Biosüsi

Biosüsi (inglise k. biochar) on naturaalse orgaanilise aine söestamisel hapnikuvaeses keskkonnas (pürolüüs) saadud materjal, mida kasutatakse süsiniku deponeerimiseks mullas kliimamuutuste leevendamiseks ja mulla omaduste parandamiseks.

Huvi biosöe vastu sai alguse avastusest Amazonase jõe kallastel, kus kunagiste Inkade elupaikade lähedusest leiti maalapid, mis eristusid ümbritsevatest oluliselt suurema mullaviljakuse poolest. Eelmise sajandi lõpus läbiviidud uurimistöö näitas, et mullaviljakus on neil maalappidel kõrgem tänu söele, mis on viidud Inkade poolt mulda paar tuhat aastat tagasi. Seetõttu hakati neid muldi nimetama terra preta de indiano (terra – maa, pind; preta – must), ehk indiaanlaste mustad mullad. Tegemist on mullateaduslikust aspektist väga olulise avastusega, sest see näitab, et süsi laguneb mullas väga aeglaselt ja tal on mullaviljakust suurendav mõju.

Biosöel on neutraalne kuni aluseline pH, suur stabiilse süsiniku sisaldus, eripind, poorsus ja neelamismahutavus. Nende omaduste tõttu mõjutab biosüsi mulla veehoiuvõimet, toitainete sidumisvõimet, reaktsiooni, millest omakorda sõltuvad taimede toitumistingimused, väetiste efektiivsus, kuid samuti toitainete leostumine ja kasvuhoonegaaside emissioon.

Biosöe kvalitatiivsed omadused võivad varieeruda sõltuvalt toorainest ja tootmistingimustest väga suurtes piirides. Neid mõjutab nii pürolüüsi läbiviimise  temperatuur, temperatuuri tõusu kiirus kui ka materjali kokkupuuteaeg tipptemperatuuriga.  Biosöe tootmise temperatuur võib-olla vahemikus 250–800 °C, kuid optimaalseks loetakse 500–600°C. Temperatuuri kasvades väheneb biosöe saagis kuid suureneb stabiilse süsiniku osakaal. Madalama temperatuuri juures toodetud biosöel on seevastu suurem toitainete sidumis- ja veehoiuvõime.

Biosütt on võimalik toota pea kõikidest bioloogilist päritolu materjalidest, kuid levinumad toorained on puit, põhk, hein, sõnnik ja reoveesete, kuid samuti ka mitmed tööstusjäätmed. Lähteaine keemilistel ja struktuursetel omadustel on oluline mõju biosöe vastavatele omadustele. Näiteks on puidust toodetud biosüsi võrreldes sõnnikust ja reoveesettest toodetud söega poorsem ning seetõttu suurema eripinna ja veehoiuvõimega.

Biosüsi tuleb enne mulda viimist toitainetega laadida. Vastasel korral seob see toitained oma pinnale mullast ja on seetõttu esimestel aastatel taimele konkurendiks.  Biosöe toitainetega laadimiseks sobib nii segamine komposti, orgaaniliste jäätmete kui ka mineraalväetisega.  Nagu näitas H. Schulz et al. (2012) uurimistöö, võib selle tulemusena tekkida sünergia biosöe ja väetise vahel, mistõttu on saadav saak  suurem kui sütt ja väetist eraldi kasutades. Mineraalväetisele tuleks siiski eelistada biosöe mulda viimist koos orgaanilise materjaliga. Sellisel juhul suureneb mulla mikrobioloogiline aktiivsus, süsinikku seotakse mulda rohkem ning see püsib seal kauem. Ka terra preta mulla tekkimisel  oli oluline mõju sinna koos  söega  viidud  orgaanilistel jäätmetel nagu väljaheited, toidujäätmed, kondid jne, mis aitasid  aktiveerida mulla mikroorganismide elutegevust.  Biosöe toitainetega rikastamise seisukohast võib olla perspektiivne ka söe ja orgaaniliste jäätmete eelnev koos kompostimine.  Ühtlasi kiirendab see biosöe pinna oksüdeerumist, mille tulemusena paraneb selle toitainete sidumisvõime. Biosüsi oksüdeerub ka mullas, kuid madala temperatuuri tõttu kulgeb see protsess seal oluliselt aeglasemalt.

Biosöe puhul on olnud üheks suuremaks ootuseks, et selle abil saab muuta muldi viljakamaks ja   suurendada seeläbi kultuuride saaki, nii nagu seda võib   näha  terra preta muldadel. Senised katsed on näidanud, et biosöe mõju  kultuuride saagile on  positiivne. Saagi kasv katsete keskmisena on  10%. Samas on palju ka selliseid katseid, kus  bisosüsi saaki ei mõjutanud nagu ka neid, kus   biosöe mõju oli saagile negatiivne. Biosöe positiivset mõju on seni täheldatud peamiselt happelistel, kuid samuti väikese katioonide neelamismahutavusega muldadel (Jeffrey et al., 2011).

Eestis tehtud katsed näitavad, et biosüsi neutraliseerib mulla happesust ja suurendab süsiniku sisaldust, kuid mõju taimedele omastatava fosfori ja kaaliumi sisaldusele on lühiajaline. Tulemused osutavad samuti sellele, et biosüsi parandab taimede kasvutingimusi. Kontrollmullaga võrreldes on biosöega rikastatud mullas rohkem süsinikku, selle  lasuvustihedus on  väiksem,  mulla veehoiuvõime suurem ning seal on rohkem taimedele omastatavat vett.  Biosöega rikastatud mullal kasvades  moodustavad teraviljad rohkem võrseid, sealhulgas ka produktiivvõrseid  ning nende lehepinna  SPAD näit (iseloomustab lehepinna klorofüllisisaldust) on suurem kui taimedel, mis kasvavad biosöeta mullal. Mõju saagile on aga senistes katsetes olnud  neutraalne (s.o. katsevea piires).

Biosöe abil  on võimalik vähendada  oluliselt  taimekasvatuse keskkonnamõju. Eesti Maaülikoolis läbi viidud katses leostus söega mullast  tavamullaga võrreldes  4 korda vähem välja  nitraatlämmastiku (NO₃-N) ja 1,2 korda vähem fosforit (P).  Kompostitava materjali hulka biosöe lisamine vähendas sealt N₂O (kasvuhoonegaas) emissiooni ja ning suurendas komposti süsiniku sisaldust. Mitmed katsed on näidanud, et kui segada biosütt mulda, siis  ka sealt väheneb N₂O emissioon (Nelissen et al., 2014).

Lisaks eelnimetatule on veel leitud, et biosüsi seob ammoniaaki (Spokas, 2012), mistõttu võib selle lisamine vähendada lämmastiku  lendumist  orgaanilistest väetistest ning ühtlasi ka ebameeldivat lõhna, mis nende laotamisega kaasneb. Samuti on  biosöe kasutamisel märgitud väiksemat  taimede haigustesse  nakatumist (Elmer, Pignatello, 2011) ja pestitsiidide sidumist taimedesse  ning suuremat  mullas arbuskulaarset mükoriisat moodustavate seente, mullamikroobide ja vihmausside arvukust (Lehmann et al., 2011).

Biosöe tootmine on tihedasti seotud bioenergia tootmisega. Pürolüüsi protsess on eksotermiline, mille käigus saadakse tagasi 2–9 korda rohkem energiat (Gaunt, Lehmann et al., 2008; Graber, 2009) kui seda kulub tooraine varumiseks ja protsessi käitamiseks. Saadav energia on salvestatud biosöes (18-35 MJ kg-1), (Laird, et al., 2009, Sohi et al., 2009), bioõlis (~17 MJ kg-1) (Laird, 2009) ja süngaasis (Süngaas -sünteetiline gaas, mis sisaldab süsinikmonoksiidi ja vesinikgaase) (~6 MJ kg^-1 (Laird, et al., 2009), mille saagis sõltub pürolüüsi protsessist (tabel 1) ja kasutatud toorainest. Lisaks eraldub protsessi käigus veel soojus, mida on  võimalik kasutada hoonete kütmiseks,  teravilja kuivatamiseks või mõnel muul eesmärgil. Biosöe tootmise kõrvalt saadavat bioõli ja süngaasi saab kasutada fossiilse kütuse asemel soojuse või elektri tootmiseks. Bioõlist on võimalik toota ka transpordikütust, kui seda täiendavalt töödelda ning eemaldada sealt vesi ja orgaanilised happed.

Tabel 1. Energiakandjate saagis erinevates pürolüüsiprotsessides, % tooraine kaalust (Sohi, 2009)

¹-tõrv

Biosöe tootmine ja kasutamine on maailmas kasvav trend. Täna on biosöe tootmise ja müügiga tegelevad ettevõtteid kõige rohkem  Ameerika Ühendriikides, Kanadas ja Austraalias. Euroopas on biosöetehased Rootsis, Saksamaal, Austrias, Iirimaal, Inglismaal, Hispaanias ja  Šveitsis.

Biosöe kasutamine põllumajanduslikel eesmärkidel on täna rohkem levinud troopilises kliimas, kus tänu sellele on võimalik saada olulist saagilisa.  Euroopas  kasutatakse biosütt täna rohkem keskkonnakaitselistel eesmärkidel, et eemaldada  aineringest pikaks ajaks süsinikku. Mitmel pool  on see tegevus riigi poolt doteeritav ja  talunikele makstakse biosöe mulda viimise eest eraldi tasu. Näiteks toimitakse täna nii Austrias. Biosöe kasutamisest saadav tulu on mitmepoolne: biosöe mulda viimine tasakaalustab läbi süsiniku mulda talletamise CO₂ emissiooni, muldade süsinikusisaldus suureneb ja toitainete sidumise võime paraneb, põllumajandustootjad saavad lisasissetuleku ning CO₂ kvoodi ostmiseks kuluv raha jääb riiki alles.

Kasutatud kirjandus:

• Gaunt. J., Lehmann., J. (2008). Energy Balance and Emissions Associated with Biochar Sequestration and Pyrolysis Bioenergy Production. Environmental Science and Technology. Vol 42, 4152-4158
• Graber, E.R. (2009) Biochar for 21st century challenges: Carbon sink, energy source and soil conditioner. Conference Proceedings, Dahlia Gredinger International Symposium, Haifa, May 2009
• Jeffrey, S., Verheijen, F.G.A. Van der Velde, M., Bastos, A.C. (2011). A quantitative review of the effects of biochar application to soils on crop productivity using meta-analysis. Agriculture, Ecosystems and Environment, 144, 175-187.
• Laird, D.A., Brown, R.C., Amonette, J.E., Lehmann, J., (2009). Review of the pyrolysis
• platform for coproducing bio-oil and biochar. Biofuels Bioproducts & Biorefining-Biofpr 3, 547-562.
• Lehmann J, Gaunt J, Rondon M (2006) Bio-char sequestration in terrestrial ecosystems—a review. Mitig Adapt Strat Glob Change 11, 403–427
• Lehmann,J.,  Rillig, M.,C.,  Thies, J., Masiello, C., A., Hockaday, W., C.,  Crowley, D. (2011)
• Soil Biology and Biochemistry,  43,  9 , 1812-183
• Lehmann, J., M. Rondon. (2006). Biochar Soil Management on Highly Weathered Soils in the HumidTropics. Biological Approaches to Sustainable Soil Systems. CRC Press, Boca Raton, FL, USA,pp. 517-530.
• Nelissen, V., Saha, B.K., Ruysschaert, G., Boeckx, P. (2014). Effect of different biochar and fertilizer types on N2O and NO emissions. Soil Biology and Biochemistry 70:244-255.
• Sohi, S.P., Krull, E., Lopez-Capel, E., Bol, R., (2010). A review of biochar and its use and function in soil. Advances in Agronomy, Vol 105 105, 47-82.
• Schulz, H. & Glaser, B. (2012). Effects of biochar compared to organic and inorganic fertilizers on soil quality and plant growth in a greenhouse experiment. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 175, 410–422.
• Spokas, K.A., Novak, J.M. & Venterea, R.T. (2012). Biochar’s role as an alternative N–fertilizer: ammonia capture. Plant and Soil, 350, 35–42.
• Elmer, W.,H.,  Pignatello, J., J., (2011).  Effect of biochar amendments on mycorrhizal associations and Fusarium crown and root rot of asparagus in replant soils Plant Disease 95,8, 960-966

Autor: Henn Raave (september 2014)