Ravinteet talteenottava vesihuolto Vaihtoehtojen tarkastelua Riikka Vilpas & Suvi Lehtoranta, SYKE, Biourea-hankkeen loppuseminaari 9.11.2016, Tampere
Esityksen sisältö Vaihtoehtoiset ratkaisut - skenaariot ravinteiden talteenotolle Tulokset Ravinteiden määrät ja taseet Ympäristövaikutukset Kustannukset Lannoitearvot Johtopäätöksiä
VAIHTOEHDOT VE0 Haja-asutuksen nykytila kaikkien jätevesien käsittely maasuodattamossa VE1 Erotteleva kuivakäymälä ja harmaiden vesien käsittely maasuodattamossa 0,9 PO 4 e/hlö VE2 Alipainekäymälä ja harmaiden vesien käsittely maasuodattamossa
Ravinteiden määrät ja taseet eri vaihtoehdoissa
VE0: Taajamien nykytila Jätevesien viemäröinti ja käsittely puhdistamolla Vuonna 2009 lietteen ravinteista hyödynnettiin noin 54 % viherrakentamisessa, 4 % maataloudessa ja 42 % loppusijoitettiin kaatopaikoille (SYKE ja MTT 2010). 100 % N 100 % P 33 % N 2% N 7% P 37% N 4% P 20% N 36% P 8 % N 53 % P Taajamissa puolet yhden henkilön tuottamasta fosforista ja vajaa kymmenes typestä päätyy nykyisellään puhdistamolietekompostiin, fosfori on kuitenkin sitoutuneena kemiallisesti metallisuoloina Typestä merkittävä osa päätyy edelleen vesistöön ja lähes sama määrä vapautuu kaasuna ilmaan biologisen typenpoiston seurauksena Typestä 20 % ja fosforista 36 % on mädätyksen rejektivesissä
VE0: Haja-asutuksen nykytila Jätevesien käsittely maasuodattamossa, sakolietteiden kuljetus puhdistamolle käsiteltäviksi 3 % N 100 % N 100 % P 9 % N 23 % P 91 % N 77 % P 1 % N 3% N 1% P 2% N 9% P 1 % N 13 % P 70% N 30% P Suurin osa yhden henkilön vuodessa tuottamista ravinteista päätyy maasuodattamosta ympäristöön typestä 70 % ja fosforista 30 % Yhden henkilön vuodessa tuottamista ravinteista vain 1 % typestä ja 13 % fosforista päätyy mädätettyyn ja kompostoituun lietteeseen Typestä 2 % ja fosforista 9 % on mädätyksen rejektivesissä
VE1: Erotteleva kuivakäymälä Virtsan talteenotto erottelevassa kuivakäymälässä ja käyttö lannoitteena maatilalla, ulosteen kompostointi kiinteistöllä, pesuvesien käsittely maasuodattamossa, sakolietteiden kuljetus puhdistamolle käsiteltäviksi < 1% N 5% P 15% N 7% N <0,1% N 31% P 19% P 0,2% N 0,1% N 2% P 7% N 78% N 0,2% P 15% P 2% P 50% P 13% N 5% N 6% P 1% N 53% N 49% P 14% N 30% P Noin puolet ravinteista virtsassa, virtsan typpihävikki suuri (oikea levitystapa tärkeä) Lannoitepotentiaalia myös kompostissa typpi 14 %, fosfori 30 % Yhden henkilön vuodessa tuottamista ravinteista hyvin pieni osa päätyy mädätettyyn ja kompostoituun lietteeseen (sakokaivolietteet harmaista vesistä)
VE2: Alipainekäymälä Virtsan ja ulosteen talteenotto alipainekäymälässä ja käyttö lannoitteena maatilalla mädätyksen jälkeen, pesuvesien käsittely maasuodattamossa, sakolietteiden kuljetus puhdistamolle käsiteltäviksi 5% N < 1% N 4% P < 1% N 93% N 81% P 7% N 19% P 5% P 7% N 15% P 5% N 0,2% N 0,2% P 0,1% N 2% P < 1% N 2% P 6% P 25% N 61% N 46% P 31% P Suurin osa ravinteista päätyy mädätyksen rejektivesiin Lannoitepotentiaalia mädätetyssä käymälävesissä typpi 25 %, fosfori 46 % Yhden henkilön vuodessa tuottamista ravinteista hyvin pieni osa päätyy mädätettyyn ja kompostoituun lietteeseen (sakokaivolietteet harmaista vesistä)
Ravinnetaseet Fosfori Typpi 100% 100% Rejektivesiin Kotikomposti 80% 80% Maasuodatin 60% 60% Ilmaan Maaperä -> vesistö 40% 40% Suoraan vesistöön 20% 20% Kasveille (puhdistamoliete) Kasveille 0% VE0 Haja-asutus VE0 haja-asutus VE1 VE2 VE0 Kuivakäymälä Alipainekäymälä Taajamat taajamat 0% VE0 VE1 VE2 VE0 Haja-asutus haja-asutus Kuivakäymälä Alipainekäymälä Taajamat taajamat Lannoitekäyttöön hyödynnettävissä oleva fosfori on lähes nelinkertainen kuivakäymälä-, alipainekäymälä- ja taajamien nykytilavaihtoehdoissa verrattuna haja-asutuksen nykytilaan Erotteleva kuivakäymälä -vaihtoehdossa kotikompostiin jäävän fosforin osuus on lähes 40 % Alipainekäymälä- ja taajamien nykytila -vaihtoehdoissa n. 40 % fosforista jää rejektivesiin Typpipotentiaali paras virtsan erottelevassa kuivakäymälävaihtoehdossa, kun taas alipainekäymälävaihtoehdossa suurin osa typestä päätyy rejektivesiin Molemmissa nykytilavaihtoehdoissa kasvien käyttöön jäävä typen osuus on hyvin pieni
Yhden henkilön tuottama ravinnemäärä (kg/a) ja jakautuminen eri jakeisiin VE0 Taajamat VE0 taajamat VE2 Alipainekäymälä VE2 Typpipotentiaali VE1 VE1 Kuivakäymälä VE0 VE0 haja-asutus Haja-asutus 0 1 2 3 4 5 kg N/hlö/vuosi Liete Mädätyksen rejektivesi Virtsa VE0 Taajamat VE0 taajamat Fosforipotentiaali VE2 Alipainekäymälä VE2 VE1 VE1 Kuivakäymälä VE0 VE0 haja-asutus Haja-asutus 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 kg P/hlö/vuosi Kotikomposti Käymäläjätevedet Käymäläjätevesien mädätyksen rejektivesi
Ostolannoitteita voidaan korvata eri vaihtoehdoissa (hävikit huomioitu) HAJA-ASUTUS - 450 000 asukasta* Korvaa fosforilannoitetta Korvaa typpilannoitetta Syntypaikkaeroteltu virtsa (hygienisointi vanhentamalla) Käymäläjätevedet (hygienisointi mädättämällä) Keinolannoitteiden käyttö vuonna 2011 (Mikkola, 2014) Typpi 150 000 t/a Fosfori 16 000 t/a YHDYSKUNNAT (4,6 milj. asukasta) Käymäläjätevedet (hygienisointi mädättämällä) Syntypaikkaeroteltu virtsa (hygienisointi vanhentamalla) Puhdistamoliete (harmaat vedet, mädätys) Puhdistamoliete (mädätys + kompostointi) * Haja-asutuksen kiinteistöt, joissa asukasmäärä 3 0 2 000 4 000 6 000 8 000 10 000 12 000 14 000 t/a Jos yhdyskuntien virtsa kerättäisiin talteen ja käytettäisiin lannoitteena, jätevedenpuhdistamoiden kuormitus pienenisi jopa neljännekseen ja fosforikuormitus puolittuisi nykyisestä 2013 yhdyskuntien jätevesien typpikuormitus 25 900 t/a ja fosforikuormitus 3 961 t/a (Säylä 2015). Keräämällä virtsa talteen kuormitus vähenisi 19 000 t N/a ja 2 000 t P/a, jolloin käsiteltäväksi jäisi 6 900 t N/a ja vajaa 2 000 t P/a.
Ympäristövaikutukset eri vaihtoehdoissa
Elinkaariarviointi - LCA Vaihtoehtoisten haja-asutuksen sanitaatioratkaisujen ympäristövaikutuksia arvioitiin soveltamalla elinkaariarviointimenetelmää (Life Cycle Assessment, LCA) Yhdyskuntien osalta arviointiin liittyy suuria epävarmuuksia Täydellinen tuotteen tai palvelun elinkaari käsittää materiaalien hankinnan luonnosta, niiden prosessoinnin ja kuljetuksen sekä tuotteen valmistuksen, jakelun, käytön, mahdollisen uudelleenkäytön ja huollon, kierrätyksen sekä päätymisen jätteeksi Elinkaariarvioinnin avulla voidaan tunnistaa kussakin elinkaaren vaiheessa syntyvät ympäristövaikutukset Yksinkertaistetussa arvioinnissa voidaan tarkastella esim. tiettyjä ympäristövaikutusluokkia Tarkasteluun valittiin ilmastonmuutos (hiilijalanjälki), vesistöjen rehevöityminen sekä happamoituminen Tarvikkeiden loppukäyttö rajattiin tarkastelun ulkopuolelle
Taustaoletuksia Kolme vertailtavaa vaihtoehtoa Yksiputkijärjestelmä vrt. kaksoisviemäröinti Toiminnallinen yksikkö yhden henkilön vuodessa tuottama ravinnemäärä (kg/hlö/vuosi) 3 hengen kotitalous, 85 %:n käyttöaste Oletettiin, että kohde saneeraustarpeessa Tarkastelujakso 20 vuotta Yhden henkilön tuottamat ravinnemäärä vuodessa (Udert et. al, 2006, Weckman, 2005, Hajajätevesiasetus 209/2011). N (kg/hlö/a) P (kg/hlö/a) BOD (kg/hlö/a) Virtsa 4,13 0,40 1,83 Uloste 0,52 0,21 5,48 Muu 0,37 0,15 10,95 Yhteensä 5,02 0,75 18,25
Päästöjen luokittelu Käyttö kiinteistöllä Maasuodattamo Käymäläjärjestelmä Sakolietteen käsittely puhdistamolla Lietteen ja virtsan jatkokäsittely Käyttö lannoitteena Jätevedenkäsittelyn päästöt Käymäläjätteen kompostoinnin päästöt Käymäläjätekompostin käytön päästöt Hyvitykset lannoitekäytöstä Hyvitykset mädätyksen energiantuotannosta Käymälän ja jätevedenpuhdistuksen energiankulutuksen päästöt Maasuodattamon tarvikkeet (valmistus ja kuljetus) Maasuodattamoon liittyvä konetyö Maasuodattamon maa-ainekset Maasuodattamon maa-aineksien kuljetus Käymäläjärjestelmän tarvikkeet (valmistus ja kuljetus) Käymäläjärjestelmään liittyvä konetyö Käymäläjärjestelmän maa-ainekset Käymäläjärjestelmän maa-aineksien kuljetus Sakolietteen kuljetus puhdistamolle Puhdistamon energiankulutus Puhdistamon kemikaalinkulutus Jätevedenkäsittelyn päästöt Lietteen kuljetus jatkokäsittelyyn Lietteen mädätys Mädätteen kompostointi Virtsan / mustien vesien kuljetus jatkokäsittelyyn Mustien vesien mädätys Virtsan hygienisointi Kuljetus hyötykäyttöön Puhdistamolietekompostin lannoitekäytön päästöt Virtsan / mustien vesien lannoitekäytön päästöt Levitysajot
Elinkaariset ympäristövaikutukset Suhteutettu eurooppalaisen keskimääräisiin vuosikulutuksen päästöihin 20% VE0 Nykytila VE1 Kuivakäymälä VE2 Alipainekäymälä 15% 10% 5% 0% Hiilijalanjälki Rehevöityminen Happamoituminen Hiilijalanjälki merkityksetön, vain 0,5 0,6 % eurooppalaisen vuosikulutuksen päästöistä Rehevöitymisen päästöt 2,0 15,1 % Happamoitumisen 0,6 5,1 %
kg CO 2 e/hlö Hiilijalanjälki, CO 2 e/hlö 100 80 60 40 20 Hyvitykset mädätyksen energiantuotannosta Hyvitykset lannoitekäytöstä Käyttö lannoitteena Lietteen ja virtsan jatkokäsittely Sakolietteen käsittely puhdistamolla Käyttö kiinteistöllä 0-20 VE0 VE1 VE2 Nykytila Kuivakäymälä Alipainekäymälä Maasuodattamo Käymäläjärjestelmä -40 Nettovaikutuksissa ei ollut merkittäviä eroja eri vaihtoehtojen välillä VE1:ssä hyvitykset lannoitekäytöstä ovat suuremmat, koska virtsan ravinteet ovat kokonaan liukoisessa muodossa ja korvaavat suoraan epäorgaanisia lannoitteita Kaikissa vaihtoehdoissa maasuodattamon ja käymäläjärjestelmän osuus on suurin; 58-80 % bruttovaikutuksista Kiinteistöllä tapahtuvan kompostoinnin päästöt erottuvat VE1:ssä johtuen mm. turpeen käytöstä kuivikkeena
kg PO 4 e/hlö Rehevöityminen, PO 4 e/hlö 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 Hyvitykset mädätyksen energiantuotannosta Hyvitykset lannoitekäytöstä Käyttö lannoitteena Lietteen ja virtsan jatkokäsittely Sakolietteen käsittely puhdistamolla 0,2 0,0-0,2-0,4 VE0 VE1 VE2 Nykytila Alipainekäymälä Kuivakäymälä Käyttö kiinteistöllä Maasuodattamo Käymäläjärjestelmä Suurimmat rehevöittävät päästöt syntyivät VE0:ssa, jossa maasuodattamon päästöt ovat suuret Vaihtoehdossa VE1 merkittävin osa rehevöittävistä päästöistä syntyi lannoitekäytöstä, mutta myös hyvitykset lannoitekäytöstä olivat suurimmat
kg SO 2 e/hlö Happamoituminen, SO 2 e/hlö 2,0 1,5 Hyvitykset mädätyksen energiantuotannosta Hyvitykset lannoitekäytöstä 1,0 0,5 Käyttö lannoitteena Lietteen ja virtsan jatkokäsittely Sakolietteen käsittely puhdistamolla Käyttö kiinteistöllä Maasuodattamo 0,0-0,5 VE0 VE1 VE2 Nykytila Kuivakäymälä Alipainekäymälä Käymäläjärjestelmä Happamoitumisvaikutuksissa oli merkittäviä eroja, mutta kokonaisuutena happamoittavat päästöt olivat melko pieniä. Suurin happamoittava vaikutus on virtsan lannoitekäytöllä. Virtsan lannoitekäytössä (VE1) haihtuu runsaasti ammoniakkia, jonka oletettiin tässä tarkastelussa olevan 15 % liukoisesta typestä. Liukoisen typen osuus virtsassa on 100 %, kun taas mädätteessä keskimäärin vain 13 % ja kompostissa 8 %.
Johtopäätöksiä LCA:sta Vaihtoehtoisten ratkaisujen ympäristövaikutukset olivat kaiken kaikkiaan vähäisiä suhteutettuna eurooppalaisen vuosikulutuksen päästöihin Käyttämällä kuiva- tai alipainekäymälää, rehevöittävät päästöt laskevat viidennekseen Happamoittavat päästöt ovat erottelevissa ratkaisuissa suurempia lannoitekäytöstä johtuen, mutta niiden merkitys on vähäinen Järjestelmän valinnalla ei ole vaikutusta hiilijalanjälkeen Epävarmuutta tuloksiin aiheutuu mm. lannoitekäytön päästöjen arvioinnista Erityisesti virtsalla levitykseen liittyvä ammoniakkihävikki voi olla > 30 %, mutta kehittyneemmillä tekniikoilla, kuten letkulevitys ja multavat laitteet, voidaan hävikkiä pienentää merkittävästi jopa 1-10 %:iin
Kustannustarkastelua ja virtsan arvo lannoitteena
KULUTTAJAN NÄKÖKULMA Mitä virtsan erottelu maksaa? Onko virtsalla lannoittaminen turvallista? VILJELIJÄN NÄKÖKULMA Kuinka paljon pystyn korvaamaan keinolannoitteita? Mikä on rahallinen hyöty? Onko hyöty vaivan arvoinen?
Kustannukset asukkaalle Keskimääräiset kokonaiskustannukset asukkaalle 15 vuoden tarkastelujaksolla VE2 Käyttö ja ylläpito VE1 VE0 Käymäläjärjestelmä - investointi Maasuodattamo - investointi Kaivinkone- ja asennustyö 0 50 100 150 200 250 300 350 /hlö/vuosi Investointikustannukset VE2 Käymäläjärjestelmä - investointi VE1 Maasuodattamo - investointi VE0 Kaivinkone- ja asennustyö 0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 /hlö
Virtsan ja kompostin arvo lannoitteena Virtsa N P K Tuorekomposti S Cu 0 5 10 15 20 25 Zn Ravinteille laskettiin vertailuarvot käyttäen markkinoilla olevia kaupallisia keinolannoitteita, maanparannusaineita ja kalkitusaineita. Näiden avulla laskettiin virtsan ja tuorekompostin ravinnearvo, mikäli kaikille niiden sisältämillä ravinteille on käyttöarvoa Virtsan ravinnearvo on noin 13 /t ja puhdistamolietekompostin 22 /t Ravinteiden arvo tuotteessa ( /t) Yksi ihminen tuottaa vuosittain arviolta 400 kg virtsaa ja 15 kg tuorekompostia, joten yhden ihmisen tuottaman virtsan arvo on n. 5 /a ja puhdistamolietekompostin 0,3 /a Suurin osa virtsan arvosta muodostuu typestä ja kaliumista, tuorekompostilla fosforista, mutta sinkin ja typen arvo on myös merkittävä Virtsan levitys ja kuljetuskustannukset ovat luokkaa 4-6 /t, mikäli virtsa saadaan kerättyä kohtuulliselta ajomatkalta. Esimerkiksi Metsäpirtin tuorekompostin hinta on rahdattuna Uudenmaan alueella korkeintaan 4,2 /t (2,5 /m 3 ) (HSY Hinnasto, 2016) ja levitys on 4,1 /t (2,5 /m 3 ) (Palva 2015).
Virtsan käyttö lannoitteena Taulukossa kolmelle esimerkkilohkolle lasketut taloudelliset käyttömäärät virtsalle Ravinnepitoisuudet haettiin Viljavuuspalvelun Tuloslaari- palvelusta ja ne edustavat alueen keskimääräisiä pitoisuuksia Laskelmassa oletettiin yksinkertaistaen, että ravinnetta kannattaa lisätä peltoon hyvän viljavuuden saavuttamiseen saakka, muttei sen enempää Runsasfosforinen savimaa (Varsinais-Suomi) Eloperäinen multamaa (Etelä-Pohjanmaa) Karkea kivennäismaa (Häme) Virtsan käyttömäärä t/ha 9,8 6,7 9,8 Hehtaarikustannus 59 40 59 Korvatut väkilannoitteet 83 87 129 Hyöty /ha 24 47 70
Case: 2 000 asukkaan kylä Virtsa kerätään talteen erottelevassa kuivakäymälässä ja uloste kompostoidaan kiinteistöllä ja käytetään omassa puutarhassa, harmaat vedet johdetaan jätevedenpuhdistamolle Hävikkien jälkeen käytettävissä käyttöasteella 85 % -> 5,5 t N/a, 0,5 t P/a ja 2,5 t BOD/a Tilavuus 714 m 3 /vuosi -> 36 kuormaa, jos levitys tehdään 20 m 3 multaavalla lietekärryllä Virtsan kuljetus pellolle keskimäärin 20 km (edestakainen matka) Kokonaishinta kuljetukselle ja levitykselle 141 /kuorma, josta noin puolet kuljetusta ja puolet levitys + siirtoajo maatilan sisällä Kokonaiskustannus reilu 5 000 /vuosi Kylän virtsat riittäisivät lannoittamaan n. 55 111 ha peltoa vuosittain, jos typen levitysmäärä 50-100 kg N/ha (maatilojen keskikoko n. 50 ha) Rahallinen hyöty viljelijälle lähes 5 000, vaikka viljelijä maksaisi kuljetuksen
Johtopäätöksiä
Johtopäätöksiä 1/2 Nykytilanteessa haja-asutusalueella suuri osa käymäläjätevesien sisältämistä ravinteista päätyy rehevöittämään vesistöjä Siirtymällä erotteleviin käymäläratkaisuihin, saadaan jopa neljä kertaa enemmän ravinteita talteen verrattuna nykytilanteeseen. Samalla rehevöittävät päästöt pienenevät viidennekseen entisestä. Riski happamoittavien päästöjen kasvusta on olemassa, mutta niihin voidaan vaikuttaa käyttämällä kehittyneempiä peltolevitystekniikoita. Vertailtavien vaihtoehtojen tarkastellut ympäristövaikutukset olivat suhteellisen pieniä, jonkin verran vaihtelua esiintyi rehevöittävissä ja happamoittavissa päästöissä Lannoitekäytön ympäristövaikutuksien arviointi haasteellista Olosuhteet ja levitystekniikat aiheuttavat tuloksiin epävarmuuksia Jos yhdyskuntien ja haja-asutuksen virtsa kerättäisiin talteen ja hyödynnettäisiin, jätevedenpuhdistamoiden kuormitus pienenisi noin neljännekseen ja fosforikuormitus puolittuisi nykyisestä
Johtopäätöksiä 2/2 Virtsa toimii taloudellisesti hyvänä lannoitteena, mikäli keruukustannukset ovat kohtuulliset, suurin arvo muodostuu typestä ja kaliumista Noin 10 % keinolannoitteista korvattavissa, mikäli virtsa (haja-asutus ja yhdyskunnat) hyödynnettäisiin lannoitteena Yhdyskuntien vaihtoehtoiset ratkaisut vaativat vielä kehitystyötä ennen kuin niiden käyttö on taloudellisesti kannattavaa kierrätyslannoitteiden kysynnän puutteen vuoksi Uusia tekniikoita kehitetään ja tutkitaan paljon, mutta käyttöönottoon tarvitaan ohjauskeinoja, kannustimia ja asennemuutosta Ensimmäinen askel olisi testata syntypaikkaerottelua käytännössä esimerkiksi uusilla asuinalueilla rohkeita kokeiluja tarvitaan!
KIITOS! Struvite recovery, biogas production and a urine fuel cell In this building a phosphorus recovery installation and a urine fuel cell will be incorporated in the basement, in which separately collected urine will be processed into struvite and electricity. Furthermore, a digester will turn toilet water and kitchen waste into biogas. https://www.nutrientplatform.org/en/success-stories/phosphorus-recovery-ingovernment-building/