Microbial life and deposits in paper machine circuits

Väitöskirjani käsittele mikrobien ja erilaisten kemikaalien rooleja saostumien ja biofilmien muodostumisessa paperi- ja kartonkikoneilla. "Saostuma" tässä työssä tarkoittaa kiinteän aineen kertymää konepinnoille tai rajapinnoille konekierroissa, jotka on tarkoitettu massasulppujen, lietteiden, vesien tai ilman kuljetukseen. Saostumasta tulee "biofilmi" silloin kun sen oleellinen rakennekomponentti on mikrobisolut tai niiden tuotteet. Väitöstyöni työhypoteesina oli, että i. tietämys saostumien koostumuksesta, sekä ii. niiden rakenteesta, biologisista, fysikaalis-kemiallisista ja teknisistä ominaisuuksista ohjaavat tutkijaa löytämään ympäristöä säästäviä keinoja estää epätoivottujen saostumien muodostus tai purkaa jo muodostuneita saostumia. Selvittääkseni saostumien koostumista ja rakennetta käytin monia erilaisia analytiikan työkaluja, kuten elektronimikroskopiaa, konfokaali-laser mikroskopiaa (CLSM), energiadispersiivistä röntgenanalyysiä (EDX), pyrolyysi kaasukromatografiaa yhdistettynä massaspektrometriaan (Py-GCMS), joninvaihtokromatografiaa, kaasukromatografiaa ja mikrobiologisia analyysejä. Osallistuin aktiivisesti innovatiivisen, valon takaisinsirontaan perustuvan sensorin kehittämistyöhön, käytettäväksi biofilmin kasvun mittaukseen suoraan koneen vesikierroista ja säiliöistä. Työni osoitti, että monet paperinvalmistuksessa käytetyistä kemikaaleista reagoivat keskenään tuottaen orgaanisia tahmakerroksia konekiertojen teräspinnoille. Löysin myös kerrostumia, jotka valomikroskooppisessa tarkastelussa oli tulkittu mikrobeiksi, mutta jotka elektronimikroskopia paljasti alunasta syntyneiksi, alumiinihydroksidiksi joka saostui pH:ssa 6,8 kiertokuitua käyttävän koneen viiravesistä. Monet paperintekijät käyttävät vieläkin alunaa kiinnitysaineena vaikka prosessiolot ovat muuttuneet happamista neutraaleiksi. Sitä pidetään paperitekijän "aspiriinina", mutta väitöstutkimukseni osoitti sen riskit. Löysin myös orgaanisia saostumia, joiden alkuperä oli aineiden, kuten pihkan, saippuoituminen (kalsium saippuat) niin että muodostui tahmankasvua ylläpitävä alusta monilla paperi- ja kartonkikoneilla. Näin solumuodoiltaan Deinococcus geothermalista muistuttavia bakteereita kasvamassa lujasti teräskoepalojen pintaan kiinnittyneinä pesäkkeinä, kun koepaloja upotettiin paperikoneiden vesikiertoihin. Nämä deinokokkimaiset pesäkkeet voivat toimia jalustana, tarttumisalustana muiden mikrobien massoille, joka selittäisi miksi saostumat yleisesti sisältävät deinokokkeja pienenä, muttei koskaan pääasiallisena rakenneosana. Kun paperikoneiden käyttämien vesien (raakavedet, lämminvesi, biologisesti puhdistettu jätevesi) laatua tutkitaan, mittausmenetelmällä on suuri merkitys. Koepalan upotusmenetelmällä todettu biofilmikasvu ja viljelmenetelmällä mitattu bakteerisaastuneisuus korreloivat toisiinsa huonosti etenkin silloin kun likaantumisessa oli mukana rihmamaiseti kasvavia bakteereja. Huoli ympäristöstä on pakottanut paperi- ja kartonkikoneiden vesikiertojen sulkemiseen. Vesien kierrätys ja prosessivesien uudelleenkäyttö nostavat prosessilämpötilaa ja lisäävät koneella kiertävien kolloidisten ja liuenneiden aineiden määriä. Tutkin kiertovesien pitoisuuksia kolmessa eriasteisesti suljetussa tehtaassa, joiden päästöt olivat 0 m3, 0,5 m3 ja 4 m3 jätevettä tuotetonnia kohden, perustuen puhdistetun jäteveden uudelleen käyttöön. Nollapäästöisellä tehtaalla kiertovesiin kertyi paljon orgaanisesti sidottua hiiltä (> 10 g L-1), etenkin haihtuvina happoina (maito-, etikka-, propioni- ja voi-). Myös sulfaatteja, klorideja, natriumia ja kalsiumia kertyi paljon, > 1 g L-1 kutakin. Pääosa (>40%) kaikista bakteereista oli 16S rRNA geenisekvenssianalyysien tulosten perusteella sukua, joskin etäistä (< 96%) ainoastaan Enterococcus cecorum bakteerille. 4 m3 päästävältä tehtaalta löytyi lisäksi Bacillus thermoamylovorans ja Bacillus coagulans. Tehtaiden saostumat sisälsivät arkkeja suurina pitoisuuksina, ≥ 108 g-1, mutta tunnistukseen riittävää sekvenssisamanlaisuutta löytyi vain yhteen arkkisukuun, Methanothrix. Tutkimustulokset osoittivat että tehtaan vesikiertojen sulkeminen vähensi rajusti mikrobiston monimuotoisuutta, muttei estänyt liuenneen aineen ja kiintoaineen mineralisoitumista.

Biomassan energia-arvon nostaminen sekundäärilämmöllä kuivaamalla

Viime aikoina ilmastonmuutos, fossiilisten polttoaineiden väheneminen ja niiden hinnan nousu ovat lisänneet merkittävästi maailmanlaajuista kiinnostusta uusiutuviin energiavaroihin. Suomessa uusiutuvien energialähteiden käytössä on jo pitkään panostettu metsäteollisuuden sivutuotevirtana tuottamaan puuperäiseen biomassaan, jota metsäteollisuus käyttää energiantuotantoonsa. Metsäteollisuuden jätevesien käsittelyssä syntyy erilaisia lietteitä, jotka joko uusiokäytetään tai hävitetään polttamalla tai sijoittamalla kaatopaikalle. Erityisesti biolietteiden uusiokäyttö on hankalaa ja kaatopaikkasijoitus tulevaisuudessa mahdotonta tai ainakin kustannuksiltaan kohtuutonta. Käytännössä liete hävitetään polttamalla ja kuivaamalla siitä tulee polttoaine. Lietteiden energiakäyttö on järkevin tapa hävittää jäteliete. Lietteiden korkean vesipitoisuuden vuoksi ne tulee kuitenkin kuivata ennen polttoa. Lietteen kuivaaminen sekundäärienergiavirralla eli metsäteollisuusprosesseissa sivutuotteena muodostuvalla ns. hukkalämmöllä lisää lietteen poltosta saatavaa energiamäärää ja korvaa fossiilisten polttoaineiden käyttöä. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää lietteen kuivaukseen optimaalisin kuoren ja lietteen seossuhde eri kuivausparametrejä vaihdellen. Kokeellinen työ aloitettiin rakentamalla energiatekniikan koehalliin laboratoriokokoluokan kiintopetikuivuri, jossa kuivumista tutkittiin puhaltamalla polttoainepedin läpi lämmitettyä ilmaa. Kuivattavina polttoaineina olivat kuoren ja lietteen seos tai pelkkä kuori ja liete erilaisilla massoilla ja erilaisilla prosenttisilla suhteilla ja erilaisissa lämpötiloissa. Kuivumiskäyrien määritys perustui massanmuutokseen. Koelaitteessa olivat anturit lämpötilan mittausta varten, jotta lämpötila saatiin säädettyä ja seurattua kokeen edellyttämällä tavalla. Lämpötilat ja painonmuutokset tallentuivat koetta tehdessä tietokoneelle. Kuivauskokeet osoittivat, että liete-kuori seos kuivuu hyvin kiintopedissä kun lietteen massaosuus seoksessa on korkeintaan 50 %. Lietteen massaosuuden ollessa tätä suurempi kuivaaminen ei enää ole tehokasta, mikä johtuu luultavasti ilman suuresta kanavoitumisesta kuivauspedissä. Kuorta kuivatessa lämpötilan nosto 50 °C:stä 70 °C:een oli huomattavasti tehokkaampaa kuin 70 °C:stä 90 °C:een, ajallisesti ero oli noin kaksinkertainen.

Jäteveden kemiallisen puhdistuksen teoriaa. Jäteveden kemiallisia puhdistuskokeita ferrikloridilla ja kalkilla

Theory of chemical waste water treatment. Pilot plant tests on chemical precipitation with ferric chloride and lime.

Teollisuusjätevesien sadetustyöryhmän loppuraportti

Spray irrigation of industrial waste water.

Jätevesilietteen raskasmetalleista ja hygieenisistä määrityksistä Suomessa

On heavy metals and hygienic determinations of waste water sludges in Finland.

Jätevesien vaikutus järvien rehevöittäjänä

Engl. summary: The effect of waste water on lake recipient

Teollisuuden jätevedet

Engl. summary: Industrial waste water

Tutkimuksia jätevesilietteen kunnostuksesta ja koneellisesta kuivauksesta

Engl. summary: Studies on conditioning and mechanical dewatering of waste water sludge

Phytoplankton quantity as an indicator of eutrophication in Finnish coastal waters : Applications within the Water Framework Directive

The tackling of coastal eutrophication requires water protection measures based on status assessments of water quality. The main purpose of this thesis was to evaluate whether it is possible both scientifically and within the terms of the European Union Water Framework Directive (WFD) to assess the status of coastal marine waters reliably by using phytoplankton biomass (ww) and chlorophyll a (Chl) as indicators of eutrophication in Finnish coastal waters. Empirical approaches were used to study whether the criteria, established for determining an indicator, are fulfilled. The first criterion (i) was that an indicator should respond to anthropogenic stresses in a predictable manner and has low variability in its response. Summertime Chl could be predicted accurately by nutrient concentrations, but not from the external annual loads alone, because of the rapid affect of primary production and sedimentation close to the loading sources in summer. The most accurate predictions were achieved in the Archipelago Sea, where total phosphorus (TP) and total nitrogen (TN) alone accounted for 87% and 78% of the variation in Chl, respectively. In river estuaries, the TP mass-balance regression model predicted Chl most accurately when nutrients originated from point-sources, whereas land-use regression models were most accurate in cases when nutrients originated mainly from diffuse sources. The inclusion of morphometry (e.g. mean depth) into nutrient models improved accuracy of the predictions. The second criterion (ii) was associated with the WFD. It requires that an indicator should have type-specific reference conditions, which are defined as "conditions where the values of the biological quality elements are at high ecological status". In establishing reference conditions, the empirical approach could only be used in the outer coastal water types, where historical observations of Secchi depth of the early 1900s are available. The most accurate prediction was achieved in the Quark. In the inner coastal water types, reference Chl, estimated from present monitoring data, are imprecise - not only because of the less accurate estimation method but also because the intrinsic characteristics, described for instance by morphometry, vary considerably inside these extensive inner coastal types. As for phytoplankton biomass, the reference values were less accurate than in the case of Chl, because it was possible to estimate reference conditions for biomass only by using the reconstructed Chl values, not the historical Secchi observations. An paleoecological approach was also applied to estimate annual average reference conditions for Chl. In Laajalahti, an urban embayment off Helsinki, strongly loaded by municipal waste waters in the 1960s and 1970s, reference conditions prevailed in the mid- and late 1800s. The recovery of the bay from pollution has been delayed as a consequence of benthic release of nutrients. Laajalahti will probably not achieve the good quality objectives of the WFD on time.    The third criterion (iii) was associated with coastal management including the resources it has available. Analyses of Chl are cheap and fast to carry out compared to the analyses of phytoplankton biomass and species composition; the fact which has an effect on number of samples to be taken and thereby on the reliability of assessments. However, analyses on phytoplankton biomass and species composition provide more metrics for ecological classification, the metrics which reveal various aspects of eutrophication contrary to what Chl alone does.

Toxicant distributions and impact models in environmental risk analysis of waste sites

Myrkyllisten aineiden jakaumat ja vaikutusmallit jätealueiden ympäristöriskien analyysissä.