Biopolymeerien hyödyntäminen vesienkäsittelyssä ja ravinteiden kierrättämisessä (BioP)

Hankkeen perustiedot

Aloitusvuosi 2017

Lopetusvuosi 2019

Vaihe Hanke on päättynyt

Vastuuhenkilö Raimo Ihme (SYKE)

Muut henkilöt Jarno Turunen (SYKE), Ritva Nilivaara (SYKE), Mika Sarkkinen (SYKE), Tarja Stenman (JAMK), Tiina Siimekselä (JAMK), Samuli Lahtela (JAMK), Jaana Sironen (JAMK)

Rahoittajat Vesien- ja merenhoidon toimeenpanoa ja ravinteiden kierrätysohjelman tavoitteita edistävät hallitusohjelman kärkihankkeet

Yhteistyötahot BioSO4 Oy, Chemigate Oy, EHP Environment Oy, Haarla Oy

Tausta

Uusien tehokkaiden menetelmien tutkimus on keskeistä vesiensuojelun ja ravinteiden kierrätyksen kehittämisessä. Tällä hetkellä maanviljelyksessä oleva maaperä ei uusiudu kestävästi ja on riippuvainen lannoitteista, kuten louhitusta fosforista. Maanviljelyksestä vesistöihin huuhtoutuvat ravinteet eivät palaudu takasin viljelyyn vaan päätyvät kuormittamaan vesistöjä. Biopolymeerit (esim. kitiini, tanniini, ligniini, tärkkelys) ovat eliöiden tuottamia orgaanisia molekyylejä, joita voidaan jalostaa ja käyttää vesien käsittelyssä saostuskemikaaleina. Biopolymeerien etuna perinteisiin rauta- tai alumiinipohjaisiin saostuskemikaaleihin on niiden biohajoavuus ja raskasmetallittomuus, minkä ansiosta niihin sitoutuneet ravinteet ovat helpommin kasvien käytettävissä, eikä liete sisällä raskasmetalleja.

Tavoitteet

Hankkeen tavoitteena on tutkia eri biopolymeerien soveltuvuutta maatalouden valumavesien fosforin saostuksessa, sekä syntyvän lietteen lannoituspotentiaalia eri viljelykasveille. Menetelmän toimivuutta maatalousvesien käsittelyssä tutkitaan Tarvaalan Biotalouskampuksen kosteikolla, sekä yksityisellä maatilalla Siikajoen Ruukissa. Ennen maastokokeita eri biopolymeerien ominaisuuksia tutkitaan laboratoriokokein. Tavoitteena on luoda toimiva biopolymeeripohjainen konsepti vesiensuojeluun ja ravinteiden kierrätykseen. Lisäksi hankkeessa kartoitetaan kotimaisia biopolymeerien lähteitä ja niiden kaupallistamispotentiaalia, sekä yritysten kiinnostusta biopolymeerien tuotannolle.

Kuva 1. Tarvaalan biotalouskampuksen kosteikko © Jarno Turunen

Tuloksia laboratoriokokeista vuodelta 2018

Hankkeessa testattiin talvella 2018 laboratoriokokein eri biopolymeerien kykyä sitoa fosforia. Kokeissa testatuilla tanniini-, tärkkelys- ja kitosaanipohjaisilla biopolymeereillä saavutettiin jopa 80-95 % vähennys veden kokonaisfosforipitoisuukissa Ruukin pelto-ojan veden käsittelyssä (Graafi 1). Tärkkelyspohjaiset biopolymeerit toimivat paremmin pienemmällä annostuksella kuin tanniini ja kitosaani. Tulokset olivat hyvin samanlaisia myös veden sameuden vähentymisen osalta.

Tarvaalan maatalouskosteikon pienemmissä kiintoaine- ja ravinnepitoisuuksissa kitosaani- ja tärkkelyspohjaiset biopolymeerit eivät saostaneet fosforia tai kiintoainesta vedestä (Graafi 2). Ainostaan tanniinipohjainen biopolymeeri vähensi veden fosforipitoisuutta (noin 70 %), mutta vain 5-8 ml/l annostuksella biopolymeeriluosta.

Graafi 1. Kokonaisfosforin reduktio (%) Ruukin pelto-ojan vedestä. Kokonaisfosforin pitoisuus vedessä ennen käsittelyä oli 300 µg / l.

Graafi 2. Kokonaisfosforin reduktio (%) Tarvaalan maatalouskosteikon vedestä. Kokonaisfosforin pitoisuus vedessä ennen käsittelyä oli 74 µg / l.

Kuva 2. Ruukin pelto-ojan vettä ennen ja jälkeen biopolymeerikäsittelyn. © Jarno Turunen

Kuva 3. Staattinen sekoitusjärjestelmä ja biopolymeerin annostelupumpun asennusta Siikajoen Ruukin koekohteella. © Anssi Karppinen

Tuloksia vuoden 2018 maastokokeista

Hankkeen maastokokeet aloitettiin kesällä 2018 Ruukin sekä Tarvaalan kohteilla. Kuivan kesän takia Ruukissa saatiin hyvin vähän tuloksia systeemin toiminnasta. Tarvaalan maatalouskosteikolla toteutettiin loppukesästä 7 viikon koejakso, jonka tulokset kokonaisfosforin, sameuden ja kokonaistypen osalta on esitetty alla Taulukossa 1.

Fosforin reduktio koeajoissa oli pääsääntöisesti hyvä ollen useimmiten yli 50%, mutta tuloksista on kuitenkin nähtävissä suurta vaihtelua. Kokeessa käytettiin tanniinipohjaista biopolymeerikoagulanttia. Sameuden reduktio oli samaa tasoa fosforin kanssa, mutta vaihtelua oli paljon. Koejärjestelyssä kokonaistypen määrä lisääntyi, joka johtunee veteen jäävän reagoimattoman biopolymeerin sisältämästä typestä.

Taulukko 1. Kokonaisfosforin, sameuden ja kokonaistypen pitoisuudet ja reduktiot Tarvaalan maastokokeissa. Kokonaisfosforin määritysraja 50 µg/l.

Tuloksia Ruukin maastokokeista vuodelta 2019

Toukokuussa 2019 Ruukin maastokohteella jatkettiin fosforinsaostuskokeita biopolymeereillä. Koejaksolla biopolymeerikäsittelyyn tulevan veden kokonaisfosforin pitoisuus oli 89-130 µg/l ja käsittelyn avulla fosforista saatiin poistettua keskimäärin 73 % (Graafi 3). Sameuden ja fosfaatin keskimääräiset reduktiot koejaksolla olivat myös hyviä ollen sameudella 63 % ja fosfaatilla 76 % (Graafit 4 ja 5).

Aiempien tulosten perusteella osattiin odottaa kokonaistypen pitoisuuden nousua biopolymeerikäsittelyn aikana. Tällä kokeessa typen määrä kasvoi keskimäärin 17 % (Graafi 6). Kokonaistypen määrän kasvaminen johtuu reagoimattomasta biopolymeeristä; tanniinipolymeeri on aktivoitu lisäämällä siihen typpiryhmä, jolla tanniini on kationisoitu saostuskemikaaliksi.

Graafi 3. Toukokuun maastokokeiden tuloksia kokonaisfosforin osalta.	Graafi 4. Toukokuun maastokokeiden tuloksia sameuden osalta.
Graafi 5. Toukokuun maastokokeiden tuloksia fosfaatin osalta.	Graafi 6. Toukokuun maastokokeiden tuloksia kokonaistypen osalta.

Tuloksia kasvatuskokeista vuodelta 2018

Ruukin ja Tarvaalan maastokokeista otettiin talteen fosforin saostuksessa syntynyttä lietettä, jossa fosfori oli sitoutuneena biopolymeeriin. Biopolymeerilietteillä tehtiin ruukkukasvatuskokeita, joissa testattiin lietteiden soveltuvuutta kiinankaalin, krassin ja raeruohon kasvatukseen.

Taulukko 2. Tarvaalan ja Ruukin lietteen
fosfaattipitoisuudet ja kasvien
kasvuindeksit lietteissä

Ruukin lietteessä oli yli kaksinkertainen määrä fosfaattia Tarvaalan lietteeseen verrattuna (Taulukko 2). Molemmissa kokeissa yksi osa lietettä sekoitettiin 12 osaan turvetta. Kuivapainosta laskettu kasvuindeksi oli kaikille tutkituille kasveille hyvä (alle 80 % kasvua voidaan pitää alentuneena), mutta parhaan kasvatustuloksen antoi raeruoho molemmilla lietteillä.

Kasvien kuivapaino (Graafi 7) oli kiinankaalilla ja krassilla korkeampi turvelannoitteessa verrattuna biopolymeerilietteen ja turpeen seokseen (tilastollisesti lähes merkitsevä ero, p = 0.063), mutta raeruohon kuivapaino oli hieman korkeampi biopolymeerilietteen ja turpeen seoksessa kuin pelkässä turpeessa, joten eri kasvit reagoivat eri tavalla lietteisiin (merkitsevä vuorovaikutus, p = 0.025).

Graafi 7. Kasvien kuivapainojen vertailua kasvatuskokeessa. Turve = pelkkä turvelannoitus, Biop. = turpeen ja biopolymeerin seos.

Tuloksia kasvatuskokeista vuodelta 2019

Kasvatuskokeita jatkettiin tutkimalla eri lietepitoisuuksien ja lietekastelun vaikutusta kiinankaalin ja ohran kasvuun. Lietekastelu lisäsi kiinankaalin biomassaa 19 % - 23 % ja ohran 10 - 12 % suhteessa vertailuryhmänä käytettyyn pelkkään turvelannoituksen (Graafi 8).

Kymmennen prosentin pitoisuus lietettä turpeen seassa paransi ohran kasvua 17 – 20 % (Graafi 8). Ruukin lietteellä myös kiinankaalin kasvu 10 % lietepitoisuudella oli hieman parempi, kun taas Tarvaalan lietteellä kasvu oli 11 % heikompaa kuin vertailuryhmässä. Suuremmat 30 % ja 50 % lietepitoisuudet selvästi heikensivät molempien kasvilajien kasvua.

Graafi 8. Biopolymeerilietekastelun ja lieteseosten (10 %, 30 % ja 50 %) vaikutus kiinankaalin ja ohran biomassaan suhteessa pelkällä turpeella lannoitettuun vertailuryhmään.

Viestintä

Hankkeen edistymisestä julkaistiin 7.5.2019 SYKEn tiedote Biopolymeerit soveltuvat fosforin sitomiseen maatalouden valumavesistä, joka sai näkyvyyttä Facebookin ja Twitterin kautta.

Tiedote julkaistiin heti samana päivänä myös Tekniikka ja Talous-lehdessä (Tutkijat ottavat talteen maatalousvesien fosforia biopolymeerien avulla – sopii kierrätyslannoitteeksi) ja Kemia-lehdessä (Biopolymeerit sitovat fosforia maatalouden valumavesistä) sekä 20.5 Maaseudun Tulevaisuudessa (Uusi innovaatio vesiensuojeluun – biopolymeerit palauttavat pelloilta valuneen fosforin takaisin kiertoon).

Ruukin paikallislehti Siikajokilaakso vieraili kesäkuussa Ruukin koekohteella tutustumassa maastokokeisiin ja julkaisi 13.6 uutisen sekä painetussa että verkkolehdessä: Pelloilta karkaava fosfori takaisin kasvien ruuaksi – SYKE tutkii Ruukissa, miten ravinteita voi sitoa.

Loppuseminaari

Hankkeen loppuseminaari järjestettiin keskiviikkona 20.11.2019 Oulussa.

Tilaisuuden tallenne

Seminaarin ohjelma ja esitykset:

Avauspuheenvuoro - Raimo Ihme, asiakkuuspäällikkö, Suomen ympäristökeskus (pdf, 555 KB)
Biopolymeerit ja hankkeen tausta - Jarno Turunen, projektipäällikkö, tutkija, Suomen ympäristökeskus (pdf, 1,1 MB)
Maatalouden valuntavesien käsittelyn tehokkuus - Jarno Turunen, projektipäällikkö, tutkija, Suomen ympäristökeskus (pdf, 3,2 MB)
Maatalouden valuntavesien käsittelyn tehokkuus - Tarja Stenman, lehtori, Jyväskylän ammattikorkeakoulu (pdf, 1,1 MB)
Biopolymeerien käyttö vesienkäsittelyssä - mahdollisuudet ja taloudellisuus - Ritva Nilivaara-Koskela, tutkija, Suomen ympäristökeskus (pdf, 1,3 MB)
Haarla Oy:n puheenvuoro - Arto Kovalainen, Myyntipäällikkö, Haarla Oy (pdf, 1,8 MB)
Loppupuhe - Raimo Ihme, asiakkuuspäällikkö, Suomen ympäristökeskus