Optimization of coagulation-flocculation process in pretreatment of industrial wastewater
Majuri, Antti (2020)
Diplomityö
Majuri, Antti
2020
School of Engineering Science, Kemiantekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020080448059
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020080448059
Tiivistelmä
Chemical industrial manufacturing processes create wastewater with various contaminants in it. Industrial wastewater requires pretreatment with physical, chemical, or biological unit operations to reduce its contaminant amount prior to discharging wastewater into municipal sewer network. At Solenis Finland Oy Tampere chemical manufacturing plant’s production line, washing waters are used to dilute products and excess water is directed to its water treatment facilities along with chemical truck loading equipment washing waters which are the two primary sources of suspended solid contaminants in its wastewaters. Treatment of this type of chemical industry wastewater can be hard when wastewater quality can differ in characteristics on a day-to-day basis. Solenis Tampere wastewater treatment facilities use physicochemical coagulation and flocculation along with gravitational sedimentation, and sludge filtration to treat its wastewater.
The aim of this thesis was to improve the coagulation and flocculation process in order to enhance the sedimentation process and overall treatment train. Objective was to find a coagulant that can reduce supernatant’s total suspended solid (TSS) concentration to below 500 mg/l with settleable flocs. Coagulation, direct flocculation, and combined coagulation-flocculation laboratory scale jar tests were conducted to find optimal process conditions for pH, mixing speed, coagulant choice, and dosage. Investigation of colloidal particle charges in supernatant relative to coagulant dosage was done to see if charge neutralization plays a significant role in the coagulation process and if it could be used to determine optimal coagulant dosage. Investigation of flocculants in sedimentation and dewatering was done to aid sludge settling and subsequent filtration process.
Best results were obtained with Chargepac 121 coagulant blend which required 200 µl/l dosage for wastewater with low TSS, 200 µl/l for wastewater containing Detac deposit control agent and 600 µl/l for wastewater with high TSS to reduce wastewater’s turbidity to below 1000 FNU. Direct flocculation and the use of flocculants with coagulant blends were not found to be beneficial in treating the wastewater. Based on laboratory scale coagulation jar test results the process should be improved by adjusting its initial pH setting to 10 for better coagulant performance. Recommended alkali base to use for pH adjustment is calcium hydroxide (Ca(OH)2) for its coagulative effects on organic contaminant wastewater, which can reduce the amount of coagulant needed, and improve sludge filterability. Coagulant dosage should be adjusted according to wastewater TSS concentration instead of the static 1000 µl/l dosage that is currently used as it was found during testing that dosages of and exceeding 1000 µl/l caused sludge settleability and compression issues. Based on observations on the laboratory scale coagulation jar tests, the implementation of rapid mixing stage for better coagulant dispersion and slow mixing stage for flocculation are highly recommended as well. For better sludge dewaterability, the sludge could be conditioned with 11% Ca(OH)2 with 60 – 80 ml/l dosage or low charge high molecular weight cationic Drewfloc 2610 or 2675 polymers with 40 ppm dosages based on filtration test results. Annual treatment costs can be significantly reduced if the recommended process changes can allow the overall wastewater treatment train to function normally. Kemianteollisuuden prosessien jätevedet sisältävät erilaisia epäpuhtauksia. Tästä syystä jätevedet on esikäsiteltävä fysikaalisilla, kemiallisilla tai biologisilla yksikköoperaatioilla ennen niiden johtamista kunnalliseen viemäriverkostoon, jotta niiden epäpuhtauksien määrää saadaan laskettua turvalliselle tasolle. Solenis Finland Oy:n Tampereen tehtaan tuotantolinjojen puhdistusvesiä käytetään kemikaalituotteiden laimentamiseen ja ylimääräinen vesi ohjataan laitoksen jätevedenpuhdistamolle yhdessä kemikaalien lastauksesta syntyvien jätevesien kanssa, mitkä ovat kaksi pääasiallisinta jäteveden kiintoainelähdettä. Tästä syystä jäteveden laatu vaihtelee päivittäin, mikä aiheuttaa ongelmia sen puhdistuksessa. Solenis Tampereen jätevedet puhdistetaan fysikaaliskemiallisesti koaguloinnilla ja flokkuloinnilla yhdistettynä painovoimaiseen laskeutukseen, ja siitä syntyvä liete suodatetaan.
Tämän diplomityön tarkoituksena oli parantaa koagulointi- ja flokkulointiprosessin toimintaa, jotta laskeutusprosessin toiminta ja täten koko käsittelyketjun toiminta tehostuisi. Tehtävänä oli löytää prosessille sopiva koagulointikemikaali, jolla kirkasteen kiintoainepitoisuus saataisiin alle 500 mg/l, ja jonka muodostamat flokit laskeutuvat. Koagulointia, suoraa flokkulointia ja yhdistettyä koagulointi-flokkulointia testattiin laboratoriokokeilla optimaalisten prosessiolosuhteiden löytämiseksi pH:n, sekoitusnopeuden ja koagulointikemikaalin annoksen osalta, sekä löytämään sopiva koagulointikemikaali. Kirkasteen kolloidisten partikkelien pintavarauksia tutkittiin suhteessa koagulointikemikaalin annoksen määrään, jotta voitaisiin nähdä, onko varauksen neutralointi merkittävässä roolissa koaguloinnissa, ja voitaisiinko pintavarausta käyttää optimaalisen annostuksen määrittämiseen. Flokkulantteja tutkittiin laskeutuksessa ja lietteen kuivatuksessa, jotta saataisiin selville, olisiko näistä hyötyä lietteen laskeutuksessa ja suodatuksessa.
Parhaimmat tulokset saatiin Chargepac 121 koagulanttisekoituksella, joka tarvitsi 200 µl/l annoksen matalan kiintoainepitoisuuden jätevedellä, 200 µl/l annoksen saostumanestoaine Detac:ia sisältävällä jätevedellä ja 600 µl/l annoksen korkean kiintoainepitoisuuden jätevedellä, jotta jäteveden sameus saatiin laskettua alle 1000 FNU:n. Suoralla flokkuloinnilla ja flokkulanttien käytöllä yhdessä koagulanttisekoitusten kanssa ei havaittu parantavia vaikutuksia jätevedenpuhdistukseen. Laboratoriokeiden tulosten perusteella prosessia voitaisiin parantaa nostamalla pH-säädön asetusten aloitusarvoksi 10, jotta koagulointikemikaalit toimisivat paremmin. Tulosten perusteella kalsiumhydroksidia (Ca(OH)2) suositellaan pH säätöä varten sen hyvien koagulointiominaisuuksien takia orgaanisia epäpuhtauksia sisältävään jäteveteen, jotta voitaisiin laskea tarvittavaa koagulointikemikaalin annoksen määrää ja parantaa lietteen suodattumista. Koagulantin annostusta pitäisi laskea nykyisestä 1000 µl/l vakiosta ja säätää annostus riippumaan jäteveden kiintoainepitoisuudesta, jotta voitaisiin välttää lietteen laskeutuksen ja kompressoituvuuden ongelmat, jotka havaittiin testeissä yli 1000 µl/l koagulanttiannoksilla. Laboratoriokokeiden havaintojen perusteella olisi myös suositeltavaa, että koagulointiin ja flokkulointiin otettaisiin käyttöön nopean sekoituksen vaihe, jolla voitaisiin parantaa koagulantin levittäytymistä jätevedessä, ja hitaan sekoituksen vaihe, jolla voitaisiin parantaa partikkelien flokkaantumista yhteen. Suodatuskokeiden perusteella lietteen kuivatuksen avuksi sopisi 11% Ca(OH)2 60 – 80 ml/l annoksella tai matalan varauksen ja korkean molekyylimassan omaavia kationisia Drewfloc 2610 tai 2675 polymeerejä 40 ppm annoksella. Vuosittaisia jäteveden kustannuksia saataisiin laskettua huomattavasti, jos suositellut muutokset prosessiin auttaisivat jäteveden käsittelyketjua toimimaan normaalisti.
The aim of this thesis was to improve the coagulation and flocculation process in order to enhance the sedimentation process and overall treatment train. Objective was to find a coagulant that can reduce supernatant’s total suspended solid (TSS) concentration to below 500 mg/l with settleable flocs. Coagulation, direct flocculation, and combined coagulation-flocculation laboratory scale jar tests were conducted to find optimal process conditions for pH, mixing speed, coagulant choice, and dosage. Investigation of colloidal particle charges in supernatant relative to coagulant dosage was done to see if charge neutralization plays a significant role in the coagulation process and if it could be used to determine optimal coagulant dosage. Investigation of flocculants in sedimentation and dewatering was done to aid sludge settling and subsequent filtration process.
Best results were obtained with Chargepac 121 coagulant blend which required 200 µl/l dosage for wastewater with low TSS, 200 µl/l for wastewater containing Detac deposit control agent and 600 µl/l for wastewater with high TSS to reduce wastewater’s turbidity to below 1000 FNU. Direct flocculation and the use of flocculants with coagulant blends were not found to be beneficial in treating the wastewater. Based on laboratory scale coagulation jar test results the process should be improved by adjusting its initial pH setting to 10 for better coagulant performance. Recommended alkali base to use for pH adjustment is calcium hydroxide (Ca(OH)2) for its coagulative effects on organic contaminant wastewater, which can reduce the amount of coagulant needed, and improve sludge filterability. Coagulant dosage should be adjusted according to wastewater TSS concentration instead of the static 1000 µl/l dosage that is currently used as it was found during testing that dosages of and exceeding 1000 µl/l caused sludge settleability and compression issues. Based on observations on the laboratory scale coagulation jar tests, the implementation of rapid mixing stage for better coagulant dispersion and slow mixing stage for flocculation are highly recommended as well. For better sludge dewaterability, the sludge could be conditioned with 11% Ca(OH)2 with 60 – 80 ml/l dosage or low charge high molecular weight cationic Drewfloc 2610 or 2675 polymers with 40 ppm dosages based on filtration test results. Annual treatment costs can be significantly reduced if the recommended process changes can allow the overall wastewater treatment train to function normally.
Tämän diplomityön tarkoituksena oli parantaa koagulointi- ja flokkulointiprosessin toimintaa, jotta laskeutusprosessin toiminta ja täten koko käsittelyketjun toiminta tehostuisi. Tehtävänä oli löytää prosessille sopiva koagulointikemikaali, jolla kirkasteen kiintoainepitoisuus saataisiin alle 500 mg/l, ja jonka muodostamat flokit laskeutuvat. Koagulointia, suoraa flokkulointia ja yhdistettyä koagulointi-flokkulointia testattiin laboratoriokokeilla optimaalisten prosessiolosuhteiden löytämiseksi pH:n, sekoitusnopeuden ja koagulointikemikaalin annoksen osalta, sekä löytämään sopiva koagulointikemikaali. Kirkasteen kolloidisten partikkelien pintavarauksia tutkittiin suhteessa koagulointikemikaalin annoksen määrään, jotta voitaisiin nähdä, onko varauksen neutralointi merkittävässä roolissa koaguloinnissa, ja voitaisiinko pintavarausta käyttää optimaalisen annostuksen määrittämiseen. Flokkulantteja tutkittiin laskeutuksessa ja lietteen kuivatuksessa, jotta saataisiin selville, olisiko näistä hyötyä lietteen laskeutuksessa ja suodatuksessa.
Parhaimmat tulokset saatiin Chargepac 121 koagulanttisekoituksella, joka tarvitsi 200 µl/l annoksen matalan kiintoainepitoisuuden jätevedellä, 200 µl/l annoksen saostumanestoaine Detac:ia sisältävällä jätevedellä ja 600 µl/l annoksen korkean kiintoainepitoisuuden jätevedellä, jotta jäteveden sameus saatiin laskettua alle 1000 FNU:n. Suoralla flokkuloinnilla ja flokkulanttien käytöllä yhdessä koagulanttisekoitusten kanssa ei havaittu parantavia vaikutuksia jätevedenpuhdistukseen. Laboratoriokeiden tulosten perusteella prosessia voitaisiin parantaa nostamalla pH-säädön asetusten aloitusarvoksi 10, jotta koagulointikemikaalit toimisivat paremmin. Tulosten perusteella kalsiumhydroksidia (Ca(OH)2) suositellaan pH säätöä varten sen hyvien koagulointiominaisuuksien takia orgaanisia epäpuhtauksia sisältävään jäteveteen, jotta voitaisiin laskea tarvittavaa koagulointikemikaalin annoksen määrää ja parantaa lietteen suodattumista. Koagulantin annostusta pitäisi laskea nykyisestä 1000 µl/l vakiosta ja säätää annostus riippumaan jäteveden kiintoainepitoisuudesta, jotta voitaisiin välttää lietteen laskeutuksen ja kompressoituvuuden ongelmat, jotka havaittiin testeissä yli 1000 µl/l koagulanttiannoksilla. Laboratoriokokeiden havaintojen perusteella olisi myös suositeltavaa, että koagulointiin ja flokkulointiin otettaisiin käyttöön nopean sekoituksen vaihe, jolla voitaisiin parantaa koagulantin levittäytymistä jätevedessä, ja hitaan sekoituksen vaihe, jolla voitaisiin parantaa partikkelien flokkaantumista yhteen. Suodatuskokeiden perusteella lietteen kuivatuksen avuksi sopisi 11% Ca(OH)2 60 – 80 ml/l annoksella tai matalan varauksen ja korkean molekyylimassan omaavia kationisia Drewfloc 2610 tai 2675 polymeerejä 40 ppm annoksella. Vuosittaisia jäteveden kustannuksia saataisiin laskettua huomattavasti, jos suositellut muutokset prosessiin auttaisivat jäteveden käsittelyketjua toimimaan normaalisti.