Energiantuotannossa talteenotetun hiilidioksidin hyötykäyttö

Hiilidioksidilla on merkittävä vaikutus ilmastoon ja suurin osa ihmisten käyttämästä energiasta perustuu hiilipohjaisiin polttoaineisiin. Energiantuotannossa talteenotetun hiilidioksidin hyötykäyttö tarjoaa erinomaisen mahdollisuuden ilmastonmuutoksen vai-kutusten vähentämiseen vaikuttamatta kuitenkaan merkittävästi käytettyihin energialäh-teisiin. CO2:n talteenottotekniikat voidaan jakaa neljään periaatteeltaan erilaiseen tyyppiin: pol-ton jälkeiseen talteenottoon, ennen polttoa tapahtuvaan talteenottoon, happipolttoon ja kemialliseen kiertoon perustuvaan palamiseen. Polton jälkeinen ja ennen polttoa tapah-tuva talteenotto edustavat eniten tutkittua ja käytettyä tekniikkaa. Hyötykäyttökohteita CO2:lla on useita, joista nykyiset merkittävimmät ovat öljyn tuo-tannon tehostus ja elintarviketeollisuus. Tulevaisuudessa merkittäviä käyttökohteita tulee todennäköisesti olemaan uusiutuvan energian varastointi synteettiseen metaa-niin/metanoliin, kemian-, paperi- ja selluteollisuuden prosessit ja vedenkäsittely.

Ampumaratojen kunnostustarpeen selvittäminen

Suomessa arvioidaan olevan kaikkiaan 2000 - 2500 ampumarataa joista aktiivisessa käytössä on noin 1000 kpl. Useimmat ulkoradat on perustettu paljon ennen nykyisten ympäristölakien voimaantuloa. Tästä syystä ammunnan ympäristövaikutukset melua lukuun ottamatta, eivät varmaan ole olleet tarkasteltavien asioiden listan kärjessä ampumaratoja suunniteltaessa. Sopivan maa alueen saatavuus sopivalla paikalla rakennuskustannusten minimoimiseksi on täytynyt olla yksi tärkeimmistä kriteereistä. Joissakin tapauksissa tämä valitettavasti on johtanut siihen, että ratojen paikoiksi on valittu sellaisia, mitä tämän päivän tietämyksellä ei suositeltaisi, kuten esimerkiksi pohjaveden muodostumisalueet. Ampumaratojen, etenkin haulikkoratojen, on todettu aiheuttaneen paikallisesti varsin laajaa maaperän pilaantumista. Toiminnan jatkuessa, runsaasti raskasmetalleja kertyy maahan ja taustapenkkoihin josta se rapautuu ja kulkeutuu alueelta pohjavesiin. Pohjaveden mukana haitta-aineet saattavat kulkeutua vedenpuhdistamoihin muodostaen riskiä paikallisasukkaiden terveydelle sekä jossain määrin alueen kasvillisuudelle ja faunalle. Vuoden 2007 valtioneuvoston PIMA-asetus muutti joitakin ohje-arvoja, joten näitä uusia arvoja on otettavaa huomioon niin riskiarvioinnissa kuin alueen käyttömahdollisuuksien kannalta tulevaisuudessa. Asetuksen voimaantulo edellyttää tapauskohtaisten riskiarviointien tekemistä ampumarata-alueiden kunnostuksen yhteydessä jolloin saavutetaan mahdollisemman tehokasta hyöty-kustannustasoa. Tutkimuksen tarkoituksena on kartoittaa uuden asetuksen mukaisesti ampumaratojen muodostamaa riskiä sekä rajata kunnostettavat alueet ja valita sopivammat kunnostusvaihtoehdot. Esimerkkitapauksina käytetään Kokkolan kaupungin alueella sijaitsevaa ampumarata-aluetta.

Espoon puhdistamolietteen käsittelymenetelmien selvitys Ämmässuon käsittelykeskukselle

Ravinteiden kierrätys yhä enemmän luonnonvaroja kuluttavassa yhteiskunnassa on noussut tärkeäksi. Hyötykäyttämällä luonnollisesti syntyvät orgaaniset virrat yhteiskunnasta voidaan kierrättää pellolta nostetut ravinteet takaisin. Tässä diplomityössä on tarkasteltu Helsingin seudun ympäristöpalveluiden toteuttamaa mädätetyn puhdistamolietteen käsittelyä ja pohdittu sen käsittelymahdollisuuksia erityisesti Ämmässuon käsittelykeskuksessa. Tarkastelussa on keskitytty kahteen yleisimpään kompostointimenetelmään, eli auma- ja tunnelikompostointiin. Kompostointimenetelmien tarkastelussa on pyritty löytämään optimaalinen tukiaine sekä prosessiaika käsiteltävälle lietteelle Ämmässuolla olemassa olleilla resursseilla. Tutkimuksessa toteutettiin käytännön pilot -kokeita sekä toteutettiin teoreettista prosessin parametrien laskentaa mukaan lukien kustannukset ja resurssit. Tutkimuksen perusteella voidaan todeta, että kyseisen tyyppisellä käsittelyalueella tunneli-kompostointi on näillä parametreilla testattuna paras vaihtoehto. Menetelmällä voidaan saavuttaa nopeampi käsittelyaika sekä vähentää kompostoinnista aiheutuvia hajuhaittoja ympäristöön. Tukiaineseoksessa voidaan korvata yleisestikin käytetty turve vastaanotettavalla lehti-puru viherjäteseoksella sekä risuhakkeella ja prosessiaika on noin 12 -16 viikkoa. Käsittelyn kustannukset verrattuna tämän hetkiseen käsittelyyn Metsäpirtissä eivät olleet merkittävästi suuremmat ja ympäristövaikutusarvioinnin perusteella syntypaikkaa lähellä oleva käsittelyalue sekä prosessin pienemmät vaikutukset tuovat ympäristöedun käsittelylle Ämmässuolla.

Höyryvoimalaitoksen lisäveden valmistus

Kandidaatintyössä tutustuttiin raakaveden sisältämiin epäpuhtauksiin ja niiden aiheuttamiin ongelmiin höyryvoimalaitoksen vesi-höyrypiirissä. Vedenkäsittelyn teoriassa perehdyttiin esikäsittely-, pehmennys-, ioninvaihto- ja käänteisosmoosimenetelmiin, joista suurinta huomiota sai ioninvaihtomenetelmä. Kandidaatintyötä tehdessä oli tekijällä mahdollisuus perehtyä myös käytännön vedenkäsittelylaitoksen toimintaperiaatteeseen. Perehdytty vedenkäsittelylaitos pitää sisällään esikäsittelylaitoksen ja ioninvaihdolla toteutetun suolanpoiston.

Sähkökoagulaatiolaitteiston kehittäminen pintakäsittelylaitoksen jäteveden käsittelyyn

Tässä työssä kehitetään sähkökoagulaatiolaitteisto metallipinnoituslaitoksen jätevesien puhdistamiseen. Sähkökoagulaatio on sähkökemiallinen vedenpuhdistusprosessi, jossa hyödynnetään liukenevaa metallianodia. Sähkövirta irrottaa anodilta metalli-ioneja, jotka yhdistyvät vapaiden hydroksidi-ionien kanssa. Syntyneet metallihydroksidit vetävät puoleensa veden epäpuhtauksia ja saostuvat. Tämän työn tavoitteena oli kehittää sähkökoagulaatiolaitteistosta korvaaja käytössä olleelle kemialliselle jätevedenpuhdistuslaitteistolle. Sähkökoaglaatiolaitteiston toivottiin parantavan jätevedenpuhdistuksen toimintavarmuutta ja pienentävän käyttökustannuksia. Prototyyppilaitteistolla suoritettujen kokeiden perusteella sähkökoagulaation todettiin olevan kemiallista jätevedenkäsittelyä toimintavarmempi. Käyttökustannusten todettiin olevan samaa tasoa tai korkeammat kuin kemiallisella menetelmällä. Laitteiston suunnittelussa sovellettiin järjestelmällistä koneensuunnittelua. Suunnittelussa saavutettiin sille asetetut tavoitteet. Osatoiminnoille löydettiin toimivat ratkaisut ja laite on helposti huollettavissa.

Veden puhdistus mikro-organismisovelluksilla (EM Mudball®)

Vesistöjen rehevöityminen on maailmanlaajuinen ongelma. ”Effective microorganisms (EM)” -teknologian väitetään mahdollistavan ravinteiden poiston vesistä luonnonmukaisten mikro-organismien avulla. Työn tavoitteena on selvittää kyseistä teknologiaa hyödyntävien EM-mutapallojen soveltuvuutta suomalaisten luonnonvesien sekä jätevesien ravinteiden poistamiseen. Kirjallisuusosassa selitettiin EM-teknologian toimintaperiaate sekä esitettiin EM-mutapallojen koostumus. Tässä osassa selvitettiin myös teknologian käyttökohteita. Lisäksi perehdyttiin Suomen vesistöjen tilanteeseen sekä EM-teknologian mahdollisiin hyödyntämiskohteisiin. Kokeellisessa osassa seurattiin 6 eri vesinäytteen ravinnepitoisuuksien muutosta EM-mutapallon käytön aikana. Osaa näytteistä säilytettiin jääkaapissa, jotta päästiin lähemmäs Suomessa vallitsevia olosuhteita. Analysoidut ravinteet olivat nitraatti, sulfaatti, fosfaatti ja typpi. Tuloksien mukaan EM-mutapallojen käyttö poisti pääsääntöisesti vesinäytteistä nitraatin. Sulfaatin poisto sen sijaan oli huomattavasti heikompaa. Paria näytettä lukuun ottamatta sulfaattipitoisuudet eivät laskeneet lähtökonsentraation alle, vaikka ajoittaista laskua tapahtuikin. Fosfaattipitoisuudet näytteissä olivat yleisesti hyvin pieniä, eivätkä ylittäneet määritysrajaa kokeen aikana ollenkaan. Ainoastaan fosfaattia sisältäneessä synteettisessä näytteessä tapahtui fosfaattipitoisuuden laskua, joka kuitenkin palautui lähes alkuperäiselle tasolle koejakson lopussa. Näytteiden typpipitoisuuksien kasvun aiheutti käymistuotteena muodostuva ammonium, jonka takia myös näytteiden pH nousi. Kokeet vahvistavat aiempia tutkimustuloksia, joiden mukaan EM-mutapallo hajoaa kahden viikon kuluttua niiden lisäämisestä vesinäytteisiin. Aikaisemmista tutkimuksista poiketen tämän kokeen mukaan EM-mutapallot näyttäisivät toimivan paremmin viileämmässä lämpötilassa. Kokeen perusteella EM-teknologian hyödyntäminen voisi olla potentiaalinen vaihtoehto tulevaisuudessa Suomen vesistöjen nitraatin poistoon.

Mineraalien rikastusprosessin vesijalanjälki

Mineraalien rikastamiseen käytetään useita fysikaalisia ja kemiallisia menetelmiä. Prosessi sisältää malmin hienonnuksen, rikastuksen ja lopuksi vedenpoistamisen rikastelietteestä. Malmin rikastamiseen käytetään muun muassa vaahdotusta, liuotusta, magneettista rikastusta ja tiheyseroihin perustuvia rikastusmenetelmiä. Rikastuslietteestä voidaan poistaa vettä sakeuttamalla ja suodattamalla. Rikastusprosessin ympäristövaikutuksia voidaan arvioida laskemalla tuotteen vesijalanjälki, joka kertoo valmistamiseen kulutetun veden määrän. Tässä kirjallisuustyössä esiteltiin mineraalien käsittelymenetelmiä sekä prosessijätevesien puhdistusmenetelmiä. Kirjallisuuslähteiden pohjalta selvitettiin Pyhäsalmen kaivoksella valmistetun kuparianodin vesijalanjälki sekä esitettiin menetelmiä, joilla prosessiin tarvittavan raakaveden kulutusta voitaisiin vähentää. Pyhäsalmella kuparirikasteesta valmistetun kuparianodin vesijalanjälki on 240 litraa H2O ekvivalenttia tuotettua tonnia kohden. Pyhäsalmen prosessin raakaveden kulutusta voidaan vähentää lisäämällä sisäistä vedenkierrätystä. Kalsiumsulfaatin saostuminen putkiin ja pumppuihin on ilmentynyt ongelmaksi vedenkierrätyksen lisäämisessä. Kalsiumsulfaattia voidaan erottaa vedestä membraaneihin, ioninvaihtoon ja sähkökemiaan perustuvilla tekniikoilla. Vaihtoehdossa, jossa johdetaan kaikista kolmesta vaahdotuksesta saatavat rikastuslietteen ja rikastushiekan sakeutuksien ylitteet sekä suodatuksien suodosvedet samaan vedenkäsittelyyn voidaan kattaa arviolta noin 65 % koko veden tarpeesta. Raakavettä säästetään vuodessa 3,4 Mm^3 ja samalla rikastushiekka-altaiden tarvittava koko pienenee, joka vähentää ympäristöriskejä.

Perfluorattuja yhdisteitä sisältävien jätevesien puhdistus- ja analyysimenetelmät

Perfluoratut alkyyliyhdisteet eli PFAS-yhdisteet ovat synteettisiä orgaanisia yhdisteitä, joissa on fluorattu hiiliketju. Hiilen ja fluorin väliset vahvat sidokset ovat muodostuneet ongelmaksi jätevedenpuhdistamoilla, sillä yhdisteet eivät hajoa puhdistamoilla käytössä olevilla vedenpuhdistusmenetelmillä. Yhdisteitä kertyy luontoon jätevesien mukana. Kandidaatintyössä on vertailtu yhdisteitä sisältävien vesien käsittelymenetelmiä parhaiten soveltuvan menetelmän löytämiseksi. Menetelmien kustannuksia tai soveltuvuutta vedenpuhdistamomittakaavan prosessiksi ei ole arvioitu. Lisäksi työssä on koottu yhdisteitä sisältävien jätevesien analysointiin sopivia analyysimenetelmiä. Soveltuvat puhdistus- ja analyysimenetelmät on esitelty uusien tieteellisten artikkelien pohjalta. Mahdollisia erotusmenetelmiä ovat membraanierotus ja sorptio. Membraaneista soveltuvimpia ovat nanosuodatus- ja käänteisosmoosimembraanit, joilla erottuvat jopa 0,0001 μm:n kokoiset partikkelit. PFAS-yhdisteet voidaan erottaa sorptiolla muun muassa aktiivihiileen. Yhdisteiden rakenne hajoaa nykyaikaisilla hapetusmenetelmillä ja polttamalla lietteen mukana. Hapettaminen permanganaatin avulla ei tuottanut hyvää tulosta, mutta fotokemiallisella hapetuksella ja alhaisen lämpötilan plasmatekniikalla (NTP) yhdisteiden rakenne hajosi lähes kokonaan. Fotokemiallinen hapetus onnistui erityisesti perfluorokarboksyylihapoilla, joiden rakenne hajosi jopa kolmessa tunnissa. Yleisimmin käytetty analyysimenetelmä on nestekromatografin ja massaspektrometrin yhdistelmä (LC-MS/MS) ja matriisivaikutus minimoidaan tyypillisesti kiinteäfaasiuutolla (SPE). Työssä esitellyistä käsittelymenetelmistä parhaiten soveltuva on NTP-menetelmä, koska sillä saatiin tutkimusten mukaan hajotettua yhdisteiden rakenne muita menetelmiä lyhyemmässä ajassa ja se soveltuu parhaiten kaikille PFAS-yhdisteille. NTP-menetelmässä ei tarvita katalyyttiä tai lisäkemikaaleja. Voimakkaana hapettimena toimivat epästabiilit hydroksyyliradikaalit, jotka syntyvät koronapurkauksen kautta. Koronapurkauksessa muodostuu myös otsonia ja lisäksi vapaa happi voi tehostaa hapettumista. Menetelmässä muodostuvien hajoamistuotteiden hallinta vaatii lisätutkimusta. Mahdollinen hallintakeino voisi olla esimerkiksi hapettumisessa vapautuvien fluoridi-ionien saostaminen. Muodostuvien hajoamistuotteiden toksisuutta voitaisiin tarkkailla biosensorilla.

Pintavalutuskentän ja kemikalointiaseman soveltuvuus turvetuotantoalueille

Tässä kandidaatintyössä tutkittiin kahden eri vesiensuojelurakenteen toimivuutta ja soveltuvuutta turvetuotantoalueelle. Työn tavoitteena oli vertailla pintavalutuskentän ja kemiallisen vedenkäsittelyn eroavaisuuksia toiminnoiltaan ja puhdistustehoiltaan. Lisäksi työn tavoitteena oli tarkastella parhaimman vesiensuojelurakenteen valintaan vaikuttavia tekijöitä. Työ toteutettiin vertailemalla Vapo Oy:n tarkkailuraporteista sekä turvetuotantoalueiden ominaiskuormitusselvityksistä koottuja tilastoja. Vertailu suoritettiin puhdistustulosten ja kuormituslukujen avulla. Tuotantoaluekohtaisia tarkkailuraportteja oli käytettävissä kolmelta edeltävältä vuodelta ja työssä käytetty ominaiskuormitusselvitys oli koonti vuosien 2008–2012 tuloksista. Työstä saadut tulokset tukevat vesiensuojelumenetelmistä jo saatavilla olevaa teoriaa. Turvetuotantoalueelle paras käyttökelpoinen tekniikka on pintavalutuskenttä, mikä osoittautui työssä tasaisen laadukkaaksi menetelmäksi. Työssä havaittiin kemiallisen vedenkäsittelyn olevan epävarmaa ja haastavaa. Työstä saadut tulokset osoittavat käsittelyn jatkokehittämisen tarpeen.