Ultrafiltration of pulp mill bleaching effluents

Main objective of this research was to find suitable polymeric ultrafiltration membranes with high retentions, good capacities and low fouling tendencies for the E2- and EP-effluent ultrafiltration. Purpose was to treat alkaline bleaching effluents with ultrafiltration in a way that permeates of the filtrations could be recycled back to process and the consumption of fresh water in the pulp mill could be reduced significantly. In the theoretical part of this work the challenges set by the pulp and paper indus-try processes for membranes were examined. An overview of the membrane tech-nology in the pulp industry was also provided. In addition process conditions in the chemical pulp bleaching and properties of bleaching effluents were discussed in literature study. In experimental part the E2- and EP-stage bleaching effluents from Stora Enso Imatra kraft pulp mill were ultrafiltered with CR250- and CR200-filters. Suitable membranes for ultrafiltration were chosen after screening experiments. Concentra-tion experiment was made for the E2-effluent in order to estimate water saving potential. The E2-effluent was finally ultrafiltered in the pulp mill in order to test the feasibility of ultrafiltration in a real industrial environment. Good membrane for the EP-effluent ultrafiltration based on the EP-screening ex-periments was polyethersulfone membrane UP020 with cut-off value of 20 000 Da. Polysulfone membrane UFX05 with cut-off value of 5 000 Da was promising membrane for the ultrafiltration of the E2-effluent. Based on the concentration filtration of the E2-effluent with UFX05 membrane the water saving potential could be 2.2 m3/Adt for the industrial scale ultrafiltration process. Retention re-sults, such as average COD retention of 60 %, from the trial filtration at the pulp mill with UFX05 membrane were modest compared to the screening experiments, where average COD retention was 75 %. Therefore tighter ultrafiltration mem-branes should be tested for the ultrafiltration of the E2-effluent. The UP020 mem-brane seemed to be suitable for the ultrafiltration of the EP-effluent however con-centration and pilot scale ultrafiltration experiments are needed to verify this.

Pienten yksiköiden talousveden laatuvaatimukset ja - suositukset

Talousvesi sisältää paljon erilaisia yhdisteitä, joista osa on ihmiselle haitallisia, tällaisia yhdisteitä ovat muun muassa klooratut hiilivedyt. Haitallisten yhdisteiden määrän minimoimiseksi talousvedessä talousveden vieraille aineille on määrätty asetuksissa enimmäispitoisuuksia sekä – tiheyksiä. Näitä laatuvaatimuksia sekä – suosituksia noudattamalla talousvesi on käyttökelpoista. Talousvedellä ei tällöin ole haitallisia terveysvaikutuksia eikä se vahingoita vesilinjastoja. Kirjallisuusosassa selvitetään pienten yksiköiden talousveteen liittyvän sosiaali- ja terveysministeriön asetuksen sisältöä. Mitä asetus pitää sisällään, keitä asetus koskee ja miksi asetukseen kirjatut yhdisteet ja aineet ovat ihmiselle haitallisia sekä mitä terveysvaikutuksia kyseisillä aineilla on. Kokeellisessa osiossa analysoitiin kolmesta näytteestä osa sosiaali- ja terveysministeriön asettamista vaatimuksista. Pääsääntöisesti mitattiin epäorgaanisia aineita sekä ioneja. Mittaukset suoritettiin ionikromatografilla, liekki-atomiabsorptiospektrometrillä, TOC-analysaattorilla, COD-putkilla, pH-, johtokyky- sekä sameusmittarilla.

Wet oxidation of biomass for chemical production

Tämän kandidaatintyön tarkoituksena oli tutkia märkähapetusprosessia jätevesien käsittely-menetelmänä ja mahdollisena menetelmänä kemikaalien tuottamiseksi jätevesistä. Erityishuomio on kiinnitetty paperiteollisuudessa syntyviin jätevesiin. Teoriaosassa käsitellään vesikiertoja paperitehtaassa, paperitehtaalla syntyvän jäteveden ominaisuuksia sekä itse märkähapetusprosessia. Märkähapetusprosessissa perehdytään tavalliseen happea käyttävään märkähapetukseen sekä vetyperoksidia käyttävään menetelmään sekä näissä prosesseissa syntyviin väli- ja lopputuotteisiin. Märkähapetus (WO) on terminen hapetusmenetelmä, jolla voidaan käsitellä jätevesiä, jotka ovat liian konsentroituja biologisiin käsittelyihin tai jotka ovat huonosti biohajoavia. Märkähapetuksen tarkoituksena on parantaa molekulaarisen hapen ja orgaanisen aineen välistä kontaktia, jolloin orgaaninen aines pilkkoutuu muodostaen pääasiassa karboksyylihappoja, aldehydejä, hiilidioksidia ja vettä. Märkähapetuksessa hapettavana kaasuna voidaan käyttää joko puhdasta happea tai ilmaa. Vetyperoksidia käyttävässä märkähapetuksessa (WPO) hapettava kaasu on korvattu nestemäisellä vetyperoksidilla. Kokeellisessa osassa tutkittiin orgaanisen aineksen hapetusta käyttäen Fentonin reagenssia, jolloin katalyyttina reaktiossa toimii rautaionit (Fe2+ ja Fe3+) ja hapettimena vetyperoksidi. Hapetettavana jätevetenä käytettiin paperitehtaan hiomolta saatua kiertovettä, TMP-vettä. Hapetuskokeita tehtiin eri vetyperoksidin annoksilla ja katalyytin määrillä eri lämpötiloissa. Hapetuksen jälkeen näytteistä mitattiin kemiallinen hapenkulutus (COD), orgaanisen hiilen kokonaismäärä (TOC) sekä pH. Lisäksi näytteistä määritettiin nestekromatografilla (HPLC) tyypillisten välituotteiden, kuten oksaalihapon, muurahaishapon ja etikkahapon, määrät. Tehdyissä kokeissa COD-arvoja saatiin pienennettyä 50-88 % siten, että suodatetuissa näytteissä muutos oli suurempi kuin suodattamattomissa näytteissä. Lisäksi TOC-arvot laskivat 28-58 %. Tehdyissä kokeissa saatiin myös tuotettua välituotteina karboksyylihappoja, joista etikkahappoa ja oksaalihappoa tuotettiin suurimmat määrät. Myös muurahaishappoa ja meripihkahappoa saatiin tuotettua.

Production of Chemicals from Woody Biomass by Wet Oxidation

The production of chemicals from sawdust by wet oxidation has been investigated. Two different concentrations of sawdust; 54054 mg/l and 32683 mg/l were used in the study. The wet oxidation operating conditions were; 175 deg.C – 225 deg.C, 1MPa Oxygen, and 40 minutes to 120 minutes reaction time. Carboxylic acids were among the chemicals produced in the process. The total yield of carboxylic acids was found to increase with temperature. Also, higher yields of carboxylic acids were observed at a lower sawdust concentration. This was probably due to the high oxygen-biomass ratio at lower sawdust concentration. Higher oxygen availability at low sawdust concentration resulted in increased conversion of the sawdust; hence the higher yields of carboxylic acids. At lower sawdust concentration, a total carboxylic acid yield of 25.59 wt% was attained at 200 deg.C and 40 minutes reaction time. At higher sawdust concentration, a total carboxylic acid yield of 15.57 wt% was attained at 200 deg.C and 40-minutes reaction time. The carboxylic acids identified include formic acid, acetic acid, succinic acid and oxalic acid. The optimum temperature for the production of formic acid was found to be 200 deg.C, while the optimum temperature for the production of acetic acid was found to be 225 deg.C. A temperature of 225 deg.C and relatively short reaction time of 10 minutes was found to be the optimal condition for the production of succinic acid. Formic acid was produced in the highest yield, with an optimal yield of 13.69wt %, when the reaction temperature and time are 200 deg.C and 40 minutes respectively. The yield of formic acid was found to decrease significantly when further increasing the temperature to 225 deg.C. This was presumably due to thermal decomposition of formic acid at relatively higher temperature. However, the yield of acetic acid was found to steadily increase with temperature. This is because acetic is more thermally stable than formic acid. The yield of acetic acid did not decrease after the temperature was increased to 225 deg.C. Optimal yield of acetic acid (7.98wt %) was achieved at; 225 deg.C, and 40 minutes reaction time. Succinic acid was produced only at temperatures of 200 deg.C and 225 deg.C. Optimal yield of succinic acid (5.66wt %) was attained under the following conditions; 32683 mg/l, 225 deg.C, 1MPa O2, and 10-minutes reaction time. Oxalic acid was produced in the lowest yield and, less frequently. The optimal yield of oxalic acid (4.02 wt%) was attained at 175 deg.C and 80-minutes of reaction time The Total Organic Carbon (TOC) is found to be higher when increasing the operating temperature, thus suggesting that more organic compounds are formed at higher temperatures. The identified carboxylic acids could only account for less than 30% of the measured COD content of the various wet oxidation samples. This implies that some other unidentified compounds (reaction products) must have been present. In general, wet oxidation seems to be an effective method for converting lignocellulosic biomass into useful chemicals. Relatively higher temperatures have been found to favor the production of carboxylic acids from sawdust.

Kunnallisen jätevedenkäsittelyn tehostaminen membraanitekniikan avulla – esimerkkinä Savitaipaleen jätevedenpuhdistamo

Työssä tutkittiin mahdollisuutta tehostaa kunnallista jätevedenpuhdistusta membraanitekniikkaa käyttäen. Teoriaosassa perehdyttiin kunnallisen jäteveden omi-naisuuksiin ja perinteiseen puhdistusprosessiin. Tämän lisäksi membraanien yleisiä ominaisuuksia, membraanityyppien kykyä erottaa jäteveden sisältämiä yhdisteitä sekä erilaisia mahdollisuuksia membraanisuodatukselle perinteisen jäteve-denpuhdistusprosessin yhteydessä käytiin läpi. Kokeellisessa osassa keskityttiin Savitaipaleen puhdistamon puhdistetun jäteveden laadun parantamiseen membraanisuodatukseen perustuvalla jälkikäsittely-yksiköllä eli tertiäärisuodatuksella. Erilaisia paineavusteisia membraanitekniikoita (MF, UF, NF ja RO) tutkittiin jäteveden puhdistamiseksi ja erotustehokkuuden vertailemiseksi. Tavoitteena oli löytää tehokas ja käytännössä toimiva tapa poistaa fosforia ja typpeä puhdistetusta jätevedestä. Tasomaisilla membraaneilla tehdyissä suodatuksissa MF-membraanit poistivat tehokkaasti fosforia (97 – 98 %) sekä kiintoainesta (100 %) jätevedestä. RO-membraanit alensivat fosfori- (100 %) ja typpipitoisuutta (90 – 94 %) tehokkaasti, poistaen myös liuenneita orgaanisia yhdisteitä (DOC, 90 – 94 %). Mikrosuodatukseen perustuvilla onttokuitumembraaneilla saavutettiin tehokkaan fosforinpoiston lisäksi tasainen kapasiteetti suodatuksen aikaista puhdistusmene-telmää optimoimalla. Pitoisuusalenemat olivat myös erittäin korkeita fosforille (97 – 99 %), kiintoaineelle (100 %), sameudelle (96 – 99 %) sekä COD:lle (38 – 55 %). Tulosten perusteella membraanitekniikkaan perustuva onttokuitusuodatus olisi tehokas ja toimiva jälkikäsittelyprosessi fosforinpoistoon ja jäteveden laadun pa-rantamiseen. Typen poistamiseen parhaiten toimi RO-membraani.