Biosuodinratkaisut valumavesien käsittelyssä. Ravinneresurssi-päivä Mustialassa Jarkko Nummela / HAMK

Transkriptio

1 Biosuodinratkaisut valumavesien käsittelyssä Ravinneresurssi-päivä Mustialassa Jarkko Nummela / HAMK

2 Valumavesi Valumavesi on tässä yhteydessä vettä, jota maanpinta ei laatunsa, muotonsa tai päällysteensä vuoksi pysty pidättämään itseensä vaan se valuu ojiin, salaojiin ja niiden kautta vesistöihin. Valumavesien sisältämät ravinteet typpi ja fosfori ovat liukoisessa ja kiinteässä muodossa. Valumaveden sisältämät eloperäiset aineet kuluttavat happea ja sisältävät myös orgaanista typpeä ja fosforia. Liukoiset ja kiinteät ravinnekomponentit muodostavat kokonaiskomponentit (N tot, P tot, jne.). Orgaaniset ja epäorgaaniset ravinteet voivat esiintyä sekä liukoisessa ja kiinteässä muodossa. Typpi mg/l, fosfori µg/l ja hapenkulutus mg O 2 /l

3 Valumavesi Aurajoen alaosassa kokonaisfosforipitoisuudeksi mitattiin tiistaina 840 mikrogrammaa litrassa ja havaintojen perusteella pitoisuus on ollut tätäkin suurempi. Tämän vuoden aiempien vesinäytteiden keskipitoisuus on ollut Aurajoessa noin 160 mikrogrammaa litrassa, mikä on jo erittäin suuri pitoisuus, mutta kuitenkin alle Aurajoen pitkäaikaisen vuosikeskiarvon. Paimionjoen kokonaisfosforipitoisuus oli tiistaina 1100 mikrogrammaa litrassa. (Turun Sanomat ) Riuskanoja : Nitraattityppi (liuk.) 0,73 mg/l, kokonaistyppi 1,26 mg/l, fosfaatti fosfori (liuk.) 33 µg/l ja kokonaisfosfori 95 µg/l.

4 Biosuodin perusteet Suodatintyyppinen bioreaktori. Sisältää elävän mikrobikasvuston. Yleensä kantoaineen päälle kasvaneen biofilmin. Sitoo läpivirtaavasta nesteestä ja kaasusta puhdistettavia aineita pääasiassa mikrobien käyttöön. Mikrobikasvusto tarvitsee hiiltä, ravinteita (N:P) ja hivenaineita kasvaakseen sekä kemiallista energiaa (kemialliset yhdisteet) aineenvaihduntaansa.

5 Biosuodin - ominaista Biosuodinmateriaali (kantoaine) voi olla orgaanista ( biomateriaalia ) tai epäorgaanista. Orgaanisesta materiaalista voidaan myös valmistaa mm. sorptio-tyyppisiä suodattimia, jotka eivät perustu biologiseen aktiivisuuteen. Myös orgaanisen ja epäorgaanisen aineiden yhdistelmät ovat mahdollisia. Esim. kalsiumkarbonaatti ja hake. Lisäksi epäorgaanisen sorptioaineen päälle voi alkaa muodostua biofilmiä. Jos suodattimen rakenne on riittävä tiivis, sitoo se kiintoainetta myös mekaanisesti.

6 Biosuodin - ominaista Uudesta suodinpanoksesta (varsinkin orgaanisesta materiaalista) irtoaa useasti ravinteita veteen (esim. fosforia). Kun biofilmin kasvu kiihtyy, alkaa se käyttämään orgaanisesta suodinaineesta irtoavia ravinteita. Kun biosuodin on kerännyt riittävästi biofilmiä, alkaa sitä irrota suodatettavaan veteen. Periaatteessa syntyy tasapaino, jossa suodin sitoo ravinteita yhtä paljon kuin luovuttaa. Irtoava ravinne on kuitenkin vielä orgaanisessa muodossa (ja kiinteässä). Olosuhteista ja lähtöaineista riippuen orgaaninen suodinmateriaali alkaa hajota.

7 Biosuodin - esimerkkejä Orgaaninen sorptio-typpinen suodin: Olkisuodin: Olki sitoo ioninvaihtoperiaatteella typpeä. HAMK:in suorittamissa kokeissa max. nitraattiadsorptio n. 0,5 mg NO 3 -N/g olkea. Sahanpuru: Oulun yliopiston väitöskirja (Anni Keränen 2017) kemikaalisesti käsitelty männyn sahanpurun nitraattiadsorptio (32,8 mg NO 3 -N/g).

8 Biosuodin - esimerkkejä Pajukerpputorni (Niemelä 2010) Biosuodin orgaanisesta materiaalista Pajukerpputorni P tot poistuma jopa 84% ja N tot poistuma 35% (Niemelä 2010) Hakesuodin P tot poistuma välillä 8 24 % ja N tot poistuma välillä 2 10 % (Lantto & Lindfors 2005) Nitraattitypen poistuma 22% - 74%, 0,4-3,8 g N/m3/d (Christianson 2011) Olki-hakesuodin P tot poistuma alle 40 % ja N tot poistumat välillä % Liukoista fosforia poistui vain niukasti (Puumala ym ) Olkisuodin (HAMK) N tot sidonta suodimateriaaliin Riuskanojassa 1,89 mg N/ g olkea Christianson and Helmers, 2011 Hakesakesuodatin (Lantto & Lindfors 2005).

9 Yhteenveto biosuodin Biosuodin on yksinkertainen ja tapa vähentää ravinnevalumia vesistöihin Rakenne ja toteutus ovat halpoja ja yksinkertaisia toteuttaa Kuitenkin toimivuuden kannalta hyvä etukäteissuunnittelu on tärkeää Kaksi vaihtoehtoista strategiaa: 1. Optimoidaan typen talteenottoa vedestä Ei ole taloudellisesti kannattavaa nykyisillä lannoitehinnalla Typen saannot jäävät alhaisiksi Suotimen typensitomiskyky rajallinen 2. Optimoidaan typen poistoa vedestä (puhdistustehoa) Teoriassa helpompi optimoida tai tehostaa kuin talteenottoa Ammoniumtyppi nitraatti- denitrifikaatio Suodattimen sitomiskyky ei ole rajoitteena, muodostuva bakteerikanta poistaa typpeä N 2 muodossa Suodattimen materiaali (hiili) tukee bakteeritoimintaa

10 Yhteenveto biosuodin Puhdistustehon kannalta kriittisimmät parametrit ovat: Veden alkuperäinen ravinnepitoisuus, puhdistusteho on suurempi korkeammilla ravinnepitoisuuksilla, alhaisia ravinnemääriä ei välttämättä saada talteen tai poistettua tehokkaasti. Virtausnopeus ja retentioaika (pidätysaika) Nämä tulisi optimoida suodattimelle sopiviksi esimerkiksi tasausaltaan ja pohjapadon avulla, näin vältetään myös ohivirtauksia tai suodattimen kuivumista Bakteerien (biofilmin) käytössä olevan hiilen määrä Kansainvälisten tutkimusten mukaan ym. seikat vaikuttavat biosuotimen puhdistustehoon enemmän kuin jopa veden lämpötila, typen poistoa tapahtuu myös kylmässä vedessä mikäli muut parametrit ovat optimaalisia

11 Lähteet: Christianson, L Design and performance of denitrificationbioreactors for agricultural drainage. Iowa State University. Available at: 9 April Christianson, L., and M. Helmers Woodchip bioreactors for nitrate in agricultural drainage. Iowa State University Extension Publication PMR Available at: store.extension.iastate.edu/itemdet ail.aspx?productid= Accessed 30 November Keränen, Anni. Water treatment by quaternized lignocellulose Oulun yliopisto. Väitöskirja. Luettavissa: 3. Lantto, J. & Lindfors, I Joutsijärven ja Tuurujärven vesiensuojelusuunnitelma: hakesuodatuskokeet. Pori: Porin kaupungin painatuskeskus. Niemelä, H Pajukerpputorni kaatopaikkavesien käsittelyssä. Tampereen ammattikorkeakoulu. Enviromental Engineering. Opinnäytetyö. Puumala, M., Paasonen, M. & Nykänen, A Tarhasta tulevien valumavesien puhdistaminen suodattamalla. Ss Teoksessa: Uusi-Kämppä, J., Yli-Halla, M. & Grék, K. (toim.) Lypsykarjataloudesta tulevan ympäristökuormituksen vähentäminen. Maa- ja elintarviketalouden tutkimuskeskus. Maa- ja elintarviketalous 25. Jokioinen.

12

13

14 Financial comparison of seven nitrate reduction strategies for midwestern aggricultural drainage Christianson 2011

15 Pajukerpputorni (Niemelä 2010)

16 Hakesakesuodatin (Lantto & Lindfors 2005).

17 Christianson and Helmers, 2011

18