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.

Minimization of the experimental workload for the prediction of pollutants propagation in rivers. Mathematical modelling and knowledge re-use

The present thesis in focused on the minimization of experimental efforts for the prediction of pollutant propagation in rivers by mathematical modelling and knowledge re-use. Mathematical modelling is based on the well known advection-dispersion equation, while the knowledge re-use approach employs the methods of case based reasoning, graphical analysis and text mining. The thesis contribution to the pollutant transport research field consists of: (1) analytical and numerical models for pollutant transport prediction; (2) two novel techniques which enable the use of variable parameters along rivers in analytical models; (3) models for the estimation of pollutant transport characteristic parameters (velocity, dispersion coefficient and nutrient transformation rates) as functions of water flow, channel characteristics and/or seasonality; (4) the graphical analysis method to be used for the identification of pollution sources along rivers; (5) a case based reasoning tool for the identification of crucial information related to the pollutant transport modelling; (6) and the application of a software tool for the reuse of information during pollutants transport modelling research. These support tools are applicable in the water quality research field and in practice as well, as they can be involved in multiple activities. The models are capable of predicting pollutant propagation along rivers in case of both ordinary pollution and accidents. They can also be applied for other similar rivers in modelling of pollutant transport in rivers with low availability of experimental data concerning concentration. This is because models for parameter estimation developed in the present thesis enable the calculation of transport characteristic parameters as functions of river hydraulic parameters and/or seasonality. The similarity between rivers is assessed using case based reasoning tools, and additional necessary information can be identified by using the software for the information reuse. Such systems represent support for users and open up possibilities for new modelling methods, monitoring facilities and for better river water quality management tools. They are useful also for the estimation of environmental impact of possible technological changes and can be applied in the pre-design stage or/and in the practical use of processes as well.

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

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

Agricultural phosphorus and water quality : sources, transport and management

Selostus: Maatalous, fosfori ja veden laatu: alkuperä, kulkeutuminen ja vesistökuormituksen hallinta

Effect of different potassium sources on the seasonal variation of potassium and free polyamines in scots pine needles

Summary

Heavy-metal pollution and remediation of forest soil around the Harjavalta Cu-Ni smelter, in SW Finland

Abstract

Fluoriditasetarkastelu ja päästöjen hallinta ferrokromi- ja terästeollisuudessa

Työn alkuosassa kartoitettiin AvestaPolarit –yhtiöiden Tornion tehtaiden keskeiset fluoridilähteet kuten fluspaatti, valukuonat, valupulverit ja fluorivetyhappo. Valupulverien ja kuonien haihtumis- ja liukoisuuskäyttäytymistä valaistiin kotimaisten ja kansainvälisten tutkimusten avulla. Tutkimustuloksia sovellettiin pääpiirteittäin Tornion tehtaiden tilanteeseen ottamalla huomioon tekijät, jotka saattoivat lieventää tai vahvistaa fluoridien vaikutusta ympäristöön. Yleisesti fluoridien ympäristö- ja terveysvaikutukset arvioitiin vähäisiksi. Työn kokeellisessa osassa määritettiin Tornion tehtaiden ferrokromitehtaan, terässulaton, kuumavalssaamon ja kylmävalssaamon fluoriditaseet. Jokaisen osastojen syötteiden fluoridipitoisuudet selvitettiin tuottajien ilmoittamien tuotekoostumuksien, spesifikaatioiden ja fluoridianalyysien perusteella. Fluoridien kokonaismäärät laskettiin jokaiselle syötteelle ja ne suhteutettiin kunkin osaston vuoden 2001 tuotantotasoon. Tasetarkastelussa suurimpina fluoridisyötteinä nousivat odotetusti esiin terässulaton käyttämä kuonanmuodostaja-aine fluspaatti (CaF2) ja kylmävalssaamon peittaushappo, 70 prosenttinen fluorivetyhappo (HF). Lisäksi muita merkittäviä syötteitä olivat kylmävalssaamon käyttämä kalkkipitoinen sekakuona ja ferrokromitehtaan sulatuskoksi. Tuotoksien eli päästöjen fluoridipitoisuudet saatiin selville päästömittauksin. Jätevesistä otettiin pääosin viikoittaisia kokoomanäytteitä, jotka analysoitiin tehtaan laboratoriossa. Kaasumaiset tuotokset oli määritetty kertamittauksien perusteella. Kiinteiden tuotoksien eli sakkojen ja kuonien fluoridimittaukset suoritettiin 3 sulatuksen kuonanäytteistä ja sakan vuosinäytteestä. Tuotoksista suurimmat ominaispäästökertoimet olivat juuri terässulaton AOD-konvertterin ja senkkauunin kuonilla ja kylmävalssaamon neutraloidulla regenerointisakalla ja neutralointisakoilla. Näistä ei aiheutunut varsinaista päästöä lähiympäristöön, koska sakat ja kuonat loppusijoitetaan tehtaan kaatopaikalle tai niitä käytetään liukenemattomassa muodossa. Tornion tehtaiden fluoridisyötteiden ja -tuotoksien mittausepätarkkuudet vaikuttivat fluoriditaseeseen. Ferrokromitehtaan fluoridisyötteet olivat kokonaismäärältään selvästi suurempia kuin tuotokset. Terässulaton fluoriditaseen tuotokset olivat suurempia kuin syötteet ja kylmävalssaamon syötteet sekä tuotokset olivat karkeasti arvioiden samaa suuruusluokkaa. Kuumavalssaamon fluoridisyötteet ja -tuotokset olivat mitättömiä. Fluoriditaseen epävarmuustekijöitä voidaan vähentää suorittamalla esimerkiksi useita fluoridimittauksia kaasumaisista päästöistä.

Quantitative elemental analysis of dry-ashed bark and wood samples of birch, spruce and pine from south-western Finland using PIXE

A total of over 200 different samples of bark and wood of Silver birch, Norway spruce and Scots pine were analysed. Samples were taken from several areas in western Finland, some with known sources of atmospheric heavy metal emission (Harjavalta, Ykspihlaja). Also analytical data for pine needles from some sites are reported. The chemical analyses were performed by thick-target particle-induced X-ray emission (PIXE) spectrometry after preconcentration by dry ashing of samples at 550oC. The following elements were quantified in most of the samples: P, S, K, Ca, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Rb, Sr, Cd, Ba and Pb. The ash percentage and the chemical composition of ashes of different wood materials were also obtained, as dry ashing was used in the analytical procedure. The variations in elemental concentrations in wood and bark of an individual tree, expressed as RSDs, were mostly in the range 10 – 20 %. For several trees of the same species sampled from small areas (< 1 ha), the variations in elemental concentrations were surprisingly high (RSDs 20 – 50 %). In the vicinity of metal plants, effects of strong atmospheric heavy metal pollution (pollution factor above 100) were observed in pine bark. The increase of heavy metal content in wood samples from the same sites was quite small. Elemental concentrations in ashes of bark and wood, from areas with no local source of atmospheric pollution, were relatively uniform. Based on this observation an alternative way of demonstrating atmospheric pollution of tree bark is discussed.

Mikrokontrolleriohjaus led-ryhmälle

Luonnonvarojen ehtyminen ja ympäristön saastuminen on luonut kysyntää uusille, energiaa säästäville ja ympäristöystävällisille teknologioille. Valaistuksessa tällainen teknologia on led-tekniikka. Led-tekniikalla on useita etuja verrattuna kilpaileviin tekniikoihin kuten pitkä elinikä, ympäristöystävällisyys ja mekaaninen kestävyys. Ledejä käytetään nykyään laajalti erilaisissa erikoissovelluksissa, erityisesti jos vaatimuksena on valon värillisyys. Näihin päiviin asti ledien hinta ja heikko valontuotto ovat rajoittaneet led-valaisimien yleistymistä hehkulamppujen ja muiden valaisintyyppien korvaajina. Tekniikan nopea kehittyminen on tehnyt led-tekniikasta varteenotettavan vaihtoehdon myös yleisvalaistukseen. Uusimpien valkoisten ledien valotehokkuus on 2 - 5 -kertainen hehkulamppuun verrattuna. Led-tekniikassa on vielä paljon käyttämätöntä potentiaalia, tulevaisuudessa päästäneen 10 - 15 -kertaiseen valotehokkuuteen hehkulamppuun verrattuna. Työssä suunnitellaan mikrokontrolleripohjainen ohjausjärjestelmä valkoista valoa tuottavalle led-valaisimelle, jonka värisävyä ja kirkkautta käyttäjä voi säätää. Valkoinen valo synnytetään sekoittamalla neljän erivärisen led-rivin valoa. Mikrokontrolleri ohjaa kutakin led-riviä väriensekoitusteoriaan perustuen. Mikrokontrolleriohjaus huomioi myös ledien optisten ominaisuuksien muutokset lämpötilan suhteen. Mikrokontrolleriohjauksen suorituskyky todetaan käytännön mittauksilla.