Prosessiolosuhteiden vaikutus jätevedenpuhdistamoiden N2O
Maarit Leppänen Prosessiolosuhteiden vaikutus jätevedenpuhdistamoiden N2Opäästöihin Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten. Espoossa 16.10.2012 Valvoja: Professori Riku Vahala Ohjaaja: DI Mari Heinonen ja DI Anna Mikola AALTO-YLIOPISTO TEKNIIKAN KORKEAKOULUT PL 12100, 00076 Aalto http://www.aalto.fi DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ Tekijä: Maarit Leppänen Työn nimi: Prosessiolosuhteiden vaikutus jätevedenpuhdistamoiden N2O-päästöihin Korkeakoulu: Insinööritieteiden korkeakoulu Laitos: Yhdyskunta- ja ympäristötekniikka Professuuri: Vesihuoltotekniikka Koodi: Yhd-73 Työn valvoja: Professori Riku Vahala Työn ohjaaja(t): Diplomi-insinööri Mari Heinonen ja diplomi-insinööri Anna Mikola Osasta jätevedenpuhdistuslaitokselle päätyvästä typestä muodostuu typpioksiduulia (N2O) biologisen typenpoiston yhteydessä. Typpioksiduuli on voimakas kasvihuonekaasu, jota pääsee muodostumaan jätevedenpuhdistamolla, jos olosuhteet eivät ole otolliset nitrifikaatiolle ja denitrifikaatiolle. Kirjallisuudessa ei esiinny tutkimuksissa, joissa olisi selvitetty jälkiselkeytysaltaiden N2O-päästöjä. On vain vähän tutkimuksia joissa on käytetty jatkuvatoimisia mittalaitteita, ja joissa on tehty pitkäkestoisia mittauksia. Kuudella eri jätevedenpuhdistamolla Uudellamaalla selvitettiin laitosten N2O-päästöjä. Typpioksiduulipäästöjä mitattiin ilmastusaltailla eri lohkoissa, ilmastetuissa ja ilmastamattomissa ja jälkiselkeytysaltailla. Mittaukset tehtiin jatkuvatoimisella kaasuanalysaattorilla suoraan veden pinnalta mittakuvun avulla, joten mittaustuloksia oli mahdollista saada usean päivän ajalta. Kevään mittaukset pyrittiin suorittamaan lumien sulamisajankohtana, jolloin laitoksien prosessien toiminta oli vaikeutunut kylmien sulamisvesien takia. Kesän mittauksiin mennessä laitosten prosessit olivat toipuneet kevään hankalista oloista Merkittävänä tuloksena mittausten perusteella voidaan pitää sitä, että jälkiselkeytysaltailta vapautui lähes yhtä paljon N2O:ta kuin ilmastusaltailta. Jälkiselkeytysaltaita voidaan pitää paikkana, jossa N2O:ta pääsee vapautumaan. Jälkiselkeytysaltaiden N2O-pitoisuus vaihteli suuresti eri vuorokauden ja vuodenaikojen aikaan. N2O:n määrän synnylle ei voi perustaa muutamille satunnaisesti otetuille näytteille. N2O-päästöjä täytyy tarkkailla pitkäaikaisesti ja jatkuvasti. Päivämää: 16.10.2012 Kieli: suomi Sivumäärä: 97 +17 Avainsanat: jäteveden käsittely, biologinen typen poisto, nitrifikaatio, denitrfikaatio, ABSTRACT OF THE MASTER’S THESIS AALTO UNIVERSITY SCHOOLS OF TECHNOLOGY PO Box 12100, FI-00076 AALTO http://www.aalto.fi Author: Maarit Leppänen Title: The Impact of the Process Conditions on Nitrous Oxide Emission from Wastewater Treatment Plants School: School of Engineering Department: Professorship: Civil and Environmental Engineering Water and wastewater Engineering Code: Yhd-73 Supervisor: Professor Riku Vahala Instructor(s): M. Sc (Tech.) Mari Heinonen and M. Sc (Tech.) Anna Mikola Nitrous oxide (N2O) is a greenhouse gas with tremendous global warming potential. It can be emitted during wastewater treatment. N2O is mainly emitted during nitrogen removal when conditions are not optima for nitrfikation and denitrifikation.Previously most studies on N2O emission focused on the emissions from the aeration basin and often only anoxic zones, because N2O was considered to be mainly produced there. In this study nitrous oxide emissions were measured from the water surface in the aeration basin and in secondary clarification basins in six wastewater treatment plants (WWTRs) in Uusimaa in Finland. Measurements were made in two periods during spring and summer. Emissions were measured with off-gas method directly from the water surface continuously. . During the measurements conditions in WWTPs were different because of different process condition in the plants and cycle of the seasons. In special attention was put to the secondary settling tank because it has not been studied widely before. The results show that there are N2O emissions from the WWTPs. Emission from the secondary settling tank were as significant as emission from the activated sludge unit. The results show also that there was lots of diurnal variation in N2O emission from the secondary settling tank. Flux can be a consequence of the changing nitrogen load to the WWTP or of the changing level of sludge blanket in the secondary clarifier. N2O emissions occurred more in winter time than in summer time. Very large variationin emission values show that it is important that studies are full-scale and measurements are continuously and the measurement period is long enough. Date: 16.10.2012 Language: Finnish Number of pages: 97 + 17 Keywords:, biological nitrogen removal, denitrification nitrificatio, nitrous oxide, wastewater treatment Alkusanat Tämä diplomityö on tehty Aalto-yliopiston Insinööritieteiden korkeakoulun vesitekniikan tutkimusryhmässä. Tutkimukseen kuuluneet mittaukset suoritettiin kuudella eri jätevedenpuhdistamolla. Näistä laitoksista vastaavat organisaatiot ovat osallistuneet työn rahoittamiseen. Haluan kiittää näitä laitoksia yhteystyöstä ja mahdollisuudesta tehdä mittaukset. Kiitos Helsingin seudun ympäristöpalvelut HSY, Lohjan kaupunki vesi- ja viemärilaitos, Orimattilan Vesi Oy, Porvoon Vesi ja Vihdin vesi! Haluan erikseen kiittää laitosten työntekijöitä, jotka auttoivat minua mittausten suorittamisessa ja Jennille kiitos myös mieleenpainuneesta Porvoo-viikosta. Kiitos kaikille! Haluan kiittää myös kahta muuta tahoa, jotka osallistuivat työn rahoittamiseen. Kiitos Maaja vesitekniikan tuki ry ja Vesilaitosyhdistys! Työtäni ovat ohjanneet diplomi-insinöörit Mari Heinonen HSY:ltä ja Anna Mikola Rambolilta. Heitä haluan kiittää asiantuntevista neuvoista ja hyvistä kommenteista. Kiitos Anna ja Mari! Kiitän työn valvojaa professori Riku Vahalaa Aalto-yliopistolta kommenteista. Kiitos Riku Erityiskiitos Pirjo Rantaselle, joka jakoi uskoa minua ja johdattaa työni oikeaan suuntaan. Kiitos Pirjo erittäin mielenkiintoisista hetkistä kanssasi! Suuret kiitokset haluan esittää tärkeille henkilöille vesitekniikan laboratoriossa. Heidän apunsa ja tukensa oli korvaamatonta minulle. Kiitos Ari Järvinen, Matti Keto, Marina Sushko ja Aino Peltola Lämmin kiitos Tiialle, Dorikselle ja Mikalle, jotka seurasivat työn edistymistä läheltä ja tukivat minua. Kiitos kaikesta ystävät ja perhe! Espoo 16.10.2012 Sisällys Tiivistelmä Abstract Alkusanat Sisällys Kuvaluettelo....................................................................................................................... 1 Taulukkoluettelo ................................................................................................................ 3 1 Johdanto.......................................................................................................................... 7 1.1 Lähtökohdat ............................................................................................................. 7 1.2 Työn tavoitteet ......................................................................................................... 8 2 Biologinen jäteveden käsittely ......................................................................................... 9 2.1 Yleistä ...................................................................................................................... 9 2.2 Biologinen typenpoisto ........................................................................................... 10 2.2.1 Nitrifikaatio ..................................................................................................... 12 2.2.2 Denitrifikaatio ................................................................................................. 14 2.2.3 Anammox ........................................................................................................ 15 3 Typpioksiduulin muodostuminen jäteveden biologisessa käsittelyssä ............................ 17 3.1. Typpioksiduuli ...................................................................................................... 17 3.2 Typpioksiduulin muodostuminen jätevedenpuhdistamoilla ..................................... 18 3.3 Typpioksiduulia muodostavat bakteerit nitrifikaatiossa ja denitrifikaatiossa............ 23 3.4 Ainekset typpioksiduulin muodostumiseen ............................................................. 26 3.4.1 Happi............................................................................................................... 27 3.4.2 Nitriitti............................................................................................................. 28 3.4.3 COD/N ............................................................................................................ 29 3.5 Olosuhteet typpioksiduulin synnylle ....................................................................... 31 3.5.1 Yleisiä tekijöitä................................................................................................ 31 3.5.2 Nopea muutos hapen määrässä......................................................................... 33 4 Tutkimuskohteet ........................................................................................................... 36 4.1 Laitosten koko ja toiminta ...................................................................................... 36 4.2 Helsinki, Viikinmäen jätevedenpuhdistamo ............................................................ 36 4.2.1 Puhdistamolla käsiteltävät jätevedet ja ympäristölupa ...................................... 36 4.2.2 Prosessi ........................................................................................................... 37 4.3 Vihti, Nummelan jätevedenpuhdistamo .................................................................. 38 4.3.1 Puhdistamossa käsiteltävät jätevedet ja ympäristölupa ..................................... 38 4.3.2 Prosessi ........................................................................................................... 39 4.4 Orimattila, Vääräkosken jätevedenpuhdistamo ....................................................... 40 4.4.1 Puhdistamolla käsiteltävät jätevedet ja ympäristölupa ...................................... 40 4.4.2 Prosessi ........................................................................................................... 41 4.5 Porvoo, Hermanninsaaren jätevedenpuhdistamo ..................................................... 41 4.5.1 Puhdistamolla käsiteltävät jätevedet ja ympäristölupa ...................................... 41 4.5.2 Prosessi ........................................................................................................... 42 4.6 Lohja, Pitkäniemen jätevedenpuhdistamo ............................................................... 43 4.6.1 Puhdistamolla käsiteltävät jätevedet ja ympäristölupa ...................................... 43 4.6.2 Prosessi ........................................................................................................... 44 4.7 Suomenojan jätevedenpuhdistamo .......................................................................... 44 4.7.1 Puhdistamolla käsiteltävät jätevedet ja ympäristölupa ...................................... 44 4.7.2 Prosessi ........................................................................................................... 45 5 Mittausjärjestelyt .......................................................................................................... 47 5.1 Kaasuanalysaattori Gasmet DX 4000n FTIR .......................................................... 47 5.2 Mittausten suorittaminen ........................................................................................ 48 5.3 Laitokset mittausten aikana .................................................................................... 51 5.4 Mittaukset ja analyysit ............................................................................................ 52 5.4.1 Kaasumittaus, vesinäytteet ja tehdyt analyysit.................................................. 52 5.4.2 Käytetyt analyysit laitoksilla ja laboratoriossa ................................................. 55 5.5 Mahdolliset virheet ................................................................................................. 56 6 Tulokset ja tulosten tarkastelu ....................................................................................... 58 6.1 Yhteenveto laitosten jälkiselkeytysaltaiden N2O-päästöistä .................................... 58 6.2. Yhteenveto laitosten ilmastusaltaiden N2O-päästöistä ............................................ 61 6.3 N2O-päästöt vuodessa laitoksilta ............................................................................ 65 6.4 Vaihtelevien olosuhteiden vaikutus N2O-päästöihin jälkiselkeytysaltailla .............. 67 6.4.1 Vuodenaika ..................................................................................................... 67 6.4.2 Vuorokaudenaika ............................................................................................. 70 6.4.3 N2O-päästöt jälkiselkeytyksen eri vaiheissa ..................................................... 71 6.5 Happipitoisuuden vaikutus N2O:n muodostumiseen ilmastusaltailla ....................... 73 6.6 Kaksi erityismittausta Nummelassa ........................................................................ 77 6.6.1 OKI-ilmastin.................................................................................................... 77 6.6.2 Metanolin lisäys............................................................................................... 81 7 Johtopäätökset............................................................................................................... 83 Lähteet ............................................................................................................................. 86 Liitteet Kuvaluettelo Kuva 1 Yhdyskuntien jätevedenpuhdistamoille tulevan ja lähtevän typpikuormituksen kehittyminen 1971–2005. (Pietiläinen, 2008) ................................................................... 10 Kuva 2 Typen kierto (Kampschreuer, 2009) ..................................................................... 11 Kuva 3 Nitrifikaatio (Hiatt et al., 2006) ............................................................................ 13 Kuva 4 Denitrifikaatio (Hiatt et al., 2006) ........................................................................ 14 Kuva 5 Hiilenlähteiden vaikutus denitrifikaatioon (Henze et al., 2002) ............................ 15 Kuva 6 N2O:n määrän kasvu teollistumisesta vuoteen 2005 mennessä (IPCC 2007) ......... 17 Kuva 7 N2O:n pitoisuuden vaihtelu vuorokauden aikana aerobisessa lohkossa jätevedenpuhdistamolla (Ahn et al., 2009)........................................................................ 22 Kuva 8 N2O:ta muodostuu nitrifikaatiossa ja denitrifikaatiossa (Kampschreur, 2009; kuvaa muokattu) ........................................................................................................................ 23 Kuva 9 Ainekset, joita tarvitaan N2O:n muodostumiseen nitrifikaatiossa ja denitrifikaatiossa (Kampschreur, 2009; kuvaa muokattu) ................................................. 26 Kuva 10 Happipitoisuuden vaikutus N2O:n syntyyn nitrifikaatiossa (Tallec, 2006; Zheng et al., 1994).......................................................................................................................... 28 Kuva 11 NO2:n lisäyksen vaikutus N2O:n muodostumiselle nitrifikaatiossa (Kampschreur, 2008b) ............................................................................................................................. 29 Kuva 12 Tekijät, jotka mahdollistavat olosuhteet N 2O:n synnylle nitrifikaatiossa ja denitrifikaatiossa .............................................................................................................. 31 Kuva 13 Happipitoisuuden äkillisen vaihtelun näkyminen N 2O:n muodostumisessa (Otte et Grobben, 1996) ................................................................................................................ 34 Kuva 14 Kaasuanalysaattori (Gasmetin kotisivu, 2011) .................................................... 47 Kuva 15 Mittakuvun mitat ............................................................................................... 48 Kuva 16 Pintalietettä Vääräkosken ilmastusaltailla Orimattilassa ..................................... 49 Kuva 17 Mittaus käynnissä Nummelan ilmastusaltaalla ................................................... 50 Kuva 18 Ammoniumtypen määritys laitoksella ................................................................ 56 Kuva 19 Yhteenveto sisälaitosten jälkiselkeytysaltaiden ja Vääräkosken väliselkeytysaltaiden typpioksiduulipäästöistä.................................................................. 59 Kuva 20 Yhteenveto ulkolaitosten jälkiselkeytysaltaiden typpioksiduulipäästöistä ........... 61 1 Kuva 21 Yhteenveto Viikinmäen ja Nummelan ilmastusaltaiden N2O-päästöistä ............. 62 Kuva 22 Ilmastusaltaan NO2- ja N2O – pitoisuusprofiili sisälaitoksilla kesällä.................. 64 Kuva 23 N2O-pitoisuus jälkiselkeytysaltaalla maaliskuussa Viikinmäessä ........................ 69 Kuva 24 N2O-pitoisuus jälkiselkeytysaltaalla kesäkuussa Viikinmäessä ........................... 69 Kuva 25 N2O-pitoisuus jälkiselkeytysaltaalla heinäkuussa Viikinmäessä ......................... 69 Kuva 26 N2O-pitoisuus jälkiselkeytysaltaalla kesäkuussa Nummelassa ............................ 70 Kuva 27 N2O-pitoisuus jälkiselkeytysaltaalla heinäkuussa Viikinmäessä ......................... 71 Kuva 28 N2O-pitoisuudet jälkiselkeytysaltaalla 3.3. ja 3.6. Viikinmäessä ......................... 72 Kuva 29 N2O-pitoisuudet jälkiselkeytysaltaalla 21.3. ja 16.6 Nummela............................ 72 Kuva 30 N2O- ja happipitoisuus ilmastusaltaalla lohkossa 3 maaliskuussa Viikinmäessä.. 74 Kuva 31 N2O- pitoisuus ilmastusaltaalla eri lohkoissa Nummelassa 16.3. ........................ 74 Kuva 32 N2O- ja happipitoisuus ilmastusaltaalla lohkoissa 4, 5, ja 6 11.3. ja 9.6. Viikinmäessä ................................................................................................................... 76 Kuva 33 N2O- ja happipitoisuus lohkossa 4 Viikinmäessä 7.6. ......................................... 77 Kuva 34 Mittauskohdat Oki-ilmastimen ollessa altaassa ................................................... 78 Kuva 35 Oki-ilmastimella ilmastetussa altaassa N2O-pitoisuus kohdissa A, B ja C, Nummelassa..................................................................................................................... 79 Kuva 36 Oki-ilmastimella ilmastetussa altaassa N2O-pitoisuus kohdissa C ja A, ilmastin välillä suljettuna, Nummelassa ......................................................................................... 80 Kuva 37 N2O-pitoisuus ilmastusaltaalla lohkossa 3 Nummelassa, metanolin syöttö keskeytetty välillä ............................................................................................................ 82 2 Taulukkoluettelo Taulukko 1 (IPCC, 2007) ................................................................................................. 18 Taulukko 2 Tutkimustuloksia N2O-päästöistä jätevdenpuhdistamoilta ja laboratorio-oloista (Kam Kampschreur, 2009) ............................................................................................... 21 Taulukko 3 Tuloksia N2O-pitoisuudesta ilmastusaltaan eri lohkoista (Ahn et al., 2009).... 35 Taulukko 4 Puhdistamoiden virtaama ja kokonaistyppi vuonna 2011 (VAHTI)................ 36 Taulukko 5 Viikinmäen ympäristölupavaatimukset(Länsi-Suomen ympäristölupavirasto, 2004) ............................................................................................................................... 37 Taulukko 6 Viikinmäen puhdistustulos vuosilta 2009-2011 (VAHTI) .............................. 37 Taulukko 7 Nummelan ympäristölupavaatimukset (Länsi-Suomen ympäristölupavirasto, 2007a).............................................................................................................................. 39 Taulukko 8 Nummelan puhdistustulos vuosilta 2009-2011 (VAHTI) ............................... 39 Taulukko 9 Vääräkosken ympäristölupavaatimukset (Itäi-Suomen ympäristölupavirasto, 2005) ............................................................................................................................... 40 Taulukko 10 Vääräkosken puhdistustulos vuosilta 2009-2011 (VAHTI) .......................... 40 Taulukko 11 Hermanninsaaren ympäristölupavaatimukset (Länsi-Suomen ympäristölupavirasto, 2005) ............................................................................................. 42 Taulukko 12 Hemanninsaaren puhdistustulos vuosilta 2009-2011 (VAHTI) .................... 42 Taulukko 13 Pitkäniemen ympäristölupavaatimukset (Valtonen, 2010) ............................ 43 Taulukko 14 Pitkäniemen puhdistustulos vuosilta 2009-2011 (VAHTI) ........................... 43 Taulukko 15 Suomenojan ympäristölupavaatimukset (Länsi-Suomen ympäristölupavirasto, 2007b) ............................................................................................................................. 45 Taulukko 16 Suomenojan puhdistustulos vuosilta 2009–2011 (VAHTI) .......................... 45 Taulukko 17 Laitosten toiminta mittausten aikana ............................................................ 51 Taulukko 18 Talven ja kesän mittaukset ........................................................................... 54 Taulukko 19 Laboratoriossa tehnyt analyysit ja menetelmät ............................................. 56 Taulukko 20 Ilmastusaltaan NO2- ja N2O – pitoisuusprofiili Pitkäniemessä ja Hermanninsaaressa .......................................................................................................... 64 Taulukko 21 Arvioidut N2O-päästöt kolmella eri oletuksella Viikinmäen puhdistamolta vuodessa .......................................................................................................................... 66 3 Käytetyt lyhenteet ja muuttujat Lyhenteet anox anoksinen AOA ammonia-oxidizing archaea, ammoniakkia hapettavat arkkieliöt AOB ammonia-oxidizing bacteria, ammoniakkia hapettavat bakteerit BOD biochemical oxygen demand, biologinen hapenkulutus CH4 metaani COD chemical oxygen demand, kemiallinen hapenkulutus CO2 hiilidioksidi CTN kokonaistyppi D denitrifikaatio DEN denitrifioivat bakteerit DO dissolved oxygen, liuennut happi HCO3 bikarbonaatti H2S rikkivety H2O vesi IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change N nitrifikaatio N2 typpikaasu NH3- ammoniakki NH4+ ammonium NH2OH hydroksylamiini NO2- nitriitti NO3- nitraatti N2O typpioksiduuli ox oksinen sf näyte suodettu puhdistamolla ja uudestaan laboratoriossa SO2 rikkidioksidi SRT viipymäaika suod näyte suodatettu puhdistamolla 4 T lämpötila VOC haihtuva orgaaninen yhdiste XI,N suspentoitunut inertti (orgaaninen) typpi muuttujat ja yksiköt A [m2] pinta-ala m [mg] massa M [g/mol] molekyylimassa T [Co] lämpötila ø [ppm] tilavuusosuus 3 v [m ] tilavuus 5 6 1 Johdanto 1.1 Lähtökohdat Jäteveden typpeä poistetaan perinteisesti biologisen käsittelyn avulla. Osasta jätevedenpuhdistuslaitokselle päätyvästä typestä muodostuuu typpioksiduulia (N2O), joka on voimakas kasvihuonekaasu. Sen ilmakehää lämmittävä vaikutus on yli 300 kertaa suurempi kuin hiilidioksidin. (IPCC, 2006) Laboratorio- ja laitosolosuhteissa on tehty tutkimuksia, joiden mukaan on havaittu, että N2O:ta muodostuu niin anoksissa kuin aerobisissa oloissa (Tallec, 2006 ja 2007, Kampschreur, 2008a). Näiden tutkimusten perusteella on tehty arvioita siitä, kuinka paljon jätevedenpuhdistamoille tulevasta kokonaistypestä muuttuisi N2O:ksia. Arvioiden suuruudessa esiintyy suuresti hajontaa riippuen tutkimusten toteutustavasta. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) on tehnyt arvion, jonka mukaan voi laskea, että 0,035 tai 0,5 prosenttia tulevasta kokonaistypestä muodostuu N2O:ta. (IPCC, 2006). Jätevedenpuhdistamolla syntyvän N2O:n määrää on haastava arvioida, koska olosuhteet laitoksilla vaihtelevat paljon eri vuodenaikojen ja vuorokauden aikoina päästömäärät vaihtelevat. Kirjallisuudesta löytyy vain vähän tutkimuksia, joissa on käytetty jatkuvatoimisia mittalaitteita, ja joissa on tehty pitkäkestoisia mittauksia. Kirjallisuudessa esiintyvissä tutkimuksissa on tutkittu N2O-päästöjä ilmastusaltailta. Yleisesti on oletettu, että merkittävimmät päästöt muodostuisivat ilmastusaltailla nitrifikaation ja denitrifikaation aikana (Kimochi, 1998; Tallec, 2007; Kampschreur, 2009). N2O:ta pääsee muodostumaan, jos olosuhteet eivät ole otolliset nitrifikaatiolle ja denitrifikaatiolle. Nitrifikaation toimintaa häiritsee liian vähäinen hapen määrä, ja denitrifikaation aikana paikalla ei saisi olla happea lainkaan. Denitrifikaatio vaatii hiilen lähteen toimiakseen. Muita nitrifikaation ja denitrifikaation toimintaan vaikuttavia tekijöitä on lämpötila, pH, ammoniakin ja nitriitin määrä ja inhibiittorit kuten rikkivety (H2S). Nämä kaikki tekijät vaikuttavat typen kierron kulkuun puhdistamoilla, joten ne ovat myös tärkeässä roolissa typpioksiduulin muodostumisessa. Kirjallisuudessa ei esiinny tutkimuksia, joissa olisi selvitetty jälkiselkeytysaltaiden N2O-päästöjä. Jälkiselkeytysaltailla 7 on biologista toimintaa, joten on hyvin mahdollista, että siellä pääsee muodostumaan N2O:ta. 1.2 Työn tavoitteet Tässä työssä tavoitteena oli selvittää kuuden eri suomalaisen jäteveden puhdistamon N 2Opäästöjä, ja sitä millaisissa oloissa niitä syntyy. Suomalaisten jäteveden puhdistamoiden typpioksiduulipäästöjä ei ole juuri kartoitettu. Kuusi laitosta, jotka ovat mukana tässä työssä, ovat erikokoisia yhdyskuntajätevesiä käsitteleviä laitoksia. Kaikissa tutkituissa laitoksissa typpi poistetaan biologisesti. Typpioksiduulipäästöjä mitattiin ilmastusaltailla eri lohkoissa, ilmastetuissa ja ilmastamattomissa sekä jälkiselkeytysaltailla. Mittaukset tehtiin jatkuvatoimisella kaasuanalysaattorilla suoraan veden pinnalta mittakuvun avulla, joten mittaustuloksia oli mahdollista saada usean päivän ajalta. Mittauksia tehtiin sekä talvella että kesäaikaan 2011. Tämä mahdollisti N2O:n määrän vaihtelun havaitsemisen sekä vuorokauden aikana että eri vuodenaikoina. Lämpötila vaihteli luonnolisesti eri vuodenaikona, joten lämpötilan vaikutusta mittaustuloksiin pystyttiin tarkastelemaan. Typenpoiston tehokkuutta heikentävät erilaiset häiriötekijät kuten lumien sulamisvedet keväisin tai liian vähäinen happipitoisuus nitrifikaatiossa. Kevään mittaukset pyrittiin suorittamaan lumien sulamisajankohtana, jolloin laitoksien prosessien toiminta oli vaikeutunut kylmien sulamisvesien takia. Kesän mittauksiin mennessä laitosten prosessit olivat toipuneet kevään hankalista oloista. Prosessit laitoksilla olivat keskenään erilaisia (asukasvastineluku 40 000-800 000) ja puolella laitoksista altaat olivat ulkona kattamattomina. Kaksi hyvin erilaista mittausajankohtaa ja laitosten erilaiset prosessiajot tarjosivat mahdollisuuden tutkia N2O-päästöjen syntyä eri prosessioloissa. Kaikki puhdistamot olivat mittausten aikana normaali operointitilassa, joten saadut tulokset kuvaavat hyvin todellista tilannetta, joka vallitsi mittausten aikana typen poiston osalta. Yhdellä laitoksella metanolin syöttö keskeytettiin hetkeksi mittausten aikana, jotta voitiin tutkia sen vaikutusta N2O:n muodostumiselle. Näytteitä mittausten aikana pyrittiin ottamaan tutkimuksen kannalta riittävä määrä, ja niistä määriteltiin ammonium- nitraatti-, nitriitti ja kokonaistyppi. Myös altaiden lämpötilaa, happipitoisuutta ja pH:ta tarkkailtiin. 8 2 Biologinen jäteveden käsittely 2.1 Yleistä Jätevedet sisältävät orgaanista aineita ja epäorgaanisia ravinteita, jotka vesistöön päästessään aiheuttavat happikatoa ja rehevöitymistä. Mikro-organismit muuttavat jäteveden kiintoaineen ja liuenneet ravinteet lietteeksi, joka poistetaan vedestä ennen sen johtamista eteenpäin vesistöön. Mikäli puhdistamolla operoidaan kokonaistyppeä poistokaasuna, typpi poistuu jätevedestä typpikaasuna, kun bakteerit hyödyntävät typpeä käytössään. Kaksi ratkaisevinta ravinnetta rehevöitymisen kannalta ovat typpi ja fosfori, jotka molemmat voidaan poistaa biologisesti. Fosforia jätevedenpuhdistamoilla poistetaan valtaosin kuitenkin kemiallisesti. Fosforin biologinen puhdistaminen on prosessiajon kannalta haastavaa, mutta vähentää kemikaalikulutusta. Typpiyhdisteet voidaan poistaa jätevedestä fysikaalisilla, kemiallisilla tai biologisilla menetelmillä. Suomessa käyttökelpoisin menetelmä on biologinen prosessointi, joka perustuu nitrifikaatioon ja denitrifikaatioon. Biologisessa jätevedenpuhdistamisessa olosuhteet vaikuttavat suuresti puhdistustulokseen. Biologinen kokonaistypenpoisto perustuu aktiivilieteprosessiin, jossa vaihtelee hapettomat ja hapelliset olosuhteet. Ilman riittävää hapen määrää aerobisten bakteerien aineenvaihdunta ei toimi kunnolla. Samoin mikrobit vaativat riittävän korkean lämpötilan ja sopivan pH:n toimiakseen kunnolla. Myös erilaiset toksiset yhdisteet jätevedessä voivat haitata mikrobien toimintaa. Suomen oloissa haasteita biologiselle jäteveden käsittelylle tuo käsiteltävien jätevesien alhainen lämpötila talvella. Vuonna 2005 Suomessa oli 89 jätevedenpuhdistamoa, joiden asukasvastineluku (avl) oli yli 10 000. Näitä puhdistamoja koskee yhdyskuntajätevesidirektiivin ja valtioneuvoston asetuksen (888/2006) vaatimukset jätevesien typenpoiston osalta. Direktiivin mukaan kokonaistypen poistotehon täytyy olla vähintään 70 prosenttia. Kuvassa 1 on esitetty, miten typen määrä puhdistamoille on kasvanut 70-luvulta tähän päivään, samalla kun typen 9 poistoteho on parantunut. Kuvan aineisto pitää sisällään myös alle 10 000 alv:n kokoiset puhdistamot. (Pietiläinen, 2008) Kuva 1 Yhdyskuntien jätevedenpuhdistamoille tulevan ja lähtevän typpikuormituksen kehittyminen 1971–2005. (Pietiläinen, 2008) 2.2 Biologinen typenpoisto Jätevesissä typpi esiintyy pääasiassa ammoniumtyppenä. Biologisen typenpoiston tavoitteena on muuttaa ammoniumtyppi typpikaasuksi, joka poistuu ilmakehään. Jos typenpoistoprosessia ei viedä typpikaasun muodostumiseen asti, typpi täytyy saada nitraattimuotoon. Tämä vähentää hapenkulutusta vesistöissä ja suurina pitoisuuksina ammoniumtyppi on myrkyllistä eliöille. Se, mihin muotoon typpi täytyy saada puhdistamolla, riippuu puhdistamolle myönnetyistä lupaehdoista. Biologinen typenpoisto jakaantuu nitrifikaatioon ja denitrifikaatioon. Kuvassa 2 on esitetty typen kierto. Nitrifikaatio tapahtuu punaisella merkityissä kohdissa ja denitrifikaatio sinisellä. Nitrifikaatiossa ammoniumtyppi hapetetaan nitriitin kautta nitraatiksi, ja denitrifikaatiossa nitraatti pelkistyy typpikaasuksi. Nitrifikaatio ja denitrifikaatio täydentävät toisiaan. Molempien täytyy esiintyä puhdistamolla, jos halutaan suorittaa täydellinen typen poisto, paitsi jos kyseessä on anammox-prosessi. Anammox on jäteveden 10 puhdistuksessa käytetty menetelmä, jossa ammoniumtyppi muutetaan suoraan typpikaasuksi anoksissa oloissa. (van Dongen et al., 2001) Kohdissa 1-6 on merkitty lyhenteellä bakteerit, jotka toimivat kyseissä kohdassa. Bakteereista on kerrottu enemmän luvussa 2.2.2 ja 2.2.3. Kuva 2 Typen kierto (Kampschreuer, 2009) Kuvan mukainen typen kierto on yksinkertaistettu, todellisuudessa se on huomattavasti monimutkaisempi. Jotta typpi muuttuisi, kuten kuvassa on esitetty, täytyisi jätevedenpuhdistusprosessin olosuhteet olla sellaiset, että nitrifikaatio ja denitrifikaatio pystyisivät tapahtumaan ilman häiriöitä. Kuvaan on ympyröity typpioksiduuli, joka on eitoivottu väli- ja loppumuoto typelle denitrifikaatiossa ja nitrifikaatiossa. Nitrifikaatio vaatii happea, ja prosessin hapentarvetta ylläpidetään ilmastuslaitteiden avulla. Hapettomissa oloissa toimivat denitrifikaatiobakteerit tarvitsevat orgaanisen hiilen lähteen. Jätevedessä on hiiltä valmiiksi. Jos sitä ei ole tarpeeksi, voidaan veteen lisätä muun muassa metanolia, etanolia, glykoosia tai asetaattia denitrifikaation parantamiseksi. Optimilämpötila nitrifikaatiolle on 30–35 oC. Tosin näitä lämpötiloja ei saavuteta Suomen jätevedenpuhdistamoilla. Alhaisissa lämpötiloissa reaktiot tapahtuvat hitaasti, ja nitrifikaatio tarvitsee huomattavasti enemmän happea toimiakseen. Sopiva pH jätevedelle prosessin toimivuuden kannalta olisi 6,5–7,5. (Rantanen, 1999) 11 Prosessissa nitrifikaation ja denitrifikaation järjestys voi vaihdella keskenään. NDprosessissa, jossa nitrifikaatio tapahtuu ensimmäisenä, denitrifikaatio-osioon täytyy lisätä ulkopuolista orgaanista hiiltä, joka kuluu ilmastusaltaissa. Tavallisesti denitrifikaatio sijoittuu ennen nitrifikaatiota (DN-prosessi). Tällöin nitrifikaatiosta täytyy kierrättää nitraattipitoista aktiivilietettä denitrifikaatio-osaan, jossa typpikaasua voi muodostua. DNprosessi:n orgaanisen hiilen lähteenä voidaan käyttää jäteveden omaa hiiltä. (Rantanen, 1999) 2.2.1 Nitrifikaatio Nitrifikaatiossa tapahtuu hapettumista. Hapettumisessa on kyse elektronien vaihdosta hapettujan ja hapettajan välillä. Nitrifikaatiossa happea tarvitaan, että olisi vastaanottaja elektroneille. Nitrifikaatiossa ammoniumtyppi NH4+ hapettuu nitraatiksi hapellisissa oloissa. Hapettuminen tapahtuu nitrifikaatiobakteerien avulla kaksiosaisesti. Ryhmä ammoniumin hapettaja-bakteereja (AOB) käyttää hiilidioksidia hiilen lähteenä ja happea elektronin vastaanottajana, joten ammoniumtyppi hapettuu hydroxylamiiniksi (NH2OH). Nitriitin hapettaja bakteerit (NOB) jatkavat tästä ja hapettavat NH2OH:n nitriitiksi (NO2 -). Veden alkaliteetti kuluu, sillä jokaista NH4+ moolia kohti kuluu noin kaksi moolia bikarbonaattia (HCO3:ta). pH:n lasku vaikeuttaa nitrifikaatiota. (Henze, al. 2002) Kun pH on alle 5,5, nitrifikaatio vaikeutuu huomattavasti. (Udert et al., 2005, viitannut Painter 1986,) Nitriitti hapetetaan nitraatiksi nitriittiä hapettavien bakteerien avulla (NOB). (Henze, et al. 2002). Kuvassa 3 on esitetty, miten ammoniakki hapettuu nitriitiksi ja sitä kautta nitraatiksi. 12 Kuva 3 Nitrifikaatio (Hiatt et al., 2006) Nitrifikaatiobakterit ovat autotrofisia, sillä ne tarvitsevat epäorgaanisen hiilen lähteen eli hiilidioksidin. Nitrfikaatiobakteerit ovat herkkiä olosuhteiden vaihteluille. Bakteerien toimitaa haittaavat liian korkea ammonium- tai nitriittipitoisuus väärä pH (optimaalinen 7,5–8,6) väärä lämpötila (< 10 oC tai >35 oC) liuenneen hapen konsentraatio on alle 1 mg/l. inhiboivat aineet, esimerkiksi metallit, rikki, fenolit (Henze et al. 2002) Kahta bakteeriryhmää AOB ja NOB, on pidetty hallitsevina tekijöinä nitrifikaation suorittamisessa. Yksi AOB-ryhmään kuuluva bakteeri on Nitrosomonas ja Nitrobacter ja Nitrospira kuuluvat NOB-ryhmään. On olemassa myös muita mikro-organismeja, jotka osallistuvat ammoniumtypen hapettamiseen. (Kampschreur, 2009) Eräät ammoniakkia hapettavat arkkieliöt (AOA) voivat suorittaa nitrifikaation, kun happea on tarjolla vähän, ja viipymäaika aktiivilietealtaassa on suuri. (Park, 2006). 13 2.2.2 Denitrifikaatio Denitrifikaation avulla saadaan lopullisesti typpi pois jätevedestä. Sen aikana toimii joukko erilaisia mikro-organismeja, jotka pystyvät pelkistämään nitraattia, nitriittiä ja typpimonoksidia hapettomissa oloissa. Prosessi on siis anoksinen. Monet denitrifioivat mikro-organismit käyttävät happea mieluiten aineenvaihdunnassaan, mutta jos happea ei ole tarjolla, bakteerit käyttävät soluhengityksessä hapen sijasta nitriittiä tai nitraattia. Denitrifikaatiossa nitriitti tai nitraatti pelkistyy eli ne ottavat vastaan elektroneja hiiliatomeilta. Denitrifikaatiossa täytyy olla mukana orgaanisen hiilen lähde. (Henze et al, 2002). Denitrifikaation aikana ei vedessä saa olla happea lainkaan, sillä jo 0,2 mg/l happea liuenneena vedessä saa bakteerit käyttämään happea nitraatin ja nitriitin sijasta (Tchobanoglous et al., 2003). Alkaliteetti lisääntyy 0,07 mol jokaista nitraattigrammaa kohden. Denitrifikaatiossa saadaan takaisin siis puolet nitrifikaatiossa menetetystä alkaliteetistä, jos denitrifikaatio tapahtuu ennen nitrifikaatiota. Kuvassa 4 on esitetty polku, mitä pitkin denitrifikaatio tapahtuu. (Henze et al., 2002) Kuva 4 Denitrifikaatio (Hiatt et al., 2006) Denitrifikaatiobakteerit ovat heterotrofisia, eli ne tarvitsevat orgaanista hiiltä. Orgaanista ainetta kuluu 3–5 g nitraattityppigrammaa kohden, kun tarkastellaan biologista hapenkulutusta eli BHK:ta. Denitrifikaatioaste riippuu lämpötilasta ja, missä muodossa 14 käytettävä hiili on. (Rantanen 1999) Kuvassa 5 on esitetty lämpötilan ja kolmen eri hiililähteen vaikutus denitrifikaatioon. Hiili ja korkea lämpötila mahdollistavat paremmin denitrifikaation onnistumisen. Kuvasta nähdään, että parasta ruokaa bakteereille olisi metanoli tai etikkahappo; ne ovat muodossa, joita bakteerien on helppo käyttää. Metanolia voidaan käyttää jätevedenpuhdistusprosessin ulkopuolisena hiililähteenä, jota lisätään prosessiin joissakin tapauksissa. Glukoosia ja asetaattia voidaan käyttää myös lisättynä hiililähteenä. Jätevesiliete sisältää itsessään orgaanista hiiltä, jota voidaan hyödyntää denitrifikaatiossa. Hiiltä denitrifikaatiobakteerien käyttöön syntyy endogeenihengityksen kautta, jossa lietteessä oleva orgaaninen aines kuten kuolleet bakteerit hajotetaan bakteerien käyttöön. (Henze et al., 2002). Lisäksi sopivaa hiiltä denitrfikaatioon syntyy myös jätevedessä olevista suuremmista orgaanisista molekyyleistä kuten proteiinit, ja rasvat, kun ne hajoavat hapettomissa oloissa esimerkiksi viemärissä tai esiselkeytyksessä. Kuva 5 Hiilenlähteiden vaikutus denitrifikaatioon (Henze et al., 2002) 2.2.3 Anammox Anammox-prosessin edellytyksenä on, että puolet ammoniumtypestä hapetetaan nitriitiksi. Hapettomissa oloissa ammoniumtyppi on valmis luovuttamaan elektronin, ja syntynyt nitriitti ottaa niitä vastaa. Tätä ilmiötä hyödynnetään anammox-prosessissa, Ammoniumtyppi hapettuu suoraan typpikaasuksi. Mitään ulkopuolista orgaanisen hiilen lähdettä ei tällöin tarvita, sillä elektroni tulee nitriitiltä. Liukoista happea tarvitaan vain 15 prosessin alussa, että saadaan muodostettua nitriittiä. Anammox on kustannustehokas ja vähän tilaa tarvitseva typenpoiston erikoissovellus. (Isaka, 2008; Wallace and Austin, 2008). 16 3 Typpioksiduulin muodostuminen jäteveden biologisessa käsittelyssä 3.1. Typpioksiduuli Typpioksiduuli on kasvihuonekaasu, joka säilyy ilmakehässä noin 120 vuotta. Sen ilmastoa lämmittävä vaikutus on 310 kertaa suurempi kuin hiilidioksidin. (IPCC 2006) Ilmakehän typpioksiduulipitoisuus on noussut 270 ppb:stä ennen teollistumista 319 ppb:hen vuoteen 2005 tullessa kuten kuvassa 6 on esitetty. Kolmasosa päästöistä on ihmisen aiheuttamia ja ensisijaisesti peräisin maataloudesta. (IPPC 2007) Luonnollisissa oloissa typpioksiduulia vapautuu maaperästä, valtameristä ja mahdollisesti muodostuu ilmakehässä. Ihmisten toimesta typpioksiduulia vapautuu maaperän muokkauksessa, biomassan poltossa, teollisissa prosesseissa ja jätteen- ja jätevesien käsittelyssä. (Bouwman, 1996) Kuva 6 N2O:n määrän kasvu teollistumisesta vuoteen 2005 mennessä (IPCC 2007) Taulukossa 1 on esitetty IPCC:n neljännen raportin ”Fourth Assessment Report: Climate Change 2007” arviot typpioksiduulipäästöistä vuosien 1990–2000 aikana vuodessa. Taulukossa on eritelty ihmistoiminnan ja luonnon omat lähteet, joista vapautuu N2O:ta. Suluissa ovat virherajat, jotka ovat huomattavat, sillä päästöjen arviointi on haastavaa. 17 Taulukko 1 (IPCC, 2007) N2O ihmisen aiheuttamat päästöt fossiiliset polttoaineet ja (Tg/vuosi) teolliset prosessit 0,7 (0,2-1,8) maatalous 2,8 (1,7-4,8) biomassan ja -polttoaineen poltto 0,7 (0,2-1,0) ihmisten jätökset 0,2 (0,1-0,3) vesistöt 1,7 (0,5-2,9) ilmakehän kertymä 0,6 (0,3-0,9) yhteensä 6,7 luonnolliset lähteet maaperä luonnontilassa 6,6 (3,3-9,0) valtameret 3,8 ((1,8-5,8) ilmakehän kemia 0,6 (0,3-1,2) yhteensä 11 molemmat yhteensä 17,7 (8,5-27,7) 3.2 Typpioksiduulin muodostuminen jätevedenpuhdistamoilla IPCC on tehnyt kaksi erilaista arviota siitä, kuinka paljon jätevedenpuhdistamoille tulevasta typestä vapautuisi N2O:na. Tätä arviota sovelletaan yleisesti polittisten päättäjien kesken. IPCC:n toisen arvion mukaan jätevedenpuhdistamoille tulevasta typpikuormasta 0,5 prosenttia vapautuisi typpioksiduulina. Tämä arvio koskee laitoksia, joilla ei juuri tapahdu typenpoistoa. Näiden laitosten N2O-päästöt syntyvät, kun laitoksilta lähtevän veden typen biologinen kierto jatkuu vesistöissä. Maat, joissa on järjestetty keskitetysti vesihuolto, voivat arvioida, että N2O:ta muodostuisi jäteveden typpikuormasta 3.2 g /henkilö vuodessa. Tämä tarkoittaa, että noin 0,035 prosentista typpikuormasta muodostuisi N2O:ta. (IPCC 2006) Tämän arvion IPCC perustaa vuonna 1993 Durhamin puhdistamolla Alankomaissa 18 tehtyyn tutkimukseen, (Czepiel et al, 1995). Mosier et al. arvioivat, että koko maailman ihmisten jäteveden käsittelyssä syntyvät typpioksiduulipäästöt olisivat 0,22 Tg vuodessa (Mosier et al., 1999). Tämä perusteella voidaan laskea taulukon 1 luvuista, että 3,3 prosenttia ihmisen aiheuttamasta ja 1,2 prosenttia kaikista N2O-päästöstä on peräisin jätevedenkäsittelystä. Koska N2O on voimakas kasvihuonekaasu, on parempi tarkastella, mikä sen vaikutus ilmakehään on suhteessa muihin kasvihuonekaasuihin kuin tutkia sen absoluuttisia määriä. Yksittäisen laitoksen kasvihuonepäästöjä tarkasteltaessa Johnson ja Hiattin (2009) tekemän mallin mukaan jätevedenpuhdistamolta vapautuva typpioksiduuli muodostaa 35–65 prosenttia laitoksen hiilijalanjäljestä, kun N2O:n ilmakehää lämmittävä vaikutus muutetaan hiilidioksidin kaltaiseksi. Jätevesien käsittelyssä typpioksiduulia vapautuu kahdessa kohdassa, joko biologisen prosessivaiheen aikana jätevedenpuhdistamolla tai puhdistetun jäteveden typenkierron jatkuessa vesistöissä. Typpioksiduulia syntyy vain nitrifikaation ja denitrifikaation kautta. Jos olosuhteet eivät ole sopivat näille ilmiöille, ei N2O synny. Jätevedenpuhdistamolla pääsääntöisesti N2O-päästöjä esiintyy aktiivilietealtaassa. Muita mahdollisia paikkoja puhdistamolla ovat hiekanerotus, esi- ja jälkiselkeytys, lietteen säilytys ja anaerobinen lietesäiliö. Jotta hiekanerotuksessa pääsisi syntymään N2O:ta, hiekanerotuksen tulisi nitrifioida hapen vaikutuksesta. Vesistöissä syntyvä N2O-päästöjen määrä on suurempi kuin puhdistamoilta vapautuva. (IPCC 2006) N2O:n liukoisuus veteen on kohtuullisen suuri, joten se päätyy helposti jäteveden mukana vesistöön (Versteeg, 1988). Yhdysvalloissa mitattiin Souht Platte –joen typpioksiduulikaasupäästöjä. Jokeen typpeä päätyi jätevedenpuhdistamolta ja pohjaveden mukana pelloilta. Tutkimuksen perusteella arvioitiin, että joesta vapautui vuodessa yhtä paljon N2O:ta kuin kaikilta Yhdysvaltain jätevedenpuhdistuslaitoksilta yhteensä vuodessa. (Mcmahon, 1999). On arvioitu, että yksi prosentti jäteveden typestä vapautuu joko heti puhdistamolla tai myöhemmin N2O:na (Barton, 2011) 19 Typpioksiduulipitoisuuksia on tutkittu niin laitos- kuin laboratorio-oloissa oikealla jätevedellä, keinotekoisella jätevedellä ja puhtailla viljelmillä. Taulukkoon 2 on koottu tuloksia eri tutkimuksista. Tulokset on jaettu sen mukaan, ovatko ne saatu laitoksella tehtyjen mittausten perusteella vai laboratoriossa. Taulukossa kerrotaan, millainen tutkimuskohteen laitos on ollut, ja millaista mittaustapaa on käytetty; onko ollut jatkuvatoiminen on-line-mittaus vai näytteiden perusteella määritelty N2O-pitoisuus. Mittausten perusteella on määritelty, kuinka monta prosenttia laitoksella tulevasta typpikuormasta muuttuu typpioksiduuliksi. Prosenttiluku vaihtelee valtavasti 0-95 prosentin välillä. Laitoksilla prosenttiluvut vaihtelevat 0,001-14,6 välillä ja laboratoriossa vaihteluväli on suurempaa 0-95 prosentin välillä. Mittaustavoissa on suuresti eroavaisuutta eri tutkimusten kesken. Suurimmat pitoisuudet on saatu laboratoriossa tehtyjen mittausten perusteella. Tutkimukset laitoksilla ovat keskittyneet biologiseen osaan eli ilmastusaltaisiin. (Kampschreur, 2009) 20 Taulukko 2 Tutkimustuloksia N2O-päästöistä jätevedenpuhdistamoilta ja laboratorio-oloista (Kam Kampschreur, 2009) Tutkimus N2O-päästö (%) Tutkimuskohde Näytteet Laitoksella mitattu Czepiel et al., (1995) Wicht and Beier, (1995) Sümer et al. , (1995) Sommer et al., (1998) Kimochi et al., (1998) Kampschreur, (2008a) Labroratoriossa mitattu Hanaki et al. , (1992) Zheng et al., (1994) Schulthess et al., (1994) van Benthum et al., (1998) Park et al., (2000) Burgess et al., (2002a) Noda et al., (2003) Zeng et al., (2003) Tallec et al., (2006) Kampschreur, (2008b) N-kuormasta 0,035 aktiivilietelaitos (11 000 as.) viikoittain, 15 viikon ajalta 0-14,6 (ka. 0,6) 25 aktiivilietelaitosta 0,001 aktiivilietelaitos (60 000 as.) 0,02 aktiivilietelaitos (60 000 as.) yksittäisnäyte per laitos kaksi viikoittaista näytettä, yli vuoden ajalta 1 - 2 näytettä viikossa 1,5 vuoden ajalta 0,1-0,08 4 aktiivilietelaitos (1 000 as.) nitrifikaatiovaihe aktiivilietelaitoksella (620 000) on-line-mittaus 2h 3 näytettä yhden päivän ajalta 0-8 tekojätevesi, denitrifikaatio näytteitä 2,3-16 päivittäin näytteitä 0,2-4,5 tekojätevesi, nitrifikaatio aito jätevesi, batch test, denitrifikaatio tekojätevesi, oksinen-anoksinen SBR aktiiviliete (380 d) aito jätevesi, nitrifikaatio ja denitrifikaatio 0,08-1,17 tekojätevesi, nitrifikaatio on-line-mittaus 0,2-1,5 aito jätevesi, aktiiviliete (50 d) tekojätevesi, anaerobinenanoksinen SBR aktiiviliete aito jätevesi, batch test (1 d), nitrifoiva biofilmi tekojätevesi, nitrifiova SRB aktiiviliete viikoittain näytteitä 0-6 5-95 90 0,2-1 (ka. 0,4) 2,8 on-line-mittaus näytteitä näytteitä on-line-mittaus on-line-mittaus on-line-mittaus Osassa tutkimuksissa on keskitytty tiettyyn osaan prosessia ja otettu siitä näytteitä, joiden perusteella on tehty yleistyksiä koko laitokselta vapautuvasta N2O:n määrästä. Tämä aiheuttaa epäluotettavuutta tuloksiin, sillä satunnaisesti otetut näytteet tietystä kohtaa prosessia eivät kuvaa kovinkaan hyvin koko jätevedenpuhdistamolla tapahtuvaa 21 olosuhteiden vaihtelua. Vaihtelut voivat olla nopeita ja suuria. Tämä käy ilmi Yhdysvalloissa vuonna 2009 Ahn et al. tekemien tutkimusten perusteella. He mittasivat N2O-päästöjä jätevedenpuhdistamoilla jatkuvatoimisella mittalaitteella. He mittasivat suoraan vedestä vapautuvaa N2O:ta mittakuvun avulla. Mittauksia tehtiin ilmastusaltailla anoksissa ja oksisissa oloissa. (Ahn et al., 2009) Kuvassa 7 on yli vuorokauden kestäneen mittauksen tulos aerobisesta lohkosta ilmastusaltaalta. Tutkimuksessa mitattiin myös N 2O:n pitoisuus liukoisena nesteessä. N2O:n pitoisuus on ilmoitettu ppm:nä. Kuvasta näkee hyvin, kuinka paljon typpioksiduulipitoisuus vaihteli vuorokauden aikana. Kuva 7 N2O:n pitoisuuden vaihtelu vuorokauden aikana aerobisessa lohkossa jätevedenpuhdistamolla (Ahn et al., 2009) 22 3.3 Typpioksiduulia muodostavat bakteerit nitrifikaatiossa ja denitrifikaatiossa Typpioksiduulin syntymekanismi voidaan jakaa kolmeen osaan. N2O:n syntyyn tarvitaan sitä muodostamaan tekijät eli bakteerit, ainekset, josta sitä voidaan muodostaa ja sopivat olosuhteet. Tärkeimpänä ovat mikro-organismit, jotka synnyttävät typpioksiduulia. Tässä luvussa esitellään bakteereja, jotka tuottavat N2O:ta nitrifikaatiossa ja denitrifikaatiossa. Kun olosuheet eivät ole otolliset nitrifikaatiolle ja denitrifikaatiolle, bakterit etsivät vaihtoehtoisen tavan käyttää hyödyksi happea, typpeä ja hiiltä. Kirjallisuuden perusteella ei osata sanoa, mitkä bakteerit ovat vastuussa N2O:n synnyttämisestä kulloisissakin oloissa. Kuva 8 N2O:ta muodostuu nitrifikaatiossa ja denitrifikaatiossa (Kampschreur, 2009; kuvaa muokattu) Typpioksiduulia vapautuu sekä nitrifikaatiossa että denitrifikaatiossa kuten kuva 8 havainnollistaa. Silloin kun, olosuhteet eivät ole optimaaliset normaalille autotrofiselle nitrifikaatiolle ja heterotrofiselle denitrifikaatiolle, esiintyy mahdollisuus typpioksiduulin synnylle. Gejlsbjerg piti mahdollisena vuonna 1998 jätevedenpuhdistuslaitokselta otettujen näytteiden perusteella tehdyn tutkimuksen mukaan, että eniten typpioksiduulia laitokselta vapautuu ilmastetuista altaista kesäkuukausien aikana, kun nitrifikaatiota tapahtuu aktiivisimmin. (Gejlsberg, 1998) Tarkkaan ei vielä tiedetä kaikkia mekanismeja, miten typpioksiduulia syntyy, mutta seuraavaksi esitellään jo havaittuja tapoja, miten mikroorganismit muodostavat N2O:ta nitrifikaation ja denitrifikaation kautta. 23 Kun tarjolla on vähän happea, nitrifikaatiossa AOB-ryhmä on suurin N2O:n muodostaja (Tallec, 2006). AOB:t osallistuvat tehtyjen tutkimusten mukaan N2O:n muodostamiseen ainakin kolmella eri tavalla; nitrifikaation ja denitrifikaation kautta sekä kemiallisesti. (Bock, 1995; Colliver, 2000; van Cleemput, 1998). Autotrofinen AOB-ryhmä pystyy nitrifioimaan ja denitrifioimaan samanaikaisesti, kun olosuhteet ovat vähähappiset. Tällainen tilanne voi muodostua, jos ilmastusvaiheessa ei ole riittävästi happea, tai anoksiseen lohkoon joutuu happea. Tällöin normaalin ammoniumtypen hapettamisen sijaan AOB:t pelkistävät nitriitin NO:ksi, N2O:ksi tai N2:ksi, Nitrifioijat tarvitsevat joko happea tai nitriittiä elektronin vastaanottajana. Kun bakteerit eivät saa happea ne käyttävät nitriittiä ja pelkistävät sen. Näin ollen nitrifikaatiobakteerit suorittavatkin denitrifikaation. Tätä kutsutaan nitrifioijien denitrifikaatioksi. (Bock, 1995) Mitä vähemmän happea on tarjolla, sitä enemmän bakteeri käyttää nitriittiä hyväkseen. Bakteerit suorittavat harvoin täydellisen denitrifikaation siten, että lopputuote olisi typpikaasu N2. Lopputuotteena yleisemmin esiintyy N2O tai NO. (Colliver, 2000) Typpioksiduuli on denitrifikaation välituote. Epätäydellisessä heterotrofisessa denitrifikaatiossa voi muodostua typpioksiduulia. (Kampschreur, 2009). Hapen läsnä olo häiritsee täydellisen denitrifikaation syntyä, joten N 2O:ta pääsee muodostumaan. (Tallec, 2006) Kirjallisuuslähteiden mukaan on mahdollista, että N2O:ta muodostuu kemiallisesti denitrifikaatiossa. Tämän edellytyksenä on, AOB:n tuottama NH2OH, joka voi reagoida orgaanisen tai epäorgaanisen yhdisteen kanssa. Tätä on havaittu esiintyvän ainakin maaperässä, jossa on matala pH. (van Cleemput, 1998). Udert et al. (2005) tutkivat nitrifikaatiota, jonka pH oli hyvin alhainen (alle 4). Tämän kaltaisia olosuhteita ei pitäisi esiintyä jätevdenpuhdistamoilla. Typpioksiduulin määrä kasvoi pH: laskiessa. Tutkijat pohtivat, että N2O:n syntyyn saattoi olla syynä kemiallinen reaktio, johon tarvitaan NH2OH:ta rautaa katalyyttina. Mutta he eivät löytäneet tukea kirjallisuudesta ilmiölle, joten pitävät todennäköisempänä N2O:n synnylle AOB:n toimintaa eikä kemiallista reaktiota. (Udert et., 2005) 24 Autotrofiset hapettajabakteerit (AOB) pystyvät tuottamaan N2O:ta nitrifikaation sivutuotteena, kun ne hapettavat ammoniakkia nitriitiksi täysin ilmastetuissa olosuhteissa, joissa happea on riittävästi. Tällaisissa oloissa syntyvän N2O:n määrä on verrannollinen ammoniakin määrään, koska tietty osa ammoniakista muodostaa nitriittiä jatkuvasti. (Colliver, 2000) Autotrofisten bakteerien eli AOB:n lisäksi on olemassa heterotrofisia nitrifioivia bakteereja, jotka pystyvät hapettamaan ammoniumin. Niiden rooli ei ole kovinkaan suuri, jos olosuhteet eivät ole niille sopivat. Heterotrofien toiminta on autotrofisten bakteerien toimintaa vilkkaampaa, kun prosessissa on korkea orgaaninen kuorma (COD/N>10) ja vain vähän liuennutta happea. (Van Niel et al., 1993, viitannut Kampschreur, 2009). Vaikka nämä bakteerit eivät ole merkittäviä tekijöitä jätevedenpuhdistusprosessissa, niiden rooli typpioksiduulin tuottajana täytyy huomioida. Anderson et al. (1993) tutkivat laboratoriossa autotrofisia ja heterotrofisia nitrifioijia. Heidän tuloksiensa mukaan heterotrofiset bakteerit tuottivat enemmän typpioksiduulia nitrifikaatiossa kuin autotrofiset. Tallec osoitti vuonna 2006, että nitrifioijien denitrifikaatio aiheuttaa 58–83 prosenttia N2O:n synnystä nitrifikaatio-oloissa. Jotkut bakteerit pystyvät denitrifioimaan hapellisissa oloissa. Tätä kutsutaan aerobiseksi denitrifikaatioksi (Robertson et al., 1995). Aerobisen denitrifikaation ja nitrifioijien denitrifikaation ei pitäisi olla normaalissa jätevedenpuhdistusprosessissa niin suuressa roolissa kuin heterotrofinen denitrifikaatio, sillä olosuhteet pyritään saamaan heterotrofiselle denitrifikaatiolle otolliseksi. Silti aerobinen denitrifikaation ja nitrifioijien denitrifikaatio tuottavat enemmän typpioksiduulia suhteessa muuttuneeseen typpeen kuin anoksinen heterotrofinen denitrifikaatio. (Otte and Grobben, 1996; Colliver 2000,) On mahdollista, että denitrifikaatiobakteerit voivat N2O:n tuottamisen lisäksi käyttää sitä hyväkseen ja näin vähentää sen kokonaismäärää. Park et al. (2006) huomasivat vuonna 2006 tehtyjen laboratoriotutkimusten aikana, kun reaktoriin, jossa vaihtelivat anoksiset ja aerobiset olot, lisättiin denitrifikaatiobakteereja, muodostui puolet vähemmän N2O:ta kuin 25 vertailureaktorissa, johon bakteereja ei ollut lisätty. Tutkijat olettivat lisättyjen denitrifikaatiobakteerien vähentävän N2O:n määrää. Strous. et al. ja Smidt et al., joihin Kartal et al (2007) viittaa artikkelissaan, ovat osoittaneet mittauksissaan, että anammox-prosessin aikana vapautuu typpioksiduulia. On vielä kuitenkin epäselvää, syntyykö anammoxissa N2O:ta anammox-bakteerien toimesta vai muiden organismien. Oletus on, että N2O:n muodostumista ei tapahdu anammox-bakteerien metabolian kautta. 3.4 Ainekset typpioksiduulin muodostumiseen Tässä kappaleessa esitellään ainekset, jotka bakteerit tarvitsevat muodostaakseen typpioksiduulia. Tärkeimmät niistä ovat nitriitit ja happi. Nitrifikaatiossa liian vähäinen hapen määrä aiheuttaa typpioksiduulin muodostumista ja denitrifikaatiossa happea ei pitäisi olla paikalla, jos halutaan, ettei typpioksiduulia syntyisi. Denitrifikaatiossa saatavilla täytyy olla hiiltä, jotta denitrifikaatio onnistuisi typpikaasun muodostumisen minimoinnin kannalta. Hiilen puute voi aiheuttaa N2O-päästöjä. Kuvassa 9 on esitelty, mitä aineksia nitrifikaatio ja denitrifikaatio vaativat, että typpioksiduulia voisi muodostua. Kuva 9 Ainekset, joita tarvitaan N2O:n muodostumiseen nitrifikaatiossa ja denitrifikaatiossa (Kampschreur, 2009; kuvaa muokattu) 26 3.4.1 Happi Liuennut happi (DO) vaikuttaa typpioksiduulin syntymiseen sekä hapellisissa että hapettomissa oloissa eli nitrifikaation ja denitrifikaation kautta. (Kimochi, 1998). Liuenneen hapen määrä on hyvin merkittävä tekijä, kun halutaan kontrolloida N2O:n syntyä nitrifikaatiossa (Kampschreur, 2008b; Tallec, 2006 ; Zheng et al., 1994), sillä liian vähäinen happi aiheuttaa typpioksiduulin kertymistä. Tallec sai selville kokeissan vuonna 2006, että nitrifikaatiossa optimaalisin happimäärä maksimaalisen typpioksiduulin määrän syntyä varten on noin 1mg/l. Vähähappiset olot 0,1-2,0 mgo/l nitrifikaatiossa aiheuttavat N2O-päästöjä. Tallec suoritti kokeensa laboratoriossa panoskokeilla jätevedenpuhdistamon aktiivilietteellä. (Tallec, 2006). Nitrifikaation onnistumisen kannalta ja sitä kautta N2O:n muodostumisen minimoinnin takia, riittävä happipitoisuus on saavutettava hapellisessa osassa jätevedenpuhdistusprosessia. Toisaalta kun happea on riittävä määrä, ei sen lisääminen vähennä N2O:n muodostumista. Vuonna 1994 Zheng et al. mittasivat eri happipitoisuuksien vaikutusta typpioksiduulin muodostumiseen nitrifikaatiossa. Heidän tuloksistaan voidaan huomata, että 1,7 mg/l määrä happea on käännekohta typpioksiduulin muodostumiselle. Vaikka DO-pitoisuutta nostaisi 1,7 mg/l:sta, ei typpioksiduulin määrä vähenny. Alle 1,7 mg/l happipitoisuuksilla typpioksiduulia muodostui 15–22 mg/l, kun taas yli 1,7 mg/l pitoisuuksilla N2O:n määrä vakiintui pitoisuuteen 10mg/l. Saman tulokseen on päätynyt Tallec omien tutkimustensa perusteella. Kuvassa 10 on esitetty Zheng et al.:n ja Tallecin tulokset happipitoisuuden vaikutuksesta nitrifikaatiossa muodostuvan N2O:n määrään. Molempien tuloksista näkee sen että, kun happea on noin 2 mg/l, ei N2O:n määrä muutu, vaikka happipitoisuus kasvaa. 27 Kuva 10 Happipitoisuuden vaikutus N2O:n syntyyn nitrifikaatiossa (Tallec, 2006; Zheng et al., 1994) Liiallinen hapen lisääminen prosessiin ei ole vain turhaa vaan myös haitallista, jos asiaa tarkastellaan N2O:n synnyn ehkäisyn kannalta. Happea ei saa päästää liikaa nitrifikaatioon. Jos happea on liikaa, bakteerit eivät pysty käyttämään kaikkea, ja sitä joutuu prosessissa osiin, jossa happea ei saisi olla. Anoksisiin oloihin joutuessaan happi häiritsee denitrifikaatiota, ja N2O:ta pääsee syntymään. (Otte et Grobben, 1996). Vuonna 2007 Tallec tutki happipitoisuuden vaikutusta N2O:n syntyyn anoksissa ja vähähappisissa oloissa. Kokeet tehtiin laboratoriossa panoskokeilla jäteveden aktiivilietteillä. Korkein N2O-pitoisuus havaittiin, kun happea oli noin 0,3 mg/l. Hapen määrän ollessa alle 0,3 mg/l heterotrofiset denitrifioijat olivat suurin bakteeriryhmä, joka N2O:ta muodosti. Kun happipitoisuus oli korkeampi (0,4-1,1 mg/l) ne muodostivat 40 prosenttia N2O:sta. Tämän lisäksi autotrofisten nitrifioijien denitrifikaatio oli muodostamassa N2O:ta. (Tallec, 2007) 3.4.2 Nitriitti Prosessissa olevan nitriitin määrä vaikuttaa typpioksiduulin syntyyn sekä denitrifikaatiossa että nitrifikaatiossa. Nitriitti häiritsee denitrifikaatiota, mikä aiheuttaa sen, että denitrifikaatio ei etene toivotulla tavalla. Typpikaasun sijasta muodostuu N2Ota. (Schulltess, 1995). Nitriittiä voi denitrifikaatioon päästä nitrifikaatiosta. Nitrifikaatiossa, joka ei toimi kunnolla, nitriittiä syntyy nitraatin sijasta. (Park, 2009). Biologinen typenpoisto on herkkä prosessi, jossa edellinen vaihe vaikuttaa seuraavaan. 28 Tallec et al. huomasivat tutkimuksissaan, että N2O:n tuotto nitrifikaatiosta kahdeksankertaistui, kun tehtiin nitriitin lisäys. Happipitoisuus oli 1 mg/l. (Tallec,2006) Nitriitti häiritsee AOB-ryhmän normaalia toimintaa, mikä johtaa N2O:n syntyyn. Kuvassa 11 on Kampschreur et al:n tuloksia vuodelta 2008. Tulokset on saatu laboratorio-oloissa. Nitriittin lisääminen aiheutti typpioksiduulin päästön lisääntymistä. Nitriittipulsseja oli kaksi. Molempien aiheuttama N2O:n pitoisuuden nousu on havaittavissa kuvassa 11. (Kampschreur, 2008b) Kuva 11 NO2:n lisäyksen vaikutus N2O:n muodostumiselle nitrifikaatiossa (Kampschreur, 2008b) 3.4.3 COD/N Orgaanisen hiilen saannin rajoittamisen tiedetään lisäävän N2O-päästöjä denitrifikaatiossa. (Schulthess and Gujer, 1996) Tämä voi olla pääasiallisin syy denitrifikaatiossa tapahtuvaan 29 N2O:n syntyyn. (Giraldo, 2009) Schalk-Otte et al. tutkivat puhtaalla viljelmällä vuonna 2000, että typpioksiduulia alkoi kerääntyi heti, kun orgaanisen hiilen määrää rajoitettiin. Jopa 32–64 prosenttia typpikuormasta vapautui N2O:na, kun orgaanista hiiltä oli tarjolla rajoitetusti. Kun hiiltä oli tarjolla, N2O:n osuus typpikuormasta oli 1,8–18,5 prosenttia. (Schalk-Otte, 2000) Hanaki et al. (1992) tutkivat eri COD:n ja typen suhteilla typpioksiduulin vapautumista. Heidän tuloksien mukaan mitä vähemmän COD:ta oli suhteessa typen määrään, sitä suurempi osa typestä vapautui N 2O:na. Pienin heidän käyttämänsä suhde oli 1,5, joka aiheutti sen, että 10 prosenttia typpikuormasta vapautui N2O:na. (Hanaki et al., 1992 viitannut Kampschreur, 2009). On tärkeää, että hiilipitoisuus denitrifikaatiossa on tarpeeksi suuri, sillä se vaikuttaa myös nitrifikaatiossa tapahtuvaan N2O:n syntyyn. Tarpeeksi korkea hiilipitoisuus takaa sen, että NO2- ja NO3- -pitoisuus pysyy matalana denitrifikaatiossa, joten niiden pitoisuudet pysyvät hillittyinä myös nitrifikaatiossa. (Park, 2000). Liian korkea hiilipitoisuus aktivoi heterotrofisen nitrifikaation, mikä voi olla merkittävä tekijä typpioksiduulin muodostumisessa jätevedenpuhdistusprosessissa, kuten kappaleessa 3.3 todetaan. (Van Niel et al., 1993 viitannut Kampschreur, 2009; Anderson, 1993). 30 3.5 Olosuhteet typpioksiduulin synnylle Kolmas ja viimeinen luku käsittelee typpioksiduulin syntymekanismi ja tuo esille olosuhteita, jotka edesauttavat typpioksiduulin syntyä. Nämä olosuhteet eivät itsessään aiheuta N2O:n syntyä, mutta niiden esiintyessä on mahdollista, että N2O:ta muodostuu. Olosuhteet aiheuttavat nitriitin määrän kasvua, epäsopivan happipitoisuuden ja väärän hiilen ja typen suhteen. Kuva 12 Tekijät, jotka mahdollistavat olosuhteet N2O:n synnylle nitrifikaatiossa ja denitrifikaatiossa (Kampschreur, 2009) 3.5.1 Yleisiä tekijöitä Moni prosessitekninen tekijä voi vaikuttaa siihen, että nitrifikaatio ja denitrifikaatio jäävät nitriittivaiheeseen. Näitä ovat mm. happipitoisuus ja matala COD/N suhde. Happi- ja nitraattipitoisuuteen nitrifikaatiossa vaikuttavat tekijät laitoksella on esitelty kuvassa 12 nitrifikaatiolohkon alapuolella. Nämä tekijät edistävät nitriitin syntyä tai heikentävät happitilannetta, mikä mahdollistaa typpioksiduulin muodostumisen. Riittämätön ilmastus ja korkea orgaaninen kuorma voivat johtaa matalaan happipitoisuuteen. Korkean nitriittipitoisuuden voivat aiheuttaa riittämätön ilmastus, lyhyt viipymäaika, myrkylliset yhdisteet, matala lämpötila ja korkea ammoniumpitoisuus. Kuvassa 12 esitellään myös denitrifikaatioon vaikuttavat tekijät, jotka edesauttavat N2O:n muodostumista. Happea 31 denitrifikaation voi joutua, jos nitrifikaatiolohkoa yli-ilmastetaan. Nitriittiä voi päätyä denitrifikaatio-osaan nitrifikaatiosta tai tarjolla ei ole tarpeeksi hiiltä. Matala COD/N voi johtua tulovirtauksen laadusta tai liian tehokkaasta esiselkeytyksestä. (Kampschreur, 2009) Zheng et al. osoittivat vuonna 1994, että epätäydellinen nitrifikaatio lyhyen viipymäajan ja alhaisen happipitoisuuden takia aiheutti sen, että kaikki NH4-typpi ei ehtinyt hapettua tai nitriittiä pääsi syntymään. Tästä seurasi typpioksiduulin syntyä. Alle viiden päivän viipymä (SRT) aiheutti suurimman N2O-päästön. Kun SRT oli yli 10 päivää, niin N2O:n määrä väheni. (Zheng et al., 1994). Myös erilaiset myrkylliset yhdisteet voivat aiheuttaa nitriitin syntyä nitrifikaatiossa. Yhdisteet inhiboivat organismeja, jolloin ne eivät pysty normaalisti nitrifioimaan ja denitrifioimaan. Tämä aiheuttaa ei-toivottuja lopputuotteita. Inhibointi voi myös lamauttaa kokonaan organismien toiminnan. Rikkivety on jätevesissä esiintyvä yhdiste, joka toimii inhibiittorina denitrifikaatiossa. Rikkivedyn on havaittu aiheuttavan suuria määriä typpioksiduulia typpikaasun sijasta (Sørensen, 1980). Muita inhibiittoreita on mm. asetyyliini ja syanidit. (Zumft, 1997) Gejlsbjerg et al. (1998) testasivat, miten lämpötila vaikutti N2O:n muodostumiseen jätevedenpuhdistuslaitokselta otettuissa aktiivilietenäytteissä. Heidän tuloksien mukaan N2O:n määrä kolminkertaistui hapellisissa oloissa, kun lämpötila nousi 15 oC:sta 23oC:een. Tähän syynä saattoi olla lämpötilan aiheuttama nitriitin määrän kasvu. Lämpötilan nousu mahdollistaa tehokkaamman ammoniakin hapettumisen, mutta ei kuitenkaan johtanut yhtä tehokkaaseen nitriitin hapettumiseen tai nitraatin pelkistymiseen. Nitriitin ja nitraatin määrä saattoi todellisuudessa olla syy typpioksiduulin määrä lisääntymiselle. (Gejlsbjer et al., 1998). Jos nitriitin kerääntyminen on kriittinen tekijä denitrifikaatiossa ja nitrifikaatiossa N2O:n synnyn kannalta, voi lämpötilan nousu olla sitä kautta yksi tekijä typpioksiduulin muodostumisessa. (Giraldo, 2009) Suoraa vaikutusta N2O:n määrän kasvuun lämpötilalla ei kuitenkaan ole. Czepiel et al.:n laitosolosuhteissa tehtyjen mittausten mukaan lämpötilan vaihtelu 12 ja 20 oC:n välillä ei korreloinut vahvasti N2O:n päästöjen määrän kanssa. (Czepiel, 1995). 32 Denitrifikaatiossa lämpötilalla Maaperätutkimuksissa on voi olla havaittu suora selvästi, vaikutus että N2O-päästöjen lämpötilan syntyyn. aleneminen lisää typpioksiduulin tuotantoa denitrifikaatiossa. (Holtan-Hartwig, 2002) Tallect tutki Pariisin jätevedenpuhdistamon aktiivilietteitä laboratoriossa. Hän piti mahdollisena, että keväällä ja talvella anoksissa oloissa alhaisen lämpötilan takia puhdistamoilta vapautuisi korkeampia määriä N2O:ta kuin lämpiminä kuukausina. (Tallec, 2008) Lisäksi liian alhaisen pH:n on huomattu lisäävän N2O:n määrän kasvua. Alle 6,8 oleva pH lisäsi N2O:n määrää Thoernin tutkimusten mukaan. (Thoern, 1996). On mahdollista, että pH:lla voisi olla rooli N2O:n tuotannossa. Koska laitoksilla pH Suomessa pidetään 7 ja 8 välillä, niin sen vaikutus ei pääse normaalioloissa esille jätevedenpuhdistamoilla. Gejlsbjerg et al. havaitsivat, että altaan pinta-alalla verrattuna sen tilavuuteen on merkitys sille kuinka hyvin typpioksiduuli pääsee vapautumaan. Iso pinta-ala suhteessa tilavuuteen aiheuttaa korkeamman N2O-päästön kuin pienempi pinta-ala. Gejlsbjerg et al. (1998) tekivät kokeensa laboratoriossa pienillä näytemäärillä. 3.5.2 Nopea muutos hapen määrässä Useat tutkimukset ovat jätevedenpuhdistamolla osoittaneet, aiheuttavat että nopeasti typpioksiduulin muuttuvat määrän prosessiolosuhteet kohoamista. Tällaisia muutoksia voivat olla hapen määrän nopea muutos (Kampschreur, 2008b; Otte et Grobben 1996), nitriitin (Tallect, 2006) tai ammoniumin (Burgess, 2002) kuormituksen nopea kasvu. Luultavasti bakteerin metabolia vaatii aikaa tottua uuteen ympäristöön, ja tämän stressitilan aikana ne tuottavat suuren määrän N2O:ta. (Kampschreur 2009) Hapen määrän rajoittaminen näkyy heti nitrifikaatiossa N 2O:n määrän lisääntymisenä. Kampschreur et al. korvasivat laboratorio-oloissa vuonna 2008 nitrifikaatiossa hapen typpikaasulla. Tämä aiheutti nopeasti N2O:n määrän viisinkertaistumisen, kun happipitoisuus alkoi laskea. Kun hapen määrää lisättiin, näkyi tämä myös välittömästi typpioksiduulin määrän vähentymisenä. (Kampschreur, 2008b) Kuvasta 13 voidaan nähdä miten ilmastuksen määrän kasvattaminen ja vähentäminen nostaa ja laskee typpioksiduulin määrää samassa tahdissa. Tulokset ovat peräisin Otten et Grobben laboratoriossa puhtaalla 33 viljelmällä tehdyistä tutkimuksista vuonna 1996. (Otte and Grobben, 1996) Altaassa syntyvän N2O:n määrässä näkyy nopeasti, jos jokin on prosessissa huonosti eikä typen poisto toimi toivotulla tavalla. Tutkimuksissa on mietitty, että mittaamalla jatkuvatoimisesti N2O-kaasua laitoksilla, pystyttäisiin nopeasti reagoimaan, jos nitrifikaatiossa ilmenee hapen puutetta tai laitokselle on tullut suuri ammoniakkikuorma. N 2O-kaasun määrä kertoisi, miten hyvin typenpoistoprosessi toimii. (Sivret 2008; Burgess, 2002b) Kuva 13 Happipitoisuuden äkillisen vaihtelun näkyminen N2O:n muodostumisessa (Otte et Grobben, 1996) Kampschreur havaitsi, että N2O akkumuloituu nestefaasiin ilmastamattomilla jaksoilla. Näillä jaksoilla liuenneen hapen konsentraatio pieneni, ja kaasun strippautumista ei havaittu. Jäteveden lisääminen ei aiheuttanut N2O:n kertymistä. Tämä viittaa siihen, että N2O:n kertyminen ei riippunut orgaanisesta hiilestä. (Kampschreur, 2008a) Kampschreur spekuloi, että ilmastuksen alussa tapahtunut N2O:n lisääntynyt päästö aiheutui edellä tapahtuneesta kertymisestä. Ilmastuksen jatkuessa N2O-emissio pieneni. Tämän saman ilmiön havaitsi tutkimuksissaan Park vuonna 2000. (Park, 2000) N2O on 20 kertaa liukoisempi veteen kuin typpikaasu, joten voi olla hyvin mahdollista, että se pysyy liukoisessa muodossa anoksisissa lohkoissa ja vapautuu ilmastuksen alkaessa. (Giraldo, 2009). 34 Parkin ja Kampschreurin saamien tulosten kanssa ristiriidassa ovat taulukossa 3 esitetyt tulokset, jotka ovat peräisin Yhdysvalloissa vuonna 2009 Ahn et al. tekemästä tutkimuksesta. Taulukossa oranssilla pohjalla on N2O:n määrän vapautuminen eri lohkoissa ilmastusaltaalla. Vihreällä pohjalla on N2O:n määrä liuenneena nestefaasiin. Suurin määrä typpioksiduulia vapautui toisesta aerobisesta lohkosta. Samaan aikaan eniten N2O:ta oli nestefaasissa samaisessa lohkossa ja vähiten anoksisessa lohkossa. Ilmastetuissa lohkoissa tutkimuksessa oli happipitoisuus molemmissa yli 2 mg/l. Toisessa aerobisessa lohkossa hapen määrä oli kaksinkertainen verrattuna ensimmäiseen, myös N2O määrä oli yli kaksinkertainen toisessa aerobisessa lohkossa. (Ahn et al., 2009) Taulukko 3 Tuloksia N2O-pitoisuudesta ilmastusaltaan eri lohkoista (Ahn et al., 2009) lohko 3 (aerobinen) lohko 2 (aerobinen) lohko 1 (anoksinen) 1,5 + 0,71 11,5 + 4,95 14 nitriitti (ppm-N) 0 0,003 + 0,001 0,002 + 0,003 nitraatti (ppm-N) 10,15 + 0,21 2,65 + 0,35 0,85 + 0,07 DO (mg/l) 4,2 2,3 0,1 pH 7,1 7,12 7,02 lämpötila (oC) 29,5 29,3 29,1 572,55 22,8 + 0,67 192,16 16,47 + 0,27 54,9 1,46 + 0,14 ammonia (ppm-N) N2O neste (ppb-N2O) N2O kaasu (ppb-N2O) 35 4 Tutkimuskohteet 4.1 Laitosten koko ja toiminta Tutkimuskohteena oli kuusi jätevedenpuhdistamoa Uudellamaalla. Kolme puhdistamoista oli sisälaitoksia ja kolme ulkona. Suurin sisälaitoksista on Helsingin Viikinmäessä sijaitseva laitos ja suurin ulkolaitos on Suomenojan puhdistamo Espoossa. Pienimmät laitokset, jotka käsittelevät alle miljoonan kuution verran vuodessa, olivat sisälaitos Nummelassa ja ulkoaltainen Lohja. Porvoo on ulkolaitos ja Orimattilan prosessi on sisätilassa. Taulukossa 4 on järjestyksessä puhdistamot suurimmasta pienempään virtaaman mukaan. Puhdistamolle tuleva kokonaistyppimäärä ja sen puhdistustulos on myös esitetty taulukossa. Kaikki tiedot ovat vuodelta 2011, jolloin laitoksilla suoritettiin mittaukset. Taulukko 4 Puhdistamoiden virtaama ja kokonaistyppi vuonna 2011 (VAHTI) virtaama [m3/v] kok-N [kg/v] Viikinmäki 102 782 873 4 675 406,00 89,9 Suomenoja 36 460 891 2 180 945 73,4 Porvoo 4 566 577 221 921 55,3 Orimattila 1 159 979 64 346 69,1 Nummela 895 630 94 050 77,4 3 017 760 135 120 68,5 Lohja puhdistustulos kok-N [%] 4.2 Helsinki, Viikinmäen jätevedenpuhdistamo 4.2.1 Puhdistamolla käsiteltävät jätevedet ja ympäristölupa Helsingin, Vantaan keski- ja itäosien, Keravan, Tuusulan, Järvenpään ja Sipoon asukkaiden eli noin 780 000 ihmisen jätevedet käsitellään Viikinmäen jätevedenpuhdistamolla. Teollisuuden jätevesiä käsiteltävistä vesistä on noin 15 prosenttia. Elintarviketeollisuuden jätevedet sisältävät esimerkiksi alkoholia, meijerituotteita ja lihateollisuudesta syntyviä aineita. Sakokaivo- ja raakalietettä tulee Karkkilan jätevedenpuhdistamolta. HelsinkiVantaan lentokenttäalueelta puhdistamolle tulee jään torjunnassa käytettyä glykolivettä. 36 Viikinmäen ympäristölupaehtojen mukainen puhdistusvaatimus käsitellyille jätevesille on esitetty taulukossa 5. Tiedot ovat peräisin laitoksen vuoden 2006 ympäristöluvasta. Typen osalta vaatimuksen täytyy toteutua vuosikeskiarvona ja muiden vaatimusten osalta neljännesvuosikeskiarvona. Taulukossa 6 on esitetty Viikinmäen puhdistustulos vuosilta 2009–2011. (Länsi-Suomen ympäristölupavirasto, 2004) Taulukko 5 Viikinmäen ympäristölupavaatimukset(Länsi-Suomen ympäristölupavirasto, 2004) Päästösuure enimmäispitoisuus mg/l vähimmäisteho % CODCr BOD7ATU Fosfori Typpi Kiintoaine 75 10 0,30 15 80 95 95 70 - Taulukko 6 Viikinmäen puhdistustulos vuosilta 2009-2011 (VAHTI) vuosi 2009 2010 2011 kokonaistyppi,% 90,8 86,0 89,6 kokonaisfosfori, % 96,7 95,6 96,8 BOD7ATU, % 97,2 95,6 97,6 CODCr, % 92,1 93,3 92,4 4.2.2 Prosessi Viikinmäen puhdistamo sijaitsee pääosin kallion sisällä. Prosessi koostuu rinnakkaissaostuksesta, denitrifikaatio-nitrifikaatiosta ja biologisesta suodatuksesta. Linjoja on kahdeksan. Laitoksen prosessikaavio on liitteessä 1. Ilmastusallas ja jälkiselkeytys on merkitty kuvaan. Biologinen typen poisto tapahtuu ilmastusaltaissa, jotka ovat U-muotoisia tulppavirtausaltaita. Jäteveden sisältämä ammonium-typpi nitrifioidaan nitraattitypeksi ja sen jälkeen nitraatti pelkistetään typpikaasuksi. Lohkoja ilmastusaltaalla on kuusi ja kolme viimeistä lohkoa (4-6) on aina ilmastettuja. Ilmastusaltaan alussa olevassa sekoitustilassa (lohko 0) jäteveteen sekoitetaan jälkiselkeytyksestä tulevaa palautuslietettä ja kaasunpoistoaltaasta johdettavaa kierrätyslietettä. Lohkoissa 1-3 vaihtelevat anoksiset ja hapelliset olot ajotavan mukaan. Ilmastettujen lohkojen määrä määräytyy jatkuvatoimisesti ilmastuksesta lähtevän ammoniumtyppipitoisuuden analysoivien mittareiden antaman 37 tiedon perusteella. Ilmastimet ovat pohjaan asennettuja kumikalvoilmastimia. (Kangas, 2004) Ilmanvaihto ilmastusaltaille on hoidettu niin, että ilma tilaan tulee jälkiselkeytysaltaiden tilasta Ilmastuksen jälkeen vesi johdetaan kaasunpoistoaltaaseen, joka on ilmastettu. Jälkiselkeytyksessä on linjakohtaisesti kaksi erillistä suorakaiteen muotoista allasta. Jälkiselkeyttimet ovat tyypiltään vaakaselkeyttimiä, joissa poistokourut on sijoitettu molempiin päihin. Jätevesi tulee selkeytysaltaan keskikohdalle lietetaskun yläpuolelle. Altaiden pohjalle laskeutunut liete siirretään ketjukaapimien avulla altaan keskellä olevaan lietetaskuun. Jälkiselkeytyksestä vesi johdetaan biologiseen suodatukseen, jossa denitrifikaatiobakteerien toimintaa tehostetaan metanolia lisäämällä, jotta bakteerien käytössä on riittävästi orgaanista hiiltä. Puhdistettu vesi johdetaan purkuputkea pitkin Suomenlahteen kahdeksan kilometrin päähän rannikosta (Kangas, 2004) 4.3 Vihti, Nummelan jätevedenpuhdistamo 4.3.1 Puhdistamossa käsiteltävät jätevedet ja ympäristölupa Puhdistamossa käsitellään Vihdin kunnan Nummelan, Ojakkalan ja Otalammen alueiden yhdyskuntajätevedet. Kunnan haja-asutusalueilta puhdistamolle tulee sakokaivolietteitä ja umpisäiliöjätevesiä. Vihdin kirkonkylän puhdistamon liete käsitellään Nummelan laitoksella. Teollisuus- ja muiden talousjätevesien osuus puhdistamolla käsitellyistä vesistä on noin 10 prosenttia. Puhdistamon ympäristölupa on vuodelta 2007, ja taulukosta 7 löytyvät luvan sallimat rajaarvot, jotka puhdistamon täytyy saavuttaa neljännesvuosikeskiarvona muiden kuin kokonaistypen osalta. Kokonaistypen määrää tarkastellaan vuosikeskiarvona. 31.12.2009 asti puhdistamon käytön tavoitteena oli kokonaistypen osalta 70 prosenttia. 1.1.2010 jälkeen 70 prosentin puhdistusteho kokonaistypelle on vaatimus. Taulukossa 8 on esitetty puhdistamon puhdistustulos vuosilta 2009–2011. Länsi-Suomen ympäristölupavirasto, 2007a) 38 Taulukko 7 Nummelan ympäristölupavaatimukset (Länsi-Suomen ympäristölupavirasto, 2007a) Päästösuure enimmäispitoisuus mg/l vähimmäisteho % CODCr BOD7ATU Fosfori Ammoniumtyppi 50 10 0,30 4 - 90 95 95 95 70 Kokonaistyppi Taulukko 8 Nummelan puhdistustulos vuosilta 2009-2011 (VAHTI) vuosi 2009 2010 2011 kokonaistyppi,% 65,9 72,6 77,4 kokonaisfosfori, % 99,6 99,4 99,6 BOD7ATU, % 99,5 99,3 99,5 CODCr, % 97,8 97,2 97,6 4.3.2 Prosessi Puhdistamo on sisälaitos, ja sen prosessikaavio on liitteessä 2. Liitteeseen on merkattu prosessin osat, joissa mittauksia suoritettiin. Aktiivilieteprosessi koostuu kolmesta suorakaidealtaasta, jotka on jaettu kuuteen lohkoon periaatteella: D-D/N-N-N-N-D. Ilmastus tapahtuu kumikalvohienokuplapohjailmastimilla. Ilman määrää säädetään ilmastuslohkoissa olevien happimittarien perustella. Ensimmäistä denitrifikaatiolohkoa voidaan myös ilmastaa sinne laskettavalla turbiini-ilmastimella eli OKI-ilmastimella. Kierrätyslietettä ensimmäiseen lohkoon saadaan viimeisestä lohkosta. Ylijäämäliete lietekäsittelyyn otetaan ilmastuksesta halutun lieteiän mukaisesti. Denitrifikaation tehostamiseksi ensimmäiseen lohkoon syötetään metanolia, sen määrää voidaan muuttaa manuaalisesti lähtevän veden ammoniumtyppipitoisuuden mukaisesti. Ennen kuin vesi jakautuu kolmeen eri suorakaiteen muotoiseen jälkiselkeytysaltaaseen, siihen lisätään polymeeri. Jälkiselkeytysaltaissa on ketjukaapimet. Laskeutettua lietettä pumpataan uppopumpuilla palautuslietteenä takaisin ilmastukseen. (Kangas, 2004) 39 4.4 Orimattila, Vääräkosken jätevedenpuhdistamo 4.4.1 Puhdistamolla käsiteltävät jätevedet ja ympäristölupa Puhdistamolla käsitellään Orimattilan kaupungin ja Artjärven kunnan yhdyskuntajätevedet. 20 prosenttia käsitellyistä vesistä on teollisuuden jätevesiä. Puhdistamolle tuodaan umpi- ja sakokaivolietteitä. Laitoksen piiriin liitetyissä kiinteistöissä asuu noin 10 000 asukasta. Taulukossa 9 on esitetty laitoksen ympäristöluvassa määrätyt pitoisuuksien raja-arvot. BOD:ta ja kokonaisfosforia ammoniumtyppeä tarkastellaan vuosikeskiarvona. neljännesvuosikeskiarvona, Vesistöön johdettavan puhdistetun kun taas jäteveden kokonaistyppipitoisuus saa olla enintään 20 mg/l. Jotta kokonaistyppivaatimus on voimassa, täytyy jäteveden lämpötilan prosessissa olla yli 12 °C. Laitoksen tavoitteena on, että kokonaistypen käsittelyteho on vähintään 70 prosenttia. Taulukossa 10 on esitetty puhdistamon puhdistustulos vuosilta 2009–2011. (Itä-Suomen ympäristölupavirasto, 2005) Taulukko 9 Vääräkosken ympäristölupavaatimukset (Itäi-Suomen ympäristölupavirasto, 2005) Päästösuure enimmäispitoisuus mg/l vähimmäisteho % CODCr BOD7ATU Fosfori Ammoniumtyppi Kokonaistyppi Kiintoaine 125 10 0,5 4,0 20 35 75 95 95 95 70* tai 90 * vaatimus, kun veden lämpötila yli 12 °C Taulukko 10 Vääräkosken puhdistustulos vuosilta 2009-2011 (VAHTI) vuosi 2009 2010 2011 kokonaistyppi,% 57,1 58,0 69,1 kokonaisfosfori, % 98,3 97,5 96,0 40 BOD7ATU, % 99,3 98,5 98,7 CODCr, % 96,9 94,4 95,8 4.4.2 Prosessi Suurin osa Vääräkosken puhdistamolle tulevasta jätevedestä esikäsitellään Jokelan pumppaamolla, jossa on välppä, hiekan- ja rasvaerotus ja ilmastettu tasausallas. Vääräkoskella esikäsittelynä on välppäys ja hiekanerotus. Esikäsittelyn jälkeen vesi jakautuu kahteen samanlaiseen linjaan. Linjan aluksi on 5-lohkoinen aktiivilieteallas, jonka kaikki lohkot voidaan ilmastaa. Prosessia pyritään aina ajamaan nitrifioimalla. Ilmastusaltaan jälkeen on väliselkeytysallas. Tämän jälkeen jätevesi käsitellään kemiallisesti kemikaalien lisäysaltaassa, jossa tapahtuu pikasekoitus. Fosforin saostuskemikaalina käytetään Alfkemikaalia. Prosessin viimeinen osa on jälkiselkeytysallas. Puhdistamo on kokonaan katettu. Kaavio prosessista on liitteessä 3 ja siihen on merkattu prosessin osat, joissa on tehty tutkimukseen liittyviä mittauksia. (Itä-Suomen ympäristölupavirasto, 2005) 4.5 Porvoo, Hermanninsaaren jätevedenpuhdistamo 4.5.1 Puhdistamolla käsiteltävät jätevedet ja ympäristölupa Hermanninsaaren puhdistamolla käsitellään Porvoon noin 36 000 asukkaan yhdyskuntajätevedet. Porvoon kaupungin Kerkkoon, Hinthaaran ja Epoon kylätaajamien jätevedet käsitellään erillisissä puhdistamoissa. Lietteitä puhdistamolle tulee 32 000 m3 vuodessa. Puhdistamolle tuleva kuormitus on 70–75 prosenttia mitoituskuormituksesta. Teollisuusvesiä puhdistamolle tulee hyvin vähän. Hermanninsaaren puhdistamon ympäristölupa on vuodelta 2005. Taulukossa 11 on esitetty luvassa annetut raja-arvot aineiden pitoisuuksille ja vähimmäispuhdistusteho. Typen poistoteho lasketaan vuosikeskiarvona muut arvot neljännesvuosikeskiarvona. Taulukossa 12 on esitetty puhdistamon puhdistustulos vuosilta 2009–2011. (Länsi-Suomen ympäristölupavirasto, 2005) 41 Taulukko 11 Hermanninsaaren ympäristölupavaatimukset (Länsi-Suomen ympäristölupavirasto, 2005) Päästösuure enimmäispitoisuus mg/l vähimmäisteho % CODCr BOD7ATU Fosfori Kokonaistyppi Kiintoaine 75 10 0,3 15 85 95 93 70 - Taulukko 12 Hemanninsaaren puhdistustulos vuosilta 2009-2011 (VAHTI) vuosi 2009 2010 2011 kokonaistyppi,% 55,3 73,6 78,4 kokonaisfosfori, % 97,4 96,4 96,2 BOD7ATU, % 98,3 97,0 97,4 CODCr, % 93,4 92,6 93,1 4.5.2 Prosessi Hermanninsaareen 2/3 jätevesistä tulee Porvoon vanhalta puhdistamolta Kokonniemestä. Vanha puhdistamo ei ole enää käytössä , mutta osa altaista on säilytetty tasausaltaina. Tämä mahdollistaa sen, että virtaus Hermanninsaaren puhdistamolla saadaan tasaiseksi ympäri vuorokauden. Laitoksella on kaksi linjaa, joissa prosessin ensimmäinen osa on porrasvälppäys. Välppäyskanavassa jäteveteen lisätään ferrosulfaatti. Välppäyksen jälkeen tulee hiekanerotus ja esi-ilmastus. Esiselkeytys tapahtuu kahdessa pyöreässä altaassa, ja se voidaan ohittaa, jos ilmastukseen tarvitaan enemmän hiiltä. Aktiivilieteprosessi on DN-typenpoistoprosessi. Prosessikaavio on liitteessä 4 ja siihen on merkitty ilmastus- ja jälkiselkeytysaltaat. Ilmastusaltaassa on kahdeksan lohkoa, joista kolme ensimmäistä ovat aina ilmastamattomia samoin lohko kahdeksan. Lohkot kuusi ja seitsemän ovat aina ilmastettuja. Lohkoja neljä ja viisi voidaan ilmastaa, kun prosessiolosuhteet sitä vaativat. Ilmastus prosessissa perustuu happimittaukseen, kun taas DN-prosessia ohjataan suunnittelijan eri vuodenajoille suunnitellun ohjeistuksen avulla. Jälkiselkeytysaltaat ovat pyöreitä ja niistä vesi johdetaan purkuviemäriputkea pitkin 42 mereen. Prosessissa altaat esiselkeytyksestä jälkiselkeytykseen sijaitsevat ulkona. (Kangas, 2004) 4.6 Lohja, Pitkäniemen jätevedenpuhdistamo 4.6.1 Puhdistamolla käsiteltävät jätevedet ja ympäristölupa Pitkäniemellä puhdistetaan yli 24 000 asukkaan ja yritystoiminnan jätevesiä. Kunnan viemäriverkon ulkopuolelta puhdistamolle tulee lokajätettä ja pienten puhdistamoiden lietteitä naapurikunnista. Hulevesiä vuoden sateisina aikoina tulee huomattavia määriä. Pitkäniemen puhdistamolla käsitellään Munkkaan jätekeskuksen kaatopaikkavesiä noin 600 m3/d. Pitkäniemen ympäristölupa on vuodelta 2002, ja typenpoistoa koskeva numeerinen lupaehto on tullut voimaan 1.1.2007. BOD:n ja fosforin luparajat ovat neljännesvuosikeskiarvoja. Typenpoistotehoa tarkastellaan vuosikeskiarvona. Keskiarvoja laskettaessa on huomioitava mahdolliset häiriöt ja ohijuoksutukset. Taulukossa 13 on Pitkäniemen lupaehdot, ja taulukossa 14 esitellään laitoksen puhdistustulos viimeisen kolmen vuoden ajalta. (Valtonen, 2010) Taulukko 13 Pitkäniemen ympäristölupavaatimukset (Valtonen, 2010) Päästösuure enimmäispitoisuus mg/l vähimmäisteho % CODCr BOD7 Kiintoaine Fosfori 125 30 35 2 75 70 90 tai 80 Typpi 15 tai 70 Taulukko 14 Pitkäniemen puhdistustulos vuosilta 2009-2011 (VAHTI) vuosi 2009 2010 2011 kokonaistyppi,% 70,5 74,8 68,5 kokonaisfosfori, % 97,6 97,6 97,7 43 BOD7ATU, % 98,6 97,9 98,3 CODCr, % 94,5 93,6 94,7 4.6.2 Prosessi Pitkäniemen puhdistamon hiekanerotus-, aktiiviliete-, esiselkeytys- ja jälkiselkeytysaltaat ovat ulkona, eikä niitä ole katettu. Puhdistamo on kaksilinjainen biologis-kemiallinen aktiivilietelaitos. Prosessi on DND-prosessi, jossa anoksisen vyöhykkeen osuus ilmastustilavuudesta voi vaihdella välillä 11–39 prosenttia. Aktiivilietealtaat ovat suorakaiteen muotoisia, ja ilmastetut altaat ovat U-muotoisessa linjassa. Ennen ilmastettua allasta olevaan anoksiseen altaaseen lisätään metanolia. Ilmastus tapahtuu hienokuplapohjailmastimilla, ja hapen määrää säädetään U-altaan loppupuoliskolla olevan happimittauksen avulla. Jälkiselkeytysaltaat ovat pyöreät, ja niissä siltakaavin kerää lietteet altaan keskiosaan. Prosessikaavio on liitteessä 5. (Kangas, 2004) 4.7 Suomenojan jätevedenpuhdistamo 4.7.1 Puhdistamolla käsiteltävät jätevedet ja ympäristölupa Suomenojan puhdistamolla käsitellään jätevesiä Espoosta, Kauniaisista, Vantaan länsiosista ja Kirkkonummelta; yhteensä yli 300 000 asukkaan vedet. Teollisuusvesiä käsiteltävistä vesistä on noin kahdeksan prosenttia. Vuonna 2006 laitoksella oli sopimus jäteveden käsittelystä 29 espoolaisen teollisuusyrityksen kanssa eri aloilta kuten auto, teknokemia ja elintarvikealoilta. Kaatopaikoilta tulevien suotovesien määrä kokonaisvesimäärästä on 2-4 prosenttia. Eniten suotovesiä tulee Ämmässuolta. Sieltä tulevien vesien määrä vuosina 2002–2006 oli keskimäärin 1 150 m3/d. Hule- ja vuotovesiä Suomenojan alueella syntyy paljon suuren asfaltoidun pinta-alamäärän ja saneerausta vaativan viemäriverkoston takia. 30–40 prosenttia käsiteltävistä vesistä on hule- ja vuotovesiä. Tulovirtaama laitoksella saattaa kaksinkertaistua sulamiskaudella ja pitkään jatkuvien rankkasateiden aikana. (LänsiSuomen ympäristölupavirasto, 2007b)) Taulukossa 15 on esitetty puhdistamon ympäristölupavaatimukset. Puhdistamon ympäristölupa on vuodelta 2007, ja taulukossa 16 on esitetty siinä annetut raja-arvot puhdistetun jäteveden pitoisuuksille. Muilta osin pitoisuuksien raja-arvo pitää saavuttaa 44 neljännesvuosittain, paitsi kokonaistyppeä tarkastellaan vuosikeskiarvona. Käytön tavoitteena puhdistamolla on fosforin osalta enintään 0,3 mg/l ja puhdistusteho 95 prosenttia. (lupa). (Länsi-Suomen ympäristölupavirasto, 2004) Taulukko 15 Suomenojan ympäristölupavaatimukset (Länsi-Suomen ympäristölupavirasto, 2007b) Päästösuure enimmäispitoisuus mg/l vähimmäisteho % CODCr BOD7ATU Fosfori Kokonaistyppi 75 10 0,4 - 85 95 93 70 Kiintoaine 15 - Taulukko 16 Suomenojan puhdistustulos vuosilta 2009–2011 (VAHTI) vuosi 2009 2010 2011 kokonaisfosfori, % 96,1 96,2 96,1 kokonaistyppi,% 77,3 74,9 73,8 BOD7ATU, % 97,8 97,9 97,6 CODCr, % 91,6 91,0 91,5 4.7.2 Prosessi Suomenojan jätevedenpuhdistamon prosessi on esidenitrifiointiprosessi, ja fosfori saostetaan kemiallisesti esi/rinnakkaissaostusta käyttäen. Laitoksella on uusi ja vanha puoli, joista uusi on otettu käyttöön vuonna 1997. Linjoja laitoksella on kymmenen, uudella puolella niitä on neljä ja vanhalla kuusi. Ennen kuin puhdistettavaksi tullut vesi jakaantuu uudella ja vanhalle puolelle, sille tehdään karkeavälppäys ja hiekanerotus kahdessa linjassa. Esiselkeytyksestä alkaen prosessin altaat sijaitsevat ulkona. Laitoksen prosessikaavio on liitteessä 6. Kaavioon on merkitty ilmastusallas ja jälkiselkeytys. Biologisessa osassa on uudella puolella neljä aktiivilietelinjaa. Linjalla on kahdeksan osastoa, joista osastot viisi, kuusi ja seitsemän ovat aina ilmastettuja kumikalvohienokuplailmastimilla. Viimeinen osasto on muita pienempi ja ilmastamaton, ja siitä on kierrätys aktiivilietelinjan alkuun, esidenitrifikaatio-osaan. Ilmastettujen ja ilmastamattomien lohkojen määrää säädellään 45 manuaalisesti linjakohtaisten ammoniummittaustulosten perusteella. Toiseen ilmastomattomaan lohkoon lisätään metanolia aktiivilietealtaasta lähtevän veden nitraatin mukaan. Ylijäämäliete poistetaan ilmastusaltaista lieteiän mukaan. Soodaa prosessiin lisätään pH:n säädön takia, ja se laitetaan viidenteen tai kuudenteen lohkoon manuaalisesti säädettynä. Vanhalla puolella aktiivilietealtaat ovat muodoltaan, lohkojaoltaan ja ohjauksiltaan samanlaiset kuin uudella puolella. Jälkiselkeytysaltaat uudella puolella ovat parialtaita, joita erottaa paineenkestävä väliseinä. Liete kerääntyy ketjukaapimien toimesta lietetaskuun keskelle allasta. Vanhalla puolella jälkiselkeytysaltaat ovat suorakaideparialtaita, joissa on ketjukaapimet. (Kangas) Mittaukset tähän työhön liittyen tehtiin laitoksen uudessa osassa. 46 5 Mittausjärjestelyt 5.1 Kaasuanalysaattori Gasmet DX 4000n FTIR Mittauksissa käytettiin Gasmetin kaasuanalysaattoria Gasmet DX 4000n FTIR:ää. Analysaattoria voidaan käyttää erilaisten päästökaasujen pitoisuuksien määrittämiseen. Mahdollisia kaasuja, jota laitteella pystyy mittaamaan, ovat vesihöyry (H2O), hiilidioksidi (CO2), N2O, rikkioksidi (SO2), metaani (CH4), ja erilaiset haihtuvat orgaaniset yhdisteet (VOC). Kuvassa 14 on esitetty laitteistoon kuuluvat pumppuyksikkö (1), analysaattori (2), lämmitettävä letku (3) ja kannettava tietokone (4). Mittaustulokset tallentuvat texttiedostomuodossa yksikössä ppm valitulla aikavälillä. Ohjelmistona toimii Calcmet TM. (Gasmetin kotisivu, 2011) Letkun kautta kaasunäyte imetään analysaattoriin. Kaasunäyte lämpiää letkussa 180oC:een. Pumppuyksikkö ja analysaattori toimivat samassa lämpötilassa. Tällä varmistetaan, että näyte pysyy koko ajan kaasumaisessa muodossa. Koko systeemin lämmittämiseen menee noin puoli tuntia aikaa. Johtoon saa liitettyä 20 metriä pitkän teflonletkun, joka helpottaa mittausten suorittamista isoissa tiloissa, joissa välimatkat mittauspisteiden välillä ovat pitkät. Näin ollen ei laitteistoa tarvitse siirrellä mittauspaikkojen välillä niin usein. Systeemi ei saa imeä sisään nestettä, joten mittausjärjestelyt täytyy hoitaa niin, että sellaista tilannetta ei pääse syntymään. Kuva 14 Kaasuanalysaattori (Gasmetin kotisivu, 2011) 47 5.2 Mittausten suorittaminen Mittauskupuna käytettiin muovista saavia, jonka mitat on esitetty kuvassa 15. Saavi käännettiin ylösalaisin, ja sen pohjaan kiinnitettiin polyuretaanilevy, jonka avulla kupu kellui. Korvausilmaa varten kuvun alalaitaan noin viiden senttimetrin korkeudelle pohjasta porattiin reikä, jonka halkaisija oli kaksi senttimetriä. Gasmetin laitteeseen kuvusta meni 25 metrin pituinen teflonletku. Letkun pituus helpotti mittausten järjestelyjä, sillä varsinkin pienillä laitoksilla pystyi tekemään mittauksia useasta altaasta ilman, että laitteistoa tarvitsi purkaa ja liikutella. Laitteiston lämpötilan täytyy olla mitatessa 180 oC, joten laitteiston sammuttaminen vaati sen uudelleen lämmityksen, tämä vei aikaa 20–40 minuuttia. Teflon letkun pää kuvussa jäi hyvin lähelle saavin pohjaa eli käytännössä kuvun yläreunaa. Tällä haluttiin varmistaa, että letku ei missään olosuhteissa pääsisi imemään vettä, mikä olisi vahingoittanut laitteistoa. Kuva 15 Mittakuvun mitat Ilmastusaltailla puhdistamoilla esiintyi pintalietettä ja ilmastuksessa syntyvää vaahtoa, jotka eivät saaneet missään nimessä kerääntyä kuvun sisälle. Jätevedenpuhdistusprosessi on herkkä muutoksille, jos laitokselle pääsee prosessia sekoittavia aineita tai olosuhteet muuttuvat rajusti, voi pintalietettä muodostua äkillisesti ja paljon. Tämän takia 48 ilmastusaltailla kupu ei kellunut veden pinnalla vaan muutaman senttimetrin korkeudella pinnasta. Vuorokausia kestäviä mittauksia ilmastusaltailla pystyi suorittamaan ilman riskiä siitä, että mahdollisesti syntyvää vaahtoa pääsisi nousemaan kuvun sisälle. Viikinmäessä ilmastusaltaalla ilmastetussa lohkossa 9-10.3. välisenä yönä tangon kiinnitys oli pettänyt, ja kupu kellui veden pinnalla. Vaahto ei ollut noussut kuvussa paljoakaan, joten analysaattori ei vahingoittunut. Jälkiselkeytysaltailla kupu kellui veden pinnalla kuin myös ilmastusaltailla lohkoissa, joita ei ilmastettu. Mittaukset pyrittiin suorittamaan mahdollisimman samalla tavalla joka laitoksella. Suurilla laitoksilla altaiden suuret koot vaikeuttivat arvioimista, kuinka lähelle ilmastusaltaan pintaa kupu jäi roikkumaan. Ilmastusaltailla liian suuri pintalietteen määrä saattoi olla esteenä mittausten suorittamiselle joissakin lohkoissa. Orimattilassa pintalietettä oli paljon talven ja kesän mittausten aikana (kuva 16). Siellä pystyttiin tekemään muutaman tunnin mittaisia koemittauksia parissa ilmastusaltaan osassa. Kuva 16 Pintalietettä Vääräkosken ilmastusaltailla Orimattilassa Jotta kupu pysyi altaassa pakoillaan, se roikkui alumiinisen tangon päässä, joka oli kiinnitetty altaan kaiteeseen. Tanko oli kolme metriä pitkä, joten sen pituus määräsi, mistä kohdasta allasta mittauksen pystyi tekemään. Kuvassa 17 on esitetty, miten tanko 49 kiinnitettiin kaiteeseen ja kupu kellui altaassa. Pienillä laitoksilla tangon kanssa mittauksen pystyi tekemään keskeltä allasta. Suurilla altailla kupu jäi enemmän lähelle reunaa. Yli yön kestävien mittausten paikan valinnassa täytyi ottaa huomioon, että laitteisto ja tanko eivät häirinneet normaalia työskentelyä laitoksella. Mittauksia tehtiin ilmastus- ja jälkiselkeytysaltailla sekä Orimattilassa väliselkeytysaltaassa. Jälkiselkeytysaltailla joissain lohkoissa oli laahain, joka kulki pinnalla. Mittausten ajaksi se täytyi sulkea. Laahainta ei voinut pitää suljettuna kuin korkeintaan tunnin ajan, joten se rajoitti mittausten pituutta. Katetuissa laitoksissa laitteiston pystyi jättämään mittaamaan useiksi vuorokausiksi. Ulkolaitoksilla altailla pystyi tekemään muutaman tunnin kestäviä mittauksia vain kesällä. Ulkoaltailla talven mittajakson aikana ei mittauksia tehty. Laitteistoon kuuluva kannettava tietokone ja analysaattori olivat herkkiä kosteudelle ja lämpötilan vaihtelulle. Talven mittausjakso oli 25.2–32.3.2011 ja kesän 1.6.–1.8.2011. Liitteessä 7 on esitetty tarkemmin mittausaikataulu ja liitteissä 8-13 on esitetty laitosten virtauskaaviot ylhäältä päin. Virtauskaavioihin on merkitty mittauspaikat altaissa. Kuva 17 Mittaus käynnissä Nummelan ilmastusaltaalla 50 5.3 Laitokset mittausten aikana Taulukossa 17 on esitetty, miten laitokset ovat toimineet mittausten aikana. Tulokset ovat peräisin laitosten virallisista velvoitetarkkailuraporteista. Osassa laitoksista tarkkailtiin lähtevän ja tulevan kokonaistypen määrää, osassa ammoniumtypen. Mitä enemmän kokonaistypen tai ammoniumtypen määrä vähenee prosessin aikana, sen paremmin prosessi toimii. NH4-typen määrän kertoo, miten nitrifikaatio on onnistunut. NH4-typpeä jää jäljelle, jos se ei ole ehtinyt muuttaa muotoaan ilmastusaltaan ilmastusosissa. Kaikilla sisälaitoksilla prosessi on toiminut paremmin kesäkuukausien aikana. Taulukko 17 Laitosten toiminta mittausten aikana vuotena 2011 Viikinmäki 10.3. Viikinmäki 8.6. Viikinmäki 27.7. NH4-N tuleva (mg/l) 43 39 35 NH4-N lähtevä (mg/l) 2 1 0,0 Nummela 9.3. Nummela 21.6. Nkok tuleva (mg/l) 81 110 Nkok lähtevä (mg/l) 32 19 NH4-N lähtevä (mg/l) 0,1 0,036 Vääräkoski 15.3 Vääräkoski 24.6. NH4-N tuleva (mg/l) 76 42 NH4-N väliselk. (mg/l) 21 0,12 NH4-N lähtevä (mg/l) 27 5,4 Pitkäniemi 4.7. Nkok tuleva (mg/l) 56 Nkok lähtevä (mg/l) 11 NH4-N lähtevä (mg/l) 0,056 Hermanninsaari vko 48 NH4-N tuleva (mg/l) 45 NH4-N lähtevä (mg/l) 0,03 Suomenoja 20.7. NH4-N tuleva (mg/l) NH4-N lähtevä (mg/l) 51 0,5 51 Vääräkoskella linja 2 toimii paremmin kuin linja 1. Rakenteeltaan ja toiminnoiltaan linjat ovat kuitenkin identtiset. Maaliskuussa 2011 linja 2:n väliselkeytysallas oli remontissa. Allas jouduttiin tyhjentämään, joten lietettä sieltä pumpattiin jälkiselkeytykseen. Ilmastusaltailla oli talvella ja kesällä on paksusti pintalietettä. Talvella mittausten aikana kaksi ensimmäistä allasta oli anoksisia. Kesäkuussa laitoksella oli sähkökatkoksia ja ongelmia raudan saostuskemikaalin syötön kanssa. Kesäkuussa lähtevän veden ammoniumtyppi ylitti ympäristöluvan mukaisen raja-arvon. Nummelan puhdistamolla talvella ja kesällä laitoksella tehtyjen mittausten aikana toinen anoksinen allas oli ilmastettu. Kesän mittausjakson aikana Nummelassa kaikki altaat oli ilmastettuja, denitrifikaatioaltaassa oli Oki-ilmastin. Ilmastusta tehtiin nitrifikaation parantamiseksi, sillä laitoksella täytyy ammoniumtypen raja-arvo alittaa neljännesvuosittain. Keväällä lumien sulamisvedet huonontavat puhdistustulosta, joten toisen vuosineljänneksen ammoniumtyppipitoisuus voi jäädä korkeaksi. 5.4 Mittaukset ja analyysit 5.4.1 Kaasumittaus, vesinäytteet ja tehdyt analyysit Kaasumittausten tarkoituksena oli saada selville, miten N 2O-pitoisuus vaihteli vuorokauden eri aikana ilmastusaltaiden eri lohkoissa ja jälkiselkeytysaltaissa. Tämän takia tehtiin kaikilla sisälaitoksilla useamman vuorokauden pituisia mittauksia ilmastusaltailla ja jälkiselkeytyksessä. Pitkien mittausten lisäksi altaista suoritettiin lyhyitä mittauksia, joilla selvitettiin altaan eri lohkojen ja kohtien N2O-päästöjen eroavaisuuksia. Altailta otettiin lyhyitä noin 30–60 minuutin pituisia mittauksia eri kohdasta. Jotta pitoisuuserot johtuisivat vain mittauspaikasta eikä laitokselle tulevan veden laadun ominaisuuden ajallisesta vaihtelusta, täytyi yhden kohdan mittausajan olla mahdollisimman lyhyt. Jos mittauspaikkojen välimatka oli pitkä ja kuvun siirto kesti kauan tai N 2O-pitoisuudet olivat hyvin erilaiset paikkojen välillä, saattoi kestää 15 minuuttia, että kuvun sisällä kaasut tasoittuivat. Tämä piti huomioida mittauksen alkaessa 52 Taulukossa 18 on esitetty, mitä kaasumittauksia tehtiin talvella ja kesällä mittausten aikana. Taulukossa on myös kerrottu, onko kaasumittaus ollut pitkä vuorokausia kestävä vai lyhyempi, jonka avulla on selvitetty altaan profiilia sen eri osista tai lohkosta. Sisälaitoksilla talven mittaukset pyrittiin toistamaan kesällä, jotta talven ja kesän tuloksia pystyisi vertailemaan keskenään. Ulkolaitosten olosuhteiden takia niillä ei pystynyt tekemään kuin vain lyhyitä mittauksia ilmastus- ja jälkiselkeytysaltailla. Kaikki ulkolaitosten mittaukset tapahtuivat klo 10:00–14:00 välisenä aikana. Taulukossa 18 on esitetty talven ja kesän mittaukset. Taulukkoon on merkattu, jos mittausten tarkoituksena on ollut selvittää jokin erikoinen tilanne laitoksella. Kesällä Nummelassa metanolin syöttö keskeytettiin reiluksi neljäksi tunniksi klo 10:30–15:00. Tällä haluttiin testata, vaikuttaako metanolin syötön keskeyttäminen typpioksiduulin määrän syntyyn. Mittaus tehtiin kohdassa A (liite 9). Samalla laitoksella selvitettiin myös OKI-ilmastimen vaikutusta ilmastusaltaan N2O-päästöihin. Liitteessä 7 on esitetty tarkemmin mittauspaikat ja mittausajankohdat. 53 Taulukko 18 Talven ja kesän mittaukset Talvi laitos Viikinmäki Nummela Vääräkoski prosessiosa mittauksen tarkoitus jälkiselkeytys pitkä mittaus jälkiselkeytysprofiili profiilimittaus ilmastusallas, anox.lohko pitkä mittaus ilmastusallas, ox.lohkot profiilimittaus ilmastusallas, lohko 3 pitkä mittaus ilmastusallas profiilimittaus ilmastusallas, ox.lohko pitkä mittaus ilmastusallas, anox.lohko lyhyt mittaus jälkiselkeytys pitkä mittaus jälkiselkeytys profiilimittaus jälkiselkeytys pitkä mittaus väliselkeytys pitkä mittaus huomiotavaa hetkellinen metanolin syötön katkaisu väliselkeytys profiilimittaus ilmastusallas lyhyt mittaus allas ja mittauskohta tarkoitus jälkiselkeytys pitkä mittaus jälkiselkeytys profiilimittaus ilmastusallas, anox.lohko pitkä mittaus ilmastusallas, lohko 3 pitkä mittaus ilmastusallas, ox.lohko 4 pitkä mittaus ilmastusallas, ox.lohkot profiilimittaus ilmastusallas ox. lohko pitkä mittaus ilmastusallas, "anox.lohko" pitkä mittaus hetkel l i nen meta nol i n s yötön ka tka i s u ilmastusallas, "anox.lohko" lyhyt mittaus Oki -i l ma s ti n poi s pä ä l tä hetkel l i s es ti jälkiselkeytys pitkä mittaus jälkiselkeytys, linja 1, kohta H profiilimittaus jälkiselkeytys pitkä mittaus väliselkeytys pitkä mittaus väliselkeytys profiilimittaus ilmastusallas lyhyt mittaus ilmastusallas, kaikki lohkot profiilimittaus jälkiselkeytys lyhyt mittaus ilmastusallas, anox. ja ox.lohkoja profiilimittaus Kesä laitos Viikinmäki Nummela Vääräkoski Lohja Porvoo Suomenoja jälkiselkeytys lyhyt mittaus ilmastusallas profiilimittaus ilmastusallas profiilimittaus jälkiselkeytys lyhyt mittaus 54 hetkel l i nen ha ppi pi t. l a s kemi nen mi tta uks i a mol emmi l l a l i njoi l l a Mittauspaikalta määritettiin kaaasumittauksen yhteydessä myös pH, lämpötila ja happipitoisuus. Vesinäytteitä otettiin, jotta saataisiin selville typen olomuoto nestefaasissa mittauspaikan kohdalla. Laitoksella heti näytteenoton jälkeen määriteltiin ammoniumtyppi ja myöhemmin laboratoriossa näytteistä määritettiin kokonaistyppi, nitraatti ja nitriittityppi. Näytteitä pyrittiin ottamaan mahdollisimman läheltä mittakupua. Näyte otettiin noin 20–50 cm syvyydellä pinnasta. Otetut näytteet ja niiden ottoajankohdat on listattu mittausaikatauluun liitteessä 7. Näytteenottokohdat on merkattu liitteisiin 8-13 laitosten ylhäältäpäin kuvattuihin virtauskaavioihin. Laitoksilla pystyi suorittamaan mittauksia ja ottamaan näytteitä sinä aikana päivästä, kun laitoksen työntekijät olivat paikalla puhdistamolla eli noin klo 8:00–16:00. Mittauspäivän aikana ehti ottaa 3-5 näytettä. Mittausten aikana kerran käytössä oli automaattinen näytteenotin. Nummelassa 22.–23.3. välisenä yönä ilmastusaltailta toisesta ilmastetusta lohkosta otettiin illan ja yön aikana yhteensä 8 kpl näytteitä, yksi tunnin välein. Näytteet säilytettiin jääkaapissa, ja niistä tehtiin laboratorioanalyysit seuraavana päivänä näytteiden otosta. Loppuviikosta näytteitä ei otettu, sillä niitä ei olisi ehditty analysoida ennen viikonloppua. Osa näytteistä suodatettiin paikan päällä ruiskun tai vesihanan synnyttämän imun avulla. Liitteessä 7 ruiskun avulla suodatetut näytteet on merkattu punaisella. Nummelan puhdistamolla toisessa ilmastetussa lohkossa oli automaattisuodatin Dr Lange Filtrax, jota hyödynnettiin näytteiden suodatuksessa. 5.4.2 Käytetyt analyysit laitoksilla ja laboratoriossa Paikan päällä laitoksella määriteltiin ammoniumtyppi ammoniakkikaasuelektrodilla (Orion Model 290A kuva 18). Kesällä käytössä oli lisäksi Fennolabin WTW nitraattimittari. Altaiden happipitoisuus mitattiin happimittarilla Ysi Model 550A, joka mittasi lisäksi veden lämpötilaa. pH:n määrityksessä käytettiin pH-mittareita, joita laitoksilla oli käytössä. 55 Kuva 18 Ammoniumtypen määritys laitoksella Taulukossa 19 on lueteltu, mitä analyysejä laboratoriossa tehtiin, mikä oli käytetty menetelmä ja laite. BOD mitattiin vain Nummelan jälkiselkeytysaltaasta 21.3. otetusta lietenäytteestä. Näytteet suodatettiin ennen analyysien tekoa. Taulukko 19 Laboratoriossa tehnyt analyysit ja menetelmät menetelmä laite pH SFS 3021, v.1979 + laitteen käyttöohje ORION 520 -pH-mittari COD SFS 5504, v.1988 NO2 SFS-EN ISO 13395, v. 1997, fia-tekniikka FOSS: Fiastar 5000-Analyzer 20 - 1000 µg/l N NO2+NO3 SFS-EN ISO 13395, v. 1997, fia-tekniikka FOSS: Fiastar 5000-Analyzer 0,25 - 10 mg/l N kokonaistyppi BOD SFS-EN ISO 11905-1 v. 1998 + Standard Methods (v. 2005) 4500 B. 4500 B. Ultraviolet Spectrofotometric Screening Method + laiteohje OXiTopin käyttöohje: Applikationsbericht BSB 997232 mittausalue 1 - 25 mg/l N WTW:n Oxitop-laitteisto 5.5 Mahdolliset virheet Mittaustavasta johtuen N2O:n mittauksissa saattoi syntyä koko ajan systemaattista virhettä. Oletettiin, että kuvussa olevan reiän kautta tulisi tarpeeksi korvausilmaa analysaattorin imemän ilman tilalle. Siitä miten kaasut todellisuudessa vaihtuivat kuvun sisällä, ei ole 56 varmaa tietoa. Tällä tavalla suoritetut mittaukset eivät anna absoluuttisia tuloksia N2O:n määrästä laitoksilla. Tulokset ovat silti vertailukelpoisia keskenään, sillä mittaukset suoritettiin jokaiselle laitoksella samalla tavalla. Laitosympäristöt olivat erilaisia puhdistamoiden kesken. Puolissa laitoksissa tutkitut altaat olivat ulkona. Ulkoaltailla kupuun menevä korvausilma sisälsi vähemmän erilaisia kaasuja verrattuna esimerkiksi tilanteeseen Viikinmäessä. Siellä ilmastusaltaille ilmanvaihto oli hoidettu niin, että vaihtoilma otettiin jälkiselkeytysaltaita, joten korvausilma sisälsi itsessään erilaisia kaasuja kuten typpioksiduulia. Näytteiden oton osalta suuri virhe oli se, että talven ilmastusaltailta otettuja näytteitä ei suodatettu. Tämän takia bakteeri toiminta jatkui näytteessä, joten laboratoriossa mitattu typen muoto ei kuvannut enää tilanetta näytteenotto hetkellä typen osalta. Kesällä ilmastusaltailta otetut näytteet suodatettiin. Ongelmaa suodattamiseen aiheutti liete näytteessä, joka täytyi laskeuttaa, jotta sai näytettä, joka ei tukkinut hetkessä suodatinta. Lietteen laskeuttaminen kesti noin puoli tuntia, jonka aikana bakteeritoiminta jatkui näytepullossa. Ulkoaltailla otettuja näytteitä ei viety mittausten ajaksi jääkappiin. Tämä aiheutti virhettä näytteisiin. Näytteiden vähäinen määrä aiheuttaa epäluotettavuutta tuloksiin. Jotta tuloksia voisi tarkastella luotettavammin, pitäisi tarkasteltavan joukon olla suurempi. Eikä näytteitä ole otettu koko vuorokauden ajalta. Näytteitä otettiin vain päiväsaikaan, joten niitä ole otettu kello 15.00 jälkeen iltapäivällä tai yöllä. 57 6 Tulokset ja tulosten tarkastelu 6.1 Yhteenveto laitosten jälkiselkeytysaltaiden N2O-päästöistä Kuvassa 19 on esitetty yhteenveto sisälaitosten typpioksiduulipäästöistä kesällä ja talvella jälkiselkeytysaltailta. Kuvassa keskiarvot on merkattu eri laitoksilla erivärisillä symboleilla. Kuvasta voi nähdä myös kunkin mittausjakson aikana mitatun minimi- ja maksimiarvon. Liitteissä 8-13 on esitetty mittauspaikat laitoksilla. Osissa laitoksissa mittauspaikkoja on useita. Kuvassa 19 on keskiarvo kaikista jälkiselkeytysaltailla tehdyistä mittauksista. Viikinmäen laitoksen kesän tulokset on jaettu kahdelle kuukaudelle, sillä siellä mittauksia tehtiin sekä kesäkuun alussa ja heinäkuun lopussa. Näiden kahden kuun tulosten välillä oli sen verran iso ero, että ne on parempi selvyyden vuoksi esittää omina tuloksinaan. Vääräkosken laitokselta tuloksia on sekä väli- että jälkiselkeytysaltailta. Laitos erosi muista laitoksista siten, että prosessissa on ennen jälkiselkeytystä väliselkeytysaltaat. Väliselkeytysaltailla on hvin samanlaiset olosuhteet typenpoiston kannalta kuin jälkiselkeytyksessä. Väliselkeytysaltailla mitattiin talvella ja kesällä N 2O-pitoisuutta. Väliselkeytysaltaiden päästöt ovat hyvin samankokoiset kuin jälkiselkeytysaltailta. Kuvassa19 olevat tiedot ovat keskiarvoja pitkien mittausten tuloksista. Tulokset kuvaavat hyvin todellista tilannetta laitoksen päästöistä, sillä mittaustuloksia on usealta vuorokaudelta kaikilta laitoksilta. Vuorokauden aikainen vaihtelu on huomioitu tuloksissa. Suurin laitosten keskiarvoista oli Viikinmäessä talven mittauksista laskettu keskiarvo. Samalla laitoksella samaan aikaan mitattiin myös suurin maksimiarvo. Vaihtelu Viikinmäessä N2O-päästöissä oli suurta. Vaihtelu väli oli 37 -109 ppm. Laitoksella heinäkuun lopussa mitattu vaihteluväli oli huomattavasti pienempi kuin talvella mitattu. Myös N2O:n pitoisuuden keskiarvo oli silloin vain 13 ppm. 58 Kuva 19 Yhteenveto sisälaitosten jälkiselkeytysaltaiden ja Vääräkosken väliselkeytysaltaiden typpioksiduulipäästöistä Kuvasta 19 nousevat esille Vääräkosken pienet pitoisuudet niin kesällä kuin talvella. Kesällä keskiarvopitoisuus oli 10 ppm ja talvella 0,4 ppm. Talven vähäisiin päästöihin selitys voi olla epäonnistunut nitrifikaatio. Ammononiumtypen pitoisuudet väliselkeytysaltaalla oli 21 mg/l ja lähtevän veden 27 mg/l. Tulevan veden pitoisuus oli 76 mg/l. Kun nitrifikaatio ei onnistu, ammoniumtyppi ei muutu nitraatiksi tai nitriitiksi, vaan typpi jatkaa ammoniumtypen muodossa prosessissa. Tässä muodossa typelle ilmastuksen jälkeen ei tapahdu mitään, sillä ammoniumtypen hapettuminen nitraatiksi tai nitriitiksi vaatii happea. Sitä ei ole tarpeeksi tarjolla väli- ja jälkiselkeytyksessä. Näin ollen ammoniumtyppi prosessissa ilmastustuksen jälkeen ei aiheuta N 2O-päästöjä. Jotta N2O:ta voisi muodostua bakteerien toimesta hapettomissa tai vähähappisissa oloissa, täytyisi typen olla nitriitin tai nitraatin muodossa. (Bock, 1995) Nummelassa talven pienet pitoisuudet olivat samaa kokoluokkaa kuin Vääräkosken pitoisuudet. Suuri kokonaistypen ja pieni ammoniumtypen määrä lähtevässä vedessä viittaa siihen, että jäälkiselkeytysaltaissa ei juuri tapahtunut denitrifikaatiota. Typpi pysyi nitraatin muodossa. Jälkiselkeytykseen päätyneen typen muoto ja muut olosuhteet kuten hiilen 59 määrä eivät olleet otolliset N2O:n muodostumista varten. N2O-päästöjä ei juuri syntynyt. Kesällä Nummelassa nitrifikaatiota tapahtuu, joten jälkiselkeytysaltaaseen pääsee typpeä siinä muodossa, että N2O:ta denitrifikaation myötä pääsee tapahtumaan. Viikinmäessä ilmiö N2O:n määrän vapautumisen kannalta on päinvastainen kuin Vääräkoskella ja Nummelassa. Viikinmäellä talvella vapautuu enemmän N2O:ta kuin Vääräkoskella tai Nummelassa. Tarkemmin Viikinmäen kuukausien välisille eroille haetaan selitystä kappaleessa 6.4.1, jossa esitetään lämpötilan vaikutusta N2O:n muodostumiselle. Kuvassa 20 on esitetty N2O-pitoisuuksia ulkolaitosten jälkiselkeytysaltailta kesältä. Mittauspaikat on merkitty liitteisiin 11, 12 ja 13. Ulkolaitoksilla jälkiselkeytysaltailla mittausten kesto oli korkeintaan muutamia tunteja, ja mittaukset tapahtuivat aamupäivän tai päivän aikana. Tämän vuoksi kuvassa esitetyt tulokset eivät anna niin kattavaa kuvaa kuin sisälaitosten tulokset, jotka ovat usean päivän ajalta ja peräisin vuorokausia kestäneistä pitkistä mittauksista. Ulkolaitoksilta saadut N2O-pitoisuudet ovat todella paljon pienempiä kuin sisälaitosten. Saadut tulokset ovat 0,3 -1 ppm. Eroa Viikimäen ja Suomenojan aktiivilietevaiheen puhdistustehoissa heinäkuussa ei ollut, mutta Viikinmäessä N 2Opitoisuudet olivat silti kymmenkertaiset. Pienet N2O-päästöt saattavat johtua mittausajankohdasta. Talvella ulkoaltaissa lämpötilan ollessa huomattavasti matalampi kuin kesällä hiili ei ole yhtä helposti käytettävissä jälkiselkeytysaltaiden denitrifikaatiossa, joten N2O:ta saattaisi vapautua enemmän silloin. 60 Kuva 20 Yhteenveto ulkolaitosten jälkiselkeytysaltaiden typpioksiduulipäästöistä IPCC olettaa, että suurin N2O-päästö jätevesin typen takia syntyisi vasta vesistöissä, kun nitrifikaatio jatkuu niissä hallitsemattomissa oloissa. (IPCC, 2006). Pienet pitoisuudet N2O:ta kaasufaasissa laitoksilla eivät kerro kokonaistilannetta siitä, miten jätevesien typpi aiheuttaa kasvihuonepäästöjä ilmakehään. Ammoniumtypen-muodossa oleva typpi, joka pääsee laitoksilta vesistöihin saattaa nitrifioitua siellä ja aiheuttaa N2O-päästöjä. Myös nitraatti- ja nitriittimuotodossa oleva typpi voi denitrifioitua vesistöjen anoksissa oloissa ja näin aiheuttaa päästöjä. 6.2. Yhteenveto laitosten ilmastusaltaiden N2O-päästöistä Seuraavaksi esitellään tuloksia ilmastusaltailla tehdyistä mittauksista. Kuvaan 21 on koottu N2O-pitoisuuksia Viikinmäen ja Nummelan ilmastusaltaiden eri lohkoista. Pienimmät pitoisuudet mitattiin Nummelassa hapellisesta lohkosta talvella. Pitoisuudet olivat pienemmät kuin Viikinmäen hapellisesta lohkosta talvella mitattu. Kesällä laitosten väliset erot olivat tasoittuneet. Nummelassa pitoisuudet hapellisessa lohkossa olivat vähän isompia kuin Viikinmäessä. Viikimäessä yleisesti ottaen ilmastusaltailta saaduissa tuloksissa ei ollut suuria eroavaisuuksia kesän ja talven tulosten välillä. 61 Viikinmäen ilmastusallas on jaettu kuuteen lohkoon. Näistä ensimmäinen on aina anoksinen, toinen ja kolmas lohko vaihtelevat anoksisen ja oksisen ajotavan välillä prosessista lähtevän ammoniumtyppipitoisuuden perusteella. Kolmannessa lohkossa oli tutkittuna ajankohtana suurempi N2O-pitoisuus talvella kuin kesällä. Tämä johtuu siitä, että lohko on ollut enemmän ilmastetussa tilassa kuin kesällä. Keskimääräinen happipitoisuus talven mittausjakson aikana lohkossa oli 2,2 mg/l, kun taas kesällä pitoisuus oli 1,4 mg/l. Kappaleessa 6.5. osoitetaan, miten Viikinmäen lohkossa 3 N2O:n määrä kasvoi ilmastuksen alkessa. Ilmastuksen aikana lohkosta vapautui enemmän N2O:ta. Ilmatusaltailla keskimäärin N2O-pitoisuudet olivat suurempia kuin jälkiselkeytysaltailla. Suurimmat pitoisuudet N2O:ta mitattiin mittausjaksojen aikana Viikinmäen puhdistamon anoksisesta lohkosta ja lohkosta 3. Vaikka hetkellisesti pitoisuudet ovat olleet korkeat, ei Viikinmäen keskiarvopitoisuudet silti poikkea muista tuloksista paljoakaan. Kuva 21 Yhteenveto Viikinmäen ja Nummelan ilmastusaltaiden N2O-päästöistä Nitriittipitoisuutta tutkittiin vesinäytteistä yhtä aikaa kaasumittausten aikana. Ilmastusaltaan lohkoissa NO2:n määrä vaihteli suuresti vierekkäisten lohkojen välillä kuten taulukosta 20 voi nähdä. Tulokset taulukossa ovat peräisin Pitkäniemen ja Hermanninsaaren puhdistamoilta. Kun vertaillaan laitosten ilmastusaltaiden N2O-päästöjä, täytyy ottaa 62 huomioon, että eri laitosten tulokset eivät ole täysin vertailukelpoisia. Laitosten prosesseissa oli eroavaisuutta siinä, miten ilmastusaltailla oli sijoitettu ilmastetut ja ilmastamattomat lohkot. Vaikka tulokset ovat peräisin laitosten ilmastusaltaiden oksisista lohkoista altaan loppupäästä, ei laitosten ilmastusaltaiden lohkojako ole samanlainen. Saadut tulokset kuvaavat siis eri prosessivaihetta ilmastusaltaalla kullakin laitoksella. Pitkäniemen ja Hermanninsaaren puhdistamot ovat ulkolaitoksia. Mittauspaikat laitoksilla on esitetty liittessä 11 ja 12. Kuten jälkiselkeytysaltailla niin myös ilmastusaltailla ulkolaitosten N2O-pitoisuudet ovat paljon pienemmät kuin sisälaitosten päästöt. Mittaukset ulkolaitoksilla tapahtuivat puolenpäivän tienoilla, jolloin laitoksen N 2O-päästöt pitäisivät olla vähintään kohtalaiset, kuten kappaleessa 6.4.2 tulee ilmi. Todennäköisesti pitoisuudet eivät olisi kasvaneet paljoa iltaa kohti. Kun taulukon 20 tuloksia tarkastelee, havaitaan, että N2O-pitoisuus kasvaa kohti ilmastusaltaan loppua niin, että anoksissa lohkoissa pitoisuudet ovat pienimmät. Tosin Pitkäniemen viimeisen ilmastetun lohkon N2O-pitoisuus on pienempi kuin edellinen. Tämä sama ilmiö havaittiin myös Viikinmäellä ja Nummelassa (ks. kappale 6.5.). Happipitoisuus kasvaa ilmastusaltaalla edetessä. Nitriittipitoisuus vaihtee lohkojen välillä niin, että ilmastusaltaan puolivälissä on mitattu suurimmat Nitriittipitoisuustuloksia on vain kesän mittausten ajalta, nitriittipitoisuudet. sillä talven näytteitä ilmastusaltaan lohkoilta ei ole suodatettu, joten niitä ei voi pitää luotettavina. Liitteessä 14 on esitetty tarkemmin, miten suodatettujen ja suodattamattomien näytteiden tulokset erosivat toisistaan huomattavasti. Sisälaitosten kesän ilmastusaltaan oksisen lohkon tuloksia on kuvassa 22. Kuvassa on esitetty nitriitti, - typpioksiduuli- ja happipitoisuus mittauspaikasta. Vääräkosken mittausajankohdan happipitoisuus oli todella alhainen nitrifikaation kannalta, ja sen voi jo katsoa mahdollisesti stressaavan nitrifioivaa bakteerikantaa. Viikinmäellä ja Nummelassa happipitoisuus on riittävä. Taulukon 20 tai kuvan 22 tulosten perusteella ei voida tehdä päätelmiä, miksi typpioksiduulia syntyy eri puhdistamoilla eri määriä. Korkea nitriittipitoisuus voi kirjallisuuden (Tallec, 2006; Kampschreur, 2008b) mukaan aiheuttaa 63 N2O:n muodostumista. Nummelassa, jossa nitriittipitoisuus oli alhaisempi kuin Viikinmäessä, olivat silti N2O-päästöt suuremmat. Happipitoisuus laitoksilla oli samanlainen. Myöskään taulukon 20 tulosten perusteella ei korkeammasta NO2pitoisuudesta seurannut korkeampaa N2O-päästöä. Taulukko 20 Ilmastusaltaan NO2- ja N2O – pitoisuusprofiili Pitkäniemessä ja Hermanninsaaressa N2O [ppm] Pitkäniemi anox A anox B ox C ox D ox E ox F Hermanninsaari anox A ox B ox C ox D O2 [mg/l] NO2 [mg/l] 0,68 0,30 1,83 2,50 2,83 1,44 0,29 0,2 2,6 3,3 3,3 4,4 0,08 0,02 0,51 0,76 0,15 0,02 0,40 0,20 0,50 0,50 0,35 0,4 1,9 1,9 0,02 0,05 0,23 0,01 Kuva 22 Ilmastusaltaan NO2- ja N2O – pitoisuusprofiili sisälaitoksilla kesällä 64 6.3 N2O-päästöt vuodessa laitoksilta Mittauksista saadut tulokset ilmoittavat N2O-pitoisuuden mittaushetkellä siinä kohtaa allasta, missä mittaus suoritettiin. Jotta voitiin määritellä todellisia vuotuisia päästöjä laitoksilta, täytyi aluksi tehdä arvio mittaustulosten perusteella, miten N2O:ta vapautuisi niiden kuukausien ajalta, jolloin mittaustuloksia ei ole saatavilla. Erikokoisten laitosten välisiä päästöjä voi vertailla keskenään, kun tarkastellaan vapautuvan N 2O:n määrää laitokselle tulevan kokonaistypen määrästä. Taulukossa 21 on esitetty arvio siitä, kuinka monta kiloa typpioksiduulia vapautuu Viikinmäen puhdistamolta vuodessa. Mittaustuloksia jälkiselkeytysaltailta ja ilmastusaltaan eri lohkoista on maalis-, kesä- ja heinäkuulta 2011. Näiden tulosten perusteella arvioitiin koko vuoden keskimääräinen N2O-pitoisuus ppm:nä ilmastusaltaille ja jälkiselkeytykselle. Heinäkuussa prosessi toimi parhaiten, joten silloin todennäköisesti myös typpioksiduulia muodostui vähiten. Kun arvioitiin muiden kuin mitattujen kuukausien päästöjä, oletettiin, että loppukesästä ja syksystä olosuhteet laitoksella N2O:n muodostumiselle olivat heinäkuun kaltaiset. Vesien kylmetessä olosuhteet lähtivät muuttumaan kesäkuun olosuhteiden kautta maaliskuun kaltaisiksi. Liitteessä 15 on esitetty laskut, joiden perusteella taulukko 21 on koottu. Tulokset keskimääräisistä N2O-pitoisuuksista ilmastusaltaalta ja jälkiselkeytyksestä on esitetty sinisellä pohjalla taulukossa. Näiden arvioitujen lukujen perusteella laskettiin, kuinka paljon koko laitokselta vapautuu N2O:ta kilona. Tulokseksi saatiin 26 291 kg vuodessa. Oletuksena on ollut, että Viikinmäessä N2O:ta ei vapaudu muualta prosessista kuin ilmastus- ja jälkiselkeytysaltailta. Viikinmäessä aikaisemmin tehdyissä mittauksisa denitrifioivien jälkisuodattimien N2O-päästöt ovat olleet matalalla tasolla mittausajankohdasta riippumatta. Tätä päästöä nämä laskennat eivät huomioi. Jälkiselkeytysaltailta vapautuu lähes kaksinkertainen määrä N 2O:ta. Tämä johtuu siitä, että selkeytysaltaiden kokonaispinta-ala on melkein kaksinkertainen ilmastusaltaiden pintaalaan verrattuna. Jälkiselkeytysaltailla myös denitrifikaatio tapahtuu hallitsemattomammin kuin ilmastusaltailla, jossa sille tehdään sopivat olosuhteet. Vuonna 2011 laitokselle 65 kokonaistyppeä tuli 3 394 030 kg. (VAHTI) 0,77 prosenttia kokonaistypestä vapautuisi tehdyn arvion perusteella typpioksiduulina Viikinmäen laitokselta vuodessa. Kun tehtiin arvio Nummelan puhdistamon vuoden N2O-päästöistä, tulokseksi saatiin, että 0,34 prosenttia laitokselle tulevasta typestä vapautuisi N2O:na. Ulkolaitoksilta mittaustietoja ei ollut yhtä kattavasti kuin sisälaitoksilta, ja pitoisuudet olivat ainakin kesällä todella pieniä ulkoaltailla. Hermanninsaaren kesän mittaustulosten perusteella laitoksen typpikuormasta 0,09 prosenttia vapautuisi vuodessa N2O:na. Viikinmäestä tehty vuosipäästöarvio 0,77 % on suurempi kuin luvussa 3.2 esitelty IPCC käyttämä 0,035 (IPCC, 2006). Taulukossa 21, jossa on esitetty arvioituja prosenttimääriä syntyvästä N2O:sta typpikuormasta eri tutkimusten mukaan, löytyy samansuuntaisia tuloksia kuin saatu 0,77 prosenttia. Taulukon luvut tosin vaihtelevat 0-95 prosenttia, joten hajontaa on paljon. Suuri osa taulukon 2 arvioista on alle yhden prosentin luokkaa. Laskennoissa oletettiin myös tilanne, että koko vuoden ajan vapautuisi maksimaalinen määrä N2O:ta. Maksimiarvo on saatu, kun on käytetty maaliskuun lukemia, ja oletettu, että lohkon 3 olosuhteet vallitsisivat 4 lohkossa ilmastusallasta. Kuvassa 21 näkyy, miten pitoisuudet lohkossa 3 ovat suuremmat talvella kuin kesällä. Kappaleessa 7.5 on esitetty mittaustuloksia, jotka tukevat sitä, että ilmastetuissa lohkoissa vapautuu enemmän typpioksiduulia kuin anoksissa. Vertailun vuoksi tehtiin arvio tilanteesta, jossa N2O:ta syntyisi mahdollisimman vähän. Minimiarvoa laskettaessa on oletettu, että olosuhteet laitoksella olisivat koko vuoden heinäkuun kaltaiset. Sekä maksimi- että minimiarvot löytyvät taulukosta 22 ja niiden perusteella lasketut N2O-päästöt. Näiden oletusten perusteella Viikinmäessä suurimmillaan vapautuu 1,1 prosenttia tulevasta kokonaistypestä N2O:na ja pienimmillään 0,4 prosenttia. Taulukko 21 Arvioidut N2O-päästöt kolmella eri oletuksella Viikinmäen puhdistamolta vuodessa N2O [ppm] ka N2O [ppm] min N2O [ppm] max N2O-N [kg] ka N2O-N [kg] min N2O-N [kg] max jälkiselkeytys 48 15 70 ilmastus 65 50 80 yhteensä N2O [%] tulevasta N-kok 66 16 684 5 223 24 372 9 607 7 359 11 774 26 291 12 582 36 146 0,8 0,4 1,1 6.4 Vaihtelevien olosuhteiden vaikutus N2O-päästöihin jälkiselkeytysaltailla 6.4.1 Vuodenaika Viikinmäen puhdistamolla toteutettiin noin kolmen vuorokauden pituisia mittauksia samasta kohtaa prosessia jälkiselkeytysaltaalla kolmena eri kuukautena. Mittaustulokset on esitetty kuvissa 23, 24 ja 25. Mittauskohta on merkitty liitteeseen 8 symbolilla A. Kuvissa on y-akselilla sama skaalaus, joten niistä nähdään helposti, että maaliskuussa N 2Opitoisuudet on selvästi suuremmat kuin kesäkuukausina. Kesäkuun alun ja heinäkuun lopun päästöissäkin ero on huomattava. Heinäkuun viimeisen viikonlopun aikana ei typpioksiduulia vapautunut yli 20 ppm missään vaiheessa, kun taas kesäkuussa N2Opitoisuus oli pitkiä aikoja 60 ppm:n tienoilla. Maaliskuussa pitoisuudet olivat välillä yli 100 ppm, eikä mittausten aikana pitoisuus ei oikeastaan ollenkaan käynyt alle 40 ppm:n. Kuvassa 22 kuvaajan alun pienet pitoisuudet johtuvat todennäköisesti mittauksen aloittamisesta. Vie hetken aikaa, että kaasut kuvussa tasaantuvat mittausten alkaessa. Veden lämpötila jokaisessa tapauksessa on yli 12 oC, maaliskuussa 13 oC, kesäkuussa 16 oC ja heinäkuussa 18. Puhdistamoilta saadut tulokset taulukossa 5 osoittavat, että nitrifikaatio toimi lähes yhtä hyvin joka mittausajankohtana. Kuvissa 23, 24, ja 25 ovat tulokset kunkin mittausajanjakson esikäsitellyn ja lopullisesti käsitellyn veden ammoniumtypen määrästä. Käsitellyn veden ammoniumtypen määrä jokaisella ajankohdalla on vähäistä ja samaa kokoluokkaa keskenään. Nitraattipitoisuudet laitoksella aktiivilietekäsittelyn jälkeen olivat 10.3. 11,5 mg/l, 8.6. 14,3 mg/l ja 27.7. 9,9 mg/l. (velvoitetarkkailuraportit). Nitrifikaation toimiessa laitoksella ympäri vuoden tarkoittaa se sitä, että typpi muuttaa muotoaan ilmastusaltaalla ja näin ollen on käytössä muussa muodossa prosessin loppuosassa. Kirjallisuudessa (Holtan-Hartwig, 2002;Tallec, 2008) on viitteitä siihen, että lämpötilalla voi olla huomattava vaikutus denitrifikaation onnistumiseen ja typpioksiduulin vapautumiseen. Tämä on todettu ainakin maaperään liittyvissä tutkimuksissa. Alhainen 67 lämpötila denitrifikaatiossa aiheuttaa typpioksiduulimäärän nousua. Kylmä vesi aiheuttaa häiriötä denitrifioijien toimintaan, jotka tuottavat tämän takia N 2O:ta. Viikinmäen laitoksen jälkiselkeytysaltailta saatujen tulosten perusteella lämpötilalla on suuri vaikutus N 2O:n määrään. Heinäkuussa, jolloin käsitelty vesi oli 5 astetta lämpimämpää kuin maaliskuussa, N2O-päästöt olivat lähes kuusi kertaa pienemmät. Keskiarvo heinäkuussa N 2Opitoisuudelle oli 13 ppm ja maaliskuussa 74 ppm. Jälkiselkeytysaltaissa ei havaittu minkään mittausjakson aikana näkyvää denitrifikaatiota eli kuplintaa. Muuten kuin lämpötilojen osalta prosessiolosuhteet olivat hyvin samankaltaiset. 68 Kuva 23 N2O-pitoisuus jälkiselkeytysaltaalla maaliskuussa Viikinmäessä Kuva 24 N2O-pitoisuus jälkiselkeytysaltaalla kesäkuussa Viikinmäessä Kuva 25 N2O-pitoisuus jälkiselkeytysaltaalla heinäkuussa Viikinmäessä 69 6.4.2 Vuorokaudenaika Virtaama laitoksella vaihtelee eri vuorokauden aikana, sillä ihmiset käyttävät vettä eri tavalla eri aikaan päivästä ja eivätkä yöllä juuri ollenkaan. Veden kulutuspiikit ovat aamulla ja illalla. Suurin piikki on illalla, kun ihmiset palaavat koteihinsa ja alkavat tehdä kotitaloustöitä. Tämä vaihtelu näkyy hyvin Nummelan jälkiselkeytysaltaalla tehdyissä mittauksissa kesäkuussa 2011. Kuvassa 26 N2O-pitoisuus alkaa nousta kuuden jälkeen aamulla ja nousee päivän mittaan. Kello 00:00 jälkeen pitoisuus laskee nopeasti lähelle nollaa. Kuva 26 N2O-pitoisuus jälkiselkeytysaltaalla kesäkuussa Nummelassa Viikinmäellä sama ilmiö voidaan havaita jälkiselkeytysaltailla kuvassa 27. Käyrän muoto on sama kuin Nummelan kuvaajassa, mutta sen maksimit ja minimit eivät osu samoihin kellon aikoihin, ja päivältä 28.7. puuttuu selvä maksimi. Viikinmäen laitos on huomattavasti suurempi laitos kuin Nummelan. Laitoksen suuri koko, verkoston laajuus sekä tulotunneleiden tasausvaikutus aiheuttavat sen, että vuorokauden ajankohdasta johtuvat muutokset eivät näy samassa tahdissa kuin Nummelassa. Viipymät altaissa ovat pitempiä, ja suuret altaat tasoittavat virtaamakäyrän amplitudia. Vesi tulee puhdistamolle laajalta alueelta, joten virtaama tasoittuu jo verkostossa. Syynä N2O:n pitoisuuden vaihtelulle päivän aikana voidaan pitää kuormitusta, joka vaihtelee vuorokauden aikana 70 laitokselle tulevan veden mukaisesti. Kun laitosta kuormitetaan, prosessi aktivoituu monin eri tavoin, joten N2O:n muodostuminenkin tehostuu. Prosessi voi myös stressaantua typpikuorman vaihtelusta ja jossain tilanteessa jopa ylikuormittua. Huomattava on myös, että kuvan 27 tulokset ovat viikonlopun ajalta. 29.7. oli perjantai vuonna 2011. Stressaava tekijä prosessissa voi olla hiili, jota ei tule tarpeeksi prosessiin viikonloppuna. Kuva 27 N2O-pitoisuus jälkiselkeytysaltaalla heinäkuussa Viikinmäessä 6.4.3 N2O-päästöt jälkiselkeytyksen eri vaiheissa Jälkiselkeytysaltailla olosuhteet altaan eri kohdissa saattavat vaihdella. Kun vesi virtaa jälkiselkeytysaltailla, liete laskeutuu samalla. Lietepatjan korkeus on korkeimmillaan veden tuloaukon läheisyydessä. Myös syntyvät turbulenssit voivat aiheuttaa erilaisia olosuhteita eri osiin allasta. Kuvissa 28 ja 29 on mittaustulokset typpioksiduulin määrästä eri selkeytysaltaan eir kohdista Viikinmäen ja Nummelan puhdistamoilta. Mittauskohdat olivat valittu jälkiselkeytysaltaan pituusprofiilin suuntaisesti. Liitteissä 8 ja 9 löytyvät laitosten virtauskaaviot ylhäältä päin kuvattuina, ja niihin on merkitty mittauspaikat samoilla symboleilla kuin kuvissa 28 ja 29. Pituusprofiilit mitattiin molemmilla laitoksilla sekä kesällä että talvella. Kuviin on merkattu molempien mittausjaksojen tulokset. Kuvissa on esitetty mihin suuntaan vesi ja liete liikkuvat nuolien avulla. 71 Kuva 28 N2O-pitoisuudet jälkiselkeytysaltaalla 3.3. ja 3.6. Viikinmäessä Kuva 29 N2O-pitoisuudet jälkiselkeytysaltaalla 21.3. ja 16.6 Nummela 72 Nummelassa pitoisuudet olivat kesäkuussa selkeytysaltaassa lähes kymmenkertaiset maaliskuun pitoisuuksiin verrattuna. Talvella altaan osassa, jossa laahain oli toiminnassa, N2O-pitoisuudet olivat 4 ppm ja kesällä 40 ppm. Korkein pitoisuus mitattiin kohdassa F, joka on jälkiselkeytyksen loppuosassa kokooma-altaassa. Kokooma-altaassa olosuhteet olivat stabiilimmat kuin altaan osassa, jossa laahain kuljetti lietettä. Tämä mahdollisti paremmat olot bakteereille muodostaa N2O:ta. Viikinmäessä jälkiselkeytysaltaan pituusprofiilimittausten mukaan N 2O-pitoisuuksissa ei ollut merkittävää eroa eri mittauskohdissa. Talvella altaan loppupäässä pitoisuus oli korkeimmillaan ja kesällä suurin N2O-pitoisuus mitattiin altaan keskivälillä. Ainut poikkeva tulos oli talvella A kohdassa mitattu tulos noin 50 ppm, joka on lähes kaksinkertainen B- ja C-kohdan pitoisuuksiin niin kesän kuin talven mittauksiin verrataan. 6.5 Happipitoisuuden vaikutus N2O:n muodostumiseen ilmastusaltailla Viikinmäessä ilmastusaltailla lohkossa 3 olosuhteet vaihtelevat anoksisen ja aerobisen välillä sen mukaan, miten prosessiajo sitä vaati. Kuvassa 30 voidaan nähdä, miten hapen määrän nousu näkyi heti N2O:n pitoisuuden nousuna. Lohkon ilmastuksen lopettaminen laski samantien N2O:n määrää. Happipitoisuus vaihteli 0-1,65 mg/l välillä ja typpioksiduulipitoisuus 5-180 ppm välillä. N2O:n määrän nousu ei ollut niin nopeaa kuin happipitoisuuden kasvu. N2O:n määrän tason saavuttaminen vei muutamia tunteja siitä kuin ilmastus alkoi. Ilmastuksen lopettaminen vaikutti N2O:n määrään nopeammin kuin aloittaminen. Nummelassa mitattiin ilmastusaltaan altaiden N2O-pitoisuus peräkkäin päästöprofiilin saamiseksi. Kuvassa 31 nähdään, miten N2O:n määrä kasvaa ilmastuksen alkaessa. Kuvaan on merkattu mitattu happipitoisuus kussakin altaassa. Korkein N2O-pitoisuus on toisessa ilmastetussa lohkossa, ja ilmastetuissa lohkoissa N2O:ta vapautui enemmän kuin anoksisessa osassa. Mittauspaikkoina olivat kohdat A, D, ja E, jotka on merkitty liitteeseen 9. 73 Kuva 30 N2O- ja happipitoisuus ilmastusaltaalla lohkossa 3 maaliskuussa Viikinmäessä Kuva 31 N2O- pitoisuus ilmastusaltaalla eri lohkoissa Nummelassa 16.3. Molempien laitoksen tulokset osoittavat, että hapellisissa oloissa N2O:ta vapautui enemmän kuin anoksisissa. Kirjallisuudessa on paljon viitteitä hapen määrän vaikutuksesta N2O:n synnyssä. Jos nitrifikaatiossa ei ole riittävästi happea, on vaarana, että N2O:ta pääsee 74 muodostumaan. Varsinkin nopeasti vaihtuva happitaso samassa altaassa saattaa aiheuttaa N2O-päästöä. Viikinmäessä happipitoisuus vaihteli 1,0–1,7 mg/l välillä, joka on kirjallisuuden perusteella nitrifikaatiossa vähäinen happipitoisuus. Tällainen happipitoisuus voi johtaa N2O:n muodostumiseen. Tämän kaltaisia tuloksia on saatu esille muissakin tutkimuksissa (Tallec, 2006; Kampschreur, 2008b). Nummelassa oksissa lohkoissa happipitoisuudet olivat riittävät sen kannalta, jos halutaan ehkäistä N 2O:n muodostumista. Se, minkä takia ilmastuksen aikana vapautui huomattavasti enemmän N 2O:ta kuin anoksisten olojen aikana, voi osin selittyä sillä, että N 2O:ta pääsi strippautumaan ilmastuksen yhteydessä (Kampschreur, 2008a; Park 2000). N2O:ta muodostui myös anoksissa oloissa, mutta hyvän liukenevaisuutensa takia sitä ei päässyt vapautumaan, joten sitä kerääntyi ja alkoi vapautua ilmastuksen alkaessa. Ahn et al. (2009) saivat samankaltaisen tuloksen kuin Nummelan ilmastusaltailla mitattiin, eli ilmastusaltaan ilmastetuissa lohkoissa vapautui enemmän N2O:ta kuin ilmastamattomissa. Heidänkin saamissaaan tuloksissaan N2O:ta vapautui enemmän toisesta hapellisesta lohkosta kuin ensimmäisestä, missä happipitoisuus oli pienempi. Heidän tuloksensa eivät kuitenkaan tue teoriaa, jossa N2 O pääsisi strippautumaan kunnolla vasta ilmastetuissa lohkoissa, sillä heidän mittauksissaan N2O:ta oli ilmastetuissa lohkoissa enemmän myös nestefaasissa. Kuvassa 32 on esitetty mittausten tulokset Viikinmäen ilmastusaltaan kolmessa (nro 4-6) viimeisessä lohkossa maaliskuulta ja kesäkuulta. Kuvassa on esitetty myös kunkin lohkon happipitoisuus mittauksen aikana. Maaliskuun tuloksissa lohkossa 6 typpioksiduulipitoisuus oli korkein. Lohkossa neljä N2O-pitoisuus oli noin 50 ppm ja lohkossa viisi 110 ppm. Happipitoisuus oli mittaushetkellä korkein neljännessä ja matalin kuudennessa lohkossa. Jokaisen lohkon happipitoisuus on yli 2 mg/l eli hapesta ei ollut pulaa. Tulosten perusteella näyttäisi siltä, että mitä korkeampi happipitoisuus on, sitä vähemmän N2O:ta vapautuu. Viikinmäen kesäkuun tulokset antavat erilaisen kuvan happitoisuuden ja N 2O:n määrän suhteesta. Typpioksiduulipitoisuus altaalla ei ollut niin korkea kuin maalikuussa. Lohkojen 75 neljä ja viisi N2O-pitoisuus oli 60 ppm ja lohkossa kuusi noin 90 ppm. Myös kesällä viimeisessä lohkossa vapautui eniten typpioksiduulia. Tosin nyt happipitoisuus lohkoissa vaihteli niin, että happipitoisuus nousi mennessä viimeistä lohkoa kohti. Kaikkien lohkojen happipitoisuus oli yli 2 mg/l. mikä kirjallisuuden mukaan riittävä määrä, että nitrifikaatio toimii. (Zheng, 1994; Tallec, 2006) Neljännessä lohkossa happipitoisuus oli 3 mg/l ja kuudennessa lähes 4 mg/l. Tämän tuloksen perusteella ei voida siis sanoa, että happipitoisuuden nousu vähentäisi typpioksiduulin vapautumista. Kun happea on tarjolla tarpeeksi nitrifikaation toimimista varten, ei sen lisäämisellä voida vaikuttaa N2O:n syntyyn. Kuva 32 N2O- ja happipitoisuus ilmastusaltaalla lohkoissa 4, 5, ja 6 11.3. ja 9.6. Viikinmäessä Tutkimuksessa Viikinmäessä muutettiin ilmastetun lohkon 4 happipitoisuutta siten, että happipitoisuutta laskettiin vähän kerrallaan. Kuvassa 33 on esitetty, miten happipitoisuus laskee vähitellen. N2O-pitoisuudelle ei ehdi tapahtua mitään happipitoisuuden muuttuessa. Tulosten perusteella voidaan todeta, että happipitoisuuden lasku ei ehtinyt vaikuttaa N2O:n määrään tutkitussa kahdessa tunnissa. N2O:ta ei ehdi vapautua perustasoa enempää happipitoisuuden laskuna aikana, vaikka happitoisuus laskee alle 2 mg/l, joka kirjallisuuden (Zheng, 1994; Tallec, 2006) mukaan saattaa edesauttaa nitrifikaatiossa N2O:n syntyä. 76 Kuva 33 N2O- ja happipitoisuus lohkossa 4 Viikinmäessä 7.6. 6.6 Kaksi erityismittausta Nummelassa 6.6.1 OKI-ilmastin Nummelan puhdistamolla ilmastusaltaalla ensimmäisessä lohkossa tehtiin mittauksia eri kohdissa, silloin kun Oki- ilmastin oli kesäkuussa päällä. Ilmastin oli keskellä allasta. Kuvassa 34 näkyy ketju siinä kohtaa, missä ilmastin on. Mittauspaikat on merkitty kuvaan 34 sekä liitteeseen 9 kirjaimilla A, B ja C. Kohdista A, B ja C tehtiin noin 30 minuutin pituisia mittauksia. 77 Kuva 34 Mittauskohdat Oki-ilmastimen ollessa altaassa Mittaustulokset on esitetty kuvassa 35. Kuvasta nähdään, että kohdassa A N2O:n pitoisuus oli 45 ppm ja kohdassa B 35 ppm. Aivan OKI-ilmastimen päällä pitoisuus oli vain 6 ppm. Välimatka mittauskohtien välillä ei ollut kuin 1,5-2 metriä. Aivan ilmastimen päällä N2O vapautui huomattavasti vähemmän kuin altaan reunoilta. Onkin melko todennäköistä, että altaan reunat eivät ilmastuneet kunnolla, ja ilmastimen mitoitus- ja sekoitusteho eivät vastaa altaan tarvetta. Kohdassa A happipitoisuus oli noin 0,35 mg/l ja kohdassa B 0,45 mg/l. Ilmastuksen vaikutus ei ylettynyt kohtiin A ja B. Silmillä havainnoiden kohdassa B ei vedessä tapahtunut paljon kuplintaa, ja kohdassa A sitä ei ollut ollenkaan. Kovin turbulenssi oli kohdassa C, joka oli ilmastimen päällä. Siinä kohtaa ilmastin sekoitti niin rajusti vettä, että se oli silmin nähden havaittavaa. 78 Kuva 35 Oki-ilmastimella ilmastetussa altaassa N2O-pitoisuus kohdissa A, B ja C, Nummelassa Turbulenssin vaikutusta mittaustuloksiin tutkittiin 20.6. Aluksi typpioksiduulia mitattiin kohdassa C eli aivan ilmastimen yläpuolella, kun ilmastin oli päällä. Tämän jälkeen ilmastin sammutettin ja jatkettiin mittausta samassa paikassa. Näin haluttiin selvittää, miten ilmastin vaikutti N2O:n määrän vapautumiseen. Ilmastin oli pois päältä 45 minuuttia. Kun ilmastin laitettiin päälle, mittauspaikaksi vaihdettiin kohta A. Kuvassa 36 on esitetty tulokset mittauksesta. Kun ilmastin oli päällä, kohdassa C N2O-pitoisuus oli noin 10 ppm. Heti kun ilmastin suljettiin, kohdan C typpioksiduulipitoisuus nousi 50 ppm:n tienoille. Tämän perusteella voidaan todeta, että kohdassa C vapautui yhtä paljon N2O:ta kuin muissakin kohdissa altaassa, kun Oki-ilmastin ei ollut päällä. Kohtien C ja A välillä N2O-pitoisuuksilla ei ole suurta eroa, kuten kuvasta 36 ilmenee. 79 Kuva 36 Oki-ilmastimella ilmastetussa altaassa N2O-pitoisuus kohdissa C ja A, ilmastin välillä suljettuna, Nummelassa Mitatut happipitoisuudet altaan reunoilla, jotka olivat alle 1,0 mg/l, osoittavat, että ainakaan altaan reunoilla nitrifikaatiota ei päässyt tapahtumaan, mitä Oki-ilmastimen avulla haettiin. Altaassa saattoivat vallita liian hapelliset olosuhteet kunnollista denitrifikaatiota varten. Kappaleessa 3.3.1 on esitetty kirjallisuudessa tuloksia, joiden mukaan olot, joissa denitrifikaatiossa paikalla on happea, vaikeuttavat denitrifikaatiota ja lisäävät N 2O:n muodostumista. OKI-ilmastimen vaikutus voisi juuri aiheuttaa tämän kaltaisen tilanteen altaaseen kohtaan C. Tosin C kohdassa ei muodostunut enempää typpioksiduulia kuin Akohdassa, kun ilmastus keskeytettiin. Kohtien A ja C välillä vallitsi hyvin samankaltaiset olosuhteet N2O:n vapautumisen kannalta. Jotta saisi luotettavan kuvan, miten ilmastin vaikutti altaan N2O:n päästöihin, täytyisi tietää pidemmältä ajalta N 2O-pitoisuus altaasta, kun ilmastin on sammutettu. Tällöin tuloksia ilmastetusta ja ilmastamattomasta lohkosta voisi verrata keskenään. Ilmastimen aiheuttava turbulenssi voi selittää OKI-ilmastimen yläpuolella mitatut pienet N2O-pitoisuudet. Mittalaite mittaa kaasupitoisuutta ppm:nä joten sillä, miten kaasut pääset kuvun sisällä ja sieltä ulos, on vaikusta laitteen antamaan lukemaan. Ilmastin aiheutti ilman 80 sekoittumista mittakuvun sisällä niin, että ilma vaihtui nopeammin, joten N 2O:n määrä koko kaasumäärässä pieneni. 6.6.2 Metanolin lisäys Nummelassa käytetään metanolia lisähiilenlähteenä anoksiseen lohkoon denitrifikaation parantamiseksi. Denitrifikaatiossa bakteerit tarvitsevat hiiltä. Kesällä altaassa oli OKIilmastin, jota käytetään ilmastimena nitrifikaatioprosessissa. Altaan reunoilla kuitenkin vallitsi vähähappiset olot kuten kappaleessa 6.6.1 tuli esille. Talvella denitrifikaatiossa ilman ilmastinta happipitoisuus altaassa oli hyvin samaa luokkaa kuin kesällä altaan reunalla ilmastimen kanssa eli noin 0,45 mg/l. Voidaan olettaa, että ainakin altaan reunoilla tapahtui denitrifikaatiota. Kuvassa 37 on kahden vuorokauden N2O-pitoisuus ilmastusaltaan ensimmäisestä lohkosta. Kuvaan on merkattu aikaväli, jolloin metanolia ei lisätty. Metanolin syötön keskeyttämisellä ei näytä olevan vaikutusta N2O:n vapautumiselle. Typpioksiduulipitoisuus nousee keskipäivän aikana normaalin vuorokausivaihtelun takia, kuten kappaleessa 6.4.2 esitetään. Seuraavana päivänä metanolin lisäyksen kanssa (15.6.) N2O-pitoisuudet ovat samaa luokkaa kuin 14.päivä keskeytyksen aikana. Metanolin syötön keskeytys ei todennäköisesti aiheuttanut 14.päivän N2O:n määrän huippua, sillä samanlainen huippu löytyy seuraavalta päivältä, jolloin metanolia lisättiin normaalisti. Koska N2Opitoisuudessa tapahtuu koko ajan muutosta, on vaikea arvioida, onko lisääntynyt päästö normaalia päivävaihtelua vai johtuuko se metanolin syötön katkaisusta. Nitrifikaatio ei vaadi hiiltä toimiakseen, joten sen puolesta ilmastimen ollessa päällä ei metanolia tarvitsisi lisätä. Tämä huomioiden metanolin syötöllä tai sen keskeytyksellä ei pitäisi olla vaikutusta N2O:n määrän synnylle, jos altaassa tapahtuu nitrifikaatiota. Oikeastaan liika hiili nitrikaatiossa voi aiheuttaa N2O:n syntyä (Van Niel et al., 1993, viitannut Kampschreur, 2009)., Anderson, 1993). Tämän takia ei metanolia kannata lisätä, jos allasta ilmastetaan. Jos altaan halutaan nitrifioivan, täytyy pitää huoli, että hapen määrä on riittävä altaassa. 81 OKI-ilmastin ei välttämättä ole tarpeeksi tehokas lisäämään happea veteen, jotta se saisi altaan nitrifioimaan. Ainakin altaan reunoilla vallitsevat niin vähähappiset olot, että nitrifikaatio ei toimi. Kappaleessa 6.6.1 esitetäänkin, että koko altaassa esiintyisi todennäköisesti denitrifikaatiota eikä niinkään nitrifikaatiota. Jos oletetaan, että allas denitrifioisi, niin hiilen syötöllä voisi olla vaikutusta N 2O:n muodostumiselle. Hiilenpuute voi aiheuttaa denitrifikaatiossa N2O:n syntyä. Mittaustulosten mukaan hiilen syötön lopetus ei näkynyt N2O:n määrässä. Allas on heti prosessin alussa, joten hiiltä voi olla tarpeeksi jäljellä jätevedessä bakteerien käyttöön, eikä metanolin lisäystä tarvitsisi sen puolesta tehdä. Tämän takia metanolin syöttö voi olla turhaa, sillä hiiltä on altaassa tarpeeksi muutenkin. Kuva 37 N2O-pitoisuus ilmastusaltaalla lohkossa 3 Nummelassa, metanolin syöttö keskeytetty välillä 82 7 Johtopäätökset Typpioksiduulin ilmastoa lämmittävä vaikutus on kolmesataa kertaa pahempi kuin hiilidioksidin. Sitä muodostuu luonnossa biologisissa prosesseissa ilmakehässä, maaperässä ja vesistöissä. Sitä syntyy myös ihmisten toiminnan myötä kuten jäteveden biologisten prosessien yhteydessä. Jäteveden puhdistamoiden aktiivilieteprosessissa vapautuvan typpioksiduulin tarkkaa syntymekanismia ei tunneta. Jotta sen syntyä voitaisiin ehkäistä, pitäisi tietää millaiset olosuhteet laitoksilla aiheuttavat N2O-päästöjä. Tätä työtä varten tehdyissä mittauksissa käytetty kaasuanalysaattori soveltui hyvin kaasuna vapautuvan typpioksiduulipitoisuuden määrittämiseen jätevedenpuhdistuslaitoksilla. Jatkuvatoiminen analysaattori mahdollisti sen, että tietoa saatiin usean vuorokauden ajalta ja eri vuorokauden ajoilta, mikä on todella tärkeää jätevesiprosessissa tapahtuvan olosuhteiden vaihtelun vuoksi. Tulosten perusteella vapautuvan N2O:n määrän vaihtelua esiintyi vuorokauden sisällä, vuorokausien välillä ja eri vuodenaikoina. Laitokselle tulevan jäteveden määrä ja laatu vaihtelee päivän aikana ja tämä näkyy myös N2O:n muodostumisessa. Mittauksia tehtiin ilmastusaltailla ilmastetuissa ja ilmastamattomissa lohkoissa ja jälkiselkeytysaltailla. Vääräkosken puhdistamolla mitattiin myös väliselkeytysaltaiden N2O-pitoisuuksia. Jälkiselkeytysaltailta mitattiin lähes yhtä korkeita N 2O-pitoisuuksia kuin ilmastusaltailta. Tässä työssä selvitettiin ensimmäistä kertaa jälkiselkeytysaltaiden päästöjä ja todettiin, että pitoisuudet ovat yhtä korkeita siellä kuin ilmastusaltaista vapautuvat päästömäärät. Pitoisuudet jälkiselkeytysaltaiden eri kohdissa vaihtelivat, kun tutkittiin nopeiden mittausten avulla jälkiselkeytysaltaita pituussuuntaisesti. Ilmastusaltaissa ilmastettujen ja ilmastamattomien lohkojen N2O-päästöissä oli suuria eroja niin, että ilmastetuissa lohkoissa N2O:ta vapautui enemmän. Tulokset ovat vertailukelpoisia keskenään, koska mittausjärjestelyt olivat samanlaiset joka laitoksella. Kolmella laitoksella suoritettiin mittauksia kahdella eri mittausjaksolla talvella ja kesällä. Näin saatiin tietoa laitosten toiminnasta hyvin erilaisissa prosessioloissa. Kesän 83 mittausjakson aikana prosessit laitoksilla olivat toipuneet lumien sulamisvesien aiheuttamista ongelmista, joita esiintyy talvella ja keväällä. Mittaukset tehtiin samoissa kohdissa laitoksilla, joten voitiin vertailla talven ja kesän tuloksia keskenään. Viikinmäen jälkiselkeytysaltailta saadut tulokset maalis-, kesä, ja heinäkuussa osoittavat, miten N2Opäästöt vaihtelivat paljon talven ja kesän välillä. Maaliskuussa mitatut pitoisuudet olivat huomattavasti suuremmat kuin heinäkuussa mitatut. Kirjallisuudesta löytyy paljon erilaisia arvioita siitä, kuinka paljon puhdistamoille tulevasta typestä vapautuu N2O:na. IPCC suosittelee käytettävän arviota 0,035 prosenttia. Tämän työn tutkimusten perusteella 0,77 prosenttia Viikinmäelle tulevasta typestä vapautuisi N2O:na. Nummelassa luku on 0,34 ja Hermanninsaaressa 0,01. Viikinmäen ja Nummelan prosenttiluvut ovat suuremmat kuin suurin osa kirjallisuudessa esitetyistä arvioista. Usein kirjallisuudessa esitetyt arviot perustuvat laboratorio-oloissa suoritettuihin tutkimuksiin tai jätevedenpuhdistamoilta otettuihin satunnasiin näytteeseen. Koska N2O-pitoisuus vaihtelee niin vuorokauden ajan, vuodenajan kuin mittauspaikan mukaan, ei riitä, että N 2O-päästöjä arvioidaan satunnaisesti otettujen näytteiden avulla. Myöskään laboratorio-oloissa saadut tulokset eivät voi koskaan olla yhtä luotettavia kuin puhdistamoilla mitatut. Tässä työssä esitetyt luvut perustuvat pitkäaiksiin mittauksiin laitoksilla, mikä tuo luotettavuutta tuloksiin. Ulkoaltailla pystyttiin tekemään vain lyhyitä mittauksia kesällä, joten niiden tulokset eivät ole niin kattavat kuin sisälaitoksilta saadut. Ulkoaltaiden pitoisuudet olivat huomattavan paljon pienemmät kuin millään sisälaitoksella. Mittaukset suoritettiin samalla tavalla niin sisällä kuin ulkona, ja sisälaitosten typenpoistoprosessit toimivat yhtä hyvin kuin ulkolaitosten. Olisi mielenkiintoista selvittää, johtuivatko ulkoaltailta saadut pienet N2Opäästöt mittaustavasta vai ulkolaitosten prosessin toiminnasta. Ilmastusaltailta saatujen tulosten mukaan ilmastetuista lohkoista vapautui enemmän N2O:ta kuin denitrifikaatio-osasta. N2O-pitoisuus kasvoi oksisten lohkojen myötä niin, että viimeisestä ilmastetusta lohkosta mitattiin ilmastusaltaan korkein N 2O-pitoisuus. Viikinmäen tulosten perusteella havaittiin, että kun hapen määrä ilmastusaltaassa on 84 riittävän suuri, ei hapen lisäämisellä voida vaikuttaa N2O:n muodostumiseen. Mittausten aikana havaittiin myös, että hetkelliset tai pienet muutokset prosessissa kuten metanolin syötössä tai happipitoisuudessa eivät näkyneet N2O:n muodostumisessa. Muutokset prosessioloissa täytyisi olla suuria tai pitkäaikaisia, jotta N2O:ta ehtisi muodostua. Näitä äkkinäisiä olosuhteiden muutoksia laitoksilla tulisikin välttää, jos halutaan ehkäistä N2O:n muodostumista. Varsinkin olosuhteet, jotka luovat tilanteen, että happea on liikaa denitrifikaation toimimisen kannalta ja nitrifikaatiolle liian vähän, saattavat aiheuttaa N2Opäästöjä. IPCC:n arvion mukaan jätevesistä suurimmat typpioksiduulipäästöt aiheutuvat vasta vesistöissä, kun käsitelty jätevesi päätyy sinne. Käsitelty jätevesi sisältää edelleen typpeä, ja biologinen toiminta typenkierron osalta jatkuu edelleen vesistöissä. Tätä kautta N2O:ta pääsee muodostumaan, jos olosuhteet sen muodostumiselle ovat hyvät. Typen poistaminen jätevesistä on tärkeää, jos halutaan ehkäistä N2O:n vapautumista vesistöistä. Tosin typenpoiston optimoinnissa N2O-päästöjen minimoimiseksi on vielä paljon tutkittavaa. 85 Lähteet Ahn, J. H., Kim, S., Park, H., Katehis, D., Pagilla, K., Chandran, K. 2009, "Spatial and temporal variability in N2O generation and emission from wastewater treatment facilities" Nutrient Removal Anderson, I.C. 1993, "A comparison of NO and N20 production by the autotrophic nitrifier Nitrosomonas europaea and the heterotrophic nitrifier Alcaligenes faecalis", Applied and Environmental Microbiology, vol. 59, no. 11, pp. 3525-3533. van Benthum, W.A.J., Garrido, J.M., Mathijssen, J.P.M., Sunde, J., van Loosdrecht, M.C.M., Heijnen, J.J. 1998. "Nitrogen removal in intermittently aerated biofilm airlift reactor". Journal of Environmental Engineering 124 (3), 239–248. Barton, L. 2011, "Nitrous oxide fluxes from a grain-legume crop (narrow-leafed lupin) grown in a semiarid climate", Global Change Biology, vol. 17, no. 2, pp. 1153-1166. Bock, E. 1995, "Nitrogen loss caused by denitrifying Nitrosomonas cells using ammonium or hydrogen as electron donors and nitrite as electron acceptor", Arch Microbiol vol. 163, no. 1, pp. 16. Bouwman, A.F. 1996, "Direct emission of nitrous oxide from agricultural soils", Nutrient cycling in agroecosystems., vol. 46, no. 1, pp. 53-53. Burgess, J.E. 2002a, "Dinitrogen oxide production by a mixed culture of nitrifying bacteria during ammonia shock loading and aeration failure", Journal of industrial microbiology & biotechnology, vol. 29, no. 6, pp. 309-313. Burgess, J.E. 2002b, "Dinitrogen Oxide Detection for Process Failure Early Warning Systems", Water Science & Technology, vol. 45, no. 4, pp. 247. Cleemput, O.v. 1998, "Subsoils: chemo- and biological denitrification, N2O and N2 emissions", Nutrient cycling in agroecosystems., vol. 52, no. 2-3, pp. 187-194. 86 Colliver, B.B. 2000, "Production of nitrogen oxide and dinitrogen oxide by autotrophic nitrifiers", Biotechnology Advances, vol. 18, no. 3, pp. 219-232. Czepiel, P., Crill, P. & Harriss, R. 1995, "Nitrous oxide emissions from municipal wastewater treatment", Environmental science & technology, , pp. 2352-2356. van Dongen, L.G.J.M., Jette,. M.S.M ja van Loosdrecht, M.C.M. 2001, The combined Sharon/Anammox process – A sustainable method for N-removal from sludge water. IWA Publishing, Lontoo Gasmetin kotisivut. 2011. Saatavilla: http://gasmet.fi/. 24.11.2011 Gejlsbjerg, B. 1998, "Dynamics of N sub(2)O production from activated sludge", Water research, vol. 32, no. 7, pp. 2113-2113. Giraldo, E. 2009, "Nitrous Oxide Emissions from Wastewater Treatment Plants. A Balancing Act", Nutrient Removal Hanaki, K. 1992, "Production of nitrous oxide gas during denitrification of wastewater", Water Science and Technology 26, no. 1-12, pp. 1027-1036. Henze, M., Harremoës, P., Jansen, J.C., ja Arvin, E. 2002. Wastewater treatment: Biological and Chemical Processes. 3rd Ed. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Saksa. Hiatt, W.C. 2008, "Application of the Activated Sludge Model for Nitrogen to Elevated Nitrogen Conditions", vol. 80, no. 11, pp. 2134-2144. Hiatt, W. C., ja Grady, C. P.L., Jr. 2009, "Design and Operation Optimization to Minimize the Production of Nitrous Oxide in Nitrification-Denitrification Activated Sludge Systems", Nutrient Removal Spartanburg, South Carolina 87 Holtan-Hartwig, L. 2002, "Low temperature control of soil denitrifying communities: kinetics of N2O production and reduction", Soil biology & biochemistry., vol. 34, no. 11, pp. 1797-1797. IPCC, 2006, 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories. In: Eggleston, H.S., Buendia, L., Miwa, K., Ngara, T., Tanabe, K. (Eds.). IGES, Japan, pp. 6.24–26.26. IPCC 2007, Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge, UK: Cambridge University Press. Isaka, K. 2008, "Nitrogen Removal Performance Using Anaerobic Ammonium Oxidation at Low Temperatures", FEMS microbiology letters, vol. 282, no. 1, pp. 32. Itä-Suomen ympäristölupavirasto, 2005. Lupapäätös nro 126/05/1 Vääräkosken jätevedenpuhdistamon ympäristölupa. Luvan hakija Orimattilan Vesi Oy Johnson, B.R. ja Hiatt, W.C. 2009, "Nitrogen removal system impacts on secondary treatment greenhouse gas production and whole plant carbon footprint" Nutrient Removal Kampschreur, M.J. 2009, "Nitrous oxide emission during wastewater treatment", vol. 43, no. 17, pp. 4093-4103. Kampschreur, M.J. 2008a, "Dynamics of nitric oxide and nitrous oxide emission during full-scale reject water treatment", vol. 42, no. 3, pp. 812. Kampschreur, M.J. 2008b, "Effect of Dynamic Process Conditions on Nitrogen Oxides Emission from a Nitrifying Culture", Environmental science & technology, vol. 42, no. 2, pp. 429-435. Kangas, A. 2004, Jätevedenpuhdistamojen viemärilaitosyhdistys, Helsinki. 88 toiminta ja toteutukset, Vesi- ja Kartal, B., Kuypers, M.M.M., Lavik, G., Schalk, J., Op, D.C., Jetten, M.S.M. & Strous, M. 2007, "Anammox bacteria disguised as denitrifiers: Nitrate reduction to dinitrogen gas via nitrite and ammonium", Environmental microbiology, vol. 9, no. 3, pp. 635-642. Kimochi, Y. 1998, "Nitrogen Removal and N sub(2)O Emission in a Full-Scale Domestic Wastewater Treatment Plant with Intermittent Aeration", Journal of Fermentation and Bioengineering, vol. 86, no. 2, pp. 2O2-206. Länsi-Suomen ympäristölupavirasto, 2004. Lupapäätös nro 56/2004/1 Viikinmäen jätevedenpuhdistamon ympäristölupa. Luvan hakija Helsingin vesi Länsi-Suomen ympäristölupavirasto, 2007a. Lupapäätös nro 33/2007/1 Nummelan jätevedenpuhdistamon ympäristölupa. Luvan hakija Vihdin kunta Vesihuoltolaitos Länsi-Suomen ympäristölupavirasto, 2005. Lupapäätös nro 24/2005/1 Hermanninsaaren jätevedenpuhdistamon ympäristölupa. Luvan hakija Porvoon vesi Länsi-Suomen ympäristölupavirasto, 2007b. Lupapäätös nro 26/2007/1 Suomenojan jätevedenpuhdistamon ympäristölupa. Luvan hakija Espoon Vesi Mcmahon, P.B. 1999, "N sub(2)O Emissions from a Nitrogen-Enriched River", Environmental science & technology, vol. 33, no. 1. Mosier, A., Kroeze, C., Nevison, C., Oenema, O., Seitzinger, S., van Cleemput O., 1999. An overview of the revised 1996 IPCC guidelines for national greenhouse gas inventory methodology for nitrous oxide from agriculture. Environmental Science and Policy 2 (3), 325–333. Noda, N. 2003, "Effects of SRT and DO on N sub(2)O reductase activity in an anoxic-oxic activated sludge system", vol. 48, no. 11-12, pp. 363-370. Otte, S. & Grobben, N.G. 1996, "Nitrous oxide production by Alcaligenes faecalis under transient and dynamic aerobic and..", Applied & Environmental Microbiology, vol. 62, no. 7, pp. 2421. 89 Painter, H. A. 1986, "Nitrification in the Treatment of Sewage and Waste-Waters. In Nitrification; Prosser, J. I., Ed.; Special Publications of the Society for General Microbiology 20; IRL Press: Oxford, 1986; pp 185-211 Park, H. 2006, "Occurrence of Ammonia-Oxidizing Archaea in Wastewater Treatment Plant Bioreactors", Applied and Environmental Microbiology, vol. 72, no. 8, pp. 56435643. Park, K.Y., Kim, S.J., Jung, J.Y. & Lee, S.H. 2007, "Reduction of N2O emission from biological nitrogen removal processes by Alcaligenes faecalis augmentation", Journal of Industrial and Engineering Chemistry, vol. 13, no. 4, pp. 508-511. Park 2000, K.Y., "Emission and control of nitrous oxide from a biological wastewater treatment system with intermittent aeration", Journal of Bioscience and Bioengineering, vol. 90, no. 3, pp. 247-252. Pietiläinen, O-P. (toim) 2008, Yhdyskuntien typpikuormitus ja pintavesien tila. Suomen ympäristö 46, pp. 28-29 Rantanen, P., Aurola, A-M., Hakkila, K., Hernesmaa, A., Jørgensen, K., Laukkanen, R., Melasniemi, H., Meriluoto, J., Nikander, S., Pelkonen, M., Renko, E., Valve, M., Pauli, A. 1999, Biologisen fosforin- ja typenpoiston tehokkuus, prosessiohjaus ja mikrobiologia. Oy Edita Ab, Helsinki. Suomen ympäristökeskuksen julkaisu No 318. ISBN 352-11-0508-9, pp. 11-13. Robertson, L.A., Dalsgaard, T., Revsbech, N.P., Kuenen, J.G., 1995." Confirmation of aerobic denitrification in batch cultures, using gas-chromatography and N-15 massspectrometry". FEMS Microbiology Ecology 18 (2), pp.113–119. Schulthess, R.V. 1994, "Nitric and Nitrous Oxides from Denitrifying Activated Sludge at Low Oxygen Concentration", Water Science & Technology, vol. 30, no. 6, pp. 123. Schulthess, R.V. 1995, "Release of nitric and nitrous oxides from denitrifying activated sludge", Water research, vol. 29, no. 1, pp. 215-226. 90 Schulthess, R.V., Gujer, W., 1996. "Release of nitrous oxide (N2O) from denitrifying activated sludge: verification and application of a mathematical model". Water Research 30 (3), 521–530. Schalk-Otte, S. 2000, "Nitrous oxide (N sub(2)O) production by Alcaligenes faecalis during feast and famine regimes", Water research, vol. 34, no. 7, pp. 2080-2088. Sivret, E.C. 2008, "Nitrous oxide monitoring for nitrifying activated sludge aeration control: A simulation study", Biotechnology and bioengineering, vol. 101, no. 1, pp. 109-118. Sommer, J., Ciplak, A., Sumer, E., Benckiser, G., Ottow, J.C.G., 1998. "Quantification of emitted and retained N2O in a municipal wastewater treatment plant with activated sludge and nitrification-denitrification units". Agrobiological Research 51 (1), 59–73. Suomen ympäristökeskus, 2011, VAHTI tietokanta Sørensen, ,J.J. 1980, "Inhibition by sulfide of nitric and nitrous oxide reduction by denitrifying Pseudomonas fluorescens", Applied and Environmental Microbiology, vol. 39, no. 1, pp. 105-105. Sumer, E., Weiske, A., Benckiser, G. & Ottow, J.C.G. 1995, "Influence of environmental conditions on the amount of N2O released from activated sludge in a domestic waste water treatment plant", Experientia, vol. 51, no. 4, pp. 419-422. Tallec, G. 2008, "Nitrous oxide emissions from denitrifying activated sludge of urban wastewater treatment plants, under anoxia and low oxygenation", vol. 99, no. 7, pp. 2200. Tallec, G. 2006a, "Nitrous Oxide Emissions from Secondary Activated Sludge in Nitrifying Conditions of Urban Wastewater Treatment Plants: Effect of Oxygenation Level", Water research, vol. 40, no. 15, pp. 2972. 91 Tallec, G. 2006b, "Nitrogen removal in a wastewater treatment plant through biofilters: nitrous oxide emissions during nitrification and denitrification", Bioprocess and Biosystems Engineering, vol. 29, no. 5-6, pp. 323-323. Tchobanoglous, G., Nurton F.L and Stensel, H.D. 2003, Wastewater engineering:treatment and reuse. 4th es. Metcalf & Eddy, Inc McGraw-Hill International Editions. Civil Engineering Series. Thoern, M. 1996, "Variation of nitrous oxide formation in the denitrification basin in a wastewater treatment plant with nitrogen removal", Water research, vol. 30, no. 6, pp. 1543-1547. Udert, K.M., Larsen, T.A. & Gujer, W. 2005, "Chemical nitrite oxidation in acid solutions as a consequence of microbial ammonium oxidation", Environmental Science and Technology, vol. 39, no. 11, pp. 4066-4075. Valtonen, M. 2010, Lohjan kaupunki Pitkäniemen puhdistamon kuormitustarkkailu vuosiyhteenveto 2009, Länsi-Uudenmaan vesi ja ympäristö ry:n tutkimusraportti 189/2010 Van Niel, E.W.J., Arts, P.A.M., Wesselink, B.J., Robertson, L.A., Kuenen, J.G., 1993. Competition between heterotrophic and autotrophic nitrifiers for ammonia in chemostat cultures. FEMS Microbiology Ecology 102 (2), 109–118. Wallace, S. & Austin, D. 2008, "Emerging Models for Nitrogen Removal in Treatment Wetlands", Journal of environmental health, vol. 71, no. 4, pp. 10-16. Wicht, H. 1996, "A model for predicting nitrous oxide production during denitrification in activated sludge", Water Science & Technology, vol. 34, no. 5-6. Versteeg, G.F ja van SwaaiJ, W.P.M, 1988,"Solubility and Diffusivity of Acid Gases (COP, N20) in Aqueous Alkanolamine Solutions", J. Chem. Eng. Data, 33,pp. 29-34 92 Zeng, R.J. 2003, "Enrichment of denitrifying glycogen-accumulating organisms in anaerobic/anoxic activated sludge system", Biotechnology and bioengineering, vol. 81, no. 4, pp. 397-397. Zheng, H. 1994, "Production of Nitrous Oxide Gas During Nitrification of Wastewater", Water Science & Technology, vol. 30, no. 6, pp. 133-141. Zumft, W.G.W. 1997, "Cell biology and molecular basis of denitrification", Microbiology and molecular biology reviews : MMBR, vol. 61, no. 4, pp. 533-616. 93 Liiteluettelo Liite 1. Viikinmäen jätevedenpuhdistamon prosessikaavio. 1 sivu Liite 2. Nummalan jätevedenpuhdistamon prosessikaavio. 1 sivu Liite 3. Vääräkosken jätevedenpuhdistamon prosessikaavio. 1 sivu Liite 4. Pitkäniemen jätevedenpuhdistamon prosessikaavio. 1 sivu Liite 5. Hermanninsaaren jätevedenpuhdistamon prosessikaavio. 1 sivu Liite 6. Suomenojan jätevedenpuhdistamon prosessi kaavio. 1 sivu Liite 7. Mittausaikataulu. 2 sivua Liite 8 Viikinmäen virtauskaavio ylhäältäpäin. 1sivu Liite 9 Nummelan virtauskaavio ylhäältäpäin. 1 sivu Liite 10 Vääräkosken virtauskaavio ylhäältäpäin. 1sivu Liite 11 Pitkäniemen virtauskaavio ylhäältäpäin. 1 sivu Liite 12 Hermanninsaaren virtauskaavio ylhäältäpäin. 1 sivu Liite 13 Suomenojan virtauskaavio ylhäältäpäin. 1sivu Liite 14 Näytteiden suodattaminen ilmastusaltaalla Nummelassa. 1 sivu Liite 15 Viikinmäen N2O-päästöt vuodessa, laskut. 1sivu Liite 1 Viikinmäen jätevedenpuhdistamon prosessikaavio Liite 2 Nummelan jätevedenpuhdistamon prosessikaavio Liite 3 Suomenojan jätevedenpuhdistamon prosessikaavio Liite 4 Pitkäniemen jätevedenpuhdistamon prosessikaavio Liite 5 Hermanninsaaren jätevedenpuhdistamon prosessikaavio Liite 6 Vääräkosken jätevedenpuhdistamon prosessikaavio Puhdistamon allastilavuuksia: tulevan veden tasausallas V= 300 m 3 sakokaivolieteallas V= 50 m 3 ilmastusallas V= 2*593 m 2 väliselkeytys A= 2*218 m 2 jälkiselkeytys A= 2*251 m 3 Liite 7 Mittausaikataulu Talvi laitos päivämäärä Viikinmäki 25.-28.1 28.3.-1.3. jälkiselkeytys, kohta C vuorokausimittaus 1.-2.3 jälkiselkeytys, kohdat B vuorokausimittaus 2.3-3.3. jälkiselkeytys, kohta A 3.3. 3.-7.3. 7.-9.3 9.3. ilmastusallas, lohko 3 vuorokausimittaus vuorokausimittaus otetut näytteet huomiotavaa 1.1. 1 kpl kohdat AB 2.1. 3 kpl kohta B 3.1. 1 kpl kohdat AB 7.3. 5 kpl kohta A 8.3. 2 kpl anox.lohko 9.3. 2 kpl anox. ja loh. 3 16.3. ilmastuksen lopettaminen vuorokausimittaus ilmastusallas, lohko 3 automaattiajolla, 10.3. kupu ilmastusaltaan ox.lohkojen 15.3. jälkiselk. 4+4 ilmastuallas, lohkot 2, 5 ja 6 profiili kpl, suodatettu+ ilmastusallas, anox. , 16.3. 3 kpl kohdat mittauskohta ox.lohko 1 ja 2 tuntimittaus A,D,E anox.lohkossa A 16.-18.3. ilmastusallas, ox.lohko 2 vuorokausimittaus 18.3. ilmastusallas, ox.lohko 1 tuntimittaus 18.3. ilmastusallas, anox.lohko metanolin syötön katkaisu jälkiselkeytys, linja 1, kohta H vuorokausimittaus jälkiselkeytysaltaan jälkiselkeytys, kohdat F ja G pituussuuntainen profiili 3 kpl kohdat F-H, 1kpl kohta E vuorokausimittaus 22.-23.3. ilmastusallas, ox.lohko 2 nopea mittaus anox., ox.lohko 2 12 kpl 25.-28.3. jälkiselkeytys, kohta B vuorokausimittaus 28.-29.3. jälkiselkeytys, kohta A vuorokausimittaus väliselkeytys, linja 1, kohta B vuorokausimittaus väliselkeytys, kohdat, B, C, A ja n profiilimittaus 11.3. 18.-21.3 21.3. 21.-22.3. Orimattila vuorokausimittaus jälkiselkeytysaltaan jälkiselkeytys, kohdat B ja C pituussuuntainen profiili jälkiselkeytys, kohta A ilmastusallas, linja 2, anox.lohko 9.-11.3. Nummela allas ja mittauskohta mittauksen tarkoitus jälkiselkeytys, linja 2, kohta A vuorokausimittaus 28.3. 29.3. 29.-30.3. 30.3. vuorokausimittaus väliselkeytys, kohta n vuorokausimittaus ilmastusallas, linja 1, kohta B ja A tuntimittaus mittauskohta anox.lohkossa A automaattinen näytteenotto lietteen pumppaus väliselk. 28.3. klo 7.00 28.3. 2 kpl kohta A 28.3. 1 kpl kohta B 29.3. 3 kpl 1 + lietenäyte 30.3. 2kpl kohta B lohko anox. kesä laitos päivämäärä allas ja mittauskohta jälkiselkeytys, kohta A Viikinmäki 1.-3.6. (linja 3) jälkiselkeytys, kohdat A, B 3.6. ja C ilmastusallas, anox.lohko 3.-6.6. (linja 3) Nummela vuorokausimittaus vuorokausimittaus 7.6. ilmastusallas, lohko 4 ajoa eri happipitoisuuksilla 7.-9.6 9.6. ilmastusallas, lohko 4 vuorokausimittaus ilmastusallas, lohkot 4,5, ja ilmastusaltaan ox.lohkojen 6 profiili 10.-13.6 ilmastusallas ox. lohko 2 13.6. ilmastusallas, "anox.lohko" metanolin syöttö pois päältä 13.-15.6 ilmastusallas, "anox.lohko" vuorokausimittaus 14.6. 5 kpl 15.6. 1kpl lähtevä 16.-20.6 ilmastusallas, "anox.lohko" jälkiselkeytys, linja 1, kohdat F, G ja H jälkiselkeytys, linja 1, kohta H 20.6. ilmastusallas, "anox.lohko" Okin sammuttaminen 21.-23-6. 28.-29.6 jälkiselkeytys, kohta A väliselkeytys, linja 2, kohta B väliselkeytys, linja 1 ja 2, kohta A väliselkeytys, linja 1, kohta B 29.6. ilmastusallas linja 1, kohta tunnin mittaus 2 kpl suod. 29.-4.7 jälkiselkeytys, kohta B ilmastusallas, denitrifikaatio lohko, kohdat ilmastusallas, ox.lohkot, kohdat 1,2,3 ja 4 vuorokausimittaus tunnin mittaus, pituussuuntainen profiili tunnin mittaus, pituussuuntainenprofiili 29.6. 2 kpl kohta B jälkiselkeytys ilmastusallas, ox ja anox. lohkot, linja 2, kohdat A-D tunnin mittaus tunnin mittaus, pituussuuntainen profiili 2 kpl, 1 kpl lähtevä 4 kpl suod. kohdat A-D tunnin mittaus 2 kpl, 2 kpl lähtevä 20.7. jälkiselkeytys, linja 2 ilmastusallas, linja 3, ox.lohko 7 ilmastusallas, ox. ja anox. lohkot 5, 4 ja 2 tunnin mittaus tunnin mittaus, pituussuuntainen profiili 5 kpl suod. 4 kpl lohkot 5,4, ja 2 21.7. ilmastusallas , ox.lohko 1 tunnin mittaus 2 kpl suod. 25.7. jälkiselkeytys, linja 3 tunnin mittaus jälkiselkeytys, linja 3, kohta A vuorokausimittaus 28.6. 4.7. 5.7. 6.7. Porvoo 6.6. 3 kpl kohdat AC ilmastusallas, lohko 3 23.-28.6 Lohja vuorokausimittaus jälkiselkeytysaltaan pituussuuntainen profiili 6.-7.6. 16.6. Orimattila tarkoitus 11.7. 13.7. Suomenoja 19.7. Viikinmäki 27.7-1.8. 8.6. 1 kpl suod. lohko 4 vuorokausimittaus etäisyyden Okista vaikutus jälkiselkeytysaltaan pituussuuntainen profiili 3 kpl kohdat F-H vuorokausimittaus vuorokausimittaus vuorokausimittaus linjojen vertailu ja altaiden pituussuuntainen profiili 1 kpl kohta H, 1kpl lähtevä 21.6. 1kpl 27.6. 3kpl kohta B, 3 kpl suod. tuleva 7 kpl kohdat A ja B molem. linjat, 2 kpl vuorokausimittaus 2 kpl kohdat A ja B 4 kpl suod. kohdat C-F 4 kpl kaikki lohkot ox. Liite 8 Viikinmäen virtauskaavio Liite 9 Nummelan virtauskaavio ylhäältäpäin Liite 10 Vääräkosken virtauskaavio ylhäältäpäin Liite 11 Pitkäniemen virtauskaavio ylhäältäpäin Liite 12 Hermanninsaaren virtauskaavio ylhäältäpäin Liite 13 Suomenojan virtauskaavio ylhäältäpäin Liite 14 Näytteiden suodattaminen ilmastusaltaalla Nummelassa Taulukossa 1 on laboratorioanalyysien tulokset Nummelan ilmastusaltaan toisesta ilmastetusta lohkossa, jossa oli suodatin. Näytteet on otettu 22.3. Näytteiden numero 1, 2 ja 4 kanssa otettiin rinnakkaisnäytteet, jotka oli suodatettu altaassa olevan suodattimen läpi. Taulukossa laitoksella suodatetut näytteet on nimetty ”suod”-merkinnän avulla. Merkintä sf tarkoittaa, että jo kerran laitoksella suodatetut näytteet suodatettiin laboratoriossa ennen analyysien tekoa. Näytteet, jotka suodatettiin vasta laboratoriossa, ovat sinisellä pohjalla taulukossa. Kun tarkastellaan saraketta, jossa on ilmoitettu näytteiden kokonaistyppi (keltaisella pohjalla), huomataan, että näytteissä, joita ei suodatettu heti, typen määrä on puolet siitä, mitä suodatetuissa näytteissä on. Syy tähän löytyy sarakkeesta, missä on nitraatin ja nitriitin määrä (keltaisella pohjalla). Suodattamattomista näytteistä nitraatti ja nitriitti ovat lähes kokonaan kadonneet. Kun näytteitä ei suodatettu, siihen jääneet mikrobit jatkoivat toimintaansa muuttaen typen typpikaasuksi, joka vapautui, kun korkit avattiin näytepulloista laboratoriossa. Ilmiö havaittiin vasta, kun talven mittaukset oli tehty ja näytteet niitä koskevat näytteet otettu. Talvella otettuja näytteitä ei ole suodatettu paitsi taulukossa 19 olevien näytteiden osalta. Taulukko 1 Analyysien tuloksia Nummelan ilmastusaltaalta toisesta ilmastetusta lohkosta 22.3. klo näyte 10:35 ox 1 ox 1 suod ox 1 sf 12:00 ox 2 ox 2 suod ox 2 sf 14:00 ox 3 suod ox 3 sf 15:00 ox 4 ox 4 suod ox 4 sf N kok (mg/l) NH4 (mg/l) 19,1 41,9 42,5 16,1 41,3 41,5 40,5 40,9 20,2 40,6 40,7 8,6 6 6 11,5 7,6 7,6 8,6 8,6 13,5 8,4 8,4 NO3 + NO2 NO2 (mg/l) NO3 (mg/l) N loppu (mg/l) N2O (ppm) 0,2 33,5 32,9 0,3 33,1 32,0 32,1 31,5 2,8 30,9 30,8 0,1 1,8 1,8 0,0 1,8 1,8 1,8 1,8 0,3 1,8 1,8 0,1 31,6 31,2 0,2 31,3 30,3 30,3 29,7 2,5 29,1 29,1 10,3 2,4 3,6 4,3 0,6 1,9 -0,2 0,8 3,9 1,3 1,5 39 53 56 52 Liite 15 Viikinmäen N2O-päästöt vuodessa, laskut Kaasuanalysaattori ilmoittaa N2O-pitoisuuden ppm:na eli tilavuusosuutena. Tilavuusosuus muutetaan massapitoisuudeksi lausekkeen (1) avulla. m mg g M / 24,1 ppm 3 v m mol missä (1) m = massa v = tilavuus M = molekyylimassa, MN2O = 44,0 ø = tilavuusosuus Taulukossa 1 on esitetty eri tilavuusosuudet, joita on käytetty massapitoisuuksien saamiseksi. Tilavuusosuudet on arvioitu mittaustulosten perusteella. Massapitoisuus ilmoittaa, kuinka monta grammaa N2O:ta on kuutiossa. Kun tämä jaetaan tuhannella, saadaan selville, kuinka paljon N2O:ta on litrassa grammoina. Taulukko 1 Tilavuusosuudet ø [ppm] jälkiselkeytysaltaat 48 ilmastusaltaat 65 ømin [ppm] 15 50 ømax [ppm] 70 80 Kaasuanalysaattori imee 5 l/min. Tämän perusteella saadaan selville, että kaasua kuvun kokoiselta pinta-alalta vapautuu 0,0833..l/s. Kun tiedetään kuvun ja altaiden pinta-alat, voidaan laskea, paljonko N2O:ta vapautuu sekunnissa altaiden pinta-alan kokoiselta alueelta. Akupu = 0,145 m2 A jälkiselk = 16 560 m2 Ailmastus = 7 000 m2
© Copyright 2025