Päätöksentekijät muodostavat poliittisen kentän eri tasoilla – niin organisaatiossa, valtiossa kuin EU:ssakin.
Tänne kerätty tieto saattaa auttaa heitä arvioimaan ja päättämään:
Miten käyttää mallinnusta hyväkseen, jotta kalliista vesinäytteiden analyysituloksista saadaan kaikki irti päätöksenteossa?
Itämereen päätyvien ravinnepäästöjen mallintaminen
Kehittyneitä hydrologisia malleja voidaan hyödyntää päätöksenteon apuna. Seuraavien kuvien yhteydessä on esitelty näiden mallien potentiaaleja ja niiden hyödynnettävyyttä ravinteiden vähentämiseen tähtäävien menetelmien valinnassa. Kuvissa on esitelty kolme erilaista skenaariota. Kuvissa typpikonsentraatiot käsittävät pelloilta vesistöihin päätyviä valumavesiä. Esitetyt tulokset perustuvat MACRO ja SOILN hydrologisiin malleihin, joita on sovellettu vesimäärän ja veden laadun mallinnukseen peltomittakaavassa.
Kuva 1. Typpipitoisuuksien vuosikeskiarvot maissipellolta erilaisilla lannoitusmäärillä (260 tai 280 kg/ha). Typpipitoisuudet riippuvat vahvasti myös vuosisadannasta. Sadanta vaihtelee vuosittain, mikä on nähtävissä myös peltoa ympäröivien ojien vedenlaadussa. Tämä täytyy ottaa huomioon ravinteiden vähentämiseen tähtäävien toimenpiteiden suunnittelussa ja strategioissa.
Kuva 2. Typen pitoisuuksien keskiarvot 10 vuoden jaksolle maissin ja ohran eri lannoitusmäärillä. Hydrologisten mallien avulla voidaan laskea maksimitaso vuodessa käytettävällä lannoitusmäärälle, jolloin veden laadun parametrit ympäröivissä ojissa voidaan pitää sallituissa rajoissa.
Kuva 3. Turvemaiden kuivatustoimenpiteen syvyyden vaikutus typen konsentraation keskiarvoihin 10 vuoden tarkastelujaksolla. Mallinnusta voidaan hyödyntää päätöksentekoprosesseissa – kuivatuilla turvemailla veden laatua voidaan parantaa käyttämällä matalia kuivatusojia.
Itämereen päätyvien haitallisten aineiden mallintaminen
Monia haitallisia aineita käytetään yhä Itämeren valuma-alueella. Haitallisten aineiden pitoisuuksia ympäristössä voidaan laskea soveltamalla ns. multi compartment -malleja, jossa valuma-alue on jaettu useampaan pienempään osaan. Näiden määritettyjen osioiden olosuhteiden oletetaan olevan yhtenäisiä. Fyris joen pilottivaluma-alueelle Ruotsiin luotiin uusi malli, joka toimi sekä esimerkkinä, että osana laajempaa Itämeren mallia (Björlenius et al., 2018). Malliin syötettiin tiedot maa-alueen pinta-alasta, maankäytöstä, maannoksesta, valumakertoimista, virtaamasta, kokonaissademäärästä, sekä mallinnettavien aineiden pitoisuuksista alueellisten ja kiinteistökohtaisten jätevedenpuhdistamoiden purkuvesissä. Joen päävaluma-alue jaettiin jaksoittain 867 alueeseen. Mallia käytettiin simuloimaan ympäristöön kertyneiden haitallisten aineiden pitoisuuksia, kuten raskasmetalleja ja lääkeaineita, joista kadmiumin (Cd) ja karbamatsepiinin (CBZ) tulokset ovat esitettynä alla.
Figure 1. Measured and simulated concentration of cadmium in river Fyris catchment area.
Yleisesti ottaen kadmiumin pitoisuudet joessa lisääntyvät joen kulkusuunnan mukaisesti. Sivuhaarojen yhtymäkohdissa pitoisuudet saattavat joko nousta tai laskea, riippuen pääuomaan yhtyvien sivuhaarojen pitoisuuksista. Sivujokien olosuhteet ja niiden vuosikuormitus on esitetty laatikoissa (kuvio 1).
Figure 2. Calculated mass flow of cadmium in river Fyris catchment area.
Massavirta diagrammi (kuvio 2) esittää suhteellisen osuuden kadmiumin massasta. Jätevedenkäsittelylaitos näyttäisi olevan ainoa pistekuormituksen lähde kadmiumille Fyris joen valuma-alueella, aiheuttaen 5 % osuuden kadmiumin kokonaismassasta. Toinen kiinnostava alue on Uppsalan kaupunkialue, joka aiheuttaa 11 % kadmiumpäästöistä. Lopulta, Sävjaån joki aiheuttaa suurimman osan kadmiumpäästöistä, 53 %, johtuen ensisijaisesti suoalueilta tulevista korkeamman pitoisuuden omaavista valumavesistä. Simulaation tulokset ovat panneet alulle yksityiskohtaisemman näytteenoton ja arvioinnin kadmiumin lähteiden selvittämiseksi Sävjaån joessa. Tämä esimerkki tuo esille haitallisten aineiden kartoituksen tärkeyden, sen helpottaessa sidosryhmien toimenpiteiden keskittämistä.
Figure 3. Mass flow of cadmium discharged from river Fyris versus water flow during 2002-2017.
Kadmiumin massavirtaus lisääntyy virtauksen kasvaessa. Kadmiumin massavirran kasvu ei selity ainoastaan joen kokonaisvirtaaman kasvulla, vaan suuremmat virtaamat johtavat myös jokiveden kadmium pitoisuuksien kasvuun maa-alueiden kadmiumin huuhtoumien kasvaessa.
Antiepileptistä lääkeainetta karbamatsepiinia esiintyy laajalti valuma-alueilla ja järvissä ja sitä on havaittu jopa Itämeren rannikkoalueilla (Björlenius et al., 2018). Täten karbamatsepiini on hyvä kandidaatti ympäristössä vallitsevien pitoisuuksien mallintamiseen jokien valuma-alueilla.
Figure 4. Measured and simulated concentration of carbamazepine in river Fyris catchment area.
Karbamatsepiinia esiintyy koko Fyris joessa. Joen yläjuoksulla karbamatsepiiniä päätyy jokeen pieniltä jätevedenkäsittelylaitoksilta sekä kiinteistökohtaisilta jätevedenpuhdistamoilta (Kuvio 4). Suurin osuus Fyris joen valuma-alueen karbamatsepiinista, 88 %, tulee Uppsalan jätevedenkäsittelylaitoksen jätevesistä. Useisiin näytteenottoihin perustuen, Fyris joen vuosittainen karbamatsepiinin kokonaiskuormitus on 22 kg, joka on 0.6 % kaikkien Itämerta ympäröivien maiden vuosittaisesta kuormituksesta.
Waterchain projektin pilottikokeet ovat osoittaneet, että karbamatsepiiniä voidaan poistaa jätevedenkäsittelylaitoksien jätevesistä hyödyntämällä otsonointia tai aktiivihiiltä. Poistotehokkuus ylitti 98 % (Beijer et al., 2017).
-
Lähteet:
- Beijer, K., Björlenius, B., Shaik, S., Lindberg, R.H., Brunström, B., Brandt, I., 2017. Removal of pharmaceuticals and unspecified contaminants in sewage treatment effluents by activated carbon filtration and ozonation: Evaluation using biomarker responses and chemical analysis. Chemosphere 176, 342–351. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2017.02.127
- Björlenius, B., Ripszám, M., Haglund, P., Lindberg, R.H., Tysklind, M., Fick, J. (2018). Pharmaceutical residues are widespread in Baltic Sea coastal and offshore waters – Screening for pharmaceuticals and modelling of environmental concentrations of carbamazepine. Sci. Total Environ. 633:1496-1509. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.03.276
Mistä aloittaa, kun haluaa edellyttää jätevesien käsittelylaitoksia ottamaan käyttöön uusia käsittelymenetelmiä?
Jätevesien käsittelymenetelmiä haitallisten aineiden vähentämiseksi
- Aktiivihiili
- Otsonointi
- Kemiallinen saostus
- Ioninvaihto
- Nanosuodatus ja käänteisosmoosi
- Ultrasuodatus
Haitallisiin aineisiin kuuluu lukuisia kemiallisia yhdisteitä ja ominaisuuksia, ja sen takia on mahdotonta soveltaa jokaiselle kemialliselle aineelle omaa käsittelymenetelmäänsä. Suurin osa jätevesien ja sadevesien käsittelyssä käytetyistä toimenpiteistä voi kuitenkin vähentää useiden aineiden kuormitusta samanaikaisesti (cross-substance effect, cross-substance vaikutus).
On tärkeä löytää ja toteuttaa menetelmiä, joilla voidaan poistaa mahdollisimman monia erilaisia yhdisteitä samassa käsittelyvaiheessa. Tällaisia yleismenetelmiä ovat hapettaminen otsonoinnilla, absorptio aktiivihiilellä ja kalvosuodatustekniikat. Edellä mainitut käsittelyvaiheet asennetaan yleensä jätevedenpuhdistusprosessin loppupäähän.
Selvitettäessä parasta mahdollista tekniikkaa haitallisten aineiden poistamiseksi, käytä tätä taulukkoa: Haitallisten aineiden poisto
Vaihe yksi: Analysoi vesistöalueen mahdolliset haitallisten aineiden lähteet.
Vaihe kaksi: Tunnista ja analysoi vesinäytteestä ensimmäisessä vaiheessa osoitetut haitalliset aineet.
Vaihe kolme: Valitse vedenkäsittelymenetelmä ottaen huomioon cross-substance vaikutuksen ja poistotehokkuuden.
Nousevat teknologiat
Koska tavanomaiset jäteveden käsittelymenetelmät eivät pysty kokonaan hävittämään ja poistamaan kaikkia epäpuhtauksia, vaihtoehtoisten jätevedenpuhdistusmenetelmien tutkimus on ajankohtainen ja vaativa aihe. Tällä hetkellä muut menettelytavat kuten biologinen käsittely mikrolevillä ja sienillä, kalvobioreaktori ja biologinen aktiivihiili ovat tutkimuksen alla.
Huolimatta näiden biologisten menetelmien jatkuvasta parantamisesta ja kehittymisestä, vielä riittää ratkaistavia haasteita, jotta näitä menetelmiä voidaan hyödyntää isommassa mittakaavassa. Haasteita ovat likaantumisen hallinta ja taloudelliset tekijät. Kuitenkin nämä biologiset menetelmät ovat jo osoittautuneet tehokkaiksi poistettaessa monia nousevia haitallisia aineita jätevedestä kuten esimerkiksi torjunta-aineet, polyaromaattiset hiilivedyt (PAH), antibiootit, henkilökohtaisen hygienian tuotteiden haitalliset aineet ja hormonaaliset haitta-aineet. Nousevat menetelmät tarjoavat uusia mahdollisuuksia jäteveden käsittelyyn seuraavina vuosikymmeninä.
Taulukko: Nousevia menetelmiä haitallisten aineiden poistossa.
