Lannan ja muiden eloperäisten materiaalien PROSESSOINTI Sari Luostarinen Erikoistutkija, FT Teija Paavola Vanhempi tutkija, FM Ilkka Sipilä Vanhempi tutkija, agronomi Jukka Rintala Prof. HYÖTYLANTA-loppuseminaari 5.9.2011
Miksi prosessoida? 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 Soveltuvat materiaalit Maataloudesta: lanta, kasvibiomassat Yhdyskunnista: puhdistamoliete, biojäte Teollisuudesta: puhdistamoliete, moninaiset jätteet ja sivutuotteet
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 Energia- ja ravinnetaseet Ympäristöpäästöt ja kokonaiskestävyys 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
Prosessointiteknologiat (2) Katsaus lannan ja muiden eloperäisten materiaalien prosessointiin julkaistu osana HYÖTYLANTA-tutkimusohjelmaa: Saatavissa sähköisenä: http://www.mtt.fi/mttraportti/pdf/mttraportti27.pdf 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
HYÖTYLANTA-teknologiaskenaariot Tyyppitila: Nauta- ja sikatilat, joilla muodostuu lietelantaa (sonta + virtsa + kuivike- ja rehujäämät + pesuvedet) 3000 t/a Lannan ominaisuudet: Viljavuuspalvelun lantatilastot 2000-2004 + 15 % Kolme mittakaavaa: Mittakaava Lietelanta (t/a) Kasvibiomassa (t/a) Muu materiaali (t/a) Tilakohtainen (1 tyyppitila) 3 000 300 - Tilojen yhteinen ( 5 tyyppitilaa) 15 000 1 000 - Keskitetty (10 tyyppitilaa + muu) 30 000-30 000 Prosessoinnit: Kompostointi Rakeistus Jakeistus (separointi) Biokaasuteknologia HUOM. Esitetyt hinnat ja energiankulutukset suuntaa-antavia
Päätulokset: tilakohtainen prosessointi (1) Kompostointi Kuivalanta tai lietelannasta / biokaasuprosessin käsittelyjäännöksestä jakeistettu kuivajae aumaan tai kompostoriin Erityishuomio ravinnehäviöihin Rakeistus Väkevän suotoveden määrä minimoitava oikealla kuiva-ainepitoisuudella Typen haihdunta minimoitava riski hukata jopa 25-60 % kokonaistypestä Huomioitava oikea ilmanvaihto, massan C:N-suhde ja typen/ammoniakin pitoisuus Mitä alhaisempi kuiva-ainepitoisuus, sitä enemmän typpihäviöitä Lietelannasta / jäännöksestä jakeistetun kuivajakeen lisäkuivaus ja puristaminen rakeiksi Edut: kuljetettavuus, korkea fosforipitoisuus Heikkoudet: energiankulutus, kuumeneminen, korkea fosforipitoisuus, ei helppoliukoisia ravinteita
Päätulokset: tilakohtainen prosessointi (2) Lietelannan jakeistus: Tavoite esim. kiintoaineen erotus, ravinnesuhteiden muuttaminen, biokaasuprosessiin kuljetettavan jakeen erotus Erilaisia menetelmiä ml. ruuvikuivain, seulaerotus ja linko Valinta riippuu erottelutavoitteesta: esim. lingolla tehokkain kiintoaineen ja fosforin erottamisessa Investointikulu korkein lingolla (100 000 ): tilojen yhteistyö alentaa kuluja per tila Tuotettu nestejae levitettävissä liukoisen typen mukaan Biokaasuteknologia: Energiantuotto lietelannasta bruttona 320-330 MWh/a Investointikulu 320 000 Liukoisen typen lisäys (+20-30% lannalla), jolloin jäännös usein levitettävissä liukoisen typen mukaan Pieni säilörehulisä lietelantaan Kaksinkertaistaa energiantuotannon (~620 MWh/a) Parantaa käsittelyjäännöksen ravinnetasetta kasville Levitysindeksi (N:P)* 1 --- vrt. raaka lietelanta 1,1 Alentaa myös laitoksen oman energiankulutuksen osuutta tuotetusta energiasta *N:P-indeksi = 90 kg NH 4 -N/ha (sellaisenaan) + 20 kg Ptot/ha (85 %)
Päätulokset: tilojen yhteinen prosessointi Biokaasuteknologia + jakeistus: Pelkän lietelannan käsittely Energiantuotto bruttona 1610-1630 MWh/a (oma kulutus 19 %) Jäännöksestä ei jakeistuksella merkittävästi erilaisia jakeita (alhainen ka) Investointikulu 1 M biokaasulaitos + 100 000 linko Yhden tilan lietelanta + jakeistettu kuivajae neljältä tilalta Energiantuotto bruttona 600 660 MWh/a Jäännös jakeistettavissa kuivajakeeksi (70% P:sta) ja nestejakeeksi (N:P-indeksi 0,94-1) Jakeistettu kuivajae kaikilta tiloilta Tehokkain erotus lingolla, mutta syötteen laimentamistarve laitoksella Energiantuotto bruttona 340 430 MWh/a: jopa 80% energiapotentiaalista jää tiloille nestejakeeseen Jäännös P-painotteinen (N:P-indeksi 0,63-0,84) Jakeistamalla typpi nestejakeeseen (N:P-indeksi 1,9-2,6) ja levitettävissä liukoisen typen mukaan Kasvibiomassan lisäys kaksinkertaistaa lietelantaa käsittelevän laitoksen energiatuotannon (2490 2510 MWh/a) ja mahdollistaa kuivajaetta käsittelevän laitoksen energiantuotannon pysymisen lietelaitoksen tasolla (1580 1810 MWh/a) Myös jäännöksen ravinnesuhteet edullisemmat kasveille Nestejakeessa paljon typpeä (nautatilalla N:P-indeksi 4,7) *N:P-indeksi = 90 kg NH 4 -N/ha (sellaisenaan) + 20 kg Ptot/ha (85 %)
Päätulokset: keskitetty prosessointi Biokaasuteknologia + jakeistus + jatkojalostus: Lietelannan ja muun materiaalin käsittely sellaisenaan Energiantuotto bruttona 22 000 MWh/a (oma energiankulutus 5 %) Investointikustannus 5 M biokaasulaitos + 200 000 linko Jakeistettu kuivajae tiloilta ja muu materiaali sellaisenaan Laimennusveden tarve (vähennettävissä, jos osa lannasta lietelantana) Energiatuotto bruttona 20 000 MWh/a (oma energiankulutus <6 % linkous ml.) Jäännös luokitellaan lannoitevalmisteeksi Jäännökset pääasiassa typpirajoitteisia peltokäytössä Lietelanta Ntot NH 4 -N Ptot Psol Nauta (t/a) 285 90 33 8,25 Sika (t/a) 312 127 42 10,5 Peltoalatarve (ha/a) 1676 1835 1000 1417 660 840* 413 525 * lantapohjaisissa kokonaisfosforista huomioidaan 85 %, puhdistamolietepohjaisissa 40 % Jäännöksen jakeistetusta nestejakeesta uusia lannoitevalmisteita Strippaamalla typpivesi tai ammoniumsulfaatti (ei lainkaan fosforia, kuljetus mielekästä Struviittikiteytyksellä magnesiumammoniumfosfaatti (hidasliukoinen P-lannoite, myös typpeä) Koko prosessiketjun energiankulutus 23 % raaka-aineiden energiasisällöstä
Suositukset Tilakohtainen lannan ravinteiden käytön optimointi edellyttää Tehokkaita jakeistuslaitteita (linko) Käytettävien prosessointiteknologioiden kehittämistä tilamittakaavaan sopiviksi Tehokas biokaasuntuotanto edellyttää Soveltuvien materiaalien käytön edistämistä tapauskohtaisesti Prosessiteknologioiden ja operointimenetelmien kehittämistä Käyttökelpoisten lannoitevalmisteiden tuotanto edellyttää Lantapoikkeuksen poistoa Taloudellisia kannustimia teknologioiden kehittämiseen ja käyttöönottoon Tutkimus- ja kehitysrahoitus Investointituet, kierrätysravinteiden tuotantotuki Markkinaselvitystä lannoitevalmistemarkkinoista kehitystyön tueksi Ravinteiden ja energian yhteistuotannon tehokkuuden parantaminen ja ympäristövaikutusten minimointi edellyttää prosessiketjun kokonaisvaltaista hallintaa ja ymmärrystä
Kiitos mielenkiinnosta! 040 355 7028 sari.luostarinen@mtt.fi Valokuvat: Sari Luostarinen, Teija Paavola, Perttu Virkajärvi /MTT