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.

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.

Naudanlanta biokaasulaitosraaka-aineena, käsittely ja logistiikka

Maatalouden lietelannasta saatavien ravinteiden talteenotto ja kierrätys ovat viime aikoina nousseet yhä tärkeämmäksi tavoitteeksi. Ravinteiden tehokas kierrätystapa saadaan ai-kaiseksi käsittelemällä lietelantaa. Lannan käsittelyketjuja on monenlaisia; tässä työssä naudan lannan käsittelyketju muodostuu separoinnista ja mädätyksestä. Tämän diplomityön tarkoituksena oli selvittää naudan lannan mekaanisen separoinnin ja logistiikan kannattavuus märkämädätys- ja kuivamädätyskäsittelyketjussa. Käsittelyketju-jen kannattavuus tai kannattamattomuus on esitetty eri skenaarioissa muodostettujen kus-tannuslaskentojen perusteella. Skenaarioiden kustannuslaskelmat ovat toisiinsa verratta-vissa, jolloin ne voidaan asettaa niin ikään paremmuusjärjestykseen. Viides skenaario ei ole suoraan verrattavissa muihin skenaarioihin, koska siinä lannankäsittelyketjua on tar-kasteltu eri näkökulmasta, keskittämällä suurimmalle maatilalle. Mekaanisista separaattoreista tarkasteltiin työssä ruuvipuristinta, dekantterilinkoa ja ul-koistettua separointipalvelua. Lannan logistiikkakustannuksissa huomioitiin lannan kulje-tusta traktori- ja säiliöautolla tai traktorilla. Separoinnin kustannus liitettiin osaksi logis-tiikkakustannusta. Työn tuloksien perusteella voidaan todeta dekantterilingon separointi-kustannuksen olevan taloudellisesti kannattamattomin johtuen pienestä lantakapasiteetista ja separaattorin korkeasta investointihinnasta. Ravinteiden osalta linko osoittautui tehok-kaimmaksi menetelmäksi erottamaan ravinteet eri jakeisiin. Lannan käsittely separointipalvelulla oli edullisin skenaario, jonka vuosittaiseksi kustan-nukseksi saatiin säiliö- ja kuorma-autolla lantaa kuljetettaessa 58 700 € ja traktorilla kul-jetettaessa 60 400 €. Kallein lannan käsittely oli dekantterilingolla, jonka vuosittaiseksi kustannukseksi saatiin lantaa säiliö- ja kuorma-autolla kuljetettaessa 121 000 € ja trakto-rilla kuljetettaessa 123 300 €. Lannan separointi maatilalla osoittautui kannattavammaksi kuin käsittelemättömän lietteen kuljetus biokaasulaitokselle.

Feasibility of the use of recycled nutrients in fast growing pulpwood production

The application of pulp and paper mill (PPM) sludge in agriculture and forestry has been acknowledged as soil amendments and a plant nutrient source. The main objectives of this study were to evaluate the total cost of the use of recycled nutrients from PPM sludge in fast growing pulpwood production, and the financial profitability of fast growing pulpwood production with the use of these recycled nutrients. The investment and production costs of fast growing pulpwood plantation were directly acquired from a previous research, while the other data was compiled through different studies. The total cost of the use of PPM sludge was evaluated based on assumed factors. Discounted cash flow method was used to evaluate the financial profitability, using NPV and IRR as indicators. The results of estimated sludge nutrient contents were 16.2 g N, 2.9 g P, and 2.4 g K kg-1 of dry sludge. The sludge application rate was estimated at 1.36 Mg/ha in the first year. The total cost of the use of PPM sludge involved transport and spreading cost of US$49.15/dry ton. The fertilization cost applied in the financial model was designed in 3 different options and their results were as follows: option (1) was taken directly from the reference research (US$97/ha); option (2) was the use of sludge alone (US$66.75/ha); and option (3) was the use of sludge and TSP fertilizer (US$83.80/ha). The average NPV without discounting was US$248,180 while the IRRs ranged between approximately 3-4% with an average of 3.63%. Although option (2) and (3) contributed to higher IRRs compared to option (1), this increase was still not significant as the IRR was not sensitive to the total fertilization cost. The advantages are that this practice can be performed at a lower cost and the application rate can be still increased if necessary. It is better for forest plantations compared to agriculture and consequently supports reforestation program. In addition, it can be similarly applied in wood biomass production. A disadvantage is that the IRRs were not very favorable compared to the criterion of 11%. The sludge high in C:N ratio can cause nitrogen immobilization, and regulatory concerns may restrict and complicate the use of sludge landspreading and contribute to additional costs and processes.

Espoon puhdistamolietteen käsittelymenetelmien selvitys Ämmässuon käsittelykeskukselle

Ravinteiden kierrätys yhä enemmän luonnonvaroja kuluttavassa yhteiskunnassa on noussut tärkeäksi. Hyötykäyttämällä luonnollisesti syntyvät orgaaniset virrat yhteiskunnasta voidaan kierrättää pellolta nostetut ravinteet takaisin. Tässä diplomityössä on tarkasteltu Helsingin seudun ympäristöpalveluiden toteuttamaa mädätetyn puhdistamolietteen käsittelyä ja pohdittu sen käsittelymahdollisuuksia erityisesti Ämmässuon käsittelykeskuksessa. Tarkastelussa on keskitytty kahteen yleisimpään kompostointimenetelmään, eli auma- ja tunnelikompostointiin. Kompostointimenetelmien tarkastelussa on pyritty löytämään optimaalinen tukiaine sekä prosessiaika käsiteltävälle lietteelle Ämmässuolla olemassa olleilla resursseilla. Tutkimuksessa toteutettiin käytännön pilot -kokeita sekä toteutettiin teoreettista prosessin parametrien laskentaa mukaan lukien kustannukset ja resurssit. Tutkimuksen perusteella voidaan todeta, että kyseisen tyyppisellä käsittelyalueella tunneli-kompostointi on näillä parametreilla testattuna paras vaihtoehto. Menetelmällä voidaan saavuttaa nopeampi käsittelyaika sekä vähentää kompostoinnista aiheutuvia hajuhaittoja ympäristöön. Tukiaineseoksessa voidaan korvata yleisestikin käytetty turve vastaanotettavalla lehti-puru viherjäteseoksella sekä risuhakkeella ja prosessiaika on noin 12 -16 viikkoa. Käsittelyn kustannukset verrattuna tämän hetkiseen käsittelyyn Metsäpirtissä eivät olleet merkittävästi suuremmat ja ympäristövaikutusarvioinnin perusteella syntypaikkaa lähellä oleva käsittelyalue sekä prosessin pienemmät vaikutukset tuovat ympäristöedun käsittelylle Ämmässuolla.

Leijukerroslämmönsiirtimien tukkeutuminen biovoimalaitoksessa

Leijukerroslämmönsiirtimien, eli hiekanpalautuspolvessa sijaitsevien tulistimien tukkeutuminen on ollut Kaukaan Voima Oy:n biovoimalaitoksen suunnittelemattomien seisokkien suurin syy vuodesta 2012 lähtien. Tulistimet tukkeutuvat kahdella tavalla. Nopeassa tukkeutumisessa tulistinkammion seinien kuonakerrostumat romahtavat yhtäkkiä tulistimen päälle tukkien sen. Tämä johtaa aina koko laitoksen alasajoon. Hitaassa tukkeutumisessa tulistinputkien pinnalle muodostuu vähitellen kerrostuma sekä tulistinputkien väliin jää suurempia kappaleita, jotka tukkivat tulistinta. Nopea tukkeutuminen johtuu tuhkassa olevien alkali-, eli kalium- ja natriumyhdisteiden synnyttämistä kerrostumista lämmönsiirrinkammion seinille. Hidas tukkeutuminen johtuu osittain myös alkaliyhdisteistä, mutta merkittävämpi aine tulistinputkien pinnalla olevassa kerrostumissa näyttää olevan kalsiumsulfaatti, joka tukkii tulistinta. Palavan aineen pääsy tulistinkammioon ilmanjakoasetuksista ja tulistinkammion rakenteesta johtuen aiheuttaa kerrostumien syntymisen. Kerrostumien syntymiseen johtavat syyt johtuvat monesta tekijästä ja yksiselitteistä aiheuttajaa on vaikea määritellä. Selvin yhteys on lietteen epätasaisessa poltossa ja turpeen käytössä. Nykyisillä lietteenkäsittelylaitteilla lietteen tasainen syöttö on vaikeaa ja se aiheuttaa ongelmia. Turpeen poltto biopolttoaineiden rinnalla pitää tulistimet puhtaampina. Muita todennäköisiä kerrostumia lisääviä syitä ovat puhtaan hiekan vähäinen syöttömäärä ja usean huonomman polttoaineen yhtäaikainen poltto.

Voimalaitosten kattilaputkien sisäpuolisten kerrostumien paksuuden mittaaminen ultraäänimenetelmällä

Höyryvoimalaitoksen käyttöönotossa muodostuu kattilaputkien sisäpinnoille niitä korroosiolta suojaava ohut metallioksidikerros. Tämän kerroksen päälle kasvaa kattilan käytön aikana haitallista kerrostumaa paikallisen korroosion tai kattilavedessä olevien epäpuhtauksien kerääntymisen tai kiteytymisen seurauksena. Kerrostuma haittaa lämmönsiirtoa tulipesästä putkiseinämän läpi kattilaveteen. Putkien lämpötilan nousu suunniteltua korkeammaksi kasvattaa putkivaurioiden ja sisäpuolisen korroosion riskiä. Tästä johtuen paksuksi kasvaneet kerrostumat pyritään poistamaan happokäsittelyllä eli peittauksella ennen vaurioiden syntyä. Perinteisesti kerrostumapaksuus on määritetty kattilasta irrotetuista näyteputkista mikroskoopilla. Työn tavoitteena oli tutkia uudenlaisen ultraäänimittauksen teoriaa ja selvittää sen toimivuus höyrystinputkien kerrostumapaksuusmittauksissa. Lisäksi tavoitteena oli tutkia voimalaitoksen höyrystimen sisäpuolisten kerrostumien muodostumista ja niiden vaikutuksia sekä kattilan peittaustarpeen arviointia. Höyrystimen kerrostumien kasvunopeuteen vaikuttavat eniten voimalaitostyyppi, käytetty vesikemia ja kattilaveteen kulkeutuvien epäpuhtauksien määrä. Kasvunopeus vaihtelee laitosten välillä suuresti ja eroaa myös tulipesän eri kohdissa. Kattilaveden epäpuhtauspitoisuus ja kerrostumapaksuus vaikuttavat molemmat korroosiovaurioiden todennäköisyyteen. Peittauspaksuuden ohjearvoissa tulisi huomioida kattilan käyttöpaine, kattilatyyppi ja riski kattilaveden laadun heikkenemiselle. Putkinäytteistä ja laitoksilla suoritettujen mittauksien perusteella uusi ultraäänitekniikka tuottaa luotettavia tuloksia tavanomaisten kerrostumien mittauksessa. Vain yhdellä laitoksella esiintyi irtonaisen sakan kaltaista kerrostumaa, jota mittaus ei kyennyt havaitsemaan. Mittaustulokset kerrostumista tulipesän eri osissa antavat hyvän perustan peittaustarpeen arviointiin.

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.

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

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

Modelling the exothermic heat and the demand of cooling in paper and pulp industry biological wastewater treatment

This master thesis presents a study on the requisite cooling of an activated sludge process in paper and pulp industry. The energy consumption of paper and pulp industry and it’s wastewater treatment plant in particular is relatively high. It is therefore useful to understand the wastewater treatment process of such industries. The activated sludge process is a biological mechanism which degrades carbonaceous compounds that are present in waste. The modified activated sludge model constructed here aims to imitate the bio-kinetics of an activated sludge process. However, due to the complicated non-linear behavior of the biological process, modelling this system is laborious and intriguing. We attempt to find a system solution first using steady-state modelling of Activated Sludge Model number 1 (ASM1), approached by Euler’s method and an ordinary differential equation solver. Furthermore, an enthalpy study of paper and pulp industry’s vital pollutants was carried out and applied to revise the temperature shift over a period of time to formulate the operation of cooling water. This finding will lead to a forecast of the plant process execution in a cost-effective manner and management of effluent efficiency. The final stage of the thesis was achieved by optimizing the steady state of ASM1.

Vuotovesien merkitys jätevesihuollossa

Yleisimmät viemäröintijärjestelmät ovat erillisviemäröinti ja sekaviemäröinti. Erillisviemä-röinnissä jäte- ja hulevedet johdetaan omissa verkostoissa. Sekaviemäröinnissä kaikki viemä-röitävät vedet virtaavat samassa verkostossa. Vuotoveden osuus jätevesiviemäriverkostossa virtaavasta jätevedestä on keskimäärin yli 30 prosenttia. Vuotovesiselvityksen avulla pyritään selvittämään vuotoveden esiintymisalueet ja mahdolliset vuotokohteet. Mallintamalla laadittu selvitys tarjoaa mahdollisuuden tarkastella verkostoa kokonaisuutena ja erilaisissa käyttötilan-teissa. Tämä työ perustuu Joensuun kantakaupungin viemäriverkostosta mallintamalla laadit-tuun vuotovesiselvitykseen. Työssä on tarkoitus selvittää vuotovesistä aiheutuvan lisäener-giantarpeen ja kasvihuonekaasupäästöjen kasvua sekä pohtia verkoston omistussuhteiden, sään ääri-ilmiöiden ja taajuusmuuttajien vaikutuksia vuotovesien hallintaan. Lisäksi selvitetään voidaanko tuloksista tehdä valtakunnallisia yleistyksiä. Joensuun viemäriverkostossa jätevesien pumppaukseen käytetystä energiasta noin 43 prosent-tia kuluu vuotovesien pumppaukseen. Siitä aiheutuu vuosittain 480 MWh:n lisäenergiantarve, joka johtaa 106 tonnin hiilidioksidipäästöihin. Lisäenergiantarpeesta aiheutuva hiilidioksidi-päästö on pieni liikenteen aiheuttamaan päästöön verrattuna. Saneerauksilla voidaan saavuttaa 60 prosentin vähennys vuotovesimäärään. Tavoitteeksi tulisi asettaa keskusta-alueella olevien sekaviemäreiden korvaaminen erillisviemäreillä esimerkiksi lähimmän 10 vuoden aikana ja vuotovesimäärän yleinen vähentäminen koko verkoston alueella. Ilmastonmuutoksen myötä yleistyvät rankkasateet lisäävät vuotovesimäärää etenkin sekaviemäröidyillä alueilla. Tämä korostaa sekaviemäröidyn verkoston korjaustoimenpiteiden tärkeyttä. Taajuusmuuttajien yleistyvä käyttö tasaa haitallisia virtaamapiikkejä. Optimaaliseksi säädetty pyörimisnopeus pienentää merkittävästi pumppujen energiankulutusta. Työstä saadut tulokset ovat valtakun-nallisella tasolla suuntaa antavia. Tarkemmat yleistykset vaativat useista erikokoisista verkos-toista tehtyjen vuotovesiselvitystulosten analysointia.