EU Life+ N-SINK. Typpikuorman vähentäminen uusin keinoin Yleistajuinen katsaus hankkeen tuloksiin LIFE12 ENV/FI/597

Transkriptio

1 EU Life+ N-SINK Typpikuorman vähentäminen uusin keinoin Yleistajuinen katsaus hankkeen tuloksiin LIFE12 ENV/FI/597

2 Sisällys ² N-SINK N-SINK Lauri Arvola ja Jussi Huotari... 3 Malleilla tehokkuutta typen vähennystoimiin KEURUU Katri Rankinen, Markus Huttunen ja Pekka Kinnunen Diffuusoriputki edullinen typenpoistomenetelmä Sanni Aalto ja Marja Tiirola PETÄJÄVESI LAMMI PAROINEN Tiivistä tietoa... 8 N-SINK lukuina N-SINK hanketiedot SYKE/YKR Maanmittauslaitos, SYKE Yhteiskunnan varojen järkevä käyttö edellyttää kustannustehokkuuden arviointia myös vesiensuojelussa. Vesistöjen typpikuormituksen vähentämisen hyödyistä ja tarpeesta onkin keskusteltu jo vuosikymmeniä. Suomen alueelta Itämereen tuleva typpikuormitus on pääosin peräisin maataloudesta ja asutusten jätevesistä. Vaikka yhdyskuntien jätevedet puhdistetaan ennen vesistöön johtamista, käsitelty jätevesi sisältää yleensä huomattavia määriä epäorgaanista typpeä. Itämeressä levien perustuotanto on osittain typpirajoitteinen (s. 8), jolloin typpikuormitus voi kiihdyttää levien kasvua. Tämän takia Euroopan Unioni (EU) vaatii Suomea vähentämään alueeltaan Itämereen tulevaa typpikuormitusta. Jätevesikuormitusta on mahdollista vähentää tehostamalla jätevedenpuhdistamojen typenpoistoprosesseja sekä hyödyntämällä paremmin luonnon omia ekosysteemipalveluja. Maatalouden vesistökuormitusta voidaan niin ikään vähentää ja viljelijöille koituvia kustannuksia keventää ympäristötukijärjestelmän avulla. Vesiensuojelun tavoitteet on kirjattu direktiiveihin ja niiden toimeenpanoa säädellään kansallisten lakien ja säädösten kautta. EU:n Life-ohjelman rahoittama N-SINK-hanke (Reduction of wastewater nitrogen load: demonstrations and modelling (N-SINK). LIFE12 ENV/FI/597) haki vastausta kahteen kysymykseen: mihin typpikuormituksen vähennystoimia kannattaa kohdentaa ja millä tavalla suurimpien kuormittajien, eli yhdyskuntajätevesien ja maatalouden, typpipäästöjä vesistöihin voidaan kustannustehokkaimmin leikata? Puhdistamot Keurusselkä Vanajaveden reitti Porvoonjoki Kokemäenjoki Keskustaajama N-SINK-hankkeen tavoitteena oli osoittaa järvien pohjasedimenttien tarjoamat mahdollisuudet jätevesien typenpoiston tehostamiseksi, sekä verrata tämän luonnon tarjoaman ekosysteemipalvelun tehoa muihin jäteveden typenpoistomenetelmiin ja maatalouden typpikuormituksen vähennysmahdollisuuksiin. Kustannustehokkuustarkastelua varten hankkeessa luotiin mallinnukselle uudenlainen toimintamalli, joka mahdollistaa alueellisesti aiempaa tarkemman toimenpiteiden vaikutusten arvioinnin. Hankkeen kustannustehokkuusmallinnuksen esimerkkialueiksi valittiin Porvoonjoen ja Kokemäenjoen valuma-alueet (Kuva 1). Molemmilla alueilla on suuri maatalouden ja yhdyskuntien aiheuttama typpikuormitus. Ne poikkeavat kuitenkin toisistaan monessa suhteessa, ennen muuta hydrologialtaan. Porvoonjoki virtaa käytännössä suoraan mereen, kun taas Kokemäenjoen vedet viipyvät matkallaan lukuisissa järvialtaissa. Järvisedimentin typenpoistotehokkuuden osoittamiseksi kokeiltiin Keuruun ja Petäjäveden jätevedenpuhdistamoilla uudenlaista purkutapaa, diffuusoriputkea, jonka tehoa tarkasteltiin yhdessä Lammin jätevedenpuhdistamon jälkeisen kosteikon typenpoiston ja Hämeen linnan Paroisten puhdistamon alapuolisessa vesistössä tapahtuvan luonnollisen typenpoistuman kanssa. N-SINK-hankkeen toteutuksesta vastasivat Helsingin yliopiston Lammin biologinen asema ja fysiikan laitos, Luonnonvarakeskus Luke, Suomen ympäristökeskus SYKE ja Jyväskylän yliopisto. FreeVectorMaps.com Kuva 1. Esimerkkialueet. 3 Erika Várkonyi

3 Malleilla tehokkuutta typen vähennystoimiin virtaussuunta ITÄMEREN HYVÄ EKOLOGINEN TILA virtaussuunta Kuva 2. Optimoitaessa toimenpiteitä typpikuormitus vähenee eri tavoin vesistöjen osavaluma-alueilla (Vanajavesi vihreät ja Porvoonjoki punaiset alueet) (A). Myös kuormituksen vähentämisestä aiheutuvat kustannukset vaihtelevat (B). Typen kuormituksen kokonaisvähennys oli Vanajaveden vesistöalueella kg, josta 32 % tuli jätevesistä ja 68 % maataloudesta. Porvoonjoella vähennys oli kg, josta 66 % tuli jätevesistä ja 33 % maataloudesta. Toimenpiteiden kokonaiskustannukseksi muodostui Vanajavedellä 3,35 milj. (32 % jätevedestä ja 68 % maataloudesta) ja Porvoonjoella 1,63 milj. (48 % jätevesi ja 52 % maatalous). Kuva: Pekka Kinnunen. Itämeren typpikuormituksen vähennystavoite hyvän ekologisen tilan saavuttamiseksi on Suomen osalta arvioitu olevan 6600 tonnia typpeä. Tämä vastaa noin 13 %:n leikkausta ihmisen aiheuttamaan typpikuormitukseen. Suomenlahden valuma-alueella, johon Porvoonjoki kuuluu, vähennystavoite on 24 % ja Selkämeren valuma-alueella, johon Kokemäenjoki kuuluu, vähennystavoite on 7 %. Kokemäenjoen osalta tavoite on saavutettavissa mallinnetuilla toimenpiteillä. Porvoonjoelle tavoite on tiukempi mutta myös mahdollinen, vähennystoimien jakaantuessa maatalouden ja yhdyskuntajätevesin kesken (Kuva 2). Kuormituksen vähentämistoimenpiteiden kustannustehokkuuteen vaikuttaa oleellisesti, miten suuri osuus kuormituksesta pidättyy vesistöön toimenpidealueen ja typpikuormitukselle herkän vesistön osan tai merialueen välillä. Mallinnuksen avulla arvioitiin millaisia kuormituksen vähennystoimia kannattaa tehdä missäkin osassa valuma-aluetta, jotta typpikuormitukselle herkkä vesitai merialue saadaan typen osalta hyvää tilaa vastaavalle tasolle mahdollisimman pienin kustannuksin. Typpikuormituksen vähenemiselle asetettiin erilaisia tavoitetasoja eli skenaarioita. Monimuotoisilla alueilla toimenpiteiden välillä voi olla merkittäviä eroja niin kustannuksissa kuin vaikutuksissakin. Tämän takia alueen ominaispiirteiden, ml. maalajit ja typen pidättyminen, paikalliseen vaihteluun kiinnitettiin erityistä huomiota. Menetelmien kustannustehokkuutta ja vaikutuksia nitraattikuormitukseen mallinnettiin Porvoonjoen ja Kokemäenjoen valuma-alueilla. Vesistöissä on suuri yhdyskuntien ja maatalouden aiheuttama nitraattikuormitus. Porvoonjoen vedet purkautuvat Suomenlahteen kulkematta järvialtaiden läpi. Kokemäenjoen vesistöalueella vedet kulkevat Selkämereen sen sijaan lukuisten erikokoisten järvialtaiden läpi. Valuma-aluemalleilla arvioitiin toimenpiteiden vaikutus typpikuormitukseen ja taloudellisilla optimointimalleilla tarkasteltiin, millä toimenpideyhdistelmillä vähennystavoite voidaan saavuttaa taloudellisimmin. Maatalouden ympäristötukijärjestelmän piiriin kuuluvista toimista mallinnuksessa otettiin huomioon nitraattilannoituksen vähentäminen, kevennetyt maanmuokkausmenetelmät, peltojen ympärivuotinen kasvipeitteisyys ja rakennetut maatalouskosteikot. Jäteveden typpikuormituksen vähennystoimista olivat mukana typenpoiston tehostaminen jätevedenpuhdistamoilla, haja-asutuksen liittäminen viemäriverkostoon ja jätevettä vastaanottavan vesistön pohjasedimentin tarjoama typenpoiston ekosysteemipalvelu (ks. s. 8). Tulosten mukaan Itämeren nitraattikuormituksen vähentämistoimet kannattaa kohdentaa ensisijaisesti niille puhdistamoille, joiden typenpoiston lähtötaso on matala. Myös järvisedimenttien tarjoama typenpoiston ekosysteemipalvelu osoittautui kustannustehokkaaksi menetelmäksi. Jos tavoitteena on vähentää jokiveden typpipitoisuutta, toimenpiteet tulee kohdentaa myös maatalouden typenpoistoon. Mitä enemmän typpeä halutaan poistaa ja mitä suurempi on typen pidättyminen järviin, sitä suurempi merkitys on maatalouden toimenpiteillä. Syynä on se, että järvialtaat sijaitsevat voittopuolisesti valuma-alueiden yläosassa ja pellot alaosassa, jolloin niiden vaikutus korostuu. Mallin avulla voidaan arvioida kuormituksen vähentämisen kustannuksia ja vaikutuksia myös muilla vesistöalueilla. Mallia voidaan päivittää sitä mukaa, kun eri toimenpiteiden kustannuksista ja vaikutuksista saadaan uutta tietoa. Näin voidaan antaa entistä tarkempia toimenpidesuosituksia vesiensuojelun tehostamiseksi. Mallin avulla voidaan myös arvioida uusien vesistökuormitusta vähentävien toimenpiteiden kustannustehokkuutta. Lisäksi malli voidaan laajentaa kattamaan yhä suurempi joukko jo olemassa olevia toimenpiteitä eri aloilta, esim. teollisuuden, turpeentuotannon ja maatalouden piiristä. Typpikuormituksen vähennyskeinot saattavat vaikuttaa samalla myös fosforikuormitukseen. Mallia voidaan kehittää huomioimaan myös fosforikuormituksen vähennystoimenpiteet kokonaisvaltaisemman vesiensuojelun arvioinnin avuksi. 4 5

4 Diffuusoriputki edullinen typenpoistomenetelmä Jätevedenpuhdistamo nitrifioi tulevan jäteveden JÄTEVEDENPUHDISTAMO Nitraatin määrä pohjassa kasvaa Kuva 3. Diffuusoriputken toimintaperiaate. Diffuusoriputki vapauttaa nitraattipitoisen jäteveden hitaasti järven pohjaan N 2 Mikrobien typenpoistopotentiaali kasvaa 2-12 % nitraatista poistui typpikaasuna 1 % nitraatista päätyi ilokaasuksi N 2 O <1 % nitraatista jäi kuormittamaan vesistöä ammoniumina Diffuusoriputken (Kuva 3) käyttö typenpoistoon perustuu vesistöjen tarjoamaan ekosysteemipalveluun. Vesien pohjasedimenteissä elää mikrobeja, jotka kykenevät muuttamaan jäteveden sisältämän nitraatin typpikaasuksi. Siten typpi poistuu vedestä ilmaan eikä kuormita vesistöä. Tapahtumaa kutsutaan denitrifikaatioksi ja sitä hyödynnetään myös jätevedenpuhdistamojen typenpoistossa. Yleensä jätevesi sekoittuu purkuvesistössä vesipatsaaseen, jolloin pohjasedimentin mikrobit eivät voi hyödyntää jäteveden sisältämää nitraattia. Diffuusoriputken avulla jätevesi ohjataan järven pohjaan mikrobien saataville. Jätevesi purkautuu putkesta sedimentin pinnalle satojen pienten reikien kautta, mikä hidastaa jäteveden virtausta ja lisää sen kosketuspintaa pohjasedimentin kanssa. Jos diffuusoriputki voidaan kiinnittää jo olemassa olevan jätevedenpuhdistamon purkuputkeen, se on helppo ja edullinen toteuttaa. Diffuusoriputki voidaan rakentaa esimerkiksi käytetyistä jätevesiputkista, jotka rei itetään. Diffuusoriputken käyttöä jäteveden typenpoistomenetelmänä kokeiltiin kahdella alueella, Keuruulla ja Petäjävedellä. Alueet edustavat tyypillistä suomalaista pienen/keskikokoisen jätevedenpuhdistamon purkuvesistöä. Mikrobien typenpoistotehokkuutta ja veden laatua mitattiin vastaanottavassa vesistössä ylävirrassa, purkuputken luona ja sen alapuolella, sekä ennen että jälkeen putken asentamisen. Mittaustulokset yhdistettiin mallinnustuloksiin, jotta voitiin arvioida paljonko menetelmä lisää pohjasedimentin luonnollista typenpoistoa alueella. Tulosten mukaan diffuusoriputki kasvattaa jäteveden kosketuspinta-alaa järven sedimentin kanssa sekä tuo nitraattitypen pohjan läheiseen veteen sedimentin mikrobien ulottuville ilman haittavaikutuksia. Menetelmää voi käyttää ympäri vuoden, millä on suuri merkitys lopputuloksen kannalta. Oikein mitoitettu diffuusoriputki ei vaikuta puhdistamon toimintatehoon eikä tukkeudu. Diffuusoriputki tehostaa alueellista typenpoistoa. Keuruun tutkimusalueella sedimentin mikrobit poistivat 2-12 % alueelle tulevasta nitraattitypestä vaihdellen vuodenaikaisesti. Jotta vesistön typenpoistajamikrobeja voidaan tehokkaammin hyödyntää puhdistamojen typenpoistossa ja auttaa puhdistamoja saavuttamaan typenpoistovelvoitteensa, diffuusoriputkea pitää edelleen kehittää. Jäteveden kosketusaikaa ja -pinta-alaa sedimentin mikrobien kanssa tulee pidentää monikertaiseksi nykyisestä. Näin voidaan saavuttaa suurempi typenpoistoteho pienin kustannuksin. Menetelmää voidaan soveltaa erityisesti pienillä ja keskikokoisilla jätevedenpuhdistamoilla, missä typenpoistotehokkuus on usein huono. Kuva Tuomo Vilkkilä Kuva Teemu Tervo Kuva Tuomo Vilkkilä 7

5 HAITTAVAIKUTUKSET PIENEMMIKSI Puhdistamolta vesistöön tuleva nitraatti voi mikrobitoiminnan myötä muuttua haitalliseksi ammoniumiksi tai ilokaasuksi (typpioksiduuli, N2O), joka on voimakas kasvihuonekaasu. Ilokaasua syntyy myös jäteveden puhdistamon nitrifikaatioprosessin aikana, jolloin ammonium hapetetaan nitraatiksi. Ilokaasupäästöt ovat riippuvaisia puhdistusprosessin ohjauksesta ja puhdistamolle tulevasta typpikuormasta. Puhdistamoprosessien toimintavarmuus on lopputuloksen kannalta ensiarvoisen tärkeä, koska häiriöt voivat johtaa epätoivottuihin seurauksiin vesistöön laskettavien jätevesien laadussa. Lisäksi prosessihäiriöiden korjaaminen voi kestää kauan ja aiheuttaa merkittäviä kustannuksia. Puhdistamojen toiminta varmuus on perusehto tehokkaan vesiensuojelun kannalta. DIFFUUSORIPUTKI JA JÄLKIKÄSITTELYALLAS TYPEN REHEVÖITTÄVÄ VAIKUTUS Itämeressä typen sanotaan olevan perustuotantoa eli yhteyttävien eliöiden kasvua rajoittava ravinne. Sisävesissä tuotantoa rajoittaa yleensä fosfori. Mikrobeille tarjottava nitraattilisä ei silloin välttämättä tuota haitallisia levähaittoja vaan sedimentin pinnalle johdettuna tehostaa denitrifikaatiota. Tämän seurauksena typpi poistuu kaasuna ilmakehään. Typpivajaus voi sitä vastoin johtaa sinilevän runsastumiseen, koska osa sinilevistä pystyy ottamaan tarvitsemansa typen kaasumuodossa ja saa nitraattitypen vajauksen takia kilpailuhyödyn. Luonnon systeemeillä on siten taipumus hakeutua typen suhteen kohti tasapaino tilaa ja fosforilla onkin tärkeä rooli myös näennäisesti typpirajoitteisten vesistöjen rehevyystason säätelijänä. 8 Kuva Lauri Arvola DENITRIFIKAATIO SEDIMENTIN TARJOAMA TYPENPOISTON EKOSYSTEEMIPALVELU Sedimentin mikrobit muuntavat nitraattimuodossa olevaa typpeä typpikaasuksi luonnon prosessissa, jota kutsutaan denitrifikaatioksi. Samaa prosessia hyödynnetään typenpoistossa jätevedenpuhdistamoilla. Luonnossa prosessia säätelee ensisijaisesti nitraattipitoisuus ja veden viipymä eli kosketusaika sedimenttiin, sekä näiden lisäksi happipitoisuus, lämpötila ja orgaanisen aineen määrä ja laatu. Vaikka luonnonvesien nitraattipitoisuudet ovat kasvaneet lähinnä maatalouden typpikuormituksen johdosta, denitrifikaatiota rajoittaa usein nitraatin saatavuus, jolloin luonnollinen typen poistuma on hidasta. Denitrifikaatio lisääntyy nitraatin saatavuuden kasvaessa niin kauan, kunnes joku muu tekijä, yleensä orgaanisen hiilen määrä tai laatu, rajoittaa prosessia. Denitrifikaatiota voidaan tehostaa vastaanottavassa vesistössä johtamalla puhdistamolla käsitelty nitraattipitoinen jätevesi järven pohjaan esim. diffuusoriputken avulla. Muuttamalla olosuhteita otollisemmaksi diffuusoriputki lisää typenpoistomikrobien määrää ja aktiivisuutta sekä tehostaa luonnollista typenpoistoa. Diffuusoriputki ei lisännyt haitallisena kasvihuonekaasuna tunnetun ilokaasun tuotantoa eikä ammoniumtypen määrää. Putki ei myöskään vapauttanut ravinteita pohjasta tai muuten huonontanut vedenlaatua. Matalassa puhdistamon jälkikäsittelyaltaassa typpeä poistuu denitrifikaation kautta kaasuna taivaalle. Ravinteita sitoutuu myös leväkasvustoon, mikä tarjoaa mahdollisuuden kerätä ravinteet talteen ja kierrättää hyötykäyttöön. Jälkikäsittelyaltaan vaikutuksesta vesistöön johdettu typpikuormitus pieneni noin 50 %. 9

6 N-SINK hanketiedot N-SINK lukuina HANKKEEN NIMI Hankkeen kesto 4 vuotta ( ) Hankerahoitus 1,2 milj. e Hankkeessa työskenteli 32 tutkijaa, asiantuntijaa ja muuta henkilöä Raportit ja muut tuotteet 17 kpl Seminaarit ja yhteistyökokoukset 12 kpl Työpajat 3 kpl Hankkeesta tiedotettu medioissa 5 kertaa ( ) Internet-sivut (su) (en) Reduction of wastewater nitrogen load: demonstrations and modelling (N-SINK) HANKENUMERO Katri Rankinen (INCA-mallinnus, SYKE-tiimin koordinaatio) katri.rankinen@ymparisto.fi HANKKEESEEN OSALLISTUI Markus Huttunen (VEMALA-mallinnus) markus.huttunen@ymparisto.fi LIFE12 ENV/FI/597 EU Life -ohjelma, Helsingin yliopisto, Lammin biologinen asema, Helsingin yliopisto, fysiikan laitos, Luonnonvarakeskus Luke, Suomen ympäristökeskus SYKE, Jyväskylän yliopisto, Hämeen Liitto, Hämeenlinnan Seudun Vesi Oy, Janakkalan Vesi, Valkeakosken kaupunki, ympäristöministeriö. JOHTO Lauri Arvola, Helsingin yliopisto, Lammin biologinen asema lauri.arvola@helsinki.fi PARTNERIT JA YHDYSHENKILÖT Helsingin yliopisto, Lammin biologinen asema: Jussi Huotari (hankkeen koordinointi) jussi.huotari@helsinki.fi Helsingin yliopisto, fysiikan laitos: Matti Leppäranta, matti.lepparanta@helsinki.fi Luonnonvarakeskus Luke: Pekka Kinnunen, pekka.kinnunen@luke.fi 10 Kuva Katri Rankinen Suomen ympäristökeskus SYKE: Janne Ropponen (COHERENS-mallinnus) janne.ropponen@ymparisto.fi Jyväskylän yliopisto: Marja Tiirola (tutkimusryhmän johtaja) marja.tiirola@jyu.fi Sanni Aalto (Keski-Suomen koordinointi) sanni.lh.aalto@jyu.fi HANKKEEN OHJAUSRYHMÄ (V. 2017) Kari Aikio, MTK Häme Lauri Arvola, Helsingin yliopisto Jari Ilmonen, Metsähallitus Ari Kangas, ympäristöministeriö Pekka Kinnunen, Luonnonvarakeskus Luke Matti Leppäranta, Helsingin yliopisto Jukka Meriluoto, Hämeenlinnan Seudun Vesi Oy Harri Mäkelä, Hämeen ELY-keskus Tiina Nõges, Eestin maatalousyliopisto Heikki Pusa, Hämeen liitto Katri Rankinen, Suomen ympäristökeskus SYKE Marja Tiirola, Jyväskylän yliopisto Saijariina Toivikko, Suomen Vesilaitosyhdistys ry 11

7 N-SINK Malleilla voidaan arvioida typenpoistotoimien kustannustehokkuutta erilaisilla valuma-alueilla ja erilaisissa olosuhteissa. Kuormituksen leikkaustavoitteen kasvaessa tarvitaan toimia niin jätevedenpuhdistuksessa kuin maataloudessakin. Sedimentin kykyä poistaa typpeä kannattaa hyödyntää jäteveden typenpoistossa. Vastaanottavan vesistön ekosysteemipalvelua voidaan tehostaa johtamalla käsitelty jätevesi sedimentin pinnalle. LIFE12 ENV/FI/597 Toimittajat Irina Bergström, Jussi Huotari. Graafinen suunnittelu Erika Varkonyi, Marianna Korpi. Etukannen kuva Katri Rankinen. Takakannen kuva John Loehr. Painopaikka Helsinki.