Increasing Sludge Valorization by Combining Thermochemical Treatment with Anaerobic Digestion : Focus on hydrothermal carbonization and pyrolysis
Hämäläinen, Anna (2023)
Hämäläinen, Anna
Tampere University
2023
Tekniikan ja luonnontieteiden tohtoriohjelma - Doctoral Programme in Engineering and Natural Sciences
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.
Väitöspäivä
2023-10-20
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-3078-1
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-3078-1
Tiivistelmä
Jätevesilietteet edustavat korkean volyymin kierrätysravinteiden (typpi ja fosfori), hiilen ja uusiutuvan energian lähdettä. Jätevesilietteitä käsitellään tyypillisesti anaerobisella mädätyksellä, jotta sen stabiilius kasvaa ja patogeenien määrä laskee, täten kasvattaen lietteen hyödynnettävyyttä maanparannusaineena, viherrakentamisessa ja ravinteiden talteenotossa, ja jotta siitä voidaan tuottaa uusiutuvaa energiaa biokaasun muodossa. Käytännössä mädätys yksinään on riittämätön hyödyntämään jätevesilietteiden koko energiasisältöä ja muokkaamaan lietettä parhaaseen mahdolliseen käyttökelpoisuuteen ravinteiden ja hiilen talteenottoa varten. Tästä syystä, termokemiallisia käsittelyjä pitäisi ottaa käyttöön täydentämään jätevesilietteiden käsittelyä. Tämän työn tavoitteena oli arvioida märkäpyrolyysin (HTC) ja kuivapyrolyysin mahdollisuuksia mädätetyn yhdyskuntajätevesilietteen sekä teollisen paperi- ja sellutehtaan sekalietteen jalostamisessa ravinteiden talteenottoa, hiilen varastointia sekä biokaasun tuottoa varten.
HTC-käsittelyillä tuotettiin hydrohiiltä ja suodosta, joiden ominaisuudet riippuivat lietesyötteestä sekä HTC:n prosessiolosuhteista. Mädätetyn yhdyskuntajätevesilietteen vedetöintiominaisuudet parantuivat huomattavasti, sillä hydrohiilen kiintoaineen määrä kasvoi jopa 60 prosenttiin kokonaismassasta alkuperäisen, käsittelemättömän ja mekaanisesti vedetöidyn mädätteen kiintoainepitoisuuden ollessa 25%. Käsittelyjen vaikutus teollisen paperi- ja sellutehtaan sekalietteen vedetöintiominaisuuksiin oli pieni, mutta sekalietteen energiasisältö kasvoi alkuperäisestä lämpöarvosta 14.9 MJ/kg hydrohiilen 20.5 MJ/kg. Mädätteen hydrohiilen fosforipitoisuudet kasvoivat 3.2–3.7 prosentista kuiva-ainetta jopa 5.7 prosenttiin kuiva-ainetta, puoltaen ravinteiden talteenottosovellutuksia, kun taas sekalietteen hydrohiilen todettiin olevan soveltuvampi hiilen varastointiin, johtuen mädäte-hydrohiileen verraten matalan ravinnepitoisuuden sekä jopa 33 prosentin kasvaneen hiilipitoisuuden vuoksi. Kaikki tuotetut HTC- suodokset sisälsivät 12–15 kertaisen määrän biohajoavaa orgaanista ainetta sekä 3–5 kertaa korkeamman metaanin tuottopotentiaalin verrattuna käsittelemättömiin lietesuodoksiin. HTC-suodosten ohella, anaerobinen mädätys soveltui myös mädätteen kuivapyrolyysissä tuotetun pyrolyysinesteen hävittämiseen ja käsittelyyn, sillä havaittiin, että pyrolyysinesteen vaikutus jätevesilietteen mädätysprosessiin oli neutraali eikä inhibitiota tapahtunut. Biokaasulaitoksen ja HTC:n integrointiarviointi osoitti, että biokaasun tuotantomäärä kasvoi 1% ja typpituotteen 33%, vaikkei biokaasulaitoksen energiankulutus lisääntynyt merkittävästi.
Työn tulokset osoittivat, että jätevesilietteiden jalostus HTC:llä mahdollistaa kokonaisvaltaisemman ravinteiden, hiilen ja energian talteenoton kuin anaerobinen mädätys yksinään. Työn löydökset rohkaisevat termokemiallisten käsittelyjen käyttöönottoa biokaasulaitosten ja teollisten jätevesikäsittelyjen yhteyteen lisäämään jätevesilietteen hyödyntämisastetta.
HTC-käsittelyillä tuotettiin hydrohiiltä ja suodosta, joiden ominaisuudet riippuivat lietesyötteestä sekä HTC:n prosessiolosuhteista. Mädätetyn yhdyskuntajätevesilietteen vedetöintiominaisuudet parantuivat huomattavasti, sillä hydrohiilen kiintoaineen määrä kasvoi jopa 60 prosenttiin kokonaismassasta alkuperäisen, käsittelemättömän ja mekaanisesti vedetöidyn mädätteen kiintoainepitoisuuden ollessa 25%. Käsittelyjen vaikutus teollisen paperi- ja sellutehtaan sekalietteen vedetöintiominaisuuksiin oli pieni, mutta sekalietteen energiasisältö kasvoi alkuperäisestä lämpöarvosta 14.9 MJ/kg hydrohiilen 20.5 MJ/kg. Mädätteen hydrohiilen fosforipitoisuudet kasvoivat 3.2–3.7 prosentista kuiva-ainetta jopa 5.7 prosenttiin kuiva-ainetta, puoltaen ravinteiden talteenottosovellutuksia, kun taas sekalietteen hydrohiilen todettiin olevan soveltuvampi hiilen varastointiin, johtuen mädäte-hydrohiileen verraten matalan ravinnepitoisuuden sekä jopa 33 prosentin kasvaneen hiilipitoisuuden vuoksi. Kaikki tuotetut HTC- suodokset sisälsivät 12–15 kertaisen määrän biohajoavaa orgaanista ainetta sekä 3–5 kertaa korkeamman metaanin tuottopotentiaalin verrattuna käsittelemättömiin lietesuodoksiin. HTC-suodosten ohella, anaerobinen mädätys soveltui myös mädätteen kuivapyrolyysissä tuotetun pyrolyysinesteen hävittämiseen ja käsittelyyn, sillä havaittiin, että pyrolyysinesteen vaikutus jätevesilietteen mädätysprosessiin oli neutraali eikä inhibitiota tapahtunut. Biokaasulaitoksen ja HTC:n integrointiarviointi osoitti, että biokaasun tuotantomäärä kasvoi 1% ja typpituotteen 33%, vaikkei biokaasulaitoksen energiankulutus lisääntynyt merkittävästi.
Työn tulokset osoittivat, että jätevesilietteiden jalostus HTC:llä mahdollistaa kokonaisvaltaisemman ravinteiden, hiilen ja energian talteenoton kuin anaerobinen mädätys yksinään. Työn löydökset rohkaisevat termokemiallisten käsittelyjen käyttöönottoa biokaasulaitosten ja teollisten jätevesikäsittelyjen yhteyteen lisäämään jätevesilietteen hyödyntämisastetta.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [4943]