Ultrasound and electro-dewatering treatment on pulp and paper industry activated sludge
Hämäläinen, Justus (2022)
Diplomityö
2022
School of Engineering Science, Kemiantekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022110764712
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022110764712
Tiivistelmä
Ultrasound and electro-dewatering treatments have shown to be effective in enhancing dewatering of biological waste matter in wastewater treatment plants. Ultrasound treatment breaks down the waste sludge particles, causing them to release intracellular nutrients and reduce the particle sizes. Electro-dewatering sends pulses of electrical current through the waste sludge causing electrochemical phenomena that improves pressure filtration. In this master’s thesis, these two mentioned treatment methods were used together to enhance a pilot scale sludge treatment process. Also, the benefits from using these two on process life cycle were investigated and a way to calculate the beneficial environmental impacts was introduced.
Ultrasound treatment was implemented to break down the return sludge that is then brought back to the aeration process with the released nutrients. Also, ultrasound was used to break down the condensed mixed sludge to ease the dewatering stage. From here, the released nutrient rich water can also be returned to the aeration stage.
Pulp and paper sludge from local mills were firstly treated with ultrasound. The particle sizes reduced significantly within the first 10 minutes of treatment already, with the nutrients needing more time to significantly be released. Ultrasound effect on dewatering was tested with a pressure filtration system, where a 5 % increase in sludge dryness was discovered with just ultrasound application. Electro-dewatering was implemented into the pressure filtration system, by placing electrodes on both sides of the sludge cake, and pulsed electrical current was applied though the sludge cake. By applying electro-dewatering, the sludge dryness was increased by 10 %. Together these two methods were used in a smaller filtration system, as the electro-dewatering implementation in the larger system did not stay intact.
The benefits based on the results of using these two processes together seem promising. Increasing final sludge dryness decreases the amount of additional nutrients and dewatering chemicals in the process and can be used more effectively in incineration to produce energy for example. These benefits were weighed on the increased energy consumption by these processes. Ultraääni ja sähköavusteinen vedenpoisto ovat tehokkaita menetelmiä parantamaan biologisen jätemateriaalin vedenpoistoa jätevesilaitoksilla. Ultraäänikäsittely rikkoo jätelietteen partikkeleita, jolloin nämä rikkoutuvat partikkelit vapauttavat solunsisäisiä ravinteitaan ja lietteen partikkelikoko pienenee. Sähköavusteisessa vedenpoistossa sähköpulsseja syötetään jätelietteen läpi aiheuttaen elektrokemiallisia ilmiöitä, jotka auttavat painesuodatuksessa. Tässä diplomityössä näitä kahta menetelmää käytettiin yhdessä parantaakseen lietteenkäsittelyprosessia pilottimittakaavassa. Lisäksi näiden kahden menetelmän tuottamat hyödyt selvitettiin ja tapa laskea hyödyt prosessin elinkaarelle esitettiin ympäristönäkökulmista.
Ultraäänikäsittelyä käytettiin rikkomaan palautelietettä, joka palautetaan takaisin ilmastukseen vapautuneiden ravinteiden kanssa. Ultraääntä käytettiin myös tiivistetyn sekalietteen rikkomiseen vedenpoiston parantamisen vuoksi. Tästä vaiheesta voidaan myös palauttaa poistettu ravintorikas vesi ilmastukseen.
Paikallisten paperi- ja sellutehtaiden lietettä käsiteltiin ensin. Partikkelikoko pieneni huomattavasti jo heti ensimmäisen 10-minuutin aikana, mutta ravinteet vaativat hieman enemmän aikaa vapautuakseen. Ultraäänen vaikutusta suodatukseen testattiin painesuodatuslaitteiston avulla, jolloin huomattiin pelkän ultraäänen vaikutuksen lisäävän lietteen kuivuutta 5 prosenttiyksiköllä. Sähköavusteinen suodatus liitettiin painesuodatuslaitteistoon asettamalla elektrodit muodostuvan lietekakun kummallekin puolelle, joista johdettiin kakun läpi pulssitettua sähkövirtaa. Sähköavusteisen suodatuksen avulla lietteen kuivapitoisuutta nostettiin 10 prosenttiyksiköllä. Näitä menetelmiä käytettiin yhdessä vain pienemmässä uudessa suodatuslaitteistossa, koska vanhassa laitteistossa elektrodiverkko ei kestänyt ehjänä.
Näiden kahden menetelmän hyödyt vaikuttavat lupaavilta tulosten perusteella. Lietteen kuivuuden lisäämisellä vähennetään prosessissa tarvittavien lisäravinteiden ja vedenpoistokemikaalien määrää, ja kuivempaa lietettä voidaan käyttää paremmin poltossa energiantuotannossa. Näitä hyötyjä verrattiin menetelmien lisäämään energiankulutukseen.
Ultrasound treatment was implemented to break down the return sludge that is then brought back to the aeration process with the released nutrients. Also, ultrasound was used to break down the condensed mixed sludge to ease the dewatering stage. From here, the released nutrient rich water can also be returned to the aeration stage.
Pulp and paper sludge from local mills were firstly treated with ultrasound. The particle sizes reduced significantly within the first 10 minutes of treatment already, with the nutrients needing more time to significantly be released. Ultrasound effect on dewatering was tested with a pressure filtration system, where a 5 % increase in sludge dryness was discovered with just ultrasound application. Electro-dewatering was implemented into the pressure filtration system, by placing electrodes on both sides of the sludge cake, and pulsed electrical current was applied though the sludge cake. By applying electro-dewatering, the sludge dryness was increased by 10 %. Together these two methods were used in a smaller filtration system, as the electro-dewatering implementation in the larger system did not stay intact.
The benefits based on the results of using these two processes together seem promising. Increasing final sludge dryness decreases the amount of additional nutrients and dewatering chemicals in the process and can be used more effectively in incineration to produce energy for example. These benefits were weighed on the increased energy consumption by these processes.
Ultraäänikäsittelyä käytettiin rikkomaan palautelietettä, joka palautetaan takaisin ilmastukseen vapautuneiden ravinteiden kanssa. Ultraääntä käytettiin myös tiivistetyn sekalietteen rikkomiseen vedenpoiston parantamisen vuoksi. Tästä vaiheesta voidaan myös palauttaa poistettu ravintorikas vesi ilmastukseen.
Paikallisten paperi- ja sellutehtaiden lietettä käsiteltiin ensin. Partikkelikoko pieneni huomattavasti jo heti ensimmäisen 10-minuutin aikana, mutta ravinteet vaativat hieman enemmän aikaa vapautuakseen. Ultraäänen vaikutusta suodatukseen testattiin painesuodatuslaitteiston avulla, jolloin huomattiin pelkän ultraäänen vaikutuksen lisäävän lietteen kuivuutta 5 prosenttiyksiköllä. Sähköavusteinen suodatus liitettiin painesuodatuslaitteistoon asettamalla elektrodit muodostuvan lietekakun kummallekin puolelle, joista johdettiin kakun läpi pulssitettua sähkövirtaa. Sähköavusteisen suodatuksen avulla lietteen kuivapitoisuutta nostettiin 10 prosenttiyksiköllä. Näitä menetelmiä käytettiin yhdessä vain pienemmässä uudessa suodatuslaitteistossa, koska vanhassa laitteistossa elektrodiverkko ei kestänyt ehjänä.
Näiden kahden menetelmän hyödyt vaikuttavat lupaavilta tulosten perusteella. Lietteen kuivuuden lisäämisellä vähennetään prosessissa tarvittavien lisäravinteiden ja vedenpoistokemikaalien määrää, ja kuivempaa lietettä voidaan käyttää paremmin poltossa energiantuotannossa. Näitä hyötyjä verrattiin menetelmien lisäämään energiankulutukseen.