Odling av energigräs för avloppsvatten och biogasframställning

Publicerad 1 januari 1994

Det stora växtnärings behovet hos högavkastande energigräs skulle kunna utnyttjas som resurs eftersom vattnet från våra reningsverk behöver renas ytterligare från kväve. Växtnäring elimineras genom växtupptag, sedimentation och denitrifikation då vattentåliga gräs med hög produktion bevattnas med avloppsvatten. Vid reningsverken finns en betydande reservkapacitet vad gäller produktion av biogas vid rötslamhanteringen som skulle kunna utnyttjas till samrötning med det producerade gräset.

Hittills har forskningen kring energi gräs huvudsakligen koncentrerats till produktion av fastbränsle. Men nu bedrivs även forskning kring produktionssystem för energigräs som råvara för biogasframställning. Kvalitetskriterierna för de två användningsområdena är ganska olika men gemensamt för dem är att energigräset kräver god tillgång på växtnäring under vegetationsperioden för att ge en hög avkastning. Kostnaden för gödsel utgör en stor post i råvaruproduktionen.

Gräs är inte det idealiska fastbränslet eftersom innehållet av aska är högt. För att askan inte ska sintra (smälta ihop) ska innehållet av kalium, klor och magnesium vara lågt. Dessutom bör gräset ur miljösynpunkt innehålla låga mängder kväve och svavel. Bränslet måste också vara lättorkat. Det gör att utvecklingen för fasta stråbränslen gått mot att utforska extensiva produktionssystem med vårskörd en gång om året. Grödan övervintrar och växtnäring lakas ur samtidigt som gräset torkar snabbt på våren. Nackdelen är att skörden kan minska upp till 30 procent under vintern.


Energigräs för biogasframställning


Vid produktion av gräsråvara för biogasframställning gäller att halten lignin ska vara låg och att halten lättomsättbara kolhydrater ska vara hög. För att uppfylla kvalitetskraven är det viktigt att skörda vid rätt tidpunkt och vid mer än ett tillfälle. I mellansverige passar första veckan i juni och andra hälften av augusti som riktmärke i ett tvåskördesystem. Grödans stora växtnäringsbehov skulle här kunna användas som resurs. En intensiv odling med kontinuerlig växtnäringstillförsel under hela vegetationsperioden och tvåskördesystem passar bra för råvaruproduktion för biogasframställning. Eftersom gräset ensileras är skördetidpunkten relativt oberoende av vädret.

En osäker faktor är hur rötningsprocessen påverkas av mycket höga växtnäringsinnehåll då substratet huvudsakligen består av växter. Då växtmaterialet rötas frigörs bla ammoniumkväve som i höga koncentrationer kan hämma framförallt de metanbildande bakterierna. Halten i rötkammaren beror bl. på kväveinnehållet i växtmaterialet, om växtmaterialet blandas med andra substrat, hur kvävet mineraliseras och rötningsprocessens utformning.


Jättegröe, Glyceria maxima. (Efter Fogelfors, 1983; ill. Lustig, H.)


Det finns ännu inte tillräckligt med kunskap för att kunna ange kritiska koncentrationer för när biogasproduktionen påverkas negativt. Försök visar däremot att biogasprocessen förbättras och stabiliseras om olika substrat blandas. Som exempel ökade metanproduktionen i ett försök med upp till 35 procent då klöver-gräsensilage blandades med nötkreatursgödsel i jämförelse med enbart ensilage.


Rening av näringsrika vatten


Eliminering av kväve med hjälp av växter kan ske i olika system, där denitrifikation, växtupptag och sedimentation är verksamma mekanismer.

Denitrifikation är troligen den viktigaste mekanismen. Processen drivs av denitrifikationsbakterier vid låg syretillgång och är beroende av tillgång på nitrat och lätt nedbrytbart organiskt material för mikroorganismerna. Nitratet omvandlas via nitrit och lustgas till kvävgas. Under vissa omständigheter kan mindre mängder lustgas avges, men idag vet man inte riktigt hur mycket eller under vilka omständigheter det sker.

Grödan spelar en viktig roll i denitrifikationen genom att förse bakterierna med dött växtmaterial. Dessutom avger aktivt växande rötter ett mycket lätt nedbrytbart rotexudat. Bakterieaktiviteten kan vara god ända ner till 4øC, men denitrifikationen sker trots allt huvudsakligen på sommaren. I svenska studier av översilningsmark har denitrifikationen uppmätts till över 700 kg per ha.

Växtupptaget varierar naturligtvis med art och miljö. I system med relativt låga bevattningsmängder är det huvudsakligen grödan som renar vattnet. I svenska och utländska studier av gräs som bevattnats med stora mängder avloppsvatten (370-1 320 kg N/ha och år) har växtupptaget av kväve varierat mellan ungefär 250 och 500 kg per ha och år. I svenska studier med det vilda gräset jättegröe tog grödan upp 124 kg fosfor per ha och år, motsvarande 12 procent av tillfört fosfor.

Viktiga artegenskaper hos växter i system med biologisk vattenrening är hög näringsupptagning, lång vegetationsperiod och hög avkastning. Växterna ska även kunna tåla syrefria förhållanden, d. v. s. att stå i vatten periodvis. Rörflen är ett exempel på en art som har dessa egenskaper. I försöksodlingar med rörflen och upp till fyra skördar per säsong var det genomsnittliga kväveinnehållet maximalt 3,3 procent av torrsubstansen.

Unga plantor i aktiv tillväxt har högre innehåll av växtnäring än äldre plantor. Risken för att grödan blir utarmad vid ett så intensivt skördesystem är stor, men två till tre skördar kan ge ett kväveinnehåll mellan 2 och 3 procent av torrsubstanshalten. Här måste göras en avvägning eftersom ett intensivt skördesystem kan minska halten organiskt material i marken och försämrar därmed förutsättningarna för denitrifikation.


Rörflen, Phalaris arundinacea L. (Efter Tuvesson & Åberg, 1982; ill. Sjöö, S.)


Kväve men framförallt fosfor hålls kvar i marken genom sedimentation av partiklar. Sedimentet har troligen störst betydelse rör kväveelimineringen som leverantör av organiskt material till denitrifikationsbakterierna. I de svenska försöken med jättegröe var den sammanlagda retentionen mellan 99 och 100 procent där adsorptionen i marken stod för 88 procent. Det kan finnas risk för art sedimenten börjar läcka växtnäring om materialet börjar brytas ner eller då vattenföringen är hög.

Genom att använda strategin vid gamla tiders översilningsängar med periodvis översvämning och upptorkning skulle kväve kunna "pumpas" ur systemet. Under de vattenmättade perioderna bildas syrefria miljöer med hög denitrifikation som följd och under upptorkningsperioderna nitrifieras kväve som kan användas av denitrifikationsbakterierna. Systemets begränsning är att det huvudsakligen fungerar under vegetationsperioden. Det är också viktigt att skilja mellan absolut och procentuell retention. Den senare ligger för kväve sällan över 50-60 procent. Vi kan få en hög absolut retention vid mycket höga växtnäringsbelastningar samtidigt som stora mängder växtnäring går rakt igenom systemet.


Principskiss för utnyttjande av energigräs. Teckning: Ulrika Geber



Samarbete mellan kommuner och SLU


Institutionen för växtodlingslära vid SLU och Kommunalteknik i Surahammar har inlett ett samarbete angående rening av avloppsvatten med hjälp av energigräs i kombination med produktion av biogas. I projektet ingår ett fältförsök i anslutning till Haga reningsverk i Surahammar. Reningsverket är dimensionerat för 12 000 personer. Med början växtsäsongen 1994 bevattnas fyra olika gräsarter (rörflen, foderlosta, ängskavle och jättegröe) med rejektvatten från reningsverket vid två olika bevattnings- och växtnäringsnivåer. Gräset skördas och ensileras två gånger per säsong.

Det ensilerade gräset samrötas därefter med slam i reningsverkets befintliga rötslamanläggning. Slam och gräs blandas i förhållandet 6:1 räknat i organisk substans (VS). I fältförsöket studeras växternas näringsupptagning samt innehåll av växtnäring i mark och markvätska vid de olika behandlingarna. Under samrötningen studeras gas- och energiproduktion samt eventuella driftstörningar. I projektet, som beräknas pågå i två år, ingår även en ekonomisk utvärdering.

Geber, U. och Tuvesson, M. 1993. Vallväxters egenskaper som producenter av energi- och fiberråvara och som biologiska renare av näringsrika vatten. Växtodling 43. Inst. för växtodlingslära, SLU.

Leonardson, L. 1993. Våtmarker som kvävefällor. Svenska och internationella erfarenheter. SNV Rapport 4176.