Abstract Lime precipitation has been used for the treatment of mine water for decades; however, the impact of precipitation conditions is not adequately known. In this thesis, four aspects related to the removal of sulphate from mine water by lime precipitation are considered: the effect of magnesium on lime precipitation, the utilisation of by-products in lime precipitation, enhancement of lime precipitation, and utilisation of the precipitate. Sulphate removal in the presence of magnesium at the commonly used lime precipitation treatment pH of 9.6 was found unefficient as magnesium was keeping the sulphate soluble in the form of magnesium sulphate. At higher treatment pH of 11.5, magnesium that was naturally present in the mine water was shown to precipitate as magnesium hydroxide, which could serve as seed crystals for gypsum or co-precipitate sulphate thus enhancing sulphate removal. Quicklime manufacturing generates by-products that, currently, have few applications. The by-products examined in this study were successfully applied for mine water neutralization replacing commercial lime products. These by-products were found to remove sulphate equally well from the mine water. However, differences between by-products were observed in the consumption, and produced sludge quantities and qualities. An enhanced lime precipitation method is the precipitation as ettringite, which was used to reduce the sulphate content in mine water to less than the value set as the drinking water guideline in Finland. Furthermore, the formed precipitate was found to remove arsenate from the model solution. / Tiivistelmä Vaikka kalkkisaostusta on käytetty kaivosten vesienkäsittelyyn useiden vuosikymmenten ajan, tieto olosuhteiden vaikutuksesta käsittelyn tehokkuuteen sulfaatin poiston osalta on puutteellista. Tämä väitöskirja käsittelee sulfaatinpoistoa kaivosvesistä kalkkisaostuksen avulla neljällä eri osa-alueella: magnesiumin vaikutus kalkkisaostukseen, kalkinpolton sivutuotteiden hyödyntäminen kalkkisaostuksessa, kalkkisaostuksen tehostaminen ja muodostuvan saostuman hyödyntäminen. Magnesiumin todettiin kokeellisesti ja laskennallisesti haittaavan sulfaatin poistoa kaivosvedestä kalkkisaostuksessa yleisesti käytetyssä pH:ssa 9.6 pitämällä sulfaattia liukoisessa muodossa magnesiumsulfaattina. Korkeammassa pH:ssa 11.5 puolestaan kaivosveden luontaisesti sisältämän magnesiumin havaittiin kokeellisesti ja laskennallisesti saostuvan magnesiumhydroksidina, joka voi toimia siemenkiteinä kipsille tai kerasaostaa sulfaattia ja siten tehostaa sulfaatin poistoa. Kalkinpolton sivutuotteina muodostuu jakeita, joille ei tällä hetkellä ole juurikaan käyttökohteita. Tässä työssä käytettiin kalkinpolton sivutuotteita korvaamaan kaupallista kalkkia kaivosveden neutraloinnissa. Sivutuotteet poistivat sulfaattia yhtä tehokkaasti kuin kaupalliset kalkkituotteet. Sivutuotteiden välillä havaittiin eroja niiden kulutuksessa sekä muodostuvan lietteen määrässä ja laadussa. Saostuksella ettringiittinä, joka on tehostettu versio perinteisestä kalkkisaostuksesta, saavutettiin sulfaattipitoisuuden lasku alle Suomessa juomavedelle käytetyn suositusarvon. Lisäksi havaittiin muodostuneen ettringiittisaostuman olevan potentiaalinen materiaali arsenaatin poistoon vedestä.

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.