Metallipitoisten hulevesien puhdistustehokkuuden parantaminen luonnonmateriaaleilla Hulevesitutkimusten katsaus 2016 Lepaa, 11.8.2016 Heini Postila, Tiina Leiviskä, Harshita Gogoi, Oulun yliopisto
Esityksen sisältö Hankkeen esittely Taustaa Luonnonmateriaalit, joita käytetty hulevesien puhdistustestauksissa Kerätyt hulevesinäytteet Laboratoriotestaukset ja niistä saatuja alustavia tuloksia Jatkosuunnitelmat
Projektin perustiedot Nimi: Metallipitoisten hulevesien ja käsiteltyjen jätevesien puhdistustehokkuuden parantaminen luonnonmateriaaleilla (HuJa) Hankkeen toteutusaika: 1.10.2015 30.9.2018 Toteuttajat: Oulun yliopisto: Vesi- ja ympäristötekniikan, Kemiallisen prosessitekniikan ja Ympäristö- ja kemiantekniikan tutkimusyksiköt Hankkeen budjetti: 335 000 3
Projektin perustiedot: Hankkeen rahoittajat ja yhteistyökumppanit: EAKR Pohjois-Pohjanmaan ELY-keskuksen kautta Outokumpu Chrome Oy, Oulun Jätehuolto Oy, Pudasjärven vesiosuuskunta, Taivalkosken Vesihuolto, Oulun Vesi, Pölkky Oy, Kuusamon Energia- ja Vesiosuuskunta, Naturpolis Oy, Kuusamon kaupunki, Vesilaitosyhdistyksen kehittämisrahasto, Maa- ja vesitekniikan tuki ry., Ranuan Vesihuolto Oy, Napapiirin Energia ja Vesi Oy, Vesikolmio Oy, Aquaminerals Finland Oy ja Oulun yliopisto 4
Hankkeen tavoitteet: 1.Tavoitteena on lisätä raskasmetallien puhdistumista mm. raskasmetallipitoisista hule- ja jätevesistä sekä teollisuuden jätevesistä luonnonmineraaleja (kuten savituotteet) ja kehitettäviä modifioituja biomateriaaleja (mm. sahanpuru) käyttämällä. 2.Tavoitteena on selvittää, paljonko erilaisten pajujen kasvatuksella voidaan vähentää käsiteltyjen jätevesien ravinnepitoisuutta (ja raskasmetallipitoisuutta). Samalla selvitetään kuinka paljon parannetaan pajujen kasvua biomassaraaka-aineeksi pohjoisissa olosuhteissa, ja mitkä lajit ovat sopivimpia, kun käsiteltyjä jätevesiä käytetään lannoitteena. 3.Selvittää missä vaiheessa raskasmetallipitoisuuksia olisi mahdollista ja taloudellisinta vähentää, ettei niitä päätyisi niin paljon lietteeseen (liete esim. lannoituskäyttöön sopivaa). 5
Taustaa Hulevesien mukana vesistöihin ja jätevedenpuhdistamoille päätyy raskasmetalleja (mm. Cd, Zn, Hg, Cu, Pb) Raskasmetallien lähteitä mm. ajoneuvojen ja rakennusten korroosio, teiden kuluminen, pakokaasut, teollisuus- ja liikealueiden materiaalien käsittely ja varastointi, rakennustyömaat sekä kuiva- ja märkälaskeuma Kokonaisraskasmetallipitoisuuksia pystytty pidättämään mm. biosuodatusalueiden avulla Raskasmetallien poistaminen on tärkeää hulevesiä vastaanottavien vesistöjen, ja niiden eliöstön sekä puhdistuslaitoksen lietteen laadun kannalta, sillä korkeat pitoisuudet voivat haitata esim. lietteen lannoitekäyttöä. 6
Taustaa Biomassatutkimuksessa on kehitetty suomalaisista raaka-aineista kuten sahanpurusta, turpeesta ja kuorimateriaaleista vedenkäsittelykemikaaleja. Aluksi on keskitytty modifioimaan kationisia materiaaleja, jotka poistavat anionisia yhdisteitä kuten nitraatteja vesistä. Materiaalien modifiointimenetelmien kehitystä on laajennettu tämän jälkeen kationien (kuten metallit) poistoon. Pohjois-Pohjanmaan biotalouden kehittämisstrategian 2015 2020: potentiaalinen ja tarpeellinen kehittämisalue on mm. laajasti saatavilla olevan turvebiomassan tai sahateollisuuden sivuvirtojen jalostus esim. kemikaaleiksi, joilla voisi olla myös laajat markkinapotentiaalit 7
Luonnonmateriaalit, joita käytetty hulevesien puhdistustestauksissa 8 Aquaminerals Oy:ltä saatiin kaksi mineraalituotetta: T5M5 magnetite, PalPower M10 Sahanpuru ja turve valittiin tutkimuksen biomassamateriaaleiksi. Sahanpurun metallien poistokapasiteettia pitää parantaa kun taas turve poistaa metalleja hyvin ilman modifiointia. Turpeen esikäsittely olisi kuitenkin suotavaa, koska turve laskeutuu huonosti. Sahanpurun metallien poistokapasiteettia parannettiin sitruunahappokäsittelyllä. Turpeen esikäsittelyyn testattiin natriumhydroksidia, suolahappoa sekä sitruunahappoa. HClkäsittely (0.2 M, 2 h, 25 C) valittiin jatkoon. Modifioidulle sahanpurulle ja turpeelle on määritetty nikkelin maksimikapasiteetti. Laboratoriotestauksissa on määritetty annoksen, materiaalin ja kontaktiajan vaikutusta metallien pidättymiseen Ni kapasiteetti (mg/g) 30 25 20 15 10 5 0 0 20 40 60 80 100 120 Annos (mg/l) Maksimikapasiteetti: HCl turve ~20 mg Ni /g CA sahanpuru ~10 mg Ni /g
Vedet, joita käytetty puhdistustestauksissa 9 - Oikeita vesinäytteitä on otettu seuraavista paikoista ja analysoitu - Terästeollisuuden prosessista lähtevä vesi - Hulevesiä neljästä eri paikasta: kolme Oulun Ruskon alueelta, yksi Nuottasaaresta - Hulevedet Oulun alueelta sisälsivät testauksia ajatellen vain vähän metalleja. Hulevesi 1 valittiin jatkoon ja laskeutuksen jälkeen siihen lisättiin metalleja (Cr, Cu, Zn). Terästeollisuus Johtokyky (ms/cm) 2.87 ph 7.98 Terästeollisuus suodatettu Kok.N (µg/l) 38000 37000 Kok.P (µg/l) 23 8 Cl (mg/l) 120 110 SO4 (mg/l) 440 440 As (µg/l) 3.1 3.1 Cd (µg/l) 0.04 <0,02 Co (µg/l) 5.1 5.1 Cr (µg/l) 22.1 16.4 Cu (µg/l) 4.8 5.5 Pb (µg/l) 2.7 0.77 Ni (µg/l) 42.4 42.9 Zn (µg/l) 311 242 Hulevesi 1 alkuperäinen Hulevesi 1 laskeutettu Cr, Cu, Zn lisäys Johtokyky (ms/cm) 0.693 ph 7.3 As (µg/l) 0.31 0.11 Cd (µg/l) 0.21 0.61 Co (µg/l) 28.1 27.9 Cr (µg/l) 1.4 78.1 Cu (µg/l) 7.2 62.6 Fe (µg/l) 19100 1260 Pb (µg/l) <0,25 0.074 Ni (µg/l) 95.4 93.9 Zn (µg/l) 77.6 174
Terästeollisuuden prosessista lähtevän veden tulokset annoksen ja materiaalin vaikutus Cr (suodatettu vesi 16.4 µg/l): n. 30-50 % reduktio (paitsi CA sahanpuru vain pieni reduktio). Ni (suodatettu vesi 42.9 µg/l): n. 40-60 % reduktio (paitsi T5M5 magnetite ei reduktiota) Zn (suodatettu vesi 242 µg/l): n. 60 % reduktio biomateriaaleilla. Palpower M10 tuotteella saavutettiin erinomainen sinkin reduktio (n. 100 %). Zn reduktio % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 Materiaali ja annos (g/l)
Terästeollisuuden prosessista lähtevän veden tulokset kontaktiajan vaikutus HCl turve ja Palpower M10 valittiin jatkoon. HCl turve annos 0,5 g/l Palpower M10 annos 0,15 g/l 15 min 30 min 60 min 24 h 15 min 30 min 60 min 24 h HCl turve: kontaktiajalla ei selkeää vaikutusta Ni ja Zn reduktioon. Cr reduktio n. 35 % (15 min) 50 % (24 h). Palpower M10: Reduktiot kasvoi ajan funktiona. Zn reduktio n. 85 % (15 min) 100 % (24 h). 11
Huleveden tulokset annoksen ja materiaalin vaikutus Cr reduktiot n. 70-100 %. Paras tuote Palpower M10. Biomateriaalit toimivat myös hyvin. Ni reduktiot n. 10-85 %. Paras tuote Palpower M10. T5M5 magnetite kasvatti nikkelipitoisuutta. NIKKELI KROMI CA sahanpuru HCl turve T5M5 magnetite Palpower M10 HCl turve CA sahanpuru Palpower M10 12
Huleveden tulokset annoksen ja materiaalin vaikutus Zn reduktiot n. 5-100 %. Paras tuote Palpower M10. Cu reduktiot n. 45-95 %. Paras tuote Palpower M10, mutta biomateriaalitkin toimivat hyvin. KUPARI SINKKI T5M5 magnetite CA sahanpuru Palpower M10 HCl turve T5M5 magnetite Palpower M10 CA sahanpuru HCl turve 13
Huleveden tulokset kontaktiajan vaikutus biomateriaaleilla CA sahanpuru, annos 0.5 g/l HCl turve annos 0,5 g/l 15 min 30 min 60 min 24 h 15 min 30 min 60 min 24 h Reduktiot kasvavat kontaktiajan kasvaessa, mutta esim. kromille 15 min kontaktiaika jo hyvä. Biomateriaalien tehokkuus kuparille kasvaa selkeästi ajan funktiona. 14
Huleveden tulokset kontaktiajan vaikutus mineraaleilla T5M5 magnetite annos 0,2 g/l Palpower M10, annos 0,1 g/l 15 min 30 min 60 min 24 h 15 min 30 min 60 min 24h T5M5 magnetite: Cr ja Cu reduktiot pääasiassa paranevat ajan myötä, mutta 15 min aika on jo hyvä kromille. Palpower M10: 15 min riittävä kromille ja sinkille. 15
Jatkosuunnitelmat Laboratoriotestauksia jatkettaneen kolonnikoetestauksin loppusyksystä 2016 (2 vettä, 2 materiaalia (Palpower M10 ja jompikumpi biomassamateriaaleista) 2017-2018 on tarkoitus tehdä pilottitestiä luonnossa Tarkemmat testattavat rakenteet päätetään laboratoriotutkimusten perusteella Sopivista paikoista keskustellaan yhteistyökumppaneiden ja mahdollisten muiden sopivista kohteista tietävien kanssa 16
17 Kiitos!