Fate of trace elements during and after anaerobic digestion: a sequential extraction method and DGT technique to assess bio-accessible trace elements in digestate
Laera, Andreina (2019)
Laera, Andreina
2019
Doctoral Programme in Advanced Biological Waste-to-Energy Technologies
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Väitöspäivä
2019-05-22
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-201906182085
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-201906182085
Tiivistelmä
Biokaasuprosessin syötteessä olevien tai siitä biokaasuprosessin aikana vapautuvien hivenaineiden sekä orgaanisten ja epäorgaanisten yhdisteiden kemialliset vuorovaikutukset vaikuttavat hivenaineiden jakautumiseen biokaasuprosessissa. Biokaasuprosessin jälkeen syntyvät mädätteet voivat altistua hapettaville olosuhteille, mikä voi edistää hivenaineiden jakautumista sekä niiden biosaatavuutta maaperän mikrobeille sekä kasveille, kun mädätettä levitetään pelloille orgaanisena maanparannusaineena. Tässä työssä mädätteiden hivenaineiden kulkeutumista ja biologista saatavuutta arvioitiin käyttämällä useita tekniikoita tavoitteena käyttää tätä tietoa ympäristöriskien arvioinnissa, kun mädätettä käytetään lannoitteena. Tämän opinnäytetyön tavoitteena on arvioida kahden eri teknologian, peräkkäisen uuttomenetelmän ja diffuusiogradientit ohuissa kalvoissa (DGT) –keräimen, käyttöä määrittämään biosaatavien hivenaineiden pitoisuuksia mädätteissä. Näytteitä otettiin täyden mittakaavan biokaasuprosesseista, joka käsittelivät sekä teollisuuden että yhteiskunnan jätteitä tai yhdyskuntajätevesilietettä. Tutkittuihin elementteihin kuuluivat Al, As, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Mo, Ni, Pb, Sb, Se, Zn ja W.
Ensimmäisessä vaiheessa biokaasuprosessin substraatista sekä mädätteestä uutettiin samanaikaisesti orgaanista ainetta sekä hivenaineita peräkkäisellä uuttomenetelmällä, joka on alun perin kehitetty orgaanisen aineen erottamiseen eri jakeisiin. Yli 60% As, Cd, Co, Fe, Mn, Ni ja Zn –hivenaineista uutettiin molemmista näytteistä. Sitä vastoin Al, Cr, Cu, Mo ja Pb -hivenaineilla oli alhaisempi uuttotehokkuus. Näitä edellä mainittuja hivenaineita oli pääasiassa jakeessa, joka koostui liuenneesta orgaanisesta aineesta ja jossa liukoiset hivenaineet (esimerkiksi vapaat ionit ja ionit, jotka ovat ryhmittyneet orgaanisten tai inorgaanisten ligandien kanssa) ovat todennäköisesti biosaatavia mikrobeille. Lisäksi suuri osa hivenaineista oli mineraali-jakeessa (esim. sulfidit), jossa olevia hivenaineita pidettiin huonosti biosaatavana. Tämän menetelmän käyttö kyseenalaistettiin, koska tiettyjen hivenaineiden uuttotehokkuus oli pieni uuttoprosessin aikana. Lisäksi huomioitiin, että uuttoprosessin aikana käytetty kemikaalit ovat voineet lisätä hivenaineiden liukenemista tai saostumista, mikä on muuttanut niiden jakautumista eri jakeiden välillä.
Tästä syystä DGT-tekniikkaa tutkittiin hivenaineiden erottamiseen eri jakeisiin. Tämä tekniikka oli tarkkuudeltaan huomattavasti herkempi hivenaineiden pitoisuuksien määrittämiseen verrattuna perinteiseen liuenneiden hivenaineiden analysointiin mädätetystä jätevesilietteestä. DGT-näytteenottimen käyttöaika tulisi kuitenkin valita tarkasti. Lisäksi huomattiin, että mädäte vähensi joidenkin hivenaineiden kertymistä DGT-näytteenottimeen. DGT-menetelmällä voidaan kuitenkin arvioida labiilien VI hivenaineiden (eli biosaatavimpien hivenaineiden) pitoisuuksia, jos käyttöaika valitaan oikein ja mädätteen aiheuttamat muutokset DGT-näytteenottimessa määritetään huolellisesti. DGT-menetelmällä pystyttiin arvioimaan labiilien hivenaineiden pitoisuuksia ajan suhteen mädätteestä, joka oli kosketuksissa ilman kanssa. DGT-menetelmällä määritettiinkin ilman vaikutukset labiilien ja liukoisten hivenaineiden pitoisuuksiin mädätetyssä jätevesilietteessä. Mädätteen altistaminen ilmalle lisäsi Al, As, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Mo ja Pb –hivenaineiden liukoisuutta, mikä viittaa siihen, että näiden hivenaineiden liikkuvuus voi kasvaa, jos mädätettä varastoidaan avoimissa altaissa tai jos mädäte pääsee kosketuksiin ilman kanssa ennen maaperään levittämistä. Vain ilmastuksen aikana havaittiin labiilien hivenaineiden pitoisuuksien kasvua (paitsi Fe ja Mn), mikä viittaa siihen, että useimpien hivenaineiden biosaatavuus kasvaa vain merkittävän ilmastuksen myötä (kuten mädätteen levityksen aikana).
Opinnäytetyön tulokset mahdollistavat uusien teknologioiden käytön, jotta voidaan paremmin määrittää biosaatavien hivenaineiden pitoisuuksia mädätteissä. DGTtekniikkaa tulisi tutkia jatkossa lisää, jotta pystyttäisiin luotettavasti määrittämään labiilien hivenaineiden pitoisuuksia mädätteissä.
Ensimmäisessä vaiheessa biokaasuprosessin substraatista sekä mädätteestä uutettiin samanaikaisesti orgaanista ainetta sekä hivenaineita peräkkäisellä uuttomenetelmällä, joka on alun perin kehitetty orgaanisen aineen erottamiseen eri jakeisiin. Yli 60% As, Cd, Co, Fe, Mn, Ni ja Zn –hivenaineista uutettiin molemmista näytteistä. Sitä vastoin Al, Cr, Cu, Mo ja Pb -hivenaineilla oli alhaisempi uuttotehokkuus. Näitä edellä mainittuja hivenaineita oli pääasiassa jakeessa, joka koostui liuenneesta orgaanisesta aineesta ja jossa liukoiset hivenaineet (esimerkiksi vapaat ionit ja ionit, jotka ovat ryhmittyneet orgaanisten tai inorgaanisten ligandien kanssa) ovat todennäköisesti biosaatavia mikrobeille. Lisäksi suuri osa hivenaineista oli mineraali-jakeessa (esim. sulfidit), jossa olevia hivenaineita pidettiin huonosti biosaatavana. Tämän menetelmän käyttö kyseenalaistettiin, koska tiettyjen hivenaineiden uuttotehokkuus oli pieni uuttoprosessin aikana. Lisäksi huomioitiin, että uuttoprosessin aikana käytetty kemikaalit ovat voineet lisätä hivenaineiden liukenemista tai saostumista, mikä on muuttanut niiden jakautumista eri jakeiden välillä.
Tästä syystä DGT-tekniikkaa tutkittiin hivenaineiden erottamiseen eri jakeisiin. Tämä tekniikka oli tarkkuudeltaan huomattavasti herkempi hivenaineiden pitoisuuksien määrittämiseen verrattuna perinteiseen liuenneiden hivenaineiden analysointiin mädätetystä jätevesilietteestä. DGT-näytteenottimen käyttöaika tulisi kuitenkin valita tarkasti. Lisäksi huomattiin, että mädäte vähensi joidenkin hivenaineiden kertymistä DGT-näytteenottimeen. DGT-menetelmällä voidaan kuitenkin arvioida labiilien VI hivenaineiden (eli biosaatavimpien hivenaineiden) pitoisuuksia, jos käyttöaika valitaan oikein ja mädätteen aiheuttamat muutokset DGT-näytteenottimessa määritetään huolellisesti. DGT-menetelmällä pystyttiin arvioimaan labiilien hivenaineiden pitoisuuksia ajan suhteen mädätteestä, joka oli kosketuksissa ilman kanssa. DGT-menetelmällä määritettiinkin ilman vaikutukset labiilien ja liukoisten hivenaineiden pitoisuuksiin mädätetyssä jätevesilietteessä. Mädätteen altistaminen ilmalle lisäsi Al, As, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Mo ja Pb –hivenaineiden liukoisuutta, mikä viittaa siihen, että näiden hivenaineiden liikkuvuus voi kasvaa, jos mädätettä varastoidaan avoimissa altaissa tai jos mädäte pääsee kosketuksiin ilman kanssa ennen maaperään levittämistä. Vain ilmastuksen aikana havaittiin labiilien hivenaineiden pitoisuuksien kasvua (paitsi Fe ja Mn), mikä viittaa siihen, että useimpien hivenaineiden biosaatavuus kasvaa vain merkittävän ilmastuksen myötä (kuten mädätteen levityksen aikana).
Opinnäytetyön tulokset mahdollistavat uusien teknologioiden käytön, jotta voidaan paremmin määrittää biosaatavien hivenaineiden pitoisuuksia mädätteissä. DGTtekniikkaa tulisi tutkia jatkossa lisää, jotta pystyttäisiin luotettavasti määrittämään labiilien hivenaineiden pitoisuuksia mädätteissä.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [4773]