Fouling, prevention of fouling, and clearing in filtration

In this thesis fouling of conventional filter fabrics and membranes was studied. In the beginning of the thesis fouling and how it can be measured and predicted is reviewed. Information on different methods on how fouling canbe decreased or cleaned away is also given. The experimental part is divided into two sections; fabric filtration and membrane filtration. Fouling of the filter fabrics was studied with silica or cupper slurries and fouling of the membranes was studied with pulp and paper mill waters. The fouled filter materials were characterised according to many different methods. The most useful way to observe fouling is to measure the changes in the permeate flux. Fouling can also be seen visually e.g. with scanning electron microscopy. Consequently, also the reason for the fouling in question might be found. Different filtration characteristics affect fouling e.g. as the filtration pressure was increased it did not have much influence on the permeate flux, but the pressure caused the membrane to get fouled faster. Also, an increase of shear rate on the membrane surface decreased fouling. Different pretreatment methods for the effluent were tested in membrane filtration to decrease fouling. The tested methods; biological treatment, ozonation, enzymatic treatment and flocculation, did not have a clear influence on the fouling of the membrane, but e.g. a biological treatment combined with ultrafiltration made the tested groundwood mill circulation water purer than ultrafiltration alone.

Jätevedenpuhdistamon toiminnan optimointi

Schauman Wood Oy Pelloksen tehtaat on Euroopan suurin havuvanerin valmistaja. Tehtailla tukkien haudonnassa ja kuorien kuivaamisessa syntyvät jätevedet sekä sosiaalijätevedet puhdistetaan omassa biologisessa puhdistamossa. Puhdistamo rakennettiin alun perin aktiivilietelaitokseksi ja muutettiin kuormituksen kasvaessa vuonna 2002 kantoaineprosessiksi. Puhdistamolle laskettiin ensin optimaalinen kuormitus, jonka perusteella kuormitusta ryhdyttiin nostamaan. Tavoitteena oli saavuttaa virtaaman nostolla ja ajomallien muutoksilla tilavuuskuorma 1-3 kgBOD/m3•d. Kun tulovirtaamaa oli saatu nostettua riittävästi, tehtiin laskeutuskokeita laskeutuskemikaalin optimimäärän selvittämiseksi. Koeajojakson lopuksi pidettiin kolmen viikon tehotarkkailujakso, jolloin kokeiltiin puhdistamon ajoa erilaisilla kemikaalimäärillä. Näin saatiin selville tasemielessä tietyn puumäärän aiheuttama kuormitus puhdistamolle. Jätevedenpuhdistamon tulovirtaama saatiin nostettua tasolle 300- 350 m³/d, jolloin tilaavuuskuormaksi tuli 1,68 kgBOD/m3•d. Kolmen viikon tehotarkkailujakson aikana saatiin selvitettyä optimikemikaaliannostus sekä laskettua kolmesta eri vaihtoehdosta taloudellisesti kannattavin ajomalli. Puhdistusreduktioiden, puhdistamon toimivuuden ja taloudellisuuden kannalta paras vaihtoehto oli laskeutuskemikaalin ja polymeerin yhteiskäyttö.

Retentiojärjestelmän optimointi kartonkikoneella

Diplomityössä tutkittiin kartonkikoneen retentiojärjestelmää ja eri mahdollisuuksia retention ja vedenpoiston tehostamiseen. Tavoitteena oli parantaa etenkin runkokerroksen retentiota ja vedenpoistoa. Työssä testattiin kilpailevan kemikaalitoimittajan mikropartikkelia kartonkikoneella. Lisäksi runkokerroksessa testattiin retentiotärkkelyksen vaikutus kartongin palstaumislujuuteen, suoritettiin käytössä olevan mikropartikkelin annostuksen optimointi sekä testattiin alunan käyttöä retentioainesysteemin tehoaineena. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin pinta- ja kolloidikemian perusteita, retentioainejärjestelmiä ja niissä käytettäviä kemikaaleja sekä retentioaineilla tehtävään flokkaukseen vaikuttavia tekijöitä. Laboratoriokokeilla tutkittiin kokeellisessa osassa eri mikropartikkelijärjestelmien toimivuutta kartonkikoneen eri kerroksien massoilla. Toimivimmaksi osoittautuneella mikropartikkelilla suoritettiin pilot-koeajo runkokerroksen massalla. Lisäksi suoritettiin toinen pilot-koeajo, jossa tutkittiin mikropartikkelin vaikutuksia saostuman aiheuttajana. Pilot-koeajoissa saavutettiin samat retentiotasot kuin referenssisysteemillä lähes puolet pienemmällä kemikaalin kulutuksella. Kartongin laatuominaisuuksista huokoisuus, formaatio ja AKD-liiman retentio muuttuivat viiraretention mukaan. Saostumakoeajossa ei todettu retentioaineen vaikuttavan saostumien syntyyn. Täyden mittakaavan koeajossa tarkoituksena oli testata kilpailevan mikropartikkelin toimivuus kartonkikoneella. Koeajossa etsittiin optimaalinen mikropartikkelin annostus eri kerroksiin. Pintakerroksen tuhkaretentio nousi hiukan ja vedenpoisto parani. Runko- ja taustakerroksessa saavutettiin samat retentiotasot sekä vedenpoistot. Samat retentiotasot saavutettiin n. 25 % pienemmällä mikropartikkelin kulutuksella. Kartongin laatuominaisuuksista seurattiin palstautumislujuutta, formaatiota ja AKD-liiman retentoitumista. Kartongin palstautumislujuus heikkeni. Vastaavasti runko- ja taustakerroksen AKD-liiman retentio oli hiukan korkeampi koeajetulla mikropartikkelilla. Formaatiossa ei tapahtunut merkittäviä muutoksia. Jatkokokeet tehtiin kartonkikoneen runkokerroksessa. Kokeissa todettiin retentiotärkkelyksen vaikuttavan kartongin palstautumislujuuteen. Käytössä olevan mikropartikkelin annostelun optimointikokeissa ei saavutettu parannusta retentioon eikä vedenpoistoon. Mikropartikkelilla saavutetaan tietty retentiotaso, jonka jälkeen sillä ei ole enää vaikutusta retentiotasoon. Alunan annostelukokeissa ei alle yksi kg/t annosmäärällä ole vaikutusta retentioon ja vedenpoistoon.

Flokkulaation seuraaminen partikkelikokoanalysaattorilla

Tässä työssä tutkittiin kahden erilaisen partikkelikokoanalysaattorin, PSyA:n ja PIA:n soveltuvuutta flokkuloinnin online-seurantaan. Kummallekin menetelmälle määritettiin raja-arvot, kuten lietteen maksimisakeus. Lisäksi tutkittiin flokkulanttiannostuksen, sekoitusnopeuden, sekoitusajan ja lietteen kiintoainepitoisuuden vaikutusta flokkikokojakaumaan. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin kolloidisen suspension ominaispiirteitä, koaguloinnin ja flokkuloinnin teoriaa, flokkulaation kokeellista tutkimista sekä prosessin jatkuvatoimiseen seurantaan soveltuvia laitteita. Lisäksi esitettiin taustaa hydrometallurgisesta prosessista, johon työ liittyy. Flokkauskokeissa käytettiin jätevettä, jonka koostumus vastasi metalliteollisuuden peittausjätevesien tyypillistä koostumusta. Tutkittava jätevesimäärä käsiteltiin ensin kalkkimaidolla, jonka jälkeen saostunut kiintoaine flokattiin synteettisellä polymeeriflokkulantilla. Lietteen keskimääräinen kiintoainepitoisuus oli n. 10 g/l. Esikokeiden perusteella PSyA:lla voitiin mitata ilman laimennusta, mutta PIA:lla tuloksia ei saatu ilman laimentamista kiintoainepitoisuuteen n. 2,5 g/l. Kokeiden aikana havaittiin, että flokit muodostuivat erittäin nopeasti. Flokkien hajoaminen alkoi pian sen jälkeen, kun flokkulantin annostelu lopetettiin. Sekoitusnopeudella 40 r/min tai alle flokit alkoivat laskeutua astian pohjalle sekoituksesta huolimatta ja ne pysyivät pitempään koossa kuin suuremmilla sekoitusnopeuksilla. 5 - 10 minuutin kuluttua flokkulantin lisäämisestä saavutettiin tasapaino, jolloin flokkien kokojakauma ei enää muuttunut. Sekoitusnopeuksilla 80 r/min ja 120 r/min tasapainotilanteen koko-jakauma oli selvästi kapeampi kuin pienimmällä sekoitusnopeudella. Alkuperäisessä lietteessä flokit olivat suurempia kuin laimennetussa lietteessä. PSyA:lla jännepituusjakaumien määrittäminen oli varsin hidasta prosessissa tapahtuviin muutoksiin verrattuna, ja tuloksissa oli suurta hajontaa. PIA:lla saadut partikkelikokojakaumat sitä vastoin olivat johdonmukaisempia, vaikka suurimpien flokkien määrittäminen osoittautuikin epämääräiseksi. Menetelmän suurimmaksi puutteeksi todettiin soveltumattomuus sakeiden lietteiden analysointiin. Kumpikaan menetelmä ei ilman modifiointia sovellu tutkitun lietteen kaltaisten prosessilietteiden flokkuloinnin seurantaan.

Huulisuihkun homogeenisuuden vaikutus paperin rakenneominaisuuksiin

Työssä verrattiin perälaatikoilla 1 ja 2 valmistettujen papereiden rakenteellisia ominaisuuksia. Paperin rakenteessa formaatio oli tärkein ominaisuus ja sen jälkeen kuituorientaatio. Näytteiden valintaperusteena pidettiin sitä, että vertailtavilla näytteillä formaatio (pohja) oli paras kyseisellä perälaatikolla ja vetolujuussuhteet olivat samoja. Toinen valintatapa oli verrata samoissa virtausolosuhteissa valmistettuja papereita keskenään. Näytteiden formaatio mitattiin betaradiografialla. Fosforikuvalevystä skannattu kuva analysoitiin kuva-analyysillä. Mittauksen etuna oli suuri erottelukyky, joka mahdollisti monipuolisen tunnuslukujen laskennan. Näistä esimerkkeinä olivat keskihajonta, vinous ja huipukkuus. Lisäksi määritettiin flokkikokojakaumat sekä kone- että poikkisuuntaan. Kuituorientaation määrityksessä paperinäyte revittiin kerroksiin, kerrokset skannattiin ja kuvat analysoitiin kuvankäsittelyohjelmilla. Juova- ja kuituorientaatioanalyysissä määritettiin orientaatiokulma, max/min-arvo ja anisotropia. Virtaviiva-analyysin tunnusluku oli pyörrekoko. Käytettäessä tunnuslukuna variaatiokerrointa formaatio oli parempi perälaatikolla 1 ali- ja yliperällä. Tasaperän läheisyydessä formaatio oli huonompi. Keskihajonta oli pienempi perälaatikolla 1, mutta erot perälaatikoiden välillä tasaantuivat lähellä tasaperää. Flokkikoko oli koko s/v-alueella hieman suurempi perälaatikolla 1. Virtaviiva-analyysin avulla saatiin selville, että perälaatikolla 1 valmistettujen papereiden paikallinen orientaatiovaihtelu ja pintojen toispuoleisuus oli lievempää kuin perälaatikolla 2.

Eletrólise de resíduos poluidores: I - Efluente de uma indústria liofilizadora de condimentos

Wastewater from a seasoning freeze-drying industry was electrolysed to increase its biodegradability. Stainless-steel electrodes were used at 9.09 A/m², for up to 80 min. Conductivity, pH, biochemical (BOD) and chemical (COD) oxygen demands, Daphnia similis acute toxicity bioassays, and bacteria counting through the plate count agar method were determined after different times of electrolysis. The results (e.g. higher BOD and lower COD) showed that the biodegradability of the wastewater was significantly increased; furthermore, Fe2+ ions liberated by the electrodes cause microorganisms to die and, when oxidised to Fe3+, contribute for the flocculation and sedimentation of solid residues.

New methods for the concentration of viruses from urban sewage using quantitative PCR.

Viruses are among the most important pathogens present in water contaminated with feces or urine and represent a serious risk to human health. Four procedures for concentrating viruses from sewage have been compared in this work, three of which were developed in the present study. Viruses were quantified using PCR techniques. According to statistical analysis and the sensitivity to detect human adenoviruses (HAdV), JC polyomaviruses (JCPyV) and noroviruses genogroup II (NoV GGII): (i) a new procedure (elution and skimmed-milk flocculation procedure (ESMP)) based on the elution of the viruses with glycine-alkaline buffer followed by organic flocculation with skimmed-milk was found to be the most efficient method when compared to (ii) ultrafiltration and glycine-alkaline elution, (iii) a lyophilization-based method and (iv) ultracentrifugation and glycine-alkaline elution. Through the analysis of replicate sewage samples, ESMP showed reproducible results with a coefficient of variation (CV) of 16% for HAdV, 12% for JCPyV and 17% for NoV GGII. Using spiked samples, the viral recoveries were estimated at 30-95% for HAdV, 55-90% for JCPyV and 45-50% for NoV GGII. ESMP was validated in a field study using twelve 24-h composite sewage samples collected in an urban sewage treatment plant in the North of Spain that reported 100% positive samples with mean values of HAdV, JCPyV and NoV GGII similar to those observed in other studies. Although all of the methods compared in this work yield consistently high values of virus detection and recovery in urban sewage, some require expensive laboratory equipment. ESMP is an effective low-cost procedure which allows a large number of samples to be processed simultaneously and is easily standardizable for its performance in a routine laboratory working in water monitoring. Moreover, in the present study, a CV was applied and proposed as a parameter to evaluate and compare the methods for detecting viruses in sewage samples.

New methods for the concentration of viruses from urban sewage using quantitative PCR.

Viruses are among the most important pathogens present in water contaminated with feces or urine and represent a serious risk to human health. Four procedures for concentrating viruses from sewage have been compared in this work, three of which were developed in the present study. Viruses were quantified using PCR techniques. According to statistical analysis and the sensitivity to detect human adenoviruses (HAdV), JC polyomaviruses (JCPyV) and noroviruses genogroup II (NoV GGII): (i) a new procedure (elution and skimmed-milk flocculation procedure (ESMP)) based on the elution of the viruses with glycine-alkaline buffer followed by organic flocculation with skimmed-milk was found to be the most efficient method when compared to (ii) ultrafiltration and glycine-alkaline elution, (iii) a lyophilization-based method and (iv) ultracentrifugation and glycine-alkaline elution. Through the analysis of replicate sewage samples, ESMP showed reproducible results with a coefficient of variation (CV) of 16% for HAdV, 12% for JCPyV and 17% for NoV GGII. Using spiked samples, the viral recoveries were estimated at 30-95% for HAdV, 55-90% for JCPyV and 45-50% for NoV GGII. ESMP was validated in a field study using twelve 24-h composite sewage samples collected in an urban sewage treatment plant in the North of Spain that reported 100% positive samples with mean values of HAdV, JCPyV and NoV GGII similar to those observed in other studies. Although all of the methods compared in this work yield consistently high values of virus detection and recovery in urban sewage, some require expensive laboratory equipment. ESMP is an effective low-cost procedure which allows a large number of samples to be processed simultaneously and is easily standardizable for its performance in a routine laboratory working in water monitoring. Moreover, in the present study, a CV was applied and proposed as a parameter to evaluate and compare the methods for detecting viruses in sewage samples.

Production of fungal protein by solid substrate fermentation of cactus Cereus peruvianus and Opuntia ficus indica

Agricultural wastes from cactus Cereus peruvianus and Opuntia ficus indica were investigated for protein production by solid substrate fermentation. Firstly, the polyelectrolytes were extracted and used in water cleaning as auxiliary of flocculation and coagulation. The remaining fibrous material and peels were used as substrate for fermentation with Aspergillus niger. Glucoamylase and cellulase were the main enzymes produced. Amino acids were determined by HPLC and protein by Lowry's method. After 120 hours of fermentation the protein increased by 12.8%. Aspartic acid (1.27%), threonine (0.97%), glutamic acid (0.88%), valine (0.70%), serine (0.68%), arginine (0.82%), and phenylalanine (0.51%) were the principal amino acids produced.

Redução de poluentes de efluentes das indústrias de papel e celulose pela floculação/coagulação e degradação fotoquímica

The abatement of recalcitrant lignin macromolecules from effluents of pulp and paper industry was investigated by combined process. Flocculation and coagulation with aluminum sulfate and natural polyelectrolytes extracted from cactus Cereus peruvianus were used in the first step. After separation of solid residues by filtration, the photochemical methods using TiO2 as catalyst were employed for photocatalytic degradation of lignin compounds from solution. The abatement of lignin compounds after flocculation and coagulation was 46%, and after the overall process, the pollutants reduction observed were 66%. The remaining organic compounds may be removed by any biological treatment.

Influência do pH sobre a estabilidade de suspensões de alumina estabilizadas eletroestericamente

In this work, aqueous suspensions of aluminas with different particle sizes were evaluated. The effect of pH on the electrosteric stabilization using PMAA-NH4 (ammonium polymethacrylate) as deflocculant was studied. The amount of deflocculant was optimized and rheologic properties were determined at four different pH values. Sedimentation was also evaluated. For suspensions with pH 4, an electrostatic mechanism of stabilization was observed, probably due to a flat adsorption of PMMA- on the alumina surface, leading to a small efficiency in relation to steric stabilization. For a suspension with pH 12, the steric mechanism of stabilization prevails. Suspensions with pH 7 and 9 present a higher flocculation degree. In relation to particle size, A-1000 samples present a smaller particle size, leading to a smaller interparticle distance (IPS), making stabilization more difficult.

Quantificação de dextranas em açúcares e em cachaças

Solid dextrans are thermally stable polysaccharides losing water only at 160ºC. According to IR, X-ray, DTA and DSC data no noticeable changes in dextran configuration occurs at this temperature. The total content of dextrans analyzed in 26 samples of Brazilian sugars and 57 samples of sweetened cachaças ranged from 109.5 to 1840 mg/kg and 1.6 to 11.2 mg/L with medians of 999.8 mg/kg and 5.9 mg/L respectively. Samples of sweeted cachaças have been monitored for turbidity, total soluble dextran content and weight of precipitate formed during 275 days. Precipitate formation is a kinetically controlled process which ends after 275 days when the total concentration of soluble dextrans becomes smaller than 0.25 mg/L.

Caracterização de argilas bentonitas e diatomitas e sua aplicação como adsorventes

Five samples of natural clays denominated: diatomite, CN-20, CN-29, CN-40 and CN-45 from Aliança Latina LTDA were characterized by differents supplementary techniques such as: XRD, chemical analysis, adsorption N2 measurements, infrared spectroscopy analysis, thermogravimetric analysis. Clays were tested in adsorption of blue methylene. All of isotherms adjust in a model of physics adsorption with formation of multilayers, however in the case of diatomite was a favorable adsorption (type II) and the CNs were a not favorable adsorption (type III). In the case of CNs had flocculation of clay in high concentration of coloring.

Estudo da influência dos particulados no fenômeno de agregação dos asfaltenos por espectrometria de varredura óptica

The processing of national petroleums causes many operational problems due to the asphaltene aggregation phenomena. To evaluate the behavior of these phenomena, a study based on optical scan technique was carried out to understand the behavior of pure oils and their mixtures. The evaluation according to criteria established by ASTM D7061-06¹ gives a result of asphaltene flocculation of according to the separability number. In this study, the aspects related to the existence of colloidal forms of peptized asphaltenes in distinct solvents present in petroleums can cause changes in the kinetics of asphaltene flocculation.

Floculação de Chlorella sp. produzida em concentrado de dessalinização e estudo de método de extração de lipídeos intracelulares

Chlorella sp. was used to assess algal lipid production with concentrated desalination. In order to investigate the action of the flocculating agent calcium chloride and pH, a Box-Behnken Design and a Central Composite Design (CCD) were carried out. Also, Soxhlet and Supercritical Fluid Extraction (SFE), with and without sonication lipid extraction methods, were examined. The optimal flocculation conditions were pH 10.0 and 2.0 g/L of calcium chloride concentration. The highest lipid content of Chlorella sp. was obtained using the Soxhlet extraction method. The most abundant fatty acid extracted by Soxhlet and SFE, with and without sonication, was palmitic acid, whose proportions were 57.4%, 35.3% and 25.5%, respectively.