat vaihtoehtoisia ja on riittävää, jos materiaali alittaa vain toisen kyseisistä raja-arvoista. Eri maissa voi olla poikkeavia käytäntöjä raja-arvojen suhteen, mm. Itävallassa kaatopaikkasijoitettavien jätteiden raja-arvot ovat muuten samat, mutta AT 4 -raja-arvo on 7 mg O 2 /g (Kuehle-Weidemeyer 24). Lisäksi kaatopaikalla sijoitettavan jätteen lämpöarvon tulee olla 6 kj/kg (kuiva-ainetta) tai vaihtoehtoisesti kokonaishiili kuiva-aineessa oltava 18 %. Näiden lisäksi jätteen liukoisuustestissä (24 h, L/S-1) on liuenneen orgaanisen hiilen (DOC) määrän oltava 25 mg/l (Kuehle- Weidemeyer 24). 3.2 Käsittelyn vaikutus raja-arvoihin Mekaanisessa käsittelyssä runsaasti biohajoavaa hienoainesta sisältävä materiaali päätyy seulaalitteeseen, mikä stabiloidaan biologisessa käsittelyssä. Kappalekoon pienentäminen tehostaa biologista käsittelyä. Biologisen käsittelyn ensimmäiset viikot (esim. 2-3 vko) tehdään yleensä tunnelikompostoinnissa tai esim. biokaasureaktorissa, minkä jälkeen käsittelyä jatketaan yleensä passiivisesti ilmastettuna aumakompostointina. Käsittelyaika määräytyy lopputuotteelle asetettujen vaatimusten mukaan. Käytännössä biologisen käsittelyn kesto eri vaiheineen on yleensä 1 2 vko jätteen laadusta, laitosprosesseista ja käsittelytasosta riippuen (Taulukko 1). Erityisesti Saksassa jätteen lämpöarvolle asetetun raja-arvon (<6 kj/kg) alittaminen on usein ollut vaikeasti saavutettavissa, mikä voi edellyttää pitkää biologista käsittelyä ja kaatopaikkasijoitettavan (alitteen) seulomista hienommalla seulalla (esim. 2 mm) kuin mihin muiden raja-arvojen suhteen olisi tarvetta (Kuehle-Weidemeyer 24). 6
Taulukko 1. Saksalaiset raja-arvot MB-käsitellyn jätteen kaatopaikkasijoittamiselle ja esim. tarvittavasta biologisen vaiheen kestosta tunnelikompostoinnissa ja ilmastetussa aumassa ko. rajaarvojen saavuttamiseksi (Kuehle-Weidemeyer 24). Tunnelikompostointi Jälkikompostointi ulkona* Raja-arvot käsittelyaika 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 AT 4 < 5 mg O 2 /g GB 21 < 2 ml/g TOC-liukoisuus <25 mg/l TOC (%) Lämpöarvo <6 kj/kg *passiivisesti ilmastetulla kompostointilaatalla. Mekaanisen REF-kierrätyspolttoainelaitoksen (Loimi-Hämeen jätehuolto Oy, Forssa) seula-alitteen biologista käsittelyä tutkittiin Vapo Biotech Oy:n tunnelikompostoinnin koelaitoksessa (2 * 5 m 3 tunnelit) Jyväskylässä. Seula-alitteita käsiteltiin useissa (11) koeajossa, tutkien ajon keston ja kahden eri tukiaineen vaikutusta lopputuotteen laatuun (Taulukko 2). Tunnelikompostoinnin kesto oli pääsääntöisesti kolme viikkoa, paitsi alitteella 5 neljä viikkoa ja alitteilla 1 ja 11 kaksi viikkoa. Tunnelikompostoinnin aikana alitteita käännettiin noin viikon välein. Tunnelikompostoinnin jälkeen alitteet aumattiin jälkikompostoitumaan, paitsi alitteet 3 ja 5, mitkä jälkikompostoitiin ilmastuslaatalla. Muutamista alite-eristä määritettiin lopputuotteiden GB21-arvot (4-22 Nl/kg TS) ja AT 4 -arvot (7-11.5 mg O 2 /g TS). Alite-erien, joista GB21-arvot määritettiin biologisen (tunneli+auma/laatta) vaiheen kesto oli joko kahdeksan tai kymmenen viikkoa. Tukiaineena oli puuhake tai kompostoidun alitteen rumpuseulaylite (Lehtinen 23). Taulukko 2. Alitteiden biologinen käsittely ja lopputuotteen GB21-arvot (Lehtinen 23). Tukiaine Kääntö GB-21- Panos Täyttö 2. Kääntö 3.Kään tö Siirto aumaan tai laatalle arvo (Nl/kg TS) AT 4 - arvot (mg O 2 /g TS) pvm pvm pvm pvm pvm Alite 3 17.4.-2 1 m 3 /t* 23.4. 29.4. - 6.5. 4,8 7 Alite 4 29.4.-2.5* 6.5. 13.5. - 22.5. 4,1 Alite 5 3.5.-2.5* 5.6. 12.6. 19.6. 27.6. 5,9 Alite 6 22.8.-2.5* 27.8. 4.9. - 11.9. Alite 7 23.8.-2.5* 2.9. 6.9. - 13.9. Alite 8 11.9.-2.5** 19.9. 26.9. - 2.1. 21.6 11.5 Alite 9 13.9.-2.5** 19.9. 26.9. - 2.1. Alite 1 4.12.-2.5** 1.12. - - 19.12. Alite 11 4.12.-2.5** 1.12. - - 19.12. Alite 12 23.4.-2.5* 3.4. 7.5. - 13.5. Alite 13 23.4.-2.5* 3.4. 7.5. - 13.5. *puuhake **kompostoidun alitteen rumpuseulan (15 mm) ylite Alitteen 1 GB21-arvo oli aumakompostoinnin alussa (51.3 Nl/kg TS) ja kolmen viikon aumakompostoinnin jälkeen (4.8 Nl/kg TS) muita korkeampi, sillä tunnelivaiheen kesto oli lyhyempi kuin muilla alite-erillä (Kuva 1). Lisäksi tukiaineena käytetty seulaylite saattoi heikentää kompostoitumista aumassa, sillä alitteen 3 ja 8 GB21-arvot olivat tunnelivaiheen (3 vko) jälkeen lähes yhtä suuret, mutta aumakompostoinnin (5 vko) vaikutus alitteen 8 GB21-arvoon oli melko 7
vähän (muutos 8.1 Nl/kg TS) verrattuna alitteen 3 GB21-arvon muutokseen (23.5 Nl/kg TS) 7 viikon aikana. Nl/kgTS 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 1 Käsittelyaika (vko) alite3 alite4 alite5 alite8 alite1 Kuva 1. Alitteiden GB21-arvojen seuranta biologisessa käsittelyssä (Lehtinen 23). Näistä biologisesti jälkikäsitellyistä alite-eristä sijoitettiin MB-alitteen kaatopaikkasijoittamisen kenttäkoerakenteeseen alite-erät 6, 7, 8, 1, 11, 12 ja 13 loka-marraskuussa 23. Tukiaineena käytetty hake tai rumpuseula-ylite poistettiin rumpuseulalla (4 mm) ennen sijoittamista koerakenteisin. Arviolta noin puolet jätteestä päätyi seula-ylitteeseen ja puolet alitteeseen. 3.3 Jätetäytön geomekaaniset ja hydrauliset ominaisuudet Jätetäytön geomekaaniseen stabiiliuteen eli painumiin ja luiskien kaltevuuteen vaikuttavat mekaanis-biologisesti käsiteltyjen jätteiden geomekaaniset ja hydrauliset ominaisuudet. Alitteen geomekaaniset ominaisuudet riippuvat jätteen koostumuksesta, partikkelikokojakaumasta, vesipitoisuudesta, orgaanisen aineen pitoisuudesta ja jätetäytön tiheydestä (Jessberger et al. 199). 3.3.1 Raekokojakauma Mekaanis-biologisessa käsittelyssä seula-alitteen kappalekoko pienenee yleensä alle 1 mm:n. Pääasiassa kappalekoko pienenee mekaanisen käsittelyn vaikutuksesta, mutta myös biologinen käsittely pienentää raekokojakaumaa. Suurin osa (5 %) alitteesta voi olla alle 1 mm:n hienoainesta, minkä osuus lisääntyy kompostoinnin aikana (Kuva 2). Tässä hankkeessa raekokojakauma määritettiin 2 viikkoa ja 4 viikkoa kompostoidusta mekaanis-biologisesti käsitellystä jätteestä. Aumakompostoinnin pidentäminen lisäsi hieman alle 1 mm:n osuutta. Muuten kompostointiajan pidentäminen ei juuri vaikuttanut raekokojakaumaan. 8
12 1 Läpäisy (%) 8 6 4 2,1,1 1 1 1 Raekoko (mm) Kypsä MB-alite Tuore MB-alite Kuva 2. Kypsän ja tuoreen alitteen raekokojakaumat. Muissa tutkimuksissa on todettu vastaavia tuloksia ja erityisesti alle 1 mm:n fraktion osuus voi lisääntyä kompostoinnin alkuvaiheen aikana merkittävästi. Alle 1 mm:n fraktion lisääntyminen johtuu pääasiassa 1-2 mm:n fraktion kappalekoon pienentymisestä jälkikompostoinnin neljän ensimmäisen viikon aikana (Doedens et al. 2). MB-jätteestä voi olla yli 8 % kappalekooltaan alle 4 mm, joten seulominen esim. 4 mm:n seulalla 6 mm:n seulan sijasta ei välttämättä pienennä merkitsevästi kaatopaikkasijoitettavan jätteen määrää. Seulominen voi kuitenkin vaikuttaa merkitsevästi kaatopaikkasijoitettavan alitteen muihin ominaisuuksiin kuten lämpöarvoon tai orgaanisen aineen määrään, joita Saksassa on rajoitettu lainsäädännöllisesti (< 6 kj/kg tai TOC < 18 %). Kaatopaikkasijoitettavan jätteen tilavuuteen seulakoon pienentämisen vaikutus on suurempi kuin jätteen massaan, sillä suurten kappaleiden tiheys on pääsääntöisesti alhaisempi kuin hienoaineksen tiheys. Useimmissa tapauksissa mekaanis-biologisesti käsitellyt alitteet on seulottava alle 6 mm:n kappalekokoon täyttääkseen kaatopaikkasijoittamisen edellytykset. Lämpöarvolle asetetun raja-arvon (< 6 kj/kg) saavuttamiksi alitteen voi joutua seulomaan alle 2 mm:n kappalekokoon (Kuehle-Weidemeyer 23). Mekaanis-biologinen alite sisältää hienoainesta, mikä kulkeutuessaan voi tukkia jätetäytön alapuolisen salaojakerroksen. Salaojakerroksen tukkeutumisriskiä on tutkittu laboratoriolysimetrissä, jossa oli 1 cm mekaanis-biologista alitetta ja salaojakerroksena 16-32 mm soraa. Hienoaineksen kulkeutumista salaojasoraan ei todettu siinä määrin, että erillinen suodatinkerros jätetäytön ja salaojakerroksen väliin olisi perusteltua asentaa (Doedens et al. 2). Salaojakerroksen tukkeutumisriskiä voidaan kuitenkin pienentää käyttämällä 8-32 mm:n soraa 16-32 mm:n salaojasoran sijasta (Kuehle-Weidemeyer 24). 3.3.2 Geomekaaninen stabiilisuus Jätetäytön mekaaninen stabiilisuus vaikuttaa luiskien kaltevuuteen. Jätetäytön sortumien minimoimiseksi luiskien kaltavuustaso voidaan määrittää laskennallisesti. Laskennallisessa tarkastelussa suositellaan käytettäväksi turvallisuuskerrointa >2 (Schuhmann 1989). Turvallisuuskertoimen käyttö on perusteltua jätteiden pitkäaikaiskäyttäytymisen arvioinnissa, sillä kaikkia stabiilisuuteen vaikuttavia tekijöitä ei tunneta riittävällä varmuudella. Kuehle- Weidemeyerin esimerkillisen tarkastelun mukaan mekaanis-biologisen jätetäytön (2 m) maksimi 9
luiskan kaltevuus voi olla 1:2, mikäli turvallisuuskertoimena käytetään arvoa 2 ja tiivistys tehtäisiin 36 t kaatopaikkajyrällä kahden metrin etäisyydelle luiskasta. Vertailun vuoksi mineraalisille mailla vastaava turvallisuuskerroin on yleensä 1.3, jolla laskettuna luiskan maksimikaltevuus olisi 1:1. Laskennassa ei ole kuitenkaan huomioitu huokosveden painetta, mikä voi heikentää jätetäytön stabiiliutta merkitsevästi. Huomioitaessa myös huokosveden paine jätetäytön mekaaninen stabiilisuus voi olla heikompi ja tällöin luiskan maksimaalinen kaltevuus voi olla esim. 1:3.5. Luiskan kaltevuuslaskelmat edellyttävät kuitenkin aina tapauskohtaista tarkastelua (Kuehle- Weidemeyer 24). Huokosveden paineen arviointiin on kehitetty hydraulinen malli. Malli perustui tietyn mekaanis-biologisen jätteen ominaisuuksiin. Mallin mukaan huokosveden paine voi nousta haitallisen suureksi yli 2 metrin jätetäytöissä. Tilannetta vielä pahentaa jätetäytön nopea korkeuden kasvu, jolloin jätetäytön alaosien vedenpaine ei ehdi tasaantua, alhaisen vedenläpäisevyyden vuoksi. Huokosveden painetta voidaan vähentää jätetäytön salaojakerroksilla, joiden maksimietäisyys toisistaan tulisi olla alle 5 m (Friedrich 22). 3.3.3 Tiivistyvyys ja painumat Jätetäytön tiivistäminen tehdään yleensä kaatopaikkajyrällä. Kuehle-Weidemeyrin kenttätutkimusten mukaan riittävä tiivistyminen saavutetaan kolmella kaatopaikkajyrän tiivistysajolla (2x3 yliajoa). Kenttäkokeissa jätetäytön tiheydeksi saavutettiin 1-1.4 t/m 3. Lisäksi jätetäyttö tiivistyy lisää jätetäytön yläpuolisten kerrosten massan vaikutuksesta. Tiivistyskokeessa saavutettiin lähes sama tiheys 5 cm:n kuin 3 cm:n kerroksissa tiivistetyillä jätteillä, joten käytännössä tiivistettävän kerroksen paksuus voi olla vähintään 5 cm. Vertailtujen kaatopaikkajyrien painolla (12.65 t ja 16.65 t) ei ollut juurikaan vaikutusta tiivistyvyyteen. Staattisen jyrän todettiin tiivistävän jopa hieman paremmin kuin dynaamisen eli täryominaisuudella olevan kaatopaikkajyrän (Kuehle-Weidemeyer 24). Avonaisessa kaatopaikkalysimetrissä, jossa oli 2.75 m mekaanis-biologista jätettä ja päällä kahden metrin kerros mineraalimaata, tiivistyminen oli n. 5 % ensimmäisen viiden vuoden aikana (Felske et al. 23). 3.3.4 Vedenläpäisevyys Mekaanis-biologisesti käsitellyn alitteen vedenläpäisevyys (1-5 1-1 m/s) on alhaisempi kuin esikäsittelemättömillä yhdyskuntajätteillä (1-4 1-7 m/s). Jätetäytön vedenläpäisevyyteen vaikuttavat jätteen ominaisuudet ja täytön tiheys. Jätteen läjityksen aikainen kosteuspitoisuus vaikuttaa myös jätteen tiivistyvyyteen ja sitä kautta vedenläpäisevyyteen. Vedenläpäisevyys voi vaikuttaa mekaaniseen stabiilisuuteen huokosveden paineen vaikutuksesta. Yleensä jätetäytön alaosien tiheys kasvaa ja vedenläpäisevyys heikkenee jätetäytön korkeuden lisääntyessä. Tällöin täyttökorkeuden lisääntyessä sisäisen veden huokospaine voi kasvaa, mikä heikentää jätetäytön mekaanista stabiilisuutta. Lisäksi jätetäytön kaasuntuotto voi lisätä huokoskaasujen painetta siinä määrin, että jätetäytön stabiilisuus heikkenee. Pienehkö vedenläpäisevyys voi aiheuttaa ongelmia kaatopaikka-alueen liikennöitävyydessä, sillä jätetäytön pintakerros voi olla hyvin märkää runsaitten sateiden jälkeen tai sulamisvesien vaikutuksesta. Jätteiden purku läjityspaikoille suoraan kuljetuskalustosta voi olla mahdotonta, mikäli jätetäyttöön ei ole rakennettu kulkuväyliä kantavammasta materiaalista. Yleensä jätteet levitetään puskutraktorilla tai kaatopaikkajyrällä, jossa on puskulevy. Alhainen vedenläpäisevyys voi aiheuttaa myös pintavalumia pitkäkestoisten sateiden vaikutuksesta. Eräässä kenttäkokeessa tutkittiin jätetäytön pintavaluntaa koealueella. Sadetus aloitettiin neljän päivän kuluttua koealueen valmistumisesta. Pintavalunnat alkoivat, kun jätetäyttöön oli sadetettu vettä 23 mm 11 h 25 min aikana. Sadetus toistettiin viiden viikon 1
kuluttua koerakenteen valmistumisesta, jolloin pintavalunnat alkoivat 2 h 3 min aikana tehdyn 5 mm:n sadetuksen jälkeen (Kuehle-Weidemeyer 24). 3.4 Päästöt 3.4.1 Kaasuntuotto MB-jätteiden kaasuntuotosta ei ole juurikaan täydenmittakaavan tietoa, sillä pelkästään MB-jätettä vastaanottavia kaatopaikkoja on tällä hetkellä vain muutamia ja niissäkin jätetäytöt ovat vielä matalia. MB-jätteiden kaasuntuottoa on tutkittu kuitenkin useissa laboratorio- ja kaatopaikkalysimetrikokeissa. Itävallassa tutkittiin MB-jätteiden kaatopaikkasijoittamista neljässä suljetussa 52 m 3 :n (jätemäärä 38-47 t märkäpaino) kaatopaikkasoluissa. MB-jätteen kaasuntuotto alkoi välittömästi solujen sulkemisen jälkeen. Kaasuntuotto oli 8 vrk:n aikana 11.5 m 3 /t TS (kuiva-ainetta), kun vettä ei lisätty eikä suotovettä kierrätetty soluihin. Kahteen soluun lisättiin vettä 266 vrk:n kuluttua kokeen aloituksesta ja osa suotautuneesta vedestä kierrätettiin takaisin jätetäyttöön. Vedenlisäyksen ja suotoveden kierrätyksen vaikutuksesta kaasuntuotto nousi välittömästi ja toteutunut kaasuntuotto oli 8 vrk:n aikana 18.2 m 3 /t TS. Vedenlisäystä ja suotoveden kierrätystä jatkettiin (533 d), kunnes kaasuntuotto laski ennen vedenlisäystä olleelle tasolle (< 1 l/t d). Kaasun metaanipitoisuus oli ennen vedenlisäystä 55 % ja 8 vrk:n jälkeen 45 %. Kaasun metaanipitoisuus laski 1 % enemmän soluissa joihin ei lisätty tai kierrätetty vettä verrattuna soluihin joihin lisättiin 8 vrk:n aikana. Tässä kokeessa vedenlisäyksellä ja suotoveden kierrätyksellä oli kaasuntuottoa tehostava vaikutus (Raninger et al. 21). Pitkäkestoisessa (25 d) laboratoriotutkimuksessa (+3 C) selvitettiin usean eri laitoksissa käsitellyn MB-jätteen kaasuntuottoa ilman mikrobiympin lisäystä. Laitoksissa oli eroja jätteiden mekaanisissa käsittelyprosesseissa sekä biologisen käsittelyn kestossa ja operointitavoissa. MBjätteiden kaasuntuotto alkoi välittömästi tai muutaman kuukauden viipymävaiheen jälkeen. MBjätteiden kaasuntuotto oli 4-24 m 3 /t (25 d) jätteen laadusta ja MB-käsittelystä riippuen. MBjätteillä, joiden kaasuntuotto oli 13-24 m 3 /t noin puolet kaasuntuotosta toteutui ensimmäisen vuoden aikana. MB-jätteiden, joiden kaasuntuottopotentiaali oli 4-8 m 3 /t, kaasuntuotto oli vähäistä ensimmäisen vuoden aikana ja noin puolet kaasuntuotosta toteutui toisen tutkimusvuoden aikana. Yleensä MB-jätteiden kaasuntuotto alkaa melko nopeasti anaerobihajoamisen ns. epästabiilista metaanivaiheesta, sillä metaanintuottoa hidastavaa ns. happovaihetta (kaasuntuotto pääasiassa hiilidioksidia) ei ole. Tämän perusteella MB-jätteiden kaasuissa metaanin osuus voi olla suurempi kuin esikäsittelemättömän jätteen kaatopaikkakaasussa (Bockreis et al. 24). MB-jätteen kaasun metaani- ja hiilidioksidipitoisuudet ovat yleensä samankaltaiset kuin esikäsittelemättömällä jätteellä stabiilissa metaanivaiheessa (Kuehle-Weidemeyer 24). Tämän tutkimuksen perusteella MBkäsittelyn prosessitehokkuudella on ratkaiseva vaikutus kaatopaikkasijoittamisen ensimmäisten (1-3) vuosien kaasupäästöihin, jolloin merkittävä osuus kaasuntuottopotentiaalista toteutuu. MB-jätteen kosteuden ja lämpötilan on todettu vaikuttavan merkitsevästi kaasuntuottoon. MBjätteen kosteuden (15, 18 ja 35 massa %) ja lämpötilan (18, 3 ja 4 C) vaikutusta kaasuntuottoon tutkittiin 8 litran reaktoreissa. Alhaisimmassa tutkitussa kosteuspitoisuudessa (15 %) tutkitun MBjätteen kaasuntuotto oli vähäistä kaikissa lämpötiloissa. Lisäksi myös alhaisella lämpötilalla oli kaasuntuottoa pienentävä vaikutus, sillä kaasuntuotto 18 C:ssa oli noin puolet kaasuntuotosta 3 C:ssa 1 vrk:n aikana. Suuremmassa kosteuspitoisuudessa (18 %) kaasuntuotto oli merkittävästi suurempi 3 ja 4 C lämpötiloissa, mutta 18 C kaasuntuotto oli silti vähäistä. Kaasuntuotto oli odotetusti suurin 35 % kosteuspitoisuudessa, mutta lämpötilalla oli edelleen hyvin merkittävä 11
vaikutus. Noin 2 3 vrk:n aikana kaasuntuotto oli 35 %:n kosteudessa ja 18 C:ssa n. 5 m 3 /t TS, 3 C:ssa n. 11 m 3 /t TS ja 4 C:ssa n. 18 m 3 /t TS (Bockreis et al. 24). MB-jätteen kosteuspitoisuus on yleensä ennen kaatopaikkasijoitusta 3 4 paino %, mikä on kaasuntuotolle suotuisa kosteuspitoisuus. Alhaiset kosteuspitoisuudet voivat rajoittaa kaasuntuottoa lähinnä poikkeustapauksissa (Kuehle-Weidemeyer 24). Ko. tutkimuksessa ei ollut raportoitu >35 % kosteuspitoisuuksien vaikutusta kaasuntuottoon. Kaatopaikkaolosuhteissa MB-jätteen kosteuspitoisuus voi olla myös suurempi kuin 35 % ja tällä voi olla kaasuntuottoa tehostava vaikutus. Mekaanis-biologisesti käsiteltyjen jätteiden kaatopaikkakaasun muodostumisesta täydessä mittakaavassa on tiettävästi tietoa vain yhdeltä kaatopaikalta (Erbenschwang, Saksa), jossa kaasunkeräysjärjestelmä oli käytössä kahden vuoden ajan. Jätetäytössä oli jätteitä 21 82 t ja täytön korkeus oli 8 m. Jätteen AT 4 -arvo oli noin 2 mg O 2 /g TS, mikä ylitti saksan raja-arvon 5 mg O 2 /g TS. Ko. Kaasunkeräysjärjestelmä koostui kahdesta vaakasuorasta keräyslinjasta ja kaasunkeräys aloitettiin n. 6 kk ennen kuin täyttöalue saavutti lopullisen korkeutensa. Kaatopaikalla ei ollut pintarakenteita, mikä heikensi kaasunkeräysjärjestelmän talteenottoastetta. Ensimmäisen vuoden ajan kaasunkeräysjärjestelmä toimi lähes jatkuvasti, mutta toisena vuonna kaasuntuotto oli alhaisempi ja kaasunkeräysjärjestelmä oli käytössä kolmena päivänä viikossa. Ensimmäisenä vuonna kaasuntuotto oli.2-2.2 m 3 /t jätettä (keskiarvo.9 m 3 /t) ja toisena vuonna -.8 m 3 /t (.4 m 3 /t). Kaasunkoostumusta (Taulukko 3) seurattiin viikoittain ja ensimmäisenä vuonna metaani- ja hiilidioksidipitoisuudet olivat suuremmat kuin toisena vuonna (Hertel et al.21). Tuloksissa on huomioitava, että esikäsittelemättömän jätteen kaatopaikoilla yleensä vain 6 % kaasuista saadaan kerättyä kaasunkeräysjärjestelmällä. Tässä tapauksessa keräysaste lienee kuitenkin ollut paljon tätä alhaisempi, sillä MB-jätteen alkutilan kaasuntuottopotentiaali (AT 4 -arvon 2 mg O 2 /g TS perusteella, Taulukko 5) oli melko suuri. Lisäksi MB-jätteen kaasunläpäisevyys on heikko. Todennäköisesti vain noin 1 % muodostuvasta kaasusta kerättiin kaasunkeräysjärjestelmällä. Perinteisten kaasunkeräysjärjestelmien kaasunkeräysaste lienee varsin alhainen MB-jätteiden kaatopaikoikoilla (Kuehle- Weidemeyer 24). Taulukko 3. MB-jätteestä kaasunkeräysjärjestelmällä talteenotetun kaasun määrä ja pitoisuudet Erbenschwangin (Saksa) kaatopaikalla vuosina 1999-21. Kesäkuu 1999 Toukokuu 2 Kesäkuu 2 Toukokuu 21 Parametri m 3 /t a CH 4 (%) CO 2 O 2 (%) m 3 /t a CH 4 (%) CO 2 (%) O 2 (%) (%) Vaihteluväli.2-2.2 27-69 21-42 -11 -.8 22-53 16-36 - Keskiarvo.9 52 36.8.4 4 3 MB-jätteiden kaasuntuottoa on tutkittu useissa tutkimuksissa ja eri laitosten jätteillä, mikä osaltaan selittää tutkimustulosten varsin suurta hajontaa (Taulukko 4). Hajontaan vaikuttaa myös se, että eri tutkimuksissa lämpötila ja kosteuspitoisuus eivät välttämättä ole vertailukelpoisia tai niitä ei ole dokumentoitu. Yleisellä tasolla on kuitenkin todistettu, että MB-käsittelyllä vähennetään jätteiden kaasuntuottopotentiaalia tasolle, mikä vastaa esikäsittelemättömien jätteiden kaasuntuottopotentiaalia useiden vuosikymmenien kaatopaikkasijoituksen jälkeen (Kuehle- Weidemeyer 24). 12
Taulukko 4. MB-jätteen kaasuntuotto eri tutkimuksissa (Koostanut Kuhle-Weidemeyer 24). MB-jäte Ensimmäinen vuosi Toinen vuosi Yksikkö Reaktorit Bockreis et al. (24) 1-15 2.5-5 m³/t a Kaatopaikkasolut Raninger (21) 1-13 2 15* m³/t a Erbenschwang-kaatopaikka, kerätty määrä (Hertel et al., 21) Esikäsittelemätön jäte Reaktorit esikäsittelemätön jäte Bockreis et al. (24) * 15 m³ intensiivisen sadetuksen jälkeen.2 2.2.8 m³/t 27 11 m³/t MB-jätteiden ensimmäisen vuoden kaasuntuoton on todettu korreloivan hyvin (R 2 =.99) AT 4 - arvojen kanssa (Hennecke 1999) (Taulukko 5). Ko. korrelaation perusteella voidaan tehdä johtopäätöksiä mahdollisesti kaasuntuottonopeudesta kaatopaikkaolosuhteissa. On kuitenkin huomioitava, että kosteus ja lämpötila vaikuttavat ratkaisevasti kaasuntuottoon ja siten tulokset voivat olla kaatopaikkaolosuhteissa ko. korrelaatiosta poikkeavat. Taulukko 5. MB-jätteen kaasuntuottonopeus AT 4 -arvon ja kaasuntuoton korrelaation perusteella (Hennecke 1999). AT 4 -arvo Kaasuntuotto (mg O 2 /g TS) (m 3 /t a) 1 7 7 5 5 35 3 25 2 2 3.4.2 Suotovesipäästöt MB-jätteiden suotovesikuormitus on useampien parametrien suhteen alhaisempi kuin esikäsittelemättömillä jätteillä, paitsi kloridin ja sulfaatin suhteen (Liite 1). COD-pitoisuudet Erbenschwangin kaatopaikalla olivat vastaavat kuin esikäsittelemättömän jätteen kaatopaikalla, mutta MB-jätteen käsittely ei ollut riittävä nykyisen lainsäädännön mukaan. Lueneburgin kaatopaikalla MB-jätteen suotovesien COD-pitoisuudet olivat pidemmästä biologisesta käsittelyajasta johtuen merkittävästi alhaisemmat kuin esikäsittelemättömällä jätteellä. Suotovesikuormituksen vähentymisestä huolimatta MB-jätteiden kaatopaikkojen suotovedet edellyttävät käsittelyä. Suotovesien epäpuhtauksien pitoisuuksissa tapahtunut muutos ei ole yhtä merkittävä kuin MB-käsittelyn vaikutus kaasuntuottopotentiaaliin (Kuehle-Weidemeyer 24). Muodostuvan suotoveden määrää on tutkittu Saksassa kaatopaikoilla (Erbenschwang ja Lower Saxony) ja kaatopaikkalysimetrissä (Essen) (Taulukko 6). Suotoveden määrä oli näissä tutkimuksissa 31-6 % sadannasta, mutta vertailu sadantaan voi vääristää tuloksia, mikäli sadannat poikkeavat toisistaan (Kuehle-Weidemeyer 24). 13
Taulukko 6. Vuosittaiset vesitaseet kahdella MB-jätteen kaatopaikalla ja kaatoapaikkalysimetrissä (Koostanut Kuehle-Weidemeyer 24). landfill Sadanta Haihdunta ja Suotovesi Suotovesi pintavalunta mm / a mm / a mm / a % sadannasta Erbenschwang 12 48 72 6 Lower Saxony 7 455 245 35 Lysimeter Essen 83 552 251 31 3.5 Jätetäytön lämpötila MB-jätteen kaatopaikoilla on mitattu 3 5 ºC lämpötiloja. Jätteiden hajoamistilaan nähden jätetäytön lämpötilat ovat melko korkeita, sillä MB-käsittelyssä biologisesti hajoavan orgaanisen aineen määrä on vähentynyt. Bassumin (Saksa) kaatopaikalla on mitattu MB-jätteen jätetäytöstä suurimmillaan 58 ºC vaikka jäte (AT 4 -arvo 5-1 mg O 2 /g TS) oli MB-käsittelyssä hyvin stabiloitunutta (IBA 22). Erbenschwangin (Saksa) kaatopaikalla lämpötilat olivat MB-jätteen (AT 4 -arvo 2 mg O 2 /g TS) kaatopaikkasijoittamisen koealueella 4 5 ºC täyttövaiheen aikana. Täyttövaiheen jälkeen lämpötilat laskivat. MB jätteiden kaatopaikkojen hajoamistilaan nähden korkeat lämpötilat saattavat johtua jätetäytön hyvästä lämmöneristyskyvystä ja alhaisesta vedenläpäisevyydestä (Hertel et al. 21). 4. MEKAANIS-BIOLOGISESTI KÄSITELTYJEN JÄTTEIDEN KENTTÄ- JA LABORATORIOTUTKIMUKSET: MATERIAALIT JA MENETELMÄT 4.1 Mekaaninen ja mekaanis-biologinen jäte Tutkittavat jätteet olivat mekaanisen (M) ja mekaanis-biologisen (MB) yhdyskuntajätteen seulaalitetta. MB-seula-alitteita oli useita eriä, joista valikoitujen ominaisuuksien perusteella kahdella suoritettiin tarkempia lisätutkimuksia. Tutkimuksissa käytetty mekaaninen seula-alite oli REFlaitoksessa käsiteltyä yhdyskuntajätettä Loimi-Hämeen jätehuolto Oy:n toimialueelta. MB-alitteen valmistusprosessin biologinen osa (kompostointi) toteutettiin Vapo Biotech Oy:n Mustankorkean tunnelikompostoinnin koelaitoksella. Loimi-Hämeen jätehuolto Oy:n REF-laitoksessa käsitellään yhdyskuntien erilliskerättyä kuivajätettä ja energiajätettä. Kuiva-jäte on kotitalouksista ja yrityksistä kerättyä syntypaikkalajiteltua jätettä, josta hyödyntämiskelpoiset jakeet ja ongelmajätteet ovat poistettu syntypaikkalajittelulla. Energiajäte on teollisuuden ja kaupan toimittamaa syntypaikkalajiteltua jätettä. 14
4.2 Kenttälysimetrit 4.2.1 Rakenne Kenttälysimetrien sisämitat ovat 3.9 * 2.4 * 12 m ja näin saatu tilavuus n. 112 m 3 (Kuva 3). Vanha jätetäyttö poistettiin lysimetrien alalta ja lysimetrien perustukseksi asennettiin suodatinkangas ja murskekerros (.5 m, raekoko -1 mm). Lysimetrit tuettiin jätetäyttöön teräsrakentein. Koerakenteiden pohjat tiivistettiin muovikalvolla ja bentoniittisavella. Muovikalvon päälle asennettiin suotovesien keräysputki (11 mm), jonka suuntaan koerakenteet kallistettiin (1 %). Muovikalvon päälle levitettiin 3 cm:n kerros salaojasoraa. Koerakenteet kallistettiin pitkittäissuunnassa (5 %) kohti virtaamakaivoja. Kuva 3. Mekaanisen alitteen kenttälysimetri. 4.2.2 Jätetäytöt Tutkittavat jätteet sijoitettiin koerakenteisiin.5 m:n kerroksin ja kerrokset tiivistettiin sorkkajyrällä (Bomag BMP 15, massa 16 kg, tärytaajuus 32 Hz) keskimäärin kuudella yliajokerralla (3 x 2 yliajokertaa) (Taulukko 7). Taulukko 7. Koerakenteiden täyttötiedot. Täyttö Mekaaninen alite Mekaanis-biologinen alite (MB) * (M) Täyttö (t) 84 88 (+pintakerros 9.8 t) Täyttö (t TS) 56.3 53 TS täyttövaihe (%) 67 54 VS täyttövaihe (%) 41 23 VS/TS täyttövaihe (%) 61 43 Jätetäytön korkeus (m) 3.2 3.1 (+pintakerros.4) Jätetäytön tilavuus (m 3 ) 92.2 89.3 (+pintakerros 11.5 m 3 ) Jätetäytön tiheys (t/m 3 ).9 1. (pintakerros.85) *Mekaanis-biologisen alitteen pintakerroksena on salaojasoraa 15 cm ja tiivistämätöntä (.85 t/m 3 ) alitetta (MB) 4 cm. 15
4.2.3 Instrumentointi Suotovesivirtaama mitattiin virtaamakaivojen pinnankorkeuden ja uppopumpun toiminnan perusteella. Virtaamakaivon pinnankorkeuden noustua dataloggeriin ohjelmoituun raja-arvoon, kytkeytyy uppopumppu päälle pumpaten osan vedestä pois. Pumppauskertojen lukumäärän ja pinnankorkeuden nousunopeuden perusteella voidaan laskea virtaamat. Mittakaivoissa ovat myös jatkuvatoimiset ph-, johtokyky- ja lämpötila-anturit (Taulukko 8). Virtaamakaivojen mittaustieto luetaan etäkäytöllä gsm-modeemien välityksellä soittamalla mittausasemaan. Mittaustieto tallentuu tietokantaan, josta voidaan tarkastella virtaamatietoja ja suotovesien ominaisuuksien valituilta jaksoilta. Taulukko 8. Virtaamakaivojen anturointi. Tyyppi Valmistaja ph CSIM11 Innovative Sensors Inc Johtokyky Platiinaelektrodi ECGK1 TPS lämpötila termistori (NTC-vastus)1K3A1B BetaTHERM paine-anturi Pietsoresistiivinen anturi PR-36W Keller Kaatopaikkalysimetrit instrumentoitiin lämpötila- ja kosteusmittauksin (Kuva 4). Lämpötila- ja kosteusanturit sijoitettiin jätetäyttöihin neljälle eri syvyydelle (kaksi rinnakkaista anturia) kolmen metrin etäisyydellä molemmista päädyistä (Taulukko 9). Lysimetrien molemmissa päädyissä (A- ja B-päädyt) oli kolmen metrin etäisyydellä päätyseinästä rinnakkaiset NTC-vastukset. Lysimetrit olivat kallistettu virtaamakaivojen puoleista päätyä (A-päätyä) kohden, jotta suotovedet ohjautuvat painovoimaisesti virtaamakaivoihin. Antureiden asennussyvyys jätetäytön pohjasta oli molemmissa lysimetreissä sama, mutta asennusyvyydet pinnasta poikkesivat 3 cm. Lämpötila-anturit olivat NTC-vastuksia (Negative Temperature Coefficient), joissa vastuksen resistanssi on kääntäen verrannollinen ympäristön lämpötilaan. Kosteusanturit Watermark-antureita, joita käytetään maaperän kosteusmittauksissa. Taulukko 9. Lämpötila- ja kosteusantureiden asennussyvyydet (m) jätetäyttöjen pinnasta ja pohjasta. Jätetäytön pohjalla tarkoitetaan tässä varsinaista jätetäyttö, ei koerakenteen pohjaa. Täytön osa Syvyys pohjasta Syvyys pinnasta Syvyys pinnasta (m) M-alite (m) MB-alite Pinta 2.7.5.8 Keski 1/2 1.7 1.5 1.8 Keski 2/2 1. 2.2 2.5 Ala.3 2.9 3.2 Lisäksi jätetäytöt instrumentoitiin valokaapelein jätetäytön lämpötilan ja kosteuden seurantaa. Valokaapelit asennettiin molempiin koerakenteisiin kahdelle kerrokselle siten, että molemmissa kerroksissa on 45 m valokaapelia (Kuva 4). Valokaapelin alin kerros asennettiin 1 metrin syvyydellä jätetäytön pohjasta eli vastaavaan korkeuteen kuin missä oli lämpötila- ja kosteusanturit (keski 2/2). Valokaapelien toinen kerros asennettiin 2.5 m:n korkeuteen jätetäytön pohjasta. 16
Kuva 4. Valokaapelit asennettiin kerroksittain koerakenteisin (vasen kuva). Valokaapelin läheisyyteen asennettiin myös lämpötila- ja kosteusantureita (oikea kuva). Huokoskaasujen pitoisuuksia seurattiin alitteisiin kiinteästi asennetuista huokoskaasuputkista. Huokoskaasuputket (Ø 2 mm) oli rei-itetty (reikäkoko 5 mm) alapäästä 1 cm:n matkalta. Huokoskaasuputket asennettiin jätetäyttöihin.5, 1. ja 1.5 m:n syvyyksille jätetäytön pinnasta. Koerakenteissa oli myös ilmastusputket (Ø 11 mm), joista mitattiin huokoskaasujen koostumusta. Huokoskaasujen pitoisuuksien seurantaan ko. putket olivat kuitenkin liian suuret, sillä kaasuntuoton ollessa vähäistä putkien sisältämä kaasu korvautui helposti ilmalla, eikä kaasupitoisuudet olleet jätetäytön huokoskaasuiksi edustavia. 4.4 Kasvihuonekaasupäästöjen mittaus Kasvihuonekaasujen pitoisuudet analysoitiin Gasmet TM FTIR- kaasuanalysaattorilla (Temet Instruments Oy). FTIR (Fourier Transform Infrared)- kaasuanalysaattorin toiminta perustuu kaasujen infrapunavalon absorbointiin kullekin kaasulle ominaisella aallonpituudella ja näin saatujen infrapunaspektrien tulkintaan kaasuanalysaattoria ohjaavan Calcmet TM (Temet Instruments Oy) sovellusohjelman avulla. Seoskaasun infrapunaspektrit tulkitaan vertaamalla niitä yksittäisten puhtaiden aineiden muodostaman spektrikirjaston spektreihin. Analysaattori oli yhdistetty virtauskammioon, joka tiivistettiin jätetäytön pintamaata vasten mittauksen ajaksi. Kun kammion tilavuus ja sen peittämän jätetäytön pinta-ala tunnetaan, voidaan virtauskammion sisällön kaasupitoisuuksien muutosnopeudesta laskea kaasupäästön suuruus pinta-alaa kohden. 4.5 Kaasuntuottopotentiaalin määritys Kaasuntuottokokeet tehtiin 5 l kaasutiiveissä lasireaktoreissa kahdella rinnakkaisella näytteellä 35 C:ssa. Tutkittavia näytteitä oli neljä: tuore MB-jae 1, MB-jae 1 ja ymppi, hake ja ymppi ja näiden lisäksi pelkkä ymppi (Taulukko 18). Panoskokeet tehtiin VS näyte (MB-jae) /VS ymppi -suhteella 17.3. Koereaktoreihin lisättiin 2 l tuoretta MB-jaetta (tiivistetty,5 kg/l märkätilavuuspainoon)/haketta (.35 kg/l märkätilavuuspainossa), ymppiä ja vesijohtovettä niin, että kokonaistilavuus oli 4,5 litraa (Taulukko 18). Seoksiin lisättiin 11 g vetynatriumkarbonaattia puskuriksi. ph mitattiin ympistä sekä reaktoreissa olevista seoksista (Taulukko 18). Ennen kokeiden aloitusta pullojen kaasutilasta korvattiin happi N 2 /CO 2 kaasulla (7:3) ja pullot suljettiin silikonikorkeilla. Kaasu kerättiin 17
kaasutiiviisiin 5-1 l alumiinipusseihin (Tecobag PETP/AL/PE-12/12/75, Tesseraux Spezialverpacknungen). Kaasutilavuudet mitattiin syrjäytysmenetelmällä. Kaasuntuottokokeet kestivät 217 vuorokautta. Määritettäessä biologisen käsittelyn vaikutus mekaanisesti käsitellyn alitteen metaanintuottopotentiaaliin oli koejärjestely edellä kuvatusta poikkeava sitten, että kokeet suoritettiin kahden litran reaktoreissa kolmella rinnakkaisella näytteellä ja VS näyte (MB-jae) /VS ymppi suhde oli kaksi. Myös näytemäärä oli pienempi (n..5 l tiivistämätöntä) jätettä. 4.6 Liukoisuuskokeet Materiaalien liukoisuusominaisuuksien määrittämiseen (L/S-suhde 1 l/kg TS) käytettiin yksivaiheista ravistelutestiä (EN 12457-4), sillä poikkeuksella, että näyte jätettiin n. 2 mm partikkelikokoon (standardinmukainen 1 mm). Näytteen liukoisesta osasta puolet sentrifugoitiin ja suodatettiin lasikuitusuodattimien (Schleicher & Schuell GF5, 125 mm) läpi (gfa). Toinen puoli näytteen liukoisesta osasta siivilöitiin n. 2 mm siivilän läpi. Liukoisen näytteen suodatettu ja siivilöity (suodattamaton) osa pakastettiin lisämäärityksiä varten. 4.7 Suotovesien käsittelykokeet Mekaanisesti ja mekaanis-biologisesti käsiteltyjen jätteiden suotovesien biologisia käsittelymenetelmiä tutkittiin laboratoriokokeissa. Kokeissa tutkittiin helposti hajoavan orgaanisen aineksen anaerobista biohajoavuutta UASB- (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) reaktorissa. Lisäksi tutkittiin anaerobista käsittelyä täydentävää aerobisistaprosessia (SHARON) orgaanisen aineksen poistoon ja ammoniumtypen nitrifiointiin (Kuva 5). Metaani Ilmastus Käsitelty suotovesi Suotovesi Anaerobinen UASB-prosessi Aerobinen prosessi Kuva 5. Suotovesien käsittelykokeen prosessikaavio. 18
4.8 Laboratorioanalyysit Kuiva-aineen ja orgaanisen aineksen pitoisuudet määritettiin SFS 38 standardin mukaisesti. Raekokojakauma määritettiin standardin SFS-EN-933-1 mukaan kuivaseulonnalla. ph:n ja johtokyvyn määritystä varten materiaaleja ilmakuivattiin 35 C:ssa. ph analysoitiin näyte- CaCl 2 (.1 M) suspensiosta näyte/liuos suhteella 1:5 (v/v) ISO 139-standardin mukaisesti phmittarilla (Radiometer Analytical PHM 21). Johtokyky mitattiin näyte-tislattu vesi suspensiosta suhteessa 1:2.5 (v/v) SFS 322-standardin mukaisesti johtokykymittarilla (Radiometer Analytical CDM 21). Liukoisten näytteiden suodoksista määritettiin liukoinen ammoniumtyppi (NH 4 + -N), liukoinen kemiallinen hapenkulutus (COD Cr ) SFS 554 -standardin mukaisesti ja liuenneen orgaanisen hiilen (DOC) pitoisuus standardin SFS-EN 1484:1997 mukaan. Suodoksen alkuainepitoisuudet (mm. metallit ja epäorgaaniset aineet) määritettiin semikvantitatiivisesti ICP-AES-menetelmällä (inductively coupled plasma atomic emission spectrometry) (Väisänen 22). Määrityksiä varten osa suodoksesta kestävöitiin typpihapolla (HNO 3 ) ph-arvoon <2. Siivilöidyistä (suodattamattomista) liukoisista näytteistä määritettiin liuenneen orgaanisen hiilen (DOC) eli liuoksen kokonaisorgaanisen hiilen (TOC) pitoisuus standardin SFS-EN 1484:1997 mukaan sekä liukoinen kokonaistyppi (N-Tot) Tecator Kjeltec 12 tislauslaitteella Kjehldahlmenetelmällä (Perstorp Analytical/Tecator AB 1995). 5. MEKAANIS-BIOLOGISTEN JÄTTEIDEN KAATOPAIKKAKELPOISUUS JA SOVELTUVUUS HYÖTYKÄYTTÖÖN KAATOPAIKAN PINTARAKENTEESSA 5.1 Biologisen käsittelyn vaikutus metaanin tuottopotentiaaliin Biologisen käsittelyn vaikutus jätteen metaanintuottopotentiaaliin tutkittiin määrittämällä mekaanisesti sekä mekaanis-biologisesti käsiteltyjen jätteiden metaanintuottopotentiaali. mikrobiympin kanssa. Mekaanisen käsittelyn seula-alitteen metaanintuottopotentiaali oli 46 vrk:n aikana 259 m 3 /t TS (15 m 3 /t märkäpaino) ja mekaanis-biologisesti käsitellyn seula-alitteen metaanintuottopotentiaali oli 52 m 3 /t TS (21 m 3 /t märkäpaino) (Kuva 6). Biologinen käsittely vähensi mekaanisen alitteen metaanintuottopotentiaalia noin 8 %. Todellisuudessa vaikutus lienee voi olla vielä suurempi, sillä mekaaninen alite tuotti 46 vrk:n jälkeen vielä jonkin verran metaania, kun taas mekaanisbiologisesti käsitelty alite ei enää tuottanut mitattavia määriä metaania. Lisäksi jätteen koostumus voi vaihdella, vaikka tutkimuksessa käytettiin samalta alueelta kerättyjä ja samassa REFkierrätyspolttoainelaitoksessa käsiteltyjä jäte-eriä. Useissa tutkimuksissa on todettu mekaanisbiologisen käsittelyn vähentävän jätteen metaanintuottopotentiaalia 8-9 %(Kuehle Weidemeyer 24). Metaanintuottopotentiaali pienenee kuitenkin jo mekaanisen käsittelyn aikana, kun polttokelpoiset, mutta biohajoavat (paperit ja pahvit) jätteet poistetaan jätteestä, eli biologisen käsittelyn vaikutusta mekaanisesti käsitellyn jätteen metaanintuottopotentiaaliin ei voi verrata suoraan esikäsittelemättömän jätteen metaanintuottopotentiaaliin. 19
3 25 CH4 (m 3 /t TS) 2 15 1 5 3 6 9 12 15 18 21 24 34 38 46 Aika (d) M-alite MB-alite Kuva 6. Mekaanisen (M) ja mekaanis-biologisen (MB) metaanintuotot 46 vrk:n aikana. 5.2 Kaatopaikkakelpoisuus kaasuntuottopotentiaalin perusteella 2 viikkoa kompostoidun MB-alitteen kaasuntuottopotentiaalia tutkittiin kaasuntuottokokeilla anaerobisissa olosuhteissa mikrobikympin lisäyksellä sekä ilman ympin lisäystä. MB-jätteen kaasuntuotto oli orgaanista ainesta ja kuiva-ainetta kohden selvästi pienempää verrattuna ympin metaanintuottoon. MB-jakeen kumulatiivinen kaasuntuotto 2 päivän aikana (4.6 l/kgts) osalta alitti Saksassa käytössä olevan kaatopaikkakelpoisuuden GB 21 -kaasuntuottotestin raja-arvon (2 Nl/kgTS 21 päivän aikana) (Kuva 7, Taulukko 1). Mikrobiympin lisääminen lisäsi MB-jakeen kaasuntuottoa selvästi. Ilman ymppiä tehdyssä kokeessa MB-jakeen kaasun-, metaanin- ja hiilidioksintuotto hidastuivat päivien 89-112 aikana, mutta ympin kanssa tehdyssä kokeessa hidastumista ei havaittu vielä 217 vuorokauteen mennessä (Kuvat 13 ja 14). Muodostuneen biokaasun metaani-hiilidioksidisuhde oli korkein kokeiden alussa ja stabiloitui kokeen aikana arvoon 1.2-1.3. MB-jakeesta erotetun, biologisessa käsittelyssä tukiaineena käytetyn hakkeen metaanin ja hiilidioksidin kumulatiivinen tuotto oli kuiva- ja märkäpainoa kohden jopa suurempaa, mutta orgaanista ainesta kohden pienempää kuin MB-jakeessa (Kuva 7). Tämä johtuu siitä, että hake on valtaosaltaan orgaanista ja biohajoavaa ainesta, jonka anaerobinen hajoaminen on kuitenkin hyvin hidasta. Tulos osoittaa, että mekaanis-biologisessa käsittelyssä käytettävän hakkeen sijoittaminen kaatopaikalle jätteen mukana voi aiheuttaa kaasupäästöjä pitkällä aikavälillä, eli hake on syytä seuloa MB-jakeesta ennen loppusijoitusta, ja kierrättää tukiaineena. Hakkeen hidas hajoaminen ja alhainen tilavuuspaino myös aiheuttavat sen, että hakkeen kaatopaikkasijoitus vaatii runsaasti tilaa. 2
CH4 (l/kgvs) 3 25 2 15 1 5 5 1 15 2 Aika (d) CH4 ja CO2 (l/kgvs) 3 25 2 15 1 5 5 1 15 2 Aika (d) Pelkkä MB-jae MB-jae Hake Kuva 7. MB-alitteen (2 vkon kompostointi) ja siitä erotellun tukiaineen (hake) kumulatiiviset metaanin- ja hiilidioksisintuotot. MB-alitteen ja hakkeen kaasuntuotto määritettiin mikrobiympin lisäyksellä (ympin CH 4 ja CO 2 tuotto vähennetty tuloksista) ja MB-alitteen kaasuntuotto määritettiin myös ilman ymppiä (pelkkä MB-jae). Taulukko 1. MB-jakeen, pelkän MB-jakeen, hakkeen ja ympin kumulatiivinen kaasun-, metaaninja hiilidioksidintuotto (±std) kuiva-ainetta, orgaanista ainesta ja märkäpainoa kohden 2, 112 ja 217 vuorokauden aikana. MB-jaenäytteestä ja hakenäytteestä (hake eroteltu MB-jaekompostista) on vähennetty ympin kaasun, CH 4 ja CO 2 tuotto. 2 (d) 112 (d) 217 (d) Kaasu CH 4 CO 2 Kaasu CH 4 CO 2 Kaasu CH 4 CO 2 l/kgts Pelkkä 2.6 ±.6 1.2±.6.9±.2 1.2±1. 5.1±.5 4.1±.6 11.7±.7 5.3±.5 4.4±.5 MB-jae MB-jae 4.6±.6 2.1±.5 1.3±.1 18.5±1.1 8.4±.5 6.5±.3 25.6±1.3 11.4±.7 9.±.2 Hake 4.6±1.2 2.7±.8 2.±.5 23.2±6.1 11.3±3.1 9.5±2.8 37.2+9.5 17.4±4.7 14.8±4.5 Ymppi 55.6±2.5 24.4±2.1 6.5±1.4 91.6±5.1 43.6±1.5 23.7±.7 99.6±1.8 46.7±1. 24.3±.2 l/kgvs Pelkkä 5.7±1.4 2.7±1.3 2.±.5 22.2±2.1 11.2±1.1 8.9±1.3 25.7±1.4 11.5±1.1 9.7±1.2 MB-jae MB-jae 1.1±1.3 4.7±1. 2.9±.3 4.4±2.5 18.3±1.1 14.3±.1 56.±2.9 24.8±1.6 19.6±.3 Hake 6.±1.5 3.5±1.1 2.6±.7 3.2±7.9 14.8±4. 12.4±3.7 48.4±12 22.6±6.1 19.2±5.8 Ymppi 11±5 44.3±3.8 11.9±2.5 166±9 79.2±2.7 42.9±1.3 181±3 84.8±1.8 44.±.3 l/kgww Pelkkä 1.5±.4.7±.3.5±.1 5.8±.6 2.9±.3 2.3±.3 6.7±.4 3.±.3 2.5±.3 MB-jae MB-jae 2.6±.3 1.2+.3.8±.1 1.5±.6 4.8±.3 3.7±.2 14.6±.8 6.5±.4 5.1±.1 Hake 2.1±.5 1.2±.4.9±.2 1.8±2.8 5.3±1.4 4.4±1.3 17.2±4.4 8.1±2.2 6.8±2.1 Ymppi 1.5±.1.7±.1.2±.4 2.5±.1 1.2±.4.7±.2 2.7±. 1.3+.3.7±.1 21
Tuore, 2 viikkoa kompostoitu, MB-jae soveltuu kaasuntuoton osalta läjitettäväksi MBP-jätteen kaatopaikalle Saksan ja Itävallan lainsäädännön mukaan. Muiden biologista stabiilisuutta kuvaavien parametrien osalta, kuten orgaanisen aineksen pitoisuuden osalta (VS % TS) MB-jae ei soveltuisi Itävallan MBP-kaatopaikalle, ellei sen polttoarvo olisi <6 kj/kg TS, koska nämä parametrit ovat vaihtoehtoisia. Tuoreen MB-jakeen orgaanisen aineksen osuus oli tässä tutkimuksessa 45.8 VS % TS, kun taas Itävallan raja-arvo on 8 %. Tuoreen MB-jakeen hengitysaktiivisuus määritettiin tässä työssä panoskokein, kun Saksan ja Itävallan lainsäädännön mukaan se on määritettävä AT 4 -testillä. Panoskokein mitattuna tuoreen MB-jakeen hengitysaktiivisuus (O 2 -kulutus) oli 1.1 µmol/gtsh, AT 4 -testiin suhteutettuna 3.4 mgo 2 /g TS, eli materiaali olisi kaatopaikkakelpoista. Toisaalta edellä mainittuja parametreja voidaan ottaa vertailtavaksi Korkalan (23) tutkimuksesta, jossa tutkittiin samalta laitokselta peräisin olevaa MB-jaetta kuin tässä työssä, mutta lyhyemmällä kompostointiajalla (Taulukko 11). Korkalan (23) tutkimuksen perusteella ainakin 1 viikkoa kompostoitu MB-jae alittaisi Saksan lainsäädännön kaatopaikkasijoittamisen raja-arvot kokonaisorgaanisen hiilen osalta (TOC <18 % TS) ja myös Itävallan lainsäädännön mukaan polttoarvon osalta (<6 kj/kgts). Vain hengitysaktiivisuuden suhteen raja-arvot eivät alittuneet, paitsi Euroopan Komission raja-arvoehdotuksen <1 mg O 2 /gts mukaan 7 viikkoa kompostoidulla näytteellä. Voitaisiin kuitenkin olettaa, että 2 viikon kompostoinnin jälkeen myös hengitysaktiivisuus pienenisi. Tämän perusteella voitaneen siis arvioida, että 2 viikkoa kompostoitu tuore MB-jae olisi kaatopaikkakelpoista sekä Saksan että Itävallan lainsäädäntöjen mukaan biologista stabiilisuutta kuvaavien parametrien osalta. Taulukko 11. Raja-arvoja MBP-jätteen biologisen stabiilisuuden osalta kaatopaikkasijoittamiselle Saksassa (Abfallablagerungsverordnung 21, liite 2), Itävallassa (Binner 22, 23) ja Euroopan Komission työryhmän 2. ehdotuksessa biojätteiden biologisesta käsittelystä esitetty raja-arvo ehdotus (Euroopan komissio 21) sekä Korkalan (23) tuloksia. Parametri Saksa Itävalta Korkala 23 (kompostointiaika) AT 4 (hengitysaktiivisuus) 4) < 5 mg O 2 /gts 1) < 7 mg O 2 /gts 11.5 mgo 2 /g TS (8 vko) 7 mgo 2 /g TS (7 vko) Kaasun tuotto 21 (GB 21, GS 21 ) < 2 Nl/gTS 1) < 2 Nl/gTS < 2 Nl/gTS (1 vk) TOC % TS < 18 % 2) 5 % 3) < 18-13 (4-1 vko) VS % TS 8 % 3) < 3 (1 vko) Ylempi polttoarvo (H ) < 6 kj/kg 2) 6 kj/kg <6 kj/kgts (7-1 vko) 1) ja 2) vaihtoehtoisia testejä 3) Raja-arvo ei koske MBP-jätettä, jos sen polttoarvo on <6 kj/kg TS 4) Euroopan Komissio < 1 mg O 2 /gts 5.3 Kaatopaikkakelpoisuus liukoisuusominaisuuksien perusteella MB-jakeen kaatopaikkakelpoisuutta ja kelpoisuutta pintakerrosmateriaalina tutkittiin määrittämällä kaasuntuoton 2-23 viikkoa ja 57 viikkoa kompostoitujen MB-alitteidenhaitta-aineiden liukoisuusominaisuudet (suodosparametrien arvot), ph ja johtokyky liukoisuustestillä EN 12457-4 L/S suhteella 1 (l/kg TS) (Taulukko 12, Liitteet 2 ja 3). Tuoreen MB-jakeen liuenneiden aineiden määrät olivat pääsääntöisesti suurempia kypsään MB-jakeeseen verrattuna. Poikkeuksena olivat kypsän MB-jakeen suuremmat arseenin, seleenin ja etenkin kalsiumin ja rikin liukoistuneet määrät. Tuoreen MB-jakeen COD oli kypsää MB-jaetta 69 % suurempi ja DOC 47-73 % suurempi. Rikkiä ja suoloja, kuten kalsiumia, kaliumia, magnesiumia ja natriumia liukeni molemmista MB-jakeista 22