Mädätysjäännöksen tuotteistamismahdollisuudet Kymenlaaksossa

Biokaasun tuotantoa ollaan selvästi lisäämässä Suomessa. Biokaasutuksen kokonaishyödyn kannalta on olennaista, että mädätyksen lopputuote eli mädätysjäännös saadaan lannoitekäyttöön. Tämän työn tavoitteena oli selvittää Kymenlaakson Jäte Oy:n mahdollisuuksia tuotteis-taa Kymen Bioenergia Oy:n yhteismädätyslaitoksen mädätysjäännöstä. Työssä keskityttiin hyötykäyttövaihtoehdoista lannoitekäyttöön maanviljelyssä sekä tilanteeseen jossa mädätyslaitos käsittelee sekä puhdistamolietettä että biojätettä ja mädätysjäännös kuivataan mekaanisesti. Mekaanisesti kuivatun mädätysjäännöksen ensisijaiset tuotteistamisvaihtoehdot maanviljelyyn ovat joko jäännös sellaisenaan tai termisesti kuivattuna ja rakeistettuna, eli kuivarakeena. Mäkikylän laitoksen mädätysjäännöksen arvo peltolannoitteena on syyskuun 2010 keinolannoit-teiden hintaan vertaamalla sellaisenaan noin 1–20 €/t ja kuivarakeena noin 2–60 €/t. Arvo riippuu siitä, miten tuotteiden typpeä ja fosforia huomioidaan kasveille käyttökelpoiseksi. Täl-lä hetkellä käyttökelpoisin tapa on ympäristötuen puhdistamolietetuotteita koskevien ehtojen mukaisesti ottaa huomioon vesiliukoinen typpi ja 40 % kokonaisfosforista. Tällöin mädätys-jäännöksen arvo on noin 6 €/t ja kuivarakeen n. 18 €/t. Käytön kannalta kuivarae on helpompi vaihtoehto ja alueen viljelijät ovat heille tehdyn kyselyn mukaan varsin kiinnostuneita kuivarakeesta lannoitteena. Muista tuotteistusvaihtoehdoista termisesti kuivaamalla mädätysjäännöksen tehollinen lämpö-arvo saapumistilassa on noin 10 MJ/kg. Vastaava arvo jyrsinturpeen kesäkuun 2010 hinnan mukaan on noin 30 €/t. Tuotteen soveltuvuus polttoon tulee silti varmistaa. Termisesti kuiva-tulla mädätysjäännöksellä on tuotteistamismahdollisuuksia hieman laajemmin kuin kompostoidulla. Kompostoidun mädätysjäännöksen tuotteistamisen lähtökohta on lähinnä viherrakentaminen. Maanviljelykäyttöä ajatellen mädätysjäännöstä ei välttämättä tarvitse kompostoida.

Sewage Sludge Electro-Dewatering

Original sludge from wastewater treatment plants (WWTPs) usually has a poor dewaterability. Conventionally, mechanical dewatering methods are used to increase the dry solids (DS) content of the sludge. However, sludge dewatering is an important economic factor in the operation of WWTPs, high water content in the final sludge cake is commonly related to an increase in transport and disposal costs. Electro‐dewatering could be a potential technique to reduce the water content of the final sludge cake, but the parameters affecting the performance of electro‐dewatering and the quality of the resulting sludge cake, as well as removed water, are not sufficiently well known. In this research, non‐pressure and pressure‐driven experiments were set up to investigate the effect of various parameters and experimental strategies on electro‐dewatering. Migration behaviour of organic compounds and metals was also studied. Application of electrical field significantly improved the dewatering performance in comparison to experiments without electric field. Electro‐dewatering increased the DS content of the sludge from 15% to 40 % in non‐pressure applications and from 8% to 41% in pressure‐driven applications. DS contents were significantly higher than typically obtained with mechanical dewatering techniques in wastewater treatment plant. The better performance of the pressure‐driven dewatering was associated to a higher current density at the beginning and higher electric field strength later on in the experiments. The applied voltage was one of the major parameters affecting dewatering time, water removal rate and DS content of the sludge cake. By decreasing the sludge loading rate, higher electrical field strength was established between the electrodes, which has a positive effect on an increase in DS content of the final sludge cake. However interrupted voltage application had anegative impact on dewatering in this study, probably because the off‐times were too long. Other factors affecting dewatering performance were associated to the original sludge characteristics and sludge conditioning. Anaerobic digestion of the sludge with high pH buffering capacity, polymer addition and freeze/thaw conditioning had a positive impact on dewatering. The impact of pH on electro‐dewatering was related to the surface charge of the particles measured as zeta‐potential. One of the differences between electro‐dewatering and mechanical dewatering technologies is that electro‐dewatering actively removes ionic compounds from the sludge. In this study, dissolution and migration of organic compounds (such as shortchain fatty acids), macro metals (Na, K, Ca, Mg, Fe) and trace metals (Ni, Mn, Zn, Cr) was investigated. The migration of the metals depended on the fractionation and electrical field strength. These compounds may have both negative and positive impacts on the reuse and recycling of the sludge and removed water. Based on the experimental results of this study, electro‐dewatering process can be optimized in terms of dewatering time, desired DS content, power consumption and chemical usage.

Intensification of Operation of Inclined Plate Settler at Fertilizer Plant

Fertilizer plant’s process waters contain high concentrations of nitrogen compounds, such as ammonium and nitrate. Phosphorus and fluorine, which originate from phosphoric acid and rock phosphate (apatite) used in fertilizer production, are also present. Phosphorus and nitrogen are the primary nutrients causing eutrophication of surface waters. At fertilizer plant process waters are held in closed internal circulation. In a scrubber system process waters are used for washing exhaust gases from fertilizer reactors and dry gases from granulation drums as well as for cooling down the fertilizer slurry in neutralization reactor. Solids in process waters are separated in an inclined plate settler by gravitational sedimentation. However, the operation of inclined plate settler has been inadequate. The aim of this thesis was to intensify the operation of inclined plate settler and thus the solids separation e.g. through coagulation and/or flocculation process. Chemical precipitation was studied to reduce the amount of dissolved species in process waters. Specific interest was in precipitation of nitrogen, phosphorus, and fluorine containing specimens. Amounts of phosphorus and fluorine were reduced significantly by chemical precipitation. When compared to earlier studies, annual chemical costs were almost eight times lower. Instead, nitrogen compounds are readily dissolved in water, thus being difficult to remove by precipitation. Possible alternative techniques for nitrogen removal are adsorption, ion exchange, and reverse osmosis. Settling velocities of pH adjusted and flocculated process waters were sufficient for the operation of inclined plate settler. Design principles of inclined plate settler are also presented. In continuation studies, flow conditions in inclined plate settler should be modelled with computational fluid dynamics and suitability of adsorbents, ion exchange resins, and membranes should be studied in laboratory scale tests.

Potential of energy and nutrient recovery from biodegradable waste by co-treatment in Lithuania

Biodegradable waste quantities in Lithuania and their potential for the co-treatment in renewable energy and organic fertilizer production are investigated. Two scenarios are formulated to study the differences of the amounts of obtainable energy and fertilizers between different ways of utilization. In the first scenario, only digestion is used, and in the second scenario, other materials than straw are digested, and straw and the solid fraction of sewage sludge digestate are combusted. As a result, the amounts of heat and electricity, as well as the fertilizer amounts in the counties are obtained for both scenarios. Based on this study, the share of renewable energy in Lithuania could be doubled by the co-treatment of different biodegradable materials.

The environmental effectiviness of alternative agri-environmental policy reforms : theoretical and empirical analysis

Selostus: Maatalouden ympäristöpolitiikan reformien tehokkuus ravinnepäästöjen vähentämisessä - teoreettinen ja empiirinen analyysi

Kalkkisaostuslaitteiston suunnittelu Biolan Oy:n lannoite- ja kasvualustatehtaan varastoja ja kompostointikentältä tulevien suoto- ja hulevesien käsittelyyn

Tässä diplomityössä oli tavoitteena löytää ratkaisu Biolan Oy:n lannoiteja kasvualustatehtaan varastoja kompostointikentältä tulevien suotoja hulevesien käsittelyyn. Erityisenä kiinnostuksen kohteena oli suotoja hulevesien sisältämän fosforin poistamisen ratkaisun löytäminen. Ratkaisua päätettiin lähteä hakemaan kemiallisen saostuksen kautta. Fosforin kemiallinen saostus toteutetaan nykypäivänä useimmiten raudan ja alumiini yhdisteiden avulla, mutta tämän työn lähtökohtana oli saostuksen suorittaminen kalkilla. Yhtenä työn lähtökohtana oli myös muodostuvan, fosforipitoisen, kalkkisakan hyödyntäminen Biolan Oy:n kasvualustatehtaan tuottamien kasvualustojen ravinnelähteenä, jolloin yleisesti ongelmana pidetty jätevesiliete muuttuu mahdollisuudeksi.

Naudan lietelannan käsittelymenetelmien taloudellinen vertailu

Maataloudessa syntyvä lanta on arvokas lannoite ja maanparannusaine, jonka käsittelystä aiheutuu sekä kustannuksia että ympäristövaikutuksia. Muita haasteita ovat esimerkiksi lannan mikrobit, lannan levitykseen soveltuvan ajankohdan lyhyys, lannan ravinteiden sovittaminen kasvien tarpeisiin ja lannan ravinteiden määrä suhteessa levityskelpoisen peltoalan määrään. Tutkimuksen tavoitteena oli tunnistaa naudan lietelannan käsittelyketjuihin liittyvät kustannukset ja osoittaa eri käsittelyketjujen kustannusten eroavaisuudet. Tavoitteena oli myös tunnistaa ja osoittaa käsittelyketjujen laadulliset erot. Kustannukset selvitettiin kustannuslaskelmin ja laadulliset erot SWOT-menetelmällä. Tutkimuksen kohteeksi valittiin 6 tilakokoluokkaa ja käsittelyketjuiksi lietelanta-, kompostointi- ja mädätysketju. Tutkimuksessa alhaisimmat kustannukset olivat lietelantaketjulla, jonka kustannukset 25 – 250 naudan tilalla olivat 5 200 – 6 600 €/a ja yksikkökustannukset 1 – 9 €/m3. Mädätysketjun kustannukset vastaavissa tilakokoluokissa olivat noin 33 000 – 50 000 €/a ja yksikkökustannukset 8 – 55 €/m3. Kompostointiketjun kustannukset olivat 35 000 – 143 000 €/a ja yksikkökustannukset 24 – 58 €/m3. Lietelantaketjun edullisuus johtui vähäisistä laite- ja rakennusinvestoinneista ja pienistä työmääristä ja kompostointiketjun kalleus suurista tukiaine- ja investointikustannuksista. Käsittelyketjujen asettaminen paremmuusjärjestykseen oli hankalaa. Työn määrä oli pienin lietelantaketjussa ja toiseksi pienin suurilla tiloilla mädätysketjussa. Kompostointiketjulla itse levitykseen kuluva aika oli pienin. Ravinteiden osalta mädätysketju oli parhain ja kompostointiketju huonoin. Ympäristövaikutuksiltaan ja hajuhaitoiltaan kompostointi- ja mädätysketju olivat parhaimmat. Mikrobien osalta parhain oli kompostointiketju.

Aqueous photocatalytic oxidation of steroid estrogens

Concerns have increased regarding the detection of endocrine-disrupting compounds in the effluents of sewage treatment plants (STPs). These compounds are able to disrupt normal function of the endocrine system of living organisms even at trace concentrations. Natural and synthetic steroid estrogens (SEs) are believed to be responsible for the majority of the endocrine-disrupting effects. Municipal sewage, the main source of SEs in the environment, is a complex mixture of a wide range of pollutants at concentrations much higher than those of SEs. Low concentrations of SEs in the presence of copollutants thus make their removal problematic. The main objectives of the present work were to study the potential of photocatalytic oxidation (PCO) to effectively treat SE-containing aqueous solutions and to identify the optimum conditions for such treatment. The results showed that SEs can be effectively degraded photocatalytically. Due to the adsorption properties of SEs on the TiO2 photocatalyst surface alkaline medium was found to be beneficial for SE oxidation despite the presence of co-pollutants in concentrations characteristic for the sanitary fraction of municipal sewage. The potential of PCO to selectively oxidise SEs was examined in the presence of copollutants of the sanitary fraction of sewage - urea, saccharose and human urine. The impact of ethanol, often used as a solvent in the preparation of SE stock solutions, was also studied and the results indicated the need to use organic solvent-free solutions for the study of SE behaviour. Photocatalytic oxidation of SEs appeared to be indifferent towards the presence of urea in concentrations commonly found in domestic sewage. The effect of other co-pollutants under consideration was far weaker than could be expected from their concentrations, which are from one hundred to a few thousands times higher than those of the SEs. Although higher concentrations can dramatically slow down the PCO of SEs, realistic concentrations of co-pollutants characteristic for the sanitary fraction of domestic sewage allowed selective removal of SEs. This indicates the potential of PCO to be a selective oxidation method for SE removal from the separate sanitary fraction of municipal sewage.

Yhdyskuntalietteen ja biopolttoaineiden käsittelyketjujen ja polton teknistaloudellinen tarkastelu

Työn tavoitteena on kartoittaa yhdyskuntalietteen ja kierrätys- sekä biopolttoaineiden käsittelyä ja polttoa lietteenpolttolaitoksen tarpeita ajatellen. Lietteen käsittelyketjun ja kierrätys- sekä biopolttoaineketjujen tekninen tarkastelu on siis työn keskeinen tavoite. Lisäksi lasketaan polttolaitoksen suurimpia mahdollisia investointikustannuksia eri polttoainevaihtoehdoilla. Työssä tehdään muun ohella case-tarkastelua Kaakkois- Suomen alueeseen liittyen. Tavoitteena on muodostaa tarkoitukseen soveltuva polttoaineratkaisu kullekin tapauk-selle. Työn alkuosassa tutustutaan yleisesti lietteeseen sekä polttoaineen että jätteen roolissa. Tarkastelu sisältää tietoja lietteen ominaisuuksista sekä lietteenkäsittelyssä olennaisista lainsäädännöllisistä seikoista. Samoin katsastetaan hieman lietteen esikäsittelyä, mekaanista vedenerotusta, termistä kuivausta ja polttoa tarkastellaan yleisessä valossa. Lisäksi alkuosassa keskitytään eri bio- jakierrätyspolttoainevaihtoehtoihin tarkastelemalla niiden yleisyyttä polttoaineena sekä esittelemällä niiden käsittelyketjuja. Työn loppupuoliskolla kiinnitetään huomiota case tapausten avulla polttolaitoksesta saataviin tuottoihin sekä millaisen liikkumavaran eri polttoainevaihtoehdot investointien osalta sallivat. Case-tapauksissa pohditaan Kymenlaakson ja Etelä-Karjalan paikallisia lietteen-polttomahdollisuuksia yhdistettynä kierrätys- tai biopolttoaineisiin. Mekaanisesti kuivattua lietettä käsitellään kyseisissä tapauksissa vuosittain 6000 t ja 15 000 t. Lietteen polton tuottama sähkö- ja lämpöteho näyttävät riippuvan voimakkaasti lietteen kuiva-ainepitoisuudesta, eivät niinkään lietteen muista ominaisuuksista. Lisäksi joko bio- tai kierrätyspolttoaineella saadaan sähkön- ja lämmöntuotantoa nostettua huomattavasti.

Yhdyskuntalietteen käsittely ennen termistä kuivausta ja polttoa

Työn tavoitteena on kartoittaa yhdyskuntalietteen käsittelyä lietteenpolttolaitoksen tarpeita ajatellen. Lietteen käsittelytekniikoiden ja kuljetusvaihtoehtojen selvittäminen on siis työn keskeinen tavoite. Lisäksi otetaan selvää näiden tekijöiden kustannusrakenteesta. Yhdyskuntalietteen ominaisuuksien sekä käsittelyyn liittyvien ongelmakohtien valottaminen kuuluu samoin työn tavoitteisiin. Työssä tehdään muun ohella case-tarkastelua Kaakkois-Suomen alueeseen liittyen. Tavoitteena on muodostaa tarkoitukseen soveltuva lietteenkäsittelymalli kullekin tapaukselle. Työn alkuosassa tutustutaan yleisesti lietteeseen sekä polttoaineen että jätteen roolissa. Tarkastelu sisältää tietoja lietteen ominaisuuksista ja muodostuvista määristä sekä lietteenkäsittelyssä olennaisista lainsäädännöllisistä seikoista. Samoin katsastetaan hieman jäteve¬denpuhdistusprosessiin sekä näin ollen lietteen syntyyn. Lietteen esikäsittelyä, mekaanista vedenerotusta, termistä kuivausta ja polttoa tarkastellaan yleisessä valossa. Mekaanisen vedenerotuksen osalta myös eritellään ja vertaillaan laitteita. Etenkin linko, mutta myös suotonauhapuristin osoittautuivat erityisen sopiviksi kunnallisen lietteen käsittelyyn. Työn loppupuoliskolla kiinnitetään huomiota lietteen varastointiin sekä syöttö-ja purkumenetelmiin, lyhyen etäisyyden siirtoon ja pidemmän matkan kuljetukseen. Case-tapauksissa pohditaan Kymenlaakson ja Etelä-Karjalan paikallisia lietteenkäsittelymahdollisuuksia. Mekaanisesti kuivattua lietettä käsitellään kyseisissätapauksissa vuosittain 6000 t ja 15 000 t. Lietteen polton tuottama sähkö- ja lämpöteho näyttävät riippuvan voimakkaasti lietteen kuiva-ainepitoisuudesta, eivät niinkään lietteen muista ominaisuuksista. Lietteenkäsittelykustannukset tiivistetystä lietteestä termiseen kuivaukseen soveltuvaksi polttoaineeksi vaihtelevat10-20 \ lietetonnia kohden, riippuen käsittelyvaiheiden määrästä. Kustannuksia syntyy eniten mekaanisesta vedenerotuksesta ja varastoinnista.

Kaatopaikkakaasun hyötykäyttömahdollisuudet Anjalankosken Ekoparkissa

Kaatopaikalle sijoitetut biohajoavat orgaaniset jätteet muodostavat jätetäytön hapettomissa olosuhteissa kaatopaikkakaasua, joka koostuu pääasiassa metaanista ja hiilidioksidista. Kaatopaikkakaasun sisältämän metaanin takia, kaasusisältää merkittävästi energiaa, joka on hyödynnettävissä eri tavoin. Tämän diplomityön tavoitteena oli tarkastella vaihtoehtoja Anjalankosken Keltakankaan kaatopaikoilla muodostuvan kaatopaikkakaasun hyödyntämiseksi. Tarkastellut vaihtoehdot tarjoavat ympäristöllisten hyötyjen lisäksi liiketoiminnallista hyötyä Ekoparkissa toimiville yrityksille. Tutkimuksessa tehdyt laskelmatosoittivat, että työssä tarkastellut kaatopaikkakaasun hyötykäyttövaihtoehdot ovat sekä taloudellisesti että kaasun riittävyyden kannalta hyödynnettävissä. Esimerkiksi kaatopaikkakaasun hyödyntämisellä kaukolämmön tuotannossa voidaan kattaa noin kolmannes Anjalankosken vuotuisesta kaukolämmön tarpeesta. Kaatopaikkakaasun lietteen kuivauskapasiteetti kattaa Pohjois-Kymenlaaksossa muodostuvan jätevesilietteen käsittelytarpeen. Biopolttoaineen kuivauskapasiteetti on riittävä olemassa oleviin valmistuslaitosten tuotantokapasiteetteihin verrattuna. Myös perinteisillä sähkön- ja lämmöntuotantotekniikoilla voidaan kattaa Ekoparkin oma sähkön- ja lämmöntarve. Kaatopaikkavesien haihdutus ei tulosten perusteella ole sekä taloudellisesti että kaasun riittävyyden kannalta hyödynnettävissä. Tuhkan vitrifioinnissa haasteen muodostaa investointikustannuksen suuruus. Anjalankosken Ekoparkin yritykset voivat hyödyntää työn tuloksia uuden liiketoiminnan kehittämiseen. Lisäksi tuloksia voidaan hyödyntää soveltaen eri kokoluokan kaatopaikkojen kaatopaikkakaasujen hyötykäyttöä suunniteltaessa.

Optimization of energy consumption in wastewater pumping

Pumppauksessa arvioidaan olevan niin teknisesti kuin taloudellisestikin huomattavia mahdollisuuksia säästää energiaa. Maailmanlaajuisesti pumppaus kuluttaa lähes 22 % sähkö-moottorien energiantarpeesta. Tietyillä teollisuudenaloilla jopa yli 50 % moottorien käyttämästä sähköenergiasta voi kulua pumppaukseen. Jäteveden pumppauksessa pumppujen toiminta perustuu tyypillisesti on-off käyntiin, jolloin pumpun ollessa päällä se käy täydellä teholla. Monissa tapauksissa pumput ovat myös ylimitoitettuja. Yhdessä nämä seikat johtavat kasvaneeseen energian kulutukseen. Työn teoriaosassa esitellään perusteet jätevesihuollosta ja jäteveden käsittelystä sekä pumppaussysteemin pääkomponentit: pumppu, putkisto, moottori ja taajuusmuuttaja. Työn empiirisessä osassa esitellään työn aikana kehitetty laskuri, jonka avulla voidaan arvioida energiansäästöpotentiaalia jäteveden pumppaussysteemeissä. Laskurilla on mandollista laskea energiansäästöpotentiaali käytettäessä pumpun tuoton ohjaustapana pyörimisnopeuden säätöä taajuusmuuttajalla on-off säädön sijasta. Laskuri ilmoittaa optimaalisimmanpumpun pyörimisnopeuden sekä ominaisenergiankulutuksen. Perustuen laskuriin, kolme kunnallista jätevedenpumppaamoa tutkittiin. Myös laboratorio-testitsuoritettiin laskurin simuloimiseksi sekä energiansäästöpotentiaalin arvioimiseksi. Tutkimukset osoittavat, että jätevedenpumppauksessa on huomattavia mandollisuuksia säästää energiaa pumpun pyörimisnopeutta pienentämällä. Geodeettisen nostokorkeuden ollessa pieni, voidaan energiaa säästää jopa 50 % ja pitkällä aikavälillä säästö voi olla merkittävä. Tulokset vahvistavat myös tarpeen jätevedenpumppaussysteemien toiminnan optimoimiseksi.