Kartoitus Kaakkois-Suomen jätelietteistä, lietteen tuottajista ja käsittelymenetelmistä

In this thesis the sludge of Southeastern-Finland, the companies which produce sludge and the current methods and those still in development have been surveyed. 85 % of the waste sludge from industry comes from forest industries. The sludge from municipal waste water treatment plants is mostly used as a raw material for bioplants. The sludge from forest industry is mostly incinerated. New circulation methods increase the recycling value of the waste by creating new products but they still lack a full-scale plant. The political pressure from Europe and the politics driven by the government of Finland will drive circular economy forward and thus uplifting the processing options of waste slurries. This work is divided in two parts, first contains the survey and the second contains the experimental part and the operational methods based on the survey. In the experimental part wet hard sheet waste sludge was de-watered with shaking filter and the applications for waste sludge from cellulose factory were considered. The results are, that the wet hard sheet waste sludge can be dewatered to high enough total solids content for the inteded use. Also, the cellulose waste sludge has too high Cd content in almost all of the batches to be used as a land improment.

Pintavalutuskentän ja kemikalointiaseman soveltuvuus turvetuotantoalueille

Tässä kandidaatintyössä tutkittiin kahden eri vesiensuojelurakenteen toimivuutta ja soveltuvuutta turvetuotantoalueelle. Työn tavoitteena oli vertailla pintavalutuskentän ja kemiallisen vedenkäsittelyn eroavaisuuksia toiminnoiltaan ja puhdistustehoiltaan. Lisäksi työn tavoitteena oli tarkastella parhaimman vesiensuojelurakenteen valintaan vaikuttavia tekijöitä. Työ toteutettiin vertailemalla Vapo Oy:n tarkkailuraporteista sekä turvetuotantoalueiden ominaiskuormitusselvityksistä koottuja tilastoja. Vertailu suoritettiin puhdistustulosten ja kuormituslukujen avulla. Tuotantoaluekohtaisia tarkkailuraportteja oli käytettävissä kolmelta edeltävältä vuodelta ja työssä käytetty ominaiskuormitusselvitys oli koonti vuosien 2008–2012 tuloksista. Työstä saadut tulokset tukevat vesiensuojelumenetelmistä jo saatavilla olevaa teoriaa. Turvetuotantoalueelle paras käyttökelpoinen tekniikka on pintavalutuskenttä, mikä osoittautui työssä tasaisen laadukkaaksi menetelmäksi. Työssä havaittiin kemiallisen vedenkäsittelyn olevan epävarmaa ja haastavaa. Työstä saadut tulokset osoittavat käsittelyn jatkokehittämisen tarpeen.

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.

Développement de méthodes analytiques pour la détection et la quantification de traces de produits pharmaceutiques dans les eaux du fleuve Saint Laurent

Le présent projet vise à documenter la nécessité d’augmenter notre connaissance de la présence des contaminants organiques tels que les médicaments dans l’environnement et d’évaluer leur devenir environnemental. On a étudié la présence de composés pharmaceutiques dans différents échantillons d'eau. On a focalisé nos efforts spécialement sur les échantillons d'eau de l'usine d'épuration de la Ville de Montréal et ses effluents, les eaux de surface avoisinantes et l’eau du robinet dans la région de Montréal. Pour ce faire, on a tout d’abord développé deux méthodes analytiques automatisées basées sur la chromatographie liquide avec extraction en phase solide (SPE) couplée à la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS). On a également étudié les performances des trois techniques d'ionisation à pression atmosphérique (API), pour ensuite les utiliser dans la méthode analytique développée. On a démontré que l'ionisation par électronébulisation (ESI) est une méthode d'ionisation plus efficace pour l'analyse des contaminants pharmaceutiques dans des échantillons de matrices très complexes comme les eaux usées. Une première méthode analytique SPE couplée à la LC-MS/MS a été développée et validée pour l'étude des échantillons complexes provenant de l'usine d'épuration de la Ville de Montréal et des eaux de surface près de l'usine. Cinq médicaments de prescription ont été étudiés: le bézafibrate (un régulateur de lipides), le cyclophosphamide et le méthotrexate (deux agents anticancéreux), l'orlistat (un agent anti-obésité) et l’énalapril (utilisé dans le traitement de l'hypertension). La plupart de ces drogues sont excrétées par le corps humain et rejetées dans les eaux usées domestiques en faisant par la suite leur chemin vers les usines municipales de traitement des eaux usées. On a pu démontrer qu'il y a un faible taux d’élimination à l'usine d'épuration pour le bézafibrate et l'énalapril. Ces deux composés ont aussi été détectés dans les eaux de surface sur un site à proximité immédiate de la décharge de l’effluent de la station d'épuration. i En observant la nécessité de l'amélioration des limites de détection de la première méthode analytique, une deuxième méthode a été développée. Pour la deuxième méthode, un total de 14 contaminants organiques, incluant trois agents anti-infectieux (clarithromycin, sulfaméthoxazole et triméthoprime), un anticonvulsant (carbamazépine) et son produit de dégradation (10,11-dihydrocarbamazépine), l'agent antihypertensif (enalapril), deux antinéoplastiques utilisés en chimiothérapie (cyclophosphamide et méthotrexate), des herbicides (atrazine, cyanazine, et simazine) et deux produits de transformation de l’atrazine (deséthylatrazine et déisopropylatrazine) ainsi qu’un agent antiseptique (triclocarban). Ces produits ont été quantifiés dans les eaux de surface ainsi que dans l’eau du robinet. L'amélioration des limites de détection pour cette méthode a été possible grâce à la charge d'un volume d'échantillon supérieur à celui utilisé dans la première méthode (10 mL vs 1 mL). D'autres techniques de confirmation, telles que les spectres des ions produits utilisant une pente d’énergie de collision inverse dans un spectromètre de masse à triple quadripôle et la mesure des masses exactes par spectrométrie de masse à temps d’envol, ont été explorées. L'utilisation d'un analyseur de masse à temps d’envol a permis la confirmation de 6 des 14 analytes. Finalement, étant donné leur haute toxicité et pour évaluer leur persistance et leur transformation au niveau du traitement des eaux potables, la cinétique d'oxydation du cyclophosphamide et de méthotrexate avec l'ozone moléculaire et des radicaux OH a été étudiée. Les constantes de dégradation avec l'ozone moléculaire ont été calculées et la qualité de l'eau après traitement a pu être évaluée. Le rendement du processus d'ozonation a été amélioré pour la cyclophosphamide dans les eaux naturelles, en raison de la combinaison de réactions directes et indirectes. Cette étude a montré que l'ozone est très efficace pour oxyder le méthotrexate mais que le cyclophosphamide serait trop lent à s’oxyder pour un traitement efficace aux conditions usuelles de traitement de l’eau potable.

Développement d’une méthode d’extraction des contaminants émergents dans les solides particulaires par LDTD-APCI-MS/MS

Douze contaminants émergents (composés pharmaceutiques, pesticides et hormones) ont été quantifiés et extraits de l'eau de rivières et d’échantillons d'eaux usées municipales. La séparation des solides en suspension est effectuée par filtration des échantillons d'eau. L'effet de filtration sur les concentrations de contaminants dissous a été évaluée afin de minimiser les pertes de composés cibles. Les échantillons ont été lyophilisés et ont été extraits en deux cycles par ultrasons combinés avec une étape de nettoyage sur cartouche d’extraction de type C18. La quantification a été réalisée en utilisant la spectrométrie de masse. Les recouvrements de la méthode pour tous les composés ont varié de 68 à 112% dans toutes les matrices étudiées, sauf pour le sulfaméthoxazole et le diclofénac où des recouvrements plus modestes ont été obtenus (38 à 85%). Les limites de détection pour les 12 analytes dans les sédiments et particules en suspension (SPM) de la rivière variaient de 0,7 à 9,4 ng g-1 et de 21 à 92 ng g-1, pour les échantillons SPM de station d'épuration. Tous les contaminants émergents cibles ont été détectés à des concentrations variant de 3 à 5440 ng g-1 dans les matrices étudiées, les concentrations les plus élevées ont été observées dans les échantillons SPM de stations d'épuration. Une partie importante de certains de ces contaminants est clairement associée aux sédiments de rivière ou aux particules en suspension. L’optimisation des processus de traitement de l'eau et le devenir environnemental doit absolument tenir compte de la fraction de contaminants qui liée à des particules si on espère avoir un bilan de masse raisonnable.

Analyse par spectrométrie de masse d’hormones stéroïdiennes dans les eaux usées et abattement par oxydation chimique

Thèse réalisée en cotutelle avec Michèle Prévost (Ph.D), Professeure titulaire au département des génies civil, géologique et des mines de l'École Polytechnique de Montréal.

Studies on Magnetic Iron Oxide Loaded Activated Carbon

The current water treatment technology is oriented towards the removal of contaminants, mostly organic compounds, by activated carbon. Activated carbons are classified as Granular Activated Carbons (GAC) and Powdered Activated Carbons (PAC) on the basis of the particle size of the carbon granules. Powdered carbons are generally less expensive than granular carbon, operating costs with powdered carbon could be lower. Though powdered activated carbon has many advantages over granular carbon, its application in large-scale separation process is limited by difficulty in recovery and regeneration. Deposition of magnetic iron oxide on carbon particles provides a convenient way of recovering the spent carbon from process water. The study deals with the preparation and physico-chemical characterization of magnetic iron oxide loaded activated carbons. The evaluation of absorption properties of magnetic iron oxide loaded activated carbon composites. The target molecules studied were phenol, p-nitro phenol and methylene blue. The feasibility of magnetic separation of iron oxide loaded activated carbons were studied and described in this thesis.

Optical and Thermal Characterization of Dye Intercalated Montmorillonites and Rare Earth Doped Materials

Nondestructive photothermal methods as well as optical absorption and fluorescence spectroscopy are utilized to characterise three different materials, both thermally and optically. The possibility of using montmorillonite clay minerals, after textile waste-water treatment, is investigated for further applications. The laser induced luminescence studies and thermal characterisation of certain rare earth titanates prepared by self propagating high temperature synthesis method are also presented. Moreover, effort is made to characterise rare earth doped sol gel silica glasses with the help of these nondestructive techniques.

Sono, Photo and Sonophoto Catalytic Removal of Chemical and Bacterial Pollutants from Wastewater

The term ‘water pollution’ broadly refers to the contamination of water and water bodies (e.g. lakes, rivers, oceans, groundwater etc). Water pollution occurs when pollutants are discharged directly or indirectly into water bodies without adequate treatment to remove the harmful contaminants. This affects not only the plants and organisms living in these bodies of water but also the entire natural biological communities and the biodiversity.Advanced Oxidation Processes (AOPs) have been tested as environment-friendly techniques for the treatment of contaminated water, in view of their ability to convert pollutants into harmless end products. These techniques refer to a set of treatment procedures designed to remove organic or inorganic contaminants in wastewater by oxidation. The contaminants are oxidized by different reagents such as air, oxygen, ozone, and hydrogen peroxide which are introduced in precise, preprogrammed dosages, sequences and combinations under appropriate conditions. The procedure when combined with light in presence of catalyst is known as photocatalysis. When ultrasound (US) is used as the energy source, the process is referred as sonication. Sonication in presence of catalyst is referred as sonocatalysis. Of late, combination of light and sound as energy sources has been tested for the decontamination of wastewater in the presence of suitable catalyst. In this case, the process is referred as sonophotocatalysis. These AOPs are specially advantageous in pollution control and waste water treatment because unlike many other technologies, they do not just transfer the pollutant from one phase to another but completely degrade them into innocuous substances such as CO2 and H2O.

Procesos secuenciales de adsorción/oxidación con H2O2 para la eliminación de compuestos orgánicos volátiles

Volatile Organic Compounds (VOCs) are one of the main groups of odour causing compounds in Waste Water Treatment Plants (WWTP). Adsorption technology is already established, in recent years the interest for the optimization of the costs associated with this technique has grown significantly. In particular, there are different options, from the use of low cost adsorbents, to reducing costs associated with carbon regeneration process. In this thesis, the adsorption of the three VOCs on sewage sludge based adsorbents was studied. It was proved that adsorbents obtained by chemical activation of sewage sludge with alkaline hydroxides are comparable to commercial activated carbons (ACs). Likewise, the adsorption of multicomponent gaseous streams was also studied. Related to the ACs regeneration, it was proposed a regeneration treatment of VOC saturated ACs with H2O2 based on advanced oxidation processes (AOP). The influence of the surface chemistry of ACs in this regeneration process was also studied.

Eliminación de compuestos causantes de olores mediante adsorbentes/catalizadores obtenidos a partir de lodos de depuradora

El aumento de la cantidad de lodos y las dificultades inherentes a su aplicación agrícola y/o disposición en vertederos, hace necesario encontrar nuevas alternativas para su gestión. A nivel europeo, hoy en día se tiende hacia la aplicación de tratamientos térmicos (incineración, pirólisis y gasificación) que permiten una valoración energética de los lodos, si bien generan un residuo sólido que sigue siendo necesario gestionar. El problema medioambiental provocado por (malos) olores resulta difícil de abordar de una manera genérica, teniendo en consideración la propia naturaleza del olor y sus posibles causas. Los olores en las EDARs son provocados básicamente por la degradación de la materia orgánica en condiciones anaeróbicas y se detectan en todas las operaciones unitarias en diferentes niveles de concentración. Esta tesis incidiendo en ambos aspectos, tiene por objeto investigar la valorización de lodos como materiales precursores de adsorbentes/ catalizadores para la eliminación de olores en el entorno de las EDARs, maximizando la reutilización de los lodos. Para la realización de los experimentos se han seleccionado lodos procedentes de tres EDARs situadas en la región de Girona (SC, SB, SL) que difieren en cuanto al tratamiento de los lodos. Ambas muestras han sido caracterizadas con el fin de determinar las diferencias más importantes en los lodos de partida. Los parámetros de caracterización incluyen el análisis de composición química (análisis elemental e inmediato, determinación contenido en cenizas, medida pH, DRX, FT-IR, SEM / EDX) así como análisis de superficie (adsorción de N2 y CO2). En primer lugar los lodos caracterizados han sido sometidos a diferentes tratamientos térmicos de gasificación y pirólisis y los adsorbentes/ catalizadores obtenidos se han probado como adsorbentes para la eliminación de H2S. Como consecuencia de este estudio, se ha desechado el uso de uno de lodos (SC) puesto que se obtenían resultados muy similares a (SB), a continuación el estudio se centró en el lodo de SL. Con este objetivo se han preparado 12 muestras 6 de ellas pirolizadas y 6 gasificadas en el rango de temperaturas que comprende 600-1100 ºC. Posteriormente las muestras han sido caracterizadas y se ha determinado la capacidad de eliminación (x/M) del H2S. Los resultados muestran que hemos sido capaces de obtener unos materiales que si bien, presentan un bajo desarrollo de porosidad dan lugar a valores de capacidades de eliminación elevados y comparables a carbones y materiales adsorbentes comerciales (Centaur, Sorbalit). Las elevadas eficiencias de eliminación se atribuyen básicamente a la presencia de especies catalíticamente activas tales como los óxidos mixtos de calcio y hierro determinados por DRX en las muestras tratadas térmicamente. El segundo bloque de resultados se centra la mejora de las propiedades texturales de estos materiales adsorbentes. Con este objetivo se llevaron acabo procesos de activación física con CO2 y química con H3PO4 e hidróxidos alcalinos (NaOH y KOH), que hasta el momento no se había probado con este tipo de precursores. Los resultados indican que la activación física (CO2) y química (H3PO4) no son unos buenos métodos para la obtención de adsorbentes altamente porosos con este tipo de materia prima bajo las condiciones probadas, sin embargo la activación con hidróxidos alcalinos da lugar a materiales adsorbentes con superficies específicas de hasta 1600 m2g-1. En el caso de la activación con hidróxidos, tanto el incremento de la relación agente activante/ precursor como el incremento de la temperatura producen un descenso del rendimiento, al mismo tiempo que incrementan el valor de SBET. Los materiales resultantes de la activación con hidróxidos alcalinos se han probado como adsorbentes/ catalizadores para la eliminación de H2S. Los resultados indican que un incremento del área superficial no es indicativo de un aumento de la capacidad de eliminación dada la naturaleza ácida de estos materiales obtenidos. Con el fin de contrarrestar el efecto ácido de estos materiales se han realizado los mismos ensayos añadiendo NaOH al lecho de reacción llegando a valores de x/M de hasta 450 mgg-1. Posteriormente también se han realizado ensayos de eliminación de NH3 con algunas de estas muestras, y los resultados obtenidos de x/M son del orden de carbones activados comerciales. Los materiales adsorbentes obtenidos tras la activación con hidróxidos alcalinos se convierten en materiales muy atractivos para ser utilizados como adsorbentes/ catalizadores de múltiples contaminantes (COVs, Hg...).

Acidity controls on dissolved organic carbon mobility in organic soils

Dissolved organic carbon (DOC) concentrations in surface waters have increased across much of Europe and North America, with implications for the terrestrial carbon balance, aquatic ecosystem functioning, water treatment costs and human health. Over the past decade, many hypotheses have been put forward to explain this phenomenon, from changing climate and land-management to eutrophication and acid deposition. Resolution of this debate has been hindered by a reliance on correlative analyses of time-series data, and a lack of robust experimental testing of proposed mechanisms. In a four-year, four-site replicated field experiment involving both acidifying and de-acidifying treatments, we tested the hypothesis that DOC leaching was previously suppressed by high levels of soil acidity in peat and organo-mineral soils, and therefore that observed DOC increases a consequence of decreasing soil acidity. We observed a consistent, positive relationship between DOC and acidity change at all sites. Responses were described by similar hyperbolic relationships between standardised changes in DOC and hydrogen ion concentrations at all sites, suggesting potentially general applicability. These relationships explained a substantial proportion of observed changes in peak DOC concentrations in nearby monitoring streams, and application to a UK-wide upland soil pH dataset suggests that recovery from acidification alone could have led to soil solution DOC increases in the range 46-126% by habitat type since 1978. Our findings raise the possibility that changing soil acidity may have wider impacts on ecosystem carbon balances. Decreasing sulphur deposition may be accelerating terrestrial carbon loss, and returning surface waters to a natural, high-DOC condition.

Nitrogen speciation and phosphorus fractionation dynamics in a lowland chalk catchment

A detailed analysis of temporal and spatial trends in nitrogen (N) speciation and phosphorus (P) fractionation in the Wylye, a lowland Chalk sub-catchment of the Hampshire Avon, UK is presented, identifying the sources contributing to nutrient enrichment, and temporal variability in the fractionation of nutrients in transit from headwaters to lower reaches of the river. Samples were collected weekly from ten monitoring stations with daily sampling at three further sites over one year, and monthly inorganic N and total reactive P (TRP) concentrations at three of the ten weekly monitoring stations over a ten year period are also presented. The data indicate significant daily and seasonal variation in nutrient fractionation in the water column, resulting from plant uptake of dissolved organic and inorganic nutrient fractions in the summer months, increased delivery of both N and P from diffuse sources in the autumn to winter period and during high flow events, and lack of dilution of point source discharges to the Wylye from septic tank, small package Sewage Treatment Works (STW) and urban Waste Water Treatment Works (WwTW) during the summer low flow period. Weekly data show that contributing source areas vary along the river with headwater N and P strongly influenced by diffuse inorganic N and particulate P fluxes, and SRP and organic-rich point source contributions from STW and WwTW having a greater influence in the lower reaches. Long-term data show a decrease in TRP concentrations at all three monitoring stations, with the most pronounced decrease occurring downstream from Warminster WwTW, following the introduction of P stripping at the works in 2001. Inorganic N demonstrates no statistically significant change over the ten year period of record in the rural headwaters, but an increase in the lower reaches downstream from the WwTW which may be due to urban expansion in the lower catchment.

On site flotation for recovering polluted aquatic systems: is it a feasible solution for a Brazilian urban river?

Pinheiros River (Brazil) plays a pivotal role in supplying water to Billings Reservoir, which presents multiple uses (human drinking, energy generation, irrigation, navigation, fishing and leisure) An intense monitoring program was performed during the years 2007 and 2008 to find out whether on site flotation is a feasible solution or not for improving the water quality of this urban river, attenuating the pollutants load caused by the water pumping to the reservoir (approximately 10 m(3)s(-1)) The monitoring of 18 variables (13,429 laboratorial analysis during the period of 490 days), suggested that despite the convenience of the on site approach for water treatment, especially for rivers located in fully urbanized areas, the flotation system is not enough itself to recover Pinheiros River water quality, given the several constraints that apply Total phosphorus removal was high in percentage terms (about 90%), although the remaining concentrations were not so low (mean of 0 05 mg L(-1)) The removal efficiency of some variables was insufficient, leading to high final mean concentrations of metals [e g aluminium (0 29 mg L(-1)), chromium (0 02 mg L(-1)) and iron (1 1 mg L(-1))] as well as nitrogen-ammonia (25 8 mg L(-1)) and total suspended solids (18 mg L(-1)) in the treated water