Abstract Fertilizer industry often generates phosphorous rich wastewaters containing heavy metals. While phosphorous is a valuable compound for the industry, heavy metals hinder the recovery of phosphorous due to their detrimental effects on human health and the environment. Consequently, heavy metals must be removed from the wastewaters. In this study the use of micellar-enhanced ultrafiltration (MEUF) was evaluated for the removal of cadmium, copper, zinc and nickel from phosphorous rich wastewaters. This study has been conducted following a systematic methodology from single metal synthetic wastewaters to more complex synthetic and real wastewaters. The experimental work was conducted in a laboratory scale stirred cell using 3, 5 and 10 kDa regenerated cellulose membranes and in a cross flow semi-pilot scale equipment using a 10 kDa spiral wound polyethersulphone membrane. Statistical design of experiments was used as the research methodology to evaluate the effect of factors on the MEUF process performance as well as for finding optimal conditions. The factors studied were heavy metal, phosphorous and surfactant feed concentrations, pH, membrane nominal molecular weight limits, transmembrane pressure and cross flow velocity. The membrane performance was characterized by the heavy metal retention/rejection coefficients and the permeate flux. The experimental results showed that the removal of heavy metals from single synthetic wastewaters by MEUF is more efficient for more diluted systems. In complex systems containing phosphorous, simultaneous removal of heavy metals was successfully achieved obtaining rejection coefficients up to 80%. Phosphorous was not retained by the membrane showing the potential applicability of MEUF to purify phosphorous rich wastewaters. The study of metal complex formation and heavy metal competition has been shown to be very important in order to predict the MEUF results. Concentration polarization phenomenon was insignificant in the synthetic wastewaters but it was more severe when applying MEUF to real wastewaters. In addition, with real wastewaters SDS leakage was insignificant. This study has provided new and valuable knowledge regarding the applicability of MEUF to industrial wastewater treatment. / Tiivistelmä Lannoiteteollisuus tuottaa usein jätevesiä, jotka sisältävät huomattavia määriä fosforia, sekä pieniä määriä raskasmetalleja. Vaikka fosfori on tärkeä raaka-aine lannoiteteollisuudelle, jätevesissä olevat raskasmetallit kuitenkin estävät sen hyötykäyttöä fosforin lähteenä. Raskasmetallit ovat haitallisia sekä luonnolle että ihmisten terveydelle, joten niiden erottaminen jätevesistä on tärkeää. Tässä työssä tutkittiin miselliavusteisen ultrasuodatuksen (MEUF) käyttöä kadmiumin, kuparin, sinkin ja nikkelin poistamiseen fosforipitoisista jätevesistä. Väitöskirjatyössä tutkittiin systemaattisesti synteettisiä jätevesiä, jotka sisälsivät joko yhtä tai useita raskasmetalleja, sekä lannoitetehtaalta kerättyjä jätevesiä. Kokeet tehtiin laboratoriomittakaavan sekoituskennolla, jossa käytettiin 3, 5 ja 10 kDa:n regeneroituja selluloosakalvoja, sekä semi-pilot -mittakaavan spiraalielementillä, jonka materiaalina oli 10 kDa:n polyeetterisulfonikalvo. Väitöskirjatyössä hyödynnettiin tilastollista koesuunnittelua, jonka avulla arvioitiin muuttujien vaikutuksia MEUF-prosessin käyttäytymiseen. Koesuunnittelua hyödynnettiin myös optimiolosuhteiden määrittelemisessä. Koesuunnitelmien muuttujina olivat raskasmetallien, fosforin ja pinta-aktiivisen aineen pitoisuudet, pH, suodatuskalvojen katkaisukoot, paine sekä ristikkäisvirtauksen nopeus. Kalvon käyttäytymistä arvioitiin raskasmetallien erotustehokkuuden ja permeaattivuon avulla. Koetulokset osoittivat raskasmetallien erotuksen olevan tehokkainta synteettisistä, yhtä metallia sisältävistä jätevesistä, joiden raskasmetallipitoisuus oli pieni. Fosforia sisältävistä monimetalliliuoksista saavutettiin 80 %:inen raskametallien poistotehokkuus. Kalvoerotuksessa fosforipitoisuus ei muuttunut merkittävästi, mikä osoittaa MEUF:n olevan potentiaalinen menetelmä raskasmetallien poistamiseen fosforipitoisista jätevesistä. Metallikompleksien muodostumisen ja raskasmetallien välisen kilpailun ymmärtäminen osoittautuivat erittäin tärkeiksi MEUF-tuloksien ennustamisessa. Konsentraatiopolarisaatioilmiö ei ollut merkittävä käsiteltäessä synteettisiä jätevesiä, mutta teollisten jätevesien käsittelyssä ilmiöllä oli huomattava vaikutus permeaattivuohon. Kuitenkin teollisen jätevesien käsittelyssä SDS:n vuotaminen kalvon läpi oli merkityksetöntä. Tämä tutkimus on antanut uutta ja merkittävää tietoa MEUF:n soveltuvuudesta teollisten jätevesien käsittelyn.

Abstract Industrial wastewaters are complex waters, which can contain a large variety of compounds such as heavy metals and salts as well as nutrients, e.g. nitrogen compounds and phosphorous. Prevention of wastewater formation is not always possible and therefore new more efficient water treatment techniques are needed. Legislation also supports the use of more efficient water treatment techniques, which can lead to better purification results and the recovery of valuable compounds from wastewaters. One technique, which has been of interest, is membrane technology. Membrane technology can separate heavy metals, salts and nutrients effectively, also at low concentrations, which is not always possible with conventional water treatment methods. The main disadvantage of membrane technologies is membrane fouling, which reduces the membrane permeate flux and separation efficiency. In this thesis membrane techniques were combined into hybrid processes to increase the efficiency of water treatment to reduce fouling and to widen the application areas of membrane technologies, as well as to increase the awareness of the benefits gained when using hybrid membrane processes in wastewater treatment. Three different hybrid membrane processes were applied. Catalytically active nanofiltration membranes were used to purify real mine wastewaters from harmful compounds, including sulphate. A catalytic layer reduced the membrane fouling tendency. Micellar-enhanced ultrafiltration was applied successfully to the separation of heavy metals from phosphorous-rich wastewater of a fertilizer company to achieve selective separation. In addition, reverse osmosis and membrane distillation were applied to the concentration of heavy metals, a metalloid and nitrogen compounds containing synthetic wastewater efficiently. High volume concentration factor was achieved with the RO-MD process. In this thesis high heavy metal, metalloid, and salt removal efficiencies were achieved with all hybrid membrane techniques. Hybrid membrane techniques were also categorized based on their properties. The study provides new knowledge on hybrid membrane techniques in the removal of inorganic compounds from industrial waters. / Tiivistelmä Teollisuuden jätevedet voivat sisältää kohonneita haitta-ainepitoisuuksia, kuten raskasmetalleja ja suoloja. Teollisuuden jätevedet voivat sisältää myös ravinteita, esimerkiksi typen yhdisteitä ja fosforia. Jätevesien syntymistä ei aina voida ennaltaehkäistä, ja siksi uusille entistä tehokkaammille vedenkäsittelymenetelmille on tarvetta. Lisäksi myös lainsäädäntö vaatii entistä tehokkaampaa vesien puhdistusta, mikä osaltaan edistää entistä tehokkaampien puhdistustekniikoiden kehitystä sekä erotettujen aineiden talteenottoa. Yksi aktiivisen tutkimuksen kohteena oleva vesienkäsittelyssä käytetty menetelmä on kalvoerotustekniikka. Kalvoerotustekniikoilla voidaan erottaa tehokkaasti raskasmetalli-ioneja, sulfaattia ja ravinteita, kuten typpiyhdisteitä teollisuuden jätevesistä myös alhaisissa pitoisuuksissa, missä yleisesti käytettävät menetelmät voivat olla tehottomia. Yksi kalvoerotusmenetelmien ongelma on kalvojen likaantuminen, mikä alentaa kalvojen erotustehokkuutta ja vähentää tuottavuutta. Tässä tutkimuksessa kalvojen likaantumistaipumista on vähennetty yhdistämällä kalvoerotustekniikoita muihin erotusmenetelmiin hybriditekniikoiksi. Tässä työssä on tutkittu kolmea eri hybridimenetelmää. Sinkkioksidilla pinnoitettuja nanosuodatuskalvoja tutkittiin ja verrattiin kaupallisiin nanosuodatuskalvoihin kaivosteollisuuden vesien puhdistuksessa mm. sulfaatista. Katalyyttipinnoite muutti kalvoja vähemmän likaantuviksi, ja näin menetelmän tehokkuus parani. Miselliavusteisella ultrasuodatuksella erotettiin fosforipitoisesta lannoitetehtaan jätevedestä raskasmetalleja selektiivisesti, ja näin mahdollistettiin fosforin uudelleenkäyttö. Kolmannessa tutkimuskohteessa konsentroitiin kalvotislauksen ja käänteisosmoosin yhdistelmällä raskasmetalli- ja typpiyhdisteitä sisältävää synteettistä jätevettä pieneen tilavuuteen. Työssä saavutettiin korkeita raskasmetallien ja suolojen erotustehokkuuksia kaikilla käytetyillä tekniikoilla. Työssä arvioitiin myös yhteenvetona erilaisten hybridimembraanitekniikoiden eroja ja ominaisuuksia ja tekniikoita jaoteltiin menetelmien ominaisuuksien mukaan. Työ antoi uutta tietoa hybridimembraanitekniikoista epäorgaanisten aineiden erotuksessa teollisuuden vesistä.