Sellu- ja paperitehtaan biolietteen mädätys ja mädätteen jatkokäsittely

Anaerobic digestion is able to convert organic material into biogas, which can be utilized in energy production. Even though anaerobic digestion is a widely used sludge treatment method in municipal sector, it has not gained popularity in pulp and paper industry. Due to stringent environmental regulations regarding waste new means to utilize waste streams are being developed and assessed. In this thesis, the feasibility of anaerobic digestion of pulp and paper mill bio sludge (PPBS) was evaluated. The thesis consisted of literature review and experimental part, where the mesophilic anaerobic digestion was integrated in sludge treatment process in laboratory-scale. The research objectives in this thesis were to determine the effects of anaerobic digestion on PPBS dewater ability and to optimize the biogas production potential in anaerobic digestion process. The effects on PPBS dewater ability were evaluated in filtration tests. The anaerobic digestion of PPBS was evaluated in batch digestion and in continuously fed digestion. In batch digestion, the biogas productions of mechanically disintegrated and untreated PPBS were evaluated with manometer, which registered the pressure change in closed system. In continuously fed digestion, the formed biogas was collected in gas bags, and the amount of formed biogas was compared to the dry solids reduction. Based on the results, the feasibility of full-scale anaerobic digestion of PPBS was evaluated. In continuously fed anaerobic digestion experiments the organic fraction in PPBS from UPM Kaukas mill was reduced 9·18 % depending on the solids retention time. Based on the results, the optimal solids retention time for disintegrated PPBS seemed to be close to 15 days, where the daily biogas production per sludge feed was approximately 32 m 3/ton OS. The sludge disintegration was found to improve the biogas production by 30 % in manometric experiments. In addition, the sludge disintegration increased the methane content in biogas by 13 %. Even though anaerobic digestion is able to reduce the dry solids fraction In PPBS, it does not solve the problem related with the high water content. Both anaerobic digestion and sludge disintegration were found to decrease the PPBS dewater ability. The nutrient and heavy metal analysis indicated that the digested PPBS could be utilized into some extent for example in forest fertilizing.Kunnallisella puolella jätevesien puhdistuksessa syntyviä lietteitä käsitellään yleisesti mädättämöissä, joissa orgaaninen aines hajoaa ja muodostaa biokaasua. Lietteiden mädätys ei kuitenkaan ole yleistynyt metsäteollisuudessa, jossa jätevesien puhdistamisen yhteydessä syntyvät lietteet yleensä hävitetään polttamalla. Tiukentuvien jätevesilietteiden loppusijoitusta koskevien ympäristömääräysten ja -lainsäädännön takia uusia lietteiden hyödyntämisvaihtoehtoja tutkitaan ja kehitetään jatkuvasti. Tässä diplomityössä arvioitiin mädätyksen soveltuvuutta sellu· ja paperiteollisuudessa syntyvän biolietteen käsittelyyn. Diplomityö koostuu kirjallisesta ja kokeellisesta osiosta, jossa biolietteen mesofiilistä mädätystä tutkittiin laboratoriomittakaavassa. Työn tutkimuskohteina olivat mädätyksen vaikutukset biolietteen rakenteeseen ja vedenpoisto-ominaisuuksiin. Mädätyksen ja mekaanisen esikäsittelyn vaikutuksia vedenpoisto-ominaisuuksiin tutkittiin suotautuvuustesteillä. Biolietteen mädätystä tutkittiin sekä panoskokeissa että jatkuvasyöttöisissä mädätyskokeissa, joissa tavoitteena oli optimoida biokaasuntuottoa. Panoskokeissa kaasunmuodostusta suljetussa systeemissä mitattiin manometrisesti. Jatkuvasyöttöisissä mädätyskokeissa syntynyt biokaasu kerättiin talteen kaasunkeräyspusseihin, ja biokaasun määrää verrattiin mädätetyn biolietteen kuiva-ainemäärän pienentymään. Tulosten perusteella arvioitiin tehdasmittakaavassa mädätyslaitoksen energiantuottoa ja orgaanisen aineksen hajoamista. Mädätetyn biolietteen hyödyntämisvaihtoehtoja arvioitiin raskasmetalli- ja ravinneanalyysien perusteella. Jatkuvasyöttöisessä mädätyskokeessa UPM:n Kaukaan tehtaan biolietteen orgaanisesta määrästä hajosi 9-18 %. Tulosten perusteella optimaalinen biokaasuntuotto saatiin, kun biolietteen viipymäaika mädätyksessä oli noin 15 päivää, jolloin biokaasuntuotto syötettyä lietemäärää kohden oli noin 32 m3/ton DS. Kun biolietteen rakenne hajotettiin mekaanisesti ennen mädätystä, biokaasun tuotanto parantui 30 % ja samalla metaanipitoisuus kasvoi 13 %. Biolietteen vedenpoisto-ominaisuudet kuitenkin heikkenivät sekä mekaanisen esikäsittelyn että mädätyksen seurauksena. Mädätetystä biolietteestä tehtyjen ravinne- ja raskasmetallimääritysten perusteella vaikuttaa siltä, että mädätettyä biolietettä voitaisiin hyödyntää jossain määrin esimerkiksi metsälannoituksessa