Lannoitetehtaan prosessivesien käsittelyvaihtoehtojen soveltuvuuden arviointi

Phosphorus and nitrogen cause eutrophication of water bodies, causing severe damage to the ecosystem. Eutrophication of the waters causes oxygen depletion, which in turn increases fish mortality, releasing toxins in waters. The released toxins can cause damage to animals and humans, which is the reason in many countries to set emission limits for waste water. Nutrients exist naturally, but due to human activities there is high nutrient leaching to water bodies. Human activity is one of the main reasons to the eutrophication. The aim of this thesis was to estimate the suitability of different water treatment options for Yara Finland’s fertilizer plant’s process waters in Siilinjärvi. The fertilizer plant process waters are high concentrate and especially nitrogen concentrations are high, which bring challenge to the treatment. At the theoretical part was investigated conventional and as well advanced wastewater treatment methods like reverse osmosis, adsorption and ion exchange. Beside different treatment methods corporate environmental requirements, responsibility and strategies were researched. At the empirical part of the thesis the goal was to find out possibil-ities to intensify the efficiency of purification at lamella clarifier with chemical precipitation. In addition possibility to use already existing chemical purifying plant for process waters was estimated. As a result of the research Yara has a possibility to intensify lamella clarifier’s action by addi-tion of calcium hydroxide and thus to obtain the phosphorus and fluorine to precipitate out of the water. But in practice this would be too expensive. It is possible to eliminate nitrogen compounds by adsorption or ammonia stripping, both methods requires additional testing. It is possible to process waters in chemical purifying plant, if ammonium nitrogen has been reduced before. Reverse osmosis is possible to exploit for the phosphoric acid plant’s waters.

Kirkkaasta sameaan : Meren kuormitus ja tila Saaristomerellä ja Ahvenanmaalla

Tässä raportissa tarkastellaan Saaristomeren ja Ahvenmaan merialueen kuormitusta ja tilaa ja niissä viime vuosikymmeninä tapahtuneita muutoksia vuosiin 2008 ja 2009 saakka. Pääpaino on ravinnekuormituksessa ja veden laadussa, mutta mukana on taustatietoa ja muun muassa katsaus kalakannoista. Saaristomeren ja Ahvenanmaan merialueen tila on heikentynyt huomattavasti viimeisten vuosikymmenten aikana. Erityisesti fosforin ja a-klorofyllin määrät ovat kasvaneet ja näkösyvyys pienenentynyt. Viimeisen kymmenen vuoden aikana pintaveden fosforipitoisuuden kasvu on laantunut suurimmassa osassa aluetta, mutta pohjanläheisessä vesikerroksessa ja talvella fosforipitoisuus on jatkanut kasvuaan monin paikoin viime vuosiin asti. Myös a-klorofyllin määrä on lisääntynyt ulko- ja välisaaristossa 2000-luvullakin. Viime vuosina klorofyllipitoisuuden kasvu on kuitenkin laantunut tai pitoisuus laskenut varsinkin rannikonläheisissä vesissä. Merialueen suurin paikallinen ravinnekuormittaja on maatalous, mutta varsinkin typpeä tulee runsaasti myös ilmalaskeumana. Sisäinen kuormitus ja virtausten mukana Suomenlahdelta ja muualta Itämereltä tulevat ravinteet heikentävät niin ikään merialueen tilaa. Muita ravinnelähteitä ovat mm. haja-asutus, jätevedenpuhdistamot ja kalankasvatus. Ahvenanmaan merialueelle ravinteita tulee enemmän muualta kuin Ahvenanmaalta. Hajakuormituksessa on tapahtunut viime vuosikymmeninä selviä vuodenaikaisia muutoksia. Vuosina 1990 – 2009 jokien mereen tuoma ravinne- ja kiintoainekuormitus on ollut talvisin ja syksyisin selvästi suurempaa kuin vuosina 1970 – 1989. Talviaikaisen kuormituksen lisääntyminen johtuu aiempaa lauhemmista talvista, ja antaa viitteitä ilmastonmuutoksen mukanaan tuomista muutoksista. Vaikka Saaristomeren ja Ahvenanmaan merialueen tilassa on ollut viime aikoina nähtävissä myönteisiäkin merkkejä, on niiden tila edelleen huolestuttava. Ainoa keino merialueen tilan parantamiseksi on kuormituksen huomattava vähentäminen. Vähentäminen koskee niin paikallisia ravinnelähteitä, erityisesti maataloutta, kuin muualta Itämereltä virtausten mukana tulevia ravinteita ja ilmalaskeumaa.

Adsorption of hydrogen sulfide by modified cellulose nano/microcrystals

Hydrogen sulfide is toxic and hazardous pollutant. It has been under great interest for past few years because of all the time tighten environmental regulations and increased interest of mining. Hydrogen sulfide gas originates from mining and wastewater treatment systems have caused death in two cases. It also causes acid rains and corrosion for wastewater pipelines. The aim of this master thesis was to study if chemically modified cellulose nanocrystals could be used as adsorbents to purify hydrogen sulfide out from water and what are the adsorption capacities of these adsorbents. The effects of pH and backgrounds on adsorption capacities of different adsorbents are tested. In theoretical section hydrogen sulfide, its properties and different purification methods are presented. Also analytical detection methods for hydrogen sulfide are presented. Cellulose nano/microcrystals, properties, application and different modification methods are discussed and finally theory of adsorption and modeling of adsorption is shortly discussed. In experimental section different cellulose nanocrystals based adsorbents are prepared and tested at different hydrogen sulfide concentrations and in different conditions. Result of experimental section was that the highest adsorption capacity at one component adsorption had wet MFC/CaCO3. At different pH the adsorption capacities of adsorbents changed quite dramatically. Also change of hydrogen sulfide solution background did have effect on adsorption capacities. Although, when tested adsorbents’ adsorption capacities are compared to those find in literatures, it seems that more development of MFC based adsorbents is needed.

Identification and application of bile metabolites to assess the exposure of fish to pharmaceuticals in the environment

Thousands of tons of pharmaceuticals are consumed yearly worldwide. Due to the continuous and increasing consumption and their incomplete elimination in wastewater treatment plants (WWTP), pharmaceuticals and their metabolites can be detected in receiving waters, although at low concentrations (ng to low μg/L). As bioactive molecules the presence of pharmaceuticals in the aquatic environment must be considered potentially hazardous for the aquatic organisms. In this thesis, the biotransformation and excretion of pharmaceuticals in fish was studied. The main biotransformation pathways of three anti‐inflammatory drugs, diclofenac, naproxen and ibuprofen, in rainbow trout were glucuronidation and taurine conjugation of the parent compounds and their phase I metabolites. The same metabolites were present in fish bile in aquatic exposures as in fish dosed with intraperitoneal injection. Higher bioconcentration factor in bile (BCFbile) was found for ibuprofen when compared to diclofenac and naproxen. Laboratory exposure studies were followed by a study of uptake of pharmaceuticals in a wild fish population living in lake contaminated with WWTP effluents. Of the analyzed 17 pharmaceuticals and six phase I metabolites, only diclofenac, naproxen and ibuprofen was present in bream and roach bile. It was shown, that diclofenac, naproxen and ibuprofen excreted by the liver can be found in rainbow trout and in two native fish species living in the receiving waters. In the bream and roach bile, the concentrations of diclofenac, naproxen and ibuprofen were roughly 1000 times higher than those found in the lake water, while in the laboratory exposures, the bioconcentration of the compounds and their metabolites in rainbow trout bile were at the same level as in wild fish or an order of magnitude higher. Thus, the parent compounds and their metabolites in fish bile can be used as a reliable biomarker to monitor the exposure of fish to environmental pharmaceuticals present in water receiving discharges from WWTPs.

Pulsed corona discharge as an advanced oxidation process for degradation of organic

Advanced oxidation processes (AOPs) have been studied and developed to suffice the effective removal of refractory and toxic compounds in polluted water. The quality and cost of wastewater treatment need improvements, and electric discharge technology has a potential to make a significant difference compared to other established AOPs based on energy efficiency. The generation of active oxidant species such as ozone and hydroxyl radicals by high voltage discharge is a relatively new technology for water treatment. Gas-phase pulsed corona discharge (PCD), where a treated aqueous solution is dispersed between corona-producing electrodes free of the dielectric barriers, was developed as an alternative approach to the problem. The short living radicals and ozone formed in the gas phase and at the gas-liquid interface react with dissolved impurities. PCD equipment has a relatively simple configuration, and with the reactor in an enclosed compartment, it is insensitive towards gas humidity and does not need the gas transport. In this thesis, PCD was used to study and evaluate the energy efficiency for degrading various organic compounds, as well as the chemistry of the oxidation products formed. The experiments investigate the aqueous oxidation of phenol, humic substances, pharmaceutical compounds (paracetamol, ibuprofen, indomethacin, salicylic acids, -estradiol), as well as lignin degradation and transformation to aldehydes. The study aims to establish the influence of initial concentration of the target pollutant, the pulsed discharge parameters, gas phase composition and the pH on the oxidation kinetics and the efficiency. Analytical methods to measure the concentrations of the target compounds and their by-products include HPLC, spectrophotometry, TOC and capillary electrophoresis. The results of the research included in this summary are presented in the attached publications and manuscripts accepted for publication. Pulsed corona discharge proved to be highly effective in oxidizing each of the target compounds, surpassing the closest competitor, conventional ozonation. The increase in oxidation efficiencies for some compounds in oxygen media and at lower pulse repetition frequencies shows a significant role of ozone. The role of the ·OH radicals was established in the surface reactions. The main oxidation products, formation of nitrates, and the lignin transformation were quantified. A compound specific approach is suggested for optimization of the PCD parameters that have the most significant impact on the oxidation energy efficiency because of the different characteristics and responses of the target compound to the oxidants, as well as different admixtures that are present in the wastewater. Further studies in the method’s safety (nitration and nitrosation of organic compounds, nitrite and nitrate formation enhancement) are needed for promoting the method.

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.

Käänteisosmoosin esikäsittelymenetelmät

Käänteisosmoosisuodatusta käytetään erityisesti teollisuuden jätevesien loppupuhdistuksessa. Suodatuksen ongelmana on kalvojen likaantuminen ja tukkiutuminen. Tässä työssä on aiempia tutkimuksia hyväksikäyttäen tutkittu käänteisosmoosiin tulevan veden esikäsittelemistä niin, että kalvojen likaantumiselta vältyttäisiin. Menetelmien vertailussa on käytetty erilaisia veden laadusta kertovia parametreja. Ongelmallisimmiksi aineksiksi huomattiin orgaaninen aines ja jotkin veteen liuenneet ionit. Kiintoaineen erottaminen ei ole ollut suuri ongelma, sillä sen saa poistettua tavallisesti käytetyillä rakeissuodatuksella, laskeutuksella, flotaatiolla ja kalvosuodatuksella. Orgaanista ainesta on saatu erotettua erityisesti hapettamalla, aktiivilieteprosessilla ja biologisella aktiivihiilisuodattimella. Mikro- ja ultrasuodatusta käytetään usein juuri ennen käänteisosmoosia poistamaan erityisesti kolloidista materiaalia ja joitain liuenneita ioneja. Flokkien muodostaminen koagulaatiossa ja flokkulaatiossa parantaa lähes kaikkien menetelmien toimivuutta selvästi. Veden puhdistuksessa käytetyt kemikaalit voivat myös liika-annosteltuina liata kalvoja. Vesien pitoisuuksissa eri ainesten osalta on huomattavia eroja, joten puhdistettava vesi on hyvä analysoida etukäteen parhaiden käsittelymenetelmien valitsemiseksi.

Potential utilization ways of recovered chemical products from digestate

The study evaluates the potential application of chemical substances, obtained from biogas plants` by-products. Through the anaerobic digestion process with biogas the large amount of digestate is produced. This digestate mainly consists on the organic matter with the high concentration of nutrients such as nitrogen and phosphorus. During ammonia stripping and phosphorus precipitation the products- ammonia water, ammonium sulfate, ammonium nitrate, ferrous phosphate, aluminum phosphate, calcium phosphate and struvite can be recovered. These chemicals have potential application in different industrial sectors. According to Finnish market and chemicals properties, the most perspective industrial applications were determined. Based on the data, obtained through the literature review and market study, the ammonia water was recognized as a most perspective recovered substances. According to interview provided among Finnish companies, ammonia water is used for flue gas treatment in SNCR technology. This application has a large scale in the framework of Finnish industrial sectors. As well nitrogen with phosphorous can be used as a source of nutrients in the biological wastewater treatment plants of paper mills.

Typenpoiston tehostaminen kunnallisessa jätevedenpuhdistuksessa membraanibioreaktorin avulla

Tämä diplomityö tehtiin Vihdin Vesihuoltolaitoksen Nummelan jäteveden puhdistamolle. Työssä tutkittiin typenpoistoa kunnallisista jätevesistä membraanibioreaktorin (MBR) avulla. MBR:ssä yhdistyvät perinteinen aktiivilieteprosessi ja kalvosuodatus. Työn tavoite oli päästä yli 95 % typenpoistoon. Aluksi typenpoisto oli yli 80 %, kun pilot-mittakaavan MBR-laitosta operoitiin perinteisen prosessin parametrein. Typenpoistoa onnistuttiin tehostamaan nostamalla nitraattipitoisen palautuslietteen kierrätystä prosessin alkupäähän (1600 L/h) ja lisäämällä aktiivista biomassaa reaktorissa. Yli 90 % typenpoisto edellytti myös pidempää viipymäaikaa (noin kaksinkertainen perinteiseen prosessiin verrattuna). Tutkimuksessa päästiin parhaimmillaan jopa 95 % typenpoistumaan operoimalla laitteistoa pienellä typpikuormalla (0,1 kg/vrk) ja alhaisemmalla lietepitoisuudella (10 g/L). Typpikuorman noustessa (0,3 kg/vrk) typenpoistoteho laski. Tätä onnistuttiin parantamaan (yli 90 %) nostamalla biomassan määrää reaktorissa (15 g/L). Hyvän typenpoiston saavuttaminen edellytti myös suurempaa metanolin ja hapen syöttöä.

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.

Suspension esikäsittelyn vaikutus kiintoaineen laskeutumisnopeuteen

Laskeutus on yksinkertainen ja teollisuudessa paljon käytetty erotusmenetelmä. Laskeutusta käytetään yleisimmin metalliteollisuudessa ja jätevesienkäsittelyssä. Laskeuttimen erotustehokkuutta voidaan parantaa esikäsittelemällä laskeutettavaa suspensiota. Laskeutusta on tutkittu hyvin laajasti teollisuudessa, koska laskeutus on menetelmänä helposti toteutettava ja energiatehokas. Työn kirjallisuusosassa käsitellään perusteet kiintoaineen laskeutumisesta fluidissa, tutustutaan laskeuttimiin ja esitellään suspension esikäsittelymenetelmät. Työn kokeellisessaosassa tutkitaan esikäsittelymenetelmien vaikutusta kalsiumkarbonaattilietteen laskeutumisnopeuteen. Tutkittavia esikäsittelymenetelmiä työn kokeellisessaosassa ovat flokkulaatio, lämpötilan ja pH:n muuttaminen. Laskeutuskokeet suoritettiin tilavuusosuudella 10 % olevalla kalsiumkarbonaattilietteellä. Tutkimuksen tarkoituksena oli tutkia tutkittavien esikäsittelymenetelmien vaikutusta lietteen laskeutumisnopeuteen ja löytää optimiolosuhteet työssä käytettävän kalsiumkarbonaattilietteen laskeutumisessa. Koetuloksista havaitaan, että flokkulaatio ja lämpötilan muuttaminen vaikuttavat tehoikkaimmin lietteen laskeutumisnopeuteen. Flokkulaatio ja lämpötilan kohottaminen lisäävät huomattavasti kiintoaineen laskeutumista. Lisätutkimusta tarvitaan laajemmalta pH alueelta optimiolosuhteiden löytämiseksi. Lisäksi jatkotutkimuksia eri flokkulanteilla tarvitaan lisää, jotta voidaan löytää paras flokkulantti laskeutumisprosessin tehostamiseksi.

Formation of nitrates in water in presence of formate and oxalate treated with pulsed corona discharge (PCD)

Tavallisten hapetusmenetelmien sijasta kehittyneitä hapetusmenetelmiä (AOP) on kehitetty yhä enemmän, jotta hapetusprosessista tulisi kannattavampi, tehokkaampi, ympäristöystävällisempi ja sitä voitaisiin hyödyntää laajalti eri paikoissa. Uusi teknologia, joka käyttää otsonia ja hydroksyyliradikaalia sähköimpulssien kanssa, on yksi mahdollinen tehokkaampi vedenkäsittelymentelmä. Kyseistä menetelmää kutsutaa pulsed corona discharge (PCD) -menetelmäksi, joka käyttää prosessissa muodostuvia otsonia ja hydroksyyliradikaalia hapettavina tekijöinä. Tässä työssä tutkittiin nitraatin muodostumista vedessä, kun vettä käsiteltiin PCD-laitteessa ja, kun oksalaatti- ja formaatti-ioneja oli sekoittuneina veteen. Nitraatteja muodostuu PCD–laitteessa veteen, kun ilman typpi reagoi hapettimina toimivien otsonin ja hydroksyyliradikaalin kanssa. Aiemmissa tutkimuksissa nitraatin muodostumisen on todistettu parantuvan, kun karboksyylihapot muurahais- ja oksaalihappo ovat sekoittuneina veteen. Tässä tutkimuksessa tarkoituksena oli tutkia, miten formaatti- ja oksalaatti-ionien, joiden pitoisuudet olivat 0 ppm, 50 ppm ja 100 ppm, läsnäolo vedessä vaikuttaa nitraatin muodostumiseen. PCD-kokeista saadut näytteet analysoitiin ionikromatografilla. Kyseisessä tutkimuksessa nitraatin muodostuminen oli samansuuruista jokaisessa kokeessa hapetusajan kasvaessa samalla, kun otettujen näytteiden pH-arvot laskivat. Tuloksena voitiin pitää sitä, ettei formaatti- tai oksalaatti-ioneilla ollut vaikutusta nitraatti-ionien muodostumiseen.

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.