Artikkelit

Photo by Scott Webb on Unsplash

Tuhkalle tehokasta hyötykäyttöä

Kirjoittajat dosentti Oskar Karlström ja Jan-Erik Eriksson Åbo Akademin Epäorgaanisen kemian laboratoriosta.

Maailmanlaajuisesti polttolaitoksissa muodostuu yli 750 miljoonaa tonnia tuhkaa joka vuosi. Suurin osa tästä tuhkasta on edelleen peräisin hiilenpoltosta. Hiilen osuutta polttoaineissa korvataan kuitenkin kasvavassa määrin hiilineutraalilla biomassalla. Esimerkiksi Tanskassa muunnetaan parhaillaan jokaista alun perin hiilenpolttoon suunniteltua voimalaitosta biomassan polttoon sopivaksi laitokseksi. Suomessa biomassojen osuus sähkön ja lämmöntuotannossa mukaan lukien puun pienkäyttö, metsäteollisuuden jäteliemet sekä teollisuuden ja energiantuotannon puupolttoaineet, oli 2017 alustavien tietojen mukaan  yhteensä 27% (Suomen virallinen tilasto SVT, Energian hankinta ja kulutus, http://www.stat.fi/til/ehk/tau.html). Turpeen ja kivihiilen osuudet olivat vastaavasti 4 ja 6 %.

Hiilen poltosta syntyy tyypillisesti noin 10-20% tuhkaa. Biomassan poltossa vastaava luku on 0,1-5%, mutta joillekin biomassoille on raportoitu jopa 40% tuhkaosuuksia. Suomessa käytettävän puuperäisessä biomassassa tuhkan osuus on noin 1%, mutta se vaihtelee 0,1 ja 2% välillä puulajista riippuen. Vaikka tuhkan osuus on suhteellisen pieni verrattuna polttoaineen massaan, suuren mittakaavan biomassan poltossa muodostuu merkittävä määrä tuhkaa. Tuhkan määrä on useille biomassoille kuitenkin huomattavasti pienempi kuin vastaava kivihiilen poltossa muodostuva tuhka.

Hiilen tuhkaa käytetään nykyään hyödyksi mm. lannoitteena, maanrakentamisessa korvaamassa luonnonkiviaineksia, raaka-aineina sementissä ja betonissa, tiilissä, keraamisissa laatoissa, jne. Tuhkista voidaan myös ottaa talteen arvokkaita metalleja. Maailmanlaajuisesti noin 25% kivihiilituhkasta käytetään johonkin uuteen tarkoitukseen. Esimerkiksi Yhdysvalloissa tuhkien käyttöaste on nykyisin noin 50% ja EU:ssa käyttöasteen arvioidaan olevan jopa 90%.

Myös biomassan tuhkaa voidaan hyödyntää monella tavalla. Yleisesti ajatellaan että biomassatuhkat eivät sisällä haitallisia aineita. Nykytietämyksen mukaan näissä tuhkissa saattaa kuitenkin olla erilaisia raskasmetalleja ja muita haitallisia aineita. Tämän lisäksi haasteena on biomassan tuhkan erilainen ja monimutkainen koostumus verrattuna kivihiilituhkaan sekä erot eri biomassojen tuhkien koostumuksen välillä. Useissa polttolaitoksissa käytettävät rinnakkaiset polttoaineet tuovat uusia haasteita koska muodostuva sekatuhkaa voi sisältää puutuhkan, turvetuhkan ja kivihiilituhkan ainesosien lisäksi joissakin tapauksissa myös jätteiksi luokiteltavien polttoaineiden tuhkaa.

Lähtökohtaisesti tuhka on aina jätettä, joka voi olla joko vaarallista tai tavanomaista, sen mukaan, onko sillä tiettyjä vaaraominaisuuksia. Tarkempia tietoja eri jätteiden luokitteluista on listattu Ympäristöministeriön julkaisuun: (Häkkinen: Jätteen luokittelu vaaralliseksi jätteeksi, Ympäristöhallinnon ohjeita 1/2016, http://julkaisut.valtioneuvosto.fi/bitstream/handle/10024/74873/OH_1_2016.pdf).

Kestävän kehityksen kannalta on tärkeää, että uusiutuvan biomassan käyttö energiatuotannossa lisääntyy ja biotuhkan hyötykäyttöaste saadaan mahdollisimman korkeaksi. Biomassat voidaan luokitella monella tavalla, esimerkiksi seuraavien kriteerien  mukaan:

  • Haitallinen tai jätteeksi luokiteltava koostumus. Tällöin tuhka sisältää tyypillisesti raja-arvot ylittävän pitoisuuden raskasmetalleja kuten barium, kadmium, lyijy, kromi ja arseeni. Osittain näiden haitallisten aineiden pitoisuutta tuhkassa voidaan pienentää esimerkiksi liuottamalla tai lämpökäsittelyllä.
  • Paljon fosforia sisältävät tuhkat. Tämänkaltaisia tuhkia ovat esimerkiksi peltobiomassojen tuhkat, mutta fosforipitoisuus vaihtelee lajeittain. Runsaasti fosforia sisältävät tuhkat tulisi käyttää esimerkiksi metsälannoitteina tai fosforinkierrätyksen raaka-aineina.
  • Jotkin biomassojen tuhkat voivat sisältää paljon palamatonta hiiltä joka rajoittaa tuhkien hyödyntämistä.
  • Maanparannukseen kelpaavat tuhkat. Näille tuhkille tyypillistä on, että ne sisältävät korkeita pitoisuuksia haluttavia hivenaineita mutta eivät kuitenkaan vaarallisia tai haitallisia veteen liukenevia aineita. Tämän lisäksi suotovesien pH arvojen tulee olla tiettyjen raja-arvojen sisällä. Biotuhkien suotovesien pH on tyypilisesti noin 10 mutta voi vaihdella pH 5 – 13 rajoissa.
  • Raaka-aineeksi sellaisinaan sopivat tuhkat. Esimerkiksi sementin valmistuksessa voidaan käyttää biomassan tuhkaa jopa 20% jos kloorin, hiilen ja kokonaisalkalien pitoisuudet eivät ylitä raja-arvoja.

Valitettavasti suuri osa tuotetusta biotuhkasta päätyy nykyisin läjitykseen. Tämä ei tietenkään ole kestävää kehitystä eikä sopusoinnussa jätedirektiivin EU 2018/851 kanssa. Biotuhkien uudelleen käyttöä onkin esitetty mm. maa- ja metsätalouden lannoitteena, lisäaineena kompostoinnissa, raaka-aineena tiilien valmistuksessa, asfaltin ja betonin raaka-aineena, kaatopaikkojen rakennusaineena, maa-aineksen stabiloinnissa, metsäteiden pohjarakennusaineena sekä maisemoinnin raaka-aineena. Joidenkin tuhkien suuri pinta-ala ja hyvä ioninvaihtokyky mahdollistaa myös niiden käytön imeytysaineena haitallisten aineiden poistossa.

Yksi CircVol hankkeen tavoite on selvittää, miten lähellä tuotettua tuhkaa voitaisiin käyttää tehokkaasti ja ympäristöystävällisesti lisä- tai stabilointiaineena savipitoisten maalajien ja ruoppausmassojen muokkaamisessa rakentamiselle soveltuvaksi maapohjaksi. Parhaillaan hankkeessa testataan miten Naantalin monipolttolaitoksella tuotettu tuhka sekä muut lähialueilla muodostuneet sivu- ja jätevirrat rakennusaineteollisuudesta soveltuvat Aurajoesta Turun satama-alueelle kulkeutuneen maa-aineksen ruoppausmassan stabilointiin maapohjaksi rakentamiselle. Erilaisia stabilointitestejä, kemiallisia analyysejä ja liukoisuustestejä tehdään yhteistyössä Åbo Akademin ja Turun Ammattikorkeakoulun kanssa. Haasteita on myös ratkomassa Geologian tutkimuskeskus GTK ja Suomen ympäristökeskus SYKE. Tavoitteena on löytää optimaalinen yhdistelmä eri materiaalivirtoja tarvittavan lujuuden saavuttamiseksi ruoppausmassoihin tai savimaihin perustuvalle maa-ainekselle. Tärkeää on myös, että maa-aineksesta ei saa liueta tai haihtua haitallisia komponentteja. Uusiokäytettäessä tuhkia ja teollisia sivuvirtoja saavutetaan ympäristöystävällinen vaihtoehto pelkästään neitseellisiin raaka-aineisiin perustuville maalajien muokkausmenetelmille. Samalla voidaan myös tehokkaasti vähentää jätevirtojen läjitystä kaatopaikoille ja ennen kaikkea saadaan tuhkasta nousemaan uutta ympäristöystävällistä kasvua ja osaamista hiilineutraalin ja turvallisen yhdyskuntarakentamisen tarpeisiin.