COD fractionation of pulp and paper mill wastewaters
Mustonen, Silja (2022)
Mustonen, Silja
2022
Ympäristö- ja energiatekniikan DI-ohjelma - Programme in Environmental and Energy Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2022-12-12
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202211288691
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202211288691
Tiivistelmä
Pulp and paper mill wastewaters contain typically high concentrations of organic material, which is measured as chemical oxygen demand (COD). The amount of organic material, among other environmentally harmful compounds, should be reduced from the wastewater before discharging. The activated sludge process can be used to remove mainly biodegradable organic material, which is measured as biological oxygen demand (BOD). In order to study the organic composition of different wastewaters and the removal of organic material in the wastewater treatment processes, COD fractionation can be carried out on the wastewater samples. In COD fractionation, COD is divided into different fractions according to the biodegradability and molecular size.
The first aim of this study was to investigate the organic composition of two wastewater streams (debarking and thermomechanical pulping (TMP)) and the influent and effluent of the activated sludge process from the pulp and paper mill in Finland. Another aim was to study the removal of COD fractions in the activated sludge process. Samples were taken from each sampling point both in winter and summer. One grab sample was taken in December, while three composite samples were taken during May and June. The organic composition was examined by the COD fractionation, for which the COD and respirometric BOD analyses were carried out. The removal of COD fractions in the activated sludge process was examined by comparing the results of COD fractionation of both the influent and effluent.
The largest fraction of both debarking and TMP wastewater was non-biodegradable soluble COD (nbsCOD) (35-62 %). Seasonal variations were observed in the debarking wastewater, as it contained over two times higher total COD in winter compared to summer. The influent of the activated sludge process contained mostly readily biodegradable COD (rbCOD) (39-62 %), while the effluent of the activated sludge process contained mostly nbsCOD (68-87 %). It was concluded that there have been slight variations in the efficiency of the activated sludge process to remove rbCOD at different sampling times, as in one effluent sample the rbCOD was lower (6 mg/l) and the rbCOD removal was higher (99.3 %) compared to the other effluent samples (10-11 mg/l and 98.7 %).
According to the results, the activated sludge process of the mill is able to efficiently remove rbCOD and achieve a low rbCOD in the effluent. Thus, adding new treatment processes to current wastewater treatment may not be necessary, since adjusting the operation of current activated sludge process can be sufficient to achieve low amounts of rbCOD in effluent. The results of COD fractionation can be utilized in modelling the activated sludge process, when examining the impact of different operation parameters on the process efficiency and determining the most appropriate process conditions. In the case that non-biodegradable COD (nbCOD) in effluent is required to reduce in the future, new treatment processes may be necessary to be investigated and introduced. Sellu- ja paperiteollisuuden jätevedet sisältävät tyypillisesti suuria määriä orgaanista ainesta, jonka määrää mitataan kemiallisen hapenkulutuksen (chemical oxygen demand, COD) avulla. Muiden ympäristölle haitallisten yhdisteiden lisäksi, myös COD:n määrää jätevedessä tulee vähentää ennen jäteveden purkamista ympäristöön. Aktiivilieteprosessilla voidaan poistaa pääasiassa biologisesti hajoavaa COD:ta, jonka määrää mitataan biologisen hapenkulutuksen (biological oxygen demand, BOD) avulla. Jätevesinäytteille voidaan suorittaa COD fraktiointi, jotta saadaan tietoa eri jätevesien orgaanisesta koostumuksesta ja orgaanisen aineksen poistumisesta eri jätevedenpuhdistusprosesseissa. COD fraktioinnissa COD jaetaan fraktioihin biohajoavuuden ja molekyylikoon perusteella.
Työn tavoitteena oli tutkia Suomessa sijaitsevan sellu- ja paperitehtaan kuorimon ja kuumahierreprosessin (thermomechanical pulping, TMP) jätevesien sekä aktiivilieteprosessiin menevän (influentti) ja sieltä tulevan (effluentti) jäteveden orgaanista koostumusta. Työn toisena tavoitteena oli tutkia aktiivilieteprosessin kykyä poistaa eri COD fraktioita jätevedestä. Jokaisesta näytteenottopisteestä otettiin yksi kertanäyte joulukuussa ja kolme kokoomanäytettä touko- ja kesäkuun aikana. Orgaaninen koostumus määritettiin COD fraktioinnilla, jota varten jätevesinäytteille suoritettiin COD- ja BOD-analyysit. Eri COD fraktioiden poistumista aktiivilieteprosessissa tutkittiin vertaamalla aktiivilieteprosessin influentin ja effluentin COD fraktioinnin tuloksia keskenään.
Sekä kuorimon että TMP:n jätevesien suurin fraktio oli biohajoamaton liukoinen COD (non-biodegradable soluble COD, nbsCOD) (35-62 %). Kuorimon jätevedessä havaittiin vuodenaikaisvaihtelua, sillä COD:n määrä oli talvella yli kaksinkertainen verrattuna kesään. Aktiivilieteprosessin influentti sisälsi pääosin nopeasti biohajoavaa COD:ta (readily biodegradable COD, rbCOD) (39-62 %), kun taas aktiivilieteprosessin effluentti sisälsi pääasiassa nbsCOD:ta (68-87 %). Aktiivilieteprosessin tehokkuudessa poistaa rbCOD:ta havaittiin pieniä eroja eri näytteenottoaikoina, sillä yhdessä effluentin näytteessä sen määrä oli alhaisempi (6 mg/l) ja poistotehokkuus korkeampi (99.3 %) verrattuna muihin näytteisiin (10-11 mg/l ja 98.7 %).
Tulosten perusteella tutkittavan tehtaan aktiivilieteprosessi on kykenevä poistamaan tehokkaasti rbCOD:ta ja saavuttamaan matalia effluentin rbCOD:n pitoisuuksia. Näin ollen, uusien jätevedenpuhdistusprosessien käyttöönotto ei ole tällä hetkellä välttämätöntä, sillä säätämällä nykyisen aktiivilieteprosessin operointia voidaan saavuttaa riittävän alhaisia effluentin rbCOD:n pitoisuuksia. COD fraktioinnin tuloksia voidaan hyödyntää aktiivilieteprosessin mallinnuksessa, kun tutkitaan eri operointiparametrien vaikutusta prosessin tehokkuuteen ja pyritään määrittämään sopivimmat prosessiolosuhteet. Mikäli tiukentuvien jätevesimääräysten myötä biohajoamattoman COD:n määrää on vähennettävä tulevaisuudessa, uusien jätevedenkäsittelyprosessien käyttöönotto voi tulla aiheelliseksi.
The first aim of this study was to investigate the organic composition of two wastewater streams (debarking and thermomechanical pulping (TMP)) and the influent and effluent of the activated sludge process from the pulp and paper mill in Finland. Another aim was to study the removal of COD fractions in the activated sludge process. Samples were taken from each sampling point both in winter and summer. One grab sample was taken in December, while three composite samples were taken during May and June. The organic composition was examined by the COD fractionation, for which the COD and respirometric BOD analyses were carried out. The removal of COD fractions in the activated sludge process was examined by comparing the results of COD fractionation of both the influent and effluent.
The largest fraction of both debarking and TMP wastewater was non-biodegradable soluble COD (nbsCOD) (35-62 %). Seasonal variations were observed in the debarking wastewater, as it contained over two times higher total COD in winter compared to summer. The influent of the activated sludge process contained mostly readily biodegradable COD (rbCOD) (39-62 %), while the effluent of the activated sludge process contained mostly nbsCOD (68-87 %). It was concluded that there have been slight variations in the efficiency of the activated sludge process to remove rbCOD at different sampling times, as in one effluent sample the rbCOD was lower (6 mg/l) and the rbCOD removal was higher (99.3 %) compared to the other effluent samples (10-11 mg/l and 98.7 %).
According to the results, the activated sludge process of the mill is able to efficiently remove rbCOD and achieve a low rbCOD in the effluent. Thus, adding new treatment processes to current wastewater treatment may not be necessary, since adjusting the operation of current activated sludge process can be sufficient to achieve low amounts of rbCOD in effluent. The results of COD fractionation can be utilized in modelling the activated sludge process, when examining the impact of different operation parameters on the process efficiency and determining the most appropriate process conditions. In the case that non-biodegradable COD (nbCOD) in effluent is required to reduce in the future, new treatment processes may be necessary to be investigated and introduced.
Työn tavoitteena oli tutkia Suomessa sijaitsevan sellu- ja paperitehtaan kuorimon ja kuumahierreprosessin (thermomechanical pulping, TMP) jätevesien sekä aktiivilieteprosessiin menevän (influentti) ja sieltä tulevan (effluentti) jäteveden orgaanista koostumusta. Työn toisena tavoitteena oli tutkia aktiivilieteprosessin kykyä poistaa eri COD fraktioita jätevedestä. Jokaisesta näytteenottopisteestä otettiin yksi kertanäyte joulukuussa ja kolme kokoomanäytettä touko- ja kesäkuun aikana. Orgaaninen koostumus määritettiin COD fraktioinnilla, jota varten jätevesinäytteille suoritettiin COD- ja BOD-analyysit. Eri COD fraktioiden poistumista aktiivilieteprosessissa tutkittiin vertaamalla aktiivilieteprosessin influentin ja effluentin COD fraktioinnin tuloksia keskenään.
Sekä kuorimon että TMP:n jätevesien suurin fraktio oli biohajoamaton liukoinen COD (non-biodegradable soluble COD, nbsCOD) (35-62 %). Kuorimon jätevedessä havaittiin vuodenaikaisvaihtelua, sillä COD:n määrä oli talvella yli kaksinkertainen verrattuna kesään. Aktiivilieteprosessin influentti sisälsi pääosin nopeasti biohajoavaa COD:ta (readily biodegradable COD, rbCOD) (39-62 %), kun taas aktiivilieteprosessin effluentti sisälsi pääasiassa nbsCOD:ta (68-87 %). Aktiivilieteprosessin tehokkuudessa poistaa rbCOD:ta havaittiin pieniä eroja eri näytteenottoaikoina, sillä yhdessä effluentin näytteessä sen määrä oli alhaisempi (6 mg/l) ja poistotehokkuus korkeampi (99.3 %) verrattuna muihin näytteisiin (10-11 mg/l ja 98.7 %).
Tulosten perusteella tutkittavan tehtaan aktiivilieteprosessi on kykenevä poistamaan tehokkaasti rbCOD:ta ja saavuttamaan matalia effluentin rbCOD:n pitoisuuksia. Näin ollen, uusien jätevedenpuhdistusprosessien käyttöönotto ei ole tällä hetkellä välttämätöntä, sillä säätämällä nykyisen aktiivilieteprosessin operointia voidaan saavuttaa riittävän alhaisia effluentin rbCOD:n pitoisuuksia. COD fraktioinnin tuloksia voidaan hyödyntää aktiivilieteprosessin mallinnuksessa, kun tutkitaan eri operointiparametrien vaikutusta prosessin tehokkuuteen ja pyritään määrittämään sopivimmat prosessiolosuhteet. Mikäli tiukentuvien jätevesimääräysten myötä biohajoamattoman COD:n määrää on vähennettävä tulevaisuudessa, uusien jätevedenkäsittelyprosessien käyttöönotto voi tulla aiheelliseksi.