Veden typpipitoisuuden vähentäminen biologisen typenpoiston avulla

Abstract

Kaatopaikkavesien haitta-aineiden puhdistusmenetelmien kehittäminen vaa-tii jatkuvasti uutta tutkimustyötä. Myös Xamkin tutkimus-, kehitys- ja innovaa-tiotoiminta on suorittanut jo useita hankkeita liittyen monihaitallisten kaato-paikka- ja jätevesien puhdistukseen. Opinnäytetyön toimeksiantaja AWE – Arctic Water Excellence jatkaa toimivien ja kustannustehokkaiden puhdis-tusmenetelmien tutkimusta. Opinnäytetyön kokeet suoritettiin XAMKin labora-torion tiloissa vuoden 2024 kevään aikana.

Tässä opinnäytetyössä tutkittiin puhdistettavan veden typpipitoisuuden vä-hentämistä biologisen nitrifikaatio-denitrifikaatioprosessin avulla. Luonnossa tätä prosessia tapahtuu jatkuvasti ja se on osa suurempaa typen kiertoa ym-päristössä. Prosessin avaintekijöinä on joukko erilaisia mikro-organismeja, joi-ta esiintyy kaikkialla luonnossa. Ensin nitrifikaatiobakteerit hapettavat solu-hengityksessään vedessä olevaa ammoniumtyppeä (NH4) nitriitiksi (NO2) ja edelleen nitraatiksi (NO3). Tämän jälkeen anaerobisissa oloissa denitrifikaa-tiobakteerit pelkistävät nitriitin ja nitraatin typpikaasuksi, joka pääsee vapau-tumaan ilmaan. Tällä tavalla veteen liuennut, ammoniumionin typpi palaa ta-kaisin luonnon kiertoon ja eliöiden ravinteeksi.

Opinnäytetyössä rakennettiin laboratoriomittakaavan koelaitteisto. Se koostui kahdesta noin 26 litran altaasta, joista yhteen lisättiin puhdistettavan veden lisäksi akvaariohapetin ja toiseen nitrifikaatio-denitrifikaatioprosessin vaati-maa haketta ja biohiiltä sekä puhdistettavaa vettä niin paljon kuin mahtui. Kokeen aikana puhdistettavasta vedestä mitattiin mm. happamuutta, liukoi-sen hapen määrää, nitraattityppeä, nitriittityppeä, ammoniumtyppeä, koko-naistyppeä. Mittauksissa käytettiin jatkuvatoimisia mittareita sekä spektrofo-tometrianalyysejä ja Kjeldahl-typpimittausta.

Saatujen tulosten perusteella voidaan todeta puhdistettavan veden sisältä-män typpipitoisuuden laskeneen lähes olemattomiin. Epävarmuutta mene-telmän toimivuudesta lisää kaatopaikkavesien runsaat haitta-ainemäärät. Opinnäytetyöstä saatuja tuloksia voidaan hyödyntää tulevissa AWE-hankkeen tutkimuksissa.

New methods of wastewater purification are constantly being researched. Seepage water in landfills is an especially problematic category of wastewater because it tends to contain elevated levels of toxins Research, development, and innovation efforts of Xamk have already had several pro-jects researching new methods of purification. The commissioner of this the-sis project, Xamk’s AWE – Arctic Water Excellence project, set an objective to expand on previously conducted experiments in reducing nitrogen levels of highly polluted water using the nitrification-denitrification-process.

Nitrification-denitrification-process is a natural phenomenon with two distinct phases. In the first phase, nitrification bacteria turn ammonium (NH4) in water into nitrite (NO2) and further into nitrate (NO3) by oxidization. During the sec-ond phase, denitrification bacteria in anaerobic conditions reduce the nitrite and nitrate so that the nitrogen gas can evaporate into the air. Thus, the ni-trogen in ammonium is released back into the nitrogen cycle and is, once again, available for the biosphere to reuse.

For this thesis project, a laboratory-scale experiment was set up, that consist-ed of two 26-litre containers. One of them contained most of the sample water and a simple aquarium oxygenator, and the other container some wood chips and biochar. The latter was then filled up with sample water. The sample wa-ter was collected from a local landfill’s water basin. A pump was set up be-tween the containers that constantly circulated the water inside the system. Different parameters were measured from the water (e.g., dissolved oxygen, pH-level, nitrite nitrogen, nitrate nitrogen, ammonium nitrogen, total nitrogen), using continuous monitors, spectrophotometer analysis and Kjeldahl nitro-gen measuring.

According to the findings of this thesis project, the purification methods uti-lized worked well, lowering the ammonium levels almost to zero. Some uncer-tainty in the usability of this method of water denitrification is raised by the vast difference between one water source and the next, as well as possible differences in toxic compounds they might contain, which might affect the ef-ficiency of the method used here. A method that works satisfactorily for one body of water might not work so well for another. Despite this, the results ob-tained in this thesis can be utilized in AWE-project’s further research.