Kalsiumkarbonaattijauheet typenpoiston nitrifikaation alkalointikemikaaleina

Abstract

Tässä diplomityössä tarkastellaan jauhemaisten kalsiumkarbonaattien toimivuutta typenpoiston alkalointikemikaaleina yhdyskuntien jätevesien puhdistuksessa. Suomessa alkalointikemikaaleina on perinteisesti käytetty soodaa, lipeää, poltettua tai sammutettua kalkkia. Perinteisten alkalointikemikaalien käyttöön liittyy muun muassa yliannostelu- ja työturvallisuusriski sekä suuri hiilijalanjälki. Ilmaston lämpeneminen aiheuttaa tarpeen vähentää kasvihuonekaasupäästöjä. Tarve koskettaa myös jätevedenpuhdistuslaitoksia, joissa kalsiumkarbonaattijauheet voisivat olla yksi osa resurssitehokkaampaa ja pienempipäästöisempää ratkaisua.

Karbonaattijauheiden liukoisuus- ja nitrifikaatiokokeet tehtiin Aalto-yliopiston Insinööritieteiden korkeakoulun vesitekniikan laboratoriossa vuonna 2014 (huhtikuu-syyskuu). Kokeissa käytetty jätevesi ja liete otettiin Espoo Suomenojan jätevedenpuhdistamolta. Suomenojan jätevedenpuhdistamo on kattamaton aktiiviliete- ja typenpoistolaitos. Testattavia kemikaaleja oli yhteensä kymmenen, joista kaksi oli referensseinä käytettyjä sammutettuja kalkkeja. Laboratoriokokeiden perusteella valittiin neljä kemikaalia tarkempaan tarkasteluun ja niistä tehtiin myös CASE-analyysi kahdelle suunnitteilla olevalle jätevedenpuhdistamolle (Blominmäki ja Sulkavuori). CASE-analyysissä vertailtiin eri tuotteiden hiilijalanjälkiä ja resurssitehokkuutta.

Kokonaistypen poistoon mitoitettujen tuotteiden liukeneminen testattiin ennen nitrifikaatiokokeiden aloittamista. Liukoisuuskokeissa selvisi, että jokaisen testatun alkalointikemikaalin liukoisuus oli riittävä, jolloin ne soveltuisivat typenpoiston alkalointikemikaaleiksi.

Liukoisuuskokeiden tulosten perusteella päätettiin nitrifikaatiokokeissa käytettävien kemikaalien pitoisuudet. Nitrifikaatiokokeissa seurattiin typpipitoisuutta, alkaliniteettiä ja pH:ta neljän tunnin ajan. Tällöin havaittiin, että lietteen nitrifikaationopeus hidastui merkittävästi kolmen tunnin jälkeen. Myös alkaliniteetin lasku hidastui ja tasaantui kolmen tunnin kuluttua. Saatujen tulosten perusteella kemikaalit toimivat alkaloinnissa hyvin.

CASE-tarkastelussa hiilijalanjälkien tarkka laskeminen on erittäin vaikeaa, koska tarkkoja määritelmiä tai yksiköitä ei ole käytössä kansainvälisesti. CASE-tarkastelun laskelmissa voidaan kuitenkin selkeästi todeta, että kalsiumkarbonaattijauheiden hiilijalanjälki oli huomattavasti pienempi kuin muiden alkalointikemikaalien.

Tämän diplomityön tulosten perusteella voidaan suositella jatkotutkimuksia täyden mittakaavan karbonaattijauheiden annostuksesta, jotta oikea annostus löydettäisiin. Käyttämällä kalsiumkarbonaattijauheita voidaan mahdollisesti parantaa jätevedenpuhdistamoiden resurssitehokkuutta.

This master's thesis considers the feasibility of calcium carbonate powders as alkalization chemicals in urban wastewater nitrogen removal. Wastewater treatment plants in Finland have traditionally used soda, caustic soda, quicklime or slaked lime as alkalization chemicals. These chemicals are associated with several safety risk and unnecessary large carbon footprint. The pressure to reduce carbon footprints and energy consumption due to global warming also reflects to wastewater treatment plants, and calcium carbonate powders could be part of the resource efficient solution.

Solubility and nitrification tests were carried out on a laboratory scale at Aalto University School of Engineering in the Water Engineering laboratory between April and September in 2014. The used wastewater and sludge were collected from Suomenoja wastewater treatment plant in Espoo. Suomenoja wastewater treatment plant is a conventional uncovered activated sludge plant. In total ten chemicals were tested, of which two were slaked limes used as references. Four powders were selected into a more detailed analysis which included a CASE for two upcoming wastewater treatment plants.

Solubility of the products were tested by mixing chemicals with wastewater. After an hour, the mixture was monitored for pH and alkalinity changes. All tested chemicals were sufficiently fast-dissolving in order to have the potential to be alkalization chemicals.

In nitrification tests the concentration of tested chemicals was set based on the previously made solubility tests. Alkalinity, pH and nitrogen concentration were monitored during four hours. It was found that the nitrification speed of the sludge slows down significantly after three hours. Also, alkalinity decline slowed down and levelled off after three hours. Based on the results the chemicals work well.

When performing the CASE-analysis, the exact calculations of carbon footprints was found to be difficult. The reasons were lack of information and lack of established methods. In indicative CASE-calculations, the calcium carbonate powder had significantly smaller carbon footprint than the other products.

The use of calcium carbonate may improve resource efficiency of wastewater treatment plants. According to the results of this thesis calcium carbonate powders can be recommended for further research, in order to find the correct dose for municipal wastewater purification.