Kerääjäkasvien minisiilosäilöntä ja metaanituottopotentiaali Ravinteet pellossa vaan ei vesistöön hanke kesä/2015 kevät/2016 Laura Kannisto, Maritta Kymäläinen
Kerääjäkasvien koeruudut Koeruudun koodi A2 A3 A4 A6 A7 A8 B8 Kerääjäkasvi Lannoitus Viljelypaikka Italianraiheinä; siemenmäärä pieni (7 kg/ha) Italianraiheinä; siemenmäärä suuri (20 kg/ha) Monivuotinen heinäseos Puna-apila + italianraiheinä Puna-apila + öljyretikka Puna-apila + italianraiheinä, ohrakokoviljana Valkoapila Karjanlantaa max määrä, loput väkilannoitteena Karjanlantaa max määrä, loput väkilannoitteena Karjanlantaa max määrä, loput väkilannoitteena Karjanlantaa max määrä, loput väkilannoitteena Karjanlantaa max määrä, loput väkilannoitteena Karjanlantaa max määrä, loput väkilannoitteena Lannoitus kokonaan väkilannoitteella karjatila karjatila karjatila karjatila karjatila karjatila viljatila
Kerääjäkasvien kosteus, orgaaninen aine ja tuhka Valion Artturi-analyysipalvelussa kerääjäkasveista saatiin kuiva-aine- ja tuhkapitoisuus. HAMKissa määritettiin kuiva-aine (TS)- ja orgaanisen aineen (VS) pitoisuus (SFS 3008). Molemmissa laboratorioissa tehdyistä tuloksista mahdollista laskea näytteiden: Kosteus Kuiva-aine, sisältää Orgaanisen aineen Tuhkan
Kerääjäkasvien kuiva-aine orgaanisen aineen ja tuhkan summana A8 Puna-apila + italianraiheinä, olki korjattu pois 80% 70% *) 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Artturi Hamk Artturi Hamk Artturi Hamk Artturi Hamk Artturi Hamk Artturi Hamk Artturi Hamk tuhka 2% 3% 2% 2% 3% 3% 2% 3% 3% 4% 2% 2% 3% 3% orgaaninen aine 27% 27% 25% 24% 35% 37% 25% 24% 40% 67% 17% 17% 44% 46% *) Kuiva-ainepitoisuus poikkeuksellisen suuri; tod.näköisesti analyysipoikkeama. Jatkolaskelmissa tämän näytteen osalta käytetty Artturin kuiva-ainetulosta.
Kerääjäkasvien typpipitoisuus ja raakavalkuainen Valion Artturi-analyysipalvelussa kasveista saatiin raakavalkuaispitoisuus (NIR-analyysi) HAMKissa määritettiin kokonaistyppipitoisuus Kjeldahl-menetelmällä. Kun oletetaan että kaikki rehunäytteiden typpi on valkuaista, voidaan kokonaistyppituloksen perusteella laskea valkuaispitoisuus. Laskennassa käytetään kerrointa 6,25, joka perustuu oletukseen, että proteiinista 16 % on typpeä. Raakavalkuainen on mahdollista muuttaa typpitulokseksi samalla oletuksella.
A8 Puna-apila + italianraiheinä, olki korjattu pois Kerääjäkasvien typpipitoisuus ja raakavalkuainen gn/kg ka 35 g/kg ka 200 30 *) 25 150 20 15 100 *) 10 50 5 0 0 Artturi HAMK *) A7-näytteen HAMK-tulosten laskennassa kuiva-ainepitoisuutena on käytetty Artturin kuiva-ainetulosta.
Kerääjäkasvien säilöntä minisiiloihin Niitetyt kerääjäkasvit säilöttiin minisiiloihin (säilykepurkkeihin) tiiviisti Jokaisesta koealasta tehtiin kaksi minisiiloa Purkit suljettiin ja säilytettiin vähintään 90 vrk pimeässä, huoneenlämmössä Siiloihin saatiin tiivistettyä eri määrät rehua, vaihtelevuuteen vaikutti rehun sisältämän oljen/sängen määrä: mitä enemmän olkea (kevyttä), sitä vähemmän massaa purkissa.
grammaa/ purkki www.hamk.fi Säilöntä minisiiloihin A8 Puna-apila + italianraiheinä, olki korjattu pois 1200 1000 800 600 400 200 0
g www.hamk.fi Säilöntä minisiiloihin Sisällön massa ennen ja jälkeen säilönnän: massavähenemä 1-4 % alkuperäisestä massasta A8 Puna-apila + italianraiheinä, olki korjattu pois 1200 1000 800 600 400 200 0 0 vrk 96 vrk
Minisiilojen tarkkailu Siilojen vähintään 90 vrk kestäneen säilönnän aikana tarkkailtiin ulkonäköä ja otettiin valokuvia Rehut säilyivät hyvin muutamassa minisiilossa muodostui hometta B8 näytettä lukuun ottamatta vähintään toinen minisiilo säilyi ilman hometta jokaisesta rehusta.
B8 18 vrk B8 96 vrk A6 18 vrk A6 96 vrk A7 18 vrk A7 96 vrk A8 18 vrk A8 96 vrk www.hamk.fi A2 18 vrk A2 96 vrk A3 18 vrk A3 96 vrk A4 18 vrk A4 96 vrk Minisiilojen tarkkailu A8 Puna-apila + italianraiheinä, olki korjattu pois
Minisiilojen tarkkailu A8 Puna-apila + italianraiheinä, olki korjattu pois A2 18 vrk A2 96 vrk A3 18 vrk A3 96 vrk A4 18 vrk A4 96 vrk A6 18 vrk A6 96 vrk A7 18 vrk A7 96 vrk A8 18 vrk A8 96 vrk B8 18 vrk B8 96 vrk
Säilöttyjen rehujen käsittely ja analysointi metaanituottomääritystä varten Noin kolmen kuukauden säilönnän jälkeen rehut saksittiin Pilkotusta säilörehusta määritettiin ph (HAMK) kuiva-ainepitoisuus, TS (HAMK) orgaanisen aineen pitoisuus, VS (HAMK) kokonais-n (Kjeldahl, HAMK) liukoinen N (HAMK) kokonais-p (ulkopuolinen lab.) kokonais-c (ulkopuolinen lab.) Säilörehusta määritettiin metaanituottopotentiaali AMPTS-laitteistolla.
ph:n muutos säilönnässä ph määritettiin maanparannusaineille ja kasvualustoille tarkoitetun standardin (SFS-EN 13037) mukaan Näyte uutettiin 1 + 5 suhteessa Uutteesta mitattiin ph-arvo 1h ravistelun jälkeen Näytteiden ph laski säilönnän aikana: Ennen säilöntää ph välillä 6,4 7,3 Säilönnän jälkeen ph välillä 5,1 5,9 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 A8 Puna-apila + italianraiheinä, olki korjattu pois Tuorerehu Säilöttyrehu
Säilörehujen kuiva-aine orgaanisen aineen ja tuhkan summana A8 Puna-apila + italianraiheinä, olki korjattu pois 60% 50% 40% 30% 20% tuhka orgaaninen aine 10% 0% tuhka 2% 3% 3% 3% 3% 2% 3% orgaaninen aine 19% 21% 37% 23% 48% 13% 45% Nämä säilörehujen tulokset ovat ilman haihtuvien yhdisteiden korjausta todelliset TS- ja VS-pitoisuudet ovat todennäköisesti hivenen korkeampia.
Kuiva-ainepitoisuuden muutos säilönnässä A8 Puna-apila + italianraiheinä, olki korjattu pois 60% 50% 40% 30% 20% tuhka orgaaninen aine 10% 0% ennen jälkeen ennen jälkeen ennen jälkeen ennen jälkeen ennen jälkeen ennen jälkeen ennen jälkeen HUOM. A7-näytteen ennen tulos Artturin mukaan, muut tulokset HAMKin analyysejä
Metaanituottopotentiaali www.hamk.fi
Metaanituottopotentiaalin määritys 1 Metaanituottopotentiaali määritettiin panoskokeella 37 C:ssa 30 vrk Määrityksessä näytepulloon (1) punnitaan näytettä sekä ymppinä toimivaa biokaasureaktorin poistetta. Syntyvä biokaasu johdetaan pesupulloon, jossa poistuu CO 2 (2). Kaasun mittauskennostolla (3) määritetään metaanikaasun määrä. Jokainen kennon nousu rekisteröityy tietokoneelle. 3 2 Metaanituottotestiin otettiin mukaan myös Mustialan lietelanta, jota tullaan käyttämään kerääjäkasvirehun kanssa biokaasureaktorin syötteenä syksystä 2016 lähtien.
Säilörehujen ja lietelannan metaanituottopotentiaali A8 Puna-apila + italianraiheinä, olki korjattu pois Säilörehu Metaanituotto litraa/kg Metaanituotto litraa/kg VS Metaanituotto litraa/kg TS metaanituotto keskihajonta metaanituotto keskihajonta metaanituotto keskihajonta A2 78 4,5 291 16,7 267 15,4 A3 73 1,0 296 4,3 272 3,9 A4 102 5,5 295 15,7 398 21,2 A6 79 2,1 316 8,3 290 7,6 A7 155 8,5 389 21,4 364 20,0 A8 73 2,7 440 16,1 395 14,5 B8 106 9,3 243 21,4 227 20,0 Lietelanta 19 1,3 230 15,4 223 14,9 Metaanituotto tuorepainoa, kuiva-ainetta ja orgaanista ainetta kohti viittaa alkuperäiseen kerääjäkasviin. Oletuksella, että säilönnän aikainen massahäviö on mitätön, eli massahäviötä ei ole huomioitu laskennassa.
Säilörehujen ja lietelannan metaanituottopotentiaali A8 Puna-apila + italianraiheinä, olki korjattu pois Litraa CH 4 /kg näytettä 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Metaanituotto tuorepainoa kohti Lietelanta Litraa CH 4 /kg kuiva-ainetta 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Metaanituotto kuiva-ainetta kohti Lietelanta Litraa CH 4 /kg orgaanista ainetta 500 Metaanituotto orgaanista ainetta kohti Metaanituotto tuorepainoa, kuiva-ainetta ja orgaanista ainetta kohti viittaa alkuperäiseen kerääjäkasviin. Oletuksella, että säilönnän aikainen massahäviö on mitätön. 400 300 200 100 0 Lietelanta
Säilörehujen ja lietelannan metaanituotto tuorepainoa kohti litraa CH 4 /kg näytettä A8 Puna-apila + italianraiheinä, olki korjattu poi 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 5 10 15 20 25 30 aika, vrk aloituksesta Metaanituotto tuorepainoa kohti viittaa alkuperäiseen kerääjäkasviin. Oletuksella, että säilönnän aikainen massahäviö on mitätön. A2 A3 A4 A6 A7 A8 B8 Lietelanta
Säilörehujen ja lietelannan metaanituotto kuiva-ainetta kohti litraa CH 4 / kg TS A8 Puna-apila + italianraiheinä, olki korjattu pois 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 5 10 15 20 25 30 aika, vrk aloituksesta Metaanituotto kuiva-ainetta kohti viittaa alkuperäiseen kerääjäkasviin. Oletuksella, että säilönnän aikainen massahäviö on mitätön. A2 A3 A4 A6 A7 A8 B8 Lietelanta
Metaanienergiatuotto hehtaarilta MWh/ha 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 A8 Puna-apila + italianraiheinä, olki korjattu pois Sato CH 4 -tuotto Energiatuotto/ha kg ka/ha litraa/kg ka MWh/ha A2 1762 267 4,7 A3 2057 272 5,6 A4 1254 398 5,0 A6 1680 290 4,9 A7 685 364 2,5 A8 616 395 2,4 B8 731 227 1,7 1,0 0,0
Analyysit metaanituottomäärityksen jälkeen Metaanituottomäärityksen jälkeen Osa koepulloista käytettiin TS ja VS-määrityksiin TS-määrityksessä pullon koko sisältö kuivattiin foliovuossa 60 C:ssa, n. 3 vrk. VS-pitoisuus määritettiin hehkutushäviönä Tulosten perusteella laskettiin testin aikainen TS- ja VSvähenemä Näytettä pakastettiin myöhempiä analyysejä varten Ammoniumtyppi (HAMK) Kokonaisfosfori ja hiili (LUKE) Vastaavat analyysit tehtiin säilörehunäytteille myös ennen metaanituottotestausta TS, VS, kokonais- ja ammoniumtyppi, kokonaisfosfori ja hiili
Säilörehujen ravinnetarkastelua Tarkasteltiin seuraavia tekijöitä liittyen kerääjäkasvisäilörehuihin biokaasutuotannon raaka-aineena ja mädätysjäännöksen laadun kannalta: Raaka-aineena: - kuiva-aine(ts) ja orgaaninen aines(vs), pitoisuudet (ks. dia 15) ja VS/TS-suhde - hiili/typpi suhde Mädätysjäännöksen ravinnearvona: - kokonaistyppi- ja fosforipitoisuudet - typen liukoistuminen ammonium-muotoon biokaasuprosessin aikana
Säilörehu biokaasutuotannon raaka-aineena A8 Puna-apila + italianraiheinä, olki korjattu pois 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 VS/TS-suhde Säilöttyjen rehujen VS:n osuus TS:stä vaihteli välillä 85-93 %. Analyysitulokset perustuvat uunikuivaukseen ja hehkutukseen, jolloin näytteen mahdollisesti sisältämät helposti haihtuvat yhdisteet aiheuttavat tuloksiin epätarkkuutta ( tuloksena saadaan todellista alhaisemmat TS- ja VS-arvot) 50/1 45/1 40/1 35/1 30/1 25/1 20/1 15/1 10/1 5/1 0/1 C:N -suhde Mitä korkeampi oljen osuus, sitä korkeampi C/N-suhde ; kerääjäkasveilla olkea korkeampi N-pitoisuus Kaikkien näytteiden C:N suhde (välillä 19-46) on melko hyvällä tasolla verrattuna biokaasutuottoprosessin optimaaliseen C:N suhteeseen (välillä 10-30).
g/kg ka www.hamk.fi Säilörehun kokonaistyppi ja fosforimäärät A8 Puna-apila + italianraiheinä, olki korjattu pois 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 Säilöttyjen näytteiden Fosforin määrä kuiva-aineesta oli alle 5 g/kg ka Typen määrä kuiva-aineesta vaihteli välillä 12 27 g /kg ka Fosforin ja typen osuus oli sitä alhaisempi mitä enemmän näytteessä oli olkea. 0,0 N-tulokset HAMK, P-tulokset LUKE
g/kg www.hamk.fi g/kg ka Typen liukoistuminen ammoniumiksi biokaasuprosessin aikana 30 25 20 15 10 5 0 10 8 6 4 2 0 Ammonium- ja kokonais-n, ennen ja jälkeen biokaasutuksen säilötyn näytteen kuiva-ainetta kohti NH4-N, ennen NH4-N, jälkeen syötteen kokonais-n Ammonium- ja kokonais-n, ennen ja jälkeen biokaasutuksen tuorerehun massaa kohti Mädätyksen jälkeiset ammoniumtyppipitoisuudet olivat korkeampia kuin ennen mädätystä, indikoiden typen liukoistumista biokaasutuksen aikana Merkittävin liukoistuminen todettiin kerääjäkasvilla ilman olkea (A8-näyte): ammo-n:n osuus kokonais-n:stä nousi 33 % 90 %. 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% A8 Puna-apila + italianraiheinä, olki korjattu pois Ammoniumtypen osuus kokonaistypestä NH4-N, ennen NH4-N, jälkeen syötteen kokonais-n ennen mädätyksen mädätyksen jälkeen
l/kgka www.hamk.fi g/kg TS 250 Hiilen vähenemä biokaasutuksen aikana Hiilen vähenemä mädätyksessä 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 200 150 100 50 0 Metaanituotto, laskettuna hiilivähenemästä (ol. 55% CH4) sekä panoskoetulokset Alemmassa kuvassa on verrattu metaanituottoa, perustuen analysoituun hiilivähenemään, ja panoskokeeella mitattua metaanituottoa (laskennassa oletettu biokaasun koostumus: 55 % CH 4 + 45 % CO 2 ) Kahden näytteen (A3 ja A6) osalta tulokset ovat hyvin vastaavat, mutta muuten esiintyy vaihtelua, usein niin päin että mitattu metaanituotto on suurempi kuin C-analyysien (C-vähenemän) perusteella laskettu tuotto C-analysoinnin tarkkuutta heikentää panoskokeessa käytetyn ympin merkittävä määrä, jolloin näytteessä tapahtuvat pitoisuusmuutokset ovat suhteellisen pieniä verrattuna ympin suuriin lähtöpitoisuuksiin Hiilen vähenemä panoskoetulokset
Mädätysjäännöksen ravinnepitoisuudet Tarkasteltiin laskennallisesti, kahdelle valitulle syötteelle, näiden biokaasutuotannon märkäprosessista saatavan mädätysjäännöksen ravinnepitoisuudet Syötteet: puna-apila/italianraiheinäseos ilman olkea (A8) ja oljen kanssa (A6) Syötteen TS-pitoisuus 12 %, ja TS-reduktio 35 % Syötteen kokonais-n ja kokonais-p säilyy ja päätyy kokonaisuudessaan mädätysjäännökseen, jonka TS-pitoisuus on 8 % Yllä olevilla oletuksilla rehun ja syntyvän mädätysjäännöksen ravinnepitoisuudet on esitetty taulukossa Kerääjäkasvirehu Mädätysjäännös A6 A8 A6 A8 typpi, g/kg ka 13,8 27,3 typpi, g/kg ka 21,2 42,0 typpi, g/kg (TS 12 %) 1,7 3,3 typpi, g/kg (TS 8 %) 2,5 5,0 ammonium-n, g/kg ka 5,7 9,0 ammonium-n, g/kg ka 8,8 37,8 ammonium-n, g/kg (TS 12 %) 0,7 1,1 ammonium-n, g/kg (TS 8 %) 1,1 3,0 fosfori, g/kg ka 2,8 5,2 fosfori, g/kg ka 4,3 8,0 fosfori, g/kg (TS 12 %) 0,3 0,6 fosfori, g/kg (TS 8 %) 0,5 1,0
Johtopäätökset Kerääjäkasvien seassa olleen oljen vaikutus näkyi mitatuissa tuloksissa Mitä enemmän olkea, sitä Korkeampi kuiva-ainepitoisuus Alempi typpipitoisuus Vähemmän rehumassaa per säilötty tilavuus Pienempi kuiva-ainepitoisuuden muutos säilönnän aikana Alempi metaanituotto (ks. Seuraava dia) Säilöntä metaanituottotestausta varten onnistui hyvin, ja näytteiden epähomogeenisuudesta (vaihteleva olki/vihermassakoostumus) huolimatta rinnakkaistulokset olivat hyvin vastaavia, kuin myös eri laboratorioissa mitatut vastaavat tulokset.
Johtopäätökset Olki vihermassan seassa alentaa metaanituottoa Puna-apila + italianraiheinäseoksen metaanituotot: ilman olkea (A8, oljen osuus ka:sta n.9 %) 395 litraa/kg ka oljen kanssa (A6, oljen osuus ka:sta n. 52 %) 290 litraa/kg ka Näytteistä olkipitoisin oli valkoapila (B) (oljen osuus 91 % ka:sta), jonka metaanituotoksi saatiin 227 litraa/kg ka Oljen osuus oli korkea myös heinäseosnäytteessä (A4), 72 % ja puna-apila + öljyretikka näytteessä (A7), 85 %. A7:ssa öljyretikan osuus vihermassassa oli vähäinen. Todennäköisesti heinäseos paransi metaanituottoa apilakasveja enemmän niin, että A4-näytteen metaanituotto, 398 litraa/kg ka, oli vastaavalla tasolla kuin puna-apila+italianraiheinäseoksen (A8) tuotto ilman olkea, 395 litraa/kg ka Karkeasti, ja näistä tuloksista varovaisesti päätellen, voidaan kasvit listata metaanituoton suhteen seuraavaan järjestykseen: heinäseos italianraiheinä puna-apila - valkoapila Tarkemman järjestyksen saamiseksi kasveja tulisi viljellä yksinään, ei seoksina, ja testata vihermassaa ilman olkea. Heinäkasvien (+oljen) korkean hehtaarituoton takia, näiden energiatuotto hehtaarilta oli ylivoimainen verrattuna apila- ja öljyretikkakasvustoihin Mustialan lietelannalle (kuiva-ainepit. 8,5 %) mitattu metaanituotto oli 19 litraa/kg, vastaten 223 litraa/kg ka. Tämä on vastaavaa tasoa kuin oljella (kuiva-ainetta kohti laskettuna).
Johtopäätökset Kerääjäkasvit biokaasutuotannon raaka-aineena: Sopiva C/N suhde sitä korkeampi mitä enemmän olkea eli kerääjäkasvilla korkeampi N-pitoisuus kuin oljella ; korkeimmillaan suhdearvo 46 (näyte B8) sopivin C/N suhde (arvo 19) oli puna-apila+italianraiheinä seoksella, josta olki oli korjattu pois (näyte A8) Sitä alempi P-pitoisuus mitä enemmän olkea (vastaavasti kuin myös alempi N- pitoisuus mitä enemmän olkea) Biokaasuprosessin aikana kerääjäkasvin typpi liukoistuu hyvin ammonium-n-muotoon parhaimmillaan (näyte A8) mädätysjäännöksessä ammonium-n:n osuus kokonaistypestä oli 90 %