Savonia-artikkeli Pro: Lapinlahden ja sen lähialueiden sivuvirtojen biokaasun tuottopotentiaalia sekä mädätteen soveltuvuus lannoitevalmiste- ja kuivikekäyttöön
Savonia-artikkeli Pro on kokoelma monialaisen Savonian asiantuntemusta eri aiheista.
This work is licensed under CC BY-SA 4.0
Lapinlahden kunnan päätoteuttaman ja Savonian Bio- ja kiertotalouden tutkimusalan osatoteuttaman Lapinlahden ja lähialueiden hajautetun biokaasutuotannon ja tankkausaseman selvityshankkeessa on päästy loppusuoralle. Savonian toteutuksessa tämä tarkoittaa sitä, että laboratoriodemonstraatioiden tulosten tulkinta on saatu tehtyä.
Bio- ja kiertotalouden tutkimusalan toimesta hankkeessa on selvitty biokaasulaitoksen mädätysjäännöksen hyödyntämistä, jalostamista ja jatkokäyttöä. Selvitystyötä hankkeessa on tehty kirjallisuusselvityksen lisäksi alkukeväällä toteutettujen biokaasuntuottokokeiden ja biokaasupanoskokeen mädätteelle tehtyjen laboratoriotutkimusten avulla.
Laboratoriodemonstraatioiden toteutuksesta kertovaan artikkeliin pääset tutustumaan oheisen linkin kautta:
Biokaasupanoskokeen tulokset
Biokaasupanoskokeen tavoitteena oli tutkia eri syöteseosten metaanintuottopotentiaalia. Tulokset on ilmoitettu yksikössä Nm3 (normaalikuutiometri) / tVS (tonnia orgaanista kuiva-ainetta) kohden (oranssit palkit), Nm3 / tTS (tonnia kuiva-ainetta) kohden (siniset palkit) ja Nm3 / tFM (tonnia tuorepainoa = Fresh Mass) kohden (vihreät palkit). Syöteseoksen 1 kohdalla tuottopotentiaalit olivat 230 Nm3 CH4/tVS, 195 Nm3 CH4/tTS ja 23 Nm3 CH4/tFM. Syöteseoksen 2 kohdalla biometaanin tuottopotentiaalit olivat 213 Nm3 CH4/tVS, 131 Nm3 CH4/tTS ja 0,8 Nm3 CH4/tFM ja syöteseoksen 3 biometaanin tuottopotentiaalit olivat 200 Nm3 CH4/tVS, 153 Nm3 CH4/tTS ja 26 Nm3 CH4/tFM. Tyypillisesti biometaanin tuottopotentiaali ilmaistaan orgaanista kuiva-ainetta kohden, jolloin suurin tuotto oli syöteseoksella 1 ja pienin syöteseoksella 3.
Biokaasupanoskokeen metaanintuottopotentiaalien perusteella voidaan laskea jokaisen syöteseoksen teoreettiset energiantuottopotentiaalit, jotka ovat esitettynä alla olevassa taulukossa 1. Laskennassa yhden metaanikuution energiapotentiaalina on käytetty 9,7 kWh (Stormossen, julkaisuaika tuntematon).
Biokaasun tuotannon käsittelyjäännöksen eli mädätteen teoreettinen määrä voitiin laskea hankkeen biokaasupanoskokeessa määritetyn massan reduktion perusteella, näissä laskennoissa mukana oli siis myös kokeessa käytetyn ympin osuus. Biokaasuprosessin mädätteelle tulisikin käytännössä löytää hyötykäyttökohde kaasun tuotannon jälkeen. Laskennalliset mädätteen määrät syöteseos kohtaisesti ovat esitettynä alla olevassa taulukossa 2.
Biokaasupanoskokeen mädätteen analyysitulokset
Biokaasupanoskokeiden lisäksi hankkeessa oli tarkoituksena selvittää biokaasupanoskokeen mädätteen ominaisuuksia, soveltuvuutta ja jatkokäyttömahdollisuuksia kiertolannoitevalmisteeksi sekä kuivikkeeksi, alla olevassa taulukossa 3 on esitettynä syöteseosten sekä kokeessa käytetyn ympin alkuperäisen mädätteen ja eri jakeiden lannoitevalmisteasetuksen mukaisten pääravinteiden pitoisuudet.
Alla olevassa taulukossa 4 on taas esitettynä syöteseosten sekä kokeessa käytetyn ympin alkuperäisen mädätteen ja eri jakeiden lannoitevalmisteasetuksen mukaisten haitta-aineiden pitoisuudet.
Kuivikekäyttöä ajatellen, alla olevassa taulukossa 5 on esitettynä syöteseoksen 1 ilmakuivatun kuivajakeen fysikaaliskemialliset ominaisuudet pH:n, tilavuuspainon, nesteenpidätyskyvyn, kuiva-aineen ja orgaanisen kuiva-aineen sekä orgaanisen aineksen osalta.
Biokaasupanoskokeen ja mädätteen analyysitulosten tulkinta sekä johtopäätökset
Hankkeen kokeellisessa toteutuksessa tutkittiin Lapinlahden kunnan alueella syntyvien biopohjaisten sivuvirtojen biokaasupotentiaalia biokaasupanoskokein sekä prosessista syntyvän käsittelyjäännöksen soveltuvuutta muun muassa lannoitevalmiste- sekä kuivikekäyttöön. Alla olevissa kappaleissa on avattuna laboratoriotestausten tulokset sekä niiden johtopäätökset.
Biokaasupanoskokeet
Biokaasupanoskokeen tavoitteena oli kartoittaa Lapinlahden kunnan ja sen lähialueiden tutkittavien syöteseosten metaanintuottopotentiaali. Biokaasupanoskokeiden syötteiksi valikoitu Sweco Oy:n laatiman syötekartoituksen mukaiset Lapinlahden ja sen lähialueiden sivuvirrat. Sivuvirroista muodostettiin 3 tutkittavaa syöteseosta, joista syöteseos 1 sisälsi lypsy- ja lihakarjan liete- ja kuivalantaa, nurmea, sikaloiden lietelantaa sekä elintarviketeollisuuden jätteitä, syöteseos 2 sisälsi elintarviketeollisuuden jäteveden, lypsy- ja lihakarjojen liete- ja kuivalantaa, nurmea, sikaloiden lietelantaa sekä elintarviketeollisuuden jätteitä, kun taas syöteseos 3 sisälsi jätevedenpuhdistamoiden linkokuivattuja lietteitä.
Tyypillisesti biometaanin tuottopotentiaali ilmaistaan orgaanista kuiva-ainetta kohden, syöteseoksen 1 kohdalla tuottopotentiaali oli 230 Nm3 CH4/tVS, syöteseoksen 2 tuottopotentiaali oli 213 Nm3 CH4/tVS, ja syöteseoksen 3 tuottopotentiaali oli 200 Nm3 CH4/tVS. Näin ollen suurin tuotto oli syöteseoksella 1 ja pienin syöteseoksella 3. LUKE:n tekemässä selvityksessä naudan lietelannan biometaanin tuottopotentiaalina on käytetty 210 m3 CH4/tVS ja naudan kuivalannan tuottopotentiaalina 200 m3 CH4/tVS, kun taas nurmen tuottopotentiaalina 300 m3 CH4/tVS (Lokka ym. 2021). Hankkeessa tehdyn biokaasupanoskokeen tulokset olivat hyvin linjassa näiden tuottopotentiaalien kanssa, sillä syöteseos 1 koostui pääasiassa edellä mainituista syötteistä, syöteseoksessa 2 mukana ollut elintarviketeollisuuden jätevesiliete taas laski hieman syöteseoksen tuottopotentiaalia. Syöteseoksen 3 tuottopotentiaalia voidaan taas verrata aiemmin Ylä-Savon kuivatuille jätevesilietteille toteutettujen biokaasupanoskokeiden tuloksiin, jossa kahden eri jätevedenpuhdistamon jätevesilietteen biometaanin tuottopotentiaaliksi saatiin 207 m3 CH4/tVS ja 180 m3 CH4/tVS (Rantala, Jääskeläinen, Janhunen 2012). Hankkeessa syöteseokselle 3 saatu biometaanin tuottopotentiaali oli linjassa näiden tulosten kanssa.
Biokaasupanoskokeen tulosten tulkinnassa tulee kuitenkin huomioida se, että biokaasupanoskokeeseen valikoidut syöteseokset etenkin syöteseosten 1 ja 2 kohdalla ovat vain pieni otanta koko Lapinlahden kunnan ja sen lähialueiden potentiaalisista biokaasulaitoksen syötteistä. Liete- ja kuivalantaa noudettiin vain yksittäisiltä tiloilta ja esimerkiksi näiden koostumus voi vaihdella tilakohtaisesti. Myös elintarviketeollisuudessa syntyvän jäteveden määrässä ja koostumuksessa voi olla kausikohtaista vaihtelua.
Lannoitevalmiste- ja kuivikekäyttö
Biokaasupanoskokeen mädätteen soveltuvuutta lannoitevalmiste- ja kuivikekäyttöön tarkasteltiin laboratorioanalyysein, sisältäen ravinne- ja haitta-ainepitoisuuden, pH:n nesteenpidätyskyvyn, kuiva-aineen ja orgaanisen aineksen määritykset. Määritykset suoritettiin alkuperäisille syöteseosten mädätysjäännöksille sekä mädätteiden separoiduille neste- ja kuivajakeille. Käsittelyjäännöksen soveltuvuutta kuivikkeeksi ja siihen liittyviä määrityksiä suoritettiin vain syöteseoksen 1 ilmakuivatulle kuivajakeelle sen soveltuessa viranomaisten ohjeistusten mukaan teoriassa parhaiten kuivikekäyttöön.
Alkuainetulosten pohjalta hankkeessa tehdyssä tutkimuksessa vain syöteseosten 1 ja 2 kuivajakeet soveltuisivat lannoitevalmistekäyttöön tuoteluokassa 1A. Orgaaninen lannoite. Haitta-ainepitoisuuksien tuloksia tulkittaessa huomattiin, että enimmäispitoisuudet ylittyivät kaikkien syöteseosten alkuperäisissä mädätenäytteissä sekä kuiva- ja nestejakeissa sinkin (Zn) osalta siten, että syöteseosten mädäte ei soveltuisi maanparannusaine- ja kasvualustakäytön. Tässä tapauksessa merkittävin sinkin lähde alkuainetulosten perusteella oli kokeessa käytetty ymppi.
Myös alkuaine tuloksien tulkinnassa, tulee ottaa huomioon, että tulokset kuvaavat vain kyseisessä kokeessa käytettyjen syöteseosten pitoisuuksia ja kokeissa herätepanoksena käytetyllä ympillä on vaikutusta myös tuloksiin. Kokeen ymppi kuitenkin koostui pääasiassa kertaalleen mädätetyistä naudan lietelannasta ja peltobiomassoista, eli hyvin tyypillisistä biokaasulaitoksen syötteistä, jotka olivat mukana myös hankkeen laboratoriotestauksessa. Tämän lisäksi syötteiden sekä ympin ravinne- ja haitta-ainepitoisuudet voivat vaihdella, myöskään pienet näytemäärät eivät tarjoa täysin kattavaa kuvaa suuremman mittakaavan laitoksen toiminnasta. Enimmäispitoisuuksien ylitystä on kuitenkin mahdollista käytännössä estää mm. syötteiden tarkalla valinnalla, esimerkiksi alkuaineanalyysien avulla ennen mädätystä.
Mikäli syötteiden alkuperäisen mädätteen ja kuiva- sekä nestejakeiden lannoitevalmiste käyttömahdollisuuksia tarkasteltaisiin siten, että sinkin enimmäispitoisuuden ylitystä ei huomioitaisi tuoteluokassa 3A. Orgaaninen maanparannusaine, sopisi syöteseosten 1, 2 ja 3 alkuperäinen mädäte sekä kuiva- ja nestejae maanparannusaine käyttöön. Siten todennäköisimmät käyttökohteet kaikkien syöteseosten alkuperäiselle mädätteelle ja kuiva- sekä nestejakeille olisivat orgaaninen maanparannusaine ja orgaaninen lannoite.
Kuivikekäyttöä ajatellen syöteseoksen 1 mädätteen ilmakuivatun kuivajakeen pH 9,97, oli hyvin emäksinen, mikä ei ole kuivikekäytön kannalta suotavaa. Kuivikkeella pH:n tulisi olla mahdollisimman hapan, yleisimpien kuivikemateriaalien pH arvot ovatkin esimerkiksi kutterilla 4,9, ja turpeella 3,7 (Riihi 2022). Hapan pH ehkäisee mm. mikrobien kasvua. Kuivajakeelle määritetyn tilavuuspainon 50,3 kg/m3, perusteella voitiin todeta, että materiaali oli varsin kevyttä verrattuna yleisimpiin kuivikemateriaaleihin. Esimerkiksi kutterin tilavuuspaino on n. 100 kg/m3 ja turpeen 150 kg/m3 (Riihi 2022). Nesteenpidätyskyvyn tuloksesta 4,6 kg vettä / kg koemateriaalia, voitiin päätellä, että syöteseoksen 1 mädätteen separoitu kuivajae oli hyvin imukykyistä, mikä on tärkeä ominaisuus kuivikekäyttöä ajatellen. Esimerkiksi LUKE:n Turveke-hankkeen laboratoriotutkimusten mukaan nesteenpidätyskyky oli turpeella 3,6 kg vettä / kg koemateriaalia (Manni 2022, 20). Kuivajakeen kuiva-ainepitoisuus 52,67 % oli taas samaa luokkaa turpeen 50 %:n kuiva-ainepitoisuuden kanssa, joka on yksi yleisimmistä kuivikemateriaaleista (Riihi 2022). Kuitenkaan kokeessa tutkitun syöteseoksen 1 kuivajaetta ei saisi käyttää käytännössä kuivikekäytössä viranomaisten ohjeistuksen mukaan. Sillä kuivikekäyttö edellyttää sen, että kaikkien syötteiden tulisi olla samalta tilalta peräisin ja mädätettä tulisi käyttää vain omalla tilalla kuivikkeena.
Hankkeen toimenpiteinä laadittu kirjallisuusselvitys mädätteen hyödyntämisestä, sisältäen laboratoriodemonstraatioiden yksityiskohtaisen kuvauksen sekä laajemmat tulokset tullaan julkaisemaan sähköisesti Savonia-ammattikorkeakoulun julkaisusarjassa hankkeen päätyttyä.
Lapinlahden ja lähialueiden hajautetun biokaasutuotannon ja tankkausaseman selvityshanke on EU:n osarahoittama hanke, jota on rahoitettu Oikeudenmukaisen siirtymän rahastosta (JTF) ja rahoittavana viranomaisena toimii Pohjois-Savon liitto.
Kirjoittajat
Eevi Minkkinen, TKI-asiantuntija, Savonia-ammattikorkeakoulu
Elisa Saari, testausinsinööri, Savonia-ammattikorkeakoulu
Lähteet
Lokka, J., Haapalainen, P., Rasi, S., Kotilainen, T., Seppänen, A.-M., Tampio, E., Pulkkinen, J., Tapio, M., Tuuri, M., Lehtinen, V., Ervasti, S., Timonen, K., Rasa, K., Välisuo, P. & Uotila, L. 2021. Teollinen ekosysteemi energian- ja ruoantuotantoon. https://jukuri.luke.fi/server/api/core/bitstreams/c9a572c3-2693-4e2b-bc26-06cc30ae549c/content.
Manni, K. (toim.). 2022. Turvetta korvaavat uusiutuvat kuivikemateriaalit. Luonnonvara- ja biotalouden tutkimus 9/2022. Luonnonvarakeskus. https://jukuri.luke.fi/server/api/core/bitstreams/87eafd89-f8d3-4aed-8901-98f5c08738eb/content.
Rantala, T., Jääskeläinen, A. & Janhunen M. 2012. Selvitys Lapinlahden jätevesilietteen ja mahdollisten muiden orgaanisten jakeiden yhteisbiokaasulaitoksesta ja käsittelyjäännöksen hyötykäyttömahdollisuuksista Ylä-Savon alueella.
Riihi. 2022. Kuivikevaihtoehtojen laboratoriotestaus. Blogipostaus 5.12.2022. Seinäjoen ammattikorkeakoulu. https://www.eepeeriihi.fi/blog/kuivikevaihtoehtojen-laboratoriotestaus/.
Stormossen. Julkaisuaika tuntematon. Info about biogas. https://www.stormossen.fi/en/info-about-biogas/.