Aktivoitu liete

Aktivoidun lietteen prosessit ovat yksi osa monimutkaista jäteveden käsittelyjärjestelmää (U.S. EPA 2002) . Niitä käytetään yleensä primaarikäsittelyn jälkeen ( mukaan lukien seulonta, joka poistaa laskeutuvat kiintoaineet) , niihin kuuluu yksi tai useampi ilmastettu pääkäsittelykammio, ilmastuslaitteita, sopiva sekoituslaite lietteen pitämiseksi suspendoituneena, jälkiselkeytin biomassan erottamiseksi käsitellystä jätevedestä ja laskeutuneen biomassan keräämiseksi, yleensä epälineaarinen, erittäin monimutkainen kiertojärjestelmä (esim. kierrätyssilmukat, ohijuoksutukset yms.), ja joskus niitä seuraa viimeinen kiillotusvaihe (ks. jälkisuodatus ja -desinfiointi). Tapahtuvat biologiset prosessit poistavat tehokkaasti liukoisia, kolloidisia ja hiukkasmaisia aineita. Reaktori voidaan suunnitella biologista nitrifikaatiota ja denitrifikaatiota sekä biologista fosforinpoistoa varten.

Suunnittelun on perustuttava tarkkaan arvioon jäteveden koostumuksesta ja määrästä. Käsittelyn tehokkuus voi heikentyä huomattavasti, jos laitos ali- tai ylimitoitetaan. Lämpötilasta riippuen kiintoaineen viipymäaika (SRT) reaktorissa on 3-5 päivää BOD:n poiston osalta ja 3-18 päivää nitrifikaation osalta.

Ylijäämäliete on käsiteltävä sen vesi- ja orgaanisen aineen pitoisuuden vähentämiseksi ja loppukäyttöön tai loppusijoitukseen soveltuvan stabiloidun tuotteen saamiseksi. On tärkeää ottaa tämä vaihe huomioon puhdistamon suunnitteluvaiheessa).

Suuret määrät injektoitua happea mahdollistavat aerobisten olosuhteiden ylläpitämisen ja aktiivisen biomassan optimaalisen sekoittumisen käsiteltävän jäteveden kanssa. Jotta orgaanisten aineiden poistamisessa jätevedestä käyttökelpoisten aktiivisten mikro-organismien määrä säilyisi suhteellisen suurena, liete erotetaan jätevedestä laskeuttamalla jälkiselkeyttimessä (UNEP 2004) tai kalvosuodatuksella ja pidetään prosessissa kierrättämällä se ilmastusaltaaseen. Tästä perusprosessista on kehitetty useita muunnelmia, kuten erilaisia ilmastuslaitteita, erilaisia lietteen keräys- ja kierrätystapoja ilmastussäiliöön tai primääriselkeyttimeen sekä prosessin tehostaminen lisäämällä inerttiä väliainealuetta, jolla biofilmi voi kasvaa (yhdistetty kiinteän kalvon ja suspendoituneen kasvun yhdistelmäprosessi).

Vaikka aerobiset bakteerit ovatkin prosessin hallitsevimmat mikro-organismit, prosessissa voi esiintyä muitakin aerobisia ja anaerobisia bakteereja, anaerobisia bakteereja ja/tai nitrifioivia bakteereja yhdessä ylempien organismien kanssa. Orgaanisen aineksen poistamisen lisäksi ravinteita (orgaaninen ammoniakki, fosfori) voidaan siis poistaa myös biologisesti nitrifikaation/denitrifikaation ja fosforin biologisen ottamisen avulla. Mikro-organismien tarkka koostumus riippuu reaktorin rakenteesta, ympäristöstä ja jäteveden ominaisuuksista (TILLEY et al. 2008). Optimaalisten olosuhteiden saavuttamiseksi sekä orgaanisen aineksen että ravinteiden poistoa varten käytetään vaihtuvien aerobisten ja anaerobisten kammioiden sarjaa.

Kohtainen käsittelyprosessi

Sieppauksen jälkeen hiekka ja vastaavat raskaat hiukkaset poistetaan seuraavaksi hiekkakammiossa, jossa ne laskeutuvat maahan. Tässä kammiossa halutaan poistaa vain karkeaa hiekkaa ja jätevesi viettää siinä vain suhteellisen lyhyen ajan (joitakin minuutteja) (UNEP & MURDOCH 2004). Pienemmät kiintoaineet poistetaan laskeutus- tai saostussäiliössä. Tässä yksikössä jätevesi viettää pidemmän ajan (noin tunnin), jotta erottuminen olisi hyvä. Tämän mekaanisen esikäsittelyn (mukaan lukien seulonta ja laskeutus hiekkakammiossa ja saostussäiliössä) lietettä kutsutaan primäärilietteeksi, ja se, kuten kaikki ylijäämäliete, vaatii edistyneen jatkokäsittelyketjun.

Tämän primäärikäsittelyn jälkeen seuraa aktivoitua lietettä sisältävä pääyksikkö. Esikäsitelty jätevesi sekoitetaan jälkiselkeyttimen väkevöityyn alivirtauksen aktiivilietteeseen ilmastetussa säiliössä. Ilmastus tapahtuu joko mekaanisilla pintasekoittimilla tai upotetuilla paineilmahajottimilla (WSP 2008). Ilmastus tuottaa happea aktiivilietteelle ja sekoittaa samalla lietteen ja jäteveden perusteellisesti (UNEP & MURDOCH 2004). Ilmastuksen ja sekoittumisen aikana bakteerit muodostavat pieniä klustereita eli flokkeja (TILLEY et al. 2008). Näissä olosuhteissa aktiivilietteen bakteerit hajottavat jäteveden orgaanisia aineita. Ne käyttävät orgaanista ainetta energiaan, kasvuun ja lisääntymiseen. Lopputuotteina syntyy hiilidioksidia (CO2), vettä (H2O) ja uusia soluja.

Kun seos on ollut muutaman tunnin ilmastuskammiossa, se siirtyy jälkiselkeytysaltaaseen (selkeyttimeen), jossa flokkatut mikro-organismit laskeutuvat ja poistuvat jätevesivirrasta. Laskeutuneet mikro-organismit (aktiiviliete) kierrätetään sitten ilmastussäiliön yläpäähän, jossa ne sekoittuvat jälleen jäteveden kanssa ja jatkavat kasvuaan ja uuden lietteen muodostamista sekä orgaanisten aineiden hajottamista. Jotta lietteen määrä järjestelmässä pysyisi optimaalisena, laskeutuneen lietteen kierrätysaste vaihtelee 20-100 prosentista. Päivittäin syntyvä ylimääräinen liete (jäteaktiiviliete) on käsiteltävä jatkokäsittelyketjussa yhdessä primäärikäsittelylaitosten lietteen kanssa. Perinteinen ylijäämälietteen käsittelyketju koostuu anaerobisesta mädättämisestä, sakeuttamisesta, polttamisesta ja turvallisesta hävittämisestä esimerkiksi kaatopaikalle. Kestävämpi tapa olisi kompostoida liete (joko ennen mädättämistä tai mädättämisen sijasta), jotta ravinteet voitaisiin käyttää uudelleen maataloudessa.

Hydrauliset viipymäajat koko järjestelmässä vaihtelevat muutamasta tunnista useisiin päiviin nestemäisen faasin osalta. Ylimääräisen lietteen käsittely voi kestää hieman kauemmin riippuen käytetystä sakeuttamisesta ja anaerobisesta mädätyksestä. Asianmukaisesti suunnitellun ja käytetyn aktiivilietelaitoksen jätevesi on korkealaatuista, ja sen BOD- ja TSS-pitoisuudet ovat yleensä enintään 10 mg/l (CRITES & TCHOBANOGLOUS 1998). Sekä biologisen hapenkulutuksen (BOD) että suspendoituneen kiintoaineen (TSS) poisto on yleensä 80-100 prosenttia riippuen tulopitoisuuksista, järjestelmän kokoonpanosta ja lämpötilasta (UNEP 2004; SANIMAS 2005; WSP 2008).

Myös ravinteet, kuten typpi ja fosfori, poistuvat aktiivilieteprosessissa, mutta ne edellyttävät erilaisten ilmastettujen ja ilmastamattomien kammioiden yhdistämistä hybridi-aktiivilietejärjestelmissä. Typpi poistetaan biologisesti ensin muuttamalla orgaaninen typpi ammoniakiksi, jonka jälkeen ammoniakki (NH4+) muuttuu aerobisesti nitriitiksi (NO2-) ja sitten nitraatiksi (NO3-) ja nitraatti muuttuu anaerobisesti kaasumaiseksi typeksi (N2), joka vapautuu ilmakehään. Ammoniakin muuttumista nitraatiksi nitriitin välivaiheen kautta kutsutaan nitrifikaatioksi. Nitraatin muuttumista kaasumaiseksi typeksi kutsutaan denitrifikaatioksi. Näin ollen tarvitaan sekä aerobisten että anaerobisten (anoksisten) prosessien yhdistelmää, jotta typpi saadaan poistettua kokonaan jätevedestä. Monissa aktiivilietteenkäsittelyjärjestelmissä anaerobinen säiliö on joko integroitu ilmastetun altaan jälkeen ja ennen selkeytystä (jälkigenitrifikaatio) tai juuri ennen ilmastussäiliötä (esigenitrifikaatio). Kun kyseessä on pre-denitrifikaatio, nitrifikaatio tapahtuu ilmastetussa altaassa aerobisen esialtaan jälkeen. Denitrifikaatio tapahtuu vasta, kun ilmastetun säiliön nitriittiä sisältävä jätevesi kierrätetään uudelleen lietteen tavoin.

Fosforin poisto aktiivilietelaitoksissa voidaan tehdä kemiallisesti tai biologisesti. Fosforin biologinen poisto tavanomaisessa jätevedenpuhdistusjärjestelmässä tapahtuu siten, että jotkin bakteerisolut ottavat fosforia. Tällä tavoin voidaan kuitenkin poistaa vain vähän fosforia, sillä fosforin massaosuus haihtuvassa lietteessä on vain noin 2,5 % (HAANDEL&LUBBE 2007). Tämä johtaa siihen, että yhdyskuntajäteveden, jonka COD-pitoisuus on 500 mg/l, jätevesipitoisuus on noin 2-7 mg P/L (HAANDEL&LUBBE 2007). Yleensä kuitenkin edellytetään, että jäteveden fosforipitoisuus lasketaan arvoon ≤ 1 mg P/L.

Toinen biologinen prosessi on tehostettu biologinen fosforinpoisto. Tehostettu biologinen fosforinpoisto perustuu joidenkin erityisten fosforia keräävien bakteerien viljelyyn, jolloin tavanomaisen aktiivilietteen 2,5 %:n P-pitoisuuteen verrattuna P-pitoisuuden kertyminen lietteeseen voi olla jopa 38 % (HAANDEL&LUBBE 2007).

Kun sekä typpi että fosfori on poistettava, yhdistelmästä tulee vielä monimutkaisempi. Tehostettu biologinen fosforinpoisto edellyttää yleensä anaerobista vaihetta (PAO-viljelyä varten), anoksista vaihetta (denitrifikaatiota varten) ja aerobista vaihetta (nitrifikaatiota ja fosforin kertymistä varten) peräkkäin.

Aktiivilietejärjestelmiä, joissa arvokkaita ravinteita (fosforia ja typpeä) ja orgaanista ainesta poltetaan sen sijaan, että ne kierrätettäisiin uudelleen maatalouden elintarviketuotantoon, ei enää pidetä kestävinä. Typenpoiston käyttöönotto aktiivilietelaitoksessa kasvattaa reaktorin tilavuutta merkittävästi ja johtaa noin 60-80 prosentin energiankulutuksen kasvuun ilmastuksessa (MAURER 2003). Fosforin poistaminen edellyttää joko kemikaalien lisäämistä ja sen jälkeistä epäorgaanisen lietteen hävittämistä tai reaktorin monimutkaisuuden ja tilavuuden lisäämistä tehostettua biologista fosforinpoistoa varten.

BOD:n, typen ja fosforin erityisten jätevesitavoitteiden saavuttamiseksi aktiivilietteen perusrakenteeseen on tehty erilaisia mukautuksia ja muutoksia. Tunnettuja modifikaatioita ovat muun muassa sekvensoiva panosreaktori (SBR), hapetuskaivot, syvät kuilut, laajennettu ilmastus, liikkuvat vuoteet ja kalvobioreaktorit.

Sekventiaaliset panosreaktorit (SBR)

Prosessia voidaan käyttää eräajona, jolloin eri olosuhteet saavutetaan kaikki samassa reaktorissa mutta eri aikoina (UNEP & MURDOCH 2004). Käsittely koostuu viiden vaiheen syklistä: täyttö, reaktio, laskeutuminen, veto ja tyhjäkäynti. Reaktiotyypin aikana happea lisätään ilmastusjärjestelmän avulla. Tämän vaiheen aikana bakteerit hapettavat orgaanista ainesta aivan kuten aktiivilietejärjestelmissä. Tämän jälkeen ilmastus lopetetaan, jotta liete voi laskeutua. Seuraavassa vaiheessa vesi ja liete erotetaan dekantoimalla ja kirkas kerros (supernatantti) poistetaan reaktiokammiosta (METCALF & EDDY 2007). Lietteen tuotantonopeudesta riippuen osa lietteestä voidaan myös puhdistaa. Tyhjäkäyntivaiheen jälkeen säiliö täytetään uudella jätevesierällä (UNEP & MURDOCH 2004). Panostoimintatilassa tarvitaan vähintään kaksi säiliötä, koska jatkuva tulovirtaama on varastoitava käyttövaiheen aikana. (Hyvin) pienissä järjestelmissä (esim. pieniä taajamia palvelevissa) voidaan käyttää vain yhtä säiliötä. Tällöin tulovirtaama on joko säilytettävä altaassa tai johdettava jatkuvasti säiliön pohjalle, jotta laskeutumis-, veto- ja tyhjäkäyntivaiheet eivät häiriintyisi. SBR:t soveltuvat pienemmille virtaamille, koska kunkin säiliön koko määräytyy toisessa säiliössä käsittelyjakson aikana syntyvän jäteveden määrän mukaan (UNEP & MURDOCH 2004). Lisätietoja SBR-aktiivilietejärjestelmistä löytyy WSP:ltä (2007) tai U.S. EPA:lta (1999).

Hapetusojat

Hapetusojat ovat suuria pyöreitä tai soikeita ojia (kanavareaktoreita), joissa on yksi tai useampi vaakasuora ilmastin hapen saannin takaamiseksi sekä sisällön sekoittamiseksi ja liikuttamiseksi ympäri ojaa. Seulottu jätevirta johdetaan hapetusojaan, ilmastetaan ja kierrätetään noin 0,25-0,35 m/s (SANIMAS 2005). Toiminta voi olla jatkuvaa tai jaksottaista. Esiselkeytystä ei yleensä tarvita, mutta jälkiselkeytysaltaita käytetään yleensä. Tarvittava käsittelytilavuus asukasta kohden on noin 1 m³ (SANIMAS 2005). Hapetuskaivannot soveltuvat alueille, joilla maata on hyvin saatavilla. Niiden etuna on, että niitä on suhteellisen helppo huoltaa ja että ne kestävät pienemmissä yhdyskunnissa usein esiintyvää iskukuormitusta (esim. aamu- ja ilta-aikaan). Tyypillinen hydraulinen viipymäaika on 24-48 tuntia ja lietteen ikä 12-20 päivää (Wikipedia 2010). Lisätietoa hapetusojista löytyy seuraavista lähteistä: U.S. EPA (2000), WSP (2007) tai WSP (2008).

Syvät kuilut

Missä maa-alueita on niukasti, jätevedet voidaan käsitellä ruiskuttamalla happea paineistettuun palautuslietevirtaan, joka ruiskutetaan syvälle maahan haudatun pylväsmaisen säiliön pohjaan. Tällaista aktiivilietereaktoria kutsutaan syväkuiluksi. Tällaiset kuilut voivat olla jopa 100 metriä syviä. Kun jätevesi nousee ylöspäin, kuilun pohjalla vallitsevan paineen liuokseen pakottama happi purkautuu molekyyliseksi hapeksi. Tämä tarjoaa erittäin tehokkaan hapenlähteen aktiivilietteen sisältämille mikro-organismeille. Nouseva happi ja ruiskutettu palautusliete muodostavat fyysisen sekoitusmekanismin. Sekoitettu liete ja tuleva jätevesi dekantoidaan pinnalla ja erotetaan ylijäämälietteeksi ja lietteeksi. Syväkaivokäsittelyn hyötysuhde voi olla korkea, mutta ne vaativat ammattitaitoisia ammattilaisia rakentamiseen, käyttöön ja kunnossapitoon; ja lisäksi paljon energiaa (mukailtu Wikipediasta (2012)).

.