Abstract

According to the European Union’s circular economy strategy, the use of industry waste materials and side flows should be more effective. In general, the objective of the strategy is to increase the recycling and reuse of products and waste materials. This thesis addresses the reuse of Ca-containing paper mill sludge originating from paper mills, Ca- and Mg-containing fly ash originating from power plants, and Ca- and Mg-containing sieved fractions of dolomite provided from lime quarries. These waste materials were used as chemical precipitants in the simultaneous removal of NH₄−N and PO₄−P from synthetic wastewater and from the wastewater of anaerobic digestion plants and agricultural sludge.

Experiments were started using synthetic wastewater and commercial salts, CaO and MgO, as precipitants to generate experimental comparative data. Next, the previously mentioned waste material precipitants were used with synthetic wastewater. Finally, waste material precipitants were used with authentic wastewater. Commercial precipitants, calcined paper mill sludge, and fly ash removed almost 100% of NH₄−N and PO₄−P from the synthetic wastewater. Even though NH₄−N reduction was 100% in the case of calcined paper mill sludge, it was caused by ammonia volatilization into air, not by precipitation. Using calcined dolomite as a precipitant, 70% NH₄−N and 60% PO₄−P reduction was achieved.

Based on the experimental results, the used waste materials quite effectively removed both NH₄−N and PO₄−P from nutrient containing, authentic wastewater. Calcined paper mill sludge removed 17−97% of NH₄−N and 73−74% of PO₄−P. Fly ash removed 43−74% of NH₄−N and 34−59% of PO₄−P. Using calcined dolomite achieved 70% PO₄−P reduction.

Formed precipitates contained valuable compounds, such as monetite, CaHPO₄, hydroxyapatite, Ca₅ (PO₄)₃ (OH), and struvite, MgNH₄PO₄∙6H₂O.

Tiivistelmä

Euroopan unionin kiertotalousstrategian tavoitteena on lisätä teollisuuden jätemateriaalien ja sivuvirtojen uudelleenkäyttöä. Tämä väitöskirjatyö käsittelee paperiteollisuuden Ca- pitoisen kuitusavilietteen, voimalaitoksen Ca- ja Mg- pitoisen lentotuhkan sekä kalkkikivilouhoksen Ca- ja Mg- pitoisen dolomiitin seulontafraktion uudelleenkäyttöä. Näitä jätemateriaaleja käytettiin saostuskemikaaleina NH₄−N:n ja PO₄−P:n samanaikaiseen poistoon sekä synteettisestä että autenttisista jätevesistä, kuten biokaasulaitoksen jätevedestä ja maataloudesta peräisin olevasta lietteestä.

Kokeet aloitettiin synteettisellä jätevedellä käyttäen kaupallisia saostuskemikaaleja CaO ja MgO, kokeellisina vertailumateriaaleina. Seuraavaksi jätemateriaaleilla saostettiin synteettistä jätevettä. Lopuksi kokeissa saostettiin autenttisia jätevesiä jätemateriaaleilla. Kaupalliset saostinkemikaalit, kalsinoitu kuitusaviliete sekä lentotuhka poistivat synteettisestä jätevedestä NH₄−N ja PO₄−P lähes 100 %. Hyvä NH₄−N:n reduktio johtui pääasiassa NH₄−N:n haihtumisesta ilmaan ammoniakkikaasuna, ei saostumisen seurauksena. Kalsinoidulla dolomiitilla aikaansaatu NH₄−N- reduktio oli 70 % ja PO₄−P- reduktio oli 60 %.

Autenttisten koetulosten perusteella tutkimuksessa käytetetyt jätemateriaalit poistivat melko tehokkaasti sekä NH₄−N että PO₄−P ravinnepitoisista, todellisista jätevesistä. Paperitehtaan kalsinoidulla kuitusavilietteellä aikaansaatiin 17−97 % NH₄−N- reduktio sekä 73−74 % PO₄−P- reduktio. Voimalaitoksen lentotuhkalla aikaansaadut reduktiot olivat NH₄−N:n osalta 43−74 % sekä PO₄−P:n osalta 34−59 %. Kalsinoidulla dolomiitilla aikaansaatu PO₄−P- reduktio oli 70 %.

Muodostuneet saostumat sisälsivät arvokkaita kierrätyslannoitekäyttöön soveltuvia yhdisteitä, kuten monetiittia CaHPO₄, hydroksyyliapatiittia, Ca₅ (PO₄)₃ (OH), sekä struviittia, MgNH₄PO₄∙6H₂O.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Myllymäki, P., Pesonen, J., Romar, H., Hu, T., Tynjälä, P., & Lassi, U. (2019). The Use of Ca- and Mg-Rich Fly Ash as a Chemical Precipitant in the Simultaneous Removal of Nitrogen and Phosphorus—Recycling and Reuse. Recycling, 4(2), 14. https://doi.org/10.3390/recycling4020014

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

2. Pesonen, J., Myllymäki, P., Tuomikoski, S., Vervecken, G., Hu, T., Prokkola, H., … Lassi, U. (2019). Use of Calcined Dolomite as Chemical Precipitant in the Simultaneous Removal of Ammonium and Phosphate from Synthetic Wastewater and from Agricultural Sludge. ChemEngineering, 3(2), 40. https://doi.org/10.3390/chemengineering3020040

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Myllymäki, P., Pesonen, J., Nurmesniemi, E.-T., Romar, H., Tynjälä, P., Hu, T., & Lassi, U. (2019). The Use of Industrial Waste Materials for the Simultaneous Removal of Ammonium Nitrogen and Phosphate from the Anaerobic Digestion Reject Water. Waste and Biomass Valorization. https://doi.org/10.1007/s12649-019-00724-8

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

4. Myllymäki, P., Pesonen, J., Romar, H., Hu, T., Tynjälä, P., & Lassi, U. (in press). The use of calcined paper mill sludge as a chemical precipitant in the simultaneous removal of ammonium and phosphate − paper mill waste recycling and reuse. Desalination and Water Treatment. https://doi.org/10.5004/dwt.2020.25385

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version