Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Advanced Oxidation Processes for removal of COD from pulp and paper mill effluents: A Technical, Economical and Environmental Evaluation
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Industrial Ecology.
2013 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Avancerade oxidationsprocesser för reducering av COD i avlopp från massa & papperbruk : En teknisk, Ekonomisk och Miljömässig utvärdering (Swedish)
Abstract [en]

In Sweden, the dominating source for emissions of degradable organic substances to water is the pulp and paper industry. The organic substances increase oxygen consumption in the recipient which subsequently threatens aquatic species. Improved process engineering, process closures and use of external treatments have in recent years drastically lowered the Biological Oxygen Demand (BOD). However, the Chemical Oxygen Demand (COD) has not been reduced to the same extent, as some organic substances are more persistent and must be treated with more advanced techniques.

Chemical precipitation, which can bind large parts of the remaining COD into solid matter, making it possible to be removed from the effluent by various separation technologies, contributes to an efficient COD removal. However, the direct operating cost for the treatment is high as large amount of chemicals are used in the process, and large quantities of sludge generated.

In the near future EU pulp and paper industry will have to meet new regulatory demands on COD discharges, and pulp mills in Asia, South-America and Oceania will meet stringent discharge demands. It is therefore of interest to review alternative treatments in regards to technical, environmental and economical feasibility in the treatment of pulp and paper mill wastewaters. Much interest has been shown for Advanced Oxidation Processes (AOP), which is why these techniques have been evaluated in this thesis. The first part of the report consists of a literature review where processes with the following oxidants have been reviewed: 1. Ozone (O3); 2. Ozone + Hydrogen peroxide (O3/H2O2); 3. Fenton’s reagent (Fe2+/ H2O2); 4. Ozone + Ultraviolet light (O3/UV); 5. Hydrogen peroxide + Ultraviolet light (H2O2/UV); 6. Photo-Fenton’s reagent (Fe2+/ H2O2/UV); 7. Titanium dioxide + Ultraviolet light (TiO2/UV).

Ozone treatment (1) and ozone in combination with hydrogen peroxide (2) were chosen for further experimental studies. The experiments were conducted at Wedecos (Xylem Water Solutions) laboratory in Germany and tested on wastewater from three different Swedish mills: A, B and C.

The experimental results indicate that treatment with ozone is an efficient method for elimination of COD from pulp and paper mill wastewaters. A relatively high COD reduction (41 % for Mill A, 31% for Mill B and 53% for Mill C) was achieved for all wastewaters with an applied ozone dosage of 0.2g O3/L, without an appreciable impact on other parameters such as pH, N-tot, NO2-, NO3-, NH4+, P-tot and PO43-. There are indications that the nature of the wastewater has an impact on the COD removal efficiency and that TMP wastewater is easier to oxidize in comparison to wastewater from sulphate mills. The combination with hydrogen peroxide did not show any further COD reduction compared to ozone treatment alone, thus confirming the results Ko et al. showed in their study in 2009.

Oxidation with ozone is seen as more environmental alternative in comparison to chemical treatment (precipitation/flocculation) because contaminants in the wastewater are destructed rather than concentrated or transferred into a different phase, which leads to the decrease of COD, colour and toxicity without the need to handle large amounts of sludge. However, a subsequent biological treatment may be necessary for removal of BOD as a BOD increase is registered for all wastewater treated in this study.

The costs are on the other hand higher in comparison to chemical treatment even though there are indications of cases when treatment with ozone can be profitable (e.g. if the cost for sludge handling increases in the future, price for chemicals increases and electricity price decreases). There are some uncertainties regarding the system and there is no clear evidence that toxic by-products are not formed. More research must be done and more full-scale installations must be reported before the pulp and paper industry is willing to invest in oxidation technology.

Abstract [sv]

I Sverige, är massa- och pappersindustrin den dominerande utsläppskällan av nedbrytbart organiskt material till vatten. När det organiska materialet når recipienten ökar syreförbrukningen eftersom stora mängder syre erfordras för nedbrytningen av materialet. Detta leder i sin tur till att de vattenlevande organismerna hotas och utsätts för syrebrist. Förbättrad processteknik, ökad processlutning och utbyggnad av extern avloppsvattenrening har under de senaste åren drastiskt sänkt den biokemiska syreförbrukningen (BOD). Däremot har den kemiska syreförbrukningen (COD) inte reducerats i samma utsträckning då delar av det organiska materialet är mer persistent och måste behandlas med mer avancerad teknik.

Kemisk fällning kan idag binda stora delar av det kvarvarande COD till fast material som sedan kan avlägsnas via olika separationsmetoder. En stor nackdel med den här typen av rening är att stora mängder kemikalier används som i sin tur genererar stora mängder slam som måste tas om hand, vilket introducerar höga driftkostnader.

Inom en snar framtid kommer massa- och pappersbruk inom EU att möta nya regulatoriska krav för COD utsläpp, och bruk i Asien, Sydamerika och Oceanien kommer även de att möta väldigt hårda utsläppskrav. Det är därför av intresse att granska alternativa reningsmetoder och utvärdera dess tekniska, miljömässiga och ekonomiska genomförbarhet vid behandling av avloppsvatten från massa- och pappersbruk. Mycket intresse har visats för Avancerade Oxidationsprocesser (AOP), varför dessa tekniker valts att utvärderas i detta examensarbete. Första delen av rapporten innefattar en litteraturstudie där processer med följande oxidanter studerats: 1. Ozon (O3); 2. Ozon + Väteperoxid (O3/H2O2); 3. Fenton’s reagens (Fe2+/ H2O2); 4. Ozon + Ultraviolett ljus (O3/UV); 5. Väteperoxid + Ultraviolett ljus (H2O2/UV); 6. Foto-Fenton’s reagens (Fe2+/ H2O2/UV); 7. Titaniumdioxid + Ultraviolett ljus (TiO2/UV).

Utav dessa valdes ozon behandling (1) och ozon i kombination med väteperoxid (2) för vidare experimentella studier. Behandlingarna har utförts vid Wedecos (Xylem Water Solutions) laboratorium i Tyskland och undersökts på avloppsvatten från tre olika svenska bruk; A , B och C.

Experimentella resultat tyder på att ozonering är effektiv behandlingsmetod för reducering av COD i avloppsvatten från massa- och pappersbruk. En relativt hög COD reducering (41% för bruk A, 31% för bruk B, och 53% för bruk C)  uppvisades för samtliga avloppsvatten med en tillämpad ozondosering på 0.2 g O3/L, utan någon märkbar inverkan på andra parametrar så som pH, N-tot, NO2-, NO3-, NH4+, P-tot och PO43-. Det förekommer indikationer om att typ av avloppsvatten har en inverkan på COD reduktionen och att TMP avloppsvatten är lättare att oxidera i jämförelse mot avloppsvatten från sulfatmassabruk. Kombinationen av ozon och väteperoxid uppvisade ingen ytterligare COD reduktion i jämförelse mot ozon som enda oxidant, och bekräftade därmed de resultat Ko et al. uppvisade i sin studie 2009.

Ozonering ses som ett miljövänligare alternativ till kemisk rening (fällning/flockning) eftersom föroreningarna i vattnet destrueras istället för att koncentreras, vilket innebär att COD, färg och toxicitet kan minskas utan att stora mängder slam genereras. Dock kan en efterföljande biologisk behandling vara nödvändig för avskiljning av BOD då en BOD ökning uppvisats för samtliga avloppsvatten i denna studie i takt med att COD brutits ned till lättnedbrytbart biologisk material.

Kostnaderna är däremot höga i jämförelse mot kemisk fällning även om det förekommer indikationer på fall när behandlingen kan vara lönsam (t ex om slamhanteringskostnaderna blir högre i framtiden, inköpspriset för kemikalier ökar och elpriset sjunker). Det råder vissa tveksamheter gällande systemet och det finns inga konkreta bevis på att toxiska biprodukter inte bildas. Mer forskning måste utföras och fler fullskaliga installationer måste rapporteras och innan massa- och pappersindustrin är villig att investera i oxidationstekniken.

Place, publisher, year, edition, pages
2013. , 104 p.
Series
Trita-IM, ISSN 1402-7615 ; 2013:06
Keyword [en]
Advanced Oxidation Processes, Ozone, Wastewater Treatment, COD, Pulp and Paper Industry
National Category
Environmental Management
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-121350OAI: oai:DiVA.org:kth-121350DiVA: diva2:618554
External cooperation
ÅF Industry
Subject / course
Industrial Ecology
Educational program
Master of Science - Sustainable Technology
Uppsok
Technology
Supervisors
Examiners
Available from: 2013-04-29 Created: 2013-04-29 Last updated: 2013-04-29Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(3481 kB)10947 downloads
File information
File name FULLTEXT02.pdfFile size 3481 kBChecksum SHA-512
e072b401cc59e580ee38d2aed61fbf9c1686103e68254e18f1e365e44d75144f2d831bee3026e1b4801cf7272f5b95419ecdfa67c4dcc10ec2caa517bdd30a25
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Industrial Ecology
Environmental Management

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 10947 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 726 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf