Mixed bed –suodatus osana vedenpuhdistusprosessia
Aalto-yliopisto Teknillinen korkeakoulu Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta Yhdyskunta- ja ympäristötekniikan tutkinto-/koulutusohjelma Sophia Zolas Mixed bed –suodatus osana vedenpuhdistusprosessia Diplomityö Espoo 31. toukokuuta 2010 Valvoja: Professori Riku Vahala Ohjaaja: Kirsi Hiillos, DI Aalto-yliopisto Teknillinen korkeakoulu Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta Yhdyskunta- ja ympäristötekniikan DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ tutkinto-ohjelma/koulutusohjelma Tekijä: Sophia Zolas Työn nimi: Mixed bed –suodatus osana vedenpuhdistusprosessia Sivumäärä: 114 Päiväys: 31.5. 2010 Professuuri: Vesihuoltotekniikka Työn valvoja: Professori Riku Vahala Työn ohjaaja(t): Julkaisukieli: Suomi Professuurikoodi: Yhd-73 Kirsi Hiillos, DI Tiivistelmä: Tutkimuksessa tutkittiin laitosmittakaavassa mixed bed –suodatuksen soveltuvuutta osaksi HSY Veden Pitkäkosken vedenpuhdistuslaitoksen pintavedenpuhdistusprosessia. Mixed bed –suodattimen suodatinmateriaali oli 1/3 Nordkalk Parfill 2/1500- kalkkikivirouhetta ja 2/3 murskattua kvartsihiekkaa. Kalkkikivirouheen raekoko oli noin 0,5 – 1,5 mm ja hiekan 0,5 – 1,0 mm. Suodatinpatjan lähtökorkeus oli noin 1,1 m. Mixed bed –suodattimen toimintaa verrattiin hiekkasuodattimen toimintaan. Suodattimille tuleva vesi oli selkeytettyä vettä. Mixed bed –suodatin poisti huomattavasti hiekkasuodatinta paremmin partikkeleita vedestä. Tämä näkyi sameuden poistossa ja rautareduktiossa. Erinomaisesta partikkelien pidätyskyvystä johtuen mixed bed –suodattimen paine-ero kasvoi nopeammin kuin hiekkasuodattimen. Mixed bed –suodattimen pesuväli oli yli kaksinkertainen hiekkasuodattimen pesuväliin verrattuna. Kalkin liukenemisesta johtuen veden pH, alkaliniteetti ja kovuus nousivat sen virratessa suodatinmateriaalin läpi. Samalla vedestä kului hiilidioksidia. Kalkin kuluessa suodatinpatjan korkeus pieneni, jolloin kontaktiaika myös lyheni. Siitä johtuen suodattimen pH:n, alkaliniteetin ja kovuuden nostokyky pieneni tasaisesti sitä mukaa, kun kalkkia kului. Kalkin kulumisnopeus oli noin 24 g/m3. Tutkimuksen perusteella olisi suositeltavaa korvata mahdollisimman moni suodatusosaston hiekkasuodattimista mixed bed –suodattimilla. Kalkkia kannattaa lisätä suodattimiin usein ja pieniä määriä kerralla, jotta vältytään pH- piikeiltä. Mitä korkeammaksi suodatusosaston pH:n voidaan antaa nousta, sitä korkeampi on alkaliniteetti lähtevässä vedessä ja sitä vähemmän alkaloivia kemikaaleja veteen tarvitsee syöttää prosessin loppuosassa, mikä alentaa kemikaalikustannuksia. Asiasanat: Alkalointi, kalkkikivi, mixed bed, pintavesi, suodatus, vedenpuhdistus 2 Aalto University School of Science and Technology Faculty of Engineering Sciences and Architecture ABSTRACT OF THE MASTER’S THESIS Degree programme of Civil and Environmental Engineering Author: Sophia Zolas Title: Mixed bed filtration as a part of a water treatment process Number of pages: 114 Date: 31.5.2010 Professorship: Water treatment technology Supervisor: Professor Riku Vahala Instructor(s): Kirsi Hiillos, M.Sc. Language: Finnish Code: Yhd-73 Abstract: This research is about studying the feasibility of a mixed bed filter to the water treatment process of Pitkäkoski water treatment facility at HSY Vesi in process scale. The filter bed of the mixed bed filter consisted of 1/3 of Nordkalk Parfill 2/1500 crushed limestone and 2/3 of crushed quartz sand. The grain size of the crushed limestone was approximately 0,5 – 1,5 mm and of the quartz sand about 0,5 – 1,0 mm. In the beginning of the study the height of the filter bed was about 1,1 m. The functioning of the mixed bed filter was compared to that of a plain sand filter. The water that was filtrated by both filters came from the clarification process. The mixed bed filter reduced particles from the water far better than the sand filter. This showed by high turbidy and iron reduction. Due to the excellent particle constraint the head loss in the mixed bed filter increased more rapidly than in the sand filter. The back wash interval of the mixed bed filter was over twice the time compared to that of the sand filter. Due to the dissolution of the limestone the pH, alkalinity and hardness of the water increased as it streamed through the filter bed. Simultaneously some of the carbon dioxide in the water was consumed. As the limestone dissolved the height of the filter bed decreased leading to an ever briefer contact period. Consequently the filter’s ability to raise the pH, alkalinity and hardness of the water decreased as the limestone dissolved away. The dissolution rate of the limestone was approximately 24 g/m3. According to this study it is recommendable to replace as many sand filters in the process as possible with mixed bed filters. The crushed limestone should be added frequently and small amounts at a time to avoid pH peaks. The higher the pH of the filter appartment can be raised to the higher the alkalinity of the water will be. Thus during the rest of the treatment process the need for alkalinization decreases and less chemicals are needed, which leads to decreasing chemical costs. Keywords: Alkalinization, filtration, limestone, mixed bed, surface water, water treatment 3 ALKUSANAT On toukokuu ja diplomityöni alkaa olla pikku hiljaa valmis. Tähän kuuteen kuukauteen on mahtunut paljon töitä ja vähän vapaa-aikaa. Joulukuussa 2009 aloitin diplomityöurakkani Helsingin Veden Pitkäkosken vedenpuhdistuslaitoksella. Kuntayhtymän myötä vuoden vaihteessa Helsingin Vedestä tuli HSY Vesi. Tutkimusosuuteni sain päätökseen maaliskuun lopulla, minkä jälkeen alkoi ahkera kirjoittaminen. Näin valmistumisen kynnyksellä haluan kiittää lämpimästi kaikkia, jotka ovat osallistuneet ja auttaneet minua tämän työn tekemisessä. Ensinnäkin haluan kiittää Vuorilehdon Veli-Pekkaa siitä, että sain tehdä diplomityöni Pitkäkosken vedenpuhdistuslaitoksella ja ohjaajaani Kirsi Hiillosta kaikesta avusta ja kommenteista. Suuret kiitokset kuuluvat käyttölaboratorion väelle, sillä he tekivät osan analyyseistäni ja helpottivat huomattavasti työtäni. Suurkiitokset siis Bildjusckinin Sarille, Munckin Kirsille, Heinosen Juhalle, Kinnarin Markolle, Laakson Tuulalle, Lindellin Liisalle ja Tammen Elinalle. Erityisesti haluan kiittää Heinosen Juhaa ja Seittenrannan Ismoa, kahta tukihenkilöä, joilta sain aina hyviä neuvoja ja ratkaisun pulmiini. Vilja Voutilaista haluan kiittää hyvästä taustatutkimuksesta ja mukavasta seurasta. Kiitokset kaikille työtovereilleni Pitkäkoskella, olette niin mukavaa porukkaa, että työympäristö on kerrassaan erinomainen! Mari Piispanen (Nordkalk Oyj Abp), kiitos yhteistyöstä ja kaikista antamistasi tiedoista. Haluan myös kiittää professoriani, Riku Vahalaa, palautteesta ja tuesta. Lopuksi haluan vielä kiittää ystäviäni ja kotijoukkojani, erityisesti puolisoani Mikko Paijaa, kaikesta tuesta ja kannustuksesta. Helsingissä 19.5.2010 Sophia Zolas 4 SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO 9 1.1 Taustaa 9 1.2 Tutkimus 9 1.3 Tavoitteet 10 2 KALKKIKIVI, -ALKALOINTI JA -SUODATUS 12 2.1 Kalkkikiven ominaisuudet 12 2.2 Kalsiumkarbonaatin liukeneminen veteen 13 2.3 Kalkkikivialkalointi 15 2.4 Suositeltava veden laatu kalkkikivialkaloinnille 18 2.5 Raudan ja mangaanin poistuminen kalkkikivisuodatuksessa 19 2.6 Sameuden ja partikkelien poisto 20 2.7 Kalkkikivisuodattimen mitoitus 27 2.8 Korroosion estäminen 28 2.9 Kalkkikiven kuluminen 31 2.10 Mikrobiologisen laadun hallinta 32 3 PROSESSINOSAT 34 3.1 Pitkäkosken vedenpuhdistuslaitoksen prosessi 34 3.2 Raakavedenotto 35 3.3 Alkukemikalointi 35 3.4 Hämmennys 36 5 3.5 Selkeytys 36 3.6 Hiekkasuodatus 37 3.7 Mixed bed -suodatus 37 3.8 Jälkikemikalointi 1 38 3.9 Otsonointi 39 3.10 Jälkikemikalointi 2 39 3.11 Aktiivihiilisuodatus 39 3.12 UV- desinfiointi 40 3.13 Jälkikemikalointi 3 40 4 KALKKIVEDEN VALMISTUS 41 4.1 Yleistä kalkkituotteista 41 4.2 Poltettu kalkki 42 4.3 Poltetun kalkin sammutus 43 4.4 Sammutettu kalkki 46 4.5 Kalkkiveden valmistus sammutetusta kalkista 48 4.5.1 Laitoksella sammutettu kalkki 48 4.5.2 Valmiiksi sammutettu kalkki 49 4.6 Poltettua vai sammutettua kalkkia 50 5 TUTKIMUSMENETELMÄT 52 5.1 Valmistelut 52 5.2 Kalkkikivi 53 5.3 Laitteisto 54 5.3.1 Suodattimien mitat 54 5.3.2 Suodatinmassojen määrät 55 5.3.3 Suodattimien pohjaratkaisut sekä pesumahdollisuudet 55 5.3.4 Pesuvesitorni 55 6 5.3.5 Ilmansyöttölaitteisto 55 5.3.6 Kalkinsyöttölaitteisto 56 5.4 Online- mittaukset 56 5.5 Pesurajojen määritys ja pesujärjestelyt 56 5.6 Analyysit ja niiden suoritustapa 63 5.6.1 Lämpötila 63 5.6.2 PH- mittaus 63 5.6.3 Sameusmittaus 63 5.6.4 UV- absorbanssin mittaus 64 5.6.5 TOC- määritys 64 5.6.6 Kovuus 64 5.6.7 Hiilidioksidi 64 5.6.8 Alkaliniteetti 64 5.6.9 Rautamääritys 65 5.6.10 Kolimuotoiset bakteerit ja Escherichia coli, colilert quanti- tray -menetelmä 65 5.6.11 Kokonaismikrobit R2A- alustalla 65 5.7 Muut seurattavat asiat 65 5.8 Kalkin lisäys 66 5.9 Tutkimuksessa ilmenneitä ongelmia 66 6 TULOKSET JA NIIDEN TARKASTELU 68 6.1 Suodatinpatjan paksuuden kehitys 68 6.2 Pesutulokset 69 6.3 Lämpötilan kehitys 71 6.4 Sameus 72 6.5 PH- arvot 74 6.6 Alkaliniteetti 75 6.7 Kovuus 77 6.8 Hiilidioksidi 78 6.9 Rautamääritykset 79 7 6.10 UV- absorbanssi 81 6.11 Orgaaninen kokonaishiili 82 6.12 Kokonaismikrobit R2A- alustalla 83 6.13 Kolimuotoiset bakteerit ja Escherichia coli 84 6.14 Paine-eron ja sameuden kehitys suodattimissa 84 6.15 Mixed bed –suodattimen paine-erot ja pohjaventtiilin aukioloprosentit 87 6.16 Suodattimien paine-erovertailua 88 6.17 Sameusvertailua 89 6.18 Jatkuvatoimiset pH- mittaukset 92 6.19 Mixed bed –suodoksen ja hiekkasuodoksen yhdistäminen sopivan pH:n saavuttamiseksi 94 6.20 Alkalointikemikaalien muutoksista aiheutuvat kustannukset 95 7 JOHTOPÄÄTÖKSET JA SUOSITUKSET 98 7.1 Johtopäätökset 98 7.2 Suosituksia jatkotutkimuksille 102 7.2.1 Suodatusvirtaaman muuttaminen 102 7.2.2 Kalkkikivirouheen ja hiekan suhde suodattimessa 103 7.2.3 Suodatinpatjan korkeuden määrittäminen 103 7.2.4 Pesusekvenssit 104 7.2.5 Kalkin lisääminen 104 7.2.6 Kalkkikivirouhetta tavalliseen hiekkasuodattimeen 105 7.2.7 Kalkkikivirouheen kuluminen 105 7.2.8 Kalkkiveden valmistus 105 8 LÄHDELUETTELO 106 9 LIITTEET 110 8 1 JOHDANTO 1.1 Taustaa HSY Veden Pitkäkosken vedenpuhdistuskapasiteettia vedenpuhdistuslaitoksella lähivuosina, joten on tarkoitus mahdollisuudet nostaa kapasiteetin nostoon on kartoitettava. Suunnitelmissa on myös lakkauttaa toinen suodatushalli, joten jatkossa käytössä olisi kahden sijaan vain yksi suodatushalli, PK1. Eräs kapasiteetin nostoa rajoittava tekijä on kalkkiveden valmistuksen riittävyys. Kalkkivettä käytetään puhdistusprosessin eri osissa pH:n ja alkaliniteetin nostoon. Sitä valmistetaan poltetusta kalkista. Kalkkivedenvalmistuslaitteiston kapasiteetti ei riitä, mikäli vedenpuhdistuskapasiteettia nostettaisiin nykyisestä 5500 m3/h 7000:een kuutiometriin tunnissa tai jopa maksimissaan 9000:een kuutiometriin tunnissa. Päätettiin tutkia, voitaisiinko korvata kokonaan tai osittain kalkkiveden käyttöä mixed bed –suodattimilla, joissa osa suodatinmassasta on hiekkaa ja osa kalkkikivirouhetta. 1.2 Tutkimus Tutkimus tehdään HSY Veden Pitkäkosken vedenpuhdistuslaitoksella laitosmittakaavassa. Tarkoituksena on tutkia, olisiko kannattavaa korvata mixed bed- suodattimilla joko kokonaan tai osittain pH:n säätö kalkkivedellä hiekkasuodatuksen jälkeen. Lisäksi esitetään kirjallisuustutkimuksen pohjalta, mitä etuja ja haittoja olisi sillä, että käytettäisiin valmiiksi sammutettua kalkkia kalkkiveden valmistukseen, eikä poltettua kalkkia, kuten tällä hetkellä. Mixed bed- suodatusta tutkitaan, jotta saataisiin selville, miten suodattimeen syötettävän veden laatu muuttuu, kun se kulkee suodattimen läpi, sekä mitä hyviä ja huonoja puolia suodatustekniikassa on. Pyritään punnitsemaan, saavutetaanko suodatustekniikasta riittävästi hyötyä tarpeeksi vähillä kustannuksilla. 9 Mikäli tutkimuksen perusteella mixed bed- suodatus osoittautuu käytännöllisemmäksi ja edullisemmaksi kuin nykyinen kalkkiveden käyttö, voidaan osa hiekkasuodattimista korvata mixed bed- suodattimilla ja kaikilta suodattimilta tuleva vesi sekoitetaan yhteen sellaisessa suhteessa, että veden pHarvo olisi sopiva seuraavaa prosessivaihetta varten. Toinen vaihtoehto on korvata kaikki hiekkasuodattimet mixed bed –suodattimilla. Mixed bed- suodattimen kalkkikiven laatu sekä kalkkikivirouheen ja hiekan suhde suodattimessa määräytyvät Vilja Voutilaisen (2010) diplomityön tuloksien perusteella. Voutilainen on diplomityössään tehnyt taustatutkimuksia aiheesta koelaitosmittakaavassa. 1.3 Tavoitteet Tutkimuksen tavoitteena on tutkia mixed bed- suodatuksen toimintaa sekä kalkkiveden valmistusta poltetusta ja sammutetusta kalkista, jolloin tuloksien perusteella pyritään päättelemään, mikä seuraavista vaihtoehdoista olisi edullisin ja käytännöllisin muutos vedenpuhdistusprosessiin: 1) Korvataan osittain tai kokonaan mixed bed- suodatuksella jälkikemikalointi 1:sen kalkkiveden syöttö ja syötetään jälkikemikalointi 3:seen poltetusta kalkista valmistettua kalkkivettä. 2) Korvataan osittain tai kokonaan mixed bed- suodatuksella jälkikemikalointi 1:sen kalkkiveden syöttö ja syötetään jälkikemikalointi 3:seen sammutetusta kalkista valmistettua kalkkivettä. 3) Korvataan osittain tai kokonaan mixed bed- suodatuksella jälkikemikalointi 1:sen kalkkiveden syöttö ja käytetään jälkikemikalointi 3:sessa jotain muuta pH:n säätökemikaalia, esim. lipeää. 10 4) Ei mikään edellisistä, vaan pysytään vanhassa toimintatavassa ja korkeintaan pyritään kehittämään sitä. Jos jälkikemikalointi 1:sen kalkkiveden syöttö korvataan osittain mixed bedsuodatuksella, tulee pohtia, missä suhteessa mixed bed- suodosta ja hiekkasuodosta olisi kannattavaa sekoittaa yhteen, jotta sekoitetun veden laatu olisi sen tasoista kuin jalkikemikalointiallas 1:ssä tutkimushetkellä. Lisäksi tulee ottaa huomioon mixed bed –suodoksen tai yhdistelmäsuodoksen vedenlaatu, erityisesti pH:n ja alkaliniteetin osalta, eli täyttääkö se vaatimukset seuraavaa prosessivaihetta ja koko loppuprosessia varten. 11 2 KALKKIKIVI, -ALKALOINTI JA -SUODATUS 2.1 Kalkkikiven ominaisuudet Kalkkikivi on muodostunut esihistoriallisena aikana eläneiden vesieliöiden (mm. korallit ja simpukat) tukirangoista ja kuorista. Muodostuminen on tapahtunut satoja miljoonia vuosia kestäneissä geologisissa prosesseissa. Suomen kalkkikiviesiintymät ovat vanhoja, ne ovat muodostuneet noin 1-2 miljardia vuotta sitten. Eri esiintymien syntyhistoria ja muodostumisolosuhteet ovat kuitenkin voineet erota paljonkin toisistaan, minkä takia kalkkikiven kemiallinen koostumus ja liukoisuus eli reaktionopeus hiilidioksidin kanssa voivat vaihdella riippuen kalkkikiven alkuperästä. (Meriluoto 2002) Alkaloinnissa käytettävä kalkkikivirouhe ei ole koskaan kokonaan kalsiumkarbonaattia, vaan se myös sisältää jonkin verran muita yhdisteitä. Kalkkikivirouheen kalsiumkarbonaattipitoisuus on yleensä yli 92 % ja raskasmetallien pitoisuudet ovat erittäin alhaiset. (Meriluoto 2002) Meriluodon (2002) mukaan eri karbonaattikivilajit luokitellaan niiden sisältämän magnesiumpitoisuuden (Mg) perusteella ja koska magnesiumpitoisuus määritetään tavallisesti magnesiumoksidina (MgO), jaotellaan eri kivilajit taulukon 1 mukaisesti. Taulukko 1. Karbonaattikivilajien luokitus. Luokitus MgO- pitoisuus Kalkkikivi (kalsiumkarbonaatti) < 2 % Dolomiittinen kalkkikivi 2-9% Dolomiitti >9% 12 2.2 Kalsiumkarbonaatin liukeneminen veteen Kalsiumkarbonaatti liukenee veteen reaktioyhtälön (1) mukaisesti. Reaktiossa veden hiilidioksidipitoisuus alenee ja kalsium- sekä bikarbonaattipitoisuudet nousevat. Tällöin veden kovuus ja alkaliniteetti nousevat. Veden kovuus nousee reaktiossa vapautuvan kalsiumin takia ja reaktiossa muodostuva bikarbonaatti puolestaan nostaa veden alkaliniteettia. Reaktion edelleen jatkuessa kalsiumkarbonaattia saostuu. Tällöin veden kalsium- ja bikarbonaattipitoisuudet pienenevät. Tasapainopisteessä liukeneminen ja saostuminen tapahtuvat yhtä nopeasti. Vesi on silloin kalkki-hiilidioksiditasapainossa. (Meriluoto 2002) Kalkkikiven, hiilidioksidin ja veden reaktioyhtälö: CaCO3 (s) + CO2 (aq) + H2O Ca2+ (aq) + 2HCO3- (aq) (1) Kalkkikivipartikkelin ja ympäröivän veden välissä on diffuusiorajakerros, jossa kalsiumioneja sekä bikarbonaattia poistuu partikkelista ja toisaalta vettä ja hiilidioksidia siirtyy partikkeliin. (Hietala 2000). Tätä on havainnollistettu kuvassa 1. Kuva 1. Kalkkikivipartikkelin liukenemisreaktiot hiilidioksidia sisältävässä vedessä.(Hietala 2000) Kun kiinteä aine liukenee veteen, tapahtuu useita osareaktioita. Kalsiumkarbonaatin liukenemista voi rajoittaa partikkelin pinnan ja ympäröivän nesteen väliset kuljetusprosessit. Liukoiset 13 reaktiotuotteet kulkeutuvat partikkelista nesteeseen. Kuljetus perustuu diffuusioon ja tapahtuu kuten kuvassa 1 noudattaen Fickin ensimmäistä lakia, joka on esitetty yhtälössä (2) (Morse 1990). Fickin ensimmäinen laki: Ji Di * Ci r (2) Ci Ji = komponentin i moolivuo Di = diffuusiokerroin C i = komponentin i konsentraatio tasapainotilassa Ci = komponentin konsentraatio bulk- nesteessä r = rajakerroksen paksuus Fickin laissa on kyse diffuusion aiheuttamasta moolivuosta pinta-alayksikön läpi. Morse kuvaa liukenemisnopeutta yhtälöllä (3) olettamalla partikkelille pinta-ala A. Diffuusio noudattaa kyseisessä yhtälössä esitettyä Fickin lakia. R Di * A * Ci r (3) Ci R = liukenemisnopeus A = liukenevan partikkelin kokonaispinta-ala r = partikkelin säde C i = komponentin i konsentraatio tasapainotilassa Ci = komponentin i konsentraatio bulk- nesteessä Yhtälöiden (2) ja (3) mukaan diffuusiota on mahdollista nopeuttaa joko diffuusiorajakerrosta ohentamalla tai konsentraatioeroa lisäämällä. Rajakerrosta voidaan ohentaa tai poistaa se kokonaan leijuttamalla kalkkikivirakeita nesteessä. Antolan (1998) tutkimuksien mukaan kyseinen menetelmä ei kuitenkaan osoittautunut kovin tehokkaaksi. Konsentraatioeroa voidaan puolestaan nostaa hiilidioksidin lisäyksellä. Suodattimelle hiilidioksidipitoisuus johtaa Hedbergin (et tulevan veden korkea al. 1983) mukaan korkeaan alkaliniteettiin ja kovuuteen, mutta tällöin Hietalan (2000) mukaan pH- arvo jää usein matalaksi. 14 Kaavan (3) mukaan, jos partikkelin pinta-ala suhteessa sen säteeseen kasvaa, nousee myös liukenemisnopeus. Pinta-alan suhde säteeseen on sitä suurempi, mitä rosoisempi ja kulmikkaampi on partikkelin pinta. Kalkkikivirouheen raekoolla on erittäin suuri vaikutus reaktionopeuteen. Pienirakeisilla partikkeleilla on suuri rakeiden kontaktipinta-ala, joten alkaloituminen tapahtuu nopeasti. Partikkelin kontaktipinta-ala on kääntäen verrannollinen sen raekokoon, eli raekoon pienentyessä kontaktipinta-ala kasvaa. (Meriluoto 2002). Tämä vaikuttaa myös suodatustulokseen kalkkikivisuodattimessa yhdessä kalkkikivipartikkelien muodon kanssa. Lämpötilalla on myös vaikutusta kalkkikiven liukenemiseen. Kalsiumkarbonaatti liukenee paremmin lämpimään veteen, kun taas sammutettu kalkki liukenee paremmin kylmään veteen. (Weppling 1998) Merkittävin yksittäinen tekijä kalsiumkarbonaatin liukenemiseen on kontaktiajan pituus. Kontaktiajan kasvaessa liukenemista ehtii tapahtua enemmän. (Benjamin et al. 1992). PH, kovuus sekä alkaliniteetti nousevat, kun veden viipymä kalkkikivisuodattimessa kasvavat, mutta vain tiettyyn pisteeseen asti (Meriluoto 2002). 2.3 Kalkkikivialkalointi Veden alkaloinnin voi toteuttaa joko ilmastamalla hiilidioksidi pois tai lisäämällä veteen alkalointikemikaalia (eli emästä). Emäs neutraloi veden sisältämää hiilidioksidia bikarbonaatiksi, eli veden vapaa hiilidioksidi (CO2) alkaa sitoutua bikarbonaatiksi (HCO3 -). Samalla veden pH nousee ja kalkkipohjaisissa menetelmissä kalsiumpitoisuuden kohoamisen seurauksena nousee myös veden kovuus. Yleisesti vesilaitoksilla käytetään alkaloinnissa seuraavia kemikaaleja: - lipeä (natriumhydroksidi) - sammutettu kalkki (kalsiumhydroksidi) - poltettu kalkki (kalsiumoksidi) 15 - sooda (natriumkarbonaatti) - kalkkikivi (kalsiumkarbonaatti) (Meriluoto 2002) Lipeä ja sooda eivät nosta veden kovuutta. Siksi hiilidioksidin ja kalkin käyttö alkaloinnissa on suositumpaa varsinkin suuremmilla vesilaitoksilla. (Meriluoto 2002) Poltettu kalkki sammutetaan ennen käyttöä, mutta valmiiksi sammutetusta kalkista voidaan valmistaa suoraan kalkkivettä, jolla vesi alkaloidaan. (Heikkinen 1977) Sammutetun kalkin ja hiilidioksidin välinen reaktioyhtälö on esitetty alla: Ca(OH)2 + 2 CO2 -> Ca2+ + 2 HCO3- (4) Vertailemalla reaktioyhtälöitä (1) ja (4) huomataan, että yhtälössä (4) tarvitaan kaksinkertainen määrä hiilidioksidia, jotta saadaan sama kalsiumpitoisuus kuin yhtälössä (1). Tämä tarkoittaa sitä, että kalkkikivialkalointi on tehokkaampaa kuin sammutetulla kalkilla alkalointi. Alkaliniteetti, eli hapon kulutus, kuvaa eräiden negatiivisten ionien (HCO3-, CO32-, OH -, HSiO3 -, HPO42-, HS -) yhteismäärää vedessä. Nämä ionit reagoivat ekvivalenttisesti titraukseen käytetyn hapon vetyionien kanssa. Alkaliniteetin aiheuttavat ensisijaisesti heikkojen happojen ja vahvojen emästen suolot. Suolot muodostavat veteen puskurikapasiteettia, joten alkaliniteettia voidaan pitää puskurikapasiteetin mittana. (Isoaho & Valve 1986) Alkaloinnin tarkoituksena on sitoa veden vapaa hiilidioksidi bikarbonaatiksi. Veden kokonaishiilidioksidipitoisuus on vapaan ja sidotun hiilidioksidin summa. Sidottu hiilidioksidi ilmaisee veden sisältämän karbonaatin (CO32-) ja bikarbonaatin (HCO3 -) määrää. Vedessä olevan vapaan hiilidioksidin, karbonaatin ja bikarbonaatin suhteelliset osuudet määräytyvät veden pH- arvon mukaan. Kuten kuvassa 2 on esitetty, hiilidioksidipitoisuus on huipussaan pH- arvossa 4 ja pienenee pH:n kasvaessa. Karbonaattiosuus on puolestaan huipussaan pH- arvossa 14 ja pienenee pH:n laskiessa. Bikarbonaattihuippu on noin pH- arvossa 8,5. (Meriluoto 2002) 16 Kuva 2. Vedessä esiintyvän vapaan hiilidioksidin, bikarbonaatin ja karbonaatin suhteelliset osuudet eri pH- arvoissa. (Meriluoto 2002) Kalkkikivialkaloinnissa alkaloitava vesi johdetaan kalkkikivirouhepatjan läpi. Kalkkikivialkalointia suositaan sen turvallisuuden, helppohoitoisuuden ja toimintavarmuuden takia. PH ei voi nousta liian korkealle, vaaralliselle tasolle, eikä ole kemikaalien yliannostusvaaraa. Huonona puolena kalkkikivialkaloinnissa ovat korkeat investointikustannukset kilpaileviin menetelmiin nähden, lähinnä lipeän ja soodan syöttöön verrattuna. Kalkkikivialkaloinnin käyttökustannukset ovat kuitenkin edulliset. Etuna kalkkikivialkaloinnissa on myös se, että se nostaa veden kovuutta, eli veden korroosio-ominaisuudet pienenevät. Kalkkikivialkalointi ei vaadi investointia syöttöpumppuihin. Lisäksi veden pHarvo muuttuu hyvin hitaasti kalkin kuluessa, mikäli virtaama ja sitä myötä kontaktiaika pysyvät tasaisina. (Meriluoto 2002) Kalkkikiveä voi saostua lämminvesilaitteisiin, jopa joskus kylmänä putkistoon. Tämä johtuu siitä, bikarbonaattipitoisuudet että kohota vettä alkaloitaessa tasolle, jossa voivat vedestä kalsiumalkaa ja saostua kalsiumkarbonaattia, eli kalkkikiveä. (Meriluoto 2002). Sama ilmiö esiintyy aina, 17 kalkkituotteita käytettäessä alkalointiin. Mitä kovempaa vesi on, sitä helpommin kalkkia saostuu vesilaitteisiin. Alkaloinnissa käytettävä kalkkikivi on kalsiumkarbonaattia. Myös dolomiittia on kokeiltu alkalointiin. Se ei nosta veden kalsiumpitoisuutta yhtä paljon kuin kalkkikivialkalointi, minkä takia kalkkikiven saostumisriski kiinteistöjen lämminvesilaitteisiin pienenee. Kuitenkaan testatut dolomiittierät eivät reagoi hiilidioksidin kanssa yhtä nopeasti kuin kalkkikivi, eli dolomiitin liukenemisnopeus veteen on selkeästi pienempi. Dolomiitin käyttö alkalointiin edellyttäisi siksi selvästi suurempaa suodatintilavuutta kuin kalkkikivialkalointi. Markkinoilla on myös puolipoltettuja alkalointimassoja, jotka on valmistettu dolomiitista lämpökäsittelyn avulla. Nämä massat käyttäytyvät eri tavalla kuin luonnon kalkkikivi tai dolomiitti. Niiden on kuitenkin toisinaan todettu nostavan veden pH:n vaarallisen korkeaksi. (Meriluoto 2002) 2.4 Suositeltava veden laatu kalkkikivialkaloinnille Kalkkikivialkalointi soveltuu parhaiten jonkin verran hiilidioksidia sisältäville pehmeille vesille. Tavoiteltava veden laatu saavutetaan tällöin kohtuullisella viipymällä. Kalkkikivialkalointi sopii erinomaisesti vesille, joiden alkaliniteetti on alle 0,8 mmol/l ja jonka hiilidioksidipitoisuus on välillä 10 – 15 mg/l. Jos veden alkaliniteetti ylittää 0,8 mmol/l, kalkkikivialkaloinnin soveltuvuus huononee. Samaten mitä suurempi kovuus vedellä on, sitä huonommin kalkkikivialkalointi sille sopii. (Meriluoto 2002) Jos veden alkaliniteetti on hyvin pieni (alle 0,3 mmol/l) ja vedessä on vain vähän hiilidioksidia (alle 5 mg/l), voi veden pH kalkkikivialkaloinnissa nousta lähelle arvoa 9, jopa hieman yli. Alkaloitaessa vähän hiilidioksidia sisältävää, hyvin pehmeää vettä esim. lipeällä, johtaa se helposti suuriin pH- vaihteluihin, kun taas kalkkikivialkaloinnilla pH pysyy tasaisena. Kalkkikivisuodattimelle tulevan veden hiilidioksidipitoisuuden ollessa yli 20 mg/l, on vedestä ilmastettava ylimääräinen hiilidioksidi pois. Ilmastuksen voi suorittaa esimerkiksi porrasilmastusmenetelmällä tai käyttämällä dresdensuuttimia. (Meriluoto 2002) 18 2.5 Raudan ja mangaanin poistuminen kalkkikivisuodatuksessa Kalkkikivisuodatuksen on käytännössä todettu vähentävän veden rauta- ja mangaanipitoisuuksia. Raudan ja mangaanin poistuminen perustuu suodattimelle kertyneeseen sakkaan, joka todennäköisesti katalysoi raudan ja mangaanin poistumista biologisesti. Tutkimusten perusteella kalkkikivi ei menetä alkalointikykyään (passivoidu), kunhan suodatinta huuhdellaan ilman ja veden seoksella säännöllisesti. (Meriluoto 2002) Kalkkikivi on myös hyvin huokoista ja siksi se adsorboi erinomaisesti metalli-ioneja. (Kajiyama 1975) Aziz et al. (2004) tutkimuksessa kalkkikivisuodatuksella retentioajalla 57,8 min ja saatiin poistettua pintakuormalla 90 % m3/m2 12,2 raudasta päivässä. Kalsiumkarbonaatin (CaCO3) raekoko oli 2-4 mm. Sekä kolmenarvoisen että kahdenarvoisen raudan erottamista suosivia ilmiöitä ovat hiilidioksidipitoisuuden väheneminen, pH- arvon nousu, alkaliniteetin ja kovuuden kasvu, karkeasuodatus ja sedimentaatio, mikrobiologiset vaikutukset, katalyyttiset vaikutukset sekä kalsiumpitoisuuden nousu. (Sallanko & Laakso 2000) Suodattimen ollessa käytössä mangaani ja rauta alkavat pinnoittaa suodatinmateriaalin rakeita. Raudan kerääntymisen suodatinmateriaaliin voi havaita siitä, että suodatinmateriaali värjääntyy punaruskeaksi. Väri ei katoa ilmavesi- pesun jälkeen, sillä suodatinrakeiden pinnalle jää rautaa ja mangaania. Tämän on kuitenkin havaittu parantavan suodattimen suodatustehokkuutta ja metallien poistoa, sillä metallit oksidoituvat suodatinmateriaalin pinnalle. Sharma et al. (2002) tutkimuksessa havaittiin, että pitkään käytössä olleen suodatinmateriaalin rakeiden pinnalle oli oksidoitunut runsaasti rautaoksidia verrattuna vasta käyttöön otettuun suodatinmateriaaliin. Tutkimuksen mukaan mitä enemmän rautaoksidia oli muodostunut suodatinmateriaaliin, sitä paremmin se pidätti rautaioneja. Jo käytössä ollut suodatinmateriaali poisti rautaioneja jopa 25 kertaa paremmin kuin vasta käyttöön otettu suodatinmateriaali. Lisäksi pH- 19 arvo vaikutti raudanpoistoon siten, että korkeammassa pH:ssa rauta poistui paremmin. Ajan mittaan suodattimessa alkaa myös kasvaa bakteereita, sillä suodattimeen kerääntyvä sakka toimii erilaisten mikrobien kasvualustana. Qin, Ma et al. (2008) tutkivat bakteerien vaikutusta suodattimessa ja tulivat siihen tulokseen, että bakteerit edistävät raudan ja mangaanin poistumista vedestä, sillä ne oksidoivat metalleja. Michalakos et al. (1997) tutkimuksessa todettiin myös, että suodatin poistaa rautaa biologisesti sekä fysikaalis-kemiallisesti. Biologinen poisto aiheutuu rautabakteerien toiminnasta ja fysikaalis-kemiallinen poisto käsittää mekaanisen suodatuksen sekä kemiallisen raudan hapettumisen (oksidoitumisen). Vedessä täytyy olla tarpeeksi happea hapettumista varten. Rautabakteereille optimaalinen lämpötila liikkuu välillä 6 – 25 C ja optimi- pH on puolestaan välillä 5,5 – 8,2. (Shair 1975) Suodattimessa kahdenarvoinen rauta adsorboituu väliaineen pinnalle ja hapettuu vedessä olevan hapen avulla kolmenarvoiseksi, joka voi puolestaan toimia uuden kahdenarvoisen raudan adsorptioalustana. Jos käsiteltävässä vedessä rautapitoisuus on yli 1 mg/l, on sen havaittu aiheuttavan kalkkikivisuodattimen alkalointitehon heikkenemistä. Suodattimen passivoituminen voidaan kuitenkin välttää tehokkaalla ilma-vesi- vastavirtahuuhtelulla. (Sallanko & Laakso 2000) 2.6 Sameuden ja partikkelien poisto Kalkkikivisuodatuksella saatu sameudenpoisto voi olla jopa 96 %. Kalkkikiven raekoolla on merkitystä sameudenpoistossa. Pienempirakeinen suodatinmateriaali poistaa, eli pidättää, sameutta paremmin kuin suurempirakeinen suodatinmateriaali. Sama pätee kiintoaineen ja koliformisten bakteerien poistoon. (Adlan et al. 2008) Hedbergin (1983) mukaan esimerkiksi rouhitut kalkkikivimassat poistavat vedestä rautaa granuloituja massoja paremmin. Barton.ja Buchberger (2007) tutkimuksessa osoitettiin, että mitä kulmikkaampirakeista suodatinmassa on, sitä 20 paremmin se pidättää erikokoisia, kooltaan vaihtelevia, partikkeleita. Aiempia tutkimuksia suodatinmateriaalin rakeiden muodon vaikutuksesta suodatustulokseen on myös tehty ja niiden perusteella ollaan huomattu, että sileäpintaiset rakeet suodattimessa pidättävät partikkeleita huonommin kuin rakeet, jotka ovat pinnaltaan rosoisia. (Trussell et al. 1980; Suthaker et al. 1995; Evans et al. 2002) Joen uomista ja jäätiköiden sulamisalueilta kerätty kiviaines on hioutunut hyvin sileäksi ja pyöreäksi, kun taas murskattu kivi on hyvin rosoista ja kulmikasta. Barton & Buchberger (2007) esittävät lyhyesti, että avaintekijä rosoisten rakeiden paremmassa pidätyskyvyssä suodatinmateriaalissa on niiden muodostamat kapeat ja pienet huokosputket, eli madonreiät, verrattuna pyöreiden rakeiden muodostamiin huokosputkiin. Barton & Buchberger (2007) tutkimuksessa pohdittiin partikkelin kulkemista suodatinmateriaalissa ja sitä, mitkä tekijät vaikuttavat suodattimen pidätyskykyyn. Tilannetta havainnollistettiin mieltämällä partikkelien kulkevan suodattimessa ”madonreikiä”, eli pystysuuntaisia huokosia pitkin ja pidättyvän sellaiseen kohtaan huokosessa, jossa on ”pullonkaula”, jonka läpi partikkeli ei enää mahdu. Partikkeli tukkii huokosen, jolloin sen yläpuolelle alkaa kerääntyä partikkeleita virtaussuunnan ollessa ylhäältä alas. Huokonen ja pullonkaula muodostuvat vähintään kolmen toisiaan koskettavan suodatinrakeen väliin. Kuva 3 havainnollistaa ajattelumallia. Paras suodatustulos saadaan, kun partikkelit kulkeutuvat mahdollisimman lähelle suodatinmateriaalin alapintaa ja tukkivat siellä olevat huokoset. Tällöin partikkelit jakaantuvat suodatinmateriaaliin tasaisesti, jolloin materiaalin suodatustilavuus on tehokkaasti käytössä. Jos suodattimen pinnalla oleva materiaali on hyvin tiivistä, kerääntyvät partikkelit jo pinnalle, jolloin painehäviö suodattimessa kasvaa nopeasti ja suodatin menee tukkoon. Täten suodatin, jossa partikkelit täyttävät tasaisesti suodatinmateriaalin huokoset, pystyy pidättämään enemmän partikkeleita pienemmällä painehäviöllä. 21 Kuva 3. Likapartikkelien pidättyminen suodatinmateriaaliin. (Barton & Buchberger 2007). Likapartikkeli voi joko jäädä suodatinmateriaalin pinnalle, pidättyä suodatinmateriaaliin tai kulkea suodatinmateriaalin läpi. Jos likapartikkelien koko suodatinmateriaalin huokoskokoon nähden on hyvin suuri, jää partikkeleista suurin osa suodattimen pinnalle. Jos taas likapartikkelit ovat hyvin pieniä suodatinmateriaalin huokosiin nähden, ne kulkeutuvat vain suodattimen läpi ja vain hyvin pieni osa niistä pidättyy suodatinmateriaalin huokosiin. (Barton & Buchberger 2007). Barton & Buchberger (2007) esittivät ilmiölle matetmaattisen mallin. Oletetaan, että suodatinmateriaalissa olevien huokosten pullonkaulojen kokoa voidaan kuvata kahdella esiintymistiheyden todennäköisyyden funktiolla: Yksi on pinnan huokosille f rs ja toinen suodatinmateriaalin sisällä oleville huokosille f rb . Todennäköisyys (s), että partikkeli, jonka säde on rp, kulkeutuu suodatinmateriaalin pinnan huokosen, jonka läpimitan puolikas on rs, läpi ja päätyy suodatinmateriaalin sisälle on: 22 rp s Pr ob rp rs 1 f rs drs (5) 0 Samaten todennäköisyys p, että partikkeli, jonka säde on rp, kulkeutuu suodatinmateriaalin sisällä olevan huokosen, jonka läpimitan puolikas on rb, läpi on: rp p Pr ob rp rb 1 f rb drb (6) 0 Toisinpäin taas todennäköisyys, että vapaa partikkeli suodatinmassassa pidättyy seuraavaan pullonkaulaan on: 1–p (7) Partikkelien liikkumista suodatinmateriaalin huokosissa kuvataan peräkkäisinä toisistaan riippumattomina Bernoullin jakaumina. Jokaisella pullonkaulalla on jokin todennäköisyys pidättää partikkeli. Todennäköisyys, että partikkeli pidättyy k:nteen pullonkaulaan suodatinmassan huokosessa on (katso kuvaa 3): Pk sp k 1 1 p , k > 0 Ajatellaan partikkelin (8) kulkevan huokosta pitkin, joka ulottuu koko suodatinmassan läpi. Oletetaan huokosessa olevan n pullonkaulaa suodatinmassan sisällä. Tämä voi johtaa kolmeen toisensa pois sulkevaan lopputulokseen: P0 1 s, (9) jossa partikkeli pidättyy jo suodatinpatjan pinnalle. n sp k 1 1 p PN s 1 pn , (10) k 1 jossa partikkeli pidättyy suodatinmassaan. 23 PN 1 1 P0 PN sp n , (11) jossa partikkeli kulkee suodatinmassan läpi pidättymättä. Suodatinpatjan korkeus luokitellaan syväksi, jos PN+1 on vähemmän kuin 0,01. Jos todennäköisyys on suurempi kuin 0,5, se luokitellaan matalaksi. Näiden arvojen välillä suodatinpatjan paksuus on keskitasoa. Tarvittava suodatinpatjan paksuus määräytyy siis likapartikkelien säteiden rp ja suodatinmateriaalin huokosten säteiden rs ja rb perusteella. (Barton & Buchberger 2007) Sakthivadivelin (1966) laskelmien ja empiiristen tutkimuksien mukaan suodatinmateriaali voi pidättää huokostilavuudestaan maksimissaan kolmasosan verran likapartikkeleita. Tutkimuksissa käytettyjen suodatinmateriaalien huokostilavuudet olivat 40 % ja 50 %. Barton & Buchberger (2007) tutkimuksessa tutkittiin neljää eri kivimateriaalia suodatinmateriaaleina: Pyöreärakeinen kiviaines, lajittunut jokikivi, josta poistettiin rikkinäiset rakeet, löyhä murskattu kalkkikivi ja tiheä murskattu kalkkikivi. Taulukossa 2 on esitettynä kiviaineksien englanninkieliset luonnehdinnat sekä niiden lyhenteet. Kiviaineksesta seulottiin pois 16 mm suuremmat rakeet ja 12,5 mm pienemmät rakeet. Kuvassa 4 näkyy, kuinka kukin kiviaines muodostaa huokosia suodatinmateriaalissa. Kuvan nuoli osoittaa esimerkin, kuinka pieniä huokosia kulmikkaiden rakeiden väliin voi muodostua. Pyöreiden rakeiden väliin ei voi muodostua niin pieniä huokosia. Kuvan lyhenteet löytyvät myös taulukosta 2. Taulukko 2. Barton & Buchberger (2007) tutkimuksen kiviainekset Kiviaines Pyöreärakeinen Jokikivi Löyhä kalkkikivi Tiheä kalkkikivi Englanniksi Spherical gumballs Sorted river stone Loose crushed limestone Dense crushed limestone 24 Lyhenne SP RS LL DL Kuva 4. Eri kivimateriaalien muodostamat huokoset. (Barton & Buchberger 2007). Barton & Buchberger (2007) tutkimustulokset osoittavat, että näistä neljästä kivimateriaalista likapartikkeleita pidättivät parhaiten kalkkikivimurskeet. Niistä hiukan parempaa partikkelinpoistoa osoitti LL, eli löyhä kalkkikivimurske. Toiseksi parhaiten partikkeleita pidätti jokikivi ja huonoiten niitä jäi pyöreärakeisesta kivestä kulmikkaampirakeinen tehtyyn suodattimeen. suodatinmateriaali Voidaan poistaa päätellä, todella että paremmin likapartikkeleita kuin pyöreärakeinen suodatinmateriaali. Erilaisia hiukkasten pidättäytymistapoja suodatuksessa on esitetty kuvassa 5. Niitä ovat siivilöityminen, hydrodynamiikka. sieppaus, diffuusio, Siivilöitymisessä inertia, sedimentaatio likapartikkelit ja pidättyvät suodatinmateriaalirakeiden väleihin. Hiukkanen joutuu siepatuksi, kun se kulkeutuu riittävän lähelle rakeen pintaa. Sieppaukseen vaikuttavat adheesiovoimat, ja sieppauksen vaikutusetäisyys on vain erottuvan hiukkasen halkaisijan luokkaa. Diffuusio vaikuttaa vain pienimpiin hiukkasiin ja se aiheutuu lämpöliikkeestä (Brownin liike). Lämpöliikkeen vaikutuksesta hiukkanen voi 25 kulkeutua niin lähelle suodatinraetta, että hiukkanen pidättyy pintavoimien vaikutuksesta, kuten sieppauksessa. Myös jatkuvuus (inertia) voi tuoda hiukkasen riittävän lähelle suodatinraetta, että se pidättyy rakeeseen. Hiukkasten välisissä tiloissa voi tapahtua sedimentaatiota, eli saostumista. Tällöin hiukkasia kerääntyy rakeen pinnalle ja sakka tiivistyy muodostaen saostuman. Hydrodynamiikka vaikuttaa hiukkasen liikerataan, kun laminaarivirtauksen suunta tai nopeus muuttuu. Tällöin hiukkanen kulkeutuu riittävän lähelle suodatinraetta ja voi pidättyä siihen. (Peltokangas 1991, RIL 2004) Suodatinrakeen ja likapartikkelin sähköisten varausten ollessa erimerkkiset voi partikkeli tarttua suodatinrakeen pintaan. Partikkelien kiinnittyminen suodatinrakeen pinnalle voi johtua myös koheesiovoimista ja adsorptiosta. Partikkelit törmäilevät toisiinsa suodattimessa ja voivat näin muodostaa flokkeja, jotka ovat kooltaan suurempia ja pidättyvät helpommin suodatinmateriaaliin. (Peltokangas 1991, RIL 2004) Kuva 5. Hiukkasen pidättäytymistavat suodatuksessa. (RIL 2004) 26 2.7 Kalkkikivisuodattimen mitoitus Kalkkikivisuodattimen mitoituksessa tulee huomioida seuraavat asiat: - veden alkaliniteetti ja hiilidioksidipitoisuus - mitoitusvirtaama, eli suodattimen läpi johdettava hetkittäinen 3 maksimivesimäärä (m /h) - kalkkikivirouheen laatu (liukoisuus) - kalkkikivirouheen raekoko (Meriluoto 2002) Edellä mainittujen muuttujien perusteella määritellään vaadittava tehollinen viipymä. Tehollinen viipymä on se aika, jonka vesi on kalkkikivirouheen kanssa kosketuksissa kulkiessaan suodatinpatjan lävitse. Tehollisen viipymän on oltava tarpeeksi suuri, jotta haluttu muutos (esim. pH yli 7,5) veden laadussa saavutetaan. Tehollinen viipymä siis ilmoittaa ajan, jossa vesi alkaloituu halutulle tasolle. (Meriluoto 2002) Tehollisen viipymän laskeminen perustuu suodatinpatjan teholliseen vesitilavuuteen, joka on kalkkikivipatjan irtotilavuus kerrottuna rouhepatjan huokoisuudella (noin 0,4). Rouhepatjan huokoisuudella tarkoitetaan rouhepartikkeleiden välistä tyhjää tilaa, jossa vesi kulkee sen virratessa rouhepatjan läpi. (Meriluoto 2002) Tehollisen viipymän voi laskea yhtälön (12) avulla. teff = 0,4 * Virto : qmit * 60 (12) teff = Tehollinen viipymä (min) Virto = Suodatinmateriaalin irtotilavuus (m3) qmit = Mitoitusvirtaama (m3/h) Kun tehollinen viipymä tunnetaan, voidaan vaadittavan kalkkikiven irtotilavuus (Vkalkkikivi) laskea yhtälön (13) avulla: 27 Vkalkkikivi = (teff * qmit) : (60 * ) (13) Vkalkkikivi = Vaadittava kalkkikiven irtotilavuus (m3) teff = Tehollinen viipymä (min) qmit = Mitoitusvirtaama (m3/h) = Rouhepatjan huokoisuus ( 0,4) (Meriluoto 2002) 2.8 Korroosion estäminen Vesi on aina jossain määrin syövyttävää, eli millään käsittelyllä ei veden syövyttäviä ominaisuuksia saada kokonaan poistettua. Syövyttävä vesi voi aiheuttaa vesijohtojen ja vedenkäyttölaitteiden syöpymistä, eli korroosiota. Kuitenkin veden käsittelyllä voidaan luoda verkostoon sellaiset olosuhteet, joissa syöpyvät materiaalit passivoituvat. Passivoitumisella tarkoitetaan sitä, että korroosiotuotteet muodostavat materiaalien pinnoille tiiviin korroosiota hidastavan kerroksen. Alkaloinnilla pyritään saamaan veden laatu sellaiseksi, että verkostokorroosio on tarpeeksi vähäistä ottaen huomioon myös käytössä olevat taloudelliset resurssit. Verkostokorroosion hallinnan edellyttämä veden laatu vaihtelee kuitenkin eri verkostomateriaaleille, joten kaikkien verkostomateriaalien kannalta optimitilannetta ei voida saavuttaa. (Meriluoto 2002) On esitetty kaksi teoriaa veden korrodoivuuden vähentämiseksi: Kalkkiruostesuojateoria ja puskuriintensiteettiteoria. Kalkkiruostesuojateorian mukaan kalkkikiveä saostuu metallisten vesijohtojen sisäpinnalle ja tämä kerros suojaa johtoa korroosiolta. Suojakerros muodostuu, kun veden kalsium- ja bikarbonaattipitoisuudet kohoavat tasolle, jossa vedestä alkaa saostua kalsiumkarbonaattia, eli kalkkikiveä. Kalsiumkarbonaatin saostuspotentiaalia kuvataan teoreettisesti ns. Langelierin kyllästymisindeksin (LSI) avulla. Jos indeksiarvo on positiivinen (LSI > 0), kalsiumkarbonaattia voi saostua, mutta jos se on negatiivinen (LSI <0), vesi on aggressiivista, eli kalsiumkarbonaattia liuottavaa. Kyllästymisindeksi voidaan laskea likimäärin 28 yhtälöiden (14) ja (15) avulla (vähän suoloja sisältävä pehmeä 25 C vesi). (Meriluoto 2002) LSI = pH – pHs (14) pHs = 2,34 + log10[Ca2+] + log10[HCO3-] (15) pH = mitattu pH arvo (mittaus standardin mukaan 25 C vedessä) pHs = kalkki-hiilidioksiditasapainon mukainen pH- arvo [Ca2+] = kalsiumpitoisuus (mol/l) [HCO3-] = bikarbonaattipitoisuus (mol/l) Veden lämpötilalla on suuri vaikutus kalsiumkarbonaatin saostumiseen. Se liukenee paremmin kylmään kuin lämpimään veteen. (Meriluoto 2002) Veden puskuri-intensiteettiteorialla tarkoitetaan veden kykyä estää happojen ja emästen vaikutuksesta aiheutuvia pH- arvon muutoksia. Tämä perustuu siihen, että vesi sisältää heikkoa happoa ja sen dissosioituvaa suolaa. Hapon lisäys veteen aiheuttaa sen, että happolisäystä vastaava määrä suolan anioneja muuttuu hapoksi. Mitä suurempi puskurikapasiteetti on, sitä paremmin liuos vastustaa pH- arvon muutoksia. (Isoaho, Valve 1986) Puskurikapasiteetilla kuvataan emäs- tai happolisäyksen ja lisäyksestä aiheutuvan pH:n muutoksen suhdetta (Isoaho, Valve 1986): dC B dpH dC A dpH (16) dCA = vahvan hapon lisäys (mmol/l) dCB = vahvan emäksen lisäys (mmol/l) dpH = pH- arvon muutos Puskuri-intensiteettiteorian mukaan korroosionopeus pienenee, kun veden puskurikapasiteetti kasvaa. Teorian mukaan kalkkikerroksen paksuudella ei ole vaikutusta korroosionopeuteen. (Antola 1998) 29 Verkostokorroosion hallitsemiseksi on annettu erilaisia suosituksia vedenlaadusta. Taulukosta 3 nähdään, että pH- arvon tulisi olla ainakin yli 7,5 ja alkaliniteetin yli 0,6. Taulukko 3. Veden laatusuosituksia korroosion vähentämiseksi. (Meriluoto 2002) Suomi, VVY 2000 Muuttuja pH yli 7,5 Alkaliniteetti mmol/l yli 0,6 Kalsium mg/l yli 10 Kloridit mg/l Sulfaatit mg/l KMnO4 mg/l Korroosioindeksi * yli 1,5 Suomi, Sitra 1980 yli 8,3 yli 0,6 alle 50 alle 100 alle 20 Ruotsi 7,5 - 9,0 yli 1,0 20 - 60 alle 100 alle 100 alle 8,0 * Korroosioindeksi = alkaliniteetti [mmol/l] : (kloridi [mg/l] : 35,5 + sulfaatti [mg/l] : 48) Korroosioindeksin mukaan kloridi- ja sulfaattipitoisuuksien noustessa alkaliniteettikin nousee. Taulukon 3 mukaan korroosioindeksin tulisi olla yli 1,5, jotta saavutettaisiin riittävä korroosionsuojaus. Antolan (1998) mukaan kloridiionit lisäävät veden sähkönjohtavuutta ja kasvattavat siten korroosionopeutta. Kalkkikivialkaloinnin vaikutusta verkostomateriaalien korroosioon on tutkittu sekä laboratoriossa että kenttämittakaavassa. Toivasen (1994) tutkimustuloksista huomattiin, että vesijohtoveden alkaliniteetin noston seurauksena vesijohtoveden rautapitoisuudet alenivat. Toisin sanoen raudan korroosio väheni oleellisesti vesijohtoverkostossa. Tutkimuksien tulosten perusteella ollaan huomattu, että kalkkikivialkaloidun veden pH pysyy hyvin tasaisena, eli veden korroosio-ominaisuudet vaihtelevat hyvin vähän. Olosuhteet korroosion suhteen pysyvät stabiileina, mikä parantaa passivoivan suojakerroksen tiiviyttä. Tulosten mukaan veden pH:n noustessa yli 7,5 vähentyy veden verkostomateriaaleihin aiheuttama korroosio riittävästi. Veden pH:lle onkin annettu suositukseksi yli 7,5 ja suosituksen mukaista pH:ta tulisi tavoitella, jotta muutokset veden alkaliniteettiin ja kovuuteen sekä sitä 30 kautta korrodoivuuden vähentymiseen olisivat mahdollisimman suuret. Pehmeä vesi on kovaa vettä korrodoivampaa, koska silloin materiaalien pinnoille ei synny suojaavia kerroksia. (Meriluoto 2002) Korroosioneston kannalta on suositeltavaa, että kalsiumkarbonaattia saostuisi hieman, kun vettä kuumennetaan. Siitä kuitenkin seuraa saostumia lämminvesijärjestelmiin tai ns. kattilakiveä. (Isoaho, Valve 1986) Suositellaan, että kylmästä vedestä ei saostuisi kalkkikiveä. (Meriluoto 2002) 2.9 Kalkkikiven kuluminen Kalkkikiven, hiilidioksidin ja veden reaktioyhtälön (1) kertoimista nähdään, että kaikkien reaktioon osallistuvien aineiden ainemäärät ovat samat. Aineiden moolimassat on esitetty yhtälössä (17). 100 g/mol (CaCO3) + 44 g/mol (CO2) + 18 g/mol H2O = 162 g/mol (CA2+ + 2HCO3-) (17) Teoreettisesti voidaan laskea, että yhden hiilidioksidigramman sitomiseen tarvitaan 2,27 grammaa kalsiumkarbonaattia. (Palomäki, Kuorikoski 2001) Käytännössä kalsiumkarbonaatin kulutus voi poiketa tästä. Rontu (1992) esitti, että kalkkikiven kulutuksen voisi laskea suodattimeen tulevan ja siitä lähtevän veden hiilidioksidipitoisuuksien avulla yhtälön (18) mukaisesti. Yhtälön avulla lasketut tulokset voivat kuitenkin poiketa hieman todellisista tuloksista, etenkin, jos vesi sisältää hiilihapon lisäksi muita happoja. K = 2,5 * (CO2x – CO2k) (18) K = Kalkkikiven kulutus (mg/l) CO2x = hiilidioksidipitoisuus ennen suodatinta (mg/l) CO2k = hiilidioksidin määrä suodatetussa vedessä (mg/l) 31 2.10 Mikrobiologisen laadun hallinta Ulosteperäisellä saastumisella tarkoitetaan saastumista ihmisen tai eläinten ulosteista peräisin olevilla mikrobeilla. Ulosteperäinen saastuminen todetaan vedestä indikaattoribakteerien avulla. Esimerkiksi Escherichia coli osoittaa ulosteperäistä saastumista. Mikrobikasvulla taas tarkoitetaan suodattimessa tapahtuvaa mikrobiologista kasvua, joka ilmenee heterotrofisen pesäkeluvun kasvuna. (Meriluoto 2002) Kalkkikiven saastuminen ihmisen tai eläinten ulosteilla voi tapahtua jakeluketjun aikana: - avovarastointi tuotantoalueella - kuljetus vesilaitokselle - suodattimen täyttäminen Irtotavarana toimitettava kalkkikivirouhe varastoidaan yleensä avovarastoissa tai ulkokasoilla, joten on periaatteessa mahdollista, että kalkkikiveen joutuu pieniä määriä eläinten ulosteita. Siitä huolimatta pitää varmistua, ettei kalkkikivi likaantuisi ainakaan enempää jakeluketjun eri vaiheissa. Kuljetuksessa tulee edellyttää, että kuljetussäiliö on puhdas, ja suodattimien täytön yhteydessä on syytä kiinnittää erityistä huomiota työhygieniaan (mm. vaatetuksen ja jalkineiden puhtaus). Suodatinmateriaalista tulee huuhdella pois siinä mahdollisesti olevat lika-aineet ennen käyttöönottoa, jotta ne eivät heikentäisi suodatinmateriaalin puhdistustehoa. (Meriluoto 2002) Viime aikoina on alettu epäillä, että kalkkikivirouheesta voisi liueta veteen aineita, lähinnä fosforia, jotka voisivat edistää vesijohtovedessä tapahtuvaa luontaista mikrobikasvua. Suomessa tehtyjen yksittäisten selvitysten perusteella ei olla kuitenkaan todettu, että rouheesta liukenisi veteen mikrobikasvua edistäviä aineita. Koska kalkkikivirouheen kemiallinen koostumus saattaa jonkin verran vaihdella erilaisissa geologisissa esiintymissä, on asia tarvittaessa tarkistettava tapauskohtaisesti. Vedenpuhdistuksessa käytetyissä kalkkikivisuodattimissa on kuitenkin havaittu mikrobien kasvua. Syyksi on Meriluodon mukaan todettu 32 kuljetuksen, suodattimen täytön tai käytön yhteydessä kalkkikivirouheen joukkoon joutunut orgaaninen aines. (Meriluoto 2002) Mikrobikasvua voi esiintyä myös suodattimen altistuessa valolle. Tällöin suodattimelle saattaa alkaa kasvaa levää. Leväsolujen kuollessa ne hajoavat biologisesti, mikä johtaa heterotrofisten bakteerien määrän kasvuun. Saman ilmiö nähdään suodattimelle kertyneessä rauta- ja mangaanisakassa. (Meriluoto 2002) Suodattimessa tapahtuvaan mikrobiologiseen kasvuun voidaan Meriluodon (2002) mukaan vaikuttaa seuraavilla toimenpiteillä: - Irtorouheen kuljetuksessa käytetty kalusto puhdistetaan kokonaisuudessaan siten, ettei rouhe pääse likaantumaan eikä sen mukana suodattimille pääse orgaanista ainesta. Puhtausvaatimus tulee olla osa kuljetusehtoja. - Huolehditaan, että suodatinaltaissa ei ole puiden lehtiä, risuja, multaa tai muuta orgaanista ainesta ennen suodattimien täyttöä ja että niitä ei kulkeudu suodattimeen täytön yhteydessä. - Kalkkikivisuodattimet pidetään valolta suojassa, jotta leväkasvua ei pääse syntymään. - Vältetään sakkojen suodattimelle. (mm. rauta- Vesijohtoverkostossa ja mangaanisakat) tehtyjen muodostumista tutkimusten perusteella mikrobiologinen toiminta painottuu suurelta osin verkostossa esiintyviin sakkoihin. - Huuhdellaan suodattimet säännöllisin väliajoin sellaisella tiheydellä, että suodatetun veden laatu pysyy hyvänä. Suodattimien huuhtelulla poistetaan muiden epäpuhtauksien ohella suodattimelle hitaasti kertyvät, mikrobeja suuremmat pieneliöt. Juomavettä valmistettaessa on kalkkikivisuodatuksen jälkeen vesi desinfioitava esim. otsonoimalla, UV- desinfioinnilla tai kemikaloinnilla. Veden desinfiointi tuhoaa suodattimesta mahdollisesti irtoavat mikrobit. Desinfiointi on suositeltavaa etenkin silloin, jos riski laitoksen raakaveden saastumisesta ulosteperäisillä mikrobeilla on olemassa. Kalkkikivisuodatin voidaan desinfioida joko kemiallisesti klooraamalla tai termisesti höyryttämällä, jos suodatuksen jälkeen ei ole riittävää desinfiointia. (Meriluoto 2002) 33 3 PROSESSINOSAT 3.1 Pitkäkosken vedenpuhdistuslaitoksen prosessi Vedenpuhdistusprosessi koostuu useista peräkkäisistä prosessinosista, joilla on kullakin oma tehtävänsä vedenpuhdistuslaitoksen prosessi vedenpuhdistuksessa. on esitetty Pitkäkosken kaaviokuvana kuvassa 6. Ensimmäisenä prosessivaiheena on raakavedenotto, minkä jälkeen vesi johdetaan alkukemikalointiin, jonka vaikutuksia tehostetaan hämmennyksellä. Hämmennyksen jälkeen vesi menee selkeytykseen ja selkeytysaltaan pinnalla oleva selkeytynyt vesi jatkaa matkaansa hiekkasuodattimen läpi otsonointiin. Otsonoinnista tullut vesi saapuu ensimmäiseen jälkikemikalointialtaaseen, jonka jälkeen kemikaloitu vesi johdetaan aktiivihiilisuodattimien läpi UV- desinfiointiin ja sieltä toiseen sekä kolmanteen jälkikemikalointiin. Tämän jälkeen vesi on puhdasta ja valmista johdettavaksi käyttäjille. Kuva 6: Pitkäkosken vedenpuhdistuslaitoksen prosessikaavio 34 3.2 Raakavedenotto Pitkäkoskella käytettävä raakavesi tulee Päijännetunnelia pitkin Suomen toiseksi suuresta järvestä, Päijänteestä. Päijännetunneli on maailman pisin yhtenäinen kalliotunneli. Sen pituus on yhteensä 120 km. Tunneli alkaa Päijänteen eteläpäästä. Vedenottokohta on noin 25 metrin syvyydessä ja 350 metrin päässä rannasta, joten veden lämpötila pysyy tasaisena läpi vuoden. Veden laatu on laatuluokitukseltaan erinomaista. Vedenottamolla vesi välpätään ja suodatetaan siivilöiden läpi, jottei kalliotunneliin joutuisi juuri mitään ylimääräistä. Tunneliosuudella Päijänteestä tulevaan veteen sekoittuu kallioseinämien läpi suotovetenä noin 10 prosenttia pohjavettä, mikä parantaa vedenlaatua entisestään. Tunnelin loppupää on Silvolan tekojärven luona, joka sijaitsee lähellä HSY Veden Pitkäkosken vedenpuhdistuslaitosta. Suurin osa raakavedestä otetaan suoraan Päijännetunnelista, mutta tarvittaessa osa vedestä otetaan Silvolan tekojärvestä, joka on täytetty niin ikään Päijänteen vedellä. (Lammi 1996, Zolas 2009) 3.3 Alkukemikalointi Alkukemikaloinnissa veteen syötetään kalkkivettä pH:n säätämiseksi, jos on tarvetta, ja ferrisulfaattia (PIX-322) saostuskemikaalina. Kemiallinen saostus ferrisulfaatilla perustuu ferrimuotoisen raudan reaktioihin vesiliuoksessa. Näillä reaktiotuotteilla on kyky liittää veden kolloidikokoiset hiukkaset suuremmiksi hiukkasiksi, flokeiksi, jotka voidaan poistaa vedestä fysikaalisin keinoin. Optimaalisen saostustuloksen saavuttamiseksi tulee veden pH- arvon olla tietyllä tasolla, noin 5,0, ja lämpötilan tarpeeksi korkea (flokkien muodostus heikkenee, kun lämpötila laskee). Ferrisulfaattia syötetään veteen noin 50 g/m3. Tarvittava ferrisulfaatin määrä saostusprosessissa määritetään raakaveden kaliumpermanganaattiluvun perusteella. Kokeellisten tutkimusten perusteella HSY Vedellä on permanganaattiluvun voitu määrittää perusteella kerroin, laskea 35 jonka tarvittava avulla voidaan ferrisulfaatinsyöttö alkukemikaloinnissa. Ferrisulfaatin tarvittava määrä perustuu siis orgaanisen aineen määrään raakavedessä. (Zolas 2009) Kalkkiveden valmistuksesta kerrotaan lisää kohdassa 4 Kalkkiveden valmistus. Automatiikka ohjaa kalkkivedensyöttöä siten, että pH- arvo pysyy halutulla tasolla. Alkukalkkia tarvitaan lähinnä silloin, kun raakavesi otetaan Vantaanjoesta, eli poikkeustapauksessa. 3.4 Hämmennys Hämmennyksessä flokkien kokoa kasvatetaan hämmentämällä flokkeja sisältävää vettä siten, että flokit tarttuvat toisiinsa muodostaen yhä suurempia flokkeja. Hämmennyksen onnistumisen kannalta on tärkeää, että partikkelit toisaalta liikkuvat kylliksi törmäilläkseen toisiinsa, jotta flokit voivat kasvaa yhdistyessään toisiinsa, ja toisaalta eivät joudu alttiiksi liian suurille, niitä rikkoville voimille. Hämmentimien hämmennysnopeuden lisäksi riittävä viipymä on tärkeää. Hämmennysaltaita on kaksi peräkkäin jokaista selkeytysallasta kohti. Hyvin toimiva saostus ja flokkien muodostus ovat edellytyksiä hyvään käsitellyn veden laatuun. (Lammi 1996, Zolas 2009) 3.5 Selkeytys Selkeytyksessä hämmennyksen aikana muodostuneet flokit erotetaan jatkokäsittelyyn menevästä vedestä painovoimaisesti. Selkeytysaltaat ovat tyypiltään kaksikerroksisia vaakaselkeyttimiä. Flokit laskeutuvat hiljalleen selkeytysaltaan pohjalle sekä välipohjalle, ja selkeytysaltaan pinnalla oleva selkeytynyt vesi jatkaa matkaansa seuraavaan prosessivaiheeseen, hiekkasuodatukseen. Pohjalle kertynyt sakka tyhjennetään n. 3 kertaa vuodessa ja johdetaan jätevedenkäsittelyyn. (Lammi 1996, Zolas 2009) Painovoimaisen selkeytyksen kannalta olennaista on, että vesi nousee selkeytysaltaassa mahdollisimman laminaarisesti ja hitaammin kuin flokit 36 laskeutuvat, joten selkeyttimen toimintaan vaikuttavat sekä sen pintakuorma että flokkien kokojakauma. (Zolas 2009) 3.6 Hiekkasuodatus Suodatuksessa vedestä poistetaan pienet hiukkaset, jotka eivät ole erottuneet selkeytyksessä. Vesi virtaa suodatinpatjan läpi ylhäältä alas ja hiukkaset jäävät suodattimen hiekkaan sekä sen pinnalle. Suodattimen pidättämä sakka poistetaan suodatinpatjasta vastavirtahuuhtelun avulla, jonka tarve määräytyy painehäviön tai määritetyn toiminta-ajan mukaan. Pesu käynnistyy automaattisesti jommankumman raja-arvon ylittyessä. Suodattimen likaantuessa painehäviö kasvaa, eli virtausvastus suurenee. Suodattimen toiminta voi olla fysikaalista, biologista ja/tai kemiallista. Kun suodatus tapahtuu fysikaalisesti, suodatinmateriaali ei osallistu kemiallisiin reaktioihin veden tai vedessä olevien aineiden kanssa. Hiekkasuodatin on tyypillinen fysikaalinen suodatin. Biologisissa suodattimissa tapahtuu myös fysikaalista suodattumista, mutta pääosin suodatus tapahtuu biologisesti. Talousveden valmistuksessa käytettävät biologiset suodattimet ovat tyypiltään hidassuodattimia. (Peltokangas 1991) Kappaleen 2.5 mukaan hiekkasuodattimia voidaan pitää myös biologis-kemiallisina suodattimina. Sameuden ja partikkelien poistosta suodattimen avulla on kerrottu lisää kohdassa 2.6. HSY Veden Pitkäkosken vedenpuhdistuslaitoksen hiekkasuodattimet ovat tyypiltään hiekkapikasuodattimia ja suodatinpatja koostuu kolmesta raekokoluokkakerroksesta (raekoko 0,8 – 10 mm). Hiekkapatajan korkeus on noin 1,3 m. 3.7 Mixed bed -suodatus Pitkäkosken vedenpuhdistuslaitokselle on suunnitelmissa muuttaa ainakin osa hiekkasuodattimista mixed bed –suodattimiksi. Mixed bed –suodattimissa olisi 37 osa suodatinmassasta murskattua kvartsihiekkaa, joka on reakooltaan n. 0,5 – 1,0 mm, ja osa suodatinmassasta olisi kalkkikivirouhetta, jonka raekoko on välillä 0,5 – 1,5 mm. Suodatinpatjan korkeus on noin 1,1 m. Suodatinta huuhdeltaessa hiekka ja kalkki sekoittuvat keskenään, koska ne ovat raekooltaan samaa luokkaa. Suodatinta huuhdellaan ensin ilmalla ja sitten vedellä vastavirtaan. Kalkkia liukenee veteen, joka virtaa suodattimen läpi, eli suodattimessa oleva kalkkimäärä pienenee suodattimen ollessa käytössä ja se vaatii kalkin lisäystä aika ajoin. Suodattimessa käytetty kalkki on Nordkalki Oyj Abp:n Parfill 2/1500kalkkia, jonka MgO- pitoisuus on 1,4 %, eli se on kalsiumkarbonaattia. Mixed bed –suodatin on pääasiassa fysikaalinen suodatin. Siinä kuitenkin tapahtuu kemiallisia reaktioita, joten sen voidaan sanoa olevan myös kemiallinen suodatin. Suodattimessa voi tapahtua biologista toimintaa, kuten tavallisessakin hiekkasuodattimessa. Voutilaisen (2010) tutkimuksien mukaan parhaimmat tulokset saatiin, kun suodattimessa oli Parfill 2/1500- kalkkia joko 1/3 tai ½ suodatinmateriaalista. Tutkimuksen mukaan pienemmällä kalkkimäärällä saatiin nostettua veden alkaliniteettia lähes yhtä korkealle kuin suuremmalla kalkkimäärällä, joten tähän tutkimukseen valittiin kalkki- ja hiekkamääriksi 1/3 kalkkia ja 2/3 hiekkaa. 3.8 Jälkikemikalointi 1 Suodatettu vesi virtaa ensimmäiseen jälkikemikalointialtaaseen, missä veden pH nostetaan kalkkivedellä 7,5:een, eli otsonointiin sopivaksi. Kalkkivedensyöttö toimii automaattisesti. Syötön jälkeen veden on annettava stabiloitua, joten se viipyy muutaman tunnin kontaktialtaassa ennen otsonointiin pääsyä. (Lammi 1996) 38 3.9 Otsonointi Otsonoinnissa vedestä tuhotaan bakteerit, virukset sekä pieneliöt. Lisäksi veden haju ja maku paranevat ja orgaanisia yhdisteitä hajoaa. Otsoni (O3) on voimakas hapetin ja se valmistetaan otsonaattoreiden avulla suoraan hapesta. Otsonointi suoritetaan syöttämällä veteen hapen ja otsonin kaasuseosta diffuusorien välityksellä kontaktialtaissa. Jäännösotsonipitoisuus otsonoinnista lähtevässä vedessä on noin 0,4 mgO3/l viipymällä 7 – 10 minuuttia. (Lammi 1996, Seittenranta 2010) 3.10 Jälkikemikalointi 2 Otsonoinnin jälkeen veteen syötetään jälkikemikalointi 2:ssa hiilidioksidia nostamaan alkaliniteettia. Alkaliniteetin noston tarkoituksena on vähentää veden aiheuttamaa korroosiota. Hiilidioksidin valmistaa ja toimittaa Pitkäkosken vedenpuhdistuslaitokselle Suomen AGA Oy. Se on heikko happo ja veden pH laskee tasaisesti siihen syötetyn hiilidioksidimäärän suhteessa. Hiilidioksidi syötetään veteen kaasumaisena. (Lammi 1996) 3.11 Aktiivihiilisuodatus Vedessä olevaa orgaanista hiiltä poistetaan biologisella sekä adsorptioon perustuvalla suodatuksella aktiivihiilipatjojen läpi. Aktiivihiilisuodattimia on aina kaksi sarjassa. Ensimmäisessä suodattimessa on vanhaa käytettyä hiiltä (2 – 4 vuotta), johon on absorboitunut runsaasti orgaanisia ravinneaineita. Tästä johtuen hiilessä on runsaasti biologista toimintaa. Ensimmäinen suodatin toimiikin biologisena suodattimena. Toisessa suodattimessa on uutta hiiltä (0 – 2 vuotta), joten siinä ei varsinaisesti tapahdu biologista toimintaa, vaan pelkästään orgaanisten ainesjäämien absorptiota. Aktiivihiilisuodattimien pesu tapahtuu automaattisesti. (Lammi 1996) 39 Aktiivihiilisuodatuksella poistetaan vedestä hajua, makua sekä väriä. Lisäksi sillä voidaan poistaa orgaanisia (esim. humus) sekä epäorgaanisia (esim. bromaatti) yhdisteitä. Aktiivihiili poistaa yhdisteitä muun muassa adsorboimalla niitä tai toimimalla ioninvaihtimena. (Iivari 2008) Vanhetessaan aktiivihiilen toimintakyky heikkenee, joten se on tarpeen vaihtaa tai reaktivoida. Aktiivihiilen reaktivointi suoritetaan ulkoisesti tietyin väliajoin. Reaktivoinnin tarpeen määritys suoritetaan erillisen toimintaohjeen mukaisesti. (Ivari 2008, Lammi 1996) 3.12 UV- desinfiointi UV-desinfioinnin tarkoituksena on aktiivihiilisuodatuksessa irronneen bakteerikannan tuhoaminen. Vesi virtaa peräkkäin olevien UV- lamppurivien väleistä. UV-desinfiointi inaktivoi viruksia ja bakteereita sekä pienentää olennaisesti verkkoon syötettävän kloorimäärän tarvetta. Viipymä UV- desinfioinnissa on vain parin sekunnin luokkaa. (Seittenranta 2010) 3.13 Jälkikemikalointi 3 Välittömästi UV-desinfioinnin jälkeen veteen syötetään natriumhypokloriittia sekä ammoniakkivettä tietyssä moolisuhteessa, mikä sitoo kloorin kloramiiniksi. Kloramiinilla varmistetaan veden puhtaus verkossa. Se on hitaasti reagoivaa ja hyvin säilyvää sekä lähes hajuton ja mauton yhdiste. Veden korroosioominaisuuksia pienennetään pH:ta ja alkaliniteettiä säätämällä syöttämällä veteen kalkkivettä sekä hiilidioksidia. Jälkikemikaloinnissa syötetyt kemikaalit reagoivat puhdasvesialtaissa ennen vesijohtoverkkoon pumppausta. (Lammi 1996) 40 4 KALKKIVEDEN VALMISTUS Kalkkivettä syötetään veteen prosessin kolmessa pisteessä; Alkukemikaloinnissa sekä jälkikemikalointi 1:ssä ja 3:ssa. (Kts. kohdat 3.3, 3.8 ja 3.13) Kalkkivettä valmistetaan tällä hetkellä poltetusta kalkista, mutta koska poltettu kalkki pitää sammuttaa ennen kalkkiveden valmistusta, pohdittiin olisiko taloudellisempaa käyttää kalkkiveden valmistukseen jo valmiiksi sammutettua kalkkia. 4.1 Yleistä kalkkituotteista Kalkkituotteita on saatavana erilaisia ja tuotteilla on eri ominaisuuksia. Kalkkituotteisiin kuuluvat karbonaattituotteet sekä poltettu ja sammutettu kalkki. Ne voivat erota ominaisuuksiltaan toisistaan erilaisilla kemiallisilla koostumuksillaan ja fysikaalisilla ominaisuuksillaan. Nämä tulee huomioida tuotteiden käytössä kuten myös niiden käsittelyssä ja varastoinnissa. Kalkkituotteet on valmistettu kalkkikivestä ja ne kaikki reagoivat happamien vesiliuosten kanssa sekä toimivat emäksinä.. (Piispanen 2010) Karbonaattituotteet (kalkkikivirouheet, -jauheet ja -fillerit) on valmistettu kalkkikivestä (CaCO3) erilaisilla murskaus- ja seulontamenetelmillä. Ihan hienojakoisimmat tuotteet valmistetaan jauhamalla. Talousveden valmistuksessa käytetään yleensä kalkkikivirouheita ja jätevesipuolella ovat käytössä kalkkikivijauheet. Kalsiumkarbonaattimuodossa kalkkituotteet eivät yleensä nosta veden pH:ta yli yhdeksään. Yleensä pH- arvo jää ns. tasapainotilan pH- arvoon, joka on 7,5 – 8,5. (Piispanen 2010) Talousveden valmistuksessa käytettävien kemikaalien tulee täyttää niille asetetut SFS-EN standardit. Kalkkikivituotteille asetetut laatuvaatimukset käyvät ilmi standardista SFS-EN 1018. Standardissa on määritetty sallittu kalsiumkarbonaatin määrä kalkkituotteessa sekä liukenemattoman aineksen ja raskasmetallien sallittu osuus tuotteessa. (Piispanen 2010) 41 4.2 Poltettu kalkki Kalkkikiveä voidaan jalostaa poltetuksi kalkiksi polttamalla sitä yli 1100 C lämpötilassa. Tällöin kalkkikiven sisältämä hiilidioksidi vapautuu ja kalsiumkarbonaatti muuttuu kalsiumoksidiksi (CaO), eli poltetuksi kalkiksi. (Piispanen 2010) Kalkkikiven polttoreaktiota voidaan kuvata seuraavalla yhtälöllä: CaCO3 (kalkkikivi) + lämpöä => CaO (poltettu kalkki) + CO2 (19) (Heikkinen 1977) Poltettua kalkkia on rakeisena eri raekokoina sekä jauhettuna. Se käyttäytyy erilailla kuin kalsiumkarbonaattimuodossa olevat kalkkituotteet. Se on vahva emäs; Kylläisen liuoksen pH on yli 12. (Piispanen 2010) Poltetun kalkin ominaisuudet voivat vaihdella muun muassa sen mukaan, millaisesta kalkkikivestä se on poltettu ja millä tavalla sekä kuinka pitkä geologinen ikä kalkkikivellä on. Kalkin polttotavalla voidaan vaikuttaa esimerkiksi kalkin reaktiivisuuteen. (Piispanen 2010) Seuraavat kalkkikiven ominaisuudet vaikuttavat siitä valmistetun poltetun kalkin laatuun: - kidemuoto - reaktiivisuus ja huokoisuus - puhtaus sekä epäpuhtauksien määrä ja laatu - partikkelikoko ja kokojakauma - kokojakauman tasaisuus - uunityyppi - polttolämpötila - polttonopeus ja jäähdytysnopeus - polttoaika - polton tasaisuus (Heikkinen 1977) 42 Tärkeimmät poltetun kalkin laatuun vaikuttavat asiat ovat polttolämpötila, polttoaika, kalkkikiven laatu ja uunityyppi. Polttolämpötila ja polttoaika vaikuttavat toisiinsa kääntäen. Korkea polttolämpötila lyhentää polttoaikaa. Yleensä sekä polttoaika että –lämpötila määritetään yksilöllisesti kullekin kalkkikivilaadulle kokeellisin menetelmin. Korkean lämpötilan ja pitkän polttoajan vaikutuksesta kalkista tulee yleensä ylipalanutta, jolloin se reagoi veden kanssa hitaasti. Lyhyellä polttoajalla ja alemmalla lämpötilalla saadaan usein aikaan pehmeämpää ja hyvin reagoivaa kalkkia, mutta tällöin on mahdollista, ettei kaikki kalkkikivi pala täydellisesti. Poltetun kalkin toivotuimpia ominaisuuksia ovat korkea CaO- pitoisuus sekä tehokas ja nopea reaktio veden kanssa. (Heikkinen 1977) Poltetun kalkin laatuvaatimukset vedenkäsittelyn kannalta on esitetty standardissa SFS-EN-12518. Standardissa otetaan kantaa vesiliukoisen kalsiumoksidin/-hydroksidin määrään, veteen liukenemattoman aineksen osuuteen ja raskasmetalleihin. (Piispanen 2010) Kalsiumoksidi on hygroskooppista, eli se sitoo itseensä kosteutta. Joutuessaan kosketuksiin veden kanssa se reagoi voimakkaasti muuttuen sammutetuksi kalkiksi, eli kalsiumhydroksidiksi. Poltettu kalkki ei sisällä ennestään kemiallisesti sitoutunutta vettä. (Piispanen 2010) 4.3 Poltetun kalkin sammutus Kalkin sammutuksella tarkoitetaan kalsiumoksidin ja veden välistä eksotermista reaktiota, jonka seurauksena kalkki muuttuu kalsiumhydroksidiksi, eli sammuu. Sammumisreaktio on esitetty yhtälössä 20. Jotta kalsiumoksidi (CaO) voisi liueta veteen, se reagoi aina ensin veden kanssa muuttuen kalsiumhydroksidiksi. Vasta sen jälkeen, kun kalsiumoksidi on sammunut ja muuttunut kalsiumhydroksidiksi se voi liueta veteen. Sammutuksen onnistumisesta riippuu, kuinka hyvin poltetusta kalkista muodostuu kalsiumhydroksidia ja sitä kautta se, kuinka hyvin sitä saadaan hyödynnettyä (Piispanen 2010, Heikkinen 1977) CaO + H2O => Ca(OH)2 + lämpöä (20) 43 Kalsiumhydroksidi voi olla esimerkiksi pastamaista tai maitomaista riippuen reaktiossa käytetystä vesimäärästä. Sammumisreaktiossa tärkeää on etenkin oikea vesimäärä ja sekoituksen tehokkuus. Sekoitus nopeuttaa ja tehostaa reaktiota. Kalkkituotteiden ja veden sekoittamisessa on aina tärkeää, että sekoitus tapahtuu tarpeeksi tehokkaasti. (Piispanen 2010) Pitkäkosken vedenpuhdistuslaitoksella poltettu kalkki sammutetaan 1:4 kalkkivesi-suhteella. (Heikkinen 1977) Tätä kalkkimaitoa käytetään alkukemikaloinnissa, mikäli kalkinlisäykseen on tarvetta (lähinnä silloin, jos raakavetenä käytetään jokivettä Vantaanjoesta). Heikkisen (1977) tutkimuksessa mainittiin, että keskisuuren CaO- pitoisuuden omaava poltettu kalkki pitäisi yleensä sammuttaa siten, että 1:4 kalkki-vesisuhteella saavutettaisiin 70 – 95 C:een lämpötila. Tällöin olisi mahdollista saada aikaan reaktiivista pienen partikkelikoon omaavaa kalsiumhydroksidia. Heikkisen mukaan suositellaan lämpimän tai jopa kuuman veden käyttöä sammutusvetenä. Erilaiset poltetut kalkit käyttäytyvät sammutettaessa eri tavalla. Reaktiolämmön nousussa ja veden tarpeessa sekä sammumisajoissa on eroja. Reaktiiviset kalkit sammuvat nopeasti, kun taas vähemmän reaktiivisilla kalkeilla sammumisaika on pidempi. Vähemmän reaktiivisten kalkkien sammutusvesi saatetaan joutua lämmittämään. Sammutusveden määrä on myös riippuvainen sammuttimen tyypistä. (Piispanen 2010) Poltetun kalkin sammutusreaktioon vaikuttavia tekijöitä (Heikkinen 1977): - Poltetun kalkin pehmeys Pehmeäksi poltettu kalkki reagoi aina nopeammin ja tehokkaammin veden kanssa kuin kovaksi poltettu tai ylipoltettu kalkki. Pehmeän kalkin sammutukseen tarvitaan yleensä matalampi sammumislämpötila. Kovan kalkin hitaasti reagoiva pintakerros estää veden pääsyn kalkkirakeen sisään, jolloin sammumisreaktio hidastuu ja vaikeutuu. 44 - Polton tasaisuus Kalkki sammuu tehokkaimmin, jos se on poltettu tasaisesti, eikä siinä ole tapahtunut paikallisia ylipalamisia, sekä kaikki kalsiumkarbonaatti (CaCO3) on reagoinut kalsiumoksidiksi (CaO). - Korkea CaO- pitoisuus Kalsiumoksidipitoisuus vaikuttaa saatavan sammutetun kalkin määrään ja reaktiossa vapautuvaan lämpömäärään. - Oksidiepäpuhtauksien määrä Korkea oksidiepäpuhtauksien määrä aiheuttaa varsinkin kovaksi poltetun kalkin pinnalle kovemman, heikosti reagoivan, huokosettoman pinnan muodostumisen. Tällaisella kalkilla on yleensä myös normaalia suurempi kuluttava vaikutus. - Pieni partikkelikoko Mitä pienempi partikkelikoko kalkilla on, sitä suurempi on sen ominaispinta-ala (kokonaispinta-ala massayksikköä kohti). Koska kalkilla ja vedellä on tällöin enemmän reaktiopinta-alaa, on reaktio nopeampi. - Korkea sammutuslämpötila Sammutusreaktio tapahtuu yleensä nopeammin ja tehokkaammin korkeammassa lämpötilassa. Nopean sammutusreaktion seurauksena muodostuu kalsiumhydroksidia, jolla on pienempi partikkelikoko, jolloin se liukenee ja reagoi nopeammin ja täydellisemmin. Kovaksi poltetut tai alhaisen CaO- pitoisuuden omaavat kalkkilaadut tarvitsevat yleensä normaalia korkeamman sammumislämpötilan (80 – 95 C) sammuakseen hyvin. - Kosteuden estäminen Kalsiumoksidin ollessa kosketuksessa ilman kanssa se reagoi ilmassa olevan kosteuden ja hiilidioksidin kanssa (ns. air slaking). Tuloksena on joko heikkoliukoista kalsiumhydroksidia tai kalsiumkarbonaattia. ”Air slaking”- ilmiö on sitä nopeampaa, mitä reaktiivisempaa kalkki on. 45 - Tehokas sekoitus sammutuksen yhteydessä Reaktionopeus on suoraan verrannollinen sekoitusnopeuteen, mutta liian tehokas sekoitus aiheuttaa suuria lämpöhäviöitä. - Alhaisempi vesi-kalkki-suhde Pienemmällä vesi-kalkki- suhteella saavutetaan suurempi lämpötilannousu, jolloin reaktio on nopeampi. Huonompilaatuisilla ja kovaksi poltetuilla kalkkilaaduilla sammutuksessa kannattaa yleensä käyttää vähemmän vettä. Vesi-kalkki- suhde riippuu yleensä myös käytössä olevasta sammutintyypistä, eikä se saa kuitenkaan olla liian pieni, jotta sammutusreaktio tapahtuisi tasaisesti. - MgO- pitoisuus Korkea magnesiumoksidipitoisuus (dolomiittikalkki) pienentää reaktionopeutta. Tehokkaan reaktion tärkeimpinä edellytyksinä pidetään yleensä poltetun kalkin laatua ja CaO- pitoisuutta sekä riittävän korkeaa sammutuslämpötilaa ja oikeaa kalkki-vesi- suhdetta. Nämä tekijät luovat edellytykset nopealle lämpötilannousulle ja täten nopealle reaktiolle. Sammutusreaktion onnistuminen määrää viimekädessä saatavan kalsiumhydroksidin laadun. (Heikkinen 1977) 4.4 Sammutettu kalkki Sammutettu kalkki, eli kalsiumhydroksidi (Ca(OH) 2), on reagoinut veden kanssa jo valmistusvaiheessa ja se sisältää kemiallisesti sitoutunutta vettä. Se on vahva emäs, jonka pH nousee yli arvon 12. Tehdasvalmisteinen sammutettu kalkki on hienojakoinen jauhe. Sammutetun kalkin ominaisuuksiin vaikuttaa raaka-aineena olleen kalkkikiven ominaisuudet. Sen laatuvaatimukset vedenkäsittelyn kannalta löytyvät standardista SFS-EN-12518. Standardissa otetaan kantaa vesiliukoisen kalsiumoksidin/-hydroksidin määrään, veteen liukenemattoman aineksen osuuteen ja raskasmetalleihin. (Piispanen 2010) Sammutetun kalkin halutut ominaisuudet vaihtelevat hieman käyttötarkoituksesta riippuen. Käytettäessä tuotetta veden pH:n säätöön toivotaan luonnollisesti, että se 46 olisi mahdollisimman hyvin ja nopeasti liukenevaa sekä nopeasti reagoivaa. (Heikkinen 1977) Kun sammutettua kalkkia käytetään neutralointiin ja pH:n säätöön, on partikkelikoko sen tärkein ominaisuus. Partikkelikokoa pidetään yleisesti reaktiivisuuden mittana. Sammutettu kalkki on sitä paremmin reagoivaa, mitä pienempi on sammutuksessa saatavien partikkeleiden keskimääräinen koko. Jokaisella kalkkilaadulla on olemassa optimiolosuhteet, jolloin saavutetaan mahdollisimman pieni partikkelikoko, mutta ne eivät usein ole taloudellisesti edullisimmat. (Heikkinen 1977) Sammutetun kalkin liukoisuus riippuu melko voimakkaasti veden lämpötilasta siten, että liukoisuus pienenee lämpötilan noustessa. Eri tavoin sammutetuilla kalkeilla voi olla suuria eroja liukoisuudessa. Vastasammutettu kalkki voi olla jopa 10 % liukoisempaa kuin suuren partikkelikoon omaava valmiiksi sammutettuna hankittu sammutettu kalkki. (Heikkinen 1977) Sammutetun kalkin käytön tehokkuuteen vaikuttaa liukoisuuden lisäksi oleellisesti myös kalkin liukenemisnopeus. Liukenemisnopeus on verrannollinen sekä liukoisuuteen, että siihen, kuinka kaukana kyllästymispisteestä ollaan. Liukenemisnopeus on yleensäkin sitä suurempi, mitä suurempi on liuottimen ja liotettavan aineen välinen kosketuspinta. Siksi myös liukoisuus kasvaa partikkelikoon pienentyessä. Keskimääräistä partikkelikokoa voidaan arvioida kalsiumhydroksidihiukkasten laskeutumisnopeuden perusteella vedessä. Mitä hitaampi laskeutumisnopeus on, sitä pienempiä partikkelit ovat keskimäärin. (Heikkinen 1977) 47 4.5 Kalkkiveden valmistus sammutetusta kalkista 4.5.1 Laitoksella sammutettu kalkki Laitoksella käytetty poltettu kalkki on raekooltaan 0,75 – 4,0 mm ja sen kalsiumoksidipitoisuus on noin 91 %. Kalkki sammutetaan käyttämällä vettä sekoitusaltaissa noin 80 C lämpötilassa. Kalkkivesi johdetaan stabilointisiiloihin, joissa tapahtuu vielä kalkin liukenemista. Pieni osa kalkista ei liukene veteen, vaan laskeutuu siilon pohjalle. Kalkkivettä syötetään eri prosessinosiin varastosiiloista. Kalkkimursketta kuluu yhteensä noin 20 g/m3. (Lammi 1996) Pitkäkosken vedenpuhdistuslaitoksella kalkin syöttö sammuttimeen tapahtuu kalkkisiilosta, josta kalkki valuu syöttöhihnalle. Syöttöhihnan nopeus voidaan säätää automaattisesti halutun pH:n mukaan tai käsin. (Lammi 1996) Sammutuksen jälkeen kalkkisuspensio johdetaan kalkkivesisiiloihin, jotka ovat yhdistettyjä liuotin-selkeytin- laitteistoja. Niiden avulla valmistetaan noin 200 gCaO/l sisältävästä kalkkimaidosta laimentamalla ja liuottamalla lähes kylläistä kalsiumhydroksidiliuosta, eli kalkkivettä, joka sisältää noin 1 gCaO/l. (Lammi 1996) Kalkkisuspensio, eli kalkkimaito, johon on jo lisätty laimennusvesi, johdetaan kalkkivesisiiloihin yläkautta syöttökourua pitkin siilon keskustaan. Katso liitteet 1-2. Siilon keskustasta suspensio johdetaan edelleen sekoituskartion sisäputkea pitkin siilon alaosaan. Sisäputkessa on potkuri, joka sekoittaa suspensiota ja samalla edistää virtausta alaspäin. Sekoituskartion alapuolella siilon alaosassa tapahtuu edelleen liukenemista ja samalla pääosa liukenemattomasta kalkista ja hiekasta laskeutuu siilon alakärkeen, josta se poistetaan ajoittain puhaltamalla kalkkilietekaivoon. Siilon alaosasta kalkkivesi virtaa sekoituskartion ja siilon seinämän välistä ylöspäin. Ylöspäin mentäessä tilavuusvirtaus pinta-alayksikköä kohti pienenee, koska poikkileikkauksen pinta-ala kasvaa. Samalla kalkkivesi selkeytyy, mutta liukenemistakin voi vielä tapahtua. Selkeytynyt kirkas liuos 48 nousee edelleen ylöspäin ja virtaa purkuaukkojen kautta kouruihin. Kouruista kirkas kalkkivesi virtaa ylijuoksuna varastosäiliöihin, joista kalkkivettä otetaan prosessiin. (Lammi 1996) 4.5.2 Valmiiksi sammutettu kalkki Sammutettu kalkki on reagoinut veden kanssa jo valmistusvaiheessa, eikä sen reaktiossa veden kanssa siksi enää muodostu lämpöä. Kalsiumhydroksidi liukenee veteen yhtälön 21 mukaisesti. (Piispanen 2010) Ca(OH)2 + H2O => Ca2+ + 2OH- + H2O (21) Sammutetun kalkin liuotukseen kuluu 10 – 15 minuuttia ilman ulkopuolisen energian käyttöä, mutta tehokkaalla sekoituksella liukenemista voidaan nopeuttaa. Sammutetun kalkin liukoisuus veteen on alhainen. Veden lämpötilan ollessa 0 C kalsiumhydroksidia voi liueta veteen 1,85 g/l, mutta liukoisuus laskee, kun veden lämpötila nousee. Esimerkiksi 100 C:ssa liukoisuus on enää 0,71 g/l. Jos halutaan valmistaa liuosta, jossa kalkki on täysin liuenneena, pitoisuus on käytännössä 1,0 – 1,3 g/l. Kaikki tämän yli menevä kalkkimäärä tuottaa suspensiota, eli ns. kalkkimaitoa. (Piispanen 2010) Sammutetun kalkin syöttämistä kuivana käsiteltävään veteen ei suositella, eli myös käytettäessä valmiiksi sammutettua kalkkia kalkkiveden valmistuksessa kannattaa se sekoittaa ensin veteen ns. kalkkimaidoksi. Kalkkimaidossa on mukana liukenematonta kalkkia. Kalkkimaidosta valmistetaan kalkkivettä laimentamalla sitä lisävedellä haluttuun pitoisuuteen ja kun se on saavutettu, kalkkivesi vielä selkeytetään, eli siitä laskeutetaan pois liukenemattomat hiukkaset. Koska kalkkituotteet ovat peräisin luonnon kalkkikivestä, on niissä aina jonkin verran veteen liukenematonta ainesta, yleensä silikaatteja, ja nämä saadaan myös erotettua kalkkivedestä selkeytysvaiheessa. Juomaveden valmistuksessa käytetään yleensä kalkkivettä, sillä kalkkimaitoa käytettäessä liukenemattomat hiukkaset pitäisi poistaa vedestä jollain tavalla, esimerkiksi suodattamalla. (Piispanen 2010) Kalkkiveden 49 valmistuksessa valmiiksi sammutetusta kalkista joudutaan siis kuitenkin läpikäymään edellisessä kohdassa kuvailtu liuotus, sekoitus ja selkeytys. 4.6 Poltettua vai sammutettua kalkkia Poltetun kalkin valmistuksessa on yksi prosessivaihe vähemmän kuin sammutetun kalkin valmistuksessa, eli sammutus. Siksi poltettu kalkki on hinnaltaan edullisempaa kuin sammutettu kalkki. Poltettu kalkki tulee myös edullisemmaksi kuljetuskustannusten kannalta, koska siinä ei kuljeteta mukana kemiallisesti sitoutunutta vettä, jota taas sammutetussa kalkissa on mukana. Poltettua kalkkia tarvitaan myös määrällisesti vähemmän kalkkiveden valmistukseen kuin sammutettua kalkkia. Teoriassa kalsiumoksidin ja kalsiumhydroksidin suhde saman vaikutuksen saamiseksi on 1 yksikkö kalsiumoksidia ja 1,32 yksikköä kalsiumhydroksidia. Eli jos kalsiumoksidia on tarvittu halutun vaikutuksen aikaansaamiseksi esim. 100 g, tarvittaisiin vastaavasti kalsiumhydroksidia 132 g. Tämä tulee huomioida myös varastotarpeen määrittämisessä, kun sammutettua kalkkia tarvitaan n. 1,3- kertaisesti poltettuun kalkkiin nähden. (Piispanen 2010) Kun vertaillaan poltetun ja sammutetun kalkin hintoja, pitää ottaa huomioon kalkkituotteiden laadut. Mikäli kyseessä on reaktiivinen, veden käsittelyyn soveltuva tuote, se toimii paremmin ja sitä tarvitaankin vähemmän. Erot tulevat esiin kalkin liukoisuudessa ja sitä kautta sen hyödynnettävyydessä. Poltetun kalkin hyödynnettävyyteen vaikuttaa tuotteen ominaisuuksien lisäksi laitoksella tehtävän märkäsammutusvaiheen onnistuminen, mihin taas vaikuttaa sekä tuotteen että tekniikan valinta. (Piispanen 2010) Mikäli laitoksella on jo valmiiksi kalkkivedenvalmistukseen tarkoitettuja laitteistoja, jotka on suunniteltu poltetulle kalkille ja halutaan siirtyä käyttämään niitä kalkkiveden valmistukseen sammutetusta kalkista, tulee kiinnittää huomio siiloihin ja siilokapasiteetin riittävyyteen. Sammutettu kalkki on tilavuuspainoltaan kevyempää kuin poltettu kalkki, joten sama tonnimäärä sammutettua kalkkia tarvitsee enemmän tilaa kuin poltettu kalkki. Sammutetun kalkin tilavuuspaino on 400 – 600 kg/m3 ja poltetun kalkin tilavuuspaino on 900 – 50 1300 kg/m3 riippuen siitä, onko se jauhettua vai rakeista. Tästä johtuen esim. 40 tonnia sammutettua kalkkia tarvitsee tilaa 100 m3, kun taas samalle määrälle poltettua kalkkia riittää 45 m3. (Piispanen 2010) Siiloissa pitää huomioida myös purkauksen apulaitteet, joita sammutetulle kalkille pääsääntöisesti tarvitaan. Sammutetulle kalkille parhaiten soveltuva purkauksen apulaite on fluidisointi, eli paineilman syöttö siilokartioon. Poltetulle kalkille tarkoitettujen kuiva-annostelulaitteiden soveltuvuus hienojakoisemmalle sammutetulle kalkille on asia, joka tulee tarkistaa. Sammutintyypin soveltuvuus sammutetun kalkin sekoitukseen veteen kalkkimaidoksi tulee huomioida. Yleensä poltetun kalkin sammutusvaiheessa tehtävä pasta on paksumpaa kuin sammutetun kalkin veteenliettämisvaiheessa tehtävä ns. kalkkimaito. (Piispanen 2010). Teknisiä muutoksia sammutuslaitteisiin tarvinnee tehdä, jos siirryttäisiin poltetun kalkin käytöstä valmiiksi sammutetun kalkin käyttöön. Kun poltettu kalkki on sammutettu tai kun valmiiksi sammutettu kalkki on lisätty veteen, jatkuu prosessi kummassakin tapauksessa samalla tavalla. Eli sekoitus, veden lisäys ja selkeytys ovat käytössä myös valmiiksi sammutetun kalkin käsittelyprosessissa. (Piispanen 2010) 51 5 TUTKIMUSMENETELMÄT 5.1 Valmistelut Tutkimusta varten valittiin kaksi rinnakkaista hiekkasuodatinta, joille tulee vesi samasta selkeytysaltaasta. Varsinaiseksi tutkimussuodattimeksi valittiin suodatin numero 13 ja vertailusuodattimeksi valittiin suodatin numero 14. Suodattimesta 13 tehtiin mixed bed -suodatin ja suodatin 14 jätettiin tavalliseksi hiekkasuodattimeksi. Hiekkasuodattimissa on aina kaksi puolta, eli kaksi erillistä allasta, joiden läpi virrannut vesi yhdistyy suodattimen alla. Suodattimen 13 hiekkapatjojen korkeudet mitattiin ja tasoitettiin siten, että hiekkaa siirrettiin toisesta puoliskosta toiseen (ennen tasoitusta suodatin tyhjennettiin vedestä). Hiekkojen tasoituksen jälkeen suodattimeen lisättiin Nordkalk Oyj Abp:n Parfill 2/1500- kalkkia siten, että suodatinmassasta 1/3 oli kalkkikivirouhetta ja 2/3 hiekkaa. Mixed bed suodattimen suodatinpatjan lähtökorkeus oli alussa noin 1,1 metriä. Rinnakkaisessa hiekkasuodattimessa hiekkapatjan korkeus oli noin 1,3 metriä. Mixed bed -suodatinta huuhdeltiin hyvin ennen kuin selkeytettyä vettä alettiin valuttaa suodattimen läpi. Suodatettu vesi johdettiin ensin viemäriin, jotta voitaisiin varmistua mixed bed -suodatetun veden olevan tarpeeksi hyvälaatuista prosessiin johdettavaksi, eli ettei sameus ole liian suuri. Alussa näytteet otettiin ja analysoitiin lähes päivittäin. Koska viemäripumpulla on rajoitettu kapasiteetti, oli virtaama mixed bed -suodattimen läpi hyvin pieni verrattuna haluttuun tutkimusvirtaamaan. Arviolta viemäriin virranneen veden virtaama oli noin 90 m3/h. Tutkimusvirtaama laskettiin jakamalla haluttu suodatuslaitoksen kokonaistuotto hiekkasuodattimien lukumäärällä. Tutkimuksessa arvioitiin, että suodatusosaston kokonaistuoton tulisi olla noin 7000 m3/h ja suodattimia on yhteensä 24, joten 52 suodatinkohtaiseksi virtaamaksi laskettiin noin 290 m3/h. Viipymäksi tällä virtaamalla laskettiin mixed bed –suodattimelle noin 10 minuuttia ja hiekkasuodattimelle melkein 12 minuuttia. Yhtälöllä (12) laskettu tehollinen viipymä on kuitenkin pienempi, vain noin 4 minuuttia mixed bed –suodattimella ja 4,7 minuuttia hiekkasuodattimella. Suodatusnopeudeksi saatiin noin 6,7 m/h. Kun mixed bed -suodattimelta lähtevän veden laatu varmistettiin tarpeeksi hyväksi, alettiin vettä johtaa prosessiin ja virtaamaksi sekä mixed bed suodattimelle että rinnakkaissuodattimelle (hiekkasuodatin 14) asetettiin 290 m3/h. Tutkimusta varten varattiin online- sameusmittari mittaamaan selkeytetyn veden sameutta jatkuvatoimisesti. Suodatetun veden sameutta mitataan kiertävällä sameusmittarilla, joka mittaa jokaisen suodattimen lähtevän veden sameuden peräkkäin. Kyseistä sameusmittausta käytettiin ensin mixed bed -suodatetun veden sameuden mittaamiseen, kunnes huomattiin, että se ei toiminutkaan halutulla tavalla. Asiasta lisää kohdassa 5.9 Tutkimuksessa ilmenneet ongelmat. Tutkimusta varten tilattiin myös jatkuvatoimiset pH- mittarit selkeytetylle ja mixed bed -suodatetulle vedelle. Kalkin kulumista mitattiin viikoittain mittakepillä, jolla mitattiin suodatinpatjan yläreunan etäisyyttä altaan yläreunasta ja laskettiin sen avulla suodatinpatjan paksuus mittaushetkellä. Kalkin kuluessa kyseinen välimatka piteni. Mittakeppi valmistettiin kiinnittämällä mittanauha puuseipääseen. Kalkkikivirouhetta tilattiin vielä uusi erä säkeissä, yhteensä 10 tonnia (20 x 500 kilogramman säkki). Tilavuudeltaan 10 tonnia kalkkikivirouhetta on noin 7 m3. Säkit varastoitiin ulkona. 5.2 Kalkkikivi Tutkimuksessa käytetty kalkkikivilaatu sekä kalkkikiven ja hiekan tilavuuksien suhde mixed bed -suodattimessa valittiin Vilja Voutilaisen (2010) diplomityön 53 tuloksien perusteella. Kalkkikivirouhe on Nordkalk Oyj Abp:n Parfill 2/1500kalkkia, jonka raekoko on noin 0,5 – 1,5 mm. Se on kotimaista, vanhaa, kiteistä, kalsiittista kalkkikiveä. Mixed bed -suodattimessa on murskattua kvartsihiekkaa. Hiekan raekoko on noin 0,5 – 1,0 mm, joten kalkkikivirouhe ja hiekka sekoittuvat keskenään, kun suodatin pestään. Nordkalkin Parfill 2/1500- kalkissa MgOpitoisuus on 1,4 %, eli se on kalsiumkarbonaattia. Taulukossa 4 on esitetty kalkkikivirouheen raekoostumus sekä sen sisältämiä aineita. Kalkkikivirouheen irtotiheys on n. 1500 kg/m3. Talulukko 4: Nordkalk Parfill 2/1500 (Nordkalk) Kemiallinen analyysi Raskasmetallit Raekoko 5.3 5.3.1 CaCO3-MgCO3 EN 12485 Liukenematon EN 12485 Cd Cr Hg Ni Pb As Sb Se 0,25 mm 0,50 mm 1,00 mm 2,00 mm % 94,4 % 5,1 mg/kg < 0,05 mg/kg 2 mg/kg <0,02 mg/kg 0,45 mg/kg 1,2 mg/kg 1,2 mg/kg 0,32 mg/kg <0,70 läp. % 2 läp. % 5,5 läp. % 77,1 läp. % 100 Laitteisto Suodattimien mitat Suodatinpuoliskoja on kaksi. Yhden puoliskon sisämitat ovat: Leveys 3,2 m, pituus 6,7 m ja syvyys 3,4 m. Mixed bed -suodattimessa on triton- pohjan takia syvyyttä vain 3,3 m. 54 5.3.2 Suodatinmassojen määrät Hiekkasuodattimien hiekkapatjan korkeus oli noin 1,3 m ja hiekkatilavuus oli noin 55 m3. Mixed bed –suodattimen suodatinpatjan alkukorkeus oli noin 1,1 m. Suodatinmassasta oli yli 30 m3 hiekkaa ja hieman yli 16 m3 kalkkikivirouhetta. 5.3.3 Suodattimien pohjaratkaisut sekä pesumahdollisuudet Mixed bed –suodattimessa on triton- pohja. Triton- pohjasta löytyy kuvia liitteestä 3. Siinä on halkaisijaltaan puoliympyrän muotoisia siivilämäisiä rakenteita, joiden läpi vesi kulkeutuu suodattimen alapohjaan. Pohjarakenteen muodosta johtuen pohjalla on suuri pinta-ala, jonka läpi vesi kulkee suodattimen alapohjaan. Lisäksi pesuvesi ja –ilma pääsevät hyvin tasaisesti suodatinpohjan läpi. Mixed bed – suodattimessa on siis sekä ilma- että vesipesu. Hiekkasuodattimen pohja on suutinpohja, josta on kuvia liitteessä 4. Vesi virtaa suuttimien raoista alapohjaan. Suodattimessa on pelkkä vesipesu. (Seittenranta 2010) 5.3.4 Pesuvesitorni Torni täytetään pohjasta 3,2 m korkeudelle ennen jokaista suodattimen puolen pesua. Veden kuluessa pesussa vedenpinta laskee, mutta sen ei anneta laskea alle 1,5 metriin, jottei pesuveden paine laske liikaa. Tornia myös täytetään koko pesun ajan. Yhden suodatinpuolen pesuun menee noin 85 m3 vettä, eli yhteensä 170 m3. (Seittenranta 2010) 5.3.5 Ilmansyöttölaitteisto Huoneilmaa syötetään kompressorin välityksellä suodattimen pohjassa olevien suuttimien läpi suodatinmateriaaliin. 55 5.3.6 Kalkinsyöttölaitteisto Ensimmäinen kalkinlisäys tehtiin Nordkalk Oyj Abp:n toimesta. Kalkki tuotiin laitokselle säiliöautossa ja purettiin suoraan suodattimeen säiliöstä märkänä paineilman avulla. Kalkkia tilattiin myöhemmin varastoon säkeissä ja toista kalkinlisäystä varten tilattiin kalkinsiirtolaitteisto Hurrikaanit ympäristöhuollolta. 5.4 Online- mittaukset Selkeytetyn ja mixed bed –suodatetun veden pH:ta seurattiin jatkuvatoimisesti pH- mittareilla, jotka olivat tyyppiä Stratos Eco 2405 pH. Lisäksi jatkuvatoimisesti mitattiin sameutta selkeytetystä vedestä ja mixed bed – suodatetusta vedestä sekä neljän tunnin välein kiertävällä sameusmittarilla hiekkasuodatetusta vedestä. Sameusmittarit olivat tyyppiä Solitax SC. Sekä mixed bed- että hiekkasuodattimien jatkuvatoimisesti, samoin paine-erojen suodattimien kehitystä alaventtiilien mitattiin myös aukioloprosentteja. Suodattimien virtaamia seurattiin jatkuvatoimisesti, mutta ne pysyivät hyvin tasaisina, koska niihin oli säädetty haluttu virtaama. 5.5 Pesurajojen määritys ja pesujärjestelyt Suodattimien pesurajat voidaan määrittää paine-eron ja käyttöajan mukaan. Ne näkyvät automaatiojärjestelmästä. Suodatin menee automaattisesti pesuun, kun jompikumpi raja ylittyy. Pesun jälkeen hiekkasuodattimen paine-ero alkaa nousta tasaisesti sitä mukaa, kun se likaantuu. Suodatin alkaa päästää yhä enemmän sameutta lävitseen likaantuessaan. Kun määritetään, kuinka suureksi suodattimelta lähtevän veden sameus saa nousta, voidaan suodattimelle määrittää maksimi paine-ero katsomalla, saavuttamishetkellä. kuinka suuri Tutkimuksen paine-ero on maksimisameuden hiekkasuodattimelle määritettiin maksimisameudeksi 0,5 NTU, koska haluttiin kokeilla, kuinka pitkäksi pesuväli 56 voidaan maksimissaan venyttää tutkimusvirtaamalla. Kun tämä sameus saavutettiin, oli hiekkasuodattimen paine-ero 11 kPa, mikä asetettiin pesurajaksi. Tällä pesurajalla hiekkasuodatin meni pesuun reilun kahden vuorokauden välein, joten maksimikäyttöajaksi määritettiin 60 tuntia. Maksimikäyttöajan asettaminen on hyvä varotoimi, jos pesu ei jostain syystä menekään päälle maksimipaine-eron ylittyessä. Hiekkasuodattimen pesua ei muutettu. Pesussa on pelkkä vastavirtainen vesihuuhtelu, eikä ollenkaan esisuodatusta. Ennen pesua suodattimen vedenpintaa lasketaan ja viemäriin menee noin 46 m3 vettä yhtä suodatinpuoliskoa kohti. Pesuaika on 2 x 4,5 minuuttia (kummatkin suodatinpuoliskot), jonka aikana vettä kuluu yhteensä 170 m3 virtaamalla 300 l/s. (Seittenranta 2010) Mixed bed -suodatin pidätti niin hyvin sameutta, että pesurajaa ei voitu määrittää sameuden perusteella. Suodattimen alaventtiili säätelee automaattisesti aukioloprosenttiaan siten, että suodattimen läpi menee haluttu virtaama. Suodattimen pikkuhiljaa tukkeutuessa ja paine-eron kasvaessa alaventtiili avautuu yhä enemmän, jotta virtaama pysyisi asetusarvossa. Kun venttiili on auennut noin 60 % se alkaa jo päästää melkein maksimimäärän vettä lävitseen, joten yli 60 prosentin aukioloprosentilla ei enää saada merkittävästi enempää vettä menemään venttiilin läpi. Siksi mixed bed -suodattimen pesurajan määrittämiseksi tutkittiin paine-eron käyttäytymistä alaventtiilin aukioloprosenttiin nähden. Huomattiin, että paine-ero oli noin 30 kPa, kun alaventtiili oli 60 prosenttia auki, joten paineerorajaksi asetettiin 30 kPa. Käyttöaika asetettiin hyvin suureksi siitä syystä, että suodatin menisi pesuun vain paine-eron ylittyessä, jotta eri pesusekvenssien vaikutusta käyttöajan pituuteen voitaisiin tutkia. Mixed bed -suodattimessa on vesihuuhtelun lisäksi ilmahuuhtelumahdollisuus. Pesusekvenssi alkaa suodattimen vedenpinnan laskulla viemärikourujen alapuolelle. Tätä ohjataan asettamalla vedenlaskuun käytettävä aika sekunteina (T1 käyttöjärjestelmässä). Seuraava vaihe on ilmahuuhtelun kesto T2, joka määritetään niin ikään sekunteina. Ilmahuuhtelun virtaamaa ei voida muuttaa järjestelmästä, vaan se pitää muuttaa manuaalisesti. Ilma syötetään suodatinaltaaseen tasaisesti pohjassa olevien suuttimien kautta, jolloin lika alkaa 57 irrota suodatinmateriaalista ja suodatinrakeet erkaantuvat toisistaan. Ilmahuuhtelun jälkeen tulee yhdistelmäpesu, jossa suodatinta huuhdellaan vastavirtaisesti yhtä aikaa ilmalla ja vedellä. Yhdistelmäpesun kestoa voidaan muuttaa järjestelmästä muuttamalla aikaa T3 (s). Yhdistelmäpesussa ilman virtaama on sama kuin pelkässä ilmahuuhtelussa, mutta veden virtaamaa voidaan muuttaa muuttamalla järjestelmästä virtaamaa S1 (l/s). Yhdistelmäpesun jälkeen seuraava sekvenssin vaihe on pelkkä vesipesu. Vesipesun kestoa voidaan muuttaa muuttamalla aikaa T4 järjestelmästä ja vesipesun virtaamaa voidaan muuttaa muuttamalla virtaamaa S2 (l/s). Pesusekvenssin viimeinen vaihe on esisuodatus, eli vettä suodatetaan suodattimen läpi, mutta vesi menee viemäriin. Esisuodatuksen kestoa voidaan muuttaa järjestelmästä muuttamalla aikaa T5 (s). Esisuodatuksen tulee olla sen pituinen, että suodatettu vesi on tarpeeksi hyvälaatuista laskettavaksi prosessiin. Koska suodattimessa on kaksi puoliskoa, pestään ensin toinen puolisko ja sen jälkeen toinen. Kummatkin puolet pestään siis erikseen ja peräkkäin samalla pesusekvenssillä. Pesusekvenssin muutettavat parametrit on vielä koottu taulukkoon 5 ja taulukossa 6 on esitetty alkuperäisen pesusekvenssin arvot. Taulukko 5: Mixed bed -suodattimen pesusekvenssin osat Lyhenne T1 T2 T3 T4 T5 S1 S2 Selitys Aika, kun vesi laskee kourun alapuolelle Ilmahuuhtelun kesto Yhdistelmäpesun kesto Vesipesun kesto Esisuodatuksen kesto Yhdistelmäpesussa veden virtaama Pelkän vesipesun veden virtaama 3 Ilmavirtaus on vakio, noin. 735 - 1155 m /h Taulukko 6: Alkuperäisen pesusekvenssin arvot. Suure Arvo T1 260 s T2 300 s T4 330 s T5 600 s S2 270 l/s 58 Laatu s s s s s l/s l/s 3 m /h Laitoksella oli huomattu, että suodattimen pesusekvenssin yhdistelmäpesuvaihe aiheuttaa suodatinmateriaalin karkaamista viemäriin. Asia tarkastettiin pesemällä suodatin kerran sellaisella sekvenssillä, jossa oli 10 sekunnin mittainen yhdistelmäpesu. Viemärikouruun laitettiin siivilä, jonka pinnalla oli liina, ja karkaavaa materiaalia jäi liinaan melko paljon. Siksi päätettiin, että tutkimuksessa ei käytetä ollenkaan yhdistelmäpesua, vaan suoritetaan ensin ilmahuuhtelu ja sitten vesipesu sekä tutkitaan, kuinka pesusekvenssi olisi viisainta toteuttaa. Pesusekvenssin muutettavista parametreista tutkittiin ainoastaan kolmen vaikutusta pesuväleihin: T2, T4 ja S2. Jokaista näistä kolmesta parametrista muutettiin yksitellen aiemmin käytössä olevasta sekvenssistä. Ensin parametria pienennettiin ja odotettiin, että suodatin oli pesussa kaksi kertaa peräkkäin samalla pesusekvenssillä. Sitten parametria suurennettiin ja jälleen pestiin suodatin kaksi kertaa peräkkäin samalla pesusekvenssillä. Jokainen pesu (A1 – C2) suoritettiin siksi kaksi kertaa peräkkäin, jotta saatiin kaksi rinnakkaista tulosta, joista voitiin laskea keskiarvot. Samalla tutkittiin, kuinka eri pesusekvenssit vaikuttivat suodattimen pesuvälien pituuksiin. Pesuohjelma on esitetty taulukossa 7. Taulukosta näkyvät myös jokaisen pesun ilma- ja vesimäärät. Pesututkimuksen aikana suodattimeen ei lisätty kertaakaan kalkkia. Taulukko 7: Mixed bed -suodattimen pesuohjelma. Tutkitaan Alkuperäistä pesua A: Ilmahuuhtelun kestoa T2 B: Vesipesun kestoa T4 C: Vesipesun virtaamaa S2 Pesu 0 A1 A2 B1 B2 C1 C2 T2 [s] 300 150 450 300 300 300 300 T4 [s] 330 330 330 150 450 330 330 S2 [l/s] 270 270 270 270 270 200 350 Ilmaa [m3] Vettä [m3] 79 89 39 89 118 89 79 41 79 122 79 66 79 116 Kuvista 7 – 11 näkyy mixed bed –suodattimen pesuvaiheita. Kun pesusekvenssin alussa vedenpintaa on laskettu viemärikourujen alapuolelle, näyttää suodatin kuvan 7 mukaiselta. Kuvassa ilmahuuhtelu on jo alkamaisillaan ja vedenpinnalla näkyy pientä väreilyä. Kuva 8 on otettu juuri sillä hetkellä, kun ilmahuuhtelu alkaa ja ensimmäiset kunnolliset ilmakuplat tulevat pintaan. Kuvassa 9 ilmahuuhtelu on täydessä käynnissä ja kuvasta voi nähdä lika-aineiden nousemista pintaan. Ilmahuuhtelun jälkeen alkaa vesipesu, jolloin vettä alkaa virrata 59 viemärikouruihin vieden likaa mennessään. Tämä näkyy kuvasta 10. Kuva 11 on lähikuva siitä, kun vesipesussa vesi virtaa kouruun. Kuvasta näkyy hyvin, kuinka likaista kouruun virtaava vesi on. Vesipesun aikana viemäriin saattaa joutua myös hienojakoista suodatinmateriaalia. Kuvista näkyy myös, kuinka saostuskemikaalina käytetty ferrisulfaatti on värjännyt suodatinaltaan sisäpinnat oranssinruskeiksi, kun ne olivat alun perin valkoiset. Kuva 7. Ilmahuuhtelu on alkamassa. 60 Kuva 8. Ilmahuuhtelu alkaa. Kuva 9. Ilmahuuhtelu on käynnissä. 61 Kuva 10. Vesipesu on käynnissä. Kuva 11. Vesi virtaa kouruun. 62 5.6 Analyysit ja niiden suoritustapa Näytteenottopisteitä oli neljä: Selkeytetty vesi, mixed bed -suodatettu vesi, hiekkasuodatettu vesi ja jalkikemikaloitu vesi 1 (suodatusosastolta lähtevään veteen lisätty kalkkivettä). Selkeytetyn veden näyte otettiin mixed bed suodattimen pinnasta näytteenottimella. Mixed bed -suodatetun veden näyte otettiin suodattimelta 13 tulevasta vedestä näytehanasta. Hiekkasuodatetun veden näyte otettiin suodattimen 14 vastaavasta näytehanasta. Jälkikemikalointiallas 1:sestä otettiin näytteet näytehanasta. Näytteet otettiin yleensä kolme kertaa viikossa; Maanantaina, keskiviikkona ja perjantaina. Näytteet analysoitiin mahdollisimman pian. Lämpötila mitattiin näytteenhaun yhteydessä ja pH mitattiin välittömästi näytteenhaun jälkeen. Muut analyysit tehtiin saman päivän aikana lukuun ottamatta TOC- ja rautamäärityksiä. 5.6.1 Lämpötila Lämpötila mitattiin elohopealämpömittarilla, jonka kalibrointi oli voimassa. Näyteventtiilistä juoksutettiin vettä ja samalla mitattiin veden lämpötila. Tuloksissa voi esiintyä virhettä maksimissaan ± 0,1 C. 5.6.2 PH- mittaus PH- arvot määritettiin pH- mittareilla standardin SFS 3021:1979 mukaisesti. PHarvot mitattiin näytepullon avaamisen jälkeen ensimmäisenä ja heti näytteenoton jälkeen niin nopeasti kuin mahdollista, jottei näytteen pH- arvo ehdi muuttua juurikaan todellisesta. Näytepullot myös täytettiin ihan täyteen siitä syystä, että jos näytevesi on ilman kanssa yhteydessä, sen pH- arvo alkaa muuttua. Tuloksien virhe on noin ± 0,2. 5.6.3 Sameusmittaus Näytteen sameus mitattiin sameusmittarilla standardin SFS-EN ISO 7027:1194:2000 mukaisesti. Epävarmuusprosentti on 15 %. Sameusmittari antaa tulokset yksikössä FTU ja jatkuvatoimiset sameusmittarit antavat tulokset 63 yksikössä NTU. Tulokset ovat verrannollisia keskenään tutkimuksen sameusalueella. 5.6.4 UV- absorbanssin mittaus UV- absorbanssi (254 nm) määritettiin kirjassa Standard Methods for Examination of Water and Wastewater (1995) olevan metodin mukaisesti spektrofotometrillä. 5.6.5 TOC- määritys TOC- määritykset tehtiin standardin SFS-EN1484:1997 mukaisesti. Tulokset esitetään muodossa mg/l ja mittausepävarmuus on 20 %. 5.6.6 Kovuus Kovuus määritettiin kovuustestin valmistajan, Merckin, ohjeen mukaan. Kovuustesti on nimeltään Titriplex®. Kovuus ilmoitetaan saksalaisen kovuusasteikon mukaan ( dH). Arvioitu virhemahdollisuus on noin 25 %. 5.6.7 Hiilidioksidi Hiilidioksidin määritys tapahtui Standard Methods for Examination of Water and Wastewater (1995) –kirjassa esitetyllä akreditoidulla menetelmällä. Vapaa hiilidioksidi reagoi natriumhydroksidin tai natriumkarbonaatin kanssa muodostaen natriumkarbonaattia. Reaktion päättyminen todetaan potentiometrisesti. Vapaa hiilidioksidi on sitoutunut, kun näytteen pH on pysynyt 8,3:ssa kolmen minuutin ajan. Mittausepävarmuus on noin 10 %. Tulos ilmoitetaan yksikössä mg/l. 5.6.8 Alkaliniteetti Alkaliniteetti määritettiin standardin SFS-EN ISO 9963-1:1996 mukaan. Menetelmässä määritetään kokonaisalkaliniteetti 64 titraamalla näyte kloorivetyhapolla potentiometrisesti pH- arvoon 4,5. Tulos ilmoitetaan yksikössä mmol/l. Alkaliniteetin ollessa alle 0,3 mmol/l mittausepävarmuus on 28 % ja sen ollessa 0,3 – 3,0 epävarmuus on 6 %. 5.6.9 Rautamääritys Raudan määritys vedestä tehtiin standardin SFS 3028 mukaan. Tulokset ilmoitetaan yksikössä mg/l ja suhteellinen virhe on 9,5 %. 5.6.10 Kolimuotoiset bakteerit ja Escherichia coli, colilert quanti- tray - menetelmä Kolimuotoisten bakteerien ja Escherichia colin määrittämiseen vesinäytteestä käytettiin sisäistä menetelmää, joka perustuu testin valmistajan, Idexx Laboratories, ohjeisiin. Tulokset ilmoitetaan yksikössä mpn/100 ml. Mpn on lyhenne sanoista ”most probable number”. Tulokset katsotaan mpn- taulukosta, josta nähdään todennäköisin määrä bakteereita sataa millilitraa näytettä kohti. 5.6.11 Kokonaismikrobit R2A- alustalla Kokonaismikrobit määritettiin kirjassa Standard Methods for Examination of Water and Wastewater (1995) esitetyllä menetelmällä. Tulokset ilmoitetaan pesäkkeitä muodostaneiden yksiköiden määränä millilitraa kohti, eli pmy/ml. Määritysraja on 100 pmy/ml, eli sitä pienemmät tulokset ovat epätarkkoja ja käytännössä merkityksettömiä. 5.7 Muut seurattavat asiat Kalkkikiven kulumista mixed bed -suodattimessa seurattiin viikoittain tai tiheämmin mittaamalla suodatinpatjan yläpinnan etäisyys suodatinaltaan yläreunasta mittakepillä. Mittaus tehtiin vähintään kahdesta kohtaa kumpaakin suodatinpuoliskoa kohti ja mittaustuloksista laskettiin keskiarvo. Koska suodatinaltaan poikkipinta-ala tunnetaan, voitiin laskea suurin piirtein, kuinka paljon kalkkia oli kulunut kuutiometreinä. 65 5.8 Kalkin lisäys Kalkin lisäys suodattimeen ennen kokeen alkamista tehtiin suoraan kuljetusauton säiliöstä imulaitteistolla märkänä. Myöhemmin kokeen lopussa kalkkia lisättiin varastossa olevista säkeistä tilatulla kalkinsiirtokalustolla niin ikään märkänä. Alussa kalkkia lisättiin noin 16 m3 (22 900 kg) ja lopussa 7 m3 (10 000 kg). 5.9 Tutkimuksessa ilmenneitä ongelmia Alussa, kun suodatin 13 oli tyhjennetty vedestä ja sinne oli lisätty kalkkia, tapahtui yllättävä asia. Selkeytysallas pestiin ja jostain syystä tyhjänä olevaan suodattimeen pääsi selkeytysaltaan sakkaa (määrää ei tiedetä). Kovasta huuhtelusta huolimatta suodatin oli hyvin likainen ja kesti monta päivää, että suodatettu vesi alkoi olla hyvälaatuista. Laitoksella on käytössä kiertävä sameusmittari, joka mittaa peräkkäin kunkin hiekkasuodattimen lähtevän veden sameuden. Mittari toimii muuten hyvin, mutta mixed bed -suodatuksen tutkimuksessa ilmeni ongelmia. Mixed bed -suodatin pidättää sameutta niin hyvin, että sitä ei tarvitse pestä läheskään yhtä usein kuin tavallisia hiekkasuodattimia. Tästä syystä mixed bed -suodattimen likaantuessa suodattimen paine-ero kasvaa paljon suuremmaksi kuin hiekkasuodattimissa ennen kuin suodatin joudutaan pesemään. Mixed bed -suodatin pestiin paine-eron ollessa 30 kPa ja hiekkasuodatin pestiin jo paine-eron ollessa 11 kPa. Suuresta paine-erosta johtuen mixed bed -suodattimen lähtevän veden paine ei enää riittänytkään kuljettamaan vettä kiertävälle sameusmittarille, joten paineeron ylittäessä noin 25 kPa ei sameustuloksia enää saatu. Siksi mixed bed suodattimelle rakennettiin oma sameusmittaus, joka oli alemmalla tasolla kuin kiertävä sameusmittari, jolloin saatiin vesi virtaamaan mittarille. Uusi sameusmittaus oli jatkuvatoiminen. 66 Online pH- mittarit ja -sameusmittari saatiin käyttöön vasta 10 – 14 päivän päästä kokeen aloittamisesta, joten jatkuvatoimisia mittaustuloksia ei ole ihan alusta. Vaikka suodattimien suodatinmassojen olemassa olevat määrät, mixed bed – suodattimen hiekkamäärien tasaus sekä kalkkikivirouheen lisäys mixed bed – suodattimeen laskettiin mahdollisimman tarkasti, käytännössä massamäärät olivat erit. On hyväksyttävä, ettei suodattimissa olevia suodatinmassamääriä voida arvioida tarkasti ja että massan lisäyksessä määrät ovat myös epätarkkoja. Pesun C2 virtaama ei yltänyt haluttuun arvoon 350 l/s, vaan liikkui noin arvossa 320 l/s. Oli tarkoitus kuitenkin tutkia vielä yhden pesuvälin verran, kuinka kauan menee, että C2 pesu menee uudelleen päälle ja sen jälkeen oli tarkoitus lisätä kalkkia suodattimeen. Valitettavasti jostain syystä kalkit lisättiin suodattimeen viikkoa liian aikaisin, joten osa tuloksista jäi saamatta. Lisäksi oli tarkoitus mitata suodatinpatjojen korkeudet ja suodatin oli tarkoitus pestä ennen kalkkien lisäystä, mutta nämä asiat jäivät tekemättä. 67 6 TULOKSET JA NIIDEN TARKASTELU 6.1 Suodatinpatjan paksuuden kehitys Kuvaajassa 12 on esitetty mixed bed –suodattimen kalkkikivirouheen kuluminen ajan funktiona. Lähtötietoina käytettiin kummankin suodatinpuoliskon keskimääräisiä patjan paksuuden tuloksia, joista laskettiin yhteiset keskiarvot koko suodattimen suodatinmateriaalille (Liite 5.). Kuvaajan kulmakertoimesta nähdään, että virtaamalla 290 m3/h kalkkia kului keskimäärin 3 mm vuorokaudessa. Se tekee vuorokaudessa noin 0,12 m3 (170 kg) ja kuukaudessa 3,5 m3 (5 t) yhtä suodatinta kohti. Kalkkia kului noin 24 g/m3. Yhtälön (18) mukaan laskettu teoreettinen kalkkikiven kulutus mixed bed – suodattimessa on noin 20 g/m3. Käytännössä kalkkia kului siis enemmän. Kalkkikivirakeita saattoi karata pesujen yhteydessä pesuveden mukana viemäriin, mikä osaltaan lienee vaikuttanut kuvaajan 12 perusteella laskettuun kalkinkulumisnopeuteen sitä nostavasti. Tutkimuksen lopussa kalkkia lisättiin 10 tonnia suodattimeen. Lisäyksen jälkeen suodatinpatjan korkeus oli noin 1,07 m, kun se oli alussa noin 1,10 m. 68 Suodatinpatjan paksuus (mixed be d) 1,15 Paksuus [m] 1,1 1,05 1 0,95 y = -0,0027x + 1,1191 0,9 0,85 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 Vuorokausia kokeen alusta Kuva 12. Kalkkikivirouheen kuluminen 6.2 Pesutulokset Pesututkimuksessa mixed bed -suodatinta pestiin eri pesusekvensseillä ja seurattiin pesusekvenssien vaikutusta pesuvälien pituuksiin, kun pesurajaksi oli asetettu 30 kPa. Samalla seurattiin suodatetun veden sameuden kehitystä, sekä paine-eroa suodattimessa pesun jälkeen. Tulokset on esitetty taulukossa 8. Taulukossa on vertailun vuoksi myös hiekkasuodattimen vastaavat tiedot. Tarkoituksena oli tutkia lähtevän veden sameutta juuri ennen suodattimen pesua, mutta tutkimuksen alkuosan sameustulokset olivat epäluotettavia, sillä sameusmittarille ei mennyt vettä, kun paine-ero lähestyi 30 kPa. Kun tekninen puute korjattiin, saatiin sameuksiksi juuri ennen pesua 0,3 – 0,4 NTU. Taulukon 8 pesuväliajoista puuttuu pesun B1 väliaika, koska välittömästi pesun jälkeen huomattiin, ettei suodatin tullut puhtaaksi; Paine-ero oli pesun jälkeen suuri, tosin suodatetun veden sameus oli ihan samaa luokkaa kuin muidenkin pesujen jälkeen. Ajan säästämiseksi suoritettiin sama pesu uudelleen, minkä jälkeen siirryttiin seuraavan pesusekvenssin (B2) tutkimiseen. C2- pesu tehtiin kerran, minkä jälkeen todettiin, ettei pesuveden virtaama yltänyt haluttuun 350 l/s, 69 vaan oli maksimissaan 320 l/s. Täten saatiin selville maksimi pesuvesivirtaama suodattimelle, mutta sekvenssin vaikutukset pesuvälin pituuteen jäivät määrittämättä liian aikaisen kalkinlisäyksen johdosta. Pesuväli on laskettu suodattimen käyttöönotosta pesun alkamiseen. Pesututkimukset on toteutettu kronologisessa järjestyksessä taulukon 8 mukaan. Pesutyyppi 0 on pesusekvenssi, johon ei olla tehty muutoksia. Tulosten perusteella ilmahuuhteluajan lyhentämisellä puoleen käyttöaika vähenisi vain tunnin verran ja jos ilmahuuhteluaikaa pidennettäisiin puolella, saataisiin käyttöaikaa lisää yhdeksän tuntia. Vesipesun keston lyhentäminen hieman alle puoleen osoitti, että suodatin jäi likaiseksi pesun jälkeen, koska suodattimen paine-ero käyttöönotettaessa oli suuri. Vesipesun keston lisääminen melkein puolella vaikuttaisi lisäävän suodattimen käyttöaikaa 10 tunnilla. Tulosten mukaan vesipesun virtaamaa pienentämällä 70:llä l/s saataisiin käyttöaikaa lisää 32 tuntia, mikä ei voi pitää paikkansa, vaan pesuväliin on vaikuttanut muut tekijät. Muut pesuvälitulokset vaikuttavat uskottavilta. Voidaan päätellä, että pesuväli pitenee koko ajan kalkin kulumisesta johtuen, huolimatta pesusekvensseistä. Kalkin kuluessa vastus suodattimessa pienenee suodatinmateriaalin vähentyessä, jolloin 30 kPa:n pesurajan saavuttamiseen menee pidempi aika. Siksi pelkkien pesuvälien seuraaminen ei riitä pesusekvenssien vaikutuksien arvioimiseen; Kalkin kulumisesta johtuen suodatin alkaa päästää yhä enemmän sameutta lävitseen, koska pesuväli pitenee. Vertailusuodattimena olleen hiekkasuodattimen pesuväli oli hieman yli 2 vuorokautta samalla virtaamalla ja maksimisameusarvolla 0,5 NTU. Mixed bed – suodattimen pesuväli oli vähintään kaksinkertainen hiekkasuodattimeen verrattuna. Pesun jälkeiset paine-erot vaikuttavat muuten hyvin samanlaisilta, lukuun ottamatta pesusekvenssejä B1 ja C1, joissa oli korkeammat lähtöpaine-erot ja C2, jossa oli puolestaan hieman matalampi lähtöpaine-ero. Vertailusuodattimena olleen hiekkasuodattimen paine-ero pesun jälkeen oli hieman korkeampi kuin mixed bed –suodattimen lähtöpaine-erot keskimäärin (taulukko 8). 70 Pesun jälkeisten paine-erojen perusteella näyttäisi siltä, että ilmahuuhtelun keston muuttaminen ei vaikuta oleellisesti suodattimen puhtauteen pesun jälkeen. Sen sijaan vesipesuajan lyhentäminen jätti suodattimen likaiseksi, mutta pesuaikaa pidentämällä ei saatu tavallista pienempää lähtöpaine-eroa. Paine-erotarkastelu osoittaa pienemmän vesipesuvirtaaman jättävän suodattimen hieman keskivertoa likaisemmaksi. Suuremmalla pesuvirtaamalla saavutettu pesun jälkeinen paine-ero oli pienin, mutta edelleen on muistettava, että siihen voi vaikuttaa myös kalkin kuluminen. Mixed bed –suodatin pidätti sameutta todella hyvin. Pesun jälkeisistä sameuksista ei voida tehdä mitään johtopäätöksiä, koska lähtösameus oli joka kerralla sama. Hiekkasuodatetun veden lähtösameus oli keskimäärin hieman korkeampi kuin mixed bed –suodatetun veden. Taulukko 8: Pesutulokset Pesutyyppi 0 A1 A2 B1 B2 C1 C2 Hiekkasuod. 6.3 Pesuväli 4d 21h 4d 20h 5d 6h 5d 7h 6d 5h 2d Paine-ero pesun jälkeen 3,9 kPa 3,7 - 4,1 kPa 3,5 - 4,1 kPa 12 kPa 3,5 - 4,1 kPa 4,7 - 5,1 kPa 3,1 - 3,5 kPa 4,7 - 5,4 kPa Sameus pesun jälkeen 0,06 NTU 0,06 NTU 0,06 NTU 0,06 NTU 0,06 NTU 0,06 NTU 0,06 NTU 0,08 NTU Lämpötilan kehitys Veden lämpötila laski koko tutkimusjakson ajan. Kuvaajasta 13 näkyy, että alkulämpötila oli noin 3,8 C ja loppulämpötila noin 3,5 C. Tutkimusta edeltäneen kuukauden aikana lämpötila oli laskenut hieman yli 1 C verran. 71 4 3,8 3,6 3,4 24.3. 17.3. 12.3. 8.3. 3.3. 26.2. 22.2. 17.2. 12.2. 8.2. 3.2. 29.1. 25.1. 20.1. 15.1. 11.1. 7.1. 3,2 4.1. Lämpötila [ C] Lämpötilat Aika Selkeytetty vesi Mixed bed suodatettu vesi Hiekkasuodatettu vesi Kuva 13. Lämpötilat 6.4 Sameus Kuvaajassa 14 on esitettynä vesinäytteistä määritetyt sameusarvot. Kuvaajasta näkyy, että selkeytetyn veden laatu heikkeni, kun veden lämpötila laski. Muutos tapahtui hitaasti. Saostuksessa flokkien muodostus heikkeni lämpötilan laskiessa. Hiekkasuodatetun veden sameusarvot vaihtelivat paljon ja kuvaaja on siksakin mallinen. Tämä johtuu hiekkasuodattimen kuormittumisesta. Ennen pesua suodatin toimi huonosti ja päästi sameaa vettä lävitseen. Jos näytteenotto oli juuri ennen pesua, saatiin suuri sameusarvo ja jos suodatin oli juuri ollut pesussa, oli sameusarvo vastaavasti hyvin pieni. Laboratoriossa mitatut sameudet olivat hieman suurempia kuin mitä jatkuvatoimiset sameusmittarit näyttivät. Kuvaajan 14 suurin hiekkasuodatetun veden sameusarvo on 0,6 FTU, mutta jatkuvatoimisen sameusmittarin mukaan suurin arvo oli 0,5 NTU (mikä alussa päätettiin hiekkasuodattimen maksimisameudeksi). Mixed bed –suodattimen sameusarvot olivat alussa hyvin matalia, mutta kalkkikiven kuluessa suodatin alkoi päästää enemmän sameutta läpi. Kalkkikivirouheen kuluessa suodatinmateriaalin määrä pieneni, jolloin sen vastus ja sitä kautta paine-ero niin ikään pienenivät. Siksi maksimipaine-eron 72 saavuttamiseen kului pidempi aika ja suodatin ehti likaantua enemmän, jolloin sen läpi pääsi enemmän sameutta. Lisäksi suodatin kuormittui lopussa enemmän kuin alussa, johtuen selkeytetyn veden huonommasta laadusta. Tämä näkyy kuvaajan loppupuolen siksakkina. Loppujaksolla pienimmät sameusarvot olivat jopa pienempiä kuin tutkimuksen alkupuolella, mikä johtunee siitä, että suodattimessa olevasta kalkista oli kulunut hienojakoisin aines pois. Jälkikemikaloidun veden sameus ilmaisee koko suodatusosaston keskimääräisen sameuden. Veteen on lisätty kalkkivettä. Jälkikemikaloidun veden sameus pysyi hyvin tasaisena ja alhaisena, alle 0,2 FTU. Kuvaajasta 14 nähdään, että hiekkasuodatetun veden sameus nousi aika ajoin huomattavasti korkeammalle kuin suodatusosaston keskimääräinen sameus. Tämä johtuu siitä, että tutkimuksessa olevalle hiekkasuodattimelle asetettiin huomattavasti suurempi kuorma kuin suodatusosaston muiden suodattimien keskimääräinen virtaama. Tutkimussuodattimessa oli noin kaksinkertainen virtaama muihin hiekkasuodattimiin verrattuna. Lisäksi tutkimuksessa olevan hiekkasuodattimen pesuraja oli määritetty siten, että sameus nousisi online- sameusmittauksien perusteella korkeintaan arvoon 0,5 NTU ennen kuin suodatin menee pesuun ja muut hiekkasuodattimet menivät pesuun jo pienemmillä sameuksilla. 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 11 .1 . 15 .1 . 20 .1 . 25 .1 . 29 .1 . 3. 2. 8. 2. 12 .2 . 17 .2 . 22 .2 . 26 .2 . 3. 3. 8. 3. 12 .3 . 17 .3 . Sameus [FTU] Sameus Aika Selkeytetty vesi Hiekkasuodatettu vesi Kuva 14. Sameudet. 73 Mixed bed suodatettu vesi Jälkikemikalointi 1 6.5 PH- arvot Kuvaajasta 15 voidaan seurata selkeytetyn veden, mixed bed -suodatetun veden, hiekkasuodatetun veden ja jälkikemikaloidun veden pH- arvojen kehitystä tutkimusjakson aikana. PH- arvot on määritetty prosessista otetuista vesinäytteistä. Selkeytetyn ja hiekkasuodatetun veden pH pysyi melko tasaisena välillä 4, 8 – 5,0. Mixed bed –suodatetun veden pH oli huomattavasti korkeampi ja pH:lle oli asetettu tavoitteeksi vähintään jälkekemikalointi 1:ssä kulloinkin oleva pH- arvo. Mixed bed –suodatetun veden pH oli aluksi hyvin korkea, yli 8,5, mutta kalkin kuluessa veden pH laski ollen alimmillaan noin 7. Vaihtelut mixed bed –suodatetun veden pH- kuvaajassa johtuvat suodattimen pesuista. Suodattimen pesun jälkeen pH- arvo nousi joksikin aikaa korkeammaksi, mutta palasi sitten takaisin normaalille tasolle. Pesussa kalkkikivirouheesta irtoaa pieniä hiukkasia, joista liukenee enemmän kalkkia veteen. Jos näyte oli otettu parin tunnin sisällä pesusta, saattoi sen pH olla korkeampi kuin normaalisti. Tutkimuksen loppupuolella kalkin lisäyksen jälkeen lähtevän veden pH- arvo ei noussut paljon, sillä kalkkia lisättiin vähemmän kuin sitä oli suodattimesta kulunut. PH nousi noin arvoon 7,5 tutkimusvirtaamalla. Kalkin lisäystarve määräytyy sen perusteella, kuinka alhaiseksi voidaan antaa mixed bed suodattimesta lähtevän veden pH- arvon laskea. Kerralla lisättävän kalkin maksimimäärä puolestaan määräytyy sen perusteella, kuinka korkealle mixed bed –suodatetun veden pH- arvo saa korkeimmillaan nousta. 74 29 .1 . 3. 2. 8. 2. 12 .2 . 17 .2 . 22 .2 . 26 .2 . 3. 3. 8. 3. 12 .3 . 17 .3 . .1 . 25 .1 . 20 15 11 .1 . 9 8,5 8 7,5 7 6,5 6 5,5 5 4,5 4 .1 . pH PH- arvot Aika Selkeytetty vesi Mixed bed suodatettu vesi Hiekkasuodatettu vesi Jälkikemikalointi 1 Kuva 15. PH- arvot. 6.6 Alkaliniteetti Selkeytetyllä ja hiekkasuodatetulla vedellä oli hyvin pieni alkaliniteetti, alle 0,05 mmol/l. Jälkikemikalointi 1:ssä alkaliniteettia nostaa veteen lisätty kalkkivesi, ja veden alkaliniteetti pysyi keskimäärin hieman alle 0,3 mmol/l. Suurin alkaliniteetti oli mixed bed –suodatetussa vedessä. Tulokset näkyvät kuvaajasta 16. Mixed bed –suodatetun veden alkaliniteetti laski kalkin kuluessa. Kuvaajasta 16 havaitaan, että veden alkaliniteetti oli alussa korkeimmillaan melkein 0,7 mmol/l. Alkaliniteetti vaihteli hieman riippuen siitä, milloin suodatin oli pesty. Pesun jälkeen alkaliniteetti nousi hetkellisesti, mutta alkoi sitten laskea. Se laski, kunnes suodatin meni jälleen pesuun. Keskimääräisesti alkaliniteetti laski tasaisesti tutkimusjakson ajan ja oli lopulta noin 0,4 mmol/l. Haluttu vesijohtoveden alkaliniteetti on 0,8 mmol/l. Tähän voidaan päästä mixed bed –suodatuksella, mikäli suodattimessa on enemmän kalkkikiveä tai pienempi virtaama. Jos pelkällä mixed bed –suodatuksella saataisiin alkaliniteetti nostettua halutulle tasolle, ei 75 veteen tarvitsisi teoriassa enää lisätä kalkkivettä myöhemmissä prosessivaiheissa ainakaan alkaliniteetin nostotarkoituksessa. Vaikka mixed bed –suodatetun veden pH- arvo laski ennen kalkin lisäystä alle jälkikemikalointi 1:sen veden keskimäräisen pH- arvon 7,3, pysyi sen alkaliniteetti silti huomattavasti korkeampana. Veden alkaliniteetti nousee siis enemmän kalkkikivirouheella kuin kalkkivedellä. Kalkkikivialkalointi soveltuu vedelle, jos veden alkaliniteetti on alle 0,8 mmol/l (kts. 2.4 Suositeltava veden laatu kalkkikivialkaloinnille). Mixed bed – suodattimeen tulevan selkeytetyn veden alkaliniteetti täyttää tämän vaatimuksen, joten kalkkikivialkalointi soveltuu vedelle erinomaisesti. 15 11 .1 . 20 .1 . 25 .1 . 29 .1 . 3. 2. 8. 2. 12 .2 . 17 .2 . 22 .2 . 26 .2 . 3. 3. 8. 3. 12 .3 . 17 .3 . 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 .1 . Alkaliniteetti [mmol/l] Alkaliniteetti Aika Selkeytetty vesi Mixed bed suodatettu vesi Hiekkasuodatettu vesi Jälkikemikalointi 1 Kuva 16. Alkaliniteetit. Kuvaajaan 17 on laskettu mixed bed –suodatetun ja selkeytetyn veden alkaliniteettien erotukset. Kuvaajasta näkyy, kuinka paljon mixed bed –suodatin nosti veden alkaliniteettia kullakin ajanhetkellä. Kalkin kuluessa mixed bed – suodatin nosti yhä vähemmän veden alkaliniteettia. Alussa alkaliniteetti nousi noin 0,6 mmol/l ja lopussa se nousi enää noin 0,4 mmol/l. 76 Alkaliniteetin nousu mixed bed -suodattimessa 0,7 Alkaliniteetti [mmol/l] 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 17 .3 . 3. 12 . 3. 8. . 3. 3 17 .2 . 22 .2 . 26 .2 . 2. 12 . 2. 8. . 3. 2 11 .1 . 15 .1 . 20 .1 . 25 .1 . 29 .1 . 0 Päiväm äärä Kuva 17. Alkaliniteetin nousu mixed bed –suodattimessa. 6.7 Kovuus Kuvaajassa 18 on esitetty tutkimuksessa saadut kovuusarvot. Hiekkasuodatuksessa kovuus ei muuttunut. Sen sijaan mixed bed –suodattimessa veden kovuus nousi merkittävästi. Selkeytetyn veden kovuus oli hieman yli 1 dH, mutta mixed bed –suodatetun veden kovuus oli alussa yli 3 dH. Kalkkikiven kuluessa kovuuskin laski. Alhaisin mixed bed- suodoksen kovuus oli hieman alle 2,3 dH. Veden kovuus vertailunäytteenä käytetyssä jälkikemikalointi 1:ssä pysyi hyvin tasaisena, hieman alle 2 dH. Kalkkikivisuodatuksella saadaan vedelle suurempi kovuus kuin lisäämällä veteen kalkkivettä pH:n ollessa sama. 77 Kovuus 3,5 Kovuus [ dH] 3 2,5 2 1,5 1 0,5 29 .1 . 3. 2. 8. 2. 12 .2 . 17 .2 . 22 .2 . 26 .2 . 3. 3. 8. 3. 12 .3 . 17 .3 . .1 . 25 .1 . 20 .1 . 15 11 .1 . 0 Aika Selkeytetty vesi Mixed bed suodatettu vesi Hiekkasuodatettu vesi Jälkikemikalointi 1 Kuva 18. Kovuudet. 6.8 Hiilidioksidi Tutkimuksessa saadut hiilidioksidiarvot on esitetty kuvaajassa 19. Selkeytetyn veden ja hiekkasuodatetun veden hiilidioksidipitoisuudet olivat samaa suuruusluokkaa. PH- arvon noustessa hiilidioksidipitoisuus vedessä laskee ja kun pH ylittää arvon 8,3, vedessä ei ole enää ollenkaan hiilidioksidia. Mixed bed – suodatetun veden hiilidioksidipitoisuus nousi veden pH:n laskiessa kalkin kulumisesta johtuen. Tutkimuksen alussa kalkin lisäyksen jälkeen mixed bed – suodatetun veden pH nousi yli 8,3, joten silloin siinä ei ollut hiilidioksidia lainkaan. Korkeimmillaan mixed bed –suodatetun veden hiilidioksidipitoisuus nousi noin 4,7:ään mg/l. Jälkikemikaloidun veden hiilidioksidipitoisuus pysyi tasaisesti arvossa 3 mg/l veden pH:n tasaisuudesta johtuen. Samassa pH:ssa mixed bed –suodatetulla vedellä ja jälkikemikaloidulla vedellä hiilidioksidipitoisuus oli hyvin samaa tasoa. Kalkkikivialkalointi soveltuu parhaiten vesille, joiden hiilidioksidipitoisuus on noin 10 – 15 mg/l (kts. kohta 2.4 Suositeltava veden laatu kalkkikivialkaloinnille). 78 Mixed bed –suodattimeen tulevan selkeytetyn veden hiilidioksidipitoisuus täyttää pääsääntöisesti kriteerin, mutta välillä hiilidioksidipitoisuus laski hieman alle 10 mg/l. Koska alitus oli niin pieni, ei sillä ole merkittäviä vaikutuksia ja selkeytetty vesi sopii alkalointitarkoitukseen hyvin. Hiilidioksidi 14 CO2 [mg/l] 12 10 8 6 4 2 29 .1 . 3. 2. 8. 2. 12 .2 . 17 .2 . 22 .2 . 26 .2 . 3. 3. 8. 3. 12 .3 . 17 .3 . .1 . 25 .1 . .1 . 20 15 11 .1 . 0 Aika Selkeytetty vesi Mixed bed suodatettu vesi Hiekkasuodatettu vesi Jälkikemikalointi 1 Kuva 19. Hiilidioksidiarvot. 6.9 Rautamääritykset Lämpötilan laskusta johtuen selkeytetyn veden laatu heikkeni, mikä näkyy kuvaajassa 20 selkeytetyn veden rautapitoisuuden kasvuna. Ilmiö näkyy kaikissa mittapisteissä. Kalkkikivirouhe pidättää rautaa hyvin, joten mixed bed –suodatetun veden rautapitoisuudet olivat hyvin matalia. Kalkin kuluessa alkoi rautaa päästä lopussa enemmän mixed bed –suodattimen läpi. Syynä tähän on sekä selkeytetyn veden rautapitoisuuden kasvu että kalkin kulumisesta johtuva suodatuspinta-alan pieneneminen ja pesuvälien piteneminen. 79 Kuvaajasta 20 nähdään, että mixed bed –suodatetun veden rautapitoisuus pysyi hyvin matalana koko tutkimuksen alkuajan, vaikka suodatin välillä likaantuikin ja oli pesussa. Sen sijaan hiekkasuodatin pidätti rautaa hyvin aina pesun jälkeen, mutta pidätyskyky laski suodattimen likaantuessa. Vasta pesty hiekkasuodatin päästi rautaa läpi vain noin 0,1 mg/l tai alle, mutta likaantuessaan se päästi rautaa läpi melkein 0,5 mg/l. Mixed bed –suodattimessa alkoi näkyä samaa ilmiötä, kun kalkkia oli kulunut tietyn verran. Keskimääräinen rautareduktio mixed bed – suodattimessa oli noin 94 %. Parhaimmillaan reduktio oli jopa 98 %. Hiekkasuodattimen rautareduktio vaihteli paljon riippuen suodattimen kuormitusasteesta mittaushetkellä, mutta keskimäärin rautareduktio oli noin 72 %. Lyhyemmällä käyttöajalla päästäisiin parempaan keskimääräiseen rautareduktioon. Tutkimuksessa käytetty hiekkasuodatin päästi lävitseen keskimäärin enemmän rautaa verrattuna suodatusosastolta lähtevän veden keskimääräiseen rautapitoisuuteen. Tämä johtui siitä, että vertailusuodattimen virtaama oli noin kaksinkertainen muihin hiekkasuodattimiin nähden. Myös suodattimen pesuraja oli venytetty äärimmilleen, eli suodatin oli ennen pesua kuormittuneempi kuin muut hiekkasuodattimet suodatinosastolla. Johtoveden rautapitoisuuden laatusuositus on alle 0,2 mg Fe/l (Meriluoto 2002), joten mixed bed –suodatettu vesi täyttää kriteerin hyvin. Samoin suodatusosaston veden rautapitoisuus täyttää kriteerin. Jos käsiteltävän veden rautapitoisuus on yli 1 mg/l, voi siitä aiheutua kalkkikivisuodattimen alkalointitehon heikkenemistä (Sallanko & Laakso 2000). Selkeytetyn veden rautapitoisuus oli pääosin alle 1 mg/l. 80 Rauta 1,2 Rauta [mg/l] 1 0,8 0,6 0,4 0,2 1. 2. 5. 2. 10 .2 . 15 .2 . 19 .2 . 24 .2 . 1. 3. 5. 3. 10 .3 . 15 .3 . 27 .1 . .1 . 22 18 .1 . 0 Aika Selkeytetty vesi Mixed bed suodatettu vesi Hiekkasuodatettu vesi Jälkikemikalointi 1 Kuva 20. Rauta-arvot. 6.10 UV- absorbanssi UV- absorbanssitulosten perusteella voidaan arvioida vedessä olevan orgaanisen aineksen määrää. Mitä enemmän sitä on, sitä suurempi on absorbanssi. Kuvaajaan 21 on koottu UV- absorbanssitulokset. Selkeytetyn veden UV- absorbanssi oli koko tutkimuksen ajan keskimäärin hieman yli 0,1. Hiekkasuodatetun veden UVabsorbanssi oli hieman korkeampi kuin mixed bed –suodatetun veden UVabsorbanssi samalla virtaamalla. Kuvaajasta näkyy, kuinka hiekkasuodattimen suodatusteho hiipui sen likaantuessa. Mixed bed –suodatin puolestaan pidätti orgaanista ainesta hyvin tasaisesti. UV- absorbanssi oli mixed bed –suodatetussa vedessä korkeampi kalkin lisäyksen jälkeen. Kalkkikivirouheessa oli luultavasti epäpuhtautena orgaanista ainesta. Myös tutkimusjakson loppupuolella alkoi näkyä, että mixed bed –suodatin päästi enemmän orgaanista ainesta lävitseen aivan kuten edellä oli todettu sameuden ja rauta-arvojen kohdalla. Jälkikemikaloidun veden UV- absorbanssi oli koko tutkimuksen ajan melko tasaisesti hieman yli 0,04 ja mixed bed –suodatetun 81 veden UV- absorbanssi oli koko ajan hieman suurempi kuin jälkikemikaloidun veden. UV- absorbanssi UV- absorbanssi 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 .1 . 20 .1 . 25 .1 . 29 .1 . 3. 2. 8. 2. 12 .2 . 17 .2 . 22 .2 . 26 .2 . 3. 3. 8. 3. 12 .3 . 17 .3 . 15 11 .1 . 0 Aika Selkeytetty vesi Mixed bed suodatettu vesi Hiekkasuodatettu vesi Jälkikemikalointi 1 Kuva 21. UV- absorbanssit. 6.11 Orgaaninen kokonaishiili Orgaanisen kokonaishiilen avulla voidaan mitata veteen liuenneen orgaanisen aineksen määrää. Tulokset on esitetty kuvaajassa 22. Selkeytetyssä vedessä oli selkeästi eniten orgaanista kokonaishiiltä, 2,6 – 3,2 mg/l. Mixed bed – suodatetussa vedessä TOC- arvo oli keskimäärin 2,5 – 2,7 mg/l, ja tuloksissa oli vähemmän hajontaa. Vaikuttaa siltä, että kalkin lisäyksen jälkeen mixed bed – suodatetussa vedessä oli enemmän orgaanista kokonaishiiltä, kuin käyttöiän kasvaessa. Hiekkasuodatetun veden TOC- tulokset vaihtelivat hyvin paljon. On selvää, että suodatin alkoi päästää läpi yhä enemmän orgaanista ainesta likaantuessaan. Mixed bed –suodatetussa vedessä oli enemmän orgaanista ainesta kuin hiekkasuodatetussa vedessä keskimäärin. Ero ei ole kuitenkaan merkittävä. Vesijohtoveden TOC- arvo on HSY Vedellä noin 1,8 mg/l. 82 29 .1 . 3. 2. 8. 2. 12 .2 . 17 .2 . 22 .2 . 26 .2 . 3. 3. 8. 3. 12 .3 . 17 .3 . .1 . 25 .1 . 20 15 11 .1 . 3,6 3,4 3,2 3 2,8 2,6 2,4 2,2 2 .1 . TOC [mg/l] TOC Aika Selkeytetty vesi Mixed bed suodatettu vesi Hiekkasuodatettu vesi Jälkikemikalointi 1 Kuva 22. Orgaaninen kokonaishiili. 6.12 Kokonaismikrobit R2A- alustalla Kalkkikivirouheen (Parfill 2/1500) saavuttua Pitkäkosken vedenpuhdistuslaitokselle otettiin kuormasta kaksi rinnakkaista kalkkikivinäytettä, joista määritettiin laboratoriossa kokonaismikrobimäärät R2A- menetelmällä. Määrityksen tulos oli alle 100 pmy/g, eli käytännössä tulos oli määritysrajan alapuolella, joten voidaan sanoa, ettei näytteissä ollut merkittävästi mikrobeja. Vesinäytteiden kokonaismikrobimäärät näkyvät kuvaajasta 23. Kokonaismikrobimäärä selkeytetyssä, hiekkasuodatetussa ja mixed bed – suodatetussa vedessä oli alle 100 pmy/ml. Tutkimuksen lopussa kalkin lisäyksen jälkeen mikrobeja oli moninkertaisesti enemmän mixed bed –suodatetussa vedessä. Koska kalkin joukossa ei ollut mikrobeja, saattaa mikrobimäärän nousu johtua siitä, että suodattimessa valmiiksi oleville bakteereille tuli optimaalisemmat oltavat kalkin lisäyksestä johtuvan pH:n nousun takia. Mikrobien esiintyminen ei kuitenkaan haittaa, sillä loppuprosessissa on vielä kolmessa vaiheessa desinfiointia; Otsonointi, UV- desinfiointi ja klooraus. 83 Muissa kuvaajissa ei ole esitetty tutkimuksen loppupuolella tehdyn kalkin lisäyksen jälkeisiä tuloksia, koska ne eivät ole verrannollisia muihin tuloksiin. Kalkin lisäyksen jälkeen mixed bed –suodatettua vettä ei heti voitu päästää prosessiin, koska ei oltu varmoja sen laadusta. Siksi vesi ensin johdettiin viemäriin, mutta viemäripumpun rajallisesta kapasiteetista johtuen suodattimen virtaamaksi saatiin vain hieman alle 100 m3/h, eli virtaama oli vain noin kolmasosa normaalista tutkimusvirtaamasta. Kokonaismikrobit R2A- alustalla pmy/ml 1000 100 10 .3 . 23 .3 . 22 .3 . 15 3. 8. 3. 1. .2 . 22 .2 . 17 2. 8. 2. 1. .1 . 29 .1 . 1. 25 22 . 18 . 1. 1 Aika Selkeytetty vesi Mixed bed suodatettu vesi Hiekkasuodatettu vesi Kuva 23. Kokonaismikrobit. 6.13 Kolimuotoiset bakteerit ja Escherichia coli Kummankin kalkinlisäyksen jälkeen otettiin hiekka- ja mixed bed –suodatetusta sekä selkeytetystä vedestä vesinäyte Colilert Quanti Tray –menetelmää varten. Koliformisia bakteereita ei löytynyt, eikä myöskään Escherichia colia. 6.14 Paine-eron ja sameuden kehitys suodattimissa Kuvaajassa 24 on esitetty kolme mixed bed –suodattimen pesuväliä ja mitä sameustuloksia saatiin jatkuvatoimiselta kiertävältä sameusmittarilta suhteessa 84 paine-eron nousuun suodattimessa. Kuvaajasta nähdään, että paine-eron noustessa, suodattimen likaantuessa, suodattimesta lähtevän veden sameus pysyi hyvin samalla tasolla. Kun paine-ero nousi noin 25 – 27 kilopascaliin, sameustulokset näyttävät yhtäkkiä laskevan. Syynä tähän oli se, että paine-eron noustessa suodattimessa tarpeeksi suureksi ei suodattimelta tulevan veden paine enää riittänyt nostamaan näytevettä kiertävälle sameusmittarille ja siksi tulokset eivät pidä paikkansa. Kun tämä huomattiin, suunniteltiin uusi jatkuvatoiminen sameusmittaus, joka sijoitettiin alemmalle tasolle kuin kiertävä sameusmittari. Tällöin veden paine riitti sameusmittarille asti. M ixed b ed : Paine- er o ja sameusmit t aus 40 0,16 35 0,14 30 0,12 25 0,1 20 0,08 15 0,06 10 0,04 5 0,02 0 15. 1. 12 0 17. 1. 14 19. 1. 16 21. 1. 18 23. 1. 20 25. 1. 22 28. 1. 0 30. 1. 2 [ d d. m . hh ] Mixed bed -suodattimen paine-ero Mixed bed -suodatetun veden sameus Kuva 24. Mixed bed –suodattimen paine-eron kehitys ja sameusmittaustulokset. Kun uusi jatkuvatoiminen sameusmittaus saatiin käyttöön, alkoivat tulokset näyttää luotettavilta. Kuvaajassa 25 on uuden sameusmittarin antamat tulokset suhteessa paine-eroon suodattimessa. Kuvaajasta näkyy selkeästi, että paine-eron noustessa suodattimelta lähtevän veden sameus nousi koko ajan, eikä tapahtunut sameusarvojen laskua, kuten kuvaajassa 24. Alussa, kun suodattimessa oli enemmän kalkkikivirouhetta, ei suodatin päästänyt lävitseen kuin korkeintaan 0,15 NTU sameutta. Lähtevän veden sameus pysyi 85 hyvin matalana, vaikka paine-ero nousi 30 kilopascaliin. Kalkkikivirouheen kuluessa suodatin alkoi kuitenkin päästää yhä enemmän sameutta lävitseen suodattimen kuormittuessa. Syynä tähän oli jo aiemmin mainittu pesuvälien pidentyminen suodattimen vastuksen pienentyessä sekä selkeytetyn veden sameuden kasvu. Lähtösameus oli joka pesun jälkeen samaa luokkaa, mutta sameuden kasvun kehitys kiihtyi selkeytetyn veden laadun heiketessä (lisää pohdintaa aiheesta kohdassa 6.17 Sameusvertailua). Lopulta sameus alkoi olla jo 0,5 NTU juuri ennen pesua. M i xed b ed : Pai ne- er o ja uusi sameusmi t t aus 35 0,8 30 0,7 0,6 25 0,5 20 0,4 15 0,3 10 0,2 5 0,1 0 16. 2. 13 0 18. 2. 15 20. 2. 17 22. 2. 19 24. 2. 21 26. 2. 23 1. 3. 1 3. 3. 3 5. 3. 5 7. 3. 7 9. 3. 9 11. 3. 11 13. 3. 13 15. 3. 15 17. 3. 17 [ dd. m. hh] Mixed bed -suodattimen paine-ero Mixed bed -suodatetun veden sameus Kuva 25. Mixed bed –suodattimen paine-eron ja sameuden kehitys pesujen välillä. Kuvaajassa 26 on vertailusuodattimena käytetyn hiekkasuodattimen paine-erojen ja sameusmittauksien tuloksia. Sameusmittaustulokset on mitattu kiertävällä sameusmittarilla. Koska hiekkasuodatin likaantui niin nopeasti, se piti pestä jo paine-eron saavutettua 11 kPa, joten näyteveden paine riitti ja kiertävä sameusmittari sai jatkuvasti tarpeeksi näytevettä. Kuvaajasta näkyy, että paineeron saavutettua pesurajaksi asetetun maksimipeine-eron, 11 kPa, oli sameus jo melkein 0,5 NTU, joskus jopa hieman yli. Paine-eroraja määritettiin sen perusteella, että suodattimelta lähtevän veden sameus olisi maksimissaan 0,5 NTU. 86 Hiekkasuodattimen paine-eron kehityksissä ei tapahtunut havaittavia muutoksia, koska virtaama suodattimen läpi oli vakio, eikä suodatinmateriaalin määrässä tapahtunut muutoksia. Pesun jälkeen paine-ero lähti nousemaan aina noin viidestä kilopascalista. Kuvaajasta nähdään, että selkeytetyn veden sameuden noustessa tutkimusjakson loppua kohti, myös hiekkasuodatetun veden sameus nousi. Pesun jälkeen sameus lähti nousemaan aina melko samalta tasolta, alle arvosta 0,1 NTU. Mutta vaikka alussa suodattimen maksimisameudeksi oli asetettu 0,5 NTU ja sameus pysyikin alussa hyvin sen alle, se kasvoi loppua kohti jopa hieman yli maksimiarvon käyttösyklin lopussa. 0,7 10 0,6 P a i n e - e r o [k P a ] 12 0,5 8 0,4 6 0,3 4 0 0 31 11 .1 . 3 1. 2 .1 9 3. 2 .1 1 5 .2 .3 6. 2 .1 9 8.2 .1 1 10 .2 . 3 11 . 2. 19 13 .2. 11 15 .2. 3 16 . 2. 19 18 .2. 11 20 .2 . 3 21 .2. 19 23 .2. 11 25 .2. 3 26 .2. 19 28 .2 . 11 2 .3 .3 3 .3 .1 9 5. 3 .1 1 7 .3 .3 8.3 .1 9 10 .3. 11 12 .3 . 3 13 .3. 19 15 . 3. 11 0,1 . 1. 29 0,2 2 S a m e u s [N T U ] Hiekkasuodatin: Paine-ero ja sameusmittaus [dd.m.hh] Hiekkasuodattimen paine-ero Hiekkasuodatetun veden sameus Kuva 26. Hiekkasuodattimen paine-erot ja sameusmittaus. 6.15 Mixed bed –suodattimen paine-erot ja pohjaventtiilin aukioloprosentit Kuvaajasta 27 näkyy, kuinka mixed bed –suodattimen alaventtiilin aukioloprosentti lähti nousemaan noin 50 prosentista suodattimen pesun jälkeen ja nousi yli 60 prosenttiin ennen pesua. Suodattimen kuormittuessa sen vastus kasvaa, joten alaventtiiliä pitää avata, jotta saadaan virtaama suodattimen läpi pysymään vakiona. Läppäventtiilin ollessa auki 60 prosenttia se päästää jo melkeinpä maksimivirtaaman lävitseen, joten maksimi paine-ero asetettiin sellaiselle tasolle, ettei venttiiliä tarvitsisi avata paljoa 60 prosenttia enempää. 87 M i xed b ed : Paine- ero j a aukio lo p r o sent t i 35 70 30 60 25 50 20 40 15 30 10 20 5 10 0 0 16. 2. 13 18. 2. 15 20. 2. 17 22. 2. 19 24. 2. 21 26. 2. 23 1. 3. 1 3. 3. 3 5. 3. 5 7. 3. 7 9. 3. 9 11. 3. 11 13. 3. 13 15. 3. 15 17. 3. 17 [ dd. m. hh] Mixed bed -suodattimen paine-ero Mixed bed -suodattimen alaventtiilin aukioloprosentti Kuva 27. Mixed bed –suodattimen paine-erot ja pohjaventtiilin aukioloprosentit. 6.16 Suodattimien paine-erovertailua Kuvaajassa 28 on esitettynä sekä mixed bed –suodattimen että hiekkasuodattimen keskimääräiset paine-erokehitykset kahden pesukerran välissä. Kuvaajasta nähdään, että mixed bed –suodattimen paine-ero lähti nousemaan hieman matalammalta tasolta pesun jälkeen kuin hiekkasuodattimen alkupaine-ero. Kuitenkin hiekkasuodattimen paine-eron kehityksen trendi on loivempi kuin mixed bed –suodattimen trendi, joten mixed bed –suodatin ohittaa hiekkasuodattimen paine-eron jo noin kuuden tunnin käyttöajan jälkeen. Hiekkasuodattimen käyttöaika loppui, kun paine-ero saavutti 11 kPa ja mixed bed –suodatin jatkoi toimintaansa, kunnes paine-ero saavutti 30 kPa. Mixed bed – suodattimen jyrkempi paine-eron kehityksen trendi johtuu varmasti siitä, että se pidättää kalkkikivirouheen takia paremmin sameutta kuin tavallinen hiekkasuodatin. Tästä syystä suodattimeen jäävät hiukkaset kuormittavat suodatinta ja suodatin menee sitä enemmän tukkoon, mitä pidempään se on 88 käytössä, mikä nostaa paine-eroa. Paine-ero nousi kummassakin suodattimessa tasaisesti, koska suodattimien läpi virtaavan selkeytetyn veden virtaama oli vakio ja lisäksi veden laatu oli melko tasaista. Muutokset selkeytetyn veden laadussa tapahtuivat hyvin hitaasti, eivätkä näy yhden pesuvälin aikana merkittävästi. Yhden pesuvälin paine-erot 35 Paine-ero [kPa] 30 25 20 15 10 5 96 10 2 10 8 11 4 12 0 90 84 78 72 66 60 54 48 42 36 30 24 18 6 12 0 0 Aika [h] Hiekkasuodatin Mixed bed -suodatin Kuva 28. Suodattimien paine-erot kahden pesukerran välissä. 6.17 Sameusvertailua Selkeytetyn veden sameus nousi tutkimusjakson aikana veden lämpötilan alenemisesta johtuen, katso kuvaajaa 29. Kuvaajassa on esitetty myös jatkuvatoimisten sameusmittareiden mittaamat hiekka- ja mixed bed –suodatetun veden sameudet. Mixed bed –suodatetusta vedestä on esitetty sekä uuden luotettavan sameusmittarin että vanhan mittarin tulokset. Uuden sameusmittarin tuloksista nähdään, kuinka lähelle tavallisen hiekkasuodattimen sameusarvoja mixed bed –suodatetun veden sameusarvot yltävät tutkimusjakson lopussa suodattimen likaantuessa. Mixed bed –suodatin päästi lopussa enemmän sameutta lävitseen kuin tutkimuksen alussa, koska pesuvälit pitenivät. Saman sameusarvon saavuttamiseen, kuin hiekkasuodattimessa, kului mixed bed -suodattimella toki pidempi aika. Kuvaajasta näkyvät selvästi suodattimien pesuvälit. 89 Kuvaajasta 29 nähdään, että selkeytetyn veden sameus kasvoi melko paljon tutkimusjakson aikana, mutta suodattimet päästivät lävitseen keskimäärin yhtä paljon sameutta. Toisaalta se indikoisi suodattimien sameudenpidätyskyvyn parantumista, mutta oikeasti suodattimet vain päästivät lähes yhtä paljon sameutta lävitseen huolimatta huononevasta selkeytetyn veden laadusta. Sameusvertailua 2 1,8 Sameus [NTU] 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 15.3.15 13.3.8 11.3.1 8.3.18 6.3.11 4.3.4 1.3.21 27.2.14 25.2.7 23.2.0 20.2.17 18.2.10 16.2.3 13.2.20 11.2.13 9.2.6 6.2.23 4.2.16 2.2.9 31.1.2 28.1.19 26.1.12 0 [dd.m.hh] Selkeytetty vesi Mixed bed -suodatettu vesi Hiekkasuodatettu vesi Mixed bed -suodatettu vesi, uusi Kuva 29. Tulevan ja lähtevän veden sameudet. Kuvaajaan 30 on laskettu Mixed bed –suodattimeen tulevan veden ja siitä lähtevän veden sameuksien erotukset. Kuvaaja ilmaisee suodattimen sameudenpidätyskyvyn kullakin hetkellä. Kuvaajassa on käytetty uuden sameusmittarin arvoja. Paremman kuvan sameuden pidätyskyvystä olisi saanut, jos mixed bed –suodatetulle vedelle olisi ollut alusta asti luotettava sameusmittaus. Kuvaajan kaksi ensimmäistä pesua olivat B2- pesuja (pidempi vesipesun kesto), kaksi seuraavaa pesua olivat C1- pesuja (pienempi pesuveden virtaama) ja viimeinen pesu oli C2- pesu (suurempi vesipesun virtaama). Ensimmäisen B2- pesun sameustulokset eivät ole välttämättä vielä luotettavia, koska sitä edeltänyt B1- pesu, joka jätti suodattimen likaiseksi, saattoi vielä vaikuttaa tuloksiin. 90 Kuvaajan 30 mukaan pesujen jälkeen mixed bed –suodattimen sameudenpidätys oli samaa suuruusluokkaa. Toisen ja kolmannen pesun jälkeiset käyrät vaikuttavat ensin loivemmilta ja jyrkkenevät sitten. Neljännen pesun jälkeinen käyrä on taas yhtä jyrkkä kauttaaltaan. Voitaisiin päätellä, että sameuden pidätyskyky oli pesun jälkeen hieman pidempään paremmalla tasolla toisen pesun jälkeen, hieman vähemmän aikaa kolmannen pesun jälkeen ja neljännen pesun jälkeen sameuden pidätys huononi jo melko lineaarisesti ajan funktiona. Tämä johtunee kalkin kulumisesta. Tuloksia pitäisi olla enemmän, jotta asia voitaisiin osoittaa varmuudella. Muuten sameuden pidätyskyky väheni melko lineaarisesti joka pesun jälkeen. Kuvaajasta näkyy myös, että kalkin kulumisesta johtuen mixed bed –suodatin päästi enemmän sameutta lävitseen käyttösyklin loppupuolella, kun pesuvälit pitenivät. Sameuden pidätys mixed bed -suodattimessa 2 1,8 Sameus [NTU] 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 16.3.21 15.3.18 14.3.15 13.3.12 12.3.9 11.3.6 10.3.3 9.3.0 7.3.21 6.3.18 5.3.15 4.3.12 3.3.9 2.3.6 1.3.3 28.2.0 26.2.21 25.2.18 24.2.15 23.2.12 22.2.9 0 [dd.m.hh] Kuva 30. Mixed bed –suodattimen sameudenpidätyskyky. Vertailun vuoksi kuvaajassa sameudenpidätyskäyrästöä 31 samalta on ajalta. esitettynä hiekkasuodattimen Kuvaajasta näkyy, että hiekkasuodattimen sameudenpidätyksessä ei tapahtunut merkittäviä muutoksia tällä aikavälillä. Sameuden pidätyskyky pesujen jälkeen oli keskimäärin hieman huonompaa verrattuna mixed bed –suodattimeen. Lisäksi sameuden pidätyskäyrät 91 ovat jyrkempiä, eli hiekkasuodatin menetti nopeammin sameudenpidätystehoaan suodatusteho pieneni nopeammin. Sameuden pidätys hiekkasuodattimessa 2 1,8 Sameus [NTU] 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 16.3.21 15.3.18 14.3.15 13.3.12 12.3.9 11.3.6 10.3.3 9.3.0 7.3.21 6.3.18 5.3.15 4.3.12 3.3.9 2.3.6 1.3.3 28.2.0 26.2.21 25.2.18 24.2.15 23.2.12 22.2.9 0 [dd.m.hh] Kuva 31. Hiekkasuodattimen sameudenpidätyskyky. 6.18 Jatkuvatoimiset pH- mittaukset Mixed bed –suodattimeen tulevan veden ja siitä lähtevän veden pH- arvoja mitattiin jatkuvatoimisesti. Tulokset on esitetty kuvaajassa 32. Selkeytetyn veden pH- arvo vaihteli kemikalointimuutoksista johtuen välillä 4,8 – 4,5. Mixed bed – suodatetun veden pH puolestaan laski noin 7,6 – 6,8, eli keskimäärin 0,5 pHyksikköä enemmän. Jatkuvatoimisten pH- mittarien lukemat näyttivät keskimäärin 0,2 pH- yksikköä vähemmän kuin laboratoriossa mitatut pH- arvot. Kaikki mittarit oli kalibroitu. 92 PH- arvojen vertailua 9 8 7 pH 6 5 4 3 2 1 16.3.0 13.3.11 10.3.22 8.3.9 5.3.20 3.3.7 28.2.18 26.2.5 23.2.16 21.2.3 18.2.14 16.2.1 13.2.12 10.2.23 8.2.10 5.2.21 3.2.8 31.1.19 29.1.6 26.1.17 24.1.4 21.1.15 0 [dd.m .hh] Selkeytetty vesi Mixed bed -suodatettu vesi Kuva 32. Mixed bed –suodatetun veden ja selkeytetyn veden pH- kehitystä. Kuvaajaan 33 on laskettu mixed bed –suodatetun veden ja selkeytetyn veden pHarvojen erotus, eli käyrä kuvaa suodattimen pH:n nostokykyä. Alussa mixed bed – suodatin nosti pH- arvoa jopa yli 3 pH- yksikköä, mutta tutkimusjakson loppupuolella kalkin kulumisesta johtuen suodatin nosti pH- arvoa enää 2 – 2,5 pH- yksikköä. Tutkimuksen alkupuolella, kun mixed bed –suodattimessa oli enemmän kalkkia, nousi suodatetun veden pH- arvo keskimääräistä enemmän pesun jälkeen. Tutkimuksen loppupuolella pesun jälkeinen pH:n nousu ei ollut puolestaan enää kovin suurta. Tämä voi johtua siitä, että kalkkikivirouheessa on mukana hyvin hienojakoista ainesta alussa. Tällöin jokaisen pesun jälkeen, kun suodatinmassa on laajentunut, liukenee pienistä partikkeleista enemmän kalkkia veteen, koska niillä on suurempi ominaispinta-ala. Pienimpien kalkkikivipartikkelien liuettua pois, suodatetun veden pH ei enää nouse pesun jälkeen merkittävästi. 93 PH:n nousu mixed bed -suodattimessa 3,5 3 pH 2,5 2 1,5 1 0,5 16.3.21 14.3.7 11.3.17 9.3.3 6.3.13 3.3.23 1.3.9 26.2.19 24.2.5 19.2.1 21.2.15 16.2.11 13.2.21 11.2.7 8.2.17 6.2.3 3.2.13 31.1.23 29.1.9 26.1.19 24.1.5 21.1.15 0 [dd.m.hh] Kuva 33. PH:n nousu mixed bed –suodattimessa. 6.19 Mixed bed –suodoksen ja hiekkasuodoksen yhdistäminen sopivan pH:n saavuttamiseksi Oletetaan, että mixed bed -suodattimesta lähtevän veden pH on 7,5 ja hiekkasuodatetun veden pH on 4,9 virtaamien ollessa 290 m3/h suodatinta kohti. Käytössä on 24 suodatinta ja haluttu suodatusosastolta lähtevän veden pH on noin 7. Tällöin mixed bed -suodattimia pitäisi olla 20 ja hiekkasuodattimia 4, jotta pH 7 saavutetaan. Jos haluttu lähtö- pH onkin 7,3, pitäisi mixed bed –suodattimia olla 22 ja hiekkasuodattimia 2. Jos halutaan, että käytössä on sekä mixed bed- että hiekkasuodattimia samalla virtaamalla, tulee hiekkasuodattimia olla vähintään kaksi. Tällöin toisen suodattimen ollessa pesussa on toinen vielä käytössä. Jos suodatusosastolta lähtevän veden pH saa nousta vielä korkeammaksi, voidaan mixed bed –suodattimille asettaa suurempi virtaama kuin hiekkasuodattimille. Hiekkasuodattimien virtaamaa muuttamalla voidaan säätää suodatusosastolta lähtevän veden pH halutulle tasolle. Laitoksen prosessin seuraava vaihe on otsonointi, joka vaatii toimiakseen alle 7,8 pH:n. Jos varmuuden vuoksi asetetaan suodatusosastolta lähtevän veden pH:ksi ihan maksimissaan 7,5, voidaan periaatteessa muuttaa kaikki hiekkasuodattimet 94 mixed bed –suodattimiksi, jos kalkinlisäysohjelma suunnitellaan huolella. Voidaan esimerkiksi yhdistää maksimissaan 8 ja minimissään 7 pH:n suodoksia, jolloin suodatusosaston keskimääräinen pH- arvo olisi noin 7,5. Vaihtoehtoisesti voitaisiin pitää jokaisen suodattimen suodoksen pH- arvo noin 7,5:ssä lisäämällä suodattimiin kalkkia usein, mutta pieniä määriä kerralla. Mikäli kalkkia lisätään suodattimiin usein, ei suodatusosaston pH- arvo nouse liian korkeaksi edes suodattimien pesujen jälkeen. Tällöin kaikkiin suodattimiin voitaisiin laittaa mixed bed –suodatinmateriaali. Jos pH:n nousu liian korkeaksi koituu kuitenkin ongelmaksi, voitaisiin suodatusosastolla pitää varmuuden vuoksi esimerkiksi kahta tavallista hiekkasuodatinta käytössä ja pH:n noustessa liian korkealle voitaisiin hiekkasuodattimien virtaamaa nostaa, kunnes tilanne tasaantuu. 6.20 Alkalointikemikaalien muutoksista aiheutuvat kustannukset Alkukemikaloinnista tulevan veden pH on noin 5. PH:ta pitää nostaa hieman yli seitsemään ennen otsonointia. Nykyisessä prosessissa veteen lisätään poltetusta kalkista valmistettua kalkkivettä jälkikemikalointi 1:ssä pH:n nostamiseksi oikealle tasolle. Jos suodatusosastolla olisi käytössä mixed bed –suodattimia, saataisiin pH nostettua oikealle tasolle, eikä kalkkivettä tarvitsisi lisätä ollenkaan veteen ennen otsonointia. Normaalisti poltettua kalkkia kuluu jälkikemikalointi 1:ssä noin 8 g/m3. Kalkkivettä syötetään veteen myös nykyisen puhdistusprosessin loppuosassa, jälkikemikalointi 3:ssa, nostamaan veden pH:ta ja alkaliniteettia. Silloin kalkkia kuluu noin 15 - 16 g/m3. Toinen alkaliniteetin nostoon käytetty kemikaali, hiilidioksidi, syötetään veteen kahdessa vaiheessa. Jälkikemikalointi 2:ssa hiilidioksidia syötetään raakaveden alkaliniteetista riippuen noin 14 g/m3 ja jälkikemikalointi 3:ssa hiilidioksidia syötetään puolestaan noin 4 g/m3. Laitokselta lähtevän veden pH on noin 8,5 ja alkaliniteetti noin 0,8 mmol/l. Suodatuslaitokselta lähtevälle vedelle voidaan määrittää tietty pH- arvo tavoitteeksi. Jos kaikki 24 hiekkasuodatinta muutetaan mixed bed –suodattimiksi ja määritetään suodatusosastolta lähtevän veden pH- arvoksi 7,5, olisi veden 95 alkaliniteetti kuvaajan 34 perusteella noin 0,5 mmol/l. Tällöin loppuprosessissa alkaliniteettia tulisi nostaa vielä 0,3 mmol/l lisää. Toivasen (1994) tutkimuksen mukaan 0,1 mmol/l alkaliniteetin nostoon tarvitaan 2,8 g/m3 poltettua kalkkia ja 4,4 g/m3 hiilidioksidia. M i xed b ed : PH ja al kali ni t eet t i 0,7 9 8,5 0,65 8 0,6 7,5 0,55 7 0,5 6,5 6 0,45 5,5 0,4 5 0,35 4,5 4 0,3 11. 1. 15. 1. 20. 1. 25. 1. 29. 1. 3. 2. 8. 2. 12. 2. 17. 2. 22. 2. 26. 2. 3. 3. 8. 3. 12. 3. 17. 3. Ai ka pH Alkaliniteetti Kuva 34. Mixed bed –suodoksen pH:t ja alkaliniteetit. Taulukossa 9 on esitetty, paljonko kalkkia ja hiilidioksidia kuluu normaalisti sekä niistä aiheutuvat kustannukset, jos puhdistuslaitokselta lähtee yhteensä 7000 m3/h puhdistettua vettä. Jos mixed bed –suodatus otettaisiin käyttöön kaikkiin 24 suodattimeen ja laitokselta lähtevän veden virtaama olisi niin ikään 7000 m3/h, kuluisi poltettua kalkkia ja hiilidioksidia taulukon 10 mukaisesti. Vertailemalla taulukoiden 9 ja 10 kuukausikustannuksia huomataan, että mixed bed – suodatuksella säästettäisiin noin 6100 euroa kuukaudessa alkalointikemikaalikuluissa. Kalkkikivirouheen tilaaminen tulee edullisimmaksi, kun sitä tilataan suuria eriä kerralla. Siksi olisi luultavasti järkevintä hankkia suuri kalkkisiilo kalkin varastoimista varten ja siirtää kalkkia suodattimiin jollain omalla kalustolla. Mikäli kalkkikivirouhetta tilataan 100 - 120 t/kk, sen hinta on noin 70 €/t. Alkalointikemikaalien hinnat on esitetty taulukossa 11. 96 Taulukko 9. Ilman mixed bed –suodatusta alkalointikemikaalikustannukset virtaamalle 7000 m3/h. g/m3 24 Poltettu kalkki 18 Hiilidioksidi Yhteensä kg/d 4009 3007 hinta kg/kk [€/kk] 120269 17078 90202 12718 29797 Taulukko 10. Mixed bed –suodatuksen ollessa käytössä kertyvät alkalointikemikaalikustannukset virtaamalle 7000 m3/h. g/m3 Kalkkikivi Poltettu kalkki Hiilidioksidi Yhteensä hinta [€/kk] kg/d kg/kk 4009 120269 8419 24 8,4 1403 42094 5977 13,2 2205 66148 9327 23723 Taulukko 11. Alkalointikemikaalien hinnat. Hinta 70 €/t Kalkkikivi Poltettu kalkki 142 €/t 141 €/t Hiilidioksidi Jos Pitkäkosken vedenpuhdistuslaitoksella nostetaan vedenpuhdistuskapasiteettia 7000 kuutiometriin tunnissa, ei kalkkivedenvalmistuskapasiteetti riitä tarvittavan kalkkivesimäärän valmistamiseen. Jos mixed bed –suodatus otetaan käyttöön, kalkkiveden valmistuskapasiteetti riittää. PH:n nostoon ja alkalointiin voidaan käyttää myös esimerkiksi soodaa tai lipeää prosessin loppuosassa, jos veden kovuus on oikealla tasolla. Pitkäkosken vedenpuhdistuslaitoksen lähtevän veden kokonaiskovuus on noin 3,4 dH, joten mixed bed –suodatuksella kovuus ei nouse tarpeeksi suureksi. Siksi loppuprosessissa tulee käyttää kovuutta nostavaa kemikaalia, eikä sooda tai lipeä sovellu tarkoitukseen. 97 7 JOHTOPÄÄTÖKSET JA SUOSITUKSET 7.1 Johtopäätökset Tutkimuksessa kokeiltiin mixed bed –suodatinta osana pintavedenpuhdistusprosessia. Mixed bed –suodattimen toimintaa verrattiin tavallisen hiekkasuodattimen toimintaan ja arvioitiin mixed bed –suodatuksesta aiheutuvia etuja/muutoksia loppuprosessiin. Mixed bed –suodattimen kalkkikivirouhe kului hyvin tasaisesti ja kulumisnopeudeksi saatiin tutkimuksen mukaan 24 g/m3, kun se teoriassa olisi 20 g/m3. Kalkin kulumista tutkittiin tässä tutkimuksessa kymmenen viikon ajan vakiovirtaamalla 290 m3/h. Tutkimuksen aikana pyrittiin säätämään mixed bed –suodattimen pesusekvenssiä ja tutkimaan, minkälaisia vaikutuksia eri parametrien muuttamisella olisi pesutulokseen. Lisäksi pyrittiin tarkastelemaan, mitä voitaisiin käyttää suodattimen pesutarpeen indikaattorina. Suodattimen puhtauden indikaattorina pesun jälkeen pidettiin lähtöpaine-eron tasoa. Koska pesuvälit kasvoivat tutkimuksen loppua kohti, ei niitä voitu pitää luotettavina pesutuloksen puhtauden indikaattorina. Pesututkimuksista kävi ilmi, että vesipesuaikaa ei kannata lyhentää ainakaan puoleen, koska suodatin jää silloin likaiseksi. Mahdollisesti vesipesuaikaa voidaan vähentää hieman ilman, että pesutulos siitä kärsisi, mutta tulosten mukaan olisi järkevämpää hieman pidentää vesipesuaikaa. Kun vesipesun virtaamaa suurennettiin, saatiin suodatin puhtaammaksi ja virtaamaa pienentämällä suodatin jäi likaiseksi. Vesipesun virtaamaa kannattaisi hieman suurentaa. Maksimi vesipesun virtaama suodattimelle on 320 l/s. Ilmahuuhtelun keston muuttamisesta ei ollut tutkimuksen mukaan merkittävää vaikutusta pesutulokseen, joten huuhtelun kestoa voitaisiin pienentää tai 98 mahdollisesti se voitaisiin jättää kokonaan pois. Pesusekvenssin optimointi vaatisi lisätutkimuksia. Suodattimien pesun tarpeen indikaattorina käytetään HSY Vedellä sameutta. Tutkimuksessa hiekkasuodattimen pesuntarve määritettiin seuraamalla lähtevän veden sameuden ja suodattimen paine-eron kasvua. Suodattimelle asetettiin maksimipaine-ero, millä se saavutti maksimisameuden. Mixed bed –suodatetun veden sameus nousi kuitenkin huomattavasti hitaammin kuin hiekkasuodatetun veden sameus ja rajoittavaksi tekijäksi muodostui suodattimen alaventtiilin aukioloprosentti. Aukioloprosentti ja paine-ero mixed bed –suodattimessa nousivat melko tasaisesti, joten suodattimelle voitiin määrittää maksimipaine-ero, kun päätettiin venttiilin maksimi aukioloprosentti. Kalkin kuluessa suodattimen vastus pieneni, koska suodatinmateriaalin määrä väheni ja näin ollen säädetyn paine-erorajan saavuttamiseen pesun jälkeen meni yhä pidempi aika – pesuvälit pitenivät. Tästä syystä, vaikka suodattimen sameudenpidätyskyky säilyikin vielä hyvänä, se alkoi päästää sameutta enemmän lävitseen, koska se ehti kuormittua enemmän ennen kuin pesu alkoi. Siksi mixed bed –suodattimen pesuindikaattorina ei voida pitää pelkästään paine-eroa, ainakaan tietyn kalkinkulumispisteen jälkeen. Paine-erorajan lisäksi suodattimella pitäisi olla myös maksimisameusraja. Toisaalta, jos kalkkia lisätään suodattimeen tarpeeksi usein, ei tätä ongelmaa esiintyisi. Sitten pelkkää paine-eroa voitaisiin käyttää pesuindikaattorina. Tutkimuksen aikana raakaveden lämpötila laski. Lämpötilan laskusta johtuen flokkien muodostuminen heikentyi ja selkeytyksen tulos huononi. Se ilmeni muun muassa selkeytetyn veden sameuden ja rautapitoisuuden nousuna. Suodattimiin tulevan veden laadun heikkeneminen pitää ottaa huomioon tuloksia tarkasteltaessa. Tutkimusjakson aikana mixed bed –suodattimen partikkelien pidätyskyky ei heikentynyt ainakaan merkittävästi. Huonommat sameustulokset saatiin mixed bed –suodatetusta vedestä oikeastaan vain siksi, että suodattimen pesuvälit pitenivät, jolloin suodatin ehti likaantua enemmän ennen pesua ja siksi, että selkeytetyn veden laatu heikkeni. Koska jatkuvatoiminen sameusmittaus saatiin toimimaan kunnolla vasta tutkimuksen loppupuolella, ei saatu tarpeeksi 99 tutkimustuloksia osoittamaan varmuudella, että suodattimen sameudenpoiston tehokkuus olisi säilynyt lähes ennallaan koko tutkimusjakson ajan. Vanhan sameusmittarin tuloksista voidaan ehkä päätellä, että mixed bed –suodatin päästi keskimäärin yhtä vähän sameutta lävitseen, vaikka kalkki kuluikin ja selkeytetyn veden laatu heikkeni. Suodattimen sameudenpidätyskyky ei voi kuitenkaan pysyä samana loputtomiin, kun kalkki kuluu. Kun kalkkia on kulunut tarpeeksi, alkaa mixed bed –suodattimen läpi päästä enemmän partikkeleita. Kalkin kuluessa muun muassa suodattimen partikkelienpidätyskyky sekä paineeron kehitys pesujen jälkeen alkavat muistuttaa yhä enemmän hiekkasuodattimen kyseisiä ominaisuuksia. Lopulta, kun kaikki tai lähes kaikki kalkki on kulunut pois, toimii suodatin kuten tavallinen hiekkasuodatin. Suodattimen sameudenpidätyskäyrien muotojen kehityksestä tutkimuksen loppupuolella voidaan päätellä, että kalkin kuluessa mixed bed –suodatetun veden sameuden kehitys on lineaarisempaa. Eli jos kalkkia on enemmän suodattimessa, se pidättää sameutta paremmin pesun jälkeen, mutta käyttösyklin loppua kohti sameudenpidätyskyvyn heikkeneminen nopeutuu ja jos kalkkia on suodattimessa vähemmän, sameudenpidätyskyky heikkenee miltei vakionopeudella. Tutkimuksessa huomattiin, että jos mixed bed –suodattimia halutaan ottaa käyttöön, tulee jokaisen suodattimen lähtevän veden sameuden jatkuvatoimiset mittarit uusia, koska veden tulo vanhoille mittareille lakkaa, kun paine-ero suodattimessa nousee liian suureksi käyttösyklin lopussa. Hiekkasuodattimeen verrattuna mixed bed –suodattimella oli huomattavasti parempi sameuden ja raudan pidätyskyky. Siksi mixed bed –suodattimen pesuvälit olivat yli kaksinkertaisia hiekkasuodattimeen verrattuna, vaikka hiekkasuodattimen pesuvälit oli venytetty äärimmilleen. Paremman partikkelienpidätyskyvyn takia mixed bed –suodatin tukkeutui nopeampaan tahtiin ja siksi paine-eron kehitys oli jyrkempää kuin hiekkasuodattimessa. UV- absorbanssitulosten perusteella mixed bed –suodatin pidätti keskimäärin paremmin orgaanista ainetta kuin hiekkasuodatin, mutta TOC- tuloksien perusteella taas hiekkasuodatin pidätti orgaanista ainetta keskimäärin hieman 100 paremmin kuin mixed bed –suodatin. Kalkin lisäyksen jälkeen mixed bed – suodatetussa vedessä on enemmän orgaanista ainetta sekä mikrobeja kuin normaalisti. Voi olla, että kalkin lisäyksen jälkeen mikrobeilla on hetkellisesti optimaalisemmat olosuhteet ja kalkin joukossa saattaa olla orgaanista ainetta. Tutkimuksen aikana vesinäytteistä ei löydetty koliformisia bakteereita, eikä Escherichia colia, eli ulosteperäistä saastumista ei tapahtunut. Mixed bed –suodattimessa oleva kalkkikivirouhe nosti suodatetun veden pH:ta, alkaliniteettia sekä kovuutta. Kalkin kuluessa ne laskivat. Kalkinlisäystarve suodattimeen määräytyy sen perusteella, kuinka alhaiseksi voidaan yksittäisen suodattimen lähtevän veden pH:n antaa laskea. Maksimi kalkinlisäysmäärä kerralla määräytyy puolestaan sen perusteella, kuinka korkeaksi lähtevän veden pH saa nousta. Kalkkikivirouhe nostaa veden alkaliniteettia ja kovuutta poltetusta kalkista valmistettua kalkkivettä enemmän samassa pH- arvossa. Kalkin kuluessa mixed bed –suodatetun veden hiilidioksidipitoisuus nousi. Kalkkikivirouheen lisääminen suodattimen hiekan sekaan vaikutti niin positiivisesti suodattimen suodatus- ja alkalointitehoon, että olisi suositeltavaa muuttaa mahdollisimman moni hiekkasuodatin mixed bed –suodattimeksi. Parhaaseen puhdistustulokseen sekä edullisimpiin alkalointikemikaalien kustannuksiin päästään, jos kaikki hiekkasuodattimet muutetaan mixed bed – suodattimiksi. Suositellaan, että kalkkia lisättäisiin usein ja vähän kerrallaan, jotta vältyttäisiin suurilta pH- piikeiltä. Mikäli kalkinlisäys siitä aiheutuvien kulujen perusteella on kannattavampaa tehdä harvoin ja lisätä kalkkia suuria määriä kerralla, saatetaan joutua jättämään pari tavallista hiekkasuodatinta suodatuslaitokselle, jotta mahdolliset pH- piikit olisi mahdollista saada kuriin. Tutkimuksen mukaan puhdistustehokkuuden mixed lisäksi bed –suodatuksella hyötyä voidaan erinomaisen alkalointikemikaalikustannuksissa. Kokonaisvirtaamalla 7000 m3/h mixed bed –suodatuksen käyttöönotolla alkalointikemikaaleissa säästettäisiin noin 6100 euroa kuukaudessa. Mixed bed – suodatus vaikuttaa tutkimuksen perusteella erittäin hyvältä vaihtoehdolta Pitkäkosken vedenpuhdistusprosessin osaksi, ainakin puhdistustuloksen ja alkalointikyvyn perusteella. 101 Kalkkiveden valmistuksessa poltetusta kalkista siirtyminen valmiiksi sammutettuun kalkkiin ei vaikuta tämän tutkimuksen tarkastelun perusteella kovin taloudelliselta ja toimivalta idealta, mutta asiaa voitaisiin vielä tutkia lisää. 7.2 Suosituksia jatkotutkimuksille Tutkimuksen perusteella kokemukset mixed bed –suodatuksesta olivat erittäin positiivisia ja suodatustekniikka vaikuttaisi sopivan haluttuun käyttötarkoitukseen oikein hyvin. Asiaa pitäisi kuitenkin tutkia vielä enemmän käytännössä, joten tähän kappaleeseen on koottu jatkotutkimusaiheita. 7.2.1 Suodatusvirtaaman muuttaminen Diplomityössä suodatinkohtainen virtaama laskettiin jakamalla keskimääräinen haluttu kokonaisvirtaama suodattimien (PK1) lukumäärällä, eli 7000 m3/h : 24 290 m3/h (viipymä n. 10 min, suodatusnopeus n. 6,7 m/h). Todellisuudessa kaikki suodattimet eivät ole käytössä yhtäaikaisesti. Yksi suodatin kerrallaan voi olla pesussa, mutta useampi suodatin voi olla yhtäaikaisesti pois käytöstä esisuodatuksen, kalkinlisäyksen tai huoltotöiden takia. Jatkotutkimuksessa tulisi arvioida, kuinka monta suodatinta on yhtäaikaisesti käytössä ja laskea sen perusteella uudelleen suodatinkohtainen virtaama. Huomioonotettavia seikkoja ovat mm. pesusekvenssien kestot, tarvittava pesutiheys ja kuinka usein kalkkia pitää lisätä. Mahdollisten huoltotöiden tiheys tulisi myös ottaa huomioon. Tutkimusvirtaama, 7000 m3/h, oli arvioitu keskimääräinen virtaama, mutta arvioitu maksimivirtaama olisi 9000 m3/h, joten suodattimen toimintaa pitäisi tutkia myös tällä virtaamalla. Samoin tulisi maksimivirtaamallekin suunnitella pesusekvenssit, tutkia kalkin kulumista sekä arvioida, montako suodatinta on yhtäaikaisesti käytössä. 102 7.2.2 Kalkkikivirouheen ja hiekan suhde suodattimessa Diplomityössä kalkkikivirouhetta oli suodatinpatjasta 1/3 ja hiekkaa 2/3 (nk. mixed bed -suodatin). Tällä suodatinpatjan koostumuksella ja virtaamalla 290 m3/h suodattimesta lähtevän veden pH oli aluksi n. 8 ja 10 viikon tutkimusjakson jälkeen pH oli laskenut jo alle seitsemään. Jos halutaan laittaa osaan PK1 hallin suodattimista mixed bed -suodattimia ja jättää osa tavallisiksi hiekkasuodattimiksi sekä yhdistää mixed bed -suodosta ja hiekkasuodosta sellaisessa suhteessa, että suodatusosastolta lähtevä pH- arvo olisi otsonoinnille sopiva (HACCP rajat 6,0 – 7,8), pitäisi miettiä, onko kalkkikivirouheen ja hiekan suhde suodattimessa optimaalinen, vai pitäisikö kalkkia olla suodatinta kohti enemmän suhteessa hiekkaan. Jos kalkkia on enemmän suodatinta kohti, mixed bed -suodattimia tarvitaan lukumäärällisesti vähemmän saman suodatinosastolta lähtevän pH:n saavuttamiseksi. Tällöin tulisi tutkia, kuinka suuren vastuksen kalkki aiheuttaa suodattimessa, eli kuinka suureksi paine- ero kasvaa ja sitä kautta tarvittavia pesuvälejä. Voidaan myös ajatella laitettavan jokaiseen hiekkasuodattimeen kalkkikivirouhetta, mutta vain sen verran ja niin usein, ettei pH nouse liian korkealle. Se vaatisi optimointia. Lisäksi voidaan tehdä niin, että hiekkasuodattimia olisi vain pari, mutta niiden läpi menisi suurempi virtaama kuin mixed bed -suodattimien läpi. Silloin mixed bed –suodattimissa voisi olla enemmän kalkkia suhteessa hiekkaan. Se kuitenkin johtaisi hiekkasuodattimien tiheämpään pesutarpeeseen. 7.2.3 Suodatinpatjan korkeuden määrittäminen Tutkimuksessa mixed bed -suodatinpatjan tavoitekorkeus oli noin 1,1 m, kun hiekkasuodattimissa se on 1,3 m. Olisi hyvä tutkia, onko suodatinpatjan korkeus hyvä, vai saavutetaanko jotain etua, jos suodatinpatjan korkeutta muutetaan. 103 7.2.4 Pesusekvenssit Pesusekvenssit tulisi määrittää erikseen normaalissa käytössä olevalle mixed bed suodattimelle sekä mixed bed -suodattimelle, johon on juuri lisätty kalkkia (kalkki pitää huuhdella kunnolla ennen suodattimen käyttöönottoa). Lisäksi olisi huomioitava vuodenaikojen vaihtelun vaikutus selkeytetyn veden laatuun ja sitä kautta mixed bed -suodatetun veden laatuun ja tutkia, pitäisikö pesusekvenssejä muuttaa vuodenaikojen mukaan. Diplomityössä tutkittiin pesusekvenssejä normaalikäytössä muuttamalla ilmahuuhtelun kestoa (T2), vesipesun kestoa (T4) sekä vesipesun virtaamaa (S2, l/s). Lisäksi muita muutettavia suureita, joita voitaisiin tutkia, ovat: T1, T5 ja ilmavirtaus (m3/h). T1 ilmaisee suodatuksen alussa ajan pituutta, jolloin vedenpintaa lasketaan kourun alapuolelle. T5 on esisuodatuksen kesto. Varsinkin kalkin lisäyksen jälkeen on tärkeää määrittää tarpeeksi pitkä esisuodatusaika. Tutkimuksessa mixed bed -suodatinta piti pestä keskimäärin 5-6 vuorokauden välein, kun hiekkasuodatinta piti pestä noin kahden vuorokauden välein (virtaama kummassakin suodattimessa 290 m3/t). Pesusekvenssitutkimuksissa tulisi myös määrittää, kuinka paljon kalkkia poistuu pesujen yhteydessä pesuveden mukana viemäriin. Pesun jälkeen voitaisiin myös tutkia, kuinka kalkkikivirouhe ja hiekka lajittuvat esimerkiksi kairaamalla. 7.2.5 Kalkin lisääminen Tulisi optimoida, kuinka usein ja kuinka suuria määriä kerralla kalkkia lisätään suodattimiin. Tämän voi arvioida kalkin kulumisnopeuden perusteella, mikä riippuu virtaamasta suodattimen läpi. Lisäksi päätetään lähtevän veden pH:n alaraja suodatinta kohti. Suodattimia tulisi täyttää eri aikaan, jottei suodatinosaston pH- arvo nouse liian korkeaksi. Tulisi myös miettiä järkevä ja taloudellinen kalkinlisäystekniikka. 104 7.2.6 Voitaisiin Kalkkikivirouhetta tavalliseen hiekkasuodattimeen tutkia, soveltuisiko mixed bed –suodatimateriaali tavalliseen hiekkasuodattimeen, jossa ei ole vesipesua ja jossa on suutinpohja tritonpohjan sijaan. Voitaisiin tutkia, paljonko kalkkia hiekkasuodattimeen pystyttäisiin lisäämään ja tuleeko suodatin puhtaaksi pelkällä vesipesulla. 7.2.7 Kalkkikivirouheen kuluminen Kalkkikivirouheen kulumisnopeuteen saattaa vaikuttaa suodatettavan veden lämpötila. Voitaisiin tutkia, pysyykö kalkin kulumisnopeus samana eri vuodenaikoina. 7.2.8 Kalkkiveden valmistus Sammutettua sekä poltettua kalkkia on erityyppisiä. Kustannussäästöjen arvioiminen vaatisi parempaa tutustumista kalkkityyppeihin. Lisäksi kalkkiveden valmistukseen olemassa oleva kapasiteetti ja sen riittävyys sammutetun kalkin käyttöön kalkkiveden valmistuksessa tulisi laskea tarkemmin. 105 8 LÄHDELUETTELO Adlan, M., Aziz, H.A., Maung, H.T., Hung, Y-T. 2008. Performance of Horizontal Flow Roughing Filter using Limestone Media for the Removal of Turbidity, Suspended Solids, Biochemical Oxygen Demand and Coliform Organisms from Wastewater. International Journal of Environmen and Waste Management. Vol. 2, no. 3, 203 p. Antola, S. 1998. Pohjaveden alkalointi kalsiittisella kalkkikivellä. Diplomityö. Ympäristötekniikan osasto. Tampereen Teknillinen Korkeakoulu. 108 s. Aziz, H.A., Yusoff, M.S., Adlan, M.N., Adnan, N.H., Alias, S. 2004. Physicochemical removal of iron from semi-aerobic landfill leachate by limestone filter. School of Civil Engineering, Engineering Campus, Universiti Sains Malaysia, 14300 Nibong Tebal, Penang, Malaysia. p. 353 – 358. Barton, J. M. H., Buchberger, S. G. 2007. Effect of Media Grain Shape on Particle Straining during Filtration. Journal of Environmental Engineering [J. Environ. Eng.] Vol. 133, no. 2, pp. 211 – 219. Benjamin, L., Green, R.W., Smith, A., Summerer, S. 1992. Pilot testing a limestone contactor in British Columbia. Journal AWWA. s. 70 – 79. Evans, G., Dennis, P., Cousins, M. and Campbell, R. 2002. Use of recycled crushed glass as a filtration medium in municipal potable water treatment plants. Water Sci. Technol., 3(5-6), 9-16. Hedberg, T. 1983. Undersökning av alkaliska filtermassor. Institution för vattenförsörjnings- och avloppsteknik. Chalmers tekniska högskola. Publikation 6:83 Göteborg. 94 s. Lähteestä Antola, S. (1998) 106 Heikkinen, E. A. 1977. Alkalointi- ja neutralointikemikaloinnin selvitys Helsingin Kaupungin Vesilaitoksen puhdistuslaitoksilla. Diplomityö. Teknillinen korkeakoulu, kemian osasto. Hietala, J. 2000. Kalkkikivialkaloinnin tehostaminen ja mitoitus. Diplomityö, Rakentamistekniikan osasto, Vesi- ja ympäristötekniikan osasto. Oulun Yliopisto. 70 s. (Iivarin 2008 diplomityöstä) Iivari, J-H. 2008. Kalkkikivisuodatin pikasuodattimena Oulun Veden Kurkelanrannan pintavedenpuhdistamolla. Diplomityö. Oulun Yliopisto. Prosessija ympäristötekniikan osasto, vesi- ja ympäristötekniikan laboratorio. 107 s. Isoaho S., Valve M.. 1986. Vesikemian perusteet. Helsinki. Otakustantamo. Kajiyama, Y. 1975. Process for removing heavy metal ions in water. Official gazette of the United States patent office. Lammi, J. 1996. Kaksivaiheinen hiilidioksidin syöttö talousveden valmistuksessa. Insinöörityö. Espoon-Vantaan Teknillinen Ammattikorkeakoulu. Teollisuustekniikan osasto. Prosessitekniikan linja. 93 s. Meriluoto, J. 2002. Kalkkikivialkalointi, opas veden syövyttävyyden vähentämiseksi. Vesi- ja viemärilaitosyhdistys. Helsinki. 27 s. Michalakos, G.D., Nieva J.M., Vayenas, D.V., Lyberatos, G. 1997. Removal of iron from potable water using a trickling filter. Department of Chemical Engineering, University of Patras and Institute of Chemical Engineering and High Temperature Chemical Processes. Patras, Greece. p. 991 - 996. Morse, J.W. 1990. The kinetict of calsium carbonate dissolution and precipitation. Teoksessa: Reeder, R. J. Carbonates: Mineralogy and chemistry. Reviews in mineralogy. Vol 11. 2. p. Michigan, Mineral Society of America. s. 227 – 264. 107 Palomäki, J., Kuorikoski, A. 2001. Kalkkikivialkalointi Länsi-Suomen ympäristökeskuksen alueen vesilaitoksilla. Multiprint Vaasa. 160 s. Peltokangas, J., Heinänen, J., Viitasaari, M. 1991. Vesihuoltotekniikan yksikköoperaatiot ja yksikköprosessit. Vesi- ja ympäristötekniikan laitos, Tampereen teknillinen korkeakoulu. 182 s. Piispanen, M. Nordkalk Oyj Abp. Sammutetun ja poltetun kalkin käyttö kalkkiveden valmistuksessa. Sähköpostiviesti 6.4.2010. Qin, S., Ma, F., Huang, P., Yang, J. 2008. Fe (II) and Mn (II) removal from drilled well water: A case study from a biological treatment unit in Harbin. School of Environmental Science and Safety Engineering, Tianjin University of Technology. Tianjin, China. p. 245. RIL. 2004. Vesihuolto 2-124. Helsinki. 688 s. Rontu, M. 1992. Pohjaveden alkalointi kalkkikivisuodatuoksella. Vesi- ja ympäristöhallinnon julkaisuja. Helsinki. 72 s. Sakthivadivel, R. 1966. Theory and mechanism of filtration of noncolloidal fines through a porous medium. Hydraulic Engineering Laboratory. University of California. Berkeley, California. Sallanko, J., Laakso, E. 2000. Alkaloiva märkäsuodatus rautapitoisten pohjavesien käsittelyssä. Oulu. Oulun Yliopistopaino. 68 s. (Iivarin 2008 diplomityöstä) Seittenranta, I. HSY Vesi. Sähköpostiviestit huhtikuussa 2010. Shair, S. 1975. Iron Bacteria and Red Water. Industrial Water Engineering, vol 12, no. 2, p. 16 – 18. Dearborn Chemical Div., Mich. 108 Sharma, S.K., Greetham, M.R., Schippers, J.C. 2002. Adsorption of iron (II) onto filter media. International Institute for Infrastructural, Hydraulic and Environmental Engineering. Netherlands. p. 84 - 91. Standard Methods for Examination of Water and Wastewater, 5910 B 19th Edition 1995, APHA AWWA WEF Suthaker, S., Smith, D. W. and Stanley, S. J. 1995. Evaluation of filter media for upgrading existing filter performance. Environ. Technol., 16(7), 625-643. Toivanen, E. 1994. Alkaliteetin nostokoe 1993. Helsingin Kaupunki, Vesi- ja viemärilaitos, Käyttövesitoimisto. Trussel, R. R., Trussel, A. R., Lang, J. S. and Tate, C. H. 1980. Recent developments in filtration system design. J. Am. Water Works Assoc., 12(12), 705-710. Voutilainen, V. 2010. Kalkkikivisuodatus pintaveden käsittelyssä. Diplomityö. Aaltoyliopisto, Kemian ja materiaalitieteiden tiedekunta. Espoo. 134 s. Weppling, K. 1998. Osaavissa käsissä kalkkikivi muuttuu moneksi. Partek Nordkalk Oy Ab. s. 62. Zolas, S. 2009. Ferrisulfaatin happopitoisuuden vaikutus ferrin kulutukseen ja orgaanisen aineen poistumiseen koelaitosmittakaavassa. Erikoistyö. Helsingin Vesi, Helsinki. 23 s. 109 9 LIITTEET Liite 1. Kalkkivesisiilon piirustus sivusta. (Heikkinen 1977) 110 Liite 2. Kalkkivesisiilon piirustus päältä. (Heikkinen 1977) 111 Liite 3. Suodattimen triton- pohja 112 Liite 4. Suodattimen suutinpohja Liite 5. Mixed bed –suodattimen kummankin puoliskon suodatinpatjojen paksuuksien kehitys pvm 7.1. 11.1. 18.1. 22.1. 29.1. 5.2. 8.2. 12.2. 22.2. 26.2. 5.3. 15.3. 22.3. Patjanpaksuudet vas. [m] 1,08 1,08 1,09 1,05 1,035 1,02 1,02 0,985 0,97 0,9625 0,955 0,935 1,07 113 oik. [m] 1,16 1,16 1,12 1,12 1,095 1,08 1,065 1,065 1,025 1,015 1,0025 0,98 1,06 114
© Copyright 2024