Termiset käsittelymenetelmät energian ja ravinteiden talteenottoon puhdistamolietteestä
Aatsinki, Teemu (2021)
Diplomityö
Aatsinki, Teemu
2021
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021062139084
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021062139084
Tiivistelmä
Yhdyskuntajätevedet käsitellään jätevedenpuhdistamoilla mekaanisesti, kemiallisesti ja biologisesti. Puhdistamolietteet syntyvät jätevedenpuhdistuksen lopputuotteena. Konventionaaliset käsittelymenetelmät, kuten lietteen kompostointi ja mädätys, ovat olleet vallalla lietteen loppukäsittelyyn. Liete sisältää arvokkaita ravinteita, kuten typpeä ja fosforia, jolloin lietteen hyötykäyttö ja ravinteiden kierrätys ovat tärkeässä asemassa lietteenkäsittelyn jälkeen.
Viime vuosina tehdyt tutkimukset ovat osoittaneet puhdistamolietteiden sisältävän merkittävästi orgaanisia haitta-aineita, mikromuoveja ja lääkejäämiä. Tämän diplomityön ensimmäisenä tavoitteena on selvittää kirjallisuuskatsauksena termisten käsittelymenetelmien potentiaalia lietteen loppukäsittelyyn. Termiset käsittelymenetelmät hävittävät lietteen sisältämiä haitta-aineita ja mikromuoveja konventionaalisia menetelmiä tehokkaammin. Myös energian ja ravinteiden talteenotto lietteistä on mahdollista. Termisistä menetelmistä tärkeimpiä ovat lietteen erillispoltto, kaasutus, pyrolyysi ja märkähiilto (HTC). Katsauksen mukaan erillispoltto on kehitetyin ja potentiaalisin menetelmä huomioiden sekä energian ja ravinteiden talteenotto että haitta-aineiden ja mikromuovien hävitystehokkuus.
Maailmalta löytyy useita kehitettyjä termisen lietteenkäsittelyn teknologioita. Työssä tarkastellaan lähemmin Endev-teknologiaa, joka on Endev Oy:n kehittämä lietteen erillispolttotekniikka. Tämän diplomityön toisena tavoitteena on Endev-teknologian tarkastelu työssä kehitetyllä IPSEpro-pohjaisella prosessimallilla. Prosessimalli soveltuu Endev-teknologian massa- ja energiataseiden laskentaan määrättyihin tapauksiin. Monimutkaisempiin tarkasteluihin, kuten eri komponenttien lämmönsiirtoon, malli ei toimi riittävän luotettavasti. Mallilla tehdään skaalaustarkastelu Endev-teknologialle suunniteltuun kolmeen eri standardikokoluokkaan. Mallia käytetään myös herkkyystarkasteluihin prosessin eri muuttujille. Muuttujiksi valitaan lietteen kuiva-ainepitoisuus, tuhkapitoisuus ja orgaanisen aineksen koostumus. Kuiva-ainepitoisuus ja orgaanisen aineksen koostumus aiheuttavat huomattavimmat vaikutukset prosessin energia- ja massataseisiin mallilla tehtyjen tarkastelujen perusteella. Municipal wastewater is treated mechanically, chemically and biologically at wastewater treatment plants. Sewage sludge is a final product of wastewater treatment. Conventional treatment methods, such as sludge composting and digestion, have been prevailing in sludge final treatment. Sludge contains valuable nutrients, such as nitrogen and phosphorus, making the sludge utilization and nutrient recovery important after the sludge treatment.
Studies in recent years have shown noticeable concentrations of organic contaminants, microplastics and drug residues in sewage sludges. The first aim of this thesis is to find out the potential of thermal treatment methods for sludge final treatment through a literature survey. Thermal treatment methods are more capable of disposing the contaminants and microplastics in sludges compared to conventional treatment methods. The recovery of energy and nutrients from sludges is possible as well. The most important thermal treatment methods are sludge mono-incineration, gasification, pyrolysis and hydrothermal carbonization (HTC). According to the survey, mono-incineration is the most developed and potential method considering both the recovery of energy and nutrients and the efficiency of disposal of contaminants and microplastics.
There are several thermal treatment methods developed for sludge treatment in the world. Endev-technology is examined in more detail which is a sludge mono-incineration technology developed by Endev Ltd. The second aim of this thesis is to study Endev-technology with an IPSEpro-based process model developed in the work. The process model is suitable for calculations mass and energy balances of Endev-technology in prescibed cases. The model is not reliable enough for more complex studies, such as heat transfer of the different components. The model is used for a scaling study in which Endev-technology is studied in three proposed standard size classes. The model is used for sensitivity studies of different variables of the process as well. The chosen variables are the dry matter content, the ash content and the composition of the organic matter of the sludge. Based on the studies with the model, the dry matter content and the organic matter composition cause the most noticeable effects on the energy and mass balances of the process.
Viime vuosina tehdyt tutkimukset ovat osoittaneet puhdistamolietteiden sisältävän merkittävästi orgaanisia haitta-aineita, mikromuoveja ja lääkejäämiä. Tämän diplomityön ensimmäisenä tavoitteena on selvittää kirjallisuuskatsauksena termisten käsittelymenetelmien potentiaalia lietteen loppukäsittelyyn. Termiset käsittelymenetelmät hävittävät lietteen sisältämiä haitta-aineita ja mikromuoveja konventionaalisia menetelmiä tehokkaammin. Myös energian ja ravinteiden talteenotto lietteistä on mahdollista. Termisistä menetelmistä tärkeimpiä ovat lietteen erillispoltto, kaasutus, pyrolyysi ja märkähiilto (HTC). Katsauksen mukaan erillispoltto on kehitetyin ja potentiaalisin menetelmä huomioiden sekä energian ja ravinteiden talteenotto että haitta-aineiden ja mikromuovien hävitystehokkuus.
Maailmalta löytyy useita kehitettyjä termisen lietteenkäsittelyn teknologioita. Työssä tarkastellaan lähemmin Endev-teknologiaa, joka on Endev Oy:n kehittämä lietteen erillispolttotekniikka. Tämän diplomityön toisena tavoitteena on Endev-teknologian tarkastelu työssä kehitetyllä IPSEpro-pohjaisella prosessimallilla. Prosessimalli soveltuu Endev-teknologian massa- ja energiataseiden laskentaan määrättyihin tapauksiin. Monimutkaisempiin tarkasteluihin, kuten eri komponenttien lämmönsiirtoon, malli ei toimi riittävän luotettavasti. Mallilla tehdään skaalaustarkastelu Endev-teknologialle suunniteltuun kolmeen eri standardikokoluokkaan. Mallia käytetään myös herkkyystarkasteluihin prosessin eri muuttujille. Muuttujiksi valitaan lietteen kuiva-ainepitoisuus, tuhkapitoisuus ja orgaanisen aineksen koostumus. Kuiva-ainepitoisuus ja orgaanisen aineksen koostumus aiheuttavat huomattavimmat vaikutukset prosessin energia- ja massataseisiin mallilla tehtyjen tarkastelujen perusteella.
Studies in recent years have shown noticeable concentrations of organic contaminants, microplastics and drug residues in sewage sludges. The first aim of this thesis is to find out the potential of thermal treatment methods for sludge final treatment through a literature survey. Thermal treatment methods are more capable of disposing the contaminants and microplastics in sludges compared to conventional treatment methods. The recovery of energy and nutrients from sludges is possible as well. The most important thermal treatment methods are sludge mono-incineration, gasification, pyrolysis and hydrothermal carbonization (HTC). According to the survey, mono-incineration is the most developed and potential method considering both the recovery of energy and nutrients and the efficiency of disposal of contaminants and microplastics.
There are several thermal treatment methods developed for sludge treatment in the world. Endev-technology is examined in more detail which is a sludge mono-incineration technology developed by Endev Ltd. The second aim of this thesis is to study Endev-technology with an IPSEpro-based process model developed in the work. The process model is suitable for calculations mass and energy balances of Endev-technology in prescibed cases. The model is not reliable enough for more complex studies, such as heat transfer of the different components. The model is used for a scaling study in which Endev-technology is studied in three proposed standard size classes. The model is used for sensitivity studies of different variables of the process as well. The chosen variables are the dry matter content, the ash content and the composition of the organic matter of the sludge. Based on the studies with the model, the dry matter content and the organic matter composition cause the most noticeable effects on the energy and mass balances of the process.