Biologisen jätevedenpuhdistuksen tehokkuus riippuu paljon jäteveden lämpötilasta. Suomessa puhdistusprosessin lämpötila myös vaihtelee vuodenaikojen mukaan. Tämä aiheuttaa sen, että prosessin biologinen toiminta on suurimman osan vuodesta muutostilassa, joka osaltaan heikentää puhdistustulosta matalan jäteveden lämpötilan lisäksi. Tasainen ja korkeampi jäteveden lämpötila ympäri vuoden helpottaisi prosessin hallintaa ja parantaisi erityisesti typenpoiston tehokkuutta, joka on talvikuukausina haasteellista kylmien olosuhteiden vuoksi. Suomessa typenpoistovelvollisuus on käytännössä silloin, kun jäteveden lämpötila on yli 12 °C, mikä tarkoittaa, että suurimman osan vuodesta merkittävä määrä typestä päätyy edelleen vesistöihin. Liika typpi aiheuttaa vesistöjen rehevöitymistä ja happikatoa, joten sen tehokas poistaminen jätevedestä on tärkeää. Tulevaisuudessa typenpoiston vaatimukset voivatkin tiukentua, jolloin ympärivuotinen tehokas typenpoisto on välttämätöntä.

Yksi mahdollinen ratkaisu puhdistuksen ja erityisesti typenpoiston tehostamiseksi on lämmittää jätevettä ennen puhdistusprosessia. Kaukolämmön paluuvesi on matalalämpöistä, mutta soveltuu erinomaisesti jäteveden lämmittämiseen. Samalla kun jäteveden lämpötila nostetaan ja vakioidaan, kaukolämmön paluuveden lämpötila alenee, joka nostaa lämmöntuotannon hyötysuhdetta ja vähentää polttoaineen kulutusta lämmön ja sähkön yhteistuotantolaitoksissa. Tämä mahdollistaa symbioosin, jossa molemmat järjestelmät hyötyvät toisistaan.

Sektori-integraation tekninen toteutus

Euroopan aluekehitysrahaston (EAKR) osarahoittamassa ja Pohjois-Pohjanmaan liiton myöntämässä KAVENERO-hankkeessa kehitetty sektori-integraatiokonsepti (Kuva 1) perustuu kahteen keskeiseen komponenttiin: lämmönvaihtimeen ennen jätevedenpuhdistamoa ja lämpöpumppuun sen jälkeen. Lämmönvaihtimen avulla nostetaan ja vakioidaan jäteveden lämpötila, kun taas lämpöpumpun avulla otetaan talteen puhdistetun jäteveden lämpöenergia kaukolämpöverkkoon. Jäteveden ja kaukolämmön paluuveden lämpötilaero on riittävä, jotta lämmönvaihdinta voidaan hyödyntää tehokkaasti. Tämä alentaa investointikustannuksia, sillä lämmönvaihdin on huomattavasti edullisempi ja passiivinen ratkaisu verrattuna lämpöpumppuun. Lämpöpumppua kuitenkin tarvitaan, koska lämmitetyn jäteveden lämpö on otettava talteen ympäristön lämpenemisen ehkäisemiseksi ja systeemin taloudellisuuden tehostamiseksi. Vaikka lämpöpumppuratkaisuja on jo käytössä Suomessa, lämmitetystä jätevedestä olisi mahdollista saada moninkertaisesti lämpöenergiaa verrattuna nykyisiin toteutuksiin.

Sektori-integraatio voi tuottaa myös erilaisia välillisiä vaikutuksia. Hukkalämmöt ovat usein matalalämpöisiä, esimerkiksi elektrolyyserien hukkalämmöt, joita on nykyisellään haastavaa hyödyntää kaukolämpöverkossa ilman lämpöpumppuja. Tilanne voisi kuitenkin muuttua, jos kaukolämmön paluuveden lämpötilaa alennetaan hyödyntämällä sitä jäteveden lämmityksessä. Tällöin matalalämpöiset hukkalämmöt saataisiin taloudellisesti hyötykäyttöön.

Rakennuskohtainen jäteveden lämmön talteenotto on toinen merkittävä mahdollisuus. Kaupungeissa jäteveden mukana poistuu suuri määrä lämpöenergiaa, joka voitaisiin hyödyntää osittain rakennuksissa esimerkiksi käyttöveden esilämmitykseen tai ilmanvaihtojärjestelmissä. Tämä vähentäisi kaukolämmönkulutusta, mutta samalla laskisi puhdistettavan jäteveden lämpötilaa, joka heikentäisi typenpoiston tehokkuutta. Jäteveden lämmitys juuri ennen puhdistamoa voisi kuitenkin mahdollistaa laajamittaisen rakennuskohtaisen lämmön talteenoton ilman, että puhdistustehokkuus heikkenee.

Simulaattori paljastaa potentiaalin

Kaukolämmön ja vesihuollon sektori-integraatiolla on paljon potentiaalisia taloudellisia ja ympäristöllisiä ristikkäisvaikutuksia, joiden arvioiminen on haastavaa, sillä se vaatii eri prosessien vuorovaikutusten tarkastelua. Hankkeessa hyödynnetään mallinnusta ja simulointia, jotka mahdollistavat erilaisten skenaarioiden kustannustehokkaan tarkastelun ja sektori-integraation optimaalisen toteutustavan löytämisen. Kehitetty optimointisimulaattori huomioi sekä kaukolämpöjärjestelmän että jätevedenpuhdistamon prosessit, ja se on modulaarinen ja parametrisoitu. Tämä mahdollistaa simulaattorin soveltamisen myös tulevaisuuden skenaarioiden tarkasteluun. Kaukolämpöjärjestelmä on sähköistymässä ja tämä on syytä huomioida tulevia investointeja suunniteltaessa.

Alustavat simulointitulokset osoittavat, että jäteveden lämpötila voidaan nostaa ja vakioida Oulussa 25 °C:een ympäri vuoden, joka parantaa typenpoiston tehokkuutta ja vähentää sähkön ja kemikaalien kulutusta jätevedenpuhdistamolla. Matalampikin jäteveden vakiolämpötila toisi alustavien arvioiden perusteella merkittävää hyötyä biologisesti ja kalvosuodattimella tehtävään puhdistukseen. Samalla kaukolämmön paluuveden jäähtymä kasvaa merkittävästi.

Ympäristö ja talous hyötyvät

Alustavien arvioiden mukaan sektori-integraation avulla voidaan vähentää typpikuormitusta vesistöihin Oulussa jopa 80 % vuositasolla. Lisäksi jäte-
vedenpuhdistamon energiankulutus ja kemikaalitarve pienenevät, ja puhdistuskapasiteetti kasvaa. Kaukolämmön paluuveden kokonaisjäähtymä voi olla jopa 10 °C. Samalla päästöt vähenevät, kun polttoon perustuvaa lämmöntuotantoa voidaan korvata lämpöpumpuilla, uusiutuvilla energianlähteillä
ja hukkalämmöillä. Lisäksi sektori-
integraatio mahdollistaisi laajamittaisen rakennuskohtaisen jäteveden lämmön talteenoton. Kaukolämmön ja vesihuollon sektori-integraatio on kestävä ja resurssiviisas ratkaisu, joka tukee sekä ilmastotavoitteita että vesistöjen suojelua.