MBR-teknologian energia- ja ympäristötehokkuutta mittaavien tunnuslukujen selvitys ja vertailu perinteiseen aktiivilieteprosessiin

Abstract

Ympäristötietoisuuden lisääntyessä ja puhdistustekniikoiden kehittyessä on alettu kiinnittämään entistä enemmän huomiota jäteveden käsittelyn puhdistustuloksiin, esimerkiksi tehokkaampaan ravinteiden poistoon, ravinteiden kierrätykseen ja mikropollutanttien poistoon. Ohjausjärjestelmien kehittäminen on yksi potentiaalinen keino vähentää prosessissa tarvittavien materiaalien käyttöä ja tehostaa puhdistustulosta. Tämä opinnäytetyö on tehty auttamaan ohjausjärjestelmien kehitystyötä. Jätevesiprosessin ohjauksessa tärkeää on tietää, mihin asioihin tulee kiinnittää huomiota ja tuntea tietyn jätevedenkäsittelymenetelmän erityispiirteet. Jätevedenkäsittelyn tehokkuutta voidaan seurata tapauskohtaisesti määritettyjen suorituskykymittareiden avulla. Suorituskykymittarit eli tunnusluvut antavat tärkeää tietoa prosessin toiminnasta ja auttavat jätevedenpuhdistuslaitoksen optimoinnissa. Opinnäytetyön tuloksia käytetään hyödyksi Mipro Oy:n vesihuollon ohjausjärjestelmien tuotekehityksessä.

Suomessa tällä hetkellä yleisesti käytössä oleva jätevedenpuhdistusmenetelmä on perinteinen aktiivilieteprosessi (CAS). Kyseisessä prosessissa on tehostamisen tarvetta, useilla laitoksilla puhdistetun jäteveden laatu ei yllä ympäristöluvassa vaaditulle tasolle. Membraanibioreaktorilla (MBR) on potentiaalia tehostaa puhdistustuloksia. Membraanibioreaktori yhdistää aktiivilieteprosessin ja kalvosuodatuksen. Suomalaisilla puhdistamoilla on eniten parannettavaa typenpoistossa. Lisäksi perinteisellä aktiivilieteprosessilla lääkejäämien puhdistusteho on osittain heikko. MBR-puhdistetun jäteveden hygieeninen laatu on hyvällä tasolla, paremmalla kuin CAS-puhdistetulla jätevedellä. MBR:llä on saatu lupaavia tuloksia lääkejäämien ja haitta-aineiden poistosta. MBR:ssä tapahtuu myös typen poiston tehostuminen korkeamman lieteiän ja kiintoainepitoisuuden vuoksi. Pidempi viipymä edesauttaa MBR:lle ominaisen mikrobikannan syntyä.

MBR-prosessin energiankulutus on melko samalla tasolla kuin CAS, johon on yhdistetty tertiäärinen puhdistus. Tällä tavalla vertailtaessa MBR:n energiankulutus on kirjallisuustietojen mukaan 10–30 % korkeampi kuin CAS:in. Opinnäytetyöhön liittyvässä selvityksessä selvisi, että MBR:n energiankulutus on noin 0,5–1,1 kWh/m3 ja CAS:n 0,13–2,16 kWh/m3. MBR:n käyttöön siirtyminen ei välttämättä lisäisi energiankulutusta. Se kenties joissain tapauksissa jopa tehostaisi energiankäyttöä, koska puhdistamoille voitaisiin asentaa uutta energiatehokkaampaa tekniikkaa vanhentuneen tilalle.

Environmental awareness regarding waste water purification is increasing and modern technologies are already available. Membrane bioreactor (MBR) is one of those advanced technologies. It combines activated sludge process and membrane filtration unit. Membrane technology has a potential to increase the efficiency of conventional activated sludge (CAS) purification process (more efficient removal of nutrients and micro-pollutants).

Key performance indicators are important part of monitoring any process. They are a handy aid evaluating where to address resources and how to optimize processes. Automated management systems are effective tools to optimize waste water treatment and they have potential to significantly reduce pollution and spare valuable resources. The results of this thesis will be utilized developing the automated water management system of Mipro Oy.

Energy requirements of CAS and MBR cannot be compared directly. CAS complemented with tertiary purification produces similar quality effluent than MBR. Based on literature, the energy expenditure of MBR is usually around 10–30 % higher than of CAS which is complemented with tertiary purification. Energy consumption of membrane bioreactor is approximately 0,5–1,1 kWh/m3 based on literary review. Energy consumption of conventional activated sludge process is circa 0,13–2,16 kWh/m3. In some cases introduction of MBR decreases energy consumption if the CAS technology is outdated and less energy efficient than the newest MBR innovations.

Reduction of pharmaceutical residues and other micro-pollutants is partially weak using CAS. Upgrading waste water treatment to MBR enhances the removal of micro-pollutants. Removal of nitrogen is on average at low level at Finnish waste water treatment facilities, at those facilities that did not meet the standards of their environmental permit. With MBR the reduction of nitrogen may be enhanced. That occurs because using MBR purification it is possible to maintain long sludge time and high levels of suspended solids. Also typical microbes of MBR remove more nitrogen that in CAS. Longer sludge time improves the growth of nitrificating microbes. MBR produces hygienically higher quality effluent than CAS.