1 BIOKAASUN MUODOSTUMINEN JA SEN HALLITTU KÄSITTELY KAATOPAIKOILLA Petri Väisänen Jarkko Salmenoja
Kaatopaikkakaasun hallittu käsittely 1 SISÄLLYSLUETTELO 1 BIOKAASUN MUODOSTUMINEN KAATOPAIKOILLA...2 1.1 JÄTTEEN HAJOAMINEN...2 1.2 HAJOAMISEEN VAIKUTTAVAT TEKIJÄT...3 1.2.1 Jätteen laatu...4 1.2.2 Kosteus...5 1.2.3 Happi...6 1.2.4 Sulfaatti...7 1.2.5 Ravinteet...7 1.2.6 Lämpötila...8 1.2.7 ph...9 1.2.8 Inhiboivat tekijät...10 1.2.9 Mikrobikanta...11 1.3 KAASUA TUOTTAVAN HAJOAMISPROSESSIN VAIHEET...12 2 BIOKAASUN YMPÄRISTÖVAIKUTUKSET...17 2.1 KASVIHUONEVAIKUTUS...17 2.2 HAJUHAITAT...18 2.3 KASVIVAURIOT...18 2.4 KAATOPAIKKAPALOT...19 3 BIOKAASUN HALLITTU KÄSITTELY KAATOPAIKOILLA...19 3.1 BIOKAASUN PASSIIVINEN KÄSITTELY...20 3.2 BIOKAASUN AKTIIVINEN KÄSITTELY...21 4 BIOKAASUN ENERGIASISÄLTÖ JA SEN HYÖDYNTÄMINEN...22 4.1 BIOKAASUN ENERGIASISÄLTÖ...22 4.2 BIOKAASUN KERÄÄMINEN JA HYÖDYNTÄMINEN...23 5 BIOKAASUHANKKEEN VAIHEET...25 5.1 HANKESELVITYS...25 5.2 TOIMITTAJAN VALINTA...26 5.3 LUPIEN HANKKIMINEN...26
Kaatopaikkakaasun hallittu käsittely 2 1 BIOKAASUN MUODOSTUMINEN KAATOPAIKOILLA 1.1 Jätteen hajoaminen Jätteen hajoaminen kaatopaikalla tapahtuu anaerobisten tai aerobisten biologisten ja kemiallisten prosessien kautta. Jätteen orgaanisen aineen biologinen aerobinen hajoaminen vaatii runsaasti happea. Jätetäyttöjen ollessa korkeita ja tiiviitä ei ilmaa pääse virtaamaan jätetäyttöön riittävästi, joten hajoaminen tapahtuu korkeissa ja tiivistetyissä jätetäytöissä pääasiassa anaerobisesti. Pohjois-Suomessa on tutkittu pienillä kaatopaikoilla vallitsevia hajoamisprosesseja (Airiola ja Lakso 1997). Tutkimuksessa oli mukana 15 kaatopaikkaa, joissa kaasun pitoisuuksia mitattiin eri vuodenaikoina. Neljässä tutkimuskaatopaikassa todettiin vallitsevan aerobiset olosuhteet ja neljässä tutkimuskohteessa kaasun koostumus vastasi stabiilin metaanivaiheen koostumusta. Kahdeksassa tutkimuskohteessa muodostui vaihtelevia pitoisuuksia metaania, mutta metaanikäyminen oli häiriintynyt epäedullisten olosuhteiden vuoksi. Aerobisessa kompostoitumistilassa oleville kaatopaikoille yhteistä oli pienen koon lisäksi jätteen olematon tiivistäminen, korkea jätepenger kaatopaikan kokoon verrattuna ja jätetäytön alapuolella oleva pohjavedenpinta. Stabiilissa metaanikäymisvaiheessa olevat kaatopaikat olivat suhteellisen suuria (jätemäärät yli 300 000 tonnia) ja jätepenkereen korkeudet 8-10 metriä. Kaatopaikat olivat tehokkaasti tiivistettyjä ja peitettyjä. Myös pohjaveden pinnat olivat korkealla jätetäytössä. Jätetäytön syvyyden todettiin vaikuttavan hajoamisprosessiin siten, että pintakerroksissa, jopa kahden metrin syvyyteen, hajoaminen oli aerobista. Hajoamisprosessin metaanin tuottoa tutkittiin myös saman kaatopaikan eri ikäisillä osilla. Todettiin, että metaanin tuotto oli voimakkainta 5-10 vuotta vanhoilla täyttöalueilla ja alhaisinta yli 20 vuotta vanhoilla alueilla. Kaatopaikkakaasun koostumuksessa ei havaittu mitään selkeätä vuodenaikojen vaihtelujen välistä trendiä.
Kaatopaikkakaasun hallittu käsittely 3 1.2 Hajoamiseen vaikuttavat tekijät Jätetäytössä tapahtuvat fysikaalis-kemialliset prosessit ovat riippuvaisia abioottisista tekijöistä. Fysikaalisiin voimiin perustuvat laskeutus, suodattuminen, haihtuminen, diffuusio ja viskositeetti. Kemiallisista prosesseista tärkeimpiä ovat liukeneminen, saostuminen, adsorptio ja hapetus-pelkistysreaktiot. Painovoiman vaikutuksesta partikkelit ja liuenneet aineet pyrkivät laskeutumaan alaspäin. Nämä voivat kuitenkin suodattua mekaanisesti toisiin partikkeleihin. Jätetäytön tiivistäminen pienentää laskeutumista. Veden viskositeetti pyrkii myös vastustamaan kulkeutumista. Liuenneiden aineiden pitoisuuserot pyrkivät tasoittumaan diffuusion vaikutuksesta. Diffuusio kasvaa ja viskositeetti hidastuu matalissa lämpötiloissa. Tietyt aineet, kuten eräät metallit ja vettä hylkivät orgaaniset kemikaalit adsorboituvat väliaineen pinnalle. Jätetäytössä tällaisia väliaineita ovat mm. orgaaninen aines, savi ja metallikarbonaatit. Jätetäytön kemialliset prosessit liittyvät usein aineiden esiintymiseen eri olomuodoissa. Helppoliukoiset yhdisteet (esim. NaCl) kulkeutuvat suotoveden mukana kun taas niukkaliukoiset (esim. rauta ja öljyt) pidättyvät jätetäyttöön. Metallit voivat saostua anionien kanssa ja muuttua niukkaliukoisiksi. Anaerobisissa olosuhteissa tärkeimmät anionit ovat sulfidit ja karbonaatit. Aerobisissa olosuhteissa saostuminen tapahtuu pääosin hydroksideina, karbonaatteina ja fosfaatteina. Jätetäytön anaerobisissa olosuhteissa aineet pyrkivät yleensä pelkistymään. Hapetus-pelkistysreaktiot ovat tärkeitä myös biologisten prosessien kannalta, koska mikro-organismit tuottavat usein tarvitsemansa energian hapetuspelkistysreaktioiden avulla (Kettunen 1997). Seuraavassa on tarkasteltu kaatopaikan hajoamisprosessia hallitsevia olosuhteita ja abioottisia tekijöitä.
Kaatopaikkakaasun hallittu käsittely 4 1.2.1 Jätteen laatu Jätteen laadulla on oleellinen merkitys kaatopaikan hajoamisprosessiin. Jätteen tiivistämisellä ja peittämisellä on myös tärkeä merkitys. Hienojakoisissa ja tiivistetyissä jätemassoissa kosteus jakautuu tasaisemmin ja mikrobiologiselle toiminnalle altistuva pinta-ala on suurempi kuin tiivistämättömissä jätekasoissa. Jätteen anaerobisen hajoamisen aikana syntyvän kaatopaikkakaasun määrää voidaan arvioida esittämällä yksittäiset orgaaniset fraktiot yleisellä kaavalla C a H b O c N d (Tchobanoglous, et al. 1993). Tällöin muodostuvan kaasun kokonaismäärää voidaan arvioida yhtälöllä 1.1, kun oletetaan hajoamisen olevan täydellistä. a b c d CHON + 4 2 3 a b c d HO 2 4 4a b 2c 3d 4a b+ 2c+ 3d CH + CO + dnh 8 8 4 2 3 (1.1) Yleisesti yhdyskuntajätteessä oleva orgaaninen aines voidaan jakaa kahteen luokkaan, nopeasti hajoaviin (kolmesta kuukaudesta viiteen vuoteen) ja hitaasti hajoaviin (jopa yli 50 vuotta) (Tchobanoglous, et al. 1993). Nopeasti ja hitaasti biohajoavien jätefraktioiden jaottelu on esitetty taulukossa 1.1. Taulukko 1.1 Orgaanisen jätteen jaottelu nopeasti ja hitaasti biohajoaviin luokkiin Orgaaninen jätefraktio Nopeasti Biohajoava Hitaasti biohajoava Ruokajäte * Sanomalehtipaperi * Toimistopaperi * Pahvi * Muovi (a Tekstiilit * Kumi * Nahka * Puutarhajäte * (b * (c Puu * (a Muoveja pidetään yleensä biohajoamattomina (b Lehdet ja ruoho. Yleisesti 60 % puutarhajätteestä pidetään nopeasti biohajoavana (c Puumaiset osat puutarhajätteestä
Kaatopaikkakaasun hallittu käsittely 5 On esitetty (Tchobanoglous, et al. 1993), että 100 kg:ssa normaalikosteudessa olevaa yhdyskuntajätettä nopeasti biohajoavan jätteen osuutta voidaan kuvata kemiallisella kaavalla C 68 H 111 O 50 N, jonka massaosuus on 44,8 kg, ja hitaasti biohajoavan jätteen osuutta kemiallisella kaavalla C 20 H 29 O 9 N, jonka massaosuus on 7,3 kg. Tällöin molekyylisuhteet ovat kaavojen 1.2 ja 1.3 mukaiset. nopeasti biohajoavat jätteet C 68 H 111 O 50 N + 16H 2 O => 35CH 4 + 33CO 2 + NH 3 (1.2) (1741) (288) (560) (1452) (17) hitaasti biohajoavat jätteet C 20 H 29 O 9 N + 9H 2 O => 11CH 4 + 9CO 2 + NH 3 (1.3) (427) (162) (176) (396) (17) Reaktioyhtälöiden perusteella 100 kg normaalikosteudessa olevaa yhdyskuntajätettä tuottaa täydellisessä hajoamisessa kaatopaikkakaasua 46,6 Nm 3. Kaatopaikoissa hajoaminen ei kuitenkaan ole täydellistä. Likimääräisesti voidaan arvioida yhdyskuntajätetonnin anaerobisessa hajoamisessa syntyvän 100-250 m 3 kaatopaikkakaasua (Ham ja Barlaz 1989). 1.2.2 Kosteus Jätteen kosteudella on ratkaiseva merkitys anaerobisessa hajoamisprosessissa. Kosteuden lisääntyminen lisää kaatopaikkakaasun tuotantoa eksponentiaalisesti vesipitoisuuksien 25 ja 60 % välillä (Christensen ja Kjeldsen 1989). Tutkittaessa suomalaisten kaatopaikkojen jätteen kosteutta, se vaihteli 21-31 %:n välillä (Ettala et al. 1988).
Kaatopaikkakaasun hallittu käsittely 6 Jätteen anaerobiseen hajoamiseen kuluu edellisessä kohdassa esitetyn reaktiomallin mukaan vettä 170 l tuhatta kiloa kohti nopeasti biohajoavaa jätettä. Hitaasti biohajoavilla jätteillä vedentarve on tuhatta jätekiloa kohti 380 litraa, eli yhteensä tuhat kiloa yhdyskuntajätettä kuluttaa täydellisessä anaerobisessa hajoamisessa noin 100 litraa vettä. Kaatopaikan vesitaseessa on huomioitava kaatopaikkakaasun mukana poistuva vesimäärä. Likimääräisesti voidaan arvioida yhdyskuntajätetonnin anaerobisessa hajoamisessa syntyvän kaatopaikkakaasun mukana poistuvan vettä 2-6 litraa kaasun vesipitoisuuksien ollessa taulukon 1.2 mukaiset. Taulukko 1.2 Kaatopaikkakaasun vesihöyry- ja hiilidioksidipitoisuuksia (Kalevi 1992) Kaatopaikka Vesihöyry (mg/l) Hiilidioksidi (til. %) Mankkaa, Espoo 5-23 40-48 Kujala, Lahti 17-32 30-35 Vuosaari, Helsinki 2,5-15 47-50 Tarastenjärvi, Tampere 6-25 18-46 Hervanta, Tampere 2,5-25 10-42 1.2.3 Happi Anaerobi hajoaminen häiriintyy, jos jätteeseen pääsee happea. Christensen ja Kjeldsen (1989) ovat esittäneet, että metaanibakteerit vaativat alle -330 mv:n redoxpotentiaalin. Jätetäytön sisäisten olosuhteiden tutkimuksissa suomalaisilla kaatopaikoilla on kuitenkin todettu, että kaatopaikkakaasun metaanipitoisuudet voivat olla jopa 50 %, vaikka redox-potentiaalin arvot samoista havaintoputkista mitattuna olivat välillä -120-200 mv (Ettala 1996). Anaerobisten mikroympäristöjen esiintyminen aerobisissa olosuhteissa voi olla pääsyy metaania tuottavien bakteerien selviytymiseen aerobisissa olosuhteissa (Christensen ja Kjeldsen 1989).
Kaatopaikkakaasun hallittu käsittely 7 1.2.4 Sulfaatti Sulfaatinpelkistäjä- ja metaanibakteerit kuluttavat etikkahappoa ja vetyä. Sulfaatin esiintyminen pienentää metaanintuotantoa voimakkaasti. Tämä ei johdu sulfaatin toksisesta vaikutuksesta metaanibakteereihin, vaan kilpailusta käytettävissä olevista substraateista (Christensen ja Kjeldsen 1989). 1.2.5 Ravinteet Anaerobiseen hajoamiseen tarvitaan myös ravinteita, erityisesti typpeä ja fosforia, riittävässä suhteessa orgaaniseen ainekseen. Optimiolosuhteita voidaan kuvata kemiallisen hapenkulutuksen ja ravinteiden suhteella COD Cr :N:P = 100:0,44:0,08. Useimmiten ravinteiden niukkuus ei rajoita kaatopaikan hajoamisprosessia, mutta riittämätön jätteen homogenisointi voi johtaa ravinteettomiin mikroympäristöihin. Kaikkien välttämättömien hivenaineiden, kuten rikin, kalsiumin, magnesiumin, kaliumin, raudan, sinkin, kuparin, koboltin, molybdeenin ja seleenin pitoisuuksien on havaittu olevan riittäviä useimmilla kaatopaikoilla (Christensen ja Kjeldsen 1989). Kaatopaikkojen sisäisessä vedessä ja suotovedessä on tyypillisesti korkea kemiallinen hapenkulutus ja typpipitoisuus. Typpi esiintyy pääasiassa ammoniumtyppenä. Kaatopaikkojen vesien fosforipitoisuudet ovat kuitenkin hyvin matalat verrattuna yhdyskuntien jätevesiin. Taulukossa 1.3 on esitetty neljän pääkaupunkiseudun kaatopaikan viemäriin johdettavien vesien COD Cr :N:P-suhteet. Taulukon tuloksista nähdään, että ravinnepitoisuudet ovat kemialliseen hapenkulukseen nähden riittäviä. Tuloksia arvioitaessa tulee kuitenkin ottaa huomioon, että yleensä kaatopaikan sisäisen veden laatu poikkeaa viemäriin johdettavan veden laadusta.
Kaatopaikkakaasun hallittu käsittely 8 Taulukko 1.3 Eräiden pääkaupunkiseudun kaatopaikkojen viemäriin johdettavien vesien ominaisuuksia vuosikeskiarvoina Kaatopaikka (vuosi) CODcr N P COD Cr : N : P (mg/l) (mg/l) (mg/l) Ämmässuo (1995) 2729 201 1,16 100 : 7,36 : 0,04 Vuosaari (1995) 373 104 0,29 100 : 27,9 : 0,08 Seutula (1996) 450 101 0,51 100 : 22,4 : 0,11 Mankkaa (1995) 280 100 0,47 100 : 35,7 : 0,17 1.2.6 Lämpötila Jätteen anaerobisen hajoamisen nopeus riippuu voimakkaasti lämpötilasta. Metaanibakteerien mesofiilisen ryhmän optimilämpötila on 40 C:n tienoilla ja termofiilisen ryhmän optimilämpötila on 70 C:n tienoilla (Christensen ja Kjeldsen 1989). Laboratoriokokeissa on todettu metaanin tuotannon nousevan merkittävästi, jopa satakertaiseksi, kun lämpötilaa nostettiin 20:sta 40 C:een (Buivid 1980, Ehrig 1984 ja Scarf 1982 ref. Christensen ja Kjeldsen 1989). Kaatopaikan sisäisiä olosuhteita tutkittaessa on todettu, että anaerobisessa hajoamistilassa olevien suomalaisten kaatopaikkojen sisäiset lämpötilat vaihtelevat pääasiassa 5-20 C välillä (Airiola ja Lakso 1997, Ettala 1996). Lagerkvist (1986 ref. Christensen ja Kjeldsen 1989) on verrannut glukoosin aerobisen ja anaerobisen hajoamisen välisiä lämmöntuottoeroja: Glukoosin aerobinen hajoaminen C 6 H 12 O 6 + O 2 => CO 2 + H 2 O + biomassaa + lämpöä (1.4) (kuivapaino) 1 kg 0,64 kg 0,88 kg 0,34 kg 0,40 kg 9300 kj
Kaatopaikkakaasun hallittu käsittely 9 Glukoosin anaerobinen hajoaminen C 6 H 12 O 6 => CH 4 + CO 2 + biomassaa + lämpöä (1.5) (kuivapaino) 1 kg 0,25 kg 0,69 kg 0,056 kg 632 kj Reaktioyhtälöistä 1.4 ja 1.5 havaitaan, että anaerobinen hajoaminen tuottaa vain 7 % aerobisen hajoamisen tuottamasta reaktiolämmöstä. Kaatopaikan lämpötilojen kohoaminen mesofiiliselle alueelle vaatii korkeaa jätetäyttöä, suurta metaanin tuottoa ja vähäistä jäähdyttävän veden virtaamaa jätetäytön läpi (Christensen ja Kjeldsen 1989). 1.2.7 ph Metaanibakteerien toiminnalle optimi ph on 6-8. Jos jokin muu tekijä häiritsee metaanibakteerien toimintaa, niiden vedyn ja etikkahapon muuntaminen hidastuu, vedyn paine nousee ja ph laskee. Tämä johtaa propioni- ja butyyrihapon muodostukseen, joka edelleen johtaa ph:n laskuun ja metaanin tuotanto loppuu. Rakennusjäte ja jätemaat tuovat jätetäyttöön puskurikapasiteettia, joka oleellisesti parantaa jätetäytön pysymistä ph:n optimialueella (Christensen ja Kjeldsen 1989). Sulfaatinpelkistäjäbakteereilla on laajempi toiminta-alue ph:n suhteen (ph 5-pH 9). Jos jätetäytössä on sulfaattia, voivat sulfaatinpelkistäjäbakteerit dominoida metaanibakteereita ja tuottaa hajoamistuloksena hiilidioksidia (Christensen ja Kjeldsen 1989). Kuvassa 1.1 on esitetty metaanintuotto ph:n funktiona, kun bakteerikantana on ollut usean metaanibakteerilajin kokoelma.
Kaatopaikkakaasun hallittu käsittely 10 Suhteellinen metaanintuotto 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 4 4,5 5 5,5 6 7 8 8,5 9 9,5 10 ph Kuva 1.1 Metaanintuotto ph:n funktiona, kun on käytetty usean metaanibakteerilajin yhdistelmää (Christensen ja Kjeldsen 1989) 1.2.8 Inhiboivat tekijät Metaania tuottava prosessi on herkkä inhibitiolle. Christensenin ja Kjeldsenin (1989) mukaan metaania tuottavaa prosessia voivat inhiboida - hapen esiintyminen - korkea vedyn osapaine - protoniaktiivisuus - korkea sulfaattipitoisuus - substraattien puute - korkea hiilidioksidipitoisuus - suolaionit - raskasmetallit - orgaaniset yhdisteet. Taulukossa 1.4 on esitetty eräiden tärkeiden kationien vaikutus metaanin tuotantoon.
Kaatopaikkakaasun hallittu käsittely 11 Taulukko 1.4 Eräiden kationien vaikutus metaanin tuotantoon (McCarty ja McKinney 1961 ref. Christensen ja Kjeldsen 1989) Parametri Stimuloiva vaikutus (mg/l) Kohtalainen inhibitio (mg/l) Merkittävä inhibitio (mg/l) Natrium 100-200 3500-5500 8000 Kalium 200-400 2500-4500 12000 Kalsium 100-200 2500-4500 8000 Magnesium 75-150 1000-1500 3000 Kokonaistyppi 50-200 1500-3000 3000 1.2.9 Mikrobikanta Metaania tuottavat bakteerit ovat herkkiä olosuhteiden muutoksille. Tällöin tarvitaan runsaasti uutta bakteerikantaa kuolleiden tilalle. Bakteerikantoja voidaan lisätä sijoittamalla jätetäyttöön jätevedenpuhdistamojen lietettä tai lisäämällä jätteen joukkoon esim. sellulaasientsyymiä. Laboratoriotutkimuksissa on todettu, että sellulaasinentsyymejä käyttämällä (1 litra/jätetonni) ja suotoveden kierrätyksellä metaaninmuodostus alkoi aikaisemman 6-7 vuoden sijasta 2-3 kuukauden kuluessa. Lisäksi havaittiin metaanin kokonaismäärän kasvavan noin 15 % (Korhola et al. 1994). Leuschner (1989) on todennut, että pelkkä suotoveden kierrätys ei lisännyt merkittävästi metaanin muodostumista yhdyskuntajätteen anaerobisessa hajoamisessa. Parhaiten hajoamisprosessi tehostui, kun prosessiin lisättiin mädätettyä jätevedenpuhdistamolietettä, kalsiumkarbonaattia puskurikapasiteetin lisäämiseksi sekä typpeä ja fosforia.
Kaatopaikkakaasun hallittu käsittely 12 1.3 Kaasua tuottavan hajoamisprosessin vaiheet Kaatopaikan hajoamisprosessi voidaan jakaa teoreettisesti viiteen vaiheeseen: Vaihe 1 Lyhyt aerobinen vaihe välittömästi jätteen läjityksen jälkeen. Helposti hajoava orgaaninen aines hajoaa aerobisesti muodostaen hiilidioksidia. Vaihe 2 Ensimmäinen anaerobinen vaihe, happovaihe, kehittyy välittömästi aerobivaiheen jälkeen. Fermentatiivisten ja asetogeenisten bakteerien toiminta johtaa nopeaan haihtuvien rasvahappojen, hiilidioksidin ja vedyn muodostumiseen. Suotovesi on hapanta ja voi sisältää korkeita pitoisuuksia rasvahappoja, kalsiumia, rautaa, raskasmetalleja ja ammoniakkia. Hydrolyysi ja fermentaatio kuluttavat erityisesti proteiinipitoisia yhdisteitä. Muodostuvan kaasun typpipitoisuus laskee hiilidioksidin ja vedyn muodostuksesta johtuen. Sulfaatin korkea lähtöpitoisuus saattaa hitaasti laskea kun redox-potentiaali pienenee. Sulfaatin pelkistyessä muodostunut sulfidi voi saostaa rautaa, mangaania ja raskasmetalleja, jotka ovat tämän vaiheen alussa liuenneina. Vaihe 3 Seuraavassa anaerobisessa välivaiheessa alkaa metaanibakteerien hidas kasvaminen. Muodostuvan kaasun metaanipitoisuus kasvaa, samalla kun vedyn, hiilidioksidin ja haihtuvien rasvahappojen pitoisuudet pienenevät. Sulfaatin pelkistyminen jatkuu. Rasvahappojen väheneminen johtaa ph:n ja alkaliteetin nousuun, joka johtaa kalsiumin, raudan, mangaanin ja raskasmetallien liukoisuuden vähenemiseen. Ammoniakkia vapautuu edelleen, koska se ei muunnu anaerobisissa olosuhteissa.
Kaatopaikkakaasun hallittu käsittely 13 Vaihe 4 Metaanivaiheessa metaanin pitoisuus muodostuvassa kaasussa on melko stabiili, se vaihtelee 50-65 til.-% välillä. Suuri metaanin muodostuminen pitää haihtuvien rasvahappojen ja vedyn pitoisuudet pieninä. Vaihe 5 Metaanin muodostuminen vähenee helposti biologisesti hajoavan orgaanisen jätteen osuuden pienentyessä. Metaanin muodostumisen ollessa vähäistä, kaasuun siirtyy jälleen typpeä ilmakehästä diffuusion kautta. Jätetäytön yläosaan muodostuu aerobisia alueita sekä alueita, joissa redox-potentiaali on liian korkea metaanin muodostumiselle. Tämä idealisoitu hajoamisketju käsittelee homogenisoitua jätemassaa. Oikean kaatopaikan, jossa on laadun ja iän suhteen heterogeenistä jätettä, hajoamisketju saattaa olla hyvinkin erilainen. Hajoamisketjun ensimmäinen vaihe kestää ainoastaan joitakin päiviä, muiden vaiheiden kesto on kuukausia, vuosia ja vuosikymmeniä riippuen edellä esitetyistä abioottisista tekijöistä ja kaatopaikan olosuhteista, kuten jätteen laadusta ja kaatopaikkatekniikasta. Kuvassa 1.2 on esitetty anaerobisen metaania tuottavan prosessin tärkeimmät vaiheet.
Kaatopaikkakaasun hallittu käsittely 14 Kaasun koostumus til -% Vaihe N 2 CO 2 CH 2 O 2 H 2 N 2 O 2 Suotovesien pitoisuudet COD VFA (Haihtuvat rasvahapot) ph Fe, Zn Aika Kuva 1.2 Anaerobisen hajoamisen vaiheet Jätteen anaerobisen hajoamisprosessin tärkeimmät vaiheet ovat happovaihe ja metaanivaihe. Taulukossa 1.5 on esitetty kaatopaikan suotoveden tekijöitä, jotka poikkeavat kaatopaikan happo- ja metaanivaiheissa toisistaan. Taulukossa 1.6 on esitetty vastaavasti suotovesien parametrejä, jotka eivät poikkea toisistaan happo- ja metaanivaiheissa. Tuloksia on kerätty useita vuosia yli 15:sta saksalaisesta kaatopaikasta.
Kaatopaikkakaasun hallittu käsittely 15 Taulukko 1.5 Suotoveden analyysituloksia parametreistä, jotka poikkeavat toisistaan happo- ja metaanivaiheessa (Ehrig 1989) Parametri Keskiarvo Vaihteluväli Happovaihe Ph 6,1 4,5-7,5 BOD 5 (mg/l) 13000 4000-40000 COD (mg/l) 22000 6000-60000 BOD 5 /COD 0,58 SO 4 (mg/l) 500 70-1750 Ca (mg/l) 1200 10-2500 Mg (mg/l) 470 50-1150 Fe (mg/l) 780 20-2100 Mn (mg/l) 25 0,3-65 Zn (mg/l) 5 0,1-120 Sr (mg/l) 7 0,5-15 Metaanivaihe PH 8 7,5-9 BOD 5 (mg/l) 180 20-550 COD (mg/l) 3000 500-4500 BOD 5 /COD 0,06 SO 4 (mg/l) 80 10-420 Ca (mg/l) 60 20-600 Mg (mg/l) 180 40-350 Fe (mg/l) 15 3-280 Mn (mg/l) 0,7 0,03-45 Zn (mg/l) 0,6 0,03-4 Sr (mg/l) 1 0,3-7
Kaatopaikkakaasun hallittu käsittely 16 Taulukko 1.6 Suotoveden analyysituloksia parametreistä, jotka eivät poikkea toisistaan happo- ja metaanivaiheessa (Ehrig 1989) Parametri Keskiarvo Vaihteluväli Cl (mg/l) 2100 100-5000 Na (mg/l) 1350 50-4000 K (mg/l) 1100 10-2500 Alkaliteetti (mg CaCO 3 /l) 6700 300-11500 NH4-N (mg/l) 750 30-300 Org.N (mg/l) 600 10-4250 Kok.N (mg/l) 1250 50-5000 NO 3 -N(mg/l) 3 0,1-50 NO 2 -N(mg/l) 0,5 0-25 Kok.P (mg/l) 6 0,1-30 AOX (µg Cl/l) 2000 320-3500 As (µg/l) 160 5-1600 Cd (µg/l) 6 0,5-140 Co (µg/l) 55 4-950 Ni (µg/l) 200 20-2050 Pb (µg/l) 90 8-1020 Cr (µg/l) 300 30-1600 Cu (µg/l) 80 4-1400 Hg (µg/l) 10 0,2-50 Kylefors ja Lagerkvist (1997) ovat tutkineet happo- ja metaanivaiheen suotovesien poikkeavuutta toisistaan. He havaitsivat, että useammat ominaisuudet ovat riippuvaisia hajoamisen vaiheesta kuin Ehrigin (1989) esittämissä tuloksissa. Kyleforsin ja Lagerkvistin tutkimuksessa happovaiheen suotovedessä oli mm. korkeammat ravinnepitoisuudet (typpi ja fosforiyhdisteet) ja monien alkuaineiden pitoisuudet, kuten natrium ja kalium.
Kaatopaikkakaasun hallittu käsittely 17 2 BIOKAASUN YMPÄRISTÖVAIKUTUKSET Biokaasu on merkittävä ongelma ympäristöön päästessään. Globaalisti kaatopaikkojen metaanipäästöt vaikuttavat merkittävästi kasvihuoneilmiöön. Paikallisesti kaatopaikalla hallitsemattomasti virtaava kaasu aiheuttaa hajuhaittoja, kasvivaurioita sekä palo- ja räjähdysvaaran. 2.1 Kasvihuonevaikutus Tärkeimpiä ihmisen tuottamia kasvihuonekaasuja ovat hiilidioksidi (CO 2 ), metaani (CH 4 ) ja dityppioksidi (N 2 O). Hiilidioksidin määrä on noussut kolminkertaiseksi ja metaanin määrä on kaksinkertaistunut esiteolliseen aikaan verrattuna. Kasvihuoneilmiön seurauksena alailmakehän lämpötila nousee ja yläilmakehän laskee. Kasvihuoneilmiön seurauksia IPCC:n (Intergovernmental Panel on Climate Change) mukaan ovat maapallon lämpötilan nousu, merien pinnan nousu, kuivuuskaudet ja tulvat lisääntyvät erialueilla ja keskimääräiset sademäärät kasvavat kierron nopeutuessa. Kuva 2.1 Kasvihuonekaasut päästävät valon sisään, mutta estävät lämmön poistumisen, kuten lasiseinä kasvihuoneessa
Kaatopaikkakaasun hallittu käsittely 18 Metaanin vaikutus kasvihuonekaasuna on IPPC:n laskentasuosituksen mukaan 21- kertainen hiilidioksidiin verrattuna. Osa metaanin vaikutuksesta muodostuu suoraan sellaisenaan maapallon lämpösäteilyn pidättämisestä. Metaani vaikuttaa myös epäsuorasti reagoidessaan hydroksyyli-ionien kanssa alailmakehässä muodostaen otsonia (myrkky ja kasvihuonekaasu) ja yläilmakehässä muodostaen vesihöyryä (kasvihuonekaasu). Maaliman laajuisesti metaanin päästöistä 70 % on ihmisen aikaan saamia. Taulukossa 2.1 on esitetty ihmisen aikaan saamien metaanipäästöjen jakautumista Suomessa. Taulukko 2.1 Ihmisen aikaan saamien metaanipäästöjen jakautuminen Suomessa Päästön lähde Osuus % Kaatopaikat ja jäteveden puhdistus 54 Karjatalous (märehtiminen ja lanta) 38 Energian tuotanto 7 2.2 Hajuhaitat Kaatopaikoilla muodostuva biokaasun haju on voimakkaan pistävä. Biokaasu sisältää useita hajua aiheuttavia rikki-, kloori- ja fluoriyhdisteitä. Voimakkaasti purkautuva kaatopaikkakaasu saattaa aiheuttaa hajuhaittoja kilometrien etäisyydellä kaatopaikasta. 2.3 Kasvivauriot Hallitsemattomasti purkautuva biokaasu aiheuttaa merkittäviä haittoja kaatopaikan maisemoinnille. Kasvustovauriot aiheutuvat kaatopaikan pinnassa vallitsevista hapettomista olosuhteista. Luontaisesti syvän juuriston kasvattavat puulajit levittävät jätetäytön pinnassa juuristonsa hapekkaaseen pintakerrokseen.
Kaatopaikkakaasun hallittu käsittely 19 2.4 Kaatopaikkapalot Kaatopaikkapalot tuottavat myrkkypilviä aiheuttaen työsuojelullisen ongelman sekä ympäristöhaitan. Kaatopaikoilla palaa usein, keskimäärin 380 paloa vuodessa (Kuopion Yliopisto 1995), joista vaikeasti sammutettavia syväpaloja oli neljännes. Kaatopaikoilla palanut jätemäärä oli keskimäärin 84000 tn. Palo saattaa kestää jopa kuukausia, koska kaatopaikoilla on yleensä vaatimaton palovarustus. Palopesäkkeen tukahduttaminen ei onnistu peittomailla, vaan palopesäke on kaivettava auki. Kaatopaikkapaloista vapautuvat furaanit ja dioksiinit ovat supermyrkkyjä, jotka kertyvät ruoan ja hengitysilman kautta ihmisiin ja muodostavat lisäksi ympäristöhaitan. Kaatopaikoilla hallitsemattomasti purkautuva metaani lisää merkittävästi kaatopaikkapalojen vaaraa ja vaikeuttaa palojen sammuttamista. Rakenteisiin ja rakennuksiin kertyvä kaasu aiheuttaa räjähdysvaaran. 3 BIOKAASUN HALLITTU KÄSITTELY KAATOPAIKOILLA Kaatopaikoilla muodostuvasta biokaasusta voidaan biokaasulaitoksella aktiivisesti kerätä talteen suurin osa ja käyttää se hyödyksi energiantuotannossa tai ajoneuvopolttoaineena. Pienillä kaatopaikoilla, joissa kaasu ei aiheuta turvallisuusriskiä tai haittaa terveydelle, voidaan aktiivisen talteenoton sijaan harkita passiivista kaasun käsittelyä, jolloin kaatopaikan pintakerrokseen luodaan otolliset olosuhteet metaania ja haisevia rikkiyhdisteitä hapettaville mikro-organismeille. Kaasua kerätään talteen jo yli 1000 kaatopaikalla noin 20 maassa. Suomessa on toiminnassa 10 laitosta ja yhdestoista on rakenteilla Lohjalle. Kaasu hyödynnetään tai poltetaan soihtupolttimissa. Laitosten tuottamat polttoainetehot ovat 1-4 MW, sähkötehot 50-900 kw ja lämpötehot 1-3 MW.
Kaatopaikkakaasun hallittu käsittely 20 Kaasun hallinnassa on keskeistä vähentää metaanin ja haisevien yhdisteiden purkautumista ympäristöön niin, ettei kaasusta aiheudu haittaa tai vaaraa ympäristölle ja terveydelle. Tämä tarkoittaa aktiivista tai passiivista kaasun käsittelyä. Aktiivinen kaasun käsittely sisältää imujärjestelmän, putkistot, biokaasupumppaamon, hyötykäytön tai soihtupolton. Passiivisella kaasun käsittelyllä tarkoitetaan mikroorganismien toimintaan perustuvaa biologista kaasun hapettumista kaatopaikan pintakerroksessa tai erillisissä biosuotimissa. Passiivisen järjestelmän toimivuuteen vaikuttaa oleellisesti lämpötila, jonka tulisi olla yli 10 C. Käsittelytavan valintaan vaikuttaa muodostuvan metaanin määrä: jos kaatopaikka tuottaa metaania runsaasti, esimerkiksi 50 m3/h,ha, on kaasu pumpattava talteen, hyödynnettävä tai poltettava soihtupolttimessa. Jos taas metaanin määrä on alle 10 m3/ha,h ja kokonaismäärä pieni passiivisella kaasun käsittelyllä on mahdollista saavuttaa riittävä päästöjen väheneminen vuositasolla. Hyvin toteutetun kaasun käsittelyn tunnusmerkkejä ovat muun muassa: Kaasusta ei aiheudu palo- ja räjähdysvaaraa Kaatopaikka ei haise Kasvit menestyvät hyvin Kaasu hyödynnetään tai poltetaan hallitusti 1000-1200 C lämpötilassa Metaanipäästö ympäristöön on alle 100 ppm 3.1 Biokaasun passiivinen käsittely Passiivinen kaasun käsittely tapahtuu rakentamalla kaatopaikan pintaan kerros tai biosuotimet, jossa mikro-organismit hapettavat metaania ja haisevia kaasuyhdisteitä. Menetelmä soveltuu käytettäväksi lähinnä pienillä kaatopaikoilla, joissa kaasua muodostuu vähän ja sen aiheuttamat haitat ovat vähäiset. Metaanin mikrobiologiselle hapettumiselle oleelliset tekijät ovat happi, kosteus ja lämpötila. Suomen oloissa menetelmän toimivuutta rajoittaa matala lämpötila
Kaatopaikkakaasun hallittu käsittely 21 kylminä vuodenaikoina. Tämän vuoksi biosuodin tulisi rakentaa siten, että riittävä lämpötila voidaan ylläpitää myös kylminä vuodenaikoina. Iinatin katopaikalla kaasun passiivinen biologinen käsittelymenetelmä on sovellettavissa kahdella tavalla: rakentamalla koko kaatopaikan pintaan noin 0,5 m biosuodinkerros kompostista (biojäte ja kuori tai jätevesiliete ja kuori) tai rakentamalla tiiviin pintakerroksen alle kaasukaivot ja kaivojen yhteyteen biosuotimet (vrt. kompostiaumat). Lämpiminä vuodenaikoina pinta-kerrokseen rakennettu biosuodinkerros kykenee teoriassa kohtuullisella tehokkuudella hapettamaan kaasun. Kylminä vuodenaikoina parempaan tulokseen voidaan päästä kaasukaivojen tai kaasun purkautumiskohtien yhteyteen rakennetuilla biosuotimilla, joissa lämpötila on kompostoitumisen kautta korkeampi. 3.2 Biokaasun aktiivinen käsittely Kaasu voidaan pumpata jätepenkereestä imukaivojen tai salaojien avulla. Imukaivot soveltuvat vanhoille, korkeille kaatopaikoille ja salaojat uusille sekä matalille kaatopaikoille. Kaasu johdetaan salaojista viettoviemärin tapaan rakennetulla putkistolla biokaasupumppaamolle, joka ylläpitää imujärjestelmässä tarvittavan alipaineen ja korottaa kaasun paineen soihtupolton tai kaasun hyödyntämisen edellyttämälle tasolle. Biokaasupumppaamo on miehittämätön laitos, jonka toimintaa ohjaa ohjelmoitavat logiikat. Automaatio ja instrumentointi soihtupolttovaihtoehdossa sisältää ainoastaan turvallisuuden kannalta välttämättömät toiminnot. Kaasu poltetaan hallitusti soihtupolttimessa 1200 C lämpötilassa tai hyödynnetään energiantuotannossa.
Kaatopaikkakaasun hallittu käsittely 22 4 BIOKAASUN ENERGIASISÄLTÖ JA SEN HYÖDYNTÄMINEN 4.1 Biokaasun energiasisältö Yhdyskuntajätetonnin hajoamisessa muodostuu biokaasua 100-200 m 3. Kaasun tyypilliset pitoisuudet on esitetty taulukossa 4.1. Taulukko 4.1 Kaatopaikkakaasun tyypilliset pitoisuudet Komponentti Osuus til.-% Metaani 55-65 Hiilidioksidi 35-45 Happi 0-2 Biokaasun energiasisältö muodostuu metaanista, jonka lämpöarvo on 33,810 kj/m 3. Yksi kuutiometri biokaasua sisältää energiaa 4-5 kwh, eli kaksi kuutiota vastaa noin litraa öljyä. Kaasua tuottava anaerobinen hajoaminen alkaa 2-4 vuoden kuluttua jätteen läjittämisestä ja jatkuu useita vuosikymmeniä. Taulukossa 4.2 on esitetty yksinkertaistettu esimerkkilaskelma kaasun tuotannosta (US EPA ensimmäisen kertaluvun malli). Taulukko 4.2 Esimerkkilaskelma kaasun tuotannosta ensimmäisen kertaluvun mallilla Parametri Määrä Kaatopaikan kapasiteetti 1 milj. tn yhdyskuntajätettä Täyttöä jatkunut 5 vuotta Vuosittainen jätemäärä 0,1 milj. tn. Kokonaistäyttöaika 10 vuotta Kaasun tuotto viidentenä vuonna 3.8 milj. m 3 Kokonaiskaasuntuotto kahdenkymmenen vuoden 122 milj. m3 aikana aloittamisesta Kaasun polttoaineteho viidentenä vuonna 2 MW
Kaatopaikkakaasun hallittu käsittely 23 Kuvassa 4.1 on esitetty erään suomalaisen kaatopaikan biokaasupotentiaali polttoainetehona. Kaatopaikka on ollut käytössä vuodesta 1965 ja läjitettävä jätemäärä 1999 on 20 000 tn vuodessa. Läjitys lopetetaan vuonna 2010, jolloin kokonaisjätemäärä on noin 1,4 milj.tn. BIOKAASUPOTENTIAALI 2000 1500 kw 1000 500 0 1995 2000 2005 2010 2015 Vuosi Kuva 4.1 Biokaasupotentiaaliesimerkki polttoainetehona 4.2 Biokaasun kerääminen ja hyödyntäminen Suomessa kerätään biokaasua jo liki kahdellakymmenellä pumppaamolla. Taulukossa 4.3 on esitetty kaasulaitokset ja niiden toimintaparametrejä.