Lentotuhkan bioliuotus

Abstract

Energiantuotannossa syntyy tuhkaa Suomessa vuosittain noin 1,6 miljoonaa tonnia. Noin puolet tuhkista voidaan hyödyntää esimerkiksi maarakentamisessa tai metsälannoitteena. Usein tuhkat kuitenkin sisältävät liian suuria pitoisuuksia haitallisia aineita, jolloin niiden hyötykäyttö estyy. Haitallisten aineiden pitoisuuksien alentaminen on nykytekniikoilla hankalaa tai taloudellisesti kannattamatonta. Bioliuotus voisi olla yksi soveltuva tekniikka metallipitoisten tuhkien laadun parantamiseksi ja arvometallien liuottamiseksi jatkokäyttöä varten. Siinä hyödynnetään mikrobien kykyä tuottaa metalleja liuottavia aineita, kuten happoja ja aineenvaihduntatuotteita. Tämä insinöörityö on osa Savonia-ammattikorkeakoulun Tekesin rahoittamaa PROBIO –projektin rinnakkaishanketta, jossa yhtenä osana tutkittiin turpeen ja hakkeen sekapolton lentotuhkan bioliuotusta Aspergillus niger –nuijahomeella. Työn tavoitteena oli tutustua lentotuhkan hyötykäyttömahdollisuuksiin ja bioliuotuksen teoriaan sekä suunnitella koesarjat Savonia-ammattikorkeakoulun tiloissa tehtäviä bioliuotuskokeita varten. Bioliuotuskokeiden tarkoituksena oli löytää bioliuotukselle optimaaliset olosuhteet muuttamalla liuotusaikaa, tuhkapitoisuutta ja ravinneliuoksen sakkaroosipitoisuutta. Lisäksi teimme solullisia ja soluttomia liuotuksia ja kokeilimme kemiallista liuotusta. Koesarjat suunniteltiin siten, että näiden kaikkien muuttujien vaikutukset liuotuksen tehokkuuteen saatiin kartoitettua. Liukenemisen tehokkuutta seurattiin metallianalyysein sekä pH:ta mittauksin, joiden perusteella valittiin parhaita liuotuskokeita tarkempiin analyyseihin. Tämän jälkeen parhaita yhdistelmiä kokeiltiin suuremmassa mittakaavassa fermentorissa. Tutkimuksessa havaittiin, että paras metallien liukeneminen saavutettiin liuotusajan ollessa vähintään 14 vrk ja lentotuhkapitoisuuden ollessa enintään 5 %. Useiden metallien liukoisuuksissa päästiin yli 70 %:n. Karakterisoinnin perusteella lentotuhka sisälsi joitakin metalleja, kuten arseenia ja sinkkiä, haitallisia määriä, eikä niiden määrää saatu bioliuotuksella riittävästi alennettua, että hyötykäyttö olisi mahdollista. Tulevaisuudessa haasteeksi muodostuvat Aspergillus nigerin tuottaman biomassan erotteleminen tuhkasta ja sen jatkokäyttö sekä sienen vaatiman energian ja lämmön saanti. Lisäksi prosessin kokonaiskustannukset tulisi laskennallisesti selvittää ja tehdä suuremman mittakaavan kokeita.

Energy production in Finland generates some 1.6 million tons of ash per year. About half of the ashes can be used in earth work or as forest fertilizer. Ash, however, often contain too high concentrations of harmful substances, so its recovery is hindered. The reduction of harmful substances with current techniques is often difficult or economically unfeasible. Bioleaching can be one of the most appropriate techniques to improve the quality of metal-containing ash and to dissolve precious metals for further use. It is based on the ability of microbes to produce metal leaching solvents, such as acids and metabolites. This thesis forms a part of the Savonia University of Applied Sciences PROBIO project, which is a parallel project funded by Tekes. One part of the parallel project was to study the bioleaching of peat and wood chips incineration fly ash by the Aspergillus niger mold. The aim was to explore the possibilities of utilization of fly ash and the bioleaching theory and also to design a set of experiments for bioleaching tests to be held at the facilities of Savonia University of Applied Sciences. The aim of the bioleaching tests was to find the optimum conditions for leaching by changing the leaching time, ash content and the amount of sucrose in the nutrient. In addition, tests were carried out with and without the cells and also chemical leaching was tested. The tests were designed so that the influence of all these variables to the dissolution efficiency was surveyed. Leaching efficiency was monitored by metal analyses and pH measurements, and some experiments were chosen to closer analysis. Subsequently, the best combinations were tested on a larger scale bioreactor. It was find out in the study that the best metal dissolution was achieved when the leaching time was at least 14 days and the fly ash content was no more than 5%. The leaching efficiency of several metals was over 70 %. Based on characterization the raw fly ash contained some metals such as arsenic and zinc in harmful quantities, and their amount reduced by bioleaching was not enough to allow further utilization. The future challenges will be the separation of Aspergillus niger biomass from ash and its subsequent use and the heat and the energy intake of the fungus. Additionally, the total costs of the process should be calculated and larger-scale experiments should be made.