Abstract Flocculation plays a critical role in the activated sludge process, where flocs are removed by settling and where unsatisfactory flocculation is resulting in poor effluent quality. Control and operation of the process is also challenging as it is sensitive to external and internal disturbances. Furthermore, stricter environmental demands are also being placed on wastewater treatment and discharge quality thus solutions are needed to improve the current systems. A novel optical monitoring method employing a tube flow and a CCD camera was developed to characterize the flocs and filaments of the sludge, and the method was tested on samples from full-scale activated sludge plants. An online device operating on the same principle was also developed and this was tested over a period of eight months at municipal wastewater treatment plant. Optical monitoring was employed in the laboratory to study the breakage of activated sludge flocs. Based on the image analysis data, in the industrial plant the major breakage process was large-scale fragmentation. In the two municipal plants, it was surface erosion. The flocs had more filaments and were more irregular in shape in the industrial plant, which could be the reason for the large-scale fragmentation. The effect of floc morphology on the effluent clarity of the activated sludge process was studied in the industrial and municipal activated sludge plants by optical monitoring over periods of three months and eight months, respectively. The changes in floc morphology took place slowly in both plants. Four major factors that correlated with the purification results were the size and shape of the flocs and the quantities of small particles and filaments. The image analysis results suggested that the settling problem that occurred during the test periods in the industrial plant was caused by dispersed growth, whereas that in the municipal plant was caused by filamentous bulking. In conclusion, it is possible to use the developed method online in order to analyse the state of flocculation. Thus the method could be useful when developing online monitoring applications for quantifying floc characteristics and for diagnosing the causes of settling problems in the wastewater treatment plants. / Tiivistelmä Aktiivilieteprosessissa flokkulaatiolla on merkittävä rooli, sillä muodostuneet flokit poistetaan prosessista laskeutuksen avulla. Siten huono flokkulaatio johtaa puhdistetun jäteveden kiintoainemäärän lisääntymiseen. Prosessin säätö ja operointi on kuitenkin hankalaa, sillä aktiivilieteprosessi on herkkä ulkoisille ja sisäisille häiriöille. Jätevedenpuhdistukseen liittyvät ympäristövaatimukset ja päästöehdot vesistöihin ovat myös tiukentuneet, joten uusia menetelmiä tarvitaan parantamaan nykyisiä prosesseja. Tässä työssä kehitettiin uusi, optinen kuvantamismenetelmä karakterisoimaan flokkeja ja rihmoja. Menetelmä hyödyntää putkivirtausta ja CCD-kameraa ja sitä testattiin aktiivilietelaitosten näytteillä. Lisäksi kehitettiin samaa periaatetta noudattava online-laitteisto, jota testattiin kahdeksan kuukauden ajan. Optista kuvantamista testattiin laboratoriossa flokkien hajoamistutkimuksessa. Kuva-analyysitulosten perusteella kahden kunnallisen aktiivilietelaitoksen flokit hajosivat pintaeroosioon perustuvan mallin mukaan ja teollisen aktiivilietelaitoksen flokit hajosivat fragmentaatiomallin mukaan. Teollisen aktiivilietelaitoksen flokeissa oli enemmän rihmoja ja ne olivat epäsäännöllisemmän muotoisia, mikä voi olla syynä flokkien fragmentaatioon. Flokkien morfologian vaikutus jäteveden puhdistustuloksiin tutkittiin teollisessa (kolmen kuukauden ajan) ja kunnallisessa (kahdeksan kuukauden ajan) aktiivilietelaitoksessa optisella kuvantamismenetelmällä. Molemmissa laitoksessa muutokset flokkien morfologiassa tapahtuivat hitaasti. Neljä tärkeintä tekijää, jotka korreloivat puhdistustulosten kanssa, olivat flokkien koko ja muoto sekä pienten partikkelien ja rihmojen määrä. Kuva-analyysitulosten perusteella laskeutumisongelma teollisessa jätevesilaitoksessa johtui flokinmuodostajabakteerien liian pienestä määrästä ja kunnallisessa jätevesilaitoksessa rihmamaisten bakteerien liikakasvusta. Yhteenvetona voidaan todeta, että kehitettyä menetelmää on mahdollista käyttää online-mittarina sekä sen avulla voidaan arvioida flokkulaation tilannetta. Siten menetelmää on mahdollista hyödyntää flokkien ominaisuuksien karakterisoinnissa ja arvioidessa jätevedenkäsittelylaitoksen laskeutumisongelmien aiheuttajaa.

Abstract The chemicals currently used for wastewater treatment are mainly based on synthetic inorganic or organic compounds. Oil-derived polyelectrolytes are used for the removal of colloidal solids from wastewater by flocculation and coagulation, for example, while activated carbon adsorbents are typically used to remove soluble impurities such as heavy metals and recalcitrance organic matter. Many of these chemicals have associated negative health impacts, and use of activated carbon has proved to be expensive. Moreover, the present synthetic chemicals are not readily biodegradable or renewable. Thus there is a high demand for “green” water chemicals which could offer a sustainable solution for achieving high-performance, cheap water purification. Water chemicals of a new type based on nano-scale particles (nanofibrils) derived from cellulose, i.e. nanocelluloses, are examined as possible bio-based chemicals for wastewater treatment. Two anionic nanocelluloses (dicarboxylic acid, DCC, and sulphonated ADAC) were tested as flocculants in the coagulation-flocculation treatment of municipal wastewater, while the flocculation performance of cationic nanocellulose (CDAC) was studied with model kaolin clay suspensions, and nanocelluloses produced from sulphonated wheat straw pulp fines (WADAC) were tested for the adsorption of lead (Pb(II)). The anionic nanocelluloses (DCC and ADAC) showed good performance in treating municipal wastewater in a combined coagulation-flocculation process with a ferric coagulant. In the case of both anionic nanocelluloses the combined treatment resulted in a lower residual turbidity and COD in a settled suspension with highly reduced total chemical consumption relative to coagulation with ferric sulphite alone. Likewise, the CDACs resulted in powerful aggregation of kaolin colloids and maintained effective flocculation performance over wide pH and temperature ranges. The capacity of the nanofibrillated and sulphonated fines cellulosics (WADAC) for the adsorption of Pb(II) was 1.2 mmol/g at pH 5, which is comparable to the capacities of commercial adsorbents. / Tiivistelmä Jätevesien kemiallinen käsittely pohjautuu pääsääntöisesti synteettisten epäorgaanisten ja orgaanisten kemikaalien käyttöön. Öljypohjaisia polyelektrolyytteja käytetään kolloidisten partikkeleiden poistamiseen jätevesistä koaguloimalla ja flokkuloimalla, kun taas liuenneita epäpuhtauksia, kuten raskasmetalleja, poistetaan useimmiten adsorboimalla ne aktiivihiileen. Synteettiset vesikemikaalit valmistetaan uusiutumattomista luonnonvaroista ja niiden hajoaminen luonnossa voi olla hidasta, minkä lisäksi monet näistä käytetyistä synteettisistä vesikemikaaleista ovat terveydelle haitallisia. Aktiivihiilen käyttö puolestaan on kallista, johtuen sen korkeista valmistus- ja käyttökustannuksista. Uusille ”vihreille vesikemikaaleille, jotka tarjoavat ympäristöystävällisempiä, halpoja sekä tehokkaita ratkaisuja vedenpudistukseen, onkin suuri kysyntä. Tässä työssä selluloosasta valmistettuja nanokokoisia partikkeleita, eli nanoselluloosia, on tutkittu yhtenä varteenotettavana biovaihtoehtona uusiksi kemikaaleiksi jätevesien puhdistukseen. Kahden anionisen nanoselluloosan (dikarboksyyli, DCC, ja sulfonoitu, ADAC) flokkauskykyä testattiin koagulointi-flokkulointi reaktioissa kunnallisen jäteveden puhdistuksessa. Kationisen nanosellun (CDAC) flokkauskykyä tutkittiin puolestaan kaoliinisaven malliliuoksilla ja vehnän korsisellun hienoaineista nanofibrilloimalla sekä sulfonoimalla valmistetuilla (WADAC) nanoselluloosamateriaaleilla testattiin lyijyn (Pb(II)) adsorptiota vesiliuoksista. Anioniset nanoselluloosat (DCC ja ADAC) toimivat tehokkaasti kunnallisen jäteveden flokkauksessa ferri-sulfaatin kanssa yhdistetyissä koagulointiflokkulointi reaktioissa. Yhdistetyissä reaktioissa molemmat anioniset nanoselluloosat vähensivät sameutta sekä COD pitoisuutta laskeutetuissa jätevesinäytteissä huomattavasti pienemmillä kemikaalikulutuksilla paremmin kuin pelkästään ferri-sulfaatilla koaguloitaessa. Myös CDAC:t toimivat tehokkaasti flokkauksessa keräten tehokkaasti kaoliinin kolloidipartikkeleita yhteen laajalla pH- ja lämpötila-alueella. Nanofibrilloidun ja sulfonoidun vehnäsellun hienoaineen (WADAC) adsorptiokapasiteetti lyijylle Pb(II) oli 1.2 mmol/g pH:ssa 5, mikä on verrannollinen kaupallisten adsorptiomateriaalien kapasiteettiin.