Juho Uzkurt Kaljusen väitöstyössä kehittämä jätevedenkäsittelylaite erottelee ja kerää talteen hyödyllisen typen ja fosforin ravinnerikkaista jätevesistä. Aiemmin hukkaan päätyneet ravinteet saadaan kiertoon ja voidaan myydä takaisin lannoiteteollisuudelle.
– Väitöstyön tärkein löydös oli tämä oma teknologia. Sen pohjalle perustimme yrityksen, joka tarjoaa taloudellisen keinon tuottaa näitä kiertoravinteita puhtaassa muodossa, kertoo Juho Uzkurt Kaljunen.
TEKin ja TFiFin 7 500 euron väitöskirjapalkinto jaetaan vuosittain tunnustuksena kansainvälisesti korkeatasoisesta väitöskirjasta, joka edistää merkittävästi tekniikan alan osaamista Suomessa. Kaljusen väitöskirja etsi vastausta kysymykseen, kuinka sulkea ravinnekierto.
Typen ja fosforin kannattava kerääminen jätevesistä olisi maailmaa muuttava teknologia.
– Ravinteet, kuten typpi ja fosfori, ovat yhtä elintärkeitä kuin vesi itsessään, Kaljunen kertoo.
Keinolannoitus mahdollisti väestönkasvun
Viimeisen 150 vuoden nopea väestönkasvu on suurelta osin keinolannoitteiden tehostaman ruuantuotannon ansiota. Lannoitteiden fosfori kaivetaan maasta ja typpi erotetaan ilmasta. Molempiin liittyy ongelmia.
Fosfori päätyi jo kymmenen vuotta sitten EU:n kriittisten raaka-aineiden listalle. Typpeä taas ilmakehässä riittää, mutta sen erottaminen on suuri päästöjen lähde.
Nykyisten typpilannoitteiden raaka-aine on ammoniakki. Sitä valmistetaan vedystä ja ilmakehän typestä Haber–Bosch-synteesissä, usein 1900-luvun tärkeimmäksi keksinnöksi mainitussa teollisuusprosessissa.
Synteesin tarvitsema vety syntyy yleensä hajottamalla maakaasua kuuman vesihöyryn avulla. Sivutuotteena syntyy enemmän hiilidioksidipäästöjä kuin missään muussa kemianteollisuuden prosessissa.
Suomen pelloille kylvetään nykyisin noin 150 000 tonnia typpeä ja 11 000 tonnia fosforia joka vuosi. Luonnonvarakeskuksen laskelmien mukaan jätevesien ja biojätteiden sisältämällä kierrätysfosforilla voisi kattaa koko vuotuisen fosforintarpeen, mutta ongelmatonta sen saaminen hyötykäyttöön ei ole.
Typen tarpeesta kierrätys kattaisi noin 20–30 prosenttia, arvioi Kaljunen.
– Me tarvitsemme kaikki mahdolliset työkalut fossiilisen ammoniakin korvaamiseksi.
Typpi ja fosfori kiertoon
Aalto-yliopiston vesilaboratorion NPHarvest-tutkimusprojekti ryhtyi vuonna 2016 kehittämään taloudellisesti kannattavaa menetelmää fosforin ja typen talteenottoon jätevesistä. Kaljunen liittyi tutkijajoukkoon diplomityöntekijänä vuonna 2017. Tuolloin laboratoriossa oli valmiina ensimmäinen versio typpeä talteen ottavasta kalvoerottimesta.
– Rakensin diplomityössäni reaktorista jatkuvatoimisen, kertoo Kaljunen.
Näin menetelmää voitiin hyödyntää ympäri vuorokauden toimivissa vedenpuhdistamoissa.
Väitöstutkijana hän kehitti erotustekniikkaa eteenpäin. Typen talteenoton rinnalle Kaljunen tutkijakollegoineen löysi tavan tehostaa fosforin talteenottoa nestemäisistä jätejakeista.
NPHarvest-laitteistoa on vuosien varrella pilotoitu muun muassa jätevedenpuhdistamoilla Helsingin Viikinmäessä ja Ruotsin Helsingborgissa sekä Gasumin biokaasulaitoksella Riihimäellä.
Koelaitteiston kalvokontaktori on kerännyt parhaimmillaan yli 90 prosenttia vedenpuhdistamoiden ravinnerikkaiden rejektivesien typestä. Fosforin poistossa tutkijat käyttivät saostuskemikaalina yleisempien metallisuolojen sijasta halpaa kalkkia.
– Kaikissa pilottikohteissa on kalkin avulla saatu aika helposti pois 90 prosenttia fosforista.
NPHarvest-prosessin hienous on, että typpi saadaan talteen puhtaassa muodossa, ilman jäteveteen sekoittuneita haitta-aineita. Lopputuotteena syntyy ammoniumsulfaattia, joka on lannoiteteollisuuden yleisesti käyttämä raaka-aine.
Tätäkin parempi uutinen on, että uusi prosessi on huomattavasti energia- ja kustannustehokkaampi kuin käytössä olevat menetelmät.
Ravinteiden talteenotto jätevedenpuhdistamoilta tai biokaasulaitoksista yleistyy vain, jos se on kannattavaa liiketoimintaa jätteen tuottajalle ja kierrätyslannoitteet ovat samalla viivalla väkilannoitteiden kanssa, muistuttaa Kaljunen.
Tuore startup-yrittäjä uskoo vakaasti, että väitöskirjan opit kaupallistamalla tämä on tulevaisuudessa todellisuutta.
Globaali bisnesmahdollisuus
Suomessa jätevesien käsittely on ympäristön kannalta hyvällä tolalla. Merkittävä osa vesistöjä rehevöittävistä ravinteista puhdistetaan jätevesistä, mutta hyötykäyttöön ravinteet eivät päädy.
Jätevedenpuhdistamojen biologinen typenpoisto kuluttaa energiaa – ja vapauttaa typen takaisin ilmakehään. Fosforia taas saostetaan metallisuolojen avulla. Se vaikeuttaa niiden jatkojalostusta lannoitekäyttöön.
Globaalisti lannoitteiden kierrätys on vielä suurempi bisnesmahdollisuus. Arviolta 80 prosenttia maailman jätevesistä ei puhdisteta tai käytetä uudestaan. Tällöin arvokkaat materiaalit jätevedessä hukataan – ja niistä tulee ympäristöongelma. Typpi ja fosfori rehevöittävät luonnonvesiä, kun ne kulkeutuvat vesistöihin maatalouden valumavesien tai jätevesien mukana.
– Meidän pitäisi siirtyä kiertotaloudelliseen ajatteluun. Jos me kaivamme fosforia maasta ja käytämme sitä lannoitteena, niin fosforin määrää maaperässä ja vesistöissä kasvaa. Sama käy typpilannoitteiden kanssa. Näin me muutamme ympäristöä pitkällä aikavälillä.
Typen ja fosforin määrä ravinnekierrossa onkin jo ylittänyt roimasti kansainvälisen tutkijaryhmän määrittämät ihmisten elinolosuhteisiin vaikuttavat planeetan kantokyvyn rajat.
Tavoitteet maailmalla
NPHarvest-yrityksen ensi askeleet näyttävät hyvältä. Huhtikuussa 2024 yritys kertoi keränneensä 2,2 miljoonan euron rahoituksen ravinteiden talteenottolaitteiston tuomiseksi markkinoille.
Väitöskirjapalkinnon luovuttamisen aikaan marraskuussa rakenteilla on ensimmäinen merikonttiin pakattu demolaitteisto, jonka voi vuokrata osaksi omaa jätevesiprosessiaan.
Käsittelykapasiteettikin kasvaa huimasti väitöstyöhön verrattuna. Yrityksen ensimmäiseen demolaitteistoon tulee 20 typpeä keräävää kalvokontaktoria, väitöskirjan laitteistossa niitä oli yksi ainoa.
– Olemme mallintaneet niiden yhteistoiminnan tietokoneella, mutta se tarvitsee vielä käytännön validaation.
Tavoitteet ovat korkealla. 10–15 vuoden aikajänteellä NPHarvest aikoo olla iso peluri globaalissa kierrätysravinnebisneksessä.
- Katso Juho Uzkurt Kaljusen videohaastattelu.
”Väitöskirja syntyy siinä sivussa”
Juho Uzkurt Kaljunen saa vuoden parhaan tekniikan alan väitöskirjan teon kuulostamaan helpolta.
– Väitöskirja syntyy siinä sivussa, samalla kun kehitimme teknologiaa.
Ensimmäinen vuosi yrittäjänä on johdattanut aivan uusien haasteiden eteen.
– Ei riitä, että kehittää teknologiaa, vaan täytyy hoitaa se kaikki muu: markkinointi, asiakasvuoropuhelu, rahoitus. Pienelle tiimille siinä on tekemistä. Tutkimuksen kaupallistaminen on paljon vaikeampaa kuin väitöskirjan tekeminen.
– Tutkijana oletti helposti, että järkevät asiat vain tapahtuvat, että esimerkiksi viljelijät tietenkin haluavat saada ravinteet kiertoon.
Ensimmäistä asiakasta metsästävän yrityksen pyörittäjänä näkee asian todellisen laidan.
– Viljelijöille tärkein asia on, että sato kasvaa, ei ravinteiden kierrätys.
Kierrätysravinteet menestyvät vain, jos niiden hinta on viljelijälle kilpailukykyinen.
Juho Uzkurt Kaljusen tie tekniikan tohtoriksi
1992. Syntyy Helsingissä.
2008. Aloittaa Helsingin matematiikkalukiossa Maunulassa. Kouluvalinta ja tutkijavanhempien esimerkki ohjasivat yliopistouralle.
2012. Opiskelijaksi Aalto-yliopistoon.
”Kemian osaston biotuotetekniikan opintosuunta vaikutti kiinnostavalta.”
2014. Biotuotetekniikan ohjelma lopetetaan, laatii oman maisteritason opinto-ohjelman, joka yhdisteli kemian laitoksen ympäristöaiheisia kursseja ja insinööritieteiden korkeakoulun vesikursseja.
2018. Vesitekniikan tutkimusryhmässä syntynyt diplomityö jätevesien typen talteenotosta valmistuu, jatkaa väitöskirjatutkijana aiheen parissa.
2021. Ravinteita keräävää laitteistoa testataan jätevedenpuhdistamoilla Helsingissä ja Ruotsin Helsingborgissa.
2023. Väitöskirja ”Waste nutrients harvested: Design and evaluation of nitrogen and phosphorus recovery processes utilizing membrane contactor and adsorption techniques” hyväksytään Aalto-yliopiston insinööritieteiden korkeakoulussa.
2024. Väitöskirja palkitaan TEKin ja TFiFin vuoden väitöskirjana, teknologiaa kaupallistava NPHarvest kerää 2,2 miljoonan euron rahoituksen.
Mitä haluaisit saada aikaan tekniikan tohtorina?
– Haluan tuoda ravinteiden talteenoton normiksi jäteveden käsittelyyn. Jäteveden käsittelyn pitäisi olla resurssien talteenottoa, josta saa energiaa, hiiltä, puhdasta vettä ja ravinteita.
Suosikkileikkikalu?
Pitkäjousi. – Se on perinteinen jousiammuntaväline ilman mitään hilavitkuttimia, pelkkä kaari ja jänne. Askartelin itse puunuoliakin.
Lempiharrastus
– Videopelejä pelaan ehtiessäni. Tykkään myös kamppailulajeista, Krav Magaa haluaisin jatkaa, mutta kotona meillä on yksivuotias muksu, iltoja on aika vähän vapaana.