Oulun pohjavesihankkeen vesien käsittelyn ja johtamisen ratkaisut

Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Vesi- ja ympäristötekniikan laboratorio Diplomityö Oulun pohjavesihankkeen vesien käsittelyn ja johtamisen ratkaisut Oulussa 16.5.2011 Tekijä: Antti Pesonen Työn valvoja: Jarmo Sallanko Tekniikan tohtori Työn ohjaaja: Kari Pellikka Diplomi-insinööri

OULUN YLIOPISTO Teknillinen tiedekunta Tiivistelmä opinnäytetyöstä Osasto Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Tekijä Pesonen, Antti Sakari Työn nimi Laboratorio Vesi- ja ympäristötekniikan laboratorio Työn valvoja Sallanko J, Lab. Ins. Oulun pohjavesihankkeen vesien käsittelyn ja johtamisen ratkaisut Oppiaine Työn laji Aika Sivumäärä Vesitekniikka Diplomityö Toukokuu 2011 115s., 16s., 9 liitelehteä Tiivistelmä Oulun kaupungin vedenjakelu on tällä hetkellä kaupungin läpi virtaavan Oulujoen varassa. Maa- ja metsätalousministeriön erityistilannetyöryhmän toimenpide-esityksessä vesihuoltolaitokset velvoitetaan parantamaan toimintavarmuuttaan varmuusluokkaan II vuoteen 2012 mennessä. Oulun vedenhankinta on nykyään turvallisuusluokituksen alimmassa III-luokassa vaihtoehtoisen raakavesilähteen puuttumisen vuoksi. Vedenhankinnan varmistamiseksi kaikissa olosuhteissa ja poikkeustilanteisiin varautumisen vuoksi Oulussa pyritään siirtymään pohjaveden käyttöön. Kaupungin tarpeisiin riittävästi pohjavettä on Viinivaara-Kälväsvaaran pohjavesialueella, Oulun itäpuolella vajaan sadan kilometrin päässä. Tämän pohjavesialueen lisäksi pohjavettä tultaisiin ottamaan Ylikiimingin seitsemältä pohjavesialueelta. Tässä työssä pyrittiin varmistamaan pohjavesien käsittelyn tarve koepumppausten yhteydessä otettujen vesinäytteiden perusteella. Veden laadun perusteella lähtökohtana on, että Viinivaara- Kälväsvaaran pohjavesialueen pohjavedet tarvitsevat kovuuden ja ph:n nostamisen ennen verkostoon johtamista. Ylikiimingin alueen pohjavedet ovat laadultaan vaihtelevampia ja vesistä on varauduttava poistamaan rautaa ja mangaania. Myös Ylikiimingin vedet tarvitsevat ph:n ja kovuuden noston. Käsittelyn tarpeen selvittyä on voitu tarkastella vaihtoehtoja pohjavesien johtamiseksi Oulun kaupunkiin. Vaihtoehdoissa ratkaisevaa on pohjavesien käsittelyn sijainti. Pohjavedet voidaan joko alkaloida kalkkikivisuodatuksella ennen Oulua tai johtaa Hintan vedenpuhdistamon selkeytyssuodatus prosessin läpi. Työssä on tehty mitoitustarkastelut ja paineiskulaskelmat eri vaihtoehtojen veden siirtolinjoille. Lisäksi on tarkasteltu turbiinin sijoittamista siirtolinjalle, Hintan vedenpuhdistamon käyttöä vedenoton varalaitoksena ja johtamisvaihtoehtojen investointikustannuksia. Pitkän siirtolinjan hydrauliikan hallittavuuden ja painetasojen alenemisen vuoksi alkalointilaitoksen ja ylävesisäiliön rakentaminen Oulun ulkopuolelle on kannattavaa. Tällöin veden johtaminen painovoimaisesti Oulun vesijohtoverkostoon ja lähialueille on mahdollista. Lisäksi hiljaisen kulutuksen aikana vesitornien täyttäminen onnistuu painovoimaisesti. Varalaitokseksi jäävän Hintan pintavedenpuhdistamon ylläpito voidaan toteuttaa puhdistamalla pientä määrää Oulujoen vettä, jotta laitoksen prosessit pysyvät toimintakunnossa. Varalaitoksen toiminnasta tulee jatkossa tehdä tarkemmat selvitykset ja koekäytöt, jotta prosessin toiminta saadaan varmistettua, mikäli joudutaan siirtymään pintaveden käyttöön. Säilytyspaikka Oulun Yliopisto, Tiedekirjasto Tellus Muita tietoja

UNIVERSITY OF OULU Faculty of technology Abstract of thesis Department Department of Process and Environmental Engineering Author Pesonen, Antti Sakari Laboratorio Water Resources and Environmental Engineering Laboratory Supervisor Sallanko J, Lab. eng. Name of the thesis Water treatment and distribution solutions of the Oulu groundwater project Subject Level of studies Date Number of pages Water Resources 115 p., 16 p., 9 Master s Thesis April 2011 Engineering appendices Abstract The water supply of the city of Oulu is currently dependent of Oulu river, which flows through the city. The proposal of action for states of emergency devised made by a work group within the Ministry of Agriculture and Forestry obligates the water supply and sewerage systems to improve their operational reliability to safety level II by 2012. At the present moment, the water supply in Oulu is in the lowest level of III. In order to secure the water management and supply in every circumstance and prepare for a state of emergency, the city of Oulu pursuits to use of groundwater. There is enough groundwater for the needs of the city in a groundwater basin Viinivaara-Kälväsvaara, one hundred kilometers east of Oulu. In addition to this groundwater basin, groundwater will be pumped from seven different groundwater basins in Ylikiiminki area. In this thesis, the need for groundwater treatment was ensured by water samples taken during pumping tests. Based on the quality of water, the starting point is that the hardness and ph of the groundwater from Viinivaara-Kälväsvaara-area need to be increased before distributing the water to the network. The groundwater quality in Ylikiiminki area is more variable and iron and manganese must be prepared to be removed from the water. The ph and hardness of the groundwater in Ylikiiminki also need to be increased. After the need for treatment is clarified, it is possible to consider options for leading groundwater to Oulu. The decisive point in the different options is the location of groundwater treatment. Groundwater can be alkalized with limestone filtration before Oulu or the water can be led through the clarification-filtration process of Hintta water purification plant. Dimensioning and water hammer calculations for different options and different water transmission lines have been made in this thesis. In addition, the possibility to place a turbine in the water transmission line, the use of Hintta water purification plant as a backup for water distribution and the investment costs for different options to distribute groundwater have also been examined. For gaining better control of hydraulics and decreasing pressure levels, it is reasonable to build an alkalizing plant and a header tank outside of Oulu. This makes it possible to distribute water by gravity to the water supply network in Oulu and nearby areas. In addition to this, during small water consumption the water towers can be filled by using gravitational forces. As the Hintta water purification plant remains as a backup plant, it must be maintained by purifying a small amount of water from Oulu river to keep the processes of the plant in operation. In the future, more specific studies and tests of the operations of the backup plant must be carried out to ensure the functioning of the processes, in case the maximum capacity of the plant needs to be reinstated. Library location University of Oulu, Science Library Tellus Additional information

ALKUSANAT Diplomityö on tehty 1.6.2010 31.3.2011 välisenä aikana. Työn rahoitukseen ovat osallistuneet Oulun Vesi ja Maa- ja Vesitekniikan tuki ry, joita haluan kiittää työn mahdollistamisesta. Suuret kiitokset työn ohjaajalle, Oulun Veden verkostopäällikkö Kari Pellikalle tuesta ja opastuksesta. Työn valvojaa, Jarmo Sallankoa haluan kiittää asiantuntemuksesta ja kommenteista työn aikana. Kiitokset myös Oulun Veden verkostoinsinööri Tero Kilpeläiselle uusien ideoiden ja näkökulmien tuomisesta työhöni, sekä koko Oulun Veden hallintorakennuksen henkilökunnalle saamastani avusta ja tuesta. Erityiskiitos rakkaalle vaimolleni tuesta ja ymmärryksestä diplomityön tekemisen ja opintojeni aikana.

LYHENNE- JA TERMILUETTELO adsorptio alkaliteetti akviferi prosessi, jossa aine muodostaa ohuen kalvon kiinteän aineen pintaan veden puskurikyky, eli kyky neutraloida happoja pohjavesiesiintymä autokatalyyttinen reaktio itseään katalysoiva reaktio, jossa syntyneet reaktiotuotteet toimivat katalyytteinä samalle reaktiolle Eh huipputuntikäyttö hydratoituminen karbonaattikovuus kavitaatio keskimääräinen vuorokausikäyttö PE redox-potentiaali redox-potentiaali (Q hmax ) suurimman vuorokausikäytön aikainen keskimääräinen tuntikäyttö kerrottuna suurimmalla tuntikäyttökertoimella vesimolekyylien kiinnittyminen ioniin dipoli-ionisidoksin kertoo vedessä olevien karbonaatti- ja bikarbonaatti-ionien määrän nesteen höyrystyminen paineen laskun seurauksena (Q dkeskim ) veden ominaiskäyttö kerrottuna vedenkäyttäjien lukumäärällä polyeteeni hapetus-pelkistys-potentiaali, eli aineen luontainen kyky vastaanottaa tai luovuttaa elektroneja suurin (Q dmax ) keskimääräinen vuorokausikäyttö kerrottuna vuorokausikäyttö suurimmalla vuorokausikäyttökertoimella synkliininen VVY vettä ympäristöstään keräävä pohjavesimuodostuma vesi- ja viemärilaitosyhdistys

SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ ABSTRACT ALKUSANAT LYHENNE- JA TERMILUETTELO ALKUSANAT... 4 LYHENNE- JA TERMILUETTELO... 5 1 JOHDANTO... 9 2 OULUN POHJAVESIHANKE... 10 2.1 Oulun kaupungin vedenkulutus nyt ja tulevaisuudessa... 12 3 RAAKAVESILÄHTEET JA TALOUSVEDEN LAATUVAATIMUKSET... 14 3.1 Pintavesi... 14 3.2 Pohjavesi... 14 3.3 Talousveden laatuvaatimukset ja -suositukset... 15 3.3.1 Terveydelliset laatuvaatimukset... 15 3.3.2 Käyttökelpoisuuteen perustuvat laatusuositukset... 16 3.4 Talousveden desinfioinnin sivutuotteet... 16 4 HYDRAULIIKKAA... 18 4.1 Virtaushäviöiden laskenta... 18 4.2 Paineiskun teoriaa... 19 5 POHJAVEDEN KÄSITTELY... 22 5.1 Alkalointi... 22 5.1.1 Kalkkikivialkalointi... 25 5.2 Raudan ja mangaanin aiheuttamat ongelmat talousvedessä... 29 5.3 Raudan poisto pohjavedestä... 30 5.3.1 Kemiallinen raudanpoisto... 30 5.3.2 Biologinen raudanpoisto... 32 5.4 Mangaaninpoisto pohjavedestä... 35 5.4.1 Kemiallinen mangaaninpoisto... 36 5.4.2 Biologinen mangaaninpoisto... 38

5.4.3 Raudan- ja mangaaninpoisto kalvosuodatuksella... 40 6 VIINIVAARAN JA YLIKIIMINGIN POHJAVESIEN LAADUN TARKASTELU... 43 6.1 Viinivaaran pohjavesialue... 43 6.2 Ylikiimingin harjujakso... 49 6.3 Yhteenveto Viinivaaran ja Ylikiimingin pohjavesien käsittelyn tarpeesta... 54 7 KÄYTETTÄVISSÄ OLEVA PUHDASVESITILAVUUS JA HINTAN VEDEN- PUHDISTAMON VARALAITOSKÄYTTÖ... 58 7.1 Hintan prosessin lyhyt kuvaus... 59 7.2 Nykyinen puhdasvesiallaskapasiteetti ja sen lisääminen... 59 7.2.1 Kurkelanrannan vedenpuhdistamon allastilavuuden kasvattaminen... 60 7.2.2 Hintan vedenpuhdistamon lisäaltaan rakentaminen... 61 7.2.3 Juminkankaan allas ja siirtolinjan lisätilavuus... 61 7.3 Ylläpito pintavedellä... 62 7.4 Ylläpito pohjavedellä... 64 7.4.1 Koko pohjavesimäärän käsittely pintavedenpuhdistusprosessissa... 64 7.4.2 Ylikiimingin harjujakson pohjavesien käsittely pintavedenpuhdistusprosessissa... 65 7.5 Muita vaihtoehtoja ylläpidolle... 68 7.5.1 Suljettu kierto... 68 7.5.2 Puhdistustehon pienentäminen... 68 8 POHJAVEDEN KÄSITTELYN JA JOHTAMISEN VAIHTOEHTOTARKASTELU... 69 8.1 VE1: Pohjavesien käsittely Hintan vesilaitoksella... 69 8.1.1 Vedenjakelu ja allastusjärjestelyt... 69 8.1.2 Siirtojohto Viinivaara-Hintta... 74 8.1.3 Siirtojohto Puolivälinharju-Hintta... 78 8.1.4 Investointikustannukset... 80 8.2 VE2: Pohjavesien käsittely pohjavesialueilla... 81 8.2.1 Viinivaara... 82 8.2.2 Ylikiiminki... 83 8.2.3 Viinivaaran ja Ylikiimingin kalkkikivialkalointien mitoitus... 83 8.2.4 Siirtojohtojen mitoitus... 86 8.2.5 Investointikustannukset... 86 8.3 VE3: Alkalointilaitoksen ja ylävesisäiliön sijoittaminen Juminkankaalle... 87 8.3.1 Vedenjakelu ja allastusjärjestelyt... 88

8.3.2 Siirtojohto Viinivaara-Juminkangas... 89 8.3.3 Siirtojohto Puolivälinharju-Juminkangas... 91 8.3.4 Siirtojohto Juminkangas-Hintta... 92 8.3.5 Investointikustannukset... 94 8.4 VE4a: Viinivaaran pohjavesien alkalointi pohjavesialueella ja Ylikiimingin pohjavesien käsittely Hintan laitoksella... 95 8.4.1 Vedenjakelu ja allastusjärjestelyt... 96 8.4.2 Siirtojohto Puolivälinharju-Hintta... 96 8.4.3 Investointikustannukset... 98 8.5 VE4b: Viinivaaran pohjavesien alkalointi Juminkankaalla ja Ylikiimingin pohjavesien käsittely Hintan laitoksella... 99 8.5.1 Vedenjakelu ja allastusjärjestelyt... 99 8.5.2 Siirtojohto Juminkangas-Hintta... 100 8.5.3 Investointikustannukset... 101 9 VAIHTOEHTOJEN VERTAILU... 103 10 JOHTOPÄÄTÖKSET JA JATKOTUTKIMUKSET... 106 LÄHDELUETTELO... 109 LIITTEET Liite 1. Liite 2. Liite 3. Liite 4. Liite 5. Liite 6. Liite 7. Liite 8. Liite 9. Johtolinjojen alustava sijaintikartta Talousveden laatuvaatimukset ja suositukset Nomogrammi ph s -arvon määrittämiseen VE1: Laskelmat turbiinin käyttömahdollisuuksista siirtolinjalla Viinivaara-Hintta VE1: Siirtojohtojen painekäyrästöt VE3: Siirtojohtojen painekäyrästöt VE3: Laskelmat turbiinin käyttömahdollisuuksista siirtolinjalla Viinivaara- Juminkangas VE3: Paineiskulaskelmat siirtolinjalla Puolivälinharju-Juminkangas VE3: Paineiskulaskelmat siirtolinjalla Juminkangas-Hintta

9 1 JOHDANTO Oulun kaupungin vedenhankinta perustuu nykyisin Oulujoen veden käyttöön, jonka lisäksi muutama prosentti otetaan Hangaskankaan pohjavesialueelta. Oulun Veden tavoitteena on varmistaa asukkaille ja toimijoille valtakunnallisten tavoitteiden mukaisesti hyvälaatuista vettä. Tulevaisuudessa tämä pyritään takaamaan siirtymällä pohjaveden käyttöön ja jättämällä kaupungin läpi virtaava Oulujoki varavesilähteeksi.. Pohjavettä on Oulun kaupungin tarpeisiin riittävästi Viinivaaran pohjavesialueella, joka sijaitsee Oulun itäpuolella, vajaan 100 km päässä. Tämän hetken suunnitelman mukaan Viinivaarasta tultaisiin pumppaamaan pohjavettä kuudesta pohjavesiesiintymästä Viinivaaran ja Kälväsvaaran alueelta. Lisäksi pohjavettä otetaan Ylikiimingistä seitsemältä pohjavesialueelta. Pohjavesialueilta vesi johdetaan edelleen siirtolinjoja pitkin Ouluun. Yleiskartta pohjaveden johtamisesta on esitetty liitteessä 1. Alustavien tutkimusten mukaan Viinivaaran alueen pohjavesi on hyvälaatuista ja vaatii vain alkaloinnin ph:n ja kovuuden nostamiseksi. Ylikiimingin pohjavedet sisältävät kuitenkin rautaa ja mangaania, joten ne täytyy käsitellä. Tässä työssä käydään läpi pohjaveden laatutiedot pohjavesialueilla tehtyjen koepumppausten aikana otettujen näytteiden perusteella. Laadun perusteella esitetään vesien käsittelyn tarve ja mahdolliset käsittelyratkaisut. Käsittelytarpeen perusteella työssä tarkastellaan vaihtoehtoja veden johtamiseksi Ouluun. Vaihtoehdoille on laadittu pohjaveden siirtolinjojen hydrauliset tarkastelut, paineiskulaskelmat ja investointikustannuslaskelmat. Vaihtoehtotarkastelussa mukana on myös Hintan vesilaitoksen käyttö vedenoton varajärjestelmänä.

10 2 OULUN POHJAVESIHANKE Oulun kaupunki on kartoittanut mahdollisuuksia pohjaveden käyttöön siirtymiseksi jo 80-luvulta saakka. Käynnistävänä voimana näille selvityksille oli tuolloin talousveden laadussa esiintynyt vaihtelu. Sittemmin 90-luvun vesilaitossaneerausten jälkeen talousveden laatu on pysynyt hyvänä kaikkina vuodenaikoina. Saneerausten valmistuttua pohjaveden käyttöön siirtymistä on selvitetty lähinnä pintavesilähteen riskialttiuden ja vedenhankinnan varmuuden parantamiseksi kaikissa olosuhteissa. Pintaveden käytön estyessä on vedenjakelun taso nykyisellä järjestelmällä huono. Käytettävinä pohjavesialueina on tarkasteltu Viinivaara-Kälväsvaara aluetta ja Ylikiimingin harjujaksoa (Kuva 1). Viinivaara-Kälväsvaaran pohjavesiesiintymä on suurin yhtenäinen pohjavesilähde kohtuullisella etäisyydellä Oulun kaupungista. Tehtyjen pohjavesiselvitysten mukaan korvaavaa yhtenäistä pohjavesialuetta ei ole 100 km:n etäisyydellä Oulusta. (Jaakko Pöyry Infra 2006) Kuva 1. Viinivaara-Kälväsvaaran pohjavesialueen ja Ylikiimingin harjujakson sijainti. Oulun kaupunki käyttää tällä hetkellä vedenhankintaan Oulujoen pintavettä. Muutama prosentti verkostoon pumpattavasta vedestä on pohjavettä Hangaskankaan pohjavesialueelta. Tämä pohjavesi sekoitetaan pintaveteen ja osa johdetaan pohjavesiposteihin. Mikäli Oulujoen veden laatu heikentyisi äkillisesti eikä sitä voitaisi käyttää vedenhankintaan, seurauksena olisi vakavia puutteita vedenjakelussa, koska korvaavaa raakavesilähdettä ei ole tällä hetkellä käytössä. Tästä syystä Oulun vedenhankinta on

11 Maa- ja metsätalousministeriön erityistilannetyöryhmän turvallisuusluokituksen alimmassa III-luokassa. Luokitus perustuu poikkeustilanteessa asutukselle jäävään vesimäärään sairaaloiden, elintarviketeollisuuden yms. laitosten vedentarpeen turvaamisen jälkeen (Taulukko 1). Taulukko 1. Vesihuoltolaitosten varmuusluokitus (Maa-ja metsätalousministeriö, 2005, 74). Luokka Talousvettä käytettävissä [l/as/d] Luokka Pesu/huuhteluvettä käytettävissä lisäksi [l/as/d] I > 120 II 50 120 II+ >120 III >50 III+ >120 Erityistilannetyöryhmän toimenpide-esityksessä vesihuoltolaitokset velvoitetaan parantamaan toimintavarmuuttaan vähintään luokkaan II vuoteen 2012 mennessä. Oulun seudun väestönkasvun on arvioitu säilyvän nopeana ja väkiluvun arvioidaan kasvavan vuoteen 2020 mennessä nykyisestä 214 000:sta 221 700:aan. Kasvu painottuu Ouluun ja Oulun ympäryskuntiin. (Suomen virallinen tilasto, 2010) Lapissa ja Pohjois-Pohjanmaalla vedenhankinta perustuu pohjaveteen. Tällä hetkellä Oulun kaupunki on ainoa pintavettä käyttävä kunta alueella. Hankkeen lähtökohta on vedenhankinnan varmistaminen kaikissa olosuhteissa, varmuuden parantaminen ja poikkeustilanteisiin varautuminen. Oulun Veden toimintaan liittyvät riskit ovat suurimmat juuri vedenhankinnan osalta. Oulujoen vedenkäyttö voi estyä onnettomuuden tai poikkeustilanteissa saastumisen tai vaurioiden vuoksi. Joen yläjuoksulla toimivat jäteveden puhdistamot muodostavat hygieniariskin raakavedelle. Myös rehevöityminen, sinilevät ja torjunta-aineet asettavat kovat vaatimukset veden käsittelyn tehokkuudelle. Joen yläjuoksulla toimivilta teollisuuslaitoksilta voi päästä vesiin kemiallisia päästöjä, jolloin jokiveden käyttö raakavetenä voi väliaikaisesti estyä. Joen ylittävillä silloilla voi myös tapahtua onnettomuus, jonka seurauksena jokeen pääsee kemikaaleja, esimerkiksi kemikaalikuljetuksen valuttua jokeen. Myös joen rannalla kulkevan siirtoviemärin rikkoutuminen voi aiheuttaa väliaikaisen jokiveden käytön estymisen. Siirtymällä riskittömämmän pohjaveden käyttöön saadaan vedenhankinta varmistettua kahdella, eri lähteisiin perustuvalla vedenotolla.

12 Hyvälaatuisen raakaveden turvaaminen on osaltaan myös Oulun kaupungin strategiaa, jossa kaupunki pyrkii tarjoamaan asukkaiden tarpeista lähtevät maan kehittyneimmät palvelut. Vedenhankinnassa sen tulisi merkitä pohjaveden käyttöön pyrkimistä, joka on raakavesilähteenä pintavettä parempi ja turvallisempi. Oulun nykyinen pintaveden käsittelyjärjestelmä edustaa uusinta tekniikkaa, eikä merkittävää vedenlaadun parantumista saada enää aikaan käsittelyprosessia kehittämällä. (Oulun Vesi, 2009a, 7) Oulun Veden yhteistyö ympäristökuntien pohjavettä käyttävien vesilaitosten kanssa on ollut vähäistä, johtuen pintaveden käytöstä vesilähteenä. Verkostojen yhdistäminen ei ole ollut mahdollista veden laatueroista johtuen, jotka aiheuttavat putkistossa esimerkiksi sakkojen irtoamisia. Pohjaveden käyttöön siirtyminen edistäisi vedenjakeluyhteistyötä poikkeustilanteiden lisäksi jokapäiväisessä toiminnassa. Vedenhankinnan valtakunnallisena päämääränä on parantaa vesihuoltolaitosten toimintavarmuutta ja yhdyskuntien talousveden laatua edistämällä pohjavesivarojen hyödyntämistä, varavedenottamoiden rakentamista ja verkostojen yhdistämistä (Isomäki ym. 2007, 10). Oulun alueella tehtiin kuuden kunnan kuntajakoselvitys, jonka seurauksena Haukiputaan, Kiimingin, Oulun, Oulunsalon ja Yli-Iin kunnat lakkautetaan 31.12.2012 ja yhdistetään perustamalla uusi kunta 1.1.2013. Uusi kunta on nimeltään Oulu. Kuntaliitos tuo lisää haastetta vedenjakeluyhteistyön lisäämiseksi. Yhteisen vesihuoltoorganisaation suunnittelu onkin paraikaa käynnissä. Tulevaisuudessa esimerkiksi vesijohtoverkostojen yhdistäminen olisi mahdollista, jos koko alueella käytettäisiin pohjavettä. Tämä helpottaisi myös kunnossapidon toteuttamista. 2.1 Oulun kaupungin vedenkulutus nyt ja tulevaisuudessa Vuoden 2009 lopussa Oulun kaupungissa oli noin 139 000 asukasta, ja keskimääräinen veden vuorokausikulutus oli 27 145 m 3 /d. Kaupungin vedenkulutus oli laskussa 1990- luvun loppuun saakka asukasmäärän voimakkaasta kasvusta huolimatta (kuva 2).

13 30500 30000 29500 29000 m³/d 28500 28000 27500 27000 26500 26000 1993 1998 2003 2008 Kuva 2. Oulun kaupungin keskimääräinen vedenkulutus (Oulun Vesi 1993 2009). Kulutuksen pienentyminen on kuitenkin tasaantunut. Sen sijaan väestön kasvu on ollut ennakoitua voimakkaampaa ja kaupungin väkiluvun ennustetaan kasvavan vuoteen 2020 mennessä 150 000:een. Ominaiskulutuksen ennakoidaan säilyvän nykyisellä tasolla, mutta pitemmällä aikavälillä vedenkulutuksen ennustetaan kääntyvän kasvuun väestön kasvun seurauksena. Vedenkulutuksen ennustetaan nousevan seuraavasti: Taulukko 2. Oulun kaupungin vedenkulutusennuste vuodelle 2020. Asukasmäärä 150 000 Ominaiskulutus [l/as/d] 220 Keskimääräinen kulutus [m³/d] 33 000 Suurin kulutus [m³/d] 39 000 Pienin kulutus [m³/d] 23 000 Kulutusennusteen perusteella arvioitu vedentarve vuonna 2020 on 33 000 m 3 /d. Kulutusennusteeseen perustuva vedenoton määrä Oulun pohjavesihankkeessa on 32 500 m 3 /d. Tämä määrää jakaantuu Viinivaara-Kälväsvaara alueelle, josta otetaan 27 000 m 3 /d ja Ylikiimingin harjujaksolle, josta pumpattava vesimäärä on 5 500 m 3 /d.

3 RAAKAVESILÄHTEET JA TALOUSVEDEN LAATU- VAATIMUKSET 14 Talousvettä valmistetaan Suomessa sekä pinta- että pohjavedestä. Noin 39 % vesilaitosten toimittamasta vedestä on pintavettä ja 61 % pohjavettä. Vettä on Suomessa saatavilla riittävästi yhdyskuntien vedenhankintaa ajatellen, mutta hyvälaatuista raakavettä voidaan joutua johtamaan kaukaa tai sitä joudutaan valmistamaan heikkolaatuisesta raakavedestä. 3.1 Pintavesi Suomen pintavesille on luonteenomaista korkea orgaanisen aineksen määrä, joka ilmenee veden tummana värinä ja happamuutena. Korkeat humuspitoisuudet ovat ongelmana varsinkin järvissä, joista Suomessa noin 60 % on humuspitoisia. Lisäksi pintavedet ovat pehmeitä, eli niillä on pieni elektrolyyttipitoisuus. Tämä johtuu maa- ja kallioperän vähäisestä liukenevien yhdisteiden määrästä. Pintavesien puskurikyky on myös pieni, joten ne voivat olla syövyttäviä. Humuksen lisäksi pintavedelle tyypillistä happamuutta aiheuttavat maa- ja kallioperän happamat kivilajit. (Suomen ympäristökeskus, 2010) Pintavesi on alttiimpaa likaantumiselle kuin pohjavesi. Usein pintavesilähteen yläjuoksulla saattaa sijaita jätevedenpuhdistamoita ja muita hygieniariskin aiheuttajia. Lisäksi rehevöityminen, syanobakteerit (sinilevät), torjunta-aineet ja mahdolliset onnettomuudet asettavat myös omat vaatimuksensa veden käsittelylle. Varsinkin joet ja pienet järvet ovat hankalia raakavesilähteitä, koska niissä veden laatu ja määrä vaihtelevat voimakkaasti vuodenajan ja sään mukaan. Edellä mainituista syistä johtuen pintavedestä talousvettä valmistavat vesilaitokset ovat Suomessa yleensä kooltaan isoja ja niissä on täydellinen kemiallinen käsittely. (Suomen ympäristökeskus, 2010) 3.2 Pohjavesi Suomen pohjavesivarannot ovat varsin runsaat. Vedenhankinnan kannalta parhaat pohjavesivarat sijaitsevat lajittuneissa sora- ja hiekkakerrostumissa. Niiden pohjavesi on varsin happipitoista sekä hyvälaatuista ja sitä on saatavilla runsaasti vedenhankintaa ajatellen. Rannikkoa kohden siirryttäessä pohjaveden määrä vähenee. Tästä syystä

Suomen rannikkoalueilla joudutaan hyödyntämään savikerrosten alaisia ja niukkahappisia rauta- ja mangaanipitoisia vesiä. 15 Pohjaveden ominaisuuksiin vaikuttavat sadeveden laatu, sääolosuhteet, maaperän ominaisuudet ja ihmisen toiminta. Pohjavesissä on pintavesiä enemmän liuenneita aineita. Kovuus on kuitenkin pieni. Kovuus on enimmäkseen bikarbonaattikovuutta, mutta vedet ovat silti yleisesti ottaen aggressiivisia suuren hiilidioksidipitoisuuden vuoksi. Pohjavesissä esiintyvä rauta on usein bikarbonaattimuodossa, mutta jos vesi sisältää orgaanista ainesta, voi rauta sitoutua kompleksisiksi yhdisteiksi. Tällöin rauta lisää veden väriä. Pohjaveden korkea rauta- ja mangaanipitoisuus voi johtua siitä, että pohjaveden pinta on niin lähellä maanpintaa, ettei saostumista ehdi tapahtua. Muita vaikuttavia tekijöitä ovat maaperän korkea Fe- ja Mn-pitoisuus ja hapettomissa olosuhteissa, esimerkiksi savikerroksen alla, saostuneiden rautayhdisteiden muuttuminen liukoiseen muotoon. (Karttunen, 2004, 256 257) Suomen maa- ja kivilajikoostumus aiheuttaa sen, että pohjavedet ovat tyypillisesti pehmeitä ja happamia. Hapan vesi aiheuttaa syöpymistä vesijohtoverkostossa. Siksi hyvänlaatuisiakin pohjavesiä joudutaan yleensä käsittelemään, ennen kuin niitä voi käyttää talousvetenä. 3.3 Talousveden laatuvaatimukset ja -suositukset Sosiaali- ja terveysministeriön asetus talousveden laatuvaatimuksista ja valvontatutkimuksista (461/2000) astui voimaan 26.5.2000. Asetus perustuu Euroopan Unionin neuvoston 3.11.1998 antamaan direktiiviin (98/83/EY) ihmisten käyttöön tarkoitetun veden laadusta. Asetuksessa annetaan talousvedelle laatuvaatimukset ja laatusuositukset. Laatuvaatimukset on määritetty terveydellisin perustein ja laatusuositukset perustuvat veden käyttökelpoisuuteen. 3.3.1 Terveydelliset laatuvaatimukset Turvallisen talousveden laatuvaatimusten määrittelyn lähtökohtana on, ettei talousveden käyttö tavanomaisina määrinä aiheuta terveydellisiä riskejä. Tällä perusteella on asetettu talousvedessä esiintyvien ihmisille haitallisten aineiden enimmäispitoisuudet. Pitoisuuk-

16 sia ei pidä kuitenkaan tulkita tavoitepitoisuuksiksi, vaan näiden aineiden määrän vedessä tulee olla niin vähäinen, kuin on käytännössä mahdollista. Enimmäispitoisuuksien määrittelyssä on käytetty varmuusmarginaalia, jolla on otettu huomioon yksilöiden väliset herkkyyserot veden sisältämille aineille ja kohtuulliset vaihtelut vedenkulutuksessa. Asetus talousveden terveydellisistä laatuvaatimuksista on esitetty liitteen 2 taulukoissa 1 ja 2. (Vesi- ja viemärilaitosyhdistys, 2009, 6) 3.3.2 Käyttökelpoisuuteen perustuvat laatusuositukset Laatusuositukset talousvettä toimittavien laitosten toimittamalle talousvedelle on esitetty liitteessä 2, taulukossa 3. Laatusuositukset ovat osoitinmuuttujien tavoitteellisia enimmäisarvoja, eivätkä laatuvaatimuksia, eikä niiden raja-arvoja ole asetettu terveydellisin perustein. Suositusten tehtävänä on välillisesti osoittaa veden terveydellistä laatua. Raja-arvojen ylittyessä on otettava selvää, onko veteen päässyt terveyshaitan aiheuttavia aineita tai taudinaiheuttajia. (Vesi- ja viemärilaitosyhdistys 2009, 10) Suomessa ongelmallisimpia teknis-esteettisiä laatumuuttujia ovat rauta ja mangaani, sillä niitä esiintyy maassamme varsin yleisesti, etenkin pohjavedessä. Lisäksi ph-arvo on usein niin alhainen, että sitä joudutaan nostamaan. Vesi ei saa olla haitallisessa määrin syövyttävää. Jos kloridipitoisuus ylittää 25 mg/l, mikä on enimmäispitoisuus, se ei välttämättä lisää veden syövyttävyyttä. Tämä riippuu veden muista laatuominaisuuksista. (Vesi- ja viemärilaitosyhdistys 2009, 12) Monen muuttujan osalta tavoitetasoksi on asetuksessa määritelty ei epätavallisia muutoksia. Näille muuttujille ei ole EU:n tasolla katsottu järkeväksi asettaa yhteneviä tavoitetasoja, johtuen niiden indikatiivisesta luonteesta. Epätavallinen muutos tavanomaisesta tasosta voi merkitä terveyttä uhkaavaa laatuhäiriötä, joka on selvitettävä. Tavanomainen taso on tarkasteltavan laatumuuttujan normaalipitoisuus. Normaalipitoisuus vaihtelee laitoksittain. (Vesi- ja viemärilaitosyhdistys 2009, 12) 3.4 Talousveden desinfioinnin sivutuotteet Klooridesinfioinnin sivutuotteita on tutkittu 1970-luvulta saakka. Ensimmäisenä huomattiin kloorauksen yhteydessä muodostuvan trihalometaaneja (THM), joista kloroformi on todettu syöpää aiheuttavaksi, eli karsinogeeniseksi. Suomessa tutkimus

17 käynnistyi toden teolla 80-luvulla, jolloin desinfioinnin sivutuotteita alettiin löytää yhä enemmän. Nykyisin on tiedossa 600 700 eri sivutuotetta, eri tavoilla desinfioiduista talousvesistä. Tutkimusten seurauksena vedenkäsittelyprosesseja kehitettiin Suomessa 80- ja 90-luvuilla, jolloin tehostettiin orgaanisen aineksen poistoa ja luovuttiin esikloorauksesta. Vesilaitokset alkoivat myös siirtyä entistä enemmän pohjaveden käyttöön. Lisäksi otettiin käyttöön vaihtoehtoisia esi- ja jälkidesinfektantteja, kuten otsoni, klooriamiini, klooridioksidi ja UV-valo. (Rantakokko 2010; Vartiainen 2007) Kloorauksessa syntyy epäpuhtauksia, kun kloori reagoi raakaveden sisältämän orgaanisen aineksen kanssa, joko hapettaen ne tai muodostaen kloorattuja orgaanisia yhdisteitä. Varsinkin pintavedet sisältävät paljon sopivia orgaanisia aineksia, kuten humusta ja sen hajoamistuotteina syntyviä asetyylejä. Pohjavedessä orgaanista ainesta on vähemmän. Mitä vähemmän raakavedessä on orgaanista ainesta, sitä epätodennäköisempää on epäpuhtauksien syntyminen. Kloorattujen sivutuotteiden lisäksi kloorauksen yhteydessä voi muodostua myös bromattuja sivutuotteita, jos raakavesi sisältää riittävästi bromidi-ioneja. Kloori muuttaa bromidin alibromihapokkeeksi HOBr. Tällaisia raakavesiä on etenkin rannikkoseudulla ja vanhan merenpohjan alueella. (Rantakokko, 2010; THL 2008; Valve & Isomäki 2007) Klooratun juomaveden sivutuotteista tehtyjen tutkimusten mukaan pitkäaikainen pintavedestä tehdyn klooratun juomaveden käyttö aiheuttaa pienen syöpäriskin lisääntymisen. Erityisesti virtsarakon ja peräsuolen syöpäriskien on havaittu lisääntyneen 10 30 %. Syöpäriskiin vaikuttaa juomaveden mutageenisuus, jota voidaan käyttää syöpäriskin mittarina. Klooratun juomaveden mutageenisuus on laskenut Suomessa 70-luvulta lähtien, koska orgaanisen aineksen poisto on tehostunut ja klooraustavat muuttuneet. Täten myös syöpäriski on lieventynyt kehityksen myötä, ja nykyisellä mutageenisuustasolla klooratun juomaveden aiheuttama syöpäriski ole enää merkittävä Suomessa. (Rantakokko, 2010, 19) Vaikka sivutuotteiden syntyminen nykyisillä puhdistusmenetelmillä onkin erittäin vähäistä, asettaa niiden syntymisen riski painetta eritoten jokivedestä juomavettä valmistaville vesilaitoksille. Jokiveden ominaisuudet vaihtelevat suuresti vuoden aikana, ja orgaanisen aineksen määrä nousee varsinkin kevätvaluman aikaan. Raakaveden sisältämän orgaanisen aineksen määrän vaihtelu vaatii tarkkuutta vedenkäsittelyssä ja varsinkin flotaatiovaiheen onnistumista kaikissa olosuhteissa.

18 4 HYDRAULIIKKAA Pitkien siirtolinjojen suunnittelussa on tarpeellista määrittää linjan paineviivat eri veden johtamistilanteissa. Tarkastelun tuloksena voidaan määrittää mahdollisten paineenkorotuspumppaamojen ja paineenalennusventtiilien tarve ja sijoituspaikat, sekä muut verkostonhallinnan varusteet. Lisäksi linjalle on suoritettava paineiskutarkastelu. (RIL, 2010, 40 41) Tässä työssä tarkastelun ja alustavan suunnittelun kohteena ovat Viinivaaran ja Ylikiimingin harjujaksoilta lähtevät siirtojohdot, joilla pohjavedet johdetaan painovoimaisesti kohti kaupunkia. Johtojen alustava suunnittelu on esitetty vaihtoehtotarkasteluiden yhteydessä kappaleessa 8. Tässä kappaleessa on esitetty mitoituslaskelmien kannalta tärkeimmät hydrauliikan teoriat. 4.1 Virtaushäviöiden laskenta Vesijohtoverkostojen ja paineviemäreiden virtaushäviöiden laskennassa usein käytetty laskentatapa on Hazen-Williamsin kaava, jota on käytetty myös tämän työn WaterCADohjelmistolla tehdyissä laskelmissa. Kaavasta on olemassa useita muotoja joista seuraava on yleisesti käytetty: 0,278,, (1) missä Q on virtaama [m 3 /s] C on materiaalista riippuva karkeuskerroin d on putken halkaisija [m] I on energiaviivan kaltevuus [m/m] Energiaviivan kaltevuus: (2) missä h f on virtaushäviö [m] L on putkilinjan pituus [m]

19 4.2 Paineiskun teoriaa Venttiilin sulkeutumiset, pumppujen pysähtymiset ja käynnistymiset sekä häiriötilanteet aiheuttavat äkillisiä muutoksia putkivirtauksessa. Tällöin vesimassan nopeus muuttuu, ja sen aiheuttama paineen nousu voi nostaa paineen putkessa moninkertaiseksi staattiseen tilanteeseen verrattuna. Tätä ilmiötä kutsutaan paineiskuksi. Paineiskua voimistavat esimerkiksi suuri virtausnopeus, linjan suuri pituus sekä linjan profiilin ja paineviivan liian pieni etäisyys toisistaan staattisessa tilanteessa. Ylipaineen lisäksi paineisku voi synnyttää alipainetilanteita, jotka voivat johtaa nesteen höyrystymiseen ja siten putken lommahdusvaaraan ja kavitaatioon. (Houghtalen ym., 2010, 139; RIL, 2010, 36) Paineen äkillisen muutoksen, esimerkiksi venttiilin sulkemisen seurauksena, voidaan katsoa aiheutuvan virtaavan vesipatsaan pysäyttämiseksi putkessa syntyneestä voimasta (Houghtalen ym., 2010, 139). Newtonin II:n lain mukaan: (3) Jos koko vesipatsaan nopeus laskisi nollaan välittömästi, kaavan (3) mukainen voima olisi ääretön: (4) Tällainen tilanne on tietysti käytännössä mahdoton. Todellisuudessa venttiilin sulkemiseen kuluu aikaa. Lisäksi putken seinämien ja vesipatsaan elastisuus vaikuttavat ilmiön syntyyn. Paineiskun synnyttämän paineaallon nopeus riippuu putken materiaalin ja veden elastisuusmoduuleista: (5) missä C on paineaallon nopeus [m/s] E c on elastisuusfunktio [N/m 2 ] ρ on putkessa virtaavan nesteen tiheys [kg/m 3 ]

20 Elastisuusfunktio saadaan ratkaistua seuraavan yhtälön avulla: (6) missä E b on veden elastisuusmoduuli = 2,2e-9 [N/m 2 ] E p on putkimateriaalista riippuvainen elastisuusmoduuli [N/m 2 ] k on putken tuennasta riippuvainen vakio D on putken halkaisija [m] e on putken seinämän paksuus [m] Vakion k arvo pituussuuntaan tuetulle putkelle saadaan seuraavasti: 1 (7) missä ε on Poissonin luku, josta käytetään yleensä arvoa ε = 0,25 Kuvitellaan putkilinjalla olevan venttiilin sulkeutuvan äärettömän nopeasti. Tällöin putkeen virtaa vettä ylimäärin: (8) missä ΔVol on putkeen ylimäärin virtaavan veden tilavuus [m 3 ] V 0 on putkessa virtaavan veden alkunopeus [m/s] A on putken poikkipinta-ala [m 2 ] L on putken pituus [m] Venttiilin sulkeutumisesta aiheutuvan paineennousun (ΔP) suhde ylimäärään vettä on: (9) missä Vol on putkessa alun perin olevan vesipatsaan tilavuus [m 3 ] Ottaen huomioon yhtälö (8), saadaan yllä oleva yhtälö muotoon:

21 (10) Paineaallon edetessä ylävirtaan putkessa nopeudella C, aaltorintaman takana oleva vesimassa pysähtyy välittömästi alkunopeudestaan V 0 ajassa Δt. Tämän vesimäärän massa on m = ρcv 0. Kun tähän sovelletaan Newtonin toista lakia, saadaan: (11) tai (12) Yhdistämällä yllä oleva yhtälö yhtälön (10) kanssa, saadaan: (13) tai (14) Myös (15) missä ΔH on paineiskun aiheuttama painekorkeuden nousu.

22 5 POHJAVEDEN KÄSITTELY Tässä kappaleessa on esitelty pohjaveden käsittelytapoja, perustuen tarkasteltujen alueiden pohjavesien käsittelyntarpeeseen (ks. kappale 6). Tarkastelun kohteeksi on otettu alkalointi sekä raudan ja mangaanin poisto. Suomen pohjavesissä esiintyy usein rautaa ja mangaania. Pohjavesien rauta- ja mangaanipitoisuudet ovat usein myös niin korkeita, että pitoisuuksia tulee laskea ennen veden käyttöä. Näiden aineiden poisto onkin tavallisimpia pohjaveden käsittelyprosesseja. Tarve raudan ja mangaanin poistamiseen ei ole niinkään terveydellisistä seikoista johtuva, koska pitoisuudet ovat harvoin niin korkeita, että terveydellistä haittaa aiheutuisi, vaan sitä vaaditaan lähinnä esteettisistä syistä. Rauta ja mangaani likaavat, aiheuttavat makuvirheitä ja saostuvat putkistoon. 5.1 Alkalointi Veden pehmeys ja alhainen ph aiheuttavat korroosiota vedenjakeluverkostossa. Siksi veden syövyttävyyttä on usein alennettava ennen sen jakelua. Syövyttävyyden alentaminen tapahtuu pääsääntöisesti alkaloimalla. Talousveden ph-arvon laatutavoite on annettu veden korroosiovaatimusten vuoksi. Suomessa pohjavedet ovat yleensä hieman happamia. Veden ph on yleensä 6-7. Tällä ph-alueella putkistoissa ja vesikalusteissa käytetyt materiaalit, kuten valurauta, sinkitty teräs, kupari, betoni ja asbestisementti saattavat syöpyä. Kun veden korroosioominaisuudet saadaan säädettyä vedenjakelulaitteiden kannalta oikeiksi, ei putkistojen syöpymisestä johtuvaa veden laadun heikkenemistä esiinny. Korroosio-ominaisuuksiin vaikuttavat useat veden eri laatuparametrit. Syövyttävyyden arviointiperusteina tarkastellut laatuparametrit ja niiden suositusarvot on esitetty taulukossa 4. (Vesi- ja viemärilaitosyhdistys 2009, 28)

23 Taulukko 3. Arviointiperusteet syövyttävyyden vähentämiseksi (Vesi- ja viemärilaitosyhdistys 2009, 28). ph yli 7,5 Alkaliteetti [mmol/l] yli 0,6 Kalsium [mg/l] yli 10 Happi [mg/l] yli 2 Alkaliteetti [mmol/l] Sulfaatti [ mg l] 48+Kloridi [ mg l] 35,5 1,5 Usein ph:n nosto noin 8:aan on suositeltavaa. Optimaalinen ph saavutetaan silloin, kun kalkin saostuminen lämminvesilaitteisiin ei ole haitallisen suurta. Tämä saavutetaan yleensä silloin, kun kylmään veteen ei saostu kalkkia ja lämpimään veteen vain hiukan. Tämä riippuu lähinnä kalsiumista ja alkaliteetista. (Vesi- ja viemärilaitosyhdistys 2009, 28) Kalsiumkarbonaatin saostumista voidaan teoreettisesti kuvata Langelierin kyllästymisindeksillä (SI). Kyllästymisindeksi kuvaa veden mitatun ph:n ja lasketun arvon ph s välistä eroa (kaava 16). (16) (17) missä SI on kyllästymisindeksi ph on mitattu ph-arvo ph s on kalkki-hiilidioksiditasapainon mukainen ph-arvo ph s lasketaan kaavan 17 mukaan käyttämällä hyväksi liitteessä 3 esitettyä nomogrammia. Jos ph < ph s, kyllästymisindeksi saa negatiivisen arvon ja vesi on aggressiivista, eli se liuottaa kalsiumkarbonaattia. Jos ph > ph s, kyllästymisindeksin arvo on positiivinen ja saostumia voi muodostua. (Degrèmont, 1991, 261) Veden hiilidioksidipitoisuudella on suuri rooli alkaloinnissa. Veden kokonaishiilidioksidipitoisuus koostuu vapaasta hiilidioksidista ja sidotusta hiilidioksidista. Sidottu hiilidioksidi kuvaa veden sisältämän bikarbonaatin (HCO - 3 ) ja karbonaatin (CO 2-3 ) kokonaismäärää. Karbonaatin, bikarbonaatin ja hiilidioksidin suhteelliset osuudet vedessä määräytyvät ph:n mukaan (kuva 3). (Vesi- ja viemärilaitosyhdistys, 2002, 3-4)

24 Veden alkaliteetti kertoo sen kyvystä vastustaa ph:n muutoksia. Talousveden alkaliteetti on peräisin veden bikarbonaattipitoisuudesta, sillä sosiaali- ja terveysministeriön asetus talousveden laatuvaatimuksista ja valvontatutkimuksista (461/2000) määrittelee, että talousveden ph:n tulee olla välillä 6,5 9,5 ja tällä alueella bikarbonaatti on vallitseva karbonaattimuoto. (Vesi- ja viemärilaitosyhdistys, 2002, 4) Kuva 3. Veden vapaan hiilidioksidin, karbonaatin ja bikarbonaatin suhteellisten osuuksien riippuvuus veden ph-arvosta (Vesi- ja viemärilaitosyhdistys 2002, 4). Alkalointi toteutetaan yleensä lisäämällä veteen emästä, joka alkaa neutraloida veden sisältämää hiilidioksidia bikarbonaatiksi. Samalla veden ph nousee ja kalkkipohjaisissa menetelmissä myös kovuus kalsiumpitoisuuden kohoamisen seurauksena. Yleisesti eniten käytetyt alkalointikemikaalit ovat lipeä (natriumhydroksidi), sammutettu kalkki (kalsiumhydroksidi), poltettu kalkki (kalsiumoksidi), sooda (natriumkarbonaatti) ja kalkkikivi (kalsiumkarbonaatti). Kun hapanta ja pehmeää pohjavettä alkaloidaan, veden vapaa hiilidioksidi alkaa sitoutua bikarbonaatiksi. Kun ph on noin 8,3, vapaa hiilidioksidi on muuttunut lähes täysin bikarbonaatiksi. Tämä voidaan esittää reaktioyhtälöinä eri alkalointimenetelmillä seuraavasti (Vesi- ja viemärilaitosyhdistys, 2002, 4-5): Lipeä: NaOH + CO 2 Na + - + HCO 3 Kalkki: Ca(OH) 2 + 2CO 2 Ca 2+ - + 2HCO 3 Sooda: Na 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O 2Na + - + 2HCO 3 (18) (19) (20)

25 Kalkkikivi: CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Ca 2+ + 2HCO 3 - (21) 5.1.1 Kalkkikivialkalointi Kalkkikivialkalointi soveltuu erinomaisesti raakavesille, joiden alkaliteetti on alle 0,8 mmol/l ja hiilidioksidipitoisuus 10 15 mg/l. Mikäli raakaveden hiilidioksidipitoisuus ylittää 20 mg/l, tulee pitoisuutta vähentää ilmastamalla ennen alkalointia. Kalkkikivialkalointi soveltuu huonosti vesille, jotka ovat kovia ja joiden alkaliteetti on korkea. Käytännössä alkaliteetin ylittäessä 0,8 mg/l kalkkikivialkaloinnin teho heikkenee, ja yli 1,5 mg/l alkaliteetin omaaville vesille sitä ei kannata käyttää. Tällöin veden ph jää tasapainotilanteessa alle 8,3, ja veteen jää mitattavia määriä vapaata hiilidioksidia. (Vesi- ja viemärilaitosyhdistys, 2002, 6) Jos raakaveden alkaliteetti on alle 0,3 mmol/l ja hiilidioksidia on alle 5 mg/l, voi veden ph alkaloitaessa nousta jopa arvoon 9 tai sen yli. Tämä johtuu raakaveden vapaan hiilidioksidin muuttumisesta lähes täysin bikarbonaatiksi. Tällöin raakaveden sisältämä hiilidioksidi on ollut käytännössä kokonaan aggressiivista. Jos veden ph on alkaloinnin jälkeen liian korkea, alkaloinnin tehoa voidaan vähentää pienentämällä tehollista viipymää, suurentamalla raekokoa, lisäämällä veteen hiilidioksidia tai johtamalla osa raakavedestä alkaloinnin ohi. (Vesi- ja viemärilaitosyhdistys, 2002, 13) Kun vedessä on riittävästi hiilidioksidia, 5 mg/l tai enemmän, reaktio kalsiumkarbonaatin kanssa on mahdollinen (Palomäki & Kuorikoski, 2001, 12). Sallangon ym. (2000, 64) tutkimuksessa alkaloivasta märkäsuodatuksesta rautapitoisten pohjavesien käsittelyssä todetaan, että kalkkikivialkalointi on vaihtoehto myös rautapitoisen pohjaveden käsittelyssä. Kalkkikivisuodatuksessa tapahtuu useita raudan erottamista suosivia ilmiöitä, kuten hiilidioksidin vähenemistä sekä ph:n, alkaliteetin ja kovuuden nousua. Tutkimuksessa havaittiin, että varsinkin vähän orgaanista ainesta sisältäville vesille alkaloivan märkäsuodatuksen ja hidassuodattimen yhdistelmä on toimiva raudan ja mangaanin poistoon sekä alkalointiin. Kalkkikivisuodatus voidaan toteuttaa usealla eri tavalla. Yleisin Suomessa käytetty kalkkikivisuodatin on kuvassa 4 esitetty käänteinen suodatin, jossa vesi virtaa alhaalta

26 ylöspäin. Vesi ei pääse tällöin ilmastumaan ennen suodatusta. Tämä mahdollistaa veden hiilidioksidin käytön kokonaisuudessaan reaktioihin kalsiumkarbonaatin kanssa, eivätkä vedessä mahdollisesti olevat epäpuhtaudet pääse hapettumaan ja saostumaan suodattimeen. Saostumisen vaara on kuitenkin, jos raakavesi on peräisin osin hapellisesta ja osin hapettomasta pohjavesivyöhykkeestä, jolloin hapettomasta vyöhykkeestä peräisin olevat epäpuhtaudet hapettuvat ja saostuvat suodattimen alaosaan. Tätä on vaikea huomata ennen suodatustehon laskemista, sillä suodattimen pinnan kalkkikivirouhe pysyy puhtaana. Käänteisten suodattimien käytössä onkin tärkeää määrittää sopiva suodattimen huuhteluväli. (Palomäki & Kuorikoski, 2001, 16) Hietalan (2000, 62) tutkimuksissa seurattiin käsittelytehon ja huuhtelutarpeen muuttumista pitkäaikaisessa käytössä laitoskartoituksen avulla. Tutkimuksessa hyvälaatuista raakavettä käyttävillä laitoksilla ei ollut havaittavissa alkalointitehon heikkenemistä kalkkikivirouheen pinnalle muodostuneesta saostumasta huolimatta. Laitosten huuhteluväli oli useita vuosia, eikä kaikkia laitoksia ollut huuhdeltu lainkaan vuosia jatkuneesta käytöstä huolimatta. Kuva 4. Käänteinen kalkkikivisuodatus (Vesi- ja viemärilaitosyhdistys, 2002, 15). Suodatus voidaan toteuttaa myös siten, että vesi virtaa suodattimeen ylhäältä alas. Tämä mahdollistaa veden ilmastamisen ennen suodattamista. Vedessä olevat epäpuhtaudet, kuten rauta ja mangaani, saostuvat silloin suodattimeen, jota on huuhdeltava tehokkaasti. Ylhäältä alaspäin järjestetty suodatus mahdollistaa pienten rauta- ja mangaanipitoisuuksien poistamisen, eikä erillistä poistoyksikköä välttämättä tarvita (Palomäki &

Kuorikoski 2001, 16 17). Ylhäältä alaspäin suuntautuvan suodatuksen periaate on esitetty kuvassa 5. 27 Kuva 5. Ylhäältä alaspäin suuntautuva kalkkikivialkalointi (Vesi- ja viemärilaitosyhdistys, 2002, 14). Kolmas vaihtoehto kalkkikivialkaloinnin järjestämiseksi on vaakavirtaussuodatus (kuva 6). Siinä vesi johdetaan altaaseen toisessa päässä jakoputken kautta ja pois vastakkaisesta päästä allasta kokoojaputken avulla. Veden virtausta voidaan säätää rakentamalla väliseiniä, ja niiden avulla voidaan myös estää haitallisia veden oikovirtauksia. Palomäen ja Kuorikosken (2001, 17) mukaan oikovirtaukset ovat tämän tyyppisten suodattimien ongelma, ja ne aiheuttavat suodattimen epätasaista käyttöä. Lisäksi kalkkikivi kuluu nopeammin suodattimen päästä, johon vesi johdetaan. Vaakavirtasuodattimella on vaikea järjestää ilmastusta ennen alkalointia ilman ylimääräisiä pumppauksia. Kuva 6. Vaakasuorasti järjestetty virtaus kalkkikivisuodattimessa (Vesi- ja viemärilaitosyhdistys, 2002, 16).

Kalkkikivisuodatin mitoitetaan seuraavan kaavan mukaan (Palomäki & Kuorikoski, 2001, 13): (22) 28 missä V kalkki on kalkkikivirouheen irtotilavuus [m 3 ] t on todellinen viipymä suodattimessa eli mitoitusviipymä [min] q on mitoitusvirtaama [m 3 /h] α on suodatinmateriaalista riippuva kerroin Taulukossa 4 on esitetty VVY:n kalkkikivialkalointi-projektin aikana tehtyihin kokeisiin perustuvia esimerkkejä tehollisen viipymän [min] arvoista kalkkikivirouheen raekoon ja veden laadun eri arvoilla. Taulukossa esitetyt tehollisen viipymän arvot ovat suuntaa antavia ja riippuvat veden ph:lle asetetusta tavoitearvosta. (Vesi- ja viemärilaitosyhdistys, 2001, 18) Taulukko 4. Esimerkkejä tehollisen viipymän arvoista kalkkikivirouheen raekoon ja raakaveden laadun funktiona (Vesi- ja viemärilaitosyhdistys 2002, 18). Raakavesi Raekoko 2-4 mm Raekoko 4-8 mm Hiilidioksidi alle 5 mg/l, alkaliteetti alle 0,3 mmol/l 15 20 min 20 25 min Hiilidioksidi 10 15 mg/l, alkaliteetti noin 0,5 mmol/l 20 25 min 25 30 min Hiilidioksidi 30 40 mg/l, alkaliteetti noin 1,0 mmol/l 40 60 min yli 60 min Kuten taulukosta 4 voidaan havaita, raekoolla on suuri vaikutus reaktionopeuteen. Pienemmällä raekoolla vesi alkaloituu nopeammin. Vesi- ja viemärilaitosyhdistyksen (2001, 11) mukaan tämä johtuu kalkkikiven kontaktipinnan kasvusta raekoon pienetessä. Kalkkikivirouheen raekokoa vaihtamalla voidaan siis vaikuttaa alkalointitehoon. Tämä on nähtävissä myös kuvassa 7. Kuvasta voidaan nähdä 2-4 mm raekoon nostavan ph-arvoa korkeammalle ja lyhyemmässä ajassa kuin suuremmat raekoot.

29 Kuva 7. Raekoon vaikutus alkaloimisnopeuteen (Vesi- ja viemärilaitosyhdistys 2001, 11). 5.2 Raudan ja mangaanin aiheuttamat ongelmat talousvedessä Raudan ja mangaanin pitoisuudet talousvedessä eivät yleensä yllä ihmisen terveydelle haitallisiin määriin. Tämä johtuu jo raakavedeksi kelpaavan veden laadun määritelmistä. Raudan ja mangaanin aiheuttamat ongelmat ovatkin luonteeltaan enemmän esteettisiä. (Sommerfeld, 1999, 4) Mangaania esiintyy pohjavesissä yleensä samanaikaisesti raudan kanssa. Mangaanin poisto vedestä on vaikeampaa kuin raudan, minkä vuoksi mangaanin aiheuttamat laatuvirheet ovat yleisiä vesilaitoksilla, jotka poistavat rautaa ja mangaania vedestä. Mangaanin terveyshaitoista ei ole yksiselitteistä näyttöä, mutta joidenkin tutkimusten mukaan mangaani voi suurina pitoisuuksina aiheuttaa neurotoksisia oireita. Mangaanin terveysperustainen ohjearvo on 0,05 mg/l. Liiallinen mangaani aiheuttaa veteen epämiellyttävää makua ja kerrostumia saniteetti- ja talouskalusteisiin sekä tahraa pyykkiä. Jo hyvin pienet mangaanipitoisuudet (0,02 mg/l) voivat synnyttää kerrostumia. Jos nämä kerrostumat lähtevät liikkeelle, ne voivat esiintyä voimakkaasti likaavina nokimaisina hiutaleina tai rasvamaisina muodostumina. (Vesi- ja viemärilaitosyhdistys 2009, 18) Rauta synnyttää ruostekerrostumia saniteetti- ja talouskalusteisiin, ruostetahroja pyykkiin ja aiheuttaa veteen ruosteen maun. Jo 0,05 mg/l rautapitoisuus voi synnyttää

30 löysiä rautasaostumia. Raudan enimmäispitoisuus on annettu näiden teknis-esteettisten haittojen perusteella, ja se on 0,2 mg/l. Kuitenkin vesilaitokselta lähtevän veden rautapitoisuus tulee olla huomattavasti enimmäispitoisuutta pienempi, jotta vältytään raudan kerääntymiseltä verkostoon. Rautasaostumien syntymistä ja niistä aiheutuvia haittoja voidaan vähentää verkoston säännöllisellä huuhtelulla. (Vesi- ja viemärilaitosyhdistys 2009, 20) 5.3 Raudan poisto pohjavedestä Pohjavesissä rauta esiintyy joko liuenneena kahdenarvoisena ferrorautana (Fe 2+ ) tai saostuneena kolmenarvoisena ferrirautana (Fe 3+ ). Raudan poisto perustuu sen hapettamiseen. Hapettamisessa rautayhdisteet pyritään saattamaan ferrimuotoon, jotta ne voidaan poistaa fysikaalisesti, ph:n ollessa yli 4. Reaktiossa Fe 2+ -ioni hapettuu Fe 3+ - ioniksi, joka edelleen hydrolysoituu ferrihydroksidihydraatiksi Fe(OH) 3. Raudan hapettamiseen voidaan käyttää useita hapettimia, kuten happea, klooria ja kaliumpermanganaattia. (Degrèmont, 1991, 1201; Karttunen, 2004, 411) Raudan hapettaminen voi tapahtua joko kemiallisesti tai biologisesti. Seuraavissa kappaleissa on esitetty nämä poistoprosessit, sekä raudan poistaminen kalvosuodatuksella. 5.3.1 Kemiallinen raudanpoisto Raudan kemiallinen poistaminen tapahtuu joko ilman hapella tai hapetuskemikaaleilla, kuten kaliumpermanganaatilla, kloorilla tai otsonilla, yhdistettynä suodatukseen. Mikäli puhdistettavan veden rautapitoisuus on korkea, ennen suodatusta voi olla tarve selkeytykselle. (Peltonen, 2006) Kahdenarvoisen raudan kemiallisen hapettumisen nopeuteen vaikuttavat veden ph, lämpötila sekä liuenneen raudan ja hapen pitoisuudet. Hapettumisreaktio on seuraava: 4 8 2 4 (23) Ainekset, kuten humushapot, silikaatit, fosfaatit ja mangaani rajoittavat raudan hapettumista. Peltosen (2006) mukaan nämä häiritsevät tekijät ja korkea rautapitoisuus vaativat kemikaalin käyttöä hapettumisen onnistumiseksi. Erityisesti silikaatit ovat ongelmal-

31 2+ lisia, sillä ne johtavat Degrèmontin (1991, 1204) mukaan kompleksisen FeSio(OH) 3 muodostumiseen. Mouchet`n (1992, 159) havaintojen mukaan Ranskan vesilaitoksilla 75 % tapauksista raudan kompleksoituminen johtui silikaatista ja 25 % humuksesta. Meskuksen ym. (2000, 40) tutkimuksissa silikaatin merkitys ja yhteys raudan saostumiseen jää kuitenkin avoimeksi. Raudan hapettamiseen yleisesti käytetyt kemikaalit ovat kaliumpermanganaatti, kloori ja otsoni. Joissain tapauksissa hapetuksen ja suodatuksen välille tarvitaan myös selkeytysvaihe (Degrèmont, 1991, 1205). Yksinkertaisimmillaan raudan kemiallinen poistaminen tapahtuu ilmastus-suodatustekniikalla. Tällöin veden sisältämän raudan maksimipitoisuus on 5 mg/l. Vesi ei saa sisältää mangaania, sameutta, humushappoja, eikä muita veden laatua heikentäviä aineksia. Käsiteltävä vesi voi sisältää hieman ammoniumia, ja se voi olla hieman aggressiivista. (Degrèmont, 1991, 1203) Ensimmäisessä vaiheessa kahdenarvoinen rauta hapetetaan ilman sisältämän hapen avulla. Tämä voi tapahtua joko ilmakehänpaineessa tai paineistettuna. Hapettumisnopeus riippuu veden lämpötilasta, ph:sta, raudan määrästä, pidättymisajasta ja happipitoisuudesta. Hapettumisnopeuden riippuvuus ph:sta voidaan Stummin ja Leen (1961) mukaan osoittaa kaavalla 9 (ks.s.20) (ks. Sallanko, 2003, 29): (24) missä k on 8,0 (±2,5) 10 13 min -1 atm -1 mol -2 l 2 lämpötilassa 20 C P 02 on hapen osapaine Raudan hapettuminen eri ph-arvoilla on esitetty myös kuvassa 8. Kuvassa on nähtävissä raudan teoreettinen hapettumisnopeus ilman hapen vaikutuksesta, kun happipitoisuus on 2 mg/l. Kuvasta voidaan selvästi nähdä ph:lla olevan suuri merkitys hapettumisnopeuteen. Esimerkiksi ph:n arvolla 7,6 rauta on hapettunut täydellisesti noin 15 minuutissa, mutta ph:ssa 6 hapettumista ei tapahdu juuri lainkaan kahden tunnin aikana. Tässä tulee kuitenkin huomioida ph:n logaritminen asteikko, eli ph 6 on kymmenen kertaa happamampi kuin ph 7.