Flotaatio jätevedenpuhdistamon tertiäärivaiheena eräässä paperitehtaassa

Työn tavoitteena oli selvittää, kuinka tehokkaasti pystytään aktiivilieteprosessin läpikäynyttä, jälkiselkeytettyä vettä edelleen puhdistamaan flotaatiolla ennen sen johtamista vesistöön. Tarkoituksena oli löytää sellaiset kemikaalit ja näiden annokset, joilla tehtaalle asetetut jätevesien lupa-arvot voitaisiin huonossa tilanteessa, jätevesikuormitushuippujen aikana alittamaan. Työn kirjallisessaosassa tarkasteltiin lyhyesti, minkälaista jätevesikuormaa mekaanista massaa valmistavalta tehtaalta yleensä syntyy ja millaiset ovat tavanomaiset puhdistusmenetelmät. Myös flotaation teoriaa esiteltiin. Kokeellinen osa koostui kolmesta päävaiheesta: esi- eli niin sanotuista kuppikokeista, pilot-flotaatiokoeajoista jalaitosmittakaavan flotaatiokoeajoista. Esikokeet tehtiin niin kutsutulla Jar Test -laitteistolla ja pilot-flotaatiolaitteistona työssä käytettiin YIT:n valmistamaa pilot-flotaattoria. Laitosmittakaavan flotaatioaltaat olivat aikaisemmin biolietteen tiivistykseen käytettyjä, myöhemmin tertiääripuhdistukseen modifioituja flotaatioaltaita. Laitosmittakaavan flotaatiokoeajoissa testattiin neljän eri saostuskemikaalin ¿ polyalumiinikloridin (KEMPAC 18), rautapitoisen alumiinisulfaatin (AVR), ferrisulfaatin ja alumiinisulfaatin ¿ tehokkuutta tertiäärivaiheessa käsiteltävän veden puhdistajana. Esi- ja pilot-kokeiden perusteella laitosmittakaavan kokeisiin valittiin saostuskemikaalien rinnalle polymeeriksi Superfloc C 491. AVR- ja alumiinisulfaattiannokset laitosmittakaavan kokeissa olivat 200 ppm ja 400 ppm. KEMPAC 18- ja ferrisulfaattiannokset olivat 200ppm, 400 ppm ja 600 ppm. Polymeeriannos kokeissa oli pääasiassa 1,2 ppm. Tertiäärivaiheeseen tulevasta vedestä ja poistuvasta kirkasteesta määritettiin kiintoaine, pH, liukoinen ja kokonais-COD, liukoinen ja kokonaisfosfori sekä liukoinen ja kokonaistyppi. Laitosmittakaavan koeajojen tulosten mukaan eniten tertiäärivaiheessa saatiin käsiteltävästä vedestä erotettua fosforia ja toiseksi eniten COD:ta. Typpireduktiot olivat verrattain alhaiset ja myös kiintoainereduktiot jäivät usein pieniksi tai olivat jopa negatiiviset. Kaikki saostuskemikaalit saostivat COD- ja ravinnekuormaa. Eniten kuormaa saostuskemikaaleista saatiin erotettua AVR:llä ja toiseksi eniten KEMPAC 18:lla. Laitteistojen käyttökustannuksia huomioimatta AVR olisi edullisin vaihtoehto saostuskemikaaaliksietenkin pidempiaikaisessa käytössä. Lisäksi työssä tutkittiin polymeeriannoksen kasvattamisen 1,2 ppm:stä 2,5 ppm:ään vaikutusta puhdistustulokseen, kun saostuskemikaaliannos pidettiin vakiona. Tulosten mukaan polymeeriannoksen kasvattaminen kasvatti kokonais-COD- ja kokonaisfosforireduktiota. Myöslaitosmittakaavan flotaatioaltaiden pohjaputkistoja vertailtiin kiintoainereduktioiden perusteella. Kokeissa saatujen tulosten mukaan ei voitu sanoa, oliko toisen altaan pitkä kirkasteenpoistoputki vai toisen altaan lyhyt kirkasteenpoistoputki parempi vaihtoehto.

Yhdyskuntajätevesien yhteispuhdistus sellu- ja paperitehtaan aktiivilietelaitoksessa

Työn tavoitteena on ollutselvittää kustannukset, joita syntyy, jos Kuusankosken kaupungin puhdistamolta johdetaan jätevedet UPM-Kymmene Oyj:n Kymin aktiivilietelaitokselle puhdistettaviksi, ja kustannukset, joita aiheutuu kaupungin puhdistamon laajentamisesta typenpoistoon sopivaksi sekä verrata näiden hankkeiden kustannuksia. Työssä selvitetään myös muutokset, joita yhteispuhdistukseen siirtymisestä aiheutuu Kymin aktiivilietelaitokselle ja miten jätevesikuormitus Kymijokeen muuttuu. Lisäksi työssäon tarkasteltu yhdyskuntajätevedenpuhdistamoilta tuotujen lietteiden vaikutustaKymin aktiivilietelaitoksen toimintaan ja luotu katsaus käytössä olevien metsäteollisuusyritysten ja kaupunkien yhteispuhdistamojen toimintaan Raumalla ja Grand Rapids:ssa. Yhdyskuntajätevesien yhteispuhdistuksesta sellu- ja paperitehtaan aktiivilietelaitoksessa on saatu hyviä kokemuksia Raumalta. Kokonaistyppikuormitus Rauman merialueelle on puolittunut ja lisäksi fosfori- ja BOD-kuormitukset ovat vähentyneet. Ravinteiden tarve puhdistamolla on kuitenkin ennakoitua suurempija ravinteiden kulutusta voidaan selittää monella tekijällä mm. lämpötilan laskulla ja lietekuorman lisääntymisellä. Kymin puhdistamolle on tuotu Akanojan puhdistamon ylijäämäliete vuodesta 1996 lähtien. Vuoden 2004 marras- ja joulukuussa suoritetussa kokeilussa Kymin puhdistamolle tuotiin Akanojan lietteiden lisäksi osa Kouvolan puhdistamolla syntyneistä lietteistä. Kokeilun perusteella voidaan todeta, että yhdyskuntajätevesilietteiden tuonnilla voidaan korvata puhdistamolla tarvittavia ravinteita. Uusi jätteenpolttodirektiivi tuskin aiheuttanee ongelmia poltettaessa voimalaitoksella ylijäämälietettä, joka sisältää myös yhdyskuntajätevesistä peräisin olevaa lietettä. Kymin aktiivilietelaitoksen lämpötila tulee laskemaan yhteispuhdistukseen siirryttäessä viileiden yhdyskuntajätevesien vaikutuksesta. Yhteispuhdistustilanteessa Kuusankosken keskustan jokialueen bakteeritilanteeseen ei ole todennäköisesti tulossa muutosta, mutta virustilanteen muuttuminen voi olla mahdollista. Yhteispuhdistukseen siirryttäessä Kymin puhdistamon kapasiteettia tarvitsee kasvattaa ainoastaan jälkiselkeytyksen suhteen. Yhteispuhdistustilanteessa jätevesikuormitus Kymijokeen tulee pienenemään erityisesti typen osalta ja myös BOD- ja fosforikuormat pienenevät. COD-kuormitus pysyy lähes ennallaan ja kiintoainekuorma saattaa lisääntyä hiukan. Yhteispuhdistustilanteessa Kymijokeen aiheutuu jätevesikuormitusta myös ohituksista, kun yhdyskuntajätevesimäärä ylittää hetkellisesti esimerkiksi rankkasateen sattuessa mitoitusvirtaamansa arvon. Investointikustannukseksi, Kuusankosken kaupungin puhdistamon muuttamisesta typenpoistoon sopivaksi, arvioitiin mitoitusvirtaamasta riippuen 3 210 000 ¤ tai 2 460 000 ¤. Yhteispuhdistukseen siirtyminen aiheuttaa kaupungille n. 3 755 000 ¤ investointikustannuksen ja Kymin puhdistamolle n. 365 000 ¤. Investointikustannuksiltaan yhteispuhdistukseen siirtyminen tulee kaupungille kalliimmaksi mutta pitkällä aikavälillä tarkasteltuna edullisempi vaihtoehto Kuusankosken kaupungin kannalta on siirtyminen yhteispuhdistukseen.

Haja-asutusalueiden jätevesien käsittelyn tulevaisuus

Tässä työssä tarkastellaan haja-asutusalueilla käytössä olevia kiinteistökohtaisia jäteveden käsittelymenetelmiä. Koelaitteistona oli biologinen pienpuhdistamo, jonka toimintaa tutkittiin tavanomaisessa kotitalouskäytössä. Tarkoituksena oli selvittää jäteveden biologisen suodatuksen soveltuvuutta haja-asutuksen jätevesien käsittelyyn. Kirjallisuusosiossa käsitellään haja-asutuksen jätevesien aiheuttamia ympäristövaikutuksia, ympäristölainsäädäntöä ja yleisesti käytössä olevia erilaisia jäteveden käsittelymenetelmiä, sekä vaihtoehtoisia käymäläratkaisuja. Ennen kokeellisen osuuden alkua asennettiin pienpuhdistamo oheislaitteineen omakotitalon viemärijärjestelmään. Tämän jälkeen päästiin tutkimaan puhdistamon puhdistustehokkuutta ja ympäristökuormitusta lähtevästä jätevedestä keräilynäyttein. Puhdistamolta lähtevän jäteveden kuormitusarvoja verrattiin Ympäristöministeriössä suunnitteilla oleviin enimmäisrajoihin: BOD7 5 g/(d,as), kokonaisfosfori 0,33 g/(d,as) ja kokonaistyppi 8,4 g/(d,as). Mitatut BOD7- ja kokonaistyppikuormitukset alittivat raja-arvot kerran. Muilla mittauskerroilla kuormitus oli enimmäisrajoja suurempi. Kokonaisfosforikuormitus oli kaikilla mittauskerroilla moninkertainen enimmäisrajaan verrattuna. Puhdistamon todellinen BOD7-reduktio oli noin 60 %. Kokonaisfosforin ja kokonaistypen reduktiot vaihtelivat paljon ollen kokonaisfosforilla korkeimmillaan 12 % ja kokonaistypellä 29 %.

Yhdyskuntalietteiden terminen käsittely ja prosessissa syntyvän tuhkan jalostaminen fosforilannoitteeksi Lappeenrannan alueella

Tässä diplomityössä on selvitetty yhdyskuntalietteiden ominaisuuksia sekä käsittelymenetelmiä keskittyen termiseen käsittelyyn, jolla tässä työssä tarkoitetaan lietteen termistä kuivausta ja polttoa. Työssä on myös selvitetty lietteen poltossa syntyvän tuhkan ominaisuuksia ja niiden sopivuutta lannoitteen raaka-aineena. Fosforimalmin varannot ovat rajalliset ja olettavaa on, että helposti hyödynnettävissä oleva fosforimalmi loppuu noin sadan vuoden kuluessa, mikäli fosforin kulutus pysyy nykyisellä tasolla. Kun lietettä poltetaan, jää lietteessä oleva fosfori tuhkaan. Lietteenpoltossa syntyvät tuhkat sisältävät fosforin lisäksi erilaisia haitta-aineita, joten tuhkan sisältämää fosforia ei kyetä hyödyntämään ilman käsittelyä. Työn case-osassa on selvitetty Lappeenrannan alueella syntyvä yhdyskuntalietemäärä sekä sen hyötykäyttömahdollisuudet alueellisessa lietteen polttolaitoksessa. Lappeenrannan tapauksessa syntyvä lietetuhkan määrä on arvioitu ja määritetty paljonko tuhkasta olisi tulevaisuudessa mahdollisuus jalostaa fosforilannoitetta. Tutkimuksen lopputuloksena voidaan todeta, että lietteen poltto ja polton tuhkan käyttö lannoitteena ei vielä kokonaisprosessina ole toteutettavissa oleva vaihtoehto, mutta teknologisen kehityksen jatkuessa se voisi olla potentiaalinen vaihtoehto yhdyskuntalietteen ja lietetuhkan käsittelyn kokonaisratkaisuksi.

Painovoimaisen kemiallisen vesienkäsittelymenetelmän soveltuvuus pienille turvetuotantoalueille

Turvetuotannon suurimpana ympäristövaikutuksena pidetään tuotantoalueiden valuma-vesistä johtuvia ympäristövaikutuksia. Tiukentunut ympäristölainsäädäntö edellyttää uusilta turvetuotantoalueilta parhaan käyttökelpoisen tekniikan käyttöä valumavesien-käsittelyssä. Parhaaksi käyttökelpoiseksi tekniikaksi luetaan pintavalutus- ja kasvilli-suuskentän sekä kemikaloinnin käyttö valumavesien puhdistuksessa. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää painovoimaisen kemiallisen vesienkäsit-telymenetelmän soveltuvuutta pienille turvetuotantoalueille. Tutkimuskohteena oli Lep-pisuo Luumäen kunnassa, jonne rakennettiin 2010 painovoimaisen kemikaloinnin koe-laitteisto. Laitteiston puhdistustulosta tarkasteltiin kemikalointiin tulevan ja lähtevän veden sekä taustanäytepisteiden tarkkailutulosten avulla. Laitteiston toimivuutta arvioi-tiin kemikaalin annostelun ja toimintavarmuuden avulla. Vuoden 2010 tarkkailutuloksista saatiin keskimääräisiksi erotustehokkuuksiksi koko-naisfosforin osalta 65,2 %, kokonaistypen osalta 28,1 % ja CODMn osalta 65,5 %. Ke-mikaloinnista lähtevän veden kokonaisfosforipitoisuus oli 7,7 μg/l, kokonaistyppipitoi-suus 656 μg/l ja CODMn 5,5 mg/l O2. Ferrisulfaatin annostelu oli keskimäärin 81 mg/l, vaihteluvälillä 25–268 mg/l.

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.

Suunnittelulla ja ruo´on hyötykäytöllä tehokkuutta rantojen hoitoon : Tuloksia ja kokemuksia VELHO-hankkeesta

Varsinais-Suomen ELY-keskuksen toteuttamassa VELHO-hankkeessa kehitettiin kustannustehokkaita ratkaisuja ranta-alueiden umpeenkasvun aiheuttamiin ongelmiin luomalla uusi konsepti ranta-alueiden monikäyttösuunnitteluun, edistämällä järviruo’on hyötykäyttöä ja valmistelemalla esityksiä uuteen maaseudun kehittämisohjelmaan. Tässä julkaisussa esitellään työn tulokset ja johtopäätökset. Hankkeessa laadittiin kolme ranta-alueiden monikäyttösuunnitelmaa: Mynälahden Sarsalanaukko ja Musta-aukko, Oukkulanlahti – Naantalinaukko ja Eurajoen - Luvian rannikko. Suunnitelmissa sovitettiin yhteen ranta-alueiden eri käyttömuotoja ja pyrittiin löytämään optimaalinen verkosto hyötykäyttöön leikattavien ruovikoiden, avoimena pidettävien merenrantaniittyjen ja säilytettävien ruovikoiden välille. Kustannustehokkuuteen pyrittiin kohdentamalla hoitotoimet laajoihin kokonaisuuksiin sekä järviruo’on hyötykäytöllä. Suunnitelmat laadittiin laajassa osallistavassa prosessissa. Hankkeessa laadituissa ranta-alueiden monikäyttösuunnitelmissa esitettiin erilaisia maankäyttötavoitteita ja hoitosuosituksia yli 2000 hehtaarille. Ruovikoiden ja rantaniittyjen lisäksi suunnittelun kohteena olivat myös rantojen läheiset peltoalueet, reunavyöhykkeet ja muut perinnebiotoopit. Hoitotoimilla tavoitellaan alueiden luonnon monimuotoisuuden ja vesien tilan paranemista, maiseman avartumista ja virkistyskäytön helpottumista. Ruovikoiden erilaisia leikkuumenetelmiä (talvileikkuut, vesileikkuut, maaleikkuut) testattiin 90 hehtaarin alalla. Rantaniittyjen kunnostuksessa testattiin maaleikkuun lisäksi ruovikon niittomurskausta. Ruokomassan hyötykäyttökokeissa testattiin kahden eri ruokolaadun eli tuoreen kesäruo’on ja kuivan talviruo’on esikäsittelyä ja hyötykäyttöä energiantuotannossa (poltto, biokaasutus) ja maataloudessa (maanparannusaine, viherlannoite, kuivike, katemateriaali). Maaseudun kehittämisohjelmaan tehtiin esityksiä tukimuotojen kehittämiseksi: rantaniittyjen kunnostuksen lisääminen ja hoidon laadun parantaminen, ruovikoiden vesileikkuut ravinteiden poistajina sekä ruokomassojen käyttö maan orgaanisen aineen lisääjänä. Hankkeen kokemusten mukaan yksi kustannustehokkaimmista hoito- ja käyttöketjuista on ruovikon leikkuu loppukesällä ja siitä kertyvän massan käyttö ranta-alueiden läheisillä pelloilla viherlannoitteena ja maanparannusaineena. Yhden hehtaarin ruovikon kesäleikkuulla poistetaan keskimäärin 80 kg typpeä ja 7 kg fosforia. Vesiensuojelullisten hyötyjen lisäksi leikkuulla parannetaan umpeenkasvusta kärsivien lajien elinoloja, lisätään rantojen vetovoimaisuutta ja edistetään luonnonhoitoyrittäjyyden edellytyksiä. Peltokäytössä käsittelyketju on lyhyt eikä se vaadi pitkiä kuljetusmatkoja. Ruokomassa kierrättää ravinteita takaisin pelloille ja parantaa maan rakennetta. Järviruo’on hyötykäytöllä ei pystytä kattamaan koko leikkuu- ja käyttöketjun kustannuksia. Leikkuusta ja hyötykäytöstä saatavien monien eri aineellisten ja aineettomien ekosysteemipalveluhyötyjen vuoksi toimintaan on tarpeen suunnata yhteiskunnan tukea ja luoda käytännön toteutusta edistäviä tukimuotoja. Kustannustehokkuutta voidaan edelleen parantaa laitteita ja menetelmiä kehittämällä.

New families of highly efficient, halogen-free flame retardants for polypropylene (PP)

The driving forces for current research of flame retardants are increased fire safety in combination with flame retardant formulations that fulfill the criteria of sustainable production and products. In recent years, important questions about the environmental safety of antimony, and in particular, brominated flame retardants have been raised. As a consequence of this, the current doctoral thesis work describes efforts to develop new halogen-free flame retardants that are based on various radical generators and phosphorous compounds. The investigation was first focused on compounds that are capable of generating alkyl radicals in order to study their role on flame retardancy of polypropylene. The family of azoalkanes was selected as the cleanest and most convenient source of free alkyl radicals. Therefore, a number of symmetrical and unsymmetrical azoalkanes of the general formula R-N=N-R’ were prepared. The experimental results show that in the series of different sized azocycloalkanes the flame retardant efficacy decreased in the following order: R = R´= cyclohexyl > cyclopentyl > cyclobutyl > cyclooctanyl > cyclododecanyl. However, in the series of aliphatic azoalkanes compounds, the efficacy decreased as followed: R = R´= n-alkyl > tert-butyl > tert-octyl. The most striking difference in flame retardant efficacy was observed in thick polypropylene plaques of 1 mm, e.g. azocyclohexane (AZO) had a much better flame retardant performance than did the commercial reference FR (Flamestab® NOR116) in thick PP sections. In addition, some of the prepared azoalkane flame retardants e.g. 4’4- bis(cyclohexylazocyclohexyl) methane (BISAZO) exhibited non-burning dripping behavior. Extrusion coating experiments of flame retarded low density polyethylene (LDPE) onto a standard machine finished Kraft paper were carried out in order to investigate the potential of azoalkanes in multilayer facings. The results show that azocyclohexane (AZO) and 4’4-bis (cyclohexylazocyclohexyl) methane (BISAZO) can significantly improve the flame retardant properties of low density polyethylene coated paper already at 0.5 wt.% loadings, provided that the maximum extrusion temperature of 260 oC is not exceeded and coating weight is kept low at 13 g/m2. In addition, various triazene-based flame retardants (RN1=N2-N3R’R’’) were prepared. For example, polypropylene samples containing a very low concentration of only 0.5 wt.% of bis- 4’4’-(3’3’-dimethyltriazene) diphenyl ether and other triazenes passed the DIN 4102-1 test with B2 classification. It is noteworthy that no burning dripping could be detected and the average burning times were very short with exceptionally low weight losses. Therefore, triazene compounds constitute a new and interesting family of radical generators for flame retarding of polymeric materials. The high flame retardant potential of triazenes can be attributed to their ability to generate various types of radicals during their thermal decomposition. According to thermogravimetric analysis/Fourier transform infrared spectroscopy/MS analysis, triazene units are homolytically cleaved into various aminyl, resonance-stabilized aryl radicals, and different CH fragments with simultaneous evolution of elemental nitrogen. Furthermore, the potential of thirteen aliphatic, aromatic, thiuram and heterocyclic substituted organic disulfide derivatives of the general formula R-S-S-R’ as a new group of halogen-free flame retardants for polypropylene films have been investigated. According to the DIN 4102- 1 standard ignitibility test, for the first time it has been demonstrated that many of the disulfides alone can effectively provide flame retardancy and self-extinguishing properties to polypropylene films at already very low concentrations of 0.5 wt.%. For the disulfide family, the highest FR activity was recorded for 5’5’-dithiobis (2-nitrobenzoic acid). Very low values for burning length (53 mm) and burning time (10 s) reflect significantly increased fire retardant performance of this disulfide compared to other compounds in this series as well as to Flamestab® NOR116. Finally, two new, phosphorus-based flame retardants were synthesized: P’P-diphenyl phosphinic hydrazide (PAH) and melamine phenyl phosphonate (MPhP). The DIN 4102-1 test and the more stringent UL94 vertical burning test (UL94 V) were used to assess the formulations ability to extinguish a flame once ignited. A very strong synergistic effect with azoalkanes was found, i.e. in combination with these radical generators even UL94 V0 rate could be obtained.

Chemical changes in biomass during torrefaction

Torrefaction is moderate thermal treatment (~200-300 °C) of biomass in an inert atmosphere. The torrefied fuel offers advantages to traditional biomass, such as higher heating value, reduced hydrophilic nature, increased its resistance to biological decay, and improved grindability. These factors could, for instance, lead to better handling and storage of biomass and increased use of biomass in pulverized combustors. In this work, we look at several aspects of changes in the biomass during torrefaction. We investigate the fate of carboxylic groups during torrefaction and its dependency to equilibrium moisture content. The changes in the wood components including carbohydrates, lignin, extractable materials and ashforming matters are also studied. And at last, the effect of K on torrefaction is investigated and then modeled. In biomass, carboxylic sites are partially responsible for its hydrophilic characteristic. These sites are degraded to varying extents during torrefaction. In this work, methylene blue sorption and potentiometric titration were applied to measure the concentration of carboxylic groups in torrefied spruce wood. The results from both methods were applicable and the values agreed well. A decrease in the equilibrium moisture content at different humidity was also measured for the torrefied wood samples, which is in good agreement with the decrease in carboxylic group contents. Thus, both methods offer a means of directly measuring the decomposition of carboxylic groups in biomass during torrefaction as a valuable parameter in evaluating the extent of torrefaction. This provides new information to the chemical changes occurring during torrefaction. The effect of torrefaction temperature on the chemistry of birch wood was investigated. The samples were from a pilot plant at Energy research Center of the Netherlands (ECN). And in that way they were representative of industrially produced samples. Sugar analysis was applied to analyze the hemicellulose and cellulose content during torrefaction. The results show a significant degradation of hemicellulose already at 240 °C, while cellulose degradation becomes significant above 270 °C torrefaction. Several methods including Klason lignin method, solid state NMR and Py-GC-MS analyses were applied to measure the changes in lignin during torrefaction. The changes in the ratio of phenyl, guaiacyl and syringyl units show that lignin degrades already at 240 °C to a small extent. To investigate the changes in the extractives from acetone extraction during torrefaction, gravimetric method, HP-SEC and GC-FID followed by GC-MS analysis were performed. The content of acetone-extractable material increases already at 240 °C torrefaction through the degradation of carbohydrate and lignin. The molecular weight of the acetone-extractable material decreases with increasing the torrefaction temperature. The formation of some valuable materials like syringaresinol or vanillin is also observed which is important from biorefinery perspective. To investigate the change in the chemical association of ash-forming elements in birch wood during torrefaction, chemical fractionation was performed on the original and torrefied birch samples. These results give a first understanding of the changes in the association of ashforming elements during torrefaction. The most significant changes can be seen in the distribution of calcium, magnesium and manganese, with some change in water solubility seen in potassium. These changes may in part be due to the destruction of carboxylic groups. In addition to some changes in water and acid solubility of phosphorous, a clear decrease in the concentration of both chlorine and sulfur was observed. This would be a significant additional benefit for the combustion of torrefied biomass. Another objective of this work is studying the impact of organically bound K, Na, Ca and Mn on mass loss of biomass during torrefaction. These elements were of interest because they have been shown to be catalytically active in solid fuels during pyrolysis and/or gasification. The biomasses were first acid washed to remove the ash-forming matters and then organic sites were doped with K, Na, Ca or Mn. The results show that K and Na bound to organic sites can significantly increase the mass loss during torrefaction. It is also seen that Mn bound to organic sites increases the mass loss and Ca addition does not influence the mass loss rate on torrefaction. This increase in mass loss during torrefaction with alkali addition is unlike what has been found in the case of pyrolysis where alkali addition resulted in a reduced mass loss. These results are important for the future operation of torrefaction plants, which will likely be designed to handle various biomasses with significantly different contents of K. The results imply that shorter retention times are possible for high K-containing biomasses. The mass loss of spruce wood with different content of K was modeled using a two-step reaction model based on four kinetic rate constants. The results show that it is possible to model the mass loss of spruce wood doped with different levels of K using the same activation energies but different pre-exponential factors for the rate constants. Three of the pre-exponential factors increased linearly with increasing K content, while one of the preexponential factors decreased with increasing K content. Therefore, a new torrefaction model was formulated using the hemicellulose and cellulose content and K content. The new torrefaction model was validated against the mass loss during the torrefaction of aspen, miscanthus, straw and bark. There is good agreement between the model and the experimental data for the other biomasses, except bark. For bark, the mass loss of acetone extractable material is also needed to be taken into account. The new model can describe the kinetics of mass loss during torrefaction of different types of biomass. This is important for considering fuel flexibility in torrefaction plants.

Jätteiden kemiallisten ominaisuuksien spektrometriset online-mittausmenetelmät

Tässä diplomityössä käsiteltiin spektrometrisia online-mittausmenetelmiä jätteiden kemiallisten ja fysikaalisten ominaisuuksien määrittämiseksi. Tavoitteena oli selvittää, mitä ominaisuuksia menetelmillä voidaan mitata ja kuinka luotettavia tuloksia mittauksilla saadaan. Diplomityössä suoritettiin kirjallisuuskatsaus, jossa käsiteltiin kolmen spektrometrisen menetelmän soveltuvuutta reaaliaikaisiin jätemittauksiin. Työn empiirisessä osassa FPXRFanalysaattorilla mitattiin neljän eri jätenäytteen alkuainepitoisuuksia. Mittauksen tarkoituksena oli selvittää, mitä alkuaineita menetelmällä voidaan mitata. FPXRF-analysaattorilla saatuja tuloksia verrattiin ICP-MS-menetelmällä saatuihin tuloksiin regressioanalyysin avulla. Työssä todettiin, että FPXRF-analysaattori sopii parhaiten kaliumin, kalsiumin, ja raudan pitoisuuksien määrittämiseen. Lisäksi lyijyn, sinkin, kromin, kloorin, kuparin, kadmiumin, arseenin, fosforin, molybdeenin ja vanadiinin määrittäminen on mahdollista, mutta tarkan pitoisuuden saamiseksi laboratoriomenetelmien käyttö voi olla tarpeen. Tutkituista jätenäytteistä menetelmä soveltui parhaiten tuhkalle ja kompostille niiden fyysisten ominaisuuksien, kuten homogeenisuuden ja kosteuspitoisuuden takia. Biojätteelle menetelmä soveltui huonosti. FPXRF-analysaattorin luotettavuuteen vaikuttaa näytteen kosteuspitoisuus, homogeenisuus, partikkelikoko, mittaustapa ja laitteen kalibrointi. Työssä tarkastelluilla menetelmillä ei voida tällä hetkellä täysin korvata laboratorioanalyyseja. FPXRF-analysaattoria voidaan kuitenkin käyttää kvalitatiiviseen tai semikvantitatiiviseen haitta-aineiden analysointiin, millä voidaan vähentää kalliiden laboratorioanalyysien tarvetta.

Sustainability of protein production by bioreactor processes using wind and solar power as energy sources

Food production account for significant share of global environmental impacts. Impacts are global warming, fresh water use, land use and some non-renewable substance consumption like phosphorous fertilizers. Because of non-sustainable food production, the world is heading to different crises. Both food- and freshwater crises and also land area and phosphorous fertilizer shortages are one of many challenges to overcome in near future. The major protein sources production amounts, their impacts on environment and uses are show in this thesis. In this thesis, a more sustainable than conventional way of biomass production for food use is introduced. These alternative production methods are photobioreactor process and syngas-based bioreactor process. The processes’ energy consumption and major inputs are viewed. Their environmental impacts are estimated. These estimations are the compared to conventional protein production’s impacts. The outcome of the research is that, the alternative methods can be more sustainable solutions for food production than conventional production. However, more research is needed to verify the exact impacts. Photobioreactor is more sustainable process than syngas-based bioreactor process, but it is more location depended and uses more land area than syngas-based process. In addition, the technology behind syngas-based application is still developing and it can be more efficient in the future.