Jäteveden jäätyessä jätevesi puhdistuu – sovelluksia kaivannaisteollisuuteen?

Jäätymisteknologiaa voidaan hyödyntää jäteveden puhdistuksessa. Jäteveden jäätyessä jätevesi puhdistuu, kun muodostuu puhtaampi jääkerros. Puhdas jääkerros voidaan poistaa muusta jätevedestä, jolloin jäljelle jäävä jätevesi väkevöityy. Uusi energiatehokas puhdistusmenetelmä perustuu veden luonnolliseen jäätymisprosessiin: energiaa tarvitaan ainoastaan jään murtamisessa ja sen kuljettamisessa pois jätevesialtaasta.

Käytännössä kaivosten jätevesi voitaisiin tällä menetelmällä jättää jäätymään erikoisaltaisiin taivasalle, minkä jälkeen siitä poistettaisiin puhtaampi osa särkien. Sen jälkeen jää kuljetettaisiin kyseiseen tarkoitukseen kehitetyllä koneella toiseen altaaseen, missä puhdistunutta jätevettä kierrätettäisiin tai puhdistettaisiin lisää esimerkiksi kalvosuodatuksella eri prosessien tarpeisiin. Jos teollisen prosessin vesiä pystyttäisiin kierrättämään, ei tuoretta vettä tarvittaisi yhtä paljon kuin nyt.

Menetelmää kehitetään LUT:ssa sovellettavaksi lähinnä kaivannaisteollisuuteen, jossa muodostuu isoja määriä jätevettä. Veden jäädyttäminen eli kemiallisin termein kiteytys vaatii seitsemän kertaa vähemmän energiaa kuin sen haihduttaminen.

Talvisimulaattori tutkimusapuna

LUT:n kemiantekniikan tutkijat ovat kehittäneet muun muassa talvisimulaattorin, jolla pystytään tutkimaan jäähdytysilman lämpötilavaikutusta jäätymiseen. Simulaattorilla on tutkittu, mikä on syntyvän jääkerroksen kasvunopeus ja jään puhtausaste, kun käytetään eripitoisia suolaliuoksia. Simulaattoriin on rakennettu lämmönsiirrin, jonka avulla liuosta jäähdytetään kylmän ilman kautta. Simulaattorissa on myös propelli, joka kierrättää ilmaa, sillä käytännössä tuuliolosuhteet vaikuttavat jäätymiseen. Jatkossa simulaattorin avulla selvitetään, mikä merkitys ilman virtausnopeudella on jäätymisprosessiin. Viime talvena tutkijat ottivat myös näytteitä Saimaan jäällä.

"Otimme näytteitä sekä järvivedestä että jäästä ja selvitimme, minkä verran niissä on epäpuhtauksia. Tulos oli, että järvivesi sisälsi noin kymmenen kertaa enemmän epäpuhtauksia kuin jää. Toinen tutkimushavainto oli, että mitä hitaammin jääkerros kasvaa, sitä puhtaampaa jää on. Jään puhtaus riippuu siis suoraan jään kasvunopeudesta", kertoo kiteyttämisen tutkimukseen erikoistunut kemiantekniikan professori Marjatta Louhi-Kultanen. Professorin mukaan tarkoitus on jatkossa tutkia hyvin laajasti erityyppisiä jätevesialtaita ja niiden jääkerroksien puhtauksia ja tehdä jäätymiskokeita kaivosalueiden jätevesinäytteillä.

Poikkitieteellistä jätevesien jäätymisen tutkimusta

Jäteveden jäätymistutkimus sai äskettäin rahoitusta Suomen Akatemialta. Tutkimushankkeen nimi on WINICE (Wastewater treatment by natural freeze crystallization and ice separation) eli Jäteveden puhdistus luonnollisella jäädytyskiteytyksellä ja jään erotuksella. Hankkeen kesto on kolme vuotta, 2015─2017.

Tutkimuksessa on mukana LUT:n kemiantekniikan, konetekniikan ja matemaattisen mallinnuksen tutkijoita.  Jäätymisteknologiatutkimusta tekevät myös niin sanotut jäänsärkijät eli professori Pentti Kujalan Marine Technology -tutkimusryhmä Aalto-yliopistosta ja niin sanotut jäänkuljettajat eli professori Aki Mikkolan konetekniikan tutkijaryhmä. Mikkola kehittää jäänkuljetinta. Kujalan ja Mikkolan ryhmät tutkivat myös yhdessä, mikä olisi jäätymisteknologiaa soveltavan jätevesialtaan ideaalikoko jään särkemiseksi ja kuljettamiseksi. Aalto-yliopiston Kujala ryhmineen tutkii lisäksi sitä, miten jääkerros saataisiin hajotettua optimaalisesti. LUT:n professori Jari Hämäläisen ja tutkijaopettaja Joonas Sorvarin ryhmä on mukana jäätymisen matemaattisessa mallinnuksessa.

Arktinen vyöhyke tarjoaa potentiaalisen alueen luonnonvarojen hyödyntämiseen. Tämä hyödyntäminen tulisi olla kestävällä pohjalla, jotta minimoidaan häiriöt arktisella alueella. Oikeanlainen jätevesien käsittely on arktisen vyöhykkeen kestävän kehityksen kannalta olennaisessa osassa.

Lisätietoja:

Professori Marjatta Louhi-Kultanen, p. +358 40 701 8078, marjatta.louhi@lut.fi
Professori Aki Mikkola, p. +358 40 736 3095, aki.mikkola@lut.fi

kuva: Rasmus Peltola