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.

Maakaasun kuumailmapolton teoria ja koelaitteiston suunnittelu

Tässä diplomityössä on tarkasteltu maakaasun kuumailmapolton teoriaa ja suunniteltu koelaitteisto. Työn alkuosassa on käsitelty maakaasun ominaisuuksia kuumailmapolton polttoaineena. Lisäksi on vertailtu kuumailmapolttoa perinteiseen polttoon. Teoreettinen tarkastelu on painottunut kuumailmapolton toiminnallisiin vaatimuksiin, joiden perusteella koelaitteisto on suunniteltu. Uuden koelaitteiston lähtökohtana on ollut Lappeenrannan teknillisen yliopiston voimalaitostekniikan laboratorion polttolaitteisto, johon on suunniteltu ja rakennettu kuumailmapolton edellyttämät muutokset. Koelaitteistolla tehtäviä maakaasun kuumailmapolttokokeita varten on laadittu koesuunnitelma, mutta koepolttoja ei tämän diplomityön puitteissa ole tehty. Laitteiston toiminta-arvoja on tarkasteltu esimerkkilaskulla, jossa käsitellään tyypillistä maakaasun kuumailmapolton koetilannetta.

Seospellettien pienpoltto

This work is a part of Vapos research over mixed pellets. In this work combustion of ten different mixed pellets are examined. This is done by two kinds of tests, burning tests and ash melting tests. First there is a short review how different bio fuels burn and what kind of problems they cause. After this burning characteristics and flue gas calculation methods are acquainted. In test part burning tests and ash melting tests and their results are reported. Lastly conclusions and considerations over further study are done.

Metsäteollisuuden lietteiden bioterminen kuivaus

Työssä tarkastellaan kompostointiin perustuvaa biotermistä kuivausprosessia, prosessiin vaikuttavia tekijöitä sekä sen soveltuvuutta metsäteollisuuden mekaanisesti kuivatun jätevesilietteen lisäkuivaukseen polttoa varten. Tutkimukseen kuuluvien paperitehtaiden lietteillä suoritettavien biotermisten kuivauskokeiden avulla tutkitaan tehtaiden lietteiden sopivuutta biotermiseen kuivaukseen. Lisäksi tehtaille suunnitellaan kuivauskokeiden ja paperitehtailla tehtävien selvitysten perusteella bioterminen kuivauslaitos. Suomen metsäteollisuus tuottaa nykyisin noin 400 000 – 500 000 kuiva-ainetonnia jätevedenpuhdistamolietteitä vuosittain. Tutkimukseen kuuluvan kahden tehdasintegraatin biologisilla puhdistamoilla syntyvien jätevesilietteiden määrät ovat keskimäärin 33 000 ja 15 000 kuiva-ainetonnia vuodessa. Ongelmana metsäteollisuudessa on jätevesilietteen alhainen kuiva-ainepitoisuus lietteen mekaanisen kuivauksen jälkeen. Tämä vaikeuttaa lietteen polttamista voimalaitoskattilassa ja lietteen poltosta talteen saatavan energian määrä jää vähäiseksi. Mekaanisesti kuivatun sekalietteen käsittely biotermisesti kuivaamalla mahdollistaa lietteen kuiva-ainepitoisuuden nostamisen yli 55 %:in kuiva-ainepitoisuuteen. Tämä helpottaa lietteen polton ongelmia ja kasvattaa lietteen poltosta talteen saatavan energian määrää. Bioterminen kuivaus soveltuu hyvin tutkimukseen kuuluvien tehtaiden sekalietteen kuivaukseen. Suositeltava sekalietteen lähtökuiva-ainepitoisuuden arvo on välillä 30 – 35 % ja tukiaineeksi lisättävän kuoren määrä noin 0,5 m3 yhtä lietekuutiota kohden. Kuivausprosessin kesto on tällöin 10 – 14 vuorokautta, kun haluttu lietepolttoaineen kuiva-ainepitoisuus on vähintään 55 %. Tehtaille suunnitelluissa laitoksissa käsiteltävä lietemäärä on noin 40 000 märkätonnia vuodessa. Tutkimukseen kuuluvalle paperitehtaalle yhdistetyn lietteenkuivausprosessin kustannukset ovat edullisimmat kun liete kuivataan ennen biotermistä kuivausta mekaanisesti 35 %:in kuiva-ainepitoisuuteen. Tällöin lietteenkäsittelyn hinnaksi tulee noin 150 mk/t.

Pienten biopolttolaitosten modulointi

Biopolttoaineiden käyttö energiantuotannossa lisääntyy ja syrjäyttää samalla fossiilisia polttoaineita. Etenkin puupohjaisten polttoaineiden käyttö pienenergiantuotannossa on lisääntynyt nopeasti. Tätä kehitystä puoltavat tiukentuneet päästörajat ja yleinen mielipide fossiilisia polttoaineita vastaan sekä biopolttoaineiden verottomuus. Tästä johtuen biopolttoainetta käyttävien laitosten kysyntä kasvaa jatkuvasti. Kysynnän kasvaessa biopolttolaitosten valmistajien on pystyttävä nopeaan, tehokkaaseen ja laadukkaaseen toimintaan, sekä täyttämään asiakkaan tarpeet pystyäkseen vastaamaan alan kasvavaan kilpailuun. Tässä diplomityössä kehitetään standardoitua moduulirakennetta Sermet BioGrate ja BioGrate compact kattilalaitoksille. Moduloinnin tarkoituksena on helpottaa laitoskonseptin kokoonpanon suunnittelua, tarjousten ja tarjouslaskelmien tekemistä sekä yhtenäistää toimintatapoja, mikä vähentää työmäärää ja nopeuttaa toimituksia.

Minimibiolietetuottoinen aktiivilieteprosessi massateollisuuden peroksidipitoisten jätevesien puhdistuksessa

Työ on tehty USF Aquaflow Oy:lle osana Cleantech 2000-projektia. USF Aquaflow Oy on suunnitellut minimibiolietetuottoisen reaktorin, MBP-reaktorin, toimivaksi osana aktiivilieteprosessia. Työn tavoitteena oli selvittää MBP-reaktorin toimintaa massateollisuuden peroksidipitoisilla jätevesillä. Pääpaino asetettiin MBP-reaktorin mikrobiologian tutkimiseen. Aktiivilieteprosessissa syntyvä bioliete on yksi metsäteollisuuden merkittävimmistä sivuainevirroista, jonka tuotantoa pyritään vähentämään ja käsiteltävyyttä parantamaan. MBP-reaktori aktiivilieteprosessissa vähentää koko prosessin lietteentuottoa, nostaa lietteen kuiva-ainepitoisuutta ja vähentää näin lietteen vaatimaa jatkokäsittelyn tarvetta. Työssä tutkittiin kahdella erilaisella jätevesijakeella peroksidin vaikutusta MBP-reaktorin COD-reduktioon, kiintoaineen kasvuun, lietteentuottoon ja mikrobiologiaan eri pituisilla viiveillä. MBP-reaktorin viive on suunniteltu aktiivilieteprosessin ilmastusaltaan viivettä huomattavasti lyhyemmäksi. Työn tuloksien perusteella lyhyellä viiveellä MBP-reaktorissa käynnistyy tehokas bakteeritoiminta, joka kuluttaa jäteveden COD:ta. Sellutehtaan jätevesille MBP-reaktorin toiminta on heikompaa kuin termomekaanisen massanvalmistuksen jätevesillä, johtuen sellun valmistuksessa käytetyistä kemikaaleista. Jätevedenpuhdistamon lietteen määrän vähentäminen on tällä hetkellä metsäteollisuuden tehtailla tärkeä jatkotutkimuksia vaativa kohde. MBP-reaktorin toiminnan takaamiseksi osana aktiivilieteprosessia tulisi jatkotutkimuksia suorittaa eri tyyppisille jätevesijakeille ja tarkkailla useampien kemikaalien vaikutusta reaktorin mikrobiologiaan, COD-reduktioon ja lietteentuottoon.

Kiinteäkerroskaasuttimen toiminnan teoreettinen tarkastelu ja puupellettien kaasutuskokeet myötävirtareaktorilla

Tämä työ on osa tutkimusprojektia, jonka tarkoituksena on kehittää uudentyyppinen kaasutustekniikkaan perustuva kiinteistöjen lämmitysjärjestelmä. Työ on tehty osaksi kirjallisuustutkimuksena käyttämällä hyödyksi alalla tehtyjä tutkimuksia ja kirjallisuutta. Kirjallisuustutkimuksen tavoitteena oli luoda yhtenäinen tietopaketti lämmitysjärjestelmän kehityksen tueksi. Työn kokeellisen osion tavoitteena oli tutkia lämmitysjärjestelmän kaasuttimen prototyypin toimintaa ja selvittää sen käyttöön liittyviä ongelmia. Kirjallisuusosiossa käsitellään kaasutuksen vaiheita: alkulämpeneminen ja kuivuminen, syttyminen, pyrolyysi sekä jäännöshiilen palaminen ja kaasutus. Varsinkin pyrolyysiprosessin tunteminen on merkittävää, kun halutaan parantaa biomassan poltto- ja kaasutusprosessien suunnittelua. Lisäksi kirjallisuusosiossa käsitellään kaasutuksessa syntyvän tuotekaasun ominaisuuksia: koostumus, lämpöarvo, tiheys ja palamisominaisuudet. Tuotekaasun ominaisuudet vaihtelevat suuresti kaasutusprosessista ja -olosuhteista sekä polttoaineesta riippuen. Tuotekaasun kohdalta käsitellään myös sen käyttökohteita. Perinteisesti kaasutuksen tuotekaasua käytetään lämmöntuotantoon, mutta tulevaisuuden haasteena on tuotekaasun käyttö kaasuturbiineissa sähköntuotantoon. Tuotekaasun käyttöä laajemmin rajoittaa sen sisältämät epäpuhtaudet. Tämän vuoksi kirjallisuusosiossa käsitellään myös tuotekaasun puhdistusmenetelmiä ja sen poltossa syntyvien päästöjen vähentämiskeinoja. Kokeellisessa osiossa suoritettiin puupellettien kaasutuskokeita TTKK:n Energia- ja prosessitekniikan laitoksen raskaaseen laboratorioon rakennetulla kaasutusreaktorilla. Kaasutuskokeiden avulla löydettiin kaasutusreaktorin toiminnan ongelmakohdat ja pystyttiin aloittamaan lämmitysjärjestelmän jatkokehitys.

Puupellettien tuotanto-, jakelu- ja käyttöketjun tekniikka, talous ja markkinat

Puupelletti on puumurskeesta puristamalla valmistettu polttoainejaloste, jonka raaka- aineita ovat mekaanisen metsäteollisuuden sivutuotteet kutterinlastu ja sahanpuru. Sylinterin muotoiset pelletit ovat yleensä halkaisijaltaan 6-10 mm ja pituudeltaan 10 - 30 mm. Tässä diplomityössä tarkastellaan pellettiketjua valmistuksesta loppukäyttöön. Työ sisältää valmistuksen, kuljetuksen ja käytön niin tekniset puolet, kuin taloudelliset näkökohdatkin. Myös muiden maiden pellettimarkkinoiden tilanne tuodaan esille. Työn lopussa kuvataan muutama case-esimerkki onnistuneista pellettiketjuista. Suomessa puupellettimarkkinoiden kehitys alkoi 1998 Vöyrissä auenneen pellettitehtaan myötä. Pellettien tuotanto ja kulutus ovat sen jälkeen kasvaneet nopeasti ja nyt vuonna 2001 pellettien tuotantokapasiteetti on 150 000 t/a. Pellettimarkkinoiden nopea kehitys Suomessa perustuu öljyn korkeaan hintaan, käytön helppouteen ja ympäristöystävällisyyteen. Käyttölaitteistojen yleistyessä ja jakelun tehostuessa pellettiliiketoiminta tulee vahvistamaan asemaansa entisestään Suomessa

Jätteenpolttolaitoksen kunnossapidon erityispiirteet

Työn tavoitteena oli selvittää arinatekniikkaan perustuvan jätteenpolttolaitoksen kunnossapidon erityispiirteet. Laajemmassa mittakaavassa tapahtuva jätteenpoltto on suomessa uusi asia. Työn alussa tarkastellaan jätteenpolttovaihtoehdon perusteluita sekä yhdyskuntajätteen poltto-ominaisuuksia ja polttotekniikkaa. Jätteenpolttolaitoksen kunnossapidon erityispiirteet ja normaalia suurempi kunnossapitotarve ovat seurausta jätteenpoltossa käytettävän polttotekniikan ja laitoksen käyttötavan eroista sekä jätteiden perinteisiä polttoaineita epämääräisemmästä koostumuksesta. Tässä työssä tehtävä tarkastelu rajattiin koskemaan vain polttoaineen ja poltosta vapautuvien savukaasujen kanssa kosketuksissa olevia laitoksen osia, eli käytännössä kattilaa ja savukaasunpuhdistuslaitteistoa. Työn aikana tehtiin vierailut kahdelle eri jätteenpolttolaitokselle, joista saatujen käyttökokemustietojen pohjalta muodostettiin käsitys laitoksen kunnossapidollisesti tärkeimmistä kohteista. Näiden kohteiden kunnossapitoa sekä vikaantumismekanismeja tarkasteltiin yksityiskohtaisemmin. Jätteenpolttolaitoksen kunnossapitokustannuksista ei voitu muodostaa tämän tarkastelun pohjalta riittävän luotettavaa kuvaa. Arinatekniikkaan perustuvan jätteenpolttolaitoksen kunnossapidollisesti merkittävimmät kohteet ovat arina, muuraukset ja tulistimet. Merkittävin vikaantumiskohde laitoksen ikääntyessä ovat lämpöpintojen putkistot. Putkistojen tarkastukset ja seinämäpaksuuksien mittaukset on suoritettava vuosittain huolellisesti johtuen kattilassa vallitsevista korroosiolle erittäin otollisista olosuhteista. Korkeaseosteisten pinnoitusten sekä käynninaikaisten kattilanpuhdistusmenetelmien käyttöä tulee harkita tarkoin. Arinalla tapahtuvan palamisen hallinta ja kattilan tarkennettu virtaustekninen mitoitus nähdään yhtenä merkittävimpänä keinona hallita kattilakorroosiota ja täten myös kunnossapitotarvetta. Jätteenpolttolaitoksen suunnittelussa kunnossapitotöiden suorittamisen helppouteen sekä työskentelyhygieniaan tulisi kiinnittää erityishuomio niissä laitoksen osissa kuin se suinkin on mahdollista ja taloudellisesti järkevää. Yhdyskuntajätteen vaihteleva lämpöarvo on polttotapahtuman kannalta vaikeimmin hallittava jätteen ominaisuus. Arinatekniikassa poltettavan jätteen laatuun voidaan vaikuttaa erityisesti bunkkerissa tapahtuvalla jätteen sekoituksella sekä syntypistelajittelua tehostamalla.

Metsäteollisuuden sivuainevirtojen käsittely- ja hyödyntämisvaihtoehtojen vaikutus hiilidioksidipäästöihin

Tämä tutkimus kuuluu ympäristöklusterin tutkimusprojektiin "Materiaalivirrat ja energiankäyttö metsäteollisuusintegraateissa ja niihin liittyvät toimintastrategiat ympäristövaikutuslähtöisesti". Työn päätavoitteena oli kehittää laskentapohja, jossa alkuarvoja muuttamalla voidaan helposti määritellä metsäteollisuuden jäte- eli sivuainevirtojen käsittelystä ja hyötykäytöstä aiheutuvia hiilidioksidivaikutuksia. Tutkimuksen sisältö pohjautuu pääosin projektin muihin tutkimuksiin, joissa on tarkasteltu sivuainevirtojen hyötykäytön teknisiä ja taloudellisia reunaehtoja. Metsäteollisuuden tärkeimmiksi sivuainevirroiksi voidaan määritellä tuhka, soodasakka, jätevedenkäsittelyn liete sekä pastaliete. Tässä tutkimuksessa on laskettu näiden sivuainevirtojen nykyisten käsittelymenetelmien hiilidioksidivaikutukset projektissa mukana olevilla tehtailla ja vertailtu niitä potentiaalisempien uusien käsittely- ja hyötykäyttömenetelmien vaikutuksiin. Työstä saatujen tulosten perusteella voidaan arvioida, että tuhkan osalta hiilidioksidivaikutukset ovat suhteellisen merkityksettömiä. Pastalietteen osalta prosessiin palautus vaikuttaisi parhaalta menetelmältä, koska tuorepastan tuotannosta aiheutuu varsin runsaasti hiilidioksidipäästöjä. Suurin merkitys kokonaispäästöjen kannalta näyttäisi kuitenkin olevan jätevedenkäsittelyn lietteen ja soodasakan käsittelymenetelmillä. Soodasakan orgaaninen aines aiheuttaa kaatopaikoilla suurehkot metaanipäästöt, joita hyötykäytöllä voitaisiin vähentää merkittävästi. Jätevedenkäsittelyn lietteen osalta uudet kuivauksen tehostamismenetelmät parantavat lietteen poltettavuutta, jolloin myös hiilidioksidipäästöt pienenevät. Toisaalta suuremman kuiva-ainepitoisuuden vuoksi myös varastointi voisi olla mahdollista, jolloin lietettä ei tarvitsisi läjittää enää kaatopaikoille, ja myös kaatopaikkapäästöiltä vältyttäisiin.

Kankaanpään yhdyskuntalietteestä tehdyn kompostituotteen hyödyntämismahdollisuudet ja niiden taloudellisuus

Tämän diplomityön tarkoituksena on etsiä Kankaanpään yhdyskuntalietteestä kompostoidulle tuotteelle hyödyntämis- ja myyntimahdollisuuksia, joilla saataisiin lietteen käsittely kannattavaksi toiminnaksi. Työssä tarkastellaan eri hyödyntämisvaihtoehtojen sopivuutta Kankaanpäähän ja lasketaan eri vaihtoehtojen kannattavuutta. Lisäksi tarkastellaan kompostituotteen hyödyntämistä koskevaa lainsäädäntöä ja kompostituotteen hyödyntämisen nykytilannetta. Työssä on tutkittu eri mahdollisuuksia, joita lietteestä valmistetun kompostin hyödyntämiselle on olemassa ja näiden asettamia vaatimuksia. Hieman on myös tutkittu kirjallisuudesta kehitteillä olevia uusia hyödyntämismahdollisuuksia sekä hyödyntämistä rajoittavia tekijöitä. Esimerkkilaitosten pohjalta on puolestaan tutustuttu käytännössä kompostituotteen tämän hetkiseen hyödyntämiseen ja toiminnan kaupalliseen puoleen. Kankaanpään kompostointilaitoksen mahdollisuuksiin on perehdytty tarkastelemalla Kankaanpään alueellisia seikkoja kuten elinkeinorakennetta, polttolaitoksia, tulossa olevia rakennuskohteita sekä naapurikuntien tilannetta. Näiden sekä kompostointilaitoksen tietojen pohjalta on lähdetty miettimään Kankaanpäälle sopivimpia hyödyntämisvaihtoehtoja ottaen huomioon myös tuotteen laatu. Vaihtoehdoille on laskettu kustannuksia laitokselle tarvittavien uudistusten ja muutosten mukaan ja niiden sekä oletettujen markkinanäkymien pohjalta on koottu kassavirtalaskelmia. Näiden laskelmien pohjalta on saatu Kankaanpäälle sopivimmiksi vaihtoehdoiksi koko kompostimäärän myynti irtotuotteena viherrakennukseen maanparannusaineena tai valmiina kasvualustana tai vaihtoehtoisesti osan tuotteesta pussittaminen kasvualustana tai rakeistettuna ja lopun kompostin myynti irtotuotteena viherrakennukseen. Tuotteen arvoa voidaan nostaa hyvän palvelun kautta eli esimerkiksi tarjoamalla kuljetusta kompostille, laajalla tuotevalikoimalla ja tuotteen korkealla laadulla.

Musteenpoiston optimointi siistausprosessissa

Tämän diplomityön tarkoituksena oli optimoida Keräyskuitu Oy:n siistausprosessi uusiomassan vaaleuden ja puhtauden kannalta. Työn kirjallinen osa koostui katsauksesta vaahdotussiistausprosessiin, laitteisiin sekä uusiomassan ominaisuuksiin ja käyttöön paperiteollisuuden raaka-aineena. Kokeellisessa osassa prosessimuuttujat liittyivät keräyspaperin kuidutukseen, musteenerotukseen vaahdotuksessa sekä lietteen- ja vesienkäsittelyyn. Tämän työn tulosten ääriarvoja vertailleissa prosessimuuttujien optimoinnilla oli vaikutusta massan vaaleuteen 4…5 %-ISO. Parhaimmillaan vaahdotuksen jälkeisen massan vaaleus oli noin 62 %. Tämän jälkeen massan vaaleutta voidaan edelleen parantaa valkaisulla, mutta valkaisu ei kuulunut tämän työn sisältöön. Paperin kuidutuksen alkusakeuden nostaminen vähensi sekä kuituuntumattoman massajakeen osuutta että kuidutuksen energiankulutusta. Vaaleuden ja musteenpoiston kannalta paras alkusakeus oli 18 %. Kuidutuksen silikaattitason nostaminen 1,6 %:iin asti paransi merkittävästi massan vaaleutta. Silikaattitason nostaminen moninkertaisti kuidutuksen jälkeisen massan jäännösperoksidipitoisuuden. Kuidutuksen kokonaisalkalitason nostaminen paransi musteen irtoamista kuidusta, mutta vaaleuteen sen vaikutus oli pienempi kuin silikaattitasolla. Vaaleuden ja musteenpoiston kannalta paras kokonaisalkalitaso oli 1,6 %. Vaahdotuksen sakeuden nostaminen sekä ilma- ja rejektimäärän pienentäminen alensivat hieman kuitusaantoa. Tuhkareduktiota paransi eniten ilmamäärän lisäys. Vaahdotusrejektin lisääminen ja -sakeuden laskeminen nostivat tuhkareduktiota. Vaaleuden ja musteenpoiston kannalta vaahdotuksen ajoparametreiksi valittiin seuraavat: ilmamäärä 32 000 l/min, ilmastusroottorien pyörimisnopeus riittävä, jotta kennojen pinta olisi tasainen. Ensimmäisen vaahdotusvaiheen sopiva rejektimäärä oli noin 2400 l/min, toisen vaiheen 450 l/min ja suositeltava vaahdotussakeus oli 1,0 %. Vaahdotuksen toisen vaiheen ilmamäärällä ja vaahdotussakeudella oli vain vähän vaikutusta vaahdotuksen kuitusaantoon. Lietteenkäsittelyn ongelmat johtuivat lietevirtauksen sakeuden vaihtelusta. Ongelmatilanteessa painoväri alkaa kiertää lietteenkäsittelyn ja mikroflotaation välillä, jolloin puhdistetun veden laatu laskee. Tällöin kiertoveden tila huononee ja massan vaaleus laskee. Lietteen flokkauskemikaali annostellaan lietevirtauksen mukaan, kun parempi tapa olisi annostella kemikaali lietteen virtauksen ja sakeuden perusteella.

Flokkulaation seuraaminen partikkelikokoanalysaattorilla

Tässä työssä tutkittiin kahden erilaisen partikkelikokoanalysaattorin, PSyA:n ja PIA:n soveltuvuutta flokkuloinnin online-seurantaan. Kummallekin menetelmälle määritettiin raja-arvot, kuten lietteen maksimisakeus. Lisäksi tutkittiin flokkulanttiannostuksen, sekoitusnopeuden, sekoitusajan ja lietteen kiintoainepitoisuuden vaikutusta flokkikokojakaumaan. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin kolloidisen suspension ominaispiirteitä, koaguloinnin ja flokkuloinnin teoriaa, flokkulaation kokeellista tutkimista sekä prosessin jatkuvatoimiseen seurantaan soveltuvia laitteita. Lisäksi esitettiin taustaa hydrometallurgisesta prosessista, johon työ liittyy. Flokkauskokeissa käytettiin jätevettä, jonka koostumus vastasi metalliteollisuuden peittausjätevesien tyypillistä koostumusta. Tutkittava jätevesimäärä käsiteltiin ensin kalkkimaidolla, jonka jälkeen saostunut kiintoaine flokattiin synteettisellä polymeeriflokkulantilla. Lietteen keskimääräinen kiintoainepitoisuus oli n. 10 g/l. Esikokeiden perusteella PSyA:lla voitiin mitata ilman laimennusta, mutta PIA:lla tuloksia ei saatu ilman laimentamista kiintoainepitoisuuteen n. 2,5 g/l. Kokeiden aikana havaittiin, että flokit muodostuivat erittäin nopeasti. Flokkien hajoaminen alkoi pian sen jälkeen, kun flokkulantin annostelu lopetettiin. Sekoitusnopeudella 40 r/min tai alle flokit alkoivat laskeutua astian pohjalle sekoituksesta huolimatta ja ne pysyivät pitempään koossa kuin suuremmilla sekoitusnopeuksilla. 5 - 10 minuutin kuluttua flokkulantin lisäämisestä saavutettiin tasapaino, jolloin flokkien kokojakauma ei enää muuttunut. Sekoitusnopeuksilla 80 r/min ja 120 r/min tasapainotilanteen koko-jakauma oli selvästi kapeampi kuin pienimmällä sekoitusnopeudella. Alkuperäisessä lietteessä flokit olivat suurempia kuin laimennetussa lietteessä. PSyA:lla jännepituusjakaumien määrittäminen oli varsin hidasta prosessissa tapahtuviin muutoksiin verrattuna, ja tuloksissa oli suurta hajontaa. PIA:lla saadut partikkelikokojakaumat sitä vastoin olivat johdonmukaisempia, vaikka suurimpien flokkien määrittäminen osoittautuikin epämääräiseksi. Menetelmän suurimmaksi puutteeksi todettiin soveltumattomuus sakeiden lietteiden analysointiin. Kumpikaan menetelmä ei ilman modifiointia sovellu tutkitun lietteen kaltaisten prosessilietteiden flokkuloinnin seurantaan.

Pigmenttien suodatus

Työn tavoitteena oli tutkia neljän eri koesuotimen soveltuvuutta pigmenttilietteen kiintoainepitoisuuden nostoon. Työssä käytetyt suotimet olivat Larox PF 0,1, Certus-CU-0047, Crossflow-koesuodin ja Steuerung ET06-linko. Suodinväliaineena Larox PF 0,1-suotimessa ja Crossflow-koesuotimessa käytettiin Tamfelt Oyj:n suodinkankaita. Certus-CU-0047-suotimessa suodinväliaineena toimi keraaminen membraani. Työn kirjallisuusosassa tarkasteltiin partikkelien karakterisointia, suodatuksen teoriaa, kakkusuodatusta, suodinväliaineista suodinkankaita ja membraaneja. Lisäksi tarkasteltiin paperin päällystämiseen käytettyjen pigmenttien ominaisuuksia ja niiden suodatusta. Kokeet suoritettiin Larox PF 0,1, Certus-CU-0047 ja Crossflow-koesuotimella vakiopainesuodatuksena yhdellä paineella. Steuerung ET06-lingon kokeet suoritettiin vakiovirtaussuodatuksena käyttäen kolmea eri virtausnopeutta ja kolmea eri lingon ja ruuvin kierrossuhdetta. Työssä suodatettiin neljää erilaista pigmenttilietettä. Suodoksista otettiin näytteitä niiden sameuden määrittämiseksi. Larox Pf 0,1-suotimella ja Steuerung ET06-dekantterilingolla saatiin nostettua pigmenttilietteen kiintoainepitoisuutta erittäin hyvin. Loput kaksi suodinta eivät sovellu tähän tarkoitukseen ollenkaan. Vakiopainesuodatuksissa suodatusajat muodostuivat kuitenkin liian pitkiksi. Suodoksien kiintoainepitoisuudet olivat suurimmaksi osaltaan pieniä lukuun ottamatta tiettyjä suodinkankaita. Lietteen 2 kiintoainepitoisuuden nostaminen oli kaikilla suotimilla erittäin vaikeaa, muut lietteet suodattuivat kohtuullisen hyvin. Näiden kokeiden perusteella voidaan sanoa, että varsinkin vakiovirtaussuodatus soveltuu hyvin ainakin tiettyjen pigmenttilietteiden kiintoainepitoisuuden nostoon.

Kakun rakenteen vaikutus pesutulokseen

Tässä työssä tutkittiin suodatukseen vaikuttavien tekijöiden vaikutusta suodatuksessa syntyvän kakun ominaisuuksiin sekä kakun ominaisuuksien vaikutusta syrjäytyspesun tehokkuuteen. Lisäksi määritettiin tärkeimmät suodatusparametrit sekä niiden riippuvuudet suodatusolosuhteista. Toissijaisena tavoitteena oli lisäksi tutkia, miten suodatusolosuhteita ja suodatettavan lietteen ominaisuuksia muuttamalla voidaan vaikuttaa suodatusjakson kestoon. Työn kirjallisuusosassa käsiteltiin aluksi yleisesti kiintoaineen erotusta nesteestä. Tämän jälkeen käsiteltiin yleisimmät suodatustekniikat ja tarkasteltiin yksityiskohtaisemmin painesuodatusta ja varsinkin syntyvän kakun rakenteeseen vaikuttavia tekijöitä. Lopuksi käytiin läpi kakulle suodatuksen jälkeen suoritettavat jälkikäsittelymenetelmät ja selvitettiin varsinkin syrjäytyspesun tehokkuuteen vaikuttavia tekijöitä tarkemmin. Kokeellisessa osassa tehtiin koesuodatuksia lietteellä joka sisälsi hienojakoista pigmenttiä. Koesuodatukset tehtiin kahdella eri kankaalla panostoimisella piston press- laboratoriopainesuodattimella johon oli liitetty tiedonkeruuohjelmisto, joka keräsi tiedostoon paineet suodatuskammiossa, kankaan alapuolella ja työsylinterin syöttölinjassa sekä lisäksi männän korkeuden, lietteen lämpötilan ja suodosvaakalukeman. Lietteiden ominaisuuksia seurattiin analysoimalla niiden kiintoainepitoisuuksia, kloridipitoisuuksia, z-potentiaaleja ja partikkelikokojakau-mia siten että jokaisessa suodatuksessa käytetyn lietteen ominaisuudet olivat tiedossa. Suodatusten jälkeen syntyneistä kakuista määritettiin kiintoaine- sekä joissain tapauksissa myös kloridipitoisuudet. Suodatus- ja puristuspaineiden havaittiin vaikuttavan kakkujen huokoisuuksiin ja ominaisvastuksiin selvästi, joskin muutokset olivat melko pieniä. Vaikutus näkyi selvästi myös suodatusten kestoissa ja muutosten havaittiin olevan merkittävän suuruisia. Myös lietteen pH:n havaittiin vaikuttavan merkitsevästi suodatusten kestoihin ja kakkujen ominaisuuksiin. Pesutuloksen ja kakun ominaisuuksien välille löydettiin riippuvuus heikoksi jääneestä pesutuloksesta huolimatta. Myös koesuodatuksissa käytettyjen kankaiden välillä havaittiin selviä eroavaisuuksia.