Suomen ympäristökeskus | Finlands miljöcentral | Finnish Environment Institute

sykefi header valkoinen

Biopolymeerien hyödyntäminen vesienkäsittelyssä ja ravinteiden kierrättämisessä (BioP)

+ Näytä tiedot

Hankkeen perustiedot

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.

Tarvaalan biotalouskampuksen kosteikko
Tarvaalan biotalouskampuksen kosteikko © Jarno Turunen

Tuloksia laboratoriokokeista

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.

BioP1
Graafi 1. Kokonaisfosforin reduktio (%) Ruukin pelto-ojan vedestä. Kokonaisfosforin pitoisuus vedessä ennen käsittelyä oli 300 µg / l.
bioP2
Graafi 2. Kokonaisfosforin reduktio (%) Tarvaalan maatalouskosteikon vedestä. Kokonaisfosforin pitoisuus vedessä ennen käsittelyä oli 74 µg / l.
jartesti
Ruukin pelto-ojan vettä ennen ja jälkeen biopolymeerikäsittelyn. © Jarno Turunen
biopumpun asennus
Staattinen sekoitusjärjestelmä ja biopolymeerin annostelupumpun asennusta Siikajoen Ruukin koekohteella. © Anssi Karppinen

Tuloksia 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.

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

Tuloksia kasvatuskokeista

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.

BioP kasvatuskoe
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 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).

BioP kasvatuskoe2
Kuva 1. Kasvien kuivapainojen vertailua kasvatuskokeessa. Turve = pelkkä turvelannoitus, Biop. = turpeen ja biopolymeerin seos.

Hankkeen julkaisuja

Turunen, J., Karppinen A., & Ihme R. 2019. Effectiveness of biopolymer coagulants in agricultural wastewater treatment at two contrasting levels of pollution. SN Applied Sciences, 1:210.

Lisätietoja

Projektin vastuullinen johtaja, asiakkuuspäällikkö Raimo Ihme, puh 0295 251 207, etunimi.sukuni@ymparisto.fi

Projektipäällikkö Jarno Turunen, puh 0295 251 582, etunimi.sukunimi@ymparisto.fi

hallituksen kärkihanke logo
Julkaistu 23.11.2017 klo 17.24, päivitetty 6.3.2019 klo 15.20