Balti Elektrijaama tuhaväljade keskkonnaohtlikkuse vähendamine

Autorid: H. Arro, A. Prikk, T. Pihu, Tallinna Tehnikaülikooli soojustehnika instituut

Artikkel ilmus Keskkonnatehnikas 4/2002, lk 41–44

Lähteandmed

Põlevkivielektrijaamade keskkonnaohtlikkusest rääkides tuleb enamasti juttu tuhaväljadest. Et elektrijaamatuhk ise loodusele mürgine ei ole, on tõestanud arvukad uurimused ja näidanud tuhaväljade iseeneslik kattumine taimestikuga.

AS Narva Elektrijaamad on saanud Eesti Vabariikliku Taimse Materjali Kontrolli Keskuselt sertifikaadi [1], mis ametlikult kinnitab, et meliorant-tolmpõlevkivituhk vastab oma kvaliteedi ja ohutuse poolest Eesti Vabariigi väetiseseadusega kehtestatud nõuetele. Seega võib põlevkivituhka põllumajanduses leelismeliorandina kasutada põldude väetamiseks ja muldade happesuse vähendamiseks.

Tuhaväljade keskkonnaohtlikkust põhjustab peamiselt väga leeliseline vesi, millega transporditakse tuhka elektrijaamade tuhaärastussüsteemis. Et see vesi ringleb, puutub ta tuhaga korduvalt kokku. Ehkki tuhavees leiduvad ioonid on põhiliselt samad mis loodusvees, on just vee kõrge pH (12–13) see, mis teeb tuhaväljavee keskkonnaohtlikuks. Kuigi tuhaärastussüsteemis ringlev vesi normaalolukorras süsteemist ei välju, võib ta avarii korral siiski loodusesse sattuda. Kui seda vett palju välja pääseb, võib ta põhjustada suurt keskkonnakahju.

Põlevkivielektrijaamade tuhaväljade settetiikides (kuhu tuhaväljadele antav vesi enne uut kasutamist kogutakse) on miljoneid kuupmeetreid vett. Sellele vaatamata, et põlevkivituhk ladestumisel vett seob (umbes 0,6–0,7 m³ tonni tuha kohta) ja osa veest aurustub, võib settetiikidesse aeg-ajalt koguneda nii palju vett, et osa sellest tuleb Narva jõkke lasta. Selleks on iga kord vaja eriluba ja tasuda suurt saastemaksu. Liigse veega on hädas just Balti Elektrijaam. See on põhiliselt tingitud tuhaväljadele langevatest sademetest, s.o ilmastikutingimustest (joonis 1). Olenevalt aastast on Balti EJ settetiikidest Narva jõkke lastud 0–2 mln m³ vett. Eesti Entsüklopeedia andmeil on sademete keskmine hulk Narva linnas 584 mm aastas. Seda arvu aluseks võttes on Balti Elektrijaama tuhaväljadele ja settetiikidele (üldpindala umbes 10,65 km²) sadava vee hulk keskmiselt 6,2 mln m³ aastas. Eesti Elektrijaam liigse vee all ei kannata, sest tuhavälja ja settetiigi pindala on väiksem (kokku umbes 8,1 km²) ja vett siduva ladestatava tuha hulk üle kahe korra suurem.

Põlevkivielektrijaamade tuhaväljade keskkonnaohtlikkuse vähendamiseks tuleb eelkõige otsida võimalusi tuhaväljade veesüsteemi lisanduva vee koguse vähendamiseks, kaugemas tulevikus aga üleminekuks vähem vett kasutavale tuhaärastussüsteemile. Nagu öeldud, on liigne vesi tuhaväljade veesüsteemis esmajoones Balti Elektrijaama probleem, seetõttu käsitletakse seda  alljärgnevas just Balti Elektrijaama seisukohast.

Balti Elektrijaama tuhaväljade keskkonnaohtlikkuse vähendamine tuha ärastamise teel tiheda pulbina

Balti Elektrijaama tuhaväljade veesüsteemi lisanduva liigvee kogust on põhimõtteliselt võimalik vähendada kas vähendades sademevett koguvate tuhaväljade ja settetiikide pindala või suurendades ladestatud tuhka seotavat veehulka. Mõlemat võimalust soovitas Balti Elektrijaamale Ungari firma EGI, mis tegi ettepaneku hakata tuhaärastamiseks kasutama tihepulbitehnoloogiat. See tehnoloogia pidi tagama:

• tuhavälja katmise ühtlase, vees lahustumatu tiheda tuhakivikihiga. Et selle pinnale langev sademevesi mineraalsooladega ei reostu, võib ta tuhakiviga kaetud pinnalt settetiikide asemel otse loodusesse juhtida (sellega väheneb pind, millele langev sademevesi tuleb settetiikidesse juhtida);
• kogu tuhaärastuseks kasutatava vee sidumise tuhakivisse, mis pidi omakorda vähendama tuhaväljade veesüsteemis ringleva vee kogust ja koos esimese meetmega võimaldama aja jooksul settetiike tühjaks töötada.

Peale selle tõotas tihepulbitehnoloogia vähendada ka tuhaärastamiseks kasutatava vee kogust. Pulbis on tuha ja vee vahekord umbes 1:1, praegu aga kulub hüdrotuhaärastusel 10–20 m³ vett ärastatava tuhatonni kohta. Ettepanek oli ahvatlev. Sõlmiti leping ja paigaldati katseseade tihepulbi valmistamiseks. Balti EJ esimesele tuhaväljale rajati väike katsetuhaväli ning täiendavaks uurimiseks katsekasset.

Paraku näitasid nii laboratoorsed ja katsetuhaväljalt võetud puursüdamikproovide analüüsid kui ka katsetuhavälja vaatlus, et lootused tuhaväljad uue tehnoloogia rakendamisega keskkonnasõbralikuks muuta ei täitu. Ühtlast tihedat tuhakivikihti tuhaväljal ei moodustanud. Seda põhjustas põlevkivituhas sisalduv suur vaba lubja hulk, mis veega reageerides eraldas soojust. Et vaba lubi kustub aeglaselt, siis see protsess pulbivalmistamisseadmes lõpuni ei jõudnud, vaid jätkus tuhaväljal, põhjustades ladestatud tuhakihi temperatuuri tõusu ja paisumist ning kihi pinna tugevat mügardumist ja pragunemist.

Selgus ka, et pulp ei valgu tuhavälja pinnal ühtlaselt laiali. Tasandamiseks tuli kasutada buldoosereid, mis omakorda lõhkusid pinda. Ka ei olnud katsetuhaväljalt võetud proovide materjal vee suhtes kaugeltki inertne, vaid sisaldas, nagu leostamiskatsed näitasid, isegi kuni 2% vees leostuvaid ühendeid. Ning lõpuks, „tuhakivi“ veesidumisvõime (0,6–0,7 m³ tonni tuha kohta) ei olnud hüdrotuhaärastusega tuhaväljadele ladestatud põlevkivituha omast suurem. Nagu teiselt tuhaväljalt ja katsetuhaväljalt võetud puursüdamikproovide võrdlemine näitas, ei erinenud need oma koostise ega omaduste poolest üksteisest kuigivõrd. Lootus, et tihepulbitehnoloogia võimaldab tuhale lisatava vee kogust vähendada või settetiike aja jooksul isegi tühjaks töötada, ei täitunud. Seetõttu otsustati tihepulbitehnoloogia rakendamisest loobuda.

Balti Elektrijaama tuhaväljade pindala vähendamise võimalused

Balti Elektrijaama juures on mõeldav teine tuhaväli üldisest sademeveekogumissüsteemist lahutada ja rekultiveerida. Et teisele tuhaväljale tuhka juba pikemat aega ei ladestata, siis ei ole selleks suuri ümberkorraldusi vaja teha. Praegu kasutatakse teist tuhavälja vaid liigse tuhaväljavee aurustamiseks. Selleks on tuhaväli tuhast tammidega jagatud kaheteistkümneks üksteisest eraldatud pihustusseadmetega aurustustiigiks, kuhu tuhaväljade veesüsteemist pumbatakse leelisvett (pH 10–12).

Liigvee juurdetulekut süsteemi ei ole siiski õnnestunud täielikult vältida ja ilmselt on otstarbekas teine tuhaväli rekultiveerida juba lähitulevikus. Siis ei saastuks vees lahustuvate tuhast pärit ühenditega ka sellele tuhaväljale langev sademevesi. Selle vee võiks tuhaväljade praegusest veesüsteemist mööda otse loodusesse juhtida.

Väärib märkimist, et enne aurustustiikide rajamist oli teise tuhavälja pind aastate jooksul jõudnud juba osaliselt taimestikuga, peamiselt kasevõsaga kattuda. See kinnitab veel kord, et pikemat aega kasutamata tuhaväli ei ole loodusele väga ohtlik. Võib oletada, et suur osa tuhas algul leidunud vees lahustuvaist ühendeist (leelismetallide kloriidid ja sulfaadid ning vaba CaO) on aja jooksul leostunud ning tuhaväljalt settetiikidesse juhitud sademeveega ära kantud. Pikemat aega värske tuhaga mitte kokkupuutuv tuhaväljapind peaks aja jooksul olema muutunud vee suhtes vähelahustuvaks, võimalik et isegi mittelahustuvaks suhteliselt inertseks materjaliks.

Mida annaks teise tuhavälja väljaviimine üldisest tuhaveesüsteemist? Teine tuhaväli (ilma settetiigita umbes 4,09 km²) on umbes 38% Balti Elektrijaama tuhaväljade ja settetiikide üldpindalast (10,65 km²). Selle väljaviimine üldisest sademeveekogumissüsteemist vähendaks aastas sademetega lisanduva vee hulka 38 % ringis, s.o üle 2·10⁶ m³ võrra keskmisel aastal, vihmasel aastal muidugi vähem ja kuival rohkem. Et aastane liigveekogus on Balti Elektrijaamas (0–2)·10⁶ m³, siis nii suur vähenemine muudaks tuhaväljade veebilansi üldjuhul negatiivseks ning sadestustiikide veest tühjenemine elektrijaama töö käigus oleks täiesti mõeldav. See looks omakorda eeldused settetiikide tulevaseks rekultiveerimiseks.

Teise tuhavälja seisund

Et selgitada teise tuhavälja seisundit ja saada tuhavälja rekultiveerimisprogrammi väljatöötamiseks vajalikke andmeid, korraldati spetsiaalne uurimistöö, mille käigus võeti teiselt tuhaväljalt puursüdamikproove ning määrati laboris nende keemiline ja mineraloogiline koostis, vees leostuva aine sisaldus, survetugevus ja veejuhtivus (analüüside tegemisel osalesid peale TTÜ soojustehnika instituudi viimase tellimusel ka Eesti Geoloogiakeskuse OÜ laboratoorium, OÜ Eesti Keskkonnauuringute keskuse geotehnikalabor ja TTÜ materjaliuuringute keskus). Et puursüdamikproove kogu teise tuhavälja ulatuses ei võetud, siis võib saadud tulemuste põhjal tuhavälja seisundi kohta anda vaid ligikaudse hinnangu.

Põhijäreldused Balti EJ teise tuhavälja seisundi kohta on järgmised:

• tuhaväljasetete struktuur on kihiline, kusjuures kihtide tihedus, tugevus ja koostis kõigub üsna suurtes piirides. Kihtide koostise ja omaduste kindlat olenevust tuhakihi paiknemissügavusest kindlaks ei tehtud. Põhjus on ilmselt see, et tuhakihtide omadused ja koostis olenevad põhiliselt tuhakübemete separeerumistingimustest tuhavälja pinnal voolavast pulbist tuhakihi tekkimise ajal (millised tuhafraktsioonid teatud kohal välja sadestusid) ja ka parasjagu ladestatava tuha koostisest. Et tuhapulbi voolamistingimused tuhaväljal muutuvad, siis on erinevad ka tuhakihtide koostis ja omadused;
• tuhakihtide tihedus ja tugevus on seotud seda moodustanud tuhafraktsiooniga. Peeneteraline tuhk, mille sideaineomadused on põlevkivituhauuringute kohaselt tunduvalt paremad kui jämedamatel tuhafraktsioonidel, moodustab tihedaid, vett peaaegu mitteläbilaskvaid kihte, jämedatest fraktsioonidest tuhakihid on aga sõmerad ja purunevad tunduvalt kergemini;
• tihedatest kõvadest tuhakihtidest saadud puusüdamikproovide tugevuse uurimine näitas, et selliste kihtide survetugevus (2,4–10,3 MPa) on enam-vähem sama kui Eestis levinud liivakividel (Geotehnikalabori andmetel 1–10 MPa);
• puursüdamikproovide veeläbilaskvuse uurimine näitas, et tihedate ja kõvade tuhakihtide filtratsioonimoodul oli (0,15–16,1)·10^-9 m/s ning selle järgi kuuluvad sellised kihid vett mitte- või väheläbilaskvate pinnasekihtide hulka [2, 3]. Puursüdamikproovide alusel võib öelda, et tuhaväljadel leidub üsna palju paksemaid või õhemaid peaaegu veetihedaid tuhakihte. Nende andmete põhjal ei saa siiski teha järeldusi tuhavälja kui terviku veeläbilaskvuse kohta, sest üksikute tuhakihtide ulatuse kohta tuhaväljal ei saa väheste, kogu tuhavälja pinda mitte hõlmavate puursüdamike alusel otsustada;
• ka tuhaväljamaterjali keemilise ega mineraloogilise koostise kohta ei saanud kindlaks teha olenevust sellest, kui sügavalt puursüdamikproov võeti. See on ilmselt tingitud samadest põhjustest kui tuhaväjasetete kihiline struktuur;
• erilist huvi pakub tuhaväljamaterjali keemilis-mineraloogilise koostise juures aga see, et eranditult kõik puursüdamikproovid sisaldasid Ca(OH)₂, olenemata proovivõtukohast ja
• -sügavusest (nii teiselt kui ka katsetuhaväljalt võetud proovide Ca(OH)₂-sisaldus oli 4,18–14,27%). See näitab, et suur osa algul vaba lubjana tuhas sisaldunud CaO-st on reageerinud ainult veega ning et tuhaväljamaterjal sisaldab aastakümneid kestnud ladestamisajale vaatamata suurel hulgal tugevalt leeliselist ühendit. Tuhalademe pinnal voolav vesi nähtavasti takistab õhu (ja koos sellega CO₂) juurdepääsu ladestatavale tuhale ning tuhakihid kattuvad uue tuhaga enne, kui nendes sisalduv CaO on CO₂-ga täielikult reageerida jõudnud;
• nagu näitasid puursüdamikproovide leostamiskatsed (tuha ja vee suhe 1:5), sisaldab teise tuhavälja materjal kuni 2% (0,43–1,92%) vees lahustuvat ainet. Leostamislahus oli tuhaväljamaterjalis sisalduva ja leostamisel lahustuva Ca(OH)₂ tõttu tugevalt leelisene (pH valdavalt üle12). Et Ca(OH)₂ ja leostuva aine sisaldused olid proovides erinevad, siis on ilmne, et vesilahuse kõrge pH tõttu ei lahustunud suhteliselt vähelahustuv Ca(OH)₂ leostamiskatsetel kuigi täielikult. Et saada ettekujutust sellest, kui reostavalt ja kui pika aja jooksul mõjub tuhaväljamaterjal näiteks sademeveele, on vaja edaspidi korraldada täiendavaid uuringuid.

Kokkuvõte ja järeldused

Balti Elektrijaama tuhaväljade keskkonnaohtlikkuse vähendamise võimaluste kohta võib teha järgnevad järeldused:

• Ungari firma EGI soovitatud tihepulbitehnoloogial põhinev tuhaärastamismeetod põlevkivielektrijaamades soovitud tulemusi ei anna. Peamised põhjused on tuhakivist kattekihi ebatihedus, tiheda pulbi halb laialivalgumine tuhavälja pinnal ja see, et tuhakivi veesidumisvõime ei ole tavalise hüdrotuhaärastusmeetodil ladestatava põlevkivituha omast suurem;
• Balti Elektrijaama tuhaväljade veesüsteemi lisanduva vee hulga vähendamiseks oleks esimeses lähenduses kõige otstarbekam käesoleval ajal tuha ladestamiseks mittekasutatav teine tuhaväli süsteemist lahutada ja rekultiveerida;
• teise tuhavälja rekultiveerimisprojekti koostamisel tuleb arvestada, et tuhaväljamaterjal sisaldab tugevasti leeliselist Ca(OH)₂, mis võib sellega kokku puutuvat vett reostada. Seetõttu tuleb tuhaväli tõenäoliselt katta;
• et tuhaväljas on vett vähe- või mitteläbilaskvaid tihedaid kihte, võib oletada, et tuhavälja sisemised tuhakihid tuhaväljale sadava veega eriti kokku ei puutu ning sademevett oluliselt ei reosta;
• laboratoorsete uuringute põhjal püüti arvutada tuhaväljades seotava CO₂ Arvutuses lähtuti aastatel 1981–1995 elektrijaamades põletatud põlevkivi tuha- ja karbonaatse CO₂ sisaldusest, väljadele ladestatud tuha osakaalust kogu tuhahulgas ning puursüdamikproovide CO₂-sisaldusest. Arvutus näitas, et tuhaväljadele ladestatud tuhk seob umbes 10–20% sellest CO₂ hulgast, mis põlevkivi põletamisel koldes karbonaatide lagunemisel tekib ja atmosfääri heidetakse.

ALLIKMATERJALID

1. Eesti Vabariikliku Taimse Materjali Kontrolli Keskuse Sertifikaat nr. CS 003697, 11.09.2000.
2. ГОСТ 25100 – 95. Грунты. Классификация. Межгосударственная НТ комиссия по стандартизации и техническому нормированию в строительстве (МНТКС), Москва.
3. Civil and Environmental Engineering Test Equipment. 9^th Edition Catalogue. ELE International Ltd, England.

Vt Keskkonnatehnikas 2007.–2013. a ilmunud artikleid siit