Optimization of coagulation-flocculation process : pre-treatment of industrial effluents from CTMP (chemi-thermomechanical pulp) plant
Hautala, Mia (2025)
Diplomityö
2025
School of Engineering Science, Kemiantekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20251208115567
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20251208115567
Tiivistelmä
This work set out to find ways to enhance the operation of a chemical-assisted high-pressure flotation device. The goal was to find a chemical that gave a good response and to determine how the response could be improved further. The work compared polyaluminium chloride (PAC) and ferric sulphate (FS) and investigated their ability to precipitate soluble impurities from wastewater with polymer assistance.
The work was carried out using a multivariate design of experiments (DoE), where the effect of factors on the final result was analyzed using the statistical response surface methodology (RSM). The factors and their viable ranges in the laboratory experiments were coagulant dosage at 300-800 mg/L, flocculant dosage at 1-3 mg/L, and wastewater pH at 3-5, with axial points extending the design space. The goal was to maximize the reduction of chemical oxygen demand (COD) in the clarification of the laboratory experiments.
The analysis revealed that polyaluminium chloride was more effective and the flocculant had a negligible impact on the final outcome. Ferric sulphate did not give a strong response and changes in dosage or pH did not significantly affect the final result. Based on the observations, ferric sulphate was not a suitable chemical for the studied wastewaters or its optimal pH is not located in the acidic range. Optimization suggested that applying PAC at 927 mg/L in wastewater with a pH of 3.71 would yield a COD reduction of 35.69 %. The work emphasized that pH plays a significant role in the effectiveness of precipitating chemicals and that it has a fairly narrow optimal range of action. Tässä työssä lähdettiin etsimään keinoja tehostaa kemikaaliavusteisen korkeapaineflotaattorin toimintaa. Tavoitteena oli löytää hyvän vasteen antava kemikaali ja selvittää, kuinka vastetta voitaisiin parantaa entisestään. Työssä vertailtiin polyalumiinikloridia (PAC) ja ferrisulfaattia (FS) sekä tutkittiin niiden kykyä saostaa polymeeriavusteisesti liukoisia epäpuhtauksia jätevedestä.
Työ toteutettiin monimuuttujakoemenetelmällä (DoE), jossa tekijöiden vaikutusta lopputulokseen arvioitiin tilastollisella vastepintamenetelmällä (RSM). Laboratoriokokeissa huomioidut tekijät ja niiden taloudellisesti toteuttamiskelpoiset alueet olivat koagulantin annostelu 300-800 mg/L, flokkulantin annostelu 1-3 mg/L ja pH:ta vaihdeltiin välillä 3-5, minkä lisäksi aksiaalipisteet laajensivat tutkimusaluetta. Tavoitteena oli maksimoida kemiallisen hapenkulutuksen (COD) reduktio laboratoriokokeiden kirkasteessa.
Analyysi paljasti, että polyalumiinikloridi oli tehokkaampi ja flokkulantin vaikutus lopputulokseen oli merkityksetön. Ferrisulfaatti ei antanut voimakasta vastetta eivätkä muutokset annostelussa tai pH:ssa vaikuttaneet lopputulokseen merkittävästi. Havaintojen perusteella ferrisulfaatti ei ollut sopiva kemikaali tutkituille jätevesille tai sen optimaalinen pH ei sijoitu happamalle alueelle. Optimoinnin perusteella PAC:in annostelu 927 mg/L pitoisuudella jäteveteen, jonka pH on 3.71 johtaisi 35.69 % COD reduktioon. Työssä korostui, että pH:lla on merkittävä rooli saostuskemikaalien tehokkuuden kannalta ja että sillä on kohtalaisen kapea optimaalinen toiminta-alue.
The work was carried out using a multivariate design of experiments (DoE), where the effect of factors on the final result was analyzed using the statistical response surface methodology (RSM). The factors and their viable ranges in the laboratory experiments were coagulant dosage at 300-800 mg/L, flocculant dosage at 1-3 mg/L, and wastewater pH at 3-5, with axial points extending the design space. The goal was to maximize the reduction of chemical oxygen demand (COD) in the clarification of the laboratory experiments.
The analysis revealed that polyaluminium chloride was more effective and the flocculant had a negligible impact on the final outcome. Ferric sulphate did not give a strong response and changes in dosage or pH did not significantly affect the final result. Based on the observations, ferric sulphate was not a suitable chemical for the studied wastewaters or its optimal pH is not located in the acidic range. Optimization suggested that applying PAC at 927 mg/L in wastewater with a pH of 3.71 would yield a COD reduction of 35.69 %. The work emphasized that pH plays a significant role in the effectiveness of precipitating chemicals and that it has a fairly narrow optimal range of action.
Työ toteutettiin monimuuttujakoemenetelmällä (DoE), jossa tekijöiden vaikutusta lopputulokseen arvioitiin tilastollisella vastepintamenetelmällä (RSM). Laboratoriokokeissa huomioidut tekijät ja niiden taloudellisesti toteuttamiskelpoiset alueet olivat koagulantin annostelu 300-800 mg/L, flokkulantin annostelu 1-3 mg/L ja pH:ta vaihdeltiin välillä 3-5, minkä lisäksi aksiaalipisteet laajensivat tutkimusaluetta. Tavoitteena oli maksimoida kemiallisen hapenkulutuksen (COD) reduktio laboratoriokokeiden kirkasteessa.
Analyysi paljasti, että polyalumiinikloridi oli tehokkaampi ja flokkulantin vaikutus lopputulokseen oli merkityksetön. Ferrisulfaatti ei antanut voimakasta vastetta eivätkä muutokset annostelussa tai pH:ssa vaikuttaneet lopputulokseen merkittävästi. Havaintojen perusteella ferrisulfaatti ei ollut sopiva kemikaali tutkituille jätevesille tai sen optimaalinen pH ei sijoitu happamalle alueelle. Optimoinnin perusteella PAC:in annostelu 927 mg/L pitoisuudella jäteveteen, jonka pH on 3.71 johtaisi 35.69 % COD reduktioon. Työssä korostui, että pH:lla on merkittävä rooli saostuskemikaalien tehokkuuden kannalta ja että sillä on kohtalaisen kapea optimaalinen toiminta-alue.