University of Oulu

Chemical precipitation in the simultaneous removal of NH4−N and PO4−P from wastewaters using industrial waste materials

Saved in:
Author: Myllymäki, Pekka1,2,3
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Technology, Chemistry
3Kokkola University Consortium Chydenius
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 3.3 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526225722
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2020
Publish Date: 2020-03-27
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in the Ulappa auditorium of Kokkola University Consortium Chydenius (Talonpojankatu 2B) on 6 April 2020, at 12 noon
Tutor: Professor Ulla Lassi
Docent Pekka Tynjälä
Doctor Janne Pesonen
Reviewer: Professor Anna Mikola
Professor Kai Udert
Opponent: Professor Ari Väisänen
Description:

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.

see all

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.

see all

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

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-2572-2
ISBN Print: 978-952-62-2571-5
Issue: 742
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 116 Chemical sciences
215 Chemical engineering
218 Environmental engineering
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2020. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.