Theresa Ibáñez

Uppsats för avläggande av kandidatexamen i naturvetenskap15 hp

Institutionen för biologi och miljövetenskapGöteborgs universitet

Juni 2014

Bokenäs – kärrEn studie om möjligheten till

utvinning av biomassa förenergiproduktion

Theresa Ibáñez Göteborgs Universitet Institutionen för Biologi och Miljövetenskap Handledare: Göran Dave (Göteborgs Universitet) Gunilla Magnusson (GM Vattenmiljö) Examinator: Lennart Bornmalm (Göteborgs Universitet) Maj 2014

Sammanfattning Vattenreningskärret i Bokenäs-kärr i Uddevalla, renar avloppsvattnet från närliggande fastigheter innan vattnet rinner ut i Havstensfjorden. Det är vegetation och mikroorganismer i kärret som livnär sig på de högre halterna av närsalter som medföljer avloppsvattnet, vilket medför att en reduktion av näringsämnen sker innan vattnet rinner vidare. Det växer en hel del biomassa i kärret och en idé om att använda biomassan till biobränsleproduktion växte fram. Energibehovet världen över ökar och behovet av att använda förnyelsebar energi, med så låg påverkan på miljön som möjligt, ligger i tiden. En till stor del förekommande växt i kärret var Lemna minor L., andmat. Studier har gjorts på denna art som har påvisats vara användbar som biomassakälla till vidare biobränsleproduktion. Detta eftersom växten har hög tillväxthastighet och tål stora variationer av omgivningsfaktorer. Växten lämpar sig även till biomassaproduktion eftersom den inte är ett alternativ till matproduktion eller tar upp jordbruksareal. Den här studien ägnas åt att utvärdera om möjlighet finns till utvinning av Lemna minor L. från Bokenäs-kärr, för vidare produktion av biobränsle.

Summary The water treatment marsh in Bokenäs-kärr in Uddevalla purifies the wastewater from the surrounded properties, before the water flows into Havstensfjorden. The vegetation and the microorganisms in the marsh feed from the higher concentrations of nutrients, supplied with the sewage, causing a reduction of nutrients before the water flows out. There grows big amount of biomass in the marsh and the idea of using the biomass to produce biofuels emerged. The demand for energy is increasing worldwide and the need to use renewable energy, with the lowest environmental impact possible, is an ongoing issue to resolve. One of the most occurring plants in the marsh was Lemna minor L., Duckweed. Studies done on Lemna minor L. show that the plant is useful as a biomass source for further biofuel production. This is because the specie has high growth rate and can tolerate wide variations of environmental factors. The plant is also suitable for biomass production because it is not an alternative to food production or occupying arable land. This study is aimed to evaluate the possibility of extraction of Lemna minor L. from Bokenäs-kärr, for further biofuel production.

Innehållsförteckning

1.       INLEDNING  ..................................................................................................................................  1  1.1.      VATTENRENINGSKÄRR  ...........................................................................................................................  1  1.2.      BOKENÄS-­‐KÄRR  ...................................................................................................................................  1  1.3.      SYFTE  .................................................................................................................................................  3  1.4.      HYPOTES  ............................................................................................................................................  3  

2.       METODIK  ....................................................................................................................................  4  2.1.      LITTERATURSÖKNING  ............................................................................................................................  4  2.2.      FÄLTSTUDIE  .........................................................................................................................................  5  

3.       RESULTAT  ....................................................................................................................................  6  3.1.      BOKENÄS-­‐KÄRRS  TILLSTÅND  ...................................................................................................................  6  3.2.      LEMNA  MINOR  L.  .................................................................................................................................  8  3.3.      SKÖRDEMETODER  ..............................................................................................................................  10  3.4.      SKÖTSEL  AV  KÄRR  ...............................................................................................................................  12  3.5.      ENERGIUTVINNINGSMETODER  BIOMASSA  ...............................................................................................  13  

3.5.1.  Fermentering  ...........................................................................................................................  13  3.5.2.  Rötning  ....................................................................................................................................  14  3.5.3.  Pyrolys  ......................................................................................................................................  14  

3.6.      HUR  STOR  MÄNGD  BIOETANOL  KAN  UTVINNAS  UR  ANDMAT?  .....................................................................  14  

4.       DISKUSSION  ..............................................................................................................................  15  4.1.  BOKENÄS-­‐KÄRRS  KAPACITET  I  JÄMFÖRELSE  MED  STUDIE  AV  XU  ET  AL.  2011.  ..................................................  15  4.2.  LEMNA  MINOR  L.  TILL  BIOBRÄNSLEPRODUKTION  .......................................................................................  15  4.3.  BRISTER  OCH  ÅTGÄRDER  .......................................................................................................................  16  4.4.  ALTERNATIV  ANVÄNDNING  AV  BIOMASSA  FRÅN  BOKENÄS-­‐KÄRR  ..................................................................  17  

5.       SLUTSATS  ..................................................................................................................................  18  

TACKORD  ...........................................................................................................................................  18  

REFERENSER  .......................................................................................................................................  19  

BILAGA  A  ...........................................................................................................................................  22  

BILAGA  B  ............................................................................................................................................  28  

1

1. Inledning Vår tids befolkning är i ständigt behov av energi och dess produktion är till största del en bidragande faktor till att jordens klimat förändras. Ny teknik och miljövänliga omvandlingssätt av energi är nödvändigt för att bromsa den globala temperaturhöjningen. En ökad användning av biobränsle är ett alternativ med många fördelar för att producera el, värme och drivmedel (Världsnaturfonden, 2011).

1.1. Vattenreningskärr Ett vattenreningskärr är ett område där ett flertal dammar, levéer, har grävts ut. Dammarna är vanligtvis något böjda till formen och antalet dammar samt areal beror på hur stor mängd och i vilken omfattning vattnet ska renas. Dammarna är sammankopplade med rör som skapar ett flöde av vatten genom varje damm, tills vattnet vidare mynnar ut till vattendrag som bäck och hav (Rehndell, 2006). Vattenreningskärr används för att rena vatten från fastigheters avlopp, avrinningsvatten från jordbruk eller som anslutning till ett traditionellt avloppsreningsverk och då som ett extra steg i processen (Eriksson et al, 1996). Varje damm fungerar som ett eget ekosystem, där den biologiska mångfalden både används i reningssyfte men även gynnas. Ett exempel på när den biologiska mångfalden gynnas är att det hittades en utrotningshotad och rödlistad art, den smala dammsnäckan (Omphisicola glabra), i den sista dammen i Bergums vattenreningskärr, efter att kärret varit igång under fem år (Magnusson et al., 2010). Avloppsvatten renas i kärret genom att växtplankton och bakterier tar upp näringsämnen. Vidare i näringskedjan äts växtplankton och bakterier upp av djurplankton som vidare blir mat åt nästa steg i näringsväven. Närsalter ackumuleras därför i kärrets olika levéer för att till slut lämna kärret genom fåglar och groddjur som är högre upp i näringskedjan (Rehndell, 2006). En mängd närsalter tas även upp som näring av kärrets vegetation. En del vegetation tar upp och lagrar mer näringsämnen än andra, vilket medför att dessa växter kan skördas för att sedan användas som djurmat eller biobränsle. Att skörda och använda biomassa från ett vattenreningskärr som biobränsle är en intressant möjlighet eftersom förnybar energiproduktion med låg påverkan på miljön ligger i tiden att nyttja (Världsnaturfonden, 2011).

1.2. Bokenäs-kärr År 1994 anlades ett biologiskt vattenreningskärr i Bokenäs-kärr 1:2 i Uddevalla kommun för att ekologiskt och biologiskt kunna rena avloppsvatten från närliggande fastigheter, innan vattnet rinner ut i Havstensfjorden. Eftersom biomassatillväxten i kärret är relativt stort började frågan om möjlighet till att använda biomassan till energiproduktion växa fram. Kärret är berikat med både mikroorganismer och olika växtarter, och ur miljösynpunkt samt ekonomiskt perspektiv

2

skulle det vara positivt om det finns tillräckligt för omvandling av biomassa till energi som fastigheterna runtom kan ta del av (Magnusson, 2013). Våtmarken sammankopplades vid start till fem olika fastigheter i området genom Bjällansåsbäcken. Under år 2005 har ytterligare fjorton närliggande fastigheter kopplats till kärret. År 2008 var kärret igenväxt och en större renovering utfördes av kärret som nu består av 11 öar med 11 tillhörande dammar. Dammarna är sammankopplade med PVC rör, 15 cm i diameter, i varje damm (Fig. 1). Avloppsvatten från fastigheterna renas genom kärret av växter och mikroorganismer som livnär sig på näringsämnen som kväve och fosfor. Reningen av vattnet från fastigheternas avlopp är nödvändig för att förhindra övergödning av närsalter i Bjällansåsbäcken och Havstensfjorden, där vattnet slutligen rinner ut (Magnusson, 2013). Avståndet från vattenreningskärret till Havstensfjorden är ungefär 2,5 km (Lantmäteriet, 2014).

Fig. 1. Schematisk bild över Bokenäs-kärr 1:2. Den blå pilen visar vattnet i Bjällansåsbäcken med riktning mot Havstensfjorden. De gröna pilarna visar vattnets ingång samt utgång från kärret. Det röda sträcket visar placeringen av en vattenbarriär som leder delar av vattnet in i kärret och delar av vattnet längs bäcken. Detta för att förhindra översvämning av våtmarken (Google Maps, 2012). En vattenbarriär leder avloppsvattnet in i kärret istället för att endast fortsätta följa Bjällansåsbäcken som går parallellt med kärrets långsida (Fig. 2). Dammarna i våtmarken har ett djup på 0,2-0,5 m, och den totala våtmarksytan mäter 3000 m2. Området är fritt att besökas av vilda djur och under sommartid även av betande får. Kärret sköter till mestadels sig självt men kräver några gånger per år rensning av växtlighet från högre och skuggande växter. Varje damm har ett eget ekosystem där mikroorganismer aktivt arbetar som destruenter.

3

Fig 2. Barriär för att avleda del av inkommande vatten från Bjällansåsbäcken in i kärret (Ibáñez, 2013).

1.3. Syfte Syftet med studien var att beräkna biomassahalten i Bokenäs-kärr och utreda möjligheten till att utnyttja biomassan för energiproduktion, exempelvis genom bioetanol.

1.4. Hypotes Det är troligtvis svårt att utvinna biomassa under vinterhalvåret, eftersom växtlighet och plankton under den årstiden har låg eller ingen tillväxt. Under sommarhalvåret växer det dock rikligt med växter och algblomningen är produktiv. Bokenäs-kärr är troligtvis för litet för att kunna bidra med tillräckligt stor mängd biomassa. Däremot kan idén med att utvinna biomassa ur ett biologiskt vattenreningskärr för att sedan kunna använda biomassan till energiförsörjning, t.ex. bioetanol eller biogas, vara bra för att effektivisera och kombinera två miljövänliga tillvägagångssätt.

4

2. Metodik Arbetet består av en inledande litteratursökning (2.1), en fältstudie (2.2), en resultatdel (3.), en diskussionsdel (4.) samt slutsats (5.). Bilagor finnes i slutet.

2.1. Litteratursökning Sökbaserna Google Scholar och Web of Science har huvudsakligen använts för att söka information. Bredare sökord, som gav fler träffar, söktes först på för att sedan avgränsa sökningen med mer precisa sökord. Mer information finns att tillgå om sökordet skrivs på engelska (tabell 1). Liknande sökmetod gjordes med svenska ord (tabell 2), då med betydligt sämre sökträffsstatistik. En ytterligare sökbas, Web of Sience, användes för informationssökning av energiproduktion av andmat, Lemna minor L., vilket gav färre men mer specifika träffar än på Google Scholar. Sökningsorden använda på Web of Science var på engelska (tabell 3). Tabell 1. Resultat av sökning på Google Scholar med sökord på engelska. Sökord Engelska Antal träffar Wetland 687 000 Wetland Nutrients 218 000 Biomass 2 120 000 Energy Production Biomass 1 790 000 Lemna minor L. 28 500 Energy Production Duckweed 9 820

Följande publikationer studerades mer ingående: Smith, 2004. Debusk et al., 1981. Tabell 2. Resultat av sökning på Google Scholar med sökord på svenska. Sökord Svenska Antal träffar Våtmark 1 910 Våtmark Näringsämnen 911 Energiproduktion Biomassa 5 750 Vattenreningskärr 6

Följande publikationer studerades mer ingående: Magnusson et al., 2010.

5

Tabell 3. Resultat av sökning på Web of Science med sökord på engelska. Sökord Engelska Antal träffar Energy Production Biomass 10 780 Energy Production Lemna minor 5 Pyrolysis 60 478 Pyrolysis Lemna minor 4

Följande publikationer studerades mer ingående: Muradov et al., 2010. Xu et al., 2011.

2.2. Fältstudie Första fältstudietillfället utfördes den 27 oktober 2013 i Bokenäs-kärr. Vegetationen analyserades i form av vilka växter, synliga växter över vattenytan, som var dominanta i de olika dammarna. Växtprover av fyra olika arter togs med från kärret för artbestämning. Artbestämningen utfördes med hjälp av Svensk Fältflora av Mossberg, B., Stenberg, L., 2006, och vidare sökningar på dessa arter gjordes via internet. Sökbaser som användes var Google och Google Scholar. Kärret fotograferades, en damm i taget för att få en översiktsbild på mängd biomassa som växte där vid tidpunkten (Bilaga A). Fältstudie nummer två utfördes den 15 april 2014 i Bokenäs-kärr. Omkretsen mättes runt kärret samt djupet i de olika dammarna mätt i mitten av långsidan i varje damm. Kärrets tillstånd damm för damm dokumenterades, och översiktsbilder togs i varje damm för att se hur mycket vegetation som växte vid just denna tidpunkt (Bilaga B). Apelsintestet var planerat att genomföra för att kunna räkna ut flödeshastigheten i Bjällansåsbäcken. Detta gick inte att genomföra p.g.a. för mycket vegetation vid vattenytan.

6

3. Resultat Relativt fort framkom det att våtmarken i Bokenäs-kärr är i för dåligt skick för att för att biomassa effektivt ska kunna utvinnas. Det är därför mer intressant att undersöka vilken förändring som krävs för att kärret skall kunna uppgraderas i både skick och storlek för att tillräcklig mängd biomassa ska kunna växa och skördas för att bli användbar till energiproduktion. De arter som under fältstudien den 27 oktober 2013 samlades in var; andmat (Lemna minor L.) (Anderberg, 1997a), bäcknate (Potamogeton polygonifolius) (Anderberg, 1997b), sjöfräken (Equisetum fluviatile L.) (Anderberg, 1997c) och smalkaveldun (Tyhpa angustifolia) (Anderberg, 1997d). Biologi och produktion av Lemna minor L redovisas mer ingående under avsnitt 3.2.

3.1. Bokenäs-kärrs tillstånd Vid första åsynen av Bokenäs-kärr ser det ut som ett kärr i vildvuxet tillstånd bör se ut (bilaga A). Det växer olika växtarter både runt om och i kärret och det finns gott om insekter och några äggsamlingar från groda. Bokenäs-kärr är från början en damm som konstruerats för att användas som vattenreningskärr åt fastigheter i området. Vattenreningskärret är på konstlat väg ditplacerat och är det där av ett syfte, att vi människor vill utnyttja platsen och dess naturtillgångar. Kärret är placerat så avloppsvattnet från fastigheterna passerar kärret och renas där innan det rinner ut i Havstensfjorden. Under sommarhalvåret växer en hel del vegetation i och runt kärret, och för att reningseffekten ska optimeras krävs det att kärret underhålls med jämna mellanrum i form av rensning av vegetation. Är det för mycket skugga eller om en art dominerar och tar för mycket plats kan detta påverka andra mindre växter samt tillväxt av plankton och bakterier vilka kräver ljus (Vymazal, 2007). Eftersom det nu finns intresse att kärrets biomassa ska bidra till produktion av biobränsle så är behovet av rensning av vegetation av ännu större vikt. Lemna minor L. som enligt studier i denna rapport lämpar sig bra som biomassa för energiproduktion, kräver plats på vattenytan, eftersom hela växten, inklusive rot och blad, har sin utbredning på vattenytan (Stenkjaer, 2010). Tillståndet för Bokenäs-kärr vid de två fältstudietillfällerna, 27 oktober 2013 och 15 april 2014, var inte av optimal kvalité (bilaga A och B). Vegetationen har inte rensats och på vissa ställen hade mark i kanterna mellan öarna svämmat över, vilket medförde att det inte gick att gå mellan alla dammarna som det var tänkt från början. Översvämningar i kärret sker på grund av hög nederbörd tillsammans med för dålig rensning av vegetation (Magnusson, 2013). Det fanns spår av växter i förmultningsstadie som tydligt visade hur högt vattnet hade gått. Arten smalkaveldun (Tyhpa angustifolia) växte på många ställen i dammarna. Det är inget problem med att det växer annan vegetation så länge vegetationen endast växer i kanterna av dammen, alternativt vegetation som växer under vattenytan eftersom detta underlättar vid

7

skörden av Lemna minor L. Levréerna (dammarna) i Bokenäs-kärr är egentligen lite för små. De behöver inte vara jättestora. Det kan istället underlätta vid skörden av andmat och rensning av annan vegetation om de har lite mindre areal men då måste det finnas fler dammar för att det ska växa tillräcklig mängd andmat till biomassaproduktion. Bäcken som går längs med kärret ska fungera som extrautrymme ifall kärret svämmar över, vilket ofta sker vintertid (Magnusson, 2013). Dammarna är sammankopplade med PVC rör, 15 cm i diameter. Början av varje rör bör vara placerat så att mynningen av inloppet ligger vid vattenytan. I kärret kunde endast tre rör urskiljas och resterande ingångar var placerade väldigt djupt i varje damm. Placering av rör indikeras med en röd pinne. Andmat växte mestadels i de första dammarna under båda fältstudierna och tabell 4 beskriver hur det såg ut i varje damm under den sista fältstudien. Tabell 4. Beskrivning av varje damms tillstånd under fältstudie den 15 april 2014. Fotografi på respektive damm finnes i bilaga B. Damm nr.

Tillståndsbeskrivning

1 Lemna minor L. på kortsidorna. Två stora klungor av annan högre vegetation som smalkaveldun (Tyhpa angustifolia) växte vid första inloppet från Bjällansåsbäcken. Fritt från vegetation i större delen av dammen. Röret vid utloppet från bäcken till kärret var synligt men verkade ha låg aktivitet, dvs. dålig tillförsel. Inlopp och utlopp i dammen ej synliga. Går inte att gå igen mellan dammarna p.g.a. högt vatten. Vattnet går alltså inte enbart genom rören som tänkt, utan även vid sidorna och skapar öar i mitten mellan dammarna.

2 Växer Lemna minor L. vid kortsidorna mitt bland förra årets vissen smalkaveldun. Översvämning av vatten på sidorna som i beskrivning av damm nr 1. Inlopp eller utlopp till nästa damm ej synligt. Fritt från vegetation i större delen av dammen.

3 Vissen smalkaveldun i en av kortsidorna. Tillväxt av Lemna minor L. i båda kortsidorna. Fritt från vegetation i större delen av dammen. Översvämning av vatten på sidorna som i beskrivning av damm nr 1. Inlopp och utlopp ej synligt.

4 Klunga av smalkaveldun på ena kortsidan. Lite tillväxt av Lemna minor L. på andra kortsidan. Inlopp ej synligt, utlopp synligt. Fritt från vegetation i större delen av dammen. Översvämning av vatten på sidorna som i beskrivning av damm nr 1.

5 Nästan obefintlig mängd av Lemna minor L. Sticker upp lite vissen vegetation på fåtal ställen, annars fritt från vegetation i större delen av dammen. Ej synligt inlopp, synligt utlopp.

6 Spår av tidigare översvämning i form av gammal vegetation vid marken som ska avskilja ena dammen från den andra. Nästan obefintlig mängd av

8

Lemna minor L. Vissna växter synliga under vattenytan. Sticker upp en del levande växter spritt över hela kärret. Inlopp och utlopp ej synligt.

7 Spår av tidigare översvämning i form av gammal vegetation vid marken som ska avskilja ena dammen från den andra. En tredjedel av kärret täckt av vegetation, majoritet smalkaveldun från förgående år. Nästan obefintlig mängd av Lemna minor L. Inlopp och utlopp ej synligt.

8 Kärr mer eller mindre täckt av vissen vegetation från förgående år. Nästan obefintlig mängd av Lemna minor L. Inlopp och utlopp ej synligt.

9 Kärr täckt med mer eller mindre uppstickande vissen vegetation i hela dammen. Nästan obefintlig mängd av Lemna minor L. på kortsidorna. Inlopp och utlopp ej synligt.

10 Damm nästan kvadratisk formad. Inlopp och utlopp ej synligt. Ingen tillväxt synlig. Hela dammen förutom ca 1 m2 täckt av vissen smalkaveldun från förgående år.

11 Kärr täckt med mer eller mindre uppstickande vissen vegetation i hela dammen. Nästan obefintlig mängd av Lemna minor L. på kortsidorna. Inlopp och utlopp ej synligt. Kärret är kvadratiskt format.

3.2. Lemna minor L. Den växt som enligt studier har påvisats vara mycket lämplig för att användas till biomasssaproduktion är Lemna minor L. (i vardagligt språk används namnet andmat). Växten kan användas för att rena vatten i kärr men skördas även för att nyttjas som djurmat och biobränsleproduktion (Stenkjaer, 2010). Andmat är en blommande akvatisk växt som flyter på vattenytan (Fig. 3). Växten saknar urskiljbar stam och blad och består istället av små, endast några få millimeter vida kupoler med en trådrot hängandes lodrät under vattenytan. Andmat är en gömfröväxt och reproduktionen sker oftast vegetativt. Sexuell fortplantning sker sällan men vid tillfällen utvecklar växten tre små blommor med två ståndare och en pistill varav sexuell fortplantning kan ske. Andmat tillhör familjen Kallaväxter och växer i stillastående och näringsrika vatten (Anderberg, 1997a). Under sommarhalvåret flyter andmaten runt på vattenytan och under vinterhalvåret dör växten och sjunker ned på botten. Andmat består av upp till 75% stärkelse och hela växten kan tas tillvara för vidare produktion av t.ex. metan till butanol. Proteinhalten varierar i torrvikt mellan 7-45% och kan därför även vara lämplig som djurfoder (Cross, 2011). Densiteten ligger på cirka 38 gram torrvikt per kvadratmeter (Debusk et al., 1981). För kärret är andmat viktigt, eftersom det förhindrar läckage av näringsämnen (främst kväve och fosfor) till omgivningen, vilka kan leda till eutrofiering av vattendrag. Avloppsvattnet som kommer från fastigheterna som är sammankopplade till kärret innehåller mycket näringsämnen i form av urinämne, ammonium,

9

nitrit, nitrat och fosfat (Magnusson, 2013). Andmat fångar effektivt upp kvävet ur ammonium och kan även med hjälp av en mängd proteiner i växten lagra näringsämnen mycket bra (Caicedo et al., 2000). Studier visar att kväveupptaget hos andmat varierar mellan 96 och 328 mg/m2/dag och upptaget av fosfor varierar mellan 32 och 110 mg/m2/dag (Reddy et al., 1987). Andmat har goda förutsättningar till snabb tillväxt, eftersom arten klarar en hög variation av fysiska tillstånd såsom temperatur, ljusbehov och pH (tabell 5). Tabell 5. Optimala förhållanden för tillväxt och produktion av Lemna minor L. (Löfgren, 2014). Omgivningsfaktor Lemna minor L. Temperatur 10-30° C pH vatten 4,5-9 Hårdhet vatten Mjukt-hårt Ljusbehov Lågt- mycket högt

Andmat är tålig mot starkt solljus och hög temperatur (upp emot 30° C), samtidigt som växten även har god tillväxt vid lägre temperatur (ner mot 10° C). Detta medför att växten under sommarhalvåret anpassar sig väl till svenska förhållanden beträffande temperatur under dag och natt, där variationerna kan vara relativt påtagliga under sommaren. Andmat kan växa i vatten med hårdhet som klassas som både mjukt och hårt, vilket medför att växten är anpassningsbar och kan planteras i olika kärr på olika geografiska platser i landet (Löfgren, 2014). Att använda andmat till biobränsleproduktion är fördelaktigt eftersom arten växer fort, ungefär sex gånger fortare än majs (Zea mays L.) och själva produktionen bidrar inte till global uppvärmning (Stenkjaer, 2010). Transporter från odlingsplatsen till stället där biomassan med hjälp av tillämpad teknik omvandlas till biobränsle har en påverkan på miljön. Därför är det fördelaktigt om åtkomst till kärret där andmaten växer inte kräver allt för långa transporter. Majs är en vanlig gröda att använda till biobränsle. Majs jämfört med andmat är en viktig gröda för matproduktion och om andmat används som biobränsle istället för majs, blir det mer majs till matproduktion. Andmat konkurrerar inte heller med andra grödor till matproduktion om plats på jordbruksland, eftersom arten är en akvatisk växt. Det bör dock tilläggas att i vissa fall används endast själva majskornen till matproduktion, och resterande växtdelar till biobränsleproduktion (Hay, 2014).

10

Fig. 3. Andmat (Lemna minor L.) http://en.wikipedia.org/wiki/File:Kleine_Wasserlinse_(Entengr%C3%BCtze).JPG

3.3. Skördemetoder

För att inte hindra tillväxten av Lemna minor L. bör skörden inte ske i för stor kvantitet, det kan vara fördelaktigt med tätare och mindre skördar. Detta beror på att Lemna minor L. växer bäst om hög densitet bibehålls utan att lämna för stora hål i mattan av växten på vattenytan (Debusk et al., 1981). Vid högsäsong är det rekommenderat, för att uppnå hög avkastning, att skörda 10-35% dagligen alternativt 50% i veckan (Smith, 2004). Det är tidskrävande att dagligen eller varje vecka skörda kärret på Lemna minor L. Därför är det bättre om möjlighet finns att använda teknik som automatiskt och kontinuerligt skördar utan krav på daglig tillsyn. För att skörda arten i mindre dammar och kärr kan en vanlig håv användas som manuellt sveps över vattenytan och läggs sedan i någon form av kärl för uppsamling. Kärlet beror på vad växten ska användas till. Ska den användas till biomassaproduktion så bör den uppsamlas i ett kärl där växten kan torka utan att ruttna innan vidare transport till energiproduktionscenter. Metoden med håv förekommer vanligen när dammar för estetiskt bruk ska rensas alternativt i vattenreningskärr där arten skuggar dammen och på så sätt hindrar funktionen av växtplankton och bakterier som kräver ljus för fortsatt reproduktion (SePRO, 2009). Kärret är placerat helt utomhus med flertalet yttre faktorer som kan störa installerad teknik. Det är därför viktigt att tänka på vilka dessa faktorer är före inköp och installation av skördeverktyg. Kärret är placerat i en hage där får betar under sommartid. Andra djur och människor kan fritt ta sig till kärret, eftersom det inte är avskärmat för att förhindra intrång. Beroende på vilken skördeverktyg eller maskin som används, så måste den vara tålig mot att får och vilda djur går i vattnet, annars måste kärret inhägnas för skydd mot större djur. Fåglar blir svårt att skydda kärret mot men dessa djur är inte nödvändigtvis ett problem. Skördemaskinen måste även tåla

11

omgivningsfaktorer som t.ex. vattennivåskillnader, temperaturskillnader och nederbörd. För största möjliga skörd så bör inte delar av dammen missas. Maskinen bör därför ha möjlighet att flyta runt utan att bli hindrad av övrig vegetation. Rensning av kärret på övrig växtlighet är alltså viktigt. Skörden måste även ske utan att växtdensiteten som tillåter optimal tillväxt förändras för radikalt (Smith, 2004). En teknik för att skörda andmaten är att placera en tratt i vattnet med öppningen uppåt alldeles under vattenytan (Fig. 4). Undersidan av tratten är kopplat till ett rör med en pump som pumpar vidare vattnet med andmaten till ett kärl där de separeras. Vattnet återgår sedan till kärret via ytterligare ett rör. Ett flytande rutnät, i PVC (polyvinylklorid) eller rostfritt stål, är kopplat runt tratten för stabilitet samt för att inhägna andmaten (Fig. 5). Systemet kan vara påslaget eller avstängt beroende på den mängd andmat som ska skördas (Smith, 2004). Denna teknik är stationär, vilket betyder att det skulle behövas 11 av dessa, en för varje damm. Alternativt att samma modell används fast flyttbar, och tratten med rutnätet skulle istället kunna flyttas från damm till damm beroende på vilken som ska skördas. I det senare fallet krävs det mer arbete och tillsyn samtidigt som det första fallet, med stationära rutnät, kräver en högre ekonomisk budget.

Fig. 4. Tratt för att skörda Lemna minor L. Vid övre bilden är systemet i vila och i nedre bilden är systemet igång (Smith, 2004).

12

Fig. 5. Tratt med flytande rutnät för att skörda Lemna minor L. sett från ovansida (Smith, 2004).

3.4. Skötsel av kärr För att vattenreningskärret ska fungera, både i reningssyfte och som eventuell plats för produktion av Lemna minor L. till vidare biobränsleproduktion, så måste det skötas i form av rensning och allmän tillsyn. Vissen smalkaveldun (Tyhpa angustifolia) från förra årets växtsäsong observerades i många delar av kärret (tabell 4). Detta måste årligen rensas bort och vid stor utbredning av växten bör även rensning vid behov ske under året. Kanterna i dammarna och vegetation runt om bör även hållas någorlunda jämna och rena. Detta kan lösa sig naturligt med hjälp av får som betar i området under sommarhalvåret. Sedimentrensning bör inte ske allt för ofta men är nödvändigt vid behov, dvs. om det är för mycket fastsittande vegetation som sticker upp över ytan och hindrar andmatens tillväxt eller om vattnet inte kan följa kanalen genom kärret och renas. Rören som sammankopplar dammarna får inte täppas igen och kräver därför tillsyn så att konstant flöde sker. Rensad vegetation innehåller en hel del närsalter, som tagits upp från avloppsvattnet och kan komposteras eller med fördel läggas ut på odlingsmark som extra näring. Rensningen bör ske i olika delar åt gången för att inte störa pågående aktivitet hos växtlighet eller mikroorganismer. Bjällansåsbäcken som går längsmed Bokenäs-kärr behöver även den tillsyn och eventuell rensning för att inte växa igen (Fig. 6). Denna bäck behövs som en kanal bredvid kärret för att kunna leda bort överflöd av vatten vid t.ex. mycket nederbörd (Naturcentrum AB, 2013).

13

Fig. 6. Bjällansåsbäcken där den följer kärrets långsida parallellt (Ibáñez, 2013).

3.5. Energiutvinningsmetoder biomassa Att utvinna energi ur biomassa är ett högaktuellt område bland politiker världen över. Forskare ligger i framkant för att förbättra och utveckla nya innovativa lösningar samt teknik för att med minsta möjliga påverkan på miljön, nyttja biomassa som förnyelsebar energi. En aspekt som uppkommer vid politiska diskussioner angående bioenergi är att det blir konkurrens gentemot matproduktionen. En del menar att eftersom det redan råder brist på mat så bör jordbruket inte användas som resurs till energiproduktion (Baliban et al., 2013). Lemna minor L. är på många sätt lämplig till biomassaproduktion, som tidigare nämnts, p.g.a. snabb tillväxt, tålighet mot stora variationer av omgivningsfaktorer. Den bidrar inte direkt till global uppvärmning och upptar inte jordbruksmark. Framför allt, som är viktigt i detta fall, är inte produktion av andmat en del av världens matproduktion (Leng, 1999).

3.5.1. Fermentering Etanol är en form av biobränsle som går att utvinna ur biomassa med hög stärkelsehalt och Lemna minor L. innehåller mellan 3 och 75% stärkelse. För att framställa etanol används en fermenteringsprocess, i vardagligt språk kallad jäsning (Xu et al., 2011). Fermentering är en anaerob process där bakterier bryter ner stärkelsen i biomassan och bildar etanol och koldioxid som restprodukt enligt formeln C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2 (Granö, 2013). Studier visar att

14

stärkelsehalten i Lemna minor L. kan öka avsevärt om tillväxtfaktorer som pH och fosfatkoncentration manipuleras eller om näringstillgången minskar (Xu et al., 2011).

3.5.2. Rötning Rötning är en metod som används vid framställning av metangas ur biomassa och är en process indelad i tre steg. Det första steget är hydrolys, där mikroorganismer bryter ner stärkelsen med hjälp av enzymer. Det andra steget är fermentering, en process beskriven i punkt 3.5.1., som bildar alkoholer, fettsyror och gaser. I det sista steget bildas metangasen med hjälp av mikroorganismer. Rötning sker anaerobt och energi i form av värme måste tillföras. Mikroorganismerna växer bäst mellan mesofila (ca 37ºC) och termofila (ca 55ºC) temperaturer (Energigas Sverige, 2014).

3.5.3. Pyrolys Pyrolys eller torrdestillation, är en process utan tillförsel av syre, där biomassa bryts ner och bildar biogas, bioolja och träkol genom att värme i olika temperaturer används, vanligtvis vid temperaturer mellan 500-1 000ºC. Studier visar att med pyrolys av torr andmat vid lägre temperaturer (ca 500ºC), går det att utvinna ungefär 40 viktprocent bioolja (Muradov et al., 2010). Ju torrare biomassan är vid pyrolys desto mindre energi behöver tillföras under processen för att bli av med överskott av vatten. Andmaten måste därför torkas innan pyrolys, vilket upptar både tid och utrymme, jämfört med fermentering- och rötningsprocesser som inte kräver torr biomassa.

3.6. Hur stor mängd bioetanol kan utvinnas ur andmat? Hur mycket biobränsle som kan utvinnas ur arten Lemna minor L. som växer i ett vattenreningskärr beror på många faktorer. Dessa faktorer som näringshalt på avloppsvattnet som flödar in i kärret, pH, klimat, konkurrens av andra växter etc. varierar, speciellt i ett vattenreningskärr som Bokenäs-kärr, där ingen inhägnad finns och varje damm ingår i ett eget ekosystem. I en studie genomförd av Xu et al. (2011), analyseras produktionen av andmat med förhöjd stärkelsehalt till produktion av bioetanol. I studien användes en damm på 300 m2 med ett djup på 0,6 m. Vattnet som inkommer till dammen var restvatten från en svinfarm och hade därför högt näringsvärde p.g.a. svinens avföring. Skörd utfördes tre gånger i veckan under fyra veckor. Andmaten flyttades innan skörd till ett nytt kärl med vanligt brunnsvatten för att skapa näringsstress (se avsnitt 3.5.1.) och på så sätt öka stärkelseinnehållet. Använd tillväxtmetod för andmat, gav en årlig torr biomassaavkastning på 3.35 × 104 kg ha−1. När andmatväxter flyttades till vatten utan tillförsel av näring från svinfarmens restvatten under 10 dagar, gav detta ett årligt

15

utbyte av stärkelse motsvarande 9.42 × 103 kg ha−1. Detta ger en etanolmängd på motsvarande 6.42 × 103 l ha−1. I studien jämfördes denna siffra med mängd etanol utvunnet ur majs och andmat ger i slutändan ca 50% mer bioetanol (Jiele Xu, 2011). 1 liter etanol, E85, genererar 6,4-6,6 kWh (Peterson, 2011).

4. Diskussion Vattenreningskärret i Bokenäs-kärr används i dagsläget till att rena avloppsvatten som kommer från 19 närliggande fastigheter, innan vattnet rinner ut i Havstensfjorden. Syftet med studien var att beräkna biomassahalten i kärret och utreda möjligheten till att utnyttja biomassan till energiproduktion, exempelvis genom bioetanol. Möjliga källor till biomassa från kärret undersöktes därför, och en växt som växte rikligt under den första utförda fältstudien (den 27 oktober 2013) och enligt tidigare studier påvisar sig vara lämplig för biobränsleproduktion är den akvatiska växten andmat (Lemna minor L.) Vid närmare anblick och undersökning av Bokenäs kärrs kvalité framkom det att det till att börja med behöver utföras grundliga förändringar, såsom att införa en regelbunden skötsel av kärret, för att optimera både rening av avloppsvatten och tillväxt av Lemna minor L.

4.1. Bokenäs-kärrs kapacitet i jämförelse med studie av Xu et al. 2011. I Bokenäs-kärr finns inget avloppsvatten från någon svinfarm i anslutning till kärret utan näringsämnen kommer från omgivande natur samt avloppsvatten från de 19 sammankopplade fastigheterna. En jämförelse kan ändå göras med artikeln av Xu et al. (2011) för att skapa en uppfattning om vilken kapacitet Bokenäs-kärr har och hur mycket som behöver konstrueras för att biomassa ur kärret ska kunna användas till biomassaproduktion. Bokenäs-kärr har 11 dammar med en totalyta på 3 000 m2. Denna areal inkluderar mark emellan, så därför görs en uppskattning att andmat-arealen kan maximalt uppnå 50% av detta vilket ger en tillväxtyta på 1 500 m2. Om tillväxt och näringsupptag skulle vara samma för andmaten i Bokenäs-kärr som i ovan nämnd studie så är åtminstone arealen på dammarna inget problem. Däremot måste ett fungerande system och en rad faktorer införas för att önskad produktion ska uppnås (avsnitt 4.3.).

4.2. Lemna minor L. till biobränsleproduktion Växten Lemna minor L. har efter denna studie visat sig vara en lämplig källa för energiproduktion. Arten växer fort, reproducerar sig både vegetativt och sexuellt och är tålig mot stora variationer i omgivningen (tabell 3.). När det kommer till biogasproduktion är växten

16

intressant för forskarna, eftersom det är en förnybar energikälla som inte konkurrerar med jordbruksmark. Andmat är en bättre energikälla än t.ex. majs, eftersom majs även produceras som mat till djur och människor, och produktion av andmat konkurrerar inte med matindustrin. Eftersom andmat tål stora variationer av temperatur, pH etc., så har växten möjlighet att växa i många delar av världen. Teknik för småskaliga skördar behöver komma ut på marknaden för att mindre kärr och anläggningar hos företag och privatpersoner, ska kunna bidra till biomassa till energiproduktion. Det som krävs är ett väl skött och fungerande kärr eller vattendrag, skörderedskap, förvaring av skörd samt ett system, där transport ingår för att frakta biomassan till biobränsleanläggningar.

4.3. Brister och åtgärder Reningseffekten i Bokenäs-kärr är viktig i konceptet, även om det inte är det mest väsentliga i den här studien. Inga mätningar av närsaltsreduktion utfördes i denna studie, och de data som finns angående kärrets reningsförmåga, alltså vilka och hur stor mängd närsalter som kommer in respektive åker ut, är endast från mätningar gjorda 1995 då fem fastigheter var anslutna i systemet. Sedan dess har ytterligare 14 fastigheter anslutit sig till kärret, vilket bör ha haft en förhöjd påverkan på mängd närsalter. Dessa mätvärden är alltså inte medräknade i studien. Den mest påtagliga bristen för vattenreningskärret är att det inte finns ett system för regelbunden skötsel och detta kan påverka reningsförmågan. En stor andel avloppsvatten strömmar inte genom kärret utan flödar istället genom Bjällansåsbäcken som ligger parallellt med kärret. Bäcken ska fungera som ett extra dränage vid översvämning av kärret men eftersom det är för mycket vegetation i dammarna, och eventuellt även p.g.a. att rören har dåligt genomflöde, finns ingen plats för vattnet genom kärret och stor del av avloppsvattnet tar vägen genom bäcken. Ett tydligt tecken på detta är att mark i början av kärret, där det ska gå att gå emellan dammarna, ligger under vatten. Rester av gammal sedimentvegetation och andmat uppåt sidorna runt dammarna indikerar på tidigare översvämningar. Att rensa kärret i jämna mellanrum från högre vegetation är därför nödvändigt. För att kunna använda biomassa från kärret till biobränsleproduktion så måste en del åtgärder genomföras. För att Lemna minor L. ska kunna skördas enklast så bör den växa utbrett som en matta utan att övrig vegetation sticker upp ovanför ytan. Så återigen är rensning av vegetation viktig. Att skörda andmat med håv är tidskrävande, eftersom det rekommenderas att skörd utförs 10-35% dagligen, alternativt 50% i veckan. Att implementera teknik i form av skördemaskiner är kostsamt men om intresse av investeringar samt resurser finns är det möjligt. Om biomassaproduktion ska genomföras i den utsträckningen att det är lönsamt krävs det verktyg för uppsamling samt förvaring av andmaten tills vidare transport till energiproduktionsanläggning. Det finns ingen väg för att ta sig till kärret, utan för att ta sig dit måste åkermark korsas. För att kunna hämta tank med skördad och lagrad biomassa behövs någon form av transportväg till och från kärret.

17

För att Vattenreningskärret ska fungera och effektivt rena avloppsvatten krävs det att plankton och bakteriers tillväxt är hög. Mikroorganismer är autotrofa djur och använder sig förutom av närsalter även av ljus som energikälla. Andmaten behöver växa över så stor areal som möjligt för att hög avskaffning av biomassa ska vara möjligt, vilket medför att växten skuggar vattnet och det finns en risk att inte tillräckligt med ljus når mikroorganismerna. Kärret måste även rensas mer på övrig vegetation för att göra plats åt andmatproduktionen och vattenreningskärret behöver både växter och mikroorganismer för maximal rening av avloppsvatten. Frågan är då om kombinationen, att nyttja kärret som både avloppsrenings och biomassaproduktion, är optimalt i detta fall.

4.4. Alternativ användning av biomassa från Bokenäs-kärr Även om det inte skulle finnas tillräckligt med resurser för att starta biomassaproduktion i vattenreningskärret så är det en god idé att ändå ta tillvara på biomassan. All vegetation i kärret tar upp mer eller mindre mängd av närsalter som inkommer i dammarna. Det är bl.a. kväve och fosfor från avloppsvatten som i för hög mängd kan försämra kvalitén på vattnet i Havstensfjorden. Genom att sprida ut biomassan från rensning på närliggande åker- och jordbruksmark, kan näringsämnena återanvändas och fungera som ett naturligt gödningsmedel. Lemna minor L. har ett högt proteininnehåll, vilket gör att den även skulle kunna skördas för att användas som djurfoder. Enklast kan då andmaten skördas med en håv för att sedan läggas i kärl där får, som under sommartid betar på området, kan äta ur.

18

5. Slutsats För att biomassa från Bokenäs-kärr ska kunna användas till energiproduktion krävs ganska stora åtgärder samt engagemang. Eftersom data saknas för att uppskatta näringsinnehåll i andmaten (Lemna minor L.) i just detta kärr är det svårt att säkerställa om produktion av biomassa för energiproduktion i längden blir lönsam. Alternativ användning av biomassan från Bokenäs-kärr är att istället distribuera den över åker- och jordbruksmark för återanvändning av näringsämnen, alternativt som färskt djurfoder.

Tackord Tack till Göran Dave, Professor vid Institutionen för Biologi och Miljövetenskap, Göteborgs Universitet för handledning. Tack till Gunilla Magnusson på GM Vattenmiljö i Uddevalla, för extern handledning samt värdefull information om Bokenäs-kärr. Tack även till vänner och familj för stöd under arbetets gång.

19

Referenser Anderberg, A., 1997a. Den virtuella floran, Naturhistoriska Riksmuseet. Andmat. http://linnaeus.nrm.se/flora/mono/lemna/lemna/lemnmin.html Anderberg, A., 1997b. Den virtuella floran, Naturhistoriska Riksmuseet. Bäcknate. http://linnaeus.nrm.se/flora/mono/potamogetona/potam/potapol.html Anderberg, A., 1997c. Den virtuella floran, Naturhistoriska Riksmuseet. Sjöfräken. http://linnaeus.nrm.se/flora/orm/equiseta/equis/equiflu.html Anderberg, A., 1997d. Den virtuella floran, Naturhistoriska Riksmuseet. Smalkaveldun, http://linnaeus.nrm.se/flora/mono/typha/typha/typhang.html Baliban, C., Elia, J. A., Floudas, A. C., Xiao, X., Zhang, Z., Li, J., Cao, H., Ma, J., Qiao, Y., Hu, X., 2013. Thermochemical Conversion of Duckweed Biomass to Gasoline, Diesel, and Jet Fuel: Process Synthesis and Global Optimization. American Chemical Society, Vol. 52, 11436-11450. Caicedo, J. R., Van Der Steen, N. P., Arce, O., Gijzen, H. J., 2000. Effect of total ammonia nitrogen concentration and pH on growth rates of duckweed (Spirodela Polyrrhiza). Water Research, Vol. 34, 3829-3835. Cross, J., 2011. Duckweed nutritional composition. http://www.mobot.org/jwcross/duckweed/nutritional-composition.htm#Mineral Debusk, T. A., Ryther, J. H., 1981. Effects of seasonality and plant density on the productivity of some freshwater macrophytes. Aquatic Botany, Vol. 10, 133-142. Energigas Sverige, 2014. Rötning, http://www.biogasportalen.se/FranRavaraTillAnvandning/Produktion/Rotning Eriksson, Ö., Rutberg, B., 1996. Introduktion till avloppstekniken. Svenska kommunförbundet. ISBN 91-7099-542-7. Granö, U. P., 2013. Förädling av bioenergi - en lokal resurs att nyttja fullt ut. Karleby/Kokkola. Hay, F. J., 2014. Corn for Biofuel Production. http://www.extension.org/pages/27536/corn-for-biofuel-production#.U4IfS3K89WR

20

Lantmäteriet, 2014. http://www.lantmateriet.se/sv/Kartor-och-geografisk-information/Kartor-flygbilder-och-ortnamn/ Leng, R. A., 1999. DUCKWEED: A tiny aquatic plant with enormous potential for agriculture and environment. FAO. Magnusson, G., Pehrsson, O., 2010. Biologisk rening i vattenreningskärr i förhållande till lagstiftningen. GM Vattenmiljö. Muradov, N., Fidalgo, B., Gujar, A. C., T-Raissi, A., 2010. Pyrolysis of fast-growing aquatic biomass – Lemna minor(duckweed): Characterization of pyrolysis products. Bioresource Technology, Vol. 101, 8424-8428. Naturcentrum AB, 2013. Skötselplan för Naturreservatet Välen. Göteborgs stad, Stadsbyggnadskontoret. Peterson, A., 2011. Biogas- Basdata om Biogas. Svenskt Gastekniskt Center. Reddy, K. R., DeBusk, T. A., 1987. State-of-the-art utilization of aquatic plants in water pollution control. Water Science & Technology, Vol. 19, 61-79. Löfgren, J., 2014. http://www.zookoll.se/dp_vaxtarkiv.php?go=visa&id=150&site=0 Rehndell, Å., 2006. Vattenreningskärr- Artbestämning av funna plankton i vattenreningskärren i Bergum och Lärjeåns trädgårdar samt mätning av klorofyllhalt. Självständigt arbete för avläggande av magisterexamen, Ekologisk zoologi, Göteborgs Universitet. SePRO, 2009. About Duckweed. https://www.lakelawnandpond.com/DuckweedAbout.aspx Smith, R. A., 2004. Harvesting Duckweed by Skimming. A thesis submitted to the Graduate Faculty of North Carolina State University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science, Biological and Agricultural Engineering, Raleigh. Stenkjaer, N., 2010. Duckweed for Water Cleaning and Energy Production. http://www.folkecenter.net/gb/rd/biogas/technologies/water-for-life/duckweed/ Vymazal, J., 2007. Removal of nutrients in various types of constructed wetlands. Science of the total environment, Vol. 380, 48-65. Världsnaturfonden, 2011. Styr rätt med biobränsle.

21

Xu, J., Cui, W., Cheng, J. J., Stomp, A. M., 2011. Production of high-starch duckweed and its conversion to bioethanol. Biosystem Engineering, Vol. 110, 67-72. Muntlig källa: Gunilla Magnusson, 2013. Biolog, GM Vattenmiljö. Email: gunilla.magnusson@vattenmiljo.se

22

Bilaga A Fotografier på varje damm i Bokenäs-kärr tagna den 27 oktober 2013. Fotografi nr. 1 föreställer första dammen sett från inloppet från fastigheters avlopp. Fotografi nr. 11 är sista dammen närmast utlopp mot Havstensfjorden. Fotograf: Theresa Ibáñez. Nr.1

Nr. 2

23

Nr. 3

Nr. 4

24

Nr. 5

Nr. 6

25

Nr. 7

Nr. 8

26

Nr. 9

Nr. 10

27

Nr. 11

28

Bilaga B Fotografier på varje damm i Bokenäs-kärr tagna den 15 april 2014. Fotografi nr. 1 är första dammen sett från inloppet från fastigheters avlopp. Fotografi nr. 11 är sista dammen närmast utlopp mot Havstensfjorden. Fotograf: Theresa Ibáñez. Nr.1

Nr. 2

29

Nr. 3

Nr. 4

30

Nr. 5

Nr. 6

31

Nr. 7

Nr. 8

32

Nr. 9

Nr. 10

33

Nr. 11