Puhdasta kasvuvoimaa jätevedestä

18.04.2017
Minna Hölttä

Vesitekniikan lupaava keksintö torjuu ilmastonmuutosta ja auttaa vesistöjen suojelussa.

Surendra Pradhan (vasemmalla), Riku Vahala ja Anna Mikola testaavat uutta puhdistusmenetelmää vesitekniikan laboratoriossa. Kuva: Jaakko Kahilaniemi.

Se, että Aalto-yliopiston vesitekniikan laboratoriossa haiskahtaa viemäriltä, lähti oikeastaan Länsi-Afrikassa pieleen menneestä kierrätysbisneksestä.

Kolme vuotta sitten Ghanassa työskennellyt tutkijatohtori Surendra Pradhan joutui nimittäin myöntämään, ettei hänen jätevesiliiketoiminnassaan ollut oikein järkeä.

”Kierrätys on aina kannatettavaa, mutta harvoin taloudellisesti kannattavaa. Aloitimme useita hankkeita huomataksemme, että tuotteen myynti oli yllättävän hankalaa. Perusmaanviljelijät eivät käytä kompostia, ja etenkään ihmisjätettä sisältävälle lietteelle ei ole ostajia. Lopulta tajusin, että järkevin mahdollisuus on valmistaa jotain, jolle on jo olemassa markkinat.”

Eroon älyttömästä kierteestä

Pradhan ryhtyi tutkimaan asiaa ja keksi, että paras tapa hyödyntää jäteveden typpeä on ottaa se talteen lannoitteissa käytetyssä ammoniumsulfaattimuodossa, jossa ei ole lietteen usein sisältämiä kemikaali- ja lääkejäämiä. Bonuksena samassa prosessissa saataisiin hyötykäyttöön myös toinen vesistöjen rehevöittäjä eli fosfori, joka on ollut jätevedenpuhdistamoille typen lailla lähinnä ongelma, josta niiden on päästävä eroon.

Perinteisesti ammoniumsulfaattiin tarvittavaa lannoitetyppeä on valmistettu saksalaistutkijoiden sata vuotta sitten keksimällä Haber-Bosch-menetelmällä, joka muuttaa ilman typpikaasun ammoniakiksi. Koska prosessi vaatii korkeaa lämpötilaa ja painetta, se on melkoinen energiasyöppö: arviolta kaksi prosenttia maapallon energiankulutuksesta kuluu lannoitetypen valmistukseen.

Aalto-yliopistossa Pradhan ja hänen tutkijakollegansa kehittivät ravinteiden talteenottomenetelmän, jossa jätevesi johdetaan reaktoriin ja sen pH:ta nostetaan kalsiumhydroksidilla niin, että vedessä oleva ammoniumtyppi muuttuu kaasumaiseksi ammoniakiksi. Ammoniakki puolestaan erotetaan puoliläpäisevän kalvon läpi, minkä jälkeen se sidotaan rikkihappoon, jolloin syntyy ammoniumsulfaattia. Vedessä oleva fosfori taas saostuu liuoksessa olevan kalsiumsuolan kanssa, ja se voidaan hyödyntää lannoitteena.

”Koska kalkki on typen ja fosforin ohella tärkein viljelykasvien tarvitsema ravinne etenkin Suomen happamassa maaperässä, kalkkiperäisten aineiden käyttäminen pH:n nostamiseen ei lisää kustannuksia, koska se päätyy mukaan lopputuotteeseen”, tutkijatohtori Anna Mikola kertoo.

Menetelmän testaus alkoi purkkiversiolla ja on nyt edennyt hieman suurempaan reaktoriin. Tulokset ovat lupaavia. Kokeissa virtsasta on pystytty erottamaan jopa 99 prosenttia typestä ja 90–99 prosenttia fosforista, vaikka menetelmä kuluttaa huomattavasti vähemmän energiaa ja kemikaaleja kuin yleisesti jätevedenpuhdistuksessa käytetty nitrifikaatio-denitrikaatioprosessi.

”Siinä typpi, jonka saaminen takaisin lannoitemuotoon vie valtavasti energiaa, häviää taivaan tuuliin. Prosessi nielaisee myös leijonanosan vedenpuhdistuksen tarvitsemasta energiasta. Meidän tavoitteemme on päästä tästä älyttömästä kierteestä eroon”, Mikola korostaa.

AUM19_Aiheesta1_putkilot.jpg

Purkista peräkärryyn ja pilottiin

Menetelmän patenttihakemus on parhaillaan käsittelyssä, mutta sen teollisuuskäyttöön on vielä matkaa. Professori Riku Vahalan mukaan tiimi etenee mieluummin pienin askelin kuin törmää vauhdilla seinään.

”Liian usein hypätään suurin toivein suoraan laboratoriosta tehtaaseen, mikä vie rahat ja uskon koko teknologiaan. Etenemme ensin purkkimittakaavasta peräkärrykokoon, ja jos kaikki menee hyvin, kahden vuoden kuluttua meillä on valmiudet demonstraatiolaitoksen rakentamiseen.”

Ennen sitä tutkijoiden on selvitettävä esimerkiksi, miten menetelmä toimii erilaisten jätevesien kanssa – kotitalouksien, biokaasulaitosten ja vaikka venesatamien septitankkien tuotoksissa kun on valtavia eroja. Seuraavat kokeilut on tarkoitus tehdä HSY:n Viikinmäen jätevedenpuhdistamon mädättämön ja Gasumin biokaasulaitosten rejektivesille, joita syntyy lietteen kuivauksen yhteydessä.

Haastetta lisää myös se, miten isoihin asioihin vedenpuhdistus vaikuttaa.

”Kun kysymys on ympäristöön ja ihmisten terveyteen vaikuttavista asioista, toimijat eivät halua ottaa mitään riskejä. He käyttävät mieluummin vanhoja tuttuja menetelmiä, vaikka ne olisivat kalliimpia ja tehottomampia”, Vahala kiteyttää.

Myös se, millä lailla menetelmä integroidaan puhdistamoiden toimintaan, on vielä auki. Teollisuudessa trendinä on tiukka keskittyminen omaan ydinliiketoimintaan, ja jäteveden puhdistus onkin usein ulkoistettu. Lisäksi monet kunnalliset jätevedenpuhdistamot ovat siirtäneet lietteiden jatkokäsittelyn yritysten hoidettavaksi. Pradhan, Mikola ja Vahala uskovatkin, että kunhan tekniikka on saatu hiottua, paras tapa saada se mahdollisimman laajaan käyttöön on kolmannen osapuolen kautta.

”Ei ole mitään järkeä, että jokainen suuri tai pieni jätteenkäsittelylaitos ryhtyy myös lannoitemyyjäksi. Paljon fiksumpaa olisi, että yksi tai useampi yritys kaupallistaa tekniikkaamme, operointia ja myös sen lopputuotetta”, Mikola pohtii.

Itämeri kiittää

Energiansäästön lisäksi menetelmällä on muitakin positiivisia ympäristövaikutuksia. Tutkijat arvioivat, että yhdyskuntien jätevesien ravinteiden talteenotolla on mahdollista korvata kuusi prosenttia teollisesti tuotetusta ammoniumtypestä ja kymmenen prosenttia lannoitteena käytetystä fosforista. Tällä hetkellä lannoitteissakin käytettävä fosfori louhitaan kaivoksista, joista se on vaarassa loppua seuraavan sadan vuoden kuluessa, jollei talteenottoa tehosteta. Puhdistamoiden fosfori taas päätyy lietteeseen, jota käytetään lähinnä ruohikkojen ja tienpintareiden kasvualustoina, sillä ruoantuotannon säädökset ja mielikuvat vähentävät sen hyödyntämistä viljelykasvien ravinteeksi.

Tehokas ja taloudellisesti houkutteleva talteenotto auttaisi myös Itämerta ja muita Suomen vesistöjä. Yhdyskuntavesien fosforinpoisto on Suomessa hyvällä tolalla, mutta typen kohdalla erot puhdistamoiden ja paikkakuntien välillä ovat suuria. Suomen lainsäädännössä tehostettua typenpoistoa edellytetään pääosin vain typpiherkillä rannikkoalueilla, vaikka typpeä voi päätyä Itämerta rehevöittämään pitkienkin matkojen takaa. Jätevedenpuhdistamojen typenpoistokapasiteetti voi myös ajoittain ylittyä biokaasulaitoksilta rysäyksellä tulevien hyvin voimakkaiden jätevesien takia.

”Olemme olleet myös mukana erilaisissa Itämeren suojeluhankkeissa. Niissä on käynyt ilmi, että Baltian maissa, Itä-Euroopassa ja Valko-Venäjällä on biokaasulaitoksia, joiden jätevedet menevät puhdistamattomina vesistöihin ja edelleen jokea pitkin Itämereen”, Mikola pahoittelee.

Taloudellinen kiinnostavuus ja ympäristötietoisuuden kasvu lupaavat hyvää menetelmän vientimahdollisuuksille. Vahalan mukaan markkinoiden muodostuminen on myös vahvasti riippuvainen lainsäädännöstä.

”Jos ja kun ne syntyvät, me haluamme olla valmiina, vahvassa etunojassa.”

Ravinteiden kierrätyksen edistämistä ja Saaristomeren tilan parantamista koskeva ohjelma (Raki2 2016–2019) myönsi marraskuussa 2016 Aalto-yliopistolle 457 500 euroa hankkeeseen, jossa kehitetään typen ja fosforin talteenottoa nestemäisistä jätteistä. Hankkeessa yrityskumppaneina ovat muiden muassa Nordkalk ja Gasum. 
Raki-ohjelma kuuluu Suomen hallituksen kärkihankkeisiin. Sen tarkoituksena on rahoittaa hankkeita, jotka edistävät ravinteiden kierrätystä, vähentävät Itämeren ravinnekuormitusta sekä tehostavat Saaristomeren ja Selkämeren valuma-alueiden maatalouden vesiensuojelua.

Artikkeli on julkaistu Aalto University Magazinen numerossa 19 (issuu.com) huhtikuussa 2017.