FI126642B - Menetelmä veden käsittelemiseksi - Google Patents

Description

Menetelmä veden käsittelemiseksi

Tekniikan ala

Esillä oleva keksintö liittyy vedessä ja muissa ravinnepitoisissa nesteissä olevien ravinteiden ja haitallisten aineosien talteen ottamiseen. Etenkin keksintö koskee patenttivaatimuksen 1 johdannon mukaista menetelmää epäpuhtaan veden, etenkin ravinnepitoisen veden, käsittelemiseksi. Keksintö koskee myös patenttivaatimuksen 18 johdannon mukaista vedenkäsittelyjärjestelmää sekä patenttivaatimusten 22-24 mukaista käyttöä.

Tekniikan tausta

Biologinen jätevedenkäsittely on normaali tapa hyödyntää mikrobien avulla suoritettavia kemiallisia reaktioita, joissa mikrobit ”syövät” orgaanisia jätteitä ja ravinteita vedestä ja osaltaan sitovat epäorgaanisia yhdisteitä. Ne myös muokkaavat ravinteita toiseen muotoon. Tämä kaikki vaatii happea ja ravinteita mikrobeille sekä sopivan kasvualustan.

Tunnetaan myös menetelmiä, joissa mikrobeja ja niiden entsyymejä ei käytetä - näitä menetelmiä ovat jäteveden suora hapettaminen sekä suora kemiallinen saostus. Suora hapetus voidaan suorittaa otsonilla (O3) tai peroksideilla (-OOH) tai peryhdisteillä, kuten permanganaateilla tai hypokloriiteilla.

Erilaisia menetelmiä jäteveden käsittelemiseksi biologisin menetelmin on kuvattu patenttikirjallisuudessa. Niinpä FR-hakemusjulkaisussa 2876047A1 on esitetty jäteveden käsittely, jossa jäteveden annetaan virrata virtaa kasvien juurien läpi, jolloin veden annetaan välillä olla aerobisessa tilassa ja välillä anaerobisessa tilassa. Julkaisussa mainitaan puina mm. pajut. CN-hakemusjulkaisu 101965785A1 kuvaa, kuinka kadmiumpitoista vettä puhdistetaan istuttamalla pajunoksia pajupistokkaita kadmiumpitoiseen maahan, jolloin kasvavat pajut sitovat itseensä kadmiumionit. EP-hakemusjulkaisussa 2360123A1 on selostettu, kuinka maan läpi suodattamalla voidaan maatalouden jätevesiä puhdistaa, jolloin ne haihdutetaan lopuksi nopeasti kasvavilla kasveilla, kuten pajulla ja bambulla. CN-hakemusjulkaisussa 103252216A on esitetty menetelmä ammoniakkisen jäteveden puhdistamiseen, jossa menetelmässä käytetään puulastuja, jotka on impregnoitu ferrihydroksidilla, eli Fe(OH)3:lla. CN-hakemusjulkaisun 103435410A mukaan biohiiltä käytetään kukkien ja muiden kasvien lannoitukseen osana kasvualustaa, siten että hiilen annetaan imeä lannoiteliuoksesta ravinteita itseensä, mistä se myöhemmin luovuttaa niitä hitaasti kasveille osana kasvualustaa. CN-hakemusjulkaisusussa 102515363A on esitetty biohiilen ja turpeen seos, jota kellutetaan kehyksen avulla veden pinnalla järvessä tai joessa. Tässä kehyksessä kasvavat kasvit, joiden juuret puhdistavat vettä. EP-hakemusjulkaisussa 2256091 AI on kerrottu, kuinka etelänruttojuurikasvusto sitoo ravinteita, kun ensin on jätevedestä saostettu fosfori sinänsä tunnetuilla tavoilla. Typpi haihdutetaan ilmastoimalla.

Edellä mainitut menetelmät antavat kuvan biologisesta jätevesien käsittelystä, jossa hyödynnetään kasveja tavalla tai toisella.

On myös ehdotettu, että ei-puuvartisista kasveista saadaan tehokkaita ioninvaihtajia raskasmetalleille, kun kasvi on ensin hiilletty tiettyyn asteeseen, niin että hiilletyn kasviosan tuhkapitoisuus on 15-50 %. Ioninvaihto tapahtuu vedessä. Paras tulos saadaan aikaan, kun kasvit korjataan aktiivisen kasvukauden aikana.

Kuten edellä esitetystä käy ilmi, tekniikan tason ratkaisuilla voidaan vedestä, kuten jätevedestä, sitoa yksittäisiä epäpuhtauskomponentteja. Tähän asti ei ole ehdotettu mitään teknisesti yksinkertaista ratkaisua, jolla merkittävä osuus kaikista jäteveteen sisältyvistä, etenkin siihen liukenevista tai liuenneista ravinteista, raskasmetalleista sekä myrkyllisistä, muista ei-toivotuista yhdisteistä voidaan erottaa ja haluttaessa ottaa talteen tai siirtää hyötykäyttöön.

Keksinnön yhteenveto

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on poistaa ainakin osa tekniikan tasoon liittyvistä ongelmista ja saada aikaan uudenlainen ratkaisu jäteveden, kuten ravinnepitoisen veden, puhdistamiseksi.

Keksintö perustuu siihen ajatukseen, että veden sisältämiä ravinteita voidaan erottaa saattamalla jätevesi virtaamaan ainakin kahden sellaisen valinnaiseen järjestykseen järjestetyn vyöhykkeen kautta, jotka sisältävät kasvavia pajuja, pajun osia tai pajusta tehtyä hiiltä.

Vedenkäsittelyjärjestelmä käsittää siten ainakin kaksi vyöhykettä, joiden kautta ravinnepitoinen vesi on järjestettävissä virtaamaan ja jotka vyöhykkeet on järjestetty veden virtaussuunnassa haluttuun järjestykseen ja jotka sisältävät toisistaan riippumatta epäpuhtauksien erotukseen tarkoitettua materiaalia valittuna ryhmästä, joka käsittää - eläviä pajuja juurineen, - pajuhaketta, - hiillettyjä pajun osia tai - pajuhakkeen ja hiillettyjen pajun osien seoksen, jolloin ainakin kaksi vyöhykettä sisältää keskenään erilaista materiaalia.

Hiilletyt pajun osat voivat olla kemiallisesti muokattuja

Menetelmää ja järjestelmää voidaan käyttää epäpuhtaiden, tyypillisesti ravinnepitoisten jätevesien, kuten kotitalouksien ja yhdyskuntien jätevesien sekä maaviljelyksen ja maatalouden valumavesien, esim. pelloilta, navetoista, sikaloista, lampoloista, kanaloista, talleista sekä turkistarhoilta, saatavien pintavesin ja hulevesien puhdistamiseen. Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on pääasiallisesti tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkki osassa.

Keksinnön mukaiselle järjestelmälle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 18 tunnusmerkkiosassa ja keksinnön mukaiselle käytölle on tunnusomaista sekä, mikä on esitetty patenttivaatimuksissa 22-24.

Keksinnöllä saavutetaan huomattavia etuja. Niinpä keksinnössä on ratkaistu matalaravinnepitoisen veden pudistus uudella ja monipuolisella tavalla, jossa käytettyjä ainesosia (hake, hiili, pajun biomassa) voidaan jatkokäyttää lannoitteena ja/tai maanparannusaineena.

Ratkaisu edistää myös ravinnekierrätystä, kun ravinteet sitoutuvat kasvun kautta biomassaan. Ravinteet ja hiili toimivat jatkossa kasveille ravinnelähteenä ja maaperän hiilipitoisuuden lisääjänä sekä mahdollisesti kasvualustana mikrobeille.

Pajuista tehdyssä hakkeessa tapahtuu nitrifikaatioprosessi, jossa typpiyhdisteet muuttuvat kasveille sopivaan muotoon. Tällöin ammoniakkityppi muuttuu nitraattitypeksi ja osittain myös alkuainetypeksi (denitrifikaatioprosessi).

Pajusta tehtyyn hiileen (”pajuhiileen”) saadaan erilaisia ominaisuuksia. Kasvava paju käyttää ja imee paljon ravinteita maaperästä voimakkaan haihdutuksensa myötä ja osa pajulajikkeista imee myös raskasmetalleja, kuten kadmiumia.

Seuraavaksi ryhdytään keksintöä selostamaan tarkemmin yksityiskohtaisen selostuksen avulla, jolloin seuraavassa kuvauksessa on esitetty esillä olevan tekniikan edustavia sovellutusmuotoj a.

Lyhyt piirustuksen selostus

Kuviossa 1 on esitetty keksinnön yhden sovelluksen mukaisen vedenkäsittelysovitelman prosessikaaviosta.

Sovellutusmuotojen selostus

Esillä olevassa yhteydessä tarkoitetaan ”pajulla” Salicaceae-heimon Salix L. -sukuun kuuluvaa puulajia. Tunnetusti pajuja on lukuisia lajeja Niitä kasvaa varsinkin vesistöjen rannoilla, kuten purojen, ojien sekä pienten jokien varsilla. Nopeakasvuisuutensa ja uudistusmiskykynsä ansiosta pajut kelpaavat mainiosti energiapuuksi. Luontainen rakenteellinen huokoisuus on etu erityisesti hiilestyksessä.

Esimerkkeinä pajuljejeista mainittakoon seuraavat: ahopaju (Salix starkeana), kangaspaju (Salix starkeana ssp. cinerascens), halava (Salixpentandra), hanhenpaju (Salix repens), hietikkopaju (Salix repens), härmäpaju (Salix daphnoides), itkupaju (Salix babylonica), jokipaju (Salix triandrä), juolukkapaju (Salix myrtilloides), kalvaspaju (Salix kastata), salava (Salixfragilis), mustuvapaju (Salix myrsinifolia) sekä outapaju ja kuolanpaju, napapaju (Salixpolaris), raita (Salix caprea) sekä metsä- ja vuonoraitaja virpapaju (Salix aurita). Esimerkkejä Suomessa kasvavista, istutetuista pajuista ovat mm. valkosalava (Salix alba), hopeasalava (Salix alba var. sericea ’Sibirica’) sekä koripaju ((Salix viminalis).

Keksinnössä veden puhdistamiseen käytetään pajuhaketta, hiillettyjä pajun osia tai pajuhakkeen ja hiillettyjen pajun osien seosta. Tämän lisäksi kasvatetaan pajuja tai vastaavia Salix L.-suvun puulajeja paikassa, jossa ne voivat juuriensa avulla käyttää jätevedessä olevia ravinteita hyväksi.

Kuviossa on esitetty yhden sovelluksen prosessikaavio, jossa viitenumero 1 tarkoittaa vesivirtauksen hidastusallasta, viitenumero 2 tarkoittaa hakekenttää (hakevyöhyke), viitenumero 3 tarkoittaa huokoista hiiltä sisältävää kenttää (vyöhykettä) ja viitenumero 4 tarkoittaa pajukasvustoa. Viitenumero 5 tarkoittaa valinnaista jälkisuodatusvyöhykettä, jossa edellisten vyöhykkeiden läpi kulkeneet ravinteet sidotaan esimerkiksi modifioituun hiileen.

Pajuista voidaan erottaa osia leikkaamalla kasvavista pajuista 4 vuosittain tai muutaman vuoden välein tai aikana osa pois. Yhdessä sovelluksessa ohuimmista osista valmistetaan ”pellettejä” leikkaamalla. Nämä pelletin kokoiset osat torrefioidaan tai/ja hiilletään ja käytetään hiilikentässä 3. Pajun paksuimmat osat haketetaan normaaliksi hakkeeksi. Näitä voidaan käyttää hakekentässä 2.

Yhdessä sovelluksessa pajukkoa 4 kasvatetaan siten, että leikkaamalla pajuja korkeintaan neljän vuoden, etenkin korkeintaan kolmen vuoden välein, saadaan pajujen juuriston ulottumaan enintään 50 cm syvyyteen. Tämä on edullista, koska vesi ohjataan esillä olevassa teknologiassa pajukkoon pääasiassa maan pintaa, tai siihen tehtyjä ojia, pitkin, jolloin vesi tunkeutuu yleensä korkeintaan 50 cm syvyyteen.

Yhdessä sovelluksessa kasvaviin pajuihin 4 tuodaan sienijuuri (mykorritsa), joka etenkin elää hyvin pajuissa. Mykorritsa tehostaa puun kykyä sitoa ja käyttää maaperässä olevia ravinteita. Aina kasvupaikan ja käyttökohteen mukaan voidaan ympätä mykorritsaa tai vastaavasti tartuttaa juuret mykorritsalla, joka on läsnä maaperässä. Erityisesti käytetään pajuille sopivaa, kasvua edistävää sienijuurta.

Uuden tekniikan sovelluksissa puhdistettava jätevesi tai ravinnepitoinen vesi saatetaan tyypillisesti kulkemaan valitussa järjestyksessä haketettujen pajun osasten muodostaman vyöhykkeen 2, hiillettyjen ”pajupellettien” muodostaman vyöhykkeen 3 sekä vastaavasti kasvavien pajujen juuriston 4 muodostaman vyöhykkeen kautta.

Vesivirtauksen nopeuden säätämiseksi, etenkin vesivirtauksen hidastamiseksi ennen vyöhykkeitä 2-4 voidaan jäljestää kuviossa esitetty vesivirtauksen hidastusallas, jonka koko valitaan käsiteltävän veden volyymin ja virtauksen nopeuden mukaan. Hidastusaltaan käytöllä voidaan hidastaa veden virtausta, niin, että vyöhykkeissä 2-4 olevat hiilet, hakkeet ja näiden mikrobit ehtivät reagoida ja sitoa ravinteita vedestä. Altaita voi olla yksi tai useampi, tyypillisesti niitä on 1-15. Altaat voidaan järjestää rinnakkain tai sarjaan tai sekä rinnakkain että sarjaan.

Hidastusaltaaseen johdetaan käsiteltävät, tyypillisesti matalaravinnepitoiset vedet, esimerkiksi maataloudesta, soilta tai teollisuudesta sekä rakennetuilta alueilta saatavaa sade-ja sulamisvesien pintavaluntavettä (hulevesiä). Käsiteltäviä vesiä selostetaan alla tarkemmin. ”Vyöhykkeellä” tarkoitetaan yleisesti aluetta tai tilavuutta, joka sisältää sanottuja osasia tai juuristoa ja jonka läpi vesi voidaan saattaa virtaamaan.

Vyöhyke voi olla yhtenäinen tai jaetta kahteen tai useampaan osaan. Näin ollen vyöhykkeitä voi olla useita peräkkäisiä tai samaa materiaalia sisältäviä vyöhykkeitä voi olla useita eri kohdissa esillä olevaa järjestelmää.

Yhdessä sovelluksessa jäljestetään sanotut vyöhykkeet edellä (ja piirustuksessa) esitettyyn järjestykseen, jolloin vesi ensin johdetaan hakkeen 2, sen jälkeen hiillettyjen palojen 3 sekä lopuksi kasvavien pajujen juuriston läpi 4.

Toisessa sovelluksessa saatetaan vesi virtaamaan ensin kasvavien pajujen läheisyydessä, tai niiden juuriston läpi, jota pajukkoa on voinut edeltää yksi tai useampi toinen vyöhyke, esimerkiksi hake- ja/tai hiilivyöhyke. Tämän jälkeen vesi johdetaan mahdollisesti hakkeen muodostaman vyöhykkeen läpi. Lopuksi vesi johdetaan hiillettyjen osien muodostaman vyöhykkeen läpi.

Sovellutusmuotoa, jossa järjestelmän ja vastaavasti menetelmän viimeisenä vaiheena on hiillettyjä osia sisältävä vyöhyke, voidaan käyttää tilanteissa, joissa pajukon läpi kulkenut vesi sisältää vielä ravinteita tai orgaanisia yhdisteitä, esimerkiksi viljelyssä käytettävien herbisidien jäämiä, kuten glyfosaatteja. Hiiltä voidaan tarpeen mukaan käsitellä kemiallisesti sen adsorptiokyvyn parantamiseksi. Tällainen hiiltä sisältävä vyöhyke voidaan myös järjestää erillisenä lisävyöhykkeenä muiden vyöhykkeiden jälkeen, kuten piirustuksessa esitetyssä sovellutusmuodossa on kuvattu, ks. vyöhyke 5. Metallipitoinen hiili voidaan ottaa erottaa puhdistetusta vedestä.

Kemiallisesti käsitelty hiili sitoo vedestä ravinteita myös talviaikana. Kun mikrobi-toimintaa ei ole, juuret eivät ime vettä eikä kasvusto haihduta vettä.

Edellä esitetyissä sovelluksissa hake voidaan pitää säkeissä, muussa pidikkeessä tai hake on padottu niin, että pato pidättää hakkeen, mutta ei vettä.

Vastaavasti hiilletyt osaset voidaan järjestää samalla tavalla kuin hake, esimerkiksi säkkeihin tai muihin pidikkeisiin tai siitä voidaan muodostaa patoja. Kaikkien näiden vyöhykkeiden läpi vesi voidaan johtaa vastaavalla tavalla kuin hakkeen läpi.

Esillä olevissa ratkaisuissa pajut kasvavat ja sienij uurretut tai sienijuurille altistetut tai ympätyt juuret keräävät ravinteita, joita ei toivota vesistöön.

Epäpuhtaudet sitoutuvat pajupelletteihin, hakkeeseen ja hiileen. Näihin muodostuu samalla aktiivinen mikrobitoiminta, joka muokkaa ravinteita kasveille käyttökelpoiseen muotoon. Tarvittaessa tuore hake voi olla esikäsitelty sopivalla mikrobikannalla, jotta se saataisiin välittömästi toimimaan ennen kuin käsiteltävän veden myötä muodostuva mikrobitoiminta alkaa.

Hiili sitoo itseensä ravinteita vedestä. Esimerkiksi vedessä oleva fosfori sitoutuu hakkeeseen ja etenkin hiileen sähköisillä sidoksilla. Hiiltä voidaan siksi modifioida siten, että se kykenee tehokkaasti sitomaan mahdollisesti muiden vyöhykkeiden läpi kulkeneet ravinnejäämät.

Teknologian mukainen kaksi- tai useampivyöhykkeinen puhdistusprosessi voidaan saada aikaan istuttamalla ja kasvattamalla pajuja ja käyttämällä kasvatettavien pajujen osia hakkeen ja vastaavasti hiillettyjen pellettien tai osasten muodossa. On kuitenkin selvää, että hake ja hiilletyt pelletit tai osaset voidaan myös saada muualta kuin esillä olevaa teknologiaa varten istutetuista pajuista.

Yhdessä sovelluksessa pajut istutetaan paikkaan, jossa jätevesi tai muuten puhdistettava vesi virtaa. Kuten mainittiin, pajut edullisesti ympätään sopivalla sienijuurella.

Yhdessä sovelluksessa puhdistettava vesi johdetaan pintavalutuskentässä puhdistusvyöhykkeisiin ja niiden läpi.

Vesi voidaan kanavoida maan pinnalle tai maan alle, niin että pajun juuret saadaan kontaktiin virtaavan veden kanssa tai niin, että pajujen juurien annetaan hakeutua virtaavan veden sekaan, kanavoimalla, ojittamalla tai jakoputkistolla

Edullisessa sovelluksessa vesi johdetaan pajujen juuristoalueelle siten, että vesi on ympäröivän ilman kanssa tekemisissä, eli vesi liikkuu (esimerkiksi avo-ojissa, sokkeloisesti tai sik-sak-liikkeessä), jolloin se samalla ilmastuu ja hapettuu.

Yhdessä sovelluksessa veden lineaarinopeus on ainakin 1 m vuorokaudessa, tyypillisesti ainakin 5 m vuorokaudessa, edullisesti ainakin 10 m vuorokaudessa. Sopivimmin lineaarinen virtausnopeus on pienempi kuin noin 1000 m vuorokaudessa, etenkin pienempi kuin noin 500 m vuorokaudessa, edullisesti pienempi kuin 100 m vuorokaudessa.

Yhdessä sovelluksessa pajukosta tai muista pajuista vuosittain osa kootaan talteen, haketetaan tai leikataan paloiksi (joita seuraavassa myös kutsutaan ”pelleteiksi”).

Saatavasta pellettimäärästä merkittävä osa, esimerkiksi noin puolet, hiilletään. Hiillettävä määrä ja sen jälkeinen käyttökohde riippuvat puhdistettavan veden laadusta, eli määrä vaihtelee sen mukaan, miten paljon epäpuhtauksia jätevesi sisältää. Epäpuhtauksien pitoisuudet voidaan selvittää sinänsä tunnetuilla analyyseillä. Toinen osa pelleteistä käytetään hiiltämättöminä, mutta sopivimmin niitä käsitellään ensin niiden pinta-alan kasvattamiseksi.

Niinpä yhdessä sovelluksessa pelletit puristetaan tai muutoin ruhjotaan, jotta pinta-ala lisääntyy ja puun pinnalle pääsee asettumaan mahdollisimman paljon bakteereja ja muita mikrobeja. Pajun kuori on pajun kaikkein huokoisin osa.

Yhdessä sovelluksessa haketta ja hiillettyjä paloja sisältävät vyöhykkeet järjestetään ennen pajukkovyöhykettä. Tällöin veden annetaan ensin virrata hakkeen ja sen hiilletyn muodon kautta, minkä jälkeen se saatetaan virtaamaan kasvavan pajukon juuriston kautta, jossa ravinteita sitoutuu ja muuttuu kasveille sopivaan muotoon. Kasvin juuret hyödyntävät ravinteita.

Yhdessä sovelluksessa haitallisia raskasmetalleja sisältävää jätevettä johdetaan ensin vyöhykkeelle, joka sisältää hiillettyjä pajun osia tai pajuhakkeen ja hiillettyjen pajun osien seoksen, minkä jälkeen näin käsitelty jätevesi johdetaan haketta sisältävälle vyöhykkeelle. Erottamalla ensin raskasmetallit hiillettyjä pellettejä tai vastaavia puun osia käyttämällä, seuraavassa vaiheessa käytetyt hakkeet voidaan käyttää maanparannusaineina.

Vesi johdetaan siten mm. hiillettyjen pajun ”pellettien” lävitse. Normaalisti nämä sitovat itseensä ravinne kationeja, jotka voidaan hyödyntää lannoitteena, kun hiilet myöhemmin siirretään kasvien kasvualustaksi ja alustan lisäaineeksi. On voitu todeta, että hiili tasapainottaa maaperän kosteutta aina hiilen huokoisuuden mukaan.

Pajun hiillossa alkaa lämpöarvo muuttua ja tiheys, kun lämpötila on yli 250 °C, samalla hiilen kostuminen vedellä paranee. Edullinen hiilletyslämpötila on noin 300 °C. Tässä lämpötilassa muodostuu riittävä määrä huokosia ja hiili kostuu vedellä. Kostutusta voidaan parantaa myös pinta-aktiivisilla aineilla, kuten isopropanolilla, hiiltä ensikertaa kastettaessa. Yleisesti voidaan erilaisilla käsittelyillä saada hiileen ominaisuuksia, joilla saadaan parannettua hiilen kykyä sitoa ennalta valittuja ravinteita tehokkaammin.

Oikealla hiiltämisen lämpötilaohjelmalla saadaan hiileen suuri huokoisuus, joka on edellytys optimaaliseen ravinteiden sitoutumiseen. Tuomalla hiili osaksi mikrobien tarvitsemaa C/H suhdetta parannetaan mikrobien kasvuolosuhteita. Lämpötilaohjelmalla ja erilaisilla pinta-aineilla saadaan halutut ominaisuudet erilaisiin kohteisiin. Yhdessä sovelluksessa saadaan aikaan materiaali, jolla on (yleisesti) suuri huokoisuus. Toisessa sovelluksessa saadaan aikaan materiaali, jossa huokosten lukumäärä ja niiden koot ovat merkittävä tekijä.

Yleisesti pajun osat voidaan hiiltää yhteen, kahteen tai kolmeen eri hiiltoasteeseen, esimerkiksi noin 250 °C:ssa, 350-500 °C:ssa, ja vastaavasti noin 700 °C:ssa. Käsittelylämpötila on 10-600 min, etenkin noin 15-360 min.

Alin ns. ”torrefiointi”-lämpötila on 250 °C ja ylin lämpötila noin 700 °C. Alimmassa lämpötilassa saadaan sellaista paahdettua puuta, joka ei helposti mätäne eikä kostu. Lämpötilan kohotessa yli 500 °C ovat monet huokoset muodostuneet, jotka adsorboivat metallien kationeja.

Pajuista tehdyssä hakkeessa tapahtuu nitrifikaatioprosessi Jossa typpiyhdisteet muuttuvat kasveille sopivaan muotoon. Tällöin ammoniakkityppi muuttuu nitraattitypeksi ja osittain myös alkuainetypeksi (denitrifikaatioprosessi). Tällöin on kyse anaerobisista olosuhteista.

Hakkeen pinnalla saadaan aikaan tämä nitrifikaatiotapahtuma, koska suuri pinta-ala ja ravinnealusta suosivat eri bakteerien toimintaa. On edullista saattaa veden virtaama sellaiseksi, että se saa välillä ilmasta happea, jolloin denitrifikaatio voi myös tapahtua.

Hiilletyt pajupelletit poltetaan, jos ne ovat absorboineet myrkyllisiä raskasmetalleja. Muutoin ne käytetään maanparannusaineeksi. Maanparannusaineena hiilletty paju kuohkeuttaa maata. Hiilen huokosissa tyypillisesti kasvaa monia mikrobeja, jotka puolestaan puhdistavat vettä ja puhdistavat monia myrkyllisiä kemikaaleja. Erityisesti pajun hiilessä on runsaasti 10-50 μ huokosia, jotka tarjoavat kiinnityspinnan monille mikrobeille. Muut pienemmät huokoset puolestaan kiinnittävät pinnalleen kationeja, kuten Ca-, Mg- ja K-ioneja.

Veden puhdistuksen kannalta on edullista, että vesi saatetaan virtaamaan niin, että virtaama jakautuu tasaisesti sekä pajun juurien, että hakkeen ja hiilletyn pajun kautta. Tähän päästään, kun sekä hake että hiilletty paju seulotaan vapaaksi hienojakoisesta materiaalista.

Pajut kasvavat kuten ne parhaiten viihtyvät, esillä olevassa teknologiassa johdetaan sopivimmin vedenvirtaus tasaisesti jakautuneena ainakin yhdelle pajukolle.

Pajut voidaan esimerkiksi istuttaa pajukasvattamossa haluttuun järjestykseen, jolloin istutuksessa sekä rivivälit että kasvien etäisyydet rivissä on valittu etukäteen.

Esillä olevassa teknologiassa sijoitetaan hake ja hiilletty paju sopivasti suhteessa pajukkoon. Tämä voidaan tehdä verkkojen, sihtien, säkkien korien tai muun sellaisen rakenteen avulla, joka pidättää puhdistavat partikkelit, mutta jonka läpi, esim. jonka harvan kudoksen läpi, vesi pääsee tasaisesti virtaaman.

Yhdessä sovelluksessa puhdistavat partikkelit on sijoitettu yhdessä tai erikseen säkkeihin, astioihin, häkkeihin, jotka pystytään helposti kuljettamaan, laittamaan veteen (siksi ei ”kelluvia” hiiliä) ja ottamaan sieltä pois eli vaihtamaan helposti. Säkkien kudos on sopivimmin harva, jolloin se päästää veden virtaamaan lävitseen.

Biohiilen tehtävä on monipuolinen. Aktiivisena hiilenä se sitoo itseensä sekä kationeja (kuten P-, Ca-, K- ja Mg-ioneja) että kasvismyrkkyjä ja muita tuotteita, kuten rikkivetyä ja mahdollisesti muita merkaptaaneja, toisin sanoen se sitoo kaikenlaisia hajuja. Hiili pystytään muokkaamaan niin, että se kykenee reagoimaan valittuihin ravinteisiin.

Kun hiileen on muodostunut aktiivinen mikrobikanta, se toimii myös biologisesti aktiivisena komponenttina, sen lisäksi, että hiili adsorboi tunnetulla tavalla kationeja ja myrkyllisiä molekyylejä. Biohiili voi olla käytössä sellaisenaan tai aktivoituna.

Aktivoiminen voidaan suorittaa alkalikäsittelyllä tai tulistetun höyryn avulla tai Zn-suolalla tai orgaanisella tai epäorgaanisella hapolla tai näiden seoksella. Aktivoimalla hiili alkalilla saadaan sen veden hylkivyyttä pienennettyä. Liuoksessa olevat metallit saadaan helposti sitoutumaan hiilen pintaan. Aktivoitua tai muuten modifioitua hiiltä voidaan käyttää jälkisuodatusvyöhykkeessä 5 niiden epäpuhtauksien tai ravinteiden sitomiseen, jotka ovat kulkeutuneet edeltävien suodatusvyöhykkeiden ja pajukon läpi.

Kun pajuista valmistetaan aktiivihiiltä on pajut edullista katkoa noin 1-2 kertaa puuaineksen paksuuden pituisiksi ja tehdä se pajun osista, joilla on lähes sama paksuus, edullisesti 5-10 mm. Näin saatu tuote on helppo pitää korissa, verkossa tms,, ilman että osaset tukkivat veden kulkureitin.

Sekä pajun hiili että pajun hake voidaan yhdistää esim. hiekkasuodattimen osaksi tai turvesuodattimen, kosteikon tai haihdutuskentän osaksi. Suodattimen pidätyskerroksena, joka pitää partikkelit paikallaan, voidaan käyttää pajunvarsia, turvetta, hiekkaa, soraa ja olkia. Myös erilaiset kudokset ja kuitukankaat voivat tulla kysymykseen. Nämä pidäkkeet luonnollisesti pidättävät veden mukana valuvaa kiintoainesta ja hiili pidättää liuennutta humusta.

Kohteissa, joissa on runsaasti kiintoainetta vedessä, kiintoaines erotellaan eri tunnetuilla menetelmillä.

Hiilestä ja aktiivihiilestä tiedetään, että eri aktivointiasteilla se adsorboi pinnalleen ja huokosiinsa eri komponentteja ja ioneja. Näin ollen on keksintömme mukaan edullista, mutta ei välttämätöntä, että hiiltäminen suoritetaan tähän kyseiseen tarkoitukseen niin, että otetaan hiiltä talteen eri lämpötiloissa.

Muodostettu hiili on yleensä hydrofobista eli ei kastu helposti. Tämän johdosta on edullista, mutta ei välttämätöntä, käsitellä hiili ensin vedellä, jossa on pieni määrä pinta-aktiivista ainetta, edullisesti esim. isopropanolia.

Edellä esitetyissä sovellutusmuodoissa käytettävät hake-ja hiilisäkit ovat halkaisijaltaan esimerkiksi 10-250 cm ja korkeudeltaan noin 0,1-5 m, jolloin niiden tilavuus on yleensä noin 0,1-12,5 m3. Säkit voidaan järjestää vierekkäin tai jonkin välimatkan päähän toisistaan (esim. 0,5-5 m etäisyydelle).

Hake- ja hiilivyöhykkeiden välinen etäisyys voi vaihdella laajalti, tyypillisesti se on noin 0,5-50 m, etenkin noin 1-25 m.

Pajukko on kooltaan tyypillisesti 1-10.000 m2, etenkin 10-5.000 m2, sopivimmin noin 25-4.000 m2; ja pajukko sijaitsee 0,5-100 m, etenkin 1-20 m päässä edeltävästä vyöhykkeestä.

Tyypillinen koko pajukolle on noin 1000-2500 m2 pienille valumamäärille, isoille 5-10 % valuma-alasta (eli pinta-alasta, jolta kerätään puhdistusjärjestelmässä puhdistettavaa vettä).

Edellä esitetyt lukuarvot edustat esimerkkejä eivätkä rajoita keksintöä.

Teollinen käyttökelpoisuus

Esillä oleva keksintöä voidaan käyttää ravinnepitoisten jätevesien, kuten kotitalouksien ja yhdyskuntien hule- ja jätevesien sekä maaviljelyksen ja maatalouden valumavesien, esim. pelloilta, navetoista, sikaloista, lampoloista, kanaloista, talleista sekä turkistarhoilta, saatavien pintavesin puhdistamiseen. Ratkaisua voidaan myös hyödyntää harmaavesien ja puhdistuslaitosten ylivirtausvesien käsittelyyn. Myös metsätalouden ravinnepitoiset maapohjat, suometsät, turvetuotantoalueet tulevat kyseeseen käsiteltävän veden lähteinä. Lisäksi hiiltä voidaan käyttää suodattimissa, kuten ilman ja kaasujen sisältämien haitallisten ainesosien talteenotossa.

Yleisesti ravinteita, kuten fosforia ja typpeä, sisältyy liuenneina maavedessä sekä pidättyneinä maahiukkasten pinnoille. Lisäksi ravinteita on rakentuneena maassa olevaan hajoavaan orgaaniseen ainekseen. Fosforia voi esiintyä liuenneena maavedessä orgaanisessa ja epäorgaanisessa muodossa, se voi myös olla adsorboituneena oksidipinnoille sekä orgaaniseen ainekseen rakentuneena, josta se hajotuksen yhteydessä vapautuu. Vastaavasti typpeä esiintyy orgaanisessa muodossa sekä nitraatteina ja nitriitteinä.

Sopivimmin käsitellään vesiä, joiden kokonaisfosforipitoisuus on korkeintaan 100 ug/1, esim. 15-100 ug/1, etenkin 15-25 ug/1, ja kokonaistyppipitoisuus on korkeintaan 1500 ug/1, esim. 400-1500 ug/1, etenkin 400-600 ug/1.

Biologinen hapenkulutus BODmii on tyypillisesti korkeintaan 500 mg/1, etenkin korkeintaan 250 mg/1, sopivimmin korkeintaan noin 100 mg/1.

Esitetyllä ratkaisulla voidaan vähentää edellä mainittuja fosforin ja typen kokonaispitoisuuksia ja BOD:tä ainakin 25 %:lla, sopivimmin ainakin 30 %:lla, esimerkiksi ainakin 40 %, etenkin ainakin 50 %:lla, mieluummin ainakin 60 %:lla.

Viitenumeroluettelo 1 Vesi virtauksen hidastusallas 2 Hakevyöhyke 3 Hillivyöhyke 4 Pajukasvusto 5 Jälkisuodatusvyöhyke

Viitejulkaisuluettelo

Patenttikirjallisuus FR-hakemusjulkaisu 2876047A1 CN-hakemusjulkaisu 101965785A1 EP-hakemusjulkaisu 2 360 123A1 CN-hakemusjulkaisu 103252216A1 CN-hakemusjulkaisu 10343 5410A CN-hakemusjulkaisusu 102515363A EP-hakemusjulkaisussa 225 6091A1 WO-hakemusjulkaisu 2009/06381A2

Claims (24)

1. Menetelmä epäpuhtauksien, kuten ravinteiden, erottamiseksi jätevedestä, tunnettu siitä, että vesi saatetaan virtaamaan ainakin kahden vyöhykkeen kautta, jotka vyöhykkeet on järjestetty veden virtaussuunnassa haluttuun järjestykseen ja jotka sisältävät toisistaan riippumatta epäpuhtauksien erotukseen tarkoitettua materiaalia valittuna ryhmästä, joka käsittää - eläviä pajuja juurineen, - pajuhaketta, - hiillettyjä pajun osia tai - pajuhakkeen ja hiillettyjen pajun osien seoksen jolloin ainakin kaksi vyöhykettä sisältää keskenään erilaista materiaalia ja ainakin yksi vyöhyke sisältää eläviä pajuja juurineen ja ainakin yksi vyöhyke sisältää pajuhaketta, hiillettyjä pajun osia tai pajuhakkeen ja hiillettyjen pajun osien seoksen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että elävien pajujen juuret on tartutettu pajulaadulle ominaisilla sienijuurilla.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että elävien pajujen juuret on tartutettu sienijuurilla, jotka ovat olleet läsnä maaperässä.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kaikki eri erotusmateriaalit ovat eri vyöhykkeissä toisistaan erotettuna, jotta ne voidaan erikseen ottaa jatkokäyttöön esim. lannoitteeksi.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hiilletyt pajun osat ja hiiltämätön hake tai näiden osat on sekoitettu keskenään.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sekä pajuhake että hiilletyt pajuhakkeen osat on sijoitettu samalle alueelle kuin kasvavat pajut.

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hiilletyt pajun osat on hiilletty yhteen, kahteen tai kolmeen eri hiiltoasteeseen, joissa noudatettava lämpötila on noin 250 °C, noin 350-500 °C tai noin 700 °C, 10-600 min, etenkin noin 15-360 min ajan.

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ainakin osa hiilletyistä pajuista on aktivoitu sinänsä tunnetuilla tavoilla, kuten tulistetulla höyryllä, alkalisella liuoksella, Zn-suolalla tai orgaanisella tai epäorgaanisella hapolla tai näiden seoksella.

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että puhdistettava vesi on kanavoitu maan pinnalle tai maan alle, niin että pajun juuret on saatettu kontaktiin virtaavan veden kanssa, tai niin, että pajujen juurien on annettu hakeutua virtaavan veden sekaan, kanavoimalla, ojittamalla tai jakoputkistolla.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että pajujen juuret ulottuvat enintään noin 50 cm syvyyteen.

11. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että puhdistavat partikkelit on sijoitettu yhdessä tai erikseen säkkeihin, joiden harva kudos päästää veden virtaamaan lävitseen ja jotka säkit voidaan helposti vaihtaa ja edelleen hyötykäyttää.

12. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että pajukko muodostetaan esikasvatetuista taimista, joissa haluttu mykorritsa on jo valmiina ympättynä, tai mykorritsa tuodaan erikseen juuriston alueelle.

13. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että haketta ja hiillettyjä paloja sisältävät vyöhykkeet jäljestetään veden virtaussuunnassa ennen eläviä pajuja sisältävää vyöhykettä, jolloin veden annetaan ensin virrata hakkeen ja sen hiilletyn muodon kautta, minkä jälkeen se saatetaan virtaamaan kasvavan pajukon juuriston kautta.

14. Jonkin patenttivaatimuksen 1-12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että eläviä pajuja sisältävä vyöhyke jäljestetään veden virtaussuunnassa ennen haketta ja mahdollisesti hiillettyjä puupaloja sisältäviä vyöhykkeitä.

15. Jonkin patenttivaatimuksen 1-12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että haitallisia raskasmetalleja sisältävää jätevettä johdetaan ensin vyöhykkeelle, joka sisältää hiillettyjä pajun osia tai pajuhakkeen ja hiillettyjen pajun osien seoksen, minkä jälkeen näin käsitelty jätevesi johdetaan haketta sisältävälle vyöhykkeelle.

16. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ravinnepitoinen vesi johdetaan ensin veden virtausta säätävään altaaseen, mistä se johdetaan ensimmäiselle käsittelyvyöhykkeelle.

17. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käsiteltävän veden kokonaisfosforipitoisuus on korkeintaan 100 ug/1, esim. 15 - 100 ug/1, etenkin 15 - 25 ug/1, ja kokonaistyppipitoisuus on korkeintaan 1500 ug/1, esim. 400 - 1500 ug/1, etenkin 400 - 600 ug/1.

18. Järjestelmä epäpuhtauksien erottamiseksi jätevedestä, tunnettu siitä, että se käsittää ainakin kaksi vyöhykettä, joiden kautta vesi on jäljestettävissä virtaamaan ja jotka vyöhykkeet on jäljestetty veden virtaussuunnassa haluttuun järjestykseen ja jotka sisältävät toisistaan riippumatta epäpuhtauksien erotukseen tarkoitettua materiaalia valittuna ryhmästä, joka käsittää - eläviä pajuja juurineen, - pajuhaketta, - hiillettyjä pajun osia tai - pajuhakkeen ja hiillettyjen pajun osien seoksen jolloin ainakin kaksi vyöhykettä sisältää keskenään erilaista materiaalia ja ainakin yksi vyöhyke sisältää eläviä pajuja juurineen ja ainakin yksi vyöhyke sisältää pajuhaketta, hiillettyjä pajun osia tai pajuhakkeen ja hiillettyjen pajun osien seoksen.

19. Patenttivaatimuksen 18 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että se käsittää kolme vyöhykettä, joista virtauksen suunnassa - ensimmäinen sisältää pajuhaketta, - toinen sisältää hiillettyjä pajun osia ja - kolmas sisältää eläviä pajuja juurineen.

20. Patenttivaatimukseni 8 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että se käsittää kolme vyöhykettä, joista virtauksen suunnassa - ensimmäinen sisältää pajuhaketta, - toinen sisältää eläviä pajuja juurineen ja - kolmas sisältää hiillettyjä pajun osia.

21. Jonkin patenttivaatimuksen 18-20 mukainen j ärj estelmä, tunnettu ennen ensimmäistä käsittelyvyöhykettä järjestetystä veden virtausta säätelevästä ainakin yhdestä altaasta, josta vesi on johdettavissa ensimmäiselle käsittelyvyöhykkeelle.

22. Jonkin patenttivaatimuksen 1-17 mukaisen menetelmän tai vastaavasti patenttivaatimuksen 18-21 mukaisen järjestelmän käyttö ravinnepitoisten jätevesien, kuten kotitalouksien ja yhdyskuntien jätevesien sekä maaviljelyksen ja maatalouden valumavesien, esim. pelloilta, navetoista, sikaloista, lampoloista, kanaloista, talleista sekä turkistarhoilta, saatavien pintavesin puhdistamiseen.

23. Jonkin patenttivaatimuksen 1-17 mukaisen menetelmän tai vastaavasti patenttivaatimuksen 18-21 mukaisen järjestelmän käyttö harmaavesien ja puhdistuslaitosten ylivirtausvesien käsittelyyn.

24. Jonkin patenttivaatimuksen 1-17 mukaisen menetelmän tai vastaavasti patenttivaatimuksen 18-21 mukaisen järjestelmän käyttö metsätalouden ravinnepitoisista maapohjista, suometsistä sekä turvetuotantoalueilta saatavien vesien käsittelyyn. Patentkrav: