Properties of slow-release phosphorus fertilizers with special references to their use on drained peatland forests : A review

Tiivistelmä: Hidasliukoisten fosforilannoitteiden ominaisuudet ja käyttökelpoisuus suometsien lannoituksessa. Kirjallisuuteen perustuva tarkastelu

Effects of sodium sulphate and potassium chloride fertilizers on the nutritive value of timothy grown on different soils

Selostus: Natrium- ja kaliumlannoituksen vaikutus timotein ravintoarvoon

Epäpuhtauksien vaikutus monokaliumfosfaattikiteen kasvuun

Työssä on tutkittu epäpuhtauksien vaikutusta kastelulannoitesuolojen monokaliumfosfaatin, kaliumnitraatin ja ureafosfaatin kiteytyksessä. Kirjallisuusosassa on käsitelty kastelulannoiteprosessit ja epäpuhtauksien vaikutus kastelulannoitteiden valmistuksessa. Kiteytys ja kiteenkasvu on esitetty perusyhtälöin, joissa on otettu epäpuhtauksien vaikutus huomioon. Tarkemmin on perehdytty monokaliumfosfaatin kiteytykseen ja kolmenarvoisten kationeiden, Al3+, Fe3+ ja Cr3+, vaikutukseen kiteiden kasvuun. Kolmenarvoiset metalli-ionit adsorboituvat kiteen pintaan haitaten kiteenkasvua, mikä vaikuttaa erityisesti kiteen prismapinnan kasvuun. Lisäksi on esitelty muita kiteenkasvuun vaikuttavia olosuhteita. Lopuksi on käsitelty kompleksinmuodostajia metalli-ionien haitallisten vaikutusten ehkäisijöinä. Kokeellisessa osassa suoritettiin liukoisuuskokeita monokaliumfosfaatin liukoisuuden selvittämiseksi eri pH-olosuhteissa. Suoritetuissa yksikidekokeissa tutkittiin pH:n ja kolmenarvoisten kationeiden; Al3+, Fe3+ ja Cr3+, vaikutus monokaliumfosfaattikiteen pituus- ja leveyskasvuun ja kidemuotoon eri ylikylläisyyksillä. Lisäksi tutkittiin voidaanko lämpötilaa ja pH muuttamalla tai pyrofosfaattia lisäämällä poistaa raudan kasvua inhiboima vaikutus. Kiteytyslämpötilaa nostamalla voidaan poistaa raudan haitallinen vaikutus kiteen kasvuun.

Raakafosfaatin liuotus ja ammonointi

Apatiittien käyttöä raaka-aineena lannoitteiden valmistusprosessissa on usein hankaloittanut lannoitelietteen viskositeetin kasvu, kun hapanta lannoitelietettä on neutraloitu ammoniakilla. Työn tarkoituksena oli tutkia lannoitelietteen viskositeettiin vaikuttavia tekijöitä ja tekijöiden vaikutusta lannoitteen ominaisuuksiin. Työn kirjallisen osan alkupuoliskolla käsiteltiin raakafosfaatteja ja fosfaattilannoitteita. Tämän jälkeen keskityttiin lannoitteiden valmistukseen sekä viskositeetin merkitykseen lannoiteprosesseissa. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin raakafosfaatin, liuotushapon, liuotushappomäärän, ammonointiajan sekä apatiitti/fosforihappo-suhteen vaikutusta lannoitteen ominaisuuksiin. Kokeet aloitettiin raakafosfaatin liuotuksella happoon. Tämän jälkeen liete neutraloitiin ammoniakilla ja suoritettiin muiden ravinteiden lisäys. Lannoitelietteen viskositeettiin voimakkaimmin vaikuttavat tekijät olivat kokeissa käytetty liuotushappo, ammonointiaika sekä raakafosfaatti. Raakafosfaatilla, liuotushapolla sekä apatiitti/fosforihappo-suhteella havaittiin olevan suurin merkitys lannoitteen fosforin vesiliukoisuudelle.

Pienen mittakaavan CHP-laitokset osana hiilineutraalia maaseutuyhteiskuntaa

Maapallon ilmasto lämpenee koko ajan kasvihuonekaasujen määrän lisääntyessä ilmakehässä. Merkittävin ihmisten aiheuttama päästöjen lähde on fossiilisten polttoaineiden käyttö energiantuotannossa ja liikenteessä, jonka vuoksi on tärkeää lisätä uusiutuvien energialähteiden käyttöä. Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää esimerkkialueena olevan maaseutuyhteiskunnan mahdollisuutta olla energiaomavarainen ja materiaalikierroiltaan suljettu, jos alueen tarvitsema sähkö ja lämpö tuotettaisiin paikallisilla biomassavaroilla kahdella rinnakkaisella pienen mittakaavan CHP-laitoksella. Tarkastellut laitokset olivat anaerobisen mädätyksen ja polttokennojen yhdistelmä sekä termisen käsittelyn ja ORC-prosessin yhdistelmä. Työssä tehdyt laskelmat osoittivat, että esimerkkialue saisi tuotettua omilla biomassavaroillaan tarvitsemastaan sähköstä 75 % ja lämmöstä 90 % esimerkkilaitosten avulla. Laskelmissa ei kuitenkaan huomioitu kesä- ja talvikuukausien välistä eroa lämmön kulutuksessa, jonka vuoksi molemmat laitokset eivät voisi toimia koko ajan täydellä teholla. Lisäksi tuotetun lämmön hyötykäyttöä rajoittaa riittävän laajan kaukolämpöverkon puuttuminen esimerkkialueelta. Nykyisen kaukolämpöverkon avulla saataisiin hyödynnettyä vain kolmasosa ORC-prosessilla tuotetusta lämpöenergiasta. Laskelmat osoittivat myös, että alueen kasvihuonekaasupäästöt pienenisivät 21 % eli noin 6 000 hiilidioksidiekvivalenttitonnia vuodessa, jos suurin osa energiasta tuotettaisiin omista biomassavaroista CHP-laitosten avulla ja mädätyksen seurauksena syntyvä reaktorijäännös korvaisi kemiallisten lannoitteiden käytön.

Yhdyskuntalietteiden terminen käsittely ja prosessissa syntyvän tuhkan jalostaminen fosforilannoitteeksi Lappeenrannan alueella

Tässä diplomityössä on selvitetty yhdyskuntalietteiden ominaisuuksia sekä käsittelymenetelmiä keskittyen termiseen käsittelyyn, jolla tässä työssä tarkoitetaan lietteen termistä kuivausta ja polttoa. Työssä on myös selvitetty lietteen poltossa syntyvän tuhkan ominaisuuksia ja niiden sopivuutta lannoitteen raaka-aineena. Fosforimalmin varannot ovat rajalliset ja olettavaa on, että helposti hyödynnettävissä oleva fosforimalmi loppuu noin sadan vuoden kuluessa, mikäli fosforin kulutus pysyy nykyisellä tasolla. Kun lietettä poltetaan, jää lietteessä oleva fosfori tuhkaan. Lietteenpoltossa syntyvät tuhkat sisältävät fosforin lisäksi erilaisia haitta-aineita, joten tuhkan sisältämää fosforia ei kyetä hyödyntämään ilman käsittelyä. Työn case-osassa on selvitetty Lappeenrannan alueella syntyvä yhdyskuntalietemäärä sekä sen hyötykäyttömahdollisuudet alueellisessa lietteen polttolaitoksessa. Lappeenrannan tapauksessa syntyvä lietetuhkan määrä on arvioitu ja määritetty paljonko tuhkasta olisi tulevaisuudessa mahdollisuus jalostaa fosforilannoitetta. Tutkimuksen lopputuloksena voidaan todeta, että lietteen poltto ja polton tuhkan käyttö lannoitteena ei vielä kokonaisprosessina ole toteutettavissa oleva vaihtoehto, mutta teknologisen kehityksen jatkuessa se voisi olla potentiaalinen vaihtoehto yhdyskuntalietteen ja lietetuhkan käsittelyn kokonaisratkaisuksi.

Supersaturation-controlled crystallization

Identification of product requirements and quality, together with the management of production are key issues in chemical engineering. Quality control of crystalline products is part of the quality of many industrially manufactured products like paper, paintings, medicines and fertilizers. In most crystallization cases, quality is described with the size, polymorph, shape and purity of the crystal. The chemical composition, hydrodynamics and driving force, together with the operating temperature are in a key position when the properties of a crystalline product are controlled with the crystallization process. This study concentrates on managing the identified properties of a crystalline product with the control of a driving force. The controlling of the driving force can be based on the change of solubility or the change of concentration. Solubility can be changed with temperature, pressure and an antisolvent. The concentration of crystallizing compound, the solute can be changed with the evaporation of the solvent and with the addition of a reagent. The present study focuses on reagent addition and temperature change as methods of changing the level of the driving force. Three control structures for direct control of supersaturation are built, one for cooling crystallization and two for reactive crystallization. Closed loop feedback control structures are based on the measurement of the solute concentration with attenuated total reflection - Fourier transform infrared spectrometer. The details of the reagent feed are analyzed with experimental studies and with results of computational fluid dynamic simulations of the inert particle pulse in the premixer and inert particle injection to the mixing tank. Nucleation in conditions of controlled reactive crystallization is analyzed with Nielsen’s equation of homogeneous nucleation. The resulting control systems, based on regulation of supersaturation, can be used to produce the desired polymorph of an organic product. The polymorph composition of product crystals is controlled repeatably with the decision of a set value of supersaturation level.

Mädätysjäännöksen tuotteistamismahdollisuudet Kymenlaaksossa

Biokaasun tuotantoa ollaan selvästi lisäämässä Suomessa. Biokaasutuksen kokonaishyödyn kannalta on olennaista, että mädätyksen lopputuote eli mädätysjäännös saadaan lannoitekäyttöön. Tämän työn tavoitteena oli selvittää Kymenlaakson Jäte Oy:n mahdollisuuksia tuotteis-taa Kymen Bioenergia Oy:n yhteismädätyslaitoksen mädätysjäännöstä. Työssä keskityttiin hyötykäyttövaihtoehdoista lannoitekäyttöön maanviljelyssä sekä tilanteeseen jossa mädätyslaitos käsittelee sekä puhdistamolietettä että biojätettä ja mädätysjäännös kuivataan mekaanisesti. Mekaanisesti kuivatun mädätysjäännöksen ensisijaiset tuotteistamisvaihtoehdot maanviljelyyn ovat joko jäännös sellaisenaan tai termisesti kuivattuna ja rakeistettuna, eli kuivarakeena. Mäkikylän laitoksen mädätysjäännöksen arvo peltolannoitteena on syyskuun 2010 keinolannoit-teiden hintaan vertaamalla sellaisenaan noin 1–20 €/t ja kuivarakeena noin 2–60 €/t. Arvo riippuu siitä, miten tuotteiden typpeä ja fosforia huomioidaan kasveille käyttökelpoiseksi. Täl-lä hetkellä käyttökelpoisin tapa on ympäristötuen puhdistamolietetuotteita koskevien ehtojen mukaisesti ottaa huomioon vesiliukoinen typpi ja 40 % kokonaisfosforista. Tällöin mädätys-jäännöksen arvo on noin 6 €/t ja kuivarakeen n. 18 €/t. Käytön kannalta kuivarae on helpompi vaihtoehto ja alueen viljelijät ovat heille tehdyn kyselyn mukaan varsin kiinnostuneita kuivarakeesta lannoitteena. Muista tuotteistusvaihtoehdoista termisesti kuivaamalla mädätysjäännöksen tehollinen lämpö-arvo saapumistilassa on noin 10 MJ/kg. Vastaava arvo jyrsinturpeen kesäkuun 2010 hinnan mukaan on noin 30 €/t. Tuotteen soveltuvuus polttoon tulee silti varmistaa. Termisesti kuiva-tulla mädätysjäännöksellä on tuotteistamismahdollisuuksia hieman laajemmin kuin kompostoidulla. Kompostoidun mädätysjäännöksen tuotteistamisen lähtökohta on lähinnä viherrakentaminen. Maanviljelykäyttöä ajatellen mädätysjäännöstä ei välttämättä tarvitse kompostoida.

Lannoitetehtaan prosessivesien käsittelyvaihtoehtojen soveltuvuuden arviointi

Phosphorus and nitrogen cause eutrophication of water bodies, causing severe damage to the ecosystem. Eutrophication of the waters causes oxygen depletion, which in turn increases fish mortality, releasing toxins in waters. The released toxins can cause damage to animals and humans, which is the reason in many countries to set emission limits for waste water. Nutrients exist naturally, but due to human activities there is high nutrient leaching to water bodies. Human activity is one of the main reasons to the eutrophication. The aim of this thesis was to estimate the suitability of different water treatment options for Yara Finland’s fertilizer plant’s process waters in Siilinjärvi. The fertilizer plant process waters are high concentrate and especially nitrogen concentrations are high, which bring challenge to the treatment. At the theoretical part was investigated conventional and as well advanced wastewater treatment methods like reverse osmosis, adsorption and ion exchange. Beside different treatment methods corporate environmental requirements, responsibility and strategies were researched. At the empirical part of the thesis the goal was to find out possibil-ities to intensify the efficiency of purification at lamella clarifier with chemical precipitation. In addition possibility to use already existing chemical purifying plant for process waters was estimated. As a result of the research Yara has a possibility to intensify lamella clarifier’s action by addi-tion of calcium hydroxide and thus to obtain the phosphorus and fluorine to precipitate out of the water. But in practice this would be too expensive. It is possible to eliminate nitrogen compounds by adsorption or ammonia stripping, both methods requires additional testing. It is possible to process waters in chemical purifying plant, if ammonium nitrogen has been reduced before. Reverse osmosis is possible to exploit for the phosphoric acid plant’s waters.

Kompostipiireissä opittua : Eloperäiset jätteet kiertoon -hanke

Kompostien käyttöä on kokeiltu ja tutkittu Kainuun ELY-keskuksen Eloperäiset jätteet kiertoon -hankkeessa. Komposteja on hyödynnetty laskettelurinteen ja kaivosteollisuuden sivukiven läjitysalueen maisemoinnissa, pihanurmen ja energiakasvien kasvattamisessa, metsän lannoittamisessa ja maanviljelyssä. Pihanurmen perustamisen ja energiakasvien kasvattamisen kokeiluista on tehty myös erilliset tutkimukset. Tutkimustyöstä on vastannut MTT (Maa- ja elintarviketalouden tutkimuskeskus). Tutkimustieto on sisällytetty tähän julkaisuun. Kompostin käyttökokeissa ja tutkimuksissa on hyödynnetty Kainuun kuntien ja Kainuun jätehuollon kuntayhtymän Eko-Kympin komposteja. Kaikki kompostit ovat aumakompostoinnin tuotoksia. Eko-Kympin komposti on valmistettu biojätteistä. Muut kompostit ovat lähtöisin kunnallisten jätevedenpuhdistamoiden lietteistä. Kajaanin kompostia kutsutaan myös A. & E. Juntunen Oy:n valmistamaksi biomullaksi. Saatujen kokemusten ja tutkimusten mukaan aumakompostoinnilla tuotettu komposti soveltuu näihin erilaisiin käyttömuotoihin, etenkin kun esille tulleita kehittämistoimia toteutetaan. Sivukiven läjitysalueiden maisemoinnissa, maanviljelyssä ja metsän lannoittamisessa komposti ei tarvitse kivennäismaata seosaineeksi. Sivukiven läjitysalueilla ne kompostit, joihin oli sekoitettu hiekkaa, eivät pysyneet paikoillaan. Aines valui sadeveden mukana alas rinteeltä. Pelkkää kompostia käytettäessä kompostimassa pysyi aloillaan. Maanviljelyssä ja metsän lannoittamisessa kivennäismaa on tarpeeton. Lisäksi kompostissa oleva kiviaines kuluttaa ja voi vaurioittaa levityslaitteita. Ravinteet vapautuvat kompostista hitaasti kasvien käyttöön. Kemiallisilla lannoitteilla on nopeampi vaikutus. Kompostit soveltuvat erityisen hyvin ympäristöihin, joissa täydennyslannoitusta ei tarvita tai joissa lannoite on vaikeaa levittää. Tällaisia kohteita ovat esimerkiksi kaivosten sivukiven tai rikastushiekan läjitysalueet tai muut vaikeakulkuiset kohteet. Myös metsien lannoittaminen ja maanviljely ovat Kainuussa kompostien hyödyntämisen osalta alihyödynnettyjä. Pöyry Finland Oy on laatinut Kajaaniin kaavaillulle biologiselle jätteiden käsittelylaitokselle teknistaloudelliset suunnitelmat. Yhtiön tekemissä suunnitelmissa tulee ilmi, että kaikkien Kainuun lietteiden aumakompostointi tuottaisi kompostia 13 000 tonnia vuodessa, kun tukiaine seulotaan erilleen. Mädätys- tai biokaasulaitosvaihtoehdoissa lopputuotteen määrä on edellistä pienempi. Pelkkien Kainuun lietteiden mädättäminen tuottaisi kompostia jälkikompostin seulonnan jälkeen 6 600 tonnia. Viherrakentaminen taajamissa on komposteille Kainuussa yleinen käyttömuoto. Sillä on kasvun edellytyksiä etenkin, kun kompostin laatuun panostetaan. Viherrakentaminen Kajaanin seudulla riittäisi kuluttamaan kaiken Kainuussa muodostuvan kompostin, kun kompostimullan kulutuksena pidetään 0,5 tonnia asukasta kohden vuodessa. Tämä vastaa Kajaanin seudulla 27 000 tonnin kompostimäärää. Kompostin muodostumismäärä ei tulevaisuudessa tule olemaan lähellä tätä laskennallista multamenekkiä. Kompostin huono menekki johtuu joidenkin kuntien osalta pikemminkin huonosta kompostin laadusta kuin markkinoiden kyllästymisestä. Tilanne on korjaantumassa suunnitteilla olevan biologisen jätteiden käsittelylaitoksen myötä. Siinä kompostituotteen laatuun voidaan panostaa tehokkaammin kuin erillisillä pienillä kompostointikentillä.

Feasibility of ASH DEC‐ process in treating sewage sludge and manure ash in Finland

In Finland the thermal treatment of sewage sludge has been moderate in 21th century. The reason has been the high moisture content of sludge. During 2005-2008, 97-99% of sewage sludge was utilized in landscaping and agriculture. However agricultural use has been during 2005-2007 less than 3 %. The aim of national waste management plan is that by 2016 100% of sludge is used either as soil amendment or energy. The most popular utilization method for manure is spreading it on arable land. The dry manures such as poultry manure and horse manure could also be used in incineration. The ashes could be used as fertilizers and while it is not suitable as a starter fertilizer, it is suitable in maintaining P levels in the soil. One of the main drivers for more efficient nutrient management is the eutrophication in lakes and the Baltic See. ASH DEC process can be used in concentrating phosphorus rich ashes while separating the heavy metals that could be included. ASH DEC process uses thermochemical treatment to produce renewable phosphate for fertilizer production. The process includes mixing of ashes and chlorine donors and subsequent treatment in rotary kiln for 20 min in temperature of 900 – 1 050 oC. The heavy metals evaporate and P-rich product is obtained. The toxic substances are retained in air pollution control system in form of mixed metal hydroxides. The aim of conducting this study is to estimate the potential of ASH DEC process in treating phosphorus rich ashes in Finland. The masses considered in are sewage sludge, dry manure from horses, and poultry and liquid pig manure. To date the usual treatment method for sewage sludge in Finland is composting or anaerobic digestion. Part of the amount of produced sewage sludge (800 kt/a fresh mass and 160 kt/a TS) could also be incinerated and the residual ashes used in ASH DEC process. Incinerating only manure can be economically difficult to manage because the incineration of manure is in Finland considered as waste incineration. Getting a permit for waste incineration is difficult and also small scale waste incineration is too expensive. The manure could act as an additional feedstock in counties with high density of animal husbandry where the land area might not be enough for spreading of manure. Now when the manure acts as a supplementary feedstock beside sludge, the ash can’t be used directly as fertilizer. Then it could be used in ASH DEC process. The perquisite is that the manure producers could pay for the incineration, which might prove problematic.

Biogas production in regional integrated biodegradable waste treatment – Possibilities for improving energy performance and reducing GHG emissions

The greatest threat that the biodegradable waste causes on the environment is the methane produced in landfills by the decomposition of this waste. The Landfill Directive (1999/31/EC) aims to reduce the landfilling of biodegradable waste. In Finland, 31% of biodegradable municipal waste ended up into landfills in 2012. The pressure of reducing disposing into landfills is greatly increased by the forthcoming landfill ban on biodegradable waste in Finland. There is a need to discuss the need for increasing the utilization of biodegradable waste in regional renewable energy production to utilize the waste in a way that allows the best possibilities to reduce GHG emissions. The objectives of the thesis are: (1) to find important factors affecting renewable energy recovery possibilities from biodegradable waste, (2) to determine the main factors affecting the GHG balance of biogas production system and how to improve it and (3) to find ways to define energy performance of biogas production systems and what affects it. According to the thesis, the most important factors affecting the regional renewable energy possibilities from biodegradable waste are: the amount of available feedstock, properties of feedstock, selected utilization technologies, demand of energy and material products and the economic situation of utilizing the feedstocks. The biogas production by anaerobic digestion was seen as the main technology for utilizing biodegradable waste in agriculturally dense areas. The main reason for this is that manure was seen as the main feedstock, and it can be best utilized with anaerobic digestion, which can produce renewable energy while maintaining the spreading of nutrients on arable land. Biogas plants should be located close to the heat demand that would be enough to receive the produced heat also in the summer months and located close to the agricultural area where the digestate could be utilized. Another option for biogas use is to upgrade it to biomethane, which would require a location close to the natural gas grid. The most attractive masses for biogas production are municipal and industrial biodegradable waste because of gate fees the plant receives from them can provide over 80% of the income. On the other hand, directing gate fee masses for small-scale biogas plants could make dispersed biogas production more economical. In addition, the combustion of dry agricultural waste such as straw would provide a greater energy amount than utilizing them by anaerobic digestion. The complete energy performance assessment of biogas production system requires the use of more than one system boundary. These can then be used in calculating output–input ratios of biogas production, biogas plant, biogas utilization and biogas production system, which can be used to analyze different parts of the biogas production chain. At the moment, it is difficult to compare different biogas plants since there is a wide variation of definitions for energy performance of biogas production. A more consistent way of analyzing energy performance would allow comparing biogas plants with each other and other recovery systems and finding possible locations for further improvement. Both from the GHG emission balance and energy performance point of view, the energy consumption at the biogas plant was the most significant factor. Renewable energy use to fulfil the parasitic energy demand at the plant would be the most efficient way to reduce the GHG emissions at the plant. The GHG emission reductions could be increased by upgrading biogas to biomethane and displacing natural gas or petrol use in cars when compared to biogas CHP production. The emission reductions from displacing mineral fertilizers with digestate were seen less significant, and the greater N2O emissions from spreading digestate might surpass the emission reductions from displacing mineral fertilizers.

Potential of energy and nutrient recovery from biodegradable waste by co-treatment in Lithuania

Biodegradable waste quantities in Lithuania and their potential for the co-treatment in renewable energy and organic fertilizer production are investigated. Two scenarios are formulated to study the differences of the amounts of obtainable energy and fertilizers between different ways of utilization. In the first scenario, only digestion is used, and in the second scenario, other materials than straw are digested, and straw and the solid fraction of sewage sludge digestate are combusted. As a result, the amounts of heat and electricity, as well as the fertilizer amounts in the counties are obtained for both scenarios. Based on this study, the share of renewable energy in Lithuania could be doubled by the co-treatment of different biodegradable materials.