STOCKHOLM, SVERIGE 2017
Fytoremediering med
Salix
sp
och bladvass (
P. australis
)
- Reduktion av tungmetaller och användning som
biobränsle
DANIEL WAHL EDMAN
KTH
ii Nyckelord
iii
Abstract
Contaminated land is a big issue in Sweden and worldwide. Conventional methods like excavation are commonly used to remediate polluted areas, but also cause elevated costs and a significant environmental impact. The interest in phytormemediation, which is the ability of plants to remediate contaminated land, as it has become more popular during recent years. Common reed (Phragmites australis) and Salix sp. were tested in this study to assess the potential for heavy metal uptake by analysis of heavy metal reduction in the soil. The plants were assessed with the purpose to be used within phytoremediation as well as potential source for biofuel. A field study was included in this project at Ekeby wastewater treatment plant in Eskilstuna, Sweden. Three sample points were chosen based on previous environmental studies conducted by Norconsult AB. Soil material contaminated with metals and local populations of Salix sp and common reed were collected for analysis in a pot experiment were differences in metal content in the soil before and after cultivation were investigated. In total 3 shoots of
Salix sp and 3 shoots of common reed were cultivated in soil material from each sample
iv
v
Förord
Detta examensarbete är det avslutande momentet på mastersutbildningen i miljöteknik och hållbar infrastruktur vid Kungliga Tekniska Högskolan. Arbetet omfattar 30 högskolepoäng och har varit ett samarbete med handledningsstöd från Annelie Loberg och Caroline Jöngren vid Norconsult AB team Miljö & Säkerhet; Maria Greger och Tommy Landberg vid Stockholms Universitet Institutionen för ekologi och botanik; samt Jon Petter Gustafsson vid Kungliga Tekniska Högskolan avdelningen för Hållbar utveckling och miljövetenskap som även varit examinator.
Jag vill rikta ett stort tack till mina handledare, Norconsult AB samt alla inblandade som bidragit med stöd och intressanta diskussioner till att slutföra detta examensarbete.
vi
Bilageförteckning
Bilaga 1
Fältprotokoll från miljöteknisk markundersökning vid Ekebyverket som utfördes av Norconsult AB 2015.
Bilaga 2
Fältprotokoll från fältstudie i samband med detta examensarbete vid Ekebyverket.
Bilaga 3
Karta över provtagningsområdet vid Ekebyverket med provpunkter från tidigare studier och från denna markerat i rött.
Bilaga 4
Sammanfattade kostnadskalkyler för implementering av Salix vid olika scenarion utförd av Jordbruksverket.
Bilaga 5
Analysresultat från tidigare miljöteknisk markundersökning vid Ekebyverket.
Bilaga 6
Bilder över de planterade växternas utveckling vid tre datum: 20:e februari, 13:e mars och 8:e maj.
Bilaga 7
Uttagsrapport från beräkning av platsspecifika riktvärden vid Ekebyverket.
Bilaga 8
Analysresultat från ”Start” och som erhållits genom denna studie.
Bilaga 9
Ågärdspotential genom Salix sp och bladvass vid Lagunen.
Bilaga 10
vii
Ord/Begreppsförklaring
Bombkalorimeter Utrustning som används vid bestämning av ett bränsles effektiva värmevärde. Bränslet antänds i en syrefylld behållare nedsänkt i vatten. Väte bundet i bränslet frigörs genom förbränning och energin värmer upp vattenbadet. Temperaturökningen avläses och energimängden kan därmed beräknas. EDTA Etylendiamintetraättiksyra. Organiskt ämne som bildar starka komplex med
metalliska katjoner och göra dem biotillgängliga i vattenlösning.
Fytoextrahering Upptag av föroreningar i växten som sedan kan skördas och hanteras, vilket därmed minskar halten på området.
Fytoremediering Samlingsord för flera metoder baserad på växters förmåga att återställa eller stabilisera förorenad mark, sediment, vatten och luft från föroreningar. Fytotoxicitet När markgifterna påverkar växtens vitalitet.
Humusämnen Organiska syror bestående av framförallt delvis nedbrutet växtmaterial. Innehåller i regel en stor mängd metallbindande ämnen som exempelvis karboxyl- och hydroxylgrupper.
Hydroponisk odling Jordfri odling i vattenlösning..
KM Känslig markanvändning. Riktvärden baserade på markanvändning och
skyddsobjekt. Gäller ofta där människor kan vistas permanent som exempelvis bostäder eller för skydd av grundvatten.
MKM Mindre känslig markanvändning. Riktvärden baserade på markanvändning och
skyddsobjekt. Gäller ofta där människor vistas tillfälligt som exempelvis kontor, industrier och vägar.
Oxalat COO-grupp som extraherar metaller, vilka uppträder som anjoner genom att lösa upp jordmaterialets oxider. Konkurrerar ut anjoner om oxidens adsorptionsplatser.
TS Torrsubstans. 60% torrsubstans motsvarar 40% fukthalt.
viii
Innehållsförteckning
1. Introduktion ... 1
1.1 Syfte & Mål ... 2
1.2 Frågeställning & Hypoteser: ... 2
1.3 Avgränsning ... 3 1.4 Övergripande metod ... 3 2. Bakgrund ... 4 2.1 Metaller i mark ... 4 2.2 Fytoremediering ... 8 2.3 Salix ... 9 2.3.1 Salix i allmänhet ... 10 2.3.2 Odling av Salix ... 12 2.4 Bladvass ... 17 2.4.1 Bladvass i allmänhet ... 17 2.4.2 Odling av bladvass ... 19
2.5 Förbränning och energiutvinning ... 21
2.5.1 Alternativ hantering av Salix och bladvass ... 26
2.6 Fältstudie – Områdesbeskrivning ... 27
3. Material och metoder ... 30
3.1 Jordmaterial, växter och analys ... 30
3.1.1 Runda 1 ... 31
3.1.2 Växtmaterial - Salix och bladvass ... 32
3.1.3 Runda 2 ... 32
3.2 Åtgärspotential ... 33
3.3 Energikostnader ... 34
3.4 Statistisk analys ... 35
ix
4.1 Växt- och jordstatus vid krukexperiment ... 35
4.2 Analysresultat av jord ... 37
4.3 Implementering av Salix och bladvass vid Lagunen ... 41
4.3.1 Åtgärdspotential... 43
4.3.2 Kostnadskalkyl ... 44
4.4 Salix och bladvass som konkurrenskraftigt biobränsle ... 44
5. Rekommendationer ... 45
6. Rekommendationer för framtida studier... 46
7. Slutsats ... 46
1
1. Introduktion
Genom miljöbalken och de av riksdagen fastställda miljömålen är det övergripande syftet att främja en ekologiskt hållbar utveckling, vilket innefattar skydd av människors hälsa, markmiljön (inkl. ekosystem), grundvatten (dricksvatten) och ytvatten (ska skyddas mot miljöeffekter och avvikande från normalt förekommande halter).
Förorenade områden är ett stort problem över hela världen och bara i Sverige finns cirka 40 000 platser med potentiella risker för miljö och människors hälsa (Naturvårdsverket 2006). År 2011 rapporterades 2,5 miljoner potentiellt förorenade områden i Europeiska Unionens 39 medlemsländer (EEA 2014). Många av områdena är förorenade av metaller och ofta beror föroreningarna på mänsklig aktivitet som soptippar, avfallsdeponier, jordbruk eller gruvdrift (Wuana & Okieimen 2011; EEA 2014).
Genom grund- och ytvatten sprids metallerna snabbt. Eftersom metallerna inte kan brytas ner utan endast ändra form och gärna binder till organiska partiklar ackumuleras de högre upp i näringskedjan (Naturvårdsverket 2016a). Många metaller är livsnödvändiga för människor, djur och växter, men vid för höga halter kan de istället vara giftiga. För människor och djur kan höga halter orsaka cancer, samt andra sjukdomar och i växter kan metaller bidra till en minskad fotosyntes eller nedsatt förmåga att ta upp näringsämnen (Salemaa & Monni 2003; Borghi et al. 2007; Naturvårdsverket 2016a; Naturvårdsverket 2008).
2
På grund av nackdelarna med konventionella metoder har intresset för fytoremediering som alternativ blivit större de senaste åren (Ansari et al. 2016; McCutcheon & Schnoor 2004; Kubátová et al. 2016; Ali et al. 2013) och beror till stor del på den låga kostnaden, samt fördelarna med att låta naturen sköta reningen. Begreppet fytoremediering är ett samlingsord för flera metoder baserad på växters förmåga att återställa eller stabilisera förorenad mark, sediment, vatten och luft från föroreningar (EPA 2001).
1.1 Syfte & Mål
Syftet med denna studie är att undersöka potentialen att använda fytoremediering som åtgärdsmetod vid Ekebyverket i Eskilstuna och om lokala växter från området kan användas. Målet är att öka samhällsdebatten och bidra med långsiktiga lösningar kring hur hållbara åtgärdsmetoder kan implementeras vid förorenade områden.
Målgruppen för projektet är främst miljökonsulter, miljöförvaltningar och beställare som är intresserade av fytoremediering, samt hur metoden appliceras i Sverige.
1.2 Frågeställning & Hypoteser:
Kan lokala växter som Salix sp och bladvass användas som en fytoremedieringsmetod vid Ekebyverket?
o Kan dessa växter reducera halten tungmetaller i jordmaterialet? o Reduceras halten tungmetaller olika i olika jordmaterial?
o Är implementering en hållbar lösning med avseende på ekonomi, miljö
och sociala aspekter?
o Kan dessa växter användas på andra områden med liknande
föroreningsgrad?
Är Salix och bladvass konkurrenskraftigt som biobränsle?
Salix och bladvass kan diskuteras som ett alternativ vid presentation av
3
förorenade områden innebär att naturen får sköta mycket av jobbet själv. Generellt bidrar det till lägre kostnader, minskad användning av maskiner och fortsatt bördig jord, samt ge en naturlig miljö för djurliv och öka trivsamheten för människor på området.
Studien kan användas som underlag för en åtgärdsutredning på det undersökta området. Resultatet från studien kan ge stöd för hur dessa växter skulle kunna implementeras på områden med liknande föroreningsgrad.
1.3 Avgränsning
Projektet avgränsas med fokus på metaller i jordprover från kända förorenade områden vid Ekebyverket, specifikt tre provpunkter (NC33, NC34 och NC35), se Figur 1. Undersökningar av jordproverna begränsas till analyser av pH, torrsubstans (TS), total organisk kol (TOC), glödförlust, samt metallerna arsenik, barium, kadmium, kobolt, krom, koppar, kvicksilver, nickel, bly, vanadin och zink. Tidsramen för detta arbete är 20 veckors heltidsstudier, vilket innebär att ytterligare föroreningar i luft, grund- och ytvatten, samt biomassa inte kommer behandlas.
Figur 1. Karta över Ekebyverket med markerade provpunkter där jordmaterial insamlades ifrån.
1.4 Övergripande metod
4
från området analyseras med avseende på tungmetaller innan växterna odlas i växthus. Krukexperimentet avslutas med en ny analys av jordmaterialet från krukorna efter 80 dagars odlingstid. Skillnader i halterna metaller före och efter plantering kan ge underlag för om tungmetallerna tas upp av växterna.
2. Bakgrund
Den teoretiska delen av studien består av att sammanfatta den fakta som finns av de undersökta tungmetallerna i fråga och bakgrundsinformation om fytoremediering. Vidare sammanställs hur Salix och bladvass skulle kunna användas för att åtgärda områden förorenade av tungmetaller och hur de odlas samt hur de skulle kunna utnyttjas som biobränsle efter skörd.
2.1 Metaller i mark
Metaller förekommer som partikelbundna (exempelvis som järnoxider, lermineral eller organiskt material), men även i löst form som joner (t.ex. Cd2+, Pb2+, H2AsO4-,
MoO42-, samt organiska eller oorganiska komplex). Organiskt material, framförallt
humusämnen, binder ofta starkt till metaller både i löst form och som partiklar. Fria joner är ofta de mest tillgängliga och därför de mest toxiska, men kan variera beroende på vilken metall det gäller. Kvicksilversulfid, HgS, kan exempelvis genom sulfidreducerande bakterier bilda metylkvicksilver (CH3Hg+), vilket är den mest
toxiska varianten av kvicksilver. Reducerande eller oxiderade förhållanden i mark kan ha en avgörande roll i vilken form metallerna förekommer och därmed deras bindningskapacitet. Adsorption av metaller påverkas i största grad av pH-värdet. Partiklarnas laddning påverkas av pH-värdet och bestämmer därför adsorptionen till metalljoner. Anjoner har störst bindningspotential vid lågt pH och katjoner vid högt pH. För att ta reda på den potentiellt lakbara mängden metaller i mark används ofta utspädd syra för metaller som uppträder som katjoner (bl.a. Cd, Cu, Pb, Zn) och en bas eller oxalat för metaller som uppträder som anjoner (As, Sb, Mo, Se, V och W) (Naturvårdsverket 2006). En kortfattad beskrivning av de metaller som undersökts vid denna studie kan ses nedan.
Arsenik (As)
5
arsenik som förekommer vid en viss termodynamisk miljö. I syresatta miljöer är Fe(III) den mest stabila och då även As(V). Under reducerande förhållanden är Fe(II) den mest stabila formen tillsammans med As(III). Jämviktsreaktionen för As(III) och As(V) är däremot långsam och gör att båda formerna ofta förekommer samtidigt i vatten. Arsenat(V) har liknande adsorptionsegenskaper som fosfat (PO4-3), vilket gör
att den gärna binder hårt till järnoxider oberoende av pH. Arsenit(III) är mer lättlösligt och utlakas därför lätt i miljöer med lågt pH (Gustafsson et al. 2007). Generella riktvärden för arsenik är 10 mg/kg TS (KM) och 25 mg/kg TS (MKM) (Naturvårdsverket 2016b)
Barium (Ba)
Barium bildar lösta Ba2+-joner i vatten. Alla föreningar med barium är giftiga.
Jonradien är stor och följer kaliums bindningsegenskaper (SLU 2007). Generella riktvärden för barium är 200 mg/kg TS (KM) och 300 mg/kg TS (MKM) (Naturvårdsverket 2016b).
Kadmium (Cd)
Kadmium har liknande kemiska egenskaper som zink, vilket gör att växt- och djurliv har svårt att skilja på dem i upptaget. I vatten förekommer kadmium i jonform som Cd2+. Metallen har ingen känd biologisk funktion och betraktas ofta som en av de mest
toxiska, vilket delvis beror på förmågan att substituera zink och minska enzymernas funktion. Ackumulation av kadmium i översta jordlagren i jordbruksmark är vanligt förekommande då det tidigare i hög grad fanns i handelsgödselmedel med fosfor. Vid högre pH (>7-8) kan kadmium fällas ut i form av karbonater, eftersom strukturen (Cd2+) liknar den för kalcium (Ca2+) och förekommer därför ofta tillsammans med
kalciumkarbonat (CaCO3, CdCO3). I reducerade miljöer bildar kadmium svårlösliga
6 Kobolt (Co)
Kobolt förekommer oftast som Co(II), men även som Co(III) i syresatta miljöer med högt pH. Precis som för många andra metaller binder kobolt gärna till organiskt material och har markkemiska egenskaper liknande de för nickel och zink. Absorption till manganoxider och sulfider förekommer ofta. Vid låga pH-värden är kobolt relativt lättlösligt, men starkt bundet vid höga. För djur är kobolt ett viktigt näringsämne och även för N2 fixerande bakterier. Däremot är det ett cancerogent ämne som antas kunna
substituera zink (Naturvårdsverket 2006). Generella riktvärden för kobolt är 15 mg/kg TS (KM) och 35 mg/kg TS (MKM) (Naturvårdsverket 2016b).
Krom (Cr)
Krom förekommer vanligtvis i två former, krom(III) och krom(VI). Krom(III) binder lätt till organiskt material i högt pH och till järn(hydr)oxider vid lågt, vilket gör metallen svårlöslig. Krom(VI) är mer toxisk då den är mer mobil än krom(III) och alltid förekommer som anjon (kromat, CrO42-). I syresatta jordar med högt pH och låg halt
organiskt material kan krom(VI) förekomma som bindningar med järnoxider och karbonater (Gustafsson et al. 2007). För människor är krom ett essentiellt näringsämne som används vid förbränning av socker i kroppen, men kan i höga halter orsaka olika sjukdomar som t. ex. cancer och problem med luftrör (Naturvårdsverket 2006). Generella riktvärden för totalhalt krom är 80 mg/kg TS (KM) och 150 mg/kg TS (MKM) (Naturvårdsverket 2016b).
Koppar (Cu)
Koppar är ett essentiellt näringsämne för människor, många växter och djur. Metallen är starkt bundet till marken och har överlag en tendens att adsorberas till hydroxyl-, karboxyl- och fenolgrupper. Mobiliteten avgörs främst beroende på olika komplexbindningar och koncentrationen av fria joner i lösning är ofta väldigt liten. I vatten förekommer koppar i jonformen Cu2+ och under reducerande förhållanden ofta
bundet till svårlösliga sulfider (Gustafsson et al. 2007). Generella riktvärden för koppar är 80 mg/kg TS (KM) och 200 mg/kg TS (MKM) (Naturvårdsverket 2016b).
Kvicksilver (Hg)
Kvicksilver är precis som koppar starkt bundet till organiskt material och gäller framförallt för formen Hg2+ som gärna binder till tiolgrupper (-SH-grupper) i det
organiska materialet. Den oladdade formen av kvicksilver (Hg0) är lättflyktig och avges
7
en av de giftigaste kvicksilverföreningarna. Metylkvicksilver bildas genom sulfatreducerande bakterier när akvatiska miljöer börjar bli reducerande och ackumuleras lätt delvis på grund av dess lilla storlek och att vara fettlösligt (Gustafsson et al. 2007). Generella riktvärden för kvicksilver är 0,25 mg/kg TS (KM) och 2,5 mg/kg TS (MKM) (Naturvårdsverket 2016b).
Nickel (Ni)
Nickel binds relativt hårt i marken, men beror precis som för kadmium på pH-värdet, mängden organiskt material och den kemiska sammansättningen av markvattnet. Det finns inga biologiska funktioner för nickel. Geokemin skiljer sig något från kadmium då den inte binder till svårlösliga sulfider lika lätt. Vid högre pH minskar mobiliteten hos nickel, precis som kadmium, då metallen lättare fäller ut som hydroxider. Nickel blir därför mindre lösligt, vilket också beror på en ökad absorption till ytor (Gustafsson et al. 2007). Generella riktvärden för nickel är 40 mg/kg TS (KM) och 120 mg/kg TS (MKM) (Naturvårdsverket 2016b).
Bly (Pb)
Bly har liknande markkemiska egenskaper som koppar och kvicksilver då den gärna binder hårt till marken och förmågan att bilda komplex med hydroxyl-, karboxyl- och fenolgrupper är stor. Mobiliteten är störst vid lågt pH då den har störst möjlighet att vara som fria joner (Pb2+), men precis som för koppar och kvicksilver är den svårlöslig
och transporteras därför oftast som partiklar (Gustafsson et al. 2007). Generella riktvärden för bly är 50 mg/kg TS (KM) och 400 mg/kg TS (MKM) (Naturvårdsverket 2016b).
Vanadin (V)
8 Zink (Zn)
Zink har liknande markkemiska egenskaper som kadmium och nickel. För människor, växter och djur är zink ett livsnödvändigt näringsämne. Som tidigare nämnts är de kemiska egenskaperna mellan zink och kadmium lika, vilket gör att de konkurrerar. Den binds relativt hårt i jord, men inte lika hårt som koppar och bly. Mobiliteten beror på pH-värde, koncentration av organiskt material och markvattnets sammansättning. I vatten förekommer zink i fri jonform som Zn2+ och störst mobilitet
sker vid lågt pH (Gustafsson et al. 2007). Generella riktvärden för zink är 250 mg/kg TS (KM) och 500 mg/kg TS (MKM) (Naturvårdsverket 2016b).
2.2 Fytoremediering
Fytoextrahering och fytostabilisering är de åtgärdstekniker som är mest intressanta
för denna undersökning. Fytoextrahering innebär att föroreningar i mark tas upp av växtens rötter och förflyttas till biomassa ovan jord (se Figur 2).
Figur 2. När växterna ackumulerat föroreningar i den ovanjord växande biomassan kan de avlägsnas från platsen genom skörd.
9
deponianläggningar eller återvinnas i industrin om koncentrationerna av metaller är tillräckligt höga (Ali et al. 2013). Fytostabilisering innebär att föroreningarna absorberas av rötterna i marken, vilket förhindrar att de sprids som damm, till grundvatten eller via jorderosion.
En nackdel med fytoremediering är tidsåtgången för rening av det förorenade området. Beroende på föroreningsnivå kan processen ta lång tid. Fytoremediering är därför mest lämpad för förorenade områden med låga till måttliga halter och utrymme för växterna att växa under en längre tid (Greger & Landberg 1999). Ett sätt att öka upptagningsförmågan är att tillsätta syntetiska kelat som exempelvis etylendiaminitetraättiksyra (EDTA) eller surgörande kemikalier, vilket ökar metallers biotillgänglighet. Med denna metod ökar metallernas löslighet, vilket i sin tur kan orsaka en föroreningsspridning till grundvattnet (Greipsson 2011).
Vissa växter kan kategoriseras som hyperackumulatorer. En simpel definition för hyperackumulatorer finns egentligen inte, men en av de mest använda citat är från Baker & Brooks (1989) där ”hyperackumulatorer är växtarter som ackumulerar mer än 100 mg kg-1 torrvikt Cd, eller mer än 1000 mg kg-1 torrvikt Ni, Cu och Pb eller mer än
10 000 mg kg-1 torrvikt Zn och Mn i deras skott när de odlas på metallrika jordar”.
Några exempel på hyperackumulatorer är kinesisk kantbräken (Pteris vittata) som kan ackumulera höga halter arsenik (Ma et al. 2001), backskärvfrö (Thlaspi
caerulescens L.) som hyperackumulerar Zn2 (Milner & Kochian 2008) och
seraptasenap (Brassica juncea) som kan ta upp Cd, Pb, Se, Zn, Cr, Cu, och Au (Goswami & Das 2015). Problemet med hyperackumulatorer är ofta låg biomassatillväxt, långsam tillväxt och att de är endemiska, dvs. nischade till ett specifikt habitat (Dharmendra 2013). Extrahering av växterna och därmed metallerna kan därför vara energikrävande och kostsamma.
2.3 Salix
10
2.3.1 Salix i allmänhet
I Sverige odlas korgvide (Salix viminalis), sammetsvide (Salix dasyclados) och sibirisk korgpil (Salix schwerinii) för användning som bioenergi (Jordbruksverket 2013; Paulrud et al. 2014; Christer 2004; Greger & Landberg 1999). Det finns cirka 300 olika arter, exklusive hybrider, med en varierande förmåga att ackumulera metaller (Landberg & Greger 1994; Marmiroli et al. 2011; Jordbruksverket 2013). Till och med via streckkodssekvensering kan det vara svårt att artbestämma plantor (Percy et al. 2014), vilket ställer frågan om hur många olika arter som verkligen finns.
Fördelarna med Salix gör att den skulle kunna användas både i energisyfte och för rening av förorenad mark. Salix-arter har generellt hög evapotranspiration och kan därför behandla stora vattenmängder, vilket gör att en större mängd metaller har möjlighet att kunna tas upp (Kuzovkina & Volk 2009; Agriculture & Resource Management Council of Australia & New Zealand 2000). Rotdjupet (<60 cm) hos Salix är en begränsning för växtens möjlighet att ta upp metallerna (Greger 2016) och en hög biomassaproduktion är viktigt för att kunna ackumulera dem (Evlard et al. 2014; Greger & Landberg 1999). Den relativt effektiva förmågan att transportera föroreningarna från rötterna upp i biomassa, blad och skott i Salix gör att föroreningar skulle kunna avlägsnas och hanteras genom skörd (Yu & Gu 2009; Zacchini et al. 2011; Greger & Landberg 1999).
Salix relation till metaller har undersökts i flera studier (Landberg & Greger 1994;
Landberg & Greger 1996; Meers et al. 2005; Klang-Westin & Eriksson 2003; Greger & Landberg 1999; Kuzovkina et al. 2004; Zárubová et al. 2015; Tlustoš et al. 2007). Generellt undersöks förmågan att ackumulera metaller, framför allt kadmium, och toleransen vid olika koncentrationer mellan kloner och arter vid olika hydroponiska förhållanden eller krukexperiment. Resultaten från studierna varierar där vissa kloner har hög ackumulation av metaller i skotten men låg tolerans, medan andra har hög ackumulation och hög tolerans.
11
är oberoende på vilka jordegenskaper och koncentrationer som växten planteras i (Greger & Landberg 1995).
Den potentiella upptagningsförmågan av arsenik är generellt relativt liten i Salix (<3,82 mg kg-1) (Cloutier-Hurteau et al. 2014). Några av de få studier som presenteras
tyder på att arsenik framförallt ackumuleras i rotmassan och därmed stabiliseras (Tlustoš et al. 2007; Cloutier-Hurteau et al. 2014; Purdy & Smart 2008; Stoltz & Greger 2002).
Salix förmåga att reducera kadmium är kanske den mest frekvent förekommande i
litteraturen (Greger & Landberg 1997; Greger & Landberg 1999; Stoltz & Greger 2002; Klang-Westin & Eriksson 2003; Meers et al. 2005; Zárubová et al. 2015; Tlustoš et al. 2007; Cloutier-Hurteau et al. 2014; Ruttens et al. 2011; Mertens et al. 2006) av de undersökta metallerna i denna studie. En högre initial kadmiumhalt ökar tiden som behövs för reduktion (Greger & Landberg 1999). Metallen ackumuleras framförallt i cellväggen i bladen (Stoltz & Greger 2002). Varierande resultat och olika metoder gör att den potentiella upptagningsförmågan i Salix är svårbedömd.
Salix har svårt att transportera bly till växtdelar ovan jord och ansamlas istället runt
rotdelarna (Tlustoš et al. 2007). Bly och koppar ackumuleras hos Salix till störst del i stammen (Stoltz & Greger 2002). Även för koppar varierar resultaten mellan olika studier (Meers et al. 2005; Zárubová et al. 2015; Cloutier-Hurteau et al. 2014; Stoltz & Greger 2002; Mertens et al. 2006). Upptaget av nickel har undersökts i flera studier (Pulford et al. 2002; Mertens et al. 2006) och största delen ackumuleras i rötterna (Cloutier-Hurteau et al. 2014).
Ackumulationen av zink i biomassan i Salix är relativt hög i jämförelse med andra metaller där störst halt ackumuleras i bladen (Stoltz & Greger 2002), men även här varierar resultaten mellan olika studier (Meers et al. 2005; Zárubová et al. 2015; Tlustoš et al. 2007; Cloutier-Hurteau et al. 2014; Mertens et al. 2006).
12
Salix har anlagts vid flera platser i Sverige för rening av avloppsvatten och lakvatten
vid reningsverk och soptippar (Jordbruksverket 2013; Melin et al. 2004; RVF 2003). Aska från förbränningsanläggningar och slam från avloppsreningsverk används som gödselmedel i Salix-odlingar som brukas i energiskogssyfte (Dimitriou et al. 2006). Metaller bryts inte ner utan ändrar enbart form och därför kan innehållet av tungmetaller i förbränningsmaterialet öka mängden aska. Metallerna förekommer i bottenaska, flygaska och i gasform i rökgaserna. För metallerna zink, kadmium och bly är koncentrationen störst i flygaska. Förbränning av växter som tar upp metaller bör därför endast ske i värmeverk som är utrustade med effektiva stoftavskiljare eller annan reningsutrustning (Delplanque et al. 2012; JTI 2011; Naturvårdsverket 2005).
2.3.2 Odling av Salix
Jordbruksverket tog 2012 fram en handbok för Salix-odlare (Jordbruksverket 2013) i samband med Jordbruksverkets satsning på Salix för att synliggöra de fördelar som finns med växten. Handboken har legat som grund för detta kapitel.
I Sverige har odling av Salix pågått sedan början av 1970-talet, men fick sitt stora genomslag under början av 1990-talet i och med jordbruksmark som togs ur produktion. Idag uppgår den odlade arealen av Salix i Sverige till cirka 9830 hektar (Dimitriou & Mola-Yudego 2016). Många gånger odlas Salix som energiskog, men har på senare år även använts på jordbruksmark i syfte att minska halten kadmium i jorden (Greger & Landberg 2015).
13
Anledningen till att just Salix används i Sverige som biobränsle beror framför allt på dess snabba tillväxt (Paulrud et al. 2014). Vanligtvis används kloner av Salix för bioenergiändamål genom att plantera sticklingar från en och samma ursprungsplanta. Växterna blir därmed genetiskt identiska. De framtagna klonerna kan delas in i tre kategorier (frosttåliga sorter, torktåliga sorter och värmetåliga sorter) beroende på vilket klimat de är framtagna för och som endera han- eller honkloner. För odling av
Salix som biobränsle föreslår Jordbruksverket (2013) bland annat klonerna Tora,
Tordis, Inger, Sven, Olof och Torhild (Agrobränsle AB 2002) som är väl anpassade till svenska ”normalförhållanden:
Tora (Salix schwerinii x Salix viminalis) är en korsning mellan arterna sibirisk korgvide och klonen Orm. Klonen är nästan resistent mot bladrost och undviks av vilt, samt många skadegörande insekter. Denna ger även en mycket hög avkastning.
Tordis ((Salix viminalis x Salix schwerinii) x Salix viminalis) är en korsning mellan Tora och Ulv. Även denna klon är fri från bladrost, däremot bör frostutsatta lägen i- och norr om Svealand undvikas.
Inger (Salix triandra x Salix viminalis) är en hybrid mellan en sibirisk klon och klonen Jorr.
Sven (Salix viminalis x (Salix viminalis x Salix schwerinii)) är en korsning mellan klonerna Jorunn och Björn. Klonen har en hög avkastning, relativt fri från bladrost, men bör unvikas i- och norr om Svealand.
Olof (Salix viminalis x (Salix viminalis x Salix schwerinii)) är en hybrid mellan sorterna Bowles Hybrid och Björn. Klonen har en mycket hög avkastning och är relativt fri från bladrost. Liksom Tordis och Sven bor frostutsatta lägen i- och norr om Svealand undvikas.
Torhild ((Salix schwerinii x Salix viminalis) x Salix viminalis) är en hybrid mellan klonerna Tora och Orm. Klonen är relativt resistent mot bladrost och ger en hög avkastning.
14
Salix-odling brukar vara under 20-25 år innan nya skott av Salix sätts eller andra
jordbruksgrödor.
I en Salix-odling planteras växterna ofta i dubbelrader med en densitet av 10 000 – 20 000 plantor per hektar (Bullard, Mustill, Carver, et al. 2002; Bullard, Mustill, McMillan, et al. 2002). Odlingen ger vanligtvis sin första skörd efter cirka fyra och ett halvt år och därefter vanligtvis vart tredje eller vart femte år (Magnusson 2011). En längre skördecykel har påvisats vara mer effektiv vid fytoextrahering (Zárubová et al. 2015). Vid första skörd, under bra odlingsförhållanden, uppgår avkastningen till 20-25 ton TS/ha (7 ton torrsubstans per hektar och år) och 30-35 ton TS/ha (9 ton torrsubstans per hektar och år) vid efterföljande skördar (Jordbruksverket 2013). När vedbiomassan är över 25 ton torrsubstans per hektar anses odlingen vara skördemogen. Ofta inträffar detta när stamdiametern på de grövsta skotten överstiger sju centimeter. Tidpunkten för skörd av Salix i förbränningssyften är mellan oktober till april innan tillväxtsäsongen börjar och när dygnsmedeltemperaturen är under 40
C. Det kan vara fördelaktigt att skörda när det är tjäle i backen, eftersom maskinerna som ofta används är tunga och därför kan påverka markens struktur, samt bärighet. Med det sagt är det även värt att nämna att ett större snödjup (> 40 cm) kan skapa problem då snö dras med i flisen vid direktflisning (Magnusson 2011).
Skörd av Salix kan göras med hjälp av olika tekniker och mer ingående beskrivningar ges i Baky et al. (2009) och Magnusson (2011), men redovisas kortfattat nedan och några exempel presenteras i Figur 3-5. Metoderna är under utveckling till att bli allt mer effektiva, men kan generellt delas in fyra kategorier:
Helskottsskörd
Salix-skotten kapas hela och faller till marken eller samlas på skördemaskinen eller
15
Figur 3. Exempel på maskiner som kan användas vid helskottsskörd av Salix, Magnusson (2011).
Buntskörd
De hela Salix-skotten buntas direkt under skörd eller alternativt vid fältkanten. Metoden är därför en typ av helskottsskörd. Buntarna kan precis som vid alternativet ovan skördas direkt vid fältkanten eller vid anläggning.
Direktflisande skörd/bitskörd
Salix-skotten kapas till bitar eller flisas direkt
vid skörd och överförs till medföljande traktor med container. Materialet lagras i containern eller dumpas vid fältkanten innan det transporteras till förbränningsanläggning.
16 Rundbalspressning
Med detta alternativ skördas, kapas och balas Salixen i ett och samma moment i en så kallad ”biobaler”. Biobalern är kopplad på släp till en traktor och utnyttjar traktorns tyngd för att böja ned materialet mellan hjulen. Biobalern kapar och roterar materialet till att bilda en bal (rundbal). Metoden har fördelen att balarna snabbt tappar fukt, vilket bidrar till en högre energiutvinning. Balarna måste samlas in, vilket vanligtvis sker med en skotare. Skördesystemet är relativt nytt, den första i Sverige köptes 2011 och utveckling sker för en optimal drift och lägre skördekostnader.
Figur 5. Exempel på hur skörd av Salix genom rundbalspressning kan se ut, Magnusson (2011).
Kostnad och energipotential är två aspekter som kan påverka valet av skördemetod, men även klimatpåverkan, hur förbränningsanläggningen kan ta tillvara på skörden, samt med vilken fukthalt den ska levereras spelar roll vid försäljning. En annan viktig aspekt att tänka på är hur effektivt transportsystemet är mellan de olika delarna av skörd. Maskinskador eller bristfällig organisation skulle potentiellt kunna leda till längre väntetider och färre delmoment skulle därför vara att föredra.
Oavsett fältstorlek går det att öka lönsamheten för Salix genom en god planering i form av en rätt utformad skördekedja, lagringsbar hantering och att finna kunder som är villiga att betala för den extra energi mellanlagring kan ge (Baky et al. 2009).
17
Jordbruksverket (2013) rekommenderar framförallt hankloner för odling, eftersom de inte bara producerar nektar, men även pollen. Andra rekommendationer är:
Plantera i flera mindre odlingar istället för i en stor Plantera nära befintliga lövskogsområden
Skörda delar av odlingen olika år Plantera flera olika kloner
Ogräsbekämpa bara vid anläggning
Anlägg odlingsfria eller blommande kantzoner kring planteringen
Inför valet av Salix-odling bör en grundlig utredning göras för att se till att föroreningar kan tas upp av växten, samt välja en art som klarar av tillväxtmiljön i det förorenade området (Kuzovkina & Volk 2009). Vissa av de förädlade klonerna är framtagna med egenskaper som gör att djurliv låter dem vara, men det är viktigt att motverka potentiella skador på växtätare som föredrar Salix som föda (Hogstad 1996; Ohlson & Staaland 2001). Avkastningens blir till stor del beroende på vilken eller vilka växter som planteras, men också andra faktorer som föroreningsgrad, tillgång till vatten och näringsämnen, klimatvariationer och andra yttre faktorer som ogräsangrepp samt skadedjur (Zárubová et al. 2015).
2.4 Bladvass
Bladvass (Phragmites australis) tillhör växtfamiljen gräs (Poaceae) och enhjärtbladiga växter. Växtfamiljen innehåller 635 släkten och 9000 arter, bland annat de fyra sädesslagen vete, havre, korn och råg (NRM 2016).
2.4.1 Bladvass i allmänhet
18
Östersjöområdet (>230 000 hektar), vilket tyder på en markant ökning de senaste åren.
Anläggning av våtmark för att åtgärda förorenat vatten är redan en etablerad och kostnadseffektiv metod (Williams 2002; Rai 2012; Uggetti et al. 2010) och har även undersökts som ett alternativ vid fytoremediering av gruvdammar (Stoltz & Greger 2002). Intresset för bland annat bladvass har ökat, eftersom biomassatillväxten snabbt blir hög och därför en potentiellt hög förmåga att ta upp eller stabilisera näringsämnen och metaller. Bladvass har dessutom en hög tålighet i mark med höga koncentrationer (Ali et al. 2013; Geber & Tuvesson 1993; Peruzzi et al. 2009; Bragato et al. 2006; Gregeby 2012; Van der Werff 1991). Bladvass kan användas som en indikator på jordar med något surt eller neutralt pH (Cofreen 2013). Förutom att agera som en fälla för näringsämnen har bladvass även en potential att användas som biobränsle (Risén et al. 2012; Iital et al. 2012). Genom skörd av bladvass beräknas en reduktion av 85-100 kg/ha kväve, 6-7 kg/ha fosfor och 75-105 kg/ha kalium (Gregeby 2012).
Studier av bladvassens potential att ackumulera metaller är relativt få och för metallerna arsenik, kvicksilver och vanadin är underlaget bristfälligt eller där resultatet inte påvisar ett signifikant upptag. Även om det potentiella upptaget av arsenik är lågt i bladvass (Allende et al. 2014; Otte et al. 1990; Stoltz & Greger 2002) kan den potentiellt tolerera halter upp till 30 mg As kg-1 torr jord (Otte et al. 1990).
Uppmätta halter barium i bladvassens skott visar på en potential av 28,36 mg kg-1
(Ahmad et al. 2014). Upptaget av kadmium varierar mellan studier från 0,013 mg kg-1
till 2,93 mg kg-1 i skotten (Ahmad et al. 2014; Stoltz & Greger 2002; Vymazal et al.
2007). För kobolt och krom är den respektive potentiella upptagningsförmågan 5,09 mg kg-1 och 8,82 mg kg-1 (Ahmad et al. 2014).
Bladvassens potential att ackumulera koppar varierar med den ursprungliga koncentrationen i marken eller vattenlösningen (Ye et al. 2003; Stoltz & Greger 2002; Ahmad et al. 2014). I hydroponiska odlingar är bladvassens potential 500 mg Cu kg-1 i
skotten och 8883 mg Cu kg-1 i rötterna (Ye et al. 2003). I mark har bladvass visat ett
potentiellt upptag på 37,89 mg Cu kg-1 (Ahmad et al. 2014).
Uppmätta halter av bly i skotten på bladvass visar på en potential av 15,53 mg Pb kg -1 (Ahmad et al. 2014), men upp till 4,1 mg Pb kg-1 i en studie från Stoltz & Greger (2002).
19
al. (2007) och Ahmad et al. (2014) som visar på en upptagningspotential av omkring 1 mg Ni kg-1, vilket kan jämföras med resultat från Bragato et al. (2006) där bladvassens
potential observerats vara omkring 60 mg Ni kg-1.Upptag av zink i bladvasskotten
skiljer sig mellan studier från Stoltz & Greger (2002) och Ahmad et al. (2014) med respektive resultat av 68 mg Zn kg-1 och 1,35 mg Zn kg-1 vardera.
På senare år har vassbäddar använts i New England (USA) och flera länder i Europa bland annat Polen, Danmark, Frankrike och Tyskland för att avvattna och stabilisera avloppsslam (Kołecka et al. 2017; Brix 2017; Begg et al. 2001; Nielsen et al. 2014; Uggetti et al. 2010; Obarska-Pempkowiak et al. 2003; Bragato et al. 2006). Från undersökningarna konstaterades minskning av suspenderade partiklar, biologisk nedbrytbara substanser (BOD5), minskning av kolibakterier och reduktion av
nitrat-kväve, fosfor, samt metaller. Slammet kan potentiellt användas som ett miljövänligt gödselmedel på jordbruksmark och därmed minska användandet av producerade kemikalier på grödor (Stoltz & Greger 2002). Metaller ackumuleras huvudsakligen i det avvattnade slammet (Begg et al. 2001), men även i växtens rötter (Stoltz & Greger 2002). Detta innebär att slammet potentiellt innehåller förhöjda halter metaller som sedan sprids på jordbruksmark och den som vill använda avloppsslam måste:
1. Klara kraven på innehåll av tungmetaller som anges i förordningen (SFS 1998:944) om bland annat förbud med hantering, införsel och utförsel av kemiska produkter (§ 20)
2. Användas i enlighet med Jordbruksverkets föreskrifter och allmänna råd (SJVFS 2004:62) om miljöhänsyn i jordbruket vad avser växtnäring
3. Användas i enlighet med Naturvårdsverkets föreskrifter (SNFS 1994:2) om skydd av miljön, särskilt marken, när avloppsslam används i jordbruket.
2.4.2 Odling av bladvass
20
Vass kan användas som bioenergi i flera former. I fast form används biomassan vid förbränningsanläggningar eller omvandlas till flytande biobränsle (bioetanol). Genom rötning kan materialet bilda biobränsle i gasform (biogas, biometan). Vilken metod som är mest lönsam beror på en rad faktorer som bland annat växtens enskilda egenskaper, lokalen den växer på och när den skördas. De viktigaste faktorerna hos enskilda bestånd av vass är fukthalt, värmevärde, innehåll av flyktiga ämnen, askhalt och beståndsdelar. Fukthalten varierar under året och är lägst under vintern. En hög fukthalt minskar värmevärdet och ökar mängden förbränningsgaser. Skörd av bladvass för användning som fastbränsle sker därför oftast under vintern (Cofreen 2013; Berglund 2010; Linder 2010). Det slam som bildas vid rötning skulle kunna användas som organiskt gödselmedel. Fem hektar bladvass uppskattas kunna generera slam till 2-4 hektar jordbruksmark förutsatt att omkring 60% av kvävet och nästan 100% av fosfor återgår till slammet (Cofreen 2013).
Tidpunkten för skörd av vassen varierar beroende på syftet med systemet. För att inte återföra ämnen till jordmaterialet eller slammet bör vassen skördas med hänsyn när ämnena ackumulerat sig som mest i växtmaterialet ovanjord. Under växtsäsongen sjunker den relativa halten näringsämnen i vassen på grund av utspädning. Trots det är mängden biomassa som högst och den totala halten näringsämnen som störst i slutet av juni eller början av augusti. Vid denna tidpunkt är vassen också som mest intressant att skörda inför rötning. Under vintern har mycket av näringsämnen förflyttats till växtens rhizom för att bli stark till tillväxtsäsongen (Granéli et al. 1992; Gessner 2001). De högsta metallhalterna i vassen förekommer under senhösten, vilket också skulle tala för att genomföra skörd senare under året (Bragato et al. 2006). En bedömning måste därför göras för att bestämma när rätt tidpunkt för skörd infaller baserat på de huvudsakliga faktorerna: värmevärde, upptag av näringsämnen, upptag av metaller, askhalt, biomassa, potential som produkt vid tillverkning av biogas och organiskt gödningsmedel, samt bioetanol.
21
sommaren eller tidiga hösten skulle kunna vara att rhizomen kan skadas av skördemaskinen, vilket i sin tur leder till en försämrad reproduktion på efterföljande år. Under vintern är näringsinnehållet i biomassan låg, vilket bidrar till en minskad reduktion av näringsämnena i marken (Granéli 1984).
2.5 Förbränning och energiutvinning
Genom användning av koldioxidneutrala biobränslen och förnybara energikällor som exempelvis odling av Salix och bladvass ökar möjligheten att nå Sveriges klimat- och energimål, vilka innefattar att fram till 2020 minska utsläppen av växthusgaser med 40% jämfört med 1990, en användning om minst 50% förnybar energi och en 20% effektivare energianvändning samt öka andelen förnybar energi i transportsektorn till minst 10%. Förutom att användas som bioenergi skulle biomassan kunna användas i pappersmassaindustrin och som olika träprodukter, vilket skulle minska förbrukningen av naturresurser.
Beroende på vilken skördenivå växterna ger och gödslingstyp kan avkastningen bli olika. Kostnaderna för skörd kan reduceras genom en tydlig organisation mellan olika aktörer. Flera odlare skulle exempelvis kunna gå samman och köpa gemensamma maskiner/vagnar eller alternativt ha en överenskommelse om att odlare får köra åt dem som köpt maskinerna. Detta skulle även vara en fördel ur ett hållbarhetsperspektiv.
22
I Tabell 1 sammanfattas generella värden av avkastning, nyttigt värmevärde, effektivt värmevärde, fukthalt, askhalt, svavelhalt, klorhalt, kvävehalt och bulkdensitet för Salix och bladvass.
Energiinnehållet som anläggningarna betalar för per råton levererat biobränsle kallas värmevärde. Beräkning av värmevärde sker enligt Ekv. 1(Virkesmätningsrådet 1999):
hnet = heff∗ (1 −100A ) ∗100T − hång∗ (1 −100T ) (1)
hnet = Nyttigt värmevärde per råton bränsle (MWh/ton), bränslets värmevärde efter att hänsyn tagits till bränslets effektiva värmevärde, askhalt och torrsubstans.
heff = Effektiva värmevärdet (MWh/t TS), är den totala energimängd som finns i bränslet räknat på torr bas. Värmevärde fastställs med hjälp av bombkalorimeter och arbete samt utrustning skall följa svensk standard SS- ISO 1928.
hång = Ångbildningsvärme per ton vatten i bränslet (MWh/ton), fysikalisk konstant som är en funktion av omgivningstryck och vattentemperatur (25 °C ≈ 0,678).
A = Bränslets askhalt (% av torrsubstans). Den fasta restprodukten efter förbränning. T = Torrsubstanshalt (%).
Avkastningen av bränslet som exempelvis en skörd ger beräknas genom energiinnehållet enligt Ekv. 2:
E = hnet∗ m (2)
E = Värmeenergi i levererat bränsle (MWh). m = bränslets vikt (råton).
23
sameldning av bränslen med mindre mängd aska kan den totala andelen minska (Svensk Fjärrvärme 2005; Strömberg & Svärd 2012; Blom et al. 2004).
Tungmetaller i biobränslet kan öka utsläppen av rökgaser. Metallerna återfinns i störst del som askpartiklar med undantag för kvicksilver som delvis går till rökgaserna. Avskiljning av tungmetaller vid förbränning sker via bottenaskan eller stoftpartiklar som fastnar i kolfilter, ”tvättas” ur lösning eller ansamlas i rökgaskondensorer. Salix har som tidigare nämnts en förmåga att ackumulera tungmetaller och emissioner av dem i anläggningar kan därför förväntas (Blom et al. 2004; Strömberg & Svärd 2012; Energiforsk 2015; Naturvårdsverket 2005).
Med hjälp av olika utlakningsmetoder har tungmetaller kunnat extraheras ur förbränningsaska (Avfall Sverige 2013). En annan metod med elektrodialytisk sanering har påvisat en reduktion av tungmetaller från flygaska. Metoden innebär att metaller extraheras genom elektrokemiska processer. Genom implementering har bland annat halten kadmium minskat med över 70% (Pedersen & Villumsen 2003). Eftersom många av metallerna gärna binder som partiklar finns det möjlighet att separera dem med hjälp av en jonbytarlösning. Denna teknik är relativt kostnadseffektiv, men bör undersökas vidare för att utvärdera effektiviteten på de föroreningar som önskas reduceras (Pedersen & Villumsen 2003).
Svavel och klor förekommer generellt i små mängder i de biobränslen som undersöks i denna studie och utgör därför inte några större problem. För bladvass har ingen statistik över innehåll av klor hittats i litteraturen, men kan troligtvis jämföras med värden från rörflen (Phalaris arundinacea) (Strömberg & Svärd 2012) som också är ett högväxt gräs. Klorhaltiga biobränslen kan ställa till problem för värmeanläggningen och förekommer framförallt i samband med växter med hög biomassaproduktion (Svensk Fjärrvärme 2005; Strömberg & Svärd 2012). Höga alkalivärden förekommer generellt i Salix och höarter. Genom reaktioner med klor ökar korrosionsrisken och mängden slagg, samt beläggningar, vilket i sin tur orsakar problem i anläggningen (Svensk Fjärrvärme 2005).
24
anläggningarna kan kväveoxider reduceras med ammoniak och därför kan kväveoxidemissioner minska genom ökad användning av bränslen med hög andel trä, eftersom bränslet frigör kväve i form av ammoniak (Strömberg & Svärd 2012).
Eftersom ”fukthalt” ingår som en del i formeln för beräkning av nyttigt värmevärde och kan resultatet påverka avkastningen ordentligt, se Tabell 1. Direktflisad Salix har en hög fukthalt, vilket gynnar bakterie- och mögeltillväxt och är därför inte aktuell för lagring. Skillnaden i nyttigt värmevärde mellan direktflisad Salix (50%) och torkad (20%) är från 2,2-3,9 MWh/ton (SP 2012). Fukthalten i bladvass förändras markant under året (9-50%) där halten är lägst under vårmånaderna och högst under hösten (Kask et al. 2007; Angel & Råberg 1983). Beroende på hur biobränslet skördas och hur det lagras efter skörd kan energiinnehållet bli olika. En längre lagringstid bidrar till ett större värmevärde, men genom biologisk aktivitet minskar även till viss del mängden torrsubstans (Baky et al. 2009). Bulkdensiteten är också beroende av fukthalten och är generellt större i Salix än bladvass (Strömberg & Svärd 2012; Kronbergs et al. 2012).
Då energiinnehållet bestäms av det nyttiga värmevärdet och mängden biobränsle (råton) är växtdensiteten viktig. Vid ett tätare bestånd kan en större mängd skördas och därmed öka avkastningen. Värmevärdena varierar som tidigare nämnts beroende på fukthalt, askhalt, effektivt värmevärde och ångbildningsvärme. Det är dessutom olika i olika delar av ett träd och mellan trädarter, vilket gör att resultatet får ett brett spektrum. Med hjälp av en bombkalorimeter kan det effektiva värmevärdet för ett bränsle bestämmas. För askfri Salix och bladvass ligger de effektiva värmevärdena mellan 4,4-5,6 MWh/ton TS och 4,7-5,0 MWh/ton TS vardera (Jordbruksverket 2013; Strömberg & Svärd 2012; Kask et al. 2007; Granéli 1984). Energiinnehållet per hektar kan beräknas med hjälp av avkastningen multiplicerat med effektiva värmevärdet, vilket för Salix blir 88-154 MWh/ha om avkastningen är 20-35 ton TS/ha (Jordbruksverket 2013) och 47-50 MWh/ha för bladvass om avkastningen är 10 ton TS/ha (Berglund 2010).
25
trädbränslen; 270 kronor/MWh, skogsflis; 180 kronor/MWh, biprodukter; 151 kronor/MWh. Priset på förädlade bränslen är högre, men involverar ett ytterligare steg i processen. Beroende på tillgång och efterfrågan kan dock priserna vara olika i landet (Jordbruksverket 2016). Eftersom generella värmevärden för Salix och bladvass är något lägre i jämförelse med trädbränslen bör priset också sättas någonstans mellan 151-180 kronor/MWh.
Tabell 1. Exempel på generella värden som kan användas vid kalkyler för energiutvinning av Salix och Bladvass.
Enhet Bladvass Salix Referens
Vinter Sommar
Avkastning/skörd
Salix: ~ Vart fjärde år Bladvass: Varje år
Ton TS/ha <10 20-25
(Berglund 2010; Jordbruksverket 2013)
Plantor per hektar - 2900 (JTI 2012a)
Nyttigt värmevärde (20% fukthalt) MWh/t 3,94 3,70 3,9 (SP 2012; Cofreen 2013)
Effektivt värmevärde MWh/t TS 4,7-5,0 4,4-5,6 (Kask et al. 2007; Jordbruksverket 2013; Strömberg & Svärd 2012; Granéli 1984) Högre under vintern
och lägre under sommaren Fukthalt Vikt-% 9-50 25-50 (SP 2012; Jordbruksverket 2013; Strömberg & Svärd 2012; Kask et al. 2007; Angel & Råberg 1983) Lägst under våren
och högst under hösten
Askhalt Vikt-% 2,5-7,4 1-5 (Strömberg & Svärd
2012; ECN 2012)
Svavelhalt Vikt-% 0,01-0,21 0-0,03 (ECN 2012; Strömberg &
Svärd 2012)
Klorhalt Vikt-% 0-0,56 0,01-0,1 (ECN 2012; Strömberg &
Svärd 2012)
Kvävehalt Vikt-% 0,23-1,17 0,21-0,61 (Kask et al. 2007; Berg et
al. 2007; Strömberg 2005)
Bulkdensitet Kg/m3 60-390 200-350 (Strömberg & Svärd
26
Bränslekvaliteten kan variera på många sätt och förbränningsanläggningen bör därför informeras varifrån materialet kommer för att ta reda på om potentiella föroreningsspridningar kan undvikas, minimeras eller anrikas för att utvinnas.
2.5.1 Alternativ hantering av Salix och bladvass
Förutom möjligheten att använda Salix och bladvass som biobränslen vid förbränning finns det andra alternativa lösningar på hantering. Biomaterialet skulle potentiellt kunna användas i tillverkning av exempelvis bioetanol, biogas och slam.
Bioetanol
Framställning av etanol görs genom att mala ner biomaterialet till en viss partikelstorlek, vilket varierar beroende på typ av råvara. Partiklarna bör helst vara flisade eller klippta till cirka 5 centimeter (bladvass). Precis som vid förbränning i värmeverk spelar fukthalten i materialet en stor ekonomisk roll vid produktion av bioetanol. Vid fukthalter över 30-40% blir energiåtgången oekonomisk för att reducera vattnet under etanoldestillationen (SLU 2012). Mineraler som tungmetaller, klor, kalcium och magnesium samt förhållanden mellan dem (t.ex. Ca/Mg relation) kan orsaka störningar i jäsningsprocessen (Klinke et al. 2004). Höga halter lignin i biomaterialet kan orsaka en försämrad och dyrare etanolframställning (SLU 2012). Ligninhalten i Salix varierar från olika studier, men ligger generellt omkring 20-30% (McLaughlin et al. 1996; Serapiglia et al. 2008; Waliszewska et al. 2006) med undantag i undersökningen av Szczukowski et al. (2002) där halten låg mellan 12-14%. Ligninhalten i bladvass varierar (~17-26%) med ett större innehåll under senare delen av året (Gregeby 2012). Dessa nivåer kan jämföras med tall där ligninhalten ligger på ungefär 30% (SLU 2012).
Biogas och slam
För framställning av biogas från Salix krävs förbehandling, eftersom nedbrytning av substrat med cellulosa sker långsamt och speciellt för växter innehållande lignin som inte bryts ner (SLU 2012). Genom förbehandling har Salix uppmätts ge en avkastning av biogas på upp till 440 m3/t flyktigt fast material, vilket motsvarar 240 metan m3/t
flyktigt fast material (Horn et al. 2011).
27
av biogas krävs en tillräckligt hög mängd näringsämnen och fukthalt för att bakterier ska kunna bryta ned det organiska materialet. Under vintern är vassen för torr och innehåller en för liten mängd näringsämnen, vilket gör att den inte lämpar sig för biogasframställning. Avkastningen från färsk vass skördad under sommaren ligger på
omkring 150-240 m3/ton varav innehållet metan uppgår till 50-60% (Cofreen 2013;
Iital et al. 2012). För ett projekt i Kalmar kommun uppgick metanhalten till 220 m3/t
flyktigt fast material efter rötning tillsammans med annat substrat. Bladvassen skördades i augusti 2010, ensilerades i 6 månader och hackades upp till ungefär 12 mm långa bitar innan materialet fick rötas tillsammans med annat substrat. Nettoenergiproduktionen från ett ton färsk bladvass motsvarar ungefär 38 liter bensin. Hela kommunens utbredning av bladvass (150 hektar) skulle genom skörd potentiellt bidra till bränsle för mindre än 1% av transportsektorn i Kalmar (Risén et al. 2013). Det kvarvarande slammet efter rötning kan användas som biogödsel och 1 ha bladvass skulle potentiellt kunna generera 0,7 ha kväve och 0,5 ha fosfor till jordbruksmark per år om det uppfyller de krav som finns för att återanvändas (Cofreen 2013; Risén et al. 2013).
2.6 Fältstudie – Områdesbeskrivning
Underlaget till denna fältstudie vid Ekeby reningsverk (Ekebyverket) i Eskilstuna, N 6584175, E 582997 (SWEREF 99 TM), se Figur 6, utgår från den miljötekniska markundersökning och kontrollprogram (granskningshandling) som Norconsult AB genomförde på området under 2015 och 2016 (Orlovskaya Köll & Engqvist 2015; Gillmark & Jöngren 2016).
28
Sedan 1955 har Eskilstuna Stad drivit avloppsreningsverket och denna studie riktar sig mot ett område, ”Lagunen”, som omfattar ungefär 8000 kvadratmeter. Varierande halter av metaller har påträffats genom jordprovtagning, se Bilaga 5. Variationen kan bero på en diffus deponering av avloppsslam i området. Platsspecifika riktvärden (PSR) har tagits fram vid området i och med den miljötekniska markundersökningen (2015) då de generella riktvärdena (Naturvårdsverket 2016b) inte ansågs lämpliga att använda (antaganden i riktvärdesmodellen avviker från förutsättningarna på platsen), se Tabell 2.
29
Volymen förorenad jord uppskattas grovt till 20 000 – 30 000 kubikmeter, men med stor osäkerhet då föroreningsdjupet varierar i området (Orlovskaya Köll & Engqvist 2015).
Området är uppdelat i olika sektioner som på flera platser är vattenmättade och avgränsas av lervallar, vilket gör marken kuperad. Grundvattennivåerna i de olika grundvattenrören som installerats fluktuerar under året. De inbördes nivåskillnaderna av grundvattenytan mellan de olika rören är dock förhållandevis konstant. Åt norr och väster avgränsas området av en lokal väg som separerar Lagunen från övriga delar av reningsverket och det stora våtmarksområdet som också ingår i fastigheten. I öster går ett dagvattendike som avgränsar området mot Eskilstunaån. I nordlig riktning rinner dagvattendiket ut i ett annat dike innan vattnet når Eskilstunaån. Tidigare vattenprovtagningar av ammoniumkväve och metaller i diket och grundvattenrör visar ingen tydlig korrelation, vilket tolkas som att de inte har kontakt med varandra och inte är av samma ursprung. Området är bevuxet med träd och sly som exempelvis Salix och bladvass (se Figur 7).
Figur 7. Lervallar, vattenmättat underlag och växtligheten i området Lagunen som till stor del består av buskar (bland annat
30
Enligt tidigare fältprotokoll och fältprotokoll som gjorts under denna studie varierar jordarterna i området, men i huvudsak består de av fyllnadsmassor i olika kombinationer av lera, sand, grus och mulljord (se Bilaga 1-3). Under fyllnadsmassorna består jordarten vid undersökta provpunkter av lera med varierande vattenmättnadsgrad. Lervallarna, växtligheten och jordarterna har gjort området svårframkomligt och geotekniskt instabilt.
3. Material och metoder
Den huvudsakliga metoden för studien bygger på ett krukexperiment där jordmaterial analyseras med avseende på tungmetaller före och efter att lokala växter från studieområdet odlats i jorden. I denna studie har Salix sp och bladvass planterats då tidigare studier visat på deras förmåga att åtgärda förorenade områden, samt att de växer lokalt på det undersökta området.
3.1 Jordmaterial, växter och analys
31
Figur 8. Äldre och nya provpunkter som användes som underlag till aktuell studie.
För bedömning av materialets kemiska och fysiska karaktär genomfördes analyser av den insamlade jorden av Eurofins AB, Swedac ackrediterat laboratorium enligt SS-EN ISO/IEC 17025, samt certifierade enligt SS-EN ISO 9001 (kvalitet) och SS-EN ISO 14001 (miljö) (Eurofins Sverige 2017). Jordmaterialet insamlades med spade och plasthink med lock på ett djup av cirka 5 till 40 centimeter. Grövre oorganiskt material och växtmaterial sorterades ut för hand i jordmaterialet vid insamlingsplatserna. Jordmaterialet homogeniserades för att öka fördelningen av metallkoncentrationen i proverna innan de skickades in för analys.
3.1.1 Runda 1
32
avseende TOC och glödförlust är intressanta för att få en uppskattning på andelen organisk halt då metaller gärna binder till organiskt material. Vid provpunkt NC15:1 som ligger strax intill NC35 hade analyser av TOC och glödförlust utförts tidigare och ytterligare analyser vid NC35 antogs därför ge ett likvärdigt resultat.
3.1.2 Växtmaterial - Salix och bladvass
Salix sp och bladvass förekommer naturligt på undersökningsområdet och användes
i krukexperimentet. De Salix sp-stammar som användes var ettåriga med rot och skottanlag. Bladvassmaterialet som insamlades var rhizomer.
Salix sp-stammarna, som hade en snittdiameter av cirka 1 centimeter, delades i 20
centimeters längder. Bladvass-rhizomen förberedes genom att sortera de med skott med liknande storlek (cirka fem centimeter långa). Totalt användes 21 plastkrukor (0,5 L), varav sju till varje enskilt förorenat jordmaterial. Tre snitt/skott placerades i varsin kruka för varje enskilt jordmaterial, se Figur 9. En kontrollkruka fylldes med jord för varje jordmaterial. Växterna planterades under 80 dagar från den 17:e februari till 8 maj 2017. Två omgångar analyser av jorden utfördes av Eurofins AB. Den första omgången skickades in den 2:a februari och den andra den 9:e maj.
Krukorna placerades i samma växthus. Temperaturen i växthuset varierade mellan 19-20 0C. Luftfuktigheten varierade mellan 50-70 %. Dag och natt var beroende av
dagsljus och extrabelysning (Agrilight AL2007 fixture, 400 W högtrycksnatrium- och metallhalogenlampor), under 10 timmar per dygn. Extrabelysningen användes som komplement till dagsljuset för en jämn instrålning. Dagsljuset kan ibland leverera mer än 1000W per kvadratmeter. Materialet vattnades med destillerat vatten var annan dag eller efter behov. Under bevattning upptäcktes att vattenhållningen i samtliga krukor var dålig då vattnet till stor del rann igenom. Trots det var vattnet ändå kvar i systemet då krukorna stod på en bricka med kant. Växterna undersöktes okulärt minst en gång i veckan under hela experimenttiden för eventuella fytotoxiska symptom.
3.1.3 Runda 2
33
NC34:B3 på grund av kontaminering. En stor rot förväntas ha en större metallreducerande effekt per given jordmassa/volym och därför vägdes jorden och rötterna i varje kruka där rötter hade utvecklats. Inga förbränningsanalyser genomfördes, eftersom biomassan inte hunnit växa till sig tillräckligt mycket för att jämföras vid skörd. En schematisk bild över hur jordproverna analyserades kan ses i Figur 9.
Figur 5. Schematisk illustration över hur jordproverna analyserades och växterna planterades. Överkryssad kruka innebär kontaminerat prov och därmed ingen analys.
3.2 Åtgärspotential
Från tidigare studier över åtgärdspotential av tungmetaller för Salix och bladvass har en remedieringskalkyl genomförts för Lagunen, vilken kan ses i sin helhet i Bilaga 9. Tiden det tar för Salix och bladvass att återställa halterna till PSR beräknas genom
Ekv. 3enligt Robinson et al. (2006): 𝑡 =𝐶𝑚−𝐶𝑟
𝐶𝑏𝑃𝑏 (3)
, där 𝑡 är remedieringstiden (år), 𝐶𝑚 är initiala koncentrationen av metallen (g/ha),
𝐶𝑟 är den koncentration som vill uppnås, PSR (g/ha), 𝐶𝑏 är koncentrationen av
metallen i biomassan (g/t) och 𝑃𝑏 är biomassaproduktionen (t ha-1 år-1). Ekvationen tar
34
resultatdelen kan därför skilja sig från den ”verkliga” tidsåtgången. Åtgärdspotentialen beräknas avseende metaller som har påvisade halter över PSR för provpunkterna NC33, NC34 och NC35.
3.3 Energikostnader
Generella kostnadsberäkningar som utförts av Jordbruksverket (2016) ses i Bilaga 4 som sammanfattade scenarioanalyser där Salix antas ha ett effektivt värmevärde på 4,4 MWh/t och ett pris enligt 2015 års prisnivå och där odling sker på jordbruksmark. Kalkylerna avser en produktionsperiod på 22 år. Beräkningarna avser en första skörd efter fyra år och därefter vart tredje.
Beroende på hur en anläggning ska skötas, vilka arter som används och skördenivå blir kalkylerna för odling av Salix olika. I samtliga scenarier antas att så kallade ”nya högavkastande” sorter används. Dessa scenarier kan kategoriseras efter skördenivå där en låg skördenivå illustrerar en låg andel Salix per hektar som skördas. Kalkylerna inkluderar intäkter i form av bränsle (Salix) och investeringsbidrag. Utöver dessa kan även gårdsstöd och ersättning sökas för att ta emot slam. Den som är intresserad av plantering bör kontakta länsstyrelsen för att ta reda på vad som gäller för det enskilda fallet. Ofta gäller investeringsbidrag och annan ersättning endast för jordbruksmark. För bedömning om vilket scenario som är mest troligt att genomföra bör en grundlig undersökning genomföras och nya kalkyler bearbetas, då resultat kan variera för var enskilt fall.
35
hittats i litteraturen, men antas följa kalkyler (Jordbruksverket 2016) etablerade för rörflen. Samma antaganden gäller för bladvass som för Salix förutom en första skörd som sker andra året och därefter varje år. Kalkylen kan ses i Bilaga 10. Vidare information om de parametrar som behandlas i kalkylerna går att läsa på Jordbruksverkets hemsida (www.jordbruksverket.se). En mer detaljerad beräkning för specifika områden hänvisas till fortsatt arbete.
3.4 Statistisk analys
Ett Students t-test genomfördes i Excel 2016 för statistisk analys av skillnader i uppmätta halter metaller i krukor med växter mot analysresultaten för jordmaterialet i kontrollkrukorna. Analysen kan svara på om en reduktion av metaller är signifikant eller beror på naturliga variationer. Resultaten svarar även på vilken av växterna som orsakar störst reduktion av metaller. Sannolikheten att ett visst resultat är signifikant ökar med populationsstorleken. Begränsningar med metoden ligger i populationen som undersöks vid detta tillfälle då det krävs analysresultat från minst tre jämförbara krukor. Då två krukor där bladvass odlades och innehållandes jordmaterial från NC34 (B2 och B3) kontaminerades har ingen statistisk analys kunnat utföras för den provserien.
4. Resultat och diskussion
Resultaten i denna studie baseras på de analyser och observationer, inklusive växt- och jordförhållanden som erhållits från fältstudien. Vidare diskuteras även en implementering av Salix och bladvass vid Lagunen. Redovisade resultat diskuteras flytande i texten.
4.1 Växt- och jordstatus vid krukexperiment
Resultatet av krukexperimentet baseras på överlevnad och status vid avslutandet av odlingsperioden. Salix sp-plantorna har generellt klarat sig bättre i de olika jordarna i jämförelse med bladvass (se Bilaga 6).
