Optimization of an industrial wastewater treatment case for sustainable improvement

Abstract

Industrial wastewater treatment plants are increasingly facing challenges for demands to meet more stringer discharge limits. Treatment plants that have been designed decades ago are more likely to have challenges to improve effluent quality without capital investments. Optimization can provide a solution to enhance treatment performance as well as to maximize the capability of the existing process performance.

This thesis researches the optimization of a chemical treatment process through pH, bentonite and contact time. The studied wastewater sample was originated from real industrial wastewater from metal packaging industry and can be characterized by low pH, aluminium, sulphate, fluoride, COD and surfactants. Laboratory scale jar tests were conducted, and central composite design was used for analysis of the combined effects of pH, bentonite and contact time on pollutant removal.

Results showed that pH and bentonite dosing had statistically significant impact to the removal of COD, fluoride, and surfactants from wastewater. Contact time had less significant impact within the studied range. Fluoride removal is dependant of the pH showing non-linear behaviour. Aluminium concentration is highly sensitive to pH where precipitation occurs near neutral condition. The use of multi-response optimization showed that pollutants could not be optimized individually because it would have compromised other parameters and therefore needed to be balanced within the operating window to ensure all key process parameters are complying the regulations.

Teollisuuden jätevesipuhdistamot kohtaavat yhä kasvavassa määrin haasteita tiukentuvien päästörajoituksien myötä. Monet olemassa olevat teollisuudenjäteveden puhdistamot ovat suunniteltu vuosikymmeniä sitten minkä vuoksi jäteveden laadun parantaminen ilman pääomainvestointeja on usein haastavaa. Prosessin optimointi voi tarjota ratkaisun jäteveden käsittelyn suorituskyvyn parantamiseen sekä hyödyntää nykyisten laitteiden kapasiteettia mahdollisimman tehokkaasti.

Tämä tutkielma keskittyy kemiallisen käsittelyprosessin optimointiin pH:n, bentoniitin annostelun ja kontaktiajan avulla. Tutkittu jätevesinäyte oli peräisin metallipakkausteollisuudesta syntyneestä jätevedestä. Jäteveden ominaispiirteisiin kuuluivat alhainen pH, alumiini, sulfaatti, fluoridi, kemiallinen hapen kulutus (COD) sekä pinta-aktiiviset aineet. Laboratoriomittakaavassa suoritettuja purkkikokeita sekä keskitettyä yhdistelmäkoeasetelmaa käytettiin pH:n, bentoniitin sekä reaktioajan yhdistettyjen vaikutusten analysointiin jäteveden pitoisuuksien alentamisessa.

Tulokset osoittivat, että pH ja bentoniitin annostelu olivat tilastollisesti merkityksellisimpiä COD:n, fluorin ja pinta-aktiivisten aineiden poistossa jätevedestä. Kontaktiajoilla oli vähäisempi vaikutus tutkitulla alueella. Fluorin poistaminen jätevedestä oli tuloksien mukaan pH:sta riippuvainen sekä epälineaarinen. Alumiinipitoisuus osoittautui herkäksi pH:n muutoksille ja sen saostuminen tapahtui lähellä neutraalia pH aluetta. Monivasteoptimoinnin käyttö osoitti, että yksittäisiä jäteveden epäpuhtauksia ei pystytä optimoimaan erikseen, koska se saattaisi aiheuttaa muiden parametrien raja-arvojen ylityksen. Tästä syytä epäpuhtaudet tasapainotettiin prosessin raamien sisällä varmistaen näin, että kaikki keskeiset prosessiparametrit täyttyivät määräysten mukaisesti.