Abstract Oily wastewaters are heterogeneous, containing various types of oils, surfactants from detergents, metals etc. Oily wastewaters are produced from a wide range of industries such as metalworking, petroleum refineries, the petrochemical industry, transportation as well as the textile and food industries. Oily wastewaters, especially those containing stable oil-in-water emulsions, require advanced treatment as conventional treatment methods have their limitations to meet ever-stricter environmental regulations. Ultrafiltration is a widely accepted and commonly used treatment method for oily wastewaters. The first aim of this thesis was to increase knowledge concerning the performance of an industrial-scaled ultrafiltration-based process treating concentrated real oily wastewaters. The demand for a more effective pre-treatment method for ultrafiltration to enhance performance and decrease fouling of membrane was observed. The second aim of the thesis was to investigate the suitability and efficiency of different methods for treating concentrated model oil-in-water emulsions and real oily wastewaters. The treatment methods studied were electrocoagulation (electrolytic dissolution of anodic metal), conventional coagulation-flocculation followed by either sedimentation or dissolved air flotation, and dissolved air flotation utilising cationic air bubbles. Electrocoagulation was discovered to be a promising treatment method for various types of oil-in-water emulsions. Dissolved air flotation with cationic modified air bubbles was proven to be an efficient method with even higher treatment results with smaller chemical doses when compared to conventional coagulation-flocculation followed by dissolved air flotation. The biodegradation of various components is an important measure of their impact on the environment in case of spillage. The third aim of the thesis was to explore the biodegradability of different types of oils and surfactants in solution conditions and soils. It was discovered that the biodegradation of light fuel oil continued during a three-month time period, reaching a biodegradation degree of over 60% in mineral-rich soil. For surfactants, their distinct effect on the biodegradation of organic material in soil was observed, and it masked the biodegradation of the surfactants themselves. / Tiivistelmä Öljyiset jätevedet ovat heterogeenisiä, sisältäen mm. erityyppisiä öljyjä, metalleja ja pesuaineiden pinta-aktiivisia aineita. Öljyisiä jätevesiä muodostuu laajalti eri teollisuuksista, kuten metallintyöstöstä, öljyn jalostuksesta, petrokemian teollisuudesta, ruoka- ja tekstiiliteollisuudesta sekä liikenteestä. Öljyiset jätevedet, varsinkin stabiileja öljyemulsioita sisältävät, vaativat tehokkaan käsittelymenetelmän, jotta ympäristölainsäädännön ja luvituksen ehdot täyttyvät. Ultrasuodatus on yleisesti käytössä oleva öljyisten jätevesien käsittelymenetelmä. Tämän väitöstyön ensimmäinen tavoite oli lisätä tietoutta teollisen mittakaavan konsentroituneiden öljyisten jätevesien ultrasuodatusprosessien tehokkuudesta. Prosessien strategisista kohdista kerättyjen öljyisten jätevesien karakterisointitulosten perusteella havaittiin, että ennen ultrasuodatusta tarvitaan tehokas esikäsittelyvaihe prosessin tehostamiseksi ja ultrasuodattimen tukkeutumisen vähentämiseksi. Täten toinen väitöstyön tavoite oli selvittää eri menetelmien soveltuvuutta ja tehokkuutta konsentroituneiden malliaineina käytettyjen öljyemulsioiden ja öljyisten jätevesien käsittelyssä. Tutkitut käsittelymenetelmät olivat elektrokoagulaatio (sähkökemiallinen flokkaavien metalli-ionien liuottaminen anodilta), koagulaatio-flokkulaatio ja laskeutus/korkeapaineflotaatio sekä korkeapaineflotaatiomenetelmä, joka hyödyntää kationisia ilmakuplia. Elektrokoagulaation todettiin olevan erittäin tehokas käsittelymenetelmä, jolla saavutettiin korkeat puhdistustulokset erityyppisille öljyemulsioille. Korkeapaineflotaatiolla, joka hyödyntää kationisia ilmakuplia, saavutettiin hyvät puhdistustulokset jopa pienemmillä kemikaalimäärillä verrattuna perinteiseen koagulaatio-flokkulaatioon ja korkepaineflotaation. Erilaisten komponenttien biohajoavuus on tärkeä suure arvioitaessa niiden ympäristövaikutuksia. Väitöstyön kolmas tavoite oli selvittää erilaisten öljyjen ja pinta-aktiivisten aineiden biohajoavuutta erilaisissa liuosolosuhteissa ja maa-aineksissa. Tärkeimmät biohajoavuustutkimustulokset olivat, että kevyt polttoöljy saavutti kolmen kuukauden mittauksen aikana yli 60 % biohajoavuusasteen mineraalirikkaassa maa-aineksessa. Pinta-aktiivisten aineiden havaittiin lisäävän huomattavasti maan orgaanisen aineksen biohajoamista, ja tämä vaikeutti itse pinta-aktiivisten aineiden biohajoamisen arviointia.

Abstract Electrocoagulation (EC) is an emerging technology that combines the functions and advantages of conventional coagulation, flotation, and electrochemistry in water and wastewater treatment. The aims of this work included doing an updated literary review of recent feasible applications of EC, which were found to be plentiful. Since the economic and practical operational key figures related to EC haven’t been extensively mapped out before, this was a prime objective of this part of the work. The aim of the next part of this work was to find new feasible applications for EC in the treatment of water and wastewater. The studied wastewaters included bio- and synthetic oil-in-water emulsions, various industrial nutrient-containing wastewaters, and peat bog drainage water containing humic substances (an interesting and topical problem, especially in Finland). These studies proved the feasibility of EC. In addition, larger-scale experiments were also conducted successfully, thus proving the scalability of the EC process. Extensive economic analyses of the studied EC applications were also done. The operational costs and energy consumption of EC were found to be very low—typically about 0.1–1.0 €/m3 and 0.4–4.0 kWh/m3. It has been forecasted that in the future there will be a shortage of virgin phosphorus. Therefore, another essential purpose of this work was to conduct a preliminary study on the feasibility of using EC for nutrient (especially phosphorus, but also nitrogen) removal and recovery from different types of real wastewater. Specifically, it may be possible to use EC sludges containing notable amounts of phosphorus and nitrogen as additives in granulated bio ash-based fertilizer products for various applications. This is a novel idea and a “hot topic” in the waste utilization sector and in circular and bioeconomy. / Tiivistelmä Elektrokoagulaatio (electrocoagulation, EC) on nosteessa oleva teknologia, joka yhdistää perinteisen koagulaation, flotaation ja sähkökemian hyödyt ja mahdollisuudet vesien ja jätevesien käsittelyssä. Tämän työn ensimmäisenä tavoitteena oli laatia kirjallisuuskatsaus EC:n viimeaikaisista käyttökelpoisista sovelluksista, joita löytyi runsaasti. Koska EC:n toiminnallisia ja taloudellisia avainlukuja ei ole kartoitettu kattavasti aiemmin, tämän tekeminen oli tämän osion tärkein tavoite. Väitöstyön seuraavana tavoitteena oli löytää uusia sovellutuksia EC:lle vesien ja jätevesien käsittelyssä. Tutkittuja vesiä olivat bio- ja synteettisistä öljyistä valmistetut öljy-vesiemulsiot, erilaiset teolliset ravinnepitoiset jätevedet ja humusainepitoiset turvesoiden valumavedet (kiinnostava ja ajankohtainen ongelma, erityisesti Suomessa). EC todettiin käyttökelpoiseksi teknologiaksi näissä kokeissa. Suuremman skaalan kokeilla todistettiin lisäksi EC-prosessin skaalautuvuus. Lisäksi, em. EC-sovellutuksista suoritettiin kattavat taloudelliset analyysit. EC:n käyttökustannukset ja energiankulutus todettiin erittäin pieniksi, tyypillisesti ne olivat välillä 0.1–1.0 €/m3 ja 0.4–4.0 kWh/m3. On ennustettu, että tulevaisuudessa on pulaa neitseellisestä fosforista. Tästä johtuen eräs tämän työn keskeisistä tarkoituksista oli suorittaa alustavia kokeita liittyen EC:n käyttökelpoisuuteen ravinteiden (erityisesti fosfori, mutta myös typpi) poistossa ja talteenotossa aidoista jätevesistä. Erityisesti jatkossa voisi olla järkevää hyödyntää runsaasti fosforia ja typpeä sisältäviä EC-sakkoja lisäaineina rakeistetuissa biotuhkapohjaisissa lannoitteissa eri sovellutuksissa. Tämä idea on uusi ja on jo herättänyt suurta kiinnostusta mm. kierto- ja biotaloussektoreilla.