2. TIIVISTELMÄ
VISAMÄKI
Ympäristöteknologian koulutusohjelma
Ympäristöjohtaminen
Tekijä Krista-Maaria Mäki Vuosi 2012
Työn nimi Kustannustehokas fosforin poisto Seinäjoen
jätevedenpuhdistamolla
TIIVISTELMÄ
Suuri osa jätevedenpuhdistamon käyttökustannuksista muodostuu
kemikaalikustannuksista. Kemikaalikustannuksia voidaan vähentää
optimoimalla puhdistusprosessi siten, että vaadittu puhdistustulos
saavutetaan mahdollisimman pienellä kemikaalinkulutuksella.
Seinäjoen jätevedenpuhdistamolla käsitellään kunnallisen jäteveden lisäksi
Valio Oy:n meijerijätevedet, joille on erillinen esikäsittely.
Puhdistusprosessi on toiminut kaksivaiheisena, jolloin mekaanisen
esikäsittelyn jälkeen typpi on poistettu biologisesti ja fosfori kemiallisesti.
Vuonna 2011 puhdistusprosessiin lisättiin kolmas vaihe, hiekkasuodatus,
kiintoaineen ja fosforin reduktion parantamiseksi.
Projektin tarkoituksena oli selvittää optimaalinen kemikaaliannostelumalli
kolmivaiheiselle puhdistusprosessille. Lisäksi tutkittiin koko
jätevedenpuhdistusprosessin vaihtoehtoisia ajotapoja, joilla päästiin
vaikuttamaan kemikaalinkulutukseen.
Teoriaosuudessa tutustuttiin sekä biologisen että kemiallisen
fosforinpuhdistuksen mekanismeihin ja jätevedenpuhdistuksen
perusteisiin. Käytännön osuudessa tutkittiin puhdistusprosessin toimintaa
erilaisilla kemikaaliannostusmäärillä. Tutkimus suoritettiin
laitosmittakaavaisena koeajona ja analyysinäytteitä kerättiin kuudesta
pisteestä.
Työn tuloksena ferrisulfaatin annostelu kunnallisen jäteveden
esiselkeytykseen ja jälkiselkeytykseen lopetettiin ja ferrisulfaatin
vuorokautinen kulutus väheni noin 5000 kilogrammasta 2000
kilogrammaan. Myös polymeerin annostelu jälkiselkeytysaltaisiin
lopetettiin. Koeajojen lopussa lähtevän veden fosforipitoisuus oli noin 0,2
mg/l (lupavaatimus 0,3 mg/l).
Avainsanat Fosforin poisto, Jätevedenpuhdistus, Kemikaali, Hiekkasuodatus
Sivut 52 s. + liitteet11 s.
3. ABSTRACT
VISAMÄKI
Environmental Technology
Environmental Management
Author Krista-Maaria Mäki Year 2012
Subject of Bachelor’s thesis Cost-effective dephosphorization
ABSTRACT
A large part of operating costs in a wastewater treatment plant consists of
chemical costs. Chemical costs can be reduced by optimizing the process
so that the purification level required is reached by as small chemical con-
sumption as possible.
At the Seinäjoki wastewater treatment plant municipal wastewaters are
processed as well as industrial effluents from Valio Oy. The treatment
process has functioned as a two-phase process, when after mechanical pre-
treatment nitrogen is removed biologically and phosphorous is removed
chemically. In the year 2011 the treatment process was supplemented with
the third phase, sand filtration, to increase the removal and reduction of
solids and phosphorous.
The purpose of this project was to find out the optimal model of the chem-
ical dosage for the three-phase treatment process. In addition to this, op-
tional ways to exploit the treatment process and their effect on chemical
consumption were researched.
In theory part of this thesis the mechanisms of both biological and chemi-
cal dephosphorization were reviewed. Also the basics of the wastewater
treatment process are presented. In the practical part the function of the
treatment process with different chemical dosages was analyzed. The re-
search was carried out on a plant scale demonstration and the samples
were taken from six points of the treatment process.
Based on the results of analyses the dosage of ferric sulphate was cut out
from preliminary sedimentation and secondary settling. The daily chemi-
cal dosage declined from 5000 kilograms per day to 2000 kilograms per
day. At the end of the research phosphorus content in the treated water
was 0,2 mg/l when the requirement imposed by the environmental authori-
ty is 0,3 mg/l.
Keywords Phosphorus precipitation, Wastewater treatment, Chemical dosage, Sand
filtration
Pages 52 p. + appendices 11 p.
4. KÄYTETYT LYHENTEET JA YLEISET TERMIT
Adsorptio Ilmiö jossa aine kiinnittyy toisen aineen pinnalle.
Agglomeraatio Yhteenkasautuminen.
Aktiiviliete Mikrobeista ja muusta biomassasta koostuva liete, jossa
elävät pieneliöt käyttävät hyväkseen jäteveden liuenneita
aineita ja orgaanisia yhdisteitä.
Alkaliteetti Veden kyky vastustaa happamuuden muutosta.
Amorfinen Kiinteä aine, jonka rakenneyksiköillä ei ole pitkän kantaman
järjestystä tai rakenneyksiköillä ei ole tarkkaa järjestystä.
Anioninen Aine, jolla on negatiivinen sähkövaraus.
BOD7 Orgaanisen aineksen määrä seitsemän vuorokauden
orgaanisena hapenkulutuksena mitattuna.
CODcr Kemiallinen hapen kulutus (Chemical Oxygen Demand).
Menetelmällä mitataan jäteveden kemiallista hapenkulutusta
ja se kuvaa jätevedessä olevan kaiken orgaanisen aineksen
määrää; Sekä luonnossa hajoavan että hajoamattoman.
Denitrifikaatio Biologinen prosessi, jossa anaerobiset bakteerit hajottavat
nitraatteja ja nitriittejä typpikaasuksi tai vaihtoehtoisesti
typpioksidiksi. Denitrifikaatio vapauttaa siten typpeä
ilmakehään. Denitrifikaatiota suorittavia bakteereita
kutsutaan denitrifikaatiobakteereiksi.
Flokki Erillisten kiintoainehiukkasten muodostama löysä
ryhmittymä.
Flokkulaatio tai flokkaus, flokin muodostuminen.
Flokkulantti aine jolla flokkuloiminen suoritetaan
KA Keskiarvo
Kationinen Aine, jolla on positiivinen sähkövaraus.
Kiintoaine Jäteveden sisältämiä kuitu- sekä täyte- ja päällysteaineita,
jotka sitovat paljon ravinteita kuten fosforia.
Koagulaatio prosessi, jossa hiukkaset törmäilevät keskenään, takertuvat
yhteen ja näin muodostavat uusia, suurempia hiukkasia.
Kolloidi Epäpuhtaus, jonka halkaisija on 0,08-1,0 μm.
Kolloidinen Hyytelömäisessä tai liimamaisessa tilassa oleva.
Liete Nesteen ja hyvin pienten ainehiukkasten muodostama seos.
Liete näkyy nesteen sameutena, koska hiukkaset vajoavat
pohjaan tai nousevat pintaan hyvin hitaasti.
Lieteikä Kertoo, kuinka kauan liete (mikrobit) on keskimäärin
prosessissa. Lasketaan kaikki (ilmastusaltaassa ja
jälkiselkeytyksessä) prosessissa oleva liete/poistettu
ylijäämäliete. yksikkö d.
Nitrifikaatio Aerobinen prosessi, jossa nitrifikaatiobakteerit muuttavat
kemiallisilla muutoksilla ammonium-muodossa olevaa
typpeä nitriitti- ja nitraatti-muotoiseksi.
Palautusliete Liete, joka palautetaan jälkiselkeytyksestä ilmastusaltaaseen.
Määrää säädellään. Yleensä 50–100 % tulevasta
jätevesivirtaamasta.
pH pH-arvo kuvaa veden happamuutta.
5. Sähkönjohtavuus kuvaa vedessä liuenneena olevien suolojen määrää. Näitä
suoloja ovat mm. natrium, kalium, kalsium, magnesium,
kloridi, sulfaatti.
KEMIALLISET LYHENTEET
NH4
+
Ammonium-ioni
O2 Happi-molekyyli
NO2
-
Nitriitti-ioni
H+
vety-ioni
H2O Vesi-molekyyli
NO3
-
Nitraatti-ioni
Fe3+
Ferri-ioni
HnPO4
-(3-n)
Fosfaatti-ioni
FePO4 Ferrifosfaatti
Fe(OH)3 Ferrihydroksidi
8. Liite 3 Fosforianalyysit, optimoinnin I vaihe
Liite 4 Fosforianalyysit, optimoinnin II vaihe
Liite 5 Fosforianalyysit, optimoinnin III vaihe
Liite 6 Poistetut analyysitulokset
Liite 7 Analyysitulokset syyskuusta joulukuuhun vuosina 2007-2010
Liite 8 Jäteveden kulku ja fosforipitoisuuden vaihtelu teollisen jäteveden
esikäsittelyssä
9. 1
1 JOHDANTO
Seinäjoen jätevedenpuhdistamo on rakennettu vuonna 1974, jonka jälkeen
sitä on saneerattu useita kertoja. Jätevedenpuhdistamolla käsitellään noin
50 000 ihmisen talousjätevedet. Suurin teollinen kuormittaja on Valio Oy,
jonka meijerijätevedet johdetaan puhdistamolle erillistä linjaa pitkin ja
esikäsitellään erikseen.
Seinäjoen jätevedenpuhdistamolla fosfori on saostettu kemiallisesti esi- ja
rinnakkaissaostuksella. Saostamiseen on käytetty ferrisulfaattia 4 500-5
000 kg vuorokaudessa. Ferrisulfaattia on syötetty kunnallisen jäteveden
esikäsittelyyn hiekanerotusaltaaseen noin 2 500 kg/d, meijerijätevesien
esikäsittelyyn flotaatioaltaaseen noin 1 500 kg/d ja biologiseen prosessiin
jälkiselkeytysaltaaseen noin 700 kg/d.
Vuoden 2011 elokuussa otettiin käyttöön puhdistusprosessin kolmas
vaihe, hiekkasuodatus. Tertiäärivaiheen käyttöönoton myötä
puhdistusprosessin saostuskemikaalin annostelupisteiden määrä kasvoi
kolmesta neljään. Opinnäytetyön tavoitteena on puhdistusprosessin
optimoiminen siten, että puhdistustuloksen laatu ja varmuus saavutetaan
mahdollisimman pienellä kemikaalin kulutuksella.
Ferrisulfaatin annostelu on perustunut virtaamaan, jolloin annostelu ei ota
huomioon fosforipitoisuuden vaihteluita jätevedessä, jotka etenkin
teollisuusjätevedessä voivat olla isoja. Annostelua on säädetty
manuaalisesti, mikä on hidasta ja perustuu arvioihin.
Työn tarkoituksena oli löytää puhdistusprosessin ajomalli sekä kemikaalin
annostelumalli, jolla tulevan jäteveden muutoksiin voidaan vastata
nopeasti, samalla välttäen yliannostus silloin, kun jätevesi on fosforin
suhteen laimeampaa. Tavoitteena oli keventää kemikaalin annostusta
puhdistusprosessin alkupäässä ja painottaa annostusta prosessin
loppupäässä, jossa annostusta on helpompi säätää tulevan veden laadun
mukaan.
Kemikaaliannostelujärjestelmän kehittäminen koostuu useasta osa-
alueesta: Kemikaalin annostelupisteiden valinta ja annostelutavan ja –
mallin löytäminen sekä koko puhdistusprosessin ajomallin
tarkasteleminen.
10. 2
2 JÄTEVEDENPUHDISTUS SUOMESSA
2.1 Yleistä
Suomessa on noin 540 puhdistamoa yli 50 asukkaan taajamissa. Yleisin
puhdistamoilla käytössä oleva puhdistusmenetelmä on biologis-
kemiallinen rinnakkaissaostus, jossa eloperäinen aines poistetaan
biologisesti ja fosfori kemiallisesti. Saostuminen tapahtuu samassa
altaassa biologisen prosessin kanssa. Yleisin käytetty saostuskemikaali on
rautasulfaatti. Vuonna 2007 jätevedenpuhdistamoilla poistettiin
keskimäärin 97 % orgaanisesta aineesta, 96 % fosforista ja 56 % typestä.
(jätevesien puhdistus, www.ymparisto.fi).
Yhdyskuntajätevedenpuhdistus jaetaan kolmeen menetelmään:
mekaaninen eli fyysinen, biologinen ja kemiallinen puhdistus.
Mekaanisilla menetelmillä poistetaan suuria hiukkasia, kemiallinen
koagulointi ja flokkulointi kykenevät poistamaan pienempiä hiukkasia ja
biologisella stabiloinnilla on kyky poistaa edelleen pienempiä
partikkeleita.
2.2 Mekaaninen puhdistus
Mekaanisilla puhdistusmenetelmillä erotetaan pääsääntöisesti raskasta
kiintoainetta nesteestä. Jätevedenpuhdistuksen ensimmäinen
yksikköprosessi on usein siivilämäinen välppä, joka erottaa suurimmat
kiintoainekappaleet päästäen veden lävitseen. Seuraavassa
puhdistusvaiheessa, hiekanerotuksessa, jätevedestä erottuvat hiekka ja
muut painavammat kiintoainekappaleet laskeutumalla altaan pohjalle.
Tämän jälkeen vesi selkeytetään, minkä tarkoituksena on edelleen erottaa
kiintoainetta nesteestä. Selkeytys toteutetaan usein painovoimaa
hyväksikäyttäen laskeutuksella tai flotaatiolla. Laskeutuksessa vettä
raskaampi kiintoaine laskeutuu altaan pohjalle, flotaatiossa käytetään
dispersiovettä kantoaineena, joka nostaa kiintoaineen veden pinnalle.
(Karttunen, 2004).
Sekoitus ja ilmastus ovat myös jätevedenpuhdistuksen mekaanisia
vaiheita. Sekoitus voidaan jakaa pikasekoitukseen ja hämmennykseen ja
sen tarkoitus on nopeuttaa flokkaantumista ja siten saostumista. Nopealla
pikasekoituksella edesautetaan mikroflokkien syntymistä ja hitaammalla
hämmennyksellä kasvatetaan mikroflokeista makrolokkeja. Ilmastuksella
siirretään kaasua vesifaasin läpi kaasufaasiin, lisäksi sillä tuodaan
ilmastukseen happea. (Karttunen, 2004).
11. 3
2.3 Kemiallinen puhdistus
Kemiallisessa vedenpuhdistuksessa kemiallisten reaktioiden avulla
kasvatetaan hiukkasten kokoa ja tiheyttä, jolloin niiden mekaaninen
erottaminen on helpompaa. Kemiallisen saostuksen tavoitteena on
kiintoaineen erotuksen tehostaminen ja sitä kautta fosforin poistaminen.
Vaikka saostus perustuu epäorgaanisen ortofosfaatin poistoon, niin myös
orgaanista fosforia poistuu samalla. (Karttunen, 2004).
Saostuksessa hiukkasten varaukset neutraloidaan kemikaalin avulla. Tätä
vaihetta kutsutaan koagulaatioksi. Näin kiintoainepartikkelit voivat
muodostaa flokkeja, jotka ovat helpommin erotettavissa vedestä jollakin
mekaanisella menetelmällä. (Karttunen, 2004).
2.4 Biologinen puhdistus
Biologinen puhdistus perustuu mikrobien kykyyn puhdistaa jätevettä;
mikrobit hajottavat jäteveden orgaanisia aineita, hapettavat
ammoniumtypen nitraatiksi ja poistamavat fosforia jätevedestä. Jäteveden
kolloidiset ja liuenneet orgaaniset aineet muuttuvat lietteeksi. Biologisen
puhdistuksen tavoitteena voi olla myös lietteen stabiloiminen. Osa
yhdisteistä haihtuu kaasuna ilmaan. (Karttunen, 2004).
Aktiivilieteprosessi on yksikköprosessi, joka sijoittuu ilmastusaltaaseen.
Altaassa oleva liete sisältää mikrobeja, jotka ovat vedessä vapaasti uivina,
flokkeina tai filamentteina. Aktiivilieteprosessia ohjataan säätämällä
aktiivilietteen lieteikää ja –määrää, ilmastusaltaan happipitoisuutta ja
jäteveden kiintoainemäärää. (Lindquist, 2003).
Aerobinen aktiivilieteprosessi tarvitsee toimiakseen happea mutta hapen
syötön tehtävänä on myös sekoittaa vettä, jolloin epäpuhtaudet ja mikrobit
pääsevät kosketuksiin keskenään. Ilmastusvaiheen jälkeen vesi
selkeytetään. Osa laskeutuneesta lietteestä johdetaan palautuslietteenä
takaisin ilmastukseen, jolloin palautuslietteen mikrobit ovat kykeneväisiä
vastaanottamaan lisäravintoa. (Karttunen, 2004).
Biologisessa puhdistusvaiheessa tapahtuu myös nitrifikaatio, jonka
ylläpitämisen ehtona ovat toimiva aktiiviliete, riittävä määrä happea ja
riittävän korkea lämpötila sekä jäteveden pitkä viipymä biologisessa
puhdistusvaiheessa ja sopiva lieteikä. (Karttunen, 2004). Bakteerit eivät
toimi pH:n laskiessa alle 5,5. Toisaalta hapettuminen on tehokkainta pH:n
laskiessa. Nitrifikaatioprosessi itsessään laskee pH:ta. Näin ollen pH:ta
voidaan joutua säätämään apukemikaaleilla sopivaksi. (Lindquist, 2003).
Mikrobit hapettavat jätevedessä olevan ammoniumtypen (NH4-N) nitriitin
kautta nitraattitypeksi (NO3-N), jolloin typpi on helpommin poistettavissa.
Hapettuminen tapahtuu seuraavien reaktioiden mukaisesti:
NH4+ + 1,5 O2 → NO2
-
+ 2H+
+ H2O (1)
12. 4
NO2
-
+ 0,5 O2 → NO3
-
(2)
NH4
-
+ 2 O2 → NO3
-
+ 2H+
+ H2O (3)
(Lindquist, 2003).
2.5 Jälkikäsittely
Jätevesien käsittelyn vaatimusten kiristyminen lisää
jätevedenpuhdistamoiden tarvetta tehostaa puhdistusprosessejaan ja sen
myötä jätevedenpuhdistamoilla tarvitaan tertiäärisiä
jälkikäsittelyprosesseja. Jälkikäsittely toteutetaan pikahiekkasuodatuksella
tai korkeapaineflotaatiolla ja siihen on usein yhdistetty
desinfiointiprosessi. Jälkikäsittelyllä parannetaan jäteveden hygieenistä
laatua ja prosessin fosforin ja kiintoaineen reduktiokykyä. (Koivunen,
2007).
Tertiääriset puhdistusprosessit ovat vielä melko harvinaisia suomalaisilla
jätevedenpuhdistamoilla; Suomen ulkopuolella pikahiekkasuodatus on
usein käytetty jälkikäsittelyn toteutusmuoto mutta Suomessa käytetympi
ratkaisu on korkeapaineflotaatio. (Koivunen, 2005).
Myös desinfiointi jätevedenpuhdistuksessa on harvinaisempaa suomessa
kuin muualla maailmalla. Yleisin desinfiointitapa, klooraus, on monin
paikoin korvattu vaihtoehtoisilla menetelmillä sen aiheuttamien
ympäristöhaittojen vuoksi. Sekä UV-valoon perustuva desinfiointi sekä
peretikkahapon, joka on orgaaninen peroksidi, käyttö on yleistynyt.
(Koivunen, 2005).
2.5.1 Flotaatio
Flotaatio on vedenkäsittelyprosessi, jossa kiintoainetta poistetaan
dispersioveden avulla. Dispersiovesi on paineilmalla kyllästettyä vettä.
Paineen laskiessa dispersiovedestä vapautuvat ilmakuplat sitoutuvat
kiintoaineeseen ja nostavat ne pinnalle. (Koivunen, 2005).
Kuopion Lehtoniemen biologis-kemiallisella jätevedenpuhdistamolla
tutkittiin pilot-mittakaavassa korkeapaineflotaation soveltuvuutta
jäteveden jälkikäsittelymenetelmäksi. Tutkimuksessa todettiin
flotaatiojälkikäsittelyn tasaavan jäteveden laatua niin voimakkaasti, että
puhdistustulokset pysyivät hyvinä myös silloin, kun sekundaarisen
puhdistusprosessin toimivuus heikkeni. Tulokset osoittivat
flotaatioprosessin kestävän hyvin sekä laadullisia että määrällisiä
muutoksia kuormituksessa. Flotaatioprosessilla voidaan siis vähentää
jätevedenpuhdistamolle tulevien virtaamahuippujen aikaista
vesistökuormitusta. Pilot-kokeen avulla todettiin flotaation avulla
päästävän kokonaisfosforipitoisuudessa alle 0,3 mg/l pitoisuuksiin ja
mikrobipitoisuuksien vähentyvän 90–99 %. (Koivunen, 2005)
13. 5
2.5.2 Hiekkasuodatus
Hiekkapikasuodatus poistaa kontaktisuodatuksena jätevedestä tehokkaasti
kiintoainesta ja ravinteita sekä mikrobeja. (Koivunen, 20005)
Hiekkasuodatus on yksi veden jälkisuodatustekniikoista, joiden avulla
pyritään ottamaan kiinni selkeytyksestä karkaava kiintoaine ja saostamaan
liukoinen fosfori. Suomessa tertiäärivaiheen käsittelyprosessit ovat yhä
harvinaisia. Muita jälkisuodatustekniikoita ovat suodatuskankaaseen tai –
viiraan perustuvat laitteet ja kalvosuodattimet, joihin verrattuna
hiekkasuodatuksen investointikustannukset ovat keskimääräiset.
Hiekkasuoda-tukseen voidaan lisätä kemikaaliannostelu, jolloin
kiintoaine- ja fosfori-reduktiot nousevat entisestään. (Saarinen, 2003).
Hiekkasuodatusta on käytetty vedenkäsittelyyn talousvesien käsittelyssä jo
1800-luvulla. Hiekkasuodatuksen kehittäminen ja etenkin tietynlaisten
suodattimien kyky vastaanottaa enemmän kiintoainesta pidemmillä pesu-
väleillä on laajentanut hiekkasuodatuksen kokeilua myös jäteveden
käsittelyyn. Hiekkasuodatusta on käytetty jäteveden puhdistukseen
Englannissa, Yhdysvalloissa, Ruotsissa, Saksassa ja Sveitsissä.
Tutkimusten perusteella aktiivilietelaitoksissa käsitelty jätevesi eroaa
kemiallisesti käsitellystä talousvedestä kahdella tapaa: jätevedestä
erotettavat hiukkaset ovat kahdella kokoalueella, 1-15 µ ja 50–180 µ, mikä
vaikeuttaa veden jatkokä-sittelyä hiekkasuodatuksella. Toisaalta
aktiivilietelaitoksissa aikaansaatu flokki on kiinteämpi kuin kemiallisesti
muodostunut hiutale. (Kouti, P.). Koska jätevesissä on paikallisia eroja,
hiekkasuodatusta on aina kokeiltava kyseessä olevalle jätevedelle
siirrettävällä pilot-suodattimella ennen hiekkasuodatuslaitoksen
rakentamista.
2.6 Automaatio
Prosessi on järjestelmä tai systeemi, jossa esiintyy mekaanisia, sähköisiä,
fysikaalisia tai kemiallisia ilmiöitä, jotka liittyvät kiintoaineiden,
nesteiden, kaasujen tai energian siirtoon, varastointiin tai olomuodon
muutoksiin. Toimiyksiköt koostuvat toimielimestä sekä toimilaitteesta,
joka vaikuttaa prosessiin halutulla tavalla, esimerkiksi venttiili voi
muuttaa putken virtausta. Säätöjärjestelmän tehtävä on ohjata mitattua
lähtömuuttujaa kohti asetusarvoa eli poistaa säätöpoikkeama. Prosessin
säädössä on käytettävissä kolme perustekniikkaa: avoin ohjaus,
kompensointi ja takaisinkytkentä. (Kippo, 2008).
2.6.1 Automaation käyttö suomalaisessa jätevedenpuhdistuksessa
Puhdistusvaatimusten kiristyminen ja automaatiotekniikan kehitys ovat li-
sänneet jätevedenpuhdistamoiden kiinnostusta ohjata prosessiaan jatkuva-
toimisiin mittauksiin perustuvilla, kustannustehokkailla,
ohjausratkaisuilla. Toisaalta jäteveden laadun ja virtaaman epäsäännölliset
14. 6
vaihtelut ovat automaation ja prosessinohjauksen kannalta haasteellisia ja
biofilmin sekä kiintoaineen kiinnittyminen näytteenottojärjestelmiin ja
antureihin heiken-tävät luotettavuutta ja lisäävät puhdistustarvetta. (Haimi,
2009).
Vuonna 2008–2009 tutkittiin kyselylomakkeen ja laitosvierailujen avulla
instrumentaatiota, ohjausta ja automaatiota suomalaisilla yhdyskuntajäte-
vedenpuhdistamoilla. Tutkimukseen osallistui 24 jätevedenpuhdistamoa,
joista laitosvierailuja tehtiin yhdeksälle puhdistamolle, joiden katsottiin
muodostavan edustavan kokonaisuuden eri koko- ja ikäluokkien
yhdyskuntajätevedenpuhdistamoista. Kyselylomakkeeseen vastattiin
vuosien 2006 tai 2007 tietojen perusteella, jolloin puhdistusvaatimukset
toteutuivat 20 osallistuneella puhdistamolla. (Haimi, 2009). Kuviossa 1 on
esitetty puhdistamoilla käytössä olevat mittaukset ja niiden käyttö
ohjauksessa kyselyyn osallistuneilla jätevedenpuhdistamoilla.
Kuva 1. Jatkuvatoimiset mittaukset ja niiden käyttö. (Haimi, 2009).
Selvitykseen osallistuneilla puhdistamoilla mitattiin jatkuvatoimisesti
kaiken kaikkiaan yhteensä 18 jäteveden laatuun tai muuhun toimintaan
liittyvää muuttujaa. Pääosin online-mittauksia käytetään prosessin
valvontaan ja raportointiin, mutta osittain myös prosessin ohjaukseen
esimerkiksi toimilaitteiden kuten pumppujen ja venttiilien toiminnan
säätelyssä. Vakiintuneita online-mittalaitteita ovat liuenneen hapen,
kiintoaineen, lämpö-tilan, pH-arvon ja pinnankorkeuden mittarit. 14
puhdistamolla oli käytössä jäteveden ammoniumin, nitraatin ja fosfaatin
konsentraatioiden mittaukseen jatkuvatoimisia analysaattoreita mutta
prosessin ohjaukseen niitä käytettiin vain muutamalla. (Haimi, 2009).
Yleisimmin jätevedenpuhdistamoilla oli käytössä ohjausjärjestelmä, joka
oli toteutettu joko takaisinkytkentään perustuvin säätöpiirein tai PID-
säätimin. Kuudella tutkimukseen osallistuneella puhdistamolla käytettiin
kehittyneitä säätimiä kuten adaptiivisia, sumeita tai malleihin perustuvia
15. 7
säätimiä muun muassa ilmastuksen ilmavirran ohjauksessa, palautusliete-
virtaaman ohjauksessa, lietteen linkouksessa sekä metanolin ja
saostuskemikaalin syötössä. (Haimi, 2009). Kuvassa 2 on esitetty jatkuvat
ja On/Off – ohjaukset jätevedenpuhdistamoilla.
Kuva 2. Jatkuvat ja On/Off – ohjaukset jätevedenpuhdistamolla. Sarja 1 kuvaa On/Off
– ohjausta jätevedenpuhdistamoilla. Sarja 2 kuvaa jatkuvaa ohjausta
jätevedenpuhdistamoilla. (Haimi, 2009).
3 FOSFORI JÄTEVEDESSÄ
Fosfori on typen ohella suurin syy vesien rehevöitymiseen ja tärkeimmät
fosforin lähteet ovat maa- ja metsätalous sekä asutuksen jätevedet. Muita
fosforikuormittajia ovat muun muassa turvetuotanto, kalankasvatus ja
teollisuuden jätevedet. Vesistön rehevöityessä vesi samenee
planktonlevien lisääntyneen kasvun vuoksi. Rehevöityminen voi johtaa
leväkukintojen yleistymiseen, happikatoon ja kalastomuutoksiin. (Fosfori
veden laatua kuvaavana muuttujana, www.ymparisto.fi).
Jäteveden puhdistusvaatimusten reduktio ja jäännöspitoisuus on sidottu
kokonaisfosforiin, joka muodostuu jätevedessä olevasta liukoisesta sekä
kiintoaineeseen sitoutuneesta, suspentoituneesta osasta. Fosfori on
jätevedessä sekä orgaanisena fosforina orgaanista alkuperää oleviin
kiintoainehiukkasiin tai bakteerisoluihin sitoutuneena että epäorgaanisena
poly- ja ortofosfaattina. Ortofosfaatit ovat syntyneet hajotustuotteena
mikrobien hajottaessa fosforipitoisia orgaanisia aineita ja riippuen
jäteveden pH:sta, ne ovat muodossa H2PO4, HPO4
2-
, H3PO4 tai PO4
3-
.
Polyfosfaatit ovat peräisin pesu- ja puhdistusaineista. (Kiiskinen, 1984).
Kuvassa 3 on esitetty käsittelemättömän jäteveden fosforiyhdisteet.
16. 8
Kuva 3. Käsittelemättömän jäteveden fosforiyhdisteet. (Ferrosulfaatin käyttöopas)
3.1 Fosforin kemiallinen saostaminen
Jätevedenpuhdistuksessa käytetyimpiä saostuskemikaaleja, koakulantteja,
ovat rauta(III)- ja alumiini(III)-yhdisteet niiden muodostaman, nopeasti
laskeutuvan, flokin vuoksi. Myös rauta(II)-yhdisteitä käytetään, mutta
niiden muodostaman hienojakoisen flokin vuoksi ne täytyy ensin hapettaa
rauta(III)-yhdisteeksi lisäämällä kemikaali ilmastettuun altaaseen.
(Maurer, 1999).
Liuennut fosfori voidaan poistaa jätevedestä saattamalla se kiinteiksi
partikkeleiksi koaguloimalla tai flokkuloimalla ja selkeyttämällä
kiintoaine ja vesi erillisiksi faaseiksi. Liuenneen fosforin muuttuminen
hiukkasmuotoon vaatii kolme erillistä mekanismia: (1) Matala-liukoisten
metalli-hydroksidien kemiallinen saostuminen; (2) Liukoisten
fosforijakeiden valikoiva adsorptio juuri saostuneiden metalli-
hydroksidien pinnalle sekä (3) flokkulointi ja saostuminen hienoksi
hajonneen kolloidisen aineen kanssa, joka koostuu savesta, lietteestä,
saostuneista rauta- ja mangaanioksideista, bakteereista ja levästä.
Viimeisin mekanismi on riippumaton jätevedessä olevista fosforijakeista.
Se on riippuvainen pääasiassa fosforia sisältävien kolloidien koosta ja
pinnasta, sillä huokoisemmat partikkelit ja kolloidinen aines voidaan
laskeuttaa ainoastaan lisäämällä viipymää. Mekanismit eivät ole toisistaan
riippumattomia mutta ne tapahtuvat yhtäaikaisesti. (Maurer, 1999).
(Tramfloc Inc.).
Koaguloinnissa on kyse kolloidisten partikkelien varauksen
neutralisaatiosta, jolloin partikkelien välisen jännitteen destabiloituminen
mahdollistaa agglomeroitumisen. Kolloidisilla partikkeleilla on
negatiivinen varaus joten partikkelit hylkivät toisiaan. Kun partikkelin
ympärillä oleva negatiivinen varaus on neutralisoitu, partikkelit pääsevät
törmäämään toisiinsa ja kasvavat isommiksi hiukkasiksi. (Tramfloc Inc.).
17. 9
Saostuskemikaalien ja fosfaattien muodostama metallisuola saostuu suolan
konsentraation ylittäessä suolan liukoisuuden, eli kun konsentraatiotulo
ylittää kyseisen yhdisteen liukoisuustulon arvon. Saostuskemikaalin
määrää ei voida kuitenkaan laskea suoraan suolan liukoisuudesta, sillä
esimerkiksi hydroksidi-ionit kuluttavat myös saostuskemikaalin metalli-
ionia. (Kiiskinen, 1984). Muodostunut saostuma voidaan poistaa
laskeuttamalla, flotaatiolla tai suodattamalla. Puhdistusprosessin
suorituskykyyn ja jäteveteen jäävään fosforimäärään vaikuttavat
puhdistusprosessin lisäksi fosforiyhdisteiden kemiallinen käyttäytyminen,
pH, kiintoaine, liuenneet orgaaniset aineet, saostuskemikaali ja sen
annostus sekä sekoitusolosuhteet. (Maurer, 1999). Koska muuttujia on
useita, tarvittavan kemikaaliannoksen tarkka ennakoiminen on mahdotonta
joten tarvitaan paikanpäällä tehtyjä koeajoja.
Fosforin ja raudan reagoidessa mahdollisia reaktiotyyppejä on useita:
- Ortofosfaatti ja rauta saostuvat kiinteiksi FePO4- ja Fe(OH)3-
partikkeleiksi, jotka hyytyvät ja alkavat flokkuloida.
- Rinnakkaissaostuksessa muodostuu amorfisia fosfaatti-komplekseja.
Ortofosfaatin ja raudan pitoisuuksien sekä pH:n vaihtelun vuoksi voi
muodostua stokiometrisesti erilaisia saostumia, jotka muodostuvat
useista erilaisista komponenteista.
- Erityisen matalissa tai korkeissa pH-olosuhteissa tapahtuva
liukenevien ferrifosfaattien ja ferrihydroksidien muodostuminen sitoo
Fe3+
ja PO3-
4- ioneja ja näin ollen vaikeuttaa liukoisen fosforin
saostamista.
- Fe3+
-ioni muodostaa orgaanisia sivutuotteita jäteveden komponenttien
kanssa.
- Fosfaatti-ionit ja liuennut fosfori adsorpoivat ferri-hydroksidi-
flokkeihin.
- Kolloidiset partikkelit ja orgaaninen fosfori hyytyvät ja saostuvat.
(Takács, 2006).
Rauta(III)fosfaatin ja hydroksidin saostumista ja muita mekanismeja, jotka
saattavat vaikuttaa fosforin poistoon tutkittiin titrauskokeilla ja matemaat-
tisella mallintamisella kahdella Washington D.C.:n alueella sijaitsevalla
alueella. Mallissa todetut päähuomiot ovat: (a) Erittäin alhaiset ortofos-
faattitasot voidaan saavuttaa laajalla pH-alueella, (b) Ferrifosfaatin ja rau-
tahydroksidin seossaostuman muodostuessa hydroksidi toimii sorbenttina,
(c) moolisuhde Fe/P vaihtelee laajalti (1,0–3,9) riippuen käytetystä tekno-
logiasta ja fosforijäämästä. (Takács, 2006).
3.1.1 Kemikaalin annostelu
Kemikaalin annostelulla on merkitystä ainoastaan liukoisen fosforin
pitoisuuteen lähtevässä vedessä. Riittävällä kemikaalinsyötöllä liukoisen
fosforin pitoisuus lähtevässä vedessä voi laskea tasolle 0,1 – 0,2 mg/l.
Karkea annostus suoritetaan moolisuhteen perusteella ja lähtevän veden
liukoisen fosforin pitoisuutta seuraamalla haetaan optimiannostusmäärä.
Tämän jälkeen kokonaisfosforipitoisuuteen vaikuttaa prosessin kyky
18. 10
erottaa kiinto-ainetta. Suuri kokonaisfosforipitoisuus lähtevässä
jätevedessä viittaa kiintoaineen karkaamiseen, jolloin täytyy kiinnittää
huomiota biologisen vaiheen säätöön ja ohjaukseen sekä laitoksen
hydrauliikkaan. (Alavakeri, 2002).
Yleisimmät annostelutavat ovat yksinkertainen, jatkuva tasainen
annostelu, päivä-, yö- ja viikonloppuannostelu sekä virtaamaan kytketty
annostelu. (Ferrosulfaatin käyttöopas). Annostelutavan valintaan
vaikuttavat puhdistamon kuormituksen vaihtelu sekä viipymä
ilmastusaltaassa. Jatkuva tasainen annostelu soveltuu ilmastusaltaaseen
syötettävään annostukseen tai kun puhdistamolla esiintyy vuotovesiä.
Mikäli vuotovesiä ei esiinny, valitaan virtaamaohjattu ajotapa. (Niemelä,
1987).
Tulevan jäteveden fosforikuormitus noudattaa vuorokausi-, viikko- ja
vuodenaikavaihteluita. Ajallisesti vaihtuvat annostelutasot säädetään
kello-ohjauksella seuraamaan vuorokaudenajasta riippuvaa fosfori-
kuormituksen vaihtelua. Viikonlopun ajaksi, jolloin annostelu on tasaista
ja jatkuvaa, annostelutaso asetetaan käsisäätöisesti. (Alavakeri, 2002).
Esisaostusvaikutusta haluttaessa ferrisulfaatin annostelun tulee seurata
tarkasti fosforikuormitusta. Esikäsittelyyn tai kaksipistesyöttönä
syötettyihin kemikaalin annosteluihin soveltuu virtaamaohjattu annostelu.
Virtaamaohjatussa annostelussa oletetaan, että jäteveden fosforipitoisuus
on vakio. Sulamisvesien ja sadevesien aikaan jäteveden fosforipitoisuus
on kuitenkin alhainen, joten annostelulle täytyy asettaa yläraja. Myös
ilmastusaltaan tasaisuustarve vaikuttaa syötön tasaisuustarpeeseen;
pienellä lieteiällä lietteen raudan varastointikyky on suurempi. (Alavakeri,
2002).
Kaksipistesyöttö
Saostuskemikaalin annostusta nostettaessa hyötysuhde heikkenee. Kaksi-
pistesyöttönä toteutetulla fosforinpoistolla jälkimmäisen saostuksen
hyötysuhde on suhteessa suurempi, jolloin samaan lopputulokseen
vaadittava kemikaaliannostus on pienempi. (Niemelä, 1987 ).
Kaksipistesyöttö toteutetaan yhdistämällä joko esi- ja rinnakkaissaostus tai
rinnakkaissaostus ja suodatus. Kunkin syöttöpisteen suhteellisen
annosmäärän löytäminen on tärkeää parhaan hyötysuhteen
saavuttamiseksi. Maurer ja Boller tutkivat optimiannostelua laitoksella,
jossa on käytössä rinnakkaissaostus ja suodatus. Koe aloitettiin syöttämällä
100 % kemikaalista ensimmäiseen pisteeseen. Näin ollen toiseen
pisteeseen, suodatukseen, ei syötetty lainkaan ferrisulfaattia. Annostusta
suodatukseen lisättiin vaiheittain ja vastaavasti ensimmäisen pisteen
annostusta laskettiin. Jokaisessa kokeilussa liuenneen fosforin pitoisuus
sisäänvirtaavassa jätevedessä oli 4,0 mgPliu/l ja tavoite oli päästä
suodattimen jälkeen fosforinpitoisuuteen 0,1 mgPliu/l. (Maurer, 1999).
Ferrisulfaatin annostus pisteittäin ja kokonaiskulutus on esitetty kuvassa 4.
19. 11
Kuva 4. Suhteellinen ja kokonaisannostus kaksipisteannostelussa. (Maurer, 1999).
Tulosten perusteella minimi rauta(III) annos saavutetaan, kun 60-70 %
kemikaalista syötetään aktiivilietteeseen ja 30-40 % suodattimeen.
(Maurer, 1999). Kokeilun perusteella ei kuitenkaan voida päätellä, onko
optimi annostelusuhde sama, mikäli tavoiteltu fosforipitoisuus olisi jokin
muu kuin 0,1 mgPliu/l.
Saostuminen tai adsorptio eivät kumpikaan selitä kaksipistesyötön hyötyä,
sillä ne molemmat perustuvat joko liukoisuuden tai kemikaalin pinta-alan
kannalta lopulliseen tasapainotilaan, minkä perusteella samalla kokonais-
kemikaalin käytöllä saavutettaisiin sama jäännösfosforin pitoisuus
annosteluvaiheista riippumatta. Vuonna 1970 Reicht ja Ghassemi
osoittivat kokeillaan, että alumiini(III)- ja rauta(III)- saostajien
hydrolyysin kasvattaminen laskee fosfaatin sitomiskykyä. Esitetyn
hypoteesin mukaan suurempi metallisaostajan annostus aiheuttaa veden
kyllästämisen raudalla tai alumiinilla ja siten saostuneiden flokkien
nopeamman kasvun. OH-ryhmien sitoutuminen mikroflokkeihin kasvattaa
ne nopeasti makroflokeiksi ja sitoo metallisuolan pinta-alaa. Näin voidaan
selittää saostuskemikaalin hyötysuhteen lasku annostusta lisättäessä
olettaen, että adsorptio on dominoiva fosforinpoistomekanismi. Tässä
tapauksessa jäännösfosforin laskemisessa täytyy huomioida kaavan 1
mukaan, että tehokas pinta-ala fosfaattiadsorptiolle ei ole vakio vaan
laskeva. (Maurer, 1999).
Seff = Smax – kFe*[Fe] (1)
missä
Seff = tehokas ominaispinta-ala fosfaattiadsorptiolle, m2
/g kuiva-ainetta
Smax = maksimi ominaispinta-ala erittäin alhaisella Fe-annostuksella, m2
/g
kuiva-ainetta
kFe = suhdevakio, m4
/g2
[Fe]= Fe annos g/m3
(Maurer, 1999).
20. 12
3.1.2 Kiintoaineeseen sitoutunut fosfori
Kiintoaine jaotellaan orgaaniseen, eli eloperäiseen, ja epäorgaaniseen, eli
elottomaan, ainekseen. Orgaaninen kiintoaines, johon kuuluvat
esimerkiksi kuollut levä- tai kasviaines, kuluttaa hajotessaan veden happea
ja lisää myös veden orgaanista likaantumista. Epäorgaanista materiaalia
ovat esimerkiksi savi ja hiesu. Veden kiintoainepitoisuus heikentää veden
valaistusolosuhteita ja muuttaa kasvualustoja ja vaikuttaa siten
pohjalevästön rakenteeseen ja kasvuun. (www.ymparisto.fi, kiintoaine).
Fosforin määrä kiintoaineessa on noin 2 – 4 %. Tämän fosforiosuuden
poistoon vaikutetaan tehostamalla kiintoaineen poistoa esimerkiksi
säätämällä biologisen prosessin ylijäämälietteen poistoa ja palautuslietteen
määrää sekä ilmastuksen ja selkeytyksen hydraulista kuormitusta ja
lietepintakuormitusta. (Alavakeri, 2002).
Kiintoaineen poisto
Flokkulointi määritellään mekanismiksi, jolla mikroflokki- ja alhaisen
tiheyden omaavat makroflokki-partikkelit kasvavat edelleen saaden aikaan
flokkien nopean laskeutumisen ja parantaen veden laatua. Joissakin
olosuhteissa ainoastaan hyvin pieni määrä partikkeleita agglomeroituu
muodostaen mikroflokin, joka ei ole tarpeeksi agglomeroitunut
selkeytyäkseen hyvin ilman flokkulointia. Mikroflokkien ja alhaisen
tiheyden omaavia makroflokkeja voidaan joutua käsittelemään
kemiallisesti, jolloin ne flokkuloivat ja selkeytystulos paranee. (Tramfloc
Inc.).
Epäorgaanisina koagulantteina käytetään kolmenarvoisia ioneja, kuten
alumiini ja rauta, jotka koaguloivat neutralisoimalla kolloidiset jännitteet
ja edistävät agglomeraatiota. Niiden koagulaatiokyvyn lisäksi ne
kykenevät lisäämään flokkulaatiota, sillä ne muodostavat hyytelömäisiä
hydroksideja sopivilla pH-alueilla. Nämä hyytelömäiset hydroksidit
sitovat destabiloidut partikkelit niiden laskiessa vedessä painovoimaisesti.
Polymeerisillä koagulanteilla, tai sen kaltaisilla polyelektrolyyteillä on
suhteellisen matala molekyyli-paino verrattuna flokkulointi-
polymeereihin. ne ovat korkeasti kationisesti varautuneita ja ovat
sovellettavissa laajasti veden selkeyttämisessä. Polymeerisillä
koagulanteilla on lisäksi pienissä määrin kyky saada partikkelit
flokkuloimaan mekanismilla, joka on melko erilainen epäorgaanisiin
koagulantteihin verrattuna. Flokkulointi polymeerien teho perustuu niiden
pitkiin polymeeriketjuihin, jotka mahdollistavat kiinnittymisen useampiin
partikkeleihin. (Tramfloc Inc.).
Monet veden- ja jätevedenkäsittelylaitokset, jotka käyttävät joko
epäorgaanisia tai polymeerisiä koakulantteja saattavat edellyttää lisättyä
flokkulaatiota vastatakseen veden laatuvaatimuksia. Flokkulaatiota
voidaan lisätä suuremman molekyylipainon omaavilla kationisilla,
nonionisilla tai anionisilla flokkulanteilla. Flokkulanttien voidaan kuvitella
21. 13
toimivan siltana mikroflokkien välillä, jolloin syntyy suurempia,
tiheämpiä ja nopeammin laskeutuvia flokkeja. (Tramfloc Inc.).
Sekä laskeutusselkeytyksesssä että flotaatioselkeytyksessä voidaan käyttää
samaa mallia kemikaalikäsittelyä kehitettäessä. Vedessä täytyy olla
kiinteitä partikkeleita mikroflokkeina, jotka erotetaan vesifaasista. Nämä
partikkelit voidaan synnyttää ja maksimoida neutraloimalla ja
destabiloimalla jännite koagulanteilla. Kun kationinen tarve on tyydytetty,
flokkulointi voidaan saavuttaa polymeeriflokkulanteilla. (Tramfloc Inc.).
3.2 Biologinen fosforinpoisto
Jätevedessä oleva fosfori voidaan poistaa myös biologisesti tai siten, että
fosforin poistuminen varmistetaan saostuskemikaalilla biologisen
käsittelyn jälkeen. Biologinen fosforinpoisto toteutetaan yleensä
aktiivilieteprosessissa. Sopivissa oloissa Fosforin varastoimiseen
erikoistuneet bakteerit, kuten poly-P-bakteerit, rikastuvat lietteeseen.
Anaerobisissa oloissa polyfosfaatti vapautuu mikrobeista veteen. Tällöin
syntyy energiaa, joka käytetään orgaanisen aineen sitomiseen solun sisään
polyhydroksialkanoaatteina (PHA), jota käytetään energian ja hiilen
lähteenä fosfaatin sitomiseen olosuhteiden muuttuessa aerobisiksi.
Aerobisissa olosuhteissa fosforia sitoutuu enemmän kuin sitä on
vapautunut edeltävässä anaerobisessa vaiheessa (kuva 5). (Rantanen,
1999).
Kuva 5. Biologisen fosforinpoiston periaate. PO4= fosfaatti, CH2COOH = asetaatti,
Energ = vapautuva/sitoutuva energia, ANAER = anaerobinen tila ja AEROB
= aerobinen tila. (www.ymparisto.fi, Biologinen fosforinpoisto).
Yleensä biologinen fosforinpoisto yhdistetään aktiivilieteprosessiin.
Yhdistetty biologinen fosforin- ja typenpoisto voidaan toteuttaa erilaisilla
prosesseilla riippuen reaktoritilasta ja olosuhteista. Jos A:lla merkitään
prosessin anaerobista vaihetta, D:llä denitrifikaatiota ja N:llä prosessin ae-
robisia vaiheita, niin mahdolliset prosessit ovat A/D/N/D-, A/D/N- ja
22. 14
A/N/D-prosessi. Tietyillä reaktoritiloilla ja olosuhteilla, esimerkiksi vir-
taaman kasvaessa todella suureksi, prosessia voidaan operoida myös N/D-
prosessina, jolloin prosessissa poistetaan ainoastaan typpeä ja fosfori saos-
tetaan kemiallisesti. (Kiuru, 1996).
Nitrifioivalla laitoksella palautuslietteen mukana anaerobiseen osaan
tuleva nitraatti aiheuttaa sen, että olosuhteet eivät ole täysin anaerobiset,
mikä on edellytys biologiselle fosforinpoistolle. Prosessin
nitraatinsietokykyyn vaikuttaa lähinnä helposti hajoavan orgaanisen
aineksen määrä tulevassa jätevedessä. Mitä suurempi hiilen ja fosforin
suhde on, sitä vähemmän nitraatti vaikuttaa fosfaatin vapautumiseen;
Nitraatin denitrifioituminen kuluttaa tulevan jäteveden hiiltä, jota on
tällöin vähemmän käytettävissä biologisessa fosforinpoistossa fosforin
vapauttamiseen. Prosessiin voidaan syöttää orgaanista yhdistettä
puhdistustuloksen parantamiseksi. (Rantanen, 1999).
3.2.1 Kemiallisen fosforinpoiston korvaaminen biologisella fosforinpoistolla
Kemiallisen fosforinpoiston korvaaminen biologisella fosforinpoistolla
vähentää kemikaalien aiheuttamaa ympäristön suolaantumista,
ylijäämälietteen määrää sekä puhdistamon käyttökustannuksia. (Rantanen,
1999). Biologisessa fosforinpoistossa rinnakkaissaostusprosessin lietteen
biologisesti tehoton rauta ja kalsium, joiden osuus lietteen kuivapainosta
on noin 10–15 %, korvautuvat biomassalla, mikä lisää lietteen
aktiivisuutta. Tämän vuoksi kemiallisen rinnakkaissaostuksen
korvaaminen biologisella fosforinpoistolla ei vaadi reaktoritilan lisäystä.
Biologisen fosforinpoiston käynnistyminen alkaa vasta pitkällä viiveellä
kemikaalinsyötön alasajon jälkeen, sillä pitkän lieteiän vuoksi aktiiviliete
uusiutuu hitaasti minkä vuoksi kolmiarvoinen rauta poistuu prosessista
hitaasti. (Kiuru, 1996).
Vuosina 1994–1995 Savonlinnan Pihlajaniemen jätevedenpuhdistamolla
tutkittiin typenpoistoon saneeratun aktiivilieteprosessin rinnakkaissaostuk-
sena suoritetun kemiallisen fosforinpoiston korvaamista biologisella fosfo-
rinpoistolla. Tutkimuksen suoritti Teknillisen korkeakoulun vesihuolto-
tekniikan laboratorio ja tutkimuksen pohjalta kehitetty biologiseen ravin-
teidenpoistoon modifioitu aktiivilieteprosessi on nimetty
HUT/Savonlinna-prosessiksi. HUT/Savonlinna-prosessin olosuhteissa
aktiivilietteen heterotrofiset bakteerit valikoituivat siten, että suuri osa
bakteereista on sekä polyfosfaatti- että denitrifikaatiobakteereita.
Anaerobisen vaiheen ollessa riittävän laaja ja jäteveden hiili/fosfori-
suhteen ollessa riittävän suuri, oli biologisesti käsitellyn jäteveden
kokonaisfosforipitoisuus alle 0,5 mg/l. (Kiuru, 1996).
HUT/Savonlinna-prosessin käyttöönottoon tarvittiin noin puolen vuoden
harjaantumisvaihe prosessin operoinnissa. Tämän ajanjakson aikana
fosforinpoistoteho vakautettiin alueelle 70–90 % sekä liukoisen fosforin
pitoisuus alueelle 0,1 – 0,5 mg/l ja kokonaisfosforipitoisuus alueelle 0,2-
1,0 mg/l. Olosuhteiden vaatiessa biologista fosforinpoistoa täydennettiin
23. 15
syöttämällä jälkiselkeytykseen menevään vesi/liete-seokseen pieni määrä
(15–60 g/m3) saostuskemikaalia. Biologisen fosforinpoiston teho ei
laskenut pienestä kemikaalin lisäyksestä. (Kiuru, 1996).
HUT/Savonlinna-prosessissa jäteveden lämpötilalla ei havaittu olevan
vaikutusta biologisen fosforinpoiston tehokkuuteen mutta teho heikkeni
huomattavasti kun jäteveden viipymä reaktorialtaissa laski alle seitsemään
tuntiin. Jäteveden tulisi viipyä anaerobisessa osastossa 1,5 tuntia
tehokkaan fosforinpoiston saavuttamiseksi. (Kiuru ym. 1996).
3.2.2 Biologinen fosforinpoisto rinnakkaissaostuksessa
Rinnakkaissaostuslaitoksella fosforia poistuu myös biologisesti, sillä nitri-
fikaation anaerobisessa altaassa hetrerotrofiset denitrifikaatiomikrobit ky-
kenevät käyttämään jäteveden fosforia ravinteenaan vapauttaen fosforia
jätevedestä. Rinnakkaissaostuslaitoksessa noin kolmasosa fosforista sitou-
tuu aktiivilieteprosessin biomassaan erottuen näin jätevedestä. (Saarinen,
2003). Jäteveteen lisätty saostuskemikaali estää mikrobien erikoistumista
heterotrofisiksi denitrifikaatiobaktereiksi ja siksi biologisen
fosforinpoiston osuus rinnakkaissaostuksessa on melko merkityksetön.
(Nieminen).
4 SEINÄJOEN JÄTEVEDENPUHDISTAMO
Seinäjoen kaupungin vesihuollosta vastaa Seinäjoen Vesi Oy, joka
yhtiöitettiin Seinäjoen Energia Oy:n tytäryhtiöksi 1.1.2011. Tähän asti
seinäjoen Vesi oli toiminut kunnallisena liikelaitoksena. Seinäjoen Vesi
Oy:n toiminta jakautuu talouteen, verkostoon ja laitostoimintaan, johon
sisältyvät puhdistamo- ja vesilaitostoiminnat. (Toimintakertomus,
Seinäjoen Vesi 2010).
Seinäjoen jätevedenpuhdistamo sijaitsee Seinäjoen Joupin
kaupunginosassa ja se on rakennettu vuonna 1974. Laitosta on saneerattu
ja laajennettu toimintansa aikana useasti. Seinäjoen jätevedenpuhdistamo
on kaksilinjainen biologis-kemiallinen rinnakkaissaostuslaitos, jossa
eloperäiset lika-aineet poistetaan biologisesti ja fosfori kemiallisesti.
Seinäjoen jätevedenpuhdistamon viemäriverkostoon on liittynyt noin 40
000 asukasta. Teollisuuslaitoksista huomattavimmat
viemäriverkostonpiiriin liittyneet ovat Valio Oy ja Atria Oyj. Valio Oy:n
meijerijätevedet tulevat jätevedenpuhdistamolle omaa siirtolinjaa pitkin ja
niillä on erillinen esikäsittely. (Toimintakertomus, Seinäjoen Vesi 2010).
4.1 Käsiteltävät vedet
Vuonna 2010 jätevedenpuhdistamolla käsitelty jätevesimäärä oli 6 310
178 m³ (17 288 m³/d), josta 719 089 m³ tuli Valion tehtaalta. (Seinäjoen
Vesi 2010, toimintakertomus).
24. 16
4.1.1 Teollisuusjätevesien erityispiirteet
Meijeriteollisuuden jätevedelle ovat ominaista suuri orgaaninen kuormitus
ja suuret typpi- ja fosforipitoisuudet. Jäteveden laatu vaihtelee paljon;
Jäteveden lämpötila vaihtelee ja putkistojen kiertopesuihin käytetään sekä
emäksisiä, että happamia puhdistusaineita. Lisäksi myyntikelvottomien
erien kaataminen viemäriin aiheuttaa jäteveden laadun vaihtelua.
Asutusjätevesille tyypillisten jätteiden lisäksi meijeriteollisuusjätevesistä
täytyy laskea niiden korkeita rasva-, öljy- ja kemikaalipitoisuuksia.
(Agropolis Oy, 2007). Taulukossa 1 on vertailtu tulevan asutusjäteveden
ja tulevan meijerijäteveden pitoisuuksien keskiarvoja ja vaihteluväliä
vuonna 2010. Keskiarvot ja vaihteluväli on laskettu Etelä-Pohjanmaan
Vesitutkijoiden tekemien analyysien tulosten perusteella. Analyysituloksia
oli 24 kpl. (VeRa-käyttöpäiväkirja).
Taulukko 1. Kunnallisen ja meijerijäteveden erot vuonna 2010. (VeRa-
käyttöpäiväkirja).
Kunnallinen jätevesi Meijerijätevesi
Keskiarvo Vaihteluväli Keskiarvo Vaihteluväli
pH 7.2 6.7 - 7.5 7.8 5.9 - 12
Sähkönjohtavuus,
mS/m 66 39 - 92 202 110 - 630
BOD, mg/l 237 88 - 540 1405 710 - 3800
COD, mg/l 541 250 - 1100 2396 1700 - 5500
Kiintoaine, mg/l 318 140 - 830 657 390 - 2100
Fosfori, mg/l 8,1 4,5 - 15 21,3 12 - 34
Typpi, mg/l 48 19 - 91 111 12 - 310
4.2 Puhdistusprosessi
Seinäjoen jätevedenpuhdistamon puhdistusprosessi on esitetty
ainetasekaaviona liitteessä 1. Liitteen 2 prosessikaavioon on kerätty
prosessin pääosat.
4.2.1 Kunnallisen jäteveden esikäsittely
Seinäjoen jätevedenpuhdistamon esikäsittely saneerattiin vuonna 2007.
Viemäriverkosta jätevedenpuhdistamolle tuleva vesi nostetaan
tulopumppaamosta tuloruuveilla niin, että vesi kulkee painovoimaisesti
prosessin läpi. Esikäsittelyn ensimmäinen yksikköprosessi on
porrasvälppä, jonka säleikköön pysähtyvät suurimmat jätevedessä olevat
kiinteät jätteet. Esikäsittelyssä on kaksi välppää, joista päätoimisen välpän
välppä-väli on 3 mm. Virtaaman noustessa prosessi ottaa käyttöön myös
harvemman välpän, joka pidättää yli 6 mm kiintoaineet. Välpejäte
kuljetetaan ruuvilla välpepesurille ja vesi jatkaa hiekanerotukseen.
25. 17
Välpepesuri pesee jätteestä lisätyn veden ja mekaanisen energian avulla
orgaanisen ja ulosteperäisen jätteen ja puristaa jätteen kuivaksi.
Välpepesurilla pestään myös sakokaivolietteen vastaanottoasemassa
sijaitsevaan rumpuvälppään jäänyt kiinteä jäte. Pesemällä ja kuivaamalla
välpejätteen määrä vähenee 80 %. Kuivattu välpejäte kuljetetaan
käsiteltäväksi Lakeuden Etappi Oy:lle.
Hiekanerotusaltaassa erotetaan karkea, mineraalinen kiintoaines ja
orgaaniset partikkelit toisistaan. Painavan, helpoiten laskeutuvan
kiintoaineen annetaan laskeutua hiekanerotusaltaan pohjalle ja
ilmastamisen avulla estetään kevyempien, orgaanisten kiintoaineiden
laskeutuminen, sillä biologinen prosessi tarvitsee orgaanista jätettä
mikrobien ravinnoksi. Altaan pohjalle laskeutunut kiintoaine kerätään
laahaimella ja pumpataan hiekkapesuriin. Vesi johdetaan
hiekanerotusaltaasta esiselkeytysaltaaseen. Hiekanerostusaltaan
loppupäähän syötetään Kemiran ferrisulfaattia, kauppanimeltään PIX 105,
saostuksen tehostamiseksi. Ferrisulfaatti sekoittuu ilmastamalla.
Ferrisulfaattia annostellaan esikäsittelyyn taajuusmuuttajaohjatulla
pumpulla, joka annostelee ferrisulfaattia tasa-annostuksella. Annostuksen
määrää ohjataan manuaalisesti.
Hiekkapesurissa hiekasta pestään siihen tarttuneet orgaaniset partikkelit ja
muut vieraat materiaalit. Hiekkapesuriin tuleva vesi-hiekka –seos
johdetaan hiekkapatjan päälle, ja vesi poistuu hiekkapatjan päältä
ylikaatona. Hiekkapesurin pohjalla olevat pesusuuttimet möyhivät
hiekkapatjaa irrottaen siitä epäpuhtauksia. Näin hiekan hehkutushäviö on
alle 3 % ja kuivuusaste yli 90 %.
Pyöreässä esiselkeytysaltaassa syntynyt saostuma laskeutetaan altaan
pohjalle, josta se kerätään lietelaahaimen avulla ja pumpataan
raakalietteenä lietteentiivistämöön. Vesi poistuu ylivuotokourujen kautta
kokoomakanavaan, josta se jatkaa ilmastusaltaaseen. Esiselkeytysaltaan
pinta-ala on 707 m2
ja Sh keskiarvovirtaamalla on 1.0 m/h ja
maksimivirtaamalla 4.1 m/h. Esiselkeytysaltaan reduktiokyky typelle on
10 % ja sekä fosforille että kiintoaineelle 50 % (Liite 1).
4.2.2 Teollisuusjätevesien esikäsittely
Valiolta tulevan teollisuusjäteveden käsittelyn ensimmäinen vaihe on
viirasiivilä, jossa on telojen välissä pyörivä siiviläkangas. Viirasiivilä
vastaa yhdyskuntajätevesien välppäystä: Kankaaseen jäänyt karkeampi
kiintoaine kuljetetaan erilliseen, imuautolla tyhjennettävään altaaseen.
Viirasiivilän jälkeen teollisuusjätevesi johdetaan tasausaltaaseen, jossa
jätevesi ilmastetaan ja pH neutraloidaan lisäämällä siihen rikkihappoa,
H2SO4, tai natriumhydroksidia, NaOH. Tasausaltaasta jätevettä johdetaan
tasavirtaamalla 2600 m3
/d kaksilinjaiseen flotaatiopuhdistukseen.
Flotaatioaltaat ovat kaksiosaiset ja etuosassa sijaitsevat hämmentimet
sekoittavat siihen syötettyä ferrisulfaattia ja polymeeriä flokkauksen
26. 18
parantamiseksi. Ferrisulfaattia syötetään flotaatioon tasa-annostuksella
1500 kg/d. Flotaatiopuhdistuksesta poistettava pinta- ja pohjaliete
pumpataan lietteentiivistämöön. Kirkastettu vesi johdetaan jälleen
tasausaltaaseen, josta se pumpataan Biosuodin 1:n päälle. Biosuotimessa
on kennosto, jonka pinnalle on kehittynyt bakteerien ja muiden eliöiden
muodostama biokerros. Jätevesi laskeutuu vapaasti kennoston läpi ja
pieneliöstö käyttää jäteveden sisältämää eloperäistä ainesta ravinnokseen
ja hajottaa ne vedeksi ja hiilidioksidiksi. Jätevesi kiertää biosuodin 1:n läpi
laskennallisesti 7 kertaa. Kun pinta nousee tasausaltaassa, uimuriventtiili
biosuodin 1:n ja tasausaltaan välillä sulkeutuu ja jätevesi jatkaa biosuodin
2:lle, jonka läpi jätevesi laskeutuu kerran ennen päätymistä
väliselkeytysaltaaseen. Väliselkeytysaltaassa saostuma laskeutetaan altaan
pohjalle ja kerätään ketjukaapimella. kevyt pintaliete, kuten rasvat,
kerätään ryyppyruuhen kautta ja sekä pinta-, että pohjaliete pumpataan
lietteentiivistämöön. Kirkas jätevesi johdetaan ylivuotona
ilmastusaltaaseen.
Kunnallisen jäteveden esikäsittelystä ja meijerijäteveden viirasiivilä- ja
flotaatiotiloista hajukaasut kerätään keskitetysti biotornin alaosaan, josta
poistokaasu johdetaan hajunpoistoon. Hajunpoistossa kaasut puhalletaan
betonialtaisiin, joissa kaasut suodatetaan orgaanisen kerroksen läpi.
Prosessissa tiivistyvät liuoskemikaalit johdetaan ilmastusaltaan
nitraattikiertokanavaan.
4.2.3 Biologinen puhdistus
Sekä kunnallisten jätevesien esiselkeytysaltaasta, että teollisuusjätevesien
väliselkeytysaltaasta jätevedet johdetaan ilmastusaltaaseen. Seinäjoen
jätevedenpuhdistamolla ilmastus on kaksilinjainen ja altaat on jaettu
kolmeen lohkoon, joista ensimmäinen on hapeton, eli denitrifioiva tila,
jossa denitrifikaatiobakteerit pelkistävät nitraatin typpikaasuksi käyttäen
eloperäistä ainesta kasvuunsa. Kaksi jälkimmäistä ovat hapellisia, eli
nitrifioivia tiloja. Näissä nitrifikaatiobakteerit hapettavat typpiyhdisteitä,
kuten ammoniakkia, virtsa-aineita ja valkuais-aineiden hajoamistuotteita,
nitriitin kautta nitraatiksi. Näin ollen Seinäjoella on käytössä ns. DN-
prosessi, jossa lietettä täytyy kierrättää nitraattikiertona altaan lopusta
takaisin hapettomaan vaiheeseen, jolloin denitrifikaatiobakteerit pääsevät
pelkistämään hapellisissa altaissa syntyneen nitraatin.
DN-prosessin etuja verrattuna ND-prosessiin ovat mm. ne, että
denitrifikaatiobakteereiden tarvitsemaa eloperäistä ainesta ei tarvitse lisätä
prosessiin lainkaan, sillä ne kykenevät käyttämään hyväkseen jäteveden
sisältämän orgaanisen aineksen. Lisäksi nitraattiin sidottua happea voidaan
käyttää orgaanisen aineksen hajottamiseen denitrifikaatioaltaassa, jolloin
ilmastuksen tarve vähenee ja happamuuden säädön tarve on vähäisempi
kuin ND-prosessissa. (Typenpoistomenetelmät. www.ymparisto.fi).
Ilmastusaltaista vesi johdetaan jälkiselkeytysaltaisiin, jotka ovat myös
kahdessa linjassa. Jälkiselkeytysaltaisiin johtaviin kanaviin lisätään
27. 19
ferrisulfaattia ja polymeeriä fosforin ja kiintoaineen saostamiseksi ja
laskeuttamisen tehostamiseksi. Jälkiselkeytysaltaissa saostuman annetaan
painovoimaisesti laskeutua altaan pohjalle, josta ne kerätään kaapimella.
Osa kerätystä lietteestä pumpataan palautuslietteenä takaisin
ilmastusaltaiden alkuun, sillä lietteessä on aktiivilieteprosessin
toimivuuden kannalta tärkeitä mikrobeja. Loput lietteestä pumpataan
ylijäämälietteenä lietteentiivistämöön.
4.2.4 Jälkikäsittely
Seinäjoen jätevedenpuhdistamolle rakennettu tertiäärivaiheen käsittely
valmistui heinäkuussa 2011. Kaksi ensimmäistä allasta otettiin käyttöön
heinäkuun lopussa ja loput neljä allasta elokuun alussa.
Hiekkasuodatuslaitos koostuu kuudesta altaasta, joissa on yhteensä 48
DynaSand-suodatinta, jotka on sijoitettu betonialtaisiin kahteen riviin.
Suodatinaltailla on käytössä automaattinen vuorottelutoiminto, jonka
mukaan altailla on käynnistysvuorot. Virtaaman noustessa asetettujen
käynnistysarvojen yli ensimmäisenä käynnistysvuorossa olevan altaan
rinnalle käynnistyy 2., 3. jne. altaat. Kukin allas tarvitsee vähintään 40
m³/h virtauksen. Pumppaus altaisiin pysäytetään, mikäli virtaus
suodattimille laskee alle 40 m³/h. (Takamaa, 2010).
Jälkiselkeytysaltaasta selkeytetty jätevesi johdetaan syöttöputken ja ve-
denjakolaitteen kautta suodatinpatjan alaosaan. Aktiivisen hiekkapatjan
alaosassa muodostuneet kemialliset mikroflokit tarttuvat ja suodattuvat
vastaan valuvaan hiekkaan, jolloin puhdistunut vesi pääsee nousemaan
hiekkapatjan läpi hiekan liikkuessa alaspäin. Suodatettu vesi poistuu suo-
dattimesta ylivuotoreunan ja poistoyhteen kautta purkuputkeen, joka las-
kee Seinäjokeen.
Suodattimen pohjalle laskenut, likaantunut hiekka nostetaan mammutti-
pumpuilla suodattimen yläpäässä sijaitsevaan hiekkapesuriin, josta
puhdistunut hiekka palautetaan jälleen hiekkakerroksen päälle. Likainen
pesuvesi ja hiekkakerrokseen tarttunut liete johdetaan pesuveden
poistoyhteen avulla selkeytykseen. (Takamaa, 2010). Selkeytystä on
tehostettu lamelliselkeyttimellä, jossa on laskeutumispinnan muodostavia
vinoja väliseiniä, lamellilevyjä. Lamelliselkeyttimellä voidaan säästää jopa
90 % pinta-alaa verrattuna avoimen selkeytysaltaan käyttöön. (Pihkala).
Selkeytysaltaasta kirkaste johdetaan jälkikäsittely-yksikön
nostopumppaamoon ja pohjalle laskeutunut liete pumpataan
sakeuttamoon. Hiekkasuodattimen toiminta on esitetty kuvassa 6.
28. 20
Kuva 6. Hiekkasuodatin-yksikkö. (1) puhdistettavan veden syötönjakaja, (2)
suodosyhde, (3) pohjakartio, (4) mammuttipumppu, (5) hiekkapesuri, (6)
pesulabyrintti, (7) pesuvesipoistoaukko, (8) hiekkapeti, (9) paineilman
ohjauskaappi. (Hyxo Oy. Jatkuvatoimiset hiekkasuodattimet.).
Jälkikäsiteltävän veden nostopumppaamoon syötetään ferrisulfaattia fosfo-
rin saostamiseksi ja selkeytysaltaan pikasekoitukseen syötetään
polymeeria pesuvesien mukana tulevan sakan laskeuttamisen
tehostamiseksi.
4.2.5 Lietteenkäsittely
Lietteentiivistämöön johdettu liete on orgaanista ainetta, josta suuri osa on
bakteerimassaa. Lietteenkäsittelyn tarkoituksena on lietteen
vesipitoisuuden vähentäminen. Lietteentiivistämössä lietettä tiivistetään
painovoimaisesti laskeuttamalla ennen varsinaista lietteenkuivausta.
Selkeytysaltaista kerätyssä lietteessä vesipitoisuus voi olla jopa 99 %, kun
tiivistetyn lietteen kuiva-aine on keskimäärin 4 %. Lietteentiivistämöön
annostellaan meesakalkkia, joka tehostaa laskeutusta ja estää lietteen
mädäntymisen kesällä. Sakeutettu liete pumpataan mekaaniseen
lietteenkuivaukseen.
Liete kuivataan NOXON-DC40 lingolla. Lingolle syötettävään lietteeseen
annostellaan polymeeriä lietteen stabiloimisen tehostamiseksi. Lingolla
liete kuivuu keskipakoisvoiman ansiosta noin 24 %:n kuiva-
ainepitoisuuteen ja siitä erotetaan vastakkaiseen suuntaan kulkeva
rejektivesi. Rejektivesi johdetaan uudelleen prosessin alkuun ja kuivattu
liete välivarastoidaan siiloissa. Lingon kuivaustulosta säädetään
säätämällä lingolle tulevan lietteen määrää sekä lingon ruuvin
pyörimisnopeutta.
29. 21
Vuonna 2010 kuivattua lietettä syntyi 10 405 tn ja keskimääräinen kuiva-
ainepitoisuus oli 23,7 %. Kuivatusta lietteestä 4 763 tn vietiin Lakeuden
Etapin biokaasulaitokseen jatkokäsiteltäväksi ja loput kompostoitiin.
(Seinäjoen Vesi 2010, toimintakertomus).
4.3 Puhdistusvaatimukset
Seinäjoen jätevedenpuhdistamon uusimman, 8.11.2007 annetun
ympäristöluvan mukaan puhdistamolta lähtevän veden fosforipitoisuus oli
oltava enintään 0,4 mg/l vuoden 2010 loppuun, jonka jälkeen
fosforipitoisuuden on oltava enintään 0,3 mg/l. Vaadittu käsittelyteho on
koko luvan voimassaolon ajan, vuoden 2015 loppuun saakka, 95 %.
(Ympäristölupa, Seinäjoen jätevedenpuhdistamo). Taulukossa 2 on esitetty
lupaehdot sekä toteutuneet puhdistustulokset vuosina 2008–2010.
Taulukko 2. Seinäjoen jätevedenpuhdistamon voimassa olevat lupaehdot ja
puhdistustuloksen toteutuneet vuosikeskiarvot vuosina 2008–2010.
(Ympäristölupa: Seinäjoen jätevedenpuhdistamo).
Vuonna 2010 kokonaisfosfori ei täyttänyt lupaehtoja toisella
vuosineljänneksellä. Vuosikeskiarvona laitos kuitenkin täytti lupaehdot
kokonaisfosforin osalta. Ammoniumtypen jäännöspitoisuus ylitti
lupaehdot ensimmäisellä ja toisella vuosineljänneksellä. Kokonaistypen
osalta vaadittu typen-poisto on vähintään 60 % ajanjaksolla, jolloin
tulevan jäteveden lämpötila on vähintään 12 ºC. Jäteveden lämpötila oli
vähintään 12 ºC ajanjaksolla 7.7.–12.10., jolloin kokonaistypen poistuma
ylitti 60 %.(Ympäristölupa, Seinäjoen jätevedenpuhdistamo).
Alkuvuonna 2011 (aikaväli tammikuu-elokuu), ennen tertiäärivaiheen
käyttöönottoa, laitos ylitti sallitun kokonaisfosforipitoisuuden lähes
poikkeuksetta. Taulukossa 3 on esitetty vuoden 2011 lupaehdot ja
30. 22
toteutuneet puhdistustulokset. Puhdistustulokset perustuvat
jätevedenpuhdistamon käyttötarkkailuun (Kyrönjoen yhteistarkkailu,
vuosiyhteenveto 2011).
Taulukko 3. Seinäjoen jätevedenpuhdistamon lupaehdot ja toteutuneet
puhdistustulokset vuonna 2011. (Kyrönjoen yhteistarkkailu, vuosiyhteenveto
2011).
Puhdistustuloksista nähdään, että puhdistamon oli hankalaa päästä
vaadittuihin tuloksiin kokonaisfosforin osalta. Kokonaisfosforin
poistamiseksi rakennetun tertiäärivaiheen käyttöönotto myöhästyi 7
kuukautta ja käyttöönoton jälkeen muutaman kuukauden ajan haettiin
säätöjä ja ajomallia. Näin ollen vaadittuun lupaehtoon päästiin vasta
vuoden 2011 viimeisellä neljänneksellä. Tertiäärivaiheen käyttöönotosta
kerrotaan tarkemmin luvussa 6.2.2 Jälkikäsittelyn käyttöönotto.
4.4 Näytteenotto ja analysointi
Tarkkailunäytteet otetaan automaattisella näytteenottimella virtaamaan
suhteutettuna 24 h ajan yhdyskuntajätevesien tulevasta ja
teollisuusjätevesien tulevasta jätevedestä ennen käsittelyä sekä lähtevästä
vedestä.
Käyttötarkkailun analysoinnista huolehtii Etelä-Pohjanmaan Vesitutkijat
Oy, joka suorittaa analyysit akkreditoiduilla analyysimenetelmillä. Käyttö-
tarkkailuun sisältyy pH:n, sähkönjohtavuuden, kiintoaineen, biologisen
hapenkulutuksen, kemiallisen hapenkulutuksen, kokonais- ja liukoisen
fosforin, kokonaistypen, ammoniumtypen, nitraatti- ja nitriittitypen,
Alkaliteetin, lämpötilan, jäännösraudan, hapen sekä lämpökestoisten
koliformisten bakteerien määritys. Käyttötarkkailuun sisältyy kaksi kertaa
kuu-kaudessa otettava vuorokausi-näyte ja neljä kertaa vuodessa otettava
viikonloppu-näyte.
Puhdistamon omassa laboratoriossa määritetään ilmastusaltaan vesi-liete-
seoksen sekä palautuslietteen kiintoaine, ½ tunnin laskeutuvuus, pH sekä
31. 23
alkaliteetti. Lisäksi sakeutetusta lietteestä, kuivatusta lietteestä ja
lietteenkuivauksen rejektivedestä määritetään kiintoaine. Määritykset
suoritetaan kaksi kertaa viikossa.
Lisäksi online-analysaattoreilla mitataan tertiäärivaiheeseen tulevan veden
liukoisen fosforin pitoisuutta, kiintoainepitoisuutta ja nitraatti-pitoisuutta.
Lähtevästä vedestä analysoidaan jatkuvatoimisesti liukoisen ja
kokonaisfosforin pitoisuutta, kiintoainepitoisuutta ja typpipitoisuutta sekä
pH. Fosforin analysointiin käytetään Hach Langen Phosphax Sigma–
prosessianalysaattoria, joka käyttää analyysimenetelmänä DIN-standardin
mukaista molybdeeni-sini-menetelmää.
4.5 Kemikalointi
Vuonna 2010 ferrisulfaattia eli PIX 105:ta kului fosforin ja kiintoaineen
saostamiseen 1 903 800 kg eli keskimäärin 310 g/m³. (Kyrönjoen yhteis-
tarkkailu vuosiyhteenveto 2010, osa I: kuormitustarkkailu, Etelä-
Pohjanmaan Vesitutkijat Oy). Ferrisulfaattia syötettiin hiekanerotusaltaan
loppuun tehostamaan esiselkeytysaltaassa tapahtuvaa fosforin saostusta,
flotaatioaltaan pikasekoitusosaan tehostamaan meijerijäteveden
puhdistusta ja ilmastuksesta jälkiselkeytykseen johtavaan kanavaan
tehostamaan fosforin saostusta edelleen. Hiekanerotusaltaaseen
pumpattava ferrisulfaatti pumpataan taajuusmuuttujaohjatuilla pumpuilla,
jotka pumppaavat asetetulla prosenttiosuudella
maksimiannostelukapasiteetistaan. Vuonna 2010 ferrisulfaattia syötettiin
hiekanerotusaltaaseen keskimäärin 180 g/m³ ja keskimäärin 2700 kg/d.
(VeRa käyttöpäiväkirjaohjelma, Seinäjoen jätevedenpuhdistamo).
Jälkiselkeytykseen ferrisulfaattia syötetään 1500 kg/d ja flotaatioaltaisiin
1500 kg/d.
Polymeeriä syötettiin selkeytyksen tehostamiseksi ilmastuslinjoihin ja
flotaatioaltaisiin vuonna 2010 yhteensä 6 854 kg eli 1,11 g/m³ ja lietteen-
kuivatukseen kuivauksen tehostamiseksi 17 615 kg. (Kyrönjoen yhteis-
tarkkailu vuosiyhteenveto 2010, osa I: kuormitustarkkailu, Etelä-
Pohjanmaan Vesitutkijat Oy).
Alkaliteetin nostamiseksi ja pH:n säätämiseksi esiselkeytyksestä
ilmastusaltaaseen johdettavaan veteen on syötetty kalkkia vuonna 259 270
kg eli 42,2 g/m³. Lietteen kunnostukseen on käytetty kalkkia 197 800 kg.
(Kyrönjoen yhteis-tarkkailu vuosiyhteenveto 2010, osa I:
kuormitustarkkailu, Etelä-Pohjanmaan Vesitutkijat Oy).
Lisäksi vuoden 2010 aikana käytettiin natriumhydroksidia 5 000 kg ja
rikkihappoa 6 323 kg Valio jäteveden neutralointiin. (seinäjoen Vesi 2010,
toimintakertomus).
Seuraavassa on käsitelty tarkemmin Seinäjoen jätevedenpuhdistamolla
fosforin ja kiintoaineen poistamiseen käytettyjä kemikaaleja.
32. 24
4.5.1 Ferrisulfaatti
Ferrisulfaatti, Fe2(SO4)3, on epäorgaaninen, tummanruskea ja nestemäinen
kemikaali, joka sisältää aktiivisia kolmiarvoisia rauta- ja
alumiiniyhdisteitä. Ferrisulffaatti annostellaan sekoittumisen
varmistamiseksi pyörteiseen virtauskohtaan joko suoraan
laimentamattomana varastosäiliöstä tai vedellä laimennettuna.
(Tuotetiedot: Kemwater PIX 105).
Jätevedessä ferri-ionit reagoivat hydroksyyli- ja fosfaatti-ionien kanssa
muodostaen laskeutumiskykyisen saostuman kaavan 3 mukaan.
Fe3+
+ HnPO4
-(3-n)
→ FePO4(s) + nH+
, (n=0, 1, 2 tai 3). (3)
(Rauta(II)sulfaatin kemiaa).
Näin syntynyt flokki voi sitoa itseensä myös orgaanisia aineksia.
pH:n ollessa yli 6 fosfori voi adsorpoitua myös ferrisulfaatin ja veden
muodostamaan ferrihydroksidisakkaan, joka muodostuu kaavan 4 mukaan.
Fe3+
+ 3 H2O → Fe(OH)3(s) + 3 H+
(4)
Ferrihydroksidisakka sitoo myös jäteveden epäpuhtauksia, mutta sen
tehokkuus fosforinpoistossa on pienempi kuin raudan reagoidessa suoraan
fosfaattien kanssa. (Ferrosulfaatin käyttöopas).
Ferrisulfaatin teoreettinen annostus
Painopitoisuuksina määriteltynä 100 ml/m3
Kemiran PIX-105:ttä sisältää
150 g/m3
ferrisulfaattia ja vastaa 16,80 g/m3
rautaa. Tilavuuspitoisuuksina
määriteltynä 100 grammaa PIX-105:ttä kuutiolla vastaa 65,79 ml/m3
–
pitoista ferrisulfaattia ja 11,20 g/m3
–pitoista rautaa. (Tuotetiedot:
Kemwater PIX 105).
Tarvittavaa annostusta voidaan arvioida raudan ja fosforin moolisuhteen
avulla. Teoreettisen moolisuhteen arvo on yksi (Fe/P = 1) ja ferrosulfaatin
annostelumäärä on yhdeksänkertainen fosforin määrään nähden.
(Ferrosulfaatin käyttöopas). Lisäksi tiedetään, että ferrosulfaatin
rautapitoisuus on noin 17,5 p- % ja ferrisulfaatin rautapitoisuus on noin
11,2 p- %. (Tuotetiedot: Kemira Ferrosulfaatti 175, Tuotetiedot: Kemwater
PIX 105). Tällä perusteella voidaan laskea teoreettinen ferrisulfaatin tarve
kaavan 5 mukaan:
9×17,5 % = X×11,2 % (5)
X = (9 ×17,5 %)/(11,2 %) = 14
Näin voidaan päätellä, että teoreettinen ferrisulfaatin tarve on 14-kertainen
jätevedessä olevaan fosforiin nähden.
Teoreettinen annostus ei kuitenkaan riitä, vaan riittävä moolisuhde on
yleensä 1,5 – 2. (ferrosulfaatin käyttöopas). Taulukosta 6 nähdään vuosina
33. 25
2010, 2011 ja 2012 keskimääräiset kokonaisfosforipitoisuudet
kunnallisessa ja teollisuusjätevedessä sekä niiden perusteella lasketut
teoreettiset ferrisulfaatin määrät. Vuoden 2012 fosforikilot perustuvat
alkuvuoden perusteella tehtyyn arvioon.
Taulukko 4. Fosforikilot kunnallisessa ja teollisuuden tulevissa jätevesissä. (VeRa-
käyttöpäiväkirja).
Fosforikilojen laskenta perustuu Kyrönjoen yhteistarkkailun näyte-
analyyseista saatuihin fosforipitoisuuksiin ja virtaamiin. Taulukossa 4
ferrisulfaatin laskentaan on käytetty puhdistamolle tulevaa
kokonaisfosforia, sillä yhteistarkkailun näytteistä analysoidaan liukoinen
fosfori ainoastaan lähtevässä vedestä. Liukoisen fosforin pitoisuus on
hieman pienempi kuin kokonaisfosforin. Koska saostuskemikaalilla
vaikutetaan ainoastaan liukoiseen fosforiin, on tarvittava ferrisulfaatin
määrä hieman taulukon 4 tulosta pienempi.
Fosforimäärä tulevassa kunnallisessa jätevedessä on laskenut
huomattavasti vuonna 2012. Tämä johtuu siitä, että virtaaman mittaukseen
käytetty patomittaus korvattiin magneettisella mittauksella, minkä vuoksi
tulevan jäteveden määrä tarkentui ja väheni huomattavasti. Koska
virtaamaa käytetään fosforimäärän laskennassa, myös fosforimäärä
tarkentui. Näin ollen aikaisempien vuosien fosforimäärät ovat
todellisuudessa hieman taulukon lukuja pienemmät.
4.5.2 Polymeeri
Seinäjoen jätevedenpuhdistamolla käytetään useiden toimittajien
polymeerejä. Seinäjoen jätevedenpuhdistamolla selkeytyksen
parantamiseen käytettävät polymeerit ovat suuri-molekyylisiä ja vahvasti
kationisia polyelektrolyyttejä. Valkoiset kidemäiset rakeet liukenevat
veteen, mutta annosmäärän kasvaessa viskositeetti kasvaa.
Kemikaalin toiminta perustuu vesiliuoksessa olevan polymeeriketjun
sähköisen varauksen ja kiinteiden partikkelien pintavarauksen
ioninvaihtoon. Destabiloimalla partikkelit saadaan koaguloimaan tai
flokkuloimaan.
4.6 Käyttökustannukset
Vuoden 2010 käyttökustannukset olivat yhteensä noin 2 miljoonaa, joista
suurin osuus käytettiin palvelujen ostoihin. Kemikaalikustannukset olivat
34. 26
252 829 €, josta Fosforin saostukseen käytettävän PIX 105:n kustannukset
olivat 172 270 €. Selkeytyksen tehostamiseksi polymeeriä on käytetty
6 854 kg, mikä tarkoittaa noin 19 880 €:n kustannuksia. Vuoden 2010
käyttökustannusten jakauma eri osa-alueiden kesken on esitetty kuvassa
1.(Seinäjoen Vesi, jäteveden puhdistus, tilierittely 2010).
Seinäjoen jätevedenpuhdistamon käyttökustannusten jakauma vuonna 2010.Kuvio 1.
(Seinäjoen Vesi, jäteveden puhdistus, tilierittely 2010).
5 KEMIKAALINANNOSTELUN OPTIMOINTI
Lupaehtojen kiristyessä Seinäjoen jätevedenpuhdistamon uudessa
ympäristöluvassa 46/2005/1 uusi lupaehto fosforipitoisuudelle on 0,3 mg/l
1.1.2011 alkaen. Uuteen vaadittuun puhdistustulokseen pääseminen
ainoastaan kemikaalin lisäyksellä olisi ollut erittäin hankalaa. Fosforin ja
kiintoaineen puhdistustehon kasvattamiseksi rakennetun
hiekkasuodatuslaitoksen rakentaminen toi prosessiin yhden
kemikaaliannostelupisteen lisää, minkä vuoksi eri pisteiden uusia,
optimaalisia, annostusmahdollisuuksia alettiin tutkia.
Työn tavoite oli löytää sellainen ohjaustapa ja saostuskemikaalin
syöttömalli, jolla puhdistustulos ja kemikaalinkulutus ovat
mahdollisimman lähellä optimia. Optimi annostelulla kemikaalinkulutus
on mahdollisimman pieni säilyttäen kuitenkin riittävän käyttövarmuuden
ja häiriönsietoherkkyyden. Työssä tutkittiin mahdollisuutta luopua
esisaostuksesta ja rinnakkaissaostuksesta ja siirtyä biologiseen
ravinteidenpoistoon ja jälkisaostukseen.
5.1 Menetelmä
Kemikaaliannostelun optimointi toteutettiin laitosmittakaavaisilla
koeajoilla (koeajosuunnitelma liitteessä 2, koeajosuunnitelmassa mainitut
numeroidut näytteenottopisteet on merkitty prosessikaavioon liitteessä 1).
Koeajojen aikana seurattiin kokonaisen ja liukoisen fosforin pitoisuutta
35. 27
lähtevässä vedessä erilaisilla kemikaaliannosteluilla sekä online-
analysaattoreiden avulla että laboratorio-analyyseillä. Kemikaalin
annostusta säädettiin siten, että kokonaisen fosforin pitoisuus lähtevässä
vedessä pyrittiin pitämään alle 0,3 mg/l.
Kunnallisen ja teollisen tulevan jäteveden, esiselkeytetyn jäteveden ja
lähtevän veden näytteet keräiltiin virtaamaohjatuilla kiinteillä
Endress+Hauserin näytteenottimilla jääkaapissa pidettyihin astioihin.
Flotaatiopuhdistetun jäteveden ja jälkiselkeytetyn jäteveden keräilyyn
käytettiin Endress+hauserin siirrettävää näytteenotinta, jonka keräilyväli
oli määritelty ajalla. Väliselkeytyksen toiminnan tarkastelemiseen
hyödynnettiin vuosina 2006 ja 2007 tehtyjä analyyseja. Liukoisen ja
kokonaisfosforin lisäksi prosessin toimintakykyä arvioitiin muidenkin
näyte-analyysien avulla. Näytteet on otettu prosessikaavioon (liite 1)
merkityistä näytepisteistä ja analyysit sekä analyysimenetelmät on esitetty
taulukossa 5. Näytteiden analysoinnista huolehti Etelä-Pohjanmaan
Vesitutkijat Oy sekä SeiLab Oy.
Taulukko 5. Näytteiden analysoinnissa käytetyt analyysimenetelmät.
(Eteläpohjanmaan Vesitutkijat Oy, SeiLab Oy)
5.2 Ferrisulfaatin käyttäytyminen
Ferrisulfaatin annostuksen lisäys ja jäteveden fosforipitoisuuden lasku
eivät ole suoraan verrannollisia keskenään. Kuviossa 2 on esitetty
ferrisulfaatin annostelun periaate.
36. 28
Periaatekuva ferrisulfaatin lisäyksen vaikutuksesta jätevedenKuvio 2.
fosforipitoisuuteen. Fosforipitoisuuden laskeminen ei ole suoraan
verrannollinen ferrisulfaatin annostuksen lisäykseen. (Eelis Kähkönen,
Kemira Oy).
Kuviosta 2 nähdään, että annostelun lisäyksen vaikutus jätevedessä olevan
liukoisen fosforin saostamiseen on hyvin vähäinen pisteiden A (annostelu
0 mg/l) ja B välillä. Annosmäärä B on niin sanottu pohja-annos, joka
vaaditaan, että ferrisulfaatti alkaa vaikuttaa. Annostusvälillä A-B
ferrisulfaatin hyötysuhde on huono ja käyttö taloudellisesti
kannattamatonta. Kun annosmäärää (g/m3) kasvatetaan suuremmaksi kuin
B, ferrisulfaatin hyötysuhde kasvaa nopeasti. Ferrisulfaatin
käyttäytyminen muuttuu jälleen, kun annostuksessa ylitetään piste C,
jonka jälkeen ferrisulfaatin hyötysuhde heikkenee, toisin sanoen C:n
ylittävä annososa ei saosta liukoista fosforia yhtä tehokkaasti kuin välillä
B-C.
Koska annostusmäärä B-C on hyötysuhteeltaan paras ja siten
taloudellisesti kannattavinta, ei ole järkevää annostella ferrisulfaattia
useisiin eri pisteisiin, sillä jokaisessa annostuspisteessä menetetään pohja-
annos B. Toisaalta yhden pisteen annostusta ei ole kannattavaa kasvattaa
suuremmaksi kuin C. Tarvittavan annostuksen kasvaessa suuremmaksi
kuin C, ferrisulfaatin annostus on kannattavaa jakaa useampaan
pisteeseen.
Ferrisulfaatin ominaiskäyttäytymisen vuoksi työn tavoitteena oli vähentää
käytössä olevien annostelupisteiden määrää (4 kpl) ja tämän myötä
vähentää ferrisulfaatin kulutusta.
5.3 Ferrisulfaatin annostelun optimointi
Koeajot aloitettiin 15.8.2011 ja kestivät yhteensä 168 vuorokautta,
loppuen 30.1.2012. Ferrisulfaatin annostusta eri annostuspisteisiin ja
37. 29
annostuksen vähentämistä tutkittiin vaiheittain. Vaiheet olivat erimittaisia,
riippuen lähinnä ulkoisista tekijöistä, jotka vaikuttivat prosessiin.
Koeajojen aikaiset virtaamat, ferrisulfaatin annostelut annostelupisteittäin
sekä lähtevän veden fosforinpuhdistustulokset on taulukoitu liitteisiin 3,4,
ja 5.
5.3.1 Lähtötilanne
Ennen kemikaalinkulutuksen optimointia kunnallisen jäteveden
esikäsittelyyn on syötetty ferrisulfaattia noin 2500 kg/d. Annostelu on
tapahtunut virtaamaperusteisesti eli syöttöpumppujen taajuusmuuttajille
on annettu ohjausarvo, jonka mukaan ferrisulfaattia on annosteltu
hiekanerotusaltaaseen. Annostusta on säädelty manuaalisesti sen mukaan,
kuinka väkevää tuleva jätevesi on, toisin sanoen, kuinka suuri osa
tulevasta vedestä on vuotovesiä. Sulamisvesien ja rankkasateiden aikaan
virtaama voi vuotovesien myötä kolminkertaistua, mikä laimentaa
jäteveden fosforipitoisuutta. Vuotovesien määrän kasvaessa annostusta
(g/m3) on pienennetty.
Myös teollisuusjätevesien esikäsittelyn flotaatioaltaaseen on syötetty
tasaisesti 1500 kg ferrisulfaattia päivässä. Näin ollen jätevesien
esikäsittelyyn on syötetty yhteensä 4000 kg ferrisulfaattia päivässä.
Jälkiselkeytysaltaisiin on annostelu ferrisulfaattia 350 kg/d/linja eli
yhteensä 700 kg/d. Yhteensä prosessiin on syötetty ferrisulfaattia 4 700
kg/d, millä on saavutettu lähtevässä jätevedessä fosforipitoisuuden taso 0,4
mg/l, joka on ollut lupaehdon mukainen puhdistustulos vuoden 2010
loppuun saakka.
5.3.2 Jälkikäsittelyn käyttöönotto
Tertiäärivaihe (hiekkasuodatus) otettiin käyttöön elokuussa 2011.
Hiekkasuodatuslaitoksen yleissuunnitelmassa oli esitetty prosessiin
syötettävän ferrisulfaatin annostuksen kasvattamista 500 kg/d, joka
syötettäisiin tertiäärivaiheeseen, käytössä olleiden kemikaalin
syöttöpisteiden annostelun pysyessä ennallaan. Annostelu aloitettiin
yleissuunnitelman mukaisella annostelulla. Pistekohtaiset annostukset ja
puhdistustulokset on esitetty liitteessä 4. 500 kilogramman kemikaalilisäys
nosti ferrisulfaatin kokonaiskulutuksen 5 200 kilogrammaan päivässä ja
laski lähtevän jäteveden fosforipitoisuuden tasolle 0,1 mg/l (liite 3). Näin
ollen saostuskemikaalin syötössä oli varaa vähentää prosessiin syötettävän
ferrisulfaatin määrää ja hakea sitä kemikaalinsyöttöä, jolla voidaan
optimoida sekä puhdistustulos että kemikaalinkulutus.
Tertiäärivaiheen käyttöönotossa esiintyneitä ongelmia ja niiden
vaikutuksia on käsitelty kappaleessa 5.5.1 Häiriöt prosessissa.
38. 30
5.3.3 Ferrisulfaatin annostelun optimoinnin ensimmäinen vaihe
Ferrisulfaatin vähennyksen ensimmäisessä vaiheessa tutkittiin
mahdollisuutta joko keventää kunnallisen jäteveden esikäsittelyyn
syötettävää annostusta tai lopettaa se kokonaan. Hiekanerotusaltaaseen
syötettävän ferrisulfaatin vähennys suoritettiin kahdessa osassa. Aluksi
ferrisulfaatin määrä vähennettiin 2500 kg:sta vuorokaudessa 1100
kilogrammaan vuorokaudessa. Samalla tertiäärivaiheeseen syötettävän
kemikaalin määrä nostettiin 1000 kilogrammaan päivässä. Kun
puhdistusprosessin puhdistuskyky oli varmistettu (lähtevän veden
kokonaisfosforin pitoisuus 0,18 mg/l, liite 3), lopetettiin kunnallisen
jäteveden esikäsittelyyn syötettävän ferrisulfaatin annostelu kokonaan.
Liitteessä 4 on nähtävissä ko. ajankohdan vuorokautiset virtaamat ja
annostukset. Analyysitulokset on poistettu aikaväliltä 16.–30.8.2011 (Liite
6) tertiäärivaiheen käyttöönotossa tapahtuneiden häiriöiden vuoksi.
Häiriöitä ja niiden vaikutuksia on avattu kappaleessa 5.5.1 Häiriöt
prosessissa. Kyseisellä ajanjaksolla keskimääräinen vuorokausivirtaama
oli 16 500 m3
/vrk.
Optimaalista annostusta haettiin seuraamalla lähtevän veden
fosforipitoisuutta jatkuvatoimisen analysaattorin ja laboratoriotulosten
avulla ja muuttamalla tertiäärivaiheen annostusta tulosten perusteella.
Esisaostuksen lopettamisen jälkeen lähtevän veden
kokonaisfosforipitoisuus oli edelleen alle 0,2 mg/l (liite 3).
5.3.4 Ferrisulfaatin annostelun optimoinnin toinen vaihe
Ferrisulfaatin optimoinnin toisessa vaiheessa tutkittiin mahdollisuutta
lakkauttaa ferrisulfaatin syöttö jälkiselkeytysaltaisiin (Prosessikaavio, liite
1). Kahteen jälkiselkeytysaltaaseen oli annosteltu tasa-annostuksella
yhteensä 700 kg ferrisulfaattia päivässä. Kun saostuskemikaalin syöttö
jälkiselkeytysaltaisiin lakkautettiin, tertiäärivaiheeseen syötettävän
ferrisulfaatin määrä nostettiin tasolle 1300 kg/d. Ferrisulfaatin
kokonaiskulutus oli ajanjaksolla keskimäärin 2800 kg/d (liite 4). Liitteessä
4 on taulukoitu koeajojen toisen vaiheen vuorokautiset jätevesivirtaamat,
ferrisulfaatin annostukset annostuspisteittäin ja fosforipitoisuudet
lähtevässä vedessä.
Koeajojen toinen vaihe pitkittyi syksyn erittäin pitkän ja rankan sateisen
jakson vuoksi. Sateisen jakson vaikutuksia koeajoihin on käsitelty
enemmän kappaleessa 5.5.2 Vuotovedet. Analyysitulokset on poistettu
ajanjaksolta 13.–30.9. (liite 6).
Optimoinnin toisen vaiheen aikana tertiäärivaiheen fosforinreduktio oli
noin 90 % ja lähtevän veden kokonaisfosforipitoisuus jakson
loppupuolella oli 0,17–0,26 mg/l (liite 4). Ferrisulfaattia syötettiin
tertiäärivaiheen lisäksi ainoastaan teollisuusjätevesien esikäsittelyyn
(flotaatio).
39. 31
5.3.5 Ferrisulfaatin annostelun optimoinnin kolmas vaihe
Koeajojen kolmannessa vaiheessa keskityttiin flotaation (meijerijätevesien
esikäsittely, liite 2: Prosessikaavio) ferrisulfaatin annosteluun.
Ferrisulfaattia annosteltiin flotaatioon alun perin kahteen linjaan yhteensä
1500 kg/d. vähennys suoritettiin kahdessa osassa. Liitteessä 5 on
taulukoitu jakson vuorokautiset jätevesivirtaamat, ferrisulfaatin annostelu
annostelupisteittäin, liukoisen ja kokonaisen fosforin pitoisuudet
jälkiselkeytetyssä ja lähtevässä vedessä sekä rautajäännös
jälkiselkeytetyssä ja lähtevässä vedessä.
flotaatioaltaisiin annosteltavan ferrisulfaatin määrää vähennettiin ensin
siten, että kahteen altaaseen annosteltiin yhteensä 1000 kg ferrisulfaattia
vuorokaudessa. Näin jatkettiin 5 vuorokautta, jolloin flotaatiopuhdistuksen
toimintaa seurattiin näköhavainnoin. Samalla jälkiselkeytetyn sekä
lähtevän veden puhdistustasoa seurattiin jatkuvatoimisten
analysaattoreiden avulla (liite 5).
Kun flotaatiopuhdistuksen toiminta sekä lähtevän veden puhdistustaso oli
varmistettu, ferrisulfaatin määrä laskettiin 700 kilogrammaan
vuorokaudessa (350 kg/d/linja). Optimoinnin kolmannen vaiheen lopussa
lähtevän veden kokonaisfosforin pitoisuus vaihteli välillä 0,15–0,27 mg/l
tertiäärivaiheen kokonaisfosforin erotusaste oli 93 %.
5.3.6 Ferrisulfaatin annostelun automatisointi
Tertiäärivaiheeseen annosteltava ferrisulfaatti annosteltiin aluksi
tasasyötöllä (kg/d). Ferrisulfaatin annostelun optimoinnin ensimmäisen
vaiheen aikana (30.8.2011) tertiäärivaiheen annostus muutettiin
virtaamaperusteiseksi (g/m3). Virtaamaperusteinen annostelu oli askel
eteenpäin tasa-annostelusta, sillä annostelun muuttaminen tilanteen
mukaan on helpompaa ja nopeampaa. Virtaamaperusteinen annostelu otti
huomioon jäteveden virtaaman muutokset, mutta ei kuitenkaan
huomioinut jäteveden laadun muutoksia. Laadun muutoksista johtuvan
annostelun säätäminen on tässä tilanteessa edelleen ihmisen varassa.
Esimerkiksi sateisten jaksojen aikaan vuotovesien määrät kasvavat, jolloin
jätevesi laimenee.
Koeajojen aikana tertiäärivaiheeseen tulevan jäteveden liukoisen fosforin
pitoisuus vaihteli välillä 0,71 – 2,3 mg/l (liitteet 3, 4, ja 5) ja myös
vuorokaudensisäiset vaihtelut olivat suuria. Manuaalisen säädön
heikkoutena hitauden lisäksi on se, että kuormituksen huomattava
aleneminen tapahtuu yleensä yöaikaan, noin kello 03.00–07.00, jolloin
puhdistamo on miehittämätön. Kemikaalinsyötön automatisoinnilla
ehkäistään liiallinen ferrisulfaatin syöttö ja suuri rautajäännös lähtevässä
vedessä pienten kuormitusten aikana. Lisäksi sen avulla voidaan nopeasti
reagoida kuormituksen nousuihin.
40. 32
Tertiäärivaiheen ferrisulfaatin annostukselle rakennettiin takaisinkytketty
säätöpiiri, joka ottaa tertiäärivaiheeseen tulevan jäteveden määrän lisäksi
huomioon tertiäärivaiheeseen tulevan jäteveden liukoisen fosforin
pitoisuuden. Säätöpiiri otettiin käyttöön 9.12.2011 (liite 4). Kuvassa 7 on
esitetty ferrisulfaatin syöttöpumppujen ohjaustaulu.
Kuva 7. Tertiäärivaiheen ferrisulfaatin annostelun ohjaustaulu. (Seinäjoen
jätevedenpuhdistamo).
Ferrisulfaatin syöttötapa voidaan valita joko käsiohjaukselle tai
virtaamaperusteiselle ohjaukselle. Käsiohjauksella ferrisulfaattia
annostellaan tasamäärällä ohjearvon mukainen määrä (l/h) riippumatta
jäteveden virtaamasta tai fosforipitoisuudesta. Virtaamaperusteisella
annostuksella päästään tarkempaan lopputulokseen. Virtaamat on jaettu
neljään luokkaan, joille on määritelty perusannostus (g/m3). Näiden
perusteella määräytyy annostuksen asetusarvon pyyntiarvo. Lisäksi
säätöpiiri on kytketty tertiäärivaiheeseen tulevan veden liukoisen fosforin
mittaukseen, jonka perusteella säätöpiiri korjaa asetusarvoa. Nollatasoksi
on määritelty 1,5 mg/l liukoista fosforia tulevassa jätevedessä. Poikkeama
tässä arvossa muuttaa asetusarvoa määritellyn prosenttiosuuden.
5.3.7 Ferrisulfaatin annostelun lopputulos
Ferrisulfaatin kokonaiskulutus oli koeajojen lopussa, tammikuussa 2012
keskimäärin 1800 kg/d. (liite 5). Annostelulla saavutettiin
fosforinpuhdistustaso, jossa on otettu huomioon kohtuulliset muutokset
tulevan jäteveden laadussa sekä häiriötekijät prosessissa. Kuviossa 3 on
41. 33
esitetty keskimääräiset ferrisulfaatin annosmäärät annostelupisteittäin
lähtötilanteessa, tertiäärivaiheen käyttöönotossa sekä lopputilanteessa.
Ferrisulfaatin annostelu annostuspisteittäin ja lähtevän vedenKuvio 3.
kokonaisfosforipitoisuus. (VeRa-käyttöpäiväkirja, Seinäjoen
jätevedenpuhdistamo).
Lähtötilanteessa ferrisulfaatin annostelupisteitä oli 4, joihin annosteltiin
yhteensä noin 4700 kg ferrisulfaattia vuorokaudessa. Tällä
annostelutavalla saavutettiin kokonaisfosforin osalta silloinen lupaehto,
0,4 mg/l. Tertiäärivaiheen käyttöönoton myötä annostelupisteiden määrä
kasvoi yhdellä ja ferrisulfaatin kulutus kasvoi 500 kg vuorokaudessa.
Projektin lopussa ferrisulfaatin annostelupisteet oli vähennetty kahteen,
teollisuusjätevesien esikäsittelyyn ja jälkikäsittelyyn. Yhteensä näihin
annostelupisteisiin annosteltiin ferrisulfaattia optimoinnin kolmannen
vaiheen aikana keskimäärin 2000 kg vuorokaudessa. Keskimääräinen
kokonaisfosforipitoisuus lähtevässä vedessä kolmannen vaiheen aikana oli
0,25 mg/l (liite 5).
5.4 Polymeerin syöttö jälkiselkeytykseen
Polymeerin käytön tarkoituksena on nopeuttaa laskeutumiskykyisen
mikroflokin syntymistä eli nopeuttaa laskeutumista ja parantaa selkeytystä
sekä vähentää allastilavuuden tarvetta. Polymeerin syöttö
jälkiselkeytysaltaisiin lopetettiin tertiäärivaiheen käyttöönoton aikaan
1.8.2011, koska oli mahdollista että polymeerijäämät vaikuttaisivat
hiekkasuodatuksen hiekankiertoon dynasandien toimintaa heikentävästi.
Lisäksi jälkikäsittelyn käyttöönoton vuoksi jälkiselkeytetyn veden, joka
aiemmin oli ollut laitokselta lähtevää vettä, ei tarvinnut enää toteuttaa
lupaehtoja, vaan laskeutumaton kiintoaine ja fosfori oli mahdollista
poistaa vielä tertiäärivaiheessa.
42. 34
Polymeeriä on syötetty jälkiselkeytykseen noin 7 000 kg/d.
Polymeerinsyötön lopettamisen jälkeen prosessin toimintaa seurattiin
näköhavainnoin. 1.8.–31.12.2011 näkösyvyys vaihteli välillä 100–200 cm
lukuun ottamatta muutamaa poikkeusta lokakuussa suurten virtaamien
aikana. Polymeerin syötön lopettaminen hillitsi myös levänkasvua
jälkiselkeytysaltaissa. Levänkasvu on ollut yleensä loppukesäisin ongelma
avoaltaissa.
5.5 Kemikaaliannostelun tutkimisen haasteet
Laitosmittakaavaisten koeajojen haasteet syntyvät prosessin useista
muuttuvista tekijöistä, joihin ei voida vaikuttaa. Tällaisia ovat esimerkiksi
tulevien jätevesien laadun vaihtelu, etenkin teollisuusjätevesissä.
Jätevesien määrän vaihtelu vaikuttaa tulevan kuormituksen lisäksi myös
jäteveden viipymään eri prosessin osissa. Oman haasteen tehtävään toi
luotettavan annostelutavan löytyminen muuttuviin olosuhteisiin.
Olosuhteiden muutokset aiheuttivat sen, että koeajojaksot pitkittyivät, sillä
haluttiin varmistua puhdistusprosessin toimivuudesta. Koeajot päätettiin
kuitenkin suorittaa kokonaisuudessaan laitosmittakaavaisesti, sillä
kokonaisen puhdistusprosessin simuloiminen laboratoriossa olisi ollut
erittäin hankalaa.
Seuraavassa on esitetty tarkemmin muutamia koeajoihin vaikuttaneita
tekijöitä.
5.5.1 Häiriöt prosessissa
Tertiäärivaiheen käyttöönotossa jäteveden jakotukit
hiekkasuodatuslaitoksen dynasandeissa olivat päässeet repeämään
liitoksistaan, jolloin tertiäärivaiheeseen tuleva, likainen vesi, pääsi
sekoittumaan lähtevään veteen (Liite 6). Tertiäärivaiheeseen tulevan veden
liukoinen fosfori saatiin saostumaan kiinteään muotoon, jolloin liukoisen
fosforin pitoisuus lähtevässä vedessä oli alle 0,1 mg/l. Koska
tertiäärivaiheeseen tuleva vesi pääsi rikkoutuneista jakotukeista puhtaan
veden sekaan suodattumatta hiekkapatjan läpi, kokonaisfosforin pitoisuus
lähtevässä vedessä oli huomattavasti korkeampi, yli 0,3 mg/l.
Putkivaurioiden aikaan tertiäärivaiheen kemikaalinsäätö oli hyödytöntä,
sillä saostunut fosfori pääsi karkaamaan puhdistetun veden sekaan.
Optimoinnin kolmannen vaiheen aikana tertiäärivaiheen kemikaalilinjassa
oleva muoviliitin alkoi vuotaa (liite 6). Saostuskemikaali vuoti
jälkiselkeytysaltaista lähtevän veden kanavaan noin 100 metriä ennen
hiekkasuodatuslaitosta. Kanavassa muodostuneet flokit hajosivat
hiekkasuodatuslaitoksen nostopumpuissa eivätkä suodattimet kyenneet
pidättämään mikroflokkeja. Näin ollen tertiäärivaiheen kemikaalinsäätö
oli jälleen hyödytöntä.
43. 35
5.5.2 Vuotovedet
Syksyllä 2011 rankkojen sateiden jakso oli poikkeuksellisen pitkä ja alkoi
kun tertiäärivaiheen säätöjä ja niiden vaikutuksia edelleen opeteltiin.
Syyskuun alussa jäteveden virtaama nousi sateiden ja vuotovesien vuoksi
jopa kolminkertaiseksi kuivan kauden virtaamaan nähden. Suuret
virtaamat jatkuivat lähes lokakuun puoleenväliin saakka. Suurten
virtaamien aikaan virtaama oli keskimäärin 29 000 m3
/d ja enimmillään yli
46 000 m3
/d.
Suurilla virtaamilla jätevesi etenee painovoimaisesti prosessissa niin
nopeasti ja aiheuttaen niin suuren voiman, että kiintoaine ei ehdi laskeutua
jälkiselkeytysaltaissa. Tämän vuoksi kiintoaine ei poistu lietteen mukana
prosessista, vaan pääsee jälkiselkeytysaltaasta ylitteen mukana
tertiäärivaiheeseen. Jälkiselkeytetyn veden (näytteenottopiste 6, liite 1)
kiintoainepitoisuus oli keskimäärin 17 mg/l. Suuri kiintoainepitoisuus
aiheutti hiekkapatjan tukkeutumista, jolloin puhdistustulos heikkeni.
Virtaaman nousu vaikeutti myös tertiäärivaiheen säätämistä, sillä
esimerkiksi hiekkasuodattimien pesuaikojen vuorottelu ja pesuveden
määrä täytyi hakea uudestaan. Lisäksi vaikeuksia tuotti ferrisulfaatin
sekoittuminen jäteveteen suurilla virtaamilla, sillä ferrisulfaatin raudalla
on noin 7 sekuntia aikaa reagoida jäteveden fosforin kanssa ennekuin rauta
muodostaa muita yhdisteitä, esimerkiksi hydroksideja. (Eelis Kähkönen,
Kemira). Puhdistusprosessia ohjattiin kyseisellä kemikaalin
annostelumallilla suunniteltua pidempään, 9.9.–9.12.2011, jotta voitiin
varmistua ajotavan puhdistustuloksesta.
6 PROSESSIN AJOMALLIN MUUTOKSET
Optimoinnin osana tutkittiin prosessin ajomallia ja sen muutoksen
vaikutuksia fosforinpoistotehoon. Optimoinnin toisen vaiheen aikana
rakennettiin teknisen veden kierrätyslinja tertiäärivaiheeseen ja
teollisuusjätevesien esikäsittelyyn biotornin ohituslinja.
6.1 Teknisen veden kierrätys
Tekninen vesi on puhdistettua jätevettä, eli lähtevää vettä. Teknistä vettä
käytetään jätevedenpuhdistamolla toimintoihin, joissa vedeltä ei vaadita
talousveden mukaista laatua. Tällaisia ovat esimerkiksi polymeerin
valmistus ja kalkin liuottaminen.
Projektin toisen vaiheen aikana otettiin käyttöön teknisen veden sisäinen
kierrätyslinja tertiäärivaiheessa (1.11.2011, liite 4). Puhdistettua vettä
kierrätetään teknisen veden altaasta hiekkasuodatuslaitoksen
tulopumppaamoon. Erittäin pienillä virtaamilla (<400 m3
/h)
tertiäärivaiheen ohjattavuus vaikeutuu ja virtaaman suhteelliset erot
vuorokauden sisällä ovat suuria. Erityisesti aamuöisin klo 02.00–07.00 ja
44. 36
viikonloppuisin virtaamat ovat pienemmät, jolloin tulevan veden
fosforipitoisuus kasvaa ja laskee nopeasti. Kierrätettävän veden määrää
säädellään manuaalisella venttiilillä. Teknistä vettä voidaan kierrättää
jälkiselkeytettyyn veteen 0-200 m3
/h. Teknisen veden kierrättämisellä
voidaan lisätä veden määrää hiekkasuodatuksessa pienten virtaamien
aikaan ja samalla tasoittaa tulevan fosforin määrää. Lisäksi pienillä
virtaamilla kemikaalin sekoittuminen veteen on heikkoa, joten veden
lisäämisellä parannetaan kemikaalin toimintakykyä jätevedessä.
Kierrättämällä teknistä vettä (kokonaisfosforipitoisuus < 0,3 mg/l) tähän
fosforin suhteen väkevämpään veteen (jälkiselkeytetyssä vedessä
kokonaisfosforipitoisuus noin 1,5–2,5 mg/l), hiekkasuodattimille
johdettavan veden kokonaisfosforipitoisuus tippuu keskimäärin tasolle
1,0–2,0 mg/l. Teknisen veden kierrätyksellä ei ole merkittävää vaikutusta
puhdistustulokseen, mutta teknisen veden kierrätyksellä onnistuttiin
tasaamaan vuorokauden sisäisiä fosforipitoisuuden vaihteluita jolloin
tertiääriprosessi oli helpommin säädettävissä.
6.2 Biosuotimen ohitus teollisuusjätevesien esikäsittelyssä
Meijerijätevesien esikäsittelyssä vesi johdetaan tasausaltaan kautta
flotaatiopuhdistukseen, josta kirkastettu vesi palautetaan tasausaltaaseen
ennen pumppaamista biosuotimille. Näin ollen puhdistettu vesi ja tuleva
jätevesi pääsevät sekoittumaan. Tasausaltaasta jätevesi nostetaan
biosuotimelle, jonka kennostossa elävä pieneliöstö hajottaa jätevedessä
olevaa orgaanista ainesta. Biosuotimelta jätevesi johdetaan
väliselkeytysaltaan kautta ilmastusaltaaseen. Veden kulku on
havainnollistettu liitteessä 8. Meijeristä tulevassa teollisessa jätevedessä
eloperäisen aineksen pitoisuus on huomattavasti korkeampi kuin tulevassa
kunnallisessa jätevedessä (taulukko 1, s.16).
6.2.1 Tausta: Biosuotimen ohitus vuonna 2010
Vuonna 2010 saneerattiin vuonna 1979 rakennettua biosuodin-rakennusta,
minkä vuoksi biosuodin oli ohitettuna syyskuun alusta joulukuun loppuun
ja otettiin jälleen käyttöön tammikuussa 2011. Ohituksen ajan
teollisuusjätevedet johdettiin flotaatiosta suoraan ilmastukseen. Odotusten
vastaisesti puhdistustulos ei laskenut biosuotimen ohituksen myötä.
Taulukossa 9 on kerätty liukoisen fosforin pitoisuudet lähtevässä vedessä
syyskuun ja joulukuun välillä vuosina 2007–2010. Tulokset on kerätty
Seinäjoen jätevedenpuhdistamon VeRa-käyttöpäiväkirjasta ja analyysit on
suorittanut Etelä-Pohjanmaan Vesitutkijat Oy akreditoiduilla
menetelmillä, osana Kyrönjoen yhteistarkkailua.
