|
|
|
Hankekoodi: A73221
Hankkeen nimi: Perinteisestä jätevedenpuhdistuksesta kohti resurssitehdasta
Toimintalinja: 2. Uusimman tiedon ja osaamisen tuottaminen ja hyödyntäminen
Erityistavoite: 3.2. Uusiutuvan energian ja energiatehokkaiden ratkaisujen kehittäminen
Suunnitelman mukainen toteutusaika: Alkaa 1.10.2017 ja päättyy 31.3.2020
Toiminnan tila: Toiminta päättynyt
Vastuuviranomainen: Etelä-Savon maakuntaliitto
Hakijan virallinen nimi: Lappeenrannan-Lahden teknillinen yliopisto LUT
Organisaatiotyyppi: Yliopisto
Y-tunnus: 0245904-2
Jakeluosoite: Yliopistonkatu 34
Puhelinnumero: 0294 462 111
Postinumero: 53850
Postitoimipaikka: Lappeenranta
WWW-osoite: http://www.lut.fi
Hankkeen yhteyshenkilön nimi: Riina Salmimies
Yhteyshenkilön asema hakijaorganisaatiossa: Johtaja
Yhteyshenkilön sähköpostisoite: riina.salmimies(at)lut.fi
Yhteyshenkilön puhelinnumero: +358 456310917
Hakijoiden lukumäärä tai tuen siirto -menettely:
Kunnallinen jätevesi puhdistetaan tyypillisesti jo yli 100 vuotta sitten kehitetyllä aktiivilieteprosessilla, joka on ollut toimiva menetelmä tähän asti, mutta ei enää vastaa kiristyviin vaatimuksiin. Lisäksi kiertotalousajattelun lisääntyminen asettaa vaatimuksia myös jäteveden hyödyntämiseen mahdollisimman tehokkaasti. Keskeisiä haasteita kunnallisessa jätevedenpuhdistuksessa ovat energiatehokkuus, ravinteiden hukkaaminen ja orgaaniset haitta-aineet. Erityisesti siis jäteveden sisältämä energia ja ravinteet tulee saada hyötykäyttöön minimoiden samalla puhdistamon energiatarve sekä päästöt ilmastoon ja vesistöihin.
Esitetyn hankkeen tavoitteena onkin luoda kokonaan uusi puhdistamokonsepti, joka tuottaa voittoa kustannusten sijaan. Erityisesti tavoitteena on tuottaa uusi kokonaisvaltainen menetelmä kunnallisen jäteveden käsittelyn tehostamiseksi ottamalla huomioon jäteveden sisältämän energian ja ravinteiden hyödyntämisen sekä haitallisten orgaanisten aineiden poistamisen. Hankkeessa tavoitellaan perinteisen jätevedenpuhdistamon toimintatavan muutosta puhdistamosta kohti vähähiilistä resurssitehdasta.
Kaikki hankkeessa tehtävät toimenpiteet tukevat uuden puhdistamokonseptin syntymistä. Hanke toteutetaan jäteveden vaiheittaisella prosessoinnilla, jossa tutkitaan 1) sähkökemiallista mikrobipolttokennoa yhdistettynä MBR-teknologiaan energian tuottamiseksi jätevedestä parantamaan puhdistamojen energiatehokkuutta, 2) ioninvaihto- ja elektrodialyysimenetelmiä typen ja fosforin talteenottoon jätevedestä sekä 3) hapetustekniikoita jäteveden hygienisointiin ja tertiäärikäsittelyyn poistamaan haitallisia orgaanisia aineita.
Tuloksena hankkeessa odotetaan uutta jätevedenkäsittelymenetelmää, jonka avulla jäteveden sisältämä energia ja ravinteet saadaan talteen sekä orgaaniset haitta-aineet tehokkaasti poistettua. Hankkeen aikana syntyy arviolta noin 10 tutkimusraporttia liittyen puhdistamokonseptin osatutkimuksiin. Puhdistamot sekä alan yritykset voivat hyödyntää raportoituja tuloksia oman liiketoimintansa kehittämisessä.
Hankkeessa luodaan perusta konseptille, jota jatkohankkeissa testataan Mikkelin Ecosairila-toimintaympäristössä. Tämä mahdollistaa kehitteillä olevan menetelmän toteutettavuusvertailun käytössä olevaan teknologiaan.
Hankkeen keskeisin yhteistyötaho on Mikkelin EcoSairila-konseptiin liittyvät toimijat. Tuloksista hyötyvät myös muut osallistuvat vesilaitokset. Hankkeen kohderyhmiä ovat kunnalliset jätevedenpuhdistamot, joiden resurssi- ja energiatehokkuutta pyritään parantamaan, sekä yritykset, jotka voivat saada raaka-aineita/tuotteita puhdistamojen jätevedestä ja lietteistä. Uudet tutkimustulokset tuovat jätevedenpuhdistamoille mahdollisuuden kehittää menetelmiään ja muuttaa toimintamalliaan. Yritykset, jotka ovat keskittyneet vedenkäsittelyyn ja esim. mittaustekniikkaan voivat saada lisää markkinoita tuotteilleen.
Erityisesti hankkeessa tuotetut tutkimustulokset palvelevat Etelä-Savon jätevedenpuhdistamoja, mutta myös puhdistamoja ympäri maailmaa. Kotimaisia vihreän kemian laboratorion yritysyhteistyökumppaneita, joita hankkeessa saadut tulokset hyödyttävät, ovat mm. Suomen Ekolannoite, Vapo, Kemira, Stora Enso, UPM, Ruukki, Outotec, Ekokem, Yara Suomi, Teollisuuden vesi ja Metso Automation. Yhdessä yritysten ja kunnallisten tahojen kanssa kartoitetaan tulosten hyödyntämis- ja kaupallistamismahdollisuuksia ja pyritään löytämään uusia tutkimusaihioita.
Hanke lisää jätevedenpuhdistamojen verkottumista toisiinsa sekä yrityksiin, jotka voivat hyödyntää puhdistamojen vesi/lietevirtoja raaka-aineena. Lisäksi hanke edesauttaa korkean tason tutkimustoiminnan kehittymistä ja säilymistä Etelä-Savon alueella. Laboratorion monipuolinen tutkimustoiminta ja henkilöstön korkea koulutustaso ja osaaminen kannustavat tutkijoita sitoutumaan paikkakunnalle ja myös paikallisten yritysten tarpeisiin.
Välillisiksi kohderyhmiksi voidaan lukea myös vihreän kemian laboratorion kotimaiset sekä kansainväliset tutkimusyhteistyökumppanit, joiden kanssa laboratorio tekee mm. yhteisjulkaisuja. Näihin tutkimuslaitoksiin lukeutuu yli sata kansainvälistä tutkimuslaitosta, jotka tekevät yliopistotason tutkimusta.
Myönnetty EU- ja valtion rahoitus: 427 426
Toteutunut EU- ja valtion rahoitus: 427 426
Suunniteltu julkinen rahoitus yhteensä: 570 614
Toteutunut julkinen rahoitus yhteensä: 570 614
Maakunnat: Etelä-Savo
Seutukunnat: Mikkelin
Kunnat: Mikkeli
Jakeluosoite:
Postinumero:
Postitoimipaikka:
Suunniteltu: 0, joihin työllistyvät naiset 0
Toteutunut seurantatietojen mukaan: 0.00, joihin työllistyvät naiset 0.00
Suunniteltu: 0, joista naisten perustamia 0
Toteutunut seurantatietojen mukaan: 0.00, joista naisten perustamia 0.00
| Välitön | Välillinen | |
| Ekologinen kestävyys | ||
| Luonnonvarojen käytön kestävyys | 8 | 8 |
| Fosforin talteenotto vähentää raakafosforin tarvetta | ||
| Ilmastonmuutoksen aiheuttamien riskien vähentäminen | 9 | 8 |
| Vähennetään puhdistamojen kasvihuonekaasupäästöjä | ||
| Kasvillisuus, eliöt ja luonnon monimuotoisuus | 0 | 3 |
| Tehostetaan ravinteiden talteenottoa ja haitallisten aineiden vapautumista ympäristöön, jolloin luontoa suojellaan | ||
| Pinta- ja pohjavedet, maaperä sekä ilma (ja kasvihuonekaasujen väheneminen) | 10 | 10 |
| Vähennetään haitallisten aineiden sekä ravinteiden pääsyä vesistöihin sekä kasvihuonekaasupäästöjä ilmaan. Tavoitteena myös puhdistetun veden hyötykäyttö. | ||
| Natura 2000 -ohjelman kohteet | 0 | 0 |
| ei vaikutusta | ||
| Taloudellinen kestävyys | ||
| Materiaalit ja jätteet | 8 | 7 |
| Hyödynnetään jätevettä ja puhdistamolietettä --> ei kaaatopaikkasijoitusta | ||
| Uusiutuvien energialähteiden käyttö | 5 | 5 |
| Jätevesi energiaksi | ||
| Paikallisen elinkeinorakenteen kestävä kehittäminen | 4 | 4 |
| Uusi yritystoiminta jätevedenpuhdistamojen ympärille | ||
| Aineettomien tuotteiden ja palvelujen kehittäminen | 0 | 0 |
| ei vaikutusta | ||
| Liikkuminen ja logistiikka | 0 | 0 |
| ei vaikutusta | ||
| Sosiaalinen ja kulttuurinen kestävyys sekä yhdenvertaisuus | ||
| Hyvinvoinnin edistäminen | 0 | 0 |
| ei vaikutusta | ||
| Tasa-arvon edistäminen | 0 | 0 |
| ei vaikutusta | ||
| Yhteiskunnallinen ja kulttuurinen yhdenvertaisuus | 0 | 0 |
| ei vaikutusta | ||
| Kulttuuriympäristö | 5 | 5 |
| Puhtaammat vesistöt vaikuttavat positiivisesti myös kulttuuriympäristöön | ||
| Ympäristöosaaminen | 8 | 6 |
| Kehitetään vedenpuhdistusosaamista | ||
Kunnallinen jätevedenpuhdistus toimii Suomessa pääosin jo noin 100 vuotta sitten kehitetyllä aktiivilieteprosessilla. Prosessi on kehitetty poistamaan pääosin kiintoainesta ja ravinteita ja täyttämään viranomaisten vaatimukset ympäristöön päästettävän jäteveden puhtaudesta. Ydinteknologiana se on ollut toimiva ratkaisu tähän asti, mutta se vastaa heikosti kiristyviin ympäristövaatimuksiin ja erityisesti haitta-aineiden poiston lisääntyneeseen tarpeeseen. Tällaisia huolta aiheuttavia haitta-aineita ovat muun muassa lääkeaineet, hormonit, erilaiset torjunta-aineet ja muut orgaaniset kemikaalit. Keskeisiä haasteita kunnallisessa jätevedenpuhdistuksessa ovatkin muun muassa energiatehokkuus, ravinteiden hukka päästettävän jäteveden mukana ja orgaaniset haitta-aineet. Erityisesti jäteveden sisältämät ravinteet tulee saada hyötykäyttöön minimoiden puhdistamon haitta-ainepäästöt vesistöihin.
Tämän hankkeen tavoitteena oli kehittää uudenlaisia menetelmiä ja prosesseja nykyisen jätevedenpuhdistuksen rinnalle. Hankkeessa on keskitytty erityisesti ravinteiden talteenottoon ja haitta-aineiden tehostettuun poistoon jätevedestä. Hankkeen tulosten avulla voidaan laatia uusia ja täydentäviä konsepteja jätevedenpuhdistuksen uudistamiseksi. Puhdistamot ja alan yritykset voivat hyödyntää raportoituja tuloksia oman (liike)toimintansa kehittämisessä.
Tässä hankkeessa tehtiin tutkimusta jäteveden käsittelyn eri vaiheista sisältäen seuraavat menetelmät:
1. kalvobioreaktoriteknologia (MBR) yhdistettynä edistyneisiin hapetustekniikoihin haitta-aineiden poistamiseksi ja tertiäärikäsittelytarpeen vähentämiseksi,
2. elektrodialyysi typen ja fosforin talteenottoon jätevedestä,
3. kapasiitivinen deionisaatio ravinteiden erottamiseksi ja talteenottamiseksi jätevedesta ja
4. kemialliset käsittelyt haitta-aineiden poistamiseksi jätevedestä.
Tutkimuksen osa-alueet on toteutettu laboratoriossa lukuun ottamatta kalvobioreaktoritutkimuksia, jotka toteutettiin pilot-mittakaavan laitteistolla yhteistyössä Mikkelin vesilaitoksen kanssa.
Hankkeen kehittämistavoitteet saavutettiin osittain hyvin. Hankkeessa onnistuttiin osoittamaan yllä listattujen uusien tekniikoiden suoriutuminen ravinteiden talteenotossa ja haitta-aineiden poistossa pääasiallisesti laboratorio-olosuhteissa. Laboratoriokokeita tehtiin synteettisten liuosten lisäksi todellisilla jätevesillä, mikä ennestään parantaa ymmärrystä tekniikoiden suorituskyvystä todellisilla jätevesillä. Tyypillisesti erotustehokkuus todellisissa jätevesissä on alhaisempi johtuen kilpailevista reaktioista, minkä vuoksi on tärkeää testata tekniikoita myös todellisilla jätevesinäytteillä.
Kapasitiivisella deionisaatiolla ja elektrodialyysilla saavutettiin maltillinen ravinteiden erotus- ja talteenotto jätevedestä - poistotehokkuus vaihteli alle 20 %:sta yli 80 %:iin. Jotta teknologioita voitaisiin soveltaa kunnallisessa jätevedenpuhdistuksessa, tulisi teknistaloudellista kannattavuutta arvioida vähintään pilot-mittakaavan kokeilla.
Kalvobioreaktorin käyttö jätevedenpuhdistuksessa on koeteltua teknologiaa ja tässä hankkeessa tutkittiinkin pääasiassa hapetustekniikoiden yhdistämistä kalvobioreaktoriin ja näin saavutettua haitta-aineiden poistotehoa. Tekniikoita yhdistämällä haitta-aineita onnistuttiin poistamaan hyvin tehokkaasti (>99 %), mutta uuden tekniikan käyttöönotto tulisi lisäämään jätevedenpuhdistuksen kokonaiskustannuksia.
Tutkimustulokset on julkaistu yksityiskohtaisesti muun muassa seuraavissa tieteellisissä artikkeleissa:
• Pastushok, O., Zhao, F., Ramasamy, D.L. & Sillanpää, M. (2019) Nitrate removal and recov-ery by capacitive deionization (CDI). Chemical Engineering Journal 375.
• Gurung, K., Ncibi, M.C. & Sillanpää, M. (2019) Removal and fate of emerging organic mi-cropollutants (EOMs) in municipal wastewater by a pilot-scale membrane bioreactor (MBR) treatment under varying solid retention times. Science of the Total Environment 667, 671-680.
• Gurung, K., Ncibi, M.C., Thangaraj, S.K., Jänis, J., Seyedsaheli, M. & Sillanpää, M. (2019) Removal of pharmaceutically active compounds (PhACs) from real membrane bioreactor (MBR) effluents by photocatalytic degradation using composite Ag2O/P-25 photocatalyst. Separation and Purification Technology 215, 317-328.
• Gurung, K., Ncibi, M.C. & Sillanpää, M. (2017) Assessing membrane fouling and the perfor-mance of pilot-scale membrane bioreactor (MBR) to treat real municipal wastewater during winter season in Nordic regions. Science of the Total Environment 579, 1289-1297.
• Gurung, K., Ncibi, M.C., Fontmorin, J.-M., Särkkä, H. & Sillanpää, M. (2016) Incorporating Submerged MBR in Conventional Activated Sludge Process for Municipal Wastewater Treat-ment: A Feasibility and Performance Assessment. Journal of Membrane Science and Techno-logy 6.
• Shao H., Wang Y., Zeng H., Zhang J., Wang Y., Sillanpää Mika & Zhao X. (2019) Enhanced Photoelectrocatalytic Degradation of Bisphenol A by BiVO4 Photoanode Coupling with Perox-ymonosulfate. Journal of Hazardous Materials 394, 121105.
• Zeng, H., Zhao, X., Zhao, F., Park, Y., Repo, E., Thangaraj, S.K., Jänis, J. & Sillanpää, M. (2020) Oxidation of 2,4-Dichlorophenol in Saline Water by Unactivated Peroxymonosulfate: Mechanism, Kinetics and Implication for in situ Chemical Oxidation. Science of the Total Envi-ronment 728, 138826.
• Zeng, H., Zhao, X., Zhao, F., Park, Y. & Sillanpää, M. (2020) Accelerated Fe3+/Fe2+ cycle us-ing atomic H* on Pd/Al2O3: A novel mechanism for an electrochemical system with particle electrode for iron sludge reduction in the Fe2+/peroxydisulfate oxidation process. Chemical Engineering Journal 382, 122972.
Henkilöstömuutoksista ja teknisistä haasteista johtuen aiottua mikrobipolttokennoa ei onnistuttu kehittämään eikä siitä myöskään ole tehty tieteellisiä julkaisuja.
Tutkimushankkeen tuloksista järjestettiin keskustelutilaisuus sidosryhmille. Sidosryhmätilaisuutta edelsi informatiivisen tapahtumasivun (https://events.lut.fi/putsari/) julkaisu toukokuussa 2020. Tapahtumasivulla julkaistiin avoimesti viisi tutkijoiden videoesitystä (kestoltaan 10-15 min), posteri- ja esitysmateriaalia ja linkit hankkeessa tuotettuihin julkaisuihin. Julkaisuista valittiin sellaisia, jotka oli avoimesti saatavilla ilman kustantajan maksumuuria. Tutkijoiden videoesitykset tekstitettiin suomeksi. Vaikka online-tilaisuus järjestettiin suomeksi, tehtiin tapahtumasivusta myös kieliversio englanniksi, jotta tutkimustuloksiin voitiin kutsua tutustumaan myös kansainvälisiä asiantuntijoita. Sidosryhmätilaisuuteen osallistui noin 20 jäteveden- ja lietteenkäsittelystä kiinnostunutta organisaatiota, jotka olivat pääasiallisesti yrityksiä ja kunnallisia toimijoita. Sidosryhmätilaisuudessa käytiin lyhyesti läpi tutkimuksen avaintuloksia (TkT Riina Salmimies), kuultiin lyhyt puheenvuoro yliopistojen ja yritysten yhteistyön parantamisesta (TkT Vesa Karvonen) ja pienryhmäkeskustelujen avulla tunnistettiin tutkimustulosten hyödyntämisen seuraavia askeleita ja hyödyntämisen haasteita. Tapahtumaa varten luodulla sivustolla on vierailtu useita satoja kertoja eri puolilta Suomea ja kaikkia tutkimustuloksia esitteleviä yksittäisiä videoita on katsottu kymmeniä kertoja. Sivusto tavoitti muutamassa kuukaudessa enemmän tutkimuksesta kiinnostuneita henkilöitä kuin yksittäinen seminaari olisi koskaan voinut. Sivustolla esitellään vielä pitkään hankkeen päättymisen jälkeen tutkimusten avaintuloksia saavuttaen näin perinteistä toteutusta laajemman vaikuttavuuden. Osallistujapalautteen perusteella sivusto ja siellä esitetyt videot koettiin hyväksi tavaksi viestiä tutkimuksesta. Lisäksi erityisesti vuorovaikutteinen osa sidosryhmätilaisuudessa sai kiitosta ja poikkeaa useista muista verkossa järjestettävistä tilaisuuksista. Tätä kokeiluluontoista tapaa levittää tietoa tutkimuksesta voidaan pitää tässä hankkeessa (yhdistettynä Puhdistamolietteet hyötykäyttöön- hankkeeseen) syntyneenä hyvänä viestintä- ja vuorovaikutuskäytäntönä. Sidosryhmäyhteistyön osalta hankkeen tavoitteet saavutettiin ja uusia hankevalmisteluita on käynnistynyt viiden yrityksen kanssa hankkeen päättymisen jälkeen.