KALKKIKIVIALKALOINTI. opas veden syövyttävyyden vähentämiseksi

KALKKIKIVIALKALOINTI opas veden syövyttävyyden vähentämiseksi

KALKKIKIVIALKALOINTI opas veden syövyttävyyden vähentämiseksi Vesi- ja viemärilaitosyhdistys Helsinki 2002

Julkaisun myynti: Vesi- ja viemärilaitosyhdistys Ratavartijankatu 2A 00520 HELSINKI puh. (09) 868 9010 fax. (09) 148 4750 sähköposti vvy@vvy.fi kotisivu http://www.vvy.fi ISBN 952-5000-35-4 Copy-Set, Helsinki 2002

SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO...1 2 VEDEN ALKALOINTITARVE...3 3 VEDEN ALKALOINTIMENETELMÄT...3 3.1 Alkalointimenetelmät ja niiden vaikutus veden laatuun...3 3.2 Kalkkikiven ja hiilidioksidin reaktiotasapaino...5 3.3 Kalkkikiven saostuminen verkostossa...7 3.4 Veden alkalointi ilmastamalla...7 4 KORROOSION ESTÄMINEN...8 4.1 Yleistä...8 4.2 Vedenlaatusuositukset korroosion vähentämiseksi...8 4.3 Kalkkikivialkaloinnin vaikutus veden syövyttävyyteen...9 5 KALKKIKIVIROUHEET JA NIIDEN OMINAISUUDET...10 5.1 Kalkkikiven syntyhistoria ja esiintyminen...10 5.2 Karbonaattikivilajien nimeäminen ja alkalointiominaisuudet...10 5.3 Raekoko...11 6 KALKKIKIVIALKALOINNIN TOTEUTUS...13 6.1 Suositeltava veden laatu...13 6.2 Raudan ja mangaanin poistuminen...13 6.3 Kalkkikivisuodatuksen toteutus...14 6.3.1 Veden virtaussuunta...14 6.3.2 Huuhtelu...16 6.3.3 Kattaminen...17 6.3.4 Rakenteet ja materiaalit...17 6.3.5 Kalkkikivisuodattimen mitoitus...17 6.3.6 Pilot-kokeet...18 6.4 Tulevaisuus...20 7 MIKROBIOLOGISEN LAADUN HALLINTA...22 7.1 Käsitteet...22 7.2 Ulosteperäinen saastuminen...22 7.3 Suodattimessa tapahtuva mikrobikasvu...22 7.4 Suodattimen desinfiointi...23 7.4.1 Yleistä...23 7.4.2 Kuuman höyryn käyttö...23 7.4.3 Desinfiointi kloorilla...24 KIRJALLISUUS...26

1 1 JOHDANTO Ensimmäiset kalkkikivialkalointia käyttävät laitokset rakennettiin maahamme 1980- luvulla. Menetelmän leviäminen oli aluksi hidasta, sillä 1990-luvun alussa kalkkikivialkalointi oli toteutettu alle kymmeneen kohteeseen. Mielenkiinto menetelmää kohtaan kuitenkin kasvoi pioneerilaitosten positiivisten käyttökokemusten myötä. Kalkkikivialkalointi löikin itsensä lopullisesti läpi 1990-luvun aikana. Vuonna 2000 kalkkikivialkalointia käytettiin yli 100 vedenottamolla. Kalkkikivialkaloinnin suosio lisääntyi voimakkaasti etenkin pienten vesilaitosten keskuudessa. Kalkkikivialkaloinnin suosio perustuu paljolti menetelmän turvallisuuteen, helppohoitoisuuteen ja toimintavarmuuteen. Kalkkikivialkaloinnissa ei ole yliannostuksen vaaraa, eikä veden ph tästä syystä voi nousta tasolle, joka vaarantaisi vesilaitoksen käyttäjien terveyden. Lisäksi käsitellyn veden suhteellisen tasainen ph miellyttää etenkin osaa teollisuusliittyjistä. Menetelmän haittana on korkea investointikustannus kilpaileviin menetelmiin lähinnä lipeään ja soodaan verrattuna. Kalkkikivialkaloinnin käyttökustannukset ovat kuitenkin edulliset. Myös turvallisuus sekä toimintavarmuus ovat kilpaileviin menetelmiin verrattuna omaa luokkaansa. Lisäksi kalkkikivialkalointi lisää veden kovuutta toisin kuin alkalointi lipeällä tai soodalla. Kalkkikivialkaloinnissa käytettävien suodatusjärjestelmien kehittyminen on tapahtunut paljolti yrityksen ja erehdyksen kautta. Lisäksi on esiintynyt jonkin verran epätietoisuutta menetelmän alkalointivaikutuksen riittävyydestä verkostomateriaalien korroosioneston kannalta sekä vaikutuksesta veden mikrobiologiseen laatuun. Vuonna 2000 käynnistyi Tekesin Vesihuolto 2001 -teknologiaohjelmassa Kalkkikivialkalointi-projekti, jonka tarkoituksena oli kehittää kalkkikivialkalointia ja siten lisätä vesilaitosten valmiuksia tämän uuden teknologian käyttöönottoon. Projektin päärahoittajana ja koordinoijana toimi Nordkalk Oyj Abp. Kalkkikivialkalointi-projekti koostui neljästä eri osasta. Osaprojektissa 1 kartoitettiin kalkkikivialkaloinnin nykytilanne ja siitä vastasivat Suomen ympäristökeskus ja Länsi-Suomen ympäristökeskus. Suomen ympäristökeskus kartoitti koko maan tilanteen kyselytutkimuksen avulla. Länsi-Suomen ympäristökeskus puolestaan teki alueellaan yksityiskohtaisen selvityksen kalkkikivialkaloinnin toteutusratkaisuista. Osaprojektissa 2 Teknillisen korkeakoulun korroosion ja materiaalikemian laboratorio tutki kalkkikivialkaloinnin riittävyyttä verkostokorroosion eston kannalta. Osaprojekti 3 oli laajin ja siinä keskityttiin viipymän ja veden laadun optimointiin. Tässä osaprojektissa Nordkalk Oyj Abp kehitti mm. testimenetelmän alkalointirouheiden alkalointitehokkuuksien määrittämiseen. Nordkalk Oyj Abp laati myös matemaattisen mallin kalkkikivisuodatuksen eri parametrien ja veden ominaisuuksien keskinäisestä riippuvuudesta käyttäen hyväksi mm. projektissa saatuja koetuloksia. Teknillisen korkeakoulun vesihuoltotekniikan laboratorio puolestaan selvitti kalkkikivirouheen desinfiointiin ja mikrobikasvuun liittyviä kysymyksiä. Lisäksi kyseisessä osaprojektissa PSV-Maa ja Vesi Oy kehitti perinteistä suodatusta kompaktimpaa ja tehokkaampaa alkalointimenetelmää.

2 Tämän oppaan laatiminen on Kalkkikivialkalointi-projektin osaprojekti 4. Oppaan tarkoituksena on koota tutkimusprojektin keskeiset tulokset ja muu menetelmään liittyvä tietämys yksiin kansiin ja siten edistää menetelmän soveltamista ja jatkokehitystä. Opas on suunnattu kaikille kalkkikivialkaloinnista tietoa haluaville, kuten käyttöhenkilöstölle, suunnittelijoille ja viranomaisille. Lukemisen helpottamiseksi opastekstissä ei erikseen referoida alkuperäistä tutkimusta, vaan kirjoittamisessa käytetyt tutkimusraportit on listattu oppaan loppuun. Oppaan on laatinut Maa ja Vesi Oy vastuuhenkilönään TkL Jukka Meriluoto.

3 2 VEDEN ALKALOINTITARVE Verkostokorroosiolla on jo kauan tiedetty olevan haitallisia vaikutuksia vedenjakelujärjestelmälle ja sen toiminnalle. Kustannuksiltaan merkittävin verkostokorroosion vaikutus on verkostomateriaalien käyttöiän pieneneminen vesihuoltolaitoksen ja kiinteistöjen verkostoissa. Verkostokorroosion vaikutuksesta saneeraustarve kasvaa. Pinnoittamattomissa teräs- ja valurautaputkissa esiintyvä korroosio aiheuttaa lisäksi kovien saostumien syntymisen putken sisäpinnalle, mikä pienentää putken virtauskapasiteettia ja lisää siten pumppausten energiakustannuksia. Verkostokorroosiolla on haitallinen vaikutus myös veden laatuun. Metalliputkien yleisen syöpymisen johdosta veteen voi joutua rautaa tai kiinteistöjen sisäisissä verkostoissa kuparipitoisuudet voivat kohota. Verkostokorroosion on todettu lisäävän myös verkostossa tapahtuvaa mikrobiologista toimintaa, jonka seurauksena veteen voi tulla haju- ja makuhäiriöitä. Lisäksi pistekorroosio voi aiheuttaa vuotoja, mutta harvemmin vaikuttaa merkittävästi veden laatuun. Korroosionesto on jo useita vuosia otettu huomioon talousveden laatuvaatimuksissa. Talousvedelle asetettuna yleisenä vaatimuksena on ollut, että vesi ei saa aiheuttaa haitallista syöpymistä. Vaatimuksen tarkoituksena on ollut ehkäistä verkostomateriaalien yleisestä syöpymisestä aiheutuva mahdollinen terveyshaitta ja turvata veden tekninen käyttökelpoisuus. Veden ph-arvolle on annettu suositus, jota ei tule alittaa. Nykyisin korroosiokysymys tulee välillisesti esiin myös kuparille, lyijylle ja nikkelille asetettujen terveysperusteisten laatuvaatimusten kautta. Suomen pohja- ja pintavedet ovat luonnostaan metallisia materiaaleja syövyttäviä happamuutensa (alhainen ph) ja pehmeytensä vuoksi. Verkostokorroosion vaikutuksia voidaan vähentää seuraavin keinoin: Uusia kiinteistöjä rakennettaessa tai vanhoja saneerattaessa kiinteistön omistaja/rakennuttaja selvittää käytettävien materiaalien soveltuvuuden kyseiselle vedelle. Materiaalitoimittajat antavat tietoa veden laadun käyttöalueista, joille heidän tuotteensa soveltuvat. Vesihuoltolaitos vähentää veden syövyttävyyttä asianmukaisella käsittelyllä, kuten kalkkikivialkaloinnilla. Tässä oppaassa käsitellään vesihuoltolaitoksen mahdollisuuksia verkostokorroosion vaikutusten vähentämiseksi. On kuitenkin huomattava, että veden ominaisuudet vaikuttavat eri materiaaleihin eri tavalla. Korroosion kannalta paras mahdollinen vedenlaatu on jokaiselle materiaalille jossain määrin erilainen. 3 VEDEN ALKALOINTIMENETELMÄT 3.1 Alkalointimenetelmät ja niiden vaikutus veden laatuun Veden hiilidioksidipitoisuudella on alkaloinnissa keskeinen rooli. Veden kokonaishiilidioksidipitoisuus koostuu vapaasta hiilidioksidista (CO 2 ) sekä sidotusta hiilidioksidista. Sidotulla hiilidioksidilla tarkoitetaan veden sisältämän bikarbonaatin (HCO 3 - ) ja

4 karbonaatin (CO 3 2- ) kokonaismäärää. Veden ph määrittelee hiilidioksidin, bikarbonaatin ja karbonaatin suhteelliset osuudet vedessä (kuva 1). Veden alkaliteetilla tarkoitetaan veden kykyä vastustaa ph-muutoksia. Talousveden alkaliteetti on käytännössä seurausta veden sisältämästä bikarbonaattipitoisuudesta, joka on vallitsevin karbonaattimuoto talousveden ph-alueella. 1 0,9 0,8 Hiilidioksidi Bikarbonaatti Karbonaatti 0,7 Suhteellinen osuus 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Veden ph Kuva 1. Veden vapaan hiilidioksidin, bikarbonaatin ja karbonaatin suhteellisten osuuksien riippuvuus veden ph-arvosta. Esimerkiksi veden ph:n ollessa 7,0 veden kokonaishiilidioksidipitoisuudesta noin 75 % on bikarbonaattina ja 25 % hiilidioksidina. Veden ph:n ollessa 9,0 veden kokonaishiilidioksidipitoisuudesta noin 95 % on bikarbonaattina ja 5 % karbonaattina. Veden alkalointi toteutetaan yleensä lisäämällä veteen emästä eli ns. alkalointikemikaalia. Emäs alkaa neutraloida veden sisältämää hiilidioksidia bikarbonaatiksi. Samalla nousee veden ph ja kalkkipohjaisissa menetelmissä kalsiumpitoisuuden kohoamisen seurauksena myös kovuus. Alkaloinnissa on vesilaitoksilla ollut yleisesti käytössä seuraavat kemikaalit: lipeä (natriumhydroksidi) sammutettu kalkki (kalsiumhydroksidi) poltettu kalkki (kalsiumoksidi) sooda (natriumkarbonaatti) kalkkikivi (kalsiumkarbonaatti) Kun tyypillistä suomalaista pehmeää ja hapanta pohjavettä (ph noin 6,0 6,5) alkaloidaan, alkaa veden vapaa hiilidioksidi sitoutua bikarbonaatiksi. Kun ph on noin 8,3, veden vapaa hiilidioksidi on käytännössä täysin muuttunut bikarbonaatiksi. Reaktioyhtälöt eri alkalointimenetelmillä ovat:

5 Lipeä: NaOH + CO2 Na+ + HCO3- (1) Kalkki: Ca(OH) 2 + 2CO 2 Ca 2+ - + 2HCO 3 (2) Sooda: Na 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O 2Na + - + 2HCO 3 (3) Kalkkikivi: CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Ca 2+ - + 2HCO 3 (4) Veden ph:n ylittäessä 8,3 alkaa bikarbonaatista muodostua karbonaattia (vrt. kuva 1). Veden kalsiumpitoisuuden ja alkaliteetin muutos voidaan laskea kaavojen 1 4 avulla (taulukko 1). Taulukko 1. Kalsiumpitoisuuden (kovuuden) ja alkaliteetin kohoaminen (mmol/l) eri alkalointimenetelmillä, kun veden ph nousee arvoon 8,3. CO 2 = veden hiilidioksidipitoisuus (mg/l) [hiilidioksidin moolimassa = 44 g/mol] Alkalointimenetelmä Kalsiumpitoisuuden nousu (mmol/l) Alkaliteetin nousu (mmol/l) Lipeä 0 CO 2 [mg/l]/44 Kalkki CO 2 [mg/l]/88 CO 2 [mg/l]/44 Sooda 0 CO 2 [mg/l]/22 Kalkkikivi CO 2 [mg/l]/44 CO 2 [mg/l]/22 Kaavojen 1 4 ja taulukon 1 perusteella voidaan todeta, että kalkkikivi nostaa eniten kalsiumpitoisuutta ja alkaliteettia neutraloitua hiilidioksidipitoisuutta kohti. Kalkkikivellä saadaan lisättyä kaksinkertainen määrä alkaliteettia lipeään ja kalkkiin verrattuna. Lisäksi kalkkikivi nostaa kalsiumpitoisuutta kaksi kertaa enemmän kuin kalkki. Sooda ja lipeä eivät kalsiumpitoisuutta kohota. 3.2 Kalkkikiven ja hiilidioksidin reaktiotasapaino Alkaloinnissa käytettävä kalkkikivi on kalsiumkarbonaattia. Vedessä kalsiumkarbonaatti reagoi hiilidioksidin kanssa seuraavasti: CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Ca 2+ + 2HCO 3 - (5) Kalsiumkarbonaattia liukenee, kun reaktio etenee vasemmalta oikealle. Tällöin veden kalsium- ja bikarbonaattipitoisuus nousee ja hiilidioksidipitoisuus laskee. Kalsiumkarbonaattia saostuu, kun reaktio etenee oikealta vasemmalle. Veden kalsium- ja bikarbonaattipitoisuudet pienenevät. Tasapainotilanteessa liukeneminen ja saostuminen tapahtuvat yhtä nopeasti ja vesi on kalkki-hiilidioksiditasapainossa. Kalkkikivialkalointi on turvallista edellä mainitun reaktiotasapainon ansiosta. Alkaloitavan veden reaktio kalkkikiven kanssa etenee reaktiotasapainon saavuttamiseen asti, jolloin ph nousee vain kalkki-hiilidioksiditasapainon edellyttämään arvoon. Kalkki-hiilidioksiditasapainon mukainen ph-arvo merkitään usein alaindeksillä s (ts. ph s ). Teoreettisen ph-arvon nousun ylärajan voi laskea arvioimalla kalsiumkarbonaatin reaktion tislatun veden kanssa. Lisättäessä kalsiumkarbonaattia tislattuun veteen (25 o C), joka ei sisällä hiilidioksidia, muodostuu tasapainotilanteessa ph:ksi noin 10. Luonnonvesiä alkaloitaessa ph jää pienemmäksi, sillä ne sisältävät aina jonkin verran hiilidioksidia sekä liukenemisreaktion etenemistä puskuroivaa kalsiumia ja alkaliteettia. Ylialkaloitumisen vaaraa muiden kemiallisten alkalointimenetelmien lailla ei ole.

6 Kalsiumkarbonaattia liuottavan vapaan hiilidioksidin osuutta kutsutaan aggressiiviseksi hiilidioksidiksi. Sitä vapaan hiilidioksidin osuutta, joka veteen jää jäljelle tasapainotilassa, kutsutaan kalkki-hiilidioksiditasapainoon kuuluvaksi hiilidioksidiksi. Jälkimmäistä ei pystytä kalkkikivialkaloinnilla neutraloimaan. Asiaa on havainnollistettu kuvassa 2. Kokonaishiilidioksidi Sidottu hiilidioksidi Vapaa hiilidioksidi (CO 2 ) CO 3 2- HCO 3 - Kalsiumkarbonaatin ja hiilidioksidin tasapainoon kuuluva hiilidioksidi Aggressiivinen hiilidioksidi (voidaan poistaa kalkkikivisuodatuksella) Kuva 2. Veden kokonaishiilidioksidin jakautuminen eri osiin. Kalkkikivisuodatus poistaa vain aggressiivisen hiilidioksidin osuuden veden vapaasta hiilidioksidista. Kalkkikivialkaloinnissa veteen voi enimmillään liueta kalsiumkarbonaattia määrä, joka riippuu veden lämpötilasta, hiilidioksidipitoisuudesta sekä kalsium- ja bikarbonaattipitoisuudesta. Kalkkikivialkaloinnin kannalta tällä on kolme tärkeää seurausta: 1) Jos vesi on pehmeää ja sen hiilidioksidipitoisuus on pieni ja vesi viipyy kalkkikivisuodattimessa riittävän kauan, raakaveden vapaa hiilidioksidi muuttuu käytännössä täysin bikarbonaatiksi. Tällöin veden ph voi ylittää arvon 8,3, eikä vedessä ole normaalimenetelmin mitattavia määriä vapaata hiilidioksidia. Raakaveden sisältämä hiilidioksidi on tällöin ollut käytännössä kokonaan aggressiivista eli kalkkikiveä liuottavaa. 2) Kovassa vedessä kalsium- ja bikarbonaattipitoisuudet ovat korkeita ja veden vapaa hiilidioksidi neutraloituu vain osittain bikarbonaatiksi, koska raakaveden sisältämä bikarbonaatti puskuroi ph-muutoksia. Tällöin veden ph jää tasapainotilanteessa alle 8,3 ja veteen jää mitattavia määriä kalkki-hiilidioksiditasapainoon kuuluvaa vapaata hiilidioksidia. Jos alkaloitava vesi on kovaa ja lähellä kalkki-hiilidioksiditasapainoa, veden laatua (ph, alkaliteetti, kovuus) ei kalkkikivialkaloinnilla voida käytännössä muuttaa. 3) Jos vesi on pehmeää, mutta sen hiilidioksidipitoisuus ennen alkalointia on erittäin suuri, voivat kalsium- ja bikarbonaattipitoisuudet kohota kalsiumkarbonaatin liukenemisen seurauksena niin suuriksi, että reaktiotasapainossa ph jää alle 8,3. Myös tällöin veteen jää mitattavia määriä kalkki-hiilidioksiditasapainoon kuuluvaa vapaata hiilidioksidia.

7 Käytännössä kalkkikivialkaloinnissa kalsiumkarbonaatin liukeneminen hidastuu tasapainotilan lähellä niin paljon, että veden ph jää jonkin verran alle tasapainotilan arvon (ts. ph < ph s ). Mitä pienempi kalkkikiven raekoko on ja mitä pidempi on viipymä, sitä lähemmäs tasapainotilan ph-arvoa alkaloinnissa kuitenkin päästään. 3.3 Kalkkikiven saostuminen verkostossa Vettä alkaloitaessa voivat kalsium- ja bikarbonaattipitoisuudet kohota tasolle, jossa vedestä alkaa saostua kalsiumkarbonaattia (eli kalkkikiveä). Teoreettisesti kalsiumkarbonaatin saostumispotentiaalia kuvataan ns. Langelierin kyllästymisindeksin (LSI) avulla. Kalsiumkarbonaattia voi saostua, jos indeksin arvo on positiivinen (LSI > 0). Jos indeksin arvo on negatiivinen (LSI < 0), vesi on aggressiivista eli kalsiumkarbonaattia liuottavaa. Vähän suoloja sisältävässä pehmeässä vedessä (25 C) kyllästymisindeksin arvo voidaan laskea likimäärin kaavojen 6-7 avulla. LSI = ph ph s (6) ph s = 2,34 + log 10 [Ca 2+ ] + log 10 [HCO - 3] (7) ph ph s [Ca 2+ ] [HCO - 3] = mitattu ph arvo (mittaus standardin mukaan 25 C vedessä) = kalkki-hiilidioksitasapainon mukainen ph-arvo = kalsiumpitoisuus (mol/l) = bikarbonaattipitoisuus (mol/l) Veden lämpötila vaikuttaa voimakkaasti kalsiumkarbonaatin (kalkkikiven) saostumiseen. Kalsiumkarbonaatti liukenee paremmin kylmään kuin lämpimään veteen. Suomen Kuntaliiton ja VVY:n (1993) alkalointia koskevissa ohjeissa on suositeltu, että käsittelystä lähtevästä kylmästä vedestä ei saostu kalsiumkarbonaattia. Riittävän korroosioeston varmistamiseksi veden laatua suositellaan kuitenkin muutettavan alkaloinnissa siten, että kalkkikiveä saostuu vettä lämmitettäessä. Näin ollen lämminvesilaitteiden kalkkikivisaostumat ovat veden alkaloinnin väistämätön ja luonnollinen seuraus. Monissa Keski- ja Etelä-Euroopan maissa pyritään kylmässäkin vedessä kalsiumkarbonaatin suhteen ylikylläiseen veteen. Tällöin kalkkikiveä voi saostua myös kylmästä vedestä. 3.4 Veden alkalointi ilmastamalla Veden ph-arvoa voidaan nostaa myös ilmastamalla. Ilmastuksessa liuenneena oleva vapaa hiilidioksidi siirtyy ilmafaasiin. Kalsiumkarbonaattia ei saostu eli kovuus ja alkaliteetti eivät muutu edellyttäen, että ilmastuksen jälkeen ph on pienempi kuin kalkkihiilidioksiditasapainon edellyttämä ph (eli ph s ). Ilmastus sopii erityisesti keskikovien vesien käsittelyyn, mutta myös pehmeiden vesien hiilidioksidipitoisuuden vähentämiseen ennen kalkkikivialkalointia, kun raakavedessä on liikaa hiilidioksidia.

8 4 KORROOSION ESTÄMINEN 4.1 Yleistä Vesi on aina jossain määrin syövyttävää eli käsittelyllä veden syövyttäviä ominaisuuksia ei voida täysin poistaa. Vedenkäsittelyn tavoitteena on luoda verkostoon olosuhteet, joissa syöpyvät materiaalit passivoituvat. Tällä tarkoitetaan sitä, että korroosiotuotteet muodostavat materiaalien pinnoille tiiviin, korroosiota hidastavan kerroksen. 4.2 Vedenlaatusuositukset korroosion vähentämiseksi Passivoinnin ja sitä kautta verkostokorroosion hallinnan edellyttämä veden laatu vaihtelee eri verkostomateriaaleilla. Vedenkäsittelyn avulla ei voida käytännössä saavuttaa kaikkien verkostomateriaalien kannalta optimitilannetta. Alkaloinnilla pyritäänkin saamaan veden laatu sellaiseksi, että verkostokorroosio on taloudelliset resurssit huomioon ottaen riittävän vähäistä. Verkostokorroosion hallitsemiseksi on annettu useita erilaisia suosituksia veden laadusta (taulukko 2). Taulukko 2. Veden laatusuosituksia korroosion vähentämiseksi. Muuttuja Suomi Suomi Ruotsi Norja (VVY 2000) (Sitra 1980) ph yli 7,5 yli 8,3 7,5 9,0 7,5 8,5 Alkaliteetti (mmol/l) yli 0,6 yli 0,6 yli 1,0 0,6 1,0 Kalsium (mg/l) yli 10 20 60 15 25 Kloridit (mg/l) alle 50 alle 100 Sulfaatit (mg/l) alle 100 alle 100 KMnO 4 (mg/l) alle 20 alle 8,0 Korroosioindeksi * yli 1,5 * Korroosioindeksi = alkaliteetti [mmol/l]/(kloridi [mg/l]/35,5 + sulfaatti [mg/l]/48) Verrattaessa eri laatusuosituksia keskenään voidaan todeta: Veden ph:ksi suositellaan vähintään 7,5 lukuun ottamatta Sitran (1980) raportissa annettua suositusta, joka on selvästi korkeampi (vähintään 8,3). Alkaliteetin suhteen laatusuositukset ovat Suomessa ja Norjassa varsin yhdenmukaisia, mutta kalsiumpitoisuudessa Ruotsissa tavoitellaan jonkin verran korkeampaa arvoa. VVY:n (2000) talousvesiasetuksen soveltamisoppaassa esitetty korroosioindeksi antaa kloridi- ja sulfaattipitoisuuksille erittäin tiukan tavoitteen. Korroosioindeksin arvo ylittyy tavanomaisella suomalaisella talousvedellä (alkaliteetti noin 1,0 mmol/l), jos sulfaatti- ja kloridipitoisuuksien summa on noin 30 mg/l. Talousveden laatuvaatimuksissa (STMa 461/2000) kloridipitoisuuden ja sulfaattipitoisuuden suositellaan olevan alle 250 mg/l. Asetuksessa on kuitenkin annettu kansallisella tasolla pyrkimys tavoitella alempia arvoja (kloridipitoisuus alle 25 mg/l ja sulfaattipitoisuus alle 150 mg/l).

9 Talousvesi ei ole välttämättä haitallisesti syövyttävää, vaikka vesi ei täyttäisikään annettuja suosituksia. Tällöin on kuitenkin syytä harkita verkostomateriaalien korroosion seurannan lisäämistä. 4.3 Kalkkikivialkaloinnin vaikutus veden syövyttävyyteen Kalkkikivialkalointi nostaa muihin alkalointimenetelmiin verrattuna eniten sekä kovuutta että alkaliteettia neutraloitua hiilidioksidipitoisuutta kohden. Asiaa on tarkasteltu taulukossa 3, johon on laskettu tyypillisen suomalaisen pohjaveden laatu, kun vettä on alkaloitu eri menetelmillä. Taulukko 3. Saavutettavissa oleva veden laatu eri alkalointimenetelmillä. Raakavesi kuvaa veden laatua ennen alkalointia. Raakavesi Kalkkikivi Lipeä Sooda Kalkki ph 6,4 8,3* yli 8,3 Yli 8,3 yli 8,3 Hiilidioksidi (mg/l) 15 0 0 0 0 Alkaliteetti 0,34 1,0 0,7 1,0 0,7 (mmol/l) Kalsium (mg/l) 10 24 10 10 17 Kloridi (mg/l) 8 8 8 8 8 Sulfaatti (mg/l) 16 16 16 16 16 Korroosioindeksi 0,6 1,8 1,3 1,8 1,3 * ph riippuu käytännössä suodattimen mitoituksesta (viipymästä) ja kalkkikivirouheen raekokojakaumasta Kalkkikivialkaloinnilla ei yleensä saavuteta ph-arvoa 8,3, vaan ph jää tavallisesti tasolle 7,5 8,0. Tällöin myös alkaliteetti ja kovuus jäävät jonkin verran pienemmiksi kuin mitä esim. taulukossa 3 mainitussa esimerkissä on esitetty. Käytännössä vaikutus kovuuteen ja alkaliteettiin kyseisellä ph-vaihtelulla on kuitenkin pieni (alle 10 %) (vrt. kuva 1). Kalkkikivialkaloinnin vaikutusta verkostomateriaalien korroosioon on tutkittu sekä laboratorio- että kenttämittakaavassa. Tulosten perusteella voidaan tehdä seuraavat johtopäätökset: Kalkkikivialkaloidussa vedessä korroosio-ominaisuudet vaihtelevat vain vähän, mikä näkyy ph:n tasaisuutena. Korroosion suhteen olosuhteet pysyvät stabiileina, mikä parantaa passivoivan suojakerroksen tiiviyttä. Veden ph:lle annettu suositus (yli 7,5) on riittävä vähentämään verkostomateriaalien yleistä korroosiota. Kalkkikivialkaloinnissa tulisi tavoitella suosituksen mukaista ph-arvoa (yli 7,5), jotta muutokset veden alkaliteettiin ja kovuuteen ja sitä kautta korroosiota vähentäviin ominaisuuksiin olisivat mahdollisimman suuret.

10 5 KALKKIKIVIROUHEET JA NIIDEN OMINAISUUDET 5.1 Kalkkikiven syntyhistoria ja esiintyminen Kaikki kalkkituotteet ovat peräisin kalkkikivestä tai dolomiittikivestä. Ne ovat kalsium- ja magnesiumkarbonaattipitoisia kivilajeja, joita esiintyy runsaasti eri puolilla maapalloa. Skandinavian peruskallioalueella niitä esiintyy kuitenkin rajoitetusti. Suomessa esiintyy muutamia hyödynnettävissä olevia kalkkikiviesiintymiä, näistä tunnetuimpia lienevät Paraisten, Lappeenrannan ja Lohjan esiintymät. Kalkkikivi on muodostunut esihistoriallisena aikana eläneiden vesieliöiden (mm. korallit, simpukat) tukirangoista ja kuorista satoja miljoonia vuosia kestävissä geologisissa prosesseissa. Suomen kalkkikiviesiintymät ovat vanhoja ja ne ovat muodostuneet noin 1 2 miljardia vuotta sitten, mutta esim. Ruotsista löytyy alle 100 miljoonan vuoden ikäisiä esiintymiä. Eri esiintymien syntyhistoria ja muodostumisolosuhteet ovat voineet erota paljonkin toisistaan. Tästä syystä kalkkikiven kemiallinen koostumus ja liukoisuus eli reaktionopeus hiilidioksidin kanssa voivat vaihdella riippuen kalkkikiven alkuperästä. Alkaloinnissa käytettävä kalkkikivirouhe ei ole kokonaan kalsiumkarbonaattia, vaan se sisältää jonkin verran myös muita yhdisteitä. Kalkkikivirouheen kalsiumkarbonaattipitoisuus on tyypillisesti yli 92 %. Raskasmetallien pitoisuudet ovat erittäin alhaiset. Talousveden laatuvaatimukset (STMa 461/2000) edellyttävät, että vedenkäsittelyssä käytettävien aineiden on täytettävä vähintään SFS-EN standardien mukaiset vaatimukset. Juomaveden valmistuksessa käytettävän kalkkikiven onkin täytettävä standardin SFS-EN 1018 (Chemicals used for treatment of water intended for human consumption. Calcium carbonate) vaatimukset. Alkalointirouheiden laatu tulee selvittää standardin SFS-EN 12485 (Chemicals used for treatment of water intended for human consumption. Calcium carbonate, high-calcium lime and half-burned dolomite. Test methods) mukaisesti. 5.2 Karbonaattikivilajien nimeäminen ja alkalointiominaisuudet Eri karbonaattikivilajit luokitellaan niiden sisältämän magnesiumpitoisuuden (Mg) perusteella. Koska magnesiumpitoisuus määritetään tavallisesti magnesiumoksidina (MgO), eri kivilajit jaotellaan seuraavasti: kalkkikivi (kalsiumkarbonaatti), MgO-pitoisuuus < 2% dolomiittinen kalkkikivi, MgO-pitoisuus 2 9 % dolomiitti, MgO-pitoisuus > 9 % Dolomiitin käyttöön veden alkaloinnissa on esiintynyt jonkin verran mielenkiintoa. Dolomiittialkalointi ei nosta yhtä paljon veden kalsiumpitoisuutta kuin kalkkikivialkalointi, mikä pienentää kalkkikiven saostumisriskiä kiinteistöjen lämminvesilaitteisiin. Testatut dolomiittierät eivät kuitenkaan reagoi hiilidioksidin kanssa yhtä nopeasti kuin kalkkikivi, vaan dolomiitin liukenemisnopeus veteen on selvästi kalkkikiveä pienempi (kuva 3). Alkalointi dolomiittisuodattimella edellyttää siten selvästi suurempaa suodatintilavuutta kuin kalkkikivialkalointi.

11 8 7,8 Ka 2-4 Do 2-4 7,6 7,4 ph 7,2 7 6,8 6,6 6,4 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Tehollinen viipymä (min) Kuva 3. Esimerkki kalkkikiven ja dolomiitin alkalointitehosta. Ka 2-4 = kalkkikivi raekoko 2-4 mm, Do 2-4 = dolomiitti raekoko 2-4 mm. Tehollinen viipymä = veden kontaktiaika rouheen kanssa (min). Markkinoilla esiintyy myös puolipoltettuja alkalointimassoja. Ne on valmistettu dolomiitista lämpökäsittelyn avulla ja käyttäytyvät alkaloinnissa eri tavalla kuin luonnon kalkkikivi tai dolomiitti. Puolipoltettujen alkalointimassojen on toisinaan todettu nostavan veden ph:n vaarallisen korkeaksi. 5.3 Raekoko Kalkkikivirouheen raekoko vaikuttaa merkittävästi reaktionopeuteen. Mitä pienempi on raekoko, sitä nopeammin vesi alkaloituu. Tämä johtuu siitä, että kalkkikiven kontaktipinnan suuruus on kääntäen verrannollinen raekokoon eli kontaktipinta kasvaa raekoon pienentyessä. Suodattimen kalkkikivirouheen raekokoa vaihtamalla voidaankin vaikuttaa alkalointitehoon (kts. kuva 4). Käytännössä pienten raekokojen (2 4 mm ja 1 3 mm) käyttö onkin tästä syystä yleistynyt. Koska kalkkikivirouheen raekoolla on suuri merkitys alkaloitumiseen, rouhetta hankittaessa on syytä kiinnittää huomiota raekokojakaumaan. Toimittajalta tulisi vaatia tiedot tarjottujen rouheiden raekokojakaumista, jotta voitaisiin varmistua jakauman tasaisuudesta. Jos esim. 1 3 mm tuote sisältää pääasiassa lähellä 3 mm olevaa raetta, se vähentää alkaloitumisnopeutta tasaisen raekokojakauman omaavaan tuotteeseen verrattuna. Tällöin haluttuun veden laatuun ei välttämättä päästä suunnitellulla suodatintilavuudella.

12 8 7,8 7,6 2-4 mm 4-8 mm 8-16 mm 7,4 ph 7,2 7 6,8 6,6 6,4 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Tehollinen viipymä (min) Kuva 4. Raekoon vaikutus alkaloitumisnopeuteen. Tarkastellut raekoot: 2 4 mm, 4 8 mm ja 8 16 mm. Tehollinen viipymä = veden kontaktiaika kalkkikivirouheen kanssa (min).

13 6 KALKKIKIVIALKALOINNIN TOTEUTUS 6.1 Suositeltava veden laatu Kalkkikivialkalointi soveltuu parhaiten pehmeille vesille, jotka sisältävät jonkin verran hiilidioksidia. Tällöin tavoiteltava veden laatu saavutetaan kohtuullisella viipymällä. Kalkkikivialkalointi sopii erinomaisesti raakavesille, joiden: alkaliteetti on alle 0,8 mmol/l hiilidioksidipitoisuus on 10-15 mg/l Jos raakaveden hiilidioksidipitoisuus ylittää 20 mg/l, sitä on syytä vähentää sopivalle tasolle ilmastamalla ennen alkalointia. Veden ilmastamiseksi on olemassa useita menetelmiä. Perinteisiä ilmastusmenetelmiä hiilidioksidin vähentämiseksi ovat kaskadi eli porrasilmastus sekä Dresden-suuttimet, joiden avulla saavutetaan noin 50 70 % vähenemä hiilidioksidipitoisuudessa. Jos veden hiilidioksidipitoisuutta tarvitsee vähentää vain hieman, ainoastaan osa vedestä on tarpeen käsitellä ilmastamalla. Mitä suurempia ovat raakaveden kovuus ja alkaliteetti, sitä huonommin kalkkikivialkalointi soveltuu. Kalkkikivialkaloinnin soveltuvuus huononee raakaveden alkaliteetin ylittäessä 0,8 mmol/l. Käytännössä kalkkikivialkalointia ei kannata käyttää, jos veden alkaliteetti on yli 1,5 mmol/l. Veden ph:n nostaminen voidaan tällöin toteuttaa esim. ilmastustornissa ilmastamalla. Jos raakaveden alkaliteetti on erittäin pieni (alle 0,3 mmol/l) ja vedessä on vain vähän hiilidioksidia (alle 5 mg/l), voi veden ph kalkkikivialkaloinnissa nousta lähelle pharvoa 9 ja jopa hieman yli. Vähän hiilidioksidia sisältävän, hyvin pehmeän veden alkalointi esim. lipeällä johtaa helposti suuriin ph- vaihteluihin, kun taas kalkkikivialkaloinnilla ph pysyy tasaisena. Jos veden ph kalkkikivialkaloinnin jälkeen on liian korkea, alkalointitehoa voidaan vähentää joko madaltamalla kalkkikivipatjaa (eli pienentämällä tehollista viipymää), suurentamalla raekokoa, lisäämällä veteen jonkin verran hiilidioksidia tai johtamalla osa käsiteltäväksi aiotusta vedestä alkaloinnin ohi. 6.2 Raudan ja mangaanin poistuminen Kalkkikivialkaloinnin on käytännössä todettu vähentävän myös veden rauta- ja mangaanipitoisuuksia. Kalkkikivialkaloinnin soveltuvuutta raudan ja mangaanin poistoon käsittelyn viimeisenä vaiheena ei ole kuitenkaan tutkittu. Jos kalkkikivialkalointi on käsittelyprosessin viimeisenä vaiheena, on toistaiseksi suositeltavaa pitää käsiteltävän veden rauta- ja mangaanipitoisuudet alle laatusuositusten (alle 0,2 mg Fe/l ja alle 0,05 mg Mn/l). Tällöin minimoidaan vaikeasti hallittavan ja mahdollisesti mikrobitoimintaa ylläpitävän rauta- ja mangaanisakan muodostuminen suodattimeen. Kalkkikiven on todettu soveltuvan alkaloivan märkäkontaktisuodattimen täyteaineeksi osana raudanpoistoprosessia. Kalkkikiveä sisältävä suodatin on tällöin ollut raudanpoistoprosessin ensimmäisenä vaiheena, jonka tarkoituksena on ollut nostaa ph:ta ja leikata rauta- ja mangaanipitoisuuksia ennen lopullista raudanpoistoa, esim. hidassuodatusta. Alkaloivissa märkäkontaktisuodattimissa raudan ja mangaanin poistuminen on perustunut suodattimelle kertyneeseen sakkaan, joka on katalysoinut raudan ja mangaanin poistumista todennäköisesti biologisesti. Tutkimusten perusteella kalkki-

14 kivi ei menettänyt alkalointikykyään (passivoitunut), kunhan suodatinta huuhdeltiin ilman ja veden seoksella säännöllisesti. 6.3 Kalkkikivisuodatuksen toteutus 6.3.1 Veden virtaussuunta Kalkkikivisuodatuksen toteuttamisessa ei ole ollut yhtenäistä käytäntöä, vaan suodatus on toteutettu useilla erityyppisillä teknisillä ratkaisuilla. Perinteisessä suodatintyypissä (kuva 5) vesi virtaa ylhäältä alaspäin. Menetelmän edut ovat: ilmastus on helppo järjestää ennen suodatusta huuhtelutarve on selvästi havaittavissa huuhtelulaitteistot ovat helposti asennettavissa riski oikovirtauksille on pieni Menetelmän puutteet: hienojakoista kalkkikiveä ja sakkaa saattaa kulkeutua altaan pohjaputkistoihin Tuleva vesi ALKALOINTIREAKTORI, VIRTAUSSUUNTA ALAS Alkaloitava vesi Huuhtelu Huuhtelun poisto ALAVESISÄILIÖ Huuhteluilma Huuhteluvesi Kulukseen Kuva 5. Perinteinen suodatin, toimintaperiaate. Käänteisessä suodattimessa (kuva 6) vesi virtaa alhaalta ylöspäin. Menetelmän edut ovat:

15 vesi ei ilmastu ennen suodatinta ja näin hiilidioksidista saadaan suurin mahdollinen hyöty riski oikovirtauksille on pieni huuhtelulaitteistot ovat helposti asennettavissa poistuva vesi on näkyvissä eli sakkojen ym. karkaaminen on helposti nähtävissä Menetelmän puutteet: jos rauta ja mangaani hapettuvat, niiden kertymistä rouhepatjaan on vaikea havaita ja huuhtelutarve on haettava arvioimalla ALKALOINTIREAKTORI, VIRTAUSSUUNTA YLÖS Alkaloitava vesi Huuhtelu Huuhtelun poisto ALAVESISÄILIÖ Tuleva vesi Huuhteluilma Huuhteluvesi Kulukseen Kuva 6. Käänteinen suodatin, toimintaperiaate. Vaakavirtaussuodattimessa (kuva 7) vesi johdetaan altaaseen toisessa päässä sijaitsevan jakoputken kautta ja pois vastakkaisesta päästä allasta kokoojaputken kautta. Altaan vesipinta pidetään kalkkikivirouhepatjan yläpuolella ja sitä säädetään esim. teleskooppiputken avulla. Oikovirtaukset on estettävä väliseinien avulla. Kalkkikivi kuluu epätasaisesti (tulopäästä enemmän). Pumppujen imuallasta (esim. kuilukaivoa tai alavesisäiliötä) voidaan käyttää reaktioaltaana. Imualtaan tulee olla riittävän suuri, jotta sinne voidaan laittaa alkalointiin vaadittava määrä kalkkikiveä. Lisäksi tilavuustarpeessa on otettava huomioon imualtaan mahdollinen käyttö virtaaman tasaamisessa, sillä kalkkikivirouheen vaatima tilavuus vie yli puolet (noin 60 %) allastilavuudesta. Suodattimen huuhtelu ja desinfiointi on vaikea toteuttaa ja vaatii käytännössä erikoisjärjestelyjä.

16 ALKALOINTIREAKTORI, VAAKAVIRTAUS Tuleva vesi ALAVESISÄILIÖ Kulukseen Kuva 7. Vaakavirtaussuodatin, toimintaperiaate. Hieman yli puolet toteutetuista suodattimista on käänteisiä suodattimia ja noin neljännes perinteistä suodatintyyppiä. Vaakavirtaussuodattimia on noin 5 %. Moniajomahdollisuus (ylhäältä alas, alhaalta ylös ja/tai vaakavirtaus) on noin 15 %:ssa suodattimista. 6.3.2 Huuhtelu Valtaosa rakennetuista suodattimista voidaan huuhdella vedellä tai ilma-vesiseoksella. Noin neljännestä käytössä olevista suodattimista ei voida lainkaan huuhdella. Huuhtelumahdollisuuden rakentaminen uusiin suodattimiin on kuitenkin suositeltavaa. Huuhtelun toteuttaminen vaatii suodattimien pohjalle rakennettavan huuhteluputkiston (mielellään vedelle ja ilmalle oma putkisto), huuhteluvesipumpun sekä vesi-ilmahuuhtelussa paineilmakompressorin. Huuhteluvesipumpun, huuhteluputkiston ja ilmakompressorin mitoitus määräytyy suurelta osin huuhdeltavan suodattimen pinta-alan perusteella. Tämä on syytä ottaa huomioon suodattimia mitoitettaessa. Suodattimen huuhtelussa huuhteluveden virtaama nostetaan suuremmaksi kuin mitoitusvirtaama, jotta suodattimeen kertyneet epäpuhtaudet, mm. rauta- ja mangaanisakat, saadaan pestyä pois. Kyseinen vesimäärä on kyettävä hallitusti johtamaan laitoksen ulkopuolelle. Huuhteluvedet sisältävät erilaisia sakkoja ja muita suodattimeen vedestä erottuneita epäpuhtauksia ja ne voidaan laatunsa puolesta esim. imeyttää maaperään. Maahan imeytys kannattaa toteuttaa erillisellä imeytyssuodattimella, joka voidaan tarvittaessa puhdistaa kuorimalla pintakerros pois.

17 6.3.3 Kattaminen Alkalointitila on syytä kattaa. Käytännössä kannattaa rakentaa lämpöeristetty halli, jossa on ilmankuivaus. Tällöin tilojen pinnat pysyvät kuivina myös talviaikaan. Kattamisella estetään mikrobikasvua synnyttävien roskien (mm. puiden lehdet, siitepöly, risut) joutuminen suodattimiin. Lisäksi suodattimien pitäminen pimeässä estää leviä kasvamasta. 6.3.4 Rakenteet ja materiaalit Suodatuslaitos on järkevää toteuttaa vähintään kaksilinjaisena. Tällöin toinen linjoista voidaan tarvittaessa poistaa käytöstä huoltotoimenpiteitä varten ilman että koko laitoksen toimintaa tarvitsee pysäyttää. Suunnittelussa on myös otettava huomioon suodattimen täytön ja tyhjentämisen vaivattomuus. Isoissa laitoksissa suodattimet täytetään suoraan säiliöautosta puhaltamalla, mikä asettaa omat rajansa suodattimien korkeusasemalle. Eri raekokojen puhalluskorkeudelle on olemassa raja-arvot. Jos suodattimet täytetään suursäkkeihin pakatulla rouheella, tämä kannattaa huomioida kulkureittien ja nostolaitteiden suunnittelussa. Myös suodattimen tyhjentäminen kannattaa tehdä helpoksi, jotta rouheen saa tarvittaessa helposti suodattimista poistettua esim. imuautolla. Jos suodattimet halutaan desinfioida höyryllä, höyryn kanssa kosketuksiin joutuvissa rakenteissa ja putkistoissa ei voida käyttää muovimateriaaleja. Höyrytyksen aiheuttama lämpökuormitus on otettava huomioon myös teräsbetonirakenteiden suunnittelussa. 6.3.5 Kalkkikivisuodattimen mitoitus Kalkkikivisuodattimen mitoituksessa on huomioitava seuraavat tekijät: veden alkaliteetti ja hiilidioksidipitoisuus mitoitusvirtaama eli suodattimen läpi johdettava hetkittäinen maksimivesimäärä (m 3 /h) kalkkikivirouheen laatu (liukoisuus) kalkkikivirouheen raekoko Edellä mainitut muuttujat määrittelevät vaadittavan tehollisen viipymän. Tehollisella viipymällä tarkoitetaan aikaa, jonka vesi on kalkkikivirouheen kanssa kosketuksissa kulkiessaan suodatinpatjan lävitse. Tehollisen viipymän on oltava niin suuri, että haluttu muutos (esim. veden ph yli 7,5) veden laadussa saavutetaan. Tehollisen viipymän laskeminen perustuu suodatinpatjan teholliseen vesitilavuuteen, joka saadaan, kun kalkkikivipatjan irtotilavuus kerrotaan rouhepatjan huokoisuudella (noin 0,4). Rouhepatjan huokoisuudella tarkoitetaan rouhepartikkeleiden välistä tyhjää tilaa, jossa vesi kulkee sen virratessa rouhepatjan läpi. Jos esimerkiksi pinta-alaltaan

18 10 m 2 :n suodattimessa on 1,5 m:n kerros kalkkikivirouhetta, saadaan teholliseksi vesitilavuudeksi 6 m 3 (0,4*10*1,5). Kun tehollinen viipymä tunnetaan, voidaan vaadittavan kalkkikiven irtotilavuus (V kalkkikivi ) määritellä kaavan 8 avulla: teffxqmit = 60 α V kalkkikivi (8) V kalkkikivi = Vaadittava kalkkikiven irtotilavuus (m 3 ) t eff = Tehollinen viipymä (min) q mit = Mitoitusvirtaama (m 3 /h) α = Rouhepatjan huokoisuus ( 0,4) Taulukkoon 4 on annettu tehtyihin kokeisiin perustuvia esimerkkejä tehollisen viipymän arvoista kalkkikivirouheen raekoon ja veden laadun eri arvoilla. Tehollinen viipymä ilmoittaa ajan, jossa vesi alkaloituu halutulle tasolle (ph yli 7,5). Taulukossa esitetyt tehollisen viipymän arvot ovat suuntaa antavia ja riippuvat veden ph:lle asetetusta tavoitearvosta (vrt. kuvat 3 ja 4). Taulukko 4. Esimerkkejä tehollisen viipymän (min) arvoista kalkkikivirouheen raekoon ja raakaveden laadun funktiona. Raakavesi Raekoko 2 4 mm Raekoko 4 8 mm Hiilidioksidi alle 5 mg/l, 15 20 min 20 25 min alkaliteetti alle 0,3 mmol/l Hiilidioksidi 10 15 mg/l, 20 25 min 25 30 min Alkaliteetti noin 0,5 mmol/l Hiilidioksidi 30 40 mg/l, Alkaliteetti noin 1,0 mmol/l 40 60 min yli 60 min Taulukon 4 tehollisten viipymien ja kaavan 8 avulla voidaan alustavasti arvioida vaadittava kalkkikivirouheen määrä. Jos laitoksen mitoitusvirtaama on esimerkiksi 15 m 3 /h, veden hiilidioksidipitoisuus 10 15 mg/l ja alkaliteetti noin 0,5 mmol/l, raekokoa 2 4 mm olevaa rouhetta tarvitaan noin 13 16 m 3 [20x15/(60x0,4) 25x15/(60x0,4)]. 6.3.6 Pilot-kokeet Käytännössä kalkkikivisuodattimen mitoitus (tehollinen viipymä) kannattaa varmistaa pilot-kokeiden avulla, sillä ne ovat helposti ja kohtuullisin kustannuksin järjestettävissä. Pilot-kokeiden suorittamiseksi tarvitaan seuraavat välineet: pumppu muoviputkea tai vastaavaa suodattimeksi letkua, letkuliittimiä, käsiventtiileitä testattavaa kalkkikivirouhetta Raakavesi pilot-laitteistoon tulisi pyrkiä ottamaan sellaisesta kohdasta, jossa veden laatu vastaa alkaloitavaksi aiottavan veden laatua. Jos alkalointi tapahtuu esim. rau-

19 danpoiston jälkeen, on raakavesi otettava raudanpoistolaitoksen jälkeen. Jos kalkkikivialkalointia kaavaillaan ainoaksi käsittelymenetelmäksi, on syöttövesi pilot-laitteistoon pyrittävä ottamaan sellaisesta kohdasta, johon varsinaista alkalointia on kaavailtu. Pilot-laitteisto kannattaa rakentaa siten, että vesi virtaa alhaalta ylöspäin poistuen suodatinpatjan yläpuolelta. Tällä tavalla vältetään hiilidioksidin poistuminen ennen kalkkikivialkalointia, ja menetelmän tehokkuudesta saadaan varmempi käsitys. Oikovirtauksien minimoimiseksi pilot-suodattimen tulisi olla muodoltaan putkimainen (esim. viemäriputkea) ja suodatinkerroksen (kalkkikivirouhepatjan) paksuus noin metri. Jos laitteisto ei ole auringolta suojatussa tilassa, tulisi suodattimet suojata valolta leväkasvun estämiseksi. Pumppua tulisi voida säätää siten, että tehollisen viipymän arvoja saataisiin muutettua noin 15 ja 60 min välillä. Jos pumpun suora säätäminen ei onnistu, pumppaus pilot-suodattimille voidaan järjestää myös ylävesisäiliön kautta, jolloin virtaama suodattimille säädetään käsiventtiilien avulla (kuva 8). Kuva 8. Teknillisen korkeakoulun vesihuoltolaboratorion tutkimuksissaan käyttämä pilotlaitteisto. Ylävesisäiliö on peitetty mustalla muovilla roskien ja pölyn pääsyn estämiseksi pilot-laitteistoon. Kahden rinnan toimivan suodattimen avulla voidaan raakaveden mahdollisesta laadunvaihtelusta aiheutuva epävarmuus eliminoida ja siten luotettavammin verrata eri tekijöiden vaikutusta veden laatuun.

20 Yksinkertaisella pilot-laitteistolla voidaan tutkia mm. seuraavia asioita: eri raekokojen vaikutus veden laatuun eri rouhetyyppien vaikutus veden laatuun viipymän vaikutus veden laatuun saavutettavissa oleva veden laatu Pilot-testien tekeminen on varsin nopea tapa selvittää eri muuttujien vaikutusta, sillä alkaloitumisreaktio saavuttaa tasapainon nopeasti. Käytännössä kannattaa odottaa ainakin aika, jolloin suodattimen läpi on virrannut vettä kaksi kertaa tehollisen viipymän arvo ennen näytteenottoa. Pilot-testien aikana tulee kerran päivässä ottaa raakavesinäyte, josta määritetään laboratoriossa kalsiumpitoisuus, ph, alkaliteetti, hiilidioksidipitoisuus ja lämpötila. Vastaava analyysisarja tulee tehdä käsitellystä vedestä. Käsitellyn veden näyte kannattaa ottaa koesarjasta, jossa on pitkä tehollinen viipymä, jotta saataisiin selville menetelmän suurin mahdollinen vaikutus veden laatuun. Raakaveden ja käsitellyn veden ph:ta kannattaa seurata pilot-testien aikana myös kenttämittauksin. Pohjavesilaitoksissa raakaveden hiilidioksidipitoisuus voi vuoden aikana vaihdella paljonkin. Pilot-kokeet tulisi mielellään järjestää ajankohtana, jolloin pitoisuus on suurimmillaan. Hiilidioksidipitoisuuden vaihteluväli on tärkeä lähtötieto myös itse laitoksen suunnittelussa. Pilot-testien teettämisestä ja koeohjelmasta kannattaa keskustella myös konsulttien ja rouhetoimittajien kanssa. 6.4 Tulevaisuus Kalkkikivisuodatus on yleensä toteutettu perinteisesti eli vesi virtaa paikallaan pysyvän kalkkikivirouhepatjan läpi. Koska vaadittava tehollinen viipymä on muutamia kymmeniä minuutteja, tämä johtaa varsin suuriin suodatinallastilavuuksiin alkaloitavan vesimäärän ollessa suuri. Tästä syystä eri yhteyksissä on selvitetty mahdollisuuksia lyhentää vaadittavaa tehollista viipymää ja siten mahdollisuuksia pienentää suodattimien kokoa. Suodatuksen toteuttamista on kokeiltu ns. leijupetitekniikan avulla, jossa alkaloitava vesi virtaa liikkeessä pidettävän kalkkikivirouheen läpi. Leijutuksen avulla pyrittiin pienentämään suodatuksen viipymää parantamalla liukenemisen fysikaalis-kemiallisia edellytyksiä. Tutkitulla menetelmällä ei kuitenkaan saavutettu haluttua vaikutusta. Kalkkikivialkalointi-projektin yhteydessä kehitettiin menetelmä, jossa kalkkikivirouhetta sekoitetaan mekaanisesti reaktorissa. Tällöin rouheesta irtoaa erittäin pieniä hiukkasia, jotka veden mukana johdetaan alavesisäiliöön. Siten menetelmässä alkaloitavaa vettä ei suodateta, vaan kalkkikivi jauhetaan veden joukkoon, jossa alkaloitumisreaktio tapahtuu. Jauhetussa hiukkasmaisessa kalkkikivessä on erittäin suuri reaktiopinta-ala, ja alkaloituminen tapahtuu perinteistä suodatusta nopeammin. Laboratoriotesteissä alkaloituminen saavutetaan kalkkikivialkalointiin soveltuvalla vedellä noin 5 min viipymällä.

21 Ensimmäinen menetelmää hyödyntävä laitos on ollut käytössä Haukiputaan Onkamon vedenottamolla kesästä 2001 lähtien (kuva 9). Laitoksen kapasiteetti on noin 2000 m 3 /d. Käyttökokemukset ovat toistaiseksi olleet hyviä. MEKAANINEN JAUHIN M ALAVESISÄILIÖ Ohivirtaus jauhimelle Kulukseen Tuleva vesi Kuva 9. Periaatekuva Haukiputaalla käytössä olevasta kalkkikivialkalointiyksiköstä.

22 7 MIKROBIOLOGISEN LAADUN HALLINTA 7.1 Käsitteet Ulosteperäisellä saastumisella tarkoitetaan kalkkikiven saastumista ihmisten tai eläinten ulosteista peräisin olevilla mikrobeilla. Ulosteperäisen saastuminen osoitetaan vedestä vesihygieenisen määrityksen avulla (Escherichia colin osoittaminen). Mikrobikasvulla tarkoitetaan suodattimessa tapahtuvaa mikrobiologista kasvua, joka ilmenee heterotrofisen pesäkeluvun kasvuna. 7.2 Ulosteperäinen saastuminen Kalkkikiven saastuminen ihmisten tai eläinten ulosteilla voi periaatteessa tapahtua jakeluketjun eri vaiheissa: avovarastointi tuotantoalueella kuljetus vesilaitokselle suodattimien täyttäminen Toistaiseksi ei ole tiedossa tapauksia, joissa kalkkikivirouhe olisi jakeluketjun aikana päässyt saastumaan ulosteperäisillä mikrobeilla. Ennen jakelukuljetuksia irtotavarana toimitettava kalkkikivirouhe varastoidaan avovarastoissa. Avovarastoissa on periaatteessa mahdollista, että kalkkikiveen joutuu pieniä määriä eläinten ulostetta. Hienommat raekoot aina 3 6 mm:n rouheesta alaspäin varastoidaan siiloissa. Kuljetuksessa tulee edellyttää puhtaan auton käyttöä ja suodattimien täytön yhteydessä on syytä kiinnittää erityistä huomiota työhygieniaan (mm. vaatetuksen ja jalkineiden puhtaus, täytön yhteydessä eläinten pääsy kohteille estettävä). 7.3 Suodattimessa tapahtuva mikrobikasvu Viime vuosina on epäilty, että kalkkikivirouheesta voi liueta veteen aineita, lähinnä fosforia, jotka voisivat edistää vesijohtovedessä tapahtuvaa luontaista mikrobikasvua. Suomessa tehtyjen yksittäisten selvitysten perusteella on todettu, että rouheesta ei liukene veteen mikrobikasvua edistäviä aineita. Koska kalkkikivirouheen kemiallinen koostumus saattaa jonkin verran vaihdella erilaisissa geologisissa esiintymissä, asia on tarvittaessa tarkistettava tapauskohtaisesti. Käytössä olevissa kalkkikivisuodattimissa on kuitenkin havaittu mikrobien kasvua. Syyksi on todettu kalkkikivirouheen joukkoon joutunut orgaaninen aines kuljetuksen, suodattimen täytön tai käytön yhteydessä.

23 Mikrobikasvua voi myös esiintyä, jos suodatin on alttiina valolle. Tällöin suodattimelle voi kasvaa levää. Leväsolujen kuollessa niiden hajoaminen tapahtuu biologisesti, mikä johtaa heterotrofisten bakteereiden määrän kasvuun. Sama ilmiö voi olla havaittavissa myös suodattimelle kertyvässä rauta- ja mangaanisakassa. Suodattimessa tapahtuvaan mikrobiologiseen kasvuun voidaan vaikuttaa seuraavilla toimenpiteillä: Irtorouheen kuljetuksessa käytetty kalusto puhdistetaan siten, ettei rouhe likaannu kuljetuksesta eikä sen mukana suodattimille pääse orgaanista ainesta. Puhtausvaatimus tulee olla osa kuljetusehtoja. Huolehditaan, että suodatinaltaissa ei ole puiden lehtiä, risuja, multaa tai muuta orgaanista ainesta ennen suodattimien täyttöä ja että niitä ei joudu suodattimeen täytön yhteydessä. Kalkkikivisuodattimet pidetään valolta suojassa, jotta leväkasvua ei pääse syntymään. Vältetään sakkojen (mm. rauta- ja mangaanisakat) muodostumista suodattimelle. Vesijohtoverkostossa tehtyjen tutkimusten perusteella mikrobiologinen toiminta painottuu suurelta osin verkostossa esiintyviin sakkoihin. Huuhdellaan suodattimet säännöllisin väliajoin sellaisella tiheydellä, että suodatetun veden laatu pysyy hyvänä. Suodattimien huuhtelulla poistetaan muiden epäpuhtauksien ohella suodattimelle hitaasti kertyvät, mikrobeja suuremmat pieneliöt. Kalkkikivisuodatuksen jälkeinen veden desinfiointi tuhoaa suodattimesta veteen joutuvat mikrobit. Desinfiointi on muutoinkin suositeltavaa, etenkin jos riski laitoksen raakaveden saastumisesta ulosteperäisillä mikrobeilla on olemassa. 7.4 Suodattimen desinfiointi 7.4.1 Yleistä Ennen käyttöönottoa tai kalkkikivirouheen täydennyksen jälkeen kalkkikivisuodatin on syytä desinfioida. Desinfiointi voidaan toteuttaa joko kemiallisesti klooraamalla tai termisesti höyryttämällä. Jos ongelmana on heterotrofinen mikrobikasvu, desinfiointi tuo vain tilapäisen avun. Mikrobikasvu palautuu entiselle tasolleen muutamassa viikossa niin kauan kun suodattimessa on jäljellä mikrobeille käyttökelpoista orgaanista ainesta tai valoa. 7.4.2 Kuuman höyryn käyttö Höyryttäminen soveltuu ainoastaan suodattimille, joiden kaikki materiaalit kestävät korkeita lämpötiloja. Suodatinrakenteet eivät tällöin saa sisältää muoviosia ja lämmön kestävyys on otettava huomioon myös teräsbetonirakenteissa. Höyrydesinfioinnin toteuttaminen onnistuu kalustolla, jota on mm. höyryn tuottamiseen erikoistuneilla yrityksillä. Menetelmä on nopea ja helposti toteutettavissa eikä siitä juurikaan synny jä-

24 tevesiä. Suomessa kalkkikiven höyrydesinfiointia on käyttänyt mm. Tuusulan seudun vesilaitoskuntayhtymä. 7.4.3 Desinfiointi kloorilla Klooridesinfiointi voidaan toteuttaa joko natriumhypokloriitilla tai kalsiumhypokloriitilla. Natriumhypokloriittia voi ostaa mm. 30 litran kanistereissa joko 10- tai 15- prosenttisena liuoksena. Nestemäistä natriumhypokloriittia myyvät mm. erilaiset vedenkäsittelykemikaaleja välittävät yritykset ja pienempiä eriä on saatavana myös apteekista. Rakeista tai tabletteina myytävää kalsiumhypokloriittia saa mm. apteekista ja se soveltuu etenkin pienten yksiköiden desinfiointiin. Rakeista kalsiumhypokloriittia myydään Suomessa mm. kauppanimellä HTH-rae, jolle on olemassa eri pakkauskokoja 1 10 kg:n välillä. Puhtaan kalkkikiven on todettu vähentävän veden klooripitoisuutta. Vähenemisnopeus riippuu käytettävästä raekoosta ja sen on todettu olevan noin 2 mg Cl/l/h (3 6 mm) ja noin 1,2 mg/cl/l/h (4 8 mm). Tästä syystä klooripitoisuuden tulee aluksi olla korkea, eikä suodatinta voida pitää tuotantokäytössä. Kunnollisen desinfiointivaikutuksen aikaansaamiseksi kloorin alkupitoisuuden tulee olla vähintään 15 mg/l ja vaikutusajan vähintään neljä tuntia, mielellään kuitenkin yön yli. Nestemäisessä natriumhypokloriitissa aktiivisen kloorin pitoisuus on likimäärin yhtä suuri kuin liuoksen sisältämä natriumhypokloriitin määrä. Haluttaessa kloorin alkupitoisuudeksi esim. 15 mg/l tulee 10 % natriumhypokloriittia lisätä noin 1,5 dl käsiteltävää vesikuutiometriä kohden. Käsiteltävä vesikuutiometri lasketaan suodatinpatjan tehollisen tilavuuden (kts. 6.4) ja suodattimen yläpuolelle vapaaksi jäävän vesitilavuuden summana. Jos käytetään rakeista kalsiumhypokloriittia, annostelu esim. HTH-rakeilla on noin 30 g käsiteltävää vesikuutiota kohden. Desinfiointiliuoksen valmistaminen rakeisesta kalsiumhypokloriitista on tehtävä valmistajan ohjeiden mukaisesti. Nestemäinen hypokloriitti voidaan annostella joko suodattimelle johtavaan vesivirtaan tai suoraan desinfioitavaan suodattimeen, joka on täytetty vedellä. Hypokloriitin sekoittaminen suodattimessa saadaan aikaan esim. lyhyen ilmahuuhtelun avulla. Jos ilmahuuhtelua ei ole käytössä, voidaan vettä lisätä kahdessa vaiheessa, jolloin annostelu toteutetaan vesilisäysten välissä. Jos suodattimessa ei ole huuhtelumahdollisuutta, voi hypokloriitin sekoittumisen varmistaa esimerkiksi suodattimeen asennettavan (puhtaan) uppopumpun avulla. Jos suodatin on varustettu pohjasta tyhjennettävällä poistoviemärillä, voidaan kontakti kalkkikivirouheen kanssa varmistaa täyttämällä suodatin ensin piri pintaan ja tämän jälkeen päästää osa klooratusta vedestä viemäriin. Desinfioinnissa käytettävät kloorikemikaalit ovat terveydelle vaarallisia, joten niiden käsittelyssä on ehdottomasti noudatettava kunkin kemikaalin käyttöturvallisuustiedotetta. Hypokloriitti ei missään tapauksessa saa joutua kosketuksiin happojen tai muiden happamien kemikaalien kanssa (esim. saostuskemikaalit), sillä tällöin hypokloriitti vapautuu huoneilmaan myrkyllisenä kloorikaasuna. Desinfioinnin jälkeen suodattimet tyhjennetään desinfiointiliuoksesta ja huuhdellaan ennen käyttöönottoa. Huuhtelu on riittävä, kun vedestä ei enää todeta kloorijäämää tai kun vesi ei haise kloorille. Suodatetusta vedestä otetaan vesinäyte, josta määritetään