RAKENNUS- JA MAANMITTAUSTEKNIIKAN OSASTO YHDYSKUNTATEKNIIKAN LAITOS
Anatoli Korelin
VIIKINMÄEN JÄTEVEDENPUHDISTAMON KÄYNTIINAJO
Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa 1 8.1 2.1 995.
Työn valvoja: Professori Risto Laukkanen Dipl.ins. Raimo K. Saarinen Helsingin kaupungin Vesilaitos Työn ohjaaja:
Tämä diplomityö on tehty Helsingin Kaupungin Vesilaitoksella Viikinmäen jätevedenpuhdistamon käyntiinajon yhteydessä. Tähän työhön on otettu mukaan ajanjakso, joka alkoi käyntiinajon suunnittelusta syksyllä 1993 ja päättyi laitoksen normaalikäyttöön syksyllä 1994.
Työn valvojana on ollut professori Risto Laukkanen ja ohjaajana Dl Raimo.
K. Saarinen HKV:n projektit yksiköstä.
Kiitän työni valvojaa ja ohjaajaa saamistani arvokkaista neuvoista ja tuesta.
Lisäksi olen kiitoksen velkaa työnantajalleni HKV:lle siitä, että olen saanut mahdollisuuden tehdä opinnäytteen! aiheesta joka oli minulle hyvin lähei
nen.
Helsingissä 18.12.1995
Anatoli Korelin
Tekijä:
Työn nimi:
Anatoli Korelin
Viikinmäen jätevedenpuhdistamon käyn- tiinajo
Päivämäärä: 1.12.1995 Sivumäärä: 13 3
Osasto: RM Professuuri: Yhd-73
Yhdyskuntatekniikan laitos (koodi) Työn valvoja:
Työn ohjaaja:
Professori Risto Laukkanen DI Raimo K Saarinen
Viikinmäen jätevedenpuhdistamon rakentaminen oli suuri edistysaskel Helsingin edustan merialueen ja koko Suomen
lahden suojelua ajatellen. Puhdistamo on toteutukseltaan perinteinen mekaanis-biologis-kemiallinen laitos. Vain joiltain osin on poikettu perinteisestä tekniikasta.
Puhdistamon käyntiinajo oli mittava urakka, varsinkin kun käytettävissä ei ollut mallia aikaisemmista käyntiinajois
ta. Tämän työn tarkoitus oli selvittää käyntiinajoon liittyvät ennakoivat tekijät ja lopulta toteuttaa itse käyntiinajo. Ennen kaikkea tässä on dokumentoitu vaiheit
tain kaikki toimenpiteet ja prosessin käynnistämisen aikana saadut tulokset.
Ensimmäinen vaihe oli ennakkosuunnitelmien teko ja siihen liittyvät valmistelevat toimenpiteet. Aikataulujen laadin
ta oli erittäin merkittävä vaihe. Niissä ennakoitiin kaik
kien prosessivaiheiden käynnistämiseen käytettävä aika ja niiden yhteen sovittaminen. Tähän kuului niin ikään henki
löstön koulutus ja orientointi.
Varsinainen käyntiinajo sujui laadittuja suunnitelmia ja aikatauluja noudattaen. Urakoiden valvonta ja käyttöönoton valmiuden seuranta olivat välttämättömiä teknisen käyntii
na jon kannalta.
Prosessien käyntiinajoa ajatellen on tässä käsitelty myös jossain määrin anaerobitekniikan ja aktiivilieteprosessien teoriaa. Teoreettisessa käsittelyssä on keskitytty lähinnä käyntiinajotilanteessa esiintyviin tapahtumiin. Mädätys- prosessin kulku ja aktiivilieteprosessin lietesaanto ovat olleet pääroolissa.
Prosessien käynnistyminen sujui ilman yllätyksiä ja ennal
ta suunniteltua mallia noudattaen. Ensin käynnistetty mädätysprosessi noudatti tyypillistä käynnistymisaikatau- lua kun käytettävissä oli riittävästi siemenlietettä.
Samoin kävi aktiivilieteprosessin lietteen kasvun. Siinä oli samoin riittävästi siemenlietettä ja saantokertoimet olivat odotettuja. Kasvukäyrä oli samoin aivan säännölli
nen .
MASTERS’THESIS
Author: Anatoli Korelin
Name of the thesis: Operations start--up at the Viikinmäki wastewater treatment plant
Date: 1.12.1995 Number of pages: 13 3
Department: Professorship: Yhd - 7 3
Supervisor: Risto Laukkanen, Professor
Instruktor: Raimo K Saarinen M.Sc
The construction of the Viikinmäki wastewater treatment plant in Helsinki constituted a great step forward with regard to water protection in the sea area off Helsinki and the Gulf of Finland as a whole. Conventional mechanical, biological, and chemical treatment methods are used in the plant, with deviations from the conventional configuration at certain points. -
The operations start-up at the Viikinmäki plant was an extensive project, particularly as there was no previous model of a similar undertaking. The intention of this study was to establish in advance preliminary measures necessary for the start-up, and implement the start-up process proper. Most importantly, this study contains a phase-by-phase documentation of all the measures taken, as well as the results obtained during process start-up.
Phase one of the project consisted of drawing up preliminary plans and carrying out preparatory work in connection with the plans. Scheduling constituted an extremely important part of this phase. The schedules contained estimates of the times needed for the start-up of different parts of the process and how these could best be dovetailed. This phase also covered personnel briefing and training.
Actual start-up progressed according to the plans and schedules. Supervision of the work carried out by contractors and a follow-up of the readiness status of the various parts of the process were necessary for ensuring a smooth technical start-up.
The theoretical premises of anaerobic technology and activated sludge processes are discussed insofar as they were relevant to process start-up. The theoretical discussion concentrates mainly on the phenomena occurring during actual start-up. Most important in this respect were digestion process development and sludge yield from the activated sludge process.
The start-up of the various processes progressed without surprises and according to the advance models. The phase to be started up first was digestion, which followed a typical start-up schedule when sufficient seeding sludge is available. The same phenomenon was evident with sludge growth in the activated sludge process; there was a sufficient quantity of seeding sludge, thus the yield ratios turned out to be as expected. Likewise, the growth curve was fully regular.
JOHDANTO 1
1. YLEIS- JA ESITTELYOSA 3
1.1 Puhdistamon perustamissuunnitelma 3
1.2 Puhdistamon esittely 4
2. KIRJALLISUUS- JA TEORIAOSA 10
2.1 Puhdistamojen käynnistykseen liittyvä kirjallisuus 10 2.2 Mädätykseen liittyvää biokemiaa ja mikrobiologiaa 10 2.2.1 Metaanibakteerien yleisiä ominaisuuksia 10
2.2.2 Metaanibakteerien luokittelu 11
2.2.3 Metaanibakteerien fysiologiaa 11
2.2.4 Mädätysprosessin tarkkailuparametrit 12
2.2.4.1 Mädätettävän lietteen koostumus 12
2.2.4.2 pH, haihtuvat hapot ja alkaliteetti 13
2.2.5 Mädättämökaasun tuotto, koostumus ja energiasisältö 16
2.2.6 Mädätysprosessin lämpötila 18
2.3 Aktiivilietteen kasvuun liittyvää teoriaa 19
2.3.1 Mikrobit aktiivilietteessä 19
2.3.2 Aktiivilietteen kasvutekijät 22
2.3.2.1 Jäteveden lämpötila 22
2.3.2.2 Orgaanisen kuorman ja ravinteiden merkitys 23
2.3.2.3 pH:n merkitys 24
2.3.2.4 Hapen merkitys 26
2.3.3 Saantokertoimen määrääminen 27
2.3.3.1 Panosreaktorin toiminta 27
2.3.3.2 Jatkuvatoiminen reaktori 27
2.3.3.3 Jatkuvakasvatusreaktorina toimiva ilmastusallas 29
2.3.3.4 Biologisen puhdistuksen vaiheet 31
2.3.3.5 Biokasvun malli 32
2.3.3.6 Hydrolyysiprosessi 33
2.3.3.7 Biovähennys 33
3. KÄYNNISTYKSEEN LIITTYVÄT VALMISTELUTYÖT 35
3.1 Toimintamallien valinta 35
3.1.1 Mädätysprosessi 36
3.1.2 Vesiprosessi 37
3.2.1 Viemäristön kääntö 39
3.2.2 Puhdistamon käynnistäminen 39
3.3 Käynnistyssuunnitelmat 41
3.3.1 Käyttöönotettavien koneiden ja laitteiden valinta ja käyntitila 41
3.3.2 PHJ:n viritysparametrien valinta 41
3.4 Prosessien ylösajon yksityiskohtaiset toimintaohjeet 42 3.4.1 Pumppaukset Viikin puhdistamolta Viikinmäkeen 44
3.4.1.1 Mädätetyn lietteen pumppaus 44
3.4.1.2 Raakalietteen pumppaus 44
3.4.1.3 Ylijäämälietteen pumppaus biologiseksi siemenlietteeksi 45
3.4.2 Viemärin kääntöjäijestelyt Viikinmäessä 46
3.4.2.1 Viemärin kääntöjärjestelyjen toteutus Viikinmäessä 46
3.4.3 Mädätysprosessin käynnistäminen 47
3.4.3.1 Mädättämöiden vesitäyttö 48
3.4.3.2 Mädättämöjen käyntiinajon perusteet 50
3.4.3.3 Mädätysprosessin yksityiskohtainen käyntiinajo-ohje 56
3.4.4 Vesiaseman prosessien käynnistäminen 64
3.4.4.1 Vesiaseman prosessin käynnistämisen ensimmäinen vaihe 67 3.4.4.2 Vesiprosessin toisen vaiheen käyttöönotto 74 4. KÄYNTIINAJON RAKENNUS-, KONE- JA LAITETEKNIIKKA 83
4.1 Urakat, urakkarajat ja urakoiden valvonta 84
4.1.1 Tilaajan ja urakoitsijoiden velvoitteet 85
4.1.2 Lisätyöt 85
4.2 Teknisen valmiuden seuranta käyntiinajotilanteesa 86 4.2.1 Sähkö-, instrumentti-ja automaatiojärjestelmän valmiustila 87
4.2.2 Työn etenemistä seuraavat palaverit 88
4.3 Koneiden ja laitteiden käyttöönotto 89
4.4 Turvallisuustekijät 90
4.4.1 Varautuminen mädättämökaasuvaaran torjuntaan 91
4.5 Riskien hallinta 92
4.5.1 Riskienhallintasuunnitelman toteutus 93
5. PROSESSIEN YLÖS AJO 95
5.1 Käyntiinajo-organisaatio 95
5.2 Näytteenotto ja analytiikka 95
5.3 Kuormituskriteerit 96
5.4 Numeerinen käsittely 96
5.5.1 Mädättämöiden esilämmitys 97
5.5.2 Siemenliete 98
5.5.3 Puskurikapasiteetti 99
5.5.4 Kuormitus 100
5.5.5 Kaasun kehitys ja laatu 101
5.5.6 Mädätysprosessin käynnistymisen arviointi 104
5.6 Aktiivilieteprosessin käynnistyminen 105
5.6.1 Lähtötilanteen tarkastelu 105
5.6.1.1 Stabiliteetti 105
5.6.1.2 Kuormitukset 106
5.6.2 Biomassan kasvu 107
5.6.2.1 Aktiivilietekonsentraation kehittyminen 107
5.6.2.2 Saantokertoimen määrääminen 108
5.6.3 Aktiivilieteprosessin käynnistymisen arviointi 114
5.7 Vesiaseman muut toiminnat 115
6. PROSESSINHALLINTAJÄRJESTELMÄN (PHJ) SISÄÄNAJO 116
6.1 Valittu prosessinhallintajäijestelmä 117
6.2 Säätö- ja ohjausfilosofia eri prosessinosissa 118 6.3 Havaintoja PHJ:n toiminnoista käyntiinajon yhteydessä 122
6.4 Raportointi 123
7. KOULUTUS JA ORIENTOINTI 124
7.1 Koneistojen ja laitteistojen koulutus 125
7.2 Prosessikoulutus 126
7.3 Automaatiojärjestelmän koulutus 126
8. PUHDISTAMON YLÖSAJON TUOMAT KOKEMUKSET 127
8.1 Prosessien ylösajokokemukset 127
8.2 Koneiden ja laitteiden käyttöönottoon liittyvät kokemukset 128 8.3 Kuinka mukana olleet kokivat käyntiinajon 128 8.4 Omat kokemukset ja näkemykset koordinaattorin roolissa 130
9. YHTEENVETO 131
LÄHDELUETTELO 134
Tämän diplomityön aiheeksi on valittu "Viikinmäen jäteve
denpuhdistamon käyntiinajo". Syitä valintaan on useita, joista tärkeimpinä voidaan pitää kohteen poikkeuksellista teknistä toteutusta sekä tämän diplomityön tekijän mah
dollisuutta olla mukana toteuttamassa hanketta suunnit
telusta käyntiinajoon.
Lisäksi voidaan todeta, ettei vastaavien laitosten käyntii
na josta ole juurikaan löydettävissä yhteenvetoja. Tämä koskee niin bioprosesseja kuin teknistä käyntiinajoa.
Tässä on kiinnitetty erityistä huomiota teknisen käynnis- tysvalmiuden ja prosessien ylösajon vaatimien tehtävien yh
teensovittamiseen. Vain se takaa prosessien häiriöttömän käynnistyksen.
Uusien viemäriosuuksien rakentaminen ja niiden käyttöönotto käynnistysaikataulun mukaisesti on niin ikään oleellinen osa käyntiinajoa.
Tämän diplomityön tekijällä oli mahdollisuus olla mukana kaikissa käyntiinajoon liittyvissä toimissa, joka merkitsi erinomaista mahdollisuutta käsitellä kaikkea siihen liit
tyvää aineistoa.
Tämän diplomityön tavoitteeksi on asetettu sen lisäksi, että se on opinnäyte, myös sen mahdollisen käyttökelpoisuu
den tulevien jätevedenpuhdistamoiden käyttöönotossa. Toi
von, että tässä voidaan esittää kaikki se tarvittava perus
tieto joka tarvitaan laitoksen käynnistämiseksi koskien niin teknisiä valmiuksia kuin prosessien ylösajoa.
Tässä on mukana autenttiset käyntiinajo-ohjeet juuri sei-
laisena kuin ne annettiin ja toteutettiin. Yksityiskohtai
set ohjeet on tekstissä esitetty eri kirjasintyypillä.
Yksityiskohtaisten ohjeiden mukana olo on tarpeellista, koska näin voidaan nähdä millaisia ne voivat ja niiden tulee olla.
Tässä on käsitelty lyhyesti niin mädätys kuin vedenkäsitte- lyn bioprosesseja niiden teoreettisesta näkökulmasta.
Käyntiinajosta saatu numeerinen tieto on koottu tiivistel
mänä tähän työhön kuvaamaan niitä olosuhteita jotka proses
sissa vallitsee käyntiinajon aikana. Vertailua teoreetti
seen aineistoon ei ole tehty.
1. YLEIS- JA ESITTELYOSA
1.1 Puhdistamon perustamissuunnitelma
Perustamissuunnitelmassa / 27 / on perusteellisesti selvi
tetty puhdistamon toteuttamisen lähtökohdat. Oleellista on, että siinä verrataan useita- vaihtoehtoja Viikinmäen puhdistamon toteuttamisen rinnalla. Vanhojen puhdistamojen saneeraaminen, joidenkin laajentaminen sekä maanalaisen puhdistamon muu sijainti kuin Viikinmäki, havaittiin huonommiksi vaihtoehdoiksi. Varsinkin, kun Viikinmäen kallion laatu rakentamista ajatellen todettiin soveliaak
si .
Viikinmäen ratkaisun etuina nähdään mm.
käyttökustannusten alentaminen
virtaamavaihtelujen parempi hallinta
käytettävissä olevan kapasiteetin joustava käyttö vanhojen puhdistamojen sitoman arvokkaan maa- alueen vapauttaminen muuhun rakentamiseen
kokonaisuutena ympäristölle aiheutuvien haju- ym.
haittojen väheneminen
Puhdistamon mitoituksen lähtökohdat on perustamissuunni
telmassa selvitetty ja mitoittavaksi asukasluvuksi on saatu 700000 asukasta, joka on varsinaisessa suunnittelus
sa ollut mitoituksen perusteena.
Perustamissuunnitelmassa esitettiin tarvittavat viemäris- töjärjestelyt, josta myöhemmin esitetään lyhyt yhteenveto.
Kaiken kaikkiaan pitkälle viety perustamissuunnitelma on toteutunut perusolemuksensa kaltaisena. Tietenkin monet seikat kuten tiedon karttuminen suunnittelun aikana, vaatimustason muutokset sekä kiristynyt rahatilanne ovat aiheuttaneet poikkeamia alkuperäisistä tavoitteista.
Perustamissuunnitelmassa tehty rakennus- ja käyttökustan
nusten vertailu on osoittanut Viikinmäen puhdistamon ra
kentamisen perustelluksi.
1.2 Puhdistamon esittely
Viikinmäen jätevedenpuhdistamo sijaitsee lähes maantie
teellisessä keskustassa Helsingin Viikinmäessä. Sen pro- sessitilat on sijoitettu kallion sisään sekä hallinto- korjaamo- ja energia-asema maanpäällisiin tiloihin. Suu- ruusmittakaavasta saa jonkinlaisen käsityksen, kun tode
taan louhitun kallion määräksi n. 1,1 miljoonaa kiinto- m3 ja rakentamiseen käytetyn betonin määräksi n. 70000 m3.
Prosessiteknisesti puhdistamo on lähes tavanomainen me- kaanis-biologis-kemiallinen laitos. Tavanomaisesta poik
keavaksi voidaan määritellä 8800 m3:n esi-ilmastusallas, 12 m syvät ilmastusaltaat sekä erillinen prosessien ero- tusvesien käsittely-yksikkö. Erityistä huomiota on kiinni
tetty puhdistamon rakenteiden ja koneistojen suunnitte
lussa ohjattavuuteen sekä säädettävyyteen, joka mahdollis
taa prosessin optimaalisen ajamisen.
Kuvassa n:o 1 esitetään Viikinmäen jätevedenpuhdistamon yleiskuva.
Puhdistamo on mitoitettu 700000 asukkaan tarpeita silmäl
läpitäen ja mitoitusvirtaamaksi on valittu 300000 m3/d.
Kokonaishinnaksi on muodostunut 1070 miljoonaa markkaa, joka sisältää viemäröinnin rakentamista n. 90 miljoonalla markalla.
Kuva 1. Viikinmäen puhdistamon yleiskuva
Taulukossa n:o 1 nähdään puhdistamon tärkeimmät mitoitus- parametrit .
tr
PROSESSIYKSIKÖIDEN MITOITUS
Yksikkökohtaiset tiedot (mitoitusvirtaamilia) Jäteveden käsittely: Ala/kpl Tilavuus/kpl Viive
Hiekanerotus 4 kpl 119 m2 $36 m3 9 min Esi-ilmastus 1 kpl 1122 m2 8800 m3 36 min Esiselkeytys 14 kpl $24 m2 2489 m3 2,4 h
pintakuorma= 2,0 m/h 11500 m3 5,6 h
Ilmastus 7 kpl 891 m2
Jälkiselkeytys 14 kpl 1025 m2 6570 m3 6,3 h pintakuorma= 1,0 m/h
Lietteenkäsittely: Tilavuus/kpl Viive
Raakalieteallas 2 kpl 250 m3
Mädätys 4 kpl 10000 m3 20 d
Välivarasto 4 kpl 2500 m3
Lietesiilot 4 kpl Pääkoneistot:
220 m3
Jätevesipumput
Tulopumppaamo 1 8 kpl tuotto å 1 m3/s H= 26 m Tulopumppaamo 2 1 kpl tuottoä3m3/s H= 1,5 m Konevälpät 4 kpl leveys å 3,2 m säleväli 10 mm Ilmastusilmakompressorit 3 kpl tuotto å 6165-13700 Nm3/h
vastapaine= 1,47 bar Kaasumoottorit 3 kpl generointiteho a 690 kW Varavoimamoottori 1 kpl generointiteho å 825 kW
Taulukko 1. Prosessiyksiköiden mitoitus.
Puhdistamon rakentamiseen on oleellisesti liittynyt vie- märistön rakentamista ja viemäristöjärjestelyjä. Vuosaaren
suunnasta on louhittu kokoojaviemäritunne1i ja keskustan suunnasta samoin. Lisäksi joitakin pumppaamoita on raken
nettu lisää ja joitakin lakkautettu. Viemäristötyöt on liitetty noudattamaan puhdistamon valmistumisaikataulua,
joka myöhemmin selostetaan tarkemmin.
Viikinmäen puhdistamolle on valittu prosessinhallinta- järjestelmä PHJ, joka kytkee kaikki puhdistamon osaproses
sit automaatiojärjestelmän piiriin. Se on poikkeuksellisen laaja aikaisempiin vesihuoltosovelluksiin verrattuna.
Puhdistustuloksen kannalta onkin erittäin tärkeätä proses
sin ohjattavuus ja säädettävyys. Oleellista tässä on se, että laitteisto on ajanmukainen ja instrumentoinnin tekni
nen taso on sopusoinnussa PHJ:n kanssa.
Valittu PHJ edustaa perinteistä prosessiautomatiikkaa, jossa ohjaukset ja säädöt toteutuvat joko parametriasette- luihin tai "on line" mittauksiin.
Instrumentointi on toteutettu "jalat maassa menetelmää"
käyttäen, jolloin kaikki hankitut instrumentit ovat tarkan tarveharkinnan tulosta. Yli-instrumentointia on vältetty mahdollisuuksien mukaan. Hankitut laitteistot ovat joko vesilaitoksella testattuja tai muuten kelvollisiksi todet
tuja. On muistettava, että automaatiojärjestelmässäkin heikoin lenkki ratkaisee koko suoritustason, eikä näin ollen voida instrumentoinnin tasosta tinkiä.
PI- kaavio kertoo esimerkkinomaisesti erittäin hyvin siitä automaation ja instrumentoinnin tasosta joka Viikinmäessä vallitsee. Kuvassa 2 on esimerkki ilmastuksen instrumen
toinnista PI- kaavion muodossa.
LIITE 6 / 5PR95S1 Pl-kaavio 5SA503C
ILMASTUS
UNIA 1
TWJEWYS
Kuva 2. Ilmastuksen instrumentointi.
Kuvassa n:o 3 on Viikinmäen jätevedenpuhdistamon periaat
teellinen prosessikaavio.
JÄ TEVEDEN PUHDISTUSPROSESSI
LIETTEEN KÄSITTEL Y
Lietteen mädätys Kaasun käyttö
Mädätetyn lietteen välivarasto Teollisuusliete
Lietteen kuivaus Ylijäämäliete
Raakaliete
G G G G
M = kaasumoottori G = generaattori Rejektivesien käsittelyyn
Kuva 3. Periaatteellinen virtauskaavio.
2. KIRJALLISUUS- JA TEORIA OSA
Tämän diplomityön sovelluspainotteisen luonteen vuoksi ei teoreettisiin kysymyksiin paneuduta erityisen perusteelli
sesti. Vain lietteen mädätyksen ja aktiivilieteprosessien perusteoriaan on tehty katsaus.
2.1 Puhdistamojen käynnistykseen liityvä kirjallisuus
Jätevedenpuhdistamojen käyttöönottoon ja käynnistämiseen liittyvää kirjallisuutta ei juurikaan ole julkaistu. Joi
takin prosessien käynnistykseen liityviä artikkeleita alan lehdissä on silloin tällöin julkaistu, mutta nekin ovat useimmiten USA:ssa tehtyjä ja prosessit varsin poikkeavia meikäläisiin verrattuna.
2.2 Mädätykseen liittyvää biokemiaa ja mikrobiologiaa
2.2.1 Metaanibakteerien yleisiä ominaisuuksia
Metaanibakteerit ovat morfologisesti hyvin erilaisia, mutta kaikilla metaanibakteerilajeilla on muutamia vain niille tyypillisiä fysiologisia ominaisuuksia.
Taksonometrisesti luokiteltuihin metaanibakteerilajeihin, joita ei ole ylläpidetty puhdasviljelminä, kuuluu: Met- hanococcus mazei, Methanobacterium soehnaenii ja Met- hanosarcina methanica. Huomattavimpiin lajeihin kuuluu Methanobacterium laji MOH /!/, jonka on huomattu elävän symbioosissa ei-metanogeenisen organismin kanssa ja Met- hanibacterium-kanta /2/, joka metabolisoi asetaattia komp
leksisella alustalla.
Kaikki metaanibakteerit voivat käyttää vetyä pelkistimenä metaanin tuottoon ja solun hiilisynteesiin. Lisäksi useat lajit käyttävät formiaattia ja yksi laji, Methanosarcina barkeri, voi käyttää myös metanolia. Useille lajeille on
myös yhteisenä piirteenä solun kasvuun tarvittavan hiilen syntetisoiminen hiilidioksidista ja solun aineenvaihdun
taan tarvittavan pelkistysenergian saaminen vetyä hapetta
malla. Joidenkin lajien kohdalla autotrofisuus on ollut vaikea todeta, koska tiettyjen orgaanisten yhdisteiden puuttuessa metaanibakteerien kasvu on ollut hyvin hidasta /3/.
Yleensaä kaikki lajit käyttävät vetyä ja hiilidioksidia energian lähteenä ja solun hiilisynteeseihin.
Kasvuun tarvittava typpi saadaan ammoniumtypestä, muut typpiyhdisteet eivät voi korvata ammoniumtyppeä. Met- hanobacterium ruminantium laji PS, M. thermoautotrophicum laji a H ja M. arbophilicium laji DH1 vaativat sulfidia rikkilähteekseen. Methanobacterium laji MOH voi käyttää rikkivetyä tai kysteiiniä rikkilähteenään /4/.
2.2.2 Metaanibakteerien luokittelu
Metaanibakteerit luokitellaan eri sukuihin solun muodos
tuksen perusteella. Fysiologisten- ja ravinnevaatimusten avulla määritetään lajit, joihin tutkittavat metaanibak
teerit kuuluvat.
Metaanibakteereilla esiintyvät erilaiset morfologiset ryhmät ovat sarsinat, sauvat, pallot ja spiraalit /5/.
2.2.3 Metaanibakteerien fysiologiaa
Samanaikainen vedyn hapettuminen ja hiilidioksidin pelkis
tyminen on aineenvaihdunnallinen piirre jota yhdistää muuten melko erilaisia metanibakteereja. Lisäksi monien metaanibakteerien kyky kasvaa autotrofisesti osoittaa, että niillä on suuri biosynteettinen kapasiteetti. Me
taanibakteerit eroavat muista autotrofeista siten, että ne pystyvät käyttämään hiilidioksidia soluhiileksi ja pelkis
tämään hiilidioksidia metaaniksi.
Vaikka näistä reaktiomekanismeista tiedetään vähän, on kirjallisuudessa esitetty kaksi mahdollisuutta hiilidiok
sidin assosioitumista /6/. Soluhiili saadaan niistä väli
tuotteista, jotka syntyvät hiilidioksidin pelkistyessä metaaniksi. Nämä esitetyt vaihtoehdot ovat seuraavat:
1.
( H ) C02--- i----
energia
( H )
( CH ) ---i--- ♦ CH4
i energia
soluhiili <-
( H )
2. C02--- 1--- * CH, energia
1
C02--- * soluhiili
Kuva 4. Vaihtoehdot, jotka johtavat metaanin ja soluhii- len muodostumiseen./28/
2.2.4 Mädätysprosessin tarkkailuparametrit
2.2.4.1 Mädätettävän lietteen koostumus
Mädätysprosessin stabiilisuus riippuu mädätettävän liet
teen koostumuksesta. Hyvä liete sisältää hiilihydraatteja, rasvoja ja proteiineja. Liian yksinkertainen ja helposti hajoava liete tekee prosessista epästabiilin /7/.
Kunnallisten jätevedenpuhdistamoiden raakalietteen koostu
mus vaihtelee jonkin verran. Oleellinen merkitys on biolo
gisen ylijäämälietteen osuuden vaihtelulla, josta voi olla jopa harmia mädättämön vaahtoamisen muodossa.
Raakalietteen orgaaninen aine sisältää hiilihydraatteja, rasvoja ja proteiineja suurin piirtein oikeassa suhteessa optimaalisen mädätysprosessin kannalta.
2.2.4.2 pH, haihtuvat hapot ja alkaliteetti
Mädätysprosessin kolmen tarkkailuparametrin, pH:n, haihtu
vien happojen ja alkaliteetin, arvot riippuvat toisistaan.
Hyvin toimivan mädättämön pH-arvo on 6,8 - 7,6 välillä, haihtuvien happojen pitoisuus on noin 200 mg CH3COOH/l, alkaliteetti puolestaan on noin 3000 mg CaC03/l ja haihtu
vien happojen suhde aikaliteettiin on 0,25 tai pienempi.
jos mädättämön toiminta häiriintyy, haihtuvien happojen pitoisuus voi nousta 2000 — 3000 mg CH3C0QH/1 ja pH—arvo voi laskea alle kuuden /8/. Tilanne voi ennen kaikkea esiintyä mädätysprosessin käynnistyksen yhteydessä, jol
loin kuormitus voi olla alkaliteetin puskurikapasitetttia huomattavasti korkeampi.
Haihtuvien happojen, alkaliteetin ja pH:n merkitys mädä- tysprosessille voidaan esittää graafisesti /9/, kuvat 4,5,6. Kuva 5 esittää aluksi mädättämöä, jonka puskurika- pasiteetti on hyvä ( haihtuvien happojen arvo on alhainen, 200 mg CH3C00H/1 ja alkaliteetti on korkea 2000 mg Ca- C03/1). Jos mädättämön toiminta häiriintyy tai orgaaninen kuormitus kasvaa liian suureksi, lämpötila laskee äkisti tai mädättämöön päässeiden myrkyllisten aineiden vaikutuk
sesta, haihtuvien happojen pitoisuus alkaa kohota (kuva 5 kohta C) ja alkalitetin arvossa alkaa tapahtua muutoksia alaspäin (kuva 5 kohta D) . Jos häiriön aiheuttajaa ei löydetä tai jos häiriötä ei pystytä nopeasti korjaamaan, mädättämön toiminta voi häyriintyä dramaattisen nopeasti
(kuva 5 kohta G).
Kuva 5
Kuva 6
Mädättämön toiminta kuvattuna haihtuvien happojen ja alkaliteetin avulla.
1,4
haiht.hapot/alkal suhde
Mädättämön toiminta kuvattuna haihtuvien happojen ja alkaliteetin suhteen avulla.
Kuvassa 6 mädättämön toiminnan häiriintyminen on kuvattu puolestaan haihtuvien happojen ja alkaliteetin suhteen avulla. Tämä kuvaa yleensä kaikkein parhaiten mädättämön tilaa ja on herkin indikaattori häiriön alkamiselle. Esi
merkiksi kuvassa 6 häiriön alkuvaiheessa kohdassa C - D haihtuvien happojen suhde alkaliteettiin on muuttunut 0,1:stä 0,3:een.
Mädättämön pH-arvoa seuraamalla ei pystytä ennakoimaan prosessin häiriintymistä läheskään sillä herkkyydellä kuin on aikaisemmin kuviteltu, koska pH-arvo muuttuu vasta sitten kun mädätysprosessi on jo täysin häiriintynyt (kuva 7 kohta G).
Kuva 7 Mädättämön pH-arvon käyttäytyminen mädättämön toimiessa häiriöttä ja toiminnan häiriinnyttyä.
Brovko ja Chen /10/ esittävät artikkelissaan, että mädä- tyksen seurannan kannalta tärkeimmät tarkkailuparametrit ovat bikarbonaattialkaliteetti ja haihtuvat hapot. Bikar- bonaattialkaliteetti ja haihtuvat hapot reagoivat seuraa- van reaktioyhtälön mukaisesti ( reaktio 1 ).
hco3- + HC2H302 — C02 + H20 + C2H302‘ ( 1 )
2.2.5 Mädättämökaasun tuotto, koostumus ja energiasisältö
Mädättämön toimintaa voidaan tarkkailla mädättämökaasun tuoton ja koostumuksen perusteella. Kaasun tuotto on melko tasainen, jos mädättämö toimii normaalisti ja kuorman sisään syöttö on tasainen. Jos mädättämön toiminnassa esiintyy häiriöitä, kaasun tuotto vähenee /li/. Kuvassa 8 on esitetty mädätämökaasun metaani- ja hiilidioksidipitoi
suuksien käyttäytyminen mädättämön toimiessa normaalisti ja myös silloin kun toiminta on häiriintynyt. Kaasun me- taanipitoisuus alenee ja hiilidioksidipitoisuus kohoaa, kun mädättämöön syötetään raakalietettä (kuva 8 kohta A).
Melkein välittömästi mädättämön toiminnan häiriintyessä mädättämökaasun metaanipitoisuus alenee ja hiilidioksidi
pitoisuus kasvaa (kuva 8 kohta B), kunnes häiriö on kes
tänyt niin kauan, että mädättämökaasua ei muodostu lain
kaan.
Useiden tutkijoiden mielestä /12/ mädättämökaasun me- taanipitoisuudessa tapahtuneet muutokset osoittavat par
haiten mädättämön toiminnassa tapahtuneet muutokset, sillä kaasun tuoton väheneminen voi myös johtua epätasaisesta raakalietteen syötöstä tai kaasun hiilidioksidin määrän muutoksista kaasufaasissa.
100 T
Lietemäärä
Kuva 8 Mädättämön metaani- ja hiilidioksidipitoisuuksien seuraaminen.
Kilosta orgaanista ainetta syntyy atomipainojen suhteessa laskien teoreettisesti keskimäärin 1000 1 kaasua. Mädätys- prosessissa hajoaa lietteen orgaanisesta aineesta 60 - 70
%, joten voidaan laskea, että kilo mädättämöön syötettyä orgaanista ainetta tuottaa noin 600 1 kaasua.
Mädättämökaasun metaanipitoisuuden parusteella saadaan kuutiometristä mädättämökaasua teholliset lämpöarvot,
jotka on esitetty taulukossa 2 /13/.
Tila- Kcal/m3 MJ/m3 vuus
% ch4
56 4794 20,1
58 4965 20,8
60 5186 21,7
62 5307 22,2
64 5473 22,9
66 5650 23,7
68 5821 24,4
70 5992 25,1
Taulukko 2. Mädättämökaasun teholliset lämpöarvot.
Mädättämökaasu muodostaa ilman kanssa räjähtävän seoksen.
Kaasun syttymisrajät ilmoitetaan yleensä tilavuussuhteen kaasu/seos ( kaasu + ilma ) prosenttilukuna. Mädättämö
kaasun alempi syttymisra ja on noin 5,4 % ja ylempi raja on noin 14,0 %.
2.2.6 Mädätysprosessin lämpötila
Metaanibakteereiden on osoitettu toimivan lämpötila-alu
eella 0°C - 82°C /14,15/. Metaanibakteereilla on kuitenkin kaksi optimilämpötila-aluetta. Mesofiilisella lämpätila- alueella lämpötila on noin 29°C - 37°C ja termofiilisella lämpötila-alueella lämpötila on noin 49°C - 57°C (kuva 9 ) . Näiden lämpötila-alueiden ulkopuolella metaanibakteereiden aktiivisuus alenee huomattavasti /li/.
Orgaanisen aineen anaerobisen hajoituksen ajatellaan ylei
sesti olevan hyvin herkkä lämpötilan vaihteluille /8/.Tämä on erityisesti otettava huomioon prosessin käynnistyksen aikana, jolloin olosuhteet muutenkin ovat häiriöille otol
liset kuten on aikaisemmin kuormitusten käsittelyn yh
teydessä huomautettu.
Termofiilinen bakteerikanta on erityisen herkkä lämpötilan alenemiselle. Termofiilisen kannan ylläpitäminen vaatii lisäksi paljon energiaa. Edellisten syiden vuoksi ei termofiilinen mädätysprosessi ole kovin suosittu.
termofiilit bakt.
mesofiilit bakt.
Kuva 9 Metaanibakteereiden kaksi optimilämpötila-aluetta /16/.
2.3 Aktiivilietteen kasvuun liittyvää teoriaa
2.3.1 Mikrobit aktiivilietteessä
Aktiiviliettessä bakteerit ovat tärkein eliöryhmä. Ne pystyvät laajan kokonaispinta-alansa avulla adsorboimaan jäteveden kolloideja ja ioneja /17//29/.
Aktiiviliettessä esiintyvistä alkueläimistä ovat ameebat ja holofyyttiset siimaeliöt runsaslajisimpia. Nämä eivät kuitenkaan kykene kilpailemaan bakteereiden kanssa, vaan niiden lukumäärä laskee jatkuvasti. Vastaavasti vapaana uivien bakteerien lukumäärä lisääntyy. Uivia ripsieläimiä alkaa esiintyä, kun vapaiden bakteereiden lukumäärä on kasvanut riittävän suureksi /17/.
Seuraavana vaiheena tapahtuva varrellisten ripsieläinten lisääntyminen johtuu siitä, että kiinnittyneiden eläinten ei tarvitse käyttää yhtä paljon energiaa liikkumiseen ja ravinnon hankkimiseen kuin vapaana uivien ripsieläinten.
Biologista prosessia voidaankin käytännön oloissa valvoa ja tehdä johtopäätöksiä prosessista alkueläinlajistoa ja sen määrää seuraamalla.
Assimilaatiovaiheen aikana 74 % bakteereista kuuluu Bacil
lus- sukuun. Endogeenisen hengitysvaiheen aikana lukumäärä alenee 8 %:iin. Endogeenisen vaiheen saavuttanut liete sisältää sen sijaan 42 % proteolyyttisiä Pseudomonas- ja Alcaliaenes- lajeja ja 48 % sakkarolyyttisiä Flavobacte- rium- ja Micrococcus- organismeja /17//29/.
eliöiden lukumäärä
puhdistuksen edistymmer
Kuva 10. Erilaisten eliöryhmien kehittyminen ilmastettuun jäteveteen. A = siimaeliöt, B = ameebat, C = bakteerit, D = vapaasti uivat ripsieläimet, E = ryömivät ripsieläi- met, F = varrelliset ripsieläimet, G = madot ym. /17/.
Tutkittaessa aktiivilietteen yksittäisiä bakteerilajeja on todettu mm. , että ne ovat pääasiassa aerobisia itiöiden muodostajia. Massamaisia yhdyskuntia muodostavan Zooqloea ramiaeran ohella aktiivilietteessä esiintyy runsaasti Alcaliaenes-. Flavobacterium- ja Bacillus- sukuja, jotka suosivat proteiinipitoisia jätevesiä. Hiilihydraattipitoi- sista jätevesistä muodostuu aktiivilietteeseen Pseudo
monas- lajeja sekä rihmaisia Sphaerotilus natans- organis
meja /17/ /29/.
BAKTEERISUVUT BAKTEERISUVUT Achromobacter Escherichia
Aerobacter Flavobacterium
Alcaliaenes Micrococcus
Bacillus Pseudomonas
Brevibacterium Spirillum Corvnebacterium Streptococcus
Comamonas Zooaloea
Taulukko 3 Aktiivilietteessä esiintyvät yleisimmät baktee- risuvut /17/.
Bioliete sisältää myös nitrifioivia bakteereja, jotka osallistuvat ammoniumin nitriitiksi ja nitraatiksi hapet- tamiseen. Näitä bakteerisukuja ovat Nitrosomonas ja Nitro- bacter, jotka esiintyvät eri vaiheissa. Ensin tapahtuu ammoniumtypen hapettuminen nitriitiksi pääosin Nit- rosomonas-bakteerin avulla ja sitten Nitrobacter- bakteeri hapettaa nitriitin edelleen nitraatiksi. Näitä autotrofi- sia bakteereja esiintyy aktiivilietteessä huomattavasti vähemmän kuin heterotrofisiä bakteereja. Epäsuotuisissa oloissa nämä bakteerit voivat hävitä kokonaan aktiiviliet- teestä. Näitä tekijöitä voivat olla jäteveden pH, lämpöti
la ja liuenneen hapen puute /18 //29/.
2.3.2 Aktiivilietteen kasvutekijät
2.3.2.1 Jäteveden lämpötila
Lämpötilan välitöntä vaikutusta kemiallisen reaktion no
peuteen kuvaa Arrheniuksen yhtälö:
- H*
log10v =--- + C ( 2 ) 2.303 RT
missä:
v = reaktion nopeus (l/s)
H*= reaktion aktivointienergia (J) R = on kaasuvakio (cal/°C mol) T = lämpötila Kelvin-asteina (°K) C = ravinnepitoisuus (g/m3)
Tästä seuraa, että T-1:n funktio antaa negatiivisesti laskevan suoran.
Kuva 11 Lämpötilan ja reaktionopeuden välinen suhde Arr
heniuksen yhtälön mukaan /19/.
Lämpötilariippuvuus voidaan biologisessa prosessissa kirjoittaa eksponentiaalimuotoon:
At»,, ( T ) = ai„,x(20oC) exp (k(T-20)) ( 3 )
T = lämpötila
k = lämpötilavakio missä
Kaavaa voidaan soveltaa aerobisessa prosessissa lämpötila- välillä 0 - 32°C /20/.
Lämpötilan vaikutus kemialliseen reaktionopeuteen on en
nustettu siten, että kaikki aktiivilietteen mikrobit jat
kavat kasvuaan. Tämä tapahtuu hitaammalla nopeudella sii
hen saakka, kunnes systeemi jäätyy. Useimmat bakteerit lopettavat kuitenkin kasvunsa jo huomattavasti ennen veden jäätymispistettä vastaavaa lämpötilaa. Jokaisella mikro- organismilla on tarkka minimikasvulämpötila, jonka ala
puolella ei tapahdu kasvua /19/.
2.3.2.2 Orgaanisen kuorman ja ravinteiden merkitys
Eri bakteerit käyttävät vaihtelevia energia- ja hiililäh- teitä, niinpä ne voidaankin tämän perusteella jakaa ai- neenvaihduntatyyppeihin /19/.
Heterotrofit 1. toisenvaraiset organismit voidaan jakaa energialähteen mukaan seuraavasti: fotoheterotrofinen mikrobi saa energiansa auringonvalosta ja hiilensä or
gaanisesta yhdisteestä; aktiivilieteprosessissa esiintyvä kemoheterotrofinen mikrobi käyttää orgaanista yhdistettä sekä hiilen että energian lähteenä /19/.
Autotrofit 1. omavaraiset organismit aktiivilietteessä käyttävät C02:a hiili- ja energialähteenään joko auringon
valoa epäorgaanisia yhdisteitä. Aktiivilietteessä autotro- feja ovat nitrifioivat bakteerit. Nämä ovat kemoautotro- feja eli C02: a hiililähteenään käyttäviä ja energiansa ne saavat ammoniumia hapettamalla /19/.
Tässä yhteydessä bakteerien kasvuprosessia voidaan verrata kemialliseen reaktioon. Ravinnekomponentit (substraatit) tuottavat lisää soluja (reaktiotuotteita) ja prosessi on
bakteerilajien katalysoima. Kemiallinen reaktionopeus määräytyy substraattikonsentraation mukaan, ja kasvunopeus pysyy vakiona siihen saakka, kunnes ravinnon rajoittava komponentti on kulunut lähes loppuun /19/. Kasvunopeuden riippuvuutta substraattikonsentraatiosta voidaan kuvata yhtälön 4 avulla:
S
M = Aimax---
kB + S
b ( 4 )
missä
H, At„ax = kasvunopeus ja maksimi kasvunopeus (l/d) S = substraattikonsentraatio (mg/l)
ks = substraattikonsentraatio kun = 0,5 (mg/l)
b = endogeeninen hengitysnopeus (l/d)
Kun jäteveden substraatipitoisuus laskee huomattavasti, kasvaa nitrifioivien bakteerien suhteellinen osuus. Tämä
johtaa puolestaan nitrifioivaan prosessiin. Tälläiseen tilanteeseen on jouduttu esimerkiksi yöllä, kun orgaaninen kuorma on oleellisesti laskenut /21/.
2.3.2.3 pH:n merkitys
Yhtenä merkittävänä mikrobien kasvuun vaikuttavana teki
jänä voidaan pitää happamuusolosuhteita. Ne voivat johtua ympäristötekijöistä tai mikrobien omista aineenvaihdunta- tuotteista. Nämä voivat tehdä ympäristön joko happamaksi tai emäksiseksi. Mikrobeja tavataan ympäristöissä, joiden pH-alue saattaa olla välillä 1-11. Jos ympäristö on voimakkaasti hapan tai emäksinen, pH vaikuttaa selek- toivasti; ainoastaan tietyt lajit voivat kasvaa näissä oloissa. Useimpien mikrobien kasvuoptimi lähellä neutraa
lia, ja ne kasvavat hyvin alueella pH 5 - 8. Yleensä hiivat ja homeet kasvavat paljon happamammissa ympäris
töissä kuin bakteerit. Aktiivilieteprosessissa pH on
yleensä 6,5 - 7,5 välillä, jonka vuoksi se suosii eri bakteerilajien kasvua /22/.
Puhdistamon aktiivilieteprosessissa aerobiset toiminnat riippuvat pH:sta, kuvan 12 mukaisesti. Kuvaajan ulkonäkö johtuu erilaisista mikro-organismeista ja niiden pH- riip
puvuudesta sekä valikoitumisesta.
Erfaring
Kuva 12 Aktiivilieteprosessin riippuvuus pH:sta. Y-akse- lilla kasvunopeus ja viivoitettu alue on vaihtelualue.
Matemaattisesti pH- kinetiikkaa voidaan kuvata seuraavas
ti :
KpB
^x(pH) = (opt.pH) *
Kph+I
( 5 )
missä
Kp„ = pH- vakio I = iooptlml pH-pH — i
On huomattava, että pH vaikuttaa mikrobien kasvuun sekä suoraan vapaiden H+-ionien konsentraation kautta että myös ympäristössä olevan hapon laadun mukaan /22/.
pH aiheuttaa usein arvaamattomia ongelmia biologisessa prosessissa. Tulevan jäteveden pH- vaihtelut voivat aihe
uttaa näitä ongelmia. Myös prosessin voimakas nitrifikaa- tio voi alentaa pH:ta huomattavsti, jopa häiriöön saakka ellei sitä nosteta keinotekoisesti /20/.
2.3.2.4 Hapen merkitys
Happi on vesimolekyylin hallitseva alkuaineosa. Samoin se on orgaanisten yhdisteiden solujen yleisin aine.
Useimmat organismit tarvitsevat kuitenkin molekulaarista happea ( 02 ). Aktiivilietelaitoksen biologisessa puhdis
tusprosessissa toimivat organismit riippuvat aerobisesta soluhengityksestä, jonka avulla ne saavat energiaa toimin
toihinsa. Aerobisessa soluhengityksessä molekulaarinen happi toimii hapettavana tekijänä. Tälläisiä organismeja nimitetään obligaatisti aerobisiksi /19/.
Monodin mallin avulla voidaan ilmaista happiriippuvuus aerobisessa prosessissa:
S02,2
Mabs = M.a* *
(
6)
So2,2tKs,02
missä
S02z2 = happikonsentraatio reaktorissa
ks,o2 = puolikyllästysvakio hapelle
Puolikyllästysvakio K^o;, riippuu flokkikoosta ja lämpöti
lasta silloin kun se kuvastaa hapen diffuusiota flokin sisään.
Sekoituksen voimakkuudella on selektoiva vaikutus mikrobi- lajeihin ja lajien käyttäytymiseen.
2.3.3 Saantokertoimen määrääminen
Bioprosessien käynnistysvaiheen ja stabiilin kasvuvaiheen kohdatessa kiinnostaa erityisesti saantokertoimen määrää
minen. Tässä tarkastellaan niitä tekijöitä joita voidaan pitää merkittävinä saantokertoimen määrittämisen kannalta.
2.3.3.1 Panosreaktorin toiminta
Useissa biokemiallisissa prosesseissa käytetään solujen kasvatukseen panosreaktoria. Lyhyt kuvaus panosreaktorista voidaan suorittaa seuraavasti: koko ravintoliuos sekä solut syötetään reaktoriin, jonka jälkeen sinne ei lisätä eikä poisteta mitään ennenkuin kasvatus on loppuun suori
tettu. Tyypillistä tälläiselle reaktorille on, että ravin
toaineiden, solujen ja tuotteiden konsentraatio vaihtelee kasvuajän kuluessa /23/.
2.3.3.2 Jatkuvatoiminen reaktori
Hyvin yleistä on, että prosessi on jatkuva ja siten ravin
teiden virta reaktoriin on jatkuva. Vastaava tilanne koh
dataan aktiivilietelaitoksen käynnistysvaiheessa, jolloin ilmastusallas on esitäytetty vedellä. Virtausta jälkisel- keytykseen ei tapahdu välittömästi, vaan vajaaksi esi
täytetty allas alkaa täyttyä. Jatkuva nestevirta panos- reaktoriin voidaan suorittaa lisäämällä prekursoria halu
tun tuotteen saamiseksi tai lisäämällä sellaista säätävää yhdistettä joka toimii indusorina haluttuun tarkoitukseen panosreaktorissa. Muita jatkuvan nestevirran toteutusmah
dollisuuksia panosreaktorissa ovat matalan ravinnepi- toisuuden ylläpito, jolloin kataboliittirepressio minimoi
tuu, tai stationäärifaasin pidentäminen ravinnelisäyksel
lä . Tällöin saadaan tuotteen määrää lisättyä.
Reaktorin sisään syötettävä nestevirta muuttaa viljelmän tilavuutta, joka täytyy ottaa huomioon kaavaa muodostetta
essa fed-batch- tyyppiselle reaktorille, missä:
F(t) = tilavuusvirran nopeus sisään syötettävässä neste- virrassa ajan funktiona
clf = yhdisteen i konsentraatiota samassa sisään syötettä
vässä nestevirrassa VR = reaktorin tilavuus rfl = muodostumisnopeus
p = kokonaistiheys
Materiaalitasapaino yhdisteen i mukaan saadaan seuraavas
ti :
d
— [VR*cJ = VR*rfl + F(t)*clf ( 7 ) dt
Kun edellytetään, että syötettävän viljelmän nestevirran tiheydet ovat yhtä suuria kuin kokonaistiheys p, reaktorin sisällön kokonaismassatasapaino saadaan kaavasta:
d
— [p* VR] = p*F(t) ( 8 ) dt
Kun oletetaan, että tiheys ei muutu olennaisesti ajan ku
luessa batch- tyyppisessä systeemissä, niin edellisestä kaavasta saadaan yksinkertaisesti:
dVR
--- = F (t) ( 9 )
dt
Edellinen kaava 9 sijoitetaan kaavaan 7 ja saadaan käyt
tökelpoinen kaava yhdisteen i materiaalitasapainon määrit
tämiseksi :
dct F (t)
= [ cif — ci ] + rn ( 10 )
dt VR
Kaavat 7 ja 8 ovat massa- ja yhdisteen tasapainoyhtälöitä, jotka kuvaavat fed-batch-tyyppistä kasvatusta /23/.
2.3.3.3 Jatkuvakasvatusreaktorina toimiva ilmastusallas
Ilmastusallas toimii aktiivilietelaitoksen reaktorina ja jälkiselkeytysallas taas solujen konsentroi jana. Ilmastuk
sesta aiheutuva ilmakuplien nousu toimii sekoittimena.
Oletetaan sekoituksen olevan niin voimakas, että jokainen astiassa oleva faasi muodostaa homogeenisen yhden faasin.
Näin konsentraatio ei vaihtele yhdessäkään faasissa reak
torin sisäisen faasitilan kanssa /23/.
CFSTR cell concentrator
Kuva 13 Täyssekoitettu jatkuvavirtausreaktori CFSTR /24/.
Liuenneen hapen konsentraatio on sama koko reaktorin faa- sitilassa täydellisen sekoituksen ansiosta. Solukinetiikan näkökulmia voidaan tarkastella erillisinä ongelmina niin kauan kuin ilmastussysteemi ylläpitää liuennutta happea
CFSTR:ssä rajoittavan konsentraation alapuolella. Saman
lainen logiikka käsittää usein myös lämmönsiirron ongelmat mikrobien kasvua tarkasteltaessa. Niin kauan kuin astiassa on hyvä sekoitus, riittävä lämmönpoistokapasiteetti ja lämpötilan mittaus, voidaan olettaa, että systeemi on isoterminen halutussa lämpötilassa ja noudattaa mikrobien reaktioprosessia.
Kokeellisesti /20/ on tehty aktiivilieteprosessia koskeva mallintaminen Monodin mallin mukaisesti. Tärkein syy mal
lintamiseen on ollut jätevedenpuhdistamoiden kontrolli
menetelmien kehittäminen. Andrewin mallissa biomassa on jaettu kolmeen osaan:
hydrolyysi synteesi väheneminen Substraatti--- > Xs--- > XA--- -> XL Massan tila --- > Varasto Aktiivinen Inertti
Hydrolyysiosan nopeus saadaan yhtälöstä ( 11 )
fss
rx = ks ( xT--- - xs ) ( 11 ) s + Ks
missä:
ks = massansiirtovakio
xs = flokkiin varastoituneen tuotteen konsentraatio xT = orgaanisen aineen ( mikrobien ) määrää ( MLVSS ) xA = aktiivinen massakonsentraatio
Xi = inertti massakonsentraatio
fa = orgaanisen aineen maksimiosa, joka voidaan varastoida s = substraattikonsentraatio
Ks = kyllästysvakio
Mikrobien määrää ( orgaanisen aineen määrä )kuvaa xT joka saadaan xs:n, aktiivisen massakonsentraation xÄ ja inertin massakonsentraation xi summana / 23 /:
xT = x8 + xÄ + Xi ( 12 )
Monodin mallin mukaan aktiivisen massan synteesinopeus r2 tapahtuu:
M* xs
r2 =--- xÄ Ya ( 13 ) Kx + xs
missä:
/iA = maksimikasvunopeuskerroin varastomassan konverkoitu- miselle aktiiviseksi massaksi
Ka = kyllästysvakio Ya = saantovakio
Aktiivisesta massasta inertin massan konversionopeus saadaan:
r3 = k^Yi ( 14 )
missä alaindeksi i kuvaa inerttiä massaa.
2.3.3.4 Biologisen puhdistuksen vaiheet
Jäteveden puhdistuminen tapahtuu eri vaiheissa aktiivi
lietelaitoksen biologisessa osassa. Nämä vaiheet ovat seuraavat: biokasvu, hydrolyysi, ja biovähennys. Seuraava kaaviokuva esittää biologisen puhdistusprosessin vaiheita:
hydrolyysi biokasvu biovähennys
A--- > B--- > C---> D (15 )
A = hitaasti hajoava massa B = helposti hajoava massa C = biomassa
D = inertti massa missä
2.3.3.5 Biokasvun malli
Bakteerien oletetaan käyttävän kasvuunsa jäteveden puhdis
tusprosessissa ainoastaan pieniä ja yksinkertaisia mole
kyylejä . Näitä molekyylejä ovat mm. etikkahappo, etanoli, metanoli, propionihappo, glukoosi ja nitriitti.
Kasvuprosessi tapahtuu seuraavan yhtälön mukaisesti:
^V,XB — Maax f (S) Xb ( 16 )
missä
rV/xB = biokasvu tilavuutta ja aikaa kohti [kg C0D(B)/(m3*d) ) ]
M.«* = maksimikasvunopeus [h-1]
f(S) = Monodin kasvukinetiikkaa kuvaava funktio XB = biomassan konsentraatio
[kg COD(B)/m3 tai kg SS(B)/m3]
Substraattikulutus saadaan biokasvun avulla:
^"v,s — ( I"v,XB ) /Yb ( 17 )
missä
Y,ai( = maksimaalinen saantovakio [kg COD(B)/COD(S)]
Usein käytetään Monodin kinetiikkamallia, missä substraat- tikulutuksen yhtälö ( 17 ) sijoitetaan kasvun yhtälöön (
16) .
M™,, S
rv,s --- *---* XB ( 18 ) Ymax S+Ks
missä
S = substraatti
Kb = puolikyllästysvakio substraatille
Edellinen yhtälö ( 18 ) pätee olosuhteissa, joissa subst
raatti å on kasvua rajoittava tekijä. Maksimaaliseen kas
vunopeuteen vaikuttavat ympäristötekijät kuten lämpötila, pH, happi ja ravinteet /20/.
2.3.3.6 Hydrolyysiprosessi
Suuremmat molekyylit muuttuvat hydrolyysiprosessissa pie
nemmiksi molekyyleiksi. Normaalisti hydrolyysiprosessi on hidas tapahtuma. Tämä merkitsee,,että hydrolyysi on usein nopeutta rajoittava tekijä biologisessa prosessissa /20/.
Hydrolyysiprosessista ei tiedetä kovinkaan paljon, mutta usein prosessi kirjoitetaan huomioon ottaen liuennut aines Xs seuraavasti:
rv,xs = kh * Xs ( 19 )
Tästä voidaan edelleen kirjoittaa hydrolyysiyhtälö hajon
neelle orgaaniselle ainekselle S:
rv,s = kh * Ss ( 20 )
missä on otettava huomioon, että hydrolyysivakion kh arvo ei ole sama yhtälössä ( 19 ) kuin yhtälössä ( 20 ).
2.3.3.7 Biovähennys
Elävillä bakteereilla on tietty kuolemisnopeus, jolla on merkitystä biologisen aktiivilietteeseen. Organismien kuolemisesta syntyvää leitemäärää ei tunneta, mutta joka tapauksessa systeemin lietemäärä lisääntyy jonkin verran organismin kuolemisen johdosta. Lietemäärän lisääntymisen johdosta hydrolyysiaste kasvaa ja siten kasvun määrä li
sääntyy ja esimerkiksi hapen ja nitraattien määrä vähenee /20/.
Normaalisti biovähennyksessä otetaan huomioon biomassa XB ja siten saadaan:
£"v,xb = b * Xs ( 21 )
missä
b = biovähennysvakio
Biovähennyksen seurauksena syntyy jonkin verran biologi
sesti hajoamattomia tuotteita /20/.
Aktiivilieteprosessin mikrobiologisten reaktioiden mallin
taminen on mahdollistanut jätevedenpuhdistamoiden kontrol
limenetelmien kehittämisen. Toisin sanoen tehtyjen tieto
konemallien vertaaminen käytännössä mitattuihin arvoihin antaa mahdollisuuden arvioida sekä mallia että toisaalta malliin verrattuja tuloksia. Lisäksi reaktioiden tuntemus on helpottanut puhdistamoiden mitoituksessa käytettävien arvojen määritystä/29/.
3. KÄYNNISTYKSEEN LIITTYVÄT VALMISTELUTYÖT
3.1 Toimintamallien valinta
Toimintamallien valintaan liittyi oleellisena osana pro
sessien käynnistysjärjestys, johon erityisesti vaikutti vanhoilta puhdistamoilta käännettävien vesien aikataulu ja määrä. Ensimmäisessä vaiheessa käännettiin Viikin puhdis
tamon vedet, joka oli luonnollinen valinta viemäritekni- sistä syistä.
Viikinmäen puhdistamon käynnistyksessä oli, niinkuin tuli
si yleensäkin mädättämöi1lä varustetuissa puhdistamoissa, käynnistettävä ensimmäisenä mädätysprosessi. Syynä siihen on heti prosessin käynnistämisen alusta saakka syntyvä raakaliete. Sen käsittely tilapäisesti ilman mädätystä on varsin hankalaa, tai ainakin se vaatii erityistä proses
sointia kuten kalkkistabilointi sekä muita erityistoimia hajuhaittojen välttämiseksi.
Vedenkäsittelyprosessien käsittelylinjojen valinnan saneli ensimmäisessä vaiheessa käännetty vesimäärä. Esikäsittely, esiselkeytys sekä biologinen prosessi valittiin mahdolli
simman tarkasti tarvittavan kapasiteetin mukaan. Oleel
lista oli, ettei virtaamat olleet liian pieniä esikäsitte
lyn kanavissa hiekan laskeutumisominaisuuden vuoksi ja ettei esiselkeytysajät tulleet liian pitkiksi. Biologisen prosessin allaskapasiteetti oli mitoitettava käynnistys- kuorman mukaan kuten ajoparametritkin, ottaen huomioon nitrifikaation torjunta tässä tilanteessa.
Fosforin saostus toteutettiin aluksi arvioimalla oikea ferrosulfaatin annostus, tavoitteena lupaehtojen täyttämi
nen .
Kun prosessin käynnistystä suunniteltiin, oli kokonaisuu
den huomioon ottaminen eräs keskeisiä johtoajatuksia.
Kaikkien osaprosessien tuli toimia siten, ettei lupaehtoja rikota ja ettei koneiden ja laitteiden käytölle aiheudu turvallisuus tai rikkoutumisvaaraa. Erityisesti oli suun
niteltava erilaisten erotusvesien ja ylivuotovesien johta
minen siten, ettei niistä aiheudu harmia millekään osalle laitosta.
Teknisten käynnistysvalmiuksien luominen prosessien käyn
nistämiselle oli luonnollisesti hoidettu urakoitsijoiden ja valvojien toimesta.
Edellytykset siemenlietteen pumppaamiselle luotiin siten, että rakennettiin putkiyhteys vanhalta Viikin puhdistamol
ta Viikinmäkeen yhdystunnelia myöten. Samaa putkea käytet
tiin mädättämöiden koeponnistusveden, mädättämön siemen- lietteen, biologisen prosessin siemenlietteen sekä Viikin puhdistamon altaiden tyhjennysveden pumppaamiseen.
Kaikkiin edellä viitattuihin seikkoihin kiinnitettiin käynnistyksen suunnittelussa erityistä huomiota ja myö
hemmin ne selostetaan tässä työssä hyvin yksityiskohtai
sesti .
Oman erittäin tärkeän roolinsa näytteli prosessinhallin
ta järjestelmän toimintojen ja instrumentoinnin käyt
töönotto järjestyksen suunnittelu sekä testaaminen. Koska koko järjestelmä on erittäin laaja, tuli sen käyttöönot- tovalmiuteen saattaminen suorittaa harkitussa järjestyk
sessä. Tämä tehtävä oli merkityksellisimpiä tehtäviä val
misteltaessa tätä käyntiinajoa.
3.1.1 Mädätysprosessi
Mädätysprosessin käsittelykapasiteetin määrittely ei Vii- kinmäessä tuottanut erityistä ongelmaa, sillä mädättämöt on suunniteltu normaalin mesofiilisen mädätysprosessin to
teuttamiseksi. Sen sijaan prosessin käynnistyksen jaksotus
ja esivalmistelut vaativat huomattavan työmäärän.
Itse prosessin käyntiinajo toteutettiin tarkan ennak
kosuunnitelman mukaan, jossa lähtökohtana oli Viikin puh
distamon mädättämöstä siirretty siemenliete.
Käynnistettävien mädättämöiden valintaan vaikutti huomat
tavasti niiden valmistuminen rakennusteknisistä syistä mädättämö kerrallaan. Mädättämöiden saman aikaista val
mistumista ei edes pidetty tarpeellisena, koska vesien kääntäminen vanhoilta puhdistamoilta tapahtui niin ikään jaksoittain eikä näin ollen koko mädättämökapasiteettia tarvittu heti. Ensimmäisessä vaiheessa käynnistettiin kaksi neljästä mädättämöstä. Kuitenkin mädättämöiden esi
täyttö vedellä ja sen lämmittäminen prosessilämpötilaan sekä siirtely mädättämöstä toiseen vaativat tarkan ennak
kosuunnitelman. Vesitäyttö pyrittiin optimoimaan siten, että sen ensisijaisena tehtävänä oli toimia tiiveystar- kastusvetenä ja toissijaisesti sitä käytettiin mädättämö- käynnistyksen esitäyttövetenä. Samaa vettä käytettiin siis molemmissa käynnistettävissä mädättämöissä ja sen siir
telyä mädättämöstä toiseen minimoitiin.
Mädätysprosessiin oleellisesti liittyvät toiminnot kuten lietteen lämmitys ja kierrätys tuli teknisiltä toiminnoil
taan varmistaa. Samoin ylivuotoveden johtaminen hallitusti kun mädättämöt alkaisivat täyttyä.
3.1.2 Vesiprosessi
Vesiprosessin käynnistäminen vaati koko käsittelylinjän tarkan läpikäymisen tulopumppauksesta jälkiselkeytykseen.
Tekninen valmius ohjattiin tapahtuvaksi siinä järjestyk
sessä kun prosessinosat oli suunniteltu käyttöönotetta
viksi. Käyttöönotettavan kapasiteetin suunnittelu ja las
keminen oli merkittävä vaihe käyttönoton valmistelua, ja siihen tuleekin uhrata riittävästi aikaa.
Ensimmäisessä vaiheessa tulopumppausta varten asetettiin käynnistysvalmius vain tulopumppaamo II:lie, eli ruuvi- pumpulle. Tämä johtui siitä, että vedet jotka siihen asti olivat menneet Viikin puhdistamolle, käännettiin Viikin- mäkeen, eikä niitä tarvinnut johtaa tulopumppaamo I:een.
Esikäsittelyn koneistosta ja altaista valittiin käyttöön vain puolet, joka sekin oli selvästi liikaa.
Esi-ilmastusta ei tässä vaiheessa voitu käynnistää, vaan se tuli ohittaa sille muutoin syntyvän liian pitkän vii
veen vuoksi.
Esiselkeyttämöiden lukumäärän suhteen oltiin erittäin kriittisiä, ettei jouduttaisi liian pitkiin viipymiin.
Biologisen osan kohdalla toimittiin samoin kuin edellä, mutta kriteerinä oli nitrifikaation tietoinen välttäminen ensivaiheessa. Tämän katsottiin takaavan häiriöttömän prosessin käynnistyksen. Biologinen prosessi vaati kun
nolla käynnistyäkseen tietenkin siemenlietteen, joka joh
dettiin ilmastusaltaaseen edellä kerrotulla tavalla.
Fosforin poisto suunniteltiin toteutettavaksi alussa las
kennallisena ferrosulfaatin syöttönä, jota välittömästi korjattiin kun ensimmäiset tulokset saatiin.
Joitakin ei aivan välttämättömäksi luokiteltuja prosessin osia suunniteltiin otettavaksi käyttöön varsinaisen käyn- nistyshetken jälkeen vaiheittain. Tähän oli osittain syynä niiden valmistumisen myöhästyminen, eikä tämän takia voitu koko käyntiinajoa lykätä. Tällaisia toimintoja olivat pintalietteen poisto esiselkeyttämöissä, ylijäämälietteen käsittely, rejektivesien käsittely ym.
Yleisesti ottaen kaikki huolella tehdyt esivalmistelut osoittautuivat todella tarpeellisiksi.
3.2 Aikataulut
Jätevedenpuhdistamon käyttöönotto rakennusvaiheen jälkeen pitää sisällään tietysti huomattavan määrän oheistoiminto
ja , jotka on nivellettävä käynnistystilanteeseen. Näistä yksi merkittävimpiä on viemäristön muutokset uuden puhdis
tamon vaatimusten mukaisiksi. Tällöin voidaan joutua muut
tamaan viemäristön virtaussuuntia, rakentamaan uusia vie
märeitä sekä mahdollisesti jopa uusia pumppaamoita. Täl
laiseen tilanteeseen jouduttiin myös Viikinmäen puhdista
mon toteuttamisen yhteydessä. Viemäristössä tehtäville töille oli siten laadittava omat suunnitelmat sekä aika
taulut. Aikataulut jouduttiin laatimaan nimenomaan Viikin
mäen käynnistäminen huomioon ottaen.
3.2.1 Viemäristön kääntö
Kun Viikinmäen käynnistyspäivämääräksi oli sitovasti so
vittu toukokuun alussa 1994, laadittiin sitä vastaava viemäritöiden aikataulu ja siihen sidotut urakkasopimuk
set. Liitteessä 1 on esitetty viemäritöiden ja puhdistamon käynnistystä koskeva yleisaikataulu.
Aikataulua suunniteltaessa huomioitiin erityisesti, millä järjestelyllä saadaan puhdistamolle käynnistyshetkeen sopiva vesimäärä. Edelleen jatkotoimet oli toteutettava samaa periaatetta noudattaen kuten aikataulusta ilmenee.
Erityisesti joidenkin viemäristötoimenpiteiden kohdalla jouduttiin suunnittelemaan lähes tuntikohtainen aikataulu, koska huomioon oli otettava vuorokauden aika, sää, Viikin
mäen tulopumppaamon valmiudet ym.
3.2.2 Puhdistamon käynnistäminen
Kuten liitteessä 2 ja 3 esitetään, on aikatauluun merkitty tarkasti suunnitellut niin mädättämöiden kuin vesiaseman- kin käynnistämisajankohdat kullekin yksikölle. Aikatauluun on merkitty myös arvioidut vesimäärät kunkin viemärikään- nön yhteydessä, tämä helpotti arvioimaan tarvittavaa lai- toskapasiteettia. Kuvaan on myöhemmin lisätty todella to
teutuneet ajankohdat, jotka eivät juuri poikenneet suunni
telluista perusaikatauluista.
Lietteenkäsittelyn käynnistyssuunnitelma ja -aikataulu tehtiin seikkaperäisesti ottaen huomioon niin rakennustöi
den valmiustila, koneistojen käyttöönotto, PHJ:n valmius kuin tarvittavat täyttöveden pumppaus- ja lämmitysajät.
Vesiaseman käynnistyssuunnitelma tehtiin samoin koko
naisuus huomioon ottaen. Tarvittavan allas- ja koneistoka- pasiteetin laskeminen oli oleellinen osa suunnitelmaa, samoin kuin eri toimintojen liittäminen toisiinsa proses- sikokonaisuudeksi. Erityisesti oli huomioitava ennalta käyntiinajetun lietteenkäsittelyn vaikutus vesiprosessiin.
Käynnistämistä koskevissa yksityiskohtaisissa selostuksis
sa nämä seikat selostetaan tarkemmin.
Eräs merkittävä tekijä oli varautuminen mahdollisiin ta
kaiskuihin, joita ei voitu jättää pois laskuista. Tämä merkitsi suunnitelmia korvata toimintoja toisilla, joko viereisillä linjoilla tai jollain muulla keinolla. Vesien kääntäminen takaisin vanhoille puhdistamoille ei enää ollut mahdollista, joten riskit olivat sitä suuremmat ja varasuunnitelmat tarpeen.
Pitkälle viedyt ennakkosuunnitelmat ovat, varsinkin näin komplisoiduissa ratkaisuissa kuin koko jätevedenpuhdistus- prosessi, erittäin riskialttiit. Niinpä varautuminen kaik
keen mahdolliseen, uudella täysin tuntemattomalla laitok
sella, onkin hankalaa. Erittäin suurena apuna oli henkilö
kunnan pitkäaikainen kokemus jätevesien käsittelyssä sekä suorastaan uhrautuva asenne. Koulutus olisi tässä yh
teydessä ollut ehdottoman tärkeätä, mutta sen kohdalla voidaan katsoa tapahtuneen jonkinlaisen epäonnistumisen.
Koulutukseen palataan myöhemmin perusteellisemmin.
