Regenerated cellulose ultrafiltration membranes in the treatment of pulp and paper mill process waters

Ultrafiltration (UF) is widely applied in different separation processes in the pulp and paper industry. The growing need to protect the environment, a lack of pure water and an interest in producing high-value chemicals from compounds present in process waters will probably lead to an increase in the use of UF in the pulp and paper industry. The efficiency and cost-effectiveness of a UF process depends on the applied membrane. The membrane should have a high and stable filtration capacity, a particular selectivity and a long operational lifetime. To meet these requirements a membrane should have a low fouling tendency. In addition, it should withstand the prevailing operational and chemical conditions. This thesis evaluates the performance and applicability of the regenerated cellulose (RC) membranes 00030T and C2 in the treatment of pulp and paper mill process waters based on the requirements above. The results demonstrated that both the tested RC membranes fulfilled well the requirement of high filtration capacity. In addition, in the filtration of a paper mill clear filtrate (CF) the RC membranes were not as greatly affected by variations in the CF quality as a polysulphone membrane. Furthermore, due to their extreme hydrophilicity and weak charge the fouling tendency of the membranes can be expected to be low in pulp and paper mill filtration applications. It is, however, known that fouling cannot be totally avoided even when the membrane is chosen very carefully. This study indicated that carbohydrates influenced negatively on permeability and caused fouling in the filtration of groundwood mill circulation water. Thus, a pre-treatment effectively reducing the amount of carbohydrates might help to maintain a stable capacity. However, the results of the thesis also showed that the removal of some of the possible foulants might just increase the harmful effect of others. Multivariate examination was useful in the understanding of the complicated factors causing the unstable capacity. The thesis also revealed that the 00030T and C2 membranes can be used at high pressure (max. tested pressure 12 bar). The C2 membrane, having a sponge-like substructure, was more pressure resistant, and its performance was more stable at high pressure compared to the UCO30T membrane containing macrovoids in its substructure. Both tested membranes can, according to the results, also be used at temperatures as high as 70°C in acidic, neutral and alkaline conditions. However, the use at extreme conditions might cause faster ageing of the membranes compared to ageing in neutral conditions. The thesis proved that both the tested RC membranes are very suitable for pulp and paper mill applications and that the membranes can be utilised in processes operating in challenging conditions. Thus, they could be used in more demanding applications than supposed earlier.

Identification of extractives and polysaccharides as foulants in membrane filtration of pulp and paper mill effluents

The search for new renewable materials has intensified in recent years. Pulp and paper mill process streams contain a number of potential compounds which could be used in biofuel production and as raw materials in the chemical, food and pharmaceutical industries. Prior to utilization, these compounds require separation from other compounds present in the process stream. One feasible separation technique is membrane filtration but to some extent, fouling still limits its implementation in pulp and paper mill applications. To mitigate fouling and its effects, foulants and their fouling mechanisms need to be well understood. This thesis evaluates fouling in filtration of pulp and paper mill process streams by means of polysaccharide model substance filtrations and by development of a procedure to analyze and identify potential foulants, i.e. wood extractives and carbohydrates, from fouled membranes. The model solution filtration results demonstrate that each polysaccharide has its own fouling mechanism, which also depends on the membrane characteristics. Polysaccharides may foul the membranes by adsorption and/or by gel/cake layer formation on the membrane surface. Moreover, the polysaccharides interact, which makes fouling evaluation of certain compound groups very challenging. Novel methods to identify wood extractive and polysaccharide foulants are developed in this thesis. The results show that it is possible to extract and identify wood extractives from membranes fouled in filtration of pulp and paper millstreams. The most effective solvent was found to be acetone:water (9:1 v/v) because it extracted both lipophilic extractives and lignans at high amounts from the fouled membranes and it was also non-destructive for the membrane materials. One hour of extraction was enough to extract wood extractives at high amounts for membrane samples with an area of 0.008 m2. If only qualitative knowledge of wood extractives is needed a simplified extraction procedure can be used. Adsorption was the main fouling mechanism in extractives-induced fouling and dissolved fatty and resin acids were mostly the reason for the fouling; colloidal fouling was negligible. Both process water and membrane characteristics affected extractives-induced fouling. In general, the more hydrophilic regenerated cellulose (RC) membrane fouled less that the more hydrophobic polyethersulfone (PES) and polyamide (PA) membranes independent of the process water used. Monosaccharide and uronic acid units could also be identified from the fouled synthetic polymeric membranes. It was impossible to analyze all monosaccharide units from the RC membrane because the analysis result obtained contained degraded membrane material. One of the fouling mechanisms of carbohydrates was adsorption. Carbohydrates were not potential adsorptive foulants to the sameextent as wood extractives because their amount in the fouled membranes was found to be significantly lower than the amount of wood extractives.

Tertiary treatment of pulp and paper mill effluents

Työn tavoitteena oli selvittää mitä käsittelyvaihtoehtoja on olemassa jäteveden puhdistamon tertiäärikäsittelyyn ja miten suuri tarve paperi- ja selluteollisuuden prosessivesien puhdistukseen on. Tarkoituksena oli saada käsitys koko tertiäärikäsittelystä eri näkökulmista. Lopuksi läpikäytiin tertiäärikäsittelymenetelmiä ja etsittiin mahdollisia uusia menetelmiä, joita voitaisiin käyttää jäteveden tertiääripuhdistukseen. Ensimmäisenä työssä on perehdytty jäteveden koostumukseen paperi- ja selluteollisuudessa ja puhdistukseen ilmastetulla aktiivilietemenetelmällä, jotta tertiäärikäsittely ymmärrettäisiin konseptina paremmin. Lisäksi työssä selvitettiin tertiäärikäsittelyn tarvetta ja vaihtoehtoja sen käyttämättä jättämiselle teollisuuden ja muun ympäristöä vahingoittavan toiminnan ympäristönäkökohdat huomioonottaen. Lyhyiden menetelmäesitysten jälkeen kiteytetään tertiäärikäsittelyn ympäristönäkökohdatja vaihtoehdot sen käytölle yhteenvetona, jossa otetaan huomioon myös viranomaisten, yrityksen ja BAT referenssien sisältämä tieto tertiäärikäsittelystä. Työn kokeellinen osa sisältää erään tertiäärikäsittelysovelluksenrakentamisen, koekäytön ja laboratorioanalyysien yhteenvedon. Lisäksi menetelmää verrataan kustannus-tehokkuudeltaan vastaavien menetelmien kanssa. Tarkoituksena oli löytää jäteveden tertiäärikäsittelyyn sopiva laitteisto, jonka toimintaanei sisältyisi kemikaalien annostelua ja sitä käytettäisiin lähinnä jätevedenpuhdistamon ongelmatilanteiden väliaikaiseksi ratkaisuksi. Mahdollisesti se voisi toimia myös jatkuvatoimisesti veden kirkastuksessa. Diplomityössä rakennettu laitteisto, jota käytettiin myös pilot koeajoissa, ei ollut paras mahdollinen laitteisto tertiäärikäsittelyn toteuttamiseksi paperi- ja selluteollisuudessa, mutta kilpailukykyinen muiden laitteistojen kanssa. Laitteiston toimintaperiaate on kuitenkin käyttökelpoinen tietyin varauksin ja sitä voidaan käyttää vedenpuhdistamiseen.

Wet Oxidation of TMP Concentrated Paper Mill Process Water. Kinetics of the reaction

Työn tarkoituksena oli tutkia lämpötilan, paineen, pH:n ja katalyytin vaikutusta paperitehtaan TMP-konsentroidun prosessiveden märkähapetuksessa. Teoriaosio sisältää katsauksen sellu- ja paperiteollisuuteen, jätevesien käsittelyyn, nanosuodatuksen ja märkähapetusprosessin toimintaperiaatteet ja sovellukset hybriditeknologialle nanosuodatus-märkähapetuksessa. Empiirinen osa koostuu märkähapetuskokeista eri lämpötiloissa, paineissa, pH:ssa ja eri katalyyseillä. Työssä tutkittiin näiden vaikutusta kemialliseen hapenkulutukseen (COD), Biologiseen hapenkulutukseen (BOD), Välittömästi saatavana olevan biologisen hapenkulutukseen (IABOD), ligniiniin, täysin orgaanisen hiileen (TOC) ja rasvaliukoisten uuteaineiden (LWEs) pitoisuuteen. Tuloksina kokeellisesta työstä saatiin korkeimmat COD:n alenemat ja BOD/COD (biohajoavuus) suurimmilla lämpötilaolosuhteilla (COD:n alenema 70 % ja BOD/COD 97 % 200 °C:ssa ja hapen 10 bar osapaineella). Tutkimuksessa, jossa selvitettiin hapen osapaineen vaikutusta saatiin tuloksena, että hapen osapaineen kasvu parantaa orgaanisen kuormituksen poistoa: COD poisto oli olosuhteilla130°C, 5bar 5 %, olosuhteilla 130 °C, 15bar 15 %, olosuhteilla 170 °C, 5bar 20 % ja olosuhteilla 170 °C, 15bar 50 %. Lähes täydellinen LWEs –poisto saavutettiin 150 °C ja 10bar olosuhteilla, vaikka tässä lämpötilassa ei saavutettu korkeata orgaanisen kuormituksen poistoa. Emäksinen pH vaikutti suosivan hapettavia reaktioita, koska korkein COD:n poisto saavutettiin näissä olosuhteilla; kuitenkin alkalisen väliaineen tehokkuudelle löydettiin tärkeä lämpötilariippuvuus.

Electro-Oxidation Treatment of Pulp and Paper Mill Circulating Waters and Wastewaters

Interest in water treatment by electrochemical methods has grown in recent years. Electrochemical oxidation has been applied particularly successfully to degrade different organic pollutants and disinfect drinking water. This study summarizes the effectiveness of the electrochemical oxidation technique in inactivating different primary biofilm forming paper mill bacteria as well as sulphide and organic material in pulp and paper mill wastewater in laboratory scale batch experiments. Three different electrodes, borondoped diamond (BDD), mixed metal oxide (MMO) and PbO2, were employed as anodes. The impact on inactivation efficiency of parameters such as current density and initial pH or chloride concentration of synthetic paper machine water was studied. The electrochemical behaviour of the electrodes was investigated by cyclic voltammetry with MMO, BDD and PbO2 electrodes in synthetic paper mill water as also with MMO and stainless steel electrodes with biocides. Some suggestions on the formation of different oxidants and oxidation mechanisms were also presented during the treatment. Aerobic paper mill bacteria species (Deinococcus geothermalis, Pseudoxanthomonas taiwanensis and Meiothermus silvanus) were inactivated effectively (>2 log) at MMO electrodes by current density of 50 mA/cm2 and the time taken three minutes. Increasing current density and initial chloride concentration of paper mill water increased the inactivation rate of Deinococcus geothermalis. The inactivation order of different bacteria species was Meiothermus silvanus > Pseudoxanthomonas taiwanensis > Deinococcus geothermalis. It was observed that inactivation was mainly due to the electrochemically generated chlorine/hypochlorite from chloride present in the water and also residual disinfection by chlorine/hypochlorite occurred. In real paper mill effluent treatment sulphide oxidation was effective with all the different initial concentrations (almost 100% reduction, current density 42.9 mA/cm2) and also anaerobic bacteria inactivation was observed (almost 90% reduction by chloride concentration of 164 mg/L and current density of 42.9 mA/cm2 in five minutes). Organic material removal was not as effective when comparing with other tested techniques, probably due to the relatively low treatment times. Cyclic voltammograms in synthetic paper mill water with stainless steel electrode showed that H2O2 could be degraded to radicals during the cathodic runs. This emphasises strong potential of combined electrochemical treatment with this biocide in bacteria inactivation in paper mill environments.

Effect of antifoams on oxygen mass transfer in pulp and paper mill effluents

Vaahdonestoaineiden haitallinen vaikutus hapen liukenemisnopeuteen biologisen puhdistamon jätevesissä on yleisesti tunnettua. Aineiden eri vaikutusmekanismien takia on silti vaikea etukäteen arvioida, miten ja kuinka paljon aineensiirto muuttuu. Työn tavoitteena oli saada tietoa vaahdonestoaineiden ja muiden pinta-aktiivisten aineiden vaikutuksesta kuplakokoon, kaasun tilavuusosuuteen ja kaasu-neste aineensiirtoon. Työn teoriaosassa on kuvailtu vaahdon muodostumiseen vaikuttavia tekijöitä sekä eri vaahdonestoaineiden vaikutusmekanismeja sellu- ja paperitehtaan jätevedessä. Edelleen on esitetty useita hapen siirtoa estäviä ja parantavia aineita. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin kahdenkymmenenviiden eri pinta-aktiivisen aineen vaikutusta hapen liukenemisnopeuteen yksivaiheisessa kuplakolonnissa. Kokeet tehtiin kahdella pitoisuudella, kahdella eri kaasunjakolaitteella ja kolmella eri kaasun tyhjäputkinopeudella. Aineensiirtokokeiden rinnalla tutkittiin jätevesien laatu- ja fysikaalisiaominaisuuksia, niiden vaikutusta hapen liukenemisnopeuteen sekä testattavien koeaineiden vaikutusta fysikaalisin ominaisuuksiin. Kokeet osoittavat että pinta-aktiivisten aineiden vaikutus hapen aineensiirtoon vaihtelee riippuen kaasunjakolaitteesta ja aineen pitoisuuksista. Testatuista vaahdonestonaineista pienin negatiivinen vaikutus oli aineella AT 35 ja positiivinen vaikutustodettiin olevan vaahdonestoaineiden komponenteilla: P2, S1, F4 ja T9.

Catalytic Wet Oxidation of Paper Mill Debarking Water

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

The Boundaries of a Firm in the Pulp and Paper Industry: Complementarities of the Resource-Based View and Transaction Cost Economics

Tämän tutkimuksen tarkoituksena on tutkia sellu- ja paperiteollisuuden toimintojen luonnetta sekä miten yrityksen rajapinnat ovat muodostuneet ko. teollisuudenalalla. Tutkimus on eksploratiivinen ja luonteeltaan kvalitatiivinen. Tutkimuksen aineisto kerättiin yrityksissä tehdyillä teemahaastatteluilla. Sellu- ja paperitehtaan toimintojen analysoinnissa käytetään resurssiperusteista näkemystä ja transaktiokustannusteoriaa. Tutkimuksen yritysten rakennetta voidaan pitää varsin konservatiivisena. Teoreettinen kehys pystyi selittämään varsinaisen tuotannon järjestämistä varsin hyvin. Tukitoiminnoissa löytyi ristiriitoja teorian ja todellisuuden välillä. Tuotantotoiminnot kannattaa pitää yrityksen sisällä, koska ne täyttävät VRIN-attribuutit ja niihin liittyy korkeita transaktiokustannuksia. Suurin osa tukitoiminnoista voidaan luokitella triviaaleiksi. Joitain tukitoimintoja voidaan kuitenkin luokitella strategisesti tärkeiksi, ja voidaan päätellä, että ne pitäisi pitää yrityksen sisällä. Tässä suhteessa tulokset olivat kuitenkin ristiriitaisia, ja lisätutkimuksia tarvittaisiin lopullisten johtopäätösten tekemiseen.

The oxygenation in biological wastewater treatment of pulp and paper industry

The UPM-Kymmene Oyj Pietarsaari pulp and paper Mill biological wastewater treatment plant was built in the 1980's and the plant has been in use ever since. During the past years there have been problems with deviations. The wastewater treatment plant needs update, especially the aeration basin, where the old surface aerators cannot produce enough mixing and indroduce oxygen enough to the wastewater. In this thesis how extra aeration with oxygen affects the wastewater treatment plant effluent was studied. In the literature part the main focus is in aeration devices, which can be used in biological wastewater treatment. The target is to compare different kind of aerators, which are suitable for pulp and paper wastewater treatment. Studies show, that EDI-aerators are commonly used and also most suitable. In the experimental part, the focus is on the Pietarsaari Mills wastewater treatment plant and oxygen aeration during autumn 2008. This thesis presents the results of the trial run. Studies show, that extra oxygen devices can produce lot a of mixing and the oxygenation capacity was more than what the micro-organisms needed. The effect on sludge quality could not been seen during the trial runs.

Kalvonpesuprosessit paperiteollisuuden sovelluksissa

Tämän työn tarkoituksena oli löytää tehokas ja taloudellinen pesuaine/pesuaineyhdistelmä kahdelle nanosuodatuskalvolle, joiden läpi on suodatettu paperitehtaan kirkassuodosta ja hiomon kiertovettä. Työssä tutkittiin myös sitä, kestävätkö tutkitut kalvot vetyperoksidia. Työssä havaittiin, että tutkituista kalvoista huokoisempi ei puhdistunut millään tutkituista pesuaineista/pesuaineyhdistelmistä. Tiiviimmän kalvon vesivuo palautui hyvin kahdella tutkituista pesuaineista. Palautuminen oli todennäköisesti seurausta siitä, että pesuaine irrotti lian kalvon pinnasta ja modifioi sen jälkeen kalvon pintaa. Työssä havaittiin myös, että huokoisempi kalvo kestää hyvin toistuvaa vetyperoksidikäsittelyä. Tiiviimpi kalvo puolestaan ei kestä toistuvaa käsittelyä vetyperoksidilla. Vetyperoksidia voidaan kuitenkin käyttää satunnaisesti apuna tiiviimpienkin kalvojen pesussa.

Aspects on Process Engineering in the Finnish Pulp and Paper Industry : Thesis for the Degree of Licentiate in Science of Technology

Process development will be largely driven by the main equipment suppliers. The reason for this development is their ambition to supply complete plants or process systems instead of single pieces of equipment. The pulp and paper companies' interest lies in product development, as their main goal is to create winning brands and effective brand management. Design engineering companies will find their niche in detail engineering based on approved process solutions. Their development work will focus on increasing the efficiency of engineering work. Process design is a content-producing profession, which requires certain special characteristics: creativity, carefulness, the ability to work as a member of a design team according to time schedules and fluency in oral as well as written presentation. In the future, process engineers will increasingly need knowledge of chemistry as well as information and automation technology. Process engineering tools are developing rapidly. At the moment, these tools are good enough for static sizing and balancing, but dynamic simulation tools are not yet good enough for the complicated chemical reactions of pulp and paper chemistry. Dynamic simulation and virtual mill models are used as tools for training the operators. Computational fluid dynamics will certainlygain ground in process design.

Combustibility of Paper Mill Rejects

Tämän työn tarkoituksena oli selvittää mekaanisen massan valmistuksen käsittävän paperitehtaan rejektija jätevirtojen poltettavuutta, jos paperitehtaan vesikiertojen sulkemisastetta lisätään. Jotta prosessin tilannetta sulkemisen jälkeen saatiin arvioitua, Anjalan paperitehtaan nykypäivän PK3:n prosessia tutkittiin kuorimolta jätevesilaitokselle. Kirjallisuusosassa käsiteltiin rejekti- ja jätevirtojen alkuperää mekaanista massaa käyttävässä paperitehtaassa. Myös tämän päivän jätevedenkäsittelyprosessit sekä sulkemisessa mahdolliset prosessiveden puhdistustekniikat esiteltiin lyhyesti. Lisäksikäytiin läpi nykypäivänä metsäteollisuudessa käytössä olevat polttotekniikat sekä polttoaineiden karakterisointi kattilan käytettävyyden ja päästöjen kannalta. Anjalan PK3:lla käytetään sekä peroksidi- että ditioniittivalkaistua tai pelkästään ditioniittivalkaistua hioketta riippuen tuotannossa olevasta lajista. PK3-prosessissa syntyneet jätevesi-, liete- ja muut jätevirrat selvitettiin molemmissa valkaisuolosuhteissa. Prosessin eniten liuennutta orgaanista ainesta sisältävät jätevesijakeet, 3-hiomon kuumankierron ja kirkassuodoksen ulosajot sekä kuoripuristimen suodos, valittiin puhdistettaviksi virroiksi prosessin sulkemista arvioitaessa. Kun peroksidivalkaisua käytettiin 3-hiomolla, TOC-kuorma jokeen oli 30 % suurempi kuin pelkällä ditioniittivalkaisulla. Jos prosessin sulkemisastetta lisättäisiin, TOC-kuorma olisi 30 %pienempi kuin tänäpäivänä peroksidivalkaisua käytettäessä (80 % puhdistustehokkuudella). Prosessin sulkemisastetta lisättäessä biolietettä muodostuisi n. 30 % vähemmän verrattuna nykytilanteeseen, sillä mikrobien ravintona käyttämää orgaanista ainesta päätyisi vähemmän jäteveteen. 3-hiomon peroksidivalkaisun vaikutus kattilan käytettävyyteen ja päästöihin oli pieni, sillä biolietteen osuus polttoaineen syötöstä oli vain 4 %. Vain osa biolietteestä muodostui 3-hiomolta peräisin olevaa orgaanista ainesta poistettaessa. Jos nykyisen pääpolttoaineen, PDF:n,osuuden jättää huomioimatta, SO2- ja NOx-päästöt sekä leijupedin sintrautuvuus ovat hiukan suuremmat käytettäessä peroksidivalkaisua 3-hiomolla kuin pelkästään ditioniittivalkaisulla. Jos kuoripuristimen ja hiomon suodosten puhdistuksen konsentraatit johdetaan poltettaviksi BFB-tyyppiseen kattilaan, leijupedin sintrautuminen tulisi olemaan suurin ongelma. Myös raskasmetalli-, SO2- ja NOx-päästöt lisääntyisivät merkittävästi verrattuna nykyiseen tilanteeseen. Sen sijaan kattilan korroosioriski tuskin lisääntyisi. Lisäksi konsentraattien kosteuspitoisuus olisi korkea, mikä tekisi poltosta kannattamatonta veden haihdutuksen vaatiessa paljon energiaa. Yksityiskohtaisempaa tutkimusta tarvitaan vielä prosessin sulkemisen vaikutuksista päästöihin ja kattilan käytettävyyteen. Myös muita konsentraattien hävittämismahdollisuuksia tulisi tutkia lisää.

Development of Managerial Reporting for a Pulp and Paper Technology Supplier

Työn tavoitteena oli yritysjohdon käyttämän sisäisen raportin kehittäminen vastaamaan paremmin johdon tarpeita. Teoriaosuuden tarkoituksena oli selvittää kirjallisuuden avulla sisäisen raportin käyttöä johdon työkaluna, hyvän raportin vaatimuksia ja yleisiä raportoinnin periaatteita. Empiirinen osuus toteutettiin haastatteluiden avulla ja analysoimalla case-yrityksen sisäisiä raportteja. Empiirisen osan tavoitteena oli selvittää aiemman raportin ongelmat, löytää ratkaisut näihin ongelmiin ja laatia uusi raportointimalli, joka palvelee paremmin raportin käyttäjiä.Teoriaosuuden perusteella voidaan päätellä, että raportoinnin kehittämiseen vaikuttaa eniten raportin käyttötarkoitus ja henkilöt, joiden työväline raportti tulee olemaan. Raportin kehittäminen on jatkuva prosessi, sillä raportin tulee mukautua liiketoiminta- ja organisaatiomuutoksiin.Työn empiirisessä osassa esitetty uusi raportointimalli palvelee case-yritystä monella eri tasolla. Se tukee johdon työskentelyä ja tarjoaa yritystasolla välineen kustannusten parempaan hallintaan ja seurantaan.

Educating Pulp and Paper Engineers for the Global Forest Industry

Vol.23, No. 5, pp. 1024-1037, 2007.