Abstract

This thesis deals with electrocoagulation (EC) in water treatment. The EC method has been in use with continuous development since the late 19th century, although there is a need for improved technical solutions. A review of the literature reveals design needs for sludge control, current feed, and maintenance. This thesis introduces a novel continuous EC system and compares it to a commonly used batch EC system for the removal efficiency of suspended solids, such as viable microbial cells, organic compounds, and nutrients. Operational costs of processes are also compared. The continuous EC process shows potential in the treatment of paint industry wash water for reusable conditions and nutrient recovery via struvite precipitation during the humic acid water treatment.

The second part of the thesis focuses on EC sludge in selected applications. One publication from this thesis is a review of EC sludge utilization in different applications. Nutrient recovery is important to avoid eutrophication in water bodies, and it can be achieved in the EC process by precipitating struvite, a low-releasing fertilizer. During struvite precipitation, a sacrificial Mg anode is used, and the nutrients (NH₄-N and phosphate) are recovered from wastewater. Further, EC-based sludges were explored as adsorbents (recovery of humic acid) and catalysts (catalytic wet peroxide oxidation of bisphenol A). Calcined EC sludge was found to be a suitable adsorbent and catalyst for the examinated applications.

Tiivistelmä

Väitöstutkimuksessa tarkastellaan elektrokoagulaatiota (EC) veden käsittelyssä ja siinä muodostuvan sakan hyödyntämistä. Aluksi vertaillaan jatkuvatoimista ja panostoimista EC-menetelmää. Vaikka EC-menetelmä on kehitetty jo 1800-luvun lopulla, on menetelmässä ja siihen liittyvässä laitteistokehityksessä edelleen parannettavaa. Kehittämistarpeet liittyvät mm. sakan muodostumisen hallintaan ja talteenottoon, virran syöttöön sekä laitteiston ylläpitoon. Väitöstutkimuksessa esitellään uusi jatkuvatoiminen EC-laitteisto ja sitä verrataan yleisesti käytössä olevaan panoslaitteistoon. Vertailua tehdään erilaisten muuttujien kuten mikrobien, kiintoaineksen ja ravinteiden poistamisen suhteen EC prosessissa. Lisäksi vertailussa käytetään myös taloudellisia tunnuslukuja, jotka prosessista ovat laskettavissa. Uusi jatkuvatoiminen EC-laitteisto on potentiaalinen puhdistettaessa maalinpesuvesiä uudelleen käytettäväksi ja struviitin muodostamisessa liukoisen Mg-anodin avulla.

Väitöstyön toisena tavoitteena on EC-prosessissa muodostuvan sakan hyödyntäminen. Kirjallisuusselvityksen avulla kartoitettiin erilaisia EC-sakan hyödyntämismahdollisuuksia. Ravinteiden talteenotto on tärkeää, jotta vältetään vesien rehevöitymistä. Ravinteiden (NH₄-N ja fosfaatti) talteenottoa tutkittiin saostamalla struviittia (niukkaliukoinen lannoite) EC-prosessissa liukoisen Mg-anodin avulla. Lisäksi tutkittiin EC-sakan hyödyntämistä humushapon adsorptiossa sekä katalyyttisessa bisfenoli A:n peroksidihapetuksessa. Kalsinoidun EC-sakan todettiin soveltuvan hyvin adsorbentiksi ja katalyytiksi em. sovelluksissa.

Osajulkaisut / Original papers

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

1. Rajaniemi, K., Raulio, M., Tuomikoski, S., & Lassi, U. (2019). Comparison of batch and novel continuous electrocoagulation processes in the treatment of paint industry wash water. Desalination and Water Treatment, 170, 394–404. https://doi.org/10.5004/dwt.2019.24562

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

2. Rajaniemi, K., Hu, T., Nurmesniemi, E.-T., Tuomikoski, S., & Lassi, U. (2021). Phosphate and ammonium removal from water through electrochemical and chemical precipitation of struvite. Processes, 9(1), 150. https://doi.org/10.3390/pr9010150

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Rajaniemi, K., Tuomikoski, S., & Lassi, U. (2021). Electrocoagulation sludge valorization—A review. Resources, 10(12), 127. https://doi.org/10.3390/resources10120127

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

4. Rajaniemi, K., Heponiemi, A., Tuomikoski, S., & Lassi U. (2022). Use of Fe and Al containing electrocoagulation sludge as adsorbent and catalyst. Manuscript in preparation.