NESTEMÄISTEN PÄÄSTÖJEN HALLINTA Mekaaniset, fysikaaliset ja kemialliset puhdistusprosessit 17.1.2011 1
LUENNON SISÄLTÖ Fysikaaliset puhdistusprosessit Välppäys Virtauksen tasaaminen Flokkulointi ja sekoitus Hiekanerotus Selkeytys Flotaatio Ilmastusjärjestelmät Kemialliset puhdistusprosessit Koagulaatio Saostus Kemiallinen hapetus Neutralointi Kemikaalien varastointi ja syöttö VÄLPPÄYS Kahdenlaisia välppiä voidaan käyttää jäteveden esikäsittelyssä Karkea välppä Aukkokoko 6 150 mm Käytetään pumppujen, venttiileiden, putkistojen ja muiden varusteiden suojelemiseen Tukkeutumisten ehkäisyyn Hieno välppä Aukkokoko < 6 mm Käytetään kiintoaineen poistamiseen primäärivaiheen ulosvirtauksesta tukkeutumisten ehkäisemiseksi jatkokäsittelyssä 2
VÄLPPÄYS LÄHDE: Tchopanoglous VIRTAUKSEN TASAAMINEN Tasausallas tarvitaan virtausvaihteluiden tuomien ongelmien välttämiseksi jäteveden jatkokäsittelyiden suorituskyvyn parantamiseksi jatkokäsittelyvaiheissa tarvittavien järjestelmien ja laitteiden kokoluokan ja kustannusten pienentämiseksi 3
TASAUSALLASJÄRJESTELYT In-line järjestely Koko jätevesivirta johdetaan tasausaltaan kautta Puhdistusprosessiin kulkeutuvat epäpuhtauspitoisuudet ja jätevesivirta pienenevät Off-line järjestely Ainoastaan virtaus, jonka suuruus ylittää ennalta määrätyn rajan, ohjataan tasausaltaaseen Pumppauskustannukset minimoituvat Puhdistusprosessiin kulkeutuviin epäpuhtauspitoisuuksiin järjestely ei vaikuta niin paljoa VIRTAUKSEN TASAAMISEN - HYÖDYT Virtauksen tasaaminen on houkutteleva vaihtoehto ylikuormitettujen jätevesipuhdistamoiden suorituskyvyn parantamiseksi Biologisen prosessin toiminta paranee Huippukuormat eliminoituvat Mikrobitoiminnan kannalta haitalliset yhdisteet laimenevat ph-vaihtelut pienenevät Jälkiselkeyttimen poistovirtauksen laatu ja sakeuttamiskyky paranevat kiintoainekuormasakeuden paranemisesta johtuen Ulosvirtauksen suodatuspinta-alavaatimukset pienenevät, suodattimen suorituskyky paranee ja säännönmukaiset pesuvaiheet mahdollistuvat Kemiallisessa käsittelyssä kemikaalien syötön säätö helpottuu samoin kuin prosessin luotettavuus 4
VIRTAUKSEN TASAAMISEN - EPÄKOHDAT Virtauksen tasaamiseen tarvitaan melko suuria maa-aloja ja altaita Altaat saattaa olla syytä kattaa hajuongelmien välttämiseksi Käyttö- ja kunnossapitotarve lisääntyy Pääomakustannukset kasvavat VIRTAUKSEN TASAAMISEN OPTIMAALINEN SIJAINTI Vaihtelee tapauskohtaisesti Keräysjärjestelmän ominaisuuksien mukaan Käsiteltävän jäteveden mukaan Tilantarpeiden mukaan Käsittelytarpeiden mukaan Jäähdytystornin edeltäessä tasausallasta, voidaan suihkutornissa olevien puhaltimien pyörimisnopeutta säätää sitä seuraavan tasausaltaan lämpötilan mukaan 5
VIRTAUKSEN TASAAMISEN OPTIMAALINEN SIJAINTI Tasaus voi olla Primäärikäsittelyn ja biologisen vaiheen välissä Vähemmän saostumien aiheuttamia ongelmia Vähemmän vaahdon muodostusta Ennen primäärikäsittelyä Saostumien ehkäisemiseksi tarvitaan sekoitusta Hajuongelmien välttämiseksi tarvitaan ilmastusta VIRTAUKSEN TASAAMINEN - MITOITUS LÄHDE: Tchopanoglous 6
VIRTAUKSEN TASAAMINEN - MITOITUS Tasaamiseen tarvittavan altaan määritystavat a) Jos sisääntulovirtauskäyrä ei ylitä keskimääräistä virtausta kuvaavaa suoraa Keskimääräisen päivittäisen tilavuusvirran kanssa samansuuntainen viiva piirretään massan sisääntulovirtauskäyrän tangenttina Tarvittava tilavuus on tällöin pystysuoraetäisyys tangenttipisteen ja keskimääräistä virtausta kuvaavan suoran välillä b) Jos sisääntulovirtauskäyrä ylittää keskimääräistä virtausta kuvaavan suoran Keskimääräisen päivittäisen tilavuusvirran kanssa samansuuntainen viiva piirretään suurimpiin poikkeamakohtiin massan sisääntulovirtauskäyrän tangenttina Tarvittava tilavuus on tällöin pystysuoraetäisyys tangenttipisteen kautta piirrettyjen viivojen välillä PARTIKKELIT JÄTEVEDENPUHDISTUKSESSA LÄHDE: Tchopanoglous 7
PARTIKKELIT JÄTEVEDENPUHDISTUKSESSA Kiintoaine (total suspended solids) > 1 µm Voidaan erottaa painovoimaisesti selkeyttämällä Kolloidisia partikkeleita (0,01 1 µm) ei voida erottaa selkeyttämällä kohtuullisessa ajassa Tarvitaan kemiallisia menetelmiä niiden erottamiseksi PARTIKKELIT JÄTEVEDENPUHDISTUKSESSA Kolloidisten partikkeleiden määrällä käsittelemättömässä jätevedessä on suuri merkitys valittaviin puhdistusmenetelmiin Partikkeleiden muoto vaikuttaa niiden sähköisiin ominaisuuksiin, partikkeleiden väliseen vuorovaikutukseen sekä partikkelin ja liuottimen väliseen vuorovaikutukseen Partikkeleiden välinen vuorovaikutus on parhaimmillaankin ainoastaan karkea arvio todellisuudesta 8
PARTIKKELIT JÄTEVEDENPUHDISTUKSESSA Kolloidisten partikkeleiden käyttäytymistä nesteessä voidaan selvittää kolmella ilmiöllä Hydrofobinen Hylkii vesimolekyylejä Vesimolekyylejä voi jonkun verran absorboitua partikkeleiden pinnalle Hydrofiilinen Vetää puoleensa vesimolekyylejä Reaktiot vesimolekyylien ja kolloidisten hiukkasten välillä merkittäviä Edellisten yhdistelmä Saadaan tyypillisesti aikaiseksi pinta-aktiivisilla aineilla PARTIKKELIT JÄTEVEDENPUHDISTUKSESSA Jäteveden kolloidisilla partikkeleilla on tyypillisesti negatiivinen pintavaraus Kolloidisten partikkeleiden koko (0,01 1 µm) on sellainen, että partikkeleiden välillä vaikuttavat puoleensa vetävät voimat ovat merkittävästi vähäisempiä kuin niiden väliset sähköisten varausten aiheuttamat hylkivät voimat Molekyylien lämpöliike, jonka aikaansaa partikkelia ympäröivien vesimolekyylien lämpöliike, pitää ne suspendoituneena 9
PARTIKKELIT JÄTEVEDENPUHDISTUKSESSA LÄHDE: Tchopanoglous PARTIKKELIT JÄTEVEDENPUHDISTUKSESSA Kolloidin tai partikkelin pinnan varautuessa niiden pinnalle kiinnittyvät vastakkaismerkkisen varauksen omaavat ionit Niitä pitää kiinni toisissaan sähköstaattinen voima ja van der Waalsin vetovoima Tämän kiinteän ionikerroksen ympärillä on hajaantuneiden ionien muodostama kerros Sen muodostuminen kiinteäksi kaksoiskerrokseksi estetään sekoituksella 10
PARTIKKELIT JÄTEVEDENPUHDISTUKSESSA LÄHDE: Tchopanoglous FLOKKULOINTI Flokkulaatioon prosessi, jossa partikkelien törmäyksiä aikaan saamalla muodostetaan suurempia partikkeleita, jotka voidaan edelleen erottaa edullisesti selkeyttämällä tai suodattamalla Flokkulantti on kemikaali, tyypillisesti orgaaninen, jota lisätään flokkulaatioprosessin edistämiseksi 11
FLOKKULOINTI Voidaan toteuttaa tarkoitusta varten suunnitellussa altaassa tai säiliössä käsittelylaitokselle johtavissa putkissa ja kanavissa selkeyttimien yhteydessä Flokkulointia on kahta eri tyyppiä Mikroflokkulointi Makroflokkulointi FLOKKULOINTI MIKRO- JA MAKROFLOKKULAATIO LÄHDE: Tchopanoglous 12
FLOKKULOINTI MIKRO- JA MAKROFLOKKULAATIO Mikroflokkulaatio on kyseessä kun molekyylien satunnainen lämpöliike aiheuttaa partikkeleiden yhdistymisen merkittävää partikkelikokoluokassa 0,001 1 µm Makroflokkulaatio on kyseessä, kun kun partikkelien nopeuserot aiheuttavat partikkeleiden yhdistymisen kun partikkelien laskeutumisnopeudet aiheuttavat partikkeleiden yhdistymisen merkittävää partikkelikokoluokassa 1 2 µm ei vaikutusta kolloidisille partikkeleille ennen kuin ne kasvavat kokoluokkaan 1 10 µm Brownian liikkeen tai sekoituksen johdosta SEKOITUS Flokkulaatio usein seuraa nopeaa sekoitusta Mekaanisella tai ilmaan perustuvalla sekoituksella tavoitellaan kiintoaineen ja BOD:n erotuksen tehostumista primäärikäsittelyssä teollisuusjätteitä sisältävän jäteveden olosuhteiden säätöä aktiivilieteprosessin jälkiselkeyttimen suorituskyvyn parantamista sekundäärivaiheen ulosvirtauksen esikäsittelyä suodatusta varten 13
SELKEYTYS Päätarkoitus on tuottaa puhtaampi ulostulovirtaus, mutta tärkeää on myös tuottaa sellaisen kiintoainepitoisuuden omaavaa lietettä, että sitä voidaan helposti käsitellä LÄHDE: Tchopanoglous ETUSELKEYTIN Figure. The AF-Sed Clarifier from Aquaflow Ltd. (Edited. AquaFlow AF-Sed) Liete erotetaan painovoiman vaikutuksesta Veden sisään virtaus tapahtuu altaan keskeltä Ulos virtaus tapahtuu altaan reunoilta Liete poistetaan altaan keskeltä Kemikaalien avulla voidaan erotusta tehostaa 14
JÄLKISELKEYTIN Figure 15. The AF-Sed Clarifier from Aquaflow Ltd. (AquaFlow AF-Sed) Ilmastusvaiheessa tuotettu biologinen liete poistetaan jälkiselkeyttimessä Toiminta kuten etuselkeyttimellä, mutta halkaisija suurempi ja tiivistinosa leveämpi Veden sisään virtaus tapahtuu altaan keskeltä, rauhoituslieriö Ulos virtaus tapahtuu altaan reunoilta Liete poistetaan altaan keskeltä SELKEYTYSILMIÖT Erillishiukkasten laskeutus (Discrete particle settling) Alhainen kiintoainepitoisuus suspensiossa Hiukkaset vajoavat painovoiman johdosta vaikuttamatta mainittavassa määrin toinen toisiinsa Flokkuloiva laskeutus (Flocculent particle settling) Melko laiha kiintoainesuspensio Hiukkaset törmäävät toisiinsa selkeytysaltaassa, ja se aiheuttaa hiukkaskoon kasvun. Tämä puolestaan lisää niiden laskeutumisnopeutta. 15
SELKEYTYSILMIÖT Vyöhykelaskeutus (Hindered (zone) settling) Kohtalainen kiintoainepitoisuus suspensiossa Hiukkasten suuri määrä vaikuttaa estävästi laskeutumisprosessiin Hiukkasten keskinäiset etäisyydet säilyvät laskeutumisprosessissa Laskeutuvan massan yläpuolelle kehittyy kiinteän aineen ja nesteen rajapinta Painumislaskeutus (compression) Lisälaskeutuminen voi tapahtua ainoastaan rakenteen painumisella Painuminen on seurausta hiukkasten painosta, joita kertyy rakenteeseen koko ajan selkeytymisen johdosta SELKEYTYSILMIÖIDEN ESIINTYMISKOHTEET SELKEYTYSILMIÖ Erillishiukkasten laskeutus (Discrete particle settling) Flokkuloiva laskeutus (Flocculent particle settling) Vyöhykelaskeutus (Hindered (zone) settling) Painumislaskeutus (Compression) Flotaatio ESIINTYMINEN Hiekkapartikkelien yms. erottamiseen jätevedestä Osan käsittelemättömän jäteveden sisältämästä kokonaiskiintoaineesta erottaminen etuselkeyttimellä sekä jälkiselkeyttimen yläosassa. Poistaa myös selkeytysaltaissa muodostuneen kemiallisen flokin. Tapahtuu biologisen puhdistusvaiheen jälkiselkeyttimessä Tapahtuu syvän kiintoainemassan alemmissa kerroksissa kuten syvän jälkiselkeyttimen pohjalla Poistaa rasvoja ja öljyjä sekä hitaasti laskeutuvaa, pientä ja kevyttä materiaalia 16
FLOTAATIO Flotaatiossa liuenneet yhdisteet jätevedestä flokataan kemikaalien avulla kiintoaineflokeiksi, jotka voidaan poistaa flotaatiolla Flotaation etuja perinteisiin selkeytysaltaisiin verrattuna ovat hyvä puhdistustulos, lyhyt viipymäaika ja melko suurien pintakuormien käyttö FLOTAATIO Liuenneen ilman flotaatiossa(daf) ilma liuotetaan jäteveteen useamman ilmakehän paineessa, jonka jälkeen se vapautetaan ilmakehän paineeseen Virtausta varastoidaan paineen alaisena säiliössä useiden minuuttien ajan Virtaus johdetaan paineenalennusventtiilin kautta flotaatioaltaaseen, jossa ilma tulee ulos liuoksesta erittäin hienojakoisina kuplina Flotaatioaltaanreaktioalueella ilmakuplat ja flokit törmäävät ja kiinnittyvät keskenään Puhdistettu vesi esikäsitellään kemikaaleilla ennen flotaatiota Koagulantin avulla partikkelien ja kolloidien yhdistymistä haittaavat tekijät poistetaan Syntyneet mikroflokit yhdistetään suuremmiksi flokeiksi flokkulantilla 17
DAF-FLOTAATIO LÄHDE: Tchopanoglous DAF-FLOTAATIO Suuremmissa DAF-yksiköissä osa flotaation ulosvirtauksesta (15 120 %) kierrätetään, paineistetaan ja puolikyllästetään ilmalla Kierrätysvirta sekoitetaan paineistamattoman pääjätevesivirran kanssa juuri ennen flotaatioallasta (ilma tulee ulos liuoksesta) LÄHDE: Tchopanoglous 18
FLOTAATIO Figure. AF-Float unit (diameter from 5 to 22 meters) from Aquaflow Ltd. Veden sisään virtaus tapahtuu altaan keskeltä Paineilma ja vesi = dispersiovesi lisätään flotaatioyksikön keskeltä Ulos virtaus tapahtuu altaan reunoilta ILMASTUSJÄRJESTELMÄT Ilmastusprosessi on jätevedenpuhdistamon eniten energiaa kuluttava prosessi Paineilmaa syötetään ilmastimille Energian kulutus 3 4,3 Wh/m 3 m (basin) Ilmastustehokkuudella on suuri merkitys energiatehokkuuden kannalta KUVA. Pintailmastusjärjestelmät 19
ILMASTUSJÄRJESTELMÄT Pohjailmastinjärjestelmä Pohjailmastinjärjestelmä EDI ILMASTUSJÄRJESTELMÄT Ilmaan perustuvat järjestelmät (diffused-air system) Pohjailmastimet Pintailmastimet o Hienokuplailmastimet Niillä voidaan saavuttaa korkea happipitoisuus sekä hoitaa altaan sekoitustarve Tyypillinen hienokuplailmastin on esimerkiksi altaan pohjalle sijoitettava EDIilmastin o Karkeakuplailmastimet Karkeakuplailmastimissa on vaarana, että kuplat eivät ehdi liueta veteen ennen niiden nousemista pintaan Mekaaninen ilmastus Pinta- ja pohjailmastimet, pysty- ja vaakasuuntaiset Happi-ilmastus 20
HAPPI-ILMASTUS Tehokas menetelmä tehostaa ilmastusta, kun Lisäilmastimille ei ole tilaa Ilmastuskapasiteetti ei riitä ilmalla huippukuorman aikana Usein kannattavaa, jos tehdasalueella on olemassa oleva happilaitos KOAGULOINTI Koaguloinnissa edistetään partikkelien kykyä kasvaa partikkelien törmätessä Koagulantti on kemikaali, jota syötetään partikkelien kasvuedellytysten parantamiseksi 21
MIKROFLOKKULAATION EDISTÄMINEN Kolloidisten partikkelien varausta tulee pienentää Vahvaa happoa tai emästä lisätään, jotta metallioksidien tai hydroksidien varaus saadaan lähelle nollaa Partikkelin yhdistymistä hidastavan varauksen vaikutuksen poistaminen Elektrolyyttiä lisätään, jolloin pienennetään partikkelien hylkiviä voimia (zeta potentiaalia) PARTIKKELIEN YHDISTYMISEN EDISTÄMINEN POLYELEKTROLYYTEILLÄ Voivat toimia koagulantteina, jotka neutraloivat tai alentavat jäteveden partikkelien varausta Voivat niputtaa partikkeleja toisiinsa (bridging) Niputtuneet partikkelit yhdistyvät toisiin niputtuneisiin partikkeleihin flokkulaation yhteydessä Molemmat edellä mainitut yhdessä 22
PARTIKKELIEN NIPUTTAMINEN TOISIINSA LÄHDE: Tchopanoglous PARTIKKELIEN YHDISTYMISEN EDISTÄMINEN ALUMIINI- TAI RAUTASULFAATILLA Monimutkainen prosessi ph-arvon säätö tarpeen Korkeilla ph-arvoilla pienet alumiiniannokset eivät yleensä tehoa Pilot-kokeita tehtävä annostelumäärän selvittämiseksi Nopea alkusekoitus tarpeen 23
KEMIALLINEN SAOSTUS Kemiallista saostusta käytettiin usein parantamaan kiintoaineen ja biologisen hapenkulutuksen erotustehokkuutta 70-luvulta lähtien orgaanisten yhdisteiden ja ravinteiden (typpi ja fosfori) erotustehokkuusvaatimusten kiristyminen on aiheuttanut kiinnostuksen lisääntymistä menetelmää kohtaan KEMIALLINEN SAOSTUS Kolloidiset hiukkaset muutetaan sellaiseen muotoon, että ne ovat mekaanisesti erotettavissa Lisätään kemikaalia kolloidien sähköisiä poistovoimia aiheuttavien varausten poistamiseksi Tavallisesti Al- tai Fe-suolaliuos Koaguloidut osaset flokataan suuremmiksi hiukkasiksi, jolloin ne laskeutuvat paremmin Samassa yhteydessä poistuu myös osa liuenneista aineista Muodostavat mm. metalli-ionin kanssa niukkaliukoisia yhdisteitä 24
KEMIALLINEN SAOSTUS Ferrikloridi on rautasuola, jota useimmiten käytetään saostussovelluksissa Kun ferrikloridia lisätään jäteveteen, tapahtuu seuraava reaktio: HCO3 2Fe OH 3CaCl2 2 2FeCl CO 3 3Ca 2 3 6 Jos kalkkia lisätään täydentämään luonnollista alkalisuutta, reaktioyhtälön voidaan ajatella noudattavan seuraavaa muotoa: OH 2Fe OH 2 2FeCl CaCl 3 3Ca 2 3 3 Esimerkki 6-1 KEMIALLINEN SAOSTUS FOSFORIN POISTAMISEKSI Fosforin kemiallinen saostus alumiinilla tai raudalla tapahtuu seuraavien perusreaktioiden mukaisesti Al 3 H 3 n npo4 AlPO4 nh Fe 3 H 3 n npo4 FePO4 nh Kilpailevien reaktioiden suuren määrän johdosta yhtälöitä ei kuitenkaan voida suoraan käyttää annostelumäärän laskemisessa Tarvittavat annostelumäärät määritetään testein joko laboratorio-olosuhteissa tai todellisissa olosuhteissa 25
KEMIALLINEN SAOSTUS Tarvittavan kemikaaliannoksen määrittämisen ohella suunnittelussa huomioitavia tekijöitä ovat: Tarvittavien lietteen käsittelylaitteiden suunnittelu Kemikaalien varastoinnin, syöttämisen, putkitusten ja ohjausjärjestelmän suunnittelu KEMIALLINEN SAOSTUS esisaostus Esisaostus etuselkeyttimen yhteydessä Erotustehokkuudet: Kiintoaineelle TSS 80 90 % (ilman kemikaalien syöttöä 50 70 %) BOD:lle 50 80 % (ilman kemikaalien syöttöä 25 40 %) Bakteereille 80 90 % (ilman kemikaalien syöttöä 25 75 %) 26
KEMIALLINEN SAOSTUS heikkoudet Hankala hallittavuus raja-arvojen saavuttamiseksi Kemikaalikustannukset Lisääntyvän lietemäärän käsittely Huonot kuivatusominaisuudet Lisääntyvän lietemäärän loppusijoitus Jälkikäsittelytarve toksisten yhdisteiden poistamiseksi KEMIALLINEN HAPETUS Jäteveden käsittelyssä kemiallinen hapetus tarkoittaa seuraavien hapettimen käyttöä Otsoni O 3 Vetyperoksidi H 2 O 2 Permanganaatti MnO 4 Klooridioksidi ClO 2 Kloori joko Cl tai HOCl Happi 27
NEUTRALOINTI Yleisesti käytettävä kemikaali happamuuden poistoon on kalkki Etuna on sen helppo saatavuus ja edullisuus. Myös natriumhydroksidia (NaOH) ja natriumkarbonaattia (Na 2 CO 3 ) voidaan käyttää Yleensä näiden aineiden käyttö rajautuu pieniin puhdistamoihin, joilla kemikaalitarve on pienempi. Emäksisen jäteveden neutralisointiin käytetään rikkihappoa (H 2 SO 4 ). KEMIKAALIEN VARASTOINTI JA SYÖTTÖ kuiva kemikaalin syöttöjärjestelmä LÄHDE: Tchopanoglous 28
KEMIKAALIEN VARASTOINTI JA SYÖTTÖ Kuivakemikaalin syöttöjärjestelmä Kemikaalin syöttimet voivat perustua joko tilavuuden tai massan mittaamiseen Liuotusoperaatio on kriittisin vaihe Liuotussäiliön kapasiteetti määräytyy viipymäajan mukaan, johon vaikuttaa kemikaalin kastuvuus ja liukenemisnopeus Kemikaalin syöttöpumput pumppaavat kemikaalin liuottamisen jälkeen käyttökohteeseen 29