Mixed bed –suodatus osana vedenpuhdistusprosessia

Aalto-yliopisto
Teknillinen korkeakoulu
Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta
Yhdyskunta- ja ympäristötekniikan tutkinto-/koulutusohjelma
Sophia Zolas
Mixed bed –suodatus osana
vedenpuhdistusprosessia
Diplomityö
Espoo 31. toukokuuta 2010
Valvoja:
Professori Riku Vahala
Ohjaaja:
Kirsi Hiillos, DI
Aalto-yliopisto
Teknillinen korkeakoulu
Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta
Yhdyskunta- ja ympäristötekniikan
DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ
tutkinto-ohjelma/koulutusohjelma
Tekijä:
Sophia Zolas
Työn nimi:
Mixed bed –suodatus osana vedenpuhdistusprosessia
Sivumäärä: 114
Päiväys: 31.5. 2010
Professuuri:
Vesihuoltotekniikka
Työn valvoja:
Professori Riku Vahala
Työn ohjaaja(t):
Julkaisukieli: Suomi
Professuurikoodi:
Yhd-73
Kirsi Hiillos, DI
Tiivistelmä:
Tutkimuksessa tutkittiin laitosmittakaavassa mixed bed –suodatuksen soveltuvuutta osaksi
HSY Veden Pitkäkosken vedenpuhdistuslaitoksen pintavedenpuhdistusprosessia. Mixed bed
–suodattimen suodatinmateriaali oli 1/3 Nordkalk Parfill 2/1500- kalkkikivirouhetta ja 2/3
murskattua kvartsihiekkaa. Kalkkikivirouheen raekoko oli noin 0,5 – 1,5 mm ja hiekan 0,5 –
1,0 mm. Suodatinpatjan lähtökorkeus oli noin 1,1 m. Mixed bed –suodattimen toimintaa
verrattiin hiekkasuodattimen toimintaan. Suodattimille tuleva vesi oli selkeytettyä vettä.
Mixed bed –suodatin poisti huomattavasti hiekkasuodatinta paremmin partikkeleita vedestä.
Tämä näkyi sameuden poistossa ja rautareduktiossa. Erinomaisesta partikkelien
pidätyskyvystä johtuen mixed bed –suodattimen paine-ero kasvoi nopeammin kuin
hiekkasuodattimen. Mixed bed –suodattimen pesuväli oli yli kaksinkertainen
hiekkasuodattimen pesuväliin verrattuna.
Kalkin liukenemisesta johtuen veden pH, alkaliniteetti ja kovuus nousivat sen virratessa
suodatinmateriaalin läpi. Samalla vedestä kului hiilidioksidia. Kalkin kuluessa suodatinpatjan
korkeus pieneni, jolloin kontaktiaika myös lyheni. Siitä johtuen suodattimen pH:n,
alkaliniteetin ja kovuuden nostokyky pieneni tasaisesti sitä mukaa, kun kalkkia kului. Kalkin
kulumisnopeus oli noin 24 g/m3.
Tutkimuksen perusteella olisi suositeltavaa korvata mahdollisimman moni suodatusosaston
hiekkasuodattimista mixed bed –suodattimilla. Kalkkia kannattaa lisätä suodattimiin usein ja
pieniä määriä kerralla, jotta vältytään pH- piikeiltä. Mitä korkeammaksi suodatusosaston
pH:n voidaan antaa nousta, sitä korkeampi on alkaliniteetti lähtevässä vedessä ja sitä
vähemmän alkaloivia kemikaaleja veteen tarvitsee syöttää prosessin loppuosassa, mikä
alentaa kemikaalikustannuksia.
Asiasanat: Alkalointi, kalkkikivi, mixed bed, pintavesi, suodatus, vedenpuhdistus
2
Aalto University
School of Science and Technology
Faculty of Engineering Sciences and Architecture
ABSTRACT OF THE
MASTER’S THESIS
Degree programme of Civil and Environmental
Engineering
Author:
Sophia Zolas
Title:
Mixed bed filtration as a part of a water treatment process
Number of pages: 114
Date: 31.5.2010
Professorship:
Water treatment technology
Supervisor:
Professor Riku Vahala
Instructor(s):
Kirsi Hiillos, M.Sc.
Language: Finnish
Code:
Yhd-73
Abstract:
This research is about studying the feasibility of a mixed bed filter to the water treatment process of
Pitkäkoski water treatment facility at HSY Vesi in process scale. The filter bed of the mixed bed
filter consisted of 1/3 of Nordkalk Parfill 2/1500 crushed limestone and 2/3 of crushed quartz sand.
The grain size of the crushed limestone was approximately 0,5 – 1,5 mm and of the quartz sand
about 0,5 – 1,0 mm. In the beginning of the study the height of the filter bed was about 1,1 m. The
functioning of the mixed bed filter was compared to that of a plain sand filter. The water that was
filtrated by both filters came from the clarification process.
The mixed bed filter reduced particles from the water far better than the sand filter. This showed by
high turbidy and iron reduction. Due to the excellent particle constraint the head loss in the mixed
bed filter increased more rapidly than in the sand filter. The back wash interval of the mixed bed
filter was over twice the time compared to that of the sand filter.
Due to the dissolution of the limestone the pH, alkalinity and hardness of the water increased as it
streamed through the filter bed. Simultaneously some of the carbon dioxide in the water was
consumed. As the limestone dissolved the height of the filter bed decreased leading to an ever
briefer contact period. Consequently the filter’s ability to raise the pH, alkalinity and hardness of
the water decreased as the limestone dissolved away. The dissolution rate of the limestone was
approximately 24 g/m3.
According to this study it is recommendable to replace as many sand filters in the process as
possible with mixed bed filters. The crushed limestone should be added frequently and small
amounts at a time to avoid pH peaks. The higher the pH of the filter appartment can be raised to the
higher the alkalinity of the water will be. Thus during the rest of the treatment process the need for
alkalinization decreases and less chemicals are needed, which leads to decreasing chemical costs.
Keywords: Alkalinization, filtration, limestone, mixed bed, surface water, water treatment
3
ALKUSANAT
On toukokuu ja diplomityöni alkaa olla pikku hiljaa valmis. Tähän kuuteen
kuukauteen on mahtunut paljon töitä ja vähän vapaa-aikaa. Joulukuussa 2009
aloitin
diplomityöurakkani
Helsingin
Veden
Pitkäkosken
vedenpuhdistuslaitoksella. Kuntayhtymän myötä vuoden vaihteessa Helsingin
Vedestä tuli HSY Vesi. Tutkimusosuuteni sain päätökseen maaliskuun lopulla,
minkä jälkeen alkoi ahkera kirjoittaminen.
Näin valmistumisen kynnyksellä haluan kiittää lämpimästi kaikkia, jotka ovat
osallistuneet ja auttaneet minua tämän työn tekemisessä. Ensinnäkin haluan kiittää
Vuorilehdon Veli-Pekkaa siitä, että sain tehdä diplomityöni Pitkäkosken
vedenpuhdistuslaitoksella ja ohjaajaani Kirsi Hiillosta kaikesta avusta ja
kommenteista. Suuret kiitokset kuuluvat käyttölaboratorion väelle, sillä he tekivät
osan analyyseistäni ja helpottivat huomattavasti työtäni. Suurkiitokset siis
Bildjusckinin Sarille, Munckin Kirsille, Heinosen Juhalle, Kinnarin Markolle,
Laakson Tuulalle, Lindellin Liisalle ja Tammen Elinalle. Erityisesti haluan kiittää
Heinosen Juhaa ja Seittenrannan Ismoa, kahta tukihenkilöä, joilta sain aina hyviä
neuvoja ja ratkaisun pulmiini. Vilja Voutilaista haluan kiittää hyvästä
taustatutkimuksesta ja mukavasta seurasta. Kiitokset kaikille työtovereilleni
Pitkäkoskella, olette niin mukavaa porukkaa, että työympäristö on kerrassaan
erinomainen! Mari Piispanen (Nordkalk Oyj Abp), kiitos yhteistyöstä ja kaikista
antamistasi tiedoista. Haluan myös kiittää professoriani, Riku Vahalaa,
palautteesta ja tuesta. Lopuksi haluan vielä kiittää ystäviäni ja kotijoukkojani,
erityisesti puolisoani Mikko Paijaa, kaikesta tuesta ja kannustuksesta.
Helsingissä 19.5.2010
Sophia Zolas
4
SISÄLLYSLUETTELO
1
JOHDANTO
9
1.1
Taustaa
9
1.2
Tutkimus
9
1.3
Tavoitteet
10
2
KALKKIKIVI, -ALKALOINTI JA -SUODATUS
12
2.1
Kalkkikiven ominaisuudet
12
2.2
Kalsiumkarbonaatin liukeneminen veteen
13
2.3
Kalkkikivialkalointi
15
2.4
Suositeltava veden laatu kalkkikivialkaloinnille
18
2.5
Raudan ja mangaanin poistuminen kalkkikivisuodatuksessa
19
2.6
Sameuden ja partikkelien poisto
20
2.7
Kalkkikivisuodattimen mitoitus
27
2.8
Korroosion estäminen
28
2.9
Kalkkikiven kuluminen
31
2.10
Mikrobiologisen laadun hallinta
32
3
PROSESSINOSAT
34
3.1
Pitkäkosken vedenpuhdistuslaitoksen prosessi
34
3.2
Raakavedenotto
35
3.3
Alkukemikalointi
35
3.4
Hämmennys
36
5
3.5
Selkeytys
36
3.6
Hiekkasuodatus
37
3.7
Mixed bed -suodatus
37
3.8
Jälkikemikalointi 1
38
3.9
Otsonointi
39
3.10
Jälkikemikalointi 2
39
3.11
Aktiivihiilisuodatus
39
3.12
UV- desinfiointi
40
3.13
Jälkikemikalointi 3
40
4
KALKKIVEDEN VALMISTUS
41
4.1
Yleistä kalkkituotteista
41
4.2
Poltettu kalkki
42
4.3
Poltetun kalkin sammutus
43
4.4
Sammutettu kalkki
46
4.5
Kalkkiveden valmistus sammutetusta kalkista
48
4.5.1 Laitoksella sammutettu kalkki
48
4.5.2 Valmiiksi sammutettu kalkki
49
4.6
Poltettua vai sammutettua kalkkia
50
5
TUTKIMUSMENETELMÄT
52
5.1
Valmistelut
52
5.2
Kalkkikivi
53
5.3
Laitteisto
54
5.3.1 Suodattimien mitat
54
5.3.2 Suodatinmassojen määrät
55
5.3.3 Suodattimien pohjaratkaisut sekä pesumahdollisuudet
55
5.3.4 Pesuvesitorni
55
6
5.3.5 Ilmansyöttölaitteisto
55
5.3.6 Kalkinsyöttölaitteisto
56
5.4
Online- mittaukset
56
5.5
Pesurajojen määritys ja pesujärjestelyt
56
5.6
Analyysit ja niiden suoritustapa
63
5.6.1 Lämpötila
63
5.6.2 PH- mittaus
63
5.6.3 Sameusmittaus
63
5.6.4 UV- absorbanssin mittaus
64
5.6.5 TOC- määritys
64
5.6.6 Kovuus
64
5.6.7 Hiilidioksidi
64
5.6.8 Alkaliniteetti
64
5.6.9 Rautamääritys
65
5.6.10 Kolimuotoiset bakteerit ja Escherichia coli, colilert quanti- tray -menetelmä
65
5.6.11 Kokonaismikrobit R2A- alustalla
65
5.7
Muut seurattavat asiat
65
5.8
Kalkin lisäys
66
5.9
Tutkimuksessa ilmenneitä ongelmia
66
6
TULOKSET JA NIIDEN TARKASTELU
68
6.1
Suodatinpatjan paksuuden kehitys
68
6.2
Pesutulokset
69
6.3
Lämpötilan kehitys
71
6.4
Sameus
72
6.5
PH- arvot
74
6.6
Alkaliniteetti
75
6.7
Kovuus
77
6.8
Hiilidioksidi
78
6.9
Rautamääritykset
79
7
6.10
UV- absorbanssi
81
6.11
Orgaaninen kokonaishiili
82
6.12
Kokonaismikrobit R2A- alustalla
83
6.13
Kolimuotoiset bakteerit ja Escherichia coli
84
6.14
Paine-eron ja sameuden kehitys suodattimissa
84
6.15
Mixed bed –suodattimen paine-erot ja pohjaventtiilin aukioloprosentit
87
6.16
Suodattimien paine-erovertailua
88
6.17
Sameusvertailua
89
6.18
Jatkuvatoimiset pH- mittaukset
92
6.19
Mixed bed –suodoksen ja hiekkasuodoksen yhdistäminen sopivan pH:n
saavuttamiseksi
94
6.20
Alkalointikemikaalien muutoksista aiheutuvat kustannukset
95
7
JOHTOPÄÄTÖKSET JA SUOSITUKSET
98
7.1
Johtopäätökset
98
7.2
Suosituksia jatkotutkimuksille
102
7.2.1 Suodatusvirtaaman muuttaminen
102
7.2.2 Kalkkikivirouheen ja hiekan suhde suodattimessa
103
7.2.3 Suodatinpatjan korkeuden määrittäminen
103
7.2.4 Pesusekvenssit
104
7.2.5 Kalkin lisääminen
104
7.2.6 Kalkkikivirouhetta tavalliseen hiekkasuodattimeen
105
7.2.7 Kalkkikivirouheen kuluminen
105
7.2.8 Kalkkiveden valmistus
105
8
LÄHDELUETTELO
106
9
LIITTEET
110
8
1 JOHDANTO
1.1
Taustaa
HSY
Veden
Pitkäkosken
vedenpuhdistuskapasiteettia
vedenpuhdistuslaitoksella
lähivuosina,
joten
on
tarkoitus
mahdollisuudet
nostaa
kapasiteetin
nostoon on kartoitettava. Suunnitelmissa on myös lakkauttaa toinen suodatushalli,
joten jatkossa käytössä olisi kahden sijaan vain yksi suodatushalli, PK1. Eräs
kapasiteetin nostoa rajoittava tekijä on kalkkiveden valmistuksen riittävyys.
Kalkkivettä käytetään puhdistusprosessin eri osissa pH:n ja alkaliniteetin nostoon.
Sitä valmistetaan poltetusta kalkista. Kalkkivedenvalmistuslaitteiston kapasiteetti
ei riitä, mikäli vedenpuhdistuskapasiteettia nostettaisiin nykyisestä 5500 m3/h
7000:een kuutiometriin tunnissa tai jopa maksimissaan 9000:een kuutiometriin
tunnissa. Päätettiin tutkia, voitaisiinko korvata kokonaan tai osittain kalkkiveden
käyttöä mixed bed –suodattimilla, joissa osa suodatinmassasta on hiekkaa ja osa
kalkkikivirouhetta.
1.2
Tutkimus
Tutkimus
tehdään
HSY
Veden
Pitkäkosken
vedenpuhdistuslaitoksella
laitosmittakaavassa. Tarkoituksena on tutkia, olisiko kannattavaa korvata mixed
bed- suodattimilla joko kokonaan tai osittain pH:n säätö kalkkivedellä
hiekkasuodatuksen jälkeen. Lisäksi esitetään kirjallisuustutkimuksen pohjalta,
mitä etuja ja haittoja olisi sillä, että käytettäisiin valmiiksi sammutettua kalkkia
kalkkiveden valmistukseen, eikä poltettua kalkkia, kuten tällä hetkellä.
Mixed bed- suodatusta tutkitaan, jotta saataisiin selville, miten suodattimeen
syötettävän veden laatu muuttuu, kun se kulkee suodattimen läpi, sekä mitä hyviä
ja huonoja puolia suodatustekniikassa on. Pyritään punnitsemaan, saavutetaanko
suodatustekniikasta riittävästi hyötyä tarpeeksi vähillä kustannuksilla.
9
Mikäli
tutkimuksen
perusteella
mixed
bed-
suodatus
osoittautuu
käytännöllisemmäksi ja edullisemmaksi kuin nykyinen kalkkiveden käyttö,
voidaan osa hiekkasuodattimista korvata mixed bed- suodattimilla ja kaikilta
suodattimilta tuleva vesi sekoitetaan yhteen sellaisessa suhteessa, että veden pHarvo olisi sopiva seuraavaa prosessivaihetta varten. Toinen vaihtoehto on korvata
kaikki hiekkasuodattimet mixed bed –suodattimilla.
Mixed bed- suodattimen kalkkikiven laatu sekä kalkkikivirouheen ja hiekan suhde
suodattimessa määräytyvät Vilja Voutilaisen (2010) diplomityön tuloksien
perusteella. Voutilainen on diplomityössään tehnyt taustatutkimuksia aiheesta
koelaitosmittakaavassa.
1.3
Tavoitteet
Tutkimuksen tavoitteena on tutkia mixed bed- suodatuksen toimintaa sekä
kalkkiveden valmistusta poltetusta ja sammutetusta kalkista, jolloin tuloksien
perusteella pyritään päättelemään, mikä seuraavista vaihtoehdoista olisi edullisin
ja käytännöllisin muutos vedenpuhdistusprosessiin:
1) Korvataan osittain tai kokonaan mixed bed- suodatuksella jälkikemikalointi
1:sen kalkkiveden syöttö ja syötetään jälkikemikalointi 3:seen poltetusta kalkista
valmistettua kalkkivettä.
2) Korvataan osittain tai kokonaan mixed bed- suodatuksella jälkikemikalointi
1:sen kalkkiveden syöttö ja syötetään jälkikemikalointi 3:seen sammutetusta
kalkista valmistettua kalkkivettä.
3) Korvataan osittain tai kokonaan mixed bed- suodatuksella jälkikemikalointi
1:sen kalkkiveden syöttö ja käytetään jälkikemikalointi 3:sessa jotain muuta pH:n
säätökemikaalia, esim. lipeää.
10
4) Ei mikään edellisistä, vaan pysytään vanhassa toimintatavassa ja korkeintaan
pyritään kehittämään sitä.
Jos jälkikemikalointi 1:sen kalkkiveden syöttö korvataan osittain mixed bedsuodatuksella,
tulee
pohtia,
missä
suhteessa
mixed
bed-
suodosta
ja
hiekkasuodosta olisi kannattavaa sekoittaa yhteen, jotta sekoitetun veden laatu
olisi sen tasoista kuin jalkikemikalointiallas 1:ssä tutkimushetkellä. Lisäksi tulee
ottaa huomioon mixed bed –suodoksen tai yhdistelmäsuodoksen vedenlaatu,
erityisesti pH:n ja alkaliniteetin osalta, eli täyttääkö se vaatimukset seuraavaa
prosessivaihetta ja koko loppuprosessia varten.
11
2 KALKKIKIVI, -ALKALOINTI JA -SUODATUS
2.1
Kalkkikiven ominaisuudet
Kalkkikivi on muodostunut esihistoriallisena aikana eläneiden vesieliöiden (mm.
korallit ja simpukat) tukirangoista ja kuorista. Muodostuminen on tapahtunut
satoja
miljoonia
vuosia
kestäneissä
geologisissa
prosesseissa.
Suomen
kalkkikiviesiintymät ovat vanhoja, ne ovat muodostuneet noin 1-2 miljardia
vuotta sitten. Eri esiintymien syntyhistoria ja muodostumisolosuhteet ovat
kuitenkin voineet erota paljonkin toisistaan, minkä takia kalkkikiven kemiallinen
koostumus ja liukoisuus eli reaktionopeus hiilidioksidin kanssa voivat vaihdella
riippuen kalkkikiven alkuperästä. (Meriluoto 2002)
Alkaloinnissa
käytettävä
kalkkikivirouhe
ei
ole
koskaan
kokonaan
kalsiumkarbonaattia, vaan se myös sisältää jonkin verran muita yhdisteitä.
Kalkkikivirouheen kalsiumkarbonaattipitoisuus on yleensä yli 92 % ja
raskasmetallien pitoisuudet ovat erittäin alhaiset. (Meriluoto 2002)
Meriluodon (2002) mukaan eri karbonaattikivilajit luokitellaan niiden sisältämän
magnesiumpitoisuuden
(Mg)
perusteella
ja
koska
magnesiumpitoisuus
määritetään tavallisesti magnesiumoksidina (MgO), jaotellaan eri kivilajit
taulukon 1 mukaisesti.
Taulukko 1. Karbonaattikivilajien luokitus.
Luokitus
MgO- pitoisuus
Kalkkikivi (kalsiumkarbonaatti) < 2 %
Dolomiittinen kalkkikivi
2-9%
Dolomiitti
>9%
12
2.2
Kalsiumkarbonaatin liukeneminen veteen
Kalsiumkarbonaatti liukenee veteen reaktioyhtälön (1) mukaisesti. Reaktiossa
veden hiilidioksidipitoisuus alenee ja kalsium- sekä bikarbonaattipitoisuudet
nousevat. Tällöin veden kovuus ja alkaliniteetti nousevat. Veden kovuus nousee
reaktiossa vapautuvan kalsiumin takia ja reaktiossa muodostuva bikarbonaatti
puolestaan
nostaa
veden
alkaliniteettia.
Reaktion
edelleen
jatkuessa
kalsiumkarbonaattia saostuu. Tällöin veden kalsium- ja bikarbonaattipitoisuudet
pienenevät. Tasapainopisteessä liukeneminen ja saostuminen tapahtuvat yhtä
nopeasti. Vesi on silloin kalkki-hiilidioksiditasapainossa. (Meriluoto 2002)
Kalkkikiven, hiilidioksidin ja veden reaktioyhtälö:
CaCO3 (s) + CO2 (aq) + H2O
Ca2+ (aq) + 2HCO3- (aq)
(1)
Kalkkikivipartikkelin ja ympäröivän veden välissä on diffuusiorajakerros, jossa
kalsiumioneja sekä bikarbonaattia poistuu partikkelista ja toisaalta vettä ja
hiilidioksidia siirtyy partikkeliin. (Hietala 2000). Tätä on havainnollistettu
kuvassa 1.
Kuva 1. Kalkkikivipartikkelin liukenemisreaktiot hiilidioksidia sisältävässä vedessä.(Hietala 2000)
Kun
kiinteä
aine
liukenee
veteen,
tapahtuu
useita
osareaktioita.
Kalsiumkarbonaatin liukenemista voi rajoittaa partikkelin pinnan ja ympäröivän
nesteen
väliset
kuljetusprosessit.
Liukoiset
13
reaktiotuotteet
kulkeutuvat
partikkelista nesteeseen. Kuljetus perustuu diffuusioon ja tapahtuu kuten kuvassa
1 noudattaen Fickin ensimmäistä lakia, joka on esitetty yhtälössä (2) (Morse
1990).
Fickin ensimmäinen laki:
Ji
Di
* Ci
r
(2)
Ci
Ji = komponentin i moolivuo
Di = diffuusiokerroin
C i = komponentin i konsentraatio tasapainotilassa
Ci = komponentin konsentraatio bulk- nesteessä
r = rajakerroksen paksuus
Fickin laissa on kyse diffuusion aiheuttamasta moolivuosta pinta-alayksikön läpi.
Morse kuvaa liukenemisnopeutta yhtälöllä (3) olettamalla partikkelille pinta-ala
A. Diffuusio noudattaa kyseisessä yhtälössä esitettyä Fickin lakia.
R
Di * A
* Ci
r
(3)
Ci
R = liukenemisnopeus
A = liukenevan partikkelin kokonaispinta-ala
r = partikkelin säde
C i = komponentin i konsentraatio tasapainotilassa
Ci = komponentin i konsentraatio bulk- nesteessä
Yhtälöiden (2) ja (3) mukaan diffuusiota on mahdollista nopeuttaa joko
diffuusiorajakerrosta ohentamalla tai konsentraatioeroa lisäämällä. Rajakerrosta
voidaan ohentaa tai poistaa se kokonaan leijuttamalla kalkkikivirakeita nesteessä.
Antolan (1998) tutkimuksien mukaan kyseinen menetelmä ei kuitenkaan
osoittautunut kovin tehokkaaksi. Konsentraatioeroa voidaan puolestaan nostaa
hiilidioksidin
lisäyksellä.
Suodattimelle
hiilidioksidipitoisuus johtaa Hedbergin (et
tulevan
veden
korkea
al. 1983) mukaan korkeaan
alkaliniteettiin ja kovuuteen, mutta tällöin Hietalan (2000) mukaan pH- arvo jää
usein matalaksi.
14
Kaavan (3) mukaan, jos partikkelin pinta-ala suhteessa sen säteeseen kasvaa,
nousee myös liukenemisnopeus. Pinta-alan suhde säteeseen on sitä suurempi, mitä
rosoisempi ja kulmikkaampi on partikkelin pinta.
Kalkkikivirouheen raekoolla on erittäin suuri vaikutus reaktionopeuteen.
Pienirakeisilla
partikkeleilla
on
suuri
rakeiden
kontaktipinta-ala,
joten
alkaloituminen tapahtuu nopeasti. Partikkelin kontaktipinta-ala on kääntäen
verrannollinen sen raekokoon, eli raekoon pienentyessä kontaktipinta-ala kasvaa.
(Meriluoto
2002).
Tämä
vaikuttaa
myös
suodatustulokseen
kalkkikivisuodattimessa yhdessä kalkkikivipartikkelien muodon kanssa.
Lämpötilalla on myös vaikutusta kalkkikiven liukenemiseen. Kalsiumkarbonaatti
liukenee paremmin lämpimään veteen, kun taas sammutettu kalkki liukenee
paremmin kylmään veteen. (Weppling 1998)
Merkittävin yksittäinen tekijä kalsiumkarbonaatin liukenemiseen on kontaktiajan
pituus. Kontaktiajan kasvaessa liukenemista ehtii tapahtua enemmän. (Benjamin
et al. 1992). PH, kovuus sekä alkaliniteetti nousevat, kun veden viipymä
kalkkikivisuodattimessa kasvavat, mutta vain tiettyyn pisteeseen asti (Meriluoto
2002).
2.3
Kalkkikivialkalointi
Veden alkaloinnin voi toteuttaa joko ilmastamalla hiilidioksidi pois tai lisäämällä
veteen alkalointikemikaalia (eli emästä). Emäs neutraloi veden sisältämää
hiilidioksidia bikarbonaatiksi, eli veden vapaa hiilidioksidi (CO2) alkaa sitoutua
bikarbonaatiksi (HCO3 -). Samalla veden pH nousee ja kalkkipohjaisissa
menetelmissä kalsiumpitoisuuden kohoamisen seurauksena nousee myös veden
kovuus. Yleisesti vesilaitoksilla käytetään alkaloinnissa seuraavia kemikaaleja:
- lipeä (natriumhydroksidi)
- sammutettu kalkki (kalsiumhydroksidi)
- poltettu kalkki (kalsiumoksidi)
15
- sooda (natriumkarbonaatti)
- kalkkikivi (kalsiumkarbonaatti)
(Meriluoto 2002)
Lipeä ja sooda eivät nosta veden kovuutta. Siksi hiilidioksidin ja kalkin käyttö
alkaloinnissa on suositumpaa varsinkin suuremmilla vesilaitoksilla. (Meriluoto
2002) Poltettu kalkki sammutetaan ennen käyttöä, mutta valmiiksi sammutetusta
kalkista voidaan valmistaa suoraan kalkkivettä, jolla vesi alkaloidaan. (Heikkinen
1977) Sammutetun kalkin ja hiilidioksidin välinen reaktioyhtälö on esitetty alla:
Ca(OH)2 + 2 CO2 -> Ca2+ + 2 HCO3-
(4)
Vertailemalla reaktioyhtälöitä (1) ja (4) huomataan, että yhtälössä (4) tarvitaan
kaksinkertainen määrä hiilidioksidia, jotta saadaan sama kalsiumpitoisuus kuin
yhtälössä (1). Tämä tarkoittaa sitä, että kalkkikivialkalointi on tehokkaampaa kuin
sammutetulla kalkilla alkalointi.
Alkaliniteetti, eli hapon kulutus, kuvaa eräiden negatiivisten ionien (HCO3-,
CO32-, OH -, HSiO3 -, HPO42-, HS -) yhteismäärää vedessä. Nämä ionit reagoivat
ekvivalenttisesti titraukseen käytetyn hapon vetyionien kanssa. Alkaliniteetin
aiheuttavat ensisijaisesti heikkojen happojen ja vahvojen emästen suolot. Suolot
muodostavat veteen puskurikapasiteettia, joten alkaliniteettia voidaan pitää
puskurikapasiteetin mittana. (Isoaho & Valve 1986)
Alkaloinnin tarkoituksena on sitoa veden vapaa hiilidioksidi bikarbonaatiksi.
Veden kokonaishiilidioksidipitoisuus on vapaan ja sidotun hiilidioksidin summa.
Sidottu
hiilidioksidi
ilmaisee
veden
sisältämän karbonaatin (CO32-)
ja
bikarbonaatin (HCO3 -) määrää. Vedessä olevan vapaan hiilidioksidin, karbonaatin
ja bikarbonaatin suhteelliset osuudet määräytyvät veden pH- arvon mukaan.
Kuten kuvassa 2 on esitetty, hiilidioksidipitoisuus on huipussaan pH- arvossa 4 ja
pienenee pH:n kasvaessa. Karbonaattiosuus on puolestaan huipussaan pH- arvossa
14 ja pienenee pH:n laskiessa. Bikarbonaattihuippu on noin pH- arvossa 8,5.
(Meriluoto 2002)
16
Kuva 2. Vedessä esiintyvän vapaan hiilidioksidin, bikarbonaatin ja karbonaatin suhteelliset
osuudet eri pH- arvoissa. (Meriluoto 2002)
Kalkkikivialkaloinnissa alkaloitava vesi johdetaan kalkkikivirouhepatjan läpi.
Kalkkikivialkalointia suositaan sen turvallisuuden, helppohoitoisuuden ja
toimintavarmuuden takia. PH ei voi nousta liian korkealle, vaaralliselle tasolle,
eikä ole kemikaalien yliannostusvaaraa. Huonona puolena kalkkikivialkaloinnissa
ovat korkeat investointikustannukset kilpaileviin menetelmiin nähden, lähinnä
lipeän ja soodan syöttöön verrattuna. Kalkkikivialkaloinnin käyttökustannukset
ovat kuitenkin edulliset. Etuna kalkkikivialkaloinnissa on myös se, että se nostaa
veden
kovuutta,
eli
veden
korroosio-ominaisuudet
pienenevät.
Kalkkikivialkalointi ei vaadi investointia syöttöpumppuihin. Lisäksi veden pHarvo muuttuu hyvin hitaasti kalkin kuluessa, mikäli virtaama ja sitä myötä
kontaktiaika pysyvät tasaisina. (Meriluoto 2002)
Kalkkikiveä voi saostua lämminvesilaitteisiin, jopa joskus kylmänä putkistoon.
Tämä
johtuu
siitä,
bikarbonaattipitoisuudet
että
kohota
vettä
alkaloitaessa
tasolle,
jossa
voivat
vedestä
kalsiumalkaa
ja
saostua
kalsiumkarbonaattia, eli kalkkikiveä. (Meriluoto 2002). Sama ilmiö esiintyy aina,
17
kalkkituotteita käytettäessä alkalointiin. Mitä kovempaa vesi on, sitä helpommin
kalkkia saostuu vesilaitteisiin.
Alkaloinnissa käytettävä kalkkikivi on kalsiumkarbonaattia. Myös dolomiittia on
kokeiltu alkalointiin. Se ei nosta veden kalsiumpitoisuutta yhtä paljon kuin
kalkkikivialkalointi,
minkä
takia
kalkkikiven
saostumisriski
kiinteistöjen
lämminvesilaitteisiin pienenee. Kuitenkaan testatut dolomiittierät eivät reagoi
hiilidioksidin
kanssa
yhtä
nopeasti
kuin
kalkkikivi,
eli
dolomiitin
liukenemisnopeus veteen on selkeästi pienempi. Dolomiitin käyttö alkalointiin
edellyttäisi siksi selvästi suurempaa suodatintilavuutta kuin kalkkikivialkalointi.
Markkinoilla on myös puolipoltettuja alkalointimassoja, jotka on valmistettu
dolomiitista lämpökäsittelyn avulla. Nämä massat käyttäytyvät eri tavalla kuin
luonnon kalkkikivi tai dolomiitti. Niiden on kuitenkin toisinaan todettu nostavan
veden pH:n vaarallisen korkeaksi. (Meriluoto 2002)
2.4
Suositeltava veden laatu kalkkikivialkaloinnille
Kalkkikivialkalointi soveltuu parhaiten jonkin verran hiilidioksidia sisältäville
pehmeille vesille. Tavoiteltava veden laatu saavutetaan tällöin kohtuullisella
viipymällä. Kalkkikivialkalointi sopii erinomaisesti vesille, joiden alkaliniteetti on
alle 0,8 mmol/l ja jonka hiilidioksidipitoisuus on välillä 10 – 15 mg/l. Jos veden
alkaliniteetti ylittää 0,8 mmol/l, kalkkikivialkaloinnin soveltuvuus huononee.
Samaten mitä suurempi kovuus vedellä on, sitä huonommin kalkkikivialkalointi
sille sopii. (Meriluoto 2002)
Jos veden alkaliniteetti on hyvin pieni (alle 0,3 mmol/l) ja vedessä on vain vähän
hiilidioksidia (alle 5 mg/l), voi veden pH kalkkikivialkaloinnissa nousta lähelle
arvoa 9, jopa hieman yli. Alkaloitaessa vähän hiilidioksidia sisältävää, hyvin
pehmeää vettä esim. lipeällä, johtaa se helposti suuriin pH- vaihteluihin, kun taas
kalkkikivialkaloinnilla pH pysyy tasaisena. Kalkkikivisuodattimelle tulevan veden
hiilidioksidipitoisuuden ollessa yli 20 mg/l, on vedestä ilmastettava ylimääräinen
hiilidioksidi
pois.
Ilmastuksen
voi
suorittaa
esimerkiksi
porrasilmastusmenetelmällä tai käyttämällä dresdensuuttimia. (Meriluoto 2002)
18
2.5
Raudan ja mangaanin poistuminen kalkkikivisuodatuksessa
Kalkkikivisuodatuksen on käytännössä todettu vähentävän veden rauta- ja
mangaanipitoisuuksia. Raudan ja mangaanin poistuminen perustuu suodattimelle
kertyneeseen sakkaan, joka todennäköisesti katalysoi raudan ja mangaanin
poistumista
biologisesti.
Tutkimusten
perusteella
kalkkikivi
ei
menetä
alkalointikykyään (passivoidu), kunhan suodatinta huuhdellaan ilman ja veden
seoksella säännöllisesti. (Meriluoto 2002) Kalkkikivi on myös hyvin huokoista ja
siksi se adsorboi erinomaisesti metalli-ioneja. (Kajiyama 1975) Aziz et al. (2004)
tutkimuksessa
kalkkikivisuodatuksella
retentioajalla
57,8
min
ja
saatiin
poistettua
pintakuormalla
90
%
m3/m2
12,2
raudasta
päivässä.
Kalsiumkarbonaatin (CaCO3) raekoko oli 2-4 mm.
Sekä kolmenarvoisen että kahdenarvoisen raudan erottamista suosivia ilmiöitä
ovat hiilidioksidipitoisuuden väheneminen, pH- arvon nousu, alkaliniteetin ja
kovuuden kasvu, karkeasuodatus ja sedimentaatio, mikrobiologiset vaikutukset,
katalyyttiset vaikutukset sekä kalsiumpitoisuuden nousu. (Sallanko & Laakso
2000)
Suodattimen
ollessa
käytössä
mangaani
ja
rauta
alkavat
pinnoittaa
suodatinmateriaalin rakeita. Raudan kerääntymisen suodatinmateriaaliin voi
havaita siitä, että suodatinmateriaali värjääntyy punaruskeaksi. Väri ei katoa ilmavesi- pesun jälkeen, sillä suodatinrakeiden pinnalle jää rautaa ja mangaania.
Tämän on kuitenkin havaittu parantavan suodattimen suodatustehokkuutta ja
metallien poistoa, sillä metallit oksidoituvat suodatinmateriaalin pinnalle. Sharma
et
al.
(2002)
tutkimuksessa
havaittiin,
että
pitkään
käytössä
olleen
suodatinmateriaalin rakeiden pinnalle oli oksidoitunut runsaasti rautaoksidia
verrattuna vasta käyttöön otettuun suodatinmateriaaliin. Tutkimuksen mukaan
mitä enemmän rautaoksidia oli muodostunut suodatinmateriaaliin, sitä paremmin
se pidätti rautaioneja. Jo käytössä ollut suodatinmateriaali poisti rautaioneja jopa
25 kertaa paremmin kuin vasta käyttöön otettu suodatinmateriaali. Lisäksi pH-
19
arvo vaikutti raudanpoistoon siten, että korkeammassa pH:ssa rauta poistui
paremmin.
Ajan mittaan suodattimessa alkaa myös kasvaa bakteereita, sillä suodattimeen
kerääntyvä sakka toimii erilaisten mikrobien kasvualustana. Qin, Ma et al. (2008)
tutkivat bakteerien vaikutusta suodattimessa ja tulivat siihen tulokseen, että
bakteerit edistävät raudan ja mangaanin poistumista vedestä, sillä ne oksidoivat
metalleja. Michalakos et al. (1997) tutkimuksessa todettiin myös, että suodatin
poistaa rautaa biologisesti sekä fysikaalis-kemiallisesti. Biologinen poisto
aiheutuu rautabakteerien toiminnasta ja fysikaalis-kemiallinen poisto käsittää
mekaanisen suodatuksen sekä kemiallisen raudan hapettumisen (oksidoitumisen).
Vedessä täytyy olla tarpeeksi happea hapettumista varten. Rautabakteereille
optimaalinen lämpötila liikkuu välillä 6 – 25 C ja optimi- pH on puolestaan
välillä 5,5 – 8,2. (Shair 1975)
Suodattimessa kahdenarvoinen rauta adsorboituu väliaineen pinnalle ja hapettuu
vedessä olevan hapen avulla kolmenarvoiseksi, joka voi puolestaan toimia uuden
kahdenarvoisen
raudan
adsorptioalustana.
Jos
käsiteltävässä
vedessä
rautapitoisuus on yli 1 mg/l, on sen havaittu aiheuttavan kalkkikivisuodattimen
alkalointitehon heikkenemistä. Suodattimen passivoituminen voidaan kuitenkin
välttää tehokkaalla ilma-vesi- vastavirtahuuhtelulla. (Sallanko & Laakso 2000)
2.6
Sameuden ja partikkelien poisto
Kalkkikivisuodatuksella saatu sameudenpoisto voi olla jopa 96 %. Kalkkikiven
raekoolla on merkitystä sameudenpoistossa. Pienempirakeinen suodatinmateriaali
poistaa,
eli
pidättää,
sameutta
paremmin
kuin
suurempirakeinen
suodatinmateriaali. Sama pätee kiintoaineen ja koliformisten bakteerien poistoon.
(Adlan et al. 2008)
Hedbergin (1983) mukaan esimerkiksi rouhitut kalkkikivimassat poistavat vedestä
rautaa
granuloituja
massoja
paremmin.
Barton.ja
Buchberger
(2007)
tutkimuksessa osoitettiin, että mitä kulmikkaampirakeista suodatinmassa on, sitä
20
paremmin se pidättää erikokoisia, kooltaan vaihtelevia, partikkeleita. Aiempia
tutkimuksia
suodatinmateriaalin
rakeiden
muodon
vaikutuksesta
suodatustulokseen on myös tehty ja niiden perusteella ollaan huomattu, että
sileäpintaiset rakeet suodattimessa pidättävät partikkeleita huonommin kuin
rakeet, jotka ovat pinnaltaan rosoisia. (Trussell et al. 1980; Suthaker et al. 1995;
Evans et al. 2002) Joen uomista ja jäätiköiden sulamisalueilta kerätty kiviaines on
hioutunut hyvin sileäksi ja pyöreäksi, kun taas murskattu kivi on hyvin rosoista ja
kulmikasta. Barton & Buchberger (2007) esittävät lyhyesti, että avaintekijä
rosoisten rakeiden paremmassa pidätyskyvyssä suodatinmateriaalissa on niiden
muodostamat kapeat ja pienet huokosputket, eli madonreiät, verrattuna pyöreiden
rakeiden muodostamiin huokosputkiin.
Barton & Buchberger (2007) tutkimuksessa pohdittiin partikkelin kulkemista
suodatinmateriaalissa ja sitä, mitkä tekijät vaikuttavat suodattimen pidätyskykyyn.
Tilannetta havainnollistettiin mieltämällä partikkelien kulkevan suodattimessa
”madonreikiä”, eli pystysuuntaisia huokosia pitkin ja pidättyvän sellaiseen
kohtaan huokosessa, jossa on ”pullonkaula”, jonka läpi partikkeli ei enää mahdu.
Partikkeli tukkii huokosen, jolloin sen yläpuolelle alkaa kerääntyä partikkeleita
virtaussuunnan ollessa ylhäältä alas. Huokonen ja pullonkaula muodostuvat
vähintään
kolmen toisiaan
koskettavan suodatinrakeen
väliin.
Kuva
3
havainnollistaa ajattelumallia. Paras suodatustulos saadaan, kun partikkelit
kulkeutuvat mahdollisimman lähelle suodatinmateriaalin alapintaa ja tukkivat
siellä olevat huokoset. Tällöin partikkelit jakaantuvat suodatinmateriaaliin
tasaisesti, jolloin materiaalin suodatustilavuus on tehokkaasti käytössä. Jos
suodattimen pinnalla oleva materiaali on hyvin tiivistä, kerääntyvät partikkelit jo
pinnalle, jolloin painehäviö suodattimessa kasvaa nopeasti ja suodatin menee
tukkoon. Täten suodatin, jossa partikkelit täyttävät tasaisesti suodatinmateriaalin
huokoset, pystyy pidättämään enemmän partikkeleita pienemmällä painehäviöllä.
21
Kuva 3. Likapartikkelien pidättyminen suodatinmateriaaliin. (Barton & Buchberger 2007).
Likapartikkeli
voi
joko
jäädä
suodatinmateriaalin
pinnalle,
pidättyä
suodatinmateriaaliin tai kulkea suodatinmateriaalin läpi. Jos likapartikkelien koko
suodatinmateriaalin huokoskokoon nähden on hyvin suuri, jää partikkeleista
suurin osa suodattimen pinnalle. Jos taas likapartikkelit ovat hyvin pieniä
suodatinmateriaalin huokosiin nähden, ne kulkeutuvat vain suodattimen läpi ja
vain hyvin pieni osa niistä pidättyy suodatinmateriaalin huokosiin. (Barton &
Buchberger 2007).
Barton & Buchberger (2007) esittivät ilmiölle matetmaattisen mallin. Oletetaan,
että suodatinmateriaalissa olevien huokosten pullonkaulojen kokoa voidaan
kuvata kahdella esiintymistiheyden todennäköisyyden funktiolla: Yksi on pinnan
huokosille f rs ja toinen suodatinmateriaalin sisällä oleville huokosille f rb .
Todennäköisyys
(s),
että
partikkeli,
jonka
säde
on
rp,
kulkeutuu
suodatinmateriaalin pinnan huokosen, jonka läpimitan puolikas on rs, läpi ja
päätyy suodatinmateriaalin sisälle on:
22
rp
s
Pr ob rp
rs
1
f rs drs
(5)
0
Samaten todennäköisyys p, että partikkeli, jonka säde on rp, kulkeutuu
suodatinmateriaalin sisällä olevan huokosen, jonka läpimitan puolikas on rb, läpi
on:
rp
p
Pr ob rp
rb
1
f rb drb
(6)
0
Toisinpäin taas todennäköisyys, että vapaa partikkeli suodatinmassassa pidättyy
seuraavaan pullonkaulaan on:
1–p
(7)
Partikkelien liikkumista suodatinmateriaalin huokosissa kuvataan peräkkäisinä
toisistaan riippumattomina Bernoullin jakaumina. Jokaisella pullonkaulalla on
jokin todennäköisyys pidättää partikkeli. Todennäköisyys, että partikkeli pidättyy
k:nteen pullonkaulaan suodatinmassan huokosessa on (katso kuvaa 3):
Pk
sp k 1 1 p , k > 0
Ajatellaan
partikkelin
(8)
kulkevan
huokosta
pitkin,
joka
ulottuu
koko
suodatinmassan läpi. Oletetaan huokosessa olevan n pullonkaulaa suodatinmassan
sisällä. Tämä voi johtaa kolmeen toisensa pois sulkevaan lopputulokseen:
P0
1 s,
(9)
jossa partikkeli pidättyy jo suodatinpatjan pinnalle.
n
sp k 1 1 p
PN
s 1 pn ,
(10)
k 1
jossa partikkeli pidättyy suodatinmassaan.
23
PN
1
1 P0
PN
sp n ,
(11)
jossa partikkeli kulkee suodatinmassan läpi pidättymättä.
Suodatinpatjan korkeus luokitellaan syväksi, jos PN+1 on vähemmän kuin 0,01.
Jos todennäköisyys on suurempi kuin 0,5, se luokitellaan matalaksi. Näiden
arvojen välillä suodatinpatjan paksuus on keskitasoa. Tarvittava suodatinpatjan
paksuus määräytyy siis likapartikkelien säteiden rp ja suodatinmateriaalin
huokosten säteiden rs ja rb perusteella. (Barton & Buchberger 2007)
Sakthivadivelin
(1966)
laskelmien
ja
empiiristen
tutkimuksien
mukaan
suodatinmateriaali voi pidättää huokostilavuudestaan maksimissaan kolmasosan
verran
likapartikkeleita.
Tutkimuksissa
käytettyjen
suodatinmateriaalien
huokostilavuudet olivat 40 % ja 50 %.
Barton & Buchberger (2007) tutkimuksessa tutkittiin neljää eri kivimateriaalia
suodatinmateriaaleina:
Pyöreärakeinen kiviaines,
lajittunut
jokikivi,
josta
poistettiin rikkinäiset rakeet, löyhä murskattu kalkkikivi ja tiheä murskattu
kalkkikivi.
Taulukossa
2
on
esitettynä
kiviaineksien
englanninkieliset
luonnehdinnat sekä niiden lyhenteet. Kiviaineksesta seulottiin pois 16 mm
suuremmat rakeet ja 12,5 mm pienemmät rakeet. Kuvassa 4 näkyy, kuinka kukin
kiviaines muodostaa huokosia suodatinmateriaalissa. Kuvan nuoli osoittaa
esimerkin, kuinka pieniä huokosia kulmikkaiden rakeiden väliin voi muodostua.
Pyöreiden rakeiden väliin ei voi muodostua niin pieniä huokosia. Kuvan lyhenteet
löytyvät myös taulukosta 2.
Taulukko 2. Barton & Buchberger (2007) tutkimuksen kiviainekset
Kiviaines
Pyöreärakeinen
Jokikivi
Löyhä kalkkikivi
Tiheä kalkkikivi
Englanniksi
Spherical gumballs
Sorted river stone
Loose crushed limestone
Dense crushed limestone
24
Lyhenne
SP
RS
LL
DL
Kuva 4. Eri kivimateriaalien muodostamat huokoset. (Barton & Buchberger 2007).
Barton & Buchberger (2007) tutkimustulokset osoittavat, että näistä neljästä
kivimateriaalista likapartikkeleita pidättivät parhaiten kalkkikivimurskeet. Niistä
hiukan parempaa partikkelinpoistoa osoitti LL, eli löyhä kalkkikivimurske.
Toiseksi parhaiten partikkeleita pidätti jokikivi ja huonoiten niitä jäi
pyöreärakeisesta
kivestä
kulmikkaampirakeinen
tehtyyn
suodattimeen.
suodatinmateriaali
Voidaan
poistaa
päätellä,
todella
että
paremmin
likapartikkeleita kuin pyöreärakeinen suodatinmateriaali.
Erilaisia hiukkasten pidättäytymistapoja suodatuksessa on esitetty kuvassa 5. Niitä
ovat
siivilöityminen,
hydrodynamiikka.
sieppaus,
diffuusio,
Siivilöitymisessä
inertia,
sedimentaatio
likapartikkelit
ja
pidättyvät
suodatinmateriaalirakeiden väleihin. Hiukkanen joutuu siepatuksi, kun se
kulkeutuu
riittävän
lähelle
rakeen
pintaa.
Sieppaukseen
vaikuttavat
adheesiovoimat, ja sieppauksen vaikutusetäisyys on vain erottuvan hiukkasen
halkaisijan luokkaa. Diffuusio vaikuttaa vain pienimpiin hiukkasiin ja se aiheutuu
lämpöliikkeestä (Brownin liike). Lämpöliikkeen vaikutuksesta hiukkanen voi
25
kulkeutua niin lähelle suodatinraetta, että hiukkanen pidättyy pintavoimien
vaikutuksesta, kuten sieppauksessa. Myös jatkuvuus (inertia) voi tuoda hiukkasen
riittävän lähelle suodatinraetta, että se pidättyy rakeeseen. Hiukkasten välisissä
tiloissa voi tapahtua sedimentaatiota, eli saostumista. Tällöin hiukkasia kerääntyy
rakeen pinnalle ja sakka tiivistyy muodostaen saostuman. Hydrodynamiikka
vaikuttaa hiukkasen liikerataan, kun laminaarivirtauksen suunta tai nopeus
muuttuu. Tällöin hiukkanen kulkeutuu riittävän lähelle suodatinraetta ja voi
pidättyä siihen. (Peltokangas 1991, RIL 2004)
Suodatinrakeen ja likapartikkelin sähköisten varausten ollessa erimerkkiset voi
partikkeli
tarttua
suodatinrakeen
pintaan.
Partikkelien
kiinnittyminen
suodatinrakeen pinnalle voi johtua myös koheesiovoimista ja adsorptiosta.
Partikkelit törmäilevät toisiinsa suodattimessa ja voivat näin muodostaa flokkeja,
jotka ovat kooltaan suurempia ja pidättyvät helpommin suodatinmateriaaliin.
(Peltokangas 1991, RIL 2004)
Kuva 5. Hiukkasen pidättäytymistavat suodatuksessa. (RIL 2004)
26
2.7
Kalkkikivisuodattimen mitoitus
Kalkkikivisuodattimen mitoituksessa tulee huomioida seuraavat asiat:
-
veden alkaliniteetti ja hiilidioksidipitoisuus
-
mitoitusvirtaama,
eli
suodattimen
läpi
johdettava
hetkittäinen
3
maksimivesimäärä (m /h)
-
kalkkikivirouheen laatu (liukoisuus)
-
kalkkikivirouheen raekoko
(Meriluoto 2002)
Edellä mainittujen muuttujien perusteella määritellään vaadittava tehollinen
viipymä. Tehollinen viipymä on se aika, jonka vesi on kalkkikivirouheen kanssa
kosketuksissa kulkiessaan suodatinpatjan lävitse. Tehollisen viipymän on oltava
tarpeeksi suuri, jotta haluttu muutos (esim. pH yli 7,5) veden laadussa
saavutetaan. Tehollinen viipymä siis ilmoittaa ajan, jossa vesi alkaloituu halutulle
tasolle. (Meriluoto 2002)
Tehollisen
viipymän
laskeminen
perustuu
suodatinpatjan
teholliseen
vesitilavuuteen, joka on kalkkikivipatjan irtotilavuus kerrottuna rouhepatjan
huokoisuudella
(noin
0,4).
Rouhepatjan
huokoisuudella
tarkoitetaan
rouhepartikkeleiden välistä tyhjää tilaa, jossa vesi kulkee sen virratessa
rouhepatjan läpi. (Meriluoto 2002) Tehollisen viipymän voi laskea yhtälön (12)
avulla.
teff = 0,4 * Virto : qmit * 60
(12)
teff = Tehollinen viipymä (min)
Virto = Suodatinmateriaalin irtotilavuus (m3)
qmit = Mitoitusvirtaama (m3/h)
Kun tehollinen viipymä tunnetaan, voidaan vaadittavan kalkkikiven irtotilavuus
(Vkalkkikivi) laskea yhtälön (13) avulla:
27
Vkalkkikivi = (teff * qmit) : (60 * )
(13)
Vkalkkikivi = Vaadittava kalkkikiven irtotilavuus (m3)
teff = Tehollinen viipymä (min)
qmit = Mitoitusvirtaama (m3/h)
= Rouhepatjan huokoisuus ( 0,4)
(Meriluoto 2002)
2.8
Korroosion estäminen
Vesi on aina jossain määrin syövyttävää, eli millään käsittelyllä ei veden
syövyttäviä ominaisuuksia saada kokonaan poistettua. Syövyttävä vesi voi
aiheuttaa vesijohtojen ja vedenkäyttölaitteiden syöpymistä, eli korroosiota.
Kuitenkin veden käsittelyllä voidaan luoda verkostoon sellaiset olosuhteet, joissa
syöpyvät materiaalit passivoituvat. Passivoitumisella tarkoitetaan sitä, että
korroosiotuotteet
muodostavat
materiaalien
pinnoille
tiiviin
korroosiota
hidastavan kerroksen. Alkaloinnilla pyritään saamaan veden laatu sellaiseksi, että
verkostokorroosio on tarpeeksi vähäistä ottaen huomioon myös käytössä olevat
taloudelliset resurssit. Verkostokorroosion hallinnan edellyttämä veden laatu
vaihtelee kuitenkin eri verkostomateriaaleille, joten kaikkien verkostomateriaalien
kannalta optimitilannetta ei voida saavuttaa. (Meriluoto 2002) On esitetty kaksi
teoriaa veden korrodoivuuden vähentämiseksi: Kalkkiruostesuojateoria ja puskuriintensiteettiteoria.
Kalkkiruostesuojateorian mukaan kalkkikiveä saostuu metallisten vesijohtojen
sisäpinnalle ja tämä kerros suojaa johtoa korroosiolta. Suojakerros muodostuu,
kun veden kalsium- ja bikarbonaattipitoisuudet kohoavat tasolle, jossa vedestä
alkaa
saostua
kalsiumkarbonaattia,
eli
kalkkikiveä.
Kalsiumkarbonaatin
saostuspotentiaalia kuvataan teoreettisesti ns. Langelierin kyllästymisindeksin
(LSI) avulla. Jos indeksiarvo on positiivinen (LSI > 0), kalsiumkarbonaattia voi
saostua, mutta jos se on negatiivinen (LSI <0), vesi on aggressiivista, eli
kalsiumkarbonaattia liuottavaa. Kyllästymisindeksi voidaan laskea likimäärin
28
yhtälöiden (14) ja (15) avulla (vähän suoloja sisältävä pehmeä 25 C vesi).
(Meriluoto 2002)
LSI = pH – pHs
(14)
pHs = 2,34 + log10[Ca2+] + log10[HCO3-]
(15)
pH
= mitattu pH arvo (mittaus standardin mukaan 25 C vedessä)
pHs
= kalkki-hiilidioksiditasapainon mukainen pH- arvo
[Ca2+]
= kalsiumpitoisuus (mol/l)
[HCO3-]
= bikarbonaattipitoisuus (mol/l)
Veden lämpötilalla on suuri vaikutus kalsiumkarbonaatin saostumiseen. Se
liukenee paremmin kylmään kuin lämpimään veteen. (Meriluoto 2002)
Veden puskuri-intensiteettiteorialla tarkoitetaan veden kykyä estää happojen ja
emästen vaikutuksesta aiheutuvia pH- arvon muutoksia. Tämä perustuu siihen,
että vesi sisältää heikkoa happoa ja sen dissosioituvaa suolaa. Hapon lisäys veteen
aiheuttaa sen, että happolisäystä vastaava määrä suolan anioneja muuttuu hapoksi.
Mitä suurempi puskurikapasiteetti on, sitä paremmin liuos vastustaa pH- arvon
muutoksia. (Isoaho, Valve 1986)
Puskurikapasiteetilla
kuvataan emäs- tai happolisäyksen ja lisäyksestä
aiheutuvan pH:n muutoksen suhdetta (Isoaho, Valve 1986):
dC B
dpH
dC A
dpH
(16)
dCA = vahvan hapon lisäys (mmol/l)
dCB = vahvan emäksen lisäys (mmol/l)
dpH = pH- arvon muutos
Puskuri-intensiteettiteorian mukaan korroosionopeus pienenee, kun veden
puskurikapasiteetti kasvaa. Teorian mukaan kalkkikerroksen paksuudella ei ole
vaikutusta korroosionopeuteen. (Antola 1998)
29
Verkostokorroosion hallitsemiseksi on annettu erilaisia suosituksia vedenlaadusta.
Taulukosta 3 nähdään, että pH- arvon tulisi olla ainakin yli 7,5 ja alkaliniteetin yli
0,6.
Taulukko 3. Veden laatusuosituksia korroosion vähentämiseksi. (Meriluoto 2002)
Suomi,
VVY
2000
Muuttuja
pH
yli 7,5
Alkaliniteetti
mmol/l yli 0,6
Kalsium
mg/l
yli 10
Kloridit
mg/l
Sulfaatit
mg/l
KMnO4
mg/l
Korroosioindeksi *
yli 1,5
Suomi,
Sitra
1980
yli 8,3
yli 0,6
alle 50
alle 100
alle 20
Ruotsi
7,5 - 9,0
yli 1,0
20 - 60
alle 100
alle 100
alle 8,0
* Korroosioindeksi = alkaliniteetti [mmol/l] : (kloridi [mg/l] : 35,5 + sulfaatti [mg/l] : 48)
Korroosioindeksin
mukaan
kloridi-
ja
sulfaattipitoisuuksien
noustessa
alkaliniteettikin nousee. Taulukon 3 mukaan korroosioindeksin tulisi olla yli 1,5,
jotta saavutettaisiin riittävä korroosionsuojaus. Antolan (1998) mukaan kloridiionit lisäävät veden sähkönjohtavuutta ja kasvattavat siten korroosionopeutta.
Kalkkikivialkaloinnin vaikutusta verkostomateriaalien korroosioon on tutkittu
sekä laboratoriossa että kenttämittakaavassa. Toivasen (1994) tutkimustuloksista
huomattiin, että vesijohtoveden alkaliniteetin noston seurauksena vesijohtoveden
rautapitoisuudet alenivat. Toisin sanoen raudan korroosio väheni oleellisesti
vesijohtoverkostossa.
Tutkimuksien tulosten perusteella ollaan huomattu, että kalkkikivialkaloidun
veden pH pysyy hyvin tasaisena, eli veden korroosio-ominaisuudet vaihtelevat
hyvin vähän. Olosuhteet korroosion suhteen pysyvät stabiileina, mikä parantaa
passivoivan suojakerroksen tiiviyttä. Tulosten mukaan veden pH:n noustessa yli
7,5 vähentyy veden verkostomateriaaleihin aiheuttama korroosio riittävästi.
Veden pH:lle onkin annettu suositukseksi yli 7,5 ja suosituksen mukaista pH:ta
tulisi tavoitella, jotta muutokset veden alkaliniteettiin ja kovuuteen sekä sitä
30
kautta korrodoivuuden vähentymiseen olisivat mahdollisimman suuret. Pehmeä
vesi on kovaa vettä korrodoivampaa, koska silloin materiaalien pinnoille ei synny
suojaavia kerroksia. (Meriluoto 2002)
Korroosioneston kannalta on suositeltavaa, että kalsiumkarbonaattia saostuisi
hieman,
kun
vettä
kuumennetaan.
Siitä
kuitenkin
seuraa
saostumia
lämminvesijärjestelmiin tai ns. kattilakiveä. (Isoaho, Valve 1986) Suositellaan,
että kylmästä vedestä ei saostuisi kalkkikiveä. (Meriluoto 2002)
2.9
Kalkkikiven kuluminen
Kalkkikiven, hiilidioksidin ja veden reaktioyhtälön (1) kertoimista nähdään, että
kaikkien reaktioon osallistuvien aineiden ainemäärät ovat samat. Aineiden
moolimassat on esitetty yhtälössä (17).
100 g/mol (CaCO3) + 44 g/mol (CO2) + 18 g/mol H2O = 162 g/mol (CA2+ +
2HCO3-)
(17)
Teoreettisesti voidaan laskea, että yhden hiilidioksidigramman sitomiseen
tarvitaan 2,27 grammaa kalsiumkarbonaattia. (Palomäki, Kuorikoski 2001)
Käytännössä kalsiumkarbonaatin kulutus voi poiketa tästä. Rontu (1992) esitti,
että kalkkikiven kulutuksen voisi laskea suodattimeen tulevan ja siitä lähtevän
veden hiilidioksidipitoisuuksien avulla yhtälön (18) mukaisesti. Yhtälön avulla
lasketut tulokset voivat kuitenkin poiketa hieman todellisista tuloksista, etenkin,
jos vesi sisältää hiilihapon lisäksi muita happoja.
K = 2,5 * (CO2x – CO2k)
(18)
K = Kalkkikiven kulutus (mg/l)
CO2x = hiilidioksidipitoisuus ennen suodatinta (mg/l)
CO2k = hiilidioksidin määrä suodatetussa vedessä (mg/l)
31
2.10 Mikrobiologisen laadun hallinta
Ulosteperäisellä saastumisella tarkoitetaan saastumista ihmisen tai eläinten
ulosteista peräisin olevilla mikrobeilla. Ulosteperäinen saastuminen todetaan
vedestä indikaattoribakteerien avulla. Esimerkiksi Escherichia coli osoittaa
ulosteperäistä saastumista. Mikrobikasvulla taas tarkoitetaan suodattimessa
tapahtuvaa mikrobiologista kasvua, joka ilmenee heterotrofisen pesäkeluvun
kasvuna. (Meriluoto 2002)
Kalkkikiven saastuminen ihmisen tai eläinten ulosteilla voi tapahtua jakeluketjun
aikana:
-
avovarastointi tuotantoalueella
-
kuljetus vesilaitokselle
-
suodattimen täyttäminen
Irtotavarana toimitettava kalkkikivirouhe varastoidaan yleensä avovarastoissa tai
ulkokasoilla, joten on periaatteessa mahdollista, että kalkkikiveen joutuu pieniä
määriä eläinten ulosteita. Siitä huolimatta pitää varmistua, ettei kalkkikivi
likaantuisi ainakaan enempää jakeluketjun eri vaiheissa.
Kuljetuksessa tulee edellyttää, että kuljetussäiliö on puhdas, ja suodattimien
täytön yhteydessä on syytä kiinnittää erityistä huomiota työhygieniaan (mm.
vaatetuksen ja jalkineiden puhtaus). Suodatinmateriaalista tulee huuhdella pois
siinä mahdollisesti olevat lika-aineet ennen käyttöönottoa, jotta ne eivät
heikentäisi suodatinmateriaalin puhdistustehoa. (Meriluoto 2002)
Viime aikoina on alettu epäillä, että kalkkikivirouheesta voisi liueta veteen
aineita, lähinnä fosforia, jotka voisivat edistää vesijohtovedessä tapahtuvaa
luontaista mikrobikasvua. Suomessa tehtyjen yksittäisten selvitysten perusteella ei
olla kuitenkaan todettu, että rouheesta liukenisi veteen mikrobikasvua edistäviä
aineita. Koska kalkkikivirouheen kemiallinen koostumus saattaa jonkin verran
vaihdella erilaisissa geologisissa esiintymissä, on asia tarvittaessa tarkistettava
tapauskohtaisesti. Vedenpuhdistuksessa käytetyissä kalkkikivisuodattimissa on
kuitenkin havaittu mikrobien kasvua. Syyksi on Meriluodon mukaan todettu
32
kuljetuksen, suodattimen täytön tai käytön yhteydessä kalkkikivirouheen
joukkoon joutunut orgaaninen aines. (Meriluoto 2002)
Mikrobikasvua voi esiintyä myös suodattimen altistuessa valolle. Tällöin
suodattimelle saattaa alkaa kasvaa levää. Leväsolujen kuollessa ne hajoavat
biologisesti, mikä johtaa heterotrofisten bakteerien määrän kasvuun. Saman ilmiö
nähdään suodattimelle kertyneessä rauta- ja mangaanisakassa. (Meriluoto 2002)
Suodattimessa tapahtuvaan mikrobiologiseen kasvuun voidaan Meriluodon (2002)
mukaan vaikuttaa seuraavilla toimenpiteillä:
-
Irtorouheen kuljetuksessa käytetty kalusto puhdistetaan kokonaisuudessaan
siten, ettei rouhe pääse likaantumaan eikä sen mukana suodattimille pääse
orgaanista ainesta. Puhtausvaatimus tulee olla osa kuljetusehtoja.
-
Huolehditaan, että suodatinaltaissa ei ole puiden lehtiä, risuja, multaa tai muuta
orgaanista ainesta ennen suodattimien täyttöä ja että niitä ei kulkeudu
suodattimeen täytön yhteydessä.
-
Kalkkikivisuodattimet pidetään valolta suojassa, jotta leväkasvua ei pääse
syntymään.
-
Vältetään
sakkojen
suodattimelle.
(mm.
rauta-
Vesijohtoverkostossa
ja
mangaanisakat)
tehtyjen
muodostumista
tutkimusten
perusteella
mikrobiologinen toiminta painottuu suurelta osin verkostossa esiintyviin
sakkoihin.
-
Huuhdellaan suodattimet säännöllisin väliajoin sellaisella tiheydellä, että
suodatetun veden laatu pysyy hyvänä. Suodattimien huuhtelulla poistetaan
muiden epäpuhtauksien ohella suodattimelle hitaasti kertyvät, mikrobeja
suuremmat pieneliöt.
Juomavettä valmistettaessa on kalkkikivisuodatuksen jälkeen vesi desinfioitava
esim. otsonoimalla, UV- desinfioinnilla tai kemikaloinnilla. Veden desinfiointi
tuhoaa suodattimesta mahdollisesti irtoavat mikrobit. Desinfiointi on suositeltavaa
etenkin silloin, jos riski laitoksen raakaveden saastumisesta ulosteperäisillä
mikrobeilla
on
olemassa.
Kalkkikivisuodatin
voidaan
desinfioida
joko
kemiallisesti klooraamalla tai termisesti höyryttämällä, jos suodatuksen jälkeen ei
ole riittävää desinfiointia. (Meriluoto 2002)
33
3 PROSESSINOSAT
3.1
Pitkäkosken vedenpuhdistuslaitoksen prosessi
Vedenpuhdistusprosessi koostuu useista peräkkäisistä prosessinosista, joilla on
kullakin
oma
tehtävänsä
vedenpuhdistuslaitoksen
prosessi
vedenpuhdistuksessa.
on
esitetty
Pitkäkosken
kaaviokuvana
kuvassa
6.
Ensimmäisenä prosessivaiheena on raakavedenotto, minkä jälkeen vesi johdetaan
alkukemikalointiin,
jonka
vaikutuksia
tehostetaan
hämmennyksellä.
Hämmennyksen jälkeen vesi menee selkeytykseen ja selkeytysaltaan pinnalla
oleva selkeytynyt vesi jatkaa matkaansa hiekkasuodattimen läpi otsonointiin.
Otsonoinnista tullut vesi saapuu ensimmäiseen jälkikemikalointialtaaseen, jonka
jälkeen kemikaloitu vesi johdetaan aktiivihiilisuodattimien läpi UV- desinfiointiin
ja sieltä toiseen sekä kolmanteen jälkikemikalointiin. Tämän jälkeen vesi on
puhdasta ja valmista johdettavaksi käyttäjille.
Kuva 6: Pitkäkosken vedenpuhdistuslaitoksen prosessikaavio
34
3.2
Raakavedenotto
Pitkäkoskella käytettävä raakavesi tulee Päijännetunnelia pitkin Suomen toiseksi
suuresta järvestä, Päijänteestä. Päijännetunneli on maailman pisin yhtenäinen
kalliotunneli. Sen pituus on yhteensä 120 km. Tunneli alkaa Päijänteen
eteläpäästä. Vedenottokohta on noin 25 metrin syvyydessä ja 350 metrin päässä
rannasta, joten veden lämpötila pysyy tasaisena läpi vuoden. Veden laatu on
laatuluokitukseltaan erinomaista. Vedenottamolla vesi välpätään ja suodatetaan
siivilöiden läpi, jottei kalliotunneliin joutuisi juuri mitään ylimääräistä.
Tunneliosuudella Päijänteestä tulevaan veteen sekoittuu kallioseinämien läpi
suotovetenä noin 10 prosenttia pohjavettä, mikä parantaa vedenlaatua entisestään.
Tunnelin loppupää on Silvolan tekojärven luona, joka sijaitsee lähellä HSY Veden
Pitkäkosken vedenpuhdistuslaitosta. Suurin osa raakavedestä otetaan suoraan
Päijännetunnelista, mutta tarvittaessa osa vedestä otetaan Silvolan tekojärvestä,
joka on täytetty niin ikään Päijänteen vedellä. (Lammi 1996, Zolas 2009)
3.3
Alkukemikalointi
Alkukemikaloinnissa veteen syötetään kalkkivettä pH:n säätämiseksi, jos on
tarvetta, ja ferrisulfaattia (PIX-322) saostuskemikaalina. Kemiallinen saostus
ferrisulfaatilla perustuu ferrimuotoisen raudan reaktioihin vesiliuoksessa. Näillä
reaktiotuotteilla on kyky liittää veden kolloidikokoiset hiukkaset suuremmiksi
hiukkasiksi, flokeiksi, jotka voidaan poistaa vedestä fysikaalisin keinoin.
Optimaalisen saostustuloksen saavuttamiseksi tulee veden pH- arvon olla tietyllä
tasolla, noin 5,0, ja lämpötilan tarpeeksi korkea (flokkien muodostus heikkenee,
kun lämpötila laskee). Ferrisulfaattia syötetään veteen noin 50 g/m3. Tarvittava
ferrisulfaatin
määrä
saostusprosessissa
määritetään
raakaveden
kaliumpermanganaattiluvun perusteella. Kokeellisten tutkimusten perusteella
HSY
Vedellä
on
permanganaattiluvun
voitu
määrittää
perusteella
kerroin,
laskea
35
jonka
tarvittava
avulla
voidaan
ferrisulfaatinsyöttö
alkukemikaloinnissa. Ferrisulfaatin tarvittava määrä perustuu siis orgaanisen
aineen määrään raakavedessä. (Zolas 2009)
Kalkkiveden valmistuksesta kerrotaan lisää kohdassa 4 Kalkkiveden valmistus.
Automatiikka ohjaa kalkkivedensyöttöä siten, että pH- arvo pysyy halutulla
tasolla.
Alkukalkkia
tarvitaan
lähinnä
silloin,
kun
raakavesi
otetaan
Vantaanjoesta, eli poikkeustapauksessa.
3.4
Hämmennys
Hämmennyksessä flokkien kokoa kasvatetaan hämmentämällä flokkeja sisältävää
vettä siten, että flokit tarttuvat toisiinsa muodostaen yhä suurempia flokkeja.
Hämmennyksen onnistumisen kannalta on tärkeää, että partikkelit toisaalta
liikkuvat kylliksi törmäilläkseen toisiinsa, jotta flokit voivat kasvaa yhdistyessään
toisiinsa, ja toisaalta eivät joudu alttiiksi liian suurille, niitä rikkoville voimille.
Hämmentimien hämmennysnopeuden lisäksi riittävä viipymä on tärkeää.
Hämmennysaltaita on kaksi peräkkäin jokaista selkeytysallasta kohti. Hyvin
toimiva saostus ja flokkien muodostus ovat edellytyksiä hyvään käsitellyn veden
laatuun. (Lammi 1996, Zolas 2009)
3.5
Selkeytys
Selkeytyksessä
hämmennyksen
aikana
muodostuneet
flokit
erotetaan
jatkokäsittelyyn menevästä vedestä painovoimaisesti. Selkeytysaltaat ovat
tyypiltään kaksikerroksisia vaakaselkeyttimiä. Flokit laskeutuvat hiljalleen
selkeytysaltaan pohjalle sekä välipohjalle, ja selkeytysaltaan pinnalla oleva
selkeytynyt
vesi
jatkaa
matkaansa
seuraavaan
prosessivaiheeseen,
hiekkasuodatukseen. Pohjalle kertynyt sakka tyhjennetään n. 3 kertaa vuodessa ja
johdetaan jätevedenkäsittelyyn. (Lammi 1996, Zolas 2009)
Painovoimaisen
selkeytyksen kannalta
olennaista
on,
että
vesi
nousee
selkeytysaltaassa mahdollisimman laminaarisesti ja hitaammin kuin flokit
36
laskeutuvat, joten selkeyttimen toimintaan vaikuttavat sekä sen pintakuorma että
flokkien kokojakauma. (Zolas 2009)
3.6
Hiekkasuodatus
Suodatuksessa vedestä poistetaan pienet hiukkaset, jotka eivät ole erottuneet
selkeytyksessä. Vesi virtaa suodatinpatjan läpi ylhäältä alas ja hiukkaset jäävät
suodattimen hiekkaan sekä sen pinnalle. Suodattimen pidättämä sakka poistetaan
suodatinpatjasta vastavirtahuuhtelun avulla, jonka tarve määräytyy painehäviön
tai
määritetyn
toiminta-ajan
mukaan.
Pesu
käynnistyy
automaattisesti
jommankumman raja-arvon ylittyessä. Suodattimen likaantuessa painehäviö
kasvaa, eli virtausvastus suurenee.
Suodattimen toiminta voi olla fysikaalista, biologista ja/tai kemiallista. Kun
suodatus tapahtuu fysikaalisesti, suodatinmateriaali ei osallistu kemiallisiin
reaktioihin veden tai vedessä olevien aineiden kanssa. Hiekkasuodatin on
tyypillinen fysikaalinen suodatin. Biologisissa suodattimissa tapahtuu myös
fysikaalista suodattumista, mutta pääosin suodatus tapahtuu biologisesti.
Talousveden valmistuksessa käytettävät biologiset suodattimet ovat tyypiltään
hidassuodattimia. (Peltokangas 1991) Kappaleen 2.5 mukaan hiekkasuodattimia
voidaan pitää myös biologis-kemiallisina suodattimina. Sameuden ja partikkelien
poistosta suodattimen avulla on kerrottu lisää kohdassa 2.6.
HSY Veden Pitkäkosken vedenpuhdistuslaitoksen hiekkasuodattimet ovat
tyypiltään
hiekkapikasuodattimia
ja
suodatinpatja
koostuu
kolmesta
raekokoluokkakerroksesta (raekoko 0,8 – 10 mm). Hiekkapatajan korkeus on noin
1,3 m.
3.7
Mixed bed -suodatus
Pitkäkosken vedenpuhdistuslaitokselle on suunnitelmissa muuttaa ainakin osa
hiekkasuodattimista mixed bed –suodattimiksi. Mixed bed –suodattimissa olisi
37
osa suodatinmassasta murskattua kvartsihiekkaa, joka on reakooltaan n. 0,5 – 1,0
mm, ja osa suodatinmassasta olisi kalkkikivirouhetta, jonka raekoko on välillä 0,5
– 1,5 mm. Suodatinpatjan korkeus on noin 1,1 m. Suodatinta huuhdeltaessa
hiekka ja kalkki sekoittuvat keskenään, koska ne ovat raekooltaan samaa luokkaa.
Suodatinta huuhdellaan ensin ilmalla ja sitten vedellä vastavirtaan.
Kalkkia liukenee veteen, joka virtaa suodattimen läpi, eli suodattimessa oleva
kalkkimäärä pienenee suodattimen ollessa käytössä ja se vaatii kalkin lisäystä aika
ajoin. Suodattimessa käytetty kalkki on Nordkalki Oyj Abp:n Parfill 2/1500kalkkia, jonka MgO- pitoisuus on 1,4 %, eli se on kalsiumkarbonaattia.
Mixed bed –suodatin on pääasiassa fysikaalinen suodatin. Siinä kuitenkin
tapahtuu kemiallisia reaktioita, joten sen voidaan sanoa olevan myös kemiallinen
suodatin. Suodattimessa voi tapahtua biologista toimintaa, kuten tavallisessakin
hiekkasuodattimessa.
Voutilaisen (2010) tutkimuksien mukaan parhaimmat tulokset saatiin, kun
suodattimessa oli Parfill 2/1500- kalkkia joko 1/3 tai ½ suodatinmateriaalista.
Tutkimuksen mukaan pienemmällä kalkkimäärällä saatiin nostettua veden
alkaliniteettia lähes yhtä korkealle kuin suuremmalla kalkkimäärällä, joten tähän
tutkimukseen valittiin kalkki- ja hiekkamääriksi 1/3 kalkkia ja 2/3 hiekkaa.
3.8
Jälkikemikalointi 1
Suodatettu vesi virtaa ensimmäiseen jälkikemikalointialtaaseen, missä veden pH
nostetaan kalkkivedellä 7,5:een, eli otsonointiin sopivaksi. Kalkkivedensyöttö
toimii automaattisesti. Syötön jälkeen veden on annettava stabiloitua, joten se
viipyy muutaman tunnin kontaktialtaassa ennen otsonointiin pääsyä. (Lammi
1996)
38
3.9
Otsonointi
Otsonoinnissa vedestä tuhotaan bakteerit, virukset sekä pieneliöt. Lisäksi veden
haju ja maku paranevat ja orgaanisia yhdisteitä hajoaa. Otsoni (O3) on voimakas
hapetin ja se valmistetaan otsonaattoreiden avulla suoraan hapesta. Otsonointi
suoritetaan syöttämällä veteen hapen ja otsonin kaasuseosta diffuusorien
välityksellä kontaktialtaissa. Jäännösotsonipitoisuus otsonoinnista lähtevässä
vedessä on noin 0,4 mgO3/l viipymällä 7 – 10 minuuttia. (Lammi 1996,
Seittenranta 2010)
3.10 Jälkikemikalointi 2
Otsonoinnin jälkeen veteen syötetään jälkikemikalointi 2:ssa hiilidioksidia
nostamaan alkaliniteettia. Alkaliniteetin noston tarkoituksena on vähentää veden
aiheuttamaa korroosiota.
Hiilidioksidin valmistaa ja toimittaa Pitkäkosken vedenpuhdistuslaitokselle
Suomen AGA Oy. Se on heikko happo ja veden pH laskee tasaisesti siihen
syötetyn
hiilidioksidimäärän
suhteessa.
Hiilidioksidi
syötetään
veteen
kaasumaisena. (Lammi 1996)
3.11 Aktiivihiilisuodatus
Vedessä olevaa orgaanista hiiltä poistetaan biologisella sekä adsorptioon
perustuvalla suodatuksella aktiivihiilipatjojen läpi. Aktiivihiilisuodattimia on aina
kaksi sarjassa. Ensimmäisessä suodattimessa on vanhaa käytettyä hiiltä (2 – 4
vuotta), johon on absorboitunut runsaasti orgaanisia ravinneaineita. Tästä johtuen
hiilessä on runsaasti biologista toimintaa. Ensimmäinen suodatin toimiikin
biologisena suodattimena. Toisessa suodattimessa on uutta hiiltä (0 – 2 vuotta),
joten siinä ei varsinaisesti tapahdu biologista toimintaa, vaan pelkästään
orgaanisten ainesjäämien absorptiota. Aktiivihiilisuodattimien pesu tapahtuu
automaattisesti. (Lammi 1996)
39
Aktiivihiilisuodatuksella poistetaan vedestä hajua, makua sekä väriä. Lisäksi sillä
voidaan poistaa orgaanisia (esim. humus) sekä epäorgaanisia (esim. bromaatti)
yhdisteitä. Aktiivihiili poistaa yhdisteitä muun muassa adsorboimalla niitä tai
toimimalla ioninvaihtimena. (Iivari 2008)
Vanhetessaan aktiivihiilen toimintakyky heikkenee, joten se on tarpeen vaihtaa tai
reaktivoida. Aktiivihiilen reaktivointi suoritetaan ulkoisesti tietyin väliajoin.
Reaktivoinnin tarpeen määritys suoritetaan erillisen toimintaohjeen mukaisesti.
(Ivari 2008, Lammi 1996)
3.12 UV- desinfiointi
UV-desinfioinnin
tarkoituksena
on
aktiivihiilisuodatuksessa
irronneen
bakteerikannan tuhoaminen. Vesi virtaa peräkkäin olevien UV- lamppurivien
väleistä. UV-desinfiointi inaktivoi viruksia ja bakteereita sekä pienentää
olennaisesti
verkkoon
syötettävän
kloorimäärän tarvetta.
Viipymä
UV-
desinfioinnissa on vain parin sekunnin luokkaa. (Seittenranta 2010)
3.13 Jälkikemikalointi 3
Välittömästi UV-desinfioinnin jälkeen veteen syötetään natriumhypokloriittia
sekä ammoniakkivettä tietyssä moolisuhteessa, mikä sitoo kloorin kloramiiniksi.
Kloramiinilla varmistetaan veden puhtaus verkossa. Se on hitaasti reagoivaa ja
hyvin säilyvää sekä lähes hajuton ja mauton yhdiste. Veden korroosioominaisuuksia pienennetään pH:ta ja alkaliniteettiä säätämällä syöttämällä veteen
kalkkivettä sekä hiilidioksidia. Jälkikemikaloinnissa syötetyt kemikaalit reagoivat
puhdasvesialtaissa ennen vesijohtoverkkoon pumppausta. (Lammi 1996)
40
4 KALKKIVEDEN VALMISTUS
Kalkkivettä syötetään veteen prosessin kolmessa pisteessä; Alkukemikaloinnissa
sekä jälkikemikalointi 1:ssä ja 3:ssa. (Kts. kohdat 3.3, 3.8 ja 3.13) Kalkkivettä
valmistetaan tällä hetkellä poltetusta kalkista, mutta koska poltettu kalkki pitää
sammuttaa ennen kalkkiveden valmistusta, pohdittiin olisiko taloudellisempaa
käyttää kalkkiveden valmistukseen jo valmiiksi sammutettua kalkkia.
4.1
Yleistä kalkkituotteista
Kalkkituotteita on saatavana erilaisia ja tuotteilla on eri ominaisuuksia.
Kalkkituotteisiin kuuluvat karbonaattituotteet sekä poltettu ja sammutettu kalkki.
Ne
voivat
erota
ominaisuuksiltaan
toisistaan
erilaisilla
kemiallisilla
koostumuksillaan ja fysikaalisilla ominaisuuksillaan. Nämä tulee huomioida
tuotteiden
käytössä
kuten
myös
niiden
käsittelyssä
ja
varastoinnissa.
Kalkkituotteet on valmistettu kalkkikivestä ja ne kaikki reagoivat happamien
vesiliuosten kanssa sekä toimivat emäksinä.. (Piispanen 2010)
Karbonaattituotteet (kalkkikivirouheet, -jauheet ja -fillerit) on valmistettu
kalkkikivestä (CaCO3) erilaisilla murskaus- ja seulontamenetelmillä. Ihan
hienojakoisimmat tuotteet valmistetaan jauhamalla. Talousveden valmistuksessa
käytetään
yleensä
kalkkikivirouheita
ja
jätevesipuolella
ovat
käytössä
kalkkikivijauheet. Kalsiumkarbonaattimuodossa kalkkituotteet eivät yleensä nosta
veden pH:ta yli yhdeksään. Yleensä pH- arvo jää ns. tasapainotilan pH- arvoon,
joka on 7,5 – 8,5. (Piispanen 2010)
Talousveden valmistuksessa käytettävien kemikaalien tulee täyttää niille asetetut
SFS-EN standardit. Kalkkikivituotteille asetetut laatuvaatimukset käyvät ilmi
standardista SFS-EN 1018. Standardissa on määritetty sallittu kalsiumkarbonaatin
määrä kalkkituotteessa sekä liukenemattoman aineksen ja raskasmetallien sallittu
osuus tuotteessa. (Piispanen 2010)
41
4.2
Poltettu kalkki
Kalkkikiveä voidaan jalostaa poltetuksi kalkiksi polttamalla sitä yli 1100 C
lämpötilassa.
Tällöin
kalkkikiven
sisältämä
hiilidioksidi
vapautuu
ja
kalsiumkarbonaatti muuttuu kalsiumoksidiksi (CaO), eli poltetuksi kalkiksi.
(Piispanen 2010)
Kalkkikiven polttoreaktiota voidaan kuvata seuraavalla yhtälöllä:
CaCO3 (kalkkikivi) + lämpöä => CaO (poltettu kalkki) + CO2
(19)
(Heikkinen 1977)
Poltettua kalkkia on rakeisena eri raekokoina sekä jauhettuna. Se käyttäytyy
erilailla kuin kalsiumkarbonaattimuodossa olevat kalkkituotteet. Se on vahva
emäs; Kylläisen liuoksen pH on yli 12. (Piispanen 2010)
Poltetun kalkin ominaisuudet voivat vaihdella muun muassa sen mukaan,
millaisesta kalkkikivestä se on poltettu ja millä tavalla sekä kuinka pitkä
geologinen ikä kalkkikivellä on. Kalkin polttotavalla voidaan vaikuttaa
esimerkiksi kalkin reaktiivisuuteen. (Piispanen 2010)
Seuraavat kalkkikiven ominaisuudet vaikuttavat siitä valmistetun poltetun kalkin
laatuun:
-
kidemuoto
-
reaktiivisuus ja huokoisuus
-
puhtaus sekä epäpuhtauksien määrä ja laatu
-
partikkelikoko ja kokojakauma
-
kokojakauman tasaisuus
-
uunityyppi
-
polttolämpötila
-
polttonopeus ja jäähdytysnopeus
-
polttoaika
-
polton tasaisuus
(Heikkinen 1977)
42
Tärkeimmät poltetun kalkin laatuun vaikuttavat asiat ovat polttolämpötila,
polttoaika, kalkkikiven laatu ja uunityyppi. Polttolämpötila ja polttoaika
vaikuttavat toisiinsa kääntäen. Korkea polttolämpötila lyhentää polttoaikaa.
Yleensä sekä polttoaika että –lämpötila määritetään yksilöllisesti kullekin
kalkkikivilaadulle kokeellisin menetelmin. Korkean lämpötilan ja pitkän
polttoajan vaikutuksesta kalkista tulee yleensä ylipalanutta, jolloin se reagoi veden
kanssa hitaasti. Lyhyellä polttoajalla ja alemmalla lämpötilalla saadaan usein
aikaan pehmeämpää ja hyvin reagoivaa kalkkia, mutta tällöin on mahdollista, ettei
kaikki kalkkikivi pala täydellisesti. Poltetun kalkin toivotuimpia ominaisuuksia
ovat korkea CaO- pitoisuus sekä tehokas ja nopea reaktio veden kanssa.
(Heikkinen 1977) Poltetun kalkin laatuvaatimukset vedenkäsittelyn kannalta on
esitetty standardissa SFS-EN-12518. Standardissa otetaan kantaa vesiliukoisen
kalsiumoksidin/-hydroksidin määrään, veteen liukenemattoman aineksen osuuteen
ja raskasmetalleihin. (Piispanen 2010)
Kalsiumoksidi on hygroskooppista, eli se sitoo itseensä kosteutta. Joutuessaan
kosketuksiin veden kanssa se reagoi voimakkaasti muuttuen sammutetuksi
kalkiksi,
eli kalsiumhydroksidiksi.
Poltettu kalkki ei
sisällä
ennestään
kemiallisesti sitoutunutta vettä. (Piispanen 2010)
4.3
Poltetun kalkin sammutus
Kalkin sammutuksella tarkoitetaan kalsiumoksidin ja veden välistä eksotermista
reaktiota, jonka seurauksena kalkki muuttuu kalsiumhydroksidiksi, eli sammuu.
Sammumisreaktio on esitetty yhtälössä 20. Jotta kalsiumoksidi (CaO) voisi liueta
veteen, se reagoi aina ensin veden kanssa muuttuen kalsiumhydroksidiksi. Vasta
sen jälkeen, kun kalsiumoksidi on sammunut ja muuttunut kalsiumhydroksidiksi
se voi liueta veteen. Sammutuksen onnistumisesta riippuu, kuinka hyvin
poltetusta kalkista muodostuu kalsiumhydroksidia ja sitä kautta se, kuinka hyvin
sitä saadaan hyödynnettyä (Piispanen 2010, Heikkinen 1977)
CaO + H2O => Ca(OH)2 + lämpöä
(20)
43
Kalsiumhydroksidi voi olla esimerkiksi pastamaista tai maitomaista riippuen
reaktiossa käytetystä vesimäärästä. Sammumisreaktiossa tärkeää on etenkin oikea
vesimäärä ja sekoituksen tehokkuus. Sekoitus nopeuttaa ja tehostaa reaktiota.
Kalkkituotteiden ja veden sekoittamisessa on aina tärkeää, että sekoitus tapahtuu
tarpeeksi tehokkaasti. (Piispanen 2010)
Pitkäkosken vedenpuhdistuslaitoksella poltettu kalkki sammutetaan 1:4 kalkkivesi-suhteella.
(Heikkinen
1977)
Tätä
kalkkimaitoa
käytetään
alkukemikaloinnissa, mikäli kalkinlisäykseen on tarvetta (lähinnä silloin, jos
raakavetenä käytetään jokivettä Vantaanjoesta).
Heikkisen (1977) tutkimuksessa mainittiin, että keskisuuren CaO- pitoisuuden
omaava poltettu kalkki pitäisi yleensä sammuttaa siten, että 1:4 kalkki-vesisuhteella saavutettaisiin 70 – 95 C:een lämpötila. Tällöin olisi mahdollista saada
aikaan reaktiivista pienen partikkelikoon omaavaa kalsiumhydroksidia. Heikkisen
mukaan suositellaan lämpimän tai jopa kuuman veden käyttöä sammutusvetenä.
Erilaiset poltetut kalkit käyttäytyvät sammutettaessa eri tavalla. Reaktiolämmön
nousussa ja veden tarpeessa sekä sammumisajoissa on eroja. Reaktiiviset kalkit
sammuvat nopeasti, kun taas vähemmän reaktiivisilla kalkeilla sammumisaika on
pidempi. Vähemmän reaktiivisten kalkkien sammutusvesi saatetaan joutua
lämmittämään. Sammutusveden määrä on myös riippuvainen sammuttimen
tyypistä. (Piispanen 2010)
Poltetun kalkin sammutusreaktioon vaikuttavia tekijöitä (Heikkinen 1977):
-
Poltetun kalkin pehmeys
Pehmeäksi poltettu kalkki reagoi aina nopeammin ja tehokkaammin veden kanssa
kuin kovaksi poltettu tai ylipoltettu kalkki. Pehmeän kalkin sammutukseen
tarvitaan yleensä matalampi sammumislämpötila. Kovan kalkin hitaasti reagoiva
pintakerros estää veden pääsyn kalkkirakeen sisään, jolloin sammumisreaktio
hidastuu ja vaikeutuu.
44
-
Polton tasaisuus
Kalkki sammuu tehokkaimmin, jos se on poltettu tasaisesti, eikä siinä ole
tapahtunut paikallisia ylipalamisia, sekä kaikki kalsiumkarbonaatti (CaCO3) on
reagoinut kalsiumoksidiksi (CaO).
-
Korkea CaO- pitoisuus
Kalsiumoksidipitoisuus vaikuttaa saatavan sammutetun kalkin määrään ja
reaktiossa vapautuvaan lämpömäärään.
-
Oksidiepäpuhtauksien määrä
Korkea oksidiepäpuhtauksien määrä aiheuttaa varsinkin kovaksi poltetun kalkin
pinnalle kovemman, heikosti reagoivan, huokosettoman pinnan muodostumisen.
Tällaisella kalkilla on yleensä myös normaalia suurempi kuluttava vaikutus.
-
Pieni partikkelikoko
Mitä pienempi partikkelikoko kalkilla on, sitä suurempi on sen ominaispinta-ala
(kokonaispinta-ala massayksikköä kohti). Koska kalkilla ja vedellä on tällöin
enemmän reaktiopinta-alaa, on reaktio nopeampi.
-
Korkea sammutuslämpötila
Sammutusreaktio tapahtuu yleensä nopeammin ja tehokkaammin korkeammassa
lämpötilassa.
Nopean
sammutusreaktion
seurauksena
muodostuu
kalsiumhydroksidia, jolla on pienempi partikkelikoko, jolloin se liukenee ja reagoi
nopeammin ja täydellisemmin. Kovaksi poltetut tai alhaisen CaO- pitoisuuden
omaavat
kalkkilaadut
tarvitsevat
yleensä
normaalia
korkeamman
sammumislämpötilan (80 – 95 C) sammuakseen hyvin.
-
Kosteuden estäminen
Kalsiumoksidin ollessa kosketuksessa ilman kanssa se reagoi ilmassa olevan
kosteuden ja hiilidioksidin kanssa (ns. air slaking). Tuloksena on joko
heikkoliukoista kalsiumhydroksidia tai kalsiumkarbonaattia. ”Air slaking”- ilmiö
on sitä nopeampaa, mitä reaktiivisempaa kalkki on.
45
-
Tehokas sekoitus sammutuksen yhteydessä
Reaktionopeus on suoraan verrannollinen sekoitusnopeuteen, mutta liian tehokas
sekoitus aiheuttaa suuria lämpöhäviöitä.
-
Alhaisempi vesi-kalkki-suhde
Pienemmällä vesi-kalkki- suhteella saavutetaan suurempi lämpötilannousu, jolloin
reaktio on nopeampi. Huonompilaatuisilla ja kovaksi poltetuilla kalkkilaaduilla
sammutuksessa kannattaa yleensä käyttää vähemmän vettä. Vesi-kalkki- suhde
riippuu yleensä myös käytössä olevasta sammutintyypistä, eikä se saa kuitenkaan
olla liian pieni, jotta sammutusreaktio tapahtuisi tasaisesti.
-
MgO- pitoisuus
Korkea magnesiumoksidipitoisuus (dolomiittikalkki) pienentää reaktionopeutta.
Tehokkaan reaktion tärkeimpinä edellytyksinä pidetään yleensä poltetun kalkin
laatua ja CaO- pitoisuutta sekä riittävän korkeaa sammutuslämpötilaa ja oikeaa
kalkki-vesi-
suhdetta.
Nämä
tekijät
luovat
edellytykset
nopealle
lämpötilannousulle ja täten nopealle reaktiolle. Sammutusreaktion onnistuminen
määrää viimekädessä saatavan kalsiumhydroksidin laadun. (Heikkinen 1977)
4.4
Sammutettu kalkki
Sammutettu kalkki, eli kalsiumhydroksidi (Ca(OH) 2), on reagoinut veden kanssa
jo valmistusvaiheessa ja se sisältää kemiallisesti sitoutunutta vettä. Se on vahva
emäs, jonka pH nousee yli arvon 12. Tehdasvalmisteinen sammutettu kalkki on
hienojakoinen jauhe. Sammutetun kalkin ominaisuuksiin vaikuttaa raaka-aineena
olleen kalkkikiven ominaisuudet. Sen laatuvaatimukset vedenkäsittelyn kannalta
löytyvät standardista SFS-EN-12518. Standardissa otetaan kantaa vesiliukoisen
kalsiumoksidin/-hydroksidin määrään, veteen liukenemattoman aineksen osuuteen
ja raskasmetalleihin. (Piispanen 2010)
Sammutetun kalkin halutut ominaisuudet vaihtelevat hieman käyttötarkoituksesta
riippuen. Käytettäessä tuotetta veden pH:n säätöön toivotaan luonnollisesti, että se
46
olisi mahdollisimman hyvin ja nopeasti liukenevaa sekä nopeasti reagoivaa.
(Heikkinen 1977)
Kun sammutettua kalkkia käytetään neutralointiin ja pH:n säätöön, on
partikkelikoko sen tärkein ominaisuus. Partikkelikokoa pidetään yleisesti
reaktiivisuuden mittana. Sammutettu kalkki on sitä paremmin reagoivaa, mitä
pienempi on sammutuksessa saatavien partikkeleiden keskimääräinen koko.
Jokaisella kalkkilaadulla on olemassa optimiolosuhteet, jolloin saavutetaan
mahdollisimman pieni partikkelikoko, mutta ne eivät usein ole taloudellisesti
edullisimmat. (Heikkinen 1977)
Sammutetun kalkin liukoisuus riippuu melko voimakkaasti veden lämpötilasta
siten, että liukoisuus pienenee lämpötilan noustessa. Eri tavoin sammutetuilla
kalkeilla voi olla suuria eroja liukoisuudessa. Vastasammutettu kalkki voi olla
jopa 10 % liukoisempaa kuin suuren partikkelikoon omaava valmiiksi
sammutettuna hankittu sammutettu kalkki. (Heikkinen 1977)
Sammutetun kalkin
käytön tehokkuuteen
vaikuttaa
liukoisuuden
lisäksi
oleellisesti myös kalkin liukenemisnopeus. Liukenemisnopeus on verrannollinen
sekä liukoisuuteen, että siihen, kuinka kaukana kyllästymispisteestä ollaan.
Liukenemisnopeus on yleensäkin sitä suurempi, mitä suurempi on liuottimen ja
liotettavan aineen välinen kosketuspinta. Siksi myös liukoisuus kasvaa
partikkelikoon pienentyessä. Keskimääräistä partikkelikokoa voidaan arvioida
kalsiumhydroksidihiukkasten laskeutumisnopeuden perusteella vedessä. Mitä
hitaampi laskeutumisnopeus on, sitä pienempiä partikkelit ovat keskimäärin.
(Heikkinen 1977)
47
4.5
Kalkkiveden valmistus sammutetusta kalkista
4.5.1 Laitoksella sammutettu kalkki
Laitoksella käytetty poltettu kalkki on raekooltaan 0,75 – 4,0 mm ja sen
kalsiumoksidipitoisuus on noin 91 %. Kalkki sammutetaan käyttämällä vettä
sekoitusaltaissa noin 80 C lämpötilassa. Kalkkivesi johdetaan stabilointisiiloihin,
joissa tapahtuu vielä kalkin liukenemista. Pieni osa kalkista ei liukene veteen,
vaan laskeutuu siilon pohjalle. Kalkkivettä syötetään eri prosessinosiin
varastosiiloista. Kalkkimursketta kuluu yhteensä noin 20 g/m3. (Lammi 1996)
Pitkäkosken vedenpuhdistuslaitoksella kalkin syöttö sammuttimeen tapahtuu
kalkkisiilosta, josta kalkki valuu syöttöhihnalle. Syöttöhihnan nopeus voidaan
säätää automaattisesti halutun pH:n mukaan tai käsin. (Lammi 1996)
Sammutuksen jälkeen kalkkisuspensio johdetaan kalkkivesisiiloihin, jotka ovat
yhdistettyjä liuotin-selkeytin- laitteistoja. Niiden avulla valmistetaan noin 200
gCaO/l sisältävästä kalkkimaidosta laimentamalla ja liuottamalla lähes kylläistä
kalsiumhydroksidiliuosta, eli kalkkivettä, joka sisältää noin 1 gCaO/l. (Lammi
1996)
Kalkkisuspensio, eli kalkkimaito, johon on jo lisätty laimennusvesi, johdetaan
kalkkivesisiiloihin yläkautta syöttökourua pitkin siilon keskustaan. Katso liitteet
1-2. Siilon keskustasta suspensio johdetaan edelleen sekoituskartion sisäputkea
pitkin siilon alaosaan. Sisäputkessa on potkuri, joka sekoittaa suspensiota ja
samalla edistää virtausta alaspäin. Sekoituskartion alapuolella siilon alaosassa
tapahtuu edelleen liukenemista ja samalla pääosa liukenemattomasta kalkista ja
hiekasta laskeutuu siilon alakärkeen, josta se poistetaan ajoittain puhaltamalla
kalkkilietekaivoon. Siilon alaosasta kalkkivesi virtaa sekoituskartion ja siilon
seinämän välistä ylöspäin. Ylöspäin mentäessä tilavuusvirtaus pinta-alayksikköä
kohti pienenee, koska poikkileikkauksen pinta-ala kasvaa. Samalla kalkkivesi
selkeytyy, mutta liukenemistakin voi vielä tapahtua. Selkeytynyt kirkas liuos
48
nousee edelleen ylöspäin ja virtaa purkuaukkojen kautta kouruihin. Kouruista
kirkas kalkkivesi virtaa ylijuoksuna varastosäiliöihin, joista kalkkivettä otetaan
prosessiin. (Lammi 1996)
4.5.2 Valmiiksi sammutettu kalkki
Sammutettu kalkki on reagoinut veden kanssa jo valmistusvaiheessa, eikä sen
reaktiossa veden kanssa siksi enää muodostu lämpöä. Kalsiumhydroksidi liukenee
veteen yhtälön 21 mukaisesti. (Piispanen 2010)
Ca(OH)2 + H2O => Ca2+ + 2OH- + H2O
(21)
Sammutetun kalkin liuotukseen kuluu 10 – 15 minuuttia ilman ulkopuolisen
energian käyttöä, mutta tehokkaalla sekoituksella liukenemista voidaan nopeuttaa.
Sammutetun kalkin liukoisuus veteen on alhainen. Veden lämpötilan ollessa 0 C
kalsiumhydroksidia voi liueta veteen 1,85 g/l, mutta liukoisuus laskee, kun veden
lämpötila nousee. Esimerkiksi 100 C:ssa liukoisuus on enää 0,71 g/l. Jos halutaan
valmistaa liuosta, jossa kalkki on täysin liuenneena, pitoisuus on käytännössä 1,0
– 1,3 g/l. Kaikki tämän yli menevä kalkkimäärä tuottaa suspensiota, eli ns.
kalkkimaitoa. (Piispanen 2010)
Sammutetun kalkin syöttämistä kuivana käsiteltävään veteen ei suositella, eli
myös käytettäessä valmiiksi sammutettua kalkkia kalkkiveden valmistuksessa
kannattaa se sekoittaa ensin veteen ns. kalkkimaidoksi. Kalkkimaidossa on
mukana liukenematonta kalkkia. Kalkkimaidosta valmistetaan kalkkivettä
laimentamalla sitä lisävedellä haluttuun pitoisuuteen ja kun se on saavutettu,
kalkkivesi vielä selkeytetään, eli siitä laskeutetaan pois liukenemattomat
hiukkaset. Koska kalkkituotteet ovat peräisin luonnon kalkkikivestä, on niissä
aina jonkin verran veteen liukenematonta ainesta, yleensä silikaatteja, ja nämä
saadaan
myös
erotettua
kalkkivedestä
selkeytysvaiheessa.
Juomaveden
valmistuksessa käytetään yleensä kalkkivettä, sillä kalkkimaitoa käytettäessä
liukenemattomat hiukkaset pitäisi poistaa vedestä jollain tavalla, esimerkiksi
suodattamalla.
(Piispanen
2010)
Kalkkiveden
49
valmistuksessa
valmiiksi
sammutetusta kalkista joudutaan siis kuitenkin läpikäymään edellisessä kohdassa
kuvailtu liuotus, sekoitus ja selkeytys.
4.6
Poltettua vai sammutettua kalkkia
Poltetun kalkin valmistuksessa on yksi prosessivaihe vähemmän kuin sammutetun
kalkin valmistuksessa, eli sammutus. Siksi poltettu kalkki on hinnaltaan
edullisempaa kuin sammutettu kalkki. Poltettu kalkki tulee myös edullisemmaksi
kuljetuskustannusten kannalta, koska siinä ei kuljeteta mukana kemiallisesti
sitoutunutta vettä, jota taas sammutetussa kalkissa on mukana. Poltettua kalkkia
tarvitaan myös määrällisesti vähemmän kalkkiveden valmistukseen kuin
sammutettua kalkkia. Teoriassa kalsiumoksidin ja kalsiumhydroksidin suhde
saman vaikutuksen saamiseksi on 1 yksikkö kalsiumoksidia ja 1,32 yksikköä
kalsiumhydroksidia. Eli jos kalsiumoksidia on tarvittu halutun vaikutuksen
aikaansaamiseksi esim. 100 g, tarvittaisiin vastaavasti kalsiumhydroksidia 132 g.
Tämä tulee huomioida myös varastotarpeen määrittämisessä, kun sammutettua
kalkkia tarvitaan n. 1,3- kertaisesti poltettuun kalkkiin nähden. (Piispanen 2010)
Kun vertaillaan poltetun ja sammutetun kalkin hintoja, pitää ottaa huomioon
kalkkituotteiden laadut. Mikäli kyseessä on reaktiivinen, veden käsittelyyn
soveltuva tuote, se toimii paremmin ja sitä tarvitaankin vähemmän. Erot tulevat
esiin kalkin liukoisuudessa ja sitä kautta sen hyödynnettävyydessä. Poltetun
kalkin hyödynnettävyyteen vaikuttaa tuotteen ominaisuuksien lisäksi laitoksella
tehtävän märkäsammutusvaiheen onnistuminen, mihin taas vaikuttaa sekä tuotteen
että tekniikan valinta. (Piispanen 2010)
Mikäli laitoksella on jo valmiiksi kalkkivedenvalmistukseen tarkoitettuja
laitteistoja, jotka on suunniteltu poltetulle kalkille ja halutaan siirtyä käyttämään
niitä kalkkiveden valmistukseen sammutetusta kalkista, tulee kiinnittää huomio
siiloihin
ja
siilokapasiteetin
riittävyyteen.
Sammutettu
kalkki
on
tilavuuspainoltaan kevyempää kuin poltettu kalkki, joten sama tonnimäärä
sammutettua kalkkia tarvitsee enemmän tilaa kuin poltettu kalkki. Sammutetun
kalkin tilavuuspaino on 400 – 600 kg/m3 ja poltetun kalkin tilavuuspaino on 900 –
50
1300 kg/m3 riippuen siitä, onko se jauhettua vai rakeista. Tästä johtuen esim. 40
tonnia sammutettua kalkkia tarvitsee tilaa 100 m3, kun taas samalle määrälle
poltettua kalkkia riittää 45 m3. (Piispanen 2010)
Siiloissa pitää huomioida myös purkauksen apulaitteet, joita sammutetulle kalkille
pääsääntöisesti tarvitaan. Sammutetulle kalkille parhaiten soveltuva purkauksen
apulaite on fluidisointi, eli paineilman syöttö siilokartioon. Poltetulle kalkille
tarkoitettujen
kuiva-annostelulaitteiden
soveltuvuus
hienojakoisemmalle
sammutetulle kalkille on asia, joka tulee tarkistaa. Sammutintyypin soveltuvuus
sammutetun kalkin sekoitukseen veteen kalkkimaidoksi tulee huomioida. Yleensä
poltetun kalkin sammutusvaiheessa tehtävä pasta on paksumpaa kuin sammutetun
kalkin veteenliettämisvaiheessa tehtävä ns. kalkkimaito. (Piispanen 2010).
Teknisiä muutoksia sammutuslaitteisiin tarvinnee tehdä, jos siirryttäisiin poltetun
kalkin käytöstä valmiiksi sammutetun kalkin käyttöön.
Kun poltettu kalkki on sammutettu tai kun valmiiksi sammutettu kalkki on lisätty
veteen, jatkuu prosessi kummassakin tapauksessa samalla tavalla. Eli sekoitus,
veden lisäys ja selkeytys ovat käytössä myös valmiiksi sammutetun kalkin
käsittelyprosessissa. (Piispanen 2010)
51
5 TUTKIMUSMENETELMÄT
5.1
Valmistelut
Tutkimusta varten valittiin kaksi rinnakkaista hiekkasuodatinta, joille tulee vesi
samasta selkeytysaltaasta. Varsinaiseksi tutkimussuodattimeksi valittiin suodatin
numero 13 ja vertailusuodattimeksi valittiin suodatin numero 14. Suodattimesta
13
tehtiin
mixed
bed
-suodatin
ja
suodatin
14
jätettiin
tavalliseksi
hiekkasuodattimeksi.
Hiekkasuodattimissa on aina kaksi puolta, eli kaksi erillistä allasta, joiden läpi
virrannut vesi yhdistyy suodattimen alla. Suodattimen 13 hiekkapatjojen
korkeudet mitattiin ja tasoitettiin siten, että hiekkaa siirrettiin toisesta puoliskosta
toiseen (ennen tasoitusta suodatin tyhjennettiin vedestä). Hiekkojen tasoituksen
jälkeen suodattimeen lisättiin Nordkalk Oyj Abp:n Parfill 2/1500- kalkkia siten,
että suodatinmassasta 1/3 oli kalkkikivirouhetta ja 2/3 hiekkaa. Mixed bed suodattimen
suodatinpatjan
lähtökorkeus
oli
alussa
noin
1,1
metriä.
Rinnakkaisessa hiekkasuodattimessa hiekkapatjan korkeus oli noin 1,3 metriä.
Mixed bed -suodatinta huuhdeltiin hyvin ennen kuin selkeytettyä vettä alettiin
valuttaa suodattimen läpi. Suodatettu vesi johdettiin ensin viemäriin, jotta
voitaisiin varmistua mixed bed -suodatetun veden olevan tarpeeksi hyvälaatuista
prosessiin johdettavaksi, eli ettei sameus ole liian suuri. Alussa näytteet otettiin ja
analysoitiin lähes päivittäin. Koska viemäripumpulla on rajoitettu kapasiteetti, oli
virtaama mixed bed -suodattimen läpi hyvin pieni verrattuna haluttuun
tutkimusvirtaamaan. Arviolta viemäriin virranneen veden virtaama oli noin 90
m3/h.
Tutkimusvirtaama laskettiin jakamalla haluttu suodatuslaitoksen kokonaistuotto
hiekkasuodattimien lukumäärällä. Tutkimuksessa arvioitiin, että suodatusosaston
kokonaistuoton tulisi olla noin 7000 m3/h ja suodattimia on yhteensä 24, joten
52
suodatinkohtaiseksi virtaamaksi laskettiin noin 290 m3/h. Viipymäksi tällä
virtaamalla laskettiin mixed bed –suodattimelle noin 10 minuuttia ja
hiekkasuodattimelle
melkein 12 minuuttia. Yhtälöllä (12) laskettu tehollinen
viipymä on kuitenkin pienempi, vain noin 4 minuuttia mixed bed –suodattimella
ja 4,7 minuuttia hiekkasuodattimella. Suodatusnopeudeksi saatiin noin 6,7 m/h.
Kun mixed bed -suodattimelta lähtevän veden laatu varmistettiin tarpeeksi
hyväksi, alettiin vettä johtaa prosessiin ja virtaamaksi sekä mixed bed suodattimelle että rinnakkaissuodattimelle (hiekkasuodatin 14) asetettiin 290
m3/h.
Tutkimusta varten varattiin online- sameusmittari mittaamaan selkeytetyn veden
sameutta jatkuvatoimisesti. Suodatetun veden sameutta mitataan kiertävällä
sameusmittarilla, joka mittaa jokaisen suodattimen lähtevän veden sameuden
peräkkäin. Kyseistä sameusmittausta käytettiin ensin mixed bed -suodatetun
veden sameuden mittaamiseen, kunnes huomattiin, että se ei toiminutkaan
halutulla tavalla. Asiasta lisää kohdassa 5.9 Tutkimuksessa ilmenneet ongelmat.
Tutkimusta varten tilattiin myös jatkuvatoimiset pH- mittarit selkeytetylle ja
mixed bed -suodatetulle vedelle.
Kalkin kulumista mitattiin viikoittain mittakepillä, jolla mitattiin suodatinpatjan
yläreunan etäisyyttä altaan yläreunasta ja laskettiin sen avulla suodatinpatjan
paksuus mittaushetkellä. Kalkin kuluessa kyseinen välimatka piteni. Mittakeppi
valmistettiin kiinnittämällä mittanauha puuseipääseen.
Kalkkikivirouhetta tilattiin vielä uusi erä säkeissä, yhteensä 10 tonnia (20 x 500
kilogramman säkki). Tilavuudeltaan 10 tonnia kalkkikivirouhetta on noin 7 m3.
Säkit varastoitiin ulkona.
5.2
Kalkkikivi
Tutkimuksessa käytetty kalkkikivilaatu sekä kalkkikiven ja hiekan tilavuuksien
suhde mixed bed -suodattimessa valittiin Vilja Voutilaisen (2010) diplomityön
53
tuloksien perusteella. Kalkkikivirouhe on Nordkalk Oyj Abp:n Parfill 2/1500kalkkia, jonka raekoko on noin 0,5 – 1,5 mm. Se on kotimaista, vanhaa, kiteistä,
kalsiittista kalkkikiveä. Mixed bed -suodattimessa on murskattua kvartsihiekkaa.
Hiekan raekoko on noin 0,5 – 1,0 mm, joten kalkkikivirouhe ja hiekka sekoittuvat
keskenään, kun suodatin pestään. Nordkalkin Parfill 2/1500- kalkissa MgOpitoisuus on 1,4 %, eli se on kalsiumkarbonaattia. Taulukossa 4 on esitetty
kalkkikivirouheen raekoostumus sekä sen sisältämiä aineita. Kalkkikivirouheen
irtotiheys on n. 1500 kg/m3.
Talulukko 4: Nordkalk Parfill 2/1500 (Nordkalk)
Kemiallinen analyysi
Raskasmetallit
Raekoko
5.3
5.3.1
CaCO3-MgCO3 EN 12485
Liukenematon EN 12485
Cd
Cr
Hg
Ni
Pb
As
Sb
Se
0,25 mm
0,50 mm
1,00 mm
2,00 mm
%
94,4
%
5,1
mg/kg < 0,05
mg/kg
2
mg/kg <0,02
mg/kg 0,45
mg/kg 1,2
mg/kg 1,2
mg/kg 0,32
mg/kg <0,70
läp. %
2
läp. % 5,5
läp. % 77,1
läp. % 100
Laitteisto
Suodattimien mitat
Suodatinpuoliskoja on kaksi. Yhden puoliskon sisämitat ovat: Leveys 3,2 m,
pituus 6,7 m ja syvyys 3,4 m. Mixed bed -suodattimessa on triton- pohjan takia
syvyyttä vain 3,3 m.
54
5.3.2
Suodatinmassojen määrät
Hiekkasuodattimien hiekkapatjan korkeus oli noin 1,3 m ja hiekkatilavuus oli
noin 55 m3. Mixed bed –suodattimen suodatinpatjan alkukorkeus oli noin 1,1 m.
Suodatinmassasta oli yli 30 m3 hiekkaa ja hieman yli 16 m3 kalkkikivirouhetta.
5.3.3
Suodattimien pohjaratkaisut sekä pesumahdollisuudet
Mixed bed –suodattimessa on triton- pohja. Triton- pohjasta löytyy kuvia liitteestä
3. Siinä on halkaisijaltaan puoliympyrän muotoisia siivilämäisiä rakenteita, joiden
läpi vesi kulkeutuu suodattimen alapohjaan. Pohjarakenteen muodosta johtuen
pohjalla on suuri pinta-ala, jonka läpi vesi kulkee suodattimen alapohjaan. Lisäksi
pesuvesi ja –ilma pääsevät hyvin tasaisesti suodatinpohjan läpi. Mixed bed –
suodattimessa on siis sekä ilma- että vesipesu.
Hiekkasuodattimen pohja on suutinpohja, josta on kuvia liitteessä 4. Vesi virtaa
suuttimien raoista alapohjaan. Suodattimessa on pelkkä vesipesu. (Seittenranta
2010)
5.3.4
Pesuvesitorni
Torni täytetään pohjasta 3,2 m korkeudelle ennen jokaista suodattimen puolen
pesua. Veden kuluessa pesussa vedenpinta laskee, mutta sen ei anneta laskea alle
1,5 metriin, jottei pesuveden paine laske liikaa. Tornia myös täytetään koko pesun
ajan. Yhden suodatinpuolen pesuun menee noin 85 m3 vettä, eli yhteensä 170 m3.
(Seittenranta 2010)
5.3.5
Ilmansyöttölaitteisto
Huoneilmaa syötetään kompressorin välityksellä suodattimen pohjassa olevien
suuttimien läpi suodatinmateriaaliin.
55
5.3.6
Kalkinsyöttölaitteisto
Ensimmäinen kalkinlisäys tehtiin Nordkalk Oyj Abp:n toimesta. Kalkki tuotiin
laitokselle säiliöautossa ja purettiin suoraan suodattimeen säiliöstä märkänä
paineilman avulla. Kalkkia tilattiin myöhemmin varastoon säkeissä ja toista
kalkinlisäystä varten tilattiin kalkinsiirtolaitteisto Hurrikaanit ympäristöhuollolta.
5.4
Online- mittaukset
Selkeytetyn ja mixed bed –suodatetun veden pH:ta seurattiin jatkuvatoimisesti
pH-
mittareilla,
jotka
olivat
tyyppiä
Stratos
Eco
2405
pH.
Lisäksi
jatkuvatoimisesti mitattiin sameutta selkeytetystä vedestä ja mixed bed –
suodatetusta vedestä sekä neljän tunnin välein kiertävällä sameusmittarilla
hiekkasuodatetusta vedestä. Sameusmittarit olivat tyyppiä Solitax SC. Sekä mixed
bed-
että
hiekkasuodattimien
jatkuvatoimisesti,
samoin
paine-erojen
suodattimien
kehitystä
alaventtiilien
mitattiin
myös
aukioloprosentteja.
Suodattimien virtaamia seurattiin jatkuvatoimisesti, mutta ne pysyivät hyvin
tasaisina, koska niihin oli säädetty haluttu virtaama.
5.5
Pesurajojen määritys ja pesujärjestelyt
Suodattimien pesurajat voidaan määrittää paine-eron ja käyttöajan mukaan. Ne
näkyvät automaatiojärjestelmästä. Suodatin menee automaattisesti pesuun, kun
jompikumpi raja ylittyy. Pesun jälkeen hiekkasuodattimen paine-ero alkaa nousta
tasaisesti sitä mukaa, kun se likaantuu. Suodatin alkaa päästää yhä enemmän
sameutta lävitseen likaantuessaan. Kun määritetään, kuinka suureksi suodattimelta
lähtevän veden sameus saa nousta, voidaan suodattimelle määrittää maksimi
paine-ero
katsomalla,
saavuttamishetkellä.
kuinka
suuri
Tutkimuksen
paine-ero
on
maksimisameuden
hiekkasuodattimelle
määritettiin
maksimisameudeksi 0,5 NTU, koska haluttiin kokeilla, kuinka pitkäksi pesuväli
56
voidaan
maksimissaan
venyttää tutkimusvirtaamalla.
Kun
tämä
sameus
saavutettiin, oli hiekkasuodattimen paine-ero 11 kPa, mikä asetettiin pesurajaksi.
Tällä pesurajalla hiekkasuodatin meni pesuun reilun kahden vuorokauden välein,
joten maksimikäyttöajaksi määritettiin 60 tuntia. Maksimikäyttöajan asettaminen
on hyvä varotoimi, jos pesu ei jostain syystä menekään päälle maksimipaine-eron
ylittyessä.
Hiekkasuodattimen pesua ei muutettu. Pesussa on pelkkä vastavirtainen
vesihuuhtelu, eikä ollenkaan esisuodatusta. Ennen pesua suodattimen vedenpintaa
lasketaan ja viemäriin menee noin 46 m3 vettä yhtä suodatinpuoliskoa kohti.
Pesuaika on 2 x 4,5 minuuttia (kummatkin suodatinpuoliskot), jonka aikana vettä
kuluu yhteensä 170 m3 virtaamalla 300 l/s. (Seittenranta 2010)
Mixed bed -suodatin pidätti niin hyvin sameutta, että pesurajaa ei voitu määrittää
sameuden
perusteella.
Suodattimen
alaventtiili
säätelee
automaattisesti
aukioloprosenttiaan siten, että suodattimen läpi menee haluttu virtaama.
Suodattimen pikkuhiljaa tukkeutuessa ja paine-eron kasvaessa alaventtiili avautuu
yhä enemmän, jotta virtaama pysyisi asetusarvossa. Kun venttiili on auennut noin
60 % se alkaa jo päästää melkein maksimimäärän vettä lävitseen, joten yli 60
prosentin aukioloprosentilla ei enää saada merkittävästi enempää vettä menemään
venttiilin läpi. Siksi mixed bed -suodattimen pesurajan määrittämiseksi tutkittiin
paine-eron käyttäytymistä alaventtiilin aukioloprosenttiin nähden. Huomattiin,
että paine-ero oli noin 30 kPa, kun alaventtiili oli 60 prosenttia auki, joten paineerorajaksi asetettiin 30 kPa. Käyttöaika asetettiin hyvin suureksi siitä syystä, että
suodatin menisi pesuun vain paine-eron ylittyessä, jotta eri pesusekvenssien
vaikutusta käyttöajan pituuteen voitaisiin tutkia.
Mixed bed -suodattimessa on vesihuuhtelun lisäksi ilmahuuhtelumahdollisuus.
Pesusekvenssi
alkaa
suodattimen
vedenpinnan
laskulla
viemärikourujen
alapuolelle. Tätä ohjataan asettamalla vedenlaskuun käytettävä aika sekunteina
(T1 käyttöjärjestelmässä). Seuraava vaihe on ilmahuuhtelun kesto T2, joka
määritetään niin ikään sekunteina. Ilmahuuhtelun virtaamaa ei voida muuttaa
järjestelmästä,
vaan
se
pitää
muuttaa
manuaalisesti.
Ilma
syötetään
suodatinaltaaseen tasaisesti pohjassa olevien suuttimien kautta, jolloin lika alkaa
57
irrota
suodatinmateriaalista
ja
suodatinrakeet
erkaantuvat
toisistaan.
Ilmahuuhtelun jälkeen tulee yhdistelmäpesu, jossa suodatinta huuhdellaan
vastavirtaisesti yhtä aikaa ilmalla ja vedellä. Yhdistelmäpesun kestoa voidaan
muuttaa järjestelmästä muuttamalla aikaa T3 (s). Yhdistelmäpesussa ilman
virtaama on sama kuin pelkässä ilmahuuhtelussa, mutta veden virtaamaa voidaan
muuttaa muuttamalla järjestelmästä virtaamaa S1 (l/s). Yhdistelmäpesun jälkeen
seuraava sekvenssin vaihe on pelkkä vesipesu. Vesipesun kestoa voidaan muuttaa
muuttamalla aikaa T4 järjestelmästä ja vesipesun virtaamaa voidaan muuttaa
muuttamalla virtaamaa S2 (l/s). Pesusekvenssin viimeinen vaihe on esisuodatus,
eli
vettä
suodatetaan
suodattimen
läpi,
mutta
vesi
menee
viemäriin.
Esisuodatuksen kestoa voidaan muuttaa järjestelmästä muuttamalla aikaa T5 (s).
Esisuodatuksen tulee olla sen pituinen, että suodatettu vesi on tarpeeksi
hyvälaatuista laskettavaksi prosessiin. Koska suodattimessa on kaksi puoliskoa,
pestään ensin toinen puolisko ja sen jälkeen toinen. Kummatkin puolet pestään
siis erikseen ja peräkkäin samalla pesusekvenssillä. Pesusekvenssin muutettavat
parametrit on vielä koottu taulukkoon 5 ja taulukossa 6 on esitetty alkuperäisen
pesusekvenssin arvot.
Taulukko 5: Mixed bed -suodattimen pesusekvenssin osat
Lyhenne
T1
T2
T3
T4
T5
S1
S2
Selitys
Aika, kun vesi laskee kourun alapuolelle
Ilmahuuhtelun kesto
Yhdistelmäpesun kesto
Vesipesun kesto
Esisuodatuksen kesto
Yhdistelmäpesussa veden virtaama
Pelkän vesipesun veden virtaama
3
Ilmavirtaus on vakio, noin. 735 - 1155 m /h
Taulukko 6: Alkuperäisen pesusekvenssin arvot.
Suure Arvo
T1
260 s
T2
300 s
T4
330 s
T5
600 s
S2
270 l/s
58
Laatu
s
s
s
s
s
l/s
l/s
3
m /h
Laitoksella oli huomattu, että suodattimen pesusekvenssin yhdistelmäpesuvaihe
aiheuttaa suodatinmateriaalin karkaamista viemäriin. Asia tarkastettiin pesemällä
suodatin kerran sellaisella sekvenssillä, jossa oli 10 sekunnin mittainen
yhdistelmäpesu. Viemärikouruun laitettiin siivilä, jonka pinnalla oli liina, ja
karkaavaa materiaalia jäi liinaan melko paljon. Siksi päätettiin, että tutkimuksessa
ei käytetä ollenkaan yhdistelmäpesua, vaan suoritetaan ensin ilmahuuhtelu ja
sitten vesipesu sekä tutkitaan, kuinka pesusekvenssi olisi viisainta toteuttaa.
Pesusekvenssin
muutettavista
parametreista
tutkittiin
ainoastaan
kolmen
vaikutusta pesuväleihin: T2, T4 ja S2. Jokaista näistä kolmesta parametrista
muutettiin yksitellen aiemmin käytössä olevasta sekvenssistä. Ensin parametria
pienennettiin ja odotettiin, että suodatin oli pesussa kaksi kertaa peräkkäin samalla
pesusekvenssillä. Sitten parametria suurennettiin ja jälleen pestiin suodatin kaksi
kertaa peräkkäin samalla pesusekvenssillä. Jokainen pesu (A1 – C2) suoritettiin
siksi kaksi kertaa peräkkäin, jotta saatiin kaksi rinnakkaista tulosta, joista voitiin
laskea keskiarvot. Samalla tutkittiin, kuinka eri pesusekvenssit vaikuttivat
suodattimen pesuvälien pituuksiin. Pesuohjelma on esitetty taulukossa 7.
Taulukosta näkyvät myös jokaisen pesun ilma- ja vesimäärät. Pesututkimuksen
aikana suodattimeen ei lisätty kertaakaan kalkkia.
Taulukko 7: Mixed bed -suodattimen pesuohjelma.
Tutkitaan
Alkuperäistä pesua
A: Ilmahuuhtelun kestoa T2
B: Vesipesun kestoa T4
C: Vesipesun virtaamaa S2
Pesu
0
A1
A2
B1
B2
C1
C2
T2 [s]
300
150
450
300
300
300
300
T4 [s]
330
330
330
150
450
330
330
S2 [l/s]
270
270
270
270
270
200
350
Ilmaa [m3] Vettä [m3]
79
89
39
89
118
89
79
41
79
122
79
66
79
116
Kuvista 7 – 11 näkyy mixed bed –suodattimen pesuvaiheita. Kun pesusekvenssin
alussa vedenpintaa on laskettu viemärikourujen alapuolelle, näyttää suodatin
kuvan 7 mukaiselta. Kuvassa ilmahuuhtelu on jo alkamaisillaan ja vedenpinnalla
näkyy pientä väreilyä. Kuva 8 on otettu juuri sillä hetkellä, kun ilmahuuhtelu
alkaa ja ensimmäiset kunnolliset ilmakuplat tulevat pintaan. Kuvassa 9
ilmahuuhtelu on täydessä käynnissä ja kuvasta voi nähdä lika-aineiden nousemista
pintaan. Ilmahuuhtelun jälkeen alkaa vesipesu, jolloin vettä alkaa virrata
59
viemärikouruihin vieden likaa mennessään. Tämä näkyy kuvasta 10. Kuva 11 on
lähikuva siitä, kun vesipesussa vesi virtaa kouruun. Kuvasta näkyy hyvin, kuinka
likaista kouruun virtaava vesi on. Vesipesun aikana viemäriin saattaa joutua myös
hienojakoista
suodatinmateriaalia.
Kuvista
näkyy
myös,
kuinka
saostuskemikaalina käytetty ferrisulfaatti on värjännyt suodatinaltaan sisäpinnat
oranssinruskeiksi, kun ne olivat alun perin valkoiset.
Kuva 7. Ilmahuuhtelu on alkamassa.
60
Kuva 8. Ilmahuuhtelu alkaa.
Kuva 9. Ilmahuuhtelu on käynnissä.
61
Kuva 10. Vesipesu on käynnissä.
Kuva 11. Vesi virtaa kouruun.
62
5.6
Analyysit ja niiden suoritustapa
Näytteenottopisteitä oli neljä: Selkeytetty vesi, mixed bed -suodatettu vesi,
hiekkasuodatettu vesi ja jalkikemikaloitu vesi 1 (suodatusosastolta lähtevään
veteen lisätty kalkkivettä). Selkeytetyn veden näyte otettiin mixed bed suodattimen pinnasta näytteenottimella. Mixed bed -suodatetun veden näyte
otettiin suodattimelta 13 tulevasta vedestä näytehanasta. Hiekkasuodatetun veden
näyte otettiin suodattimen 14 vastaavasta näytehanasta. Jälkikemikalointiallas
1:sestä otettiin näytteet näytehanasta. Näytteet otettiin yleensä kolme kertaa
viikossa; Maanantaina, keskiviikkona ja perjantaina. Näytteet analysoitiin
mahdollisimman pian. Lämpötila mitattiin näytteenhaun yhteydessä ja pH
mitattiin välittömästi näytteenhaun jälkeen. Muut analyysit tehtiin saman päivän
aikana lukuun ottamatta TOC- ja rautamäärityksiä.
5.6.1
Lämpötila
Lämpötila mitattiin elohopealämpömittarilla, jonka kalibrointi oli voimassa.
Näyteventtiilistä juoksutettiin vettä ja samalla mitattiin veden lämpötila.
Tuloksissa voi esiintyä virhettä maksimissaan ± 0,1 C.
5.6.2
PH- mittaus
PH- arvot määritettiin pH- mittareilla standardin SFS 3021:1979 mukaisesti. PHarvot mitattiin näytepullon avaamisen jälkeen ensimmäisenä ja heti näytteenoton
jälkeen niin nopeasti kuin mahdollista, jottei näytteen pH- arvo ehdi muuttua
juurikaan todellisesta. Näytepullot myös täytettiin ihan täyteen siitä syystä, että
jos näytevesi on ilman kanssa yhteydessä, sen pH- arvo alkaa muuttua. Tuloksien
virhe on noin ± 0,2.
5.6.3
Sameusmittaus
Näytteen
sameus
mitattiin
sameusmittarilla
standardin
SFS-EN
ISO
7027:1194:2000 mukaisesti. Epävarmuusprosentti on 15 %. Sameusmittari antaa
tulokset yksikössä FTU ja jatkuvatoimiset sameusmittarit antavat tulokset
63
yksikössä
NTU.
Tulokset
ovat
verrannollisia
keskenään
tutkimuksen
sameusalueella.
5.6.4
UV- absorbanssin mittaus
UV- absorbanssi (254 nm) määritettiin kirjassa Standard Methods for
Examination of Water and Wastewater (1995) olevan metodin mukaisesti
spektrofotometrillä.
5.6.5
TOC- määritys
TOC- määritykset tehtiin standardin SFS-EN1484:1997 mukaisesti. Tulokset
esitetään muodossa mg/l ja mittausepävarmuus on 20 %.
5.6.6
Kovuus
Kovuus määritettiin kovuustestin valmistajan, Merckin, ohjeen mukaan.
Kovuustesti
on
nimeltään
Titriplex®.
Kovuus
ilmoitetaan
saksalaisen
kovuusasteikon mukaan ( dH). Arvioitu virhemahdollisuus on noin 25 %.
5.6.7
Hiilidioksidi
Hiilidioksidin määritys tapahtui Standard Methods for Examination of Water and
Wastewater (1995) –kirjassa esitetyllä akreditoidulla menetelmällä.
Vapaa hiilidioksidi reagoi natriumhydroksidin tai natriumkarbonaatin kanssa
muodostaen
natriumkarbonaattia.
Reaktion
päättyminen
todetaan
potentiometrisesti. Vapaa hiilidioksidi on sitoutunut, kun näytteen pH on pysynyt
8,3:ssa kolmen minuutin ajan. Mittausepävarmuus on noin 10 %. Tulos
ilmoitetaan yksikössä mg/l.
5.6.8
Alkaliniteetti
Alkaliniteetti määritettiin standardin SFS-EN ISO 9963-1:1996 mukaan.
Menetelmässä
määritetään
kokonaisalkaliniteetti
64
titraamalla
näyte
kloorivetyhapolla potentiometrisesti pH- arvoon 4,5. Tulos ilmoitetaan yksikössä
mmol/l. Alkaliniteetin ollessa alle 0,3 mmol/l mittausepävarmuus on 28 % ja sen
ollessa 0,3 – 3,0 epävarmuus on 6 %.
5.6.9
Rautamääritys
Raudan määritys vedestä tehtiin standardin SFS 3028 mukaan. Tulokset
ilmoitetaan yksikössä mg/l ja suhteellinen virhe on 9,5 %.
5.6.10
Kolimuotoiset bakteerit ja Escherichia coli, colilert quanti- tray -
menetelmä
Kolimuotoisten bakteerien ja Escherichia colin määrittämiseen vesinäytteestä
käytettiin sisäistä menetelmää,
joka perustuu testin valmistajan, Idexx
Laboratories, ohjeisiin. Tulokset ilmoitetaan yksikössä mpn/100 ml. Mpn on
lyhenne sanoista ”most probable number”. Tulokset katsotaan mpn- taulukosta,
josta nähdään todennäköisin määrä bakteereita sataa millilitraa näytettä kohti.
5.6.11
Kokonaismikrobit R2A- alustalla
Kokonaismikrobit määritettiin kirjassa Standard Methods for Examination of
Water and Wastewater (1995) esitetyllä menetelmällä. Tulokset ilmoitetaan
pesäkkeitä muodostaneiden yksiköiden määränä millilitraa kohti, eli pmy/ml.
Määritysraja on 100 pmy/ml, eli sitä pienemmät tulokset ovat epätarkkoja ja
käytännössä merkityksettömiä.
5.7
Muut seurattavat asiat
Kalkkikiven kulumista mixed bed -suodattimessa seurattiin viikoittain tai
tiheämmin
mittaamalla
suodatinpatjan
yläpinnan
etäisyys
suodatinaltaan
yläreunasta mittakepillä. Mittaus tehtiin vähintään kahdesta kohtaa kumpaakin
suodatinpuoliskoa kohti ja mittaustuloksista
laskettiin keskiarvo. Koska
suodatinaltaan poikkipinta-ala tunnetaan, voitiin laskea suurin piirtein, kuinka
paljon kalkkia oli kulunut kuutiometreinä.
65
5.8
Kalkin lisäys
Kalkin lisäys suodattimeen ennen kokeen alkamista tehtiin suoraan kuljetusauton
säiliöstä imulaitteistolla märkänä. Myöhemmin kokeen lopussa kalkkia lisättiin
varastossa olevista säkeistä tilatulla kalkinsiirtokalustolla niin ikään märkänä.
Alussa kalkkia lisättiin noin 16 m3 (22 900 kg) ja lopussa 7 m3 (10 000 kg).
5.9
Tutkimuksessa ilmenneitä ongelmia
Alussa, kun suodatin 13 oli tyhjennetty vedestä ja sinne oli lisätty kalkkia,
tapahtui yllättävä asia. Selkeytysallas pestiin ja jostain syystä tyhjänä olevaan
suodattimeen pääsi selkeytysaltaan sakkaa (määrää ei tiedetä). Kovasta
huuhtelusta huolimatta suodatin oli hyvin likainen ja kesti monta päivää, että
suodatettu vesi alkoi olla hyvälaatuista.
Laitoksella on käytössä kiertävä sameusmittari, joka mittaa peräkkäin kunkin
hiekkasuodattimen lähtevän veden sameuden. Mittari toimii muuten hyvin, mutta
mixed bed -suodatuksen tutkimuksessa ilmeni ongelmia. Mixed bed -suodatin
pidättää sameutta niin hyvin, että sitä ei tarvitse pestä läheskään yhtä usein kuin
tavallisia hiekkasuodattimia. Tästä syystä mixed bed -suodattimen likaantuessa
suodattimen paine-ero kasvaa paljon suuremmaksi kuin hiekkasuodattimissa
ennen kuin suodatin joudutaan pesemään. Mixed bed -suodatin pestiin paine-eron
ollessa 30 kPa ja hiekkasuodatin pestiin jo paine-eron ollessa 11 kPa.
Suuresta paine-erosta johtuen mixed bed -suodattimen lähtevän veden paine ei
enää riittänytkään kuljettamaan vettä kiertävälle sameusmittarille, joten paineeron ylittäessä noin 25 kPa ei sameustuloksia enää saatu. Siksi mixed bed suodattimelle rakennettiin oma sameusmittaus, joka oli alemmalla tasolla kuin
kiertävä sameusmittari,
jolloin saatiin vesi virtaamaan mittarille. Uusi
sameusmittaus oli jatkuvatoiminen.
66
Online pH- mittarit ja -sameusmittari saatiin käyttöön vasta 10 – 14 päivän päästä
kokeen aloittamisesta, joten jatkuvatoimisia mittaustuloksia ei ole ihan alusta.
Vaikka suodattimien suodatinmassojen olemassa olevat määrät, mixed bed –
suodattimen hiekkamäärien tasaus sekä kalkkikivirouheen lisäys mixed bed –
suodattimeen laskettiin mahdollisimman tarkasti, käytännössä massamäärät olivat
erit. On hyväksyttävä, ettei suodattimissa olevia suodatinmassamääriä voida
arvioida tarkasti ja että massan lisäyksessä määrät ovat myös epätarkkoja.
Pesun C2 virtaama ei yltänyt haluttuun arvoon 350 l/s, vaan liikkui noin arvossa
320 l/s. Oli tarkoitus kuitenkin tutkia vielä yhden pesuvälin verran, kuinka kauan
menee, että C2 pesu menee uudelleen päälle ja sen jälkeen oli tarkoitus lisätä
kalkkia suodattimeen. Valitettavasti jostain syystä kalkit lisättiin suodattimeen
viikkoa liian aikaisin, joten osa tuloksista jäi saamatta. Lisäksi oli tarkoitus mitata
suodatinpatjojen korkeudet ja suodatin oli tarkoitus pestä ennen kalkkien lisäystä,
mutta nämä asiat jäivät tekemättä.
67
6 TULOKSET JA NIIDEN TARKASTELU
6.1
Suodatinpatjan paksuuden kehitys
Kuvaajassa 12 on esitetty mixed bed –suodattimen kalkkikivirouheen kuluminen
ajan
funktiona.
Lähtötietoina
käytettiin
kummankin
suodatinpuoliskon
keskimääräisiä patjan paksuuden tuloksia, joista laskettiin yhteiset keskiarvot
koko suodattimen suodatinmateriaalille (Liite 5.).
Kuvaajan kulmakertoimesta nähdään, että virtaamalla 290 m3/h kalkkia kului
keskimäärin 3 mm vuorokaudessa. Se tekee vuorokaudessa noin 0,12 m3 (170 kg)
ja kuukaudessa 3,5 m3 (5 t) yhtä suodatinta kohti. Kalkkia kului noin 24 g/m3.
Yhtälön (18) mukaan laskettu teoreettinen kalkkikiven kulutus mixed bed –
suodattimessa on noin 20 g/m3. Käytännössä kalkkia kului siis enemmän.
Kalkkikivirakeita saattoi karata pesujen yhteydessä pesuveden mukana viemäriin,
mikä
osaltaan
lienee
vaikuttanut
kuvaajan
12
perusteella
laskettuun
kalkinkulumisnopeuteen sitä nostavasti.
Tutkimuksen lopussa kalkkia lisättiin 10 tonnia suodattimeen. Lisäyksen jälkeen
suodatinpatjan korkeus oli noin 1,07 m, kun se oli alussa noin 1,10 m.
68
Suodatinpatjan paksuus (mixed be d)
1,15
Paksuus [m]
1,1
1,05
1
0,95
y = -0,0027x + 1,1191
0,9
0,85
1
4
7
10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64
Vuorokausia kokeen alusta
Kuva 12. Kalkkikivirouheen kuluminen
6.2
Pesutulokset
Pesututkimuksessa mixed bed -suodatinta pestiin eri pesusekvensseillä ja
seurattiin pesusekvenssien vaikutusta pesuvälien pituuksiin, kun pesurajaksi oli
asetettu 30 kPa. Samalla seurattiin suodatetun veden sameuden kehitystä, sekä
paine-eroa suodattimessa pesun jälkeen. Tulokset on esitetty taulukossa 8.
Taulukossa on vertailun vuoksi myös hiekkasuodattimen vastaavat tiedot.
Tarkoituksena oli tutkia lähtevän veden sameutta juuri ennen suodattimen pesua,
mutta
tutkimuksen
alkuosan
sameustulokset
olivat
epäluotettavia,
sillä
sameusmittarille ei mennyt vettä, kun paine-ero lähestyi 30 kPa. Kun tekninen
puute korjattiin, saatiin sameuksiksi juuri ennen pesua 0,3 – 0,4 NTU.
Taulukon 8 pesuväliajoista puuttuu pesun B1 väliaika, koska välittömästi pesun
jälkeen huomattiin, ettei suodatin tullut puhtaaksi; Paine-ero oli pesun jälkeen
suuri, tosin suodatetun veden sameus oli ihan samaa luokkaa kuin muidenkin
pesujen jälkeen. Ajan säästämiseksi suoritettiin sama pesu uudelleen, minkä
jälkeen siirryttiin seuraavan pesusekvenssin (B2) tutkimiseen. C2- pesu tehtiin
kerran, minkä jälkeen todettiin, ettei pesuveden virtaama yltänyt haluttuun 350 l/s,
69
vaan oli maksimissaan 320 l/s. Täten saatiin selville maksimi pesuvesivirtaama
suodattimelle,
mutta
sekvenssin
vaikutukset
pesuvälin
pituuteen
jäivät
määrittämättä liian aikaisen kalkinlisäyksen johdosta.
Pesuväli
on
laskettu
suodattimen
käyttöönotosta
pesun
alkamiseen.
Pesututkimukset on toteutettu kronologisessa järjestyksessä taulukon 8 mukaan.
Pesutyyppi 0 on pesusekvenssi, johon ei olla tehty muutoksia.
Tulosten perusteella ilmahuuhteluajan lyhentämisellä puoleen käyttöaika vähenisi
vain tunnin verran ja jos ilmahuuhteluaikaa pidennettäisiin puolella, saataisiin
käyttöaikaa lisää yhdeksän tuntia. Vesipesun keston lyhentäminen hieman alle
puoleen osoitti, että suodatin jäi likaiseksi pesun jälkeen, koska suodattimen
paine-ero käyttöönotettaessa oli suuri. Vesipesun keston lisääminen melkein
puolella vaikuttaisi lisäävän suodattimen käyttöaikaa 10 tunnilla. Tulosten
mukaan vesipesun virtaamaa pienentämällä 70:llä l/s saataisiin käyttöaikaa lisää
32 tuntia, mikä ei voi pitää paikkansa, vaan pesuväliin on vaikuttanut muut tekijät.
Muut pesuvälitulokset vaikuttavat uskottavilta.
Voidaan päätellä, että pesuväli pitenee koko ajan kalkin kulumisesta johtuen,
huolimatta pesusekvensseistä. Kalkin kuluessa vastus suodattimessa pienenee
suodatinmateriaalin vähentyessä, jolloin 30 kPa:n pesurajan saavuttamiseen
menee
pidempi
aika.
Siksi
pelkkien
pesuvälien
seuraaminen
ei
riitä
pesusekvenssien vaikutuksien arvioimiseen; Kalkin kulumisesta johtuen suodatin
alkaa päästää yhä enemmän sameutta lävitseen, koska pesuväli pitenee.
Vertailusuodattimena olleen hiekkasuodattimen pesuväli oli hieman yli 2
vuorokautta samalla virtaamalla ja maksimisameusarvolla 0,5 NTU. Mixed bed –
suodattimen
pesuväli
oli
vähintään
kaksinkertainen
hiekkasuodattimeen
verrattuna.
Pesun jälkeiset paine-erot vaikuttavat muuten hyvin samanlaisilta, lukuun
ottamatta pesusekvenssejä B1 ja C1, joissa oli korkeammat lähtöpaine-erot ja C2,
jossa oli puolestaan hieman matalampi lähtöpaine-ero. Vertailusuodattimena
olleen hiekkasuodattimen paine-ero pesun jälkeen oli hieman korkeampi kuin
mixed bed –suodattimen lähtöpaine-erot keskimäärin (taulukko 8).
70
Pesun jälkeisten paine-erojen perusteella näyttäisi siltä, että ilmahuuhtelun keston
muuttaminen ei vaikuta oleellisesti suodattimen puhtauteen pesun jälkeen. Sen
sijaan vesipesuajan lyhentäminen jätti suodattimen likaiseksi, mutta pesuaikaa
pidentämällä ei saatu tavallista pienempää lähtöpaine-eroa. Paine-erotarkastelu
osoittaa pienemmän vesipesuvirtaaman jättävän suodattimen hieman keskivertoa
likaisemmaksi. Suuremmalla pesuvirtaamalla saavutettu pesun jälkeinen paine-ero
oli pienin, mutta edelleen on muistettava, että siihen voi vaikuttaa myös kalkin
kuluminen.
Mixed bed –suodatin pidätti sameutta todella hyvin. Pesun jälkeisistä sameuksista
ei voida tehdä mitään johtopäätöksiä, koska lähtösameus oli joka kerralla sama.
Hiekkasuodatetun veden lähtösameus oli keskimäärin hieman korkeampi kuin
mixed bed –suodatetun veden.
Taulukko 8: Pesutulokset
Pesutyyppi
0
A1
A2
B1
B2
C1
C2
Hiekkasuod.
6.3
Pesuväli
4d 21h
4d 20h
5d 6h
5d 7h
6d 5h
2d
Paine-ero
pesun
jälkeen
3,9 kPa
3,7 - 4,1 kPa
3,5 - 4,1 kPa
12 kPa
3,5 - 4,1 kPa
4,7 - 5,1 kPa
3,1 - 3,5 kPa
4,7 - 5,4 kPa
Sameus
pesun
jälkeen
0,06 NTU
0,06 NTU
0,06 NTU
0,06 NTU
0,06 NTU
0,06 NTU
0,06 NTU
0,08 NTU
Lämpötilan kehitys
Veden lämpötila laski koko tutkimusjakson ajan. Kuvaajasta 13 näkyy, että
alkulämpötila oli noin 3,8
C ja loppulämpötila noin 3,5
C. Tutkimusta
edeltäneen kuukauden aikana lämpötila oli laskenut hieman yli 1 C verran.
71
4
3,8
3,6
3,4
24.3.
17.3.
12.3.
8.3.
3.3.
26.2.
22.2.
17.2.
12.2.
8.2.
3.2.
29.1.
25.1.
20.1.
15.1.
11.1.
7.1.
3,2
4.1.
Lämpötila [ C]
Lämpötilat
Aika
Selkeytetty vesi
Mixed bed suodatettu vesi
Hiekkasuodatettu vesi
Kuva 13. Lämpötilat
6.4
Sameus
Kuvaajassa 14 on esitettynä vesinäytteistä määritetyt sameusarvot. Kuvaajasta
näkyy, että selkeytetyn veden laatu heikkeni, kun veden lämpötila laski. Muutos
tapahtui hitaasti. Saostuksessa flokkien muodostus heikkeni lämpötilan laskiessa.
Hiekkasuodatetun veden sameusarvot vaihtelivat paljon ja kuvaaja on siksakin
mallinen. Tämä johtuu hiekkasuodattimen kuormittumisesta. Ennen pesua
suodatin toimi huonosti ja päästi sameaa vettä lävitseen. Jos näytteenotto oli juuri
ennen pesua, saatiin suuri sameusarvo ja jos suodatin oli juuri ollut pesussa, oli
sameusarvo vastaavasti hyvin pieni. Laboratoriossa mitatut sameudet olivat
hieman suurempia kuin mitä jatkuvatoimiset sameusmittarit näyttivät. Kuvaajan
14 suurin hiekkasuodatetun veden sameusarvo on 0,6 FTU, mutta jatkuvatoimisen
sameusmittarin mukaan suurin arvo oli 0,5 NTU (mikä alussa päätettiin
hiekkasuodattimen maksimisameudeksi).
Mixed bed –suodattimen sameusarvot olivat alussa hyvin matalia, mutta
kalkkikiven
kuluessa
suodatin
alkoi
päästää
enemmän
sameutta
läpi.
Kalkkikivirouheen kuluessa suodatinmateriaalin määrä pieneni, jolloin sen vastus
ja sitä kautta paine-ero niin ikään pienenivät. Siksi maksimipaine-eron
72
saavuttamiseen kului pidempi aika ja suodatin ehti likaantua enemmän, jolloin sen
läpi pääsi enemmän sameutta. Lisäksi suodatin kuormittui lopussa enemmän kuin
alussa, johtuen selkeytetyn veden huonommasta laadusta. Tämä näkyy kuvaajan
loppupuolen siksakkina. Loppujaksolla pienimmät sameusarvot olivat jopa
pienempiä kuin tutkimuksen alkupuolella, mikä johtunee siitä, että suodattimessa
olevasta kalkista oli kulunut hienojakoisin aines pois.
Jälkikemikaloidun veden sameus ilmaisee koko suodatusosaston keskimääräisen
sameuden. Veteen on lisätty kalkkivettä. Jälkikemikaloidun veden sameus pysyi
hyvin tasaisena ja alhaisena, alle 0,2 FTU. Kuvaajasta 14 nähdään, että
hiekkasuodatetun veden sameus nousi aika ajoin huomattavasti korkeammalle
kuin suodatusosaston
keskimääräinen
sameus.
Tämä
johtuu
siitä,
että
tutkimuksessa olevalle hiekkasuodattimelle asetettiin huomattavasti suurempi
kuorma kuin suodatusosaston muiden suodattimien keskimääräinen virtaama.
Tutkimussuodattimessa
oli
noin
kaksinkertainen
virtaama
muihin
hiekkasuodattimiin verrattuna. Lisäksi tutkimuksessa olevan hiekkasuodattimen
pesuraja oli määritetty siten, että sameus nousisi online- sameusmittauksien
perusteella korkeintaan arvoon 0,5 NTU ennen kuin suodatin menee pesuun ja
muut hiekkasuodattimet menivät pesuun jo pienemmillä sameuksilla.
1,8
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
11
.1
.
15
.1
.
20
.1
.
25
.1
.
29
.1
.
3.
2.
8.
2.
12
.2
.
17
.2
.
22
.2
.
26
.2
.
3.
3.
8.
3.
12
.3
.
17
.3
.
Sameus [FTU]
Sameus
Aika
Selkeytetty vesi
Hiekkasuodatettu vesi
Kuva 14. Sameudet.
73
Mixed bed suodatettu vesi
Jälkikemikalointi 1
6.5
PH- arvot
Kuvaajasta 15 voidaan seurata selkeytetyn veden, mixed bed -suodatetun veden,
hiekkasuodatetun veden ja jälkikemikaloidun veden pH- arvojen kehitystä
tutkimusjakson
aikana.
PH-
arvot
on
määritetty
prosessista
otetuista
vesinäytteistä. Selkeytetyn ja hiekkasuodatetun veden pH pysyi melko tasaisena
välillä 4, 8 – 5,0. Mixed bed –suodatetun veden pH oli huomattavasti korkeampi
ja pH:lle oli asetettu tavoitteeksi vähintään jälkekemikalointi 1:ssä kulloinkin
oleva pH- arvo. Mixed bed –suodatetun veden pH oli aluksi hyvin korkea, yli 8,5,
mutta kalkin kuluessa veden pH laski ollen alimmillaan noin 7.
Vaihtelut mixed bed –suodatetun veden pH- kuvaajassa johtuvat suodattimen
pesuista. Suodattimen pesun jälkeen pH- arvo nousi joksikin aikaa korkeammaksi,
mutta palasi sitten takaisin normaalille tasolle. Pesussa kalkkikivirouheesta irtoaa
pieniä hiukkasia, joista liukenee enemmän kalkkia veteen. Jos näyte oli otettu
parin tunnin sisällä pesusta, saattoi sen pH olla korkeampi kuin normaalisti.
Tutkimuksen loppupuolella kalkin lisäyksen jälkeen lähtevän veden pH- arvo ei
noussut paljon, sillä kalkkia lisättiin vähemmän kuin sitä oli suodattimesta
kulunut. PH nousi noin arvoon 7,5 tutkimusvirtaamalla. Kalkin lisäystarve
määräytyy sen perusteella, kuinka alhaiseksi voidaan antaa mixed bed suodattimesta lähtevän veden pH- arvon laskea. Kerralla lisättävän kalkin
maksimimäärä puolestaan määräytyy sen perusteella, kuinka korkealle mixed bed
–suodatetun veden pH- arvo saa korkeimmillaan nousta.
74
29
.1
.
3.
2.
8.
2.
12
.2
.
17
.2
.
22
.2
.
26
.2
.
3.
3.
8.
3.
12
.3
.
17
.3
.
.1
.
25
.1
.
20
15
11
.1
.
9
8,5
8
7,5
7
6,5
6
5,5
5
4,5
4
.1
.
pH
PH- arvot
Aika
Selkeytetty vesi
Mixed bed suodatettu vesi
Hiekkasuodatettu vesi
Jälkikemikalointi 1
Kuva 15. PH- arvot.
6.6
Alkaliniteetti
Selkeytetyllä ja hiekkasuodatetulla vedellä oli hyvin pieni alkaliniteetti, alle 0,05
mmol/l. Jälkikemikalointi 1:ssä alkaliniteettia nostaa veteen lisätty kalkkivesi, ja
veden alkaliniteetti pysyi keskimäärin hieman alle 0,3 mmol/l. Suurin
alkaliniteetti oli mixed bed –suodatetussa vedessä. Tulokset näkyvät kuvaajasta
16.
Mixed bed –suodatetun veden alkaliniteetti laski kalkin kuluessa. Kuvaajasta 16
havaitaan, että veden alkaliniteetti oli alussa korkeimmillaan melkein 0,7 mmol/l.
Alkaliniteetti vaihteli hieman riippuen siitä, milloin suodatin oli pesty. Pesun
jälkeen alkaliniteetti nousi hetkellisesti, mutta alkoi sitten laskea. Se laski, kunnes
suodatin meni jälleen pesuun. Keskimääräisesti alkaliniteetti laski tasaisesti
tutkimusjakson ajan ja oli lopulta noin 0,4 mmol/l. Haluttu vesijohtoveden
alkaliniteetti on 0,8 mmol/l. Tähän voidaan päästä mixed bed –suodatuksella,
mikäli suodattimessa on enemmän kalkkikiveä tai pienempi virtaama. Jos pelkällä
mixed bed –suodatuksella saataisiin alkaliniteetti nostettua halutulle tasolle, ei
75
veteen tarvitsisi teoriassa enää lisätä kalkkivettä myöhemmissä prosessivaiheissa
ainakaan alkaliniteetin nostotarkoituksessa.
Vaikka mixed bed –suodatetun veden pH- arvo laski ennen kalkin lisäystä alle
jälkikemikalointi 1:sen veden keskimäräisen pH- arvon 7,3, pysyi sen
alkaliniteetti silti huomattavasti korkeampana. Veden alkaliniteetti nousee siis
enemmän kalkkikivirouheella kuin kalkkivedellä.
Kalkkikivialkalointi soveltuu vedelle, jos veden alkaliniteetti on alle 0,8 mmol/l
(kts. 2.4 Suositeltava veden laatu kalkkikivialkaloinnille). Mixed bed –
suodattimeen tulevan selkeytetyn veden alkaliniteetti täyttää tämän vaatimuksen,
joten kalkkikivialkalointi soveltuu vedelle erinomaisesti.
15
11
.1
.
20
.1
.
25
.1
.
29
.1
.
3.
2.
8.
2.
12
.2
.
17
.2
.
22
.2
.
26
.2
.
3.
3.
8.
3.
12
.3
.
17
.3
.
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
.1
.
Alkaliniteetti [mmol/l]
Alkaliniteetti
Aika
Selkeytetty vesi
Mixed bed suodatettu vesi
Hiekkasuodatettu vesi
Jälkikemikalointi 1
Kuva 16. Alkaliniteetit.
Kuvaajaan 17 on laskettu mixed bed –suodatetun ja selkeytetyn veden
alkaliniteettien erotukset. Kuvaajasta näkyy, kuinka paljon mixed bed –suodatin
nosti veden alkaliniteettia kullakin ajanhetkellä. Kalkin kuluessa mixed bed –
suodatin nosti yhä vähemmän veden alkaliniteettia. Alussa alkaliniteetti nousi
noin 0,6 mmol/l ja lopussa se nousi enää noin 0,4 mmol/l.
76
Alkaliniteetin nousu mixed bed -suodattimessa
0,7
Alkaliniteetti [mmol/l]
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
17
.3
.
3.
12
.
3.
8.
.
3.
3
17
.2
.
22
.2
.
26
.2
.
2.
12
.
2.
8.
.
3.
2
11
.1
.
15
.1
.
20
.1
.
25
.1
.
29
.1
.
0
Päiväm äärä
Kuva 17. Alkaliniteetin nousu mixed bed –suodattimessa.
6.7
Kovuus
Kuvaajassa
18
on
esitetty
tutkimuksessa
saadut
kovuusarvot.
Hiekkasuodatuksessa kovuus ei muuttunut. Sen sijaan mixed bed –suodattimessa
veden kovuus nousi merkittävästi. Selkeytetyn veden kovuus oli hieman yli 1 dH,
mutta mixed bed –suodatetun veden kovuus oli alussa yli 3 dH. Kalkkikiven
kuluessa kovuuskin laski. Alhaisin mixed bed- suodoksen kovuus oli hieman alle
2,3 dH.
Veden kovuus vertailunäytteenä käytetyssä jälkikemikalointi 1:ssä pysyi hyvin
tasaisena, hieman alle 2 dH. Kalkkikivisuodatuksella saadaan vedelle suurempi
kovuus kuin lisäämällä veteen kalkkivettä pH:n ollessa sama.
77
Kovuus
3,5
Kovuus [ dH]
3
2,5
2
1,5
1
0,5
29
.1
.
3.
2.
8.
2.
12
.2
.
17
.2
.
22
.2
.
26
.2
.
3.
3.
8.
3.
12
.3
.
17
.3
.
.1
.
25
.1
.
20
.1
.
15
11
.1
.
0
Aika
Selkeytetty vesi
Mixed bed suodatettu vesi
Hiekkasuodatettu vesi
Jälkikemikalointi 1
Kuva 18. Kovuudet.
6.8
Hiilidioksidi
Tutkimuksessa saadut hiilidioksidiarvot on esitetty kuvaajassa 19. Selkeytetyn
veden
ja
hiekkasuodatetun
veden
hiilidioksidipitoisuudet
olivat
samaa
suuruusluokkaa. PH- arvon noustessa hiilidioksidipitoisuus vedessä laskee ja kun
pH ylittää arvon 8,3, vedessä ei ole enää ollenkaan hiilidioksidia. Mixed bed –
suodatetun veden hiilidioksidipitoisuus nousi veden pH:n laskiessa kalkin
kulumisesta johtuen. Tutkimuksen alussa kalkin lisäyksen jälkeen mixed bed –
suodatetun veden pH nousi yli 8,3, joten silloin siinä ei ollut hiilidioksidia
lainkaan. Korkeimmillaan mixed bed –suodatetun veden hiilidioksidipitoisuus
nousi noin 4,7:ään mg/l. Jälkikemikaloidun veden hiilidioksidipitoisuus pysyi
tasaisesti arvossa 3 mg/l veden pH:n tasaisuudesta johtuen. Samassa pH:ssa mixed
bed –suodatetulla vedellä ja jälkikemikaloidulla vedellä hiilidioksidipitoisuus oli
hyvin samaa tasoa.
Kalkkikivialkalointi soveltuu parhaiten vesille, joiden hiilidioksidipitoisuus on
noin 10 – 15 mg/l (kts. kohta 2.4 Suositeltava veden laatu kalkkikivialkaloinnille).
78
Mixed bed –suodattimeen tulevan selkeytetyn veden hiilidioksidipitoisuus täyttää
pääsääntöisesti kriteerin, mutta välillä hiilidioksidipitoisuus laski hieman alle 10
mg/l. Koska alitus oli niin pieni, ei sillä ole merkittäviä vaikutuksia ja selkeytetty
vesi sopii alkalointitarkoitukseen hyvin.
Hiilidioksidi
14
CO2 [mg/l]
12
10
8
6
4
2
29
.1
.
3.
2.
8.
2.
12
.2
.
17
.2
.
22
.2
.
26
.2
.
3.
3.
8.
3.
12
.3
.
17
.3
.
.1
.
25
.1
.
.1
.
20
15
11
.1
.
0
Aika
Selkeytetty vesi
Mixed bed suodatettu vesi
Hiekkasuodatettu vesi
Jälkikemikalointi 1
Kuva 19. Hiilidioksidiarvot.
6.9
Rautamääritykset
Lämpötilan laskusta johtuen selkeytetyn veden laatu heikkeni, mikä näkyy
kuvaajassa 20 selkeytetyn veden rautapitoisuuden kasvuna. Ilmiö näkyy kaikissa
mittapisteissä.
Kalkkikivirouhe pidättää rautaa hyvin, joten mixed bed –suodatetun veden
rautapitoisuudet olivat hyvin matalia. Kalkin kuluessa alkoi rautaa päästä lopussa
enemmän mixed bed –suodattimen läpi. Syynä tähän on sekä selkeytetyn veden
rautapitoisuuden kasvu että kalkin kulumisesta johtuva suodatuspinta-alan
pieneneminen ja pesuvälien piteneminen.
79
Kuvaajasta 20 nähdään, että mixed bed –suodatetun veden rautapitoisuus pysyi
hyvin matalana koko tutkimuksen alkuajan, vaikka suodatin välillä likaantuikin ja
oli pesussa. Sen sijaan hiekkasuodatin pidätti rautaa hyvin aina pesun jälkeen,
mutta pidätyskyky laski suodattimen likaantuessa. Vasta pesty hiekkasuodatin
päästi rautaa läpi vain noin 0,1 mg/l tai alle, mutta likaantuessaan se päästi rautaa
läpi melkein 0,5 mg/l. Mixed bed –suodattimessa alkoi näkyä samaa ilmiötä, kun
kalkkia oli kulunut tietyn verran. Keskimääräinen rautareduktio mixed bed –
suodattimessa oli noin 94 %. Parhaimmillaan reduktio oli jopa 98 %.
Hiekkasuodattimen
rautareduktio
vaihteli
paljon
riippuen
suodattimen
kuormitusasteesta mittaushetkellä, mutta keskimäärin rautareduktio oli noin 72 %.
Lyhyemmällä
käyttöajalla
päästäisiin
parempaan
keskimääräiseen
rautareduktioon.
Tutkimuksessa käytetty hiekkasuodatin päästi lävitseen keskimäärin enemmän
rautaa
verrattuna
suodatusosastolta
lähtevän
veden
keskimääräiseen
rautapitoisuuteen. Tämä johtui siitä, että vertailusuodattimen virtaama oli noin
kaksinkertainen muihin hiekkasuodattimiin nähden. Myös suodattimen pesuraja
oli venytetty äärimmilleen, eli suodatin oli ennen pesua kuormittuneempi kuin
muut hiekkasuodattimet suodatinosastolla.
Johtoveden rautapitoisuuden laatusuositus on alle 0,2 mg Fe/l (Meriluoto 2002),
joten mixed bed –suodatettu vesi täyttää kriteerin hyvin. Samoin suodatusosaston
veden rautapitoisuus täyttää kriteerin. Jos käsiteltävän veden rautapitoisuus on yli
1 mg/l, voi siitä aiheutua kalkkikivisuodattimen alkalointitehon heikkenemistä
(Sallanko & Laakso 2000). Selkeytetyn veden rautapitoisuus oli pääosin alle 1
mg/l.
80
Rauta
1,2
Rauta [mg/l]
1
0,8
0,6
0,4
0,2
1.
2.
5.
2.
10
.2
.
15
.2
.
19
.2
.
24
.2
.
1.
3.
5.
3.
10
.3
.
15
.3
.
27
.1
.
.1
.
22
18
.1
.
0
Aika
Selkeytetty vesi
Mixed bed suodatettu vesi
Hiekkasuodatettu vesi
Jälkikemikalointi 1
Kuva 20. Rauta-arvot.
6.10 UV- absorbanssi
UV- absorbanssitulosten perusteella voidaan arvioida vedessä olevan orgaanisen
aineksen määrää. Mitä enemmän sitä on, sitä suurempi on absorbanssi. Kuvaajaan
21 on koottu UV- absorbanssitulokset. Selkeytetyn veden UV- absorbanssi oli
koko tutkimuksen ajan keskimäärin hieman yli 0,1. Hiekkasuodatetun veden UVabsorbanssi oli hieman korkeampi kuin mixed bed –suodatetun veden UVabsorbanssi samalla virtaamalla. Kuvaajasta näkyy, kuinka hiekkasuodattimen
suodatusteho hiipui sen likaantuessa. Mixed bed –suodatin puolestaan pidätti
orgaanista ainesta hyvin tasaisesti.
UV- absorbanssi oli mixed bed –suodatetussa vedessä korkeampi kalkin lisäyksen
jälkeen. Kalkkikivirouheessa oli luultavasti epäpuhtautena orgaanista ainesta.
Myös tutkimusjakson loppupuolella alkoi näkyä, että mixed bed –suodatin päästi
enemmän orgaanista ainesta lävitseen aivan kuten edellä oli todettu sameuden ja
rauta-arvojen kohdalla. Jälkikemikaloidun veden UV- absorbanssi oli koko
tutkimuksen ajan melko tasaisesti hieman yli 0,04 ja mixed bed –suodatetun
81
veden UV- absorbanssi oli koko ajan hieman suurempi kuin jälkikemikaloidun
veden.
UV- absorbanssi
UV- absorbanssi
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
.1
.
20
.1
.
25
.1
.
29
.1
.
3.
2.
8.
2.
12
.2
.
17
.2
.
22
.2
.
26
.2
.
3.
3.
8.
3.
12
.3
.
17
.3
.
15
11
.1
.
0
Aika
Selkeytetty vesi
Mixed bed suodatettu vesi
Hiekkasuodatettu vesi
Jälkikemikalointi 1
Kuva 21. UV- absorbanssit.
6.11 Orgaaninen kokonaishiili
Orgaanisen kokonaishiilen avulla voidaan mitata veteen liuenneen orgaanisen
aineksen määrää. Tulokset on esitetty kuvaajassa 22. Selkeytetyssä vedessä oli
selkeästi eniten orgaanista kokonaishiiltä, 2,6 – 3,2 mg/l. Mixed bed –
suodatetussa vedessä TOC- arvo oli keskimäärin 2,5 – 2,7 mg/l, ja tuloksissa oli
vähemmän hajontaa. Vaikuttaa siltä, että kalkin lisäyksen jälkeen mixed bed –
suodatetussa vedessä oli enemmän orgaanista kokonaishiiltä, kuin käyttöiän
kasvaessa. Hiekkasuodatetun veden TOC- tulokset vaihtelivat hyvin paljon. On
selvää, että suodatin alkoi päästää läpi yhä enemmän orgaanista ainesta
likaantuessaan. Mixed bed –suodatetussa vedessä oli enemmän orgaanista ainesta
kuin hiekkasuodatetussa vedessä keskimäärin. Ero ei ole kuitenkaan merkittävä.
Vesijohtoveden TOC- arvo on HSY Vedellä noin 1,8 mg/l.
82
29
.1
.
3.
2.
8.
2.
12
.2
.
17
.2
.
22
.2
.
26
.2
.
3.
3.
8.
3.
12
.3
.
17
.3
.
.1
.
25
.1
.
20
15
11
.1
.
3,6
3,4
3,2
3
2,8
2,6
2,4
2,2
2
.1
.
TOC [mg/l]
TOC
Aika
Selkeytetty vesi
Mixed bed suodatettu vesi
Hiekkasuodatettu vesi
Jälkikemikalointi 1
Kuva 22. Orgaaninen kokonaishiili.
6.12 Kokonaismikrobit R2A- alustalla
Kalkkikivirouheen
(Parfill
2/1500)
saavuttua
Pitkäkosken
vedenpuhdistuslaitokselle otettiin kuormasta kaksi rinnakkaista kalkkikivinäytettä,
joista määritettiin laboratoriossa kokonaismikrobimäärät R2A- menetelmällä.
Määrityksen tulos oli alle 100 pmy/g, eli käytännössä tulos oli määritysrajan
alapuolella, joten voidaan sanoa, ettei näytteissä ollut merkittävästi mikrobeja.
Vesinäytteiden
kokonaismikrobimäärät
näkyvät
kuvaajasta
23.
Kokonaismikrobimäärä selkeytetyssä, hiekkasuodatetussa ja mixed bed –
suodatetussa vedessä oli alle 100 pmy/ml. Tutkimuksen lopussa kalkin lisäyksen
jälkeen mikrobeja oli moninkertaisesti enemmän mixed bed –suodatetussa
vedessä. Koska kalkin joukossa ei ollut mikrobeja, saattaa mikrobimäärän nousu
johtua
siitä,
että
suodattimessa
valmiiksi
oleville
bakteereille
tuli
optimaalisemmat oltavat kalkin lisäyksestä johtuvan pH:n nousun takia.
Mikrobien esiintyminen ei kuitenkaan haittaa, sillä loppuprosessissa on vielä
kolmessa vaiheessa desinfiointia; Otsonointi, UV- desinfiointi ja klooraus.
83
Muissa kuvaajissa ei ole esitetty tutkimuksen loppupuolella tehdyn kalkin
lisäyksen jälkeisiä tuloksia, koska ne eivät ole verrannollisia muihin tuloksiin.
Kalkin lisäyksen jälkeen mixed bed –suodatettua vettä ei heti voitu päästää
prosessiin, koska ei oltu varmoja sen laadusta. Siksi vesi ensin johdettiin
viemäriin, mutta viemäripumpun rajallisesta kapasiteetista johtuen suodattimen
virtaamaksi saatiin vain hieman alle 100 m3/h, eli virtaama oli vain noin
kolmasosa normaalista tutkimusvirtaamasta.
Kokonaismikrobit R2A- alustalla
pmy/ml
1000
100
10
.3
.
23
.3
.
22
.3
.
15
3.
8.
3.
1.
.2
.
22
.2
.
17
2.
8.
2.
1.
.1
.
29
.1
.
1.
25
22
.
18
.
1.
1
Aika
Selkeytetty vesi
Mixed bed suodatettu vesi
Hiekkasuodatettu vesi
Kuva 23. Kokonaismikrobit.
6.13 Kolimuotoiset bakteerit ja Escherichia coli
Kummankin kalkinlisäyksen jälkeen otettiin hiekka- ja mixed bed –suodatetusta
sekä selkeytetystä vedestä vesinäyte Colilert Quanti Tray –menetelmää varten.
Koliformisia bakteereita ei löytynyt, eikä myöskään Escherichia colia.
6.14 Paine-eron ja sameuden kehitys suodattimissa
Kuvaajassa 24 on esitetty kolme mixed bed –suodattimen pesuväliä ja mitä
sameustuloksia saatiin jatkuvatoimiselta kiertävältä sameusmittarilta suhteessa
84
paine-eron nousuun suodattimessa. Kuvaajasta nähdään, että paine-eron
noustessa, suodattimen likaantuessa, suodattimesta lähtevän veden sameus pysyi
hyvin samalla tasolla. Kun paine-ero nousi noin 25 – 27 kilopascaliin,
sameustulokset näyttävät yhtäkkiä laskevan. Syynä tähän oli se, että paine-eron
noustessa suodattimessa tarpeeksi suureksi ei suodattimelta tulevan veden paine
enää riittänyt nostamaan näytevettä kiertävälle sameusmittarille ja siksi tulokset
eivät pidä paikkansa. Kun tämä huomattiin, suunniteltiin uusi jatkuvatoiminen
sameusmittaus, joka sijoitettiin alemmalle tasolle kuin kiertävä sameusmittari.
Tällöin veden paine riitti sameusmittarille asti.
M ixed b ed : Paine- er o ja sameusmit t aus
40
0,16
35
0,14
30
0,12
25
0,1
20
0,08
15
0,06
10
0,04
5
0,02
0
15. 1. 12
0
17. 1. 14
19. 1. 16
21. 1. 18
23. 1. 20
25. 1. 22
28. 1. 0
30. 1. 2
[ d d. m . hh ]
Mixed bed -suodattimen paine-ero
Mixed bed -suodatetun veden sameus
Kuva 24. Mixed bed –suodattimen paine-eron kehitys ja sameusmittaustulokset.
Kun uusi jatkuvatoiminen sameusmittaus saatiin käyttöön, alkoivat tulokset
näyttää luotettavilta. Kuvaajassa 25 on uuden sameusmittarin antamat tulokset
suhteessa paine-eroon suodattimessa. Kuvaajasta näkyy selkeästi, että paine-eron
noustessa suodattimelta lähtevän veden sameus nousi koko ajan, eikä tapahtunut
sameusarvojen laskua, kuten kuvaajassa 24.
Alussa, kun suodattimessa oli enemmän kalkkikivirouhetta, ei suodatin päästänyt
lävitseen kuin korkeintaan 0,15 NTU sameutta. Lähtevän veden sameus pysyi
85
hyvin matalana, vaikka paine-ero nousi 30 kilopascaliin. Kalkkikivirouheen
kuluessa suodatin alkoi kuitenkin päästää yhä enemmän sameutta lävitseen
suodattimen kuormittuessa. Syynä tähän oli jo aiemmin mainittu pesuvälien
pidentyminen suodattimen vastuksen pienentyessä sekä selkeytetyn veden
sameuden kasvu. Lähtösameus oli joka pesun jälkeen samaa luokkaa, mutta
sameuden kasvun kehitys kiihtyi selkeytetyn veden laadun heiketessä (lisää
pohdintaa aiheesta kohdassa 6.17 Sameusvertailua). Lopulta sameus alkoi olla jo
0,5 NTU juuri ennen pesua.
M i xed b ed : Pai ne- er o ja uusi sameusmi t t aus
35
0,8
30
0,7
0,6
25
0,5
20
0,4
15
0,3
10
0,2
5
0,1
0
16. 2. 13
0
18. 2. 15
20. 2. 17
22. 2. 19
24. 2. 21
26. 2. 23
1. 3. 1
3. 3. 3
5. 3. 5
7. 3. 7
9. 3. 9
11. 3. 11
13. 3. 13
15. 3. 15
17. 3. 17
[ dd. m. hh]
Mixed bed -suodattimen paine-ero
Mixed bed -suodatetun veden sameus
Kuva 25. Mixed bed –suodattimen paine-eron ja sameuden kehitys pesujen välillä.
Kuvaajassa 26 on vertailusuodattimena käytetyn hiekkasuodattimen paine-erojen
ja sameusmittauksien tuloksia. Sameusmittaustulokset on mitattu kiertävällä
sameusmittarilla. Koska hiekkasuodatin likaantui niin nopeasti, se piti pestä jo
paine-eron saavutettua 11 kPa, joten näyteveden paine riitti ja kiertävä
sameusmittari sai jatkuvasti tarpeeksi näytevettä. Kuvaajasta näkyy, että paineeron saavutettua pesurajaksi asetetun maksimipeine-eron, 11 kPa, oli sameus jo
melkein 0,5 NTU, joskus jopa hieman yli. Paine-eroraja määritettiin sen
perusteella, että suodattimelta lähtevän veden sameus olisi maksimissaan 0,5
NTU.
86
Hiekkasuodattimen paine-eron kehityksissä ei tapahtunut havaittavia muutoksia,
koska virtaama suodattimen läpi oli vakio, eikä suodatinmateriaalin määrässä
tapahtunut muutoksia. Pesun jälkeen paine-ero lähti nousemaan aina noin viidestä
kilopascalista. Kuvaajasta nähdään, että selkeytetyn veden sameuden noustessa
tutkimusjakson loppua kohti, myös hiekkasuodatetun veden sameus nousi. Pesun
jälkeen sameus lähti nousemaan aina melko samalta tasolta, alle arvosta 0,1 NTU.
Mutta vaikka alussa suodattimen maksimisameudeksi oli asetettu 0,5 NTU ja
sameus pysyikin alussa hyvin sen alle, se kasvoi loppua kohti jopa hieman yli
maksimiarvon käyttösyklin lopussa.
0,7
10
0,6
P a i n e - e r o [k P a ]
12
0,5
8
0,4
6
0,3
4
0
0
31
11
.1 .
3
1. 2
.1
9
3. 2
.1
1
5 .2
.3
6. 2
.1
9
8.2
.1
1
10
.2 .
3
11
. 2.
19
13
.2.
11
15
.2.
3
16
. 2.
19
18
.2.
11
20
.2 .
3
21
.2.
19
23
.2.
11
25
.2.
3
26
.2.
19
28
.2 .
11
2 .3
.3
3 .3
.1
9
5. 3
.1
1
7 .3
.3
8.3
.1
9
10
.3.
11
12
.3 .
3
13
.3.
19
15
. 3.
11
0,1
. 1.
29
0,2
2
S a m e u s [N T U ]
Hiekkasuodatin: Paine-ero ja sameusmittaus
[dd.m.hh]
Hiekkasuodattimen paine-ero
Hiekkasuodatetun veden sameus
Kuva 26. Hiekkasuodattimen paine-erot ja sameusmittaus.
6.15 Mixed bed –suodattimen paine-erot ja pohjaventtiilin aukioloprosentit
Kuvaajasta
27
näkyy,
kuinka
mixed
bed
–suodattimen
alaventtiilin
aukioloprosentti lähti nousemaan noin 50 prosentista suodattimen pesun jälkeen ja
nousi yli 60 prosenttiin ennen pesua. Suodattimen kuormittuessa sen vastus
kasvaa, joten alaventtiiliä pitää avata, jotta saadaan virtaama suodattimen läpi
pysymään vakiona. Läppäventtiilin ollessa auki 60 prosenttia se päästää jo
melkeinpä maksimivirtaaman lävitseen, joten maksimi paine-ero asetettiin
sellaiselle tasolle, ettei venttiiliä tarvitsisi avata paljoa 60 prosenttia enempää.
87
M i xed b ed : Paine- ero j a aukio lo p r o sent t i
35
70
30
60
25
50
20
40
15
30
10
20
5
10
0
0
16. 2. 13
18. 2. 15
20. 2. 17
22. 2. 19
24. 2. 21
26. 2. 23
1. 3. 1
3. 3. 3
5. 3. 5
7. 3. 7
9. 3. 9
11. 3. 11
13. 3. 13
15. 3. 15
17. 3. 17
[ dd. m. hh]
Mixed bed -suodattimen paine-ero
Mixed bed -suodattimen alaventtiilin aukioloprosentti
Kuva 27. Mixed bed –suodattimen paine-erot ja pohjaventtiilin aukioloprosentit.
6.16 Suodattimien paine-erovertailua
Kuvaajassa 28 on esitettynä sekä mixed bed –suodattimen että hiekkasuodattimen
keskimääräiset paine-erokehitykset kahden pesukerran välissä. Kuvaajasta
nähdään, että mixed bed –suodattimen paine-ero lähti nousemaan hieman
matalammalta tasolta pesun jälkeen kuin hiekkasuodattimen alkupaine-ero.
Kuitenkin hiekkasuodattimen paine-eron kehityksen trendi on loivempi kuin
mixed
bed
–suodattimen
trendi,
joten
mixed
bed
–suodatin
ohittaa
hiekkasuodattimen paine-eron jo noin kuuden tunnin käyttöajan jälkeen.
Hiekkasuodattimen käyttöaika loppui, kun paine-ero saavutti 11 kPa ja mixed bed
–suodatin jatkoi toimintaansa, kunnes paine-ero saavutti 30 kPa. Mixed bed –
suodattimen jyrkempi paine-eron kehityksen trendi johtuu varmasti siitä, että se
pidättää
kalkkikivirouheen
takia
paremmin
sameutta
kuin
tavallinen
hiekkasuodatin. Tästä syystä suodattimeen jäävät hiukkaset kuormittavat
suodatinta ja suodatin menee sitä enemmän tukkoon, mitä pidempään se on
88
käytössä, mikä nostaa paine-eroa. Paine-ero nousi kummassakin suodattimessa
tasaisesti, koska suodattimien läpi virtaavan selkeytetyn veden virtaama oli vakio
ja lisäksi veden laatu oli melko tasaista. Muutokset selkeytetyn veden laadussa
tapahtuivat hyvin hitaasti, eivätkä näy yhden pesuvälin aikana merkittävästi.
Yhden pesuvälin paine-erot
35
Paine-ero [kPa]
30
25
20
15
10
5
96
10
2
10
8
11
4
12
0
90
84
78
72
66
60
54
48
42
36
30
24
18
6
12
0
0
Aika [h]
Hiekkasuodatin
Mixed bed -suodatin
Kuva 28. Suodattimien paine-erot kahden pesukerran välissä.
6.17 Sameusvertailua
Selkeytetyn veden sameus nousi tutkimusjakson aikana veden lämpötilan
alenemisesta johtuen, katso kuvaajaa 29. Kuvaajassa on esitetty myös
jatkuvatoimisten sameusmittareiden mittaamat hiekka- ja mixed bed –suodatetun
veden sameudet. Mixed bed –suodatetusta vedestä on esitetty sekä uuden
luotettavan sameusmittarin että vanhan mittarin tulokset. Uuden sameusmittarin
tuloksista nähdään, kuinka lähelle tavallisen hiekkasuodattimen sameusarvoja
mixed bed –suodatetun veden sameusarvot yltävät tutkimusjakson lopussa
suodattimen likaantuessa. Mixed bed –suodatin päästi lopussa enemmän sameutta
lävitseen kuin tutkimuksen alussa, koska pesuvälit pitenivät. Saman sameusarvon
saavuttamiseen, kuin hiekkasuodattimessa, kului mixed bed -suodattimella toki
pidempi aika. Kuvaajasta näkyvät selvästi suodattimien pesuvälit.
89
Kuvaajasta 29 nähdään, että selkeytetyn veden sameus kasvoi melko paljon
tutkimusjakson aikana, mutta suodattimet päästivät lävitseen keskimäärin yhtä
paljon sameutta. Toisaalta se indikoisi suodattimien sameudenpidätyskyvyn
parantumista, mutta oikeasti suodattimet vain päästivät lähes yhtä paljon sameutta
lävitseen huolimatta huononevasta selkeytetyn veden laadusta.
Sameusvertailua
2
1,8
Sameus [NTU]
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
15.3.15
13.3.8
11.3.1
8.3.18
6.3.11
4.3.4
1.3.21
27.2.14
25.2.7
23.2.0
20.2.17
18.2.10
16.2.3
13.2.20
11.2.13
9.2.6
6.2.23
4.2.16
2.2.9
31.1.2
28.1.19
26.1.12
0
[dd.m.hh]
Selkeytetty vesi
Mixed bed -suodatettu vesi
Hiekkasuodatettu vesi
Mixed bed -suodatettu vesi, uusi
Kuva 29. Tulevan ja lähtevän veden sameudet.
Kuvaajaan 30 on laskettu Mixed bed –suodattimeen tulevan veden ja siitä
lähtevän
veden
sameuksien
erotukset.
Kuvaaja
ilmaisee
suodattimen
sameudenpidätyskyvyn kullakin hetkellä. Kuvaajassa on käytetty uuden
sameusmittarin arvoja. Paremman kuvan sameuden pidätyskyvystä olisi saanut,
jos mixed bed –suodatetulle vedelle olisi ollut alusta asti luotettava
sameusmittaus. Kuvaajan kaksi ensimmäistä pesua olivat B2- pesuja (pidempi
vesipesun kesto), kaksi seuraavaa pesua olivat C1- pesuja (pienempi pesuveden
virtaama) ja viimeinen pesu oli C2- pesu (suurempi vesipesun virtaama).
Ensimmäisen B2- pesun sameustulokset eivät ole välttämättä vielä luotettavia,
koska sitä edeltänyt B1- pesu, joka jätti suodattimen likaiseksi, saattoi vielä
vaikuttaa tuloksiin.
90
Kuvaajan 30 mukaan pesujen jälkeen mixed bed –suodattimen sameudenpidätys
oli samaa suuruusluokkaa. Toisen ja kolmannen pesun jälkeiset käyrät vaikuttavat
ensin loivemmilta ja jyrkkenevät sitten. Neljännen pesun jälkeinen käyrä on taas
yhtä jyrkkä kauttaaltaan. Voitaisiin päätellä, että sameuden pidätyskyky oli pesun
jälkeen hieman pidempään paremmalla tasolla toisen pesun jälkeen, hieman
vähemmän aikaa kolmannen pesun jälkeen ja neljännen pesun jälkeen sameuden
pidätys huononi jo melko lineaarisesti ajan funktiona. Tämä johtunee kalkin
kulumisesta. Tuloksia pitäisi olla enemmän, jotta asia voitaisiin osoittaa
varmuudella. Muuten sameuden pidätyskyky väheni melko lineaarisesti joka
pesun jälkeen. Kuvaajasta näkyy myös, että kalkin kulumisesta johtuen mixed bed
–suodatin päästi enemmän sameutta lävitseen käyttösyklin loppupuolella, kun
pesuvälit pitenivät.
Sameuden pidätys mixed bed -suodattimessa
2
1,8
Sameus [NTU]
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
16.3.21
15.3.18
14.3.15
13.3.12
12.3.9
11.3.6
10.3.3
9.3.0
7.3.21
6.3.18
5.3.15
4.3.12
3.3.9
2.3.6
1.3.3
28.2.0
26.2.21
25.2.18
24.2.15
23.2.12
22.2.9
0
[dd.m.hh]
Kuva 30. Mixed bed –suodattimen sameudenpidätyskyky.
Vertailun
vuoksi
kuvaajassa
sameudenpidätyskäyrästöä
31
samalta
on
ajalta.
esitettynä
hiekkasuodattimen
Kuvaajasta
näkyy,
että
hiekkasuodattimen sameudenpidätyksessä ei tapahtunut merkittäviä muutoksia
tällä aikavälillä. Sameuden pidätyskyky pesujen jälkeen oli keskimäärin hieman
huonompaa verrattuna mixed bed –suodattimeen. Lisäksi sameuden pidätyskäyrät
91
ovat jyrkempiä, eli hiekkasuodatin menetti nopeammin sameudenpidätystehoaan suodatusteho pieneni nopeammin.
Sameuden pidätys hiekkasuodattimessa
2
1,8
Sameus [NTU]
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
16.3.21
15.3.18
14.3.15
13.3.12
12.3.9
11.3.6
10.3.3
9.3.0
7.3.21
6.3.18
5.3.15
4.3.12
3.3.9
2.3.6
1.3.3
28.2.0
26.2.21
25.2.18
24.2.15
23.2.12
22.2.9
0
[dd.m.hh]
Kuva 31. Hiekkasuodattimen sameudenpidätyskyky.
6.18 Jatkuvatoimiset pH- mittaukset
Mixed bed –suodattimeen tulevan veden ja siitä lähtevän veden pH- arvoja
mitattiin jatkuvatoimisesti. Tulokset on esitetty kuvaajassa 32. Selkeytetyn veden
pH- arvo vaihteli kemikalointimuutoksista johtuen välillä 4,8 – 4,5. Mixed bed –
suodatetun veden pH puolestaan laski noin 7,6 – 6,8, eli keskimäärin 0,5 pHyksikköä enemmän. Jatkuvatoimisten pH- mittarien lukemat näyttivät keskimäärin
0,2 pH- yksikköä vähemmän kuin laboratoriossa mitatut pH- arvot. Kaikki mittarit
oli kalibroitu.
92
PH- arvojen vertailua
9
8
7
pH
6
5
4
3
2
1
16.3.0
13.3.11
10.3.22
8.3.9
5.3.20
3.3.7
28.2.18
26.2.5
23.2.16
21.2.3
18.2.14
16.2.1
13.2.12
10.2.23
8.2.10
5.2.21
3.2.8
31.1.19
29.1.6
26.1.17
24.1.4
21.1.15
0
[dd.m .hh]
Selkeytetty vesi
Mixed bed -suodatettu vesi
Kuva 32. Mixed bed –suodatetun veden ja selkeytetyn veden pH- kehitystä.
Kuvaajaan 33 on laskettu mixed bed –suodatetun veden ja selkeytetyn veden pHarvojen erotus, eli käyrä kuvaa suodattimen pH:n nostokykyä. Alussa mixed bed –
suodatin nosti pH- arvoa jopa yli 3 pH- yksikköä, mutta tutkimusjakson
loppupuolella kalkin kulumisesta johtuen suodatin nosti pH- arvoa enää 2 – 2,5
pH- yksikköä.
Tutkimuksen alkupuolella, kun mixed bed –suodattimessa oli enemmän kalkkia,
nousi suodatetun veden pH- arvo keskimääräistä enemmän pesun jälkeen.
Tutkimuksen loppupuolella pesun jälkeinen pH:n nousu ei ollut puolestaan enää
kovin suurta. Tämä voi johtua siitä, että kalkkikivirouheessa on mukana hyvin
hienojakoista ainesta alussa. Tällöin jokaisen pesun jälkeen, kun suodatinmassa
on laajentunut, liukenee pienistä partikkeleista enemmän kalkkia veteen, koska
niillä on suurempi ominaispinta-ala. Pienimpien kalkkikivipartikkelien liuettua
pois, suodatetun veden pH ei enää nouse pesun jälkeen merkittävästi.
93
PH:n nousu mixed bed -suodattimessa
3,5
3
pH
2,5
2
1,5
1
0,5
16.3.21
14.3.7
11.3.17
9.3.3
6.3.13
3.3.23
1.3.9
26.2.19
24.2.5
19.2.1
21.2.15
16.2.11
13.2.21
11.2.7
8.2.17
6.2.3
3.2.13
31.1.23
29.1.9
26.1.19
24.1.5
21.1.15
0
[dd.m.hh]
Kuva 33. PH:n nousu mixed bed –suodattimessa.
6.19 Mixed bed –suodoksen ja hiekkasuodoksen yhdistäminen sopivan pH:n
saavuttamiseksi
Oletetaan, että mixed bed -suodattimesta lähtevän veden pH on 7,5 ja
hiekkasuodatetun veden pH on 4,9 virtaamien ollessa 290 m3/h suodatinta kohti.
Käytössä on 24 suodatinta ja haluttu suodatusosastolta lähtevän veden pH on noin
7. Tällöin mixed bed -suodattimia pitäisi olla 20 ja hiekkasuodattimia 4, jotta pH
7 saavutetaan. Jos haluttu lähtö- pH onkin 7,3, pitäisi mixed bed –suodattimia olla
22 ja hiekkasuodattimia 2. Jos halutaan, että käytössä on sekä mixed bed- että
hiekkasuodattimia samalla virtaamalla, tulee hiekkasuodattimia olla vähintään
kaksi. Tällöin toisen suodattimen ollessa pesussa on toinen vielä käytössä. Jos
suodatusosastolta lähtevän veden pH saa nousta vielä korkeammaksi, voidaan
mixed bed –suodattimille asettaa suurempi virtaama kuin hiekkasuodattimille.
Hiekkasuodattimien virtaamaa muuttamalla voidaan säätää suodatusosastolta
lähtevän veden pH halutulle tasolle.
Laitoksen prosessin seuraava vaihe on otsonointi, joka vaatii toimiakseen alle 7,8
pH:n. Jos varmuuden vuoksi asetetaan suodatusosastolta lähtevän veden pH:ksi
ihan maksimissaan 7,5, voidaan periaatteessa muuttaa kaikki hiekkasuodattimet
94
mixed bed –suodattimiksi, jos kalkinlisäysohjelma suunnitellaan huolella.
Voidaan esimerkiksi yhdistää maksimissaan 8 ja minimissään 7 pH:n suodoksia,
jolloin suodatusosaston keskimääräinen pH- arvo olisi noin 7,5. Vaihtoehtoisesti
voitaisiin pitää jokaisen suodattimen suodoksen pH- arvo noin 7,5:ssä lisäämällä
suodattimiin kalkkia usein, mutta pieniä määriä kerralla. Mikäli kalkkia lisätään
suodattimiin usein, ei suodatusosaston pH- arvo nouse liian korkeaksi edes
suodattimien pesujen jälkeen. Tällöin kaikkiin suodattimiin voitaisiin laittaa
mixed bed –suodatinmateriaali. Jos pH:n nousu liian korkeaksi koituu kuitenkin
ongelmaksi, voitaisiin suodatusosastolla pitää varmuuden vuoksi esimerkiksi
kahta tavallista hiekkasuodatinta käytössä ja pH:n noustessa liian korkealle
voitaisiin hiekkasuodattimien virtaamaa nostaa, kunnes tilanne tasaantuu.
6.20 Alkalointikemikaalien muutoksista aiheutuvat kustannukset
Alkukemikaloinnista tulevan veden pH on noin 5. PH:ta pitää nostaa hieman yli
seitsemään ennen otsonointia. Nykyisessä prosessissa veteen lisätään poltetusta
kalkista valmistettua kalkkivettä jälkikemikalointi 1:ssä pH:n nostamiseksi
oikealle tasolle. Jos suodatusosastolla olisi käytössä mixed bed –suodattimia,
saataisiin pH nostettua oikealle tasolle, eikä kalkkivettä tarvitsisi lisätä ollenkaan
veteen ennen otsonointia. Normaalisti poltettua kalkkia kuluu jälkikemikalointi
1:ssä noin 8 g/m3.
Kalkkivettä syötetään veteen myös nykyisen puhdistusprosessin loppuosassa,
jälkikemikalointi 3:ssa, nostamaan veden pH:ta ja alkaliniteettia. Silloin kalkkia
kuluu noin 15 - 16 g/m3. Toinen alkaliniteetin nostoon käytetty kemikaali,
hiilidioksidi, syötetään veteen kahdessa vaiheessa. Jälkikemikalointi 2:ssa
hiilidioksidia syötetään raakaveden alkaliniteetista riippuen noin 14 g/m3 ja
jälkikemikalointi 3:ssa hiilidioksidia syötetään puolestaan noin 4 g/m3.
Laitokselta lähtevän veden pH on noin 8,5 ja alkaliniteetti noin 0,8 mmol/l.
Suodatuslaitokselta lähtevälle vedelle voidaan määrittää tietty pH- arvo
tavoitteeksi. Jos kaikki 24 hiekkasuodatinta muutetaan mixed bed –suodattimiksi
ja määritetään suodatusosastolta lähtevän veden pH- arvoksi 7,5, olisi veden
95
alkaliniteetti kuvaajan 34 perusteella noin 0,5 mmol/l. Tällöin loppuprosessissa
alkaliniteettia tulisi nostaa vielä 0,3 mmol/l lisää. Toivasen (1994) tutkimuksen
mukaan 0,1 mmol/l alkaliniteetin nostoon tarvitaan 2,8 g/m3 poltettua kalkkia ja
4,4 g/m3 hiilidioksidia.
M i xed b ed : PH ja al kali ni t eet t i
0,7
9
8,5
0,65
8
0,6
7,5
0,55
7
0,5
6,5
6
0,45
5,5
0,4
5
0,35
4,5
4
0,3
11. 1.
15. 1.
20. 1.
25. 1.
29. 1.
3. 2.
8. 2.
12. 2.
17. 2.
22. 2.
26. 2.
3. 3.
8. 3.
12. 3.
17. 3.
Ai ka
pH
Alkaliniteetti
Kuva 34. Mixed bed –suodoksen pH:t ja alkaliniteetit.
Taulukossa 9 on esitetty, paljonko kalkkia ja hiilidioksidia kuluu normaalisti sekä
niistä aiheutuvat kustannukset, jos puhdistuslaitokselta lähtee yhteensä 7000 m3/h
puhdistettua vettä. Jos mixed bed –suodatus otettaisiin käyttöön kaikkiin 24
suodattimeen ja laitokselta lähtevän veden virtaama olisi niin ikään 7000 m3/h,
kuluisi poltettua kalkkia ja hiilidioksidia taulukon 10 mukaisesti. Vertailemalla
taulukoiden 9 ja 10 kuukausikustannuksia huomataan, että mixed bed –
suodatuksella
säästettäisiin
noin
6100
euroa
kuukaudessa
alkalointikemikaalikuluissa. Kalkkikivirouheen tilaaminen tulee edullisimmaksi,
kun sitä tilataan suuria eriä kerralla. Siksi olisi luultavasti järkevintä hankkia suuri
kalkkisiilo kalkin varastoimista varten ja siirtää kalkkia suodattimiin jollain
omalla kalustolla. Mikäli kalkkikivirouhetta tilataan 100 - 120 t/kk, sen hinta on
noin 70 €/t. Alkalointikemikaalien hinnat on esitetty taulukossa 11.
96
Taulukko 9. Ilman mixed bed –suodatusta alkalointikemikaalikustannukset virtaamalle 7000 m3/h.
g/m3
24
Poltettu kalkki
18
Hiilidioksidi
Yhteensä
kg/d
4009
3007
hinta
kg/kk
[€/kk]
120269
17078
90202
12718
29797
Taulukko 10. Mixed bed –suodatuksen ollessa käytössä kertyvät alkalointikemikaalikustannukset
virtaamalle 7000 m3/h.
g/m3
Kalkkikivi
Poltettu kalkki
Hiilidioksidi
Yhteensä
hinta
[€/kk]
kg/d
kg/kk
4009 120269
8419
24
8,4
1403
42094
5977
13,2
2205
66148
9327
23723
Taulukko 11. Alkalointikemikaalien hinnat.
Hinta
70 €/t
Kalkkikivi
Poltettu kalkki 142 €/t
141 €/t
Hiilidioksidi
Jos Pitkäkosken vedenpuhdistuslaitoksella nostetaan vedenpuhdistuskapasiteettia
7000 kuutiometriin tunnissa, ei kalkkivedenvalmistuskapasiteetti riitä tarvittavan
kalkkivesimäärän valmistamiseen. Jos mixed bed –suodatus otetaan käyttöön,
kalkkiveden valmistuskapasiteetti riittää.
PH:n nostoon ja alkalointiin voidaan käyttää myös esimerkiksi soodaa tai lipeää
prosessin loppuosassa, jos veden kovuus on oikealla tasolla. Pitkäkosken
vedenpuhdistuslaitoksen lähtevän veden kokonaiskovuus on noin 3,4 dH, joten
mixed
bed
–suodatuksella
kovuus
ei
nouse
tarpeeksi suureksi.
Siksi
loppuprosessissa tulee käyttää kovuutta nostavaa kemikaalia, eikä sooda tai lipeä
sovellu tarkoitukseen.
97
7 JOHTOPÄÄTÖKSET JA SUOSITUKSET
7.1
Johtopäätökset
Tutkimuksessa
kokeiltiin
mixed
bed
–suodatinta
osana
pintavedenpuhdistusprosessia. Mixed bed –suodattimen toimintaa verrattiin
tavallisen hiekkasuodattimen toimintaan ja arvioitiin mixed bed –suodatuksesta
aiheutuvia etuja/muutoksia loppuprosessiin.
Mixed
bed
–suodattimen
kalkkikivirouhe
kului
hyvin
tasaisesti
ja
kulumisnopeudeksi saatiin tutkimuksen mukaan 24 g/m3, kun se teoriassa olisi 20
g/m3. Kalkin kulumista tutkittiin tässä tutkimuksessa kymmenen viikon ajan
vakiovirtaamalla 290 m3/h.
Tutkimuksen aikana pyrittiin säätämään mixed bed –suodattimen pesusekvenssiä
ja tutkimaan, minkälaisia vaikutuksia eri parametrien muuttamisella olisi
pesutulokseen.
Lisäksi
pyrittiin
tarkastelemaan,
mitä
voitaisiin
käyttää
suodattimen pesutarpeen indikaattorina. Suodattimen puhtauden indikaattorina
pesun jälkeen pidettiin lähtöpaine-eron tasoa. Koska pesuvälit kasvoivat
tutkimuksen loppua kohti, ei niitä voitu pitää luotettavina pesutuloksen puhtauden
indikaattorina.
Pesututkimuksista kävi ilmi, että vesipesuaikaa ei kannata lyhentää ainakaan
puoleen, koska suodatin jää silloin likaiseksi. Mahdollisesti vesipesuaikaa voidaan
vähentää hieman ilman, että pesutulos siitä kärsisi, mutta tulosten mukaan olisi
järkevämpää hieman pidentää vesipesuaikaa.
Kun vesipesun virtaamaa suurennettiin, saatiin suodatin puhtaammaksi ja
virtaamaa pienentämällä suodatin jäi likaiseksi. Vesipesun virtaamaa kannattaisi
hieman suurentaa. Maksimi vesipesun virtaama suodattimelle on 320 l/s.
Ilmahuuhtelun keston muuttamisesta ei ollut tutkimuksen mukaan merkittävää
vaikutusta pesutulokseen, joten huuhtelun kestoa voitaisiin pienentää tai
98
mahdollisesti se voitaisiin jättää kokonaan pois. Pesusekvenssin optimointi vaatisi
lisätutkimuksia.
Suodattimien pesun tarpeen indikaattorina käytetään HSY Vedellä sameutta.
Tutkimuksessa hiekkasuodattimen pesuntarve määritettiin seuraamalla lähtevän
veden sameuden ja suodattimen paine-eron kasvua. Suodattimelle asetettiin
maksimipaine-ero, millä se saavutti maksimisameuden. Mixed bed –suodatetun
veden sameus nousi kuitenkin huomattavasti hitaammin kuin hiekkasuodatetun
veden sameus ja rajoittavaksi tekijäksi muodostui suodattimen alaventtiilin
aukioloprosentti. Aukioloprosentti ja paine-ero mixed bed –suodattimessa
nousivat melko tasaisesti, joten suodattimelle voitiin määrittää maksimipaine-ero,
kun päätettiin venttiilin maksimi aukioloprosentti.
Kalkin kuluessa suodattimen vastus pieneni, koska suodatinmateriaalin määrä
väheni ja näin ollen säädetyn paine-erorajan saavuttamiseen pesun jälkeen meni
yhä pidempi aika – pesuvälit pitenivät. Tästä syystä, vaikka suodattimen
sameudenpidätyskyky säilyikin vielä hyvänä, se alkoi päästää sameutta enemmän
lävitseen, koska se ehti kuormittua enemmän ennen kuin pesu alkoi. Siksi mixed
bed –suodattimen pesuindikaattorina ei voida pitää pelkästään paine-eroa,
ainakaan tietyn kalkinkulumispisteen jälkeen. Paine-erorajan lisäksi suodattimella
pitäisi olla myös maksimisameusraja. Toisaalta, jos kalkkia lisätään suodattimeen
tarpeeksi usein, ei tätä ongelmaa esiintyisi. Sitten pelkkää paine-eroa voitaisiin
käyttää pesuindikaattorina.
Tutkimuksen aikana raakaveden lämpötila laski. Lämpötilan laskusta johtuen
flokkien muodostuminen heikentyi ja selkeytyksen tulos huononi. Se ilmeni muun
muassa selkeytetyn veden sameuden ja rautapitoisuuden nousuna. Suodattimiin
tulevan
veden
laadun
heikkeneminen
pitää
ottaa
huomioon
tuloksia
tarkasteltaessa. Tutkimusjakson aikana mixed bed –suodattimen partikkelien
pidätyskyky ei heikentynyt ainakaan merkittävästi. Huonommat sameustulokset
saatiin mixed bed –suodatetusta vedestä oikeastaan vain siksi, että suodattimen
pesuvälit pitenivät, jolloin suodatin ehti likaantua enemmän ennen pesua ja siksi,
että selkeytetyn veden laatu heikkeni. Koska jatkuvatoiminen sameusmittaus
saatiin toimimaan kunnolla vasta tutkimuksen loppupuolella, ei saatu tarpeeksi
99
tutkimustuloksia osoittamaan varmuudella, että suodattimen sameudenpoiston
tehokkuus olisi säilynyt lähes ennallaan koko tutkimusjakson ajan.
Vanhan sameusmittarin tuloksista voidaan ehkä päätellä, että mixed bed –suodatin
päästi keskimäärin yhtä vähän sameutta lävitseen, vaikka kalkki kuluikin ja
selkeytetyn veden laatu heikkeni. Suodattimen sameudenpidätyskyky ei voi
kuitenkaan pysyä samana loputtomiin, kun kalkki kuluu. Kun kalkkia on kulunut
tarpeeksi, alkaa mixed bed –suodattimen läpi päästä enemmän partikkeleita.
Kalkin kuluessa muun muassa suodattimen partikkelienpidätyskyky sekä paineeron kehitys pesujen jälkeen alkavat muistuttaa yhä enemmän hiekkasuodattimen
kyseisiä ominaisuuksia. Lopulta, kun kaikki tai lähes kaikki kalkki on kulunut
pois, toimii suodatin kuten tavallinen hiekkasuodatin.
Suodattimen
sameudenpidätyskäyrien
muotojen
kehityksestä
tutkimuksen
loppupuolella voidaan päätellä, että kalkin kuluessa mixed bed –suodatetun veden
sameuden kehitys on lineaarisempaa. Eli jos kalkkia on enemmän suodattimessa,
se pidättää sameutta paremmin pesun jälkeen, mutta käyttösyklin loppua kohti
sameudenpidätyskyvyn heikkeneminen nopeutuu ja jos kalkkia on suodattimessa
vähemmän, sameudenpidätyskyky heikkenee miltei vakionopeudella.
Tutkimuksessa huomattiin, että jos mixed bed –suodattimia halutaan ottaa
käyttöön, tulee jokaisen suodattimen lähtevän veden sameuden jatkuvatoimiset
mittarit uusia, koska veden tulo vanhoille mittareille lakkaa, kun paine-ero
suodattimessa nousee liian suureksi käyttösyklin lopussa. Hiekkasuodattimeen
verrattuna mixed bed –suodattimella oli huomattavasti parempi sameuden ja
raudan pidätyskyky. Siksi mixed bed –suodattimen pesuvälit olivat yli
kaksinkertaisia
hiekkasuodattimeen
verrattuna,
vaikka
hiekkasuodattimen
pesuvälit oli venytetty äärimmilleen. Paremman partikkelienpidätyskyvyn takia
mixed bed –suodatin tukkeutui nopeampaan tahtiin ja siksi paine-eron kehitys oli
jyrkempää kuin hiekkasuodattimessa.
UV- absorbanssitulosten perusteella mixed bed –suodatin pidätti keskimäärin
paremmin orgaanista ainetta kuin hiekkasuodatin, mutta TOC- tuloksien
perusteella taas hiekkasuodatin pidätti orgaanista ainetta keskimäärin hieman
100
paremmin kuin mixed bed –suodatin. Kalkin lisäyksen jälkeen mixed bed –
suodatetussa vedessä on enemmän orgaanista ainetta sekä mikrobeja kuin
normaalisti. Voi olla, että kalkin lisäyksen jälkeen mikrobeilla on hetkellisesti
optimaalisemmat olosuhteet ja kalkin joukossa saattaa olla orgaanista ainetta.
Tutkimuksen aikana vesinäytteistä ei löydetty koliformisia bakteereita, eikä
Escherichia colia, eli ulosteperäistä saastumista ei tapahtunut.
Mixed bed –suodattimessa oleva kalkkikivirouhe nosti suodatetun veden pH:ta,
alkaliniteettia sekä kovuutta. Kalkin kuluessa ne laskivat. Kalkinlisäystarve
suodattimeen määräytyy sen perusteella, kuinka alhaiseksi voidaan yksittäisen
suodattimen lähtevän veden pH:n antaa laskea. Maksimi kalkinlisäysmäärä
kerralla määräytyy puolestaan sen perusteella, kuinka korkeaksi lähtevän veden
pH saa nousta. Kalkkikivirouhe nostaa veden alkaliniteettia ja kovuutta poltetusta
kalkista valmistettua kalkkivettä enemmän samassa pH- arvossa. Kalkin kuluessa
mixed bed –suodatetun veden hiilidioksidipitoisuus nousi.
Kalkkikivirouheen
lisääminen
suodattimen
hiekan
sekaan
vaikutti
niin
positiivisesti suodattimen suodatus- ja alkalointitehoon, että olisi suositeltavaa
muuttaa mahdollisimman moni hiekkasuodatin mixed bed –suodattimeksi.
Parhaaseen
puhdistustulokseen
sekä
edullisimpiin
alkalointikemikaalien
kustannuksiin päästään, jos kaikki hiekkasuodattimet muutetaan mixed bed –
suodattimiksi. Suositellaan, että kalkkia lisättäisiin usein ja vähän kerrallaan, jotta
vältyttäisiin suurilta pH- piikeiltä. Mikäli kalkinlisäys siitä aiheutuvien kulujen
perusteella on kannattavampaa tehdä harvoin ja lisätä kalkkia suuria määriä
kerralla,
saatetaan
joutua
jättämään
pari
tavallista
hiekkasuodatinta
suodatuslaitokselle, jotta mahdolliset pH- piikit olisi mahdollista saada kuriin.
Tutkimuksen
mukaan
puhdistustehokkuuden
mixed
lisäksi
bed
–suodatuksella
hyötyä
voidaan
erinomaisen
alkalointikemikaalikustannuksissa.
Kokonaisvirtaamalla 7000 m3/h mixed bed –suodatuksen käyttöönotolla
alkalointikemikaaleissa säästettäisiin noin 6100 euroa kuukaudessa. Mixed bed –
suodatus vaikuttaa tutkimuksen perusteella erittäin hyvältä vaihtoehdolta
Pitkäkosken vedenpuhdistusprosessin osaksi, ainakin puhdistustuloksen ja
alkalointikyvyn perusteella.
101
Kalkkiveden
valmistuksessa
poltetusta
kalkista
siirtyminen
valmiiksi
sammutettuun kalkkiin ei vaikuta tämän tutkimuksen tarkastelun perusteella kovin
taloudelliselta ja toimivalta idealta, mutta asiaa voitaisiin vielä tutkia lisää.
7.2
Suosituksia jatkotutkimuksille
Tutkimuksen perusteella kokemukset mixed bed –suodatuksesta olivat erittäin
positiivisia ja suodatustekniikka vaikuttaisi sopivan haluttuun käyttötarkoitukseen
oikein hyvin. Asiaa pitäisi kuitenkin tutkia vielä enemmän käytännössä, joten
tähän kappaleeseen on koottu jatkotutkimusaiheita.
7.2.1
Suodatusvirtaaman muuttaminen
Diplomityössä suodatinkohtainen virtaama laskettiin jakamalla keskimääräinen
haluttu kokonaisvirtaama suodattimien (PK1) lukumäärällä, eli 7000 m3/h : 24
290 m3/h (viipymä n. 10 min, suodatusnopeus n. 6,7 m/h). Todellisuudessa kaikki
suodattimet eivät ole käytössä yhtäaikaisesti. Yksi suodatin kerrallaan voi olla
pesussa, mutta useampi suodatin voi olla yhtäaikaisesti pois käytöstä
esisuodatuksen, kalkinlisäyksen tai huoltotöiden takia. Jatkotutkimuksessa tulisi
arvioida, kuinka monta suodatinta on yhtäaikaisesti käytössä ja laskea sen
perusteella uudelleen suodatinkohtainen virtaama. Huomioonotettavia seikkoja
ovat mm. pesusekvenssien kestot, tarvittava pesutiheys ja kuinka usein kalkkia
pitää lisätä. Mahdollisten huoltotöiden tiheys tulisi myös ottaa huomioon.
Tutkimusvirtaama, 7000 m3/h, oli arvioitu keskimääräinen virtaama, mutta
arvioitu maksimivirtaama olisi 9000 m3/h, joten suodattimen toimintaa pitäisi
tutkia myös tällä virtaamalla. Samoin tulisi maksimivirtaamallekin suunnitella
pesusekvenssit, tutkia kalkin kulumista sekä arvioida, montako suodatinta on
yhtäaikaisesti käytössä.
102
7.2.2
Kalkkikivirouheen ja hiekan suhde suodattimessa
Diplomityössä kalkkikivirouhetta oli suodatinpatjasta 1/3 ja hiekkaa 2/3 (nk.
mixed bed -suodatin). Tällä suodatinpatjan koostumuksella ja virtaamalla 290
m3/h suodattimesta lähtevän veden pH oli aluksi n. 8 ja 10 viikon tutkimusjakson
jälkeen pH oli laskenut jo alle seitsemään.
Jos halutaan laittaa osaan PK1 hallin suodattimista mixed bed -suodattimia ja
jättää osa tavallisiksi hiekkasuodattimiksi sekä yhdistää mixed bed -suodosta ja
hiekkasuodosta sellaisessa suhteessa, että suodatusosastolta lähtevä pH- arvo olisi
otsonoinnille sopiva (HACCP rajat 6,0 – 7,8), pitäisi miettiä, onko
kalkkikivirouheen ja hiekan suhde suodattimessa optimaalinen, vai pitäisikö
kalkkia olla suodatinta kohti enemmän suhteessa hiekkaan.
Jos kalkkia on
enemmän suodatinta kohti, mixed bed -suodattimia tarvitaan lukumäärällisesti
vähemmän saman suodatinosastolta lähtevän pH:n saavuttamiseksi. Tällöin tulisi
tutkia, kuinka suuren vastuksen kalkki aiheuttaa suodattimessa, eli kuinka
suureksi paine- ero kasvaa ja sitä kautta tarvittavia pesuvälejä.
Voidaan
myös
ajatella
laitettavan
jokaiseen
hiekkasuodattimeen
kalkkikivirouhetta, mutta vain sen verran ja niin usein, ettei pH nouse liian
korkealle.
Se
vaatisi
optimointia.
Lisäksi
voidaan
tehdä
niin,
että
hiekkasuodattimia olisi vain pari, mutta niiden läpi menisi suurempi virtaama kuin
mixed bed -suodattimien läpi. Silloin mixed bed –suodattimissa voisi olla
enemmän kalkkia suhteessa hiekkaan. Se kuitenkin johtaisi hiekkasuodattimien
tiheämpään pesutarpeeseen.
7.2.3
Suodatinpatjan korkeuden määrittäminen
Tutkimuksessa mixed bed -suodatinpatjan tavoitekorkeus oli noin 1,1 m, kun
hiekkasuodattimissa se on 1,3 m. Olisi hyvä tutkia, onko suodatinpatjan korkeus
hyvä, vai saavutetaanko jotain etua, jos suodatinpatjan korkeutta muutetaan.
103
7.2.4
Pesusekvenssit
Pesusekvenssit tulisi määrittää erikseen normaalissa käytössä olevalle mixed bed suodattimelle sekä mixed bed -suodattimelle, johon on juuri lisätty kalkkia (kalkki
pitää huuhdella kunnolla ennen suodattimen käyttöönottoa). Lisäksi olisi
huomioitava vuodenaikojen vaihtelun vaikutus selkeytetyn veden laatuun ja sitä
kautta mixed bed -suodatetun veden laatuun ja tutkia, pitäisikö pesusekvenssejä
muuttaa vuodenaikojen mukaan.
Diplomityössä
tutkittiin
pesusekvenssejä
normaalikäytössä
muuttamalla
ilmahuuhtelun kestoa (T2), vesipesun kestoa (T4) sekä vesipesun virtaamaa (S2,
l/s). Lisäksi muita muutettavia suureita, joita voitaisiin tutkia, ovat: T1, T5 ja
ilmavirtaus (m3/h). T1 ilmaisee suodatuksen alussa ajan pituutta, jolloin
vedenpintaa lasketaan kourun alapuolelle. T5 on esisuodatuksen kesto. Varsinkin
kalkin lisäyksen jälkeen on tärkeää määrittää tarpeeksi pitkä esisuodatusaika.
Tutkimuksessa mixed bed -suodatinta piti pestä keskimäärin 5-6 vuorokauden
välein, kun hiekkasuodatinta piti pestä noin kahden vuorokauden välein (virtaama
kummassakin suodattimessa 290 m3/t).
Pesusekvenssitutkimuksissa tulisi myös määrittää, kuinka paljon kalkkia poistuu
pesujen yhteydessä pesuveden mukana viemäriin. Pesun jälkeen voitaisiin myös
tutkia, kuinka kalkkikivirouhe ja hiekka lajittuvat esimerkiksi kairaamalla.
7.2.5
Kalkin lisääminen
Tulisi optimoida, kuinka usein ja kuinka suuria määriä kerralla kalkkia lisätään
suodattimiin. Tämän voi arvioida kalkin kulumisnopeuden perusteella, mikä
riippuu virtaamasta suodattimen läpi. Lisäksi päätetään lähtevän veden pH:n
alaraja
suodatinta
kohti.
Suodattimia
tulisi
täyttää
eri
aikaan,
jottei
suodatinosaston pH- arvo nouse liian korkeaksi. Tulisi myös miettiä järkevä ja
taloudellinen kalkinlisäystekniikka.
104
7.2.6
Voitaisiin
Kalkkikivirouhetta tavalliseen hiekkasuodattimeen
tutkia,
soveltuisiko
mixed
bed
–suodatimateriaali
tavalliseen
hiekkasuodattimeen, jossa ei ole vesipesua ja jossa on suutinpohja tritonpohjan
sijaan. Voitaisiin tutkia, paljonko kalkkia hiekkasuodattimeen pystyttäisiin
lisäämään ja tuleeko suodatin puhtaaksi pelkällä vesipesulla.
7.2.7
Kalkkikivirouheen kuluminen
Kalkkikivirouheen kulumisnopeuteen saattaa vaikuttaa suodatettavan veden
lämpötila. Voitaisiin tutkia, pysyykö kalkin kulumisnopeus samana eri
vuodenaikoina.
7.2.8
Kalkkiveden valmistus
Sammutettua sekä poltettua kalkkia on erityyppisiä. Kustannussäästöjen
arvioiminen vaatisi parempaa tutustumista kalkkityyppeihin. Lisäksi kalkkiveden
valmistukseen olemassa oleva kapasiteetti ja sen riittävyys sammutetun kalkin
käyttöön kalkkiveden valmistuksessa tulisi laskea tarkemmin.
105
8 LÄHDELUETTELO
Adlan, M., Aziz, H.A., Maung, H.T., Hung, Y-T. 2008. Performance of
Horizontal Flow Roughing Filter using Limestone Media for the Removal of
Turbidity, Suspended Solids, Biochemical Oxygen Demand and Coliform
Organisms from Wastewater. International Journal of Environmen and Waste
Management. Vol. 2, no. 3, 203 p.
Antola, S. 1998. Pohjaveden alkalointi kalsiittisella kalkkikivellä. Diplomityö.
Ympäristötekniikan osasto. Tampereen Teknillinen Korkeakoulu. 108 s.
Aziz, H.A., Yusoff, M.S., Adlan, M.N., Adnan, N.H., Alias, S. 2004. Physicochemical removal of iron from semi-aerobic landfill leachate by limestone filter.
School of Civil Engineering, Engineering Campus, Universiti Sains Malaysia,
14300 Nibong Tebal, Penang, Malaysia. p. 353 – 358.
Barton, J. M. H., Buchberger, S. G. 2007. Effect of Media Grain Shape on Particle
Straining during Filtration. Journal of Environmental Engineering [J. Environ.
Eng.] Vol. 133, no. 2, pp. 211 – 219.
Benjamin, L., Green, R.W., Smith, A., Summerer, S. 1992. Pilot testing a
limestone contactor in British Columbia. Journal AWWA. s. 70 – 79.
Evans, G., Dennis, P., Cousins, M. and Campbell, R. 2002. Use of recycled
crushed glass as a filtration medium in municipal potable water treatment plants.
Water Sci. Technol., 3(5-6), 9-16.
Hedberg, T. 1983. Undersökning av alkaliska filtermassor. Institution för
vattenförsörjnings- och avloppsteknik. Chalmers tekniska högskola. Publikation
6:83 Göteborg. 94 s. Lähteestä Antola, S. (1998)
106
Heikkinen, E. A. 1977. Alkalointi- ja neutralointikemikaloinnin selvitys Helsingin
Kaupungin
Vesilaitoksen
puhdistuslaitoksilla.
Diplomityö.
Teknillinen
korkeakoulu, kemian osasto.
Hietala, J. 2000. Kalkkikivialkaloinnin tehostaminen ja mitoitus. Diplomityö,
Rakentamistekniikan osasto, Vesi- ja ympäristötekniikan osasto. Oulun Yliopisto.
70 s. (Iivarin 2008 diplomityöstä)
Iivari,
J-H.
2008.
Kalkkikivisuodatin
pikasuodattimena
Oulun
Veden
Kurkelanrannan pintavedenpuhdistamolla. Diplomityö. Oulun Yliopisto. Prosessija ympäristötekniikan osasto, vesi- ja ympäristötekniikan laboratorio. 107 s.
Isoaho S., Valve M.. 1986. Vesikemian perusteet. Helsinki. Otakustantamo.
Kajiyama, Y. 1975. Process for removing heavy metal ions in water. Official
gazette of the United States patent office.
Lammi, J. 1996. Kaksivaiheinen hiilidioksidin syöttö talousveden valmistuksessa.
Insinöörityö.
Espoon-Vantaan
Teknillinen
Ammattikorkeakoulu.
Teollisuustekniikan osasto. Prosessitekniikan linja. 93 s.
Meriluoto,
J.
2002.
Kalkkikivialkalointi,
opas
veden
syövyttävyyden
vähentämiseksi. Vesi- ja viemärilaitosyhdistys. Helsinki. 27 s.
Michalakos, G.D., Nieva J.M., Vayenas, D.V., Lyberatos, G. 1997. Removal of
iron from potable water using a trickling filter. Department of Chemical
Engineering, University of Patras and Institute of Chemical Engineering and High
Temperature Chemical Processes. Patras, Greece. p. 991 - 996.
Morse, J.W. 1990. The kinetict of calsium carbonate dissolution and precipitation.
Teoksessa: Reeder, R. J. Carbonates: Mineralogy and chemistry. Reviews in
mineralogy. Vol 11. 2. p. Michigan, Mineral Society of America. s. 227 – 264.
107
Palomäki,
J.,
Kuorikoski,
A.
2001.
Kalkkikivialkalointi
Länsi-Suomen
ympäristökeskuksen alueen vesilaitoksilla. Multiprint Vaasa. 160 s.
Peltokangas, J., Heinänen, J., Viitasaari, M. 1991. Vesihuoltotekniikan
yksikköoperaatiot ja yksikköprosessit. Vesi- ja ympäristötekniikan laitos,
Tampereen teknillinen korkeakoulu. 182 s.
Piispanen, M. Nordkalk Oyj Abp. Sammutetun ja poltetun kalkin käyttö
kalkkiveden valmistuksessa. Sähköpostiviesti 6.4.2010.
Qin, S., Ma, F., Huang, P., Yang, J. 2008. Fe (II) and Mn (II) removal from drilled
well water: A case study from a biological treatment unit in Harbin. School of
Environmental Science
and
Safety Engineering,
Tianjin
University of
Technology. Tianjin, China. p. 245.
RIL. 2004. Vesihuolto 2-124. Helsinki. 688 s.
Rontu, M. 1992. Pohjaveden alkalointi kalkkikivisuodatuoksella. Vesi- ja
ympäristöhallinnon julkaisuja. Helsinki. 72 s.
Sakthivadivel, R. 1966. Theory and mechanism of filtration of noncolloidal fines
through a porous medium. Hydraulic Engineering Laboratory. University of
California. Berkeley, California.
Sallanko, J., Laakso, E. 2000. Alkaloiva märkäsuodatus rautapitoisten pohjavesien
käsittelyssä. Oulu. Oulun Yliopistopaino. 68 s. (Iivarin 2008 diplomityöstä)
Seittenranta, I. HSY Vesi. Sähköpostiviestit huhtikuussa 2010.
Shair, S. 1975. Iron Bacteria and Red Water. Industrial Water Engineering, vol
12, no. 2, p. 16 – 18. Dearborn Chemical Div., Mich.
108
Sharma, S.K., Greetham, M.R., Schippers, J.C. 2002. Adsorption of iron (II) onto
filter
media.
International
Institute
for
Infrastructural,
Hydraulic
and
Environmental Engineering. Netherlands. p. 84 - 91.
Standard Methods for Examination of Water and Wastewater, 5910 B 19th Edition
1995, APHA AWWA WEF
Suthaker, S., Smith, D. W. and Stanley, S. J. 1995. Evaluation of filter media for
upgrading existing filter performance. Environ. Technol., 16(7), 625-643.
Toivanen, E. 1994. Alkaliteetin nostokoe 1993. Helsingin Kaupunki, Vesi- ja
viemärilaitos, Käyttövesitoimisto.
Trussel, R. R., Trussel, A. R., Lang, J. S. and Tate, C. H. 1980. Recent
developments in filtration system design. J. Am. Water Works Assoc., 12(12),
705-710.
Voutilainen, V. 2010. Kalkkikivisuodatus pintaveden käsittelyssä. Diplomityö.
Aaltoyliopisto, Kemian ja materiaalitieteiden tiedekunta. Espoo. 134 s.
Weppling, K. 1998. Osaavissa käsissä kalkkikivi muuttuu moneksi. Partek
Nordkalk Oy Ab. s. 62.
Zolas, S. 2009. Ferrisulfaatin happopitoisuuden vaikutus ferrin kulutukseen
ja orgaanisen aineen poistumiseen koelaitosmittakaavassa. Erikoistyö. Helsingin
Vesi, Helsinki. 23 s.
109
9 LIITTEET
Liite 1. Kalkkivesisiilon piirustus sivusta. (Heikkinen 1977)
110
Liite 2. Kalkkivesisiilon piirustus päältä. (Heikkinen 1977)
111
Liite 3. Suodattimen triton- pohja
112
Liite 4. Suodattimen suutinpohja
Liite 5. Mixed bed –suodattimen kummankin puoliskon suodatinpatjojen
paksuuksien kehitys
pvm
7.1.
11.1.
18.1.
22.1.
29.1.
5.2.
8.2.
12.2.
22.2.
26.2.
5.3.
15.3.
22.3.
Patjanpaksuudet
vas.
[m]
1,08
1,08
1,09
1,05
1,035
1,02
1,02
0,985
0,97
0,9625
0,955
0,935
1,07
113
oik.
[m]
1,16
1,16
1,12
1,12
1,095
1,08
1,065
1,065
1,025
1,015
1,0025
0,98
1,06
114