NESTEMÄISTEN PÄÄSTÖJEN HALLINTA Biologiset prosessit 24.1.2011 1
LUENNON SISÄLTÖ Biologisen puhdistusprosessin tavoitteet Biologisten puhdistusprosessien jaottelu Puhdistusprosessien periaatteiden esittelyä Aerobinen puhdistusprosessi Anaerobinen puhdistusprosessi Mikro-organismien toimintaedellytykset Mikro-organismien kasvukinetiikkaa Aktiivilieteprosessin keskeiset suunnitteluparametrit Aktiivilietteen peruskoostumus Aktiivilieteprosessin ohjaus Puhdistamon energiankulutukseen vaikuttavat tekijät Nitrifikaatio Denitrifikaatio Kehittyneet puhdistusteknologiat BIOLOGINEN JÄTEVEDENKÄSITTELY - TAVOITTEET Poistaa orgaaniset ainesosat ja yhdisteet happikadon ehkäisemiseksi vastaanottavassa vesistössä Orgaanisten yhdisteiden pitoisuus määritetään yleensä biologisesti hajoavana kemiallisena hapenkulutuksena (bcod) tai biologisena kokonaishapenkulutuksena (BOD) bcod ja BOD sisältävät liukoiset, kolloidiset ja hiukkasmaiset biologisesti hajoavat yhdisteet Poistaa kolloidiset ja suspendoituneetkiintoaineet (biologiseen flokkiin tai biofilmiin), jotta niiden kertyminen ja haittojen aiheuttaminen vastaanottavassa vesistössä voitaisiin välttää Poistaa taudinaiheuttajien pitoisuutta vastaanottavaan vesistöön johdettavassa jätevedessä Muuntaa ja poistaa ravinteita (typpeä ja fosforia) 2
BIOLOGINEN HAPENKULUTUS LÄHDE: Tchopanoglous KEMIALLINEN HAPENKULUTUS LÄHDE: Tchopanoglous 3
MIKRO-ORGANISMIEN HAJOITUSTYÖ Mikro-organismeja käytetään hapettamaan liuennut ja hiukkasmainen hiilipitoinen orgaaninen aines yksinkertaisiksi lopputuotteiksi biomassaksi Seuraava yhtälö kuvaa orgaanisen aineksen aerobista biologista hapetusta 3 v1 (orgaanine n aines) v2o2 v3 NH 3 v4po 4 v (uudet solut) v CO v H O 5 6 2 7 2 BIOLOGINEN PUHDISTUSPROSESSIEN JAOTTELU Aerobinen Puhdistus tapahtuu hapellisissa olosuhteissa Anaerobinen Puhdistus tapahtuu hapettomissa olosuhteissa Anoksinen Puhdistus tapahtuu hapettomissa, mutta nitraattipitoisissa olosuhteissa Mikrobit hyödyntävät nitraattiin sitoutunutta happea Kasvu suspensiossa (aktiivilieteprosessi) Kasvu kantoaineessa (kiinteäalustainen prosessi) Edellisten yhdistelmä 4
BIOLOGINEN JÄTEVEDENKÄSITTELY - SUUNNITTELUN LÄHTÖKOHDAT Prosessin onnistunut suunnittelu edellyttää ymmärrystä prosessissa toimivista mikro-organismeista reaktioista, joihin mikro-organismit osallistuvat ympäristötekijöistä, jotka vaikuttavat mikro-organismien suorituskykyyn mikro-organismien ravinnetarpeista mikro-organismien reaktiokinetiikasta Puhdistusprosessi suspensiossa LÄHDE: Tchopanoglous 5
Puhdistusprosessi kantoaineessa LÄHDE: Tchopanoglous Puhdistusprosessi kantoaineessa Voidaan käyttää sekä aerobisena että anaerobisena prosessina joko kokonaan tai osittain kantoaine upotettuna Tyypillisin prosessi on trickling filter Jätevesi jaetaan säiliön päälle, jossa suodatin ei ole kokonaisuudessaan upotettu Tavallisin korkeus on 5 10 m Muovi on tyypillisin kantoaineen materiaali 90 95 prosenttia tilavuudesta on tyhjää tilaa Neste-/kiintoainefaasi erottamiseksi tarvitaan selkeytin www. thewatertreatments.com 6
Puhdistusprosessi kantoaineessa trickling filter Vahvuudet Yksinkertainen, luotettava Pieni maa-alan tarve Tehokas korkeiden pitoisuuksien käsittelemisessä Sopii pieniin ja keskisuuriin laitoksiin Pieni tehontarve Heikkoudet Saattaa tarvita jatkokäsittelyvaiheen päästörajoitusten alittamiseksi Vaatii säännöllistä seurantaa Joustavuus- ja säätömahdollisisuudet rajallisia aktiivilieteprosessiin verrattuna www.epa.gov Puhdistusprosessi kantoaineessa LÄHDE: Tchopanoglous 7
ANAEROBINEN BIOLOGINEN PUHDISTUSPROSESSI Anaerobisen kannattavuuden edellytyksenä pidetään suurta ravinnekuormaa COD-pitoisuuden ollessa alle 1300 mg/l suositellaan aerobista prosessia. Prosessi voidaan jakaa kolmeen osaan: hydrolyysi, happokäyminen ja metaanin muodostus Hydrolyyttiset bakteerit pilkkovat polymeerejä, kuten proteiineja ja hiilihydraatteja, pienimolekyylisiksi yhdisteiksi Asidogeeniset eli rasvanmuodostajabakteerit muuttavat em. monomeereja orgaanisiksi hapoiksi, alkoholeiksi, hiilidioksidiksi vedyksi ja ammoniakiksi Asetogeeniset bakteerit muodostavat vetyä muuttaessa suurimolekyylipainoiset orgaaniset hapot ja alkoholit etikkahapoksi ja vedyksi ANAEROBINEN BIOLOGINEN PUHDISTUSPROSESSI Metanogeeniset bakteerit tuottavat metaania ja hiilidioksidia pääasiassa vedystä ja asetaatista. Metanogeeniset bakteerit ovat herkempiä kuin muut bakteerit Anaerobista prosessia voi häiritä suuret kuorman vaihtelut, jolloin happofermentaation ja metanogeneesin tasapaino voi häiriintyä. Tasaus- ja varoallas tarvitaan prosessihäiriöiden ehkäisemiseksi. Mesofiilisilla bakteereilla on optimaaliset kasvuolosuhteet lämpötilaalueella 35 38 ºC 8
ANAEROBINEN BIOLOGINEN PUHDISTUSPROSESSI - UASB-reaktori (upflow anaerobic sludge blanket) UASB reaktorit soveltuvat erityisen suurille CODkuormille ja laimeille jätevesivirroille (3% TSS, partikkelikoko > 0.75mm) Reaktorissa muodostuu rakeinen lietepatja, joka kelluu säiliössä Jätevesi virtaa ylöspäin patjan lävitse ja samalla se tulee anaerobisten mikro-organismien puhdistamaksi Ylöspäin tapahtuva virtaus yhdessä painovoimaan perustuvan selkeytymisprosessin kanssa aiheuttaa lietepatjan kellumisen yhdessä flokkulanttien kanssa Pieniä lieterakeita alkaa muodostua ja niiden pinta peittyy bakteerikerrostumalla Reaktori tarvitsee jatkuvaa valvontaa, jotta voidaan varmistua lietepatjan säilymisestä ANAEROBINEN BIOLOGINEN PUHDISTUSPROSESSI LÄHDE: Tchopanoglous 9
ANAEROBINEN BIOLOGINEN PUHDISTUSPROSESSI Prosessissa muodostuu biokaasua Sietää korkeita COD-pitoisuuksia Ei sovellu laimeille vesille Tarvitsee jatkopuhdistusvaiheen Bakteerit ovat herkkiä prosessihäiriöille Energiankulutus on alhainen Syntyvän lietteen määrä on vähäinen Reaktorit ovat kooltaan pienehköjä Ravinteiden tarve on vähäinen Kemikaalien tarve on vähäinen Käynnistysvaihe kestää pitkään ANAEROBINEN BIOLOGINEN PUHDISTUSPROSESSI 10
MIKRO-ORGANISMIT SOLUKOOSTUMUS Tyypillisen mikrobisolun koostumus auttaa ymmärtämään kasvuun tarvittavia ravinnetarpeita 80 prosenttia painosta on vettä 20 prosenttia kuiva-ainesta, josta 90 % orgaanista, josta 53 % on hiiltä 10 % epäorgaanista Orgaanisen aineksen koostumus voidaan esittää kemiallisena kaavana a) Ilman fosforia b) Fosforin kanssa a) C5H 7O2N b) C60H87O23N12P MIKRO-ORGANISMIT YMPÄRISTÖTEKIJÖISTÄ JOHTUVAT RAJOITTEET Optimaalinen mikro-organismien kasvualue on melko kapea sekä ph:n että lämpötilan osalta Mikro-organismit voivat kuitenkin säilyä hengissä melko laajalla ph- ja lämpötilaalueella Lämpötilojen osalta Optimialueen alapuolella vaikutus kasvuun suurempi 10 C:een nousu kaksinkertaistaa kasvun optimialueeseen saakka Optimaalisten lämpötila-alueiden mukaan mikro-organismit on luokiteltu psykrofiilisiin, mesofiilisiin ja termofiilisiin ph:n osalta Useimmat bakteerit eivät kestä ph-arvoa yli 9,5 tai alle 4,0 Optimialue on yleensä 6,5 ja 7,5 välillä 11
MIKRO-ORGANISMIT KASVUN EDELLYTTÄMÄ HIILENLÄHDE LÄHDE: Tchopanoglous Hiilen lähde voi olla orgaaninen aines tai hiilidioksidi Organismeja, jotka käyttävät orgaanista hiiltä uuden biomassan muodostamiseen, kutsutaan heterotrofeiksi Organismeja, jotka tuottavat solujen hiilen hiilidioksidista, kutsutaan autotrofeiksi MIKRO-ORGANISMIT KASVUN EDELLYTTÄMÄ ENERGIANLÄHDE Organismeja, jotka saavat tarvitsemansa energiansa valosta, kutsutaan fototrofeiksi Voivat olla joko heterotrofeja tai autotrofeja Organismeja, jotka saavat tarvitsemansa energiansa kemiallisista hapetusreaktioista, kutsutaan kemotrofeiksi Voivat olla joko heterotrofeja tai autotrofeja Kemoautotrofit saavat energiansa epäorgaanisten yhdisteiden hapetusreaktioista Kemoheterotrofit saavat tavallisesti energiansa orgaanisten yhdisteiden hapetusreaktioista 12
MIKRO-ORGANISMIT KASVUN EDELLYTTÄMÄ ENERGIANLÄHDE Kemotrofien energiaa tuottavat kemialliset reaktiot ovat hapetuspelkistys reaktioita Elektroni siirtyy elektronin luovuttajalta elektronin vastaanottajalle Elektronin luovuttaja hapettuu ja vastaanottaja pelkistyy Elektronin luovuttaja voi olla joko orgaaninen tai epäorgaaninen yhdiste Elektronin vastaanottaja voi olla solun sisällä tai se voidaan hankkia solun ulkopuolelta (esimerkiksi liuennut happi) MIKRO-ORGANISMIT KASVUN EDELLYTTÄMÄ ENERGIANLÄHDE Kun elektronin vastaanottajana on happi, reaktion sanotaan olevan aerobinen Kun elektronin vastaanottajana on jokin muu yhdiste, reaktion sanotaan olevan anaerobinen Poikkeuksena on tilanne, jossa elektronin vastaanottajana on nitriitti tai nitraatti, jolloin reaktion sanotaan olevan anoksinen 13
BIOLOGINEN JÄTEVEDENKÄSITTELY LÄHDE: Tchopanoglous MIKRO-ORGANISMIT RAVINNETARPEET Ravinteiden puute voi rajoittaa solujen kasvua Keskeiset mikro-organismien tarvitsemat ravinteet ovat N, S, P, K, Mg, Ca, Fe, Na ja Cl Muita tärkeitä ravinteita ovat Zn, Mn, Mo, Se, Co, Cu ja Ni 100 grammaa biomassaa kohti tarvitaan noin 12,2 g typpeä ja 2,3 g fosforia Yhdyskuntien jätevesissä ravinteita on yleensä riittävästi Teollisuuden jätevesiin niitä saattaa olla tarvetta lisätä 14
MIKRO-ORGANISMIT BAKTEERIKASVUT LÄHDE: Tchopanoglous MIKRO-ORGANISMIT BAKTEERIKASVUT Biomassan kasvu määritetään yleensä suhteessa käytettyihin elektronien luovuttajiin biomassan kasvu ( g) Y käytetty ravinto (g) 15
MIKRO-ORGANISMIT BAKTEERIKASVUT Aerobisille heterotrofisille reaktioille biomassan kasvu ( g) Y hapetettu orgaaninen ravinto (g) Nitrifikaatiolle biomassan kasvu ( g) Y hapetettu NH 4 (g) Rasvahappojen anaerobisille hajoamiselle biomassan kasvu ( g) Y käytetyt rasvahapot (g) MIKRO-ORGANISMIT BAKTEERIKASVUT Esimerkki glukoosi orgaanisena aineena 3C 6 H 2C 12 5 O H 6 7 8O NO 2 2 2NH 8CO g 2mol 113 mol g Y 0, 42 g 3mol 180 g mol 2 3 14H biomassa glukoosi 2O 16
MIKRO-ORGANISMIT BAKTEERIKASVUT Yhdyskuntien jätevedet sisältävät suuren joukon orgaanisia yhdisteitä Aerobisessa ja anaerobisessa käsittelyssä tuotto esitetään orgaanisten yhdisteiden kokonaiskulutusta kuvaavilla mitattavilla parametreilla biomassan kasvu ( g) Y poistettu BOD (g) biomassan kasvu ( g) Y poistettu COD (g) MIKRO-ORGANISMIT BAKTEERIKASVUT Esimerkki glukoosi orgaanisena aineena C6H12O6 6O2 2NH 3 6CO2 6H2O g 6mol 32 mol go 2 COD 1,07 g 1mol 180 g mol glukoosi glukoosi g 2mol113 g Y mol 0, 39 g gcod 3mol 180 1,07 g mol g biomassa COD 17
MIKRO-ORGANISMIT BAKTEERIKASVUT Biomassan kuvaamisessa käytetään tavallisesti haihtuvaa kiintoainetta (VSS) Se on yksinkertainen mitata Analyysi on tehtävissä riittävän nopeasti Se kuitenkin sisältää biomassan sisältämän kuiva-aineen lisäksi myös muun hiukkasmaisen epäpuhtauden MIKRO-ORGANISMIT KASVUKINETIIKKA Liukoisen orgaanisen aineen hajoamisnopeus voidaan määrittää seuraavasti: r su k X S K S k m Y s (7-12) Kun orgaanisen aineen hajoamisnopeus on maksimissaan, myös bakteerikanta kasvaa maksiminopeudella. Edelliset yhdistämällä saadaan (7-13) r su m X S Y K S s (7-15) 18
KINEETTISTEN VAKIOIDEN ARVOJA (Table 8-10) LÄHDE: Tchopanoglous KINEETTISTEN VAKIOIDEN ARVOJA NITRIFIKAATIO LÄHDE: Tchopanoglous 19
MIKRO-ORGANISMIT KASVUKINETIIKKA Yhdyskuntien jätevesissä on ainoastaan 20 50 prosenttia hajoavasta orgaanisesta aineesta tulee liukoisina yhdisteinä Myös teollisuuden jätevesissä voi olla samanlainen tilanne Bakteerit eivät voi käyttää partikkelimuodossa olevaa ainesta sellaisenaan, vaan se täytyy hydrolysoida liukoiseksi ravinnoksi Tämä voi rajoittaa ravinnon hyödyntämistä r sc, P k K p X P / X X P / X (7-20) MIKRO-ORGANISMIT KASVUKINETIIKKA Biomassan kasvunopeus on suoraan verrannollinen ravinnon hyödyntämisnopeuteen ja biomassan hajoaminen suoraan verrannollinen biomassan määrään. k X S rg Y rsu kd X Y kd X K s S (7-22) r g :n yksikkönä on g VSS /m 3 d Jaetaan yhtälö 7-22 biomassan määrällä, biomassan ominaiskasvunopeudeksi saadaan (g VSS /g VSS d) rs k S Y kd X K S s (7-23) 20
MIKRO-ORGANISMIT KASVUKINETIIKKA Hapen hyödyntämisnopeus muuttuu ravinnon hyödyntämisnopeuden ja biomassan hajoamisnopeuden suhteessa. r r 1, 42r r o Xd su f d k d X g (7-24) Mikrobien kuollessa osa solumassasta ei liukene vaan säilyy ei biologisesti hajoavassa muodossa. Sen osuus on noin 10 15 prosenttia solujen kokonaismassasta. Tämän osuuden kasvunopeus on suoraan verrannollinen endogeenisen vaiheen nopeuteen. (7-25) MIKRO-ORGANISMIT KASVUKINETIIKKA Ilmastusaltaan orgaanisen kiintoaineen tuotantonopeus voidaan määrittää biomassan kasvunopeuden yhtälön 7-22, yhtälön 7-25 sekä ilmastusaltaalle tulevan ei-biologisesti hajoavan orgaanisen kiintoaineen summana. X o, i rx T, VSS Y rsu kd X fdkd X Q (7-26) V Lietteen tuotantomäärän laskemiseksi täytyy määrittää tuottokerroin Y OBS. r XT VSS YOBS, rsu (7-29) 21
AKTIIVILIETEPROSESSI keskeiset suunnitteluparametrit Lieteikä (SRT) Kriittisin aktiivilietelaitoksen suunnitteluparametri, joka kertoo kuinka kauan liete keskimäärin viipyy prosessissa Minimilieteikä on vähimmäisvaatimus, jotta mikro-organismit ehtisivät kasvaa ja muodostaa riittävästi populaatiota ilmastusaltaassa. Arvon alittamisesta seuraa, että bakteerit huuhtoutuvat pois ilmastusaltaasta, ennen kuin ne ovat ehtineet toimia riittävästi Vaikuttaa prosessin suorituskykyyn ilmastusaltaan tilavuuteen lietteen tuotantomäärään hapen tarpeeseen BOD-poiston kannalta vaihteluväli 3 5 d lämpötilasta riippuen Nitrifikaation rajoittaminen voi edellyttää arvoa < 1 d Lietekuorma (F/M-suhde) Tilakuorma AKTIIVILIETEPROSESSI Lieteikä ja massatase LÄHDE: Tchopanoglous 22
AKTIIVILIETEPROSESSI Lieteikä ja massatase Biomassan muutosnopeus = sisääntuleva biomassa + ulosvirtaava biomassa + nettokasvu prosessissa dx dt V QX 0 Q Q X Q X r V w Oletetaan sisään prosessiin ei tule biomassaa ja että kyseessä on stationääritila (dx/dt = 0). e w R g (7-32) Q Q X Q X r V w e w R g (7-33) AKTIIVILIETEPROSESSI Lieteikä ja massatase Yhdistetään yhtälö 7-22 yhtälöön 7-33 ja jaetaan biomassan pitoisuudella reaktorissa. Q Qw X e Qw X X V R rsu Y kd X (7-34) Yhtälön (7-34) vasemman puolen käänteisluku on määritetty lieteiäksi (SRT). SRT X V Q Qw X e QwX (7-35) R Määritelmän mukaan lieteikä on järjestelmässä oleva kiintoaine jaettuna siitä päivittäin poistettavalla kiintoaineella. Järjestelmässä oleva kiintoaine kts. kirja s. 581. 23
LIETEIÄN VÄHIMMÄISARVOJA LÄHDE: Tchopanoglous AKTIIVILIETEPROSESSI keskeiset suunnitteluparametrit Lieteikä (SRT) Lietekuorma (F/M-suhde) Ilmoittaa päivittäisen BOD-kuorman ilmastusaltaan kiintoainekiloa kohti Vaikuttaa lietteentuotannon määrään ja laatuun pienellä lietekuormalla syntyvän lietteen määrä on vähäinen ja liete on jo pitkälle mineralisoitunutta F/M-suhde on riippuvainen aktiivilieteprosessin tyypistä. Korkeakuormitteisessa aktiivilietelaitoksessa lietekuorma on korkeampi Tilakuorma 24
AKTIIVILIETEPROSESSI keskeiset suunnitteluparametrit Lieteikä (SRT) Lietekuorma (F/M-suhde) Tilakuorma kg BOD /m 3 d tai kg COD /m 3 d vaihteluväli 0,3 (>) 3 kg BOD /m 3 d suurilla arvoilla tarvitaan tilavuusyksikköä kohden paljon happea AKTIIVILIETEPROSESSI suunnitteluparametrit eri kuormitusasteilla Parametri Yksikkö Korkea Normaali Matala Pitkäilmastus Lietekuorma kg/kg d 0,8-1,5 0,3-0,6 0,1-0,3 0,05-0,1 Lieteikä d 0,6-2 3-5 5-10 10-40 Tilakuorma kg/m 3 d 2,5-4,5 1,0-1,8 0,3-0,9 0,15-0,30 MLSS kg/m 3 2-3 2-3 3-4 4-6 LÄHDE: Isoaho & Valve 1986 25
MIKRO-ORGANISMIT BAKTEERIKASVUT Aktiiviliete on mikro-organismien sekaviljelmä Valtaosa mikrobeista on tullut veden mukana, osa ilmasta Bakteerit ovat aktiivilietteen ylivoimaisesti vallitsevin ryhmä 95 99 % biomassasta on bakteereita Aktiivilieteprosessissa bakteerien kasvun yläraja on normaalisti noin 40 C Suurimmalle osalle optimilämpötila olisi 15 25 C ja ph 5 9 Alle 15 C:een lämpötilassa lietteeseen valikoituu lajeja, jotka sietävät alhaisia lämpötiloja AKTIIVILIETTEEN PERUSKOOSTUMUS Aktiivilietteen peruskoostumus Filamentit (rihmamaisia bakteereita) Indikoivat lietteen laskeutuvuusominaisuuksia Tietty määrä filamentteja on toivottava tila Liian suuri filamenttien määrä Lisää lietteen paisumisriskiä (bulking) Estää flokin laskeutumista Alkueläimet (Protozoa) Flokki Hiutalemaista kiinteää massaa, joka sisältää elävää ja kuollutta bakteerimassaa 26
AKTIIVILIETTEEN PERUSKOOSTUMUS Protozoat Flagellaatit eli siimaeliöt Pienimpiä aktiivilietteestä löytyviä alkueläimiä Indikoivat suurta liukoisen BOD:n määrää Amebat Indikoivat aktiivilietteen heikkoa laatua Ciliaatat eli ripsieläimet (vapaita tai varrellisia) o Varrelliset ripsieläimet kuvastavat hyvää aktiivilietettä Vapaasti liikkuvat ripsieläimet Varrelliset ripsieläimet AKTIIVILIETTEEN PERUSKOOSTUMUS Protozoat Imukat eli suctoriat Metazoat Rotiferat eli rataseläimet Indikoivat korkeaa lieteikää Nematodat (monisoluisia matoja) 27
AKTIIVILIETTEEN PERUSKOOSTUMUS Flokkikomponentit Bakteerit ovat flokin runkomateriaalia Rihmamaiset bakteerit voivat tukea rakennetta Hyvin toimivassa laitoksessa flokkautumatonta materiaalia on mahdollisimman vähän Fungit Protozoat Metazoat Ei-biologiset komponentit MIKRO-ORGANISMIEN ESIINTYMINEN JÄTEVEDESSÄ LIETEIÄN JA KUORMAN FUNKTIONA LÄHDE: Tchopanoglous 28
AKTIIVILIETTEEN PERUSKOOSTUMUS Lyhytikäisen lietteen eliöstö koostuu pääasiassa bakteereista ja alemmista alkueläimistä Vanhassa lietteessä on runsaasti alkueläimiä ja matoja Rihmamaisten organismien johdosta liete voi muuttua kevyeksi ja kuohkeaksi Vaarana lietteen karkaaminen poistoveden mukana Ongelma muodostuu, mikäli rihmamaiset organismit muodostavat valtaosan mikrobeista AKTIIVILIETEPROSESSIN OHJAUS Ilmastusaltaiden liuenneen hapen määrän säätäminen On arvioitu, että 4 mg/l ylittävät happipitoisuudet eivät enää paranna puhdistustulosta vaan aiheuttavat turhaa energiankulutusta Ilmastusaltaan happitasoa voidaan kuitenkin porrastaa ilmastusaltaan lohkojen mukaan siten, että altaan alkupäässä on tarjolla enemmän happea kuin altaan keskiosassa ja loppupäässä Useimmissa tapauksissa happitason laskeminen alle 1 mg/l johtaa rihmaisen bakteeri- ja muun vastaavan kasvuston syntymiseen 29
AKTIIVILIETEPROSESSIN OHJAUS Palautuslietteen määrän säätäminen Tavoitteena on pitää ilmastusaltaan aktiivilietepitoisuus oikean suuruisena, jotta mikrobien toiminta on optimaalisinta. Palautuslietteen määrää voidaan säätää tavoitteellisen MLSS:n perusteella. Tyypillisesti MLSS on välillä 2 8 kg/m 3, mutta se voi vaihdella riippuen puhdistamosta. Ylijäämälietteen säätäminen Ravinteiden syötön arvioiminen Lietettä analysoimalla Ravinteiden puutteen indikaattorina on SVI-indeksin kasvaminen SVI-indeksi Lieteindeksi, eli SVI (Sludge Volume Index), antaa tietoa lietteen laskeutuvuudesta Kertoo tilavuuden, jonka 1 g lietettä vie 30 minuutin laskeutumisajan jälkeen. Ihannetilanteessa palautettavan lietteen määrän suhde jälkiselkeyttimelle tulevan lietteen määrään on yhtä suuri kuin laskeutuneen lietteen tilavuuden suhde laboratorioastian tilavuuteen 30
SVI-indeksi Jos palautettavan lietteen määrä on pienempi kuin laskeutuneen lietteen määrä, kasvaa jälkiselkeyttimen lietekerrostuma kunnes kiintoainetta alkaa karata puhdistetun veden mukana. Voidaan käyttää vaaditun kierrätyssuhteen ja palautuslietteen kiintoainepitoisuuden määrittämiseen Lietteen laskeutuvuus on hyvällä tasolla kun SVI on alle 100 ml/g. Jos SVI on yli 150 ml/g, ei liete laskeudu kunnolla Korkeakuormitteisissa aktiivilietelaitoksissa SVI-indeksi on tyypillisesti korkea Lieteindeksin korkea arvo merkitsee myös suurta lietetilavuutta, koska liete ei ehdi prosessissa mineralisoitua PUHDISTAMON ENERGIANKULUTUS Vesilaitokset kuluttavat Yhdysvalloissa noin 2 prosenttia kaikesta tuotetusta energiasta Tavallisesti energiankäyttö vastaa 30 prosenttia laitosten käyttökustannuksista Laitosten suunnittelu- ja käyttövaiheessa keskitytään yhä enemmän sähkön käytön tehostamiseen ja käsittelykustannusten pienentämiseen Laitosten vuorokautinen sähkönkulutus noudattelee vuorokautista virtauksen ja kuormituksen vaihtelua Edullisen energiahuollon kannalta olisi tärkeää tasoittaa kovimpien kuormitusjaksojen kysyntäpiikkejä 31
SÄHKÖÄ KULUTTAVAT LAITTEET Prosessi tai toiminta Tavallisesti käytetty laitteisto Prosessi tai toiminta Tavallisesti käytetty laitteisto Pumppaus ja esikäsittely Kemikaalinsyöttimet, jäteveden syöttöpumput, välpät, esiilmastimet jne. Kehittyneet teknologiat Nitrifikaation ilmastuksen tarvitsemat kompressorit, pumput (trickling filter), pumput (depth filters), pesuvaiheen puhaltimet ja pumput Primäärikäsittely Sekundäärikäsittely Flokkulaattorit, selkeyttimen käyttölaitteisto, lietepumput Ilmastaminen, mekaaniset ilmastimet, pumput (trickling filter), jakotukit (trickling filter), selkeyttimen käyttölaitteisto, palautus- ja ylijäämälietteen pumput Lietteen käsittely Pumput, jauhimet, tiivistimen käyttölaitteisto, kemikaalin syötin, sekoittimet, ilmastimet, lingot, suotonauhapuristimet jne. PUHDISTAMON ENERGIANKULUTTAJAT Tchopanoglous: Figure 15-24 32
PUHDISTUSMENETELMIEN ENERGIATEHOKKUUS Tchopanoglous: Figure 15-25 TEKNIIKOIDEN VAIKUTUS ENERGIATEHOKKUUTEEN Tchopanoglous: Table 15-24 33
RAVINTEET Lämmin jätevesi tarvitsee vähemmän ravinteita poistettua BOD kiloa kohti Tällä on vaikutusta myös syntyneen lietteen määrään Suurempi osa tuotetusta energiasta kuluu solutoimintojen ylläpitoon Kesäisin ja talvisin tarvitaan omat ravinteiden syöttöohjelmat, mikäli aktiivilietteen lämpötila vaihtelee merkittävästi TYPEN POISTO LÄHDE: Tchopanoglous 34
TYPPI JÄTEVEDESSÄ LÄHDE: Tchopanoglous ORGAANISEN AINEKSEN JA AMMONIUMIN POISTAMISEN HAPENKULUTUS 35
TYPEN POISTO - NITRIFIKAATIO Typen poistoa jätevesistä tarvitaan, jos on huolta vesistöjen rehevöitymisestä pohjavettä täytyy suojella kohonneilta nitraattipitoisuuksilta Lisäksi nitrifikaatiota tarvitaan ammoniumtypen aiheuttamien haittavaikutusten ehkäisemiseksi vastaanottavassa vesistössä Hapen kulutuksen lisääntymiseltä Toksisuudelta kalojen suhteen TYPEN POISTO - NITRIFIKAATIO Anaerobiset autotrofiset bakteerit työskentelevät nitrifikaatioprosessin molemmissa vaiheissa 2NH4 3O2 2NO2 4H 2H 2O 2NO NO 2 O2 2 3 Hapetusreaktio on kokonaisuudessaan NH 4 2O2 NO3 2H H 2O Nitrifikaatiossa happea kuluu 4,57 g O2 /g N 36
TYPEN POISTO - NITRIFIKAATIO LÄHDE: Tchopanoglous TYPEN POISTO - NITRIFIKAATIO Kahden lietteen järjestelmä: kaksi ilmastusallasta ja kaksi selkeytysallasta Ensimmäinen ilmastusallas-selkeytysallas yhdistelmä Lyhyt lieteikä BOD:n ja toksisuuden poisto Jälkimmäinen ilmastusallas-selkeytysallas yhdistelmä Nitrifikaatio Pitkä lieteikä ja viipymä 37
TYPEN POISTO VAIKUTUS ALKALINITEETTIIN Typpikuorman lisäys vaikuttaa myös jäteveden alkaliniteetin säädössä käytettävän kalkin annosteluun. Jäteveden ph tulisi nitrifikaatiovaiheessa olla välillä 7,7 8,5 ja denitrifikaatiovaiheessa välillä 6,5 7,5. Nitrifikaatio kuluttaa jäteveden alkaliniteettia 7,14 g CaCO3 /g N ja denitrifikaatio tuottaa sitä 3,57 g CaCO3 /g N Tämä tarkoittaa, että ilmastusaltaaseen tulee lisätä kalkkia typen poistovaatimusten vuoksi Noin puolet nitrifikaation kuluttamasta alkaliniteetista voidaan korvata denitrifikaation tuottamalla alkaliniteetilla. TYPEN POISTO VAIKUTUS ALKALINITEETTIIN Nitrifikaatiovaiheen aikana jäteveden happipitoisuuden tulee olla riittävä Jäteveden ph tulisi nitrifikaatiovaiheessa olla välillä 7,7 8,5 ja denitrifikaatiovaiheessa välillä 6,5 7,5. Raskasmetalleista nikkelin, kromin ja kuparin on todettu aiheuttavan nitrifikaatioreaktioissa inhiboitumista. 38
TYPEN POISTO - DENITRIFIKAATIO Biologisesti hajoavan orgaanisen aineen denitrifikaatio-prosessissa nitraatti toimii elektronin vastaanottajana hapen sijaan C10H19O3N 10NO3 5N 2 10CO2 3H 2O NH 3 10 OH Tarvittavan orgaanisen aineksen määrä biologisen hapenkulutuksena ilmaistuna on 3-5 g BOD7 /g N. TYPEN POISTO - DENITRIFIKAATIO Denitrifioivatbakteerit ovat heterotrofisiaeli tarvitsevat ulkopuolisen hiililähteen Riittävän prosessinopeuden varmistamiseksi prosessiin lisätään usein metanolia hiilenlähteeksi 5CH 3OH 6NO3 3N2 5CO2 7H 2O 6 Typen määrän lisääntyminen suhteessa biologiseen hapenkulutukseen vähentää typpimäärää kohden käytettävissä olevaa orgaanisen aineksen määrää ilmastusaltaassa Jotta ilmastusaltaassa olisi denitrifikaatioreaktioihin riittävästi orgaanista ainetta, voidaan osa jätevedestä ohjata esiselkeyttimen ohi suoraan ilmastusaltaalle OH 39
TYPEN POISTO - DENITRIFIKAATIO LÄHDE: Tchopanoglous KEHITTYNEET PUHDISTUSTEKNOLOGIAT Tarve kehittyneisiin puhdistusteknologioihin perustuu erotustehokkuuden parantamiseen seuraavissa ryhmissä Epäorgaaninen ja orgaaninen kolloidinen ja suspendoitunut kiintoaine Liuennut orgaaninen aines Liuennut epäorgaaninen aines Biologiset jäännökset Katso soveltuvat menetelmät kurssikirja taulukko 11-2 40
SUODATUSMENETELMÄT ORGAANISELLE JA EPÄORGAANISELLE KOLLOIDISELLE JA SUSPENDOITUNEELLE KIINTOAINEELLE LÄHDE: Tchopanoglous Figure 11-2 DEPTH FILTRATION SURFACE FILTRATION LÄHDE: Tchopanoglous Figure 11-3 41
YHTEENVETO Biologisen prosessin valinnalla on välillistä vaikutusta puhdistamon energiantaseeseen Ilmastuksen energian tarpeeseen Jäähdytystarpeeseen Biokaasun tuotantomääriin Biologisilla prosesseilla on paljon vaikutusta myös jätemääriin Raja-arvojen saavuttaminen yhdellä biologisella menetelmällä ei välttämättä tuota optimaalisinta ratkaisua 42