Eliminació autotròfica de nitrogen en una pila biològica (microbial fuel cells )

L’aigua i l’energia formen un binomi indissociable. En relació al cicle de l’aigua, des de fa varies dècades s’han desenvolupat diferents formes per recuperar part de l’energia relacionada amb l’aigua, per exemple a partir de centrals hidroelèctriques. No obstant, l’ús d’aquesta aigua també porta associat un gran consum energètic, relacionat sobretot amb el transport, la distribució, la depuració, etc... La depuració d’aigües residuals porta associada una elevada demanda energètica (Obis et al.,2009). En termes energètics, tot i que la despesa elèctrica d’una EDAR varia en funció de diferents paràmetres com la configuració i la capacitat de la planta, la càrrega a tractar, etc... es podria considerar que el rati mig seria d’ aproximadament 0.5 KWh•m-3.Els principals costos d’explotació estan relacionats tant amb la gestió de fangs (28%) com amb el consum elèctric (25%) (50% tractament biològic). Tot i que moltes investigacions relacionades amb el tractament d’aigua residual estan encaminades en disminuir els costos d’operació, des de fa poques dècades s’està investigant la viabilitat de que l’aigua residual fins i tot sigui una font d’energia, canviant la perspectiva, i començant a veure l’aigua residual no com a una problemàtica sinó com a un recurs. Concretament s’estima que l’aigua domèstica conté 9.3 vegades més energia que la necessària per el seu tractament mitjançant processos aerobis (Shizas et al., 2004). Un dels processos més desenvolupats relacionats amb el tractament d’aigües residuals i la producció energètica és la digestió anaeròbia. No obstant, aquesta tecnologia permet el tractament d’altes càrregues de matèria orgànica generant un efluent ric en nitrogen que s’haurà de tractar amb altres tecnologies. Per altre banda, recentment s’està investigant una nova tecnologia relacionada amb el tractament d’aigües residuals i la producció energètica: les piles biològiques (microbial fuel cells, MFC). Aquesta tecnologia permet obtenir directament energia elèctrica a partir de la degradació de substrats biodegradables (Rabaey et al., 2005). Les piles biològiques, més conegudes com a Microbial Fuel Cells (acrònim en anglès, MFC), són una emergent tecnologia que està centrant moltes mirades en el camp de l’ investigació, i que es basa en la producció d’energia elèctrica a partir de substrats biodegradables presents en l’aigua residual (Logan., 2008). Els fonaments de les piles biològiques és molt semblant al funcionament d’una pila Daniell, en la qual es separa en dos compartiments la reacció d’oxidació (compartiment anòdic) i la de reducció (compartiment catòdic) amb l’objectiu de generar un determinat corrent elèctric. En aquest estudi, bàsicament es mostra la posada en marxa d'una pila biològica per a l'eliminació de matèria orgànica i nitrogen de les aigües residuals.

Estudi per a la construcció de l'EDAR mitjançant filtres verds de la Nou de Gaià (Tarragonès)

El tractament de les aigües en nuclis menors de 2000 habitants es troba pendent de completar per part de l’Agència Catalana de l’Aigua més concretament al corresponent Pla de Sanejament d’Aigües Residuals Urbanes (PSARU). El nucli de La Nou de Gaià (al Tarragonès) es troba pendent de la construcció de la corresponent instal·lació de sanejament, projectada al 2007. Alternativament a les depuradores tradicionals basades en l’ús de formigó (o materials alternatius) i en la despesa elèctrica per assegurar una aeració i una evacuació dels fangs generats, existeixen tecnologies “toves”. Aquestes tecnologies, també conegudes com a “verdes”, es basen en imitar els sistemes naturals maximitzant el seu potencial d’autodepuració. A grans trets existeixen dos formes de depurar les aigües de forma ecològica”: llacunatges (existeix una capa d’aigua lliure) i filtres verds. El present estudi es basa en l’aplicació de filtres verds de morfologia vertical i flux subsuperficial, plantat amb canyes dels generes Scirpus o Phragmites. El resultat han estat 4 bases de 35*35 per a tractar un cabal de 150 m3/d i una població equivalent de 1272.

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.

Jätevesilaitosten mallinnus

TäTässä työssä tarkastellaan jäteveden biologiseen puhdistukseen käytettävän aktiiviliete-prosessin kuvaamista matemaattisen mallintamisen avulla. Jäteveden puhdistus on jo vanha keksintö ja aktiivilieteprosessikin on otettu ensimmäisen kerran pilot- käyttöön vuonna 1914. Myös jätevesilaitosten matemaattinen mallintaminen on ollut pitkään tunnettu tekniikka ja ensimmäiset dynaamiset mallit kehitettiin 1950–luvulla. Työn alkuosassa on tarkasteltu jätevesilaitosten matemaattista mallintamista kirjallisuus-lähteiden pohjalta. Tarkastelun painopiste on suunnattu erilaisiin matemaattisiin malleihin ja mallintamisen kehitykseen. Mallintamisen ohessa on kiinnitetty huomiota aktiiviliete-prosessiin ja siihen vaikuttaviin tekijöihin. Mallintamiseen vaikuttavista tekijöistä erityistä huomiota on kiinnitetty ilmastukseen, bakteerien kasvuun ja selkeytykseen sekä niiden vaikutuksiin prosessin kannalta. Matemaattisen mallintamisen tarkastelun jälkeen työssä on pohdittu CFD–mallintamisen hyödyntämismahdollisuuksia aktiivilieteprosessien kuvaamisessa. Mallintamisosiossa on tarkasteltu Activated Sludge Model No. 3 (ASM 3) mallin rakennetta ja sisältöä sekä sen eri tekijöiden vaikutuksia malliin. Työn tässä osassa on tarkasteltu myös hapensiirtoa ilmastuksessa ilmakuplista veteen ja selkeytystä osana aktiivilieteprosessia. Tässä osiossa on käyty läpi myös kaikki prosessin kannalta oleelliset yhtälöt, esimerkiksi reaktionopeus- ja massataseyhtälöt.

Lietteenkäsittelyn toimintaan vaikuttavien muutosten hallinta

Object of the Master’s thesis was to obtain clarification to problems related to sludge treatment at the waste water treatment plant at Stora Enso Varkaus Mill. From time to time these problems have caused emissions to exceed given limits. Case was studied by examining existing data, fiber length fractions and experimental methods. Changes at the Mill have reduced total solids emissions. At the same time the requirement for tertiary treatment has grown. Treatment of tertiary sludge is hard. In the future emission limits shall tighten and the urge for tertiary treatment will grow. The significance of thesis’s results may have a great impact to Stora Enso Varkaus Mill in the future. The results give valuable information to follow-up research and guidelines to sludge treatment. The results encourage observing researched matters at longer period of time. Future recommendations emphasize the meaning of maintenance and systematic, appropriate experiments.

Laitepuhdistamon ylijäämäliete ja sen kuiva-ainepitoisuuden nostaminen

Työssä tutkittiin pienpuhdistamon ylijäämälietteen ominaisuuksia ja käyttäytymistä pienpuhdistamon ylijäämälietteen tiivistys- tai kuivausmenetelmän kehittämisen teoriapohjaksi. Työ sisältää myös lietteiden tiivistysmenetelmien kustannustarkastelua. Kokeellisessa osuudessa käytettiin työn teettäjän Oy KWH Pipe Ab:n valmistamien pienpuhdistamojen ylijäämälietettä. Tutkittava ylijäämäliete oli peräisin asukasvastineluvultaan 5–95 pienistä aktiivilietelaitepuhdistamoista. Tiivistys- tai kuivausmenetelmän kehittämisen tarkoituksena on saavuttaa kustannussäästöjä pienpuhdistamon ylijäämälietteen kuljetusmatkojen vähentämisen kautta. Soveltuvia vertailtavia sovelluksia ovat staattiseen laskeuttamiseen perustuvat menetelmät, mekaaniset ruuvi- ja linkokuivaimet, kuivauslava ja flotaatio. Tarkasteltavien menetelmien tuli olla käytöltä ja huollolta sekä käyttökuluiltaan edullisia ja yksinkertaisia. Ylijäämälietteiden ominaisuuksia ja käyttäytymistä tutkittiin kirjallisuuslähteistä ja käytännön kokein. Kokeissa tarkasteltiin ylijäämälietteen laskeutumis- ja nousuominaisuuksia, redox-potentiaalin vaihtelua seisovassa näytteessä ja flotaation onnistumista testattavalle lietteelle. Kokeet tehtiin kullakin kerralla eri ajankohtana otetuille lietenäytteille, käytettyjä puhdistamoja oli useita ja mitoitus, kuormitus sekä jäteveden laatu vaihteli paljon.

Estudi per a la construcció de l'EDAR mitjançant filtres verds de la Nou de Gaià (Tarragonès)

El tractament de les aigües en nuclis menors de 2000 habitants es troba pendent de completar per part de l’Agència Catalana de l’Aigua més concretament al corresponent Pla de Sanejament d’Aigües Residuals Urbanes (PSARU). El nucli de La Nou de Gaià (al Tarragonès) es troba pendent de la construcció de la corresponent instal·lació de sanejament, projectada al 2007. Alternativament a les depuradores tradicionals basades en l’ús de formigó (o materials alternatius) i en la despesa elèctrica per assegurar una aeració i una evacuació dels fangs generats, existeixen tecnologies “toves”. Aquestes tecnologies, també conegudes com a “verdes”, es basen en imitar els sistemes naturals maximitzant el seu potencial d’autodepuració. A grans trets existeixen dos formes de depurar les aigües de forma ecològica”: llacunatges (existeix una capa d’aigua lliure) i filtres verds. El present estudi es basa en l’aplicació de filtres verds de morfologia vertical i flux subsuperficial, plantat amb canyes dels generes Scirpus o Phragmites. El resultat han estat 4 bases de 35*35 per a tractar un cabal de 150 m3/d i una població equivalent de 1272.

Biokaasulaitoksen rejektivesien vaikutus jätevedenpuhdistamon toimintaan ja rejektivesien esikäsittelyn tarpeellisuus

Diplomityön tavoitteena oli tutkia biokaasulaitoksen rejektivesien ominaisuuksiin vaikuttavia tekijöitä ja rejektiveden esikäsittelyn tarpeellisuutta. Lisäksi tavoitteena oli tarkastella Kouvolaan suunnitteilla olevan Kymen Bioenergia Oy:n biokaasulaitoksen rejektivesien vaikutusta Kouvolan Veden Mäkikylän jätevedenpuhdistamolla. Biokaasulaitoksen rejektivedet ovat yhdyskuntajätevesiin verrattuna selvästi konsentroituneempia. Jätevedenpuhdistamoilla erityisesti rejektiveden korkea typpipitoisuus aiheuttaa lisäkuormitusta. Suomessa toiminnassa oleville biokaasulaitoksille tehdyn kyselytutkimuksen tulosten perusteella rejektiveden typpipitoisuuteen vaikuttaa syötteen typpipitoisuus sekä mädätysjäännöksen kuivauksen tehokkuus. Rejektiveden kiintoainepitoisuudella on puolestaan vaikutusta biologiseen hapenkulutukseen ja välillisesti myös rejektiveden kemialliseen hapenkulutukseen. Rejektivesien jätevedenpuhdistamoilla aiheuttamaa kuormitusta on mahdollista vähentää esikäsittelemällä rejektivedet joko biologisella tai fysikaalis-kemiallisella puhdistusmenetelmällä. Kyselytutkimus kuitenkin osoitti, että rejektivesien esikäsittelyssä ei aina päästä puhdistustavoitteeseen. Jätevedenkäsittelyn sijaan rejektivesiä on mahdollista käyttää lannoitteena, mikäli biokaasulaitoksen syöte ei sisällä jätevedenpuhdistamon lietteitä. Myös Kouvolan Veden Mäkikylän puhdistamolla biokaasulaitoksen rejektivedet tulevat lisäämään merkittävästi tulovirtaaman typpikuormaa. Typpikuorman lisäys edellyttää ilmastusaltaassa ilmastuksen tehostamista sekä kalkin syöttömäärän lisäämistä, jotta jäteveden happipitoisuus ja pH pysyvät typenpoistoreaktioille suotuisina. Lisäksi tulovirtaamasta puolet tullaan ohjaamaan esiselkeyttimen ohi, jotta ilmastusaltaassa on orgaanista ainetta typenpoistoon riittävästi. Mäkikylän puhdistamon typenpoistokapasiteettia on mahdollista kasvattaa lisähiilen syötöllä. Mikäli biokaasulaitoksen kapasiteettilisäyksen jälkeen rejektivesien typpikuoma ylittää lisähiilellä saavutetun lisäkapasiteetin, on rejektivedet esikäsiteltävä.

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.

Towards novel biogas upgrading processes

Biogas production has considerable development possibilities not only in Finland but all over the world since it is the easiest way of creating value out of various waste fractions and represents an alternative source of renewable energy. Development of efficient biogas upgrading technology has become an important issue since it improves the quality of biogas and for example facilitating its injection into the natural gas pipelines. Moreover, such upgrading contributes to resolving the issue of increasing CO2 emissions and addresses the increasing climate change concerns. Together with traditional CO2 capturing technologies a new class of recently emerged sorbents such as ionic liquids is claimed as promising media for gas separations. In this thesis, an extensive comparison of the performance of different solvents in terms of CO2 capture has been performed. The focus of the present study was on aqueous amine solutions and their mixtures, traditional ionic liquids, ‘switchable’ ionic liquids and poly(ionic liquid)s in order to reveal the best option for biogas upgrading. The CO2 capturing efficiency for the most promising solvents achieved values around 50 - 60 L CO2 / L absorbent. These values are superior to currently widely applied water wash biogas upgrading system. Regeneration of the solvent mixtures appeared to be challenging since the loss of initial efficiency upon CO2 release was in excess of 20 - 40 vol %, especially in the case of aqueous amine solutions. In contrast, some of the ionic liquids displayed reversible behavior. Thus, for selected “switchable” ionic and poly(ionic liquid)s the CO2 absorption/regeneration cycles were performed 3 - 4 times without any notable efficiency decrease. The viscosity issue, typical for ionic liquids upon CO2 saturation, was addressed and the information obtained was evaluated and related to the ionic interactions. The occurrence of volatile organic compounds (VOCs) before and after biogas upgrading was studied for biogas produced through anaerobic digestion of waste waters sludge. The ionic liquid [C4mim][OAc] demonstrated its feasibility as a promising scrubbing media and exhibited high efficiency in terms of the removal of VOCs. Upon application of this ionic liquid, the amount of identified VOCs was diminished by around 65 wt %, while the samples treated with the aqueous mixture of 15 wt % N-methyldiethanolamine with addition of 5 wt % piperazine resulted in 32 wt % reduction in the amounts of volatile organic compounds only.

International Advanced Water Technologies Centre, IAWTC/LADEC and LUT 2013 : Questionnaire Responses from Russian Drinking Water and Wastewater Treatment Plants

In this report, information is published concerning Russian water and wastewater treatment plants. The information is based on a questionnaire sent to 70 water and wastewater treatment plants in 2012-2013. The questionnaire was prepared by the International Advanced Water Technologies Centre (IAWTC) and Lahti Development Company (LADEC). The questions dealt with an assessment of the present state, the need for changes, renovation, investments, and how to improve the efficiency of the operation by training and investments. A significant need to renew the old pipelines, constructions, and processes was clearly evident. The aggregated answers can be utilized in Russia as internal benchmarking in order to arrange training and plant visits, which were requested in many of the answers. Sharing this open report with the respondents can aid networking and awareness of HELCOM requirements which relate to waste water treatment plants discharging their waste water directly or indirectly into the Baltic Sea. The aim of this report is to provide information for Finnish small and medium size companies (SMEs) as regards possible water related exportation to different parts of Russia.

Sellutehtaan TRS-hajapäästöjen hallinta

Diplomityön tavoitteena on selvittää TRS-hajapäästöjen muodostumista sekä päästöjen määrää UPM Kymmene Oyj:n Kaukaan sellu- ja paperitehtaalla. Työssä laaditaan TRS-hajapäästöjen mittausohjelma, minkä päivitetty massa- ja paperiteollisuuden BAT-vertailuasiakirja vaatii. Mittausohjelma täydentää tehdasintegraatin ilmapäästöjen valvontaohjelmaa. Hajapäästöjen lisäksi tavoitteena on selvittää häiriötilanteiden aiheuttamia TRS-päästömääriä. Kirjallisuusosassa selvitetään hajujen muodostumista sellun ja paperin valmistuksessa ja niiden käsittelyä ympäristövaikutusten minimoimiseksi. Lisäksi esitellään mittausmenetelmiä. Kokeellisessa osassa valituista kohteista mitataan TRS-pitoisuudet ja hajukaasujen virtaama, joiden perusteella lasketaan TRS-kuormitus. Kuormitus suhteutetaan sellutonnille. Osa kohteista on hajapäästökohteita ja osa kohteita, joista hajukaasut häiriötilanteissa johdetaan käsittelemättä ulos. Tulosten perusteella TRS-hajapäästöjä muodostuu sellun valmistuksessa noin 0,04 kgS/ADt ja jätevedenkäsittelyssä, pääasiassa lietteenkäsittelyssä 0,04 kgS/ADt. Hajapäästöjä syntyy eniten kohteissa, missä keräily on toteutettu kevyemmin tai sitä ei ole. Merkittävimmät kohteet Kaukaalla ovat lietteenkäsittely, koivukuitulinja ja mäntyöljylaitos. Havulinjan ja talteenotto-osaston hajapäästöt ovat muita osastoja vähäisemmät. Yhteensä sellutehtaan ja lietteenkäsittelyn TRS-hajapäästömäärä on 0,08 kgS/ADt, mikä on BAT vaihteluvälin (0,05-0,2 kgS/ADt) sisällä. TRS-häiriöpäästöjen osuus tehtaan TRS päästöistä voi häiriötilanteiden toistuessa nousta merkittäviksi. Tähän vaikuttaa merkittävästi häiriintyvä kohde.

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.

Development of Zero Water Exchange Shrimp Culture System Integrated With Bioremediation of Detritus and Ammonia- Nitrogen

Aquaculture is one of the fastest growing food sectors in the world. Amongst the various branches of aquaculture, shrimp culture has expanded rapidly across the globe because of its faster growth rate, short culture period, high export value and demand in the International market. Indian shrimp farming has experienced phenomenal development over the decades due to its excellent commercial viability. Farmers have adopted a number of innovative technologies to improve the production and to maximize the returns per unit area. The culture methods adopted can be classified in to extensive, modified extensive and semi intensive based on the management strategies adopted in terms of pond size, stocking density, feeding and environmental control. In all these systems water exchanges through the natural tidal effects, or pump fed either from creek or from estuaries is a common practice. In all the cases, the systems are prone to epizootics due to the pathogen introduction through the incoming water, either brought by vectors, reservoir hosts, infected tissue debris and free pathogens themselves. In this scenario, measures to prevent the introduction of pathogen have become a necessity to protect the crop from the onslaught of diseases as well as to prevent the discharge of waste water in to the culture environment.The present thesis deals with Standardization of bioremediation technology for zero water exchange shrimp culture system

Connecting the Water and Carbon Cycles for the Generation of Food Security and Ecosystem Services

Water scarcity and food insecurity are pervasive issues in the developing world and are also intrinsically linked to one another. Through the connection of the water cycle and the carbon cycle this study illustrates that synergistic benefits can be realized by small scale farmers through the implementation of waste water irrigated agroforestry. The WaNuLCAS model is employed using La Huerta agroforestry site in Texcoco, South Central Mexico, as the basis for parameterization. The results of model simulations depicting scenarios of water scarcity and waste water irrigation clearly show that the addition of waste water greatly increases the agroforestry system’s generation of crop yields, above- and below-ground biomass, soil organic matter and carbon storage potential. This increase in carbon sequestration by the system translates into better local food security, diversified household income through payments for ecosystem services and contributes to the mitigation of global climate change.