High voltage discharge for degradation of organic contaminants in water

The pulsed dielectric barrier discharge (PDBD) and pulsed corona discharge (PCD) were compared for their efficiency to degrade phenol in water solution. Results show that PCD has higher efficiency than PDBD to degrade phenol. When initial pH of water solution was elevated, phenol degradation in the PCD reactor was significantly enhanced, although no considerable effect was seen in the PDBD reactor. The PCD reactor was also able to degrade lignin significantly, both in synthetically prepared solution and in pulp and paper mill wastewater. Water temperature did not affect phenol degradation; however, lignin was better oxidized at lower temperature.

Biotransformation and endocrine disruptive effects of contaminants in ringed seals - implications for monitoring and risk assessment

Marine mammals are exposed to persistent organic pollutants (POPs), which may be biotransformed to metabolites some of which are highly toxic. Both POPs and their metabolites may lead to adverse health effects, which have been studied using various biomarkers. Changes in endocrine homeostasis have been suggested to be sensitive biomarkers for contaminant-related effects. The overall objective of this doctoral thesis was to investigate biotransformation capacity of POPs and their potential endocrine disruptive effects in two contrasting ringed seal populations from the low contaminated Svalbard area and from the highly contaminated Baltic Sea. Biotransformation capacity was studied by determining the relationships between congener-specific patterns and concentrations of polychlorinated biphenyls (PCBs), organochlorine pesticides (OCPs), polybrominated diphenyl ethers (PBDEs) and their hydroxyl (OH)- and/or methylsulfonyl (MeSO₂)-metabolites, and catalytic activities of hepatic xenobiotic-metabolizing phase I and II enzymes. The results suggest that the biotransformation of PCBs, PBDEs and toxaphenes in ringed seals depends on the congener-specific halogen-substitution pattern. Biotransformation products detected in the seals included OH-PCBs, MeSO₂-PCBs and –DDE, pentachlorophenol, 4-OHheptachlorostyrene, and to a minor extent OH-PBDEs. The effects of life history state (moulting and fasting) on contaminant status and potential biomarkers for endocrine disruption, including hormone and vitamin homeostasis, were investigated in the low contaminated ringed seal population from Svalbard. Moulting/fasting status strongly affected thyroid, vitamin A and calcitriol homeostasis, body condition and concentrations of POPs and their OH-metabolites. In contrast, moulting/fasting status was not associated with variations in vitamin E levels. Endocrine disruptive effects on multiple endpoints were investigated in the two contrasting ringed seal populations. The results suggest that thyroid, vitamin A and calcitriol homeostasis may be affected by the exposure of contaminants and/or their metabolites in the Baltic ringed seals. Complex and non-linear relationships were observed between the contaminant levels and the endocrine variables. Positive relationships between circulating free and total thyroid hormone concentration ratios and OH-PCBs suggest that OH-PCBs may mediate the disruption of thyroid hormone transport in plasma. Species differences in thyroid and bone-related effects of contaminants were studied in ringed and grey seals from low contaminated references areas and from the highly contaminated Baltic Sea. The results indicate that these two species living at the same environment approximately at the same trophic level respond in a very different way to contaminant exposure. The results of this thesis suggest that the health status of the Baltic ringed seals has still improved during the last decade. PCB and DDE levels have decreased in these seals and the contaminant-related effects are different today than a decade ago. The health of the Baltic ringed seals is still suggested to be affected by the contaminant exposure. At the present level of the contaminant exposure the Baltic ringed seals seem to be at a zone where their body is able to compensate for the contaminant-mediated endocrine disruption. Based on the results of this thesis, several recommendations that could be applied on monitoring and assessing risk for contaminant effects are provided. Circulating OH-metabolites should be included in monitoring and risk assessment programs due to their high toxic potential. It should be noted that endogenous variables may have complex and highly variable responses to contaminant exposure including non-linear responses. These relationships may be further confounded by life history status. Therefore, it is highly recommended that when using variables related to endocrine homeostasis to investigate/monitor or assess the risk of contaminant effects in seals, the life history status of the animal should be carefully taken into consideration. This applies especially when using thyroid, vitamin A or calcitriolrelated parameters during moulting/fasting period. Extrapolations between species for assessing risk for contaminant effects in phocid seals should be avoided.

Accelerating food safety and quality control: The use of antibody engineering techniques in the detec-tion of low-molecular weight food contaminants

The increased awareness and evolved consumer habits have set more demanding standards for the quality and safety control of food products. The production of foodstuffs which fulfill these standards can be hampered by different low-molecular weight contaminants. Such compounds can consist of, for example residues of antibiotics in animal use or mycotoxins. The extremely small size of the compounds has hindered the development of analytical methods suitable for routine use, and the methods currently in use require expensive instrumentation and qualified personnel to operate them. There is a need for new, cost-efficient and simple assay concepts which can be used for field testing and are capable of processing large sample quantities rapidly. Immunoassays have been considered as the golden standard for such rapid on-site screening methods. The introduction of directed antibody engineering and in vitro display technologies has facilitated the development of novel antibody based methods for the detection of low-molecular weight food contaminants. The primary aim of this study was to generate and engineer antibodies against low-molecular weight compounds found in various foodstuffs. The three antigen groups selected as targets of antibody development cause food safety and quality defects in wide range of products: 1) fluoroquinolones: a family of synthetic broad-spectrum antibacterial drugs used to treat wide range of human and animal infections, 2) deoxynivalenol: type B trichothecene mycotoxin, a widely recognized problem for crops and animal feeds globally, and 3) skatole, or 3-methyindole is one of the two compounds responsible for boar taint, found in the meat of monogastric animals. This study describes the generation and engineering of antibodies with versatile binding properties against low-molecular weight food contaminants, and the consecutive development of immunoassays for the detection of the respective compounds.

Characterization of board impurities with a Raman device

Erilaisia epäpuhtauksia kulkeutuu paperinvalmistusprosessiin ja monenlaisia saostumia muodostuu paperinvalmistuksen prosesseissa. Epäpuhtaudet voivat aiheuttaa prosessiongelmia sekä alentaa tuotteen laatua. Epäpuhtauksien alkuperän ja koostumuksen selvittäminen edellyttää usein erilaisten analyysimenetelmien käyttöä. Epäpuhtauksien luokittelu on useasti välttämätöntä ennen tarkempaa kemiallista analyysia. Paperinvalmistuksen epäpuhtauksien kvalitatiiviseen luokitteluun on yleisimmin käytetty mikroskopian, IR-spektroskopian ja analyyttisen pyrolyysin menetelmiä. Raman spektroskopia on harvinaisempi menetelmä paperiteollisuuden tutkimuksessa. Raman instrumenttien kehittyminen on ollut voimakasta viimeisen vuosikymmenen aikana. Raman spektroskopia onkin osoittanut mandollisuutensa polymeerien, lääketeollisuuden ja polttoaineteollisuuden tutkimuksissa. Tässä työssä tutkittiin erään elintarvikepakkauskartongin epäpuhtauksia Raman spektroskoopilla. Työn tavoitteena oli selvittää Raman analyysin käyttökelpoisuutta kartongin epäpuhtauksien online-luokittelussa. Tutkimukset suoritettiin Spectracoden RP-1 Raman instrumentilla. Tutkimukset osoittivat, että näytteen fluoresenssi ja näytteen hajoaminen asettavat rajoituksia epäpuhtauksien Raman analyysille. Epäpuhtauksien online-tunnistaminen toimii käytettäessä suuria lasertehoja ja säteilytysaikoja. Näytteiden laserherkkyys ja fluoresenssi rajoittavat kuitenkin suurien laiteparametrien käyttöä. Laiteparametrien pienentäminen johti mittauksien signaali-kohina suhteen alenemiseen, mikä puolestaan aiheutti online-tunnistuksen toimimattomuuden.

Jäähdytykseen ja täyssuolanpoistoon perustuva lauhteen puhdistus soodakattilalaitoksella

Tämän diplomityön oleellisempana tavoitteena oli tutkia ioninvaihtohartsien pitkäaikaista toiminnallista lämpötilakestävyyttä kirjallisuustutkimuksin ja kuormituskokein. Lisaksi työssä optimoitiin taloudellisesti ja teknisesti paras kytkentävaihtoehto soodakattilan lauhteenpuhdistuslaitokselle. Tässä diplomityössä selvitettiin myös soodakattilan ulospuhallusveden sisältämien veden jälkiannostelukemikaalien ja epäpuhtauksien vaikutusta ioninvaihtohartsien vanhenemiseen.; Ioninvaihtohartsien lämpötilakestävyyteen liittyvät koeajot suoritettiin Stora Enso Laminating Papers Oy Kotkan tehtaalla. Koeajoja varten oli erikseen suunniteltu koeajolaitteisto, jossa lauhdenäytettä puhdistettiin patruunasuotimella ja sekavaihtimella. Sekavaihtimessa käytettiin vahvoja anioni- ja kationihartseja. Koeajoja oli yhteensä neljäkappaletta ja niissä tutkittiin hartsien lämpötilakestävyyttä ja anionihartsin silikaatti-vuodon riippuvuutta lämpötilasta. Lämpötilakestävyyskoeajoissa käytetyt hartsit lähetettiin Rohm and Haasille analysoitavaksi. Lopulta koeajojen tuloksia verrattiin kirjallisuudessa esitettyihin aikaisempiin tutkimuksiin. Lauhteenpuhdistuslaitoksen kytkentävaihtoehtojen optimoinnissa käytettiin apuna Kotkan ja UPM-Kymmene Oyj Pietarsaaren tehtaiden kokemuksia. Kytkentävaihtoehtojen energiataseet laskettiin kuudelle eri laitokselle, joiden syöttöveden virtaukset olivat 37 -180 kg/s. Lisaksi selvitettiin kytkentävaihtoehtojen investointikustannukset ja kertakäyttöhartsien vuotuiset kustannukset laitokselle, jossa syöttöveden virtaus oli 67 kg/s. Ulospuhalluksen talteenottojärjestelmän energiataseet laskettiin kuudelle eri laitokselle, joiden syöttöveden virtaukset olivat 37 - 180 kg/s. Laskelmien lähtökohtana käytettiin kunkin soodakattilan ulospuhallusveden määriä, jotka selvitettiin tehdasvierailujen yhteydessä. Ulospuhallusveden epäpuhtauksien ja jälkiannostelukemikaalien pitoisuudet arvioitiin kattilaveden perusteella. Aikaisempien kokemusten perusteella arvioitiin, että ulospuhallusvesi johdettaisiin lisäveden valmistukseen ennen suolanpoistosarjoja. loninvaihtohartsien kuormituskokeiden ja kirjallisuustutkimusten perusteella oli selkeästi nähtävissä, että etenkin anionihartsin kapasiteetti heikkeni nopeasti lämpötilan ollessa yli 60 °C. Kationihartsin suolanpoistolle kriittinen lämpötilaraja on 100 °C.Lisäksi yli 60 °C:ssa anionihartsi ei pysty poistamaan silikaattia lauhteesta. Seuraavaksi on esitelty lauhteenpuhdistuslaitoksen optimikytkentävaihtoehdot sekä vanhoille että uusille laitoksille. Vanhalle laitokselle, jossa lauhteet on puhdistettu aikaisemmin mekaanisella suotimella ja lisäveden puhdistuksessa on käytetty sekavaihdinta, paras kytkentävaihto on erilliset sekavaihtimet lauhteelle ja lisävedelle. Uudelle ja vanhalle laitokselle, jossa lauhteet on puhdistettu aikaisemmin mekaanisella suotimella ja lisäveden puhdistuksessa ei ole käytetty sekavaihdinta, paras kytkentävaihto on yhteiset sekavaihtimet lauhteelle ja lisävedelle. Lauhteen puhdistuksessa käytetyt sekavaihtimen toimintalämpötila on 45 °C molemmissa kytkentävaihtoehdoissa. Kertakäyttöhartsien käyttö osoittautui suuressa mittakaavassa kannattamattomaksi. Tämä asia tarvinnee kuitenkin jatkotutkimuksia. Ulospuhallusveden talteenotolla saadaan energiasäästöä 6-53 k¤/a riippuenlaitoksesta. Etenkin soodakattilalaitoksissa, joissa soodakattila ja vedenkäsittelylaitos sijaitsevat lähellä toisiaan, kannattaa ulospuhallusvesi johtaa lisäveden valmistukseen. Jos edellä mainittujen laitosten etäisyydet kasvavat, saattavat ulospuhallusjärjestelmän investointi-kustannukset nousta kohtuuttoman suureksi. Tämä työ osoitti myös, että ulospuhallusveden epäpuhtauksilla ei ole merkittävää vaikutusta kemiallisesti puhdistetun veden laatuun ennen suolanpoistolaitosta ja ioninvaihtohartsien vanhenemiseen.

Artificially Intelligent and Adaptive Methods for Prediction and Analysis of Superheater Fireside Corrosion in Fluidized Bed Boilers

Superheater corrosion causes vast annual losses for the power companies. With a reliable corrosion prediction method, the plants can be designed accordingly, and knowledge of fuel selection and determination of process conditions may be utilized to minimize superheater corrosion. Growing interest to use recycled fuels creates additional demands for the prediction of corrosion potential. Models depending on corrosion theories will fail, if relations between the inputs and the output are poorly known. A prediction model based on fuzzy logic and an artificial neural network is able to improve its performance as the amount of data increases. The corrosion rate of a superheater material can most reliably be detected with a test done in a test combustor or in a commercial boiler. The steel samples can be located in a special, temperature-controlled probe, and exposed to the corrosive environment for a desired time. These tests give information about the average corrosion potential in that environment. Samples may also be cut from superheaters during shutdowns. The analysis ofsamples taken from probes or superheaters after exposure to corrosive environment is a demanding task: if the corrosive contaminants can be reliably analyzed, the corrosion chemistry can be determined, and an estimate of the material lifetime can be given. In cases where the reason for corrosion is not clear, the determination of the corrosion chemistry and the lifetime estimation is more demanding. In order to provide a laboratory tool for the analysis and prediction, a newapproach was chosen. During this study, the following tools were generated: · Amodel for the prediction of superheater fireside corrosion, based on fuzzy logic and an artificial neural network, build upon a corrosion database developed offuel and bed material analyses, and measured corrosion data. The developed model predicts superheater corrosion with high accuracy at the early stages of a project. · An adaptive corrosion analysis tool based on image analysis, constructedas an expert system. This system utilizes implementation of user-defined algorithms, which allows the development of an artificially intelligent system for thetask. According to the results of the analyses, several new rules were developed for the determination of the degree and type of corrosion. By combining these two tools, a user-friendly expert system for the prediction and analyses of superheater fireside corrosion was developed. This tool may also be used for the minimization of corrosion risks by the design of fluidized bed boilers.

Removal of Cadmium, Lead and Arsenic from Water by Lactic Acid Bacteria

A number of contaminants such as arsenic, cadmium and lead are released into the environment from natural and anthropogenic sources contaminating food and water. Chronic oral ingestion of arsenic, cadmium and lead is associated with adverse effects in the skin, internal organs and nervous system. In addition to conventional methods, biosorption using inactivated biomasses of algae, fungi and bacteria has been introduced as a novel method for decontamination of toxic metals from water. The aim of this work was to evaluate the applicability of lactic acid bacteria as tools for heavy metal removal from water and characterize their properties for further development of a biofilter. The results established that in addition to removal of mycotoxins, cyanotoxins and heterocyclic amines, lactic acid bacteria have a capacity to bind cationic heavy metals, cadmium and lead. The binding was found to be dependent on the bacterial strain and pH, and occurred rapidly on the bacterial surface, but was reduced in the presence of other cationic metals. The data demonstrates that the metals were bound by electrostatic interactions to cell wall components. Transmission electron micrographs showed the presence of lead deposits on the surface of biomass used in the lead binding studies, indicating involvement of another uptake/binding mechanism. The most efficient strains bound up to 55 mg Cd and 176 mg Pb / g dry biomass. A low removal of anionic As(V) was also observed after chemical modification of the cell wall. Full desorption of bound cadmium and lead using either dilute HNO₃ or EDTA established the reversibility of binding. Removal of both metals was significantly reduced when biomass regenerated with EDTA was used. Biomass regenerated with dilute HNO3 retained its cadmium binding capacity well, but lead binding was reduced. The results established that the cadmium and lead binding capacity of lactic acid bacteria, and factors affecting it, are similar to what has been previously observed for other biomasses used for the same purpose. However, lactic acid bacteria have a capacity to remove other aqueous contaminants such as cyanotoxins, which may give them an additional advantage over the other alternatives. Further studies focusing on immobilization of biomass and the removal of several contaminants simultaneously using immobilized bacteria are required.

Biochemical treatment of brown grade rejects in recycling process

Ruskeisiin kierrätysmassoihin kuuluu kulutuksen kannalta tärkeimpänä laatuna OCC (old corrugated containers). OCC sisältää noin 70-100% aaltopahvia eli pääasiassa se koostuu valkaisemattomasta kemiallisesta massasta. OCC uusiomassan ensisijainen käyttökohde on aaltopahvin valmistus. OCC:n kierrätyskuituprosessissa syntyy merkittäviä määriä rejektiä. Rejektin määrä riippuu paljolti kierrätettävän materiaalin laadusta ja puhtaudesta, mutta myös tulevan massan käyttötarkoituksesta sekä prosessiolosuhteista. OCC-prosessissa rejektoituvan aineksen määrä voi nousta korkeaksi, mikäli kierrätettävä materiaali sisältää märkälujaliimoja tai muuten raskaasti liimattuja komponentteja sekä runsaasti kontaminantteja, kuten muoveja, teippejä ja metalleja. Keskimäärin OCC-rejekti sisältää 30-60% kiinteää ainesta, 30-90% (kuivapaino) kuituja, 5-70% (kuivapaino) muoveja ja 1-10% (kuivapaino) tuhkaa. Syntynyt rejekti voidaan polttaa energiaksi tai käyttää maantäyttöaineena. Harvinaisempia sovelluksia rejektin käsittelyssä ovat rejektin kuitujen talteenotto uudelleenprosessointia varten tai alkoholin ja levuliinihapon tuottamiseen. Rejektin asianmukaisella käsittelyllä voidaan vähentää kaatopaikkakustannuksia, sekä parantaa kierrätysprosessin tuottavuutta. Tämän työn tarkoituksena oli tutkia biokemiallisen käsittelyn mahdollisuudet OCC-rejektin hajotuksessa. Alustavissa laboratoriomittakaavan kokeissa etsittiin sopiva käsittelytapa, joka toteutettiin sitten pilot plant -mittakaavassa. Tulokset osoittavat, että biokemiallisen käsittelyn avulla rejekti voidaan hajottaa jolloin jätteenkäsittelykustannukset pienenevät ja kierrätyskuituprosessin taloudellisuus paranee.

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.

Nikkelin takaisinuutto karboksyylihappoon perustuvasta uuttoreagenssista

Työssä tutkittiin typpihapon soveltuvuutta nikkelin takaisinuuttoon. Tarkoituksena oli selvittää, millä typpihapon konsentraatioilla orgaaninen faasi, joka koostuu Versatic 10 uuttoreagenssista ja alifaattisesta laimentimesta, alkaa nitrautua tai hapettua ja mitkä ovat mahdolliset sivureaktiot. Lisäksi tutkittiin rikkihapon ja eräiden orgaanisten aineiden kontaminaation vaikutusta uuttoliuokseen. Kirjallisuusosassa kartoitetaan mahdollisten nitrautumisreaktioiden mekanismit, sekä kuvataan laimentimen, uuttoreagenssin ja mahdollisten reaktiotuotteiden ominaisuuksia, sekä niiden mahdollisessa muodostumisessa syntyviä riskejä. Orgaanisen faasin kestotesteissä tutkittavia muuttujia olivat typpi- ja rikkihapon konsentraatio, sekoitusaika, lämpötila, avoin tai suljettu astia sekä vieraiden aineiden kontaminaatio. Kontaminaatiota aiheuttavien orgaanisten materiaalien funktionaaliset ryhmät olivat hydroksi-, karbonyyli- ja amiiniryhmät, joiden lisäksi tutkittiin syklisen yhdisteen kontaminaatiota. Analyyseissä käytettiin FT-IR- spektroskopiaa, jolla tutkittiin reagenssin funktionaalisen ryhmän reaktioita ja uusien ryhmien muodostumista, sekä seurattiin selkeytyksessä erottumattomien typpiyhdisteiden määrää ja laatua orgaanisessa faasissa. Uuttofaasin koostumuksen muutosta seurattiin myös mittaamalla leimahduspisteen muutosta.

Characterisation of Hydrophobic Nonfibrous Material and Its Removal From Pulp Suspension

Paperin ja kartongin kierrätys lisääntyy taloudellisten intressien ja ympäristöhygieenisten tavoitteiden takia jatkuvasti. Lisääntyvän kierrätyksen myötä myös paperin ja kartongin epäpuhtauksien määrä kasvaa, mikä huonontaa kierrätysraaka-aineen laatua. Tämän työn tarkoituksena on antaa perustietoa eräästä kartongin päällystyksessä käytettävästä hydrofobisesta materiaalista, epäpuhtaan kartongin kierrätyksestä sekä ongelmista, joita epäpuhtaan kartongin kierrätyksestä syntyy. Kierrätyskuidun fraktiointi on yksinkertainen prosessi aallotuskartongin, testilainerin ja taivekartongin valmistuksessa. Kierrätysprosessin ensisijaisia tehtäviä ovat kuidutus ja epäpuhtauksien poisto sekä näiden epäpuhtauksien vaikutusten eliminointi, jotta kierrätysmassan laatuvaatimukset täyttyvät. Lisääntynyt epäpuhtauksien määrä raaka-aineessa asettaa vaatimuksia lajitteluprosessin kehittämiseksi. Nykyaikaisilla kierrätyslaitoksilla ei pystytä käsittelemään ylettömiä määriä epäpuhtauksia. Epäpuhtaudet aiheuttavat ongelmia ajettavuuteen ja heikentävät tuotteen laatua kierrätysprosessissa. Epäpuhtauksien poistoon on olemassa useita teknisiä ratkaisuja, mutta minkään niistä ei ole todettu täysin poistavan kaikkia ongelmia. Työn kokeellisessa osassa kartongin päällystykseen käytettävää hydrofobista materiaalia analysoitiin erilaisin menetelmin. Tutkittiin myös erilaisten olosuhteiden vaikutusta tämän materiaalin poistoon.

Ilmaan johdettavien epäpuhtauksien päästökartoitus Porvoon öljynjalostamolla

Työn tarkoituksena oli laatia suunnitelma ilmaan johdettavien epäpuhtauksien päästökartoitukselle Porvoon öljynjalostamolla. Raskasmetallien, metaanin, fluorivetyhapon, rikkivedyn ja ammoniakin merkittävät päästöpaikat ja -tarkkailumenetelmät kartoitettaisiin tulevaa päästöraportointia varten. Tarkkailun alaisten komponenttien muodostuminen, kulkeutuminen ja merkittävät päästöpaikat Porvoon jalostamolla selvitettiin kirjallisuuslähteiden, jalostamon toimintajärjestelmän ohjeiden sekä työntekijöiden haastattelujen perusteella. Merkittäviä häiriöpäästötilanteita kartoitettiin ja arvioitiin jalostamon poikkeamatilastojen ja haastattelujen avulla. Normaalitoiminnan aikana tarkkailun alaisista epäpuhtauksista vapautuu ilmaan merkittäviä määriä ainoastaan metaania ja raskasmetalleja. Metaania vapautuu ilmaan polttoprosesseissa sekä hajapäästönä. Raskasmetallipäästöjä syntyy pohjaöljyn poltossa energialaitoksella sekä leijukatalyyttisessä krakkauksessa. Rikkilaitosten häiriötilanteista aiheutuu rikkivety- ja ammoniakkipäästöjä pääasiassa soihtujärjestelmän kautta. Alkylointiyksikön vuodoissa voi vapautua fluorivetyhappoa ilmaan. Päästömääriä arvioidaan pääosin laskennallisesti. Päästökartoitussuunnitelma on kokonaisuudessaan tämän työn liitteenä. Näyttäisi siltä, että TRS-yhdisteiden, ammoniakin ja fluorivetyhapon ilmapäästöt eivät ole merkittäviä Porvoon öljynjalostamolla. Uuden pohjaöljy-yksikön käyttöönotto on vähentänyt myös raskasmetallipäästöjä energialaitoksella. Metaanipäästö vaikuttaa kartoitukseen sisällytettävistä epäpuhtauksista merkityksellisimmältä Porvoon öljynjalostamolla.

Catalytic Wet Oxidation of Paper Mill Debarking Water

The objective of the research was to study the influence of temperature, oxygen pressure, catalysts loading and initial COD concentration of debarking wastewater on the pollutants during the catalytic oxidation. More importantly, how the addition of catalyst affects the wet oxidation process. The whole work was divided into two main sections, theoretical and experimental parts. The theoretical part reviews the pulp and paper industry from wood processing to paper production as well as operations that generate wastes. Treatment methods applicable for industrial pulp and paper mill effluents were also discussed. Wet oxidation and catalytic wet oxidation processes including mechanism, reactions, kinetics and industrial applications were previewed. In the experimental part, catalytic wet oxidation process were studied at 120-180°C, 0-10 bar oxygen pressure, 0-1 g/L catalyst concentration and 1000-3000 mg/L initial COD concentration. Responses, such as Chemical oxygen demand (COD), Total organic carbon (TOC), colour, lignin/tannin, Biochemical oxygen demand (BOD) and pH were measured. In the experiment, the best conditions occurred at 180°C, 10 bar, l g/L catalyst concentration and 3000mg/L initial COD. At these conditions; 74% COD, 97% lignin/tannin, 54% TOC, 90% colour were removed from the wastewater. pH was greatly reduced from 7 to 4.6. Lignin/tannin was removed most. Lignin/tannin showed linear dependency with colour during oxidation. Temperature made the most impact in reducing contaminants in debarked wastewater.

The impact of bioavailability limitations on microbial stable isotope fractionation in a multiphase system

Stable isotope fractionation analysis of contaminants is a promising method for assessing biodegradation of contaminants in natural systems. However, standard procedures to determine stable isotope fractionation factors, so far, neglect the influence of pollutant bioavailability on stable isotope fractionation. On a microscale, bioavailability may vary due to the spatio-temporal variability of local contaminant concentrations, limited effective diffusivities of the contaminants and cell densities, and thus, the pollutant supply might not meet the intrinsic degradation capacity of the microorganisms. The aim of this study was to demonstrate the effect of bioavailability on the apparent stable isotope fractionation, using a multiphase laboratory setup. The data gained show that the apparent isotope fractionation factors observed during biodegradation processes depend on the amount of biomass and/or the rate of toluene mass transfer from a second to the aqueous phase. They indicate that physico-chemical processes need to be taken into account when stable isotope fractionation analysis is used for the quantification of environmental contaminant degradation.

Active sulphide mine tailings impoundments as sources of contaminated drainage: controlling factors, methods of characterisation and geochemical constraints for mitigation

Low quality mine drainage from tailings facilities persists as one of the most significant global environmental concerns related to sulphide mining. Due to the large variation in geological and environmental conditions at mine sites, universal approaches to the management of mine drainage are not always applicable. Instead, site-specific knowledge of the geochemical behaviour of waste materials is required for the design and closure of the facilities. In this thesis, tailings-derived water contamination and factors causing the pollution were investigated in two coeval active sulphide mine sites in Finland: the Hitura Ni mine and the Luikonlahti Cu-Zn-Co-Ni mine and talc processing plant. A hydrogeochemical study was performed to characterise the tailingsderived water pollution at Hitura. Geochemical changes in the Hitura tailings were evaluated with a detailed mineralogical and geochemical investigation (solid-phase speciation, acid mine drainage potential, pore water chemistry) and using a spatial assessment to identify the mechanisms of water contamination. A similar spatial investigation, applying selective extractions, was carried out in the Luikonlahti tailings area for comparative purposes (Hitura low-sulphide tailings vs. Luikonlahti sulphide-rich tailings). At both sites, hydrogeochemistry of tailings seepage waters was further characterised to examine the net results of the processes observed within the impoundments and to identify constraints for water treatment. At Luikonlahti, annual and seasonal variation in effluent quality was evaluated based on a four-year monitoring period. Observations pertinent to future assessment and mine drainage prevention from existing and future tailings facilities were presented based on the results. A combination of hydrogeochemical approaches provided a means to delineate the tailings-derived neutral mine drainage at Hitura. Tailings effluents with elevated Ni, SO₄ ^2- and Fe content had dispersed to the surrounding aquifer through a levelled-out esker and underneath the seepage collection ditches. In future mines, this could be avoided with additional basal liners in tailings impoundments where the permeability of the underlying Quaternary deposits is inadequate, and with sufficiently deep ditches. Based on the studies, extensive sulphide oxidation with subsequent metal release may already initiate during active tailings disposal. The intensity and onset of oxidation depended on e.g. the Fe sulphide content of the tailings, water saturation level, and time of exposure of fresh sulphide grains. Continuous disposal decreased sulphide weathering in the surface of low-sulphide tailings, but oxidation initiated if they were left uncovered after disposal ceased. In the sulphide-rich tailings, delayed burial of the unsaturated tailings had resulted in thick oxidized layers, despite the continuous operation. Sulphide weathering and contaminant release occurred also in the border zones. Based on the results, the prevention of sulphide oxidation should already be considered in the planning of tailings disposal, taking into account the border zones. Moreover, even lowsulphide tailings should be covered without delay after active disposal ceases. The quality of tailings effluents showed wide variation within a single impoundment and between the two different types of tailings facilities assessed. The affecting factors included source materials, the intensity of weathering of tailings and embankment materials along the seepage flow path, inputs from the process waters, the water retention time in tailings, and climatic seasonality. In addition, modifications to the tailings impoundment may markedly change the effluent quality. The wide variation in the tailings effluent quality poses challenges for treatment design. The final decision on water management requires quantification of the spatial and seasonal fluctuation at the site, taking into account changes resulting from the eventual closure of the impoundment. Overall, comprehensive hydrogeochemical mapping was deemed essential in the identification of critical contaminants and their sources at mine sites. Mineralogical analysis, selective extractions, and pore water analysis were a good combination of methods for studying the weathering of tailings and in evaluating metal mobility from the facilities. Selective extractions with visual observations and pH measurements of tailings solids were, nevertheless, adequate in describing the spatial distribution of sulphide oxidation in tailings impoundments. Seepage water chemistry provided additional data on geochemical processes in tailings and was necessary for defining constraints for water treatment.