Production of fungal volatile organic compounds in bedding materials

Selostus: Haihtuvien orgaanisten yhdisteiden muodostuminen kuivikkeissa

Gas-phase photocatalytic oxidation of volatile organic compounds

Substances emitted into the atmosphere by human activities in urban and industrial areas cause environmental problems such as air quality degradation, respiratory diseases, climate change, global warming, and stratospheric ozone depletion. Volatile organic compounds (VOCs) are major air pollutants, emitted largely by industry, transportation and households. Many VOCs are toxic, and some are considered to be carcinogenic, mutagenic, or teratogenic. A wide spectrum of VOCs is readily oxidized photocatalytically. Photocatalytic oxidation (PCO) over titanium dioxide may present a potential alternative to air treatment strategies currently in use, such as adsorption and thermal treatment, due to its advantageous activity under ambient conditions, although higher but still mild temperatures may also be applied. The objective of the present research was to disclose routes of chemical reactions, estimate the kinetics and the sensitivity of gas-phase PCO to reaction conditions in respect of air pollutants containing heteroatoms in their molecules. Deactivation of the photocatalyst and restoration of its activity was also taken under consideration to assess the practical possibility of the application of PCO to the treatment of air polluted with VOCs. UV-irradiated titanium dioxide was selected as a photocatalyst for its chemical inertness, non-toxic character and low cost. In the present work Degussa P25 TiO2 photocatalyst was mostly used. In transient studies platinized TiO2 was also studied. The experimental research into PCO of following VOCs was undertaken: - methyl tert-butyl ether (MTBE) as the basic oxygenated motor fuel additive and, thus, a major non-biodegradable pollutant of groundwater; - tert-butyl alcohol (TBA) as the primary product of MTBE hydrolysis and PCO; - ethyl mercaptan (ethanethiol) as one of the reduced sulphur pungent air pollutants in the pulp-and-paper industry; - methylamine (MA) and dimethylamine (DMA) as the amino compounds often emitted by various industries. The PCO of VOCs was studied using a continuous-flow mode. The PCO of MTBE and TBA was also studied by transient mode, in which carbon dioxide, water, and acetone were identified as the main gas-phase products. The volatile products of thermal catalytic oxidation (TCO) of MTBE included 2-methyl-1-propene (2-MP), carbon monoxide, carbon dioxide and water; TBA decomposed to 2-MP and water. Continuous PCO of 4 TBA proceeded faster in humid air than dry air. MTBE oxidation, however, was less sensitive to humidity. The TiO2 catalyst was stable during continuous PCO of MTBE and TBA above 373 K, but gradually lost activity below 373 K; the catalyst could be regenerated by UV irradiation in the absence of gas-phase VOCs. Sulphur dioxide, carbon monoxide, carbon dioxide and water were identified as ultimate products of PCO of ethanethiol. Acetic acid was identified as a photocatalytic oxidation by-product. The limits of ethanethiol concentration and temperature, at which the reactor performance was stable for indefinite time, were established. The apparent reaction kinetics appeared to be independent of the reaction temperature within the studied limits, 373 to 453 K. The catalyst was completely and irreversibly deactivated with ethanethiol TCO. Volatile PCO products of MA included ammonia, nitrogen dioxide, nitrous oxide, carbon dioxide and water. Formamide was observed among DMA PCO products together with others similar to the ones of MA. TCO for both substances resulted in the formation of ammonia, hydrogen cyanide, carbon monoxide, carbon dioxide and water. No deactivation of the photocatalyst during the multiple long-run experiments was observed at the concentrations and temperatures used in the study. PCO of MA was also studied in the aqueous phase. Maximum efficiency was achieved in an alkaline media, where MA exhibited high fugitivity. Two mechanisms of aqueous PCO – decomposition to formate and ammonia, and oxidation of organic nitrogen directly to nitrite - lead ultimately to carbon dioxide, water, ammonia and nitrate: formate and nitrite were observed as intermediates. A part of the ammonia formed in the reaction was oxidized to nitrite and nitrate. This finding helped in better understanding of the gasphase PCO pathways. The PCO kinetic data for VOCs fitted well to the monomolecular Langmuir- Hinshelwood (L-H) model, whereas TCO kinetic behaviour matched the first order process for volatile amines and the L-H model for others. It should be noted that both LH and the first order equations were only the data fit, not the real description of the reaction kinetics. The dependence of the kinetic constants on temperature was established in the form of an Arrhenius equation.

Separation mechanisms in nanofiltration and retention changes of organic compounds

Orgaanisten yhdisteiden negatiivinen retentio nanosuodatuksessa on ilmiö, jota eiole kovin paljon tutkittu. Negatiivisen retentioon vaikuttavat syyt tai tekijäteivät ole kovin hyvin tiedossa. Erotusmenetelmänä negatiivinen retentio voi olla käyttökelpoinen tietyissä sovelluksissa. Työn kirjallisuusosa käsittelee nanosuodatuksen erotusmekanismeja ja retentioon vaikuttavia tekijöitä. Myös joitakin malleja on esitetty. Nanosuodatus on monimutkainen prosessi, josta ei voida löytää vain yhtä erotusmekanismia tai retentioon vaikuttavaa tekijää. Prosessit ovat kokonaisuuksia, joissa erottumiseen vaikuttavat syöttöliuoksen, erotettavan komponentin ja kalvon ominaisuudet, ja niiden väliset vuorovaikutukset. Työn kokeellisessa osassa koottiin mahdollisimman paljon esimerkkejä, joissa monosakkaridien negatiivinen retentio ilmenee. Muita orgaanisia ja epäorgaanisia yhdisteitä käytettiin 'häiriöyhdisteinä' syöttöliuoksessa monosakkaridien kanssa. Kokeet suoritettiin kahdella laboratoriomittakaavan suodatuslaitteella käyttäen kahta kaupallista nanosuodatuskalvoa. Negatiivinen retentio ilmeni useissa tapauksissa. Permeaattivuon ja 'häiriöyhdisteiden' pitoisuuksien havaittiin vaikuttavan voimakkaasti negatiivisen retention ilmenemiseen.

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

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

Odor emission control and reduce in betaine manufacture

This thesis was made in Naantali plant of Finnfeeds Finland Oy. In this thesis the main study was in reducing, controlling, measuring and processing odour effluents in various methods. Also are considered legislation, marketing issues and environmental requirements of reducing of odour effluents. The literature review introduces odours complications, legislations and various methods of odour removal. There is also a review of volatile organic compounds detection and measuring methods. The experimental section consists TD-GC-MS-measurements and expansive measurements with electronic nose. Electronic nose is a new solution for recognition and measuring industrial odours. In this thesis the electronic nose was adapted into reliable recognition and measuring method. Measurements with electronic nose was made in betaine factory and main targets were odour removal process and other odours from factory. As a result of experimental work with TD-GC-MS-measurements becomes odour compound of 2-and 3- methylbutanal and dimethyldisulfide, which odour is sweet and fug. Extensive study with electronic nose found many developmental subjects. Odour balance measurements of factory and after calculation made adjustment of odour removal process, over all odour effluent to environment will reduce 25 %.

Sellu- ja paperiteollisuuden haitallisimmat ilmapäästöt

Diplomityössä luotiin katsaus sellu- ja paperiteollisuuden haitallisimpiin ilmapäästöihin ja ilmapäästömäärien kehitykseen Suomessa 1990-luvun alusta nykypäivään. Työssä tutustuttiin sellu- ja paperiteollisuuden ilmapäästöjä rajoittavan lainsäädännön ajankohtaisiin asioihin Suomessa ja Euroopan Unionissa, sekä tarkasteltiin nykyisen lainsäädännön perustana olleita ilmastosopimuksia eli kansainvälisen ilmastopolitiikan syntyä ja kehittymistä. Työssä on myös selvitetty ilman osuutta paperinvalmistuksessa, tutustuttu ilmapäästöjen rajoittamismenetelmiin ja eri mittausmenetelmiin ilmapäästöjen toteamiseksi. Työn puitteissa suoritettiin mittalaitetestejä eri paperitehtailla. Haitallisimpia ja määrällisesti suurimpia ilmapäästöjä sellu- ja paperiteollisuudessa ovat typen ja rikin oksidit, pelkistyneet rikkiyhdisteet, hiukkaset, haihtuvat orgaaniset yhdisteet (VOC) ja hiilidioksidi. Ilmapäästömäärät Suomessa ovat typenoksideja lukuun ottamatta olleet laskussa 1990-luvun alusta nykypäivään. Tärkein kasvihuonekaasu on hiilidioksidi, jonka määrää rajoitetaan Kioton sopimuksessa. Vuoden 2002 aikana selvinneekin, mikä on Kioton sopimuksen vaikutus Suomen metsäteollisuuteen. Päästömittauksia tarvitaan lainsäädännön raja-arvojen toteamiseksi, mittauksia suorittavat sertifioidut päästömittauslaboratoriot. Suoritetuissa mittalaitetesteissä havaittiin mittalaitteiden soveltuvuudessa kosteiden paperiprosessin poistokaasujen määrittämiseen suuria eroja.

Porvoon jalostamon haihtuvien orgaanisten yhdisteiden päästömääritysmenetelmät

Työssä käytiin läpi Porvoon jalostamon haihtuvien orgaanisten yhdisteiden päästömääritysmenetelmiä ja arvioitiin nykyisin käytössä olevien sekä uusien menetelmien soveltuvuutta Porvoon jalostamon päästömääritykseen. Nykyisten menetelmien arviointia tehtiin käymällä läpi eri alueiden 2000-luvun päästömäärät sekä vertaamalla päästömääriä muiden jalostamojen vastaaviin päästömääriin. Haihtuvista orgaanisista yhdisteistä puhuttaessa jätetään yleisesti metaani määritelmän ulkopuolelle ja käytetään termiä NMVOC-yhdisteet. Työssä laskettiin arvio Porvoon jalostamon metaanin päästömäärälle ja arvioitiin sen vaikutusta NMVOC-kokonaispäästömäärään. Metaanin kokonaispäästömäärien havaittiin olevan noin kymmenen kertaa haihtuvien orgaanisten yhdisteiden päästömääriä pienempiä, ja näin ollen niiden lisäämisellä NMVOC-päästöihin ei ole juuri vaikutusta. Myös menetelmien investointi- ja käyttökustannuksia, sekä pidemmän aikavälin kustannuksia arvioitiin. Kustannuksiltaan tällä hetkellä Porvoon jalostamolla käytössä olevat menetelmät ovat kustannustehokkaita. Uusista menetelmistä DIAL, SOF ja OGI ovat kustannuksiltaan huomattavasti kalliimpia, myös pitkän aikavälin vertailulla. Nykyisten menetelmien vuosittaiset kustannukset aiheutuvat mittausten vaatimista henkilötyötunneista. Uusista menetelmistä SOF ja DIAL vaativat ulkopuolisten mittaajien käyttämistä. Massavirran määrityksen suhteen vielä kehitysvaiheessa olevalla OGI-kameralla mitatessa voidaan käyttää mittaajina omaa henkilökuntaa. Toisin kuin DIAL- ja SOF-menetelmien laitteistot, OGI-kamera ostetaan omaksi ja näin ollen sitä voidaan käyttää tarpeen vaatiessa vuoden ympäri esimerkiksi suurien vuotajien paikallistamiseen ja LDAR-kiristysohjelman tukena. Tarkastelun perusteella olisi suositeltavaa tarkastaa nykyisin käytettävistä laskentamenetelmistä erityisesti prosessi- ja säiliöalueen sekä jätevesijärjestelmä päästömäärät käyttäen tarkempia DIAL-, SOF- tai myöhemmin OGI-menetelmiä ja muokata laskentamenetelmiä vastamaan näillä määritettyjä päästömääriä.

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.

Täytekappalekolonnin likaantumisen syyt ja likaantumisen vähentämisen menetelmiä

Lateksinvalmistusprosessin aikana syntyvää jätevettä käsitellään täytekappalekolonnissa siinä olevien haihtuvien orgaanisten yhdisteiden poistamiseksi. Käsittelyprosessin aikana jätevedessä oleva kiintoaine kiinnittyy täytekappaleiden pinnalle, lopulta tukkien ne. Täytekappaleiden vaihtotyö sekä likaantuneiden täytekappaleiden pesu aiheuttavat kustannuksia. Lainsäädäntö ja sopimus kunnallisen jäteveden käsittelyn kanssa vaativat, että haihtuvien yhdisteiden päästöt lasketaan tietyn tason alapuolelle. Työn ensimmäisenä tavoitteena oli tutkia lateksitehtaan jätevesivirtojen koostumusta massa- ja ainetaseiden avulla, erityisesti täytekappalekolonnia likaavan aineen osalta. Toisena tavoitteena oli löytää menetelmiä pidentää täytekappalekolonnin ajojaksoa nykyisestä. Kolmantena tavoitteena oli löytää tai kehittää esikäsittelymenetelmä likaavan aineen poistamiseksi ennen täytekappalekolonnia. Viimeisenä tavoitteena oli optimoida prosessin ajotapa, josta saavutettaisiin säästöjä vähentyneenä energiankulutuksena. Tutkimuksen perusteella täytekappalekolonni poistaa syntyvästä jätevedestä haihtuvia orgaanisia yhdisteitä 100 prosenttia sekä kemiallista hapenkulutusta 99,5 prosenttia. Täytekappalekolonnin ajojaksoa voidaan pidentää ennakoimalla kolonnin ylä- ja alapään paine-eron perusteella sen likaantumisastetta ja täytekappaleiden vaihtotarvetta. Tutkimuksen perusteella soveltuvia jäteveden esikäsittelymenetelmiä ovat dekantointi, jossa kuuden tunnin viipymällä poistetaan kiintoainetta sekä hallittu kiintoaineen saostus, jossa kymmenen minuutin viipymällä poistetaan sekä haihtuvia orgaanisia yhdisteitä, että kiintoainetta. Energiankulutusta voidaan optimoida vähentämällä höyryn virtausta täytekappalekolonniin erotustehokkuuden siitä kärsimättä.

Käytetyn voiteluöljyn regenerointilaitoksen prosessivesien karakterisointi

Käytetyn voiteluöljyn regeneroinnissa muodostuu prosessivettä useista lähteistä. Tehokas päästöjenhallinta on yksi tärkeimmistä tavoitteista regenerointilaitoksen operoinnissa ja sen takia sitä tulee kehittää jatkuvasti entistä paremmaksi. Tavoitteisiin pääsemiseksi on oleellista tunnistaa vesienkäsittelyprosessin laadullinen massatase ja laadunvaihtelut ajotilanteiden mukaan. Työssä tutkitaan ja analysoidaan veden sisältämiä epäpuhtauksia sekä kirjallisuuslähteiden perusteella, että standardimenetelmillä ja modifioiduilla menetelmillä, joilla on akkreditointi. Analyysituloksista muodostetaan laadullinen massatase, josta nähdään epäpuhtauksien ja niitä kuvaavien parametrien kuormitukset kussakin prosessivesivirrassa. Tulosten perusteella arvioidaan nykyisen vesienkäsittelyn tehokkuutta, sen säätömahdollisuuksia ja kehitystarvetta. Tarkastelun ulkopuolelle kuitenkin jätetään vesienkäsittelystä ulosjohdettavan prosessiveden puhdistuslaitos. Tutkimusten perusteella regenerointilaitoksessa muodostuvien prosessivesien epäpuhtaudet koostuvat öljystä, BTEX-yhdisteistä, fenoliyhdisteistä, liuottimista, polttoaineiden ja voiteluöljyjen lisäaineista, typpi- ja rikkiyhdisteistä, metalliyhdisteistä sekä kiintoaineesta. Öljy jakautuu kevyisiin (C5-C10), keskiraskaisiin (C10-21) ja raskaisiin (C21-40) jakeisiin. Vesienkäsittelyssä suurin osa öljystä ja epäpuhtauksista saadaan erottumaan vedestä, jolloin puhdistuslaitokselle päätyy jäämäpitoisuudet öljyä, haihtuvia yhdisteitä sekä muita epäpuhtauksia. Puhdistuslaitosta kuormittavat eniten liuenneet orgaaniset yhdisteet sekä korkeaa kemiallista hapenkulutusta aiheuttavat epäorgaaniset yhdisteet (suolat), joiden erottamista prosessivesistä on syytä tulevaisuudessa kehittää.

Sewage Sludge Electro-Dewatering

Original sludge from wastewater treatment plants (WWTPs) usually has a poor dewaterability. Conventionally, mechanical dewatering methods are used to increase the dry solids (DS) content of the sludge. However, sludge dewatering is an important economic factor in the operation of WWTPs, high water content in the final sludge cake is commonly related to an increase in transport and disposal costs. Electro‐dewatering could be a potential technique to reduce the water content of the final sludge cake, but the parameters affecting the performance of electro‐dewatering and the quality of the resulting sludge cake, as well as removed water, are not sufficiently well known. In this research, non‐pressure and pressure‐driven experiments were set up to investigate the effect of various parameters and experimental strategies on electro‐dewatering. Migration behaviour of organic compounds and metals was also studied. Application of electrical field significantly improved the dewatering performance in comparison to experiments without electric field. Electro‐dewatering increased the DS content of the sludge from 15% to 40 % in non‐pressure applications and from 8% to 41% in pressure‐driven applications. DS contents were significantly higher than typically obtained with mechanical dewatering techniques in wastewater treatment plant. The better performance of the pressure‐driven dewatering was associated to a higher current density at the beginning and higher electric field strength later on in the experiments. The applied voltage was one of the major parameters affecting dewatering time, water removal rate and DS content of the sludge cake. By decreasing the sludge loading rate, higher electrical field strength was established between the electrodes, which has a positive effect on an increase in DS content of the final sludge cake. However interrupted voltage application had anegative impact on dewatering in this study, probably because the off‐times were too long. Other factors affecting dewatering performance were associated to the original sludge characteristics and sludge conditioning. Anaerobic digestion of the sludge with high pH buffering capacity, polymer addition and freeze/thaw conditioning had a positive impact on dewatering. The impact of pH on electro‐dewatering was related to the surface charge of the particles measured as zeta‐potential. One of the differences between electro‐dewatering and mechanical dewatering technologies is that electro‐dewatering actively removes ionic compounds from the sludge. In this study, dissolution and migration of organic compounds (such as shortchain fatty acids), macro metals (Na, K, Ca, Mg, Fe) and trace metals (Ni, Mn, Zn, Cr) was investigated. The migration of the metals depended on the fractionation and electrical field strength. These compounds may have both negative and positive impacts on the reuse and recycling of the sludge and removed water. Based on the experimental results of this study, electro‐dewatering process can be optimized in terms of dewatering time, desired DS content, power consumption and chemical usage.

Pulsed corona discharge as an advanced oxidation process for degradation of organic

Advanced oxidation processes (AOPs) have been studied and developed to suffice the effective removal of refractory and toxic compounds in polluted water. The quality and cost of wastewater treatment need improvements, and electric discharge technology has a potential to make a significant difference compared to other established AOPs based on energy efficiency. The generation of active oxidant species such as ozone and hydroxyl radicals by high voltage discharge is a relatively new technology for water treatment. Gas-phase pulsed corona discharge (PCD), where a treated aqueous solution is dispersed between corona-producing electrodes free of the dielectric barriers, was developed as an alternative approach to the problem. The short living radicals and ozone formed in the gas phase and at the gas-liquid interface react with dissolved impurities. PCD equipment has a relatively simple configuration, and with the reactor in an enclosed compartment, it is insensitive towards gas humidity and does not need the gas transport. In this thesis, PCD was used to study and evaluate the energy efficiency for degrading various organic compounds, as well as the chemistry of the oxidation products formed. The experiments investigate the aqueous oxidation of phenol, humic substances, pharmaceutical compounds (paracetamol, ibuprofen, indomethacin, salicylic acids, -estradiol), as well as lignin degradation and transformation to aldehydes. The study aims to establish the influence of initial concentration of the target pollutant, the pulsed discharge parameters, gas phase composition and the pH on the oxidation kinetics and the efficiency. Analytical methods to measure the concentrations of the target compounds and their by-products include HPLC, spectrophotometry, TOC and capillary electrophoresis. The results of the research included in this summary are presented in the attached publications and manuscripts accepted for publication. Pulsed corona discharge proved to be highly effective in oxidizing each of the target compounds, surpassing the closest competitor, conventional ozonation. The increase in oxidation efficiencies for some compounds in oxygen media and at lower pulse repetition frequencies shows a significant role of ozone. The role of the ·OH radicals was established in the surface reactions. The main oxidation products, formation of nitrates, and the lignin transformation were quantified. A compound specific approach is suggested for optimization of the PCD parameters that have the most significant impact on the oxidation energy efficiency because of the different characteristics and responses of the target compound to the oxidants, as well as different admixtures that are present in the wastewater. Further studies in the method’s safety (nitration and nitrosation of organic compounds, nitrite and nitrate formation enhancement) are needed for promoting the method.

Ultrasonic and Electrokinetic Remediation of Low Permeability Soil Contaminated with Persistent Organic Pollutants

Electrokinetics has emerged as a potential technique for in situ soil remediation and especially unique because of the ability to work in low permeability soil. In electrokinetic remediation, non-polar contaminants like most organic compounds are transported primarily by electroosmosis, thus the process is effective only if the contaminants are soluble in pore fluid. Therefore, enhancement is needed to improve mobility of these hydrophobic compounds, which tend to adsorb strongly to the soil. On the other hand, as a novel and rapidly growing science, the applications of ultrasound in environmental technology hold a promising future. Compared to conventional methods, ultrasonication can bring several benefits such as environmental friendliness (no toxic chemical are used or produced), low cost, and compact instrumentation. It also can be applied onsite. Ultrasonic energy applied into contaminated soils can increase desorption and mobilization of contaminants and porosity and permeability of soil through developing of cavitation. The research investigated the coupling effect of the combination of these two techniques, electrokinetics and ultrasonication, in persistent organic pollutant removal from contaminated low permeability clayey soil (with kaolin as a model medium). The preliminary study checked feasibility of ultrasonic treatment of kaolin highly contaminated by persistent organic pollutants (POPs). The laboratory experiments were conducted in various conditions (moisture, frequency, power, duration time, initial concentration) to examine the effects of these parameters on the treatment process. Experimental results showed that ultrasonication has a potential to remove POPs, although the removal efficiencies were not high with short duration time. The study also suggested intermittent ultrasonication over longer time as an effective means to increase the removal efficiencies. Then, experiments were conducted to compare the performances among electrokinetic process alone and electrokinetic processes combined with surfactant addition and mainly with ultrasonication, in designed cylinders (with filtercloth separating central part and electrolyte parts) and in open pans. Combined electrokinetic and ultrasonic treatment did prove positive coupling effect compared to each single process alone, though the level of enhancement is not very significant. The assistance of ultrasound in electrokinetic remediation can help reduce POPs from clayey soil by improving the mobility of hydrophobic organic compounds and degrading these contaminants through pyrolysis and oxidation. Ultrasonication also sustains higher current and increases electroosmotic flow. Initial contaminant concentration is an essential input parameter that can affect the removal effectiveness.

Kunnallisen jätevedenkäsittelyn tehostaminen membraanitekniikan avulla – esimerkkinä Savitaipaleen jätevedenpuhdistamo

Työssä tutkittiin mahdollisuutta tehostaa kunnallista jätevedenpuhdistusta membraanitekniikkaa käyttäen. Teoriaosassa perehdyttiin kunnallisen jäteveden omi-naisuuksiin ja perinteiseen puhdistusprosessiin. Tämän lisäksi membraanien yleisiä ominaisuuksia, membraanityyppien kykyä erottaa jäteveden sisältämiä yhdisteitä sekä erilaisia mahdollisuuksia membraanisuodatukselle perinteisen jäteve-denpuhdistusprosessin yhteydessä käytiin läpi. Kokeellisessa osassa keskityttiin Savitaipaleen puhdistamon puhdistetun jäteveden laadun parantamiseen membraanisuodatukseen perustuvalla jälkikäsittely-yksiköllä eli tertiäärisuodatuksella. Erilaisia paineavusteisia membraanitekniikoita (MF, UF, NF ja RO) tutkittiin jäteveden puhdistamiseksi ja erotustehokkuuden vertailemiseksi. Tavoitteena oli löytää tehokas ja käytännössä toimiva tapa poistaa fosforia ja typpeä puhdistetusta jätevedestä. Tasomaisilla membraaneilla tehdyissä suodatuksissa MF-membraanit poistivat tehokkaasti fosforia (97 – 98 %) sekä kiintoainesta (100 %) jätevedestä. RO-membraanit alensivat fosfori- (100 %) ja typpipitoisuutta (90 – 94 %) tehokkaasti, poistaen myös liuenneita orgaanisia yhdisteitä (DOC, 90 – 94 %). Mikrosuodatukseen perustuvilla onttokuitumembraaneilla saavutettiin tehokkaan fosforinpoiston lisäksi tasainen kapasiteetti suodatuksen aikaista puhdistusmene-telmää optimoimalla. Pitoisuusalenemat olivat myös erittäin korkeita fosforille (97 – 99 %), kiintoaineelle (100 %), sameudelle (96 – 99 %) sekä COD:lle (38 – 55 %). Tulosten perusteella membraanitekniikkaan perustuva onttokuitusuodatus olisi tehokas ja toimiva jälkikäsittelyprosessi fosforinpoistoon ja jäteveden laadun pa-rantamiseen. Typen poistamiseen parhaiten toimi RO-membraani.

Perfluorattuja yhdisteitä sisältävien jätevesien puhdistus- ja analyysimenetelmät

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