Nii mõnigi potentsiaalselt arenguvõimeline teadlaste saavutus jääb arhiiviriiulitele aastateks tolmuma, sest ei leidu ettevõtjaid, kes sellele praktilist rakendust sooviks anda. Teinekord juhtub see hirmust suurte investeeringute tegemise vajaduse ja võimaliku läbikukkumise ees, sagedamini on põhjus aga selles, et ei soovita oma mugavustsoonist väljuda. Seda viimast rakendatakse seni, kuni ühiskond on valmis vanamoodi tehtavad asjad kinni maksma. Üsna ilmekalt paistab see välja fossiilsetele alternatiivsete kütuste väljatöötamise alal, kus nüüdseks on siiski barjäärid loodetavasti murtud ja bio-, vesiniku-, elektri- ja teiste kütuseliikide areng pääseb paisu tagant.
Olulise tähtsuse ja tähendusega on maailma jaoks puhas vesi, mille varud kipuvad järjest väiksemaks jääma. Eriti sellise puhtuseastmega vee varud, mida sobib inimestel toiduks-joogiks tarvitada. Ja kui praegu keskendutakse paljudes riikides mageveevarude kasutamise piiramisele (nt kastmis- või olmeveena), siis üha rohkem tuleb tähelepanu pöörata ka iseenesest mageda, ent mingil põhjusel reostunud või lihtsalt otse inimtarbeks sobimatu vee puhastamisele.
Traditsiooniliselt puhastatakse tsentraalset kraanivett vee osoneerimise teel, seda teeb ka Tallinna Vesi Ülemistel. Keskkonnakaitse seisukohalt on sellega kõik korras, sest erinevalt kloreerimisest ei jäta osoon vette kantserogeenseid jääkaineid. Problemaatiline on aga osoneerimise kõrge maksumus – seda tehnoloogiat teatakse küll juba üle 100 aasta, ent ikkagi puhastatakse sel moel vaid üks protsent maailma joogiveest.
Kallis osoneerimine muutub energiatõhusaks
Tallinna Tehnikaülikooli inseneriteaduskonna professor Sergei Preis on aastaid tegelenud joogi- ja reoveepuhastuse tehnoloogiate uurimisega. Praegu teeb professor Preis seda tööd TalTechi materjali- ja keskkonnatehnoloogia instituudis, eelmisel kümnendil aga alustas ta veepuhastustehnoloogia arendamist koostöös Venemaa Tomski Polütehnilise Ülikooliga. Praeguseks on Venemaa, Soome ja Eesti teadlaste koostöös välja töötatud ainulaadne vee osoneerimise tehnoloogia, mis vähendab selleks siiani kulunud energiavajadust vähemalt kolm korda. Idee seisneb selles, et osoon sünteesitakse õhuhapnikust või puhtast hapnikust plasma tekitamise ehk kõrgepingelise voolu teel keskkonnas, mis ei ole elektrijuht.
„Kui sellises keskkonnas tekitada kõrgepinge, siis tekivad seal ka aktiivsed osakesed, nagu radikaalid, ioonid ja atomaarne hapnik, mis vee pinnale jõudes algatavad seal looduslikus vees esinevaid baktereid tapvad ja toksilisi aineid lagundavad oksüdeerumisreaktsioonid,” selgitab Preis. „Et seda protsessi läbi viia, laseme vee läbi elektroodide vahelt, kus see plasma eksisteerib. Tänu sellele, et utiliseerime molekulaarsel tasemel energiat, hoiame seda ka kokku. Sellisel moel saame kolme kuni kuuekordse energia kokkuhoiu võrreldes praeguse osoneerimistehnoloogiaga.”
TalTechis oleva veepuhastusseadme prototüüp võimaldab töödelda ühe kuupmeetri vett tunnis. Olemas on ka seade, mis käitleb 10 m3 vett tunnis, puhastades selle kõigist orgaanilistest ainetest ja tappes joogivees kõik bakterid. Preis märgib, et kuigi praegu on see maksimum, töötatakse selle kallal, et valmistada seade, mille võimsus on vähemalt kaheksa korda suurem. Idee aga on luua tööstuslik tehnoloogia, mis on suuteline puhastama juba mõne küla või linna tarbeks mineva joogivee.
Võlusõna peitub vooluimpulssides
Seadme moodustavad kaks paralleelset maandatud elektroodi, nende vahel on kõrgepingevoolu andvad traatelektroodid. Vesi pumbatakse seadme ülaossa, kust see jookseb vaba langemisega läbi perforeeritud plaadi. Kui töötava katsemasina sisse vaadata, näeb seal elektroodide vahel sinakat valgust, mis ongi elektrilahenduse plasma. Elektroodide vahelises gaasikeskkonnas oleks impulssvool (100–880 impulssi sekundis), kusjuures impulsi pikkus ei ületaks sadat nanosekundit (0,1 µs). Vastasel juhul tekiksid sädemed, sädemekanalis tõuseks temperatuur 5000 ºC-ni ja elektrood põleks läbi.
Kogu sellise veepuhastussüsteemi süda on generaator, mis toimib sisuliselt kondensaatorina. Teine kondensaator on reaktor, kus vett töödeldakse. Need kaks kondensaatorit töötavad omavahelises kooskõlas, kusjuures mida võimsam generaator, seda võimsam ehk suurem peab olema ka reaktor. Laboriseadme voolutarve impulssvoolu andmiseks on 0,1 µs jooksul 400 A pingega ca 20 kV. Ühe impulsi energia on ligikaudu 0,2 J. Need näitajad parameetrina jäävad kehtima ka suuremas seadmes, küll aga on suurema läbilaskevõime saavutamiseks tarvis suurendada elektroodide arvu ja vastavalt sellele peab olema võimsam ka generaator.
Praegu kasutuseloleva osoneerimise süsteemi ja n-ö tulevikutehnoloogia kuluefektiivsust saab esialgu võrrelda vaid teoreetiliselt. Sergei Preis märgib, et asja arendamisel ongi mõtet vaid siis, kui energiakulu langeb vähemalt kaks korda. Pigem on tema hinnangul võimalik saavutada kuni kolmekordne energia kokkuhoid, sest praeguses süsteemis vajab omajagu energiat ka osooni sünteesimine, 30–40 kWh kg kohta.
Esialgu olemas vaid katseseadmed
Miks juba ligi 10 aastat kasutusvalmilt seisev tehnoloogia pole praktilist rakendamist leidnud? Sergei Preis ütleb selle kohta, et selliste suurte uuenduste kasutuselevõtust ei olda huvitatud, sest ettevõttele tähendab see esmalt suurt kulu ja suhteliselt suurt riski, kas asjast tulevikus üldse mingit kasu tõuseb.
„Praegu kasutatav tehnoloogia ja selle ülalpidamine on tarbija poolt kinni makstud. Kuni tarbija on valmis kõik kinni maksma, ei tehta mitte midagi, sest probleeme pole. Õigemini – kõik probleemid on lahendatud,” iseloomustab Preis ettevõtete suhtumist. „Ja sealjuures ei aita isegi see, et meie puhasti tuleb ettevõttele vähemalt kaks korda odavam, aga nagu nähtub, isegi kolmekordne kuluefektiivsuse saavutamine ei ahvatle neid midagi muutma.”
Häda on selles, et n-ö otse teadlaste laualt tulnud uuenduste jaoks ei ole piltlikult öeldes poodi, kust algusest lõpuni toimiva valmislahenduse osta saaks. Esimeste suurte seadmete ehitamine nõuab tohutut investeeringut, palju aega katsetamiste, proovimiste, ümberehitamiste ja luhtaminekute jaoks, kusjuures keegi ei garanteeri, et kõik kunagi loodetud kujul toimima hakkab.
Sestap hakkab ärimees teadustööde vastu huvi tundma siis, kui king juba väljakannatamatult pigistab ja vana moodi majandamisega enam hakkama ei saada või siis kannustavad ümberkorraldusi tegema seadusandlikud suunised ja nõuded. Et neil tõhusat mõju oleks, peavad need poliitikad olema rahvusvahelised, konkreetsed ja kategoorilised, muidu asjad liikuma ei hakka.
Professor Preis hindab tinglikult, et kui näiteks Tallinna Vesi kasutab ühe osoonikilo kohta 30–40 kWh energiat, siis plasmaosoneerimist kasutades kuluks arvatavasti 10–15 kWh kilo osooni kohta. Kuna aga praeguse tehnoloogia juures tuleb esmalt osoon toota ja pärast protsessi läbimist see ka kahjutuks teha, siis võib efekt olla veelgi suurem.
Ära jääb osooni lagundamine
Sergei Preisi sõnul ei tooda uus veepuhastussüsteem otseselt osooni, mistõttu kasutatava õhu niiskus ei ole protsessi juures määrav ja eraldi midagi kuivatama ei pea. Hapnikku on tarvis nii palju kui seda reaktsioonis kulub, gaasi transpordiks seda eraldi ei kulutata. See viimane on kaks suurusjärku ehk 100 korda väiksem number nendest kogustest, mida kasutatakse praeguses veepuhastussüsteemis.
„Efektiivsuse annab asjaolu, et kõik protsessid toimuvad ühes reaktsioonikambris, kus massivahetus on efektiivne,” selgitab Preis. „Oksüdeerijatest umbes 2/3 sünteesitakse vee molekulidest ja vaid 1/3 hapnikust. Viimast antakse peale täpselt niipalju kui piltlikult öeldes vees oleva mustusega ära reageerib.”
Praegu puhastatakse osoneerimise teel postindustriaalsete riikide suurlinnade joogivett – seda kasutatakse näiteks Šveitsis, USAs Los Angeleses, ka Tallinnas ja Narvas – see on rikaste piirkondade privileeg. Ülejäänud maailm kasutab vee puhastamiseks kloreerimist, kusjuures paljud piirkonnad on õnnelikud, kui neile sedagi võimaldatakse. Kloreerimisega kaasneb aga see probleem, et orgaaniliste ainete kloreeritud laguproduktid on kantserogeensed. Seega on osoneerimine juba iseenesest edumeelne ja inimsõbralik joogivee puhastamise meetod.
Kasutusel on ka teisi meetodeid ja igaüks püüab enda vett puhtaks saada nii nagu just selles kohas mõistlik tundub. Näiteks Soomes Lappeenrantas pumbatakse looduslik vesi suure liivahunniku otsa, lastakse nõrguda läbi liiva, püütakse selle all drenaaži kinni ning suunatakse kasutusse. Sellise meetodi puhul tuleb lihtsalt regulaarselt liivahunniku pealmisi kihte buldooseriga eemaldada ja minema vedada, sest sinna kogunev orgaanika läheks ajapikku mädanema.
Uus tehnoloogia sobib ka reovee puhastamiseks
Sergei Preis kinnitab, et tema aparaadiga saab puhastada ka saastunud vett – näiteks muuta mingi tootmise käigus tekkinud reovett keskkonda laskmiseks sobivaks heitveeks jmt. „Oleme katsetanud ka nn musta leelise ehk siis tselluloositootmise jääkprodukti puhastamist selle tehnoloogiaga. Asja juures on spetsiifilised ideed, kuidas ligniini transformeerida aldehüüdideks. Ja see must leelis jooksis meie seadmes elektroodide vahelt läbi – mitte midagi halba ei juhtunud,” kirjeldab Preis. „Samamoodi oleme proovinud erinevate tööstuste reovett puhastada, tulemused on head. Seega, kõik küllastatud soolalahused – tere tulemast!”
Põhiprobleem vee puhul on selles lahustunud orgaanilised ained, mida filtrite abil pole võimalik veest eemaldada. Tõsi – membraanfiltriga võiks see kõne alla tulla, aga see tehnoloogia on praegu veel nii kallis, et seda on mõttekas kasutada vaid teatud kohtades, kus muu ei aita, näiteks Saudi Araabias vee magestamistehastes.
Puhastusprotsessi käigus lõhub oksüdeerumine selle vees lahustunud orgaanilise aine molekulid väiksemateks ja struktuurilt lihtsamateks molekulideks. Need aga ei oma enam neid n-ö halbu omadusi, mis meid häiriksid – värvus ja toksilisus kaovad. Reoveega on veel ka see asjaolu, et kui selles sisaldub palju orgaanikat, siis suurt orgaanilise aine molekuli bakterid süüa ei taha. Sestap ei sobi bioloogiline meetod alati näiteks ligniini ja mitmesuguste polümeeride veest puhastamiseks. Kui aga selline vesi kasvõi osaliselt oksüdeerida, muutuvad molekulid väiksemaks ja neid söövad bakterid juba hea isuga.
Kui rääkida impulssosonaatori kui veepuhastusseadme vaenlastest, siis need on vees sisalduvad tahked osakesed. Teisalt – kui neid oksüdeerida, siis vastupidiselt eesmärgile nad lahustuvad vette ja lahustunud orgaanika sisaldus selles suureneb. Sellepärast tuleb igasugune hõljum ja vees sisalduv tahke ollus sellest filtrite ja sadestamise abil eemaldada enne vee juhtimist elektroodide vahele.
Lahendus tselluloositootmise saastele
„Tselluloosiettevõtetes tegelesime ringlusvee küsimusega. Sellega on neil alati probleem, eriti, kui tahetakse vett kokku hoida ja deklareerida, et ollakse n-ö null-emissiooniga tootmisüksus. Päris seda nad niikuinii ei saavuta, aga ikkagi on parem, mida vähem nad värsket vett võtavad,” kirjeldab Preis. „Ringlusega on aga see häda, et kuna ringlusvesi on orgaanikat täis, hakkab seal paratamatult õige pea elu vohama. Ja et seda seal vees ei toimuks, lisatakse sinna igasuguseid bakteritsiide. Sisuliselt on need antibiootikumid, mis pärsivad bakterite kasvamist. Aga ka see vesi küllastub varem või hiljem niivõrd, et sellest antibiootikumidest tulvil veest tuleb lõpuks ikkagi vabaneda.”
Bakteritsiidide kasutamise asemel pakub Sergei Preis välja sellesama vee plasmakeskkonnas puhastamise masina, mis suudab tappa ka suurema osa vees sisalduvatest bakteritest. Tselluloositootmise protsessi läbinud veest saaks ekstrahheerida suhkruid ning toota neist tehnilist alkoholi, mida omakorda võiks kasutada kütuste, jahutusvedelike jmt tootmiseks. Praegu takistab alkoholi kättesaamist puidumassi leotusvees sisalduv ligniin, mida sealt küll eraldatakse, aga millega peale põletamise midagi peale hakata ei osata. Ka siin võiks oksüdeerumisprotsess abiks olla, sest suhkrud jäävad vette alles, küll aga oksüdeerub ligniin hästi ära.
Kõik need protsessid on läbi tehtud siiski alles laboritasemel, aga praktilist väljundit neile veel pole. Praegu lastakse iseenesest selge, ent pruunika värvusega vesi (vette jäänud ligniin) pärast seda, kui on bioloogiliste normidega vastavusse viidud, ikkagi keskkonda.
Puhastussüsteem võib hätta jääda raskemetallide eraldamisega – eriti, kui need on kompleksis orgaaniliste ainetega. Aga kui tehnoloogia arendamisega edasi töötada, loodab Preis, et ka see mure on lahendatav. Selleks aga tuleb raskemetalle sisaldavat orgaanikat eraldi oksüdeerida ja edaspidi mängida keskkonna pH-tasemega, lisada leelist ja sel moel peaks olema teostatav ka raskemetallide veest väljasadestamine.
Tulevikus võimalik kasutada laiatarbekaubana
Põhimõtteliselt saab sellist veepuhastusseadet rakendada ka n-ö kodukasutaja tasemel ehk siis maamaja, lasteaia või mõne muu objekti tarbe- ja joogivee puhastamiseks. Põhiliseks probleemiks kujuneb seadme tootmine. Jää aitaks liikuma tootmine mahuga kasvõi 10 tükki kuus – kui seade on turul saadaval, saame öelda, kas selle järele on reaalset nõudlust. Seeriatootmise korral langeks seadme hind tarbijale vastuvõetavaks, aga kuna teadlastel selles vallas kogemust pole, ei tea keegi prognoosida, kuidas sellega minna võiks.
Potentsiaali näeb Sergei Preis oma veepuhastusseadmel paljude vett tarbivate ettevõtete tootmisprotsessis. Sissevõetava vee puhastamiseks sobib see sisuliselt kõikidele tootmistele, tootmisprotsessi juba läbinud reovee puhastamiseks tuleb läheneda spetsiifiliselt, sõltuvalt sellest, millist tüüpi heitmetega tegu on. Paljud neist on biolagundatavad ja suuremat probleemi ei teki. Kui reovees on aga keemilisi ühendeid, mida bakterid lagundada ei suuda, võiks plasmaosoneerimisest tõsist abi olla. Näiteks põlevikivitööstuse fenoolidega rikastunud jääkvee, laevade pilsivee või loomakasvatusest lähtuvate antibiootikumide ja hormonaalpreparaatide, samuti nn mikrosaasteaineid, kemikaale, naftaprodukte jmt sisaldava reo- või heitvee puhastamisel.
