Tutkimusaihe:
Hiilen, typen ja fosforin talteenotto jätevedenpuhdistamoilla
Jäteveden puhdistusprosessi, joka ottaa talteen hiiltä, typpeä ja fosforia jätevedenpuhdistamoilla
Jäteveden puhdistuksen osuus maailman sähkönkulutuksesta on arvioiden mukaan noin 1 %. Ilmastus vie suuren osan energiasta, ja typenpoisto tuottaa myös N₂O:ta. Suurempaan kokoluokkaan skaalatulla Bloomolla pyrimme korvaamaan osan puhdistuksen kustannuksista resurssien talteenotolla neljällä tasolla: ilmastuksen vähentäminen, CO₂:n sitominen, typen ja fosforin talteenotto sekä N₂O:n vähentäminen. Menetelmän soveltaminen jäteveden puhdistukseen on tällä hetkellä tutkimus- ja pienimuotoisen validoinnin vaiheessa.
Tausta, tuote ja näkymät
Tausta
Jäteveden puhdistuksen osuus on arvioiden mukaan noin 1 % maailman sähkönkulutuksesta. Aktiivilieteprosessissa ilmastus vie 50–60 % energiasta, ja typenpoisto tuottaa N₂O:ta, jonka GWP-arvo on 273.
Tuote
Bloomo for Sewage kehitetään liitettäväksi nykyisiin puhdistusprosesseihin. Siinä yhdistyvät yhteyttämisessä syntyvä happi, CO₂:n sitominen ja NH₄⁺:n assimilointi aminohapoiksi, ja tavoitteena on yli 90 prosentin poistoaste sekä typelle että fosforille (tavoitearvo, jota ei ole vielä validoitu).
Näkymät
Aloitamme yhteistutkimuksella japanilaisten viemärilaitosten ja kunnossapitoyritysten kanssa ja arvioimme teknologiaa nykyistä puhdistusta täydentävänä ratkaisuna. Lähtökohtana on, että poistoveden laatuvaatimukset täyttyvät. Selvitämme myös, miten CO₂:n sitominen voitaisiin esittää ympäristöarvona.
Käyttäjät ja tuote
USER
Kunnat ja infrastruktuuriyritykset
- Jäteveden puhdistuksen suuri energiankulutus
- Vaatimus mitata ja vähentää N₂O- ja CH₄-päästöjä
- Typen ja fosforin talteenotto resursseina
- Vähähiilisyyden edistäminen ikääntyvien laitosten uusimisen yhteydessä
PRODUCT
Bloomo for Sewage
Nykyisiin laitoksiin liitettäväksi suunniteltu yhdennetty leväprosessi (tutkimusvaihe)
- Yhteyttäminen korvaa osan ilmastusenergiasta
- CO₂:n sitominen savukaasusta
- Typen talteenotto assimiloimalla NH₄⁺ aminohapoiksi
- N₂O:n vähentäminen biohiilen lisäyksellä (selvitettävänä)
Ydinteknologia ja ominaisuudet
Pienempi ilmastusenergia
Yhteyttämisessä syntyvä happi korvaa osan aerobisille bakteereille syötettävästä O₂:sta (demonstraatiossa arvioidaan nettoenergiatase, johon sisältyvät sekoitus ja korjuu)
CO₂:n sitominen
Viljelyyn käytetään tehtaan savukaasun CO₂:ta. Noin 1,83 t CO₂ biomassatonnia kohden on teoreettinen sitomismäärä, ei nettovähennys
N:n ja P:n talteenotto
NH₄⁺ assimiloituu aminohapoiksi ja proteiiniksi. PBR+MPBR-järjestelmillä tehdyissä tutkimuksissa on raportoitu yli 90 prosentin poisto
N₂O:n vähentäminen
Joissakin tutkimuksissa biohiilen lisääminen on vähentänyt mikrobien denitrifikaatiosta syntyviä N₂O-päästöjä (Novelgenilla selvitettävänä)
Jäteveden puhdistus kustannuksesta resurssien talteenotoksi
Jäteveden puhdistus on kansanterveyden kannalta välttämätöntä infrastruktuuria, mutta sen osuus on arvioiden mukaan noin 1 % maailman sähkönkulutuksesta[1]. Aktiivilieteprosessissa ilmastus vie 50–60 % energiasta[2], ja typenpoisto tuottaa N₂O:ta (GWP 273)[3][4]. Tässä esittelemme prosessikonseptin, jossa suurempaan kokoluokkaan skaalatulla Bloomolla pyritään korvaamaan osa tästä kustannuksesta resurssien talteenotolla (tutkimusvaihe).
PROBLEMPerinteisen jäteveden puhdistuksen rakenteelliset ongelmat
Suuri energiankulutus ja CO₂-päästöt
Ilmastus vie 50–60 % aktiivilieteprosessin sähkönkulutuksesta. Maailman jäteveden puhdistussektori kuluttaa noin 1 % sähköstä, ja sen kulutuksen arvioidaan kasvavan 20 % vuoteen 2030 mennessä.
Lähteet: [2][5]
N₂O-päästöt
Epätäydellinen nitrifikaatio ja denitrifikaatio tuottavat sivutuotteena N₂O:ta. N₂O on erittäin voimakas kasvihuonekaasu, jonka 100 vuoden GWP-arvo on 273, ja sen päästökerroin vaihtelee laitoksittain suuresti.
Lähteet: [3][4][6]
Typen ja fosforin talteenotto
Nitrifikaatiossa ja denitrifikaatiossa suuri osa typestä vapautuu ilmakehään N₂:na. Fosforin talteenottoa lietteestä kehitetään jo. Levillä tapahtuvaa talteenottoa selvitetään nykyistä lietteestä tehtävää talteenottoa täydentävänä vaihtoehtona.
Lähteet: [7]
SOLUTIONBloomon neljän tason konsepti
Ilmastusenergian vähentäminen
Yhteyttämisessä syntyvä happi korvaa osan aerobisille bakteereille syötettävästä hapesta. Typen, fosforin ja kemiallisen hapenkulutuksen (COD) poistoa on raportoitu järjestelmissä, joissa leviä kasvatetaan yhdessä aktiivilietteen kanssa. Happea syntyy kuitenkin vain päivänvalossa, ja demonstraatiossa arvioidaan nettoenergiatase, johon sisältyvät sekoitus ja korjuu.
Lähteet: [8]
CO₂:n sitominen
Mikrolevät sitovat CO₂:ta biomassaansa yhteyttämällä. Kun hiilen oletetaan olevan 50 % kuiva-aineesta, teoreettinen sitomismäärä on noin 1,83 t CO₂ biomassatonnia kohden (bruttomäärä, ei nettovähennys). Savukaasusta voidaan syöttää korkeapitoista CO₂:ta, ja joissakin tutkimuksissa on käytetty NOx- ja SOx-yhdisteitä sisältävää savukaasua, mutta tällöin myös näiden yhdisteiden vaikutukset on arvioitava.
Lähteet: [9]
Typen ja fosforin talteenotto
Levät assimiloivat NH₄⁺:n aminohapoiksi ja proteiiniksi. Tutkimuksissa, joissa fotobioreaktori on yhdistetty kalvoerotukseen (MPBR) tai vastaavaan, on raportoitu yli 90 prosentin typen- ja fosforinpoisto. Tavoitteena on ottaa suurin osa typestä talteen biomassana, mutta demonstraatiossa tarkistetaan typpitase, johon sisältyvät levien itsensä tuottama N₂O ja ammoniakin haihtuminen. Yhdyskuntajätevedestä peräisin olevaa biomassaa ei ole tarkoitettu rehuksi, vaan sille suunnitellaan lannoite-, biohiili- ja vastaavia käyttöjä (edellyttäen esimerkiksi raskasmetallien ja taudinaiheuttajien analyysejä sekä asiaankuuluvan lainsäädännön noudattamista).
Lähteet: [10][11][14]
Talteen otetun biomassan hyödyntäminenN₂O-päästöjen vähentäminen
Rakennetuissa kosteikoissa, joihin on lisätty biohiiltä, on raportoitu pienempiä N₂O-päästöjä. Selvitämme, miten Bloomon talteen ottamasta biomassasta valmistettu biohiili voitaisiin palauttaa puhdistusjärjestelmään (vaikutusta ei ole validoitu).
Lähteet: [12][13]
System architecture comparison
BENCHMARKSuorituskykyindikaattorit (tavoitearvoja, validointi kesken)
| Tunnusluku | Perinteinen prosessi | Bloomo-integraatio (tavoite) |
|---|---|---|
| Typenpoisto | Riippuu puhdistusprosessista | > 90 % (tavoite) |
| Fosforinpoisto | Riippuu puhdistusprosessista | > 90 % (tavoite) |
| Ilmastuksen osuus energiasta | 50–60 % kokonaisuudesta | Osittain korvattu yhteyttämisellä (nettovaikutus arvioidaan) |
| N₂O-päästökerroin | 1,01 % kg N₂O-N/kg TN (mediaani) | Tavoitteena vähentää (levien tuottama N₂O mukaan lukien) |
Huom. Bloomo-integraation sarakkeessa on tavoitearvoja, joita ei ole vielä validoitu (lähteet ovat tutkimuksia, joihin tavoitteet perustuvat). Menetelmän soveltaminen jäteveden puhdistukseen on tutkimus- ja pienimuotoisen validoinnin vaiheessa, eikä laajamittaisia toteutuksia vielä ole.
BUSINESSTarjontamalli (konsepti)
Bloomo for Sewage on tarkoitus tarjota yhteistyössä infrastruktuuriyritysten ja kuntien kanssa sekä lisensoimalla. Tarkemmista ehdoista keskustellaan yhteistutkimuksen yhteydessä.
- ▸ Algal Bloom Capture -teknologiapaketti (kantakirjasto, viljelyprotokollat, tekoälyohjauksen osaaminen)
- ▸ Bloomo Cloud Service (etäseuranta ja optimointi)
- ▸ Yhteistyömallit kumppaniyritysten (infrastruktuuriyritykset, kunnat) kanssa
ROADMAPKehityksen tiekartta
- 1.Demonstraatio vesiviljelyssä: vesiviljelijöille ja poikastuotantolaitoksille tarkoitetulla Bloomolla varmennetaan laitteen ja viljelyn ohjauksen suorituskyky
- 2.Validointi jätevedellä ja yhdyskuntajätevedellä (nykyinen vaihe): menetelmän soveltaminen jäteveden puhdistukseen on tutkimus- ja pienimuotoisen validoinnin vaiheessa, ja todellisella jätevedellä tehdyn demonstraation jälkeen tavoitteena on päästä käytännön käytön tasolle
- 3.Käyttöönotto: tarjoaminen lisensseinä tai palveluna, Japanin poistoveden laatuvaatimusten täyttymisen varmistaminen ja ympäristöarvon laskentatavan selvittäminen
Lähteet
- Maktabifard M., et al. Achieving energy neutrality in wastewater treatment plants. Rev. Environ. Sci. Bio/Technol., 2018, 17, 655–689. DOI →
- Pathways to a net-zero-carbon water sector through energy-extracting wastewater technologies. npj Clean Water, 2022, 5, 49. DOI →
- Kampschreur M.J., Temmink H., Kleerebezem R., Jetten M.S.M., van Loosdrecht M.C.M. Nitrous oxide emission during wastewater treatment. Water Research, 2009, 43(17), 4093–4103. DOI →
- Stylianou M., et al. Factors Affecting N₂O Emissions from Activated Sludge WWTP — A Review. Resources, 2023, 12(10), 114. DOI →
- Mizuta K., Shimada M. Benchmarking energy consumption in municipal WWTPs in Japan. Water Science and Technology, 2010, 62(10), 2256–2262. DOI →
- Song C., et al. Oversimplification and misestimation of nitrous oxide emissions from WWTPs. Nature Sustainability, 2024, 7, 1348–1358. DOI →
- Mayer B.K., et al. Total Value of Phosphorus Recovery. Environ. Sci. Technol., 2016, 50(13), 6606–6620. DOI →
- Abdelfattah A., et al. Microalgae-based wastewater treatment: Mechanisms, challenges, recent advances, and future prospects. Environmental Science and Ecotechnology, 2022, 13, 100205. DOI →
- Cheah W.Y., Show P.L., Chang J.-S., Ling T.C., Juan J.C. Biosequestration of atmospheric CO₂ and flue gas-containing CO₂ by microalgae. Bioresource Technology, 2015, 184, 190–201. DOI →
- Goh P.S., et al. Microalgae-Enabled Wastewater Remediation and Nutrient Recovery through Membrane Photobioreactors: Recent Achievements and Future Perspective. Membranes, 2022, 12(11), 1094. DOI →
- Bezerra S.S., Fontana L., Arantes C.C., de Jesus T.A. Phosphorus removal from wastewater by microalgal cultivation in photobioreactors: a systematic literature review and multivariate analysis. Environ. Monit. Assess., 2025, 197(11), 1182. DOI →
- Huang L., Xiong H., Jiang C., He J., Lyu W., Chen Y. Pathways and biological mechanisms of N₂O emission reduction by adding biochar in the constructed wetland based on ¹⁵N stable isotope tracing. J. Environ. Manage., 2023, 342, 118359. DOI →
- Zhang Y., Zhang Z., Chen Y. Biochar Mitigates N₂O Emission of Microbial Denitrification. Environ. Sci. Technol., 2021, 55(12), 8068–8078. DOI →
- Plouviez M., et al. The biosynthesis of nitrous oxide in the green alga Chlamydomonas reinhardtii. The Plant Journal, 2017, 91(1), 45–56. DOI →
Aiheeseen liittyvät sovellusalat ja tuotteet
Keskustele jäteveden puhdistusprosessin parantamisesta
Ota yhteyttä, jos olet kiinnostunut pilottidemonstraatiosta tai yhteistutkimuksesta. Yksityiskohtaiset aineistot toimitamme salassapitosopimuksen (NDA) solmimisen jälkeen.
Ota yhteyttä →