Starch-based biopolymers in municipal sludge treatment processes
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2024-05-20
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Water and Environmental Engineering (WAT)
Language
en
Pages
95
Series
Abstract
The most common sludge treatment chemicals used in municipal wastewater plants (WWTP) are acrylamide-based (PAM) polymeric flocculants. These chemicals are effective but they are made from non-renewable raw materials and contain monomers that are harmful to the environment and water bodies. Interest in flocculants made from renewable raw materials has grown due to their biodegradability, raw material origin, and non-toxicity. The work aimed to evaluate the applicability of starch-based flocculants in sludge thickening and drying processes at municipal WWTPs and examine how effectiveness of flocculants can be determined in laboratory conditions. The functionality of starch-based flocculants was compared to the conventional flocculants. The objective was also to assess the correlation of polymer properties compared to flocculation efficiency and whether the use of the starch-based flocculants offers advantages for sludge reusability. In the laboratory analysis, the applicability of flocculants was tested by reproducing the thickening and drying processes in the laboratory. WWTPs use different treatment processes, which affect the sludge properties and the flocculation in the sludge. For this reason, different sludge samples were studied in the thesis. Sludge samples included digested sludge from the Blominmäki WWTP, mixed MBR (membrane bioreactor) sludge from the Metsä-Sairila WWTP, and mixed sludge from the Toikansuo WWTP. Full-scale process reproducing and data collection were performed by conditioning dif-ferent sludge samples with flocculants, after which the sludge samples were settled in measuring glasses and dried in a laboratory centrifuge. Functionality of four starch-based flocculants ja two PAM-based flocculants was evaluated at doses of 3-12g active polymer/ton of dry solids. At different stages of the process, analyzes were performed on the sludge and the liquid phase after settling and drying. Based on laboratory tests, some of the examined starch-based polymers were found to achieve comparable efficacy to PAM-based polymers when the dosage was increased. Among the properties of the polymer, high molecular weight and chain length correlated with flocculation efficiency. Starch-based polymers are biodegradable, which depends on the branching of the polymer chain and the degree of substitution. Starch-based polymers do not contain the same monomers as PAM-flocculants that could accumulate in water basins or the environment as micro-plastic. The impacts of monomers contained in starch-based flocculants should be further investigatedKunnallisessa jätevedenpuhdistuksessa yleisimpiä lietteen käsittelykemikaaleja ovat akryyliamidi-pohjaiset flokkulantit. Akryyliamidi-pohjaiset flocculantit ovat tehokkaita, mutta ne valmistettaan uusiutumattomista raaka-aineista ja sisältävät ympäristöille ja vesistöille haitallisia monomeereja. Kiinnostus uusiutuvista raaka-aineista valmistettuja flocculantteja kohtaan on kasvanut niiden biohajoavuuden, raaka-aineen alkuperän ja myrkyttömyyden vuoksi. Työn tavoitteena on arvioida tärkkelyspohjaisten flokkulanttien soveltuvuutta lietteen sa- keuttamis- ja kuivausprosesseissa kunnallisilla jätevedenpuhdistamoilla sekä tarkastella, kuinka flokkulanttien tehokkuutta voidaan määrittää laboratorio-olosuhteissa. Työssä pyrit- tiin myös havainnoimaan polymeerien ominaisuuksien korrelaatiota flokkulaatiotehokkuu- teen verrattuna sekä tarjoaako tärkkelyspohjaisten polymeerien käyttö etuja lietteenjat- kokäytettävyyteen. Työssä flokkulanttien soveltuvuutta testattiin simuloimalla kunnallisten jätevedenpuhdistamoiden sakeutus- ja kuivausprosesseja laboratoriossa. Jätevedenpuhdis- tamoilla on käytössä erilaisia puhdistusprosesseja, mikä vaikuttaa muodostuvien lietteiden ominaisuuksiin ja lietteissä tapahtuvaan flokkulaatioon. Tämän vuoksi työssä tutkittiin erilaisia lietejakeita, joita olivat mädätetty liete Blominmäen jätevedenpuhdistamolta, kalvobioreaktorin sekaliete Metsä-Sairilan jätevedenpuhdistamoltaja raakasekaliete Toikansuon jätevedenpuhdistamolta. Prosessien simulointi ja aineiston kerääminen suoritettiin lisäämällä lietenäytteisiin eri polymeerejä eri annostuksilla, jonka jälkeen lietenäytteittä laskeutettiin mittalaseissa ja kuivatettiin sentrifugissa. Prosessin eri vaiheissa suoritettiin analyyseja lietteestä ja nestefaasista laskeutuksen ja kuivauksen jälkeen. Neljän tärkkelyspohjaisen ja kahden PAM-pohjaisen flokkulantin toiminnallisuutta arvioitiin annoksilla 3-12g aktiivista polymeeriä/tonnia kuiva-ainetta. Prosessin eri vaiheissa suoritettiin analyysejä sekä lietteestä että nesteestä laskeutumisen ja kuivauksen jälkeen. Laboratoriokokeiden perusteella havaittiin, että osa tutkituista tärkkelyspohjaisista flokkulanteista saavutti vertailukelpoisen tehon PAM-pohjaisten polymeerien kanssa, kun annosta lisättiin. Laboratoriokokeiden perusteella havaittiin, että osa tutkituista tärkkelyspohjaisista polymeereistä saavutti vertailukelpoisen tehokkuuden PAM-pohjaisten polymeereihin verrattuna, kun annostusta lisättiin. Polymeerin ominaisuuksista korkea molekyylipainon ja ketjun pituus korreloi flokkulaatiotehokkuuden kanssa. Tärkkelyspohjaiset polymeerit ovat biohajoavia, mutta niiden biohajoavuus riippuu polymeeriketjun haaroittuneisuudesta ja substituutioasteesta. Tärkkelyspohjaiset flokkulantit eivät sisällä samoja monomeereja kuin PAM- pohajaiset flokkulantit, jotka voisivat kertyä vesistöissä tai ympäristössä mikromuovina. Tärkkelyspohjaisten flokkulanttien sisältämien monomeerien vaikutuksia tulisi tutkia edelleen.Description
Supervisor
Mikola, AnnaThesis advisor
Larsson, TimoPalviainen, Teemu
Keywords
sludge treatment, flocculation, biopolymers, dewatering, thickening, starch-based polymers
