Teekond kasutatud puhta veeni

Teekond kasutatud puhta veeni. 25.11.2024. Puhta vee nappus, mis on jõudnud maailmas kohati terava veekriisini, sunnib üha uusi riike mõtlema tõsisemalt reovee taaskasutusele vähemalt selle esimeses astmes – niisutusveeks. Reovee taaskasutamine niisutusveena algas USA-s, Kalifornia osariigis juba 1920. aastatel ning praegu moodustab reovee taaskasutuse maht USA-s globaalsest ca 50%. Nelikümmend aastat hiljem oli põllukultuuride niisutamine regenereeritud reoveega muutunud ka Iisraelis ja teistes Vahemere piirkonna riikides üsna tavapäraseks. 1968. aastal pandi USA-s paika ka esimesed nõuded reoveest toodetud niisutusvee kvaliteedile, nendest kõige olulisemaks on saanud ja jäänud vee bakterioloogiline ohutus, et vältida pinnase ja põllukultuuride bakteriaalset saastumist ning selle kaudu ka ohtu inimese tervisele. Kindlad nõuded niisutusveele on tingitud reovee taaskasutuse mitmetest keskkonna- ja tervisemõjudest. Kahjuks on reovee taaskasutus niisutusveena kahe otsaga ettevõtmine. Ühelt poolt toob sellise niisutusvee kasutamine kaasa positiivseid muutusi (see rikastab pinnast toitainetega, orgaanilise süsinikuga; kasvatab saagikust jne.), teiselt poolt aga tekivad mitmed negatiivsed nähtused: pinnase sooldumine, põhjavee võimalik saastumine ning patogeenidest, raskmetallidest, kemikaalidest ja ravimijääkidest tingitud ohud inimese tervisele. Viimati nimetatud muutuvad eriti aktuaalseteks, kui süvapuhastatud reovesi suunatakse mitte niisutusveeks, vaid otse tarbijale joogiveeks. Reovee tuntuimad patogeenid Kommunaalreovesi sisaldab peale joogivees sageli tähelepanu pälviva E-Coli ning kolibakterite ja Legionella veel mitmesuguseid ohtlikke patogeene, mille hulgas on salmonella, streptokokid, Vibrio cholerae, enterokokid, viirused (nt enteroviirused, noroviirused, adenoviirused, rotavirus, COVID-19 jt.) ning algloomad (nt Giardia, Cryptosporidium). Need patogeenid pärinevad üldiselt inimese soolestikust ja on seotud peamiselt vee kaudu levivate haigustega nagu kõhulahtisus, koolera ja düsenteeria. Üldsuse tähelepanu viirustele ja seejärel kõigile patogeenidele kasvas järsult COVID-19 pandeemia ajal (2019-2020). Varasemad uuringud on näidanud, et sellised viirused nagu enteraalne adenoviirus, rotaviirus, A- ja E-hepatiit ning astroviirus on olmereovette sattunuina seedetrakti ja hingamisteede haiguste peamised põhjused ning need tuleb reovee desinfitseerimise protsessis samuti kõrvaldada. Ohtlikud on ka algloomad (Cryptosporidium, Giardia). Cryptosporidium on üks olmereovees kõige sagedamini avastatud algloomade parasiite ja tema esinemine on seotud paljude tõsiste gastroenteriidipuhangutega kogu maailmas. On kulukas ja tehniliselt keeruline jälgida reoveejaama sisse- ja väljavoolus regulaarselt kõiki võimalikke patogeenseid mikroorganisme. Seetõttu kasutatakse mikroobseid indikaatoreid, et hinnata patogeenide taset ja näidata reovee fekaalse saastatuse ulatust. Kõige sagedamini mõõdetavad patogeenide indikaatorid on kolibakterid, sealhulgas üldkolibakterid (TC) ja fekaalsed kolibakterid (FC). Kolibakterid ei ole patogeensed, kuid nende avastamist vees peetakse üldiselt fekaalse saastumise usaldusväärseks indikaatoriks. FC-de peamist liiget Escherichia coli’t on kasutatud laialdaselt patogeenide indikaatorina (Tabel 1). Euroopas on niisutusvee kvaliteedi ja bakterioloogilise ohutuse tagamiseks kehtestatud minimaalsed nõuded, mis on kättesaadavad  dokumendi “Regulation – 2020/741-EN-EUR-Lex” lisades 1 ja 2. Tabelis 1 on toodud näitena A-klassi niisutusvee (mis on läbinud reovee sekundaarse töötluse + filtrimise + desinfitseerimise) kvaliteedinõuded. Tabel 1.  A-D klassi retsirkuleeritud vee näitajad ja võimalik taaskasutus Klass E.coli,arv/100ml Taaskasutus A Alla 10 Põllumaa niisutuseks, tööstusveeks, tualeti loputusveeks B Alla 100 Joogiveeks loomakasvatuses, piimakarja söödaveeks C Alla 1000 Inimtoiduks valmistatud kuumtöödeldud/töödeldud põllukultuuridele D Alla 10000 Toiduks mittekasutatavatele põllukultuuridele, nt. metsaplatsid, muru, lilled jt.   Nagu tabelist selgub, puuduvad sealt normid tuntud raskmetallidele, kemikaalidele (sh püsivatele orgaanilistele saasteainetele (POPs), igavestele kemikaalidele nagu fluoreeritud ühendid PFAS jt.) ning ravimijääkidele ja mikroplastile. Neid on aga kavas enne, kui 2045. aastal kehtestatakse reoveejaamadele võimalikud piirnormid (üle 150 000 i.e.), kõigepealt hoolikalt seirata. Reovee bakteriaalse ohutuse tagamise tehnoloogiad Bakteriaalse ohutuse tagamiseks eksisteerib sarnaselt saasteainete kõrvaldamisvõimalustele kümneid teoreetilisi või laborikatsetega tõestatud meetodeid, ent nende hulgas on palju eksklusiivseid menetlusi, mis ei jõua peaaegu kunagi tööstuslikku praktikasse. Ajalooliselt on vee/reovee esimeseks desinfitseerijaks olnud kloor ja selle ühendid (NaOCl, Ca(OCl)2). Dr. John Snow kasutas 1854. aastal Londoni ühe koolerast nakatatud puurkaevu desinfitseerimiseks edukalt kloorlupja Ca(OCl)2. Pärast seda hakkas kloori ja selle ühendite kasutamine joogi- ja reovee töötluses laialdaselt levima. Kloori ja orgaanika kõrvalproduktide ebatervislikkuse tõttu on nüüd hakatud joogivee tehnoloogias kloorist loobuma, asemele on tulnud UV-kiirgus ja osoonile sarnaste omadustega kloordioksiid ClO2 ning nende kombinatsioon (UV/ClO2), mida peetakse värskete uuringute alusel praegu parimaks. Mis puudutab aga kloori kasutamist reovee desinfitseerimisel, siis võiks WHO spetsialistide arvates siin kloorimist vähemalt esialgu jätkata. On ainult üks häda – paljud bakterid ja viirused on ca sajandi jooksul, mil kloorimist on kasutatud, muutunud aine suhtes resistentseteks. Kloorimise nõrkustest aitab üle saada 19. sajandi lõpul nii joogi- kui reoveepuhastuse tehnoloogiasse tulnud osoon, mis on kloorist 1,5 korda tugevam oksüdeerija. Osoon kõrvaldab veest planktonit, baktereid, viirusi, algloomi, oksüdeerib vees lahustunud rauda, mangaani ja vesiniksulfiidi (H2S) ning parandab joogivee maitset, lõhna ja värvust. Teatud määral konkureerib osooniga UVC-kiirgus (200-280 nm), mille efektiivsus oleneb aga suuresti töödeldava vee läbipaistvusest. UV-kiirguse suhtes kõige vastupidavamad organismid on viirused, täpsemalt adenoviirused ja bakterite eosed. Algloom Acanthamoeba on samuti väga UV-kindel. Cryptosporidium ja Giardia on vastuvõtlikumad. Nagu iga desinfitseerimisvahendi puhul, koosneb protsess annusest (doosist) ja kokkupuuteajast erinevate organismidega. UV-kiirguse doosi väljendatakse märgistusega mJ/cm2. Kui teha nüüd väike vahekokkuvõte, võib öelda, et reoveest toodetud niisutusvee bakterioloogilise ohutuse probleemi saab lahendada, kui kasutada konkreetse reovee koostisest lähtuvalt eespool kirjeldatud oksüdeerijaid või nende kombinatsioone, ning vajadusel rakendada konstrueeritud märgalas järeltöötlust, mis on osutunud oluliste patogeenide suhtes üllatavalt efektiivseks (kuni 99%). Kuidas lahendada akuutsete saasteainete probleemi Aga mida teha reovees olevate kemikaalide ja suhteliselt hiljuti päevakorda ilmunud ravimijääkide ning mikroplastiga? Mikroplast näib olevat natuke väiksem mure, aga peame arvestama, et selle osakeste pinnale on alati adsorbeerunud nii patogeene kui ka kemikaale ja ravimijääke. Õnneks on ka siin olemas lahendus –süvaoksüdatsiooniprotsessid (AOP = Advanced Oxidation Processes). Need töötati välja USA armee veelaborites Vicksburgis, Mississippi osariigis umbes 60 aastat tagasi ning püsisid palju aastaid salastatutena. AOP-s on olemas erinevate oksüdeerijate kombinatsioonid, näiteks O3/pH=8,  O3/H2O2,  O3/UV,  H2O2/UV,  H2O2/Fe(II), TiO2/UV, O3/H2O2/UV jt., mille rakendamisel tekivad vees/reovees üliaktiivsed, kuid lühikese elueaga oOH-radikaalid (paardumata elektronide arvuga aatomid või molekulid). Esimeseks AOP-protsessiks on tegelikult vee osoonimine leeliselises keskkonnas (pH = 8 ja üle), mil molekulaarse osooni asemel on vees tema lagunemisel tekkinud  oOH-radikaalid. Mõned näited: O3/H2O2: 2O3 + H2O2   → 2 OH + 3O2 O3/UV (254 nm):  O3 +  hν  ® O2  +  O;   O + H2O ® H2O2  ® 2 OH H2O2/UV: H2O2 + hν ® OH + OH·      oOH-radikaalid ründavad vees kõiki orgaanilisi aineid suure kiirusega (kiiruskonstandid on suurusjärgus 108-1011 M-1 s-1). Kahjuks umbes sama kiirelt nad ka passiveeruvad, kui vees on palju HCO3– ja CO32--ioone. AOP-reaktsioonide kineetika on keeruline, mõnigi kord võib  tekkida toksilisi vahe- või lõpp-produkte. Et vältida suuri üllatusi, on soovitatav viia alati läbi saadud vee üldtoksilisuse analüüsid, kasutades vesikirpude Daphnia Magna või  helendavate bakterite Vibrio Fischeri testi. AOP-protsessid defineeris 1987. aastal USA Põhja-Carolina ülikooli professor William Glaze: “Tegu on tavatemperatuuril ning rõhul töötavate protsessidega, mille käigus tekib piisavalt palju oOH-radikaale, et mõjutada märgatavalt  vee omadusi”.  AOP-protsessid on võimelised vees/reovees leiduvaid orgaanilisi saasteaineid täielikult mineraliseerima – muutma neid sulfaatideks, nitraatideks, kloriidideks, fosfaatideks, CO2-ks ja veeks. Mitte alati ei kulge need protsessid aga sajaprotsendiliselt. Joonis 1. UV-kiirguse, osooni ja AOP-protsesside toime erisused. Põhimõtteliselt on AOP-protsessid suutelised lahendama kompleksselt kogu niisutusvee kvaliteedi problemaatika (vt Joonis 1). Jooniselt on näha, et UV-kiirgus lahendab ainult patogeenide probleemi. Osoon on võimas, kuid ei suuda siiski hästi toime tulla orgaaniliste saasteainetega (BTEX, POPs, AOX jt.) ja akuutsete saasteainetega (emerging pollutants). AOP-protsessid aga võtavad vastu kõik väljakutsed! Käesolevaks ajaks on mitmed AOP-protsessid juba kommertsialiseeritud, mis võimaldab tellida sellistelt suurfirmadelt nagu Suez, Aquatech International LLC, Xylem, Trojan Technologies, Lenntech BV jt. võib tootlikkuse järgi puitkastidesse pakitud tööstuslikke kompleksseadmeid nimedega „Perozone” (O3/H2O2), „Rayox” (H2O2/UV), „ULTROX” (O3/H2O2/UV) jt. Kui rääkida senistest tööstuslikest rakendustest, siis tuleb mainida vähemalt kahte reoveejaama, mis asuvad Taanis Kalundborgis ja Rootsis Linköpingis. Mõlemas neis on kombineeritud AOP-protsessi (osoonimist) järgneva aeroobse biopuhastusega (MBBR= Moving Bed Bioreactor), st töötatakse skeemiga AOP/BIO, mis võimaldab vähendada AOP koormust (AOP-protsessid on suhteliselt kallid), delegeerida osa ülesandeid bioprotsessile ning vähendada sellega kogu skeemi tegevuskulusid. Mõlemad jaamad toodavad bakterioloogiliselt ohutut ning ravimijääkidest rohkem kui 80% ulatuses puhastatud vett, mis sobib hästi nii tarbe- kui ka niisutusveeks, aga suunatakse praegu Läänemerre. Võimalikud on ka veel teised kombineeritud variandid nagu AOP/BIO/AOP, AOP/GAC/AOP jt., millega tehakse praegu pilootkatseid. Reovee taaskasutusest põllumajanduse niisutusveena on palju rohkem kirgi kütnud selle otsene taaskasutus (Direct Potable Reuse) joogiveeks. Esimene DPR-jaam lasti käiku Windhoekis, Namiibias juba 1968. aastal. 21.sajandil järgnesid sellele kolm reoveejaama USA-s, Texases: Big Springs (2013), Wichita Falls (2015) ja El Paso (2020) ning seejärel veel paaris osariigis. Mõnes kohas esitas elanikkond aeg-ajalt kaebusi joogivee maitse ja lõhna suhtes; teisisõnu ilmnes tuntud „ökk-faktor“. Sellest on nüüd saadud üle tehnoloogilise skeemi täiustamisega. Pilootkatsetega on tõestatud, et kui puhastada kolmes astmes eeltöödeldud kommunaalreovett täiendavalt järgmise skeemi järgi: ultrafiltratsioon (UF) + pöördosmoos (RO) + AOP + aktiivsöe adsorptsioon (GAC)  + osoonimine + UV-desinfitseerimine, siis kõlbab saadud vesi niihästi  joomiseks kui ka õlle valmistamiseks (!). Kokkuvõtteks Maailma kasvav rahvastik on märkimisväärselt suurendanud reovee tootmist ja selle nõuetekohane käitlemine on muutunud ülemaailmseks väljakutseks, kuna korralikult  puhastamata reovee ärajuhtimine saastab veekogusid ja levitab veega seotud haigusi. ÜRO Säästva arengu globaalne eesmärk  Nr.6 (SDG6) (UN Sustainable Development Goal 6 on Water and Sanitaton, 2023) nõuab puhastatud reovee taaskasutamist, et “tagada kõigile vee kättesaadavus”. Põllukultuuride niisutamisel on võimalik ja vajalik kasutada täiendavalt puhastatud reovett, kuna põllumajandussektor on kõigi veeallikate suurim kasutaja. Praegu aga võtab rahvusvaheliselt kokkulepitud veealaste eesmärkide ja sihtide, sealhulgas säästva arengu taotluse (SDG6) „tagada 2030. aastaks kõigile vee kättesaadavus ja säästev majandamine ning kanalisatsioon” saavutamine murettekitavalt palju aega. SDG 6 deklareerib, et oluline on saavutada “puhas vesi ja kanalisatsioon kõigile”.