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.

Energy-efficient control strategies for variable speed driven parallel pumping systems based on pump operation point monitoring with frequency converters

The pumping processes requiring wide range of flow are often equipped with parallelconnected centrifugal pumps. In parallel pumping systems, the use of variable speed control allows that the required output for the process can be delivered with a varying number of operated pump units and selected rotational speed references. However, the optimization of the parallel-connected rotational speed controlled pump units often requires adaptive modelling of both parallel pump characteristics and the surrounding system in varying operation conditions. The available information required for the system modelling in typical parallel pumping applications such as waste water treatment and various cooling and water delivery pumping tasks can be limited, and the lack of real-time operation point monitoring often sets limits for accurate energy efficiency optimization. Hence, alternatives for easily implementable control strategies which can be adopted with minimum system data are necessary. This doctoral thesis concentrates on the methods that allow the energy efficient use of variable speed controlled parallel pumps in system scenarios in which the parallel pump units consist of a centrifugal pump, an electric motor, and a frequency converter. Firstly, the suitable operation conditions for variable speed controlled parallel pumps are studied. Secondly, methods for determining the output of each parallel pump unit using characteristic curve-based operation point estimation with frequency converter are discussed. Thirdly, the implementation of the control strategy based on real-time pump operation point estimation and sub-optimization of each parallel pump unit is studied. The findings of the thesis support the idea that the energy efficiency of the pumping can be increased without the installation of new, more efficient components in the systems by simply adopting suitable control strategies. An easily implementable and adaptive control strategy for variable speed controlled parallel pumping systems can be created by utilizing the pump operation point estimation available in modern frequency converters. Hence, additional real-time flow metering, start-up measurements, and detailed system model are unnecessary, and the pumping task can be fulfilled by determining a speed reference for each parallel-pump unit which suggests the energy efficient operation of the pumping system.

Veden desinfiointi UV-LED-valolla

Veden riittämätön puhdistus aiheuttaa riskin veden käyttäjille. Miljoonia kuolemia vuosittain aiheuttavien vesiteitse leviävien sairauksien ehkäisemiseksi vaaditaan tehokkaita juomaveden desinfiointimenetelmiä. Kuivuuden ja väestönkasvun myötä veden tarve on lisääntynyt ja vedenkulutus tulee yhä kasvamaan. Tästä syystä mahdollisuus kierrättää vettä hyödyntäen sitä esimerkiksi kasteluun on saanut yhä enemmän huomiota. Kierrätettävä vesi on kuitenkin käsiteltävä huolellisesti sen sisältämän mikrobiologisen kontaminaatioriskin vuoksi. Ultraviolettisäteily luokitellaan fysikaaliseksi desinfiointimenetelmäksi. Sen tehokkuus perustuu mikro-organismien absorboimaan UV-säteilyyn, jonka aiheuttamien DNA:ssa tai RNA:ssa tapahtuvien muutoksien seurauksena mikro-organismi inaktivoituu ja estyy lisääntymästä. UV-desinfioinnissa on tyypillisesti käytetty elohopeahöyrylamppuja. Vaihtoehtoinen UV-säteilyn lähde ovat LEDit eli valoa emittoivat diodit. Matalapaine-elohopeahöyrylamppujen emittoima säteily on aallonpituudella 254 nm ja keskipaine-elohopeahöyrylamppujen emittoima säteily on laajakaistaista säteilyä. Energiatehokkuuden lisäksi LEDien etuna on, että niillä voidaan tuottaa kapeakaista säteilyä aallonpituudella, joka parhaiten absorboituu DNA:han. Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia, onko UVC-alueen aallonpituuksien yhdistelmillä synergistisiä etuja LEDien desinfiointitehokkuuteen, kun desinfioidaan virtaavaa vettä useilla säteilyannoksilla ja indikaattorimikrobina käytetään kolibakteeria. Tavoitteena oli myös tutkia tällä hetkellä saatavissa olevien LEDien desinfiointitehokkuutta energiatehokkuuden näkökulmasta. Yksittäisistä aallonpituuksista desinfiointitehokkuudeltaan parhaimmaksi osoittautui 260 nm, aallonpituuksien yhdistelmistä tehokkain oli 265 nm:n ja 260 nm:n yhdistelmä. Muilla aallonpituuksien yhdistelmillä ei saavutettu odotettua parempaa desinfiointitehokkuutta. Optiselta teholtaan parhaimmat LEDit, 265 nm, 270 nm ja 275 nm olivat kokeiden perusteella myös energiatehokkuuden kannalta tarkasteltuina parhaimmat sekä yksittäin että yhdistelminä. UVC-aallonpituuksia emittoivien LEDien optisen tehokkuuden paraneminen on edellytys LEDien hyödyntämiselle desinfioinnissa.

Elinkaarihankkeen rakennusliikeriskit

Tiivistelmä: Elinkaaren palvelumallit ovat suosittuja julkisten palveluiden hankintamuotoja Iso-Britanniassa. PPP–malli on yksi monista julkisten palvelujen kumppanuusmalleista, josta on tullut joissakin kunnissa yhä suositumpi hankintamalli myös Suomessa. Tämä on seurausta kuntien tiukasta taloustilanteesta, jossa PPP–hankkeen katsotaan mahdollistavan julkisen sektorin investoinnit joutumatta leikkaamaan muita pakollisia hankintoja. Kuitenkin koko elinkaaren kattavat palvelutarjonnan hankintamallit ovat vielä melko uusia malleja ja meillä on tarve löytää toimivia sopimusmalleja ja käytäntöjä, jotta hankkeista saadaan rakennusliikettä kiinnostavia liiketoimintamalleja. Ulkomailla elinkaarihankkeista on tehty monia tutkimuksia ja konsultit ovat kääntäneet niitä omiin tarkoituksiinsa sopiviksi. Kuitenkin Suomen lainsäädäntö on erilainen julkisten palveluiden tuottamisessa, erityisesti lakisääteisissä terveydenhuoltopalveluissa, vesi- ja jätevesihuollossa, vankeinhoidossa, ja niin edelleen. Tästä näkökulmasta ulkomailla tehdyt tutkimukset eivät sellaisenaan sovi Suomeen käytettäviksi. Esimerkiksi tutkimuksissa esitetään, että elinkaarihankkeet tuottavat pitkän aikavälin kassavirtaan, mutta tämä etu koskee vain rahoittaja ja kiinteistöpalvelu yrityksiä - ei rakennusyritystä. Tutkimuksissa mainitaan myös muista elinkaarihankkeiden mahdollisuuksista, jotka jäävät kuitenkin rakennusliikkeen näkökulmasta epäselviksi. Perinteisiin rakennuttamisen malleihin verrattuna elinkaarihankkeiden sopimusmenettelyt ovat monimutkaisempia sekä aikaa vievempiä ja sopijaosapuolten yhteistyö elinkaarihankkeissa on välttämätöntä. Käytännössä elinkaarihankkeiden riskienjako nähdään julkisen sektorin ja yksityisen sektorin välillä yksipuoliseksi. Jotta elinkaarimalli yleistyisi Suomessa, niin elinkaarisopimuksen riskienjaosta on tehtävä tasapuolinen ja käyttäjä pitää saada myös riskejä kantamaan. Tässä työssä keskitytään arvioimaan elinkaarimallien keskeisiä menestystekijöitä ja riskitekijöitä ja löytää mahdollisia tapoja tehdä hankintaprosessista helppoa ja sujuvaa. Samalla yritetään selvittää, miten elinkaarihankkeesta saadaan rakennusliikkeen kannalta menestyvää liiketoimintaa. Johtopäätökset perustuvat aikaisempiin tutkimuksiin ja empiiriseen tapaustutkimukseen. Työssä arvioidaan niitä seikkoja, jotka vaikuttavat yksityisen sektorin tarjouspäätökseen. Arvioinnissa erotetaan toisistaan kolme erillistä riskitekijää; tarjouksen tekemisen riskit, rakennushankkeen riskit ja elinkaaren aikaiset riskit. Työssä todetaan, että aikaisemmat tutkimukset ovat riittämättömiä rakennusliikkeen riskien arvioimiseen.

Sellutehtaan TRS-hajapäästöjen hallinta

Diplomityön tavoitteena on selvittää TRS-hajapäästöjen muodostumista sekä päästöjen määrää UPM Kymmene Oyj:n Kaukaan sellu- ja paperitehtaalla. Työssä laaditaan TRS-hajapäästöjen mittausohjelma, minkä päivitetty massa- ja paperiteollisuuden BAT-vertailuasiakirja vaatii. Mittausohjelma täydentää tehdasintegraatin ilmapäästöjen valvontaohjelmaa. Hajapäästöjen lisäksi tavoitteena on selvittää häiriötilanteiden aiheuttamia TRS-päästömääriä. Kirjallisuusosassa selvitetään hajujen muodostumista sellun ja paperin valmistuksessa ja niiden käsittelyä ympäristövaikutusten minimoimiseksi. Lisäksi esitellään mittausmenetelmiä. Kokeellisessa osassa valituista kohteista mitataan TRS-pitoisuudet ja hajukaasujen virtaama, joiden perusteella lasketaan TRS-kuormitus. Kuormitus suhteutetaan sellutonnille. Osa kohteista on hajapäästökohteita ja osa kohteita, joista hajukaasut häiriötilanteissa johdetaan käsittelemättä ulos. Tulosten perusteella TRS-hajapäästöjä muodostuu sellun valmistuksessa noin 0,04 kgS/ADt ja jätevedenkäsittelyssä, pääasiassa lietteenkäsittelyssä 0,04 kgS/ADt. Hajapäästöjä syntyy eniten kohteissa, missä keräily on toteutettu kevyemmin tai sitä ei ole. Merkittävimmät kohteet Kaukaalla ovat lietteenkäsittely, koivukuitulinja ja mäntyöljylaitos. Havulinjan ja talteenotto-osaston hajapäästöt ovat muita osastoja vähäisemmät. Yhteensä sellutehtaan ja lietteenkäsittelyn TRS-hajapäästömäärä on 0,08 kgS/ADt, mikä on BAT vaihteluvälin (0,05-0,2 kgS/ADt) sisällä. TRS-häiriöpäästöjen osuus tehtaan TRS päästöistä voi häiriötilanteiden toistuessa nousta merkittäviksi. Tähän vaikuttaa merkittävästi häiriintyvä kohde.

Ampumaratojen kunnostustarpeen selvittäminen

Suomessa arvioidaan olevan kaikkiaan 2000 - 2500 ampumarataa joista aktiivisessa käytössä on noin 1000 kpl. Useimmat ulkoradat on perustettu paljon ennen nykyisten ympäristölakien voimaantuloa. Tästä syystä ammunnan ympäristövaikutukset melua lukuun ottamatta, eivät varmaan ole olleet tarkasteltavien asioiden listan kärjessä ampumaratoja suunniteltaessa. Sopivan maa alueen saatavuus sopivalla paikalla rakennuskustannusten minimoimiseksi on täytynyt olla yksi tärkeimmistä kriteereistä. Joissakin tapauksissa tämä valitettavasti on johtanut siihen, että ratojen paikoiksi on valittu sellaisia, mitä tämän päivän tietämyksellä ei suositeltaisi, kuten esimerkiksi pohjaveden muodostumisalueet. Ampumaratojen, etenkin haulikkoratojen, on todettu aiheuttaneen paikallisesti varsin laajaa maaperän pilaantumista. Toiminnan jatkuessa, runsaasti raskasmetalleja kertyy maahan ja taustapenkkoihin josta se rapautuu ja kulkeutuu alueelta pohjavesiin. Pohjaveden mukana haitta-aineet saattavat kulkeutua vedenpuhdistamoihin muodostaen riskiä paikallisasukkaiden terveydelle sekä jossain määrin alueen kasvillisuudelle ja faunalle. Vuoden 2007 valtioneuvoston PIMA-asetus muutti joitakin ohje-arvoja, joten näitä uusia arvoja on otettavaa huomioon niin riskiarvioinnissa kuin alueen käyttömahdollisuuksien kannalta tulevaisuudessa. Asetuksen voimaantulo edellyttää tapauskohtaisten riskiarviointien tekemistä ampumarata-alueiden kunnostuksen yhteydessä jolloin saavutetaan mahdollisemman tehokasta hyöty-kustannustasoa. Tutkimuksen tarkoituksena on kartoittaa uuden asetuksen mukaisesti ampumaratojen muodostamaa riskiä sekä rajata kunnostettavat alueet ja valita sopivammat kunnostusvaihtoehdot. Esimerkkitapauksina käytetään Kokkolan kaupungin alueella sijaitsevaa ampumarata-aluetta.

Transformation of carbon dioxide to diethyl carbonate over ceria and ceria-supported catalysts

Carbon dioxide is regarded, nowadays, as a primary anthropogenic greenhouse gas leading to global warming. Hence, chemical fixation of CO2 has attracted much attention as a possible way to manufacture useful chemicals. One of the most interesting approaches of CO2 transformations is the synthesis of organic carbonates. Since conventional production technologies of these compounds involve poisonous phosgene and carbon monoxide, there is a need to develop novel synthetic methods that would better match the principles of "Green Chemistry" towards protection of the environment and human health. Over the years, synthesis of dimethyl carbonate was under intensive investigation in the academia and industry. Therefore, this study was entirely directed towards equally important homologue of carbonic esters family namely diethyl carbonate (DEC). Novel synthesis method of DEC starting from ethanol and CO2 over heterogeneous catalysts based on ceria (CeO2) was studied in the batch reactor. However, the plausible drawback of the reaction is thermodynamic limitations. The calculated values revealed that the reaction is exothermic (ΔrHØ298K = ─ 16.6 J/ ) and does not occur spontaneously at rooms temperature (ΔrGØ 298K = 35.85 kJ/mol). Moreover, co-produced water easily shifts the reaction equilibrium towards reactants excluding achievement of high yields of the carbonate. Therefore, in-situ dehydration has been applied using butylene oxide as a chemical water trap. A 9-fold enhancement in the amount of DEC was observed upon introduction of butylene oxide to the reaction media in comparison to the synthetic method without any water removal. This result confirms that reaction equilibrium was shifted in favour of the desired product and thermodynamic boundaries of the reaction were suppressed by using butylene oxide as a water scavenger. In order to obtain insight into the reaction network, the kinetic experiments were performed over commercial cerium oxide. On the basis of the selectivity/conversion profile it could be concluded that the one-pot synthesis of diethyl carbonate from ethanol, CO2 and butylene oxide occurs via a consecutive route involving cyclic carbonate as an intermediate. Since commercial cerium oxide suffers from the deactivation problems already after first reaction cycle, in-house CeO2 was prepared applying room temperature precipitation technique. Variation of the synthesis parameters such as synthesis time, calcination temperature and pH of the reaction solution turned to have considerable influence on the physico-chemical and catalytic properties of CeO2. The increase of the synthesis time resulted in high specific surface area of cerium oxide and catalyst prepared within 50 h exhibited the highest amount of basic sites on its surface. Furthermore, synthesis under pH 11 yielded cerium oxide with the highest specific surface area, 139 m2/g, among all prepared catalysts. Moreover, CeO2─pH11 catalyst demonstrated the best catalytic activity and 2 mmol of DEC was produced at 180 oC and 9 MPa of the final reaction pressure. In addition, ceria-supported onto high specific surface area silicas MCM-41, SBA-15 and silica gel were synthesized and tested for the first time as catalysts in the synthesis of DEC. Deposition of cerium oxide on MCM-41 and SiO2 supports resulted in a substantial increase of the alkalinity of the carrier materials. Hexagonal SBA-15 modified with 20 wt % of ceria exhibited the second highest basicity in the series of supported catalysts. Evaluation of the catalytic activity of ceria-supported catalysts showed that reaction carried out over 20 wt % CeO2-SBA-15 generated the highest amount of DEC.

Sinkityslinjan pesuosan optimointi

Työn tavoitteena oli sinkityslinjan pesuosan toiminnan optimointi. Teoriakatsauksen ja haastattelututkimusten avulla työssä selvitettiin, mitkä tekijät pesuosalla tai teräsnauhan pesua edeltävissä prosessivaiheissa vaikuttavat pesutehoon alentavasti. Pesuosan ajoparametrien muutoskokeiden avulla määritettiin kunkin pesuparametrin suhteellinen vaikutus pesutulokseen sekä pesuosan optimaaliset ajoparametrit. Vaikutuksia arvioitiin pinnanpuhtauden ja pesuvesien laboratorioanalyysien sekä prosessidatan avulla. Jätevesianalyysien ja prosessidatan avulla arvioitiin lisäksi pesuosan muutosten vaikutusta pesusta syntyviä jätevesiä käsittelevän jätevesilaitoksen toimintaan. Laitetestauksen avulla työssä kartoitettiin, mikä menetelmä pinnanpuhtauden määrittämiseen soveltuu pesuosalle parhaiten. Kustannusarvioinnilla selvitettiin, millä toimin pesuosan toimintavarmuutta on edullisinta ylläpitää. Työn tulosten pohjalta lämpötilalla todettiin olevan pesutuloksen kannalta merkittävin vaikutus. Sen sijaan kemikaaliannostelun merkitys oli vähäinen. Vesien säännöllisen uudistamisen todettiin olevan olennainen pesuvesien ylläpitokeino nykyisessä pesutilanteessa. Se todettiin lisäksi ennakoivana toimenpiteenä kannattavammaksi kuin pesuosan täystyhjäykset ongelmatilanteissa. Teippitestein määritettävälle pinnanpuhtaudelle katsottiin sopivaksi vaihteluväliksi 40–75 %. Työssä todettiin, että pesua edeltävän kylmävalssin valssiöljyn vaihto sekä valssilla tuotetun teräsnauhan pinnanpuhtaus vaikuttavat merkittävästi pesuosan toimintakykyyn ja pesuosan pyörittämisestä aiheutuviin kustannuksiin. Toimenpiteet pesuosalla vaikuttavat lisäksi jätevesilaitoksen käsittelyvaatimuksiin, joskin myös tasaavat sen toimintaa. Työssä ehdotettiin ratkaisukeinoja pesuosan toimintavarmuuden varmistamiseksi jatkossa, sekä tarjottiin työkaluja, joiden avulla tulevissa investointipäätöksissä voidaan ottaa huomioon myös pesuosan toiminnan edellytykset.

Höyryvoimalaitoksen lisäveden valmistus

Kandidaatintyössä tutustuttiin raakaveden sisältämiin epäpuhtauksiin ja niiden aiheuttamiin ongelmiin höyryvoimalaitoksen vesi-höyrypiirissä. Vedenkäsittelyn teoriassa perehdyttiin esikäsittely-, pehmennys-, ioninvaihto- ja käänteisosmoosimenetelmiin, joista suurinta huomiota sai ioninvaihtomenetelmä. Kandidaatintyötä tehdessä oli tekijällä mahdollisuus perehtyä myös käytännön vedenkäsittelylaitoksen toimintaperiaatteeseen. Perehdytty vedenkäsittelylaitos pitää sisällään esikäsittelylaitoksen ja ioninvaihdolla toteutetun suolanpoiston.

Veden puhdistus mikro-organismisovelluksilla (EM Mudball®)

Vesistöjen rehevöityminen on maailmanlaajuinen ongelma. ”Effective microorganisms (EM)” -teknologian väitetään mahdollistavan ravinteiden poiston vesistä luonnonmukaisten mikro-organismien avulla. Työn tavoitteena on selvittää kyseistä teknologiaa hyödyntävien EM-mutapallojen soveltuvuutta suomalaisten luonnonvesien sekä jätevesien ravinteiden poistamiseen. Kirjallisuusosassa selitettiin EM-teknologian toimintaperiaate sekä esitettiin EM-mutapallojen koostumus. Tässä osassa selvitettiin myös teknologian käyttökohteita. Lisäksi perehdyttiin Suomen vesistöjen tilanteeseen sekä EM-teknologian mahdollisiin hyödyntämiskohteisiin. Kokeellisessa osassa seurattiin 6 eri vesinäytteen ravinnepitoisuuksien muutosta EM-mutapallon käytön aikana. Osaa näytteistä säilytettiin jääkaapissa, jotta päästiin lähemmäs Suomessa vallitsevia olosuhteita. Analysoidut ravinteet olivat nitraatti, sulfaatti, fosfaatti ja typpi. Tuloksien mukaan EM-mutapallojen käyttö poisti pääsääntöisesti vesinäytteistä nitraatin. Sulfaatin poisto sen sijaan oli huomattavasti heikompaa. Paria näytettä lukuun ottamatta sulfaattipitoisuudet eivät laskeneet lähtökonsentraation alle, vaikka ajoittaista laskua tapahtuikin. Fosfaattipitoisuudet näytteissä olivat yleisesti hyvin pieniä, eivätkä ylittäneet määritysrajaa kokeen aikana ollenkaan. Ainoastaan fosfaattia sisältäneessä synteettisessä näytteessä tapahtui fosfaattipitoisuuden laskua, joka kuitenkin palautui lähes alkuperäiselle tasolle koejakson lopussa. Näytteiden typpipitoisuuksien kasvun aiheutti käymistuotteena muodostuva ammonium, jonka takia myös näytteiden pH nousi. Kokeet vahvistavat aiempia tutkimustuloksia, joiden mukaan EM-mutapallo hajoaa kahden viikon kuluttua niiden lisäämisestä vesinäytteisiin. Aikaisemmista tutkimuksista poiketen tämän kokeen mukaan EM-mutapallot näyttäisivät toimivan paremmin viileämmässä lämpötilassa. Kokeen perusteella EM-teknologian hyödyntäminen voisi olla potentiaalinen vaihtoehto tulevaisuudessa Suomen vesistöjen nitraatin poistoon.

Perfluorattuja yhdisteitä sisältävien jätevesien puhdistus- ja analyysimenetelmät

Perfluoratut alkyyliyhdisteet eli PFAS-yhdisteet ovat synteettisiä orgaanisia yhdisteitä, joissa on fluorattu hiiliketju. Hiilen ja fluorin väliset vahvat sidokset ovat muodostuneet ongelmaksi jätevedenpuhdistamoilla, sillä yhdisteet eivät hajoa puhdistamoilla käytössä olevilla vedenpuhdistusmenetelmillä. Yhdisteitä kertyy luontoon jätevesien mukana. Kandidaatintyössä on vertailtu yhdisteitä sisältävien vesien käsittelymenetelmiä parhaiten soveltuvan menetelmän löytämiseksi. Menetelmien kustannuksia tai soveltuvuutta vedenpuhdistamomittakaavan prosessiksi ei ole arvioitu. Lisäksi työssä on koottu yhdisteitä sisältävien jätevesien analysointiin sopivia analyysimenetelmiä. Soveltuvat puhdistus- ja analyysimenetelmät on esitelty uusien tieteellisten artikkelien pohjalta. Mahdollisia erotusmenetelmiä ovat membraanierotus ja sorptio. Membraaneista soveltuvimpia ovat nanosuodatus- ja käänteisosmoosimembraanit, joilla erottuvat jopa 0,0001 μm:n kokoiset partikkelit. PFAS-yhdisteet voidaan erottaa sorptiolla muun muassa aktiivihiileen. Yhdisteiden rakenne hajoaa nykyaikaisilla hapetusmenetelmillä ja polttamalla lietteen mukana. Hapettaminen permanganaatin avulla ei tuottanut hyvää tulosta, mutta fotokemiallisella hapetuksella ja alhaisen lämpötilan plasmatekniikalla (NTP) yhdisteiden rakenne hajosi lähes kokonaan. Fotokemiallinen hapetus onnistui erityisesti perfluorokarboksyylihapoilla, joiden rakenne hajosi jopa kolmessa tunnissa. Yleisimmin käytetty analyysimenetelmä on nestekromatografin ja massaspektrometrin yhdistelmä (LC-MS/MS) ja matriisivaikutus minimoidaan tyypillisesti kiinteäfaasiuutolla (SPE). Työssä esitellyistä käsittelymenetelmistä parhaiten soveltuva on NTP-menetelmä, koska sillä saatiin tutkimusten mukaan hajotettua yhdisteiden rakenne muita menetelmiä lyhyemmässä ajassa ja se soveltuu parhaiten kaikille PFAS-yhdisteille. NTP-menetelmässä ei tarvita katalyyttiä tai lisäkemikaaleja. Voimakkaana hapettimena toimivat epästabiilit hydroksyyliradikaalit, jotka syntyvät koronapurkauksen kautta. Koronapurkauksessa muodostuu myös otsonia ja lisäksi vapaa happi voi tehostaa hapettumista. Menetelmässä muodostuvien hajoamistuotteiden hallinta vaatii lisätutkimusta. Mahdollinen hallintakeino voisi olla esimerkiksi hapettumisessa vapautuvien fluoridi-ionien saostaminen. Muodostuvien hajoamistuotteiden toksisuutta voitaisiin tarkkailla biosensorilla.

Kartoitus Kaakkois-Suomen jätelietteistä, lietteen tuottajista ja käsittelymenetelmistä

In this thesis the sludge of Southeastern-Finland, the companies which produce sludge and the current methods and those still in development have been surveyed. 85 % of the waste sludge from industry comes from forest industries. The sludge from municipal waste water treatment plants is mostly used as a raw material for bioplants. The sludge from forest industry is mostly incinerated. New circulation methods increase the recycling value of the waste by creating new products but they still lack a full-scale plant. The political pressure from Europe and the politics driven by the government of Finland will drive circular economy forward and thus uplifting the processing options of waste slurries. This work is divided in two parts, first contains the survey and the second contains the experimental part and the operational methods based on the survey. In the experimental part wet hard sheet waste sludge was de-watered with shaking filter and the applications for waste sludge from cellulose factory were considered. The results are, that the wet hard sheet waste sludge can be dewatered to high enough total solids content for the inteded use. Also, the cellulose waste sludge has too high Cd content in almost all of the batches to be used as a land improment.

Practical applications of a systematic approach to the chemical abatement of pollutants in water and air

The present dissertation is devoted to the systematic approach to the development of organic toxic and refractory pollutants abatement by chemical decomposition methods in aqueous and gaseous phases. The systematic approach outlines the basic scenario of chemical decomposition process applications with a step-by-step approximation to the most effective result with a predictable outcome for the full-scale application, confirmed by successful experience. The strategy includes the following steps: chemistry studies, reaction kinetic studies in interaction with the mass transfer processes under conditions of different control parameters, contact equipment design and studies, mathematical description of the process for its modelling and simulation, processes integration into treatment technology and its optimisation, and the treatment plant design. The main idea of the systematic approach for oxidation process introduction consists of a search for the most effective combination between the chemical reaction and the treatment device, in which the reaction is supposed to take place. Under this strategy,a knowledge of the reaction pathways, its products, stoichiometry and kinetics is fundamental and, unfortunately, often unavailable from the preliminary knowledge. Therefore, research made in chemistry on novel treatment methods, comprisesnowadays a substantial part of the efforts. Chemical decomposition methods in the aqueous phase include oxidation by ozonation, ozone-associated methods (O3/H2O2, O3/UV, O3/TiO2), Fenton reagent (H2O2/Fe2+/3+) and photocatalytic oxidation (PCO). In the gaseous phase, PCO and catalytic hydrolysis over zero valent ironsare developed. The experimental studies within the described methodology involve aqueous phase oxidation of natural organic matter (NOM) of potable water, phenolic and aromatic amino compounds, ethylene glycol and its derivatives as de-icing agents, and oxygenated motor fuel additives ¿ methyl tert-butyl ether (MTBE) ¿ in leachates and polluted groundwater. Gas-phase chemical decomposition includes PCO of volatile organic compounds and dechlorination of chlorinated methane derivatives. The results of the research summarised here are presented in fifteenattachments (publications and papers submitted for publication and under preparation).

Choice of Optimal MembraneProcesses for Economical Treatment of Paper Machine Clear Filtrate

In this thesis membrane filtration of paper machnie clear filtrate was studied. The aim of the study was to find membrane processes which are able to produce economically water of sufficient purity from paper machine white water or its saveall clarified fractions for reuse in the paper machnie short circulation. Factors affecting membrane fouling in this application were also studied. The thesis gives an overview af experiments done on a laboratory and a pilot scale with several different membranes and membrane modules. The results were judged by the obtained flux, the fouling tendency and the permeate quality assessed with various chemical analyses. It was shown that membrane modules which used a turbulence promotor of some kind gave the highest fluexes. However, the results showed that the greater the reduction in the concentration polarisation layer caused by increased turbulence in the module, the smaller the reductions in measured substances. Out of the micro-, ultra- and nanofiltration membranes tested, only nanofiltration memebranes produced permeate whose quality was very close to that of the chemically treated raw water used as fresh water in most paper mills today and which should thus be well suited for reuse as shower water both in the wire and press section. It was also shown that a one stage nanofiltration process was more effective than processes in which micro- or ultrafiltration was used as pretreatment for nanofiltration. It was generally observed that acidic pH, high organic matter content, the presence of multivalent ions, hydrophobic membrane material and high membrane cutoff increased the fouling tendency of the membranes.

Regenerated cellulose ultrafiltration membranes in the treatment of pulp and paper mill process waters

Ultrafiltration (UF) is widely applied in different separation processes in the pulp and paper industry. The growing need to protect the environment, a lack of pure water and an interest in producing high-value chemicals from compounds present in process waters will probably lead to an increase in the use of UF in the pulp and paper industry. The efficiency and cost-effectiveness of a UF process depends on the applied membrane. The membrane should have a high and stable filtration capacity, a particular selectivity and a long operational lifetime. To meet these requirements a membrane should have a low fouling tendency. In addition, it should withstand the prevailing operational and chemical conditions. This thesis evaluates the performance and applicability of the regenerated cellulose (RC) membranes 00030T and C2 in the treatment of pulp and paper mill process waters based on the requirements above. The results demonstrated that both the tested RC membranes fulfilled well the requirement of high filtration capacity. In addition, in the filtration of a paper mill clear filtrate (CF) the RC membranes were not as greatly affected by variations in the CF quality as a polysulphone membrane. Furthermore, due to their extreme hydrophilicity and weak charge the fouling tendency of the membranes can be expected to be low in pulp and paper mill filtration applications. It is, however, known that fouling cannot be totally avoided even when the membrane is chosen very carefully. This study indicated that carbohydrates influenced negatively on permeability and caused fouling in the filtration of groundwood mill circulation water. Thus, a pre-treatment effectively reducing the amount of carbohydrates might help to maintain a stable capacity. However, the results of the thesis also showed that the removal of some of the possible foulants might just increase the harmful effect of others. Multivariate examination was useful in the understanding of the complicated factors causing the unstable capacity. The thesis also revealed that the 00030T and C2 membranes can be used at high pressure (max. tested pressure 12 bar). The C2 membrane, having a sponge-like substructure, was more pressure resistant, and its performance was more stable at high pressure compared to the UCO30T membrane containing macrovoids in its substructure. Both tested membranes can, according to the results, also be used at temperatures as high as 70°C in acidic, neutral and alkaline conditions. However, the use at extreme conditions might cause faster ageing of the membranes compared to ageing in neutral conditions. The thesis proved that both the tested RC membranes are very suitable for pulp and paper mill applications and that the membranes can be utilised in processes operating in challenging conditions. Thus, they could be used in more demanding applications than supposed earlier.