Pre-treatment requirements for challenging wastewater streams from new biochemical process to enable aerobic treatment

Abstract

Wood can be converted into various sustainable products such as biofuels and biochemicals. The investment cost of new biorefinery can be reduced by utilizing common services like wastewater treatment thus lowering the threshold for market entry. Treatment and discharge of industrial wastewaters are strictly controlled by native legal requirements. Their goal is to ensure good treatment performance and water quality in receiving waters. Especially wastewaters with recalcitrant or toxic characteristics need pre-treatment before discharge to centralized wastewater treatment plant utilizing biological degradation.

In this master’s thesis, pre-treatment need for becoming biorefinery wastewaters originating from new biochemical processes was evaluated. The main focus was in the removability of wood-based organic compounds responsible for high COD load to the treatment plant. Evaluation was based on local and case-specific requirements and limitations, and biodegradability tests. Biodegradability was determined by COD fractionation and toxicity measurements using OxiTop BOD measurement setup. For wood handling stream, removal of solid and colloidal fractions was found to be an important pre-treatment step to achieve required treatment results. Remaining soluble contaminants had readily biodegradable nature. It is still uncertain how efficiently the existing primary treatment in the Chemical Site removes solids from these new streams. Another studied stream contained more soluble non-biodegradable COD. Application of advanced oxidation process could be a cost-efficient method for partial oxidation of recalcitrant compounds. Pilot-scale non-thermal gas phase pulsed corona discharge (PCD) was tested as an oxidation pre-treatment method to enhance biodegradability of streams. Improvements in the BOD5/COD ratio was not achieved. However, observations in color and pH change and lignin concentration results indicated that partial oxidation had occurred, which could help the following biological treatment. This was detected as decrease in conjugated structures and increase in concentration of degradation compounds like oxalic and formic acids. Optimal energy dose for sufficient pre-treatment could not be determined on the basis of these results alone. The biggest risks associated with these wastewaters and their treatment were defined as uncertainties in startup, high sulfate concentration and foaming potential.

Puusta voidaan valmistaa erilaisia kestävää kehitystä edistäviä biotuotteita kuten biopolttoaineita ja biokemikaaleja. Uuden biojalostamon investointikustannuksia ja kynnystä päästä markkinoille voidaan alentaa hyödyntämällä yleisiä palveluita kuten jäteveden käsittelyä. Teollisten jätevesien käsittelyä ja päästöjä valvotaan tiukasti erilaisilla lakivaatimuksilla ja päästörajoilla. Niiden tavoite on varmistaa hyvä puhdistustehokkuus ja veden laatu. Erityisesti haitalliset jätevedet, joissa on myrkyllisiä ja biologisesti huonosti hajoavia yhdisteitä, tarvitsevat esikäsittelyä ennen kuin ne voidaan laskea biologiseen jätevedenpuhdistamoon.

Tässä diplomityössä arvioitiin uuden biojalostamon jätevesijakeiden esikäsittelyvaatimuksia ja tarvetta. Pääpaino oli biokemikaaliprosesseista syntyvien jätevesijakeiden sisältämien puuperäisten orgaanisten yhdisteiden poistamisessa. Ne aiheuttavat suuren COD kuorman puhdistamolle. Arviointi perustui paikallisiin ja tapauskohtaisiin rajoituksiin sekä biohajoavuustesteihin. Biohajoavuus määritettiin COD fraktioinnilla ja toksisuusmittauksilla, jotka tehtiin OxiTop BOD-mittaussysteemillä. Puunkäsittelystä peräisin olevan jätevesijakeen esikäsittelyssä tärkeää todettiin olevan kiinteän ja kolloidisen fraktion poistaminen. Liukoinen fraktio oli helposti biohajoava aerobisessa käsittelyssä. On vielä epävarmaa, kuinka tehokkaasti kemianteollisuusalueella jo olemassa oleva primaarivaihe poistaa kiintoainetta näistä uusista jakeista. Toinen analysoitu virta sisälsi enemmän liukoista ei-biohajoavaa COD:tä. Kehittyneen hapetusprosessin käyttö voisi olla kustannustehokas vaihtoehto tällaisten yhdisteiden pilkkomiseksi. Jätevesijakeiden biohajoavuuden parantamiseen testattiin pilottimittakaavassa kaasufaasipulssiin perustuvaa koronapurkausta (PCD) hapettavana esikäsittelymenetelmänä. Jäteveden BOD5/COD suhteessa ei saavutettu parannusta. Muutokset jätevesien värissä, pH:ssa ja ligniinipitoisuudessa osoittivat kuitenkin, että osittaista hapetusta on tapahtunut, mikä voisi auttaa seuraavaa biologista käsittelyä. Tapahtuneet hapetusreaktiot havaittiin konjugoituneiden rakenteiden vähentymisenä sekä hajoamistuotteiden, kuten oksaali- ja muurahaishapon, konsentraation kasvuna. Optimaalista energia-annosta riittävää esikäsittelyä varten sekä sopivaa toteutustapaa ei voitu määrittää pelkästään tässä työssä saatujen tulosten perusteella. Suurimmiksi näihin jätevesiin ja niiden käsittelyyn liittyviksi riskitekijöiksi määriteltiin startupin aiheuttaman epävarmuudet, korkea sulfaattipitoisuus sekä vaahtoamispotentiaali.