Sellu ja paperiteollisuuden jätevesien tertiäärikäsittelyn kemikaloinnin optimointi

Kuluneen vuosikymmenen aikana metsäteollisuuden päästöt ympäristöön ovat pienentyneet huomattavasti tuotantomäärien kasvustahuolimatta. Lainsäädännön myötä lupa-arvot tiukentuvat edelleen joten olemassa olevia puhdistus prosesseja on parannettava ja niiden rinnalle on kehitettävä uusia, yhä tehokkaampia menetelmiä. Aquaflow Oy suunnittelee jäteveden puhdistamoja sellu- ja paperiteollisuuteen. Kilpailun kiristyessä kilpailuetua haetaan jatkuvan kehittymisen kautta. Yhä useammilla jäteveden puhdistamoilla tarvitaan teriäärikäsittely biohajoamattoman aineksen poistamiseen. Tertiäärikäsittely on käyttökustannuksiltaan kallis kemikaali kulutuksensa vuoksi. Tässä työssä pyrittiin optimoimaan tertiääriprosessin kemikaalien syöttöä. Lisäksi selvitettiin millaisissa oloissa keskeiset saostus ja flokkaus prosessit toimivatparhaiten, sekä mitkä tekijät vaikuttavat merkittävästi jäteveden kemiallisen käsittelyn tulokseen. Saatujen tulosten perusteella kemikaalien sekoituksen tehostuksen seurauksena kemikaali määriä voidaan pienentää, samalla puhdistustulos paranee ja jäännöskemikaalien määrä pienenee. pH:n säätö on olennainen osa prosessin toiminnan kannalta, jos pH ei ole kemikaalien toiminta alueella ei puhdistusta tapahdu ja kemikaalit kulkeutuvat luontoon. Tertiäärikäsittelyyn tulevan jäteveden online seurannan avulla juuri oikea kemikaaliannos olisihelpompaa määrittää kuin päivän viiveellä tulevien laboratorio analyysien perusteella ja yli-/ali annostukselta vältyttäisiin

Rasvaisten jätevesien puhdistus

Rasvaisten jätevesien puhdistus on sitä tuottaville yrityksille kallista ja hankalaa. Nykyisten päästövaatimusten saavuttaminen on perinteisillä jätevedenkäsittelymenetelmillä vaikeaa tai lähes mahdotonta, riippuen käsiteltävän jäteveden ominaisuuksista. Rasvaisen jäteveden käsittelyssä on käytetty mm. laskeutusta, flotaatiota, hydrosykloneja, pisaroitusta, suodatusta sekä biologista käsittelyä. Lisäksi happohydrolyysiä voidaan soveltaa edellä mainittujen menetelmien esikäsittelynä. Useita näitä erotusmenetelmiä voidaan myös tehostaa kemikaalien lisäyksellä. Työn kirjallisuusosassa on käsitelty rasvaisten jätevesien ja emulsioiden kalvosuodatusta ja kalvojen käyttöä pisaroituselementtinä. Tavanomaisessa kalvosuodatuksessa tarkoituksena on erottaa kalvoa läpäisemätön rasvajae ja permeoituva vesijae toisistaan, kun taas pisaroittamisen tarkoituksena on saada dispergoituneen faasin pisarakoko kasvamaan joko kalvon pinnalla tai sen huokosissa. Pisarakoon kasvaessa emulsion stabiilisuus heikkenee ja faasit voidaan helpommin erottaa toisistaan. Työn kokeellisessa osassa tavoitteena oli tutkia kalvosuodatuksen ja erilaisten kalvojen toimivuutta esteröintilaitoksen rasvaisten jätevesien käsittelyssä. Tutkimuksessa käytettiin MW- (GE Osmonics), C30F- (Nadir Filtration), Teflon Typar- (Tetratex) sekä JX-kalvoa (Osmonics Desal). Haastetta työhön syntyi tutkittujen jätevesien ominaisuuksien suuresta vaihtelusta sitä tuottavan laitoksen panostyylisestä toiminnasta johtuen. Lisäksi tutkittiin, onko syöttöliuoksen pH-säädöllä ja laskeutuksella ennen suodatusta merkittävää etua itse kalvosuodatusprosessiin. Kalvotekniikkaa voidaan tämän tutkimuksen perusteella soveltaa myös esteröintilaitoksen rasvaisten jätevesien suodatukseen, ja erityistä etua saadaan jäteveden pH-säädöllä (pH 3) ja laskeutuksella ennen varsinaista suodatusta. Tällaiseen käsittelyyn soveltuu tutkituista kalvoista parhaiten hydrofiilinen regeneroidusta selluloosasta valmistettu C30F-kalvo, jonka etuna on vähäinen foulaantuminen muihin tutkittuihin kalvoihin verrattuna.

Reduction and Analysis Methods of Indigo

Throughout history indigo was derived from various plants for example Dyer’s Woad (Isatis tinctoria L.) in Europe. In the 19th century were the synthetic dyes developed and nowadays indigo is mainly synthesized from by-products of fossil fuels. Indigo is a so-called vat dye, which means that it needs to be reduced to its water soluble leucoform before dyeing. Nowadays, most of the industrial reduction is performed chemically by sodium dithionite. However, this is considered environmentally unfavourable because of waste waters contaminating degradation products. Therefore there has been interest to find new possibilities to reduce indigo. Possible alternatives for the application of dithionite as the reducing agent are biologically induced reduction and electrochemical reduction. Glucose and other reducing sugars have recently been suggested as possible environmentally friendly alternatives as reducing agents for sulphur dyes and there have also been interest in using glucose to reduce indigo. In spite of the development of several types of processes, very little is known about the mechanism and kinetics associated with the reduction of indigo. This study aims at investigating the reduction and electrochemical analysis methods of indigo and give insight on the reduction mechanism of indigo. Anthraquinone as well as it’s derivative 1,8-dihydroxyanthraquinone were discovered to act as catalysts for the glucose induced reduction of indigo. Anthraquinone introduces a strong catalytic effect which is explained by invoking a molecular “wedge effect” during co-intercalation of Na+ and anthraquinone into the layered indigo crystal. The study includes also research on the extraction of plant-derived indigo from woad and the examination of the effect of this method to the yield and purity of indigo. The purity has been conventionally studied spectrophotometrically and a new hydrodynamic electrode system is introduced in this study. A vibrating probe is used in following electrochemically the leuco-indigo formation with glucose as a reducing agent.

Ympäristö- ja yhdyskuntavesien monitorointi Saimaan vesistöalueella

Diplomityössä tutkittiin kromatografian, elektroforeesin ja spektrometrian käyttöä ympäristövesianalytiikassa. Kokeellisessa osassa analysoitiin Saimaan Vesi- ja Ympäristötutkimus Oy:n keräämistä kaatopaikka-, jätevesi-, pohjavesi-, vesistö-, uimahalli-, yksityiskaivo-, poreallas- ja suovesinäytteistä epäorgaaniset anionit (F-, Cl-, Br-, NO3-, NO2- SO42-ja PO42-) sekä ionikromatografilla että kapillaarielektroforeesilla. Näytteet on kerätty Saimaan alueen ympäristökunnista. Kapillaarielektroforeesilla analysoitiin lisäksi tiosulfaatti. Liekkiatomiabsorptio-spektrometrilla analysoitiin Cu, Fe, Na ja Al. Natriumia löytyi jokaisesta vesinäytteestä. Pohjavesistä ei löytynyt rautaa eikä alumiinia ja kuparipitoisuudet olivat alle määritysrajan. Vesistövesistä kahdessa näytteessä oli alle määritysrajan olevia rautapitoisuuksia. Muissa näytteissä ei rautaa ollut. Suovesistä kuparia löytyi hyvin pieniä määriä ja yhdestä näytteestä alumiinia alle määritysrajan. Kaatopaikkavesissä kuparipitoisuudet sekä kolmessa näytteessä alumiinipitoisuudet olivat alle määritysrajan. Jätevesistä oletettiin löytyvän suuria määriä typpispesieksiä ja fosforia. Niitä kuitenkin esiintyi isoissa pitoisuuksissa vain suovesinäytteissä. Jätevesinäytteet sisälsivät bromidia, nitraattia ja fluoridia jopa yli 140 mg/l. Kapillaarielektroforeesilla ja ionikromatografilla mitatut anionipitoisuudet korreloivat hyvin toisiaan. Kontaminoituja vesiä löytyi pohja-, kaatopaikka-, jäte- ja vesistövesistä sekä uima-altaan terapiaaltaan vedestä.

Biokaasulaitoksen rejektivesien vaikutus jätevedenpuhdistamon toimintaan ja rejektivesien esikäsittelyn tarpeellisuus

Diplomityön tavoitteena oli tutkia biokaasulaitoksen rejektivesien ominaisuuksiin vaikuttavia tekijöitä ja rejektiveden esikäsittelyn tarpeellisuutta. Lisäksi tavoitteena oli tarkastella Kouvolaan suunnitteilla olevan Kymen Bioenergia Oy:n biokaasulaitoksen rejektivesien vaikutusta Kouvolan Veden Mäkikylän jätevedenpuhdistamolla. Biokaasulaitoksen rejektivedet ovat yhdyskuntajätevesiin verrattuna selvästi konsentroituneempia. Jätevedenpuhdistamoilla erityisesti rejektiveden korkea typpipitoisuus aiheuttaa lisäkuormitusta. Suomessa toiminnassa oleville biokaasulaitoksille tehdyn kyselytutkimuksen tulosten perusteella rejektiveden typpipitoisuuteen vaikuttaa syötteen typpipitoisuus sekä mädätysjäännöksen kuivauksen tehokkuus. Rejektiveden kiintoainepitoisuudella on puolestaan vaikutusta biologiseen hapenkulutukseen ja välillisesti myös rejektiveden kemialliseen hapenkulutukseen. Rejektivesien jätevedenpuhdistamoilla aiheuttamaa kuormitusta on mahdollista vähentää esikäsittelemällä rejektivedet joko biologisella tai fysikaalis-kemiallisella puhdistusmenetelmällä. Kyselytutkimus kuitenkin osoitti, että rejektivesien esikäsittelyssä ei aina päästä puhdistustavoitteeseen. Jätevedenkäsittelyn sijaan rejektivesiä on mahdollista käyttää lannoitteena, mikäli biokaasulaitoksen syöte ei sisällä jätevedenpuhdistamon lietteitä. Myös Kouvolan Veden Mäkikylän puhdistamolla biokaasulaitoksen rejektivedet tulevat lisäämään merkittävästi tulovirtaaman typpikuormaa. Typpikuorman lisäys edellyttää ilmastusaltaassa ilmastuksen tehostamista sekä kalkin syöttömäärän lisäämistä, jotta jäteveden happipitoisuus ja pH pysyvät typenpoistoreaktioille suotuisina. Lisäksi tulovirtaamasta puolet tullaan ohjaamaan esiselkeyttimen ohi, jotta ilmastusaltaassa on orgaanista ainetta typenpoistoon riittävästi. Mäkikylän puhdistamon typenpoistokapasiteettia on mahdollista kasvattaa lisähiilen syötöllä. Mikäli biokaasulaitoksen kapasiteettilisäyksen jälkeen rejektivesien typpikuoma ylittää lisähiilellä saavutetun lisäkapasiteetin, on rejektivedet esikäsiteltävä.

Nikkelille selektiivisen kelatoivan adsorbenttimateriaalin valmistus ja tutkiminen

Metallien laajamittaisen ja runsaan käytön vuoksi nykyään on keskityttävä aikaisempaa tarkemmin metallipäästöjen estämiseen ja puhdistamiseen. Metallien puhdistamiseen jätevesistä voidaan käyttää erilaisia yksikköoperaatiomenetelmiä, mutta selektiivisempään erotukseen päästään ioninvaihto- ja adsorbenttimateriaaleilla. Työn tarkoitusena on valmistaa ja tutkia nikkeliselektiivisiä adsorbenttimateriaaleja. Lisäksi tutkimuskohteena on nikkelin ja 1,10-fenantroliinin välisen kompleksin muodostuminen eri pH-arvoilla. Selektiivisten adsorbenttimateriaalien valmistaminen onnistuu liittämällä kiinteään kantajaan ligandi. Tämän työn tapauksessa nikkelitemplaatin liittäminen kiinteään kantajaan funktionalisointivaiheessa muodostaa adsorbenttiin nikkelille spesifisen kohdan. Käytännössä spesifisyyden syntyminen ei ole itsestäänselvyys, vaan se riippuu paljon funktionalisointitavasta. Tässä työssä funktionalisointitapana olivat fysikaalinen adsorptio ja impregnointi. Nikkelin ja 1,10-fenantroliinin välisen kompleksin muodostumista tutkittiin eri pH-arvojen lisäksi neljällä eri happokonsentraatiolla. Tuloksia verrattiin sellaisen liuoksen spektriin, missä oli pelkkää nikkeliä. Tuloksista havaittiin, että komplekseja muodostuu käytännössä samalla tavalla pH:n ollessa 1–6. Vasta 5 M HNO3 alkoi heikentää kompleksien muodostumista, ja 10 M HNO3 esti kompleksien muodostumisen täysin. Adsorbenttimateriaaleja valmistettiin useita erilaisia, joihin osaan liitettiin nikkelitemplaatti ja osa jätettiin ilman templaattia. Työssä keskityttiin tutkimaan erityisesti kolmea silikasta valmistettua materiaalia, joissa vain kahdessa oli nikkelitemplaatti. Nikkelitemplaattien olemassaololla ei havaittu olevan juurikaan merkitystä nikkelin erottamiseen vesiliuoksista. Materiaaleille tehdyt regenerointikokeet osoittivat, että materiaalien toiminta ja kapasiteetti eivät olleet toivotulla tasolla.

Towards novel biogas upgrading processes

Biogas production has considerable development possibilities not only in Finland but all over the world since it is the easiest way of creating value out of various waste fractions and represents an alternative source of renewable energy. Development of efficient biogas upgrading technology has become an important issue since it improves the quality of biogas and for example facilitating its injection into the natural gas pipelines. Moreover, such upgrading contributes to resolving the issue of increasing CO2 emissions and addresses the increasing climate change concerns. Together with traditional CO2 capturing technologies a new class of recently emerged sorbents such as ionic liquids is claimed as promising media for gas separations. In this thesis, an extensive comparison of the performance of different solvents in terms of CO2 capture has been performed. The focus of the present study was on aqueous amine solutions and their mixtures, traditional ionic liquids, ‘switchable’ ionic liquids and poly(ionic liquid)s in order to reveal the best option for biogas upgrading. The CO2 capturing efficiency for the most promising solvents achieved values around 50 - 60 L CO2 / L absorbent. These values are superior to currently widely applied water wash biogas upgrading system. Regeneration of the solvent mixtures appeared to be challenging since the loss of initial efficiency upon CO2 release was in excess of 20 - 40 vol %, especially in the case of aqueous amine solutions. In contrast, some of the ionic liquids displayed reversible behavior. Thus, for selected “switchable” ionic and poly(ionic liquid)s the CO2 absorption/regeneration cycles were performed 3 - 4 times without any notable efficiency decrease. The viscosity issue, typical for ionic liquids upon CO2 saturation, was addressed and the information obtained was evaluated and related to the ionic interactions. The occurrence of volatile organic compounds (VOCs) before and after biogas upgrading was studied for biogas produced through anaerobic digestion of waste waters sludge. The ionic liquid [C4mim][OAc] demonstrated its feasibility as a promising scrubbing media and exhibited high efficiency in terms of the removal of VOCs. Upon application of this ionic liquid, the amount of identified VOCs was diminished by around 65 wt %, while the samples treated with the aqueous mixture of 15 wt % N-methyldiethanolamine with addition of 5 wt % piperazine resulted in 32 wt % reduction in the amounts of volatile organic compounds only.

Metallien eluointi kelatoivasta ioninvaihtimesta

Kelatoivat ioninvaihtimet ovat yleensä makrohuokoisia hartseja, joiden avulla metalleja poistetaan ja otetaan mahdollisesti talteen teollisuuden puhdistettavista jätevirroista. Ne muodostavat metalli-ionien kanssa komplekseja runkomateriaaliin kovalenttisesti liitettyjen aktiivisten funktionaalisten ryhmiensä välityksellä. Ioninvaihtimen selektiivisyys eri metalli-ioneja kohtaan vaihtelee riippuen siihen liitetystä kelatoivasta ryhmästä. Työssä tutkitaan metallien tarttumista kelatoiviin ioninvaihtimiin, sekä niiden eluoitumista adsorbentistaan. Kelatoivat ioninvaihtimet sitovat metalli-ioneja tehokkaasti ligandiensa monihampaisuudesta johtuen. Metallien tarttuminen kelatoivaan ioninvaihtimeen ei kuitenkaan ole yksiselitteistä, vaan siihen vaikuttaa muun muassa pH yhdessä monen muun tekijän kanssa. Ioninvaihtimien selektiivisyyttä tarkastellaan työssä lähinnä kovien ja pehmeiden happojen ja emästen HSAB -teorian näkökulmasta. Regeneroinnilla ioninvaihdin saadaan jälleen alkuperäiseen muotoonsa, minkä jälkeen se voidaan käyttää uudelleen. Yleensä regenerointi suoritetaan kemiallisesti. Tässä työssä ioninvaihtimien regenerointia ja kohdemetallin eluointia tarkastellaan paitsi teoriassa, myös kokeellisessa osuudessa. Kokeellisessa osuudessa tutkitaan kuparin (Cu2+) eluoitumista kelatoivasta Dowex M-4195 kationinvaihtohartsista. Kokeissa hartsi ladattiin kuparilla erillisessä panoksessa kuparin ollessa syöttöliuoksessa kuparisulfaattina. Eluointiliuoksina käytettiin 2 ja 5 molaarista rikkihappoa, sekä 2 molaarista ammoniumhydroksidia. Eluointi suoritettiin panostoimisena kolonniajona ja eluaatista otetut näytteet analysoitiin atomiadsorptiospektrofotometrillä. Analyysitulokset esitetään läpäisykäyrinä, joiden perusteella 2M ammoniumhydroksidi on kolmesta tutkitusta eluentista tehokkain eluoimaan kuparia Dowex M-4195 hartsista.

Regioselective modification of galactose-containing polysaccharides in aqueous media

Biorefining is defined as sustainable conversion of biomass into marketable products and energy. Forests cover almost one third of earth’s land area, and account for approximately 40% of the total annual biomass production. In forest biorefining, the wood components are, in addition to the traditional paper and board products, converted into chemicals and biofuels. The major components in wood are cellulose, hemicelluloses, and lignin. The main hemicellulose in softwoods, which are of interest especially for the Nordic forest industry, is O-acetyl galactoglucomannan (GGM). GGM can be isolated in industrial scale from the waste waters of the mechanical pulping process, but is not yet today industrially utilized. In order to attain desired properties of GGM for specific end-uses, chemical and enzymatic modifications can be performed. Regioselective modifications of GGM, and other galactose-containing polysaccharides were done by oxidations, and by combining oxidations with subsequent derivatizations of the formed carbonyl or carboxyl groups. Two different pathways were investigated: activation of the C-6 positions in different sugar units by TEMPO-mediated oxidation, and activation of C-6 position in only galactose-units by oxidation catalyzed by the enzyme galactose oxidase. The activated sites were further selectively derivatized; TEMPO-oxidized GGM by a carbodiimide-mediated reaction forming amides, and GO-oxidized GGM by indium-mediated allylation introducing double or triple bonds to the molecule. In order to better understand the reaction, and to develop a MALDI-TOF-MS method for characterization of regioselectively allylated GGM, α-D-galactopyranoside and raffinose were used as model compounds. All reactions were done in aqueous media. To investigate the applicability of the modified polysaccharides for, e.g., cellulose surface functionalization, their sorption onto pulp fibres was studied. Carboxylation affects the sorption tendency significantly; a higher degree of oxidation leads to lower sorption. By controlling the degree of oxidation of the polysaccharides and the ionic strength of the sorption media, high degrees of sorption of carboxylated polysaccharides onto cellulose could, however, be obtained. Anionic polysaccharides were used as templates during laccase-catalyzed polymerization of aniline, offering a green, chemo-enzymatic route for synthesis of conducting polyaniline (PANI) composite materials. Different polysaccharide templates, such as, native GGM, TEMPO-oxidized GGM, naturally anionic κ-carrageenan, and nanofibrillated cellulose produced by TEMPO-oxidation, were assessed. The conductivity of the synthesized polysaccharide/PANI biocomposites varies depending on the polysaccharide template; κ-CGN, the anionic polysaccharide with the lowest pKa value, produces the polysaccharide/PANI biocomposites with the highest conductivity. The presented derivatization, sorption, and polymerization procedures open new application windows for polysaccharides, such as spruce GGM. The modified polysaccharides and the conducting biocomposites produced provide potential applications in biosensors, electronic devices, and tissue engineering.

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.

Jätevesien puhdistus jätevesialtaissa jäädyttämällä - Kartoitus potentiaalisista sovellutuksista Suomessa

Uusia jäteveden puhdistusprosesseja kartoitetaan Suomessakin esimerkiksi kiristyvien päästömääräyksien vuoksi sekä parempia kustannus- ja energiatehokkuuksia tavoiteltaessa. Jätevesien puhdistus on Suomessa jo nykyään hyvällä tasolla, mutta muun muassa raskasmetallien, torjunta-aineiden, hormonien ja lääkeaineiden pitoisuuksien kasvut jätevesissä asettavat haasteita nykyisin käytössä oleville jäteveden puhdistusmenetelmille, sillä niitä ei ole suunniteltu näiden aineiden talteenottoon ja suurin osa aineista jää veteen. Lisäksi jätevedet halutaan nähdä enemmänkin resurssina kuin jätteenä, josta voidaan ottaa talteen hyödyllisiä komponentteja, kuten suoloja. Alueilla, joissa vuorokauden keskilämpötila pysyttelee edes osan vuodesta pakkasella, veden luonnollista jäätymisprosessia voidaan käyttää hyväksi jäteveden puhdistuksessa. Tässä työssä selvitettiin kiteytymisen teorian ja aikaisempien tutkimusten avulla, millaisten jätevesien puhdistukseen jäädytyskiteytys sopii sekä pohdittiin menetelmän potentiaalisia sovelluskohteita Suomessa. Jäädytyskiteytyksen todettiin olevan turvallinen ja energiatehokas ratkaisu monien koostumukseltaan erilaisien jätevesien puhdistukseen. Menetelmällä voitaneen puhdistaa öljyisiä, orgaanisia ja/tai epäorgaanisia epäpuhtauksia tai raskasmetalleja sisältäviä sekä myrkyllisiä jätevesiä. Olosuhteet prosessille ovat parhaat Pohjois-Suomessa, jossa vuorokauden keskilämpötila pysyttelee nollan alapuolella noin seitsemän kuukautta vuodesta. Etelä-Suomessa vastaava luku on kolme. Menetelmän potentiaalisia sovelluskohteita ovat esimerkiksi kaivosteollisuuden ja kaatopaikkojen jätevedet, joiden puhdistukseen jäädytyskiteytys saattaisi soveltua erinomaisesti. Jäädyttämällä voitaisiin myös puhdistaa tekstiili- ja nahkateollisuuden jätevesiä, sillä niiden sisältämien väriaineiden erottaminen vedestä on perinteisillä jäteveden puhdistusmenetelmillä usein vaikeaa tai jopa mahdotonta. Suolojen kiteyttämiseen vaadittavia korkeampia suolapitoisuuksia todettiin löytyvän lähinnä membraaniprosessien, kuten käänteisosmoosin, rejektivesistä. Sopivimmat eutektiset olosuhteet kiteyttämiseen ovat natriumsulfaatilla, kaliumsulfaatilla ja natriumkarbonaatilla. Veden luonnollisen jäätymisprosessin hyödyntäminen jätevedenpuhdistuksessa on huomionarvoinen idea. Prosessin käyttöönottoa haittaavat esimerkiksi korkeat investointikustannukset, mutta ne tulevat todennäköisesti ajan myötä teknologian kehittyessä laskemaan. Lisäksi monet prosessiin liittyvät käytännön asiat ovat vielä tutkimuksen alla. On myös huomattava, että Suomessakaan lämpötila ei pysyttele koko vuotta pakkasella, joten jäädytyksen rinnalla on oltava jokin toinen prosessi, jolla jätevedet puhdistetaan lämpötilan ollessa nollan yläpuolella.

Oxidation of Aqueous Thiosulfate Solutions by Pulsed Corona Discharge

The aim of this Master’s thesis focused on the oxidation of sodium thiosulfate using non thermal plasma technology as an advance oxidation process (AOP). By using this technology we can degrade certain toxic chemical compounds present in mining wastewaters as pollutants. Different concentrations of thiosulfate and pulse frequencies were used in the PCD experiments and the results in terms of various delivered energies (kWh/m3) and degradation kinetics were compared. Pulsed corona discharge is an energy efficient process compared to other oxidation processes using for the treatment of waste water pollutants. Due to its simplicity and low energy costs make it attractive in the field of waste water treatment processes. This technology of wastewater treatment has been tested mainly on pilot scale level and in future the attempts are to be focus on PCD investigations on larger process scale. In this research work of oxidation of thiosulfate using pulsed corona discharge, the main aim of this research was to study degradation of a studied toxic and not environmental friendly chemical compound. The focus of this research was to study the waste waters coming from the gold mines containing leachate compound thiosulfate. Literature review contained also gold leaching process when cyanide is used as the leachate. Another objective of this work was to compare PCD process with other processes based on their energy efficiencies. In the experimental part two concentrations of sodium thiosulfate, 1000ppm and 400ppm, were used. Two pulse generator frequencies of 833 and 200 pulses per second (pps) were used. The chemical analyses of the samples taken during semi-batch PCD oxidation process were analyzed by ion chromatographic (IC). It is observed after the analyses that among different frequencies and concentrations, the most suitable ones for the process is 200pps and 1000ppm respectively because the pollutants present in the waste water has more time to react with the OH radicals which are the oxidants and the process is energy efficient compared to other frequencies.

Wet oxidation of recalcitrant lignin waters: Experimental and kinetic studies

The dissertation is based on four articles dealing with recalcitrant lignin water purification. Lignin, a complicated substance and recalcitrant to most treatment technologies, inhibits seriously pulp and paper industry waste management. Therefore, lignin is studied, using WO as a process method for its degradation. A special attention is paid to the improvement in biodegradability and the reduction of lignin content, since they have special importance for any following biological treatment. In most cases wet oxidation is not used as a complete ' mineralization method but as a pre treatment in order to eliminate toxic components and to reduce the high level of organics produced. The combination of wet oxidation with a biological treatment can be a good option due to its effectiveness and its relatively low technology cost. The literature part gives an overview of Advanced Oxidation Processes (AOPs). A hot oxidation process, wet oxidation (WO), is investigated in detail and is the AOP process used in the research. The background and main principles of wet oxidation, its industrial applications, the combination of wet oxidation with other water treatment technologies, principal reactions in WO, and key aspects of modelling and reaction kinetics are presented. There is also given a wood composition and lignin characterization (chemical composition, structure and origin), lignin containing waters, lignin degradation and reuse possibilities, and purification practices for lignin containing waters. The aim of the research was to investigate the effect of the operating conditions of WO, such as temperature, partial pressure of oxygen, pH and initial concentration of wastewater, on the efficiency, and to enhance the process and estimate optimal conditions for WO of recalcitrant lignin waters. Two different waters are studied (a lignin water model solution and debarking water from paper industry) to give as appropriate conditions as possible. Due to the great importance of re using and minimizing the residues of industries, further research is carried out using residual ash of an Estonian power plant as a catalyst in wet oxidation of lignin-containing water. Developing a kinetic model that includes in the prediction such parameters as TOC gives the opportunity to estimate the amount of emerging inorganic substances (degradation rate of waste) and not only the decrease of COD and BOD. The degradation target compound, lignin is included into the model through its COD value (CODligning). Such a kinetic model can be valuable in developing WO treatment processes for lignin containing waters, or other wastewaters containing one or more target compounds. In the first article, wet oxidation of "pure" lignin water was investigated as a model case with the aim of degrading lignin and enhancing water biodegradability. The experiments were performed at various temperatures (110 -190°C), partial oxygen pressures (0.5 -1.5 MPa) and pH (5, 9 and 12). The experiments showed that increasing the temperature notably improved the processes efficiency. 75% lignin reduction was detected at the lowest temperature tested and lignin removal improved to 100% at 190°C. The effect of temperature on the COD removal rate was lower, but clearly detectable. 53% of organics were oxidized at 190°C. The effect of pH occurred mostly on lignin removal. Increasing the pH enhanced the lignin removal efficiency from 60% to nearly 100%. A good biodegradability ratio (over 0.5) was generally achieved. The aim of the second article was to develop a mathematical model for "pure" lignin wet oxidation using lumped characteristics of water (COD, BOD, TOC) and lignin concentration. The model agreed well with the experimental data (R2 = 0.93 at pH 5 and 12) and concentration changes during wet oxidation followed adequately the experimental results. The model also showed correctly the trend of biodegradability (BOD/COD) changes. In the third article, the purpose of the research was to estimate optimal conditions for wet oxidation (WO) of debarking water from the paper industry. The WO experiments were' performed at various temperatures, partial oxygen pressures and pH. The experiments showed that lignin degradation and organics removal are affected remarkably by temperature and pH. 78-97% lignin reduction was detected at different WO conditions. Initial pH 12 caused faster removal of tannins/lignin content; but initial pH 5 was more effective for removal of total organics, represented by COD and TOC. Most of the decrease in organic substances concentrations occurred in the first 60 minutes. The aim of the fourth article was to compare the behaviour of two reaction kinetic models, based on experiments of wet oxidation of industrial debarking water under different conditions. The simpler model took into account only the changes in COD, BOD and TOC; the advanced model was similar to the model used in the second article. Comparing the results of the models, the second model was found to be more suitable for describing the kinetics of wet oxidation of debarking water. The significance of the reactions involved was compared on the basis of the model: for instance, lignin degraded first to other chemically oxidizable compounds rather than directly to biodegradable products. Catalytic wet oxidation of lignin containing waters is briefly presented at the end of the dissertation. Two completely different catalysts were used: a commercial Pt catalyst and waste power plant ash. CWO showed good performance using 1 g/L of residual ash gave lignin removal of 86% and COD removal of 39% at 150°C (a lower temperature and pressure than with WO). It was noted that the ash catalyst caused a remarkable removal rate for lignin degradation already during the pre heating for `zero' time, 58% of lignin was degraded. In general, wet oxidation is not recommended for use as a complete mineralization method, but as a pre treatment phase to eliminate toxic or difficultly biodegradable components and to reduce the high level of organics. Biological treatment is an appropriate post treatment method since easily biodegradable organic matter remains after the WO process. The combination of wet oxidation with subsequent biological treatment can be an effective option for the treatment of lignin containing waters.

Öljyvahinkojätteiden käsittely Kymenlaakson alueella alusonnettomuuden jälkeen

Työn tavoitteena oli selvittää Suomenlahdella tapahtuvasta alusöljyvahingosta syntyvän öljyisen jätteen käsittelymahdollisuudet ja -kapasiteetit sekä loppusijoitusmahdollisuudet ja -kapasiteetit Kymenlaakson alueella. Lisäksi tavoitteena oli selvittää, miten öljy-vahinkojätettä voidaan esikäsitellä välivarastoinnin aikana puhdistuksen ja loppusijoituksen tehostamiseksi. Työn alussa on perehdytty öljyvahinkojätteen muodostumiseen vaikuttaviin tekijöihin: öljylaatujen ominaisuuksiin, öljyn kulkeutumiseen rannalle, ranta- ja saaristomaisemaan, öljyntorjuntaan jarantojen puhdistamiseen. Työssä on kuvattu öljyvahinkojätteen käsittelymenetelmien periaatteet ja menetelmien rajoituksia käsitellä öljyvahinkojätettä. Lisäksityö sisältää tutkimusta Suomen aluevesillä ja maailmalla tapahtuneista öljyonnettomuuksista. Onnettomuuksista on selvitetty erityisesti öljyvahinkojätteen määrä, koostumus ja käsittely. Työn loppuosassa on esitelty Kymenlaakson alueen laitosten mahdollisuuksia käsitellä öljyvahinkojätettä. Tietoa onkerätty haastattelemalla puhelimitse laitosten edustajia keväällä 2007. Alueella voidaan polttaa leijupedissä puhtaaseen polttoaineeseen sekoitettua öljyistä orgaanista ainesta ja puhdistustyössä käytettyjä varusteita arviolta 19 000 t/a, homogenoitua öljyistä orgaanista ainesta voidaan polttaa rumpu-uunissa arviolta 1200 t/a. Alueen polttokapasiteetti kasvaa, kun työn aikana rakenteilla oleva jätteenpolttolaitos valmistuu ja jätettä voidaan polttaa laitoksen arinalla. Lisäksi erityisesti öljyisiä maa-aineksia voidaan alipainekäsitellä, bitumistabiloida, kompostoida sekä pestä. Saadut tutkimustulokset ovat hyödynnettävissä erityisesti Kymenlaakson alueella. Tiedot käsittelymenetelmistä ja niiden rajoitteista ovat hyödynnettävissä valtakunnallisesti.

Wet Oxidation of Concentrated Wastewaters: Process Combination and Reaction Kinetic Modeling

The accumulation of aqueous pollutants is becoming a global problem. The search for suitable methods and/or combinations of water treatment processes is a task that can slow down and stop the process of water pollution. In this work, the method of wet oxidation was considered as an appropriate technique for the elimination of the impurities present in paper mill process waters. It has been shown that, when combined with traditional wastewater treatment processes, wet oxidation offers many advantages. The combination of coagulation and wet oxidation offers a new opportunity for the improvement of the quality of wastewater designated for discharge or recycling. First of all, the utilization of coagulated sludge via wet oxidation provides a conditioning process for the sludge, i.e. dewatering, which is rather difficult to carry out with untreated waste. Secondly, Fe2(SO4)3, which is employed earlier as a coagulant, transforms the conventional wet oxidation process into a catalytic one. The use of coagulation as the post-treatment for wet oxidation can offer the possibility of the brown hue that usually accompanies the partial oxidation to be reduced. As a result, the supernatant is less colored and also contains a rather low amount of Fe ions to beconsidered for recycling inside mills. The thickened part that consists of metal ions is then recycled back to the wet oxidation system. It was also observed that wet oxidation is favorable for the degradation of pitch substances (LWEs) and lignin that are present in the process waters of paper mills. Rather low operating temperatures are needed for wet oxidation in order to destruct LWEs. The oxidation in the alkaline media provides not only the faster elimination of pitch and lignin but also significantly improves the biodegradable characteristics of wastewater that contains lignin and pitch substances. During the course of the kinetic studies, a model, which can predict the enhancements of the biodegradability of wastewater, was elaborated. The model includes lumped concentrations suchas the chemical oxygen demand and biochemical oxygen demand and reflects a generalized reaction network of oxidative transformations. Later developments incorporated a new lump, the immediately available biochemical oxygen demand, which increased the fidelity of the predictions made by the model. Since changes in biodegradability occur simultaneously with the destruction of LWEs, an attempt was made to combine these two facts for modeling purposes.