Avaliação da remoção de fármacos e de desreguladores endócrinos em águas de abastecimento por clarificação em escala de bancada

In this work, the efficiency of clarification treatment (coagulation, flocculation and sedimentation) with polyaluminum chloride (PAC) and aluminum sulfate (SA) as coagulants was evaluated in the removal of 7 microcontaminants (diclofenac - DCF, sulfamethoxazole - SMX, ethinylestradiol - EE2, bisphenol-A - BPA, estradiol - E2, estrone - E1 and estriol - E3) in water of low and high turbidity. The clarification treatment led to poor removal rates (40% at most) for all microcontaminants except SMX which exhibited intermediate removal efficiency (67 to 70%). Overall, PAC application yielded better performance compared to SA.

Juvan kunnan jätevedenpuhdistamon ympäristöasioiden parantaminen

Diplomityö on osa Mikkelin ammattikorkeakoulun YTI:ssä vuosina 2005 - 2008 toteutettua ”Yritysten ympäristöriskit” EU-osarahoitteista hanketta. Työn tarkoituksena oli tunnistaa, arvioida ja luokittaa Etelä-Savossa, Juvalla toimivan yhdyskuntajätevedenpuhdistamon ympäristöriskit sekä antaa neuvoja löytyneiden riskien hallintaan. Jätevedenpuhdistamon toiminnasta syntyvät mahdolliset ympäristöriskitekijät tunnistettiin kirjallisuusselvitysten sekä haastattelujen avulla. Riskien tunnistamisen jälkeen riskien kartoittamiseen, arviointiin ja luokittamiseen käytettiin osia eri riskianalyysimenetelmistä. Riskit jaettiin viiteen eri riskiluokkaan; vakavasta riskistä merkityksettömään riskiin. Juvan kunnan jätevedenpuhdistamolla esiintyi neljän pienimmän riskiluokan riskejä, ja vakavia riskejä ei kartoituksessa tullut esille lainkaan. Riskejä arvioitiin niin sanotuissa normaalioloissa. Merkittävin yksittäinen riskitekijä jätevedenpuhdistamolla oli haitallisen tai poikkeavan aineen kulkeutuminen jäteveden mukana puhdistamolle. Tämä voisi heikentää puhdistamon puhdistustulosta merkittävästi. Kun laitosta ajetaan ympäristöluvassa asetettujen vaatimusten mukaisesti ja alueella sijaitsevat teollisuuslaitokset noudattavat heille annettuja määräyksiä, ei Juvan jätevedenpuhdistamolta aiheudu merkittäviä päästöjä maa-perään tai pohjavesiin.

Biokaasun tuottaminen ja hyödyntäminen Lappeenrannassa

Lappeenrannassa kerätään ja hyödynnetään tällä hetkellä kaatopaikkakaasua 0,3 milj.m3 vuodessa. Biokaasua voitaisiin tuottaa Lappeenrannassa mädättämällä bioperäisiä jätteitä ja biokaasuntuotantoa varten kasvatettuja energiakasveja. Biokaasuntuotantoon soveltuvia jätteitä ovat erilliskerätty biojäte, jätevedenpuhdistamon jätevesiliete, puutarhajäte, lietelannat ja oljet. Kesannolla olevilla peltoaloilla voitaisiin kasvattaa ruokohelpeä. Biokaasun tuotantoon soveltuvia materiaaleja voitaisiin kerätä 143 000 t/a ja kasvattaa 68 000 t/a. Työssä tarkastellaan vaihtoehtoa, jossa mädätetään vain puhdistamoliete, sekä useita materiaaleja mädättävää yhteismädättämöä, johon liittyen tutkitaan kolmea eri vaihtoehtoa: kunnallisen jätteen mädätystä, kaiken jätteen mädätystä ja jätteen sekä energiakasvien mädätystä. Paras sijoituspaikka mädättämölle olisi jätevedenpuhdistamon läheisyydessä. Jätemateriaalista saataisiin kaasua enintään 12 milj. m3 ja energiakasveista enintään 16 milj. m3. Kaasusta voitaisiin tuottaa energiaa CHP-laitoksessa enintään 184 GWh. Mikäli biokaasun tuotannolla halutaan ensisijaisesti vähentää kasvi-huonekaasupäästöjä, kannattaa kaasu jalostaa ajoneuvopolttoaineeksi. Jalostettu kaasu on mahdollista myös syöttää maakaasuverkostoon. Suurimmat tulot on mahdollista saavuttaa yhdistetyssä sähkön- ja lämmöntuotannossa, mikäli biokaasulle suunniteltu syöttötariffi toteutuu. Muussa tapauksessa suurimmat tulot saadaan jalostamalla biokaasua ajoneuvojen polttoaineeksi.

Integration of the Food Waste Disposer Unit to the Existing Sewage System

Among the numerous approaches to food waste treatment, the food waste disposers method (FWDs), as a newcomer, has become slowly accepted by the general public owing to the worries about its impact on the existing sewage system. This paper aims to justify the role of FWDs in the process of urbanization in order to better prepare a city to take good care of the construction of its infrastructure and the solid waste treatment. Both the literatures and the case study help to confirm that FWDs has no negative effects on the wastewater treatment plant and it is also environmental friendly by reducing the greenhouse gas emissions. In the case study, the Lappeenranta waste water treatment plant has been selected in order to figure out the possible changes to a WWTP following the integration of FWDs: the observation shows only minor changes take place in a WWTP, in case of 25% application, like BOD up 7%, TSS up 6% and wastewater flowrate up 6%, an additional sludge production of 200 tons per year and the extra yield of methane up to 10000m3 per year; however, when the utilization rate of FWD is over 75%, BOD, TSS, and wastewater flowrate will experience more significant changes, thus exerting much pressure on the existing WWTP. FWDs can only be used in residential areas or cities equipped with consummate drainage network within the service sphere of WWTP, therefore, the relevant authority or government department should regulate the installation frequency of FWDs, while promoting the accessory application of FWDs. In the meanwhile, WWTP should improve their treatment process in order to expand their capacity for sludge treatment so as to stay in line with the future development of urban waste management.

Tarkastelumallin kehittäminen hulevesien hallinnalle ilmastonmuutosolosuhteissa Suomessa, Case Imatra

Tulevaisuudessa ilmastonmuutos ja kaupungistuminen vaikuttavat monin eri tavoin hulevesienhallintaan. Useiden ennusteiden mukaan rankkasateet lisääntyvät huomattavassa määrin seuraavien sadan vuoden aikana. Ilmastonmuutos yhdistettynä maankäytön tehostumiseen lisää rankkasateiden aiheuttamia tulvia. Hulevesien hallintaan liittyvät haasteet lisääntyvät tulevaisuudessa. Suomessa ylimääräisen haasteen tuovat talviolosuhteet, joiden merkitys onnistuneessa hulevesien hallinnan suunnittelussa on huomioitava. Ilmastonmuutoksen tuomiin haasteisiin vastaaminen edellyttää monien eri asiantuntijoiden, kuten maankäytönsuunnittelun, kaavoituksen, teknisen toimen ja pelastuslaitoksen yhteistyötä. Näiden ajatusten pohjalta diplomityössä kehitettiin toimintamalli ja -kaavio, joita voidaan hyödyntää kaupunkien ja kuntien hulevesien käsittelyn suunnittelussa. Toimintamalli kehittely pohjautuu osittain Hämeenlinnan hulevesistrategiaan. Diplomityössä selvitettiin myös kolmen erilaisen taajaman hulevesien hallintaa Imatran kaupungissa. Tarkastelussa selvitettiin kyseisten alueiden nykyinen hulevesien käsittely ja sen ongelmakohdat. Näiden pohjalta mietittiin kullekin valuma-alueelle sopiva luonnonmukainen käsittelymenetelmä. Työn yhtenä tavoitteena on luoda hulevesistrategia Imatralle.

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.

EDTA- and DTPA-functionalized silica gel and chitosan adsorbents for the removal of heavy metals from aqueous solutions

Adsorbents functionalized with chelating agents are effective in removal of heavy metals from aqueous solutions. Important properties of such adsorbents are high binding affinity as well as regenerability. In this study, aminopolycarboxylic acid, EDTA and DTPA, were immobilized on the surface of silica gel, chitosan, and their hybrid materials to achieve chelating adsorbents for heavy metals such as Co(II), Ni(II), Cd(II), and Pb(II). New knowledge about the adsorption properties of EDTA- and DTPA-functionalizedadsorbents was obtained. Experimental work showed the effectiveness, regenerability, and stability of the studied adsorbents. Both advantages and disadvantages of the adsorbents were evaluated. For example, the EDTA-functionalized chitosan-silica hybrid materials combined the benefits of the silica gel and chitosan while at the same time diminishing their observed drawbacks. Modeling of adsorption kinetics and isotherms is an important step in design process. Therefore, several kinetic and isotherm models were introduced and applied in this work. Important aspects such as effect of error function, data range, initial guess values, and linearization were discussed and investigated. The selection of the most suitable model was conducted by comparing the experimental and simulated data as well as evaluating the correspondence between the theory behind the model and properties of the adsorbent. In addition, modeling of two-component data was conducted using various extended isotherms. Modeling results for both one- and twocomponent systems supported each other. Finally, application testing of EDTA- and DTPA-functionalized adsorbents was conducted. The most important result was the applicability of DTPA-functionalized silica gel and chitosan in the capturing of Co(II) from its aqueous EDTA-chelate. Moreover, these adsorbents were efficient in various solution matrices. In addition, separation of Ni(II) from Co(II) and Ni(II) and Pb(II) from Co(II) and Cd(II) was observed in two- and multimetal systems. Lastly, prior to their analysis, EDTA- and DTPA-functionalized silica gels were successfully used to preconcentrate metal ions from both pure and salty waters

Ympäristöinvestoinnit sellu- ja paperiteollisuudessa – empiirinen tarkastelu

Tutkimuksen tavoitteena oli kuvailla ja analysoida sellu- ja paperiteollisuudessa tehtyjä ympäristöinvestointeja. Aineisto rajattiin koskemaan vuosia 2002–2010 ja maantieteellisesti tarkastelun kohteena oli koko maailma. Tutkimuksen teoria muodostui ympäristöä ja liiketoimintaa yhdistelevästä kirjallisuudesta sekä aiemmista tutkimuksista, joista merkittävimmäksi nousi Porterin hypoteesi hyvän ympäristöasioiden hoidon positiivisista vaikutuksista yrityksen kilpailukykyyn. Empiirinen aineisto koottiin RISI – tietokannasta ja sitä kuvattiin kuvioiden ja taulukoiden avulla aineiston sisältöä eritellen. Tutkimuksessa selvisi, että maantieteellisesti Eurooppa hallitsee sellu- ja paperiteollisuuden ympäristöinvestointeja. Myös Aasian merkitys on näkyvä. Ajallisen tarkastelun osalta vuosi 2008 nousi esiin ympäristöinvestointien huippuvuotena, kun taas vuonna 2009 ympäristöhankkeiden määrä supistui huomattavasti edellisvuoteen nähden. Lähes puolet tutkimuksen kohteena olevista investoinneista kohdistui jätevesien käsittelyyn. Myös energian käyttöön liittyvien investointien merkitys on voimistunut.

Biolietteen kuiva-ainepitoisuuden parantaminen elektro-kuivauksen avulla

Tässä työssä tutkittiin sähkön käyttömahdollisuuksia metsäteollisuuden jäteveden-puhdistamolla syntyvän biolietteen kuivauksessa. Lisäksi selvityksen kohteena olivat lietteen sähkökuivaukseen vaikuttavat tekijät. Työn kirjallisessa osassa perehdyttiin lietteiden syntyyn jätevedenpuhdistamolla sekä lietteiden ominaisuuksiin. Työssä tutustuttiin myös lietteiden käsittelyyn ja siinä käytettäviin tekniikoihin. Ennen työn kokeellista osaa esiteltiin sähkökuivauksen periaate sekä sähkökuivaukselle aiemmin tehtyjä tutkimuksia ja niistä saatuja kokemuksia. Myös tuotteistetut elektrokuivauksen sovellukset olivat osa työtä. Kokeellisessa osassa keskityttiin varsinaisiin sähkökuivauskokeisiin. Tutkimukset suoritettiin suodatuskokein, jotka toteutettiin imuun perustuvalla Büchner-suodattimella sekä painesuodattimella. Kokeissa tutkittiin tasavirran, virran pulssituksen ja vaihtovirran vaikutusta metsäteollisuuden primääri- ja biolietteeseen. Tasavirtatutkimuksissa sähkövirtaa johdettiin lietteeseen suodatuksen aikana, kun taas vaihtovirtaa testattaessa liete käsiteltiin ensin sähköllä ja suodatettiin erikseen. Suodatuskokeiden lisäksi tutkimuksissa tarkkailtiin lietteiden kuiva-ainepitoisuuksia, redox-potentiaalia, lämpötilaa, pH:ta ja sähkönjohtokykyä. Lietteitä tutkittiin myös tuhkapitoisuuden suhteen sekä suoritettiin solututkimuksia fluoresenssilukijan avulla. Työn laboratoriotutkimukset osoittivat sähkön vaikuttavan selkeästi biolietteen ve-denerotuskykyyn: sähkö nopeutti lietteen suodatusta parhaimmillaan yli 70 %. Säh-kökuivauksella lietteen kuiva-ainepitoisuudet pysyivät samoina, mutta suodatus nopeutui ja suodatusajat jopa puolittuivat. Myös lietteen sähkönjohtokyky kasvoi sähkökäsittelyn aikana, mikä viittasi veden vapautumiseen solujen sisältä. Lietteen kunto ja ominaisuudet, polymeeri, sekoitus sekä sähkökäsittelyn parametrit olivat tärkeässä asemassa sähkökuivauksen onnistumisen kannalta.

Talousveden tuotannon ja jakelun tietohuollon kehittäminen julkisomisteisessa vesilaitoksessa

Vesilaitokset kuluttavat merkittäviä määriä energiaa, johon on alettu kiinnittää huomiota viime vuosina. Energiatehokkuuden edistämisen hidasteeksi on noussut puutteellinen tietohuolto sekä vesilaitosten yhteisten tunnuslukujen ja kriteerien puuttuminen. Diplomityön tavoitteena on selvittää tietohuollon ongelmia Tampereen Vedellä. Työn tavoitteena on myös tutkia veden tuotannon ja jakelun energiatehokkaiden ohjaustapojen löytämistä tietohuollon ja tunnuslukujen avulla. Työssä käytetyt metodologiat ovat Tampereen Veden työntekijöiden haastattelut, prototyypin analysointi sekä vedenottamoiden ominaisenergiaan liittyvien mittauspisteiden läpikäynti. Diplomityön tuloksena saatiin laaja kuva Tampereen Veden tietohuoltoon liittyvistä ongelmista. Merkittävimmät tietohuollon haasteet liittyvät työntekijöihin, järjestelmiin sekä mittauspisteiden puuttumiseen. Mittauspisteet ja niiden tallentuminen ovat edellytys tunnuslukujen luomiselle. Tunnuslukuja voidaan hyödyntää energiatehokkaiden ohjaustapojen löytämiseksi, mutta vesilaitosten yhteiset kriteerit tunnusluvuille puuttuvat. Energiatehokkuustunnuslukuja on tarve tutkia lisää ja kehittää yhteistyötä vesilaitosten välillä tunnuslukujen luomiseksi sekä vertailutietojen saamiseksi.

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.

Energy-efficient control strategies for variable speed driven parallel pumping systems based on pump operation point monitoring with frequency converters

The pumping processes requiring wide range of flow are often equipped with parallelconnected centrifugal pumps. In parallel pumping systems, the use of variable speed control allows that the required output for the process can be delivered with a varying number of operated pump units and selected rotational speed references. However, the optimization of the parallel-connected rotational speed controlled pump units often requires adaptive modelling of both parallel pump characteristics and the surrounding system in varying operation conditions. The available information required for the system modelling in typical parallel pumping applications such as waste water treatment and various cooling and water delivery pumping tasks can be limited, and the lack of real-time operation point monitoring often sets limits for accurate energy efficiency optimization. Hence, alternatives for easily implementable control strategies which can be adopted with minimum system data are necessary. This doctoral thesis concentrates on the methods that allow the energy efficient use of variable speed controlled parallel pumps in system scenarios in which the parallel pump units consist of a centrifugal pump, an electric motor, and a frequency converter. Firstly, the suitable operation conditions for variable speed controlled parallel pumps are studied. Secondly, methods for determining the output of each parallel pump unit using characteristic curve-based operation point estimation with frequency converter are discussed. Thirdly, the implementation of the control strategy based on real-time pump operation point estimation and sub-optimization of each parallel pump unit is studied. The findings of the thesis support the idea that the energy efficiency of the pumping can be increased without the installation of new, more efficient components in the systems by simply adopting suitable control strategies. An easily implementable and adaptive control strategy for variable speed controlled parallel pumping systems can be created by utilizing the pump operation point estimation available in modern frequency converters. Hence, additional real-time flow metering, start-up measurements, and detailed system model are unnecessary, and the pumping task can be fulfilled by determining a speed reference for each parallel-pump unit which suggests the energy efficient operation of the pumping system.

Veden desinfiointi UV-LED-valolla

Veden riittämätön puhdistus aiheuttaa riskin veden käyttäjille. Miljoonia kuolemia vuosittain aiheuttavien vesiteitse leviävien sairauksien ehkäisemiseksi vaaditaan tehokkaita juomaveden desinfiointimenetelmiä. Kuivuuden ja väestönkasvun myötä veden tarve on lisääntynyt ja vedenkulutus tulee yhä kasvamaan. Tästä syystä mahdollisuus kierrättää vettä hyödyntäen sitä esimerkiksi kasteluun on saanut yhä enemmän huomiota. Kierrätettävä vesi on kuitenkin käsiteltävä huolellisesti sen sisältämän mikrobiologisen kontaminaatioriskin vuoksi. Ultraviolettisäteily luokitellaan fysikaaliseksi desinfiointimenetelmäksi. Sen tehokkuus perustuu mikro-organismien absorboimaan UV-säteilyyn, jonka aiheuttamien DNA:ssa tai RNA:ssa tapahtuvien muutoksien seurauksena mikro-organismi inaktivoituu ja estyy lisääntymästä. UV-desinfioinnissa on tyypillisesti käytetty elohopeahöyrylamppuja. Vaihtoehtoinen UV-säteilyn lähde ovat LEDit eli valoa emittoivat diodit. Matalapaine-elohopeahöyrylamppujen emittoima säteily on aallonpituudella 254 nm ja keskipaine-elohopeahöyrylamppujen emittoima säteily on laajakaistaista säteilyä. Energiatehokkuuden lisäksi LEDien etuna on, että niillä voidaan tuottaa kapeakaista säteilyä aallonpituudella, joka parhaiten absorboituu DNA:han. Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia, onko UVC-alueen aallonpituuksien yhdistelmillä synergistisiä etuja LEDien desinfiointitehokkuuteen, kun desinfioidaan virtaavaa vettä useilla säteilyannoksilla ja indikaattorimikrobina käytetään kolibakteeria. Tavoitteena oli myös tutkia tällä hetkellä saatavissa olevien LEDien desinfiointitehokkuutta energiatehokkuuden näkökulmasta. Yksittäisistä aallonpituuksista desinfiointitehokkuudeltaan parhaimmaksi osoittautui 260 nm, aallonpituuksien yhdistelmistä tehokkain oli 265 nm:n ja 260 nm:n yhdistelmä. Muilla aallonpituuksien yhdistelmillä ei saavutettu odotettua parempaa desinfiointitehokkuutta. Optiselta teholtaan parhaimmat LEDit, 265 nm, 270 nm ja 275 nm olivat kokeiden perusteella myös energiatehokkuuden kannalta tarkasteltuina parhaimmat sekä yksittäin että yhdistelminä. UVC-aallonpituuksia emittoivien LEDien optisen tehokkuuden paraneminen on edellytys LEDien hyödyntämiselle desinfioinnissa.