|
|
|
Hankekoodi: A74619
Hankkeen nimi: Kalvobioreaktorin toiminta: Partikkelien vaikutus kalvon tukkeutumiseen ja partikkelien kokojakauma-analyysi kalvojen suodatustehokkuuden optimoimiseksi
Toimintalinja: 2. Uusimman tiedon ja osaamisen tuottaminen ja hyödyntäminen
Erityistavoite: 4.1. Tutkimus-, osaamis- ja innovaatiokeskittymien kehittäminen alueellisten vahvuuksien pohjalta
Suunnitelman mukainen toteutusaika: Alkaa 1.1.2019 ja päättyy 31.8.2021
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: Mika Mänttäri
Yhteyshenkilön asema hakijaorganisaatiossa: professori
Yhteyshenkilön sähköpostisoite: mika.manttari(at)lut.fi
Yhteyshenkilön puhelinnumero: +358407342192
Hakijoiden lukumäärä tai tuen siirto -menettely:
Projektin päätavoitteena on optimoida pilottikokoisen kalvobioreaktoriprosessin toiminta eli kalvon suorituskyky (jo käytössä Kenkäveronniemen jätevedenpuhdistamossa Mikkelissä) niin, että partikkelien kokojakaumaa voidaan pienentää tehokkaasti (etenkin lietepartikkelien ja aktiivilietteen kiintoaineen kokonaismäärän suhteen), jotta voitaisiin vähentää kalvojen tukkeutumista huomattavasti. Projektissa arvioidaan etenkin partikkelien aiheuttamaa tukkeutumisherkkyyttä tarkkailemalla kokojakauman vaihteluita pitkällä aikavälillä. Partikkelien (sekä kolloidien että hienojen hiukkasten) kokojakauman kalvobioreaktoriprosessissa (tulovesi, liete ja puhdistettu vesi) odotetaan olevan loogisessa suhteessa muihin veden laadun mittareihin, kuten kemialliseen hapentarpeeseen, aktiivilietteen kiintoaineen kokonaismäärään, kiintoaineen kokonaismäärään, sameuteen, johtavuuteen ja CST-testin (capillary suction time, CST) tuloksiin. Virusten ja ulostebakteerien (E. coli, enterokokki jne.) torjuminen voi myös korreloida eri olosuhteissa tapahtuvan sisäisen tukkeutumisen kanssa. Projektissa tutkitaan useita erilaisia käyttöolosuhteita, kuten esimerkiksi orgaanisen kuormituksen vaihteluita eli hydraulista viipymää, aktiivilietteen kiintoainepitoisuutta ja kiintoaineen viipymää, ja siinä kuvataan partikkelien kehitystä ja lopputilaa analysoimalla niiden kokojakaumaa kyseisellä aikavälillä. Toinen kiinnostava tutkimuksen kohde on kokojakauman muutosten tarkkailu Suomen talven aikana, kun vesi on kylmää (<10 ºC). Tämä projekti toteutetaan läheisessä yhteistyössä Mikkelin Vesilaitoksen kanssa. Pilottimittakaavainen jäteveden puhdistus kalvobioreaktorilla toteutetaan Mikkelin Vesilaitoksen tiloissa. Mikkelin Vesilaitos on jo aikaisemmin osallistunut eri tutkimusprojekteihin, ja sen henkilöstöllä on merkittävää kokemusta pilottikokoisen kalvobioreaktoriyksikön kanssa työskentelystä. Laitoksen osallistuminen voi tuoda projektiin lisäarvoa, sillä se voi toimia sekä dynaamisena sidosryhmänä että ensimmäisenä loppukäyttäjänä.
Toimenpiteet: kirjallisuusselvitys ja -katsaukset, kokojakauman muutosten tarkkailu eri syöttökuormituksilla (hydraulinen viipymä), kokojakauman muutosten tarkkailu eri kiintoaineen viipymäajoilla, kokojakauman muutosten tarkkailu aktiivilietteen eri kiintoainepitoisuuksilla, monimuuttuja-analyysi kalvon likaantumisesta vastuussa olevien hallitsevien toimintaparametrien tunnistamiseksi ja lietteen biohiilen synteesi ja käyttö kalvojen likaantumisen korjaamiseksi (hiukkaskokojakauman, biokestävyyden ja mikrobiyhteisön dynamiikan seuranta).
Tässä projektissa arvioidaan kalvojen suorituskykyä kalvobioreaktoriprosessissa partikkelien aiheuttaman tukkeutumisen nopeuden perusteella annetuissa käyttöolosuhteissa. Päätulos tulee siis olemaan kalvojen suodatustehon optimointi eri käyttöolosuhteissa riippuen tekijöistä kuten orgaaninen kuormitusnopeus, hydraulinen viipymä, aktiivilietteen kiintoainepitoisuus ja kiintoaineen viipymä niillä pitoisuuksilla, joilla kalvon tukkeutuminen oli minimaalista. Käyttöolosuhteista riippuen hiukkasten agglomeraatiolla tai mikrohiukkasten diffuusiolla mikrometriä pienemmiksi partikkeleiksi kalvon ja lietteen hydrodynamiikan seurauksena saattaa olla huomattava vaikutus tukkeutumiseen. Kalvobioreaktoriprosessin aikana tapahtuvista kokojakauman muutoksista saatavat tulokset auttavat arvioimaan hallitsevaa tukkeutumismekanismia ja hallitsemaan sitä olosuhteiden optimoinnin avulla. On odotettavissa, että tutkimuksen kohteeksi tulee myös kalvobioreaktoriprosessin hallitseva tukkeutumismekanismi. Kokojakauman vaihtelu pilottikalvobioreaktoriprosessin aikana Suomen kylmällä kaudella voi myös antaa lisätietoa partikkelien aiheuttamasta tukkeutumisesta, sillä yleisen periaatteen mukaan lietteessä muodostuu alhaisessa lämpötilassa enemmän kolloideja ja hienoja hiukkasia, mikä johtaa kalvojen huokosten nopeaan sisäiseen tukkeutumiseen ja sen myötä koko kalvon pahaan tukkeutumiseen. Lisäksi pienhiukkasten kokojakauman muutosten tutkiminen ennen kalvon puhdistusta sen läpäisevyyden palauttamiseksi ja myös sen jälkeen voisi antaa tärkeää tietoa tukkeutumisen hallinnasta, mistä voi olla hyötyä niille monille jätevedenpuhdistamoille, jotka aikovat ottaa lähitulevaisuudessa Suomessa käyttöön täysimittaisia tai pilottikäyttöisiä kalvobioreaktorilaitoksia. Olemme Mikkelin vesilaitoksen toiveesta itse asiassa jo tutkineet alustavasti muutamista jo olemassa olevasta pilottikalvobioreaktorilaitoksesta otetuista näytteistä tehtyjä kokojakauma-analyysejä perustasotutkimuksena. Alustavissa tuloksissa näkyi huomattava hiukkaskoon pieneneminen lähtö- ja tuloveden välillä. Tulokset ovat avanneet laajan tutkimuskentän, jossa voidaan tarkkailla kokojakauman vaihtelua kalvobioreaktoriprosessin aikana, eri jakaumien suhteellisia seurauksia kalvon tukkeutumisen suhteen ja mahdollisia keinoja korjata tilanne kohteessa.
Yksi projektin sekä välittömistä että lopullisista hyötyjistä on Mikkelin Vesilaitos, joka käyttää täysimittaista kalvobioreaktoriteknologiaa uudessa Metsä-Sairilan jätevedenpuhdistamossaan. Myös kaksi muuta MBR-teknologiaa hyödyntävää vesilaitosta on projektissa mukana eli kaikki Suomen kunnalliset MBR-laitokset ovat projektissa osallisena. Koska tulevaisuudessa lainsäädäntö tulee tiukkenemaan, kiinnostus kalvobioreaktoriteknologiaan kasvaa, ja kalvobioreaktoriteknologiaa käyttävien jätevedenpuhdistamojen lukumäärän odotetaan kasvavan sekä Suomessa että koko maailmassa. Mikkelin Vesilaitoksen, muiden suomalaisten jätevedenpuhdistamojen ja jätevedenpuhdistusratkaisuja tarjoavien yritysten (kalvojen ja aktiivihiilen toimittajien) lisäksi projektista voi myös olla hyötyä kalvobioreaktoriteknologian käytössä, sillä se käsittelee käytännön tukkeutumisongelmia kalvobioreaktoriprosessissa. Kyseiset sidosryhmät voivat käyttää projektista saatua tietoa hyväkseen tai saada siitä lisämotivaatiota entistä tehokkaampien toiminnallisten ratkaisujen kehittämiseen kalvon tukkeutumisongelmiin pitkäaikaisessa käytössä.
Projekti lisää eri tahojen verkottumista ja avaa uusia näkökulmia aihealueeeeen.
Projekti ylläpitää korkean tason tutkimustoimintaa Etelä-Savon alueella. LUT:n Vihreän kemian osaston monipuolinen
tutkimustoiminta ja henkilöstön korkea koulutustaso ja osaaminen kannustavat tutkijoita sitoutumaan paikkakunnalle ja
paikallisten yritysten tarpeisiin.
Välillisiksi kohderyhmiksi voidaan lukea myös LUT:n vihreän kemian osaston kansalliset ja kansainväliset
tutkimusyhteistyökumppanit, joiden kanssa osasto tuottaa mm. yhteisjulkaisuja. Näihin tutkimuslaitoksiin lukeutuu yli
sata kansainvälistä tutkimuslaitosta, jotka tekevät yliopistotason tutkimusta.
Myönnetty EU- ja valtion rahoitus: 217 050
Toteutunut EU- ja valtion rahoitus: 181 174
Suunniteltu julkinen rahoitus yhteensä: 310 072
Toteutunut julkinen rahoitus yhteensä: 266 796
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 |
| Kalvojen tukkeutumista vähentämällä voidaaan pidentää puhdistusvälejä ja siten vähentää kemikaalien käyttöä ja parantaa kalvomateriaalien uudelleenkäytettävyyttä. | ||
| Ilmastonmuutoksen aiheuttamien riskien vähentäminen | 2 | 2 |
| Kalvojen optimoitu hyödyntäminen pienentää energiankulutusta ja hiilijalanjälkeä. | ||
| Kasvillisuus, eliöt ja luonnon monimuotoisuus | 8 | 8 |
| Ravinnetasapainon hallinta. | ||
| Pinta- ja pohjavedet, maaperä sekä ilma (ja kasvihuonekaasujen väheneminen) | 10 | 10 |
| Kalvobioreaktoriprosessin optimoitu (tehokas) käyttö vähentää ravinteita. | ||
| Natura 2000 -ohjelman kohteet | 0 | 0 |
| Ei vaikutusta. | ||
| Taloudellinen kestävyys | ||
| Materiaalit ja jätteet | 10 | 10 |
| Kunnallista jätevettä käytettäessä kalvobioreaktorin suodatus- ja biohajotusteho paranee. | ||
| Uusiutuvien energialähteiden käyttö | 4 | 5 |
| Tukee kehittämistä ja tutkimusaihioiden syntymistä. | ||
| Paikallisen elinkeinorakenteen kestävä kehittäminen | 10 | 10 |
| Kalvobioreaktorin kalvojen tukkeutumisen vähentäminen voi parantaa kalvojen materiaalitehokkuutta kestävällä tavalla. | ||
| Aineettomien tuotteiden ja palvelujen kehittäminen | 10 | 10 |
| Määrittämällä tukkeutumista aiheuttavat tekijät ja mahdollisesti vähentämällä niitä voitaisiin optimoida kalvobioreaktoriprosessin energiatehokkuus. | ||
| Liikkuminen ja logistiikka | 4 | 7 |
| Tukkeutumista aiheuttavien tekijöiden testaus, vähentämistoimet sekä kalvobioreaktorikokoonpanon ja tulosten siirto paikalliselle, kansalliselle tai kansainväliselle tasolle. | ||
| Sosiaalinen ja kulttuurinen kestävyys sekä yhdenvertaisuus | ||
| Hyvinvoinnin edistäminen | 8 | 8 |
| Kalvobioreaktoriprosessin lähtöveden laatu on ylivoimainen maatalouden, teollisuuden ja pohjaveden imeytyksen kannalta. | ||
| Tasa-arvon edistäminen | 0 | 0 |
| Ei vaikutusta. | ||
| Yhteiskunnallinen ja kulttuurinen yhdenvertaisuus | 0 | 0 |
| Ei vaikutusta. | ||
| Kulttuuriympäristö | 0 | 0 |
| Ei vaikutusta. | ||
| Ympäristöosaaminen | 10 | 10 |
| Hanke tuottaa ympäristöosaamista. | ||
Projektin päätavoitteena oli optimoida pilottikokoisen kalvobioreaktoriprosessin toimintaa kunnallisen jäteveden puhdistuksessa. Hankkeessa tehtiin kirjallisuuskatsaus membraanibioreaktorin likaantumisen pienentämisestä.
Kokeellisessa tutkimuksessa kunnallista jätevettä puhdistettiin sekä laboratoriomittakaavan membraanibioreaktoreilla tutkien biohiililisäyksen vaikutusta membraanibioreaktorin toimintaan että pilot-mittakaavan membraanibioreaktorilla. Pilot-kokeilla selvitettiin lieteiän, ilmastuksen voimakkuuden, hydraulisen viipymäajan ja suodatusajan vaikutusta MBR:n toimintaan. Tutkimuksessa käytetty Mikkelin Vesilaitoksen Kenkäveronniemen jätevedenpuhdistamolla sijaitseva MBR-koelaitos jäljittelee rakenteeltaan ja toiminnallisilta ominaisuuksiltaan täysimittaista MBR-laitosta. Tulokset osoittivat lieteiällä (SRT) olevan merkittävä vaikutus biopolymeerien (SMP ja EPS) syntymiseen, flokin muodostumiseen ja kokoon sekä mikrobiyhteisöön ja siten membraanin likaantumiseen. Tutkimuksessa parhaat tulokset saavutettiin lieteiällä 25 vuorokautta. Tuloksista voidaan päätellä, että suuremmalla ilmastuksella ja hydraulisella retentioajalla likaantuminen pienenee ja pidempi suodatusaika lisää likaantumista. Suurempi ilmastusteho myös tuottaa pienempiä partikkeleita. Korkeammalla ilmastusteholla voidaan siis likaantumista pienentää mutta se lisää kustannuksia ja myös pienempien partikkelin muodostusta, joka voi osaltaan lisätä likaantumista. MBR-prosessia voidaan siis optimoida hankkeessa käytettyjä operointiparametreja säätämällä mutta tämä on tehtävä laitoskohtaisesti. Hankkeessa valmistettiin biohiiltä puhdistamon kuivatusta lietteestä ja tätä käytettiin tehostamaan membraanibioreaktorin toimintaa. Biohiililisäyksellä oli pieni vaikutus kalvon likaantumiseen ja sen avulla lääkeaineet saatiin hieman paremmin poistettua vedestä.