A biological process for controlling chemical balance in a kraft mill

Abstract

This Master’s thesis examines the potential of anaerobic digestion as a sulfate reducing method from sulfate-containing side streams of a kraft mill. The aim was to find out whether a kraft mill can become sulfur self-sufficient, and under what conditions, what are the most important factors that affect anaerobic digestion and how these factors affect the efficiency and end result of the process. Furthermore, it was investigated how efficiently anaerobic digestion can reduce sulfate emissions at the mill and recover useful by-products while maintaining the sodium/sulfur balance of the kraft mill. The results of a third-party laboratory experiment and sodium/sulphur balances of two hypothetical kraft mills were utilized in the study.

The results of laboratory experiment show that up to 100% of sulfate can be reduced if the process conditions remain optimal for sulfate reducing bacteria. With anaerobic digestion, a kraft mill can become sulfur self-sufficient if sulfuric acid produced with SulfoLoop would be used to replace fossil-based sulfuric acid used in the production of kraft pulp. Based on the laboratory experiment the following factors showed as the most important factors for the efficiency and outcome of the process: the sulfate concentration of the sample, the ratio of chemical oxygen demand and sulfate, the content of organic and fatty acids and the process conditions. Calculations carried out for two hypothetical kraft mills show that the addition of an anaerobic digester to the mill does not affect the mill's Na/S balance. The calculations can also be used to conclude that anaerobic digestion is an effective way to reduce sulfate emissions and recover sulfur. Anaerobic digestion can be found to be a suitable method for reducing sulfate from sulfate-containing side streams of a kraft mill, and it is supported by both laboratory tests and hypothetical calculations.

Tässä diplomityössä tutkitaan mädätyksen potentiaalia sulfaatin pelkistyksessä sellutehtaan sulfaattipitoisista sivuvirroista. Tarkoituksena oli selvittää voiko sulfaattisellutehtaasta tulla rikkiomavarainen, ja missä olosuhteissa, mitkä ovat tärkeimmät tekijät, jotka vaikuttavat mädätykseen ja miten nämä tekijät vaikuttavat prosessin tehokkuuteen sekä lopputulokseen. Lisäksi tutkittiin, kuinka tehokkaasti mädätys voi vähentää tehtaan sulfaattipäästöjä ja ottaa talteen hyödyllisiä sivutuotteita kuitenkin samalla ylläpitäen sulfaattisellutehtaan natrium/rikki -tasapainoa. Työssä hyödynnettiin muun muassa kolmannen osapuolen suorittaman laboratoriokokeen tuloksia sekä kahden hypoteettisen sulfaattisellutehtaan Na/S-tasetta.

Laboratoriokokeiden tulokset osoittavat, että jopa 100 % sulfaatista saadaan pelkistettyä, mikäli prosessiolosuhteet pysyvät sulfaattibakteereille optimaalisina. Mädätyksen avulla sulfaattisellutehtaasta voi tulla rikkiomavarainen, jos SulfoLoopin avulla tuotetulla rikkihapolla saadaan sulfaattisellun valmistuksessa käytetty fossiiliperäinen rikkihappo korvattua. Laboratoriokokeiden avulla voidaan todeta prosessin tehokkuuden ja lopputuloksen kannalta merkittävimmiksi seuraavat tekijät: näytteen sulfaattipitoisuus, kemiallisen hapenkulutuksen ja sulfaatin suhde, orgaanisten happojen pitoisuus sekä prosessiolosuhteet. Kahdelle hypoteettiselle sulfaattisellutehtaalle toteutetut laskelmat osoittavat, että hapettoman mädättämön lisääminen tehtaan yhteyteen ei vaikuta tehtaan Na/S-taseeseen. Laskelmien avulla voidaan myös todeta mädätyksen olevan tehokas keino sulfaattipäästöjen pienentämiseen ja rikin talteen ottamiseen. Mädätyksen voidaan todeta soveltuvan menetelmänä sulfaatin pelkistämiseen ja sitä tukevat niin tehdyt laboratoriokokeet kuin hypoteettiset laskelmat.