Sedimentin luonnollinen denitrifikaatio vesistön typpikuorman säätelijänä

Abstract

Typpeä valuu vesistöihin monista eri lähteistä, kuten pelloilta ja jätevedenpuhdistamojen puhdistetuista jätevesistä. Puhdistamojen typpi esiintyy pääsääntöisesti nitraattityppenä, joka toimii substraattina denitrifikaatioprosessissa. Denitrifikaatio on tehokas tapa poistaa typpeä vedestä muuntamalla se takaisin typpikaasuksi ilmakehään. Onnistuneen denitrifikaation edellytyksenä ovat optimaaliset olosuhteet, joista tärkeimpiä ovat sopiva hiilen lähde, pH, lämpötila sekä nitraatti- ja happipitoisuus.

Opinnäytetyön toimeksiantajana toimi Helsingin yliopiston Lammin biologinen asema. Lammin biologinen asema koordinoi N-SINK -tutkimushanketta, jonka tarkoituksena on selvittää kustannustehokkaita typenpoistomenetelmiä vesistöjen nitraattitypen poistamiseksi. Opinnäytetyön tarkoituksena oli selvittää sedimentin denitrifikaatiopotentiaalia allaskokeiden avulla valvotuissa laboratorio-olosuhteissa. Tarkoituksena oli selvittää, voidaanko typenpoistoa tehostaa ohjaamalla puhdistettu jätevesi vastaanottavan vesistön pohjasedimenttiin ja samalla aktivoida nitraattia typpikaasuksi pelkistävien bakteerien toimintaa.

Työn kirjallisuusosiossa lähteinä käytettiin monia mikrobiologiaan ja jätevedenpuhdistukseen liittyviä julkaisuja koti- ja ulkomaisista tutkimuksista. Kirjallisen selvityksen pohjalta laadittiin koesuunnitelma. Allaskokeet tehtiin kolmessa eri lämpötilassa (5 °C, 15 °C, 25 °C) kahdella eri viipymällä (2,5 vrk ja 5,5 vrk). Lämpötilat vastasivat vuodenaikaisia lämpötilavaihteluita luonnossa. Viipymäajan muutoksella pystyttiin vaikuttamaan nitraatin saatavuuteen denitrifikaatioprosessissa. Nitraattitypen vähenemä laskettiin syötteen ja poisteen nitraattitypen vähenemänä.

Tulosten mukaan sekä korkea lämpötila, että nitraattipitoisuus lisäävät denitrifikaatiota. Kesäkuukausina, jolloin rannan sedimentit lämpenevät voi-makkaasti, on sedimenttisuodatusjärjestelmällä mahdollista poistaa typpeä tehokkaasti.

Nitrogen is loading water systems from many different sources, for example from the fields and purified sewage water of wastewater treatment plants. The nitrogen from the wastewater treatment plants occurs in general as nitrate, which works as a substrate in the denitrification process. Denitrification is an effective way to remove nitrogen from the water and convert it to atmospheric nitrogen gas. A prerequisite for a successful denitrification are the optimal conditions, where the most important ones are a suitable carbon source, pH, temperature and the concentration of nitrate and oxygen.

This Bachelor’s thesis was commissioned by Lammi Biological Station of the University of Helsinki. Lammi Biological Station is coordinating N-SINK-project, which aims to demonstrate cost efficient wastewater treatment processes for nitrogen removal. The purpose of this study was to determine the sediment denitrification potential by pool tests under controlled laboratory conditions. The aim was to find out the possibility of removing nitrogen more effectively by controlling the purified waste water which is discharged into the sediment of receiving water and at the same time activating the nitrogen reducing bacteria.

Many domestic and foreign studies related to microbiology and wastewater treatment were used as the sources of literature review in this study. Based on the literature review a plan for pool tests was drawn up. The pool tests were carried out at three different temperatures (5 °C, 15 °C, 25 °C) and two retention times (2.5 days and 5.5 days). The experimental temperatures resembled the variations of temperatures in nature. The changing of retention time could affect the availability of nitrate in denitrification processes. Nitrate nitrogen reduction was determined by calculating the difference of nitrate inlet and nitrate outlet.

The results of the thesis show that both a high temperature and nitrate concentration increase denitrification at a temperature of 25 °C. During the summer, when the littoral sediments are strongly heated nitrogen can be removed efficiently by using a sediment filtration system.