Tehokkaampaa jätevedenpuhdistusta teknologialla ja luonnon omilla konsteilla
Suomessa on helppo pitää puhdasta vettä itsestäänselvyytenä. Tilanteemme on hyvä: meillä on infrastruktuuria, sääntelyä ja teknologiaa, joilla huolehditaan veden puhtaudesta. Jätevedenpuhdistukseen kohdistuu kuitenkin uusia vaatimuksia, ja laitosten edellytetään parantavan puhdistusjärjestelmiään seuraavan vuosikymmenen aikana, tutkija Elisangela Heiderscheidt sanoo.
“Suomalaisten on vaikea kuvitella tilannetta, jossa järvivettä ei voisi käyttää tai mistään ei saisi puhdasta vettä. On myös vaikea kuvitella saastunutta ympäristöä, joka sairastuttaa ihmisiä, mutta tämä on todellisuutta monessa maailmankolkassa. Meidän täytyy suojella vettämme ja luontoa yhä tehokkaammin”, Heiderscheidt sanoo.
Heiderscheidtin tutkimus kohdistuu veteen ja jätevedenpuhdistuksen järjestelmiin ja prosesseihin. Hän kannattaa luonnonmukaisten järjestelmien käyttämistä, eli luonnossa tapahtuvien prosessien hyödyntämistä ja tehostamista niin, että ne skaalautuvat suurten yhteisöjen tarpeisiin.
Heiderscheidt vetää innovatiivista projektia Oulun yliopistossa Kvantum-instituutin tuella. Hänen ryhmänsä, johon kuuluu myös väitöskirjatutkija Laura Tarvainen, testaa sähköä johtavan materiaalin käyttöä suodattimena ja kasvualustana rakennetuissa kosteikoissa. Materiaalia voidaan käyttää hiekan tai soran sijasta poistamaan epäpuhtauksia jätevedestä. HyMETland-projekti (Hybrid Microbial Electrochemical Technology Constructed Wetlands) on ensimmäinen laatuaan Suomessa ja se perustuu aiemman iMETLAND Horizon 2020 -hankkeen tuloksiin.
Luonnossa erilaiset prosessit parantavat vedenlaatua. Mikä tahansa vedellä täyttynyt kuoppa maassa tarjoaa kasveille kasvualustan. Kasvit käyttävät ravinteita kuten typpeä, ja hiekka tai sora kuopan pohjalla suodattaa hiukkasia. Tekokosteikkoja on käytetty jo vuosisatojen ajan puhdistamaan yhdyskuntajätevettä erityisesti lämpimissä maissa, sillä lämmin ilmasto tehostaa prosessia. Heiderscheidtin tavoitteena on tehdä näistä prosesseista tehokkaampia ja soveltuvampia myös Suomen kaltaisiin kylmiin ilmastoihin.
“Yritämme tehostaa luonnon omaa prosessia esimerkiksi antamalla luonnon konsteille enemmän aikaa ja mahdollisuuksia hoitaa hommansa. Näiden ratkaisujen tulee olla joko täysin tai lähes kokonaan passiivisia, helppohoitoisia ja kestäviä”, Heiderscheidt selittää.
Kohti tehokkaampaa ja luonnonmukaisempaa vedenpuhdistusta
Luonnonmukaiset ratkaisut ovat lähtökohtaisesti huokeita ja helppohoitoisia. Ne eivät kuitenkaan pärjää tehokkuudessa keskitetyille jätevedenpuhdistamoille, joissa käytetään kemikaaleja ja muuta edistynyttä teknologiaa poistamaan epäpuhtauksia ja saasteita. Jatkotutkimusta tarvitaan, jotta prosesseista saataisiin ympäristön kannalta kestävämpiä ja samalla tehokkaampia. Rakennettua kosteikkoa tarvitaan nykyratkaisuilla epäkäytännöllisen paljon, sillä yhdyskuntajäteveden puhdistukseen tarvitaan tällä hetkellä neljä neliömetriä kosteikkoa henkilöä kohden. Tällaista ratkaisua ei voi skaalata kaupunkien mittakaavaan, mutta Heiderscheidtin tutkimuksella voidaan löytää uusia vaihtoehtoja.
Maailmalla tehdään merkittävää tutkimusta ja etsitään innovatiivisia teknologiaratkaisuja jätevesihuoltoon. Suuri osa tutkimuksesta keskittyy uusiin epäpuhtauksiin, resurssien talteenottoon ja energiankeruuseen jätevedestä. Heiderscheidt ryhmineen tekee tutkimusta myös näistä näkökulmista, mutta hänen mukaansa on ratkaisevan tärkeää yrittää kehittää kestäviä luonnonmukaisia vaihtoehtoja.
“Tekokosteikkoteknologian kehittäminen mikrobipolttokennoteknologian avulla voi olla käänteentekevää”, Heiderscheidt kertoo.
Näiden kahden teknologian yhdistämistä luotaavassa tutkimuksessa on tähän asti keskitytty energian keräämiseen jätevedestä, mutta se ei sovellu vielä käytettäväksi suuressa mittakaavassa monestakaan syystä, esimerkiksi sähköä johtavien materiaalien kalleuden vuoksi.
“Tutkimuksen myötä on paljastunut toki tiettyjä esteitä, mutta myös mielenkiintoisia mahdollisuuksia. Kokeissa käytetyissä elektrodeissa on kasvanut mikrobeja, jotka hajottavat epäpuhtauksia jätevedestä tavallista nopeammin. Voisiko tämä johtaa kestävän ja helppohoitoisen puhdistusratkaisun löytämiseen? Sen sijaan, että yhdistetään muutamia elektrodeja virtapiireihin keräämään energiaa, ehkä koko väliaine voidaan korvata sähköä johtavalla materiaalilla kuten grafiitilla tai koksilla.” Tämä on Heiderscheidtin mukaan “miljoonan puhtaan vesilitran kysymys”.
Hiekan tai soran korvaaminen koksilla tekokosteikossa on antanut lupaavia tuloksia ensimmäisissä kokeissa. Vastaava hybridimalli saattaa mahdollistaa kestävien jätevesihuoltoratkaisujen kehittämisen tulevaisuudessa.
“Näyttää siltä, että hajottaminen on paljon tehokkaampaa mikrobi-sähkökemiallisissa tekokosteikoissa. Mitä enemmän järjestelmää lisätään kuormaa ja sitä rasitetaan, sitä paremmin hajottaminen toimii. Tällainen matalan ja korkean teknologian yhdistelmä johtaa nopeampaan saastuttajien hajottamiseen. Ja jos prosessi tapahtuu nopeammin, silloin ei tarvita niin paljon maapinta-alaa kosteikolle,” Heiderscheidt summaa.
Uusi prosessi onkin osoittautunut neljä kertaa aiempaa tehokkaammaksi. Yhtä henkeä kohden kosteikkoa tarvitaan ainoastaan neliömetri aiemman neljän neliömetrin sijasta, ellei jopa vielä vähemmän.
“Uudella teknologialla voidaan optimoida satoja vuosia vanha järjestelmä, mitä kukaan ei olisi odottanut”, Heiderscheidt sanoo.
Tällaisen järjestelmän voisi ottaa käyttöön pienen yhdyskunnan mittakaavassa, mutta grafiitin käyttäminen ei ole kestävää eikä halpaa. Heiderscheidtin yhteistyökumppanit Aarhusin yliopistossa ovakint kokeilleet huokeampia materiaaleja, joilla kustannuksia voisi vähentää. He ovat käyttäneet materiaaleja, jotka johtavat vähemmän sähköä kuin koksi tai grafiitti, ja tulokset ovat yllättäen parantuneet.
“Mistä se johtuu? Tällä hetkellä konsensus on se, että vaikka materiaalin konduktiivisuus on yksi tekijä, se ei olekaan se tärkein tekijä. Esimerkiksi materiaalin pinta ja se, miten se reagoi biofilmin kanssa ovat hyvin suuressa roolissa. Olemmekin alkaneet testata paikallisesti tuotettua, biomassasta saatavaa biohiiltä, jolla on jotain konduktiivisia ominaisuuksia. Alustavien tulosten perusteella olemme oikeilla jäljillä”, Heiderscheidt sanoo.
“Seuraavien kymmenen vuoden aikana tapahtuu paljon”
Heiderscheidtin ja hänen ryhmänsä seuraava etappi on tutkia, kuinka hyvin järjestelmä toimii kylmässä ilmastossa, kuten Suomessa. Tutkijat tekevät pitkän aikavälin ja suuren mittakaavan kokeita oikeissa suomalaisissa olosuhteissa ja katsovat miten järjestelmä reagoi lämpötilojen vaihteluun ja vesi- ja lumisateeseen.
Suomessa eletään ratkaisevia aikoja veden ja jätevesihuollon kannalta. EU:n juomavesisäännöksiä uudistettiin vuonna 2020 ja kaupunkien jätevesiä koskevat säännökset päivitettiin vuoden 2024 lopulla, mikä aiheuttaa paljon painetta laitoksille.
“Jäteveden puhdistuslaitoksilla on 5-10 vuotta aikaa päivittää järjestelmät ajan tasalle. Niiden täytyy mitata epäpuhtauksia entistä tarkemmin, poistaa enemmän typpeä ja mikroepäpuhtauksia kuten lääkeaineita. Järjestelmistä on tehtävä tehokkaampia ja niiden on tähdättävä hiilineutraaliuteen ja niin edelleen. Seuraavien kymmenen aikana tapahtuu paljon tällä sektorilla”, Heiderscheidt sanoo.
Veden puhdistamiseen ja jätevesihuoltoon liittyy hyvin monimutkaisia asioita. Tarkoitus on vähentää järviin, jokiin ja meriin päätyviä saasteita ja epäpuhtauksia ja tuottaa kaikille puhdasta ja turvallista juomavettä. Tähän ei kuitenkaan ole yhtä yksittäistä ratkaisua tai prosessia edes Suomessa.
“Kyse on hyvin monimutkaisesta kokonaisuudesta. Tutkijanluonteeseeni kuuluu, että minun on vaikea hyväksyä, etten tiedä vastauksia. Siksi olenkin haalinut ympärilleni monitieteellisen tutkijayhteisön, johon kuuluu mikrobiologeja, materiaalispesialisteja, kemistejä ja muita asiantuntijoita. Uskon, että voimme elää hyvin ja antaa luonnolle aikaa toipua, eivätkä nämä asiat ole toisiaan poissulkevia”, Heiderscheidt sanoo.
Elisangela Heiderscheidt tutkijaprofiili (englanniksi)
HyMETland -hanke (lisätiedot englanniksi)
Kvantum-instituutin Emerging projektit 2023-2026
Teksti ja kuvat: Janne-Pekka Manninen