1 MaLLa hankkeen loppuraportti: Maatalouden lietteiden ja lantojen keskitetyn käsittelyn mallinnus Toni Taavitsainen Petri Kapuinen Kyösti Survo
2 ALKUSANAT Raportissa on MaLLa hankkeen keskeinen sisältö. Keskeisenä tavoitteena oli selvittää maatalouden lietteiden keskitetyn anaerobikäsittelyn kannattavuus ja tekninen toiminta sekä selvittää käsittelyn ympäristövaikutuksia. Hankkeen selvitystyön päämääränä oli laatia tietokonepohjainen tarkastelumalli, jolla voidaan tarkastella kannattavuutta ja mallintaa käsittelyn päästöjä (metaani, typpioksiduuli, ammoniakki). Allekirjoittaneen lisäksi hankeosioiden tekemisestä ja raportoinnista vastasivat seuraavat henkilöt: Tutkija Petri Kapuinen FM Kyösti Survo Agrologi Jouni Rantala Maa- ja elintarvikealan tutkimuskeskus (Logistiikka, LIITE 2) Pohjois-Savon ammattikorkeakoulu (Terveys- ja ympäristövaikutusten arviointi, kohta 13) Pohjois-Savon maaseutukeskus (Maatilakeskittymät, LIITE 1) Haluan kiittää hankkeen ohjausryhmää, mukana olleita maatiloja, sekä kaikkia henkilöitä, jotka ovat omalta osalta auttaneet hankkeen toteutumista. Hyvä ja joustava yhteistyö antoi parhaan mahdollisen toimintakentän hanketyöskentelylle, jonka avulla saimme luotua vahvan verkoston tuottajien, kehitystyön ja tukimuksen välille. Tältä pohjalta on hyvä jatkaa biokaasuasioiden parissa! Toni Taavitsainen 18.6.2002 Pohjois-Savon ammattikorkeakoulu
3 SANASTO Alkaliteetti Ammoniumtyppi Anaerobinen Biokaasureaktori BOD 7 Butyylikumi COD Mn Denitrifikaatio Entero- Fekaalinen Hiilihydraatti Hydrolyysi Hygienisointi Indikaattori Inhibiittori Emäksisyys. Erityisesti veden emäspitoisuus, joka määritetään haponkulutuksen perusteella, kun vesi titrataan tiettyyn ph-arvoon. Luonnonvesissä alkaliteetin aiheuttaja on pääasiassa bikarbonaatti-ioni (HCO 3 - ). Epäorgaanisessa muodossa esiintyvä typpi. Kuvaa eliötä, elinympäristöä tai kemiallista reaktiota, josta puuttuu ilma (happi). Bioreaktori; säiliö tai tankki, missä tapahtuu biokaasun muodostumisen edellyttämä anaerobinen prosessi. (Biochemical oxygen demand) Biologinen hapenkulutus. Synteettinen kumilaatu. (Chemical oxygen demand) Kemiallinen hapenkulutus. Nitraatin (ja nitriitin) pelkistyminen. Denitrifikaatiobakteerit hapettavat orgaanista ainetta käyttäen nitraattia ja nitriittiä happilähteenään. NO 3 - -> NO 2 - -> NO -> N 2 O -> N 2 Suoleen liittyvä, suoli- Ulosteisiin liittyvä. Orgaaninen yhdiste, joka syntyy ensisijaisesti kasvien fotosynteettisen hiilen yhteyttämisen tuloksena. Hiilihydraatit sisältävät hiiltä, vetyä ja happea. Aineiden kemiallinen hajoaminen siten, että vesimolekyyli osallistuu reaktioon. Lietteen lämpökäsittely haitallisten bakteerien tuhoamiseksi. Osoitin, ilmastin, ilmaisija; esim. aine, joka värinmuutoksellaan ilmaisee reaktion ekvivalenttikohdan tai esim. happamuuden. Indikaattorilaji, ilmentäjälaji, opaslaji; eliölaji, joka on erityisen herkkä jollekin ympäristötekijälle, jolloin lajin esiintyminen ilmaisee kyseisen tekijän. Estäjä.
4 KIO-skenaario Konsentraatio Ligniini Lipidi MGRT Mineraalit Kasvihuonekaasupäästöjen vähentämisen tarkastelussa käytettävä toimenpidemalli. Jaettu KIO-1 ja KIO-2 skenaarioihin, joissa molemmissa toteutetaan samansuuruinen energiansäästön ja uusiutuvien energian edistämisohjelmat. Pitoisuus. Sitoo puukuituja. On selluloosan jälkeen puun tärkein aineosa. Rasva-aine. (Minimun guaranteed tetention time) Pienin tarvittava viipymäaika reaktorissa tai hygienisointisäiliössä, jotta saavutetaan riittävä lietteen hygienia. Ravinteet, jotka vapautuvat hajoavasta (orgaanisesta) aineesta. Mikro-organismi (mikrobi) Yhteisnimi pieneliöille, joita ovat bakteerit, alkueläimet, monet sienet sekä toisinaan myös virukset. Mädätys Nitraatti Nitrifikaatio Orgaaninen Patogeeni Proteiini Reduktio Salmonella Orgaanisen aineen anaerobinen käsittely, vrt. biokaasutus ja biometanointi. Luonnonkierrossa olevasta typestä osa muuttuu ammonifikaation seurauksena ammoniummuotoon. Ammoniummuodossa oleva typpi saattaa muuttua tiettyjen bakteerien toimesta hapettumalla nitriitiksi (NO 2 ) ja edelleen nitraatiksi (NO 3 ). Ammoniumin hapettuminen nitriitiksi ja edelleen nitraatiksi. NH 4 -> NO 2 -> NO 3 Eliössä esiintyvä tai niistä peräisin oleva. Tautia aiheuttava mikrobi. Valkuaisaine. Solujen tuottama elintoiminnoille välttämätön typpipitoinen yhdiste. Pelkistyminen. Eläimissä lisääntyvä salmonelloosi-nimistä tautia aiheuttava bakteeri. Salmonella lisääntyy eläimissä ja leviää kosketustartuntana. Tartunta tapahtuu pääosin ulosteista.
5 Salmonella typhimurium Satotaso Staattinen sähkö Stabiilinen Termofiilinen TS TSE VFA Viljelyvyöhyke Virus VS Salmonella-sukuun kuuluva bakteeri, joka aiheuttaa hiirilavantautia. Pellon viljakasvin tuotto, kg/ha. Hankaussähkö. Elävä systeemi kykenee kestämään häiriöitä tai kykenee toipumaan niistä ilman koostumuksessa tapahtuvia äkillisiä muutoksia. Esim. komposti on stabiili, kun sen kääntäminen ei aiheuta lämmönnousua kompostoitavassa materiaalissa. Lämpöä suosiva tai vaativa, esim. termofiilinen bakteeri. (Total Solid) Kokonaiskiintoainepitoisuus. Tarttuvat spongiformiset enkefalopatiat. (Volatile fatty acids) Haihtuvat rasvahapot. Viljelyvyöhykkeiden avulla ohjaillaan typpilannoituksen enimmäismääriä. Suomi on jaettu viiteen viljelyvyöhykkeeseen. DNA:ta tai RNA:ta sisältävä partikkeli, joka pystyy toimimaan vain elävissä soluissa. Virukset ovat usein eliöissä sairauksien aiheuttajia. (Volatile solid) Orgaaninen kuiva-aine.
6 SISÄLLYS 1. TAUSTA JA TAVOITTEET...10 1.1 Tausta...10 1.2 Tavoitteet...10 1.3 Hanketoiminta...11 2 TIIVISTELMÄ...12 3 ORGAANISEN AINEEN ANAEROBINEN KÄSITTELY...14 3.1 Orgaanisen aineen anaerobinen hajoaminen...14 3.2 Anaerobisella käsittelyllä saavutettavat asiat...16 3.2.1 Kuormitus maaperään ja vesistöihin...16 3.2.2 Biokaasun tuotanto...16 3.2.3 Lietteen hygienian paraneminen...17 3.2.4 Hajuhaitat...18 3.2.5 Ravinnepitoisuudet...18 3.2.6 ph-pitoisuus...18 3.2.7 Ammoniakin haihdunta mädätetylle lietteelle...19 4 MÄDÄTYSPROSESSIN FYSIKAALISET JA KEMIALLISET PARAMETRIT...20 4.1 Lämpötila...20 4.2 Kuiva-ainepitoisuus...21 4.3 Kuormitus...21 4.4 Viipymä...21 4.5 Haihtuvat rasvahapot...22 4.6 ph...22 4.7 Alkaliniteetti...22 4.8 Happo/alkaliniteetti -suhde...22 4.9 Ravinteet ja ammoniakki...23 5 BIOKAASU...24 5.1 Biokaasun koostumus...24 5.2 Biokaasusaantoja ja energiapotentiaalit...24 6 KÄYTÖSSÄ OLEVIA BIOKAASUTEKNIIKOITA...26 6.1 Maatilakohtaiset biokaasulaitokset Suomessa...26 6.1.1 Koivusen tila...26 6.1.2 Jungerån tila...27 6.1.3 Hannulan tila...27 6.1.4 Kalmarin tila...30 6.2 Muita biokaasutekniikoita...31 6.2.1 AWE-reaktori...31 6.2.2 Yksinkertaistetut bioreaktorit...33 7 KESKITETYN BIOKAASULAITOKSEN TOIMINTAPERIAATE...35 7.1 Laitoksen toimintaperiaate...35 7.2 Laitoksen logistiset järjestelyt...35 8 LAITOKSEN TEKNINEN TARKASTELU...39 8.1 Lietteen esi- ja jälkivarastointi...39 8.2 Biokaasureaktori...39 8.3 Lietteen hygienisointi...40 8.4 Sekoitus...41 8.5 Kaasun varastointi...42 8.6 Kaasun käsittely ja jakelu...42 8.6.1 Veden erottelu...42
7 8.6.2 Kaasun puhdistus...43 8.7 Vesilukko...45 8.8 Lietteen pumppaukset...45 8.9 Energian tuotantolaitteet...46 8.9.1 Kaasukattila...46 8.9.2 Aggregaatti...46 8.9.3 Mikroturbiini...47 8.9.4 Sähkön siirto verkkoon...48 8.10 Reaktorin lämmitys...48 8.11 Lämmönvaihdintekniikka...49 8.11.1 Yleistä...49 8.11.2 Putkilämmönvaihdin...49 8.11.3 Spiraalilämmönvaihdin...50 8.11.4 Levylämmönvaihdin...51 8.12 Prosessin hallinta ja valvonta...52 8.13 Prosessin häiriön havaitseminen...53 8.13.1 Häiriön havaitseminen mittausten perusteella...53 8.13.2 Häiriön havaitseminen analyysitulosten perusteella...54 9 LAITOKSEN KUSTANNUSTARKASTELU...55 9.1 Reaktori...55 9.2 Lämmönvaihtimet...55 9.3 Energiantuotantolaitteet...55 9.3.1 Aggregaatti...55 9.3.2 Mikroturbiini...56 9.3.3 Kaasukattila...56 9.4 Kaasuvarasto...56 9.5 Valvonta ja mittalaitteet...57 9.6 Pumput...57 9.7 Kaasun käsittely...57 9.8 Lietteen varastosäiliöt...58 9.9 Hygienisointisäiliöt...58 9.10 Huoltokustannukset...59 10 TURVALLISUUSNÄKÖKOHTIA RÄJÄHDYSHERKILLE TILOILLE...60 10.1 Maakaasuasetus...60 10.2 Biokaasulaitoksen turvallisuusnäkökohtia...60 11 ORGAANISEN JÄTTEENKÄSITTELYN LAINSÄÄDÄNTÖ...61 11.1 Lannan levitys ja varastointi...61 11.2 Maatalouden ympäristötukijärjestelmä...61 11.2.1 Maatalouden ympäristötuen erityistuet...63 11.3 Valmisteilla olevia EU-direktiivejä...64 11.3.1 Eläinjäteasetus...64 11.3.2 Biojätedirektiivi...65 12 BIOENERIAN TUKIPOLITIIKKA, VEROTUS JA LAINSÄÄDÄNTÖ...67 12.1 Uusiutuvien energialähteiden edistämisohjelma Suomessa...67 12.1.1 Taustaa...67 12.1.2 Edistämistoimenpiteet...67 12.2 Energiaverotuksen kehittyminen...68 12.3 Uusiutuviin energialähteisiin liittyvää tulevaa lainsäädäntöä...69 12.3.1 Muita direktiiviehdotuksia...70 13 TERVEYS- JA YMPÄRISTÖVAIKUTUSTEN ARVIOINTI...71
8 13.1 Yleistä...71 13.2 Mikrobien aiheuttamista riskeistä...71 13.3 Käsittelyn vaikutus lannan mikrobien säilymiseen...73 13.4 Käsittelylaitoksen liikenne- ja pihajärjestelyt...74 13.5 Kuljetuksen aiheuttamat riskit...74 13.6 Lannankäsittelyn vaikutukset pohjavesiin...75 13.7 Käsitellyn lannan peltoon levittäminen...76 13.8 Lietelannan ekologiset haitat...76 13.9 Lannankäsittelyn kasvihuonekaasuvaikutukset...76 13.10 Lannankäsittelyn työterveysriskeistä...77 14 MAATILAKESKITTYMÄT POHJOIS-SAVON ALUEELLA...79 14.1 Pohjois-Savon maaseutukeskuksen tilaryhmien kartoitus...79 14.2 Muita maatilakeskittymiä...80 15 SIMULOINTIOHJELMIEN SOVELLUKSIA TILAKOHTEISIIN...81 15.1 Biokaasulaitosten taloustarkasteluja...81 15.2 Biokaasulaitosten päästötarkastelua...87 15.2.1 Metaanipäästöt...87 15.2.2 N 2 O päästöt...89 15.2.3 Ammoniakkipäästöt...91 15.2.4 Ravinnetarkastelua...92 16 MUIDEN BIOMASSOJEN KÄYTTÖ MÄDÄTYKSESSÄ...95 16.1 Lisämateriaalien käyttö mädätyksessä...95 17 KOMPOSTOINNIN JA MÄDÄTYSKÄSITTELYN VERTAILUA...97 17.1 Kompostointi...97 17.2 Kompostointiprosessi...97 17.3 Lietteiden ilmastus...98 17.4 Kokeita ja tutkimustuloksia...99 17.4.1 Lietteen ilmastusta maatiloilla...99 17.4.2 Siikasalmen tutkimuslaitoksen kokeiden tuloksia...100 17.5 Päästöt...102 18 MÄDÄTETYN LIETTEEN JATKOKÄSITTELY JA KÄYTTÖKOHTEET...104 19 SIMULOINTIOHJELMAN TOIMINTAPERIAATE JA LASKENNALLISET PERUSTEET...106 19.1 Energian tuotanto ja kulutus, talous sekä kuljetuskustannukset...106 19.1.1 Biokaasun ja energian tuotto...106 19.1.2 Energian kulutus...107 19.1.3 Sähkö...109 19.1.4 Energiatase...109 19.1.5 Energiantuotannon hyötysuhteet ja energiataseet...109 19.1.6 Talous...109 19.1.7 Ohjelmaan syötettävät arvot...111 19.2 Metaani- ja dityppioksidi- ja ammoniakkipäästöt...112 19.2.1 Metaanipäästöt...112 19.2.2 Lannan käsittelyn metaanipäästöt...116 19.2.3 N 2 O päästötarkastelu...118 19.2.4 Ammoniakkipäästöjen määritys...123 19.2.5 Syntyvä lietemäärä...125 19.2.6 Simulointimalliin syötettävät arvot...126 19.3 Ravinnetarkastelu...126 19.3.1 Typen käyttö lannoitteena...126
9 19.3.2 Fosforin käyttö lannoitteena...127 19.3.3 Viljavuustutkimus ja lanta-analyysi...127 19.3.4 Ohjelman toimintaperiaate...128 19.3.5 Ohjelmaan sijoitettavat arvot...131 19.4 Käyttöliittymä...131 20 YHTEENVETO...132 LÄHTEET...134 LIITE 1 LIITE 2 LIITE 3 Pohjois-Savon maaseutukeskuksen osaraportti: Maatilakeskittymät Pohjoissavossa. MTT:n osaraportti: Logistiikka Matkaraportti Saksan biokaasulaitoksille.
10 1. TAUSTA JA TAVOITTEET 1.1 Tausta Pohjois-Savossa on noin 11,5 % koko maan maatiloista. Aktiivitiloja voidaan katsoa olevan noin 6 400 kpl. Maatalouden rakenne on muuttunut, pienet karjatilat ovat väistymässä ja maatilojen yksikkökoot kasvavat. Kokonaisuudessaan karjan lukumäärä ei ole laskenut johtuen suurentuneista tilayksiköistä. Suurenruneet tilakoot ja nitraattidirektiivin (VNa 931/200) lannankäytön rajoitukset peltolevityksessä ovat aiheuttaneet sen, että tilojen peltopinta-ala ei ole riittävä lietteen ja lantojen levitykseen. Tämä asettaa paineita tiloille hakea ratkaisuja lietteen sijoitukselle ja käsittelylle. Lisäksi tilojen nurmivaltainen viljely asettaa omia rajoitteita lietteiden ja lantojen käytölle. Hajuhaitat ovat myös lietteen varastoinnin sekä käsittelyn huomattavia haittoja varsinkin sikatiloilla. Tilojen energiankulutus on merkittävä etenkin sikatiloilla, missä sähkön lisäksi myös lämmöntarve on suuri. Energiankulutusmäärät ovatkin laittaneet monet tilat pohtimaan edullisempia energiantuotantotapoja. Edullisinta olisi energiaomavaraisuus sekä energiantuotantovarmuus riippumatta ulkoisista tekijöistä esim. sähkökatkoista. Karjanlannan sekä lietteen levityksen yhteydessä leviävät haitalliset bakteerit ovat karjatalouden eräs huomioitava terveyshaitta. Varsinkin tulevien EU-määräysten puitteissa litteiden ja lantojen hygieenisyyten tulee kiinnittää huomiota entistä enemmän. EU:ssa suunnitteilla olevat direktiiviehdotukset nykyisessä muodossaan muuttaisivat vahvasti jätteidenkäsittelyä sekä myös maatalouden lietteiden käsittelyä. Erityistä huomiota tulee kiinnittää mm. lietteen käsittelyyn ja lopputuotteen laatuun. 1.2 Tavoitteet Hankkeessa oli tavoitteena suunnitella ja kehitellä toimintamalli maatilojen lantojen ja lietteiden käsittelylle usean tilan yhteisessä biokaasureaktorissa. Toimintamallin tarkoituksena oli löytää Suomen oloihin soveltuva ratkaisu maatilojen bioenergiantuotantoon ja elinkeinojen turvaamiseen ympäristövelvoitteiden tiukentuessa. Tavoitteena oli selvittää toimintamallin kannattavuus teknisen, taloudellisen ja ekologisen taseen pohjalta, missä integroituvat ympäristö- ja energia-alan toiminnot. Suunnittelussa huomioitavia kokonaisuuksia olivat raakalietteen käsittely, logistiset toiminnot, lietteen käsittelyssä syntyvän biokaasun tuotanto ja hyötykäyttö sekä syntyvän mädätysjäännöksen hyötykäyttö (ravinteiden kierrätys). Hankkeessa oli tavoitteena laatia terveys- ja ympäristövaikutusten arviointi, jossa oli tarkoituksena ottaa kantaa lietteen käsittelyn etuihin sekä selvittää toiminnan aiheuttamat ympäristövaikutukset. Laaditusta toimintamallista hankkeessa oli tavoitteena rakentaa tietokonepohjainen simulointi / laskentamalli, minkä avulla tarkasteltiin keskitetyn biokaasulaitoksen taloudellista kannattavuutta, käsittelyn aiheuttamia päästöjä sekä ravinteiden kiertoa ja hallintaa.
11 Hankkeen keskeisiin tavoitteisiin kuului myös ulkomaan matka, jonka tarkoituksena oli tutustua laitostekniikoihin ja käytännön ratkaisuihin. Matka tehtiin Pohjois-Saksaan, missä biokaasukäsittely on varsin yleinen menettely. 1.3 Hanketoiminta MaLLa hanke on osa Itä-Suomen Tavoite-1 ohjelmakautta, jonka rahoitukseen Euroopan yhteisö osallistui. Hankkeen päärahoittajana oli Pohjois-Savon TE-keskus, jonka rahoitusosuus koostui Euroopan maatalouden ohjaus- ja tukirahastosta (EMOTR). Hanke on myös osa Pohjois-Savon ammattikorkeakoulussa käynnissä olevaa KOKOEKO - hankeperhettä, missä on tavoitteena edistää ja kehittää Pohjois-Savon ympäristöalan osaamista ja kehittää samalla myös ympäristöalan teknologioita. Pohjois-Savon ammattikorkeakoulun ja Pohjois-Savon TE-keskuksen lisäksi hankkeessa olivat mukana Kuopion kaupungin maaseutupalvelukeskus, Kuopion Vesi, Kuopion yliopisto, Pohjois-Savon maaseutukeskus sekä Maa- ja elintarviketalouden tutkimuskeskus Maatalousteknologian tutkimus (Vakola). Hankkeessa on tehty yhteistyötä Vakka-hankkeen kanssa ulkomaan matkajärjestelyjen osalta. MaLLa hankkeen ohjausryhmätyöskentelyyn osallistuivat: Yliopettaja Erkki Karttunen Kehittämispäällikkö Pekka Kärkkäinen FT Olavi Raatikainen Professori Juhani Ruuskanen Projekti-insinööri Marko Kiema Projekti-insinööri Toni Taavitsainen Projekti-insinööri Arja Ruokojärvi Maaseutupäällikkö Juha Nykänen Suunnittelija Marja Stjerna Kasvinviljelyagronomi Tapani Puurunen Tutkija Petri Kapuinen PSAMK Pohjois-Savon TE-keskus Kuopion yliopisto Kuopion yliopisto PSAMK PSAMK PSAMK Kuopion kaupunki, maaseutupalvelukeskus Kuopion kaupunki, Kuopion Vesi Pohjois-Savon maaseutukeskus Maa- ja elintarviketalouden tutkimuskeskus, Maatalousteknologian tutkimus (Vakola)
12 2 TIIVISTELMÄ MaLLa hanke koostui selkeästi kolmesta eri osiosta; teknisestä tarkastelusta, taloudellisesta tarkastelusta sekä biokaasulaitoksen ympäristö- ja päästötarkastelusta. Hankkeessa on myös huomioitu lainsäädäntö, joka liittyy lietteiden ja lantojen biokaasulaitoskäsittelyyn. Hankeen työosioita on tehty pääasiassa Pohjois-Savon ammattikorkeakoulun (P-S AMK) toimesta, joka myös hallinnoi hanketta. Kaksi hankeosiota on ostettu ulkopuolisilta tahoilta. Keskeinen osio P-S AMK:n työosuudessa oli simulointi / laskentaohjelman laatiminen, millä voidaan tarkastella mm. biokaasulaitoksen kannattavuutta, maatalouden metaani- ja dityppioksidipäästöjä sekä lietelantojen hyväksikäyttöä peltojen ravinneaineena. Mallin avulla voidaan mm. tarkastella taloutta eri parametrien avulla. Lähtöarvot ohjelmaan on pyritty asettamaan vastaamaan mahdollisimman lähelle todellisia arvoja. Ostopalveluosiot hankkeeseen tekivät Maa- ja elintarviketalouden tutkimuskeskus Maatalousteknologian tutkimus (Vakola) sekä Pohjois-Savon maaseutukeskus. MTT laati logistisen suunnitelman (LIITE 2) tilayhteisölle, joka sijoittui Kuopion kaupungin alueelle. Selvityksen tavoitteena oli laatia maatalouden lietteiden kuljetus- ja varastointijärjestelmä keskitettyyn biokaasulaitoskonseptiin. Tutkimuskohde sisälsi 6 maatilaa joiden vuotuinen lietteentuotto oli noin 4 800 m 3. Laitoksen välittömässä läheisyydessä (< 3,6 km) tuotetaan lietteen kokonaismäärästä 71 % ja kohtuullisen ajomatkan päässä (< 5,2 km) 92 %. Tutkimus osoitti, että kohteessa laitos olisi järkevintä sijoittaa yhden tutkimuskohteena olevan tilan yhteyteen, jolloin kyseisen tilan lietteen kuljetuksilta vältyttäisiin. Tilan läheisyydessä on myös kasvihuoneyritys, joka voi käyttää laitoksella tuotettua lämpöä. Kyseisen kohteen lietteen kuljetusten vuotuiset kustannukset ovat noin 34 000 mk. Kuljetukset perustuvat meno-paluu kuljetuksiin. Pohjois-Savon maaseutukeskus kartoitti Pohjois-Savon alueelta maatilakeskittymät, joilla olisi soveliaimmat olosuhteet käsitellä lietettä keskitetysti. Pohjois-Savossa tilojen etäisyydet ovat verraten pitkiä. Voidaankin pitää melko harvinaisena 5 10 tilan rykelmää, jotka sijaitsevat muutamien kilometrien säteellä ja joiden tuottama lantamäärä on yli 6 000 m 3. Tarkemmassa tarkastelussa keskittymiä oli kuusi, joissa tilojen lukumäärä vaihtelee viiden ja kymmenen välillä. Kyseisissä tilakohteissa laskennalliset vuotuiset lietteentuotot ovat 3 800 11 000 m 3. Tilojen keskimääräiset etäisyydet kuvitteellisilta laitospaikoilta (suurituottoisimmat tilat) olivat teitä pitkin mitattuna 3 km molemmin puolin. Tilakeskittymien kannattavuutta tarkasteltiin hankkeessa laaditulla Powersimsimulointimallilla. Laskennalliset tulokset osoittavat, että nykyisillä energiahinnoilla laitokset eivät ole taloudellisesti kannattavia. Kokonaistarkastelussa tuleekin myös ympäristönäkökohdat ottaa huomioon. Tällä hetkellä verkkoon syötetyn sähkönhinnan määrää sähköyhtiö, jonka verkkoon biokaasulla tuotettu sähkö aiotaan syöttää. Nykyisillä tuottajalle maksettavilla energiahinnoilla esim. sähköä ei kannata syöttää verkkoon. Biokaasulaitoksilla tuotettu sähkö kannattaisikin käyttää tilojen energiahuollossa, jolloin voidaan korvata ostosähköä. Suomessa biokaasulla tuotettua sähköä ei veroteta eikä myöskään tueta. Esim. turpeella tuotettua sähköä tuetaan 9 p/kwh ja puulla 25 p/kwh.
13 Biokaasukäsittelyssä tulee huomioida EU:n käsittelyssä olevat direktiiviehdotukset, jotka koskevat mm. lietelannan ja biokaasun käsittelyä, lopputuotteen laatua sekä biokaasulla tuotettua energiaa. Orgaanisten jätteiden käsittelyyn liittyvät direktiiviehdotukset saattavat vaikuttaa merkittävästi käsittelyketjuun verrattuna nykyiseen käytäntöön. Käsittelyssä ovat mm. eläinjäteasetus, biojätedirektiivi sekä lietedirektiivi (yhdyskuntaliete). Ehdotuksissa on päällekkäisyyksiä ja ne vaikuttavat myös maatalouden biojätteiden käsittelyyn (sis. myös lanta). Etenkin eläinjäteasetuksessa on ehdotettu vaatimuksia lietteiden ja lantojen käsittelylle sekä lopputuotteelle. Laitoksen kannattavuutta voidaan parantaa mädättämällä ohessa myös muita biojätteitä. Etenkin rasvapitoiset jätteet lisäävät biokaasun tuottoa huomattavasti. Nämä kuitenkin vaativat raskaampia käsittelyjä kuten murskaus ja hygienisointi. Lisäksi biojätteiden ja eläinperäisten jätteiden käsittelyyn on tulossa määräyksiä EU-direketiivien pohjalta, joten tässä vaiheessa myös niiden lopullinen vaikutus tulee huomioida. Maatalous on merkittävä kasvihuonekaasupäästöjen aiheuttaja. Suomessa maatalouden aiheuttama kasvihuoneilmiön voimistusvaikutus on noin 10 % kaikista ihmisen aiheuttamista päästöistä. Karjatalouden aiheuttamat kasvihuonekaasupäästöt koostuvat eläinten ruuansulatuksen metaanipäästöistä ja lannankäsittelyn metaanipäästöistä sekä dityppioksidipäästöistä. Dityppioksidi on voimakas kasvihuonekaasu, sen kasvihuoneilmiötä voimistava vaikutus on yli 300 kertainen hiilidioksidiin verrattuna. Metaani on noin 20 kertaa hiilidioksidia voimakkaampi kasvihuonekaasu. Suomessa pääosa (noin 90 %) metaanipäästöistä muodostuu ruuansulatuksesta ja loput lannankäsittelystä. Näin ollen suhteellisen pieneen osaan metaanipäästöistä voidaan vaikutta lannankäsittelyllä, joskin tulee huomioida, että lannankäsittelyn päästötkin ovat merkittäviä kokonaistarkastelussa. Mädätystekniikalla on arvioitu vähentävän lannankäsittelyn metaanipäästöjä noin 70 %. N 2 O päästöihin mädätystekniikan vaikutuksia ei tunneta. Mädätyskäsittelyllä on positiivisia vaikutuksia lietteen ravinteisiin, sillä ne muuttuvat käsittelyssä osittain liukoiseen eli kasveille käyttökelpoisempaan muotoon. Näin mädätyskäsittelyn edullisuus korostuu myös lietteen kohonneina ravinnearvoina.
14 3 ORGAANISEN AINEEN ANAEROBINEN KÄSITTELY 3.1 Orgaanisen aineen anaerobinen hajoaminen Mädätysprosessissa mikro-organismit hajottavat orgaanista ainetta hapettomissa (anaerobisissa) olosuhteissa. Anaerobisessa käsittelyssä suuret orgaaniset (hiiliyhdisteet) molekyylit pilkkoutuvat pienemmiksi yhdisteiksi. Pilkkoutumisessa vapautuva energia sitoutuu muodostuviin metaanimolekyyleihin. (Antila et al. 1995) Jätteen ja lietteen sisältämät orgaaniset yhdisteet kuuluvat proteiineihin, hiilihydraatteihin ja lipideihin. Näiden yhdisteiden anaerobinen hajoaminen perustuu eri prosessivaiheissa toimivien bakteerilajien yhteistoimintaan. Hajoamisen voidaan katsoa jakautuvan eri vaiheisiin, joita ovat hydrolyysi, happokäyminen ja metaanin muodostus. (Antila et al. 1995) Ensimmäisessä vaiheessa orgaaniset yhdisteet hajoaa yksinkertaisempaan, liukoiseen muotoon, jolloin ne ovat helpommin mikro-organismien käytettävissä. Vaihetta kutsutaan hydrolyysiksi.vaiheen lopputuotteena saadaan proteiineista aminohappoja, hiilihydraateista sokereita sekä lipideistä rasvahappoja. (Antila et al. 1995) Taulukko 1. Eri aineryhmien teoreettinen metaanintuotanto. (Ahring) Biokaasu Metaani (ml/g) (ml/g) Hiilihydraatit 830 415 Proteiinit 793 504 Rasvat 1444 1014 Toisessa vaiheessa hydrolyysituotteet hajoavat pienimolekyylisiksi yhdisteiksi kuten liukoisiksi lyhytketjuisiksi rasvahapoiksi, hiilidioksidiksi ja vedyksi. Tätä vaihetta kutsutaan happokäymiseksi. Tyypillisiä hajoamisen välituotteita ovat butyraatti ja propionaatti. (Antila et al. 1995) Muodostuneita happoja ovat etikka (asetaatti)-, muurahais-, voi- ja propionihappo. (Durate, A.C Ref. Rentola 1998) Kolmannessa vaiheessa vetyä muodostavat asetogeeniset bakteerit pilkkovat rasvahappoja (muita kuin asetaatti) ja alkoholeja etikkahapoksi (asetaatiksi), hiilidioksidiksi ja vedyksi. Metaania muodostuu edelleen joko etikkahaposta tai vedystä ja hiilidioksidista. (Antila et al. 1995) Metaanibakteerit eivät kykene suoraan hyödyntämään etikkahappoa pitempimolekyylisiä rasvahappoja kuten propionihappoa ja voihappoa. Myös metaaninmuodostajabakteerit ovat asetogeenisten bakteerien tavoin anaerobisia. (Hänninen & Leinonen 1996)
15 Metaaniin muodostuminen etikkahaposta CH 3 COO - + H 2 O CH 4 + HCO 3 - tai vedystä ja hiilidioksidista CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O Metaanista noin 70 % muodostuu etikkahaposta ja loput vedyn kautta. (Antila et al. 1995) Haponmuodostus on metaaninmuodostusta nopeampi (Määttä 1983). Mikäli reaktoria ylikuormitetaan, happojen pitoisuus nousee. Korkea happopitoisuus heikentää prosessin mikrobien toimintaa Orgaaniset yhdisteet (proteiinit, hiilihydraatit, lipidit) Aminohapot Sokeri Rasvahapot Pienimolekyyliset rasvahapot (propionaatti, butyraatti) Asetaatti Vety Hiilidioksidi Metaani Kuva 1. Kaavio bioreaktorissa tapahtuvasta hajotusprosessista. (Antila et al. 1995)
16 3.2 Anaerobisella käsittelyllä saavutettavat asiat 3.2.1 Kuormitus maaperään ja vesistöihin Mädätyksen avulla lietteestä aikaansaadaan tasalaatuisempaa verrattuna raakalietteeseen. Orgaanisen kiintoainepitoisuuden laskiessa lietteen välitön hapen tarve vähenee. Näin ollen maan happitasapaino paranee merkittävästi. Levityksessä tällä on suuri merkitys, sillä mädätettyä lietettä käytettäessä liete ei sido maaperän happea orgaanisen aineksen hajotustoimintaan. Tällöin kasvit voivat välittömästi käyttää hydrolyysijäännöksen ravinteita hyväkseen. (Mattila et al. 1985, Hänninen & Leinonen 1996) Ortenbladin mukaan anaerobikäsittelyssä noin puolet hiilestä vapautuu metaaniksi ja hiilidioksidiksi. Kuiva-aineen määrän laskiessa mädätetyllä lietteellä on korkeampi viskositeetti, joka helpottaa käsiteltävyyttä kuten levitystä. (Ortenblad) Taulukko 2. Taipalsaaressa tehtyjen mädätyskokeiden reduktioita. BOD 7 - ja COD Mn - reduktiot ovat suuremmat, koska metaanibakteerit käyttävät helposti hajoavat yhdisteet ensin. (Mattila et al. 1985) Ominaisuus Reduktio % BOD 7 (mgo 2 /l) 73 COD Mn (mgo 2 /l) 53 VS (g/l) 37 VFA (g/l) 68 Mädätyksellä voidaan pienentää myös vesistön kuormitusta alentuneina BOD 7 - ja COD Mn -pitoisuuksina. BOD 7 - ja COD Mn -pitoisuudet kuvaavat helposti hajoavien orgaanisten yhdisteiden määrää. Vesistöjen happitasapaino paranee, koska valumavesien sisältämän orgaanisen aineen hajoamiseen kuluva hapen tarve pienenee. (Lehtimäki & Lundström 1994) 3.2.2 Biokaasun tuotanto Mädätysprosessissa syntyy polttoon kelpaavaa biokaasua, jota voidaan käyttää energiantuotannossa. Syntynyttä biokaasua voidaan pitää uusiutuvana ympäristöystävällisenä energialähteenä. Palamistuotteena syntyy pääosin hiilidioksidia (CO 2 ) ja vesihöyryä (H 2 O). Kun tuotettu biokaasu poltetaan, vähennetään lannankäsittelyn metaanipäästöjä (kasvihuonepäästöjä). Biokaasun polttaminen ei synnytä enempää hiilidioksidia kuin luonnon kiertokulkuun liittyvä normaali lannan hajoaminen tuottaa (Lehtimäki & Lundström 1994).
17 3.2.3 Lietteen hygienian paraneminen Mädätyskäsittelyllä voidaan alentaa tai poistaa haitallisten bakteerien vaikutuksia pinta- ja pohjavesiin sekä muuhun ympäristöön. Mädätyskäsittelyn avulla voidaan lietteestä poistaa mm. kasvi- ja eläinperäisiä patogeenejä, viruksia sekä rikkakasvien siemeniä. Taipalsaaressa tehdyissä kokeissa hygieniamuutoksia arvioitiin indikaattoribakteerien avulla. Indikaattoribakteereina olivat lämpökestoiset koliformit sekä fekaaliset streptokokit. Kokeet suoritettiin mesofiilisella (35 C ) lämpötila-alueella. Bakteerien poistuma oli koliformien osalta noin 99 % ja streptokokeilla noin 97 %. (Mattila et al. 1985) Prosessilämpötilalla ja viipymällä on suuri vaikutus lietteen hygieenisiin ominaisuuksiin. Joensuussa Siikasalmen tutkimusasemalla on tehty kokeita, missä tutkittiin meso- ja termofiilisen prosessin vaikutusta patogeeneihin. Kokeet tehtiin laboratoriossa. Kokeissa käytettiin mm. Salmonella typhimurium puhdasviljelmää. Suoritettujen kokeiden perusteella mesofiilinen anaerobiprosessi ei takaa Salmonella typhimuriumin eliminoitumista. Kun kokeissa käytettiin termofiilista (55 C ) lämpötila-aluetta, kyseinen bakteeri kuoli jo viidessä tunnissa. (Leinonen & Kuittinen 2001) Tanskassa tehdyn tutkimuksen mukaan hyvin toimiva termofiilinen prosessi varmistaa useimpien patogeenien tuhoutumisen orgaanisesta jätteestä ja lietteestä. Vastaavasti mesofiilisessa prosessissa patogeenien tuhoutuminen on epätäydellistä. (Bendixen 1997) Tanskassa riittävän hygieniatason saavuttamiseksi ohjearvona pidetään massan viipymistä yhden tunnin ajan 70 C lämpötilassa. (Salminen & Rintala 1999) Taulukko 3. Tanskassa on hygienisoitumiskriteereinä käytetty myös lämpötila/aikayhdistelmiä. Taulukossa on lämpötila/aika yhdistelmät, jotka vastaavat tunnin viipymää 70 asteen lämpötilassa. (Bendixen 1997) Lämpötila ºC Viipymäaika termofiilisessä prosessissa (MGRT) /h Viipymäaika erillisessä hygienisointitankissa /h Ennen tai jälkeen termofiilisen prosessin Ennen tai jälkeen mesofiilisen prosessin 52,0 10 53,5 8 55,0 6 5,5 7,5 60,0 2,5 3,5 65,0 1,0 1,5
18 3.2.4 Hajuhaitat Mädätyskäsittelyn seurauksena lietteen hajuhaitat vähenevät merkittävästi. Hajun väheneminen johtuu rasvahappopitoisuuden (VFA) pienentymisestä. Osittain hajun voidaan katsoa johtuvan myös BOD 7 - ja COD Mn -pitoisuuksista. (Mattila et al. 1985) Mädätetyn lietteen levityksen jälkeen haju katoaa myös nopeammin verrattuna raakalietteeseen (Ortenblad) 3.2.5 Ravinnepitoisuudet Itse mädätysprosessissa ei synny ravinnehävikkiä, joten käsitelty liete on tehokasta lannoitetta. Käsitelty liete on myös homogeenisempaa ravinteiden suhteen verrattuna käsittelemättömään lietteeseen. (Lehtimäki & Lundström 1994) Osa orgaanisesta typestä muuttuu prosessin aikana liukoiseen muotoon (ammoniumtyppi, NH 4 + ), joka on välittömästi kasvien käytettävissä mädätetyn lietteen levityksen jälkeen. Lietteen levityksen yhteydessä tulee orgaanisen typen ensin mineralisoitua maaperässä ennen kuin se on kasvien käytössä. Näin ollen mädätetty liete on tehokkaampaa lannoitetta.(ortenblad) Mädätetyn karjan lietteen ammoniumtyppipitoisuus on noin 20 % suurempi verrattuna raakalietteeseen. Sianlietteen osalta ammoniumtypen määrässä ei tapahdu merkittävää muutosta (Bo Holm-Nielsen et al. 1997). Siipikarjateurastamon jätteiden mädätyskokeissa orgaanisesta typestä mineralisoitui noin 50 60 % ammoniumtypeksi (kasveille käyttökelpoinen muoto). Kokeet tehtiin jatkuvatoimisessa täyssekoitteisessa reaktorissa, missä prosessilämpötilana oli mesofiilinen alue (noin 35 ºC). (Salminen & Rintala 1999) Jokelan (19.2.2002) mukaan pääsääntöisesti suurin osa ravinteista mobilisoituu anaerobiprosessissa orgaanisesen aineen hajotessa. Tämä johtuu siitä syystä, että lähes kaikki ravinteista (N, P, K) ovat sitoutuneet orgaanisiin molekyyleihin. Biokaasukäsittelyssä suurin osa typestä liukoistuu NH 4 -N:ksi, fosfori PO 4 -P:ksi ja kalium K 2 O-K:si. Ravinteiden muuttuminen liukoiseen muotoon voidaan katsoa tapahtuvan samassa suhteessa kuin lietteen orgaaninen (VS) määrä vähenee. Jos esim. VS-vähenemä on 70 %, niin esim. typestä vähintään 70 % on liukoisessa muodossa (tulee huomioida syöttömateriaalin liukoisen typen määrä) (Jokela 19.2.2002). Ravinteiden muuttuessa liukoiseen muotoon voidaan säästää väkilannoitteiden hankinnassa. 3.2.6 ph-pitoisuus Mädätyksen aikana lietteen ph-pitoisuus nousee, jolloin lietteen maaperää happamoittava vaikutus pienenee. Eräissä tutkimuksissa syötettävän lietteen ph oli 6,3 7,4. Reaktorista poistuvan lietteen ph oli noin 7,4 7,9. Lietteen ph:n noustessa maaperän kalkitustarve pienenee. (Lehtimäki & Lundström 1994) Ortenbladin mukaan ph-pitoisuus mädätyksessä nousee noin puolella yksiköllä. Ravinteiden kannalta ph:n nousu ei ole hyvä asia, sillä se lisää ammoniakin haihduntaa varastoinnin ja levityksen yhteydessä. Alhaisessa ph:ssa ammoniakki esiintyy ammonium (NH 4 + ) muodossa, joka ei haihdu. ph:n noustessa ammoniakki esiintyy NH 3 -N muodossa,
19 joka on alttiimpaa haihtumiselle. ph:n noustessa yhden yksikön, ammoniakin pitoisuus kasvaa kertoimella 10. (Ortenblad) 3.2.7 Ammoniakin haihdunta mädätetylle lietteelle Varastointi Ilman toimenpiteitä varastoinnin aikana on suuri riski menettää typpeä. Käsittelemätön lietelanta muodostaa luonnollisen kerroksen säiliön pinnalle, joka ehkäisee ammoniakin haihduntaa. Käsitelty liete ei itsestään muodosta pintakerrosta johtuen lietteen alentuneesta kiintoainepitoisuudesta sekä kasvaneesta viskositeetista. Lisäksi kohonnut ph-pitoisuus nostaa haihdunnan riskiä. Monet mittaukset ovat osoittaneet, että haihdunta on runsaampaa mädätetyllä lietteellä verrattuna raakalietteeseen. Haihdunta voidaan estää kattamalla lietesäiliö. Lietesäiliön kattamisella voidaan ammoniakin haihdunnasta syntyvä ravinnehävikki estää jopa 96 %. Kattamisen aiheuttamat kustannukset voidaan osin kuvitella katettavaksi säilyneinä liukoisina ravinteina. Tällöin viljelijän ei tarvitse ostaa mineraalilannoitteita. Tiiviillä katteella voidaan myös välttää sade- ja valumavesien pääsy säiliöön, jolloin lietesäiliötä ei tarvitse mitoittaa kyseisten vesien varalle. (Ortenblad) Levitys Levityksen aikaiseen ammoniakin haihduntaan vaikuttavat lietteen ominaisuudet (ph, kuiva-aine), sääolosuhteet, maaperän ominaisuudet, kasvilaji sekä levitystekniikka. Mittaukset ovat osoittaneet, että ph: nousu on lisännyt levityksen aikaista haihduntaa. Näin ollen mädätetyn lietteen levityksessä on myös suuri riski menettää typpeä. Puolen phyksikön alenema on vähentänyt haihduntaa 10 %. Lietteen korkea kuiva-ainepitoisuus lisää ammoniakin haihduntaa levityksessä. Tämä johtuu siitä, että kuiva-aine estää lietteen imeytymistä maahan. Mädätetyllä lietteellä on täten etu, sillä alentunut kuiva-aineen määrä sekä korkea viskositeetti helpottavat imeytymistä. Tämä myös aiheuttaa sen, että levityksen yhteydessä syntyvät mahdolliset hajuhaitat katoavat nopeammin verrattaessa raakalietteen levitykseen.(ortenblad)
20 4 MÄDÄTYSPROSESSIN FYSIKAALISET JA KEMIALLISET PARAMETRIT 4.1 Lämpötila Mädätysprosessilla on kaksi optimaalista lämpötila-aluetta. Mesofiilisen optimilämpötila on noin 35 C ja termofiilisen noin 55 C. Molemmilla lämpötila-alueilla toimivat omat bakteeriryhmänsä. Jo pienetkin lämpötilavaihtelut häiritsevät prosessia. Etenkin termofiilinen prosessi on herkkä lämpötilan vaihteluille. Prosessin lämpötilan tulisikin olla vakio ± 2 C tarkkuudella. Lämpötilan vaihtelut häiritsevät mädätysprosessin mikrobien toimintaa. Häiriö alentaa biokaasun tuottoa. (Lehtimäki & Lundström 1994) Termofiilisen prosessin etuna on lyhyempi viipymä, suurempi kuormitettavuus, alhaisempi humusmassan tuotto sekä humusmassan korkeampi hygieenisyys verrattuna mesofiiliseen prosessiin. Mesofiilisen prosessin etuna voidaan katsoa olevan prosessin helpompi hallittavuus tarkasteltaessa prosessia lämpötilan kannalta. Korkeita lämpötiloja käytettäessä lämmitystarve kasvaa ja tämä vastaavasti heikentää laitoksen kannattavuutta. (Antila et al. 1995, Mattila et al. 1985) Kuva 2. Metaanin suhteelliset tuotonannon muutokset lämpötilan funktiona. (Riihelä, T. 1983 Ref. Kuitunen 1997)
21 4.2 Kuiva-ainepitoisuus Anaerobiprosessi voi olla joko märkä- tai kuivaprosessi. Märkäprosessissa käsiteltävän biomassan kuiva-ainepitoisuus on noin 6 10 % ja kuivaprosessissa noin 25 40 %. Märkäprosessin etuna ovat helpommin järjesteltävät massan siirrot (pumppaukset) sekä sekoitukset. Kuivan prosessin etuna voidaan katsoa olevan pieni reaktoritilavuuden tarve sekä pienemmän massatilavuuden lämmitystarve. Kuivaprosessissa myös biokaasun saanto massatilavuutta kohden on suurempi suuremman orgaanisen kiintoainepitoisuuden myötä. (Antila et al. 1995) Maatalouden lietelannan orgaaninen kuiva-ainepitoisuus on yleensä alle 12 % (Grönroos 1993). Näin ollen lietelantoja käsiteltäessä puhutaan märkäprosessista. 4.3 Kuormitus Kuormituksella tarkoitetaan syötetyn lietteen orgaanisen aineen massaa reaktorin tilavuusyksikkö kohti. Yleisesti kuormitus ilmoitetaan kiloina orgaanista massaa reaktorikuutiometriä kohden vuorokaudessa (kg VS/m 3 /d). Kuormituksen vaihteluja aiheuttavat käytettävät viiveet reaktorissa sekä lietteen laadun muutokset. (Antila et al. 1995) Orgaanisten yhdyskuntajätteiden reaktorikuormitus on mesofiilisellä alueella noin 5-6 kg VS/m 3 /d. Termofiilisellä alueella vastaava arvo on noin 10-11 kg VS/m 3 /d. (Antila et al. 1995) Kuormituksen seuraaminen on tärkeää, sillä liian suuri kuormitus johtaa helposti haponmuodostajabakteerien voimakkaaseen kasvuun. Tämä taas aiheuttaa ph:n alenemisen ja ph:n muutos edelleen heikentää kaasun tuottoa. (Korelin 1983) 4.4 Viipymä Viipymäaikoja ovat sekä hydraulinen ja biologinen viipymä. Hydraulisella viipymällä tarkoitetaan jäteaineen virtausviipymää reaktorissa. Biologinen viipymäaika tarkoittaa aikaa, jonka mikro-organismit ovat reaktorissa. (Mattila et al. 1985) Viipymään vaikuttaa käsiteltävän materiaalin koostumus ja lähinnä sen orgaanisen kiintoaineen määrä, reaktorissa käytettävä lämpötila-alue, käytettävä reaktoritilavuus sekä sekoituksen toimivuus. Orgaanisia jätteitä käsiteltäessä termofiilisella alueella viipymä on noin 15 vuorokautta. Mesofiilisella alueella viipymä on kaksinkertainen verrattuna termofiiliseen alueeseen. Maatalouden lietteiden viipymät mesofiilisella alueella ovat seuraavat (Jokela 26.6.2001): lehmän lietelanta 12 18 d lehmän kuivalanta (olkikuivike) 18 36 d sian lietelanta 10 15 d. Kalmarin tilalla tehtyjen kokeiden perusteella lehmän lietelannan viipymä on noin 22 vuorokautta. (Jokela 26.6.2001)
22 Viipymän kasvaessa saavutetaan suurempi orgaanisten kiintoaineiden reduktio (Lehtimäki & Lundström 1994). Pitkän viipymän seurauksena lämmitys- ja sekoitusenergian tarve kasvaa ja lisäksi tarvitaan myös suurempi reaktori, joka nostaa investointikustannuksia. Liian lyhyt viive voi laskea ph:ta. Ennen kaikkea liian lyhyellä viipymällä ei saavuteta riittävää orgaanisen aineen hajoamista. Tämä taas alentaa sekä kaasuntuotantoa että -laatua. Kaasun laadun aleneminen ilmenee nousseena hiilidioksidipitoisuutena (CO 2 ). (Korelin 1983) 4.5 Haihtuvat rasvahapot Rasvahapot ovat haponmuodostusvaiheessa syntyviä välituotteita ja niiden määrä antaa viitteitä prosessin tilasta. Määrän lisääntyminen reaktorissa osoittaa, että metaanibakteerit eivät ehdi käyttämään kaikkia haponmuodostusvaiheessa syntyviä rasvahappoja. (Lehtimäki & Lundström 1994) Haihtuvien rasvahappojen (VFA) määrän lisääntyminen aiheutuu reaktorin liiallisesta kuormituksesta. Lisääntynyt rasvahappojen määrä estää metaanibakteerien toimintaa ja vaikuttaa näin alentavasti biokaasun tuottoon. 4.6 ph ph:lla on suuri merkitys biokaasun tuotantoon. Haponmuodostajabakteerien ph -optimi on 5,2-6,3 ja metaanibakteerien ph-optimi on 6,8-7,2. (Hänninen & Leinonen 1996) ph vaihtelee kuormitustilanteesta riippuen. ph nousee kuormituksen vähentyessä ja laskee kuormituksen kasvaessa. (Lehtimäki & Lundström 1994) Kuormituksen kasvaminen lisää reaktorin rasvahappopitoisuutta, joka aikaansaa ph:n laskemisen. Jos käymisolosuhteet äkillisesti muuttuu ja ph laskee nopeasti, metaanin kokonaistuotto vähenee ja sen osuus kaasussa pienenee. 4.7 Alkaliniteetti Alkaliniteetti kuvaa reaktorin puskurikapasiteettia. Alkaliniteetti ilmoitetaan yksikössä CaCO 3 /l. Suositeltava bikarbonaattialkaliteetti käsiteltäessä orgaanisia jätteitä on 3500-5000 mg CaCO 3 /l. Tämä alkaliteettiarvo estää tilapäisistä ylikuormituksesta johtuvia häiriötiloja. (Lehtimäki & Lundström 1994) 4.8 Happo/alkaliniteetti -suhde Mädätysprosessin tilasta saadaan selväpiirteinen kuva haihtuvien happojen (mg CH 3 COOH/l) ja alkaliniteetin (mg CaCO 3 /l) suhdeluvun (VA/Alk.) avulla. Suhdeluvulla saadaan selville mahdollinen häiriötekijä ennen kuin esimerkiksi ph:ssa tapahtuu muutoksia. Hyvin toimivassa reaktorissa haihtuvien happojen suhde alkaliniteettiin on noin 0,25 tai pienempi. (Korelin 1983)
23 4.9 Ravinteet ja ammoniakki Biokaasureaktorissa käsiteltävällä jätteellä tulee olla riittävä määrä ravinteita, jotka edistävät mikrobikannan kasvua. Tärkeimmät ovat typpi (N) ja fosfori (P). Muita prosessille tärkeitä ravinteita ovat natrium (Na), kalium (K), kalsium (Ca), magnesium (Mg) ja rauta (Fe). (Lehtimäki & Lundström 1994) Käsiteltävän biomassan hiili- typpisuhteen (C/N -suhde) optimiarvo riippuu käytettävästä menetelmästä. C/N -suhde vaikuttaa metaanin tuotantoon. Sopiva suhde edesauttaa mm. solujen kasvua. (Hänninen & Leinonen 1996) Tutkimuksissa on selvinnyt, että optimi C/N -suhde on 25-30, kun orgaanisen hiilen määrästä on poistettu hajoamattoman ligniinin osuus. (Lehtimäki & Lundström 1994) Karjan lannan anaerobikäsittelyssä eräänä reaktorin mitoitukseen vaikuttavana tekijänä on ammoniakin muodostus prosessissa. Ammoniakki on metaanin muodostuksen inhibiittori. Ammoniakin muodostumiseen vaikuttaa prosessin ph:n ja lämpötilan lisäksi reaktorin kuormitus sekä biomassan viipymäaika reaktorissa. (Antila et al. 1995) Kaasuntuotto on riippuvainen mikrobien toiminnasta. Kaasuntuottoa voidaan lisätä parantamalla reaktorin ravinneainetasapainoa. Tämä saadaan aikaiseksi esimerkiksi sekoittamalla naudan- ja sianlantaa. Parantuneen ravinnetasapainon myötä myös mikrobitoiminta on tehokkaampaa. Lannansekoittamisella voidaan parantaa myös mädätetyn lietteen lannoitearvoa, koska tällöin esim. sianlannan sisältämä fosfori saadaan paremmin hyötykäyttöön. (Leinonen & Kuittinen 1998) Biometanoinnissa eräät metalli-ionit (hivenaineet) voivat olla joko stimuloivia tai inhiboivia. Tämä riippuu pitoisuuksista. Esim. Na + -, K + -, Ca 2+ - ja Mg 2+ -ionien vaikutukset ovat stimuloivia konsentraatioissa 75-400 mg/l, vähän inhiboivia konsentratioissa 1000-5500 mg/l ja vahvasti inhiboivia konsentraatioissa 3000-12000 mg/l. Ammoniakki on etenkin karjanlannan anaerobisessa hajoamisessa voimakas inhibiittori. Inhiboivaan vaikutukseen riittää konsentraatioksi noin 150 mg/l. (Hänninen & Leinonen 1996)
24 5 BIOKAASU 5.1 Biokaasun koostumus Biokaasu koostuu pääosin metaanista ja hiilidioksidista. Epäpuhtautena biokaasussa on mm. rikkivetyä, typpeä ja hiilimonoksidia. Edellä mainittujen pitoisuudet biokaasussa vaihtelevat ja riippuvat mädätettävästä biomassasta. Biokaasun lämpöarvo on noin 18-24 MJ/m 3, joka vastaa 5,0-6,7 kwh/m 3. (Latola, P. & Määttä, R. Ref. Rentola 1998) Biokaasun energiasisältö (kwh/m 3 ) voidaan karkeasti määrittää kertomalla biokaasun prosentuaalinen metaanipitoisuus 0,1:llä. Mikäli biokaasun metaanipitoisuus on 60 %, on kyseisen biokaasun energiasisältö noin 6 kwh/m 3. (Salonen et al. 1994) Taulukko 4. Suhteelliset määrät biokaasun kostumukselle. Lisäksi biokaasu sisältää mm. ammoniakkia. (Teir et al. 1993) Aine Osuus biokaasusta % Metaani (CH 4 ) 65 Hiilidioksidi (CO 2 ) 35 Vety (H 2 ) 0,5 Rikkivety (H 2 S) 0,001 Kaasusta tulisi puhdistaa epäpuhtaudet ennen polttoa, joista ongelmallisin on rikkivety (H 2 S). Rikkivety on tulenarkaa ja muodostaa ilman kanssa räjähtävän seoksen. Palamisessa syntyy rikkidioksidia (SO 2 ), joka tekee pakokaasusta syövyttävän. (Muche, H & Zimmermann, H. Ref. Keinänen 2000) Käsiteltävästä materiaalista riippuen muita epäpuhtauksia ovat mm. klooratut hiilivedyt raskasmetallit, sekä antibiootit. Yleensä edellä mainittujen yhdisteiden määrät eivät tuhoa koko bakteerikantaa, vaan ne vaikuttavat alentavasti metaanintuottoon. (Antila et al.1995) 5.2 Biokaasusaantoja ja energiapotentiaalit Biokaasun saanto riippuu mädätettävästä materiaalista, materiaalin orgaanisesta kiintoainepitoisuudesta (VS) sekä monesta muusta mädätysprosessin osatekijästä. Taulukko 5. Jätemassojen biokaasusaantoja. (Mattila et al. 1985) Orgaaninen aine Kaasun tuotto (m 3 /kgvs) Asumajätevesiliete 0,2-0,6 Lehmänlanta 0,2-0,6 Sianlanta 0,4-0,9 Kananlanta 0,3-0,8 Kasvisjäte 0,15-0,45
25 Biokaasun teoreettinen saanto lasketaan seuraavasti: saanto( m 3 3 ) = VS( kg) kaasuntuotto( m / kgvs) (kaava 1) Orgaanisen kuiva-aineen (VS) vuotuiset tuotot (keskimääräinen arvo) /57/: - lehmä 1 600 kg VS/a - sika 104 kg VS/a Biokaasun saannot (arvot valittu taulukosta 5): - lehmä 0,4 m 3 /kgvs - sika 0,6 m 3 /kgvs Vuotuiset biokaasusaannot: - lehmä - sika 1600 0,4 = 104 0,6 = 62 640 m 3 a m 3 a Biokaasun energiapotentiaali lasketaan kaavan 1 avulla. Biokaasun metaanipitoisuus on noin 55 75 %. Valitaan laskuihin 55 %. Vuotuiset energiapotentiaalit: - lehmä - sika kwh 0,1 55 640 3500 a kwh 0,1 55 62 340 a
26 6 KÄYTÖSSÄ OLEVIA BIOKAASUTEKNIIKOITA 6.1 Maatilakohtaiset biokaasulaitokset Suomessa Vuoden 1999 lopussa Suomessa toimi neljä maatilakokoluokan biokaasulaitosta: - Koivusen tila Taipalsaaressa - Jungerån tila Jepualla - Hannulan tila Kalajoella - Kalmarin tila Laukaassa. Lisäksi aiemmin Siikasalmella tutkimus- ja koekäytössä ollut laitteisto siirrettiin Junttilan tilalle. Kyseisen laitoksen koekäynnistys alkoi vuoden 2000 lopulla. (Leinonen & Kuittinen 2000) 6.1.1 Koivusen tila Ensimmäinen reaktori oli käytössä vuosina 1982 1989. Toimintalämpötila oli mesofiilinen (noin 35 C). Käsittelyn suurimpana ongelma oli biokaasureaktorin lämmöneristys. (Leinonen & Kuittinen 1999, Mattila et al. 1985) Reaktori oli rakennettu maan pinnan alapuolelle ja se oli tehty betoniharkoista sekä valettu betonista. Seinien eristys oli tehty styroksilla ja kannen eristys vuorivillalla. Reaktorista kaksi kolmasosaa oli lietetilana ja loput kaasutilana. Kokonaistilavuus oli 85 m 3. Kaasun kulkeutuminen betonielementtien läpi oli estetty verhoilemalla kaasutila butyylikumin avulla. Reaktori oli toimintaperiaatteeltaan kaksivaiheinen. Ensin raakaliete oli pumpattu reaktorin sisempään osastoon, mistä se ohjautui edelleen ylivuotona ulompaan säiliöön. Liete lämmitettiin pohjalämmityksen avulla sisemmässä osastossa. (Mattila et al. 1985, Leinonen & Kuittinen 1999) Sekoitus tapahtui molemmissa osastoissa samalla pystyakselilla olevalla lapasekoittajalla (Leinonen & Kuittinen 1999). Pumppaukset tapahtui repijäpumpun avulla. Reaktorin päälle oli rakennettu vajarakennus, jossa olivat mm. sekoittimen moottori, kondenssivedenerotin, yli- ja alipainevarolaitteet, kaasumittarit sekä kattilahuone reaktorin lämmitystä varten. Lietteen lämmitykseltä jäävä ylimääräinen kaasu käytettiin tilan energiahuoltoon. (Mattila et al. 1985) Vuonna 1998 tilalle tuli uusi FBE Horisontal reaktori (7,8 m 3 ). (Leinonen & Kuittinen 1999) FBE-reaktoriin liete syötetään tangentiaalisesti toisesta päästä. Poisto tapahtuu ylivaluntana toisesta päästä. FBE reaktorissa voidaan välttää eri päivinä syötettyjen lietteiden sekoittuminen keskenään sekä poistuminen reaktorista kesken prosessin. (Koivunen 1998) FBE-reaktorin sekoittajalla voidaan sekoittaa tehokkaasti sekä pohjalle kertynyttä orgaanista ainetta että pinnalle ketyvää kuorettumaa. Sekoittimen avulla voidaan myös palauttaa bakteerikantaa ymppinä reaktorin alkupäähän, mikä nopeuttaa prosessin käyntiin lähtöä. FBE-reaktorissa on käytetty suuria lämpöpintoja, jotka mahdollistavat myös termofiilisen prosessin suorittamisen. (Koivunen 1998)
27 6.1.2 Jungerån tila Jungerån tilalla on biokaasua tuotettu vuodesta 1985 lähtien. Ensimmäinen reaktori oli tyypiltään ns. Mabi-reaktori. Reaktori oli vaakatasossa oleva säiliö, jonka tilavuus oli 30 m 3. (Leinonen & Kuittinen 1999) Mabi-reaktorissa on vaakasuoraan akseliin rakennettu pyörivä sekoitin. Toisessa päässä on lietteen syöttökanava ja toisessa päässä lietteen poisto. Sekoittimeen on kiinnitetty pyöriviä väliseiniä, jotka jakavat reaktorin osastoihin. Lietteen lämmitys ja happovaiheen käynnistyminen tapahtuu ensimmäisessä osastossa ja varsinainen metaanikäyminen jälkimmäisissä osastoissa. Sekoittimessa on kaavari, joka sekoituksen aikana palauttaa kiintoainetta reaktorin ensimmäiseen osastoon. Kiintoaine toimii ymppinä, joka nopeuttaa biologisen prosessin käynnistymistä. (Enqvist 1983) Vaakatasoisella sekoittajalla pyrittiin aikaansaamaan tehokas sekoittuminen ja sillä voitiin välttää pumppaussekoituksen aiheuttama mikrobitoiminnan häiriintyminen. Väliseinien avulla voitiin vähentää patogeenien oikovirtausmahdollisuuksia reaktorissa. (Enqvist 1983) Vuoden 1997 aikana tilalle valmistui uusi reaktori (50 m 3 ). Reaktorissa on pyritty korjaamaan edellisessä ilmenneitä epäkohtia. Ensimmäisessä reaktorissa ilmeni ongelmia mm. lämmönvaihdossa ja sekoituksessa. Uudessa reaktorilaitteistossa lämmönvaihto tapahtuu kaksiosaisen putken avulla, missä lietteen syöttö tapahtuu sisäputkea pitkin ja poisto ulkoputkea pitkin. Näin lämmin prosessoitu liete esilämmittää käsittelyyn tulevaa raakalietettä. (Leinonen & Kuittinen 1999) Raaka-aineena tilalla käytetään naudan lietelantaa 1-1,5 m 3 vuorokaudessa. Vuoden 1998 aikana biokaasua saatiin keskimäärin 25 30 m 3 vuorokaudessa. Biokaasua varten ei ole erillistä kaasuvarastoa. Varastointi tapahtuu 1,5 m 3 paineentasauskellossa. (Leinonen & Kuittinen 1999) 6.1.3 Hannulan tila Hannulan tilan biokaasulaitos käynnistyi lokakuussa 1998. Reakori on vanha öljysäiliö (100 m 3 ). Sekoitus tapahtuu kahden sivusta asennetun potkurisekoittajan avulla. (Leinonen & Kuittinen 1999) Raakaliete pumpataan 5 m 3 esisäiliöstä ja se esilämmitetään putkilämmönvaihtimen avulla prosessoidulla lämpöisellä lietteellä. Reaktori toimii termofiilisellä (55 C) alueella. Reaktorin lämmitys tapahtuu kierrättämällä lietettä pumpun avulla lämmönvaihtimen läpi sekä lisäksi reaktorissa on sisäinen lämmönvaihdin, joka varmistaa, että laitos voi toimia termofiilisellä alueella (Heusala 24.11.2000 ja 21.2.2002)
28 Kuva 3. Hannulan tilan biokaasulaitos. Reaktori kaasuvarasto ja muut tekniset laitteet aggregaattia lukuun ottamatta on rakennuksen sisällä. Kuva: Taavitsainen Reaktorissa voidaan mädättää myös biojätteitä, joita varten laitoksessa on oma käsittelylinjansa. Jäte johdetaan teurasjätemyllyn kautta biojätesäiliöön (16 m3), josta se johdetaan edelleen hygienisointitisäiliön kautta reaktoriin. Hygienisointi tapahtuu noin 300 litran säiliössä, jossa jäte lämmitettään kuuman vesivaipan avulla noin 70 C lämpötilaan. Hygienisointisäiliöstä liete pumpataan ruuvipumpulla reaktoriin. (Mehtälä & Määttälä 1998, Heusala 24.11.2000) Laitoksella on myös mahdollista erotella reaktorista tulevan hydrolyysijäännöksen musta vesi ja kuiva-aine erilleen. Kuiva-aineen erottelijana laitoksella on suotonauhapuristin. Tällä hetkellä kuiva-aineen erottelu ei ole toiminnassa.(heusala 21.2.2002) Kuva 4. Suotonauhapuristin. Kuva: Taavitsainen
29 Käsitelty liete johdetaan lämmönvaihtimen läpi pressulla katettuun lietesäiliöön, missä liete vielä jälkikaasuuntuu. Syntynyt jälkikaasu ohjataan tiiviillä pressulla varustettuun kaasuvarastoon, missä kaasun paine on alle 10 mbar. Kaasu hyödynnetään polttamalla sitä joko lämpökattilassa tai Totem-aggregaatissa. Varastossa oleva biokaasu ei ole paineistettu, joten aggregaattiin syötön yhteydessä biokaasun painetta korotetaan pumpun avulla. Aggregaatin biokaasun käyttöpaine on 20 mbar (20 cm vesipatsasta). Kesäaikaan syntynyt biokaasu poltetaan osin ulkona soitupolttimessa, koska silloin muodostuneelle energialle ei ole käyttöä. Kesällä laitoksella on huolto- ja korjaustauko, jolloin reaktoriin ei pumpata uutta raakalietettä. Prosessi tuottaa biokaasua vielä syötön keskeyttämisen jälkeenkin. Reaktorin uudelleenkäynnistys ei vaadi suurempia järjestelyjä, sillä tarvittava mikrobikanta on reaktorissa olevassa lietteessä. (Heusala 21.2.2002) Kuva 5. Hannulan tilan Totem-aggregaatti. Aggregaatin takana on pumppu, jolla biokaasun paine korotetaan aggregaatin tarvetta vastaavaksi (20 mbar). Kuva: Taavitsainen.