hyödyntäminen viljelyssä

Raporttiluonnos 1 (38) 28.11.2017 Mädätysjäännöksen ominaisuudet, käsittely ja hyödyntäminen viljelyssä Biokaasuliiketoimintaa ja -verkostoja Keski-Suomeen (BiKa-hanke) Ville Pyykkönen

Raportti 2 (38) Sisällys Tiivistelmä 4 Johdanto 6 1 Mädätysjäännöksen ominaisuudet 7 1.1 Ravinnepitoisuuksien muutokset biokaasuprosessissa 7 1.2 Esimerkkilaskelmat massataseesta: naudan lietelanta- ja säilörehusyötteet 8 1.3 Typen liukoistumisen rahallinen arvo 11 1.4 Liukoisen typen levitysmäärän lisääntyminen 12 2 Separoinnin tavoitteet 13 3 Separoinnin massataseen ja erotustehokkuuden laskeminen 13 4 Kannattavuuslaskelmien lähtötiedot ja menetelmät 14 4.1 Orgaanisen lannoitteen ravinteiden arvon laskenta 14 4.2 Liukoisen typen käyttökelpoisuuden vaikutus lannoitteen arvoon 15 4.3 Separointi- ja levityskustannus 17 4.4 Kuljetuskustannus ja kuljetuksen kannattavuusraja 17 5 Ruuvipuristin 18 5.1 Ruuvipuristimen separointituloksia mädätteellä ja lietelannoilla 18 5.2 Ruuvipuristinseparoinnin kustannukset 20 5.3 Ruuvipuristinseparoinnin kannattavuus 21 6 Dekantterilinko 24 6.1 Lingon separointituloksia mädätteellä ja lietelannoilla 24 6.2 Linkoseparoinnin kustannukset 25 6.3 Linkoseparoinnin kannattavuus 26 7 Separointijakeiden myyntihinnat: case Biokymppi Oy 29

Raportti 3 (38) 8 Monivaiheiset separointimenetelmät 31 8.1 Pellon separointilaitteisto 31 8.2 Split-box 32 8.3 Käänteisosmoosi 34 LÄHTEET 36 Liite 1. Ruuvipuristimen erotustehokkuudet ilman kemikaaleja ja kemikaalien kanssa 38

Raportti 4 (38) Tiivistelmä Tässä raportissa on esitetty kirjallisuuden perusteella laskentakaavat ja esimerkkejä maatilan biokaasulaitosten tuottaman mädätysjäännöksen ominaisuuksien arvioimiseksi sekä mädätysjäännöksen (mädätteen) separoinnin hyödyistä. Biokaasuprosessi muuttaa lähinnä metaaniksi ja hiilidioksidiksi orgaanista ainesta (VS, Volatile Solids), joten lietelantoja käsiteltäessä mädätysjäännöksessä on esim. 30 55 % vähemmän VS:tta kuin syötteessä ja esim. nurmisäilörehua käsiteltäessä 60 % vähemmän VS:tta. Kokonaismassa alenee esim. 2 % lietelannoilla (suuri vesipitoisuus) ja säilörehulla (suurempi VS-pitoisuus) esim. 15 %. Mädätteen ph on 10 15 % syötettä korkeampi, mutta mädätteen lannoitteena käyttö ei nosta ainakaan 3 4 vuoden aikana peltomaan ph-arvoa. Kokonais-NPK-pitoisuudet nousevat kaasunmuodostuksen vuoksi yleensä hieman (saman verran kuin kokonaismassa vähenee), koska yleensä ravinteita poistuu mädätteen mukana sama kg-määrä kuin sisään syötetään. Fosforia (ja liuk.n ja/tai hivenaineita) voi kuitenkin pidättyä mineraalikiteinä reaktorin, putkien ym. pinnoille, jos reaktorilietteen ph on yli 8 8,5 (esim. sianlietelantasyötettä käytettäessä). Liukoisen typen (liuk.n) pitoisuus kasvaa biokaasuprosessissa, kun mikrobit hajottavat orgaanista typpeä. Lietelannoilla liuk.n-pitoisuuden kasvu on n. 10 20 %. Biokaasuprosessi voi nostaa esim. naudan lietelannan rahallista arvo typpilannoitteena esim. 0,55 /t lietelantasyötettä. Kasvimassan typpi on lähes kokonaan orgaanista typpeä, joten esim. säilörehua prosessoitaessa liuk.n-pitoisuuden kasvu voi olla jopa yli 800 %. Kirjallisuudesta saatujen lähtöarvojen perusteella laskettiin separointikustannukset ja separoinnin tuottamia hyötyjä (käytettävyys, rahallinen arvo) seuraaville separointimenetelmille: Ruuvipuristin, joka on separointikustannuksiltaan edullinen (0,60 /m 3 lietettä, kun lietettä separoidaan 10 000 m 3 /v), mutta heikosti ravinteita erotteleva Dekantterilinko on hieman kalliimpi (1,27 /m 3 ), mutta tehokkaammin ravinteita erottava separaattori Monivaiheisten separointilaitteistojen kustannukset ovat suuret (jopa 5 /m 3 lietettä), mutta ne voivat tuottaa lähes puhtaita mineraalilannoitteita (esim. typpi- tai typpikaliumkonsentraatteja, struviittilietettä) Separoinnin hyötyjä ovat typen ja fosforin erottuminen kahteen tai useampaan jakeeseen, joiden ravinnepitoisuudet ja/tai ravinnesuhteet voivat olla paremmin kasvien tarvetta vastaavia kuin separoimattoman lietteen. Biokaasuprosessoinnin ja separoinnin hyötyjä voidaan ilmaista esimerkiksi seuraavilla kolmella tavalla: 1. Lisääntyneellä liukoisen typen (Liuk.N) hehtaarikohtaisilla levitysmäärillä ympäristötuen P- rajoituksen puitteissa, jonka indikaattori on lannoitteen liukoisen typen ja fosforin suhdeluku (Liuk.N/P), jossa suuri luku on tavoiteltava Mädätteessä voi olla esim. 10 20 % korkeampi Liuk.N/P-suhde kuin syötteenä olleessa lietelannassa ja siten mädätteen mukana saadaan levitettyä 10 20 % enemmän liukoista typpeä hehtaarille. Lietelannan ja nurmirehun yhteiskäsittelyn mädätteessä voi olla esim. 40 % korkeampi Liuk.N/P-suhde kuin syötteessä Mädätteestä ruuvipuristinseparoidussa nestejakeessa voi olla esim. 10 27 % korkeampi Liuk.N/P-suhde kuin separoimattomassa mädätteessä Mädätteestä dekantterilingolla separoidussa nestejakeessa voi olla esim. 178 tai 316 % korkeampi Liuk.N/P-suhde

Raportti 5 (38) Monivaiheisilla separointilaitteistoilla voidaan tuottaa typpikonsentraatteja, joissa on jopa 1800 % korkeampi (19-kertainen) Liuk.N/P-suhde kuin lietteessä, mutta separoinnin hinta on esim. 4 9 /t lietettä 2. Lisääntyneellä liuk.n levitysmäärällä Nitraattidirektiivin puitteissa (orgaanisen lannoitteen kokonaistyppeä 170 kg/ha), jonka indikaattori on lannoitteen liuk.n/n-suhdeluku, jossa suuri luku on tavoiteltava 3. Lisääntyneellä logistiikkahyödyllä, jonka indikaattori on kuljetuksen kannattavuusraja, joka riippuu lannoitteen sisältämien ravinteiden rahallisesta arvosta sekä levitys- ja kuljetuskustannuksesta Separoidussa kuivajakeessa sekä konsentraateissa on korkeat ravinnepitoisuudet ja siten niiden taloudellinen kuljetusmatka (kannattavuusraja) on separoimatonta lietettä pidempi Ruuvipuristimien kuivajakeen kuljetuksen kannattavuusraja (matka km) on esim. 27 % pidempi kuin separoimattomalla mädätteellä Dekantterilingon kuivajakeen kuljetuksen kannattavuusraja voi olla jopa 232 % pidempi kuin mädätteellä Monivaiheisilla separointimenetelmillä tuotettujen fosforipitoisten lannoitteiden kuljetusmatkat ovat suunnilleen yhtä pitkiä kuin dekantterilingon kuivajakeella

Johdanto Raportti 6 (38)

Raportti 7 (38) 1 Mädätysjäännöksen ominaisuudet 1.1 Ravinnepitoisuuksien muutokset biokaasuprosessissa Osa syötteen orgaanisesta aineesta (VS, volatile solids) hajoaa prosessissa biokaasuksi, joten mädätysjäännöksen massa on hieman alhaisempi kuin syötteen massa (syöte biokaasu + mädätysjäännös). Biokaasu koostuu lähinnä metaanista ja hiilidioksidista, eli hiilestä, vedystä ja hapesta, joita on siten vähemmän mädätysjäännöksessä kuin syötteessä. Lietelantoja käsiteltäessä kaasunmuodostuksen vuoksi mädätteessä on n. 30 55 % vähemmän orgaanista ainesta kuin syötteessä (Marcato ym. 2008, Luostarinen ym. 2013, Frost & Gilkinson 2011), kasvimassojen kohdalla n. 50 90 %, riippuen enimmäkseen biohajoavuudesta ja osittain prosessin tehokkuudesta (Murphy ym. 2011). Kokonaismassan prosentuaaliseen vähenemiseen vaikuttaa suuresti syötteen vesipitoisuus, sillä veden määrä ei käytännössä muutu prosessissa (biokaasu sisältää hieman vesihöyryä). Esimerkiksi lietelantasyötteellä kokonaismassa vähenee biokaasulaitoksessa esim. 2 % (Marcato ym. 2008), mutta pelkällä kasvimassasyötteellä esim. 15 % (ks. luku 1.2). Massan tai tilavuuden väheneminen alentaa varastointi- ja kuljetuskustannuksia. Lietteillä (ka-pitoisuus n. 0 10 %) tiheys on yleensä 1000 kg/m 3 tai lähellä sitä, joten massan väheneminen on yleensä suoraan verrannollinen tilavuuden vähenemään. Kuivalannoilla sekä lietteestä separoidulla kuivajakeella tiheys voi vaihdella suuresti, esim. materiaalin ka-pitoisuuden mukaan (ks. luku 5) Kuiva-aineen vähenemisellä on merkitystä lietteen käsittelyssä; ka-pitoisuuden aletessa viskositeetti (virtauksen vastustus) pienenee ja siten sekoittaminen ja levitys pellolle helpottuvat. Vähemmän partikkeleita sisältävä ja juoksevampi liete infiltroituu paremmin maahuokosiin kasvien juurien ulottuville. Myös lietteen (raakalietelanta tai mädäte) separoinnin tuloksena syntyvän nestejakeen ka-pitoisuus on vielä alhaisempi. Mädätteen ja nestejakeen liukoisen typen käyttökelpoisuus voi olla parempi kuin raakalietelannalla (ks. luku 4.2, Virkajärvi ym. 2016). Ravinteita taas biokaasussa ei pieniä typpi- (ammoniakki) ja rikkimääriä (rikkivety) lukuun ottamatta ole, joten typpeä, fosforia ja kaliumia on mädätysjäännöksessä hieman suurempi pitoisuus kuin syötteessä. Orgaanista typen (proteiinien) hajotessa vapautuu liukoista typpeä (ammoniumtyppi NH 4 -N) Kasveille nopeasti käyttökelpoisen liukoisen typen määrä voi olla naudan lietelannan käsittelyssä n. 20 % suurempi mädätteessä kuin syötteessä (Holm-Nielsen ym. 1997, Frost & Gilkinson 2011, Luostarinen ym. 2013). Sian lietelannan orgaaninen aine ja orgaaninen typpi ovat biohajoavampia, mutta koska sianlietteessä on jo valmiiksi korkea NH 4 -N-pitoisuus, on prosentuaalinen pitoisuuden kasvu esim. vain 10 % (Marcato ym. 2008, taulukko 1). Kasvimassa sisältää suhteellisen vähän liukoista typpeä kokonaistyppeen tai orgaaniseen typpeen verrattuna, joten prosentuaalinen liukoisen typen määrän kasvu voi olla paljon suurempi kuin lietelannoilla (ks. luku 1.2 teoreettinen laskelma).

Raportti 8 (38) Taulukko 1. Esimerkkejä syötteen ja mädätteen massakomponenttien pitoisuuksista sekä pitoisuuksien prosentuaalisia muutoksia biokaasuprosessissa. Ominaisuus/ravinne Sian lietelanta Naudan lietelanta Naudan lietelanta + rasvajäte Syöte Mädäte Muutos % Syöte Mädäte Muutos % Syöte Mädäte Muutos % ph 7,23 7,92 10 Kuiva-aine 26,6 16,4-39 69,0 54,8-21 131 57-56 Orgaaninen aine (VS) 17,9 9,6-46 53,9 40,0-26 Kok. N (liuk. N + org. N) 2,80 2,80 0 3,33 3,36 1 3,5 3,6 3 Liuk. N (NH 4 -N) 2,10 2,30 10 1,78 2,10 18 1,4 1,9 36 Org. N 0,70 0,49-29 1,55 1,26-19 2,1 1,7-19 Org. N vähenemä / VS 0,63 0,73 vähenemä suhde P 0,79 0,51-35 0,5 0,5 0 Liuk. P (PO 4 -P) 0,3 0,4 33 K 0,99 1,07 8 Ca 1,36 0,77-43 Fe 0,04 0,04 2 Mg 0,38 0,26-31 S 0,21 0,18-15 Lähde Marcato ym. 2008 Frost & Gilkinson 2011 Crolla & Kinsley 2013 Mädätysjäännös on arvokkaampaa lannoitetta kuin esim. raakalietelanta, koska rahallista arvoa laskettaessa vain liukoinen typpi katsotaan käyttökelpoiseksi. Toisaalta myös ph on mädätysjäännöksessä korkeampi kuin raakalietelannassa, joten ammoniakin haihtumisen estämiseksi peltolevitys tulisi tehdä sijoittamalla/multaamalla. Prosessi voi nostaa ph-lukemaa esim. 10 15 %. Naudan lietelannan käsittelyssä sekä yhteiskäsittelyssä kasvimassojen kanssa mädätysjäännöksen ph on 7,5 7,9:ään (Luostarinen ym. 2013, Frost & Gilkinson 2011). Mädätteen käyttö lannoitteena ei kuitenkaan nosta ainakaan lyhyellä aikavälillä (4 vuoden koe) aikana peltomaan ph-arvoa (Virkajärvi ym. 2016). Orgaanisen aineen hajotessa vapautuu myös liukoista, kasveille käyttökelpoista, vesiliukoista ortofosfaattia (PO 4 ). Naudan lietelantaa ja rasvajätettä käsittelevien neljän laitoksen tuloksissa ei fosforihäviöitä havaittu ja liukoisen fosforin pitoisuus kasvoi 33 % (Crolla & Kinsley 2013, taulukko 1). Toisaalta ortofosfaattia ja hivenaineita voi saostua mineraalikiteiksi (esim. struviitiksi (MgNH 4 PO 4 ) ja kalsiumfosfaatiksi) reaktorin putkien ym. pinnoille, jos ph on korkea. Struviitin muodostumiselle optimaalinen ph on noin 8,5 9,0. Sian lietelannan käsittelyssä reaktorin ph on esim. 8,4 (Bonmati & Flotas). Marcaton ym. (2008) tutkimuksessa sianlietteen fosforista pidättyi reaktoriin 36 %, kalsiumista 44 % ja magnesiumista 33 % (pitoisuusmuutoksia taulukossa 1). 1.2 Esimerkkilaskelmat massataseesta: naudan lietelanta- ja säilörehusyötteet Tässä luvussa on laskettu maatilabiokaasulaitoksen mädätteen ominaisuudet kahdelle tapaukselle: naudan lietelannasta tuotetulle mädätysjäännökselle sekä naudan lietelannan ja säilörehun yhteiskäsittelyssä tuotetulle mädätysjäännökselle. Lietelantaa syötetään biokaasulaitokseen 10 t/vrk. Yhteiskäsittelyssä lietelantaa syötetään 10 tonnia/vrk ja rehua 1 tonni/vrk (esimerkit ovat Luke

Raportti 9 (38) Maaningan laitoksen mukaisia). Taulukossa 2 on esitetty lietelannan ja säilörehun metaanintuottopotentiaalit (BMP) sekä arvio, että potentiaalista toteutuu 90 % jatkuvasyöttöisessä biokaasulaitoksessa. Tässä laskelmassa oletetaan, ettei kokonais-npk-määrät (kg sisään ks ulos) eivät muutu (ei tapahdu mineraalien saostumista), mutta biokaasun muodostuksen eli massan vähentymisen vuoksi NPK-pitoisuudet kasvavat. Taulukossa 2 on esitetty lähtöarvot, joilla voidaan laskea orgaanisen aineen vähenemä. Laskelmaa varten on esitetty lietelannan ja timotei-nurminata-säilörehun metaanintuottopotentiaalit orgaanisen aineen kilogrammaa kohti (BMP), arvio syntyvän biokaasun metaanipitoisuudesta sekä metaanin ja hiilidioksidin tiheydet. Taulukko 2. Biokaasuprosessin massataselaskelman lähtöarvoja. Nm 3 = normaalikuutio (kaasun tilavuus 101,3 kpa paineessa ja º0 C lämpötilassa). Lyhenne Yksikkö Metaanin tiheys ρ CH4 0,716 kg/nm 3 Hiilidioksidin tiheys ρ CO2 1,96 kg/nm 3 Lietelannan BMP B lanta 0,200 Nm 3 CH 4 /kg VS Säilörehun BMP B rehu 0,330 Nm 3 CH 4 /kg VS BMP-toteutuma Y 90 % BMP:sta biokaasulaitoksessa Lantabiokaasun c CH4,lanta 62 til.% metaanipitoisuus Rehubiokaasun metaanipitoisuu c CH4,rehu 57 til.% Lähtöarvojen perusteella laskettiin massatase kaavoilla, jotka on esitetty taulukossa 3. Lietelannan orgaanisesta aineesta (VS:sta) muuttuu 29 % biokaasuksi, jos metaanintuottopotentiaali (BMP) on 200 Nm 3 CH 4 /tvs, muodostuvan kaasun metaanipitoisuus on 62 % (CO 2 -pitoisuus 38 %) ja BMP:sta toteutuu jatkuvatoimisessa biokaasulaitoksessa 90 %. Taulukko 3. Lannasta (10 tonnia) muodostuvan biokaasun määrä normaalikuutioina (normaalikuutio Nm3; tilavuus 1 atm paineessa ja 0 ºC:ssa) ja massana (kg) sekä orgaanisen aineen vähenemät biokaasuprosessissa. Lyhenne Yksikkö Kaava Lantabiokaasu: Lietelannan massa m lanta 10000 kg Lietesyötteessä ka ka% 7,0 % Lietesyötteessä ka m ka 700 kg Lietesyötteessä VS m VS 581 kg Metaanin tilavuus V CH4 105 Nm 3 CH 4 Metaanin massa m CH4 75 kg =m lanta * ka%/10 = m ka *0,83 =VS*B lanta *Y/100 =VS*B lanta *Y/100*ρ CH4 CO 2 tilavauus V CO2 64 Nm 3 CO 2 CO 2 massa m CO2 126 kg Lantabiokaasun massa m bg, lanta 201 kg VS:n vähenemä 29 % =(100-c CH4,lanta )/c CH4 *ρ CH4 =V CO2 *ρ CO2 =m CH4 +m CO2 =m bg /m lanta *100 Rehu on paremmin biohajoavaa (BMP 330 Nm 3 CH 4 /t VS, kaasun CH 4 -pitoisuus 57 %, BMP:sta toteutuu 90 %), joten sen orgaanisesta aineesta 60 % muuttuu biokaasuksi (taulukko 4).

Raportti 10 (38) Taulukko 4. Rehusta (1 tonni) muodostuvan biokaasun määrä normaalikuutioina (Nm 3 ) ja massana (kg) sekä orgaanisen aineen vähenemät biokaasuprosessissa. Lyhenne Yksikkö Kaava Rehubiokaasu: Rehun massa m rehu 1000 kg Rehusyötteessä ka ka% 30,0 % Rehusyötteessä ka m ka 300 kg/t Rehusyötteessä VS m VS 276 kg/t Metaanin tilavuus V CH4 82 Nm 3 CH 4 Metaanin massa m CH4 59 kg = ka%*10 =m ka *0,92 =m VS *B rehu *Y/100 =m VS *B rehu *Y/100*ρ CH4 CO 2 tilavauus V CO2 62 Nm 3 CO 2 CO 2 massa m CO2 121 kg Rehubiokaasun m bg, rehu 180 kg massa VS:n vähenemä 60 % =(100-c CH4,rehu )/c CH4 *ρ CH4 =V CO2 *ρ CO2 =m CH4 +m CO2 =m bg /m rehu *100 Lietelantasyötteellä tuoremassan määrä vähenee 2 %, eli mädätysjäännöstä muodostuu 10 tonnista 9,8 tonnia (taulukko 5). Massanmuutoksen perusteella voi laskea mädätysjäännöksen ravinnepitoisuuden (kg/t) kaavalla 1: Pitoisuus = ravinteen määrä / mädätteen massa (1) Kokonaisravinneravinnepitoisuudet nousevat 2 %. Liukoisen typen määrä on laskettu niin, että orgaanisen typen määrä vähenee VS:n nähden kertoimella 0,7, joka on sianlietelannan (Marcato ym. 208) ja naudanlietelannan (Frost & Gilkinson 2011) koetulosten pyöristetty keskiarvo. Kun lietelannan VS-vähenemä 29 % kerrotaan luvulla 0,7, saadaan orgaanisen typen vähenemäksi 20 %. 10 tonnin lietelantamäärästä sisältämästä orgaanisesta typestä (16,00 kg) hajoaa siis ammoniumtypeksi 3,21 kg (taulukko 5). Täten ammoniumtypen kg-määrä mädätteessä on 21 % suurempi ja pitoisuus 23 % suurempi kuin lietelantasyötteessä. Myös mädätteen Liuk.N/P-suhdeluku 21 % korkeampi kuin lietelannan, eli mädätteen mukana saadaan levitettyä 21 % enemmän liukoista typpeä pellolle ympäristötuen fosforirajoituksen puitteissa kuin käytettäessä lannoitteena lietelantaa. Taulukko 5. Lietelantasyötteen (10 t) ja siitä muodostuvan mädätysjäännöksen ravinnemäärät (kg) ja pitoisuudet (kg/t) sekä pitoisuuksien muutos (%) biokaasuprosessissa. Komponentti Lyhenne Massa (kg) Pitoisuus (kg/t) Syöte Mädäte Muutos Syöte Mädäte Muutos Tuoremassa m 10000 9834-2 % - - - Kuiva-aine ka 700 534-24 % 70 54-22 % Orgaaninen aine VS 581 415-29 % 58 42-27 % Typpi N 31,00 31,00 0 % 3,10 3,15 2 % Liukoinen typpi Liuk.N 15,00 18,21 21 % 1,50 1,85 23 % Orgaaninen typpi Org.N 16,00 12,79-20 % 1,60 1,30-19 % Fosfori P 5,00 5,00 0 % 0,50 0,51 2 % Kalium K 36,00 36,00 0 % 3,60 3,66 2 % Liuk.N/N -suhde Liuk.N/N 0,48 0,59 21 % 0,48 0,59 21 % Liuk.N/P -suhde Liuk.N/P 3,00 3,64 21 % 3,00 3,64 21 %

Raportti 11 (38) Pelkän rehun osalta tuoremassa vähenee 17 % ja nostaa kokonais-npk-pitoisuuksia 20 % (taulukko 6). Rehun orgaanisesta aineesta hajoaa kaasuksi 60 %. Liukoisen typen määrä on pieni rehusyötteessä, minkä vuoksi orgaanisen typen hajotessa liukoisen typen pitoisuus kasvaa 870 %. Lietelantasyötteen takia kuitenkin yhteiskäsittelyssä syötteen kokonaismassa alenee vain 3 % ja ravinnepitoisuuden muutokset ovat vain yhden prosenttiyksikön suurempia kuin pelkän lietelannan käsittelyssä. Liukoisen typen pitoisuus on mädätysjäännöksessä 45 % suurempi kuin lietelantarehusyötteessä. Yhteiskäsittelyn mädätteen Liuk.N/P-suhdeluku 3,74 on jopa 40 % korkeampi kuin lietelanta-rehusyötteen suhdeluku. Suhdeluku (3,74) on myös korkeampi eli parempi kuin pelkän lietelannan mädätteessä (3,64), joten yhteiskäsittelymädätteen mukana saadaan vielä enemmän liukoista typpeä pellolle ympäristötuen fosforirajoitteen puitteissa. Taulukko 6. Rehusyötteen sekä lietelanta-rehu-yhteissyötteen ravinnemäärät (kg) ja pitoisuudet (kg/t) sekä näiden muutokset (%) biokaasuprosessissa. Komponentti Lyhenne Massa (kg) Pitoisuus (kg/t) Syöte Mädäte Muutos Syöte Mädäte Muutos Rehun massatase: Tuoremassa m 1000 834-17 % - - - Kuiva-aine ka 300 134-55 % 300 161-46 % Orgaaninen aine VS 276 110-60 % 276 132-52 % Typpi N 7,35 7,35 0 % 7,35 8,81 20 % Liukoinen typpi Liuk.N 0,41 3,32 709 % 0,41 3,98 870 % Orgaaninen typpi Org. N 6,94 4,03-42 % 6,94 4,83-30 % Fosfori P 0,79 0,79 0 % 0,79 0,94 20 % Kalium K 7,94 7,94 0 % 7,94 9,52 20 % Liuk.N/N -suhde Liuk.N/N 0,06 0,45 709 % 0,06 0,45 709 % Liuk.N/P -suhde Liuk.N/P 0,52 4,22 709 % 0,52 4,22 709 % Lietelannan ja rehun yhteiskäsittelyn massatase: Tuoremassa m 11000 10668-3 % - - - Kuiva-aine ka 1000 668-33 % 91 63-31 % Orgaaninen aine VS 857 525-39 % 78 49-37 % Typpi N 38,35 38,35 0 % 3,49 3,59 3 % Liukoinen typpi Liuk.N 15,41 21,63 40 % 1,40 2,03 45 % Orgaaninen typpi Org. N 22,94 16,72-27 % 2,09 1,57-25 % Fosfori P 5,79 5,79 0 % 0,53 0,54 3 % Kalium K 43,94 43,94 0 % 3,99 4,12 3 % Liuk.N/N -suhde Liuk.N/N 0,40 0,56 40 % 0,40 0,56 40 % Liuk.N/P -suhde Liuk.N/P 2,66 3,74 40 % 2,66 3,74 40 % 1.3 Typen liukoistumisen rahallinen arvo Biokaasuprosessissa orgaanisesta typestä vapautuu liukoista ammoniumtyppeä, joka on orgaanista typpeä nopeammin kasvien juurten otettavissa peltolevityksen jälkeen. Liukoisen typen rahalliseen arvoon vaikuttaa sen määrän ja hinnan lisäksi käyttökelpoisuus, joka riippuu esim. peltomaan ominaisuuksista, kasvista ja sen kasvuvaiheesta, levitysmenetelmästä ja lietteen ominaisuuksista sekä sääolosuhteista (Virkajärvi ym. 2016). Liukoisen typen rahallinen arvo lannoitteena voidaan laskea kaavalla 2: Liuk. N hinta [ /kg] * käyttökelpoisuus [%] / 100 (2)

Raportti 12 (38) Liukoisen typen hinnan voi määrittää väkilannoitteen hinnan perusteella (ks. luku 4.1), jolloin väkilannoitetypen arvo voi olla esim. 1,08 /kg (Kässi ym. 2013). Maaningan kokeissa (Virkajärvi ym. 2016) ohran viljelyssä mädätysjäännöksen liukoisen typen käyttökelpoisuus (satovaste) väkilannoitetyppeen verrattuna oli 4 vuoden aikana keskimäärin 98 %, kun raakalietelannan liukoisen typen käyttökelpoisuus oli vain 85 % (esimerkkejä lisää taulukossa 8 luvussa 4.2). Mädätteen rahallisen arvon kasvu typpilannoitteena syötteeseen verrattuna voidaan laskea kaavalla 3: Mädätteen N * hinta * käyttökelpoisuus / 100 * typen hinta Lannan N * hinta * käyttökelpoisuus / 100 * typen hinta (3) Esimerkkilaskelma: naudan lietelantaa käsitellään biokaasulaitoksessa 10 t/vrk, kuinka paljon arvokkaampaa on mädätteen typpi lietelannan typpeen verrattuna? Edellisessä luvussa esitetyn laskentaesimerkin mukaisesti päivittäisessä lietelantasyötetonnissa on liukoista typpeä 1,500 kg ja siitä syntyvässä mädätteessä 1,821 kg. Rahallisen arvon kasvu lasketaan kaavalla 3: 1,821 kgn*98 %/100*1,08 /kgn 1,500 kgn*85 %/100*1,08 kgn = 0,55 /tonni lietelantasyötettä. Biokaasulaitoksen tuottama lisäarvo typpilannoitteena ohranviljelyssä on siis 5,50 vuorokaudessa Biokaasuprosessointi kasvattaa lietelantatonnin arvoa typpilannoitteena 0,55. Vuodessa ko. laitoksen tuottaman typpilannoitteen arvo olisi 2008. Biokaasuprosessi nostaa lietelannan arvoa typpilannoitteena siis 40 %. Mädätteen massa on 2 % pienempi kuin lietelantasyötteen, joten mädätteen arvo tonnia kohti on 42 % suurempi (taulukko 7). Taulukko 7. Lietelannan (10 t/vrk) ja siitä biokaasuprosessissa muodostuvan mädätteen sisältämän liukoisen typen rahallinen arvo ohralle sijoituslevityksessä. Lietelanta Mädäte Erotus Erotus % Tuoremassa (t) 10,00 9,83-0,17-2 Liuk.N määrä (kg) 15,00 18,21 3,21 21 Käyttökelpoisuus (%) 85 98 13 15 Liuk.N hinta ( ) 1,08 1,08 Liuk.N arvo ( ) 13,77 19,27 5,50 40 Liuk.N. arvo ( /t) 1,38 1,96 0,58 42 1.4 Liukoisen typen levitysmäärän lisääntyminen Liukoisen typen ja kokonaistypen suhdeluku (Liuk.N/N) on mädätysjäännöksessä suurempi kuin syötteessä, joten esim. lietelannasta muodostuneen mädätysjäännöksen mukana saadaan levitettyä enemmän liukoista typpeä pellolle kuin raakalietelannan mukana.

Raportti 13 (38) 2 Separoinnin tavoitteet Lietelannan tai mädätteen ravinnepitoisuudet ja -suhteet eivät ole yleensä optimaalisia eri kasvien tai peltolohkojen tarpeisiin nähden. Lietteen komponentteja voidaan saada eroteltua eli separoitua mekaanisesti tai kemiallis-mekaanisesti kahdeksi (kuivajae ja nestejae) tai useammaksi lannoitetuotteeksi. Separoinnin tavoitteita voivat olla esimerkiksi seuraavat (Virkajärvi ym. 2016): 1. Halutaan saada levitettyä enemmän liukoista typpeä ympäristökorvausjärjestelmän fosforirajoituksen rajoissa 2. Halutaan saada levitettyä enemmän liukoista typpeä nitraattiasetuksen (orgaanisen lannoitteen kokonaistypen levitysmäärä enintään 170 kg/ha) lantaa rajoissa (parempi eli suurempi liuk.n/n-suhdeluku) 3. Logistiikka: typpipitoinen nestejae voidaan levittää lähipelloille ja kuljettaa fosforipitoista kuivajaetta kauemmas. Lähipelloilla on yleensä korkeampi fosforiluku ja siten vähäisempi fosforintarve. Tavoitteet saavutetaan yleensä silloin, kun mahdollisimman suuri osa fosforista saadaan erotettua kuivajakeeseen ja suuri osa typestä nestejakeeseen. Kalium menee vesiliukoisena nestejakeeseen ja sitä voi olla liiaksi kasvien tarpeeseen nähden. Tavoitteena voi olla myös muiden arvotuotteiden, esimerkiksi parsikuivikkeen tuottaminen. Ruuvipuristimella lietelannasta tai mädätysjäännöksestä tuotettu kuivajae voi olla huomattavasti edullisempaa kuin esim. turvekuivike (Lantalogistiikka-hankkeen alustavat tulokset). 3 Separoinnin massataseen ja erotustehokkuuden laskeminen Kun separoitavasta lietteestä sekä separoinnissa syntyvistä kuivajakeesta ja nestejakeesta analysoidaan kuiva-ainepitoisuus ja ravinnepitoisuudet, voidaan laskea kuivajakeen massa kaavalla 4: mkj = (kaliete kanj) / (kakj kanj) * mliete (4) jossa m KJ = separoinnissa syntyvän kuivajakeen tuoremassa, ka liete = separoitavan lietteen (mädätysjäännöksen) kuiva-ainepitoisuus, ka NJ = separoinnissa syntyvän nestejakeen kuiva-ainepitoisuus, ka KJ = separoinnissa syntyvän kuivajakeen kuiva-ainepitoisuus, m liete = separoitavan lietteen tuoremassa. Esimerkki: Separoinnin yhteydessä lietteen ka-pitoisuudeksi määritettiin 7 %, kuivajakeen 25 % ja nestejakeen 4 %. Lietettä separoitiin 1000 kg, jolloin kuivajaetta on syntyi: m KJ = (7 % 4 %) / (25 % 4 %) * 1000 kg = 142 kg, eli kuivajakeen massa on 14 % alkuperäisen lietteen massasta. Täten nestejakeen massa on 1000 142 kg = 858 kg eli 86 % lietteen massasta. Kuivajakeen ja nestejakeen ravinnesisällöt (kg) lasketaan niiden ravinnepitoisuuksien (kg/t) ja kaavalla 4 lasketun massan tulona.

Raportti 14 (38) Erotustehokkuus (E, myös separointi-indeksi) tarkoittaa lietelannan massakomponentin (esim. kuiva-aine, orgaaninen aine, N, P, K) erottumista kuivajakeeseen ja ilmoitetaan yleensä prosentteina (Hjorth 2009) ja voidaan laskea kaavalla 5: E = Kuivajakeen massakomponentti / Separoitavan lietteen massakomponentti * 100 % (5) 4 Kannattavuuslaskelmien lähtötiedot ja menetelmät 4.1 Orgaanisen lannoitteen ravinteiden arvon laskenta Orgaanisten lannoitteiden rahallisen arvon voi arvioida laskemalla väkilannoitevalmisteiden sisältämien typen, fosforin ja kaliumin hinnat. Niidenlaskemisessa tarvittava matriisiyhtälö voidaan ratkaista kaavalla 6 (Kässi ym. 2013): A -1 * b = x (6) jossa A on matriisi, joka sisältää eri väkilannoitevalmisteiden ravinnepitoisuudet, b on väkilannoitevalmisteen hinta ja x on ravinteen hinta. Kaavan 7 matriisiyhtälöllä voidaan laskea kunkin ravinteen arvo, kun on tiedossa N-lannoitteen (vain typpeä sisältävä), NK-lannoiteen (typpeä ja kaliumia sisältävä) ja NPK-lannoitteen (typpeä, fosforia ja kaliumia sisältävä lannoite) myyntihinnat: (7) Jossa F on ravinteen kg-määrä lannoitevalmisteessa ja P on väkilannoitevalmisteen hinta. Kaavassa 8 on esitetty v. 2013 hintoihin perustuva esimerkkilaskelma (Kässi ym. 2013): Jonka mukaan typen hinnaksi tulee 1,16 /kg, fosforin arvoksi 2,94 /kg ja kaliumin arvoksi 0,69 /kg. Väkilannoitehintoihin on lisättävä kuitenkin rahtihinta. Suomessa väkilannoitteiden ravinnepitoisuus on 40 % eli tonnissa on 400 kg ravinteita (Kässi ym. 2013). Tällöin rahtikustannuksen sisältävä hinta P voidaan laskea kaavalla 9: (8) Jossa C freight on rahdin hinta. (9)

Raportti 15 (38) Taulukossa 8 on esitetty tässä raportissa orgaanisille lannoitteille käytettävät rahdin sisältävät typen, fosforin ja kaliumin (NPK) hinnat (Kässi ym. 2013). Taulukossa on myös lueteltu ruuvipuristimen ja dekantterilingon investointihinnat, käyttöiät, laskentakorkokanta sekä käyttökustannusten laskennan lähtöarvoja. Taulukko 8. Lannoitteiden arvon, levityskustannuksen, kuljetuskustannuksen, separointikustannusten ja kannattavuuslaskelmien lähtötiedot. Hinta Yksikkö Käyttöikä (v) Lähde N 1,08 /kg Kässi ym. 2013 P 2,00 /kg Kässi ym. 2013 K 1,28 /kg Kässi ym. 2013 Lietteen/nestejakeen sijoituslevitys & kuljetus <1 km 2,75 /m 3 Palva 2015 Nestejakeen letkulevitys & kuljetus < 1 km 2,40 Palva 2015 Kuivajakeen levitys & kuljetus <1 km 2,45 /m 3 Palva 2015 Ylimääräinen kuljetuskustannus >1 km 0,40 /m 3 /km Palva 2015 Sähkö 0,13 /h Kässi ym. 2013 Työ 13 /h Kässi ym. 2013 INVESTOINTIKUSTANNUKSET Dekantterilinko 100000 12 Kässi ym. 2013 Ruuvipuristin, staattinen ja sähkökäytttöinen 23500 12 Kässi ym. 2013 Separaattorin lietepumppu 4500 12 Kässi ym. 2013 Laskentakorko 5 % Kässi ym. 2013 Ylläpito ja vakuutus 2 %/v investoinnista Kässi ym. 2013 Ruuvipuristimen sähkönkulutus (Luke Maaninka) 0,6 kwh/m 3 Pyykkönen 2017 Ruuvipuristimen kapasiteetti (Luke Maaninka) 10 m 3 /h lietettä Pyykkönen 2017 Ruuvipuristimen työaika 0,025 h/m 3 lietettä Kässi ym. 2013 Dekantterilingon sähkönkulutus 1,67 kwh/m 3 DANETV 2010 Dekantterilingon kapasiteetti 14 m 3 /h lietettä DANETV 2010 Dekantterilingon työaika 0,025 h/m 3 lietettä Kässi ym. 2013 4.2 Liukoisen typen käyttökelpoisuuden vaikutus lannoitteen arvoon Orgaanisten lannoitteiden liukoisen typen käyttökelpoisuus (satovaste) kasveille vaihtelee mm. lannoitteen ja maan ominaisuuksien sekä levitystavan mukaan. Fosforin ja kaliumin käyttökelpoisuuden oletetaan olevan 100 %. Maaningalla, Pohjois-Savossa tehdyissä nurmen ja ohran 3 4- vuotisissa nurmen- ja ohranviljelykokeissa tutkittiin liukoisen typen käyttökelpoisuutta koeruuduilla, joiden muokkauskerroksen maalaji oli multava tai runsasmultainen hiuesavi (Virkajärvi ym. 2016). Erilaisilla orgaanisilla lannoitteilla ja levitysmenetelmillä saatiin seuraavat tulokset: Raakalietelanta ja mädätysjäännös sijoitettiin kaksoiskiekkomultaimella - Ohran viljelyssä mädätysjäännöksen liukoinen typpi (satovaste 98 %) oli käyttökelpoisempaa kuin raakalietelannan liuk. N (satovaste 85 %) - Nurmen viljelyssä käyttökelpoisuus oli suunnilleen yhtä hyvä (raakalietelanta 95 %, mädäte 93 %) Mädätysjäännöksestä separoitu kuivajae mullattiin äestämällä:

Raportti 16 (38) - Annettiin nurmelle perustettaessa, käyttökelpoisuus 93 % - Ohralle keväisin, käyttökelpoisuus 82 86 %, tässä raportissa käytetty arvoa 84 % Mädätysjäännöksestä separoitu nestejae annettiin pintalevityksenä (letkulevitys) - Ohran oraille - Nurmen toiselle sadolle - Nestejakeen käyttökelpoisuus oli hyvä, Taulukko 9. Orgaanisten lannoitteiden liukoisen typen käyttökelpoisuus (satovaste) väkilannoitteeseen verrattuna Maaningan kokeissa (Virkajärvi ym. 2016). Kuivana vuonna 2010 erot olivat suurimpia. Nestejae levitettiin pintaan. Tässä raportissa on käytetty Maaningan kokeiden ohranviljelyn kolmen ja nurmenviljelyn neljän vuoden keskiarvotuloksia liukoisen typen käyttökelpoisuutta eli väkilannoitetyppeen verrattavaa satovastetta laskettaessa (taulukko 9:n sarake Keskimäärin ). Lannoitteen arvo (V) ennen levitystä voidaan laskea kaavalla 10: V = P N * Ƞ liuk.n / 100 + P P * Ƞ P / 100 + P K * Ƞ K (10) jossa P x = ravinteen x hinta, (laskettu kaavalla 10, ks. taulukko 8) Ƞ N = liukoisen typen käyttökelpoisuus, % väkilannoitteeseen verrattuna (taulukko 9) Ƞ P = kokonaisfosforin käyttökelpoisuus, % (oletus 100 %) Ƞ K = kokonaiskaliumin käyttökelpoisuus, % (oletus 100 %) Separoitaessa lietemäistä orgaanista lannoitetta (lietelanta, mädäte) tulee separointijakeiden arvosta vähentää myös separointikustannus (C sep ). Separointijakeen arvo voidaan laskea kaavalla 11: V sep = V C sep (11) Jossa C sep on separointikustannus /m 3. Separointikustannus tulee jyvittää neste- ja kuivajakeelle (tai useammalle jakeelle) niiden muodostumisosuuksien mukaan; esim. separoinnissa lietteen

Raportti 17 (38) massasta muodostuu 10 % kuivajaetta ja 90 % nestejaetta, jolloin 10 % separointikustannuksesta vähennetään kuivajakeen rahallisesta arvosta ja 90 % nestejakeen arvosta. Ruuvipuristimen ja dekantterilingon separointikustannukset on laskettu luvuissa 5 ja 6. 4.3 Separointi- ja levityskustannus Lannoitteen arvo riippuu myös eri levitysmenetelmien kustannuksesta (v. 2014 urakointihintojen keskiarvot Palvan 2015 mukaan, taulukko 8): letkulevitys 2,40 /m 3, sijoituslevitys 2,70 /m 3 ja kuivajakeen hajalevitys 2,45 /m 3. Levityskustannus sisältää kuljetuksen alle 1 km kuljetusmatkan. Letkulevityksessä liete/neste jää pintaan ja liukoista typpeä menetetään ammoniakin haihtuessa. Kuivajae sijoitetaan (mullataan) kylvömuokkauksen (äestyksen) yhteydessä, joten siitä ei tule lisäkustannusta ja liukoisen typen käyttökelpoisuus säilyy hyvänä. Em. levityskustannukset ovat kuutiokohtaisia ja niihin kuuluu alle 1 km kuljetus pellolle. Lietemäisillä materiaaleilla tiheys on yleensä 1000 kg/m 3, eli tonnikohtainen ravinnesisältö on sama kuin kuutiokohtainen ravinnesisältö. Kuivajakeen (ja kuivalanan) tiheydet vaihtelevat ja ovat yleensä alle 1000 kg/m 3, joten levitys- ja kuljetuskustannuksen kannalta olennainen on kuutiokohtainen ravinnesisältö, johon (ks. luvut 5 ja 6). Lietteen ja nestejakeen letkulevitys on Lannoitteen arvo levitettynä V lev (sisältäen < 1 km kuljetuksen) voidaan laskea kaavalla 11: V sep+lev = V C sep C lev (11) jossa C lev = levityskustannus /m 3 4.4 Kuljetuskustannus ja kuljetuksen kannattavuusraja Tässä raportissa yhden kilometrin ylittävä kuljetuksen hinta on kaikille orgaanisille lannoitteille sama: 0,40 /m 3 /km (Palva 2015). Kyseessä on lietteen kuljetuksen urakointihinta, jota voidaan käyttää myös kuivalannalle/kuivajakeelle. Vuoden 2016 kyselyssä tuli vain yksi vastaus kuivalannan siirrosta: 0,35 /m 3 /km (Palva 2017). Lannoitteen arvo levitettynä ja kuljetettuna kilometrimäärän D päähän voidaan laskea kaavalla 12: V sep+lev+kulj = V C sep C lev C kulj * D (12) jossa C kulj = yksisuuntainen kuljetuskustannus, /m 3 /km D = 1 km:n ylittävä yksisuuntainen kuljetusmatka, km Kuljetuksen kannattavuusraja (K), eli yksisuuntainen kuljetusmatka sisältäen levityskustannuksen, jolloin lannoitteen arvo on 0, voidaan laskea kaavalla 13: K = (V C sep C lev ) / (2 * C kulj ) + 1 (13)

Raportti 18 (38) jossa K = kannattavuusraja eli yksisuuntainen kuljetusmatka (km), jolloin lannoitteen arvo on 0. 5 Ruuvipuristin 5.1 Ruuvipuristimen separointituloksia mädätteellä ja lietelannoilla Ruuvipuristin on yksinkertainen mekaaninen separaattori, jonka sisään pumpataan lietettä. Laite koostuu staattisesta seulasta, jonka läpi poistuu nestejae, sekä seulan sisällä pyörivästä ruuvista, joka työntää kuivajaetta kohti saranoidulla levyllä suljettua poistoaukkoa. Levyn avautumista ja siten kuivajakeen puristusvoimaa säädellään painoilla. Ruuvipuristimeen voidaan yleensä vaihtaa erikokoisia seuloja (esim. 0,25 2 mm) sekä säätää portaattomasti tiettyyn rajaan asti puristusvoimaa, joka kasvattaa kuivajakeen ka-pitoisuutta ja poistaa siitä nestettä (vettä), joka sisältää liukoista typpeä ja kaliumia. Kova paine voi kuitenkin pakottaa myös pieniä, fosforipitoisia partikkeleita seulan läpi, joten ruuvipuristin ei erota fosforia kovin tehokkaasti kuivajakeeseen (Hjorth ym. 2010). Kuva 1. Luke Maaningan Bauer S655 ruuvipuristinseparaattori. Separoitava liete syötetään laitteen sisään ylhäältäpäin (putki keskellä kuvaa). Nestejae poistuu seulan läpi (kuvassa 0,5 mm viiraseula ilman kantta) ja putkea alaspäin. Kuivajae poistuu oikeasta päädystä, puristuslujuuden säätö tapahtuu lisäämällä painoja päätylevyssä kiinni oleviin aisoihin. Kuva: Arto Pehkonen/Luke Maaninka. Ruuvipuristin sekä muut painesuodatusperiaatteella toimivat separaattorit erottavat erilaisten lietteiden (lietelannat, mädäte) fosforista keskimäärin vain 19 % erottuu kuivajakeeseen (Taulukko 9). Kokonaismassan, kuiva-aineen ja ravinteiden erotustehokkuudet ovat vahvasti riippuvaisia separoitavan lietteen ka-pitoisuudesta (taulukko 9). Kuitenkin typpi ja fosfori erottuvat erilaisilla lietteillä ja painesuodatuslaitteilla suhteellisen samalla tavalla: typen ja fosforin erottumisen suhdeluku (E N/P ) on suurehko n. 0,6 0,8. Pieni luku on parempi, koska se indikoisi sitä, että fosforia menee mahdollisimman paljon kuivajakeeseen ja typpeä nestejakeeseen. Mädätysjäännöksen separointitulokset vastaavat suunnilleen lietelantojen separointituloksia, kun separoitavan lietteiden ka-pitoisuudet ovat samat (taulukko 10).

Raportti 19 (38) Taulukko 10. Ruuvipuristimen ja muiden painesuodatukseen perustuvien separaattoreiden ravinteiden erotustehokkuuksia (E) kuivajakeeseen sekä typen ja fosforin erottumisen suhdeluvut (N/P) erilaisilla lietteillä. Liete (mädätteen alkuperä) Seula Liete Erotustehokkuudet kuivajakeeseen (%) Erotusteh. suhdelukuja mm ka % Massa Vesi ka. N NH 4 -N P K Liuk.N/N N/P Liuk.N/P Sian lietelanta keskiarvo, 12 kpl 1,26 4,5 5 4 28 9-15 4-0,80 - Naudan lietelanta keskiarvo, 20 kpl 1,47 6,8 14 12 39 18-21 - - 0,73 - Luke Maaningan ruuvipuristin Bauer S655, lietelanta ja mädätteet: Naudan lietelanta 0,75 9,9 33 29 70 37 31 47 33 0,83 0,79 0,66 Naudan lietelanta 0,75 7,2 15 12 49 20 11 32 15 0,55 0,61 0,34 Naudan lietelanta 0,75 3,6 4 3 22 7 3 12 4 0,43 0,59 0,25 Mädäte (naudan liete+kasvimassa) 0,75 4,8 5 4 27 9 6 14 5 0,67 0,64 0,43 Mädäte (naudan liete+kuivajae)* 0,50 6,4 17 14 51 26 18 37 18 0,70 0,71 0,50 Mädäte (naudan liete+kuivajae)** 0,50 6,4 10 8 45 19 13 29 11 0,66 0,65 0,43 Kaikkien lietteiden keskiarvo 1,31 5,9 11 10 35 15 14 19 11 0,92 0,75 0,72 *Keskisuuri puristusvoima **Täysi puristusvoima Separoinnin hden tavoitteen mahdollisimman paljon liuk.n/ha kannalta tärkeämpi separoinnin onnistumisen indikaattori on liukoisen typen ja fosforin erottumisen suhdeluku (E Liuk.N/P ). Liukoinen typpi ja kalium erottuvat suunnilleen samassa suhteessa kuivajakeeseen kuin vesi, koska ne ovat vesiliukoisia ioneja. Biokaasuprosessointi vapauttaa orgaanisesta typestä liukoista typpeä, joten mädätteessä on enemmän liukoista typpeä kuin syötteessä, ja siten mädätteen typestä menee veden mukana yleensä suurempi osa nestejakeeseen. Luke Maaningan kokeissa E LiukN./P on ollut suurempi eli parempi mädätteissä (0,43 0,50) kuin lietelannoissa (0,25 ja 0,34) muuten, paitsi korkean ka-pitoisuuden (9,9 %) lietelannan kohdalla (Taulukko 11). Maaningan ruuvipuristimella (Bauer S655) separoitiin mädätettä 0,5 mm seulalla, kahdella eri puristusvoimalla. Keskisuuri puristusvoima erotti enemmän fosforia kuivajakeeseen, mutta samalla myös suhteessa vielä enemmän typpeä (E N/P = 0,71). Täydellä puristusvoimalla fosforia meni suhteellisesti enemmän kuivajakeeseen (E N/P = 0,65). Liukoisen typen ja fosforin suhdeluku (Liuk.N/P) on keskisuuren puristusvoiman nestejakeessa 10 % korkeampi ja täyden puristusvoiman nestejakeessa 27 % korkeampi kuin separoimattomassa mädätteessä. Täysi puristusvoima oli nestejakeen ominaisuuksien kannalta siis parempi: sen nestejakeen mukana voidaan levittää 27 % enemmän liuk.n/ha kuin separoimatonta mädätettä. Täyden puristusvoiman kuivajakeen tonnikohtainen fosforipitoisuus oli myös korkeampi, mutta toisaalta sen tiheys oli alhainen (576 kg/m 3 ) verrattuna keskivahvan puristuksen kuivajakeeseen (856 kg/m 3 ). Kuljetuksen kannattavuus lasketaan kuutiokohtaisesti, jolloin keskivahvan pursitusvoiman kuivajaetta voidaan kuljettaa pidemmälle (ks. luku 5.3).

Raportti 20 (38) Taulukko 11. Ruuvipuristimen puristusvoiman vaikutus ravinteiden erottumiseen 0,5 mm seulalla: Mädätteen ja separointijakeiden ravinnepitoisuudet sekä erotustehokkuudet kuivajakeeseen (E) (Lantalogistiikka-hanke). Materiaali Tiheys Massa Vesi ka N Liuk. N P K N/P Liuk.N/N N/P Liuk.N/P kg/m 3 % % % kg/t kg/t kg/t kg/t suhde suhde suhde suhde Mädäte 1000 100 93,49 6,51 3,19 1,69 0,69 3,10 4,65 0,21 4,65 2,46 Ruuvipuristimen keskisuuri puristusvoima: Nestejae 1000 83 96,15 3,85 2,74 1,50 0,55 3,18 4,97 0,20 4,97 2,71 (Nestejakeessa on 10 % korkeampi Liuk.N/P-suhde kuin mädätteessä) Kuivajae 856 17 80,13 19,87 5,04 1,86 1,52 3,40 3,32 0,30 3,32 1,23 E (%) - 17 14 51 26 18 37 18 0,71 1,40 0,71 0,50 Ruuvipuristimen täysi puristusvoima: Nestejae 1000 90 96,03 3,97 2,77 1,66 0,53 3,18 5,21 0,19 5,21 3,12 (Nestejakeessa on 27 % korkeampi Liuk.N/P-suhde kuin mädätteessä) Kuivajae 576 10 70,85 29,15 6,04 2,10 2,00 3,47 3,02 0,33 3,02 1,05 E (%) - 10 8 45 19 13 29 11 0,65 1,54 0,65 0,43 5.2 Ruuvipuristinseparoinnin kustannukset Ruuvipuristimen investointikustannus on esimerkiksi 23 500 ja separoinnissa tarvittavan lietepumpun hinta 4500 (Kässi ym. 2013). Annuiteettimenetelmällä laskettu vuotuinen laitekustannus eli annuiteetti on 1399, jos käyttöikä on 12 vuotta ja laskentakorko 5 % (taulukko 12). Vuosittaiseksi ylläpito- ja vakuutuskustannukseksi on arvioitu 2 % investointikustannuksesta (Kässi ym. 2013) eli 560 /v. Taulukko 12. Ruuvipuristimen annuiteetti sekä vuotuinen ylläpito- ja vakuutuskustannus. Lyhenne Arvo Yksikkö Kaava Annuiteetti (vuotuinen kustannus) A 1399 Investointikustannus (sis. pumppu) I 28000 Laskentakorko p 5 % Käyttöikä n 12 v Vuotuinen ylläpito- ja vakuutus 560 2 % investoinnista Ruuvipuristimen lietekuutiokohtainen annuiteetti on sitä pienempi, mitä enemmän laitetta käytetään. Ylläpito- ja vakuutuskustannus on sama (560 /v) separointimäärästä riippumatta, joten lietteen separointimäärän kasvaessa lietekuutiokohtainen kustannus alenee. Linko kuluttaa sähköä linko esim. 1,67 kwh/m 3 (Luke Maaninka), jolloin kustannus on 0,078 /m 3, kun sähkön hinta on 0,13 /kwh. Separoinnin vaatima työaika on oletettu olevan 0,025 h/m 3 lietettä ja palkka 13 /h (Kässi ym. 2013), joten työkustannus on 0,325 /m 3 lietettä. Kokonaisseparointikustannus on esimerkiksi 0,96 /m 3, jos mädätettä separoidaan 3500 t/v ja vain 0,60 /m 3, jos separointimäärä on 10 000 t/v (taulukko 13).

Separointikustannus /t lietettä Raportti 21 (38) Taulukko 13. Ruuvipuristinseparoinnin kokonaiskustannus lietekuutiota kohti, kun separoidaan mädätettä 3500 m 3 (suuri maatila) tai 10 000 m 3 (kolme suurta maatilaa) vuodessa. Kustannustekijä Maatila 3 tilaa Yksikkö Mädätteen määrä 3500 10000 m 3 /vuosi Annuiteetti (sis. ylläpito) 0,40 0,14 /m 3 Ylläpito ja vakuutus 0,16 0,06 /m 3 Sähkönkulutus 0,078 0,078 /m 3 Työkustannus 0,325 0,325 /m 3 Separoinnin kokonaiskust. 0,96 0,60 /m 3 Separoinnin vuotuinen kokonaiskust. 3370 5989 /vuosi Ruuvipuristimen lietekuutiokohtainen separointikustannus alenee erittäin jyrkästi, kun käsiteltävän lietteen määrä vuodessa kasvaa 1 000 tonnista noin 5 000 tonniin, joka vastaa noin 1,5 karjatilan lietelantamäärää. Kustannus on noin 0,5 /m 3, kun separoidaan 20 000 t vuodessa eikä alene mainittavasti määrän kasvaessa edelleen 50 000 tonniin vuodessa (kuva 2). 2,50 2,00 1,50 1,00 Ruuvipuristin 0,50 0,00 1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Separoitava lietemäära vuodessa (1000 t) Kuva 2. Ruuvipuristimen separointikustannus /t lietettä, kun separoitavan lietteen määrä on 1000 50 000 tonnia vuodessa. 5.3 Ruuvipuristinseparoinnin kannattavuus Orgaanisten lannoitteiden levityskustannus ja siirtoajon kustannus perustuvat tilavuuteen. Maaningan kokeessa keskisuurella voimalla puristetun kuivajakeen ka-pitoisuus ja ravinnepitoisuudet ovat pienempiä, mutta tiheys suurempi kuin täyden puristusvoiman kuivajakeella. Tämän vuoksi keskisuuren puristusvoiman kuivajae on kuljetuksen ja levityksen taloudellisuuden kannalta parempi tuote.

Raportti 22 (38) Taulukko 14. Kuutiokohtaiset ravinnepitoisuudet 0,5 mm seulalla, kahdella puristusvoimalla Maaningan kokeessa. Materiaali Tiheys N Liuk. N P K Liuk.N/N N/P Liuk.N/P kg/m 3 kg/m 3 kg/m 3 kg/m 3 kg/m 3 suhde suhde suhde Mädäte 1000 3,19 1,69 0,69 3,10 0,53 4,7 2,5 Ruuvipuristimen keskisuuri puristusvoima: Nestejae 1000 2,74 1,50 0,55 3,18 0,55 5,0 2,7 Kuivajae 856 4,32 1,59 1,30 2,91 0,37 3,3 1,2 Ruuvipuristimen täysi puristusvoima: Nestejae 1000 2,77 1,66 0,53 3,18 0,60 5,2 3,1 Kuivajae 576 3,48 1,21 1,15 2,00 0,35 3,0 1,0 Kolme separoinnin tavoitetta eivät toteudu mädätteen ruuvipuristinseparoinnissa kovin hyvin verrattuna kalliimpiin separointimenetelmiin (dekantterilinko, monivaiheiset laitteistot). Tavoite 1: enemmän liukoista typpeä ympäristökorvausjärjestelmän P-rajoituksen puitteissa Liukoisen typen ja fosforin suhdeluku (Liuk.N/P) on keskisuuren puristusvoiman nestejakeessa 10 % korkeampi ja täyden puristusvoiman nestejakeessa 27 % korkeampi kuin separoimattomassa mädätteessä. Täten nestejakeen mukana voidaan levittää 10 % tai 27 % enemmän liukoista typpeä kuin mädätteen mukana, kun levitysmäärää rajoittaa ympäristötuen fosforirajoitus. Taulukossa 15 on esitetty mädätteen ja separointijakeiden levitysmäärät ohran viljelyssä eri P-viljavuusluokkien peltolohkoille. Taulukko 15. Mädätteen ja ruuvipuristimen keskisuuren puristusvoiman synnyttämien jakeiden levitysmäärät ohralle ympäristötuen fosforirajoitteen (maan viljavuusluokan) perusteella. Punaisella fontilla ympäristöehtojen (100 kg/ha, jos ei normaalia korkeampi satotaso) tai Nitraattidirektiivin (max 170 kg N/ha) typpirajan ylittävä määrä. Viljavuusluokka --> Huono Huononl. Vält. Tyyd. Hyvä Jae kg OHRA max kg P/ha --> 34 26 16 10 5 vrt. mädäte kg Naudanlietelannan ja sen kuivajakeen mädäte (Pyykkönen 2017): Mädäte t/ha 50 38 23 15 7 Mädäte kg N/ha 158 121 74 47 23 Mädäte kg liuk.n/ha 84 64 39 25 12 Mädäte kg K/ha 154 117 72 45 23 Nestejae t/ha 62 47 29 18 9 24 % Nestejae kg N/ha 169 129 79 50 25 7 % Nestejae kg liuk.n/ha 92 70 43 27 14 10 % Nestejae kg K/ha 196 150 92 58 29 27 % Kuivajae t/ha 22 17 11 7 3-55 % Kuivajae kg N/ha 113 86 53 33 17-29 % Kuivajae kg liuk.n/ha 42 32 20 12 6-50 % Kuivajae kg K/ha 76 58 36 22 11-50 % Tavoite 3: Logistiikka: fosforipitoista kuivajaetta kuljetetaan taloudellisesti kauemmas kuin separoimatonta lietettä Taulukossa 16 on laskettu mädätteen ja siitä ruuvipuristimella keskisuurella puristusvoimalla separoitujen jakeiden rahalliset arvot ja kuljetuksen kannattavuusrajat eli yksisuuntainen matka pelto-

Lannoitteen arvo ( /m 3 ) Raportti 23 (38) lohkolle sisältäen levityskustannuksen. Kuivajakeen kuljetuksen kannattavuusraja on 14,44 km, joka on 23 % pidempi matka kuin separoimattoman mädätteen kannattavuusraja 11,71 km. Nestejae sisältää vähemmän ravinteita kuin mädäte, joten sen taloudellinen kuljetusmatka on lyhyempi (10,59 km). Taulukko 16. Ruuvipuristimen keskisuuri puristusvoima: mädätteen sekä separoidun nestejakeen (NJ) ja kuivajakeen (KJ) kuutiokohtaiset rahalliset arvot nurmen viljelyssä ilman separointikustannusta (Arvo yht.), separointikustannuksen kanssa (Arvo - separ.), levityskustannuksen kanssa (Arvo <1km, sisältää kuljetuksen alle 1 km), yksisuuntainen siirtokustannus ( /m 3 /km) sekä kuljetuksen kannattavuusraja (matka, jolloin arvo = 0 ). Ruuvi, keskisuuri puris- Liuk.N P K Arvo Separ. Arvo - Levitys Arvo Siirto Kann. tusvoima yht. kust. separ. <1 km <1 km >1 km raja /m 3 /m 3 * /m 3 /m 3 /m 3 /m 3 /km km NURMI (mädäte sijoittamalla, NJ letkulevityksellä, KJ mullattuna perustettaessa) Ravinteen hinta /kg 1,08 2,00 1,28 Mädäte käyttökelp. % 93 100 100 Mädäte arvo /m 3 1,69 1,37 3,97 7,03 7,03 2,75 4,28 0,40 11,71 NJ käyttökelpoisuus % 99 100 100 NJ arvo /m 3 1,60 1,10 4,07 6,77 0,54 6,24 2,40 3,84 0,40 10,59 KJ käyttökelpoisuus % 91 100 100 KJ arvo 1,57 2,60 3,72 7,89 0,06 7,83 2,45 5,38 0,40 14,44 *Separointikustannus, kun mädätettä separoidaan 10 000 t/v. Separointikustannus on jyvitetty jakeille massojen muodostumisen suhteessa: KJ 10 % ja NJ 90 % Kuva 3 havainnollistaa arvon alenemista kuljetusmatkan mukaan: lannoitteen arvo x-akselin kohdassa 0 km on ravinteiden arvo, josta separointijakeiden osalta on vähennetty separointikustannus 0,60 /m 3 mädätettä. Kohdassa 1 km edellisestä arvosta on vähennetty levityskustannus (sis. kuljetus < 1 km), joka on menetelmästä riippuen 2,40 2,75 /m 3. Sitä seuraavien kilometrien kohdalla on lisäksi vähennetty siirtokuljetuskustannus 0,40 /m 3 /km (yhteen suuntaan). 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 NURMEN LANNOITUS, RUUVIPURISTIN keskisuuri puristusvoima (Maaninka): mädäte ja ruuvin jakeet 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Yksisuuntainen kuljetusmatka (km) Mädäte Nestejae Kuivajae Kuva 3. Mädätteen ja siitä ruuvipuristimella separoitujen jakeiden arvon aleneminen kuljetusmatkan mukaan.

Raportti 24 (38) 6 Dekantterilinko 6.1 Lingon separointituloksia mädätteellä ja lietelannoilla Dekantterilingon erotuskyky perustuu keskipakoisvoimaan, joka erottaa pieniä partikkeleita ja siten kuiva-ainetta ja fosforia paremmin kuivajakeeseen kuin ruuvipuristin. Laitteen keskipakoisvoimaan voidaan muuttaa lisäämällä rummun (kuva 4) pyörimisnopeutta (rpm, G-voima) ja lietteen viipymää säätämällä patolevyjen korkeutta, jonka yli nestejae poistuu lingosta. Kuva 4. Savonia-ammattikorkeakoulu Oy:n Alfa Laval NX4000 dekantterilinko. Kuva: Arto Pehkonen/Luke Maaninka. Linkoseparoinnissa fosforista erottuu keskimäärin noin 70 % ja kuiva-aineesta 60 % kuivajakeeseen (taulukko 17). Luvut vastaavat erään linkolaitevalmistajan (Westfalia) ilmoittamia minimierotustehokkuuksia (DANETV 2010). Mädätteillä typen ja fosforin erotustehokkuuden suhdeluku 0,3 on hyvä verrattuna ruuvipuristimen lukemaan 0,6. Taulukko 17. Dekantterilingon ravinteiden erotustehokkuuksia (E) kuivajakeeseen, typen ja fosforin erottumisen suhdeluvut (N/P) sekä liukoisen typen ja fosforin erottumisen suhdeluvut lietelannoilla ja mädätteillä. GEA Westfalia on linko, jolle valmistaja on ilmoittanut minimisuoritusarvot. Lietelantojen data lähteineen liitteessä 1. Materiaali / laite Erotustehokkuudet (%) Massa ka. N NH 4 -N P K N/P Liuk. N/P Sian lietelanta keskiarvo 5,0 11 58 25 16 72 8 0,35 0,23 Naudan lietelanta keskiarvo 6,2 14 57 30 16 68-0,46 0,24 Mädäte (DANETV 2010)* 4,9 10 57 20 16 69-0,29 0,23 Mädäte (Jorgensen 2009)** 2,8 8 86 25 8 78 7 0,32 0,10 GEA Westfalia, min - - 60 20-70 - 0,29 - * DANETV 2010, lannan + muun biomassan mädäte. ** Jorgensen 2009, sian ja naudan lietelannan mädäte. Liukoisen typen ja fosforin erotustehokkuuksien suhdeluku voi olla kuitenkin hyvin erilainen: DANETV:n 2010 tutkimuksessa E liuk.n/p oli 0,23 ja Jorgensenin 2009 tutkimuksessa 0,10 (taulukko 18). Pieni luku kertoo, että liukoinen typpi menee tavoitteen mukaisesti nestejakeeseen. Molemmissa kokeissa on saatu erotettua suhteellisen paljon fosforia kuivajakeeseen ja kokonaistyppeä

Raportti 25 (38) nestejakeeseen, mutta mädätysjäännös, jonka ka-pitoisuus on matala ja liukoisen typen osuus kokonaistypestä suuri (Jorgensen 2009), on liukoisesta typestä saatu erotettua 92 % nestejakeeseen (E liuk.n = 8 % kuivajakeeseen). Kyseisen nestejakeen kokonaistypestä jopa 99 % on liukoista typpeä (mädätteessä 80 %). Myös vesiliukoisesta kaliumista on erottunut 93 % nestejakeeseen. Tämän perusteella biokaasuprosessi edistää separoinnin tavoitetta: mitä enemmän orgaaninen typpi mineralisoituu liukoiseksi typeksi, sitä enemmän saadaan erotettua etenkin liukoista typpeä nestejakeeseen. Enemmän orgaanista typpeä sisältävän mädätteen (DANETV 2010) ja raakalietelantojen liukoisesta typestä menee vain 84 % nestejakeeseen (E liuk.n = 16 %) kuten lietelantojen separoinnissa. Taulukko 18. Mädätteiden ja dekantterilingon jakeiden ravinnepitoisuudet DANETV:n 2010 ja Jorgensenin 2009 tutkimuksissa. Massa ph ka VS N Liuk.N P K Liuk.N/N N/P Liuk.N/P %-os. % % kg/t kg/t kg/t kg/t suhde suhde suhde Lannan + muun biomassan yhteiskäsittelyn mädäte (DANETV 2010): Mädäte 100 7,64 4,85 3,39 4,08 2,87 0,94-0,70 4,34 3,05 Nestejae 90 7,94 2,31 1,49 3,49 2,63 0,31-0,75 11,3 8,48 Kuivajae 10 8,12 27,66 21,20 8,15 4,50 6,52-0,55 1,25 0,69 E (%) 10-57 63 20 16 69-0,78 0,29 0,23 Sian ja naudan lietelannan yhteiskäsittelyn mädäte (Jorgensen 2009): Mädäte 100-2,80-5,00 4,00 0,90 2,80 0,80 5,6 4,44 Nestejae 92-0,43-4,08 4,02 0,22 2,83 0,99 18,8 18,50 Kuivajae 8-30,0-15,63 3,75 8,75 2,50 0,24 1,8 0,43 E (%) 8-86 - 25 8 78 7 0,30 0,32 0,10 6.2 Linkoseparoinnin kustannukset Dekantterilingon investointikustannus on esimerkiksi 100 000 ja separoinnissa tarvittavan lietepumpun hinta 4500 (Kässi ym. 2013). Lingon vuotuinen laitekustannus eli annuiteetti on 5224, jos käyttöikä on 12 vuotta ja laskentakorko 5 % (taulukko 19). Taulukko 19. Dekantterilingon annuiteetti sekä vuotuinen ylläpito- ja vakuutuskustannus. Lyhenne Arvo Yksikkö Kaava Annuiteetti (vuotuinen kustannus) A 5224 Investointikustannus (sis. pumppu) I 104500 Laskentakorko p 5 % Käyttöikä n 12 v Vuotuinen ylläpito- ja vakuutus 2090 2 % investoinnista Lingon lietekuutiokohtainen annuiteetti on sitä pienempi, mitä enemmän laitetta käytetään. Ylläpito- ja vakuutuskustannus on sama (2090 /v eli 2 %/v investointikustannuksesta) separointimäärästä riippumatta, joten lietteen separointimäärän kasvaessa lietekuutiokohtainen kustannus alenee. Linko kuluttaa sähköä esim. 1,67 kwh/m 3 (DANETV 2010), ja sähkön hinnan ollessa 0,13 /kwh sähkön kustannus on 0,217 /m 3. Separoinnin vaatima työaika on oletettu samaksi kuin ruuvipuristimella: 0,025 h/m 3 lietettä ja palkaksi 13 /h (Kässi ym. 2013), joten työkustannus on