BIOKAASULAITOKSEN REJEKTIVESIEN VAIKUTUS JÄTEVEDENPUHDISTAMON TOIMINTAAN JA REJEKTIVEDEN ESIKÄSITTELYN TARPEELLISUUS

Transkriptio

1 LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO Teknillinen tiedekunta Ympäristötekniikan koulutusohjelma Päivi Lehto BIOKAASULAITOKSEN REJEKTIVESIEN VAIKUTUS JÄTEVEDENPUHDISTAMON TOIMINTAAN JA REJEKTIVEDEN ESIKÄSITTELYN TARPEELLISUUS Tarkastajat: Professori Risto Soukka Professori Mika Horttanainen

2 TIIVISTELMÄ Lappeenrannan teknillinen yliopisto Teknillinen tiedekunta Ympäristötekniikan koulutusohjelma Päivi Lehto Biokaasulaitoksen rejektivesien vaikutus jätevedenpuhdistamon toimintaan ja rejektivesien esikäsittelyn tarpeellisuus Diplomityö sivua, 19 kuvaa, 13 taulukkoa ja 5 liitettä Tarkastajat: Professori, Tkt Risto Soukka Professori, Tkt Mika Horttanainen Hakusanat: biokaasulaitos, rejektivesi, jätevedenpuhdistus, aktiivilietelaitos Keywords: biogas plant, reject water, waste water treatment plant Diplomityön tavoitteena oli tutkia biokaasulaitoksen rejektivesien ominaisuuksiin vaikuttavia tekijöitä ja rejektiveden esikäsittelyn tarpeellisuutta. Lisäksi tavoitteena oli tarkastella Kouvolaan suunnitteilla olevan Kymen Bioenergia Oy:n biokaasulaitoksen rejektivesien vaikutusta Kouvolan Veden Mäkikylän jätevedenpuhdistamolla. Biokaasulaitoksen rejektivedet ovat yhdyskuntajätevesiin verrattuna selvästi konsentroituneempia. Jätevedenpuhdistamoilla erityisesti rejektiveden korkea typpipitoisuus aiheuttaa lisäkuormitusta. Suomessa toiminnassa oleville biokaasulaitoksille tehdyn kyselytutkimuksen tulosten perusteella rejektiveden typpipitoisuuteen vaikuttaa syötteen typpipitoisuus sekä mädätysjäännöksen kuivauksen tehokkuus. Rejektiveden kiintoainepitoisuudella on puolestaan vaikutusta biologiseen hapenkulutukseen ja välillisesti myös rejektiveden kemialliseen hapenkulutukseen. Rejektivesien jätevedenpuhdistamoilla aiheuttamaa kuormitusta on mahdollista vähentää esikäsittelemällä rejektivedet joko biologisella tai fysikaalis-kemiallisella puhdistusmenetelmällä. Kyselytutkimus kuitenkin osoitti, että rejektivesien esikäsittelyssä ei aina päästä puhdistustavoitteeseen. Jätevedenkäsittelyn sijaan rejektivesiä on mahdollista käyttää lannoitteena, mikäli biokaasulaitoksen syöte ei sisällä jätevedenpuhdistamon lietteitä. Myös Kouvolan Veden Mäkikylän puhdistamolla biokaasulaitoksen rejektivedet tulevat lisäämään merkittävästi tulovirtaaman typpikuormaa. Typpikuorman lisäys edellyttää ilmastusaltaassa ilmastuksen tehostamista sekä kalkin syöttömäärän lisäämistä, jotta jäteveden happipitoisuus ja ph pysyvät typenpoistoreaktioille suotuisina. Lisäksi tulovirtaamasta puolet tullaan ohjaamaan esiselkeyttimen ohi, jotta ilmastusaltaassa on orgaanista ainetta typenpoistoon riittävästi. Mäkikylän puhdistamon typenpoistokapasiteettia on mahdollista kasvattaa lisähiilen syötöllä. Mikäli biokaasulaitoksen kapasiteettilisäyksen jälkeen rejektivesien typpikuoma ylittää lisähiilellä saavutetun lisäkapasiteetin, on rejektivedet esikäsiteltävä.

3 ABSTRACT Lappeenranta University of Technology Faculty of Technology Environmental Technology Päivi Lehto The impact of reject water from a biogas plant in waste water treatment plant and the necessity of pre-treatment Master s thesis pages, 19 figures, 13 tables and 5 appendices Examiners: Professor, D.Sc. (Tech.) Risto Soukka Professor, D.Sc. (Tech.) Mika Horttanainen Keywords: biogas plant, reject water, waste water treatment plant The objective of this study was to investigate the factors affecting the quality of reject water from a biogas plant and the purpose of pre-treatment. In addition, the objective was to investigate the effects in the waste water treatment plant caused by the reject water. Reject waters from biogas plants are more concentrated compared to the municipal waste waters. Particularly high nitrogen concentration causes additional load for the municipal treatment plants. The survey made for the Finnish biogas plants proved that the nitrogen concentration in the feed stock and effectiveness of dewatering have an effect on the nitrogen concentration in the reject water, while the suspended material in the reject water impacts on the biological oxygen demand and indirect on the chemical oxygen demand. The additional load for the municipal treatment plants can be reduced by pre-treatment. But effectiveness of the pre-treatment is not always as good as expected. It is also possible to use reject waters as fertilizer if the feed stock does not include sewage sludge. Reject water from the biogas plant will increase the nitrogen load substantially in the waste water treatment plant of Kouvola. This means that the aeration efficiency and the lime input must be increase in order to keep up the required level of oxygen concentration and ph in waste water for the nitrogen reduction. The required organic material will be covered by passing the preliminary sedimentation. It is also possible to increase the nitrogen reduction capacity by introducing an additional carbon source. In case of too high nitrogen load, for example after a capacity extension, the reject water must be pre-treated.

4 ALKUSANAT Tämä diplomityö on tehty Kouvolan Veden toimeksiannosta. Haluan kiittää työni tarkastajia professori Risto Soukkaa ja professori Mika Horttanaista sekä työni ohjaajaa vesihuoltojohtaja Mikko Isakowia. Lisäksi haluan kiittää Ari Niemelää ja Markku Huhtamäkeä heidän antamistaan kommenteista. Vanhemmilleni ja avomiehelleni haluan myös mainita kiitokset kannustuksesta ja tuesta diplomityön aikana. Kouvolassa Päivi Lehto

5 SISÄLLYSLUETTELO SYMBOLILUETTELO 1 JOHDANTO Työn tausta Työn tavoite 4 2 BIOKAASULAITOS Biokaasulaitoksen toiminta Biokaasulaitoksella syntyvät rejektivedet Rejektivesien muodostuminen Rejektivesien ominaisuudet ja määrä Rejektivesien loppusijoituksen eri vaihtoehdot Rejektivesien esikäsittelymenetelmät Esikäsittelyn merkitys Biologiset menetelmät Fysikaalis-kemialliset menetelmät 16 3 BIOLOGISEN PUHDISTAMON TOIMINTAA HÄIRITSEVIÄ TEKIJÖITÄ Yhdyskuntajätevesien käsittely Pienten ja konsentroituneiden päästövirtojen johtaminen kunnalliselle jätevedenpuhdistamolle Rejektivesien vaikutus puhdistamon tulovirtaamaan Rejektivesien vaikutukset aktiivilieteprosessin ajotapaan Rejektivesistä aiheutuvan lisääntyneen typpikuorman vaikutukset puhdistamolla Rejektivesien biologinen ja kemiallinen hapenkulutus 25 4 KOUVOLAN VEDEN JÄTEVEDENPUHDISTUSPROSESSI JA UUSI BIOKAASULAITOS Mäkikylän jätevedenpuhdistamo Biokaasulaitos 28

6 5 BIOKAASULAITOKSILLE TEHTY KYSELYTUTKIMUS Tutkimuksen toteuttaminen Kyselytutkimuksessa mukana olleet laitokset Kyselytutkimuksen tulokset Yleistä tuloksista Biokaasulaitoksilla muodostuvan rejektiveden määrä Biokaasulaitoksien rejektivesien koostumus Rejektivesien käsittely biokaasulaitoksilla Tulosten tarkastelu 42 6 REJEKTIVESIEN HUOMIOIMINEN KOUVOLAN BIOKAASU- LAITOKSEN JA JÄTEVEDENPUHDISTAMON SUUNNITTELUSSA JA TOIMINNASSA Rejektivesien johtaminen Mäkikylän puhdistamolle Puhdistamon vastaanottokapasiteetti Teollisuusjätevesisopimus Muutokset jätevedenpuhdistamolla Biokaasulaitoksen mahdollinen laajennus Mäkikylän jätevedenpuhdistamon vastaanottokapasiteetti Rejektivesien esikäsittely Tulevaisuuden näkymiä 54 7 YHTEENVETO JA JOHTOPÄÄTÖKSET 56 LÄHTEET 58 LIITEET Liite 1. Liite 2. Liite 3. Liite 4. Liite 5. Kyselylomake Kyselytutkimuksen tulokset Korotettu jätevesimaksu Typenpoistossa tarvittavan biologisen hapenkulutuksen määrä ja jäteveden biologinen hapenkulutus Mäkikylän vastaanottokapasiteetin kasvattaminen

7 SYMBOLILUETTELO Lyhenteet BOD COD Kok-N Kok-P LanL MMM MMMa MLLS Vna Vnp YSA Biologinen hapenkulutus Kemiallinen hapenkulutus kokonaistyppi kokonaisfosfori Lannoitelaki Maa- ja metsätalousministeriö Maa- ja metsätalousministeriön asetus Kiintoaineen pitoisuus ilmastusaltaassa Valtioneuvoston asetus Valtioneuvoston päätös Ympäristönsuojeluasetus Termit Mädätysjäännös Rejektivesi Syöte Mädätysreaktorista tuleva mädätetty materiaali Pääasiassa mädätysjäännöksen kuivauksessa muodostuvia vesiä Mädätysreaktoriin syötettävää orgaanisesti hajoavaa jätejaetta

8 1 JOHDANTO 1.1 Työn tausta Valtioneuvoston hyväksymä valtakunnallinen jätesuunnitelma vuoteen 2016 asettaa tavoitteeksi, että jätevedenpuhdistamoiden lietteet on hyödynnettävä joko materiaalina tai energiana. Puhdistamolietteen hyödyntämistä materiaalina rajoittaa valtioneuvoston asetus (Vnp 282/1994) puhdistamolietteiden hyödyntämisestä maataloudessa. Asetus edellyttää lietteen käsittelyä mädättämällä, kalkkistabiloinnilla tai muulla vastaavalla tavalla, jolla sekä taudinaiheuttajia että haju-, terveys- ja ympäristöhaittoja voidaan merkittävästi pienentää. Suomessa usealla jätevedenpuhdistamolla on jo käytössä lietteen mädätys (Kuittinen & Huttunen 2009, s. 10). Nyt on herännyt enenemässä määrin kiinnostusta biokaasulaitoksia kohtaan, missä puhdistamolietteen lisäksi käsitellään myös muita orgaanisesti hajoavia jätteitä. Suomeen onkin suunnitteilla tai rakenteilla useita biokaasulaitoksia jo olemassa olevan viiden laitoksen lisäksi (Latvala 2009, s ). Lietemädättämöihin verrattuna biokaasulaitokset tuottavat enemmän uusiutuvaa energiaa, jolla voidaan korvata fossiilisten polttoaineiden käyttöä ja edesauttaa valtakunnallisen kasvihuonekaasujen vähentämistavoitteen saavuttamista. Lisääntyvä biokaasulaitosten määrä kertoo myös vesihuoltolaitosten halusta löytää pitkän aikavälin ekologinen ratkaisu puhdistamolietteiden käsittelylle. Biokaasulaitoksista saatavan energiahyödyn lisäksi laitoksissa muodostuu sivutuotteita, joita ei suoraan voida päästää ympäristöön. Yksi tällainen sivutuote on rejektivesi. Rejektivesi on mahdollista hyödyntää lannoitteena tai se voidaan johtaa kunnalliselle jätevedenpuhdistamolle käsiteltäviksi (Raunio 2008). Mikäli biokaasulaitoksella käsitellään yhdyskuntajätevedenpuhdistamon lietteitä, on rejektivedet kuitenkin aina käsiteltävä jätevesien tapaan (Latvala 2009, s.55). Kunnallisella jätevedenpuhdistamolla rejektivedet aiheuttavat lisäkuormitusta ja puhdistustavoitteisiin pääseminen edellyttää puhdistamolla usein ajotavan muutoksia. 3

9 1.2 Työn tavoite Tässä työssä tarkastellaan biokaasulaitoksen rejektivesiä, niiden esikäsittelyä ja rejektivesien vaikutusta kunnallisen jätevedenpuhdistamon toimintaan. Diplomityön tavoitteena on saada tietoa biokaasulaitoksen rejektivesien ominaisuuksiin vaikuttavista tekijöistä sekä rejektiveden esikäsittelyn tarpeellisuudesta. Lisäksi tavoitteena on tarkastella Kouvolaan suunnitteilla olevan Kymen Bioenergia Oy:n biokaasulaitoksen rejektivesien vaikutusta Kouvolan Veden Mäkikylän jätevedenpuhdistamolla sekä arvioida Mäkikylän jätevedenpuhdistamon vastaanottokapasiteettia mikäli biokaasulaitosta tulevaisuudessa laajennetaan. Työn kirjallisuusosassa tutustutaan biokaasulaitoksien rejektivesiin, rejektivesien esikäsittelymenetelmiin sekä kunnallisen jätevedenpuhdistamon toimintaan. Pääpaino kirjallisuusosassa on biokaasulaitoksen rejektivesien koostumuksessa ja esikäsittelymenetelmissä sekä rejektivesien aiheuttamissa muutoksissa jätevedenpuhdistamon biologisessa puhdistusprosessissa. Kokeellisessa osassa kuvataan Kouvolan Veden Mäkikylän jätevedenpuhdistamoa sekä tulevaa Kymen Bioenergia Oy:n biokaasulaitosta. Tämän jälkeen esitellään kootusti toiminnassa oleville yhteiskäsittelylaitoksille tehdyn kyselytutkimuksen tulokset sekä analysoidaan tuloksien perusteella rejektiveden koostumukseen vaikuttavia tekijöitä ja esikäsittelyn merkitystä. Kokeellinen osa sisältää myös arvion Kouvolaan suunnitteilla olevan biokaasulaitoksen rejektivesien vaikutuksista Mäkikylän jätevedenpuhdistamolla. Lisäksi kokeellisessa osassa tarkastellaan Mäkikylän jätevedenpuhdistamon tulokuorman tilannetta, mikäli Kymen Bioenergia Oy:n biokaasulaitosta tulevaisuudessa laajennetaan. 4

10 2 BIOKAASULAITOS 2.1 Biokaasulaitoksen toiminta Biokaasulaitoksen toiminta perustuu anaerobisissa olosuhteissa tapahtuvaan hajoamiseen, jossa bakteeritoiminta hajottaa orgaanista ainesta muodostaen metaania. Muut prosessivaiheet ovat syötteen esikäsittely, mädätetyn lietteen jälkikäsittely ja loppusijoitus. (Pöyry Environment Oy 2007, s ) Kuvassa 1 on esitetty biokaasulaitoksen lohkokaavio. Kuva 1. Biokaasulaitoksen lohkokaavio (Pöyry Environment Oy 2007, s. 19). Biokaasulaitoksien syötteiksi soveltuvat orgaanisesti hajoavat materiaalit. Puuta sisältävä materiaali ei kuitenkaan sovellu biokaasulaitoksen syötteeksi, koska anaerobinen bakteeritoiminta ei pysty hajottamaan puun sisältämää ligniiniä. (Appels et al. 2008, s. 757.) Monista eri materiaalista koostuvan syötteen käytön edellytyksenä on, että biokaasulaitoksilla käytetään useita eri esikäsittelymenetelmiä. Tärkeimpiä esikäsittelymenetelmiä ovat murskaus, seulonta, sakeuttaminen, liettäminen ja hygienisointi. (Latvala 2009, s. 28.) Taulukossa 1 on esitetty eri alkuperää oleville syötteille käytettäviä esikäsittelymenetelmiä. 5

11 Taulukko 1. Biokaasulaitoksissa mädätettäville jätejakeille käytettäviä esikäsittelymenetelmiä (Latvala 2009, s. 28). Jätejae Murskaus Seulonta Hygienisointsäiliö Sekoitus- Saostus Erilliskerätty biojäte x x x x Teollisuuden jätevedet x x Kuivattu liete x Maatalouden lietteet x Jätevesiliete x Esikäsittelyn läpikäynyt syöte johdetaan mädätysreaktoriin joko jatkuvatoimisesti tai tulppavirtauksena, jolloin syöte kulkee prosessin läpi syöttöjärjestyksessä eikä uusi syöte pääse kosketuksiin vanhan syötteen kanssa. (Latvala 2009, s ) Mädätysreaktorit voivat olla joko yksi- tai kaksivaiheisia. Tyypillisesti käytetään yksivaiheista korkeaasteista reaktoria, jossa mädätys tapahtuu yhdessä lämmitettävässä ja sekoittimella varustetussa reaktorissa. Kahdesta reaktorista koostuvan mädätysprosessin ensimmäisessä reaktorissa syötettä lämmitetään sekä sekoitetaan ja toinen reaktori toimii pääasiassa varastona. Kaksivaiheisia reaktoreita käytetään kuitenkin nykyään harvoin. (Tchobanoglous et al. 2003, s ) Reaktorissa syötteen viipymä on tyypillisesti päivää ja lämpötila joko noin 35 C (mesofiilinen) tai noin 55 C (termofiilinen). Syötteen lämmittämisessä oikeaan prosessilämpötilaan hyödynnetään usein mädätysreaktorissa muodostuvaa metaania. (Grady et al. 1999, s ) Mädätysreaktorissa bakteeri- ja entsyymitoiminta muuttaa syötteen orgaanisen aineen anaerobisissa olosuhteissa pääasiassa kaasuksi, joka koostuu metaanista, hiilidioksidista ja vedestä. Kaasua muodostuu keskimäärin 0,7 1,1 m 3 yhtä syötteessä olevaa hajonneen orgaanisen aineen kilogrammaa kohden. (Tchobanoglous et al. 2003, s , 1523). Muodostunut kaasu on mahdollista hyödyntää lämmön- tai energiantuotannossa sekä liikenteen polttoaineena. Mikäli kaasua ei hyödynnetä energiana, on se poltettava soihdussa. (Latvala 2009, s. 44, 48.) Saatavan energiahyödyn lisäksi mädätysprosessi tuhoaa suuren osan syötteen patogeeneistä eli taudinaiheuttajista sekä vähentää hajuhaittoja (Appels et al. 2008). 6

12 Riittävän viipymäajan jälkeen syöte poistetaan reaktorista. Reaktorista poistettava syöte eli mädätysjäännös koostuu vedestä, ravinteista sekä orgaanisesta- ja muusta kuivaaineesta (Deublein & Steinhauser 2008, s ). Se voidaan hyödyntää maanparannusaineena joko sellaisenaan tai kuivattuna. Kuivaamaton mädätysjäännös soveltuu käytettäväksi mm. vilja- ja energiakasvien viljelyyn tarkoitetuilla peltoalueilla. (MMMa 19/09.) Esimerkiksi Ruotsissa Kalmar Biogas AB:n biokaasulaitos toimittaa mädätysjäännöksen maatalouden lannoitteeksi ilman mädätysjäännöksen kuivausta (Rybczynski, sähköpostiviesti ). Maanparannusaineena käytettävä mädätysjäännös on hygienisoitava, mikäli laitoksen syöte koostuu kasvien ja lietteiden lisäksi myös muista jakeista. Hygienisoinnissa mädätysjäännöksen lämpötila nostetaan yhden tunnin ajaksi 70 C:een. Hygienisointi on myös mahdollista toteuttaa ennen mädätysreaktoria. (Latvala 2009, s. 38.) Yhdyskuntajätevedenpuhdistamon lietteitä syötteenään käyttävien biokaasulaitoksien mädätysjäännökset eivät sovellu käytettäväksi maanparannusaineena vihanneksia, yrttitai juurimausteita viljelevillä alueilla eivätkä kotipuutarhoissa ja taimituotannossa. Mikäli jätevedenpuhdistamolietteitä käsittelevien laitoksien mädätysjäännöstä levitetään pelloille, on levittämisen lopettamisen jälkeen noudatettava viiden vuoden varoaikaa. (MMMa 19/09.) Maanparannuskäytön lisäksi kuivattu mädätysjäännös on mahdollista kompostoida, polttaa tai kuivata termisesti. Kompostoitu tai termisesti kuivattu mädätysjäännös voidaan polttaa, ohjata kaatopaikalle tai hyödyntää viherrakennuksessa, maisemoinnissa tai maa- ja metsätaloudessa. Kompostoitua mädätysjäännöstä voi myös käyttää kaatopaikan verhoilussa. (Latvala 2009, s. 50.) Poltto ja terminen kuivaus eivät kuitenkaan ole kannattavia vaihtoehtoja. 7

13 2.2 Biokaasulaitoksella syntyvät rejektivedet Rejektivesien muodostuminen Rejektivettä muodostuu biokaasulaitoksilla mädätysjäännöksen kuivauksessa. Mädätysjäännöstä voidaan kuivata monella tavalla mekaanisesti ja edelleen termisesti. Mekaanisen kuivauksen menetelmistä yleisimmin käytetään joko linkoa, suotonauhapuristinta tai ruuvipuristinta. (Latvala 2009, s 51, 55.) Linko muodostuu kartionmallisesta pyörivästä rummusta sekä rummun sisällä olevasta pyörivästä ruuvikuljettimesta. Rummun ja ruuvikuljettimen pyörimisnopeudet eivät ole yhtäsuuria. Pyörimisliike aikaansaa rumpuun keskipakoisvoiman, joka erottaa rummussa olevasta mädätysjäännöksestä veden. Vesi ja kuivattu mädätysjäännös poistetaan rummusta ruuvikuljettimella. (Hammer & Hammer Jr. 2004, s. 275; Karttunen 2004, s. 568.) Lingolla on mahdollista päästä noin % kuiva-ainepitoisuuteen. Veden erotusta mädätysjäännöksestä voidaan tehostaa polymeerien käytöllä. (Latvala 2009, s. 51.) Lingon toimintaperiaate on esitetty kuvassa 2. Kuva 2. Biokaasulaitoksen mädätysjäännöksen kuivaukseen käytettävä linko (Karttunen 2004, s. 568). Suotonauhapuristimet jaetaan toimintatavan perusteella kammiopuristimiin ja viirapuristimiin. Kammiopuristimissa kuivattava mädätysjäännös pumpataan kammioihin, joissa pumppauspaineen sekä mahdollisen ulkopuolisen paineen seurauksena vesi suotuu kammioista viirojen läpi. Viirapuristimissa mädätysjäännös pumpataan kahden liikku- 8

14 van viiran väliseen tilaan. Liikkuessaan viirat lähentyvät toisiaan ja niiden välinen tila pienenee muodostaen painetta. Paine aikaansaa veden erottumisen mädätysjäännöksestä. Suotonauhapuristimilla on mahdollista saavuttaa % kuiva-ainepitoisuus. (Karttunen 2004, s ) Kuvassa 3 on esitetty kammiopuristin ja kuvassa 4 viirapuristin. Kuva 3. Biokaasulaitoksen mädätysjäännöksen kuivaukseen käytettävä viirapuristin (Karttunen 2004, s. 568). Kuva 4. Biokaasulaitoksen mädätysjäännöksen kuivaukseen käytettävä kammiopuristin (Karttunen 2004, s. 568). 9

15 Ruuvipuristin taas koostuu sylinteristä ja sen sisällä olevasta pyörivästä ruuvista. Ruuvin pyörimisliike aikaansaa paineen, joka puristaa mädätysjäännöksen sylinterin seinämiä vasten ja vesi poistuu seinämissä olevien reikien kautta. Ruuvipuristimessa tapahtuvaa kuivausta on mahdollista tehostaa lisäämällä mädätysjäännökseen polymeeriä. Ruuvipuristimella päästään noin % kuiva-ainepitoisuuteen. (Latvala 2009, s. 52.) Termisessä kuivauksessa mädätysjäännöksen kiintoainepitoisuuden nostaminen perustuu mädätysjäännöksen lämmittämisellä aikaansaatuun veden haihtumiseen. Mädätysjäännöksestä haihtuneet vedet päätyvät lauhdevesinä rejektiveteen. Menetelmällä on mahdollista päästä jopa 90 % kuiva-ainepitoisuuteen. Terminen kuivaus voidaan toteuttaa joko konvektio- tai kontaktikuivauksella. Konvektiokuivauksessa mädätysjäännöksen läpi johdetaan kuumaa ilmavirtaa ja kontaktikuivauksessa lämpö johdetaan kuumasta pinnasta mädätysjäännökseen. Termisellä kuivauksella parannetaan mädätysjäännöksen käytettävyyttä. Lisäksi termisesti kuivattu liete täyttää hygienisointivaatimukset, jolloin erillistä hygienisointiyksikköä ei tarvita. (Kangas 2009a; Latvala 2009, s ) Huonona puolena termisessä kuivauksessa on sen suuri energiantarve (Louhiniva et al. 2001, s. 61). Mädätysjäännöksen kuivauksessa muodostuvien vesien lisäksi biokaasulaitoksen rejektivedet voivat sisältää biokaasun pesussa syntyviä vesiä, mädätysprosessista poistettua lietevettä sekä mädätysjäännöksen jälkikäsittely- ja varastointikenttien suotovesiä (Kangas 2009b) Rejektivesien ominaisuudet ja määrä Rejektivedet ovat laadultaan konsentroituneita ja erityisesti orgaanisen aineen ja typen pitoisuudet ovat korkeita (Pöyry Environment Oy s. 20). Biokaasulaitoksien rejektivesissä esiintyy laadullisia vaihteluita, jotka johtuvat laitoksilla käytettävistä muuttuvasta ja monipuolisesta syötteestä. Syötteen lisäksi laitoksen mädätysprosessin tehokkuus ja mädätysjäännöksen kuivaaminen vaikuttavat rejektivesien laatuun. (Latvala 2009, s ) Laitoskohtaisia vaihteluita rejektivesien laatuun aiheuttaa myös mädätyslämpötila (Deublein & Steinhauser 2008, s. 405). 10

16 Rejektivesissä typpipitoisuus on korkealla tasolla. Suurin osa mädätysprosessissa muodostuvasta ammoniumtypestä päätyy mädätysjäännöksen kuivauksessa rejektiveteen (Vesilind 2003, s ). Pääosin typpi esiintyy rejektivesissä ammoniumtyppenä (NH 4 -N), koska anaerobinen mädätys muuttaa proteiinien peptidisidoksiin kiinnittyneen typen liukoiseksi ammoniumtypeksi (Evans). Syötteen termisellä esihydrolysoinnilla on myös todettu olevan vaikutusta rejektiveden typpipitoisuuteen. Sen on todettu nostavan rejektiveden typpipitoisuutta sekä myös liukoisen inertin orgaanisen aineen määrää (Phothilangka et al. 2008). Fosfori on rejektivesissä yleensä sitoutuneena kiintoaineeseen. Anaerobisissa olosuhteissa syötteeseen sitoutunut fosfori vapautuu, mutta osa liukoisesta fosforista saostuu mädätysreaktorissa olevien epäorgaanisten kationien toiminnan seurauksena. (Evans.) Biologinen hapenkulutus (BOD, biological oxygen demand) kuvaa veden sisältämien orgaanisten aineiden hajotukseen kuluvaa hapen määrää kun taas kemiallinen hapenkulutus (COD, chemical oxygen demand) vedessä olevien kemiallisesti hapetettavien aineiden määrää (Lindquist 2003, 37 38). Orgaanisesta aineesta voidaan sanoa, että optimaalisesti toimivan biokaasulaitoksen rejektivesiin päätyy noin 10 % syötteiden sisältämästä orgaanisesta aineesta (Karttunen et al. 2007, s. 572). Rejektiveden kemiallinen hapenkulutus voi puolestaan olla jopa tasolla mg/l (Latvala 2009, s. 56). Taulukossa 2 on esitetty biokaasulaitoksen rejektivesien eri komponenttien pitoisuuksia. Taulukko 2. Esimerkki biokaasulaitoksen rejektivesien tyypillisistä pitoisuusarvoista (Latvala 2009, s. 55). Biokaasulaitoksen rejektivesi Kiintoaine [mg/l] BOD 7 [mg/l] COD(Cr) [mg/l] Kok-P [mg/l] 82 Kok-N [mg/l] NH 4 -N [mg/l] 642 Alkaliteetti [mg/l] 59 11

17 Rejektivesiin voi syötteen mukana tulla myös raskasmetalleja (Lehto 2009). Puhdistamolietteessä on esiintynyt elohopeaa (Hg) ja kadmiumia (Cd), mutta niiden pitoisuudet ovat kuitenkin laskeneet 1970-luvulta lähtien. Lyijyn määrä puhdistamolietteessä laski myös, kun siirryttiin lyijyttömään bensiiniin. (Valtion Ympäristöhallinto 2007.) Lisäksi biojätteiden mukana prosessiin voi tulla pesuaineita, desinfioivia aineita sekä rasvoja, joiden jäämiä voi päätyä rejektivesiin (Lehto 2009). 2.3 Rejektivesien loppusijoituksen eri vaihtoehdot Biokaasulaitoksen rejektivedet on mahdollista hyödyntää lannoitteena tai ne on käsiteltävä jäteveden tavoin. Jätevedenpuhdistamon lietteitä käsittelevältä biokaasulaitokselta peräisin olevat rejektivedet on aina käsiteltävä jäteveden tavoin. (Latvala 2009, s. 55). Mikäli laitoksella ei käsitellä jätevedenpuhdistamosta peräisin olevia lietteitä, on rejektivesien käyttö lannoitteena mahdollista. Rejektivesien lannoitekäyttö edellyttää, että rejektivedet täyttävät Maa- ja metsätalousministeriön asetuksessa esitetyt vaatimukset (MMMa 19/09, Liite 1). Rejektivedet soveltuvat lannoitteeksi, mikäli laitoksella käsitellään ainoastaan orgaanisiin lannoitevalmisteisiin soveltuvia raaka-aineita (MMMa 19/09, Liite 1). Lannoitteet eivät myöskään saa sisältää haitallisia aineita siinä määrin, että niiden käyttö olisi haitallista ihmisten ja eläinten terveydelle ja turvallisuudelle sekä ympäristölle (LannoitevL 5 ). Lannoitevalmisteita tuottavassa biokaasulaitoksessa saa käsitellä eläimistä saatavia sivutuotteita, jotka sisältävät luokkaan 2 ja 3 kuuluvia aineita ja niissä ei saa olla todettuna ihmisiin tai eläimiin tarttuvia tauteja. EY-asetuksen mukaan biokaasulaitos on varustettava hygienisointi tai pastörointiyksiköllä. (EY N:o 1774/2002.) Rejektivettä ei kuitenkaan saa käyttää lannoitteena lumipeitteen ja roudan aikaan, koska tällöin typpilannoitteen levittäminen on kiellettyä (Vna 931/2000, 5 ). Vaikka rejektivedet soveltuisivatkin lannoitteeksi, ei lannoitekäyttö tuo ympärivuotista ratkaisua rejektivesien käsittelyyn. 12

18 2.4 Rejektivesien esikäsittelymenetelmät Esikäsittelyn merkitys Rejektivesien esikäsittelyllä vähennetään rejektivesien typpi- ja/tai fosforikuormaa ennen rejektivesien johtamista kunnalliseen jätevedenpuhdistamoon (Marttinen et al. 2004). Yleisimmin rejektivesien esikäsittelymenetelmänä käytetään prosessia, joka koostuu selkeytyksestä, biologisesta typenpoistosta sekä kemiallisesta fosforin rinnakkaissaostuksesta. Biologisten menetelmien sijaan rejektiveden typpi on mahdollista poistaa myös fysikaalis-kemiallisilla menetelmillä. (Latvala 2009, s. 57.) Taulukossa 3 on esitetty rejektivesien esikäsittelymenetelmien kokonaistypen poistotehokkuus. Tarkemmin eri menetelmistä on kerrottu kappaleissa ja Taulukko 3. Rejektivesien esikäsittelymenetelmien kokonaistypen poistotehokkuus. Kokonaistypen vähenemä [%] Ammoniumtypen vähenemä [%] Perintienen nitrifikaatio/ denitrifikaatio SHARON Anammox BABE Strippaus MAP Biologiset menetelmät Rejektiveden esikäsittelyssä käytetyt biologiset menetelmät keskittyvät lähinnä typen poistoon. Biologisia esikäsittelymenetelmiä ovat perinteinen nitrifikaatio-denitrifikaatio, Sharon, Sharon-Anammox ja BABE. Kaikissa edellä mainituissa menetelmissä typen poisto perustuu nitrifikaatio-denitrifikaatioreaktioihin tai niiden muunnoksiin. Perinteinen nitrifikaatio-denitrifikaatio Perinteinen nitrifikaatio-denitrifikaatio on typenpoistomenetelmä, jossa typenpoisto tapahtuu peräkkäisissä nitrifikaatio-denitrifikaatioreaktioissa (Fux et al. 2004). Siinä typpeä poistetaan sekä hapellisissa että hapettomissa olosuhteissa. Nitrifikaatiossa aerobiset autotrofiset bakteerit hapettavat ammoniumtypen ensin nitriitiksi yhtälön 1 mukai- 13

19 sesti ja nitriitin edelleen nitraatiksi yhtälön 2 mukaisesti. Nitrifikaatioreaktiot tarvitsevat toimiakseen aerobiset olosuhteet. (Tchobanoglous 2003, s ) (1) (2) Denitrifikaatiossa nitraatti pelkistetään reaktioyhtälön 3 ja nitriitti reaktioyhtälön 4 mukaisesti typpikaasuksi. Reaktiot tarvitsevat elektronin luovuttajia, joina voidaan käyttää esimerkiksi metaania tai asetaattia. (Tchobanoglous 2003, s. 620.) (3) (4) Denitrifikaatio on mahdollista toteuttaa esidenitrifikaationa ennen nitrifikaatiota tai jälkidenitrifikaationa nitrifikaation jälkeen (Tchobanoglous 2003, s. 620). Käsiteltäessä vesiä, joissa on korkea ammoniumpitoisuus ja vähän orgaanista hiiltä, ilmenee denitrifikaatiossa taloudellisia ja teknisiä rajoituksia, koska denitrifikaatioreaktioihin vaikuttaa oleellisesti elektronin luovuttajan biohajoamiskyky sekä puhdistettavan veden COD/N-suhde. Prosessiin on mahdollista lisätä elektroninluovuttajia sekä orgaanista hiiltä parantamaan denitrifikaation puhdistustehoa. (Paredes 2007, s. 19.) Perinteisellä nitrifikaatio-denitrifikaatio -prosessilla on mahdollista saavuttaa kokonaistypen osalta noin 95 % reduktiotaso (Schmidt et al. 2003). Sharon (Single reactor of bacteria for high activity ammonia removal over nitrite) Sharon-prosessi on suunniteltu erityisesti poistamaan typpeä vesistä, joissa ammoniumpitoisuus on yli 0,5 g/l (Jetten et al. 1997). Sharon-prosessi hyödyntää rejektivesien korkeaa lämpötilaa, mikä lisää ammoniumtyppeä hapettavien bakteerien kasvua, mutta hidastaa nitriittiä hapettavien bakteereiden kasvua. Prosessissa nitrifikaatio- ja denitrifikaatioreaktiot tapahtuvat vuorotellen samassa altaassa, jossa on jatkuvatoiminen sekoitus. Denitrifikaatiovaiheen aikana rejektiveteen lisätään metanolia tehostamaan denitrifikaatiota. Menetelmällä on päästy % typpireduktioon. (Tchobanoglous 2003, s. 788, 796.) Sharon-prosessin toimintaperiaate on esitetty kuvassa 5. 14

20 Kuva 5. Sharon-prosessi (mukaillen Tchobanoglous 2003, s.796). Sharon-Anammox (Aneaerobic ammonium oxidation) Sharon-prosessi voidaan myös yhdistää Anammox-prosessin kanssa. Yhdistetyssä Sharon-Anammox -menetelmässä Sharon-prosessissa rejektiveden ammoniumtypestä hapetetaan ensin puolet nitriitiksi reaktioyhtälön 5 mukaisesti. Ammoniumtypen hapettuminen nitriitiksi jää 50 %:iin, koska rejektiveden alkaliniteettia ei nosteta. (van Dongen et al. 2001) (5) Sharon-prosessin jälkeen ammoniumtypestä hapetetulla nitriitillä saadaan jäljellä oleva ammoniumtyppi muutettua Anammox-prosessissa typpikaasuksi reaktioyhtälön 6 mukaisesti. (van Dongen et al. 2001) (6) Yhdistetty Sharon-Anammox -prosessin toimintaperiaate on esitetty kuvassa 6. Menetelmällä on päästy yli 95 % ammoniumtypen ja yli 90 % kokonaistypen reduktioihin (Haimi 2008, s.27). 15

21 Kuva 6. Sharon-Anammox. (Volcke et al. 2006). BABE (Bioaugmentation batch enchanced) BABE-prosessilla vähennetään sekä rejektivesien typpikuormaa että tehostetaan jätevedenpuhdistamon päälinjan typenpoiston tehoa. Reaktoriin ohjataan puhdistettavien vesien lisäksi osa jätevedenpuhdistamon päälinjan palautuslietteestä. Ammoniumtypen osalta on mahdollista päästä 74 % reduktioon. (Salem et al ) Prosessin päävaiheet ovat täyttö ja ilmastus, aerobivaihe, laskeutus sekä tyhjennys (Kangas 2009b). BABE-prosessin eri vaiheet tapahtuvat panosreaktorissa. Bakteerikannan lisääntymistä tehostaa BABE-raektorissa käytetty lyhyt viipymäaika (Salem et al. 2003). BABEprosessissa syntynyt liete ohjataan takaisin jätevedenpuhdistamon päälinjaan (Salem et al. 2002) Fysikaalis-kemialliset menetelmät Rejektiveden esikäsittelyssä käytettäviä fysikaalis-kemiallisia menetelmiä ovat struviittisaostus ja ammoniakkistrippaus. Struviittisaostus (MAP-prosessi, mangnesium-ammoniium-fosfaatti-prosessi) Struviittisaostuksella eli MAP-prosessilla poistetaan rejektivedestä sekä typpeä että fosforia. Typen ja fosforin poisto vedestä perustuu reaktioyhtälön 7 mukaisesti tapahtuvaan MgNH 4 PO 4 -kiteiden muodostumiseen (Sugiyama et al. 2005). (7) 16

22 MgNH 4 PO 4 -kiteiden muodostumisen edellytyksenä on, että rejektiveden sekaan lisätään magnesiumia ja fosforia, ja että rejektiveden ph säädetään välille 8,5 10. Emäksinen ph estää MgNH 4 PO 4 -kiteitä liukenemasta veteen, joten kiteet on mahdollista poistaa rejektivedestä laskeuttamalla. (Janus et al ) Ammoniakkistrippaus Ammoniakkistrippaus sopii erityisesti korkeasti kontaminoiduille vesille kuten rejektivesille (Lindquist 2003, s. 85). Ammoniakkistrippauksessa ammoniumtyppi muutetaan ammoniakiksi nostamalla rejektiveden ph:ta yli seitsemän. Emäksisissä olosuhteissa ammoniumioneiden ja kaasumaisen ammoniakin määrä vedessä ei ole tasapainossa, koska ammoniumionit muuttuvat kaasumaiseksi ammoniakiksi emäksisissä olosuhteissa. Kaasumainen ammoniakki poistetaan rejektivedestä strippaamalla se joko ilmaan tai höyryyn. (Tchobanoglous 2003, s.1168,1178.) Poistettava ammoniakki kerätään talteen ja johdetaan käsiteltäväksi fosforihappoliuokseen, jossa ammoniakista muodostuu ammoniumfosfaattia. Ammoniumfosfaatti voidaan hyödyntää esimerkiksi lannoitteena. (Valtion Ympäristöhallinto. 2009a.) Ammoniakkistrippauksella voidaan päästä jopa 88 % typenpoistotehokkuuteen. Lisäämällä virtaavan ilman määrää on mahdollista päästä 95 %:n typenpoistotehokkuuteen. (Sagberg et al.) 17

23 3 BIOLOGISEN PUHDISTAMON TOIMINTAA HÄIRITSEVIÄ TEKIJÖITÄ 3.1 Yhdyskuntajätevesien käsittely Jätevedenpuhdistamon puhdistusprosessi koostuu välppäyksestä, rasvan- ja hiekanerotuksesta, esiselkeytyksestä, ilmastuksesta sekä jälkiselkeytyksestä (Valtion ympäristöhallinto 2009b). Kuvassa 7 on esitetty jätevedenpuhdistamon puhdistusprosessi. Kuva 7. Jätevedenpuhdistamon prosessikaavio (Karttunen 2004, s. 184). Välppäys, rasvan- ja hiekanerotus sekä esiselkeytys ovat esikäsittelymenetelmiä, joissa jätevedestä poistetaan kiintoainetta sekä ravinteita. Kiinteät ja karkeat epäpuhtaudet erotetaan jätevedestä välpällä. Hiekanerotusaltaassa hiekka- ja kivirakeet laskeutetaan altaan pohjalle ja altaan pinnalle nouseva rasva poistetaan kaapimella. Hiekanerotuksella suojataan puhdistamon pumppuja sekä muita laitteita ja estetään kiviaineksen pääsy puhdistamon muihin altaisiin. Useimmilla keskisuurilla ja suurilla puhdistamoilla jätevettä myös esi-ilmastetaan hiekanerotusaltaissa. Esikäsittelyn viimeisenä vaiheena on esiselkeytys. Esiselkeytyksessä jäteveden kiintoainetta laskeutetaan altaan pohjalle, jolloin jäteveden kiintoainepitoisuus alenee % ja biologinen hapenkulutus vähenee %. (Karttunen 2004, s. 53, , Valtion Ympäristöhallinto 2009b.) 18

24 Esikäsittelyä seuraa biologinen puhdistusvaihe. Suomessa yleisimmin käytetty biologinen puhdistusmenetelmä on aktiivilietemenetelmä, joka koostuu ilmastusaltaasta sekä jälkiselkeytyksestä. Ilmastusaltaassa aktiivilietteen mikro-organismitoiminta muuttaa jätevedessä kolloidisessa tai liukoisessa muodossa olevat laskeutumattomat orgaaniset ja epäorgaaniset aineet solumassaksi eli lietteeksi. Jäteveden riittävän happipitoisuuden ylläpitämiseksi ilmastusaltaaseen syötetään happea. Ilmastus pitää myös veden liikkeessä, parantaa mikrobien sekä epäpuhtauksien välistä kontaktia ja estää syntyneiden flokkien ennenaikaista laskeutumista. Ilmastusaltaassa voidaan toteuttaa myös biologinen typenpoisto nitrifikaatio-denitrifikaatiolla sekä fosforin kemiallinen saostus. Ilmastusaltaassa tapahtuvan rinnakkaissaostuksen lisäksi fosforin saostus voidaan toteuttaa esisaostuksena ennen biologista vaihetta tai jälkisaostuksena biologisen vaiheen jälkeen. (Karttunen 2004, s. 165, 517, Valtion ympäristöhallinto 2009b.) Ennen purkuvesistöön johtamista jätevedestä poistetaan kiintoainetta laskeuttamalla jälkiselkeytysaltaissa. Jälkiselkeytyksen toimiminen on tärkeää, jotta kiintoainetta ei pääse purkuvesistöön puhdistamolta poisvirtaavan veden mukana. (Grady et al. 1999, s. 379.) Jälkiselkeytysaltaan pohjalle laskeutuneesta lietteestä suurin osa pumpataan palautuslietteenä ilmastusaltaalle ja loppuosa pumpataan ylijäämälietteenä lietteen käsittelyyn. Lietteenkäsittelyyn pumpataan myös esiselkeytyksessä laskeutunut primääriliete. (Hammer & Hammer Jr. 2004, s.538.) 3.2 Pienten ja konsentroituneiden päästövirtojen johtaminen kunnalliselle jätevedenpuhdistamolle Kunnalliselle puhdistamolle johdettavat jätevedet, jotka poikkeavat määrältään tai laadultaan normaalista yhdyskuntajätevedestä, luokitellaan teollisuusjätevesiksi ja niiden johtamisesta kunnalliseen viemäriin tehdään aina erillisen teollisuusjätevesisopimus vesihuoltolaitoksen kanssa. (Viemäriin johdettavat teollisuusjätevedet s. 5-11) Muun muassa Helsingin seudun ympäristöpalveluilla on käytössä toimintatapa, jossa lupaa vain vähän normaalista yhdyskuntajätevedestä poikkeavien vesien tai määrältään vähäisten vesien johtamiselle yleiseen viemäriin haetaan vapaamuotoisella hakemuksella. Helsingin seudun ympäristöpalvelut antaa asiasta kirjallisen lausunnon eikä erillistä sopimusta tarvita. (Helsingin kaupunki, Ympäristökeskus, 2010.) 19

25 Teollisuusjätevesisopimuksen laatiminen edellyttää, että vesihuoltolaitos määrittää jätevedenpuhdistamon vastaanottokapasiteetin. Vastaanottokapasiteetin perusteella vesihuoltolaitos voi asettaa raja-arvot vastaanotettavan jäteveden laadulle ja määrälle. Puhdistamon puhdistustehon ylläpitämisen kannalta huomioitavaa on laitoksen kapasiteetti hapenkulutuksen, kiintoaineen ja ravinteiden poiston sekä virtaaman suhteen. (Viemäriin johdettavat teollisuusjätevedet s. 16, 18). Kun teollisuuslaitos on johtanut vetensä kunnalliseen viemäriin, vastaa vesihuoltolaitos tästä eteenpäin teollisuusvesien ympäristövaikutuksista ympäristölainsäädännön ja oman ympäristöluvan kautta (Pääkkönen et al. 2007a). Lainsäädännössä on asetettu rajoituksia viemäriin johdettaville vesille. Viemäriin ei saa johtaa vesiympäristölle vaarallisia ja haitallisia vesiä tai ainakin niiden johtamista viemäriin on rajoitettava (VNa 1022/2006). Lainsäädäntö edellyttää asianmukaista esikäsittelyä vesihuoltolaitoksen viemäriin johdettaville teollisuusjätevesille sekä muille pilaavia aineita sisältäville jätevesille. Tällä varmistetaan, että vesihuoltolaitokseen kohdistuvat ympäristövelvoitteet täyttyvät, ja että lietteenkäsittelyn ja työntekijöiden työturvallisuus säilyy ennallaan. (YSA 38.) Vesihuoltolaitos voi periä teollisuusjätevesistä korotettua jätevesimaksua, mikäli teollisuusjätevesien puhdistamisesta aiheutuu lisäkustannuksia. Lisäkustannuksia aiheutuu, mikäli teollisuusjätevesissä esiintyy määrällistä vaihtelua tai jäteveden ravinne-, kiintoaine- tai BOD arvot poikkeavat yhdyskuntajätevedestä. Korotetulla jätevesimaksulla halutaan kohdentaa ylimääräiset kustannukset jäteveden tuottajan maksettavaksi. Korotetun jätevesimaksun laskentaperusteeksi on esitetty useita eri vaihtoehtoja. Laskennassa suositellaan kuitenkin käytettävän yhtälöä 9. (Viemäriin johdettavat teollisuusjätevedet 2002, Liite 1.) 20

26 ,jossa BHK (9) on korotettu jätevesimaksu, [ ] on puhdistamon osuus koko viemärilaitoksen investoinneista on taksan mukainen käyttömaksu, [ ] on kerroin teollisuuslaitoksen ja puhdistamon jätevesien biologisen hapenkulutuksen suhteelle on teollisuuslaitoksen jätevesien BHK 7 -arvo, [mg/l] on puhdistamon jätevesien BHK 7 -arvo, [mg/l] on kerroin teollisuuslaitoksen ja puhdistamon jätevesien fosforipitoisuuden suhteelle on teollisuuslaitoksen jätevesien fosforipitoisuus, [mg/l] on puhdistamon jätevesienfosforipitoisuus,[mg/l] on kerroin teollisuuslaitoksen ja puhdistamon jätevesien typpipitoisuuden suhteelle on teollisuuslaitoksen jätevesien typpipitoisuus, [mg/l] on puhdistamon jätevesien typpipitoisuus, [mg/l] on kerroin teollisuuslaitoksen ja puhdistamon jätevesien kiintoainepitoisuuden suhteelle on teollisuuslaitoksen jätevesien kiintoainepitoisuus, [mg/l] on puhdistamon jätevesien kiintoainepitoisuus, [mg/l]. Vesihuoltolaitoksella on myös oikeus kieltäytyä vastaanottamasta sellaisia jätevesiä, joiden laatu tai määrä vaikeuttaisi laitoksen toimintaa tai edellytyksistä huolehtia tyydyttävästi muiden kiinteistöjen vesihuollosta (VesihuoltoL 10 ). 3.3 Rejektivesien vaikutus puhdistamon tulovirtaamaan Yhdyskuntajätevedenpuhdistamot on suunniteltu vastaanottamaan kotitalouksien jätevesiä. Taulukossa 4 on esitetty suuntaa-antavat koostumukset sekä biokaasulaitoksen rejektivesistä että yhdyskuntajätevesistä. Taulukossa esitetyssä yhdyskuntajäteveden koostumuksessa on oletettu, että vuorokauden aikainen jätevedenkulutus henkilöä kohden on 400 litraa. 21

27 Taulukko 4. Suuntaa-antavat arvot yhdyskuntajäteveden ja biokaasulaitoksen rejektivesien koostumuksesta (mukaillen Lindquist 2003, s.43; Latvala 2009, s. 55). Parametri Yhdyskuntajätevedet [mg/l] Biokaasululaitoksen rejektivedet [mg/l] Kiintoaine BOD COD Cr kok-p 7 80 kok-n Kuten taulukosta nähdään, ovat biokaasulaitoksen rejektivesien pitoisuudet yhdyskuntajätevesiin verrattuna noin kertaa suuremmat. Rejektivedet siis aiheuttavat puhdistamolla kuorman lisäystä (Nowak et al.). Rejektivesien merkittävin vaikutus kohdistuu puhdistamon typpikuormaan, sillä rejektivesien osuus puhdistamon typpikuormasta voi olla 25 % luokkaa. Jätevedenpuhdistamon hydraulisessa kuormituksessa ei tapahdu merkittävää muutosta, koska rejektivesien määrä koko puhdistamolle tulevasta virtaamasta on yleensä vain muutaman prosentin luokkaa (Volcke et al. 2006, s. 93). 3.4 Rejektivesien vaikutukset aktiivilieteprosessin ajotapaan Rejektivesistä aiheutuvan lisääntyneen typpikuorman vaikutukset puhdistamolla Jätevedenpuhdistamoiden, joille on asetettu puhdistusvaatimuksia typen tai ammoniumtypen suhteen, on huomioitava etenkin ammoniumtyppi puhdistusprosessin suunnitteluvaiheessa kuin toiminnankin aikana. (Vesilind 2003, s ). Typenpoisto edellyttää, että ilmastusaltaassa on nitrifikaatio-denitrifikaatioreaktioiden kannalta oikeanlaiset olosuhteet hapen ja ph:n suhteen. Myös orgaanisen aineen määrän sekä jäteveden viipymän ilmastusaltaassa on oltava riittävä. 22

28 Jäteveden happipitoisuutta säädellään ilmastusaltaassa olevilla ilmastimilla. Nitrifikaatiovaiheen aikana jäteveden happipitoisuuden tulee olla noin 2 mg/l. Myös alhaisemmassa happipitoisuudessa nitrifikaatiota voi esiintyä, mutta jäteveden happipitoisuuden laskiessa alle 0,5 mg/l, nitrifikaatioreaktiot inhiboituvat. Nitrifikaatiossa teoreettinen hapenkulutus on 4,57 g O2 /g N. (Tchobanoglous 2003, s ) Jäteveden ph tulisi nitrifikaatiovaiheessa olla välillä 7,7 8,5 ja denitrifikaatiovaiheessa välillä 6,5 7,5. Nitrifikaatiossa veden alkaliniteetin kulutus on 7,14 g CaCO3 /g N ja vastaavasti denitrifikaatio nostaa veden alkaliniteettia 3,57 g CaCO3 /g N. Koska denitrifikaatio kattaa vain osan nitrifikaation kuluttamasta alkaliniteetista, on ph:n ylläpitämiseksi jäteveden alkaliniteettia säädeltävä lisäämällä veteen kalkkia, kalsinoitua soodaa, natriumbikarbonaattia tai magnesiumhydroksidia. (Tchobanoglous 2003, s ) Denitrifikaatioreaktiot tarvitsevat nitraattitypen pelkistämiseen orgaanista ainetta. Yhtä pelkistynyttä nitraattityppigrammaa kohden kuluvan orgaanisen aineen määrä biologisena hapenkulutuksena ilmaistuna on 3-5 g BOD7 /g N. Denitrifikaatiossa orgaanisen hiilen lähteenä voidaan käyttää joko jäteveden sisältämiä yhdisteitä, lietteen omaa ravintosisältöä tai jäteveteen lisättyä orgaanista yhdistettä kuten metanolia, glukoosia, asetaattia tai myös elintarviketeollisuuden jätteitä. (Isoaho & Valve 1986, s ) Lisähiilen käytöllä denitrifikaatioreaktioita on myös mahdollista tehostaa, koska esimerkiksi metanolilla saadaan parempi denitrifikaationopeus kuin jäteveden hiilellä tai lietehengityksellä (Isoaho & Valve 1986, s ). Metanolia annostellaan puhdistettavaan veteen noin kolminkertainen määrä poistettavaan nitraattityppeen verrattuna (Niemelä 2009). Puhdistamon typenpoistoreduktiota on siis mahdollista kasvattaa lisähiilellä, mutta ilmastusaltaan tilavuus on rajoittavana tekijänä lisähiilen syötössä. Ilmastusaltaan orgaanisen aineen vastaanottokyky biologisena hapenkulutuksena ilmaistuna voidaan laskea yhtälöllä 8 (Isoaho & Valve 1986, s. 220). 23

29 (8),jossa on lietepitoisuus, [kg BOD7 /kg MLLS d] on ilmastusaltaassa olevan BOD, [kg/d] on ilmastusaltaan tilavuus, [m 3 ] on lietekuorma ilmastusaltaassa, [kg MLLS /m 3 ]. Teoreettiset arvot ilmastusaltaan lietekuormalle ja lietepitoisuudelle on esitetty taulukossa 5. Taulukko 5. Aktiivilietelaitoksen mitoitusarvoja (Isoaho & Valve 1986, s. 223). Parametri Kuormitusaste Korkea Normaali Matala Pitkäilmastus Lietekuorma kg/kg 0,8-1,5 0,3-0,6 0,1-0,3 0,05-0,1 Lieteikä d 0, Tilakuorma kg/m 3 d 2,5 4,5 1,0 1,8 0,3-0,9 0,15 0,30 MLSS kg/m Lietepintakuorma kg/m 2 h <3 <3 <3 <3 Lietetilavuuskuorma 1/m 2 h <100 <100 <100 <100 Hydraulinen viipymä ilmastusaltaassa lasketaan yhtälöllä 9 (Isoaho & Valve 1988, s. 220). (9),jossa on hydraulinen viipymä, [h] on ilmastusaltaan tilavuus, [m 3 ] on tuntivirtaama, [m 3 /h]. 24

30 3.4.2 Rejektivesien biologinen ja kemiallinen hapenkulutus Rejektiveden biologinen hapenkulutus ja kiintoaine vaativat erityistä puhdistamista (Vesilind 2003, s ). Sekä jäteveden korkea biologinen että kemiallinen hapenkulutus vaikuttavat aktiivilietelaitoksella ilmastusaltaan kapasiteettiin ja ilmastustehoon (Tchobanoglous G s. 668). Puhdistamolla suuret orgaanisen aineen kuormat voivat johtaa siihen, että jäteveden selkeytyminen heikkenee ja puhdistamolta poisvirtaavan veden sameus lisääntyy (Vesilind 2003, s. 6-3). Rejektiveden kemiallinen hapenkulutus voi joissain tapauksissa olla hajoamattomassa muodossa (Latvala 2009, s.102). Mikäli biohajoavan kemiallisen hapenkulutuksen osuus tulovirtaamassa on suuri, lisääntyy ilmastusaltaan alkuosan hapentarve. Biohajoavalla kemiallisella hapenkulutuksella on myös vaikutusta denitrifikaation nopeuteen esianoksisella vyöhykkeellä. Mitä suurempi biologisesti hajoavan kemiallisen hapenkulutuksen osuus on sitä nopeampi on typen poistonopeus. (Tchobanoglous 2003, s. 669.) Biologista puhdistusprosessia inhiboivat tekijät Ilmastusaltaan biologinen puhdistusteho voi heikentyä, mikäli rejektivesien mukana puhdistamon tulovirtaamaan tulee toksisia aineita. On myös mahdollista, että rejektivesissä esiintyvät toksiset aineet päätyvät puhdistetun veden mukana vesistöön. (Vesilind 2003, s. 6-3.) Lisäksi raskasmetallit voivat heikentää puhdistusprosessin toimintaa. (Tchobanoglous 2003, s. 615) Raskasmetalleista nikkelin ja kromin on todettu 0,25 mg/l pitoisuudella ja kuparin 0,1 mg/l pitoisuudella aiheuttavan nitrifikaatioreaktioissa inhiboitumista (Tchobanoglous 2003, s. 616). Myös syanidi voi esiintyessään vapaassa muodossa inhiboida nitrifikaatioreaktioita (Pääkkönen et al. 2007b). Sinkki puolestaan aikaansaan denitrifikaatioreaktioiden inhiboitumista, mikäli sen pitoisuus ylittää 1 mg/l (Isoaho & Valve s. 248). Raskasmetallien vaikutusta typenpoistoon voidaan vähentää poistamalla raskasmetalleja jätevedestä. Tähän voidaan käyttää hiiliadsorptiota, ioninvaihtoa, käänteisosmoosia tai kemiallisia hajoamisreaktioita (Tchobanoglous 2003, s. 514). 25

31 4 KOUVOLAN VEDEN JÄTEVEDENPUHDISTUSPROSESSI JA UUSI BIO- KAASULAITOS 4.1 Mäkikylän jätevedenpuhdistamo Kouvolan Veden Mäkikylän jätevedenpuhdistamo valmistui kemialliseksi puhdistamoksi vuonna 1976 ja sitä laajennettiin vuonna 1996 ottamalla käyttöön ilmastusaltaat. Puhdistamo on tällä hetkellä tyypiltään biologis-kemiallinen rinnakkaissaostuslaitos, jossa biologinen puhdistus perustuu aktiivilietemenetelmään ja fosforinpoistoa tehostetaan kemiallisella saostuksella. Mäkikylän nykyisen jätevedenpuhdistamon puhdistusprosessin vaiheet ovat: mekaaninen jäteveden esikäsittely biologinen ravinteiden poisto kemiallinen fosforin rinnakkaissaostus jäteveden jälkiselkeytys. Mekaaninen esikäsittely koostuu tulopumppaamosta, välpästä, hiekanerotuksesta ja esiselkeytyksestä. Jätevedet pumpataan tulopumppaamosta välpän kautta hiekanerotusaltaaseen, jossa hiekka laskeutetaan altaan pohjalle ja samalla jätevettä esi-ilmastetaan sekä siihen lisätään ferrosulfaattia. Mekaanisen esikäsittelyn viimeinen vaihe on esiselkeytys. Biologinen ravinteiden poisto tapahtuu ilmastusaltaassa, jossa aktiivilietteen mikrobit puhdistavat jätevettä. Viimeinen puhdistusvaihe on jälkiselkeytys, jossa kiintoainetta laskeutetaan ja liukoisen fosforin korkea reduktiotaso varmennetaan annostelemalla polyalumiinikloridia. Jälkiselkeytysaltaasta jätevedet johdetaan purkuputkea pitkin Kymijokeen. Jälkiselkeytysaltaan pohjalle laskeutunut liete pumpataan palautuslietteenä ilmastusaltaaseen. Ilmastusaltaassa muodostuva ylijäämäliete pumpataan esiselkeyttimille, joissa ylijäämäliete sekä puhdistamon tulovirtaaman raakaliete laskeutuvat esiselkeyttimien pohjalle. Esiselkeyttimien pohjalle laskeutunut raakasekaliete pumpataan tällä hetkellä sakeuttamon kautta lingoille, josta liete toimitetaan kompostoitavaksi. Vuoden 2011 aikana lietteenkäsittely tulee muuttumaan ja esisekeyttimeltä poistettava raakasekaliete tullaan pumppaan sakeuttamolta jatkokäsiteltäväksi Mäkikylän puhdistamon läheisyyteen rakennetavalle biokaasulaitokselle. 26

32 Virtaama [m3/d] Lämpötila [ C] Vuonna 2008 puhdistamon keskivirtaama oli noin m 3 /d. Kuvassa 8 on esitetty Mäkikylän jätevedenpuhdistamon tulovirtaaman vaihtelu vuonna 2009 sekä tulevan jäteveden lämpötila Tulovirtaama Jäteveden lämpötila Kuva 8. Mäkikylän jätevedenpuhdistamon tulovirtaama sekä tulevan jäteveden lämpötila. Kouvolassa on päädytty keskittämään jätevesien käsittely Mäkikylän jätevedenpuhdistamolle, minkä seurauksena Kouvolan kaupungin alueella sijaitseva Akanojan jätevedenpuhdistamo lakkautetaan ja siellä tällä hetkellä käsiteltävät vedet johdetaan tulevaisuudessa siirtoviemäriä pitkin Mäkikylän puhdistamolle. Yhdistymisen jälkeen Mäkikylän keskimääräinen tulovirtaama tulee olemaan noin m 3 /d. Tulovirtaaman lisäys edellyttää puhdistamon laajennusta, jossa merkittävimmät muutokset kohdistuvat ilmastusaltaiden ja jälkiselkeyttimien käsittelykapasiteetteihin. Lisäksi laitoksen typenpoistoa tehostetaan valtioneuvoston yhdyskuntajätevesistä antaman asetuksen (Vnp 888/2006) vaatimalle tasolla. Puhdistamon laajennustyöt valmistuvat vuoden 2011 loppuun mennessä. Laajennuksen valmistumisen jälkeen, vuoden 2012 alussa, Mäkikylän jätevedenpuhdistamolla astuvat voimaan uudet ympäristölupamääräykset. Itä-Suomen ympäristölupavi- 27

33 raston päätöksessä (ISY-2005-Y-253) vesistöpäästöistä ja puhdistustehosta annetut lupamääräykset on esitetty taulukossa 6. Taulukossa esitetty typenpoistovelvoite on voimassa jäteveden lämpötilan ollessa vähintään + 12 C. Taulukko 6. Mäkikylän puhdistamon vesistöpäästöjä koskevat lupamääräykset. Parametri Pitoisuus [mg/l] Puhdistusteho [%] BOD 7, ATU COD Cr Kok. fosfori 0,5 90 Kiinotoaine Kok. typpi Biokaasulaitos Kymen Bioenergia Oy:n biokaasulaitos valmistuu vuoden 2011 aikana Kouvolan Veden Mäkikylän jätevedenpuhdistamon läheisyyteen. Laitoksella on suunniteltu käsiteltävän yhdyskuntajätevedenpuhdistamon lietteitä, viherbiomassaa sekä teollisuuden, kaupan ja kotitalouksien biojätettä. Lisäksi yhtiö hakee ympäristöviranomaisilta lupaa käsitellä laitoksella myös ravintorasvoja sekä teollisuuden bio-, kuitu- ja sekalietettä. Biokaasulaitoksella mädätettävän syötteen käsittelykapasiteetti tulee olemaan t/a. (Räsänen sähköpostiviesti , Ympäristölupapäätös ) Syötteen lopullisesta koostumuksesta ei ole vielä varmuutta, mutta laitoksen käynnistymisen jälkeen syötteenä tullaan käyttämään puhdistamolietettä, biojätettä ja rasvoja sekä todennäköisesti viherbiomassaa. (Räsänen 2010, sähköpostiviesti ) Lisäksi tulevaisuudessa saattaa olla mahdollista, että laitoksella mädätettäisiin myös leviä. Rakennettavan biokaasulaitoksen eri prosessivaiheet ovat: syötteiden esikäsittely mädätys kaasun jatkojalostus mädätysjäännöksen kuivaus. 28

34 Kuvassa 9 on esitetty biokaasulaitoksen lohkokaavio. Laitokselle tulevat syötteet esikäsitellään, minkä jälkeen syöte johdetaan tasaussäiliön ja hydrolysointisäiliön kautta mädätysreaktoriin. Mädätysreaktoriin johdettavan syötteen kuiva-ainepitoisuus on noin 13 %. Oikean kuiva-ainepitoisuuden saavuttamiseksi biojätteen sekaan lisätään mädätysjäännöksen kuivauksessa muodostuvaa rejektivettä, joka samalla nostaa biojätteen lämpötilaa. Syötteen lämmitykseen hyödynnetään myös hygienisoinnista tulevan mädätysjäännöksen lämpöä ja lisälämpönä käytetään tarpeen mukaan laitoksella tuotettua kaukolämpövettä. Mädätysreaktorin lämpötila tulee olemaan noin 55 C. Mädätysreaktorin jälkeen mädätysjäännös hygienisoidaan, minkä jälkeen se kuivataan lingoilla noin 30 % kuiva-ainepitoisuuteen. Kuivauksessa muodostuvat vedet johdetaan sekä syötteeseen että käsiteltäväksi Kouvolan Veden Mäkikylän jätevedenpuhdistamolle. (Maaskola sähköpostiviesti , Ympäristölupapäätös ) Kuva 9. Kymen Bioenergia Oy:n biokaasulaitoksen prosessikaavio (Huhtamäki sähköpostiviesti ). Kymen Bioenergia Oy:n biokaasulaitoksella rejektivesiä syntyy mädätysjäännöksen kuivaamisesta arviolta m 3 vuodessa. Lisäksi biokaasulaitokselta tulee vesiä jätevesilietteen kuivaamisesta ennen mädätysprosessia. Puhdistamoliete on tarkoitus kuivata noin 20 % kuiva-ainepitoisuuteen ja siitä on arvioitu tulevan vesiä noin m 3 vuodessa. (Huhtamäki sähköpostiviesti , Peltonen sähköpostiviesti ) 29

35 Taulukossa 7 on esitetty biokaasulaitoksen suunnittelijalta (CTS Engtec Oy) saadut mädätysjäännöksen kuivauksesta ja jätevedenpuhdistamon lietteen kuivauksesta tulevien vesien koostumukset. Laskennassa biokaasulaitoksen syötteeksi on oletettu (Huhtamäki sähköpostiviesti ): noin 55 % jätevesilietettä, jonka kiintoainepitoisuus on 20 % noin 29 % biojätettä, jonka kiintoainepitoisuus on 32 % noin 16 % viherbiomassaa, jonka kiintoainepitoisuus on 28 %. Puhdistamolietteen linkokuivauksesta tulevista vesistä on esitetty arvot vain virtaaman ja typen osalta, koska muiden ominaisuuksien osalta tietoja ei ollut saatavilla. Taulukko 7. Kymen Bioenergia Oy:n biokaasulaitoksen laskennalliset arvot rejektivedelle (Huhtamäki 2009, Huhtamäki 2010, Peltonen 2009). Mädätysjäännöksen kuivauksen vedet Puhdistamolietteen kuivauksen vedet Biokaasulaitoksen vedet yhteensä Q ka t/a m 3 /a 33 m 3 /d 110 m 3 /d 142 m 3 /d COD 99 kg/d kg/d 99 kg/d mg/l mg/l mg/l Kiintoaine 166 kg/d kg/d 166 kg/d mg/l mg/l mg/l Kok.typpi 173 kg/d 5 kg/d 178 kg/d mg/l 50 mg/l mg/l Kok.fosfori 3 kg/d kg/d 3 kg/d 90 mg/l mg/l 90 mg/l Suunnittelijan mukaan kemiallinen hapenkulutus voi myös olla laskennallista tasoa alhaisempi laitokselle tulevan esihydrolyysivaiheen seurauksena. 30

36 5 BIOKAASULAITOKSILLE TEHTY KYSELYTUTKIMUS 5.1 Tutkimuksen toteuttaminen Kyselytutkimuksen tavoitteena oli luoda kokonaiskuva toiminnassa olevien biokaasulaitosten rejektivesistä sekä tarkastella rejektiveden koostumuksen muutoksiin vaikuttavia tekijöitä ja rejektivesistä kunnalliselle jätevedenpuhdistamolle aiheutuvan kuormituksen vähentämiseen käytettäviä menetelmiä. Kyselytutkimus tehtiin vuoden 2010 alussa. Tutkimukseen valittujen biokaasulaitoksien valintakriteerinä toimi biokaasulaitoksilla käytettävä syöte. Laitoksien tuli olla tyypiltään yhteiskäsittelylaitoksia, joissa yhtenä syötteenä käytettiin jätevedenpuhdistamoiden lietettä. Kyselytutkimukseen mukaan valitusta viidestä laitoksesta kolmelle kysely tehtiin henkilökohtaisesti haastattelemalla ja kahden laitoksen kanssa kyselytutkimus toteutettiin sähköpostilla. Tutkimusta varten laadittiin lomake, jotta kaikille toiminnanharjoittajille tulisi esitettyä samat kysymykset. Kyselylomake lähetettiin sähköpostilla biokaasulaitoksiin ennen vierailua, koska biokaasulaitoksille haluttiin antaa mahdollisuus tutustua kysymyksiin etukäteen. Kyselytutkimuksessa käytetty kyselylomake on liitteenä 1. Tietoja rejektivesien koostumuksesta kysyttiin myös Ruotsissa toimivilta biokaasulaitoksilta. Sähköpostitse laitettiin lyhyt kysely useampaa kuin yhtä materiaalia syötteenään käyttäville biokaasulaitoksille. Vastausprosentti sähköposteihin jäi alhaiseksi ja vastanneista ainoastaan yksi laitos täytti kyselytutkimuksen valintakriteerit. 5.2 Kyselytutkimuksessa mukana olleet laitokset Kyselytutkimuksessa mukana oli viisi Suomessa toiminnassa olevaa biokaasulaitosta sekä yksi Ruotsissa toimiva laitos, jolle kyselytutkimuksesta esitettiin vain rejektivesien laatua koskevat kysymykset. Biokaasulaitoksien syötteet koostuivat pääosin biojätteestä ja puhdistamolietteestä. Osalla syötteenä oli lisäksi viherbiomassaa, teollisuuden lietettä ja hautomojätettä. 31

37 Prosessi oli pääpiirteittäin kaikissa laitoksissa samanlainen eli prosessiin kuuluivat syötteen esikäsittely ja hygienisointi, syötteen mädätys sekä mädätysjäännöksen jatkokäsittely. Suurimmat erot laitoksien välillä olivat mädätysjäännöksen kuivauksessa, syötteen hygienisoinnissa sekä mädätyslämpötilassa. Mädätysjäännöstä kuivattiin mekaanisesti joko lingolla tai suotonauhapuristimella. Lisäksi yhdellä laitoksella oli mekaanisen kuivauksen lisäksi käytössä terminen kuivaus, jolloin terminen kuivaus hoiti syötteen hygienisoinnin. Muilla laitoksilla hygienisointi oli joko ennen mädätysreaktoria tai mädätysreaktorin jälkeen. Kolmella laitoksella mädätysreaktorin lämpötila oli mesofiilisella alueella ja kahdella laitoksella termofiilisella alueella. 5.3 Kyselytutkimuksen tulokset Yleistä tuloksista Kyselytutkimuksen tuloksista tehty yhteenveto on esitetty liitteessä 2 olevassa taulukossa. Kyselytutkimuksen vastauksia ei ole esitetty työssä kokonaisuudessaan, koska kaikkia esille tulleita asioita ei sovitusti haluttu esittää laitoskohtaisesti. Tutkimuksessa mukana olleita toiminnanharjoittajia ei siksi työssä nimetä vaan laitokset on nimetty kirjaimilla. Tuloksissa on esitetty myös Ruotsissa toimiville laitoksille lähetetyn rejektivesien laatua koskevan kyselyn tulokset Biokaasulaitoksilla muodostuvan rejektiveden määrä Kyselytutkimuksen vastauksien perusteella rejektivedet muodostuivat pääasiassa mädätysjäännöksen kuivauksesta tulevista vesistä. Osalla laitoksista määrään sisältyi myös kompostointialueen vesiä sekä kaasun, hajukaasun ja lattian pesuvesiä. Kuvassa 10 on esitetty rejektiveden määrä suhteessa laitoksien syötekapasiteetteihin. Kuvassa on ympyrällä merkitty laitos, jossa mädätysjäännös kuivattiin mekaanisen kuivauksen lisäksi myös termisesti. Kuvaajasta on jätetty pois yksi laitos, koska sen kapasiteetti oli kertaluokkaa pienempi. 32

38 Rejektiveden määrä m 3 /a Kuva 10. Biokaasulaitoksissa muodostuvan rejektiveden määrä suhteessa laitoksien syötekapasiteetteihin. Syötteen määrä [t/a] Kuvasta saa käsityksen biokaasulaitoksen rejektiveden määrän suhteesta laitoksen kapasiteettiin. Laitoskohtaisten tietojen perusteella laitoksilla syötetonnia kohden muodostuvan rejektiveden määrä vaihtelee 1,3 2,9 m 3 /t syöte. Kuvassa 11 on esitetty syötteen kuiva-ainepitoisuuden vaikutus syötetonnia kohden muodostuvan rejektiveden määrään. Syötteen kuiva-ainepitoisuus vaihteli laitoksilla % välillä kun vastaavasti mekaanisesti kuivattujen mädätysjäännöksien kuivaainepitoisuudet olivat %. Lisäksi kuvassa ympyrällä merkityn laitoksen mädätysjäännös kuivattiin mekaanisen kuivauksen jälkeen vielä termisesti 90 % kuivaainepitoisuuteen. Kuvaajasta on jätetty pois kaksi laitosta, koska niiden syötteen kuivaainepitoisuus ei kyselytutkimuksen vastauksista selvinnyt. 33

39 Rejektiveden määrä [m 3 /t syöte ] 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 Syötteen kuiva-ainepitoisuus [%] Kuva 11. Biokaasulaitoksien syötteen kuiva-ainepitoisuuden vaikutus syötetonnia kohden muodostuvan rejektiveden määrään. Kuvan perusteella voidaan todeta, että syötteen kuiva-ainepitoisuuden kasvaessa rejektiveden määrä syötetonnia kohden laskee Biokaasulaitoksien rejektivesien koostumus Rejektiveden koostumuksesta tarkemman tarkastelun kohteena olivat rejektiveden typpi- ja fosforipitoisuus sekä biologinen ja kemiallinen hapenkulutus. ph jätettiin tarkastelun ulkopuolelle, koska siinä ei esiintynyt vaihteluita laitosten kesken. Kuten liitteen 2 taulukosta selviää, olivat laitoskohtaiset ph-arvot rejektivesissä yhtä laitosta lukuun ottamatta välillä 8,3 8,5. Raskasmetalleja ei tässä tutkimuksessa tarkasteltu tarkemmin, koska raskasmetalleja oli analysoitu vain muutamalla tutkimuksessa mukana olleella laitoksella. Näillä laitoksilla rejektivesien raskasmetallipitoisuudet alittivat maa- ja metsätalousministeriön (MMM 12/07, liite IV) lannoitteille asettamat raskasmetallien rajaarvot, mutta osa raskasmetalliarvoista kuitenkin ylitti typenpoistoon käytettävän nitrifikaatio-denitrifikaatioreaktioiden inhiboitumisrajan. Taulukossa 8 on esitetty tutkimukseen osallistuneiden biokaasulaitosten rejektivesien koostumuksen vaihteluvälit typen ja fosforin sekä biologisen ja kemiallisen hapenkulutuksen osalta. 34

40 Rejektiveden typpipitoisuus [mg/l] Taulukko 8. Tutkimukseen osallistuneiden biokaasulaitosten rejektiveden koostumuksen vaihteluväli. Typpi Fosfori COD BOD Koostumuksen vaihteluväli [mg/l] Kuvassa 12 on esitetty syötteen puhdistamolieteosuuden vaikutus rejektiveden typpipitoisuuteen Puhdistamolietteen osuus syötteestä [%] Kuva 12. Biokaasulaitoksen syötteessä olevan puhdistamolieteosuuden vaikutus rejektiveden typpipitoisuuteen. Kuvan perusteella voidaan todeta, että puhdistamolietteen lisääminen syötteessä lisää rejektiveden typpipitoisuutta. Kuten liitteen 2 taulukosta näkyy, tutkimuksessa mukana olleet laitokset käyttivät syötteenään pääosin puhdistamolietettä ja biojätettä, mutta osalla laitoksista syötteenä käytettiin myös peltobiomassaa ja teollisuuden lietteitä sekä vähäisiä määriä muita syötteitä. Tuloksissa esiintyvä hajonta voi olla seurausta siitä, että puhdistamolietteen typpipitoisuuksissa on laitoskohtaisia eroja. Myös erot syötteen kuiva-ainepitoisuuksissa voivat aiheuttaa hajontaa. 35

41 Rejektiveden typpipitoisuus [mg/l] Kuvassa 13 on esitetty syötteen typpipitoisuuden vaikutus rejektiveden typpipitoisuuteen. Kyselytutkimuksessa mukana olleiden laitosten syötteiden typpipitoisuudet on määritetty kirjallisuudesta saatujen syötteiden typpipitoisuuksien perusteella. Ympyrällä on merkitty laitos, jonka teollisuuden lietteiden typpipitoisuutena käytettiin puhdistamolietteiden typpipitoisuutta, ja jonka hautomojätteen typpipitoisuutta ei huomioitu. Kuvassa on vain kolmen laitoksen tiedot, koska muiden osalta syötekohtaisten kiintoainepitoisuuksien tarkka määrittäminen ei ollut mahdollista ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Syötteen typpipitoisuus [%] Kuva 13. Syötteen typpipitoisuuden vaikutus rejektiveden typpipitoisuuteen. Kuvasta on nähtävissä se, että syötteen typpipitoisuudella on vaikutusta rejektiveden typpipitoisuuteen, vaikka syötteiden ja rejektivesien kuiva-ainepitoisuudet jätettään huomioimatta. Lisäksi mädätysjäännöksen kuivauksen tehokkuus vaikuttaa typpipitoisuuteen, jota ei tässä tarkastelussa ole huomioitu. Kuvissa 14 on esitetty syötteen puhdistamolieteosuuden vaikutus rejektiveden fosforipitoisuuteen. Ympyrällä merkityn laitoksen fosforipitoisuus on yhden näytteenottokerran tulos. Koska kyseinen tulos poikkeaa merkittävistä muiden laitoksien tuloksista, on se jätetty tarkastelun ulkopuolelle tuloksen mahdollisen virheellisyyden vuoksi. 36

42 Rejektiveden fosforipitoisuus [mg/l] Puhdistamolietteen osuus syötteestä [%] Kuva 14. Biokaasulaitoksen syötteessä olevan puhdistamolieteosuuden vaikutus rejektiveden fosforipitoisuuteen. Kyselytutkimuksen tulosten perusteella puhdistamolietteen osuuden kasvu alensi rejektiveden fosforipitoisuutta. Kuten tuloksista näkyy, kehityssuunta ei ole kuitenkaan täysin yksiselitteinen. Koska mädätysreaktorissa syötteen fosfori muuttuu ensin liukoiseen muotoon ja sen jälkeen sitoutuu kiintoaineeseen, voidaan olettaa, ettei rejektiveteen päätyvän fosforin määrä ole yksin riippuvainen syötteen fosforipitoisuudesta. Puhdistamoliete sisältää jätevedenpuhdistamolla fosforin saostamiseen käytettäviä kemikaaleja, joilla oletettavasti on myös vaikutusta mädätysprosessissa kiintoaineeseen sitoutuvan fosforin määrää. Kuvassa 15 on esitetty syötteen puhdistamolieteosuuden vaikutus rejektiveden biologiseen hapenkulutukseen. 37

43 Rejektiveden BOD [mg/l] Rejektiveden BOD [mg/l] Puhdistamolietteen osuus syötteestä [%] Kuva 15. Biokaasulaitoksen syötteessä olevan puhdistamolieteosuuden vaikutus rejektiveden biologiseen hapenkulutukseen. Tuloksissa esiintyy merkittävää vaihtelua, eikä niiden perusteella ole todettavissa, että syötteen muutoksilla olisi vaikutusta rejektiveden biologiseen hapenkulutukseen. Kuvassa 16 on esitetty syötetonnia kohden tuotetun biokaasun määrän vaikutus rejektiveden biologiseen hapenkulutukseen. Kuvassa ympyrällä merkityn laitoksen biokaasun tuottomäärä on laskennallinen arvo, koska kyselytutkimuksen tekohetkellä laitoksen käynnistymisestä oli aikaa alle vuosi Biokaasun määrä syötetonnia kohden [m 3 /t syöte ] Kuva 16. Biokaasun tuotantomäärän muutoksen vaikutus rejektiveden biologiseen hapenkulutukseen. 38

44 Rejektiveden BOD [mg/l] Mikäli tarkastelun ulkopuolelle jätetään laitos, jossa biokaasun tuotanto perustui laskennalliseen arvoon, voidaan tulosten perusteella todeta biokaasulaitoksen mädätysprosessin tehokkuuden lisääntymisen vähentävän rejektiveden biologista hapenkulutusta. Biologinen hapenkulutus kuvaa rejektivesissä olevan orgaanisen aineen hajoamiseen kuluvan hapen määrää. Kirjallisuudessa on esitetty, että optimaalisesti toimivan biokaasulaitoksen rejektivesiin päätyy noin 10 % syötteen orgaanisesta aineesta. Kuvassa 17 on esitetty rejektiveden kiintoainepitoisuuden vaikutus rejektiveden biologiseen hapenkulutukseen. Ympyrällä on merkitty laitos, jossa 50 % syötteestä koostui viljankuivausjätteestä. Kuvaajasta puuttuu yhden laitoksen tiedot, koska laitoksen rejektivesien kiintoainepitoisuus ei kyselyn vastauksista selvinnyt ,2 0,4 0,6 0,8 1 Rejektiveden kiintoainepitoisuus [%] Kuva 17. Rejektiveden kiintoainepitoisuuden vaikutus rejektiveden biologiseen hapenkulutukseen. Kuten tuloksista nähdään, rejektiveden kiintoainepitoisuuden kasvaessa myös rejektiveden biologinen hapenkulutus kasvaa. Rejektiveden biologisen hapenkulutuksen osalta voidaankin todeta, että mädätysjäännöksen kuivauksen tehokkuus vaikuttaa rejektivesien biologisen hapenkulutuksen tasoon. Liitteessä 2 esitettyjen tietojen perusteella laskettuna rejektiveden biologisen hapenkulutuksen ja kiintoaineen suhteeksi saadaan 0,4 0,5 kg BOD /kg TS. 39

45 Rejektiveden COD [mg/l] Kuvassa 18 on tarkasteltu rejektiveden biologisen hapenkulutuksen suhdetta rejektiveden kemialliseen hapenkulutukseen. Kuvaajassa on esitetty vain neljän laitoksen tiedot, koska kahdella laitoksessa rejektiveden kemiallista hapenkulutusta ei mitata Rejektiveden BOD [mg/l] Kuva 18. Rejektiveden biologisen hapenkulutuksen suhde rejektiveden kemialliseen hapenkulutukseen. Kuvan perusteella voidaan todeta, että rejektiveden biologisen hapenkulutuksen kasvaessa myös rejektiveden kemiallinen hapenkulutus kasvaa. Kemiallinen hapenkulutus kuvaa kemiallisesti hapetettavan orgaanisen aineen määrää, johon sisältyy myös biologisesti hapetettavien orgaanisten aineiden määrä. Liitteessä 2 esitetyistä arvoista, saadaan rejektiveden biologisen ja kemiallisen hapenkulutuksen suhteeksi noin 0,25 0,35. Yhdyskuntajätevesissä vastaava suhde on 0,3-0,8 (Tchobanoglous 2003, s.86) Rejektivesien käsittely biokaasulaitoksilla Rejektivesien esikäsittelyn tarve vaihteli laitoksittain. Kyselytutkimukseen osallistuneilla laitoksilla rejektivedet johdettiin kunnalliselle puhdistamolle esikäsiteltyinä, mikäli laitoksen käsittelykapasiteetti oli yli t/a. Vastauksista oli kuitenkin havaittavissa, että rejektivesien esikäsittelyn tarpeellisuuteen vaikuttivat kunnallisella puhdistamolla rejektivesistä aiheutuvan kuormituksen lisäksi sekä kunnallisen puhdistamon vastaanot- 40

46 tokapasiteetti että tulovirtaaman koostumus. Rejektivesiä vastaanottavien jätevedenpuhdistamoiden vastaanottokapasiteettia ei tässä tutkimuksessa selvitetty, koska kunnallisilla puhdistamoilla rejektivesien vastaanottomahdollisuus on aina määritettävä tapauskohtaisesti. Kolmella laitoksella rejektivedet esikäsiteltiin ennen niiden johtamista kunnalliselle puhdistamolle. Esikäsittelymenetelmät, joita laitoksilla käytettiin tai oli ollut käytössä, olivat DEMON -prosessi aktiivilietemenetelmään perustuva puhdistusprosessi biologis-kemiallinen menetelmä: flotaatioallas, 2 ilmastusallasta, selkeytys. DEMON -prosessi oli käytössä yhdellä tutkimukseen osallistuneella laitoksella. DEMON -prosessi on Sveitsiläisen Cyklar-Stulzin kehittämä puhdistusmenetelmä, jossa puolet puhdistettavan veden typestä hapetetaan suoraan typpikaasuksi ja puolet muutetaan nitraattitypeksi. DEMON -prosessin liete on aktiivilietteeseen verrattuna rakeisempaa ja painavampaa. Liete on myös tarkoitus pitää koko ajan ilmastusaltaassa. Prosessissa puhdistettavan veden happipitoisuus on tasolla 0,5 mg/l ja lämpötila noin 30 C. DEMON -prosessi oli kyselytutkimuksen tekohetkellä ollut käytössä vain muutaman kuukauden, mutta lyhyestä käyttökokemuksesta huolimatta puhdistustulokset olivat laitoksella olleet odotusten mukaisia. DEMON -prosessin hyviksi puoliksi laitoksella koettiin prosessin vaatima alhainen happitaso. DEMON -prosessi oli valittu esikäsittelymenetelmäksi, koska vertailemalla muita esikäsittelymenetelmiä oltiin tultu siihen tulokseen, että muissa vaihtoehdoissa käyttökustannukset olisivat olleet liian suuret. Aktiivilietemenetelmään perustuvassa puhdistusprosessissa typenpoisto tapahtui nitrifikaatio-denitrifikaatioreaktioilla. Menetelmästä oli kokemuksia kahdelta laitokselta. Kokemukset poikkesivat toisistaan merkittävästi, sillä toisella laitoksella DND -prosessissa oli ilmennyt ongelmia typenpoistossa, kun vastaavasti toisella laitoksella ei menetelmän kanssa ollut ilmennyt ongelmia. Laitos, jolla ongelmia oli ollut, ei enää tutkimuksen tekohetkellä käsitellyt rejektivesiä aktiivilietemenetelmällä. Kyseisellä laitoksella arvioitiin, että aktiivilietemenetelmän toimimattomuus johtui DND -prosessin typenpoistotehokkuuden alhaisesta tasosta, joiden seurauksena jälkiselkeytysaltaassa kiintoaineen 41

47 laskeutuminen heikkeni. Myös BOD- ja COD- reduktiot jäivät laitoksella alhaisiksi. Tarkkaa syytä puhdistusprosessissa olleisiin ongelmiin ei ollut selvinnyt. Flotaatioon perustuvassa biologis-kemiallisessa menetelmä oli käytössä yhdellä laitoksella. Flotaatiolla ei kuitenkaan saatu poistettua rejektiveden kiintoainetta tarpeeksi tehokkaasti. Myös vaahdon väheneminen rejektivedestä oli vähäistä. Yleisesti ottaen rejektivesien käsittelyssä ongelmallisimmaksi koettiin rejektivesien sisältämä typpi, mutta myös kiintoaineen laskeutumisen kanssa oli ollut ongelmia. Ongelmat typenpoistossa heikensivät kiintoaineen laskeutumista sekä fosforin poistoa. Eräs laitos kertoi kokeilleensa kahta käsittelymenetelmää rejektivesille, mutta luopunut molempien käytöstä alhaiseksi jääneen puhdistustehon vuoksi. Laitoksella käsittelymenetelmien heikoksi toimivuudeksi arveltiin suurta typpipitoisuutta, jota ei saatu tehokkaasti pienennettyä. Yhdellä laitoksella oli lisäksi ollut ongelmia rejektiveden vaahtoamisen kanssa esikäsittelyssä. Vaahtoamisesta oli myös toisenlaisia kokemuksia, sillä eräs laitos kertoi vaahdon poistuvan esikäsittelyssä vaahdonestokemikaaleilla. Rejektivedessä esiintyvästä vaahdosta oli yhdellä tutkimukseen osallistuneella laitoksella havaittu olevan yhteys mädätysreaktorin lämpötilassa tapahtuvaan muutokseen. Laitoksen rejektivesissä oli havaittu esiintyvän vaahtoutumista silloin, kun mädätysreaktorin lämpötila laski alle optimilämpötilan. 5.4 Tulosten tarkastelu Kyselytutkimuksen vaatimukset täyttäviä biokaasulaitoksia oli tutkimuksen tekohetkellä Suomessa toiminnassa vain viisi, minkä vuoksi tutkimuksen otos jäi pieneksi. Otosta ei onnistuttu myöskään laajentamaan Ruotsiin lähetetyllä kyselyllä alhaisen vastausprosentin takia. Tästä johtuen tulosten edustavuus oli heikko. Vaihtelua tuloksiin toi varmasti laitoksilla syötteenä käytetyt erilaiset jätejakeet, joiden koostumuksesta ei saatu tarkkaa tietoa. Lisäksi virhettä toi se, että tutkimukseen osallistuneiden laitosten toimittamat tiedot perustuvat heidän omiin analyyseihinsä. 42

48 Tuloksista olisi tullut tarkempia ja verrattavuudeltaan luotettavampia, mikäli kaikilta tutkimukseen osallistuneilta laitoksilta olisi kerätty näytteet ja näytteet olisi analysoitu yhdessä laboratoriossa samoilla menetelmillä. 43

49 6 REJEKTIVESIEN HUOMIOIMINEN KOUVOLAN BIOKAASULAITOK- SEN JA JÄTEVEDENPUHDISTAMON SUUNNITTELUSSA JA TOIMIN- NASSA 6.1 Rejektivesien johtaminen Mäkikylän puhdistamolle Puhdistamon vastaanottokapasiteetti Kymen Bioenergia Oy:n biokaasulaitokselta tulevaisuudessa tulevat rejektivedet on huomioitu Mäkikylän jätevedenpuhdistamon laajennussuunnitelmassa. FCG Planeko Oy:n tekemässä laajennussuunnitelmassa esitetyt tulovirtaaman mitoitusarvot sekä tulovirtaaman mitoitusarvoihin sisällytetty biokaasulaitoksen rejektivesien osuus on esitetty taulukossa 9. Taulukko 9. Mäkikylän jätevedenpuhdistamon tulovirtaaman mitoitusarvot sekä tulovirtaaman mitoitusarvoihin sisällytetty biokaasulaitoksen rejektivesien osuus (FCG Planeko Oy 2009). Parametri Tulovirtaaman mitoitusarvot Rejektivesien osuus tulovirtaaman mitoitusarvoista Keskivirtaama. Q KA m 3 /d 200 m 3 /d BOD kg/d 600 kg/d 180 mg/l mg/l COD Cr kg/d kg/d 420 mg/l mg/l Kiintoaine kg/d 800 kg/d 300 mg/l mg/l Kok. typpi kg/d 600 kg/d 55 mg/l mg/l Kok. fosfori 220 kg/d 20 kg/d 6,9 mg/l 100 mg/l Taulukossa 9 esitettyä jätevedenpuhdistamon laajennussuunnitelmassa rejektivesille mitoitettua osuutta on kuvassa 19 verrattu taulukossa 7 esitettyihin biokaasulaitoksen suunnittelijoiden laskennallisiin rejektivesiarvoihin. 44

50 Vuorokausikuorma [kg/d] Biokaasulaitoksen suunnittelijan laskennallinen rejektivesikuorma rejektivesille jätevedenpuhdistamon laajennussuunnitelmassa mitoitettu vuorokausikuorma Kuva 19. Biokaasulaitoksen suunnittelijan laskennallinen rejektivesikuorma ja rejektivesille jätevedenpuhdistamon laajennussuunnitelmassa mitoitettu vuorokausikuorma. Rejektivesien vuorokausikuorma alittaa Mäkikylän jätevedenpuhdistamon laajennussuunnitelmassa rejektivesille varatun osuuden kaikkien tarkasteltavien ominaisuuksien osalta, joten näiden tietojen pohjalta biokaasulaitoksen rejektivedet eivät lisää puhdistamon tulokuormaa yli suunnittelunarvojen. Rejektiveden biologisesta hapenkulutuksesta biokaasulaitoksen suunnittelija ei ole antanut laskennallista arvoa. Rejektiveden kemiallinen hapenkulutus on kuitenkin suunnitelmalaskelmissa samalla tasolla kuin jätevedenpuhdistamon laajennussuunnitelmassa rejektiveden odotettu biologisen hapenkulutuksen arvo. Näiden tietojen perusteella voidaan olettaa, että biokaasulaitokselta tulevien vesien biologinen hapenkulutus ei tule ylittämään puhdistamon laajennussuunnitelmassa sille arvioitua osuutta, koska biologinen hapenkulutus on kemiallista hapenkulutusta alhaisempi. Kyselytutkimuksen tulosten perusteella biokaasulaitoksien rejektivesien biologisen ja kemiallisen hapenkulutuksen suhde vaihteli 0,25 0,35 välillä. Tällä suhdearvolla Kymen Bioenergia Oy:n käsittelyjäännöksen kuivauksesta tulevien vesien biologinen hapenkulutus olisi noin kg/d. Biokaasulaitoksen suunnittelijan laskennalliset rejektivesiarvot ovat huomattavasti alhaisemmat kuin puhdistamon laajennussuunnitelmassa rejektivesille arvioitu osuus. 45