Biokilepuhastid

Biokilepuhastid

1.     Biokiletehnoloogial põhinev reoveepuhastus ja -puhastid

 

Tänapäeval on järjest enam reoveepuhastuses tähelepanu koondumas biokiletehnoloogiale, mis on näiteks täielikult inimese juhitava aktiivmudapuhastusega võrreldes märksa lähedasem looduses toimuvale. Kui aktiivmudaseadmes koonduvad orgaanilist ainet lagundavad mikroorganismid vees heljuvatesse aktiivmudahelvestesse, siis biokilepuhastis (bioreaktoris e biofiltris) kinnituvad nad tahkest ainest biokilekandjale e tugimaterjalile. Sundõhustusega heljuvtugimaterjaliga biokiletehnoloogial põhinevad kaasaegsed puhastid on oluliselt kompaktsemad ja  väiksema energiatarbega ning odavamad, võrreldes näiteks aktiivmudapuhastitega.

 

 2.    Ajalugu

 

Vanimad teadaolevad reoveepuhastusvõtted ja -seadmed võeti kasutusele 19. sajandil koos elanike arvu suurenemisega linnades. Olulist mõju avaldas ka WC-de kasutuselevõtt. Teisalt hakati juba ka seostama Euroopas levinud nakkushaiguseid (koolera) inimest poolt põhjustatud probleemidega, sh reoveega. Esmalt püüti reovett puhastada algeliste setitamisvõtetega (paksu ja vedela eraldamine). On teada 19 sajandi lõpust esimesed keemiliselt sadestamist tõhustavad võtted, sh lubja lisamine settimise tõhustamiseks. Teadaolevalt rajati esimene keemilise sadestamisega reoveepuhasti 1890 aastal USA-s. Mehaanilise puhastuse kõrval kasutati ka muid meetodeid, näiteks reovee lahjendamist sademeveega ja selle juhtimist seejärel veekogudesse. Hiljem siiski hakati reovett ja sademevett eraldama ning mõtlema reovee puhastamisele. Algseks bioloogilisteks puhastusvõteteks reovee loodusveekogudesse juhtimise kõrval oli selle juhtimine/immutamine pinnasesse (liivapinnas, turvas,  jm). Selleks ajaks olid juba esimesed liivafiltrid kasutusele võetud joogivee kvaliteedi parandamiseks ja loogiline on mõelda, et sarnaseid võtteid üritati kasutada ka reovee puhastamiseks (filtreerimiseks). Reovee puhastamist pinnases, sh pinnasfiltrites, võikski lugeda biokiletehnoloogia sünniks. Juba 19 sajandi keskelt on teada esmased viited nõrgbiofiltritest (fixed film wastewater treatment) Inglismaal ⁽²⁾, kus uuriti ja katsetati reovee puhastamist ning tehti algust reovee puhastamist läbiviivate bakterite uurimisega. 1868 aastal tehti teadaolevalt Inglismaal esmaseid laborkatsetusi reovee puhastamisel jämekruusa ja turbatäidisega nõrgbiofiltritritega.1890 aastal avastati  Nitrosomonas bakter ning järjest enam osati aru saada looduses elavate bakterkoosluste võimest osaleda reovee puhastamisel. See pani aluse ka biokiletehnoloogial põhinevale reoveepuhastusele.

 

Biokiletehnoloogia on seega vanim bioloogiline reoveepuhastusmeetod ning on mänginud olulist rolli kogu bioloogilise reoveepuhastuse edasises arengus. Läbi ajaloo on eestvedajateks olnud Inglismaa ja USA. Uudsemate biokiletehnoloogiate (näiteks ANAMMOKS) eestvedajateks on olnud mitmed Euroopa riigid (Holland jt).

 

Kõige lihtsam biokiletehnoloogial toimiv puhastitüüp on nõrgbiofilter. Esimese tööstuslikult rajatud nõrgbiofiltri osas on andmed lahknevad, kuid USA-s (Madison, Wisconsin)  tutvustati esimest töötavat nõrgbiofiltrit  aastal 1901. Sealt edasi arendati välja mitmeid nõrgbiofiltrite mudeleid ning muutus toimus peale tehismaterjalidest biofiltritäidiste kasutuselevõttu. Järgmine suur muutus biokiletehnoloogial toimivate puhastite valdkonnas maailmas 1980 aastatel, kui võeti kasutusele uut tüüpi, suure eripinnaga, biokilekandjad ning võeti kasutusele heljuvtäidisega biokilereaktorid. Üldnimetuseks seda tüüpi biokilereakktoritel on MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor). Alustajaks ja väljatöötajaks peetakse Norra Teaduse ja Tehnoloogia instituudi prof  Hallvard Ødegaardi poolt välja töötatud lahendusi, mille edasiarendusi tegi Rootsi firma Kaldnes Miljöteknologi (1991 aastal patenteeriti Kaldnes MBBR tehnoloogia). Seega tuntakse seda protsessi ka nimega AnoxKaldnes.

 

Biokiletehnoloogial põhinevaid seadmelahendusi on palju, neist enamlevinud ja tuntuimad on:

• nõrgbiofilter;
• sukel- e ketasbiofilter (ingl rotating biofilter või rotating biological contactor);
• sundõhustatav kinnistugimaterjaliga biokilereaktor/biokilepuhasti;
• sundõhustatav heljuvtugimaterjaliga biokilereaktor/biokilepuhasti.

 3.     Heljuvtäidisega biokilereaktorid (MBBR)

Üks kaasaegsemaid ja suuri võimalusi pakkuv reoveepuhastusmeetod on sundõhustusega heljuvtäidisega biokilerealtortehnoloogia. Nagu juba eespool juttu oli, sündisid esimesed heljuvtäidisega biokilereaktorid (MBBR – Moving Bed Biofilm Reactor) eelmise sajandi 80-te aastate teises pooles. Tehnoloogiat arendati paralleelselt Euroopa (eeskätt Norra) ja Ameerika teadlaste koostöös ning esimesed suuremad MBBR reoveepuhastid Euroopas võeti kasutusele 1990-ndate alguses. Puhastust läbiviiv bakterkooslus areneb biokilekandematerjalil, kus moodustunud biokilel on sisuliselt kolmekihiline -  aeroobne, anoksiline ja anaeroobne. See võimaldab MBBR protsessis toimuda nii nitrifikatsioonil kui ka denitrifikatsioonil, mis toob kaasa lihtsa ja tõhusa lämmastikuärastuse reoveest.

 

Kaasaegsetel MBBR biokilereaktoritel on mitu eelist võrreldes näiteks aktiivmudatehnoloogial töötavate puhastusseadmetega:

• Kompaktsus, väikene energiatarve ja madalad rajamis- ja ekspluatatsioonikulud
• Väikene ökoloogiline „jalajälg“
• Bioloogiline puhastusprotsess on isereguleeruv
• Puudub mudaringlus
• Praktiliselt puuduv või väga väikese koguse liigmuda tekkimine (on olemas ka ilma järelsetitita biokilereaaktorid)
• Tõhus lämmastikuärastus ilma lisameetmeid rakendamata
• Puudub muda väljakandumise probleem (biokile on kinnitunud kandematerjalile)
• Häirete korral kiirelt taastuv bioloogiline puhastusprotsess
• Võimalus puhasti jõudluse suurendamiseks ilma lisarajatisi ehitamata (biokilekandematerjali lisamise võimalus olemasolevasse bioreaktorisse, kandematerjali osakaal võib olla vahemikus 20-70% aeratsioonikambri kasulikust mahust)

Tänaseks on nende MBBR areng teinud ülisuure tehnilise ja tehnoloogilise hüppe. Algselt kasutati biokilekandematerjalina heljuvtäidist plastelementide näol läbimõõduga 1-4 cm, eripinnaga 200-600 m²/m³.

 

Joonis 1. Heljuvtäidised eripinnaga 200-600 m²/m³

 

Viimase 10 aasta jooksul on täidiste osas toimunud ülisuur tehniline areng ning kasutusel on täidismaterjalid eripinnaga kuni 5500 m²/m³, näiteks Saksa firma Mutag täidiselemendid BioChip 30^TM. Sellist heljumtäidist kasutab Fixtec OÜ ka oma kõikides uuetüübilistes biokilereaktorites BioFix.

 

 

 

Joonis 2. Mutag biokilekandematerjal BioChip^TM

 

 4.     ANAMMOKS

Heljuvtäidisega biokilereaktortehnoloogial (MBBR) on ka mitmeid alavariante, tuntumad nende hulgast on IFAS (Integrated Fixed Film Activated Sludge) – bioloogiline puhastusprotsess, kus kasutatakse koos aktiivmudamenetlust ja heljuvtäidisega biokilemenetlust.

Uudseks ning revolutsiooniliseks reoveepuhastusprotsessiks biokiletehnoloogias loetakse nn ANAMMOX (ANaerobic AMMonium OXidation) protsessi. ANAMMOKS on lihtsustatult anaeroobne ammooniumi oksüdatsioon ehk anammox protsess on bioloogiline protsess, kus ammooniumi ja nitriti biotransformatsioonide tulemusel eraldub N₂.

 

 

 

Joonis 3. Anammox protsessi skeem biokilekandematerjalil

Seni tuntud nitrifikatsiooni ja denitrifikatsiooni juurde on lisandunud uus ja suure perspektiiviga reoveepuhastustehnoloogia, milleks on anaeroobne ammooniumi oksüdatsioon (ANAMMOKS). Selle protsessi energiavajadus on oluliselt väiksem seni kasutuses olnud tehnoloogiatega. Seda tehnoloogiat peetakse reoveepuhastuse revolutsiooniliseks uuenduseks.

Esimene täielikult anammoks-protsessi rakendav reoveepuhastusjaam valmis 2002. aastal Hollandis. 2006 aastaks töötasid Hollandis juba kolm lämmastikuärastuse reaktorit, mis kasutasid anaeroobset ammooniumi oksüdatsiooni. Nendest jaamadest oli üks munitsipaalheitveepuhasti ning kaks tööstuslikku. Praeguseks on maailmas juba üle 100 anammoks tehnoloogial toimivat reoveepuhastusjaama.

 

Kokkuvõtlikult võib öelda, et biokiletehnoloogia on väga tõhus ning tänapäevane reoveepuhastustehnoloogia, sh efektiivne lämmastikuärastuse meetod. Väga suure tõenäosusega kuulub sellele tehnoloogiale reoveepuhastuse tulevik.

Kirimäe BioFix 200S

Kirimäe reoveepuhasti − Eesti esimene ülisuure eripinnaga heljuvtugimaterjaliga biokilereaktor BioFix 200 S

 

2018. aasta suvel valmis Kirimäel Eesti esimene reoveepuhastikompleks, milles bioloogiline puhastus toimub ülisuure eripinnaga heljuvtugimaterjaliga biokilereaktoris. Kui varem kasutati sellistes puhastites tugimaterjale eripinnaga 150−600 m²/m³, siis nüüd on maailmas saadaval uudsel valmistustehnoloogial põhinevad ülisuure eripinnaga heljuvtugimaterjalid, mille eripind on isegi 5500 m²/m³. Piltlikult öelduna tähendab see seda, et selle materjali ühes kuupmeetris on reovett puhastavate mikroorganismide jaoks kasvupinda üle poole hektari. See võimaldab viia nii bioloogiline puhastus kui ka lämmastikuärastus uuele tasemele ning muuta puhastid kordades kompaktsemaks ja odavamaks.

 

2016. aasta kevadel pöördus AS Rannarootsi Lihatööstuse meie poole palvega uurida ja kavandada võimalusi Kirimäe tsehhi reoveepuhasti (kolm vana ja amortiseerunud BIO-tüüpi puhastit, millest vesi voolas kahte järjestikusse biotiiki) renoveerimiseks. Sobiva lahenduse leidmiseks korraldasime sama aasta suvel esmased reoveeuuringud ning tegime ka modelleerimiskatseid. Seejärel osalt mõõtsime, osalt arvutasime olemasolevate andmete põhjal lihatööstuse reostuskoormuse, valisime reoveepuhastuse tehnoloogilised lahendusskeemid ning arvutasime eri variantide maksumused. Eesmärgiks seadsime saavutada nõutav puhastustulemus minimaalsete kulutustega. Et reovee omadused kõiguvad väga suures ulatuses (BHT₇ = 800−1700 mg/l), tuli valida mõistlik reostuskoormus, millest puhastisõlmede dimensioneerimisel lähtuda. Kõiki kasutada olnud andmeid arvestades valisime koos tellijaga kavandatava reoveepuhasti arvutuskoormuseks 215 kgBHT₇/d (3583 ie) ning arvutusvooluhulgaks 200 m³/d (14 m³/h).  

 

Et meil oli teada, kui palju tellija raha puhasti rajamiseks planeerinud on (varem kavandatud aktiivmudapuhasti eelarve oli 0,9 mln EUR), tuli koostada soodsaim tehnoloogiaskeem nõutava puhastusastme saavutamiseks. Otsustasime, et vaja on tõhusat mehaanilist ja keemilist eelpuhastust ning tõhusat mitmeastmelist biopuhastust. Et saada võimalikult head lahendust, otsustasime koos tellijaga rajada puhasti mitmes etapis: esmalt (aastatel 2016 ja 2017) ehitada seadmed reovee mehaaniliseks ja keemiliseks eelpuhastuseks ning biopuhasti esimene aste, vaadata, millised on puhastustulemused, ning seejärel kindlaks määrata edasine tegevus.   

 

 

Esimene ja teine ehitusjärk

 

Esimesel ehitusjärgul rajati võrekaev, rasvapüüdur, reovee ühtlustusmahuti, kemikaaliannustus-eelsetiti, biopuhasti esimene aste (nõrgbiofilter), tehnohoone koos kemikaaliannustussõlmega ja jääksette kogumismahuti.  

 

Paljulubavatele puhastustulemustele tuginedes (BHT-koormus vähenes kohati lausa 70 %) asuti ellu viima teist ehitusjärku, milles otsustasime koos tellijaga rakendada tänapäeva tõhusaimaid seadmeid − ülisuure eripinnaga biokilekandjaga biokilereaktoreid. Arvestades esimese ehitusjärguga saavutatud biopuhasti koormuse 50–60-protsendilist alanemist valiti biokilereaktori arvutuskoormuseks 90 kgBHT₇/d, s.o ca 42 % algreostuskoormusest.

 

Teine ehitusjärk (vt jooniseid 1 ja 2), mis hõlmas biokilereaktori toitepumplat, kolmeastmelist sundõhustusega bioreaktorit (esimesed astmed ülisuure eripinnaga heljuvtugimaterjaliga ning kolmas püsitugimaterjaliga) ning laminaar-järelsetitit koos kemikaaliannustiga (juhuks, kui on vaja täiendavat fosforisadestust), anti käiku 2018.a hiliskevadel ning puhastustulemused olid väga head. Bioloogiline puhastus käivitus kiiresti. Bioreaktori suure eripinnaga heljuvtugimaterjaliga (vt joonist 3) astmetest väljuva vee näitajad olid korralikud vaatamata sellele, et nad töötasid ülekoormusega (vt tabelit 1). Tõestus ka see, et biokiletehnoloogia võimaldab erimeetmeid rakendamata (mida ei saa öelda aktiivmudatehnoloogia kohta) suhteliselt tõhusalt ärastada lämmastikku. Kuigi lämmastikuärastuseks vajalik biotsönoos arenes lõplikult välja mõne kuu jooksul, oli väljavooluvee jääklämmastikusisaldus juba  üsna varsti 30−49 mg/l (reovee alglämmastikusisaldus 80−150 mg/l).

 

 

Tabel 1. Kirimäe tsehhi reovee puhastustulemused pärast teise ehitusjärgu valmimist

                                                  (väljavooluvesi bioreaktori järelsetitist)

 

        25.04.2018       03.06.2018          11.06.2018 ¹⁾   10.10.2018                                                      

BHT₇       mgO₂/l                  12                      15                           25                     20              (norm 25 mgO₂/l)

Üldlämmastik    mg/l                                      33                           49                      30                  (norm 60 mg/l)

Üldfosfor             mg/l         1,5                   0,74                       0,75                                              (norm 2 mg/l )

Heljum                 mg/l                                    31                         32                                             (norm 35 mg/l)

¹⁾  väljavooluvesi biotiigist

 

 

 

 Joonis 1. Kirimäe reoveepuhasti esimese ja teise ehitusjärgu tehnoloogiaskeem: 1 rasvapüüdur; 2 ühtlustusmahuti; 3 võrekaev;  4 pumpla; 5 jaotuskaev; 6 kemikaaliannustus-eelsetiti K29; 7 nõrg-biofilter B180; 8 jääksettemahuti; 9 tehnohoone; 10 settetahendi; 11 kemikaaliannustus-sõlm;          12 tahendatud sette mahuti; 13 biokilereaktorite toitepumpla; 14 kolmeastmeline biokilereaktor;      15 biokilereaktori järelsetiti (laminaarsetiti)

 

Reoveepuhastile rajati ka jääksette tahendussõlm, et vähendada väljaveetava jääksette hulka. Puhasti eri sõlmedest väljuva sette kuivainesisaldus on ca 1 % ning pärast esmast tahendamist kruvitahendis (joonis 4) 6−9 %. Eeltahendatud sete, mida koguneb ca 10 m³/d, veetakse lõplikuks tahendamiseks Haapsalu linna reoveepuhastisse.

 

Joonis 2. Kirimäe reoveepuhasti BioFix 200 S pärast teise ehitusjärgu valmimist

 

     

Joonis 3. Vaade bioreaktori õhustuskambrile     Joonis 4. Jääksette kruvitahendi  

 

 

Kolmas ehitusjärk

2020. aasta kevadel alustati reoveepuhasti kolmanda ehitusetapiga, s.o lisati teine biokilereaktoriliin. Vahepeal oli Keskkonnaamet kehtestanud AS-le Rannarootsi Lihatööstuse väljavooluvee lämmastikusisalduse uueks piirväärtuseks varasema 60 mg/l asemel 21 mg/l. Seetõttu lisasime tehnoloogilisse skeemi (joonis 5) seguri ja heljuvtäidisega anox-mahuti ning puhasti varustati suurema jõudlusega pöördkolb-õhupuhuriga.  Praegu töötab puhasti täisvõimsusel, kusjuures bioloogiline puhastus toimub kolmeastmelises kaheks paralleelliiniks jagunevas ülisuure eripinnaga (5500 m²/m³) heljuvtugimaterjaliga sundõhustatavas biokilereaktorikompleksis.

 

Joonis 5. Kirimäe reoveepuhasti biopuhastuskompleksi tehnoloogiaskeem pärast kolmanda ehitusjärgu valmimist: 1 biokilereaktorite toitepumpla; 2 seguriga anox-mahuti; 3 ja 4 teise ehitusjärgu aegne 1. biokilereaktoriliin ja laminaar-järelsetiti; 5 ja 6 uus, 2. biokilereaktoriliin ja laminaar-järelsetiti

 

Täiustatud puhasti käivitati 2020 aasta juuli lõpus ning esimesed kontrollanalüüsid tegime 27.08.2020, s.o pärast neljanädalast käivitusperioodi. Mõlemad bioreaktoriliinid olid väga hästi tööle hakanud ning puhastustulemus oli mõlemas liinis ühesugune (vt tabelit 2), mis näitab puhastusprotsessi häälestuse korrektsust. Erilist huvi pakkunud lämmastikuärastus osutus eeskujulikuks. Samal kuupäeval võeti kontrollanalüüs ka biotiigi väljavooluveest (mis iseloomustab küll ca kümne päeva tagust sissevoolu), mille BHT₇ oli ca kaks korda väiksem, lämmastikusisaldus aga sama suur (26 mg/l) kui bioreaktori väljavooluveel. See näitab, et tõhus bioloogiline puhastus koos lämmastikuärastusega oli käivitunud väga kiiresti, umbes kolme nädalaga. Puhastile tehti seejärel lõpphäälestus ning kõik seni meie kasutada olevad kontrollanalüüsid näitavad suurepäraseid puhastustulemusi. Vaatamata sellele, et biokilereaktorite maksumus ja  ehitustööde üldmaht on tavapärase aktiivmudapuhastiga võrreldes ca kolm korda väiksem, on nende puhastusvõime väga suur. See lubab väita, et ülisuure eripinnaga biokilereaktorid on reoveepuhastuse homne päev.

 

Tabel 2. Kirimäe reoveepuhasti biotiigi väljavooluveest võetud proovide analüüsitulemused pärast  kolmanda ehitusjärgu lõpetamist  

                                BHT₇                      Heljum                 Üldfosfor            Üldlämmastik            pH                         

                             mg O₂/l                 mg/l                    mg/l                    mg/l

27.08.2020¹⁾        29                                                                                           26

27.08.2020²⁾        34                                                                                           26

27.08.2020           12                                                                                           26

14.09.2020           23                           35                           1,9                            21                                        7,7

12.10.2020           7,6                          16                           0,96                        15                                          7,6

17.11.2020³⁾        7,9                          29                           1,9                          9,3                                          7,9

23.11.2020           16                           28                           1,7                          11                                           7,6

21.12.2020           9,5                          17                           0,67                        12                                           7,6

25.01.2021            18                          25                           0,89                        8,5                                          7,6

22.02.2021            15                          28                            1,0                          15                                          7,2

15.03.2021            8,4                         22                            0,5                          11                                           7,6

19.04.2021             11                         30                            0,6                          10                                           8,9

24.05.2021             23                         49                            1,0                          9,4                                          8,9     

28.06.2021             23                         26                            0,97                        7,1                                          8,7

27.07.2021             13                         13                            1,0                           13                                          7,5

23.08.2021             5,2                       7,1                            1,0                          7,2                                          7,6       

 

12 kuu keskmine puhastustulemus (september 2020 - august 2021):

BHT ₇ : 13,9 mg/l

Heljum: 25 mg/l

Üldfosfor: 1,1 mg/l

Üldlämmastik: 11,5 mg/l    

Puhastisse sisenev ⁽⁴⁾:

21.12.2020           1300                       290                         20                           140                                         6,3

⁽¹⁾ Fixtec OÜ kontrollanalüüs 1. bioreaktoriliini väljavooluveest enne biotiiki

⁽²⁾ Fixtec OÜ kontrollanalüüs 2. bioreaktoriliini väljavooluveest enne biotiiki

⁽³⁾ Keskkonnaameti kontrollanalüüs

⁽⁴⁾ Proov ühtlustusmahutist, s.o esmase mehaanilise puhastuse läbinud reoveest

                               

Kirimäe reoveepuhasti tehnilise lahenduse kirjeldusele võib lisada, et bioreaktorite summaarne kasulik maht on kõigest 60 m³ ning kogu puhasti installeeritud elektrivõimsus 15 kW (ei sisalda settetahendusseadmestikku), millest praegu kasutatakse ca 10 kWh. Puhastit hooldab üks inimene, koormus 2−3 tundi päevas.

 

Puhasti esimene ja teine ehitusjärk läksid tellijale maksma  ca 360 000 EUR+KM ning kolmas ehitusjärk 106 000 EUR+KM, kogumaksumus seega 466 000 EUR+KM. See hind hõlmab ka settetahendusseadmestikku ja selle paigaldamist, tehnohoone ehitamist ning vana puhasti BIO lammutamist. Kui settetöötluse osa välja jätta, oleks puhastikompleksi maksumus ca 426 000 EUR+KM. Arvutuskoormuse 215 kgBHT₇/d (3583 ie) korral kujuneb 1 kgBHT₇/d kõrvaldamise ühikmaksumuseks 1 981 EUR+KM (ühe ie kohta 119 EUR+KM). Need arvud on ca 2−3 korda väiksemad kui teistel Eestis praegu rajatavatel reoveepuhastitel.