Väitös: Viemärin ravinteet hyötykäyttöön ja hiili talteen termokemiallisella käsittelyllä

Riippuvuutta tuontiravinteista voitaisiin vähentää lisäämällä omavaraisuutta ravinteiden kierrätyksen kautta. Viemärivesien mukana jätevedenpuhdistamoille päätyy vuosittain tonneittain typpeä ja fosforia, jotka osittain päätyvät lähinnä maisemoinnissa hyödynnettävään lietteeseen. Lietteen termokemiallinen käsittely pienentäisi lietteen määrää, nostaisi sen ravinnepitoisuutta sekä tuhoaisi siitä haitallisia patogeeneja ja kemiallisia yhdisteitä.  Lietteen käsittely mahdollistaisi paitsi sen käytön lannoitteena myös hiilen talteenoton, summaa DI Anna Hämäläinen väitöstutkimuksessaan.

Suomessa yhdyskuntien jätevesien käsittelyssä jätevesilietettä kertyy lähes 850 tuhatta tonnia vuodessa. Puhdistamoilla lietteestä tuotetaan yleensä biokaasua, jota voidaan käyttää lämmön, sähkön tai liikennepolttoaineen tuotannossa. Lietteissä, myös biokaasuprosessin jälkeen, on ravinteita ja orgaanista hiiltä, joita voitaisiin hyödyntää maanparannuksessa ja lannoituksessa, mutta toisaalta niissä voi myös olla käyttöä haittaavia komponentteja, kuten mikromuoveja tai lääkeaineita. Lisäksi liete on hyvin kosteaa, mikä laskee sen hyödyntämisen taloudellisuutta ja mielekkyyttä sellaisenaan kasvavien kuljetuskustannusten vuoksi.

Väitöstyössään Hämäläinen keskittyi jätevesilietteen käsittelyyn märkäpyrolyysillä ja pyrolyysillä, joilla lietteistä voidaan tuottaa hiiltynyttä kiinteää jaetta (nk. hydrohiiltä tai biohiiltä) sekä nestejaetta. Näistä märkäpyrolyysiä pidetään lupaavampana vaihtoehtona jätevedenpuhdistamojen yhteyteen, sillä se ei vaadi lietteen esikuivausta.

Hämäläinen tutki väitöstyössään kokeellisesti märkäpyrolyysin soveltuvuutta kahdelle erityyppiselle jätevesilietteelle; mädätetylle yhdyskuntajätevesilietteelle ja sellu- ja paperiteollisuuden jätevesilietteelle. Hän tutki myös märkäpyrolyysin olosuhteiden vaikutusta ja arvioi laskennallisesti märkäpyrolyysin käyttöönoton vaikutuksia puhdistamolietteitä käsittelevän täydenmittakaavan biokaasulaitoksen ravinne- ja energiataseisiin.

Lietteiden märkäpyrolyysi kiinnostaa hiilineutraaliksi pyrkivää sellu- ja paperiteollisuutta, joka pyrkii löytämään uusia, polttoa kestävämpiä ja vähäpäästöisempiä ratkaisuja lietteenkäsittelyyn.

– Märkäpyrolyysillä sellu- ja paperiteollisuuden lietteestä tuotettua hydrohiiltä voitaisiin käyttää hiilen sidontaan maaperään, mikä vähentäisi hiilidioksidipäästöjä, toteaa Hämäläinen.

Päästöttömän biokaasun tuotantoa kannattaisi lisätä Suomessa

Työssään Hämäläinen osoitti, että märkäpyrolyysi tuottaa hydrohiiltä, jonka tilavuus on jopa alle puolet käsittelemättömän jätevesilietteen tilavuudesta ja siinä on myös korkeammat pitoisuudet fosforia, mineraaleja ja hiiltä. Paperi- ja selluteollisuuden lietteen hydrohiilellä on myös korkeampi lämpöarvo. Hämäläinen havaitsi, että korkeammat käsittelylämpötilat lisäsivät lämpöarvoa ja tuhkapitoisuuksia ja pienensivät volyymia tehokkaammin, mutta ravinteiden talteenotto kärsi, sillä niitä päätyi runsaammin kaasufaasiin lämpötilan noustessa 210 asteesta 250 asteeseen. Hydrohiilistä hän tutki myös raskasmetallipitoisuuksia sekä lääkejäämiä, joiden tulosten perusteella hydrohiiltä voisi huoletta käyttää maaperässä ravinteiden ja hiilen lähteenä. 

Lietteiden termokemiallisista käsittelyistä syntyvän nestejakeen määrä ja ominaisuudet riippuvat prosessista ja olosuhteista. Nestejakeessa voi olla hyödynnettäviä ravinteita, mutta toisaalta siinä voi olla myös haitallisia yhdisteitä. Kiertotalouden periaatteisiin kuuluu hyödyntää materiaalit täysin, minkä vuoksi nestejakeellekin pitää löytää tehokas hyödyntämistapa.

Tutkimuksen mukaan märkäpyrolyysin nestejae voidaan hyödyntää puhdistamon biokaasureaktorissa, mikä osaltaan lisää biokaasun tuotantoa. Vaikka sellutehtaan yhteydestä ei biokaasureaktoria löydy, myös sellu- ja paperitehtaan jätevesilietteen nestejakeella on biokaasuntuottopotentiaalia. Tehdyt laboratoriokokeet osoittivat, että myös pyrolyysin nestejae voidaan syöttää biokaasureaktoriin jätevesilietteen seassa, vaikka sellaisenaan se oli mikrobeille inhiboiva.

– Väitöstyössä tehtyjen scale-up laskelmien perusteella biokaasuprosessin hyödyntäminen nestefraktion käsittelyssä lisää ravinteiden talteenottoa ja mahdollistaa hiilen muuntamisen metaaniksi. Biokaasun tuotantoa olisi hyvä lisätä ihan koko Suomessa, sillä se on jäteperäistä ja päästötöntä energiaa, jota voidaan käyttää maakaasun tavoin, Hämäläinen tähdentää.

Anna Hämäläinen on kotoisin Espoosta. Tällä hetkellä hän toimii tutkijana Viikissä Helsingin yliopistolla, jossa hän kehittää puupohjaisia stabilointiaineita elintarvikkeisiin.

Väitöstilaisuus perjantaina 20. lokakuuta

Diplomi-insinööri Anna Hämäläisen ympäristötekniikan alaan kuuluva väitöskirja Increasing Sludge Valorization by Combining Thermochemical Treatment with Anaerobic Digestion: Focus on hydrothermal carbonization and pyrolysis tarkastetaan julkisesti Tampereen yliopiston Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnassa perjantaina 20.10.2023 kello 12:15 Hervannan kampuksella, Konetalon salissa K1702 (Korkeakoulunkatu 8, 33720 Tampere). Vastaväittäjänä toimii Associate Professor Luca Fiori Trenton yliopistosta (Università degli Studi di Trento). Kustoksena toimii Professori Jukka Rintala tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnasta Tampereen yliopistosta.