Reduction of Chemical Oxygen Demand from Pulp Mill Wastewater with Integrated Membrane Filtration

Abstract

The pulp industry generates high volumes of wastewater from 10 to 90 m3 per tonne of produced pulp. The wastewater contains large quantities of various organic compounds which total amount can be measured, for example, with a chemical oxygen demand test. The organic compounds can cause environmental degradation if they are discharged into the near water bodies, and because of that, the treated wastewater has to have high and consistent quality.

This result can be achieved, for example, with membrane filtration process, which can be in use in the tertiary treatment of the wastewater treatment. The membrane processes include micro-, ultra-, nanofiltration and reverse osmosis, which can remove contaminants from water very effectively. The effectiveness of the membrane filtration is, however, highly affected by membrane fouling, which restrains the usage of the membrane processes in the field of the wastewater treatment. During the membrane fouling process, the membrane flux is decreased fast, which causes a decline in the filtration performance of the membrane.

The aim of this thesis is to investigate the suitability of the integrated membrane filtration system for the wastewater treatment of the case study’s pulp mill. The integrated membrane filtration system contains a membrane bioreactor, that combines biological wastewater treatment with membrane filtration, and a membrane filtration unit, which can be, for example, ultrafiltration. In this study, the compounds of the pulp mill’s wastewater, which can still cause membrane fouling in the membrane filtration unit, are also investigated. For example, lignin, adsorbable organic halides, colored compounds and wood extractives, are the possible foulants, because they are challenging to remove from the wastewater with the conventional wastewater treatment processes.

The suitable options for the membrane fouling reduction are also suggested from the aspect of the case study’s pulp mill. The suggested options, which are simple, effective and cost-effective, include optimizing the operating conditions of the membrane filtration unit and the membrane bioreactor and elevating the hydrophilicity of the membrane surface by the membrane material selection or precoating the membrane surface with a surfactant. With a help of the above-mentioned methods, the lowest level of the membrane fouling can be obtained, when the integrated membrane filtration system can be a very suitable option for the wastewater treatment of the pulp mill.

Selluteollisuus muodostaa huomattavia määriä jätevettä, jonka määrä vaihtelee välillä 10–90 m3 tuotettua sellutonnia kohden. Jätevesi sisältää runsaasti erilaisia orgaanisia yhdisteitä, joiden kokonaismäärää voidaan kuvata esimerkiksi jäteveden kemiallisen hapenkulutuksen avulla. Orgaanisten yhdisteiden päästessä valumaan läheisiin vesimuodostumiin, ne voivat aiheuttaa ympäristön tilan heikentymistä, jonka johdosta puhdistetun jäteveden laatu tulee olla korkea ja yhtenäinen.

Kyseiseen puhdistustulokseen voidaan päästä esimerkiksi käyttämällä kalvosuodatustekniikkaa jäteveden puhdistuksen tertiäärivaiheessa. Kalvosuodattimiin kuuluvat mikro-, ultra-, nano- ja käänteisosmoosisuodatus, jotka puhdistavat jätevettä tehokkaasti. Kalvosuodatuksen tehokkuuteen vaikuttaa kuitenkin suuresti kalvon tukkeutuminen, joka rajoittaa kalvojen käyttöönottoa jäteveden puhdistuksessa. Kalvon tukkeutuessa kalvon vuo pienenee nopeasti, mikä aiheuttaa kalvosuodatuksen suorituskyvyn laskua.

Työn tarkoituksena on tutkia integroidun kalvosuodatussysteemin soveltuvuutta tapaustutkimuksen sellutehtaan jäteveden puhdistukseen. Integroitu kalvosuodatussysteemi sisältää membraanibioreaktorin, joka yhdistää jäteveden biologisen puhdistuksen kalvosuodatukseen, sekä erillisen kalvosuodattimen esimerkiksi ultrasuodattimen. Työssä selvitetään myös ne sellutehtaan jäteveden yhdisteet, jotka voivat vielä aiheuttaa kalvopinnan tukkeutumista kalvosuodatimessa. Näihin mahdollisesti tukkeutumista aiheuttaviin yhdisteisiin kuuluvat esimerkiksi ligniini, orgaaniset halogeeniyhdisteet, värilliset yhdisteet sekä puun uuteaineet, jotka ovat haastavia poistaa puhdistettavasta jätevedestä tavallisilla puhdistusmenetelmillä.

Työssä esitellään myös tapaustutkimuksen sellutehtaan näkökulmasta suositeltavat vaihtoehdot kalvon tukkeutumisen vähentämiseen. Näihin yksinkertaisiin, tehokkaisiin ja kustannustehokkaisiin vaihtoehtoihin kuuluvat kalvosuodattimen ja membraanibioreaktorin käyttöolosuhteiden optimointi, kalvopinnan hydrofiilisyyden kasvattaminen kalvomateriaalin valinnalla tai kalvopinnan esipäällystyksellä. Näiden edellä mainittujen vaihtoehtojen avulla voidaan saavuttaa alhaisin taso kalvon tukkeutumiselle, jolloin integroitu kalvosuodatussysteemi vaikuttaa olevan hyvin sopiva vaihtoehto sellutehtaan jäteveden puhdistukseen.