Membraanisuodatuksen hyödyntäminen kunnallisessa jätevedenpuhdistuksessa Case: Parikkalan Särkisalmen jätevedenpuhdistamo

Transkriptio

1 Membraanisuodatuksen hyödyntäminen kunnallisessa jätevedenpuhdistuksessa Case: Parikkalan Särkisalmen jätevedenpuhdistamo Nuorempi tutkija, Kimmo Arola Professori, Mika Mänttäri Lappeenrannan teknillinen yliopisto Erotustekniikan laboratorio

2 SISÄLLYSLUETTELO 1. JOHDANTO MEMBRAANISUODATUS SÄRKISALMEN PUHDISTAMON JÄTEVEDENPUHDISTUSPROSESSI PERINTEISEN JÄTEVEDENPUHDISTUKSEN TEHOSTAMINEN TERTIÄÄRIKÄSITTELYLLÄ Membraanisuodatussovellukset Mikrosuodatus ja ultrasuodatus Nanosuodatus ja käänteisosmoosi Muita potentiaalisia ratkaisuja jätevedenpuhdistuksen tehostamiseen Teknologioiden vertailu MODERNI JÄTEVEDENPUHDISTUS MEMBRAANEILLA Membraanibioreaktorit perinteisen jätevedenpuhdistuksen korvaajina Case esimerkit MBR Nordkanal MBR Hünxe Torreelen jätevedenpuhdistuslaitos NEWater Singapore KUSTANNUSARVIOINTIA JOHTOPÄÄTÖKSET LÄHTEET... 51

3 2 1. JOHDANTO Parikkalassa kunnallisjätevedet puhdistetaan Särkisalmen jätevedenpuhdistamolla, jossa jätevesien puhdistus perustuu perinteiseen biologis-kemialliseen puhdistukseen biologisessa aktiivilietelaitoksessa. Puhdistustehokkuuden parantamiseksi on jälkikäsittelyvaiheeksi myöhemmin lisätty hiekkasuodatus Dynasandhiekkasuodattimilla. Nykyisessä puhdistusprosessissa on merkittäviä haasteita, kuten fosforinpoistokyky, prosessiveden liika jäähtyminen ja välppäyksen tehottomuus, joiden takia on tarve uusille teknisille ratkaisuille puhdistuksen tehostamiseen. Suurin haaste puhdistamolla on fosforin (P) kanssa, jonka raja-arvo 0,6 mg/l puhdistetussa jätevedessä on ylitetty ajoittain (Taulukko III). Fosfori onkin merkittävä vesistöjä rehevöittävä ravinne, joten lähitulevaisuudessa voi olla tulossa viranomaismääräyksin lisätiukennuksia ravinteiden raja-arvoihin. [1] Tämän kirjallisuusselvityksen tarkoituksena on esitellä membraanisuodatuksen mahdollisuuksia tehostaa tai jopa korvata perinteistä kunnallista jätevedenpuhdistusta. Membraaniratkaisuja esiteltäessä pidetään mielessä Särkisalmen puhdistamon erityispiirteet ja tarpeet. Särkisalmen puhdistamon jätevedellä tehdään lisäksi erillinen koesuodatus, jolloin voidaan paremmin arvioida membraaneilla saavutettavaa erotustehokkuutta ja yhdessä kirjallisuudesta löydetyn materiaalin avulla arvioida mahdollisen membraaneilla toteutettavan jätevedenpuhdistusprosessin kustannuksia.

4 3 2. MEMBRAANISUODATUS Membraanisuodatuksella on erinomaiset käyttömahdollisuudet esimerkiksi juoma- ja jäteveden puhdistuksessa sekä sellu- ja paperiteollisuudessa veden kulutuksen pienentämisessä vesikiertoja sulkemalla. Monissa kaasujen ja nesteiden erotusoperaatioissa käytetään puoliläpäiseviä membraaneja, jotka antavat osan prosessiliuoksien komponenteista läpäistä membraanin helpommin kuin toisten. Membraanisuodatuksessa päämääränä on antaa yhden tai useamman erotettavan seoskomponentin läpäistä membraani vapaasti muiden seoskomponenttien membraanin läpäisyn ollessa vähäistä. Membraanisuodatusprosesseilla on usein korkea erotustehokkuus ja suhteellisen alhainen energiankulutus. Lisäksi prosessilaitteet ovat verrattain yksinkertaisia ja prosessien käyttö voidaan automatisoida. [2 4] Membraanit voidaan valmistaa epäorgaanisista materiaaleista tai synteettisistä polymeereistä. Epäorgaaniset membraanit voidaan valmistaa esimerkiksi ohutkerroksisesta huokoisesta lasista, sintratusta metallista tai erilaisista alumiiniyhdisteistä. Hyvin usein membraanit ovat kuitenkin synteettisistä polymeereistä, kuten polysulfonista, polyeetterisulfonista tai regeneroidusta selluloosasta, valmistettuja joustavia filmejä, joilla on erittäin hyvä läpäisevyys katkaisukokoa pienemmille molekyyleille. Membraanin katkaisukoolla tarkoitetaan yhdisteiden kokoluokkaa, jonka membraani pidättää 90 %:sesti. Esimerkiksi katkaisukoko Da tarkoittaa että membraani päästää lävitsensä suodatettavasta liuoksesta alle 10 % yli g/mol olevista komponenteista. [2, 5] Kuvassa 1 on esitelty havainnollinen poikkileikkauskuva membraanin huokoisesta rakenteesta. Huokoisuus riippuu membraanityypistä, polymeerimembraaneilla on yleensä pinnassa ohut tiukempi selektiivinen kerros, joka ratkaisee erotustehokkuuden sekä paksumpi huokoisempi tukikerros aktiivisen kerroksen alla. Polymeerimembraanin kokonaispaksuus on usein vain muutaman sadan mikrometrin luokkaa.

5 4 Kuva 1. Puhtaan huokoisen polymeerimembraanin poikkileikkauskuva (vasemmalla) ja havainnekuva likaantuneesta membraanista (oikealla). [6] Membraanit voivat olla vedellä kostuvia eli hydrofiilisiä, jolloin vesi muodostaa tasaisen kerroksen membraanin pinnalle tai hydrofobisia vettä hylkiviä membraaneja. Hydrofiiliset membraanit ovat usein käytössä erilaisissa vedenpuhdistussovelluksissa alhaisemman likaantumistaipumuksen takia. [7] Useimmiten erilaisissa vedenpuhdistusprosesseissa käytetään paine-eroon perustuvia membraanisuodatusmenetelmiä, joita ovat mikro-, ultra-, ja nanosuodatus sekä käänteisosmoosi. Käytetty suodatusmenetelmä vaihtelee erotettavien komponenttien koosta riippuen. Suodatustekniikoille tyypilliset huokoskoot ja suodatuspaineet on esitetty Taulukossa I. [8,9] Taulukko I Paine-eroon perustuvissa suodatustekniikoissa käytettyjen membraanien huokoskoot ja suodatuspaineet. [9 11] Suodatusmenetelmä Membraanin huokoskoko Suodatuspainealue Mikrosuodatus (MF) 0,04 0,4 µm 0 2 bar Ultrasuodatus (UF) 0,001 0,04 µm 0,2 10 bar Nanosuodatus (NF) < 0,001 µm 5 40 bar Käänteisosmoosi (RO) ~ 0,0001 µm bar Membraanisuodatus voidaan tehdä joko cross-flow- tai dead-end-suodatuksena. Cross-flow-suodatus on jatkuvatoimisena prosessina monimutkaisempi kuin deadend-suodatus, joka on panosprosessi. Cross-flow-suodatuksessa tarvitaan enemmän prosessilaitteita, kuten lukuisia säätimiä, venttiileitä ja kierrätyspumppuja, mutta

6 5 jatkuvatoimisena prosessina kapasiteetti on selvästi suurempi. Cross-flowsuodatuksessa membraanin elinikä on yleensä myös pidempi, sillä membraanin toimintakyky on helpompi palauttaa esimerkiksi kemiallisella happo- tai emäspesulla tai vastavirtapesulla. [3] Kuvassa 2 on esitetty yksinkertainen esimerkki cross-flow-suodatuksesta. Kyseisessä menetelmässä prosessiin syötetään syöttövirta erotusyksikön sivulta, jolloin läpäisevät komponentit siirtyvät membraanin läpi poistuen yksikön alaosasta virtana, jota kutsutaan permeaatiksi. Läpäisemättömät komponentit virtaavat erotusyksikön läpi ja poistuvat yksikön toisesta päästä konsentraattina kuvan 1 mukaisesti. Deadend-suodatus on panossuodatusta, jossa koko prosessivirta pakotetaan virtaamaan membraanin läpi paineen avulla, jolloin konsentraatio membraanin pinnalla kasvaa koko suodatuksen ajan. Useimmiten etenkin teollisen mittakaavan sovelluksissa membraanisuodatus tehdään cross-flow-suodatuksena, jolla saavutetaan suurempi kapasiteetti ja membraanin peseminen on helpompaa. [3, 11] Syöttö Konsentraatti Permeaatti Kuva 2. Membraanisuodatus cross-flow-suodatuksena. [11] Yksi suurimmista membraanisuodatuksen haasteista on membraanin likaantuminen, mikä rajoittaa membraanierotusprosessien kilpailukykyä ja toimintavarmuutta. Membraanin likaantuminen kasvattaa prosessien käyttö- ja kemikaalikustannuksia, lisää energiankulutusta sekä lyhentää membraanien elinikää. Membraanien likaantuminen lisäksi hidastaa erotusprosessin toimintaa, mutta voi myös parantaa erotustehokkuutta.

7 6 Membraanin likaantumisella tarkoitetaan ei-toivottujen materiaalien, kuten syöttövirrassa tulevien pienien kiintoainepartikkelien, kerääntymistä membraanin pinnalle tai membraanin rakenteeseen. Membraanin likaantuminen voi olla palautuvaa tai palautumatonta. Palautuvassa likaantumisessa suodatuskapasiteetti palautuu suodatuksen jälkeisellä vesihuuhtelulla, mutta palautumattomassa likaantumisessa suodatuskapasiteetin palauttaminen vaatii membraanin pesua esimerkiksi kemiallisella alkalipesulla. Kuten Kuvasta 1 voidaan nähdä, voi membraanin likaantuminen tapahtua membraanin pinnalle tai likakomponentit voivat tunkeutua myös membraanin huokosrakenteeseen. Membraanin likaantumista voidaan suodatusprosessin aikana hallita erityisesti nesteen virtausnopeudella membraanin pinnalla. Virtausnopeuden kasvattaminen lisää turbulenssia membraanin pinnalla, jolloin membraani ei likaannu niin helposti. Samalla on kuitenkin likaantumisen kannalta järkevää olla kasvattamatta painetta merkittävästi. Muita tekijöitä, jotka vaikuttavat membraanin likaantumiseen, ovat esimerkiksi lämpötila ja suodatettavan nesteen esikäsittely.

8 7 3. SÄRKISALMEN PUHDISTAMON JÄTEVEDENPUHDISTUSPROSESSI Särkisalmen jätevedenpuhdistusprosessissa jätevedet puhdistetaan biologiskemiallisella prosessilla, johon kuuluu biologinen aktiivilietelaitos sekä jälkikäsittelynä hiekkasuodatus Dynasand-hiekkasuodattimilla. Biologis-kemiallinen jätevedenpuhdistusprosessi biologisessa aktiivilietelaitoksessa on hyvin tyypillinen puhdistusratkaisu Suomessa. Särkisalmen nykyisen jätevedenpuhdistusprosessin prosessikaavio on esitetty kuvassa 3 sekä prosessilaitteet ja apuaineet taulukossa II. Särkisalmen puhdistusprosessin kokonaisenergiankulutus on noin 1,08 kwh/käsitelty m 3. Puhdistettavan jäteveden sekä puhdistetun veden koostumukset sekä virtaamat m 3 /p on esitetty taulukossa III. Vuotuinen käsiteltävä jätevesimäärä on noin m 3 /v. Puhdistettavan jäteveden koostumustietoja sekä kuukausittaisia keskimääräisiä virtaamia ja piikkivirtaamia hyödynnetään membraanilaitoksen kokoluokan ja kustannusten arvioinnissa. [1, 12, 13] Taulukko II Särkisalmen jätevedenpuhdistusprosessissa käytettävät prosessilaitteet ja apuaineet eri prosessivaiheissa. MLSS:llä tarkoitetaan ilmastusaltaan lietteen kiintoainepitoisuutta ja SVI:llä lietteen tilavuusindeksiä. SVI kuvaa lietteen laskeutuvuutta, arvon ollessa yli 150 ml/g on lietteen laskeutuvuus huono ja mikäli arvo on alle 80 ml/g on laskeutuvuus erinomainen. [1, 12 14] Prosessivaihe Toimenpide Prosessilaite/kemikaali Alkukäsittely Isojen partikkelien Välppä, säleväli ~ 3 mm siivilöinti Saostuskemikaali FeSO Esisaostus 4, kg/v (84 g/m 3 ), Hiekanerotusallas, V=4 m 3, Hiekanerotus Viipymä 15 min, Alkalointikemikaali laskeutuksella kalkki, kg/v Alkalointi Ilmastus Aktiivilietteen ilmastus Ilmastusallas, 2083 m 3 MLSS 3,6 g/l, SVI 150 ml/g Lieteikä 28 Selkeytys Jälki/rinnakkaisselkeytys Jälkikäsittely Lietteen käsittely Selkeytys tehostettuna flokkulantilla Jälki/rinnakkaisselkeytys ennen hiekkasuodatusta Jäteveden lopullinen puhdistus hiekkasuodatuksella Lietteen sakeutus Lietteen kuivaus Aumakompostointi päivää, Viipymä 23,1 h Väliselkeytysallas, A=132 m 2, V=462 m 3, Flokkulantti (Superfloc C496) 220 kg/v selkeytysaltaisiin, Viipymä 5,1 h Selkeytysallas, A=132 m 2, V=462 m 3, Viipymä 5,1 h Dynasand-hiekkasuodatin 2 kpl, A tot =10 m 2, V tot =25 m 3, Viipymä 40 min Sakeuttamo, A=13,9 m 2, V=41,7 m 3, sakeutus kuiva-ainepitoisuuteen (kap) 3 % 0,6 %:sta. Viirakuivain, kap % (ka 18 %) Kuivattua lietettä 303 m 3 /v

9 Kuva 3. Nykyisen Särkisalmen jätevedenpuhdistamon prosessikaavio. [1, 12] 8

10 9 Taulukko III Tulevan jäteveden sekä puhdistetun jäteveden määrät ja koostumukset tammi-, maalis-, huhti-, touko-. heinä- ja lokakuussa 2012 sekä maaliskuussa 2013 Särkisalmen jätevedenpuhdistamolla. Retentiolla tarkoitetaan jäteveden puhdistustehokkuutta eli kuinka monta prosenttia esimerkiksi tulevasta fosforista (P) saadaan poistettua. [15 22] Parametri Tuleva Lähtevä Raja-arvo Raja-arvo Retentio, % jätevesi jätevesi lähtevälle retentiolle, % Virtaama, m 3 /p ph 7,0 7,4 4,7 7, Lämpötila, C 3,0 15 1,5 15, Kemiallinen hapenkulutus, COD Cr, mg/l Biologinen hapenkulutus, BOD 7, mg/l P tot, mg/l 3,0 15 0,12 0,83 0, N tot, mg/l NH 4 -N, mg/l <0, Kiintoaine, mg/l , Sähkönjohtavuus, µs/cm Alustavat enterokokit, C, pmy/100ml Fe, mg/l - 0,39 2, Keskimääräinen käsiteltävä jäteveden määrä kuukausittain on Särkisalmen puhdistamolla noin 900 m 3 /d. Taulukossa III esitetty suurin virtaama m 3 /d on ollut kevättulvan aikaan huhtikuussa 2012, jolloin käsiteltävä jätevesi on ollut laimeaa. Kaiken kaikkiaan retentioista havaitaan, että erotustehokkuudessa on selvää vaihtelua vuoden aikana etenkin typen ja ammoniumtypen suhteen. Näin ollen laitoksen nitrifikaatioasteessa onkin ollut merkittävää hajontaa sen ollessa välillä %. Fosforin kanssa on ollut ongelmia, raja-arvo 0,6 mg/l lähtevälle jätevedelle on ylitetty useampana kuukautena. Ilmastus Särkisalmen puhdistamon rengaskanavareaktorissa tehdään pintailmastuksena, joka voi olla paikoin riittämätön (happivajaus). Myös jäteveden jäähtyminen prosessissa etenkin talvella on ongelma, sillä bakteerien toiminta ja kasvu ilmastusaltaassa olevassa aktiivilietteessä vaikeutuu selvästi lämpötilan ollessa alhainen. Aktiivilieteprosesseissa jäteveden lämpötila on usein 4 39 C, jolloin toimitaan mesofiilisten bakteerien toiminta-alueella. Tällaisissa prosesseissa jäteveden optimimaalinen lämpötila olisi C. [14 25]

11 10 4. PERINTEISEN JÄTEVEDENPUHDISTUKSEN TEHOSTAMINEN TERTIÄÄRIKÄSITTELYLLÄ Perinteisessä jätevedenpuhdistuksessa puhdistus loppuu monissa prosesseissa usein jälki/loppuselkeytykseen, jolloin puhdistustulos ei aina ole riittävä edes puhdistetun veden purkamiseen vesistöön. Särkisalmen puhdistamon tapauksessa tertiäärikäsittelyksi on lisätty hiekkasuodatus, mutta silti raja-arvoihin fosforin suhteen ei aina päästä. Tulevaisuudessa ympäristölupien kiristyessä globaalisti on voimakas tarve jätevedenpuhdistusprosessien tehostamiseen. Erilaisten membraanisuodatussovellusten lisäksi on olemassa lukuisia muita tekniikoita puhdistuksen tehostamiseen kuten suodatus hienon väliaineen läpi (hiekkasuodatus tai suodatus antrasiitin läpi), koagulointi, flokkulointi, edistyneet hapetusprosessit, adsorptio, ioninvaihto, rakennetut kosteikot/imeytyskentät sekä erilaiset desinfiointimenetelmät. Hiekkasuodatuksen lisäksi Särkisalmella pyritään flokkulantin (Superfloc C-496 HMW) avulla tehostamaan selkeytystä. Selkeytys on ollut kuitenkin ajoittain tehotonta, jolloin hiekkasuodattimet ovat välillä tukkeutuneet. [26 30] Tertiäärikäsittelyn tarkoituksena voi olla kiintoainejäämien poisto vedestä, ravinteiden poisto (fosfori ja typpi), orgaanisen materiaalin poisto vedestä tai kaikki edellä mainitut. Ennen kaikkea tertiäärikäsittelyn tärkeimpiä tehtäviä on usein viruksien, bakteerien ja muiden mikro-organismien poisto vedestä. Tämän takia pääasiallinen tertiäärikäsittely on usein suodatusta, kuten hiekkasuodatusta tai membraanisuodatusta. Hienolla hiekkasuodatuksella ja etenkin erilaisilla membraanisuodatusprosesseilla voidaan hoitaa kerralla monta tertiäärikäsittelyn tehtävää. [31] Tehokkaan puhdistuksen varmistamiseksi käytetään usein suodatuksen rinnalla myös muita tekniikoita. Vaatimus puhdistustuloksesta riippuu veden loppukäytöstä ja paikalliset sekä alueelliset säädökset vaihtelevat, joten käytössä voi olla erittäin monen tasoisia tertiääripuhdistuskokonaisuuksia. Paikasta riippuen puhdistettu jätevesi voidaan esimerkiksi ohjata jokeen tai järveen, käyttää kasteluvetenä,

12 11 prosessivetenä tai jopa juomavetenä. Erilaiset tertiäärikäsittelyt lisäävät merkittävästi kustannuksia suhteessa perinteiseen puhdistukseen, joten tertiäärikäsittelyvaiheita lisätään käytännössä vain pakottavan tarpeen mukaan. [27] 4.1 Membraanisuodatussovellukset Jäteveden puhtausvaatimuksesta riippuen erilaisia paine-eroon perustuvia membraanisuodatusvaihtoehtoja ovat MF, UF, NF ja RO. Vaatimukset jäteveden puhdistukselle ovat usein niin tiukkoja, että mikrosuodatus (MF) pääasiallisena tertiäärikäsittelynä ilman merkittävää kemikaalien käyttöä ei ole yleensä riittävä. Ultrasuodatuksella (UF) ja membraanibioreaktorilla (MBR) saavutetaan yleisesti selvästi tasalaatuisempi ja parempi puhdistustulos (kiintoaine ja bakteerit) kuin tavallisella jätevedenkäsittelyllä, jolloin puhdistettua vesi voidaan purkaa joko vesistöön tai hyödyntää usein esimerkiksi kasteluvetenä. Paljon käytetyt membraanibioreaktorit yhdistävät tavallisen jätevedenkäsittelyn ilmastusvaiheen ja selkeytyksen samaan altaaseen, joten MBR:t eivät varsinaisesti ole osa tertiäärikäsittelyä. Membraanibioreaktoreissa on käytössä joko MF tai UF membraaneja. Membraanibioreaktoreita käsitellään enemmän kappaleessa 5. [32 34] Mikäli puhdistettua jätevettä halutaan uudelleen käyttää vaativissa sovelluksissa, kuten prosessivetenä tai juomavetenä, täytyy hyödyntää erotuskykyisempiä membraanitekniikoita nanosuodatusta ja käänteisosmoosia. Nanosuodatusta (NF) ja käänteisosmoosia (RO) käytettäessä esikäsittelynä on usein UF tai MBR sekä joskus myös muu tekniikka kuten adsorptio. Esikäsittelyllä pyritään vähentämään NF ja RO membraanien likaantumista sekä varmistamaan suodatuksen pitkäaikainen tehokas toiminta. [35 39] Tertiäärinen membraanisuodatus on prosessina helposti modifioitavissa puhdistustarpeen mukaan (MF, UF, NF ja RO kaikki mahdollisia). Tertiäärisen membraanisuodatuksen sisältävässä jätevedenpuhdistuksessa on mahdollisuus ottaa puhdistettua vettä monesta prosessikohdasta (jälkiselkeytyksen jälkeen,

13 12 hiekkasuodatuksen/vastaavan jälkeen tai membraanisuodatuksesta permeaattina), jolloin puhdistusta ei ole välttämätöntä tehdä loppuun saakka tiettyinä vuodenaikoina kun vesi on verrattain puhdasta. Kuvassa 4 on esitetty prosessikaavio perinteisestä jätevedenpuhdistusprosessista tertiäärisellä membraanisuodatuksella sovellettuna Särkisalmen puhdistamon prosessiin. [40, 41]

14 13 Kuva 4. Särkisalmen jätevedenpuhdistamon prosessikaavio tertiäärisellä membraanisuodatuksella. Mikro (MF)- tai ultrasuodatus (UF) on yleisesti pääasiallisesti käytettyä tertiääristä membraanitekniikkaa. Särkisalmen puhdistamon tapauksessa pääasiallisena tertiäärisenä membraanisuodatuksena olisi ultrasuodatus (UF) ja tarvittaessa nanosuodatus (NF) tai käänteisosmoosi (RO). Ultrasuodatuksesta ja nanosuodatuksesta/käänteisosmoosista saadut vuotuiset kapasiteetit perustuvat suodatusprosesseihin, jossa jätevettä suodatetaan VRF arvoon 20. [1, 12]

15 Mikrosuodatus ja ultrasuodatus Membraanisuodatus jätevedenpuhdistuksen tertiäärikäsittelynä nähdään varteenotettavana vaihtoehtona membraanibioreaktorille jäteveden tehostettuun puhdistukseen. Tertiääristä membraanisuodatusta on hyödynnetty jo sadoissa jätevedenpuhdistusprosesseissa maailmanlaajuisesti. Yksi esimerkki tällaisesta sovelluksesta on St. Helensin jätevedenpuhdistamo Tasmaniassa Australiassa, jonne rakennettiin tertiäärinen membraanisuodatus toukokuussa St. Helensin puhdistamolla puhdistetut jätevedet ohjataan merenlahteen, jossa kasvatetaan ostereita. Täten jätevedenpuhdistuksessa tärkeitä parametreja ovat kiintoaine, BOD, typpi ja fosfori sekä bakteerien poisto. Puhdistamo koostuu 6 mm:n seulasta, kahdesta aktiiviliete ja selkeytysreaktorista, jälkiselkeytysaltaasta, flokkulointialtaasta, 10 µm:n viirasuodattimesta, 0,1 µm:n onttokuitu mikrosuodatuksesta, UV desinfioinnista sekä lietteen polttoprosessista. Alumiinisulfaattia syötetään biologisiin reaktoreihin ja tarvittaessa flokkulointialtaaseen tehostamaan fosforinpoistoa. Natriumkarbonaattia käytetään tarvittaessa ph:n säätöön. Puhdistamoa on esitelty kuvissa 5 ja 6. [40, 41] Kuva 5. Ilmakuva St. Helensin jätevedenpuhdistamosta. [41]

16 15 Kuva 6. St. Helensin jätevedenpuhdistamon aktiiviliete ja selkeytysreaktori (vasen), viirasuodatin sekä onttokuitu mikrosuodatusmembraanit (oikea). [41] St. Helensin puhdistamo on mitoitettu puhdistamaan jätevettä maksimissaan m 3 /p keskimääräisen suunnittelukapasiteetin ollessa m 3 /p. Puhdistetun jäteveden pitoisuudet olivat keskimäärin seuraavat 90 päivän datankeräys aikana: BOD 5 1 mg/l, kokonaiskiintoaine 0,2 mg/l, NH 3 -N 0,1 mg/l, N tot 4,2 mg/l, P tot 1,0 mg/l ja sameus 0,12 NTU. Bakteerit ja virukset olivat alle määritysrajan. Näin ollen mikrosuodatuksella tehostetulla jätevedenpuhdistuksella saadaan jätevesi puhdistettua melko tehokkaasti, mutta tertiäärisellä mikrosuodatuksella ei kuitenkaan saada fosforia tehokkaasti poistettua vaan pitoisuus jää merkittävälle tasolle. St. Helensin puhdistamolla annosteltiin alumiinisulfaattia biologisten reaktorien lisäksi flokkausaltaaseen fosforin poiston tehostamiseksi. Tavoitteena oli päästä fosforitasoon 0,1 mg/l puhdistetussa jätevedessä. Fosforin poistokokeista havaittiin, että mg/l alumiinisulfaatin lisäyksellä biologisiin reaktoreihin ja 21 mg/l alumiinisulfaatin lisäyksellä flokkausaltaaseen päästiin jatkuvasti tavoitteeseen. [40, 41] Käytettyjen mikrosuodatusmembraanien likaantuminen ei ollut merkittävää (ei kemiallista pesua) 90 päivän havaintoajan aikana johtuen suuresti tehokkaasta esisuodatuksesta viirasuodattimella. Havaintoajan aikana koko puhdistusprosessin energiankulutuksen arvioitiin olevan noin 1,1 kwh/m 3. Vertailun vuoksi perinteisessä nykyaikaisessa aktiivilietelaitokseen perustuvassa puhdistuksessa energiankulutus on usein luokkaa 0,2 0,5 kwh/m 3 ja membraanibioreaktorin tapauksessa noin 0,53 1,7 kwh/m 3. [40, 41]

17 16 Ultrasuodatus erityisesti yhdistettynä flokkauksen ja adsorption kanssa on varteenotettava vaihtoehto tertiääriseen jätevedenpuhdistukseen. Ultrasuodatusta ei voida suoraan tehokkaasti hyödyntää selkeytetyn jäteveden tertiäärikäsittelyyn, sillä ravinteiden ja orgaanisien aineiden retentio jää alhaiseksi ja membraanien palautumaton likaantuminen on merkittävä ongelma. Goren et al. [42] pyrkivät tutkimuksessaan määrittämään sopivan katkaisukoon kunnallisen jäteveden ultrasuodatukseen sekä löytämään sopivan esikäsittelymenetelmän suodatukselle. Tutkimuksessa käytetty jätevesi oli perinteisen aktiivilieteprosessin selkeytyksestä tulevaa vettä. Selkeytetyn jäteveden BOD pitoisuus oli keskimäärin 11 mg/l, COD pitoisuus 68 mg/l, kokonaisorgaaninen hiili (TOC) 14,5 mg/l sekä liuennut kiintoaine 20 mg/l. Tutkimuksessa käytettiin 5 erilaista polysulfoni tai polyeetterisulfoni membraania, joiden katkaisukoot olivat 2 000, , , ja Da. [42] Flokkulaatio yhdessä adsorption (pulveroidulla aktiivihiilellä) kanssa on yksi tehokkaimmista esikäsittelymenetelmistä ultrasuodatukselle. Goren et al. [42] käyttivät tutkimuksessaan flokkulanttina rautakloridia (FeCl 3 ) ja adsorbenttina pulveroitua aktiivihiiltä (PAC), jotka lisättiin jäteveteen ennen suodatusta. Tutkimuksen perusteella optimaalinen annos rautakloridia oli 130 mg/l ja PAC:a 0,6 g/l, jolla pystyttiin vähentämään merkittävästi membraanien likaantumista. Esikäsittelyn vaikutus ultrasuodatuksen suodatuskapasiteettiin käytettäessä Da:n katkaisukoon omaavaa membraania on esitetty kuvassa 7. Membraanisuodatuksen kapasiteettia kuvataan yleensä vuolla l/m 2 h, joka kuvaa kuinka monta litraa suodatettavaa liuosta menee tunnissa membraanin läpi yhden neliön alalta. [42]

18 17 Kuva 6. Esikäsittelyjen vaikutus ultrasuodatuksen vuohon suodatettaessa selkeytettyä jätevettä Da:n polysulfoni membraanilla. Ultrasuodatus tehtiin 2 bar:n paineessa ja suodatusta jatkettiin vähintään niin kauan, että 50 ml syöttöliuosta oli tullut membraanin läpi. Käytetty suodatin oli laboratoriomittakaavan sekoituksella varustettu 150 ml:n dead-end tyyppinen suodatin. [42] Optimaalisella flokkuloinnin, adsorption ja ultrasuodatuksen yhdistelmällä jätevesi pystyttiin puhdistamaan tehokkaasti ja esikäsittelyllä pystyttiin selkeästi vähentämään membraanin likaantumista. Kaikissa kokeissa membraanin likaantuminen oli kuitenkin merkittävää (vuon lasku yli 10 %) jo ensimmäisen 30 minuutin aikana. Sopivalla flokkuloinnin, adsorption ja ultrasuodatuksen kombinaatiolla saavutettiin keskimäärin 97 % retentio orgaanisille molekyyleille, joiden moolimassa oli alle 800 g/mol. Kokonaisorgaanisen hiilen (TOC) retentio oli noin 70 %, kun selkeytettyä jätevettä suodatettiin esikäsittelyn (FeCl 3 ja PAC) jälkeen Da:n membraanilla. Tiukimmalla Da:n ultrasuodatusmembraanilla saavutettiin 77 % TOC retentio. Tuloksien perusteella kunnallisen jäteveden ultrasuodatuksessa on järkevää käyttää noin Da:n membraaneja, joilla saavutetaan hyvä erotustehokkuus oikealla esikäsittelyllä ja saavutetaan kohtuullinen kapasiteetti, sekä likaantumistaipumus on kohtuullisen pieni. [42]

19 Nanosuodatus ja käänteisosmoosi Nanosuodatuksen ja käänteisosmoosin soveltuvuutta kunnallisen jäteveden tehostettuun puhdistamiseen on selvitetty useissa tutkimuksissa viime vuosina. Usein nanosuodatuksen tai käänteisosmoosin esikäsittelynä on ollut membraanibioreaktori. Shon et al. [35] tekemässä tutkimuksessa hyödynnettiin kuitenkin adsorptiota nanosuodatuksen esikäsittelynä. Tutkimuksessa hyödynnettiin adsorptiota ja matalapaineista nanosuodatusta jäteveden tertiääriseen puhdistukseen. Tarkoituksena oli selvittää adsorptioesikäsittelyn merkitys suodatuksen toimintaan ja erotustehokkuuteen. [32, 35 39, 43] Shon et al. [35] suodattivat biologisesti käsiteltyä jätevettä Nitto Denkon NTR 729HF nanosuodatusmembraanilla ilman esikäsittelyä ja PAC esikäsittelyllä. NTR 729HF membraani on valmistettu polyvinyylialkoholista sekä polyamidista ja membraanin katkaisukooksi mitattiin 700 Da sekä kontaktikulmaksi 28. Kontaktikulmalla kuvataan membraanin hydrofiilisyyttä ja hydrofobisuutta. Mitä pienempi kontaktikulma on, sitä hydrofiilisempi membraani on. Yleisesti raja-arvona käytetään 90, mikäli kontaktikulma on yli sen, on membraani hydrofobinen. Jäteveden suodatus suoritettiin cross-flow tyylisellä tasomaisella nanosuodatusyksiköllä, jonka membraanipinta-ala oli 0,006 m 2. Paine jäteveden suodatuksessa oli 3 bar, lämpötila 30 C ja poikkivirtausnopeus 0,5 m/s. [35] Vuo tippui minuuteissa yli 30 % suodatettaessa jätevettä ilman esikäsittelyä. Ilman esikäsittelyä tehdyssä suodatuksessa saavutettiin 78 % TOC retentio (8,5 mg/l 1,9 mg/l). Membraanin likaantuminen oli erittäin vähäistä suodatettaessa jätevettä esikäsittelyn (flokkulointi ja adsorptio PAC:lla) jälkeen, vuo tippui 18 tunnin suodatuksen aikana vain prosentin verrattuna puhdasvesivuohon. Esikäsittelyn avulla pystyttiin tehostamaan myös erotustehokkuutta, TOC retentio parani 78 %:sta 88 %:iin. 0,5 g/l pulveroitua aktiivihiiltä esikäsittelyssä oli riittävä määrä poistamaan suurimman osan orgaanisista yhdisteistä kooltaan g/mol. PAC

20 19 esikäsittelyllä tehostetulla nanosuodatuksella saadaan valmistettua kierrätyskelpoista jätevettä ja esikäsittelyn myötä membraanin likaantuminen on erittäin vähäistä. [35] Membraanibioreaktorin hyödyntämistä yhdessä nanosuodatuksen tai käänteisosmoosin kanssa kunnallisen jäteveden tehostettuun puhdistukseen ovat tutkineet muun muassa Jacob et al. [36], Dialynas ja Diamadopoulos [37], Cartagena et al. [38], Sahar et al. [39] sekä Dolar et al. [43]. Membraanibioreaktori toimii hyvin esikäsittelynä nanosuodatukselle ja käänteisosmoosille, sillä MBR poistaa jätevedestä kiintoaineen kokonaan ja myös COD retentio sekä typpiretentio on korkea. Merkittävästi parempi puhdistustulos MBR:llä verrattuna tavalliseen puhdistukseen auttaa vähentämään NF ja RO membraanien likaantumista. [36, 38] Joissain tutkimuksissa on myös havaittu membraanibioreaktorin olevan erillistä ultrasuodatusta parempi esikäsittely likaantumisen kannalta käänteisosmoosille. Käytettäessä membraanibioreaktoria tertiäärisen ultrasuodatuksen sijaan on käänteisosmoosimembraanien likaantuminen ollut kymmeniä prosentteja pienempää. Jacob et al. [36] tekemän tutkimuksen mukaan myös tertiäärisen NF tai RO suodatuksen VRF arvo vaikuttaa merkittävästi membraanien likaantumiseen. Suodatettaessa esikäsiteltyä kunnallista jätevettä polyamidi käänteisosmoosimembraanilla VRF arvoon 2,5 tai alle oli likaantuminen vähäistä (vuon tiputus < 10 %) ja konsentroitaessa suodatettavaa jätevettä pidemmälle VRF arvoon 4 asti oli likaantuminen merkittävää (vuon tiputus kymmeniä prosentteja). VRF arvo on konsentroitumiskerroin, joka kuvaa kuinka paljon alkuperäistä syöttöä on väkevöity konsentraatiksi membraanisuodatuksessa. VRF arvo saadaan jakamalla alkuperäinen syötön määrä muodostuvan konsentraatin määrällä, esimerkiksi tuotettaessa 80 litraa permeaattia 100 litrasta syöttöä tulee konsentraattia 20 litraa ja VRF arvo on 5. [36] Hyödyntämällä membraanisuodatusta voidaan perinteisen jätevedenpuhdistuksen ravinteiden ja epäpuhtauksien, kuten fosforin, typen, COD:n ja TOC:n, poistoa tehostaa merkittävästi. Cartagena et al. [38] suodattivat kunnallista jätevettä pilot-

21 20 mittakaavan membraanibioreaktorilla sekä MBR:n jälkeen pilot-mittakaavan NF/RO laitoksessa. Tutkimuksessa käytetty MBR pilot laitos sisälsi kaksi altaaseen upotettavaa Kubotan LF10 yksikköä, joissa oli tasomaiset polyetyleeni membraanit (kokonaispinta-ala 16 m 2 ) sekä neljä upotettavaa Micronet R tyyppistä onttokuitu yksikköä, joissa oli polyamidi membraanit (kokonaispinta-ala 4 m 2 ). Membraanien huokoskoko molemmissa yksiköissä oli 0,4 µm ja MLSS pidettiin pilot laitoksen operoinnin aikana 8 grammassa per litra. NF:n ja RO:n sisältävässä pilot laitoksessa oli käytössä Filmtecin neljän tuuman NF spiraalimoduuli, jonka kokonaismembraanipinta-ala on 7,6 m 2. Membraanin katkaisukoko on 200 Da ja materiaali polyamidi. RO yksikkönä laitoksessa oli Filmtecin neljän tuuman BW spiraalimoduuli, jossa membraanin materiaali on polyamidi, kokonaispinta-ala 7,2 m 2 ja NaCl retentio 99,5 %. Membraanibioreaktorien tuottamat permeaatit esisuodatettiin patruunasuodattimilla ja veteen annosteltiin saostumisenestoainetta ja bakteerikasvun estämiseksi natriumbisulfiittia ennen NF/RO vaihetta. [38] Cartagenan et al. [38] tekemässä tutkimuksessa MBR laitoksella suodatetun jäteveden ominaisuudet ja suodatustulokset on esitetty taulukossa IV. NF/RO pilot laitoksella saavutetut puhdistustulokset on esitetty taulukossa V. [38] Taulukko IV Parametri Kunnallisen jäteveden puhdistus MBR pilot laitoksessa. Puhdistettavan jäteveden ominaisuudet ja MBR yksiköillä saavutettavat puhdistustulokset. Pilot laitoksella käytetyt membraanibioreaktoriyksiköt olivat Kubota LF10 (2 kpl, tasomaiset polyetyleeni membraanit, kokonaispinta-ala 16 m 2 ) ja Micronet R (4 kpl, onttokuitu polyamidi membraanit, kokonaispinta-ala 4 m 2 ). Membraanien huokoskoko molemmissa yksiköissä oli 0,4 µm. [38] Syöttö MBR laitokselle, mg/l Permeaatti Kubota, mg/l Permeaatti Micronet, mg/l Retentio Kubota, % Retentio Micronet, % P tot 47,0 24,3 24,7 48,3 47,4 N tot 158,5 28,0 28,7 82,3 81,9 - NO 3 8,4 103,0 110,7 < 0 < 0 - NO 2 1,2 0,2 0,2 83,3 83,3 + NH 4 65,4 0,1 0,2 99,8 99,7 COD ,0 28,0 98,7 98,8 Liuennut kiintoaine

22 21 Taulukko V Parametri Kunnallisen jäteveden puhdistus nanosuodatuksella ja käänteisosmoosilla MBR pilot laitoksen jälkeen. Nanosuodatuksen ja käänteisosmoosin erotustehokkuudet eri parametrien suhteen. Pilot laitoksella käytetyt membraanibioreaktoriyksiköt olivat Kubota LF10 ja Micronet R. Membraanien huokoskoko molemmissa yksiköissä oli 0,4 µm. Nanosuodatusyksikkö oli Filmtecin NF spiraalimoduuli (polyamidi membraani, katkaisukoko 200 Da ja kokonaispinta-ala 7,6 m 2 ) ja käänteisosmoosiyksikkö oli Filmtecin BW spiraalimoduuli (polyamidi membraani, kokonaispinta-ala 7,2 m 2 ). [38] Syöttö 1 (Permeaatti Kubota) Syöttö 2 (Permeaatti Micronet) NF90 permeaatti (syöttö 1) NF90 permeaatti (syöttö 2) BW30 permeaatti (syöttö 1) BW30 permeaatti (syöttö 2) P tot, mg/l 24,3 24,7 0,06 0,03 0,08 0,09 NO - 3, mg/l 103,0 110,7 12,1 11,9 4,9 5,3 TOC, mg/l ~20 ~20 0,74 0,81 0,72 0,76 Johtokyky, µs/cm < 78 < 78 < 52 < 52 Kuten taulukosta IV nähdään, poistaa MBR tehokkaasti kiintoainetta, typpeä ja vähentää COD:ta. Kuitenkin fosforin poisto on rajallista retention ollessa noin 50 %. Hyödynnettäessä nanosuodatusta tai käänteisosmoosia päästään fosforinkin osalta erittäin alhaisiin pitoisuuksiin (alle 0,1 mg/l), jolloin fosforiretentio on lähes 100 %. Myös kokonaisorgaanisen hiilen pitoisuus (TOC) on nanosuodatuksen tai käänteisosmoosin jälkeen erittäin pieni retention ollessa yli 96 %. Sekä nanosuodatus että käänteisosmoosi tuottaa kierrätyskelpoista vettä jätevedestä. Nanosuodatuksen (NF90 membraanilla) ja käänteisosmoosin (BW30 membraanilla) välillä ei ollut merkittäviä eroja erotustehokkuuden suhteen, joten kustannusmielessä on järkevää valita tällaisissa sovelluksissa nanosuodatus. [38] Nanosuodatuksessa käytetään merkittävästi alhaisempaa painetta (tässä tutkimuksessa 5,5 bar nanosuodatuksessa ja 7,5 bar käänteisosmoosissa) kuin käänteisosmoosissa, joten energiakustannukset ovat merkittävästi alhaisemmat. Mikäli NF90 membraania käytetään BW30LE membraanin sijaan, on vuotuisten käyttökustannusten arvioitu vähenevän $ laitoksella, jonka vedenpuhdistuskapasiteetti on 100 kuutiota tunnissa. Säästöt käyttökustannuksissa saavutetaan pienentyneen energiankulutuksen lisäksi säästöinä kemikaalien kulutuksessa ja konsentraatin hävittämisessä. [38] Kunnallisissa jätevesissä on epäpuhtauksina yhä enemmän myös erilaisia antibiootti-, hormoni- ja kipulääkejäämiä, jotka eivät aina erotu tehokkaasti perinteisessä

23 22 jätevedenpuhdistuksessa. Euroopan lääkevirasto EMEA on huomioinut lääkeainejäämien kasvavat määrät vesistöissä ja antanut ohjeelliseksi raja-arvoksi 100 ng/l kaikenlaisille lääkeaineille pintavesissä. Sahar et al. [39] tutkivat käänteisosmoosin hyödyntämistä muun muassa tehostettuun lääkeainejäämien ja hormonien poistoon. [39] Tutkimukset tehtiin kahdella pilot-mittakaavan laitoksella, joista toinen sisälsi perinteisen jätevedenpuhdistuksen lisäksi tertiäärisen ultrasuodatuksen ja käänteisosmoosin (laitos 1) sekä toinen yhdisti membraanibioreaktorin ja käänteisosmoosin (laitos 2). Laitoksen 1 ultrasuodatus muodostui General Electiricin ZeeWeed 1000 onttokuitu ultrasuodatusyksiköstä, jossa on huokoskooltaan 0,02 µm:n PVDF membraani (katkaisukoko alle Da) ja käänteisosmoosielementtinä oli Filmtecin BW30-400, joka on murtovedelle erityisesti suunniteltu kolmesta kerroksesta (aktiivisena erottavan kerroksena 0,2 µm:n paksuinen polyamidikerros, 40 mm polysulfonikerros ja tukiverkkona 120 mm polyesterikerros) koostuva membraani, jonka katkaisukoko on noin 100 Da. Laitoksen 2 membraanibioreaktori sisälsi kaksi General Electricin ZeeWeed 500 ilmastusaltaaseen upotettavaa onttokuitu ultrasuodatusmoduulia, joissa on huokoskooltaan 0,04 µm:n PVDF membraani (katkaisukoko noin Da) ja käänteisomoosielementtinä Filmtecin TW , joka on ominaisuuksiltaan vastaavanlainen kuin BW elementti. [39, 44, 45] Sahar et al. [39] tekemän tutkimuksen mukaan perinteisellä puhdistuksella ei saavuteta merkittävän korkeita retentioita erilaisille antibiooteille. Perinteinen jätevedenkäsittely poistaa jo melko tehokkaasti kipuainejäämät (Ibuprofeeni) ja kolesterolin vedestä. Tutkimuksessa analysoitiin erilaisten antibioottityyppien pitoisuuksia eri prosessivaiheista ja tutkittavia antibiootteja olivat muun muassa makrolidit Erythromysiini (ERY), Clarythromysiini (CLA) ja Roxithromysiini (ROX) sekä sulfonamidit Sulfamethoxazole (SMX) ja Sulfamethazine (SMZ). Eri prosessien erotustehokkuus tutkittujen antibioottien sekä Ibuprofeenin ja kolesterolin poistoon kunnallisesta jätevedestä on esitetty taulukossa VI. [39]

24 23 Taulukko VI Komponentti Kunnallisen jätevedenpuhdistus. Perinteisen jätevedenpuhdistuksen, tertiäärisen ultrasuodatuksen, membraanibioreaktorin ja käänteisosmoosin erotustehokkuus antibioottien, Ibuprofeenin ja kolesterolin poistoon jätevedestä. [39] Perinteinen puhdistus Retentio, % Laitos 1 Laitos 2 UF RO MBR RO Retentio, % Retentio, % Retentio, % Retentio, % ERY (antibiootti) 46,7 72,2 99,3 90,4 99,3 CLA (antibiootti) 77,0 93,2 99,2 91,4 99,2 ROX (antibiootti) 66,8 81,4 99,9 89,5 99,6 SMX (antibiootti) 29,4 60,3 97,6 69,6 97,6 SMZ (antibiootti) 72,7 73,5 93,5 90,2 93,5 Ibuprofeeni ~ 95 ~ 98 ~ 100 ~ 97 ~ 100 Kolesteroli ~ 99 ~ 100 ~ 100 ~ 99 ~ 100 Kuten taulukosta IV voidaan nähdä, on perinteinen jätevedenpuhdistus jossain määrin tehoton poistamaan antibiootteja jätevedestä. Membraanibioreaktorilla saavutetut puhdistustulokset ovat hieman tertiääristä ultrasuodatusta parempia antibioottien osalta, vaikka tertiäärisessä puhdistuksessa oli käytössä tiukempi membraani. Membraanibioreaktorin tapauksessa jäteveden esikäsittely on ollut hieman erilainen verrattuna laitokseen 1, joka on voinut tehostaa esimerkiksi sulfonamidi antibioottien SMX ja SMZ poistoa. Membraanibioreaktorin tapauksessa aktiivilietteen konsentraatio on myös perinteistä puhdistusta selkeästi korkeampi, jolloin bakteereja on lietteessä enemmän ja ne voivat poistaa antibiootteja hajottamalla. Kolesterolin määrä membraanibioreaktrin jälkeen on noin 400 ng/l, joka on puolestaan selvästi suurempi kuin tertiäärisen ultrasuodatuksen jälkeen (noin 200 ng/l). [39] Käänteisosmoosi poistaa tehokkaasti pieniäkin epäpuhtauksia vedestä retentioiden ollessa selvästi yli 90 %. Antibioottien jäännöspitoisuudet käänteisosmoosin jälkeen olivat alle 25 ng/l, mutta muiden tutkittujen komponenttien (muun muassa Salisyylihappo, Ibuprofeeni ja kolesteroli) jäännöspitoisuudet olivat välillä ng/l. Tässä tutkimuksessa kolesterolin suurin jäännöspitoisuus 223 ng/l ylitti EMEA:n antaman raja-arvon 100 ng/l, joten käänteisosmoosikaan ei aina riitä täysin rajoarvojen saavuttamiseen. Tarvittaessa käänteisosmoosin rinnalle voidaan harkita muun muassa adsorptiota aktiivihiileen tai hapetusta. [39]

25 Muita potentiaalisia ratkaisuja jätevedenpuhdistuksen tehostamiseen Erilaisten membraanisuodatussovellusten lisäksi on olemassa lukuisia muita mahdollisia tekniikoita perinteisen jätevedenpuhdistuksen tehostamiseen, kuten suodatus hienon väliaineen läpi (hiekkasuodatus tai suodatus antrasiitin läpi), koagulointi (kemiallinen tai sähkökemiallinen), flokkaus, edistyneet hapetusprosessit, adsorptio (erityisesti aktiivihiilellä), ioninvaihto (esimerkiksi anionisilla ioninvaihtohartseilla), rakennetut kosteikot/imeytyskentät, erilaiset desinfiointimenetelmät (UV, klooraus), otsonointi ja kiekkosuodatus. Membraanisovelluksia käytetään jo nykyisin kunnallisessa jätevedenpuhdistuksessa, etenkin membraanibioreaktorit ovat yleisesti käytössä. Hiekkasuodatusta yhdistettynä flokkaukseen hyödynnetään hyvin yleisesti monissa puhdistamoissa tertiäärikäsittelynä ja desinfiointi etenkin UV:lla on myös laajalti käytössä. Muut tekniikat ovat harvinaisempia, mutta yllä mainituista edistyneet hapetusprosessit, sähkökoagulaatio, adsorptio aktiivihiilellä tai adsorbenteillä sekä ioninvaihto ovat potentiaalisimpia. [26 29, 46 50] Optimoimalla flokkaus- ja saostuskemikaalien käyttö ja tertiäärinen hiekkasuodatus voidaan päästä erittäin alhaisiin fosforipitoisuuksiin puhdistetussa jätevedessä. Yhdysvalloissa on kymmeniä kunnallisia jätevedenpuhdistuslaitoksia, joissa erilaisten hiekkasuodatusprosessien ja kemikaalien avulla päästään toistuvasti alle 0,1 mg/l fosforipitoisuuksiin puhdistetussa jätevedessä. Jopa alle 0,01 mg/l fosforipitoisuuksiin voidaan päästä, mutta kemikaalien kulutus luonnollisesti kasvaa pyrittäessä erittäin alhaisiin pitoisuuksiin. Pelkällä hiekkasuodatuksella ei saada fosforia poistettua riittävästi, vaan kemikaaleja tarvitaan, jotta fosfori poistuu kiintoaineen mukana. [47] Tyypillisimpiä kemikaaleja tähän tarkoitukseen on erilaiset alumiini- ja rautapohjaiset koagulantit sekä erilaiset polymeerit. Usein käytössä on joko alumiini- tai rautapohjainen koagulantti ja lisäksi kationinen polymeeri. Käytettyjen koagulenttien määrät ovat luokkaa mg/l (alumiini yleisimmin käytössä) ja kationista

26 25 polymeeriä 0,1 1,0 mg/l. Tyypillisiä suodatustekniikoita ovat esimerkiksi suodatus liikkuvalla hiekkapedillä, painovoimainen suodatus useamman väliaineen läpi (esimerkiksi hiekka + antrasiitti) ja Dynasand suodatus. Myös mikrosuodatusta hyödynnetään useissa laitoksissa varmistamaan tehokas puhdistus. [47] Edistyneet hapetusprosessit perustuvat hydroksiradikaalien OH luomiseen, jotka pystyvät hapettamaan orgaanisia ja epäorgaanisia kompleksiyhdisteitä. OH radikaalit muodostuvat hydroksiryhmien hajotessa ja ne ovat vahvoja hapettimia, mitkä pystyvät hajottamaan yhdisteitä joita tavalliset hapettimet, happi ja kloori, eivät pysty. Hapetuksen ideana on muuttaa orgaaniset yhdisteet hiilidioksidiksi, vedeksi ja vaarattomiksi epäorgaanisiksi molekyyleiksi. Edistyneet hapetusprosessit eivät aina pysty hajottamaan yhdisteitä kokonaan. Hapetuksen tehokkuus riippuu monesta tekijästä, kuten happikonsentraatiosta, ph:sta, lämpötilasta ja epäpuhtauksista. Edistyneitä hapetustekniikoita on monia erilaisia, sillä radikaalit voidaan luoda monilla eri tavoilla. Niinpä myös puhdistustehokkuudet ja prosessien kustannukset vaihtelevat suuresti. [27] Sähköhapetus on ympäristöystävällinen tapa hajottaa biohajoamattomia orgaanisia yhdisteitä ja poistaa typpiyhdisteitä jätevedestä. Sähköhapetus voidaan suorittaa suoralla hapetuksella tai epäsuoralla hapetuksella; suorassa hapetuksessa yhdisteet hajoavat anodisen elektrodin pinnalla, kun taas epäsuorassa menetelmässä sähkökemiallisesti luodaan hapettimia (esimerkiksi HClO ja H 2 S 2 O 8 ), jotka hapettaa yhdisteet. Sähköhapetus on prosessina yksinkertainen ja helposti pysäytettävissä sekä nopeasti käynnistettävissä uudelleen, mutta sähkönkulutus ja samalla käyttökustannukset ovat suuret sekä elektrodien likaantuminen on ongelma. [27] Kemiallisessa koaguloinnissa koagulantit (esimerkiksi alumiinisulfaatti ja rautasulfaatti) lisätään prosessiin yksittäisinä annoksina. Lisättävät koagulantit muodostavat aggregaatteja muiden partikkeleiden ja koagulanttien kanssa, jolloin tapahtuu saostumista (esimerkiksi fosforia ja rautaa saostuu). Sähkökoagulaatio on toiminnaltaan samankaltainen kuin kemiallinen koagulaatio, mutta eroavaisuus tulee

27 26 koagulanttien lisäystavassa. Sähkökoagulaatiossa koagulantit luodaan sähköisesti ja jätevesi käsitellään sähkökemiallisessa kennossa. Sähkökemiallisen kennon anodilta vapautuu kationisia koagulantteja (alumiini tai rautaioneja) ja katodilta puolestaan elektrolyyttisiä kaasuja, kuten vetyä. Katodilla muodostuu myös OH - ioneja, jotka voivat reagoida metalli-ionien kanssa muodostaen metallihydroksideja. Nämä metallihydroksidit saostavat muita metalli-ioneja ja suoloja. Sähkökoagulaatio voi poistaa jätevedestä muun muassa liuenneita kiintoaineita, raskasmetalleja, orgaanista materiaalia, rasvoja ja ioneja. Sähkökoagulaatiota on käytetty pienessä mittakaavassa kunnallisen jätevedenpuhdistukseen, mutta tekniikan soveltaminen suuressa mittakaavassa vaatii vielä lisää tutkimus- ja kehitystyötä. Sama pätee sähköhapetukseen. [27] Adsorptiossa jätevesi ja sen kiintoainepartikkelit päästetään vuorovaikutukseen adsorbentin kanssa esimerkiksi diffuusion avulla, jolloin osa jäteveden kiintoaineesta adsorboituu adsorbenttiin ja epäpuhtaudet voidaan näin poistaa laskeuttamalla. Aktiivihiili, synteettiset polymeerit ja silikapohjaiset adsorbentit ovat tyypillisiä adsorbenttejä, mutta aktiivihiiltä eri muodoissaan käytetään useimmiten edullisen hinnan takia. Aktiivihiilen avulla voidaan jätevedestä poistaa muun muassa raskasmetalleja, orgaanisia yhdisteitä, epäorgaanisia epäpuhtauksia (typpi ja sulfidit) sekä hajua. Aktiivihiili on suhteellisen kallista käyttää isossa mittakaavassa ja sitä käytetäänkin useimmiten juomavedenvalmistusprosesseissa. Aktiivihiiltä voidaan myös hyödyntää esikäsittelynä membraanisuodatukselle vähentämään membraanien likaantumista. [27, 42] Ioninvaihdossa liukenemattomien materiaalien avulla kuten ioninvaihtohartseilla poistetaan selektiivisesti ioneja jätevedestä. Ioninvaihtoa voidaan käyttää jätevedenpuhdistuksessa esimerkiksi korvaamaan raskasmetalli-ioneja ja muita haitallisia ioneja vaarattomilla ioneilla. Suurin käyttökohde ioninvaihdolla on kotitalousvesien pehmennyksessä, jossa kationinvaihtohartseissa olevilla natriumioneilla korvataan vedessä olevat kalsium- ja magnesiumionit. Tyypillisesti ioninvaihto tehdään ioninvaihtokolonnilla, jossa on sisällä ioninvaihtohartsia, joka

28 27 selektiivisesti poistaa halutut ionit jätevedestä (anionit tai kationit). Käsiteltävä jätevesi pumpataan kolonnin yläosasta kolonnin läpi, jolloin halutut ionit jäävät hartsiin. [27] Koska ionit jäävät hartsiin, täytyy kolonnissa oleva hartsi regeneroida ajoittain. Hartsien regenerointi on aikaa vievää. Ioninvaihto ei sovellukaan kokonaisvaltaiseksi puhdistusmenetelmäksi jätevedelle, sillä menetelmä poistaa vain ioneja ja vaatii merkittävän esikäsittelyn toimiakseen kunnolla. Ioninvaihdolla saadaan toki poistettua tehokkaasti ioneja, mutta menetelmällä ei pystytä käsittelemään suuren metallipitoisuuden omaavia jätevesiä. Lisäksi ioninvaihto on erittäin ph riippuvaista ja investointi- sekä käyttökustannukset ovat suhteellisen suuret. [27] 4.3 Teknologioiden vertailu Kuten edellisestä kappaleesta voidaan nähdä, on mahdollisia tekniikoita jätevedenpuhdistukseen lukuisia. Teknologioiden vertailussa keskitytään kuitenkin kokonaisvaltaisempiin ratkaisuihin, joilla voidaan poistaa useita epäpuhtauksia ja ratkaisuihin, jotka ovat suuressa mittakaavassa käytössä. Tällaisia tekniikoita ovat muun muassa hiekkasuodatuksen ja flokkauksen sisältävä perinteinen aktiivilieteprosessi (AL + flokkaus + hiekka), mikrosuodatuksen ja flokkauksen yhdistelmä (MF + flokkaus), membraanibioreaktorilla toteutettu puhdistus (MBR), membraanisuodatus tertiäärikäsittelynä (tertiäärinen NF/RO) sekä adsorption (pulveroidulla aktiivihiilellä) ja ultrasuodatuksen yhdistelmä (PAC + UF). Kyseisten menetelmien erotustehokkuudet ja arvioidut energiankulutukset ovat esitetty taulukossa VII. Näiden lisäksi myös adsorptio aktiivihiilellä perinteisen puhdistuksen lisänä on toimiva ratkaisu ja erilaisia viimeistely/desinfiointi käsittelyjä (etenkin UV ja myös otsonointi) käytetään myös suuressa mittakaavassa. Desinfiointimenetelmät ovat enemmän käytössä juomavedenvalmistusprosesseissa. [15 22, 35, 38, 39, 40 42, 47]

29 28 Taulukko VII Parametri Tehostettu kunnallinen jätevedenpuhdistus erilaisilla tekniikoilla. Kokonaisvaltaisten puhdistusmenetelmien erotustehokkuudet ja energiankulutukset. [15 22, 35, 38, 39, 40 42, 47] AL + flokkaus + hiekka, retentio % MF + flokkaus, retentio % MBR, retentio % Tertiäärinen NF/RO, retentio % PAC + UF, retentio % COD 90 > 90 > 95 ~100 > 95 BOD > 90 > 99 > 99 ~100 > 99 P tot 50 (yli (jopa yli ~ 90 optimaalisella 95) kemikaalinkäytöllä) ~ N tot > 90 > 80 > Kiintoaine > TOC << 70 < > Bakteerit ja virukset Ei läheskään täydellinen poisto > 95 ~100 ~100 ~100 Antibiootit ~ ~ (RO) ~70 95 Kokonaisenergiankulutus, kwh/m 3 0,2 1,5 (0,2 0,5 moderni) 1,08 (Särkisalmi) 1,1 0,5 1,7 0,5 1,8 (0,3 NF/RO:n osuus) ~1 Mikrosuodatusta ja flokkausta hyödyntävän puhdistusprosessin antibioottien poistokyky on parempi kuin flokkausta ja hiekkasuodatusta hyödyntävällä aktiivilietelaitoksella, mutta heikompi kuin tiukempia membraaneja hyödyntävillä prosesseilla. Energiankulutus tertiäärisen nanosuodatuksen tai käänteisosmoosin sisältävässä puhdistusprosessissa riippuu suuresti muun muassa prosessin esikäsittelymenetelmistä ennen membraanisuodatusta sekä varsinaisesta membraanisuodatuksesta. Käänteisosmoosia käytettäessä energiankulutus on merkittävästi nanosuodatusta suurempi. Energiankulutuksen voidaan arvioida olevan NF/RO prosesseissa hieman PAC + UF prosessia suurempi ja suunnilleen samaa tasoa kuin monessa membraanibioreaktoria hyödyntävässä prosessissa. Taulukossa VII esitetyt puhdistustehokkuudet ovat suuntaa antavia, sillä prosessit ovat hyvin erilaisia ja suora vertailu on hankalaa. Kuitenkin voidaan sanoa, että nanosuodatusta ja käänteisosmoosia hyödyntävillä prosesseilla saadaan selvästi parhaat puhdistustulokset. Energiankulutus puolestaan on usein pienin modernissa aktiivilieteprosessissa.

30 29 5. MODERNI JÄTEVEDENPUHDISTUS MEMBRAANEILLA Jätevedenpuhdistuksen raja-arvot kiristyvät kokoajan globaalisti, makean veden riittävyys on haaste ja monissa kaupungeissa väestöä sekä infrastruktuuria on niin paljon, että jätevedenpuhdistusprosessit tulisi rakentaa kompaktisti. Myös tasalaatuisen veden tuottaminen ympäri vuoden on haaste perinteisessä jätevedenpuhdistuksessa. Täten nykyisin on tarve moderneille ratkaisuille jätevedenpuhdistuksessa. Erilaiset membraanisuodatusratkaisut ovat merkittävä osa ratkaisua, kun halutaan säästää tilaa jätevedenpuhdistuksessa, tuottaa tasalaatuista kierrätyskelpoista vettä tai tuottaa tekopohjavettä alueille, joissa ei ole muuten riittävän hyvälaatuista pohjavettä tai jopa valmistaa juomavettä kunnallisesta jätevedestä. 5.1 Membraanibioreaktorit perinteisen jätevedenpuhdistuksen korvaajina Membraanibioreaktorit ovat saaneet merkittävän aseman globaalisti jäteveden tehostetussa puhdistuksessa. Membraanibioreaktoriin perustuvia puhdistusprosesseja on asennettu jo yli 200 maahan ja asennettuja membraanibioreaktorilaitteistoja on jo selvästi yli Viimeaikainen markkinoiden kasvu on ollut nimenomaan kunnallisen jätevedenpuhdistuksen puolella. Globaalisti kolme selvintä markkinajohtajaa MBR laitteistoissa on GE Zenon, Kubota ja Mitsubishi Rayon Engineering, joilla on yhteensä yli 70 % markkinaosuus. Membraanibioreaktoreiden globaalin markkina-arvon on arvioitu kasvavan 500 miljoonaan euroon vuoteen 2013 mennessä. Membraanibioreaktorimarkkinoiden kasvu viime vuosina voidaan nähdä kuvasta 7, jossa on esitetty asennettujen membraanibioreaktoriyksikköjen määrä Yhdysvalloissa vuosina Membraanibioreaktoreiden asennukset Yhdysvalloissa (kuva 7) noudattavat yleistä trendiä, kasvu on viime vuosina ollut vahvaa ja pääpaino on pienen tai keskikokoisen kapasiteetin omaavissa laitoksissa. [51 53]

31 30 Kuva 7. Yhdysvaltoihin asennettujen membraanibioreaktorijärjestelmien määrät vuosina eri kapasiteettiluokittain. [muokattu 51] Membraanibioreaktori (MBR) yhdistää biologisen aktiivilieteprosessin ja selkeytyksen, jossa mikro- tai ultrasuodatusmembraanit (huokoskooltaan 0,01-0,4 µm) hoitavat neste-kiintoaine-erotuksen jälkiselkeytyksen sijaan. Membraanibioreaktoreita hyödynnettäessä ei esiinny perinteisessä prosessissa mahdollisia laskeutusongelmia, sillä MBR:ää käytettäessä lietteen kiintoainepitoisuus on selvästi suurempi (usein luokkaa 10 g/l verrattuna perinteisen puhdistuksen noin 2 4 g/l) ja membraani erottaa täysin kiintoaineen puhdistettavasta jätevedestä. Membraanibioreaktoreissa käytetään usein membraanimateriaalina polyvinyleenidifluoridia (PVDF), polyeetterisulfonia (PES) tai polyetyleeniä (PE). [51, 54, 55] Membraanibioreaktoreita voidaan operoida kahdella erilaisella konfiguraatiolla, jotka ovat sisäinen ja ulkoinen MBR. Sisäisessä konfiguraatiossa membraanimoduulit membraanit upotetaan biologiseen altaaseen (kuva 8) ja ulkoisessa konfiguraatiossa varsinainen aktiivilieteallas ja membraanierotus ovat erillään (kuva 9). Membraanibioreaktorin moduuleissa membraani ovat yleensä joko tasomaisia (kuva