Abstract Energy production in combustion power plants is a significant source of anthropogenic carbon dioxide emissions. The targets of international climate agreements call for utilizing all available technologies to achieve rapid and cost-effective emission reductions. Carbon capture and storage is one of the possible technical solutions applied in combustion power plants. Circulating fluidized bed boilers have gained increasing popularity due to advantages in availability, emission control, fuel flexibility and option for using challenging fuels, and the possibility of using high-efficiency steam cycles. In the novel process of oxy-combustion, combustion air is replaced by a mixture of oxygen and recycled flue gas to facilitate the capture of carbon dioxide from the flue gas flow. Additional degrees of freedom become available for combustion control as the gas flow and composition can be controlled separately for fluidization and combustion purposes. In the research for this thesis, self-optimizing control was applied for the control structure design of a circulating fluidized bed boiler. Self-optimizing control offers a systematic tool for the early phases of control design, in which decisions have traditionally been made based on intuition, heuristics and previous experience. The self-optimizing control approach searches for controlled variables without a need for constant setpoint optimization when the process is affected by disturbances and implementation errors. Results presented in the thesis show that self-optimizing control can be applied in the control structure design of circulating fluidized bed combustion. A range of control structure alternatives were evaluated using steady-state approximations of a validated process model. For the novel oxy-combustion process, promising control structures were identified and could be dynamically demonstrated. / Tiivistelmä Energiantuotanto polttovoimalaitoksissa on merkittävä hiilidioksidipäästöjen lähde. Kansainväliset ilmastotavoitteet edellyttävät kaikkien käytettävissä olevien teknologioiden hyödyntämistä päästövähennysten aikaansaamiseksi nopeasti ja kustannustehokkaasti. Hiilidioksidin talteenotto on yksi mahdollisista teknisistä ratkaisuista polttovoimalaitoksissa. Kiertoleijukattilat ovat saavuttaneet kasvavaa suosiota etuinaan hyvä käytettävyys, tehokas päästöjen hallinta, soveltuvuus erilaisten haastavienkin polttoaineiden hyödyntämiseen ja mahdollisuus tehokkaiden höyrykiertojen käyttöön. Uudessa happipolttoprosessissa palamisilma korvataan hapen ja kierrätetyn savukaasun seoksella, mikä mahdollistaa hiilidioksidin talteenoton savukaasuista. Kiertoleijupolton säädön kannalta vapausasteet lisääntyvät, sillä leijutukseen ja polttamiseen käytettävän kaasun määrää ja koostumusta voidaan säätää erikseen. Väitöstutkimuksessa käytettiin itseoptimoivaa säätöä kiertoleijukattilan säätörakenteiden suunnitteluun. Itseoptimoiva säätö tarjoaa systemaattisen menetelmän säätösuunnittelun alkuvaiheeseen, jossa päätöksenteko on perinteisesti tehty esimerkiksi intuition, heuristiikan ja aiempien ratkaisujen perusteella. Menetelmän tavoitteena on löytää säädettävät muuttujat, joiden asetusarvot eivät vaadi jatkuvaa optimointia, vaikka prosessiin vaikuttavat erilaiset häiriöt ja mittausvirheet. Väitöstutkimuksen tulokset osoittavat, että itseoptimoiva säätö soveltuu kiertoleijupolton säätörakenteiden suunnitteluun. Erilaisten säätörakenteiden toimivuutta arvioitiin käyttäen validoidun prosessimallin tasapainotilan approksimaatioita. Uudelle happipolttoprosessille löydettiin lupaavia säätörakenteita, joiden toimintaa voitiin demonstroida myös dynaamisesti.

Abstract Paper recycling is an ecological strategy for disposing of waste paper, but more importantly, recovered paper is an important source of raw material in the paper and board industry. Deinked pulp production from recovered paper has proved economically viable by comparison with virgin fibre pulp manufacturing, but this viability is now threatened by increasing waste disposal costs, as up to 25% of the raw material available for deinked pulp production can end up in the reject streams, which then have to be disposed of. The most common practice at present is incineration and disposal of the resulting ash in landfills, but tightening legislation has meant that landfills have become very expensive and are likely to be completely banned in the near future. Thus new ways have to be sought for managing the waste problem in deinked pulp production in order to ensure that the recycled paper production remain both economically and environmentally feasible. The aim of this thesis was to study means of improving the material efficiency of a deinked pulp mill without excessively detracting from end product quality or the performance of the combined sludge dewatering stage. First, an analytical procedure was developed for determining the utilisation potential of reject streams, and a considerable potential for material recovery from these streams was identified. The results presented here show that 80% of the most valuable long fibres from the fine-screening rejects and 15% of the fine material from the flotation froth reject can be recovered. Altogether, with the simultaneous recovery of both categories of reject, it would be possible to improve the material efficiency at the deinked pulp mill by a total of about 5 percentage units, which can be considered significant for process efficiency. Moreover, this would enable the fibre content of the combined sludge to be kept above a certain limit, so that the combined sludge dewatering properties would not be affected. Consequently, the results presented in this thesis provide several widely applicable means for improving the resource efficiency of a deinked pulp mill. / Tiivistelmä Paperin kierrätys uusiksi paperituotteiksi on ympäristöystävällinen tapa jätepaperin käsittelemiseksi. Uusiomassan valmistus on myös taloudellisesti kannattavaa verrattuna paperimassan valmistukseen neitseellisistä raaka-aineista. Taloudellinen kannattavuus on kuitenkin vaarassa jätemaksujen alati kasvaessa, sillä siistausmassan valmistuksessa jopa 25 % kierrätyspaperiraaka-aineesta päätyy jätejakeisiin, jotka hävitetään yleisesti polttamalla ja läjittämällä syntynyt tuhka kaatopaikalle. Lainsäädäntö on rajoittanut kaatopaikkasijoittamista ja se on nykyään hyvin kallista. Tulevaisuudessa jätteiden kaatopaikkasijoittaminen voi olla jopa täysin kiellettyä. Jäteongelman ratkaisemiseen tarvitaan siis uusia menetelmiä, jotta kierrätyspaperin valmistus säilyisi sekä taloudellisista että ympäristöllisistä näkökulmista kannattavana toimintana. Tämän väitöskirjatyön tavoitteena oli etsiä keinoja parantaa siistausmassan valmistuksen resurssitehokkuutta palauttamalla käyttökelpoisia materiaaleja jätevirroista takaisin prosessiin siten, ettei heikennetä lopputuotteen laatua eikä lietteidenkäsittelyprosessin toimintaa. Väitöstyön alussa kehitettiin analyysiproseduuri rejektivirtojen hyötykäyttöpotentiaalin arvioimiseksi ja siistamon rejektijakeissa havaittiin merkittävästi hyödynnettävää materiaalia. Tulokset osoittavat, että 80 % hienolajittelun rejekteissä poistuneista arvokkaista pitkistä kuiduista voidaan palauttaa takaisin prosessiin. Lisäksi flotaation vaahtorejektistä voidaan palauttaa 15 % hienoainetta. Palauttamalla yhtäaikaisesti sekä kuituja hienolajittelun rejekteistä että hienoainetta flotaation vaahtorejektistä, voidaan siistausmassan valmistuksen materiaalitehokkuutta parantaa yhteensä noin 5 prosenttiyksikköä, mikä on merkittävä parannus prosessitehokkuuteen. Kuitujen ja hienoaineen samanaikainen palauttaminen pitää lisäksi lietteiden käsittelyssä seoslietteen kuitupitoisuuden tarpeeksi korkeana, jotta sen vedenerotusominaisuudet säilyvät hyvinä. Tämän tutkimuksen tuloksena löydettiin siis useita laajalti sovellettavissa olevia keinoja siistausmassan valmistuksen resurssitehokkuuden parantamiseksi.

Abstract The production and use of electrical and electronic equipment (EEE) have significantly increased during the last three decades due to technological innovations and new applications of EEE. Fast technological progress, EEE becoming a part of everyday life and rising incomes have led to the situation where EEE are more replaceable than ever causing the rapid growth of waste electrical and electronic equipment (WEEE). In order to reduce negative environmental and health impacts and to improve the recovery of valuable substances from WEEE, the European Union has implemented Directives related to EEE. In this thesis, the national implementation of the WEEE Directive and the development of the WEEE recovery infrastructure in Finland were studied. Furthermore, consumers’ awareness and perceptions toward the WEEE recovery system were assessed through a survey conducted in the Oulu region. Finally, the role of consumer behaviour in storing electronics at home and its impact on the realisation of the waste hierarchy were considered. Results indicate that the implementation of the WEEE Directive has succeeded in Finland. The legislative basis and functional WEEE recovery system with high collection and recovery rates have been enacted within a few years. The study revealed that consumers’ awareness of the importance and existence of WEEE recovery system is high among the residents in Oulu; however, the high storing rates of mobile phones indicate that the proximity and the convenience of the WEEE recovery system are inadequate to motivate the return of small WEEE. Analysing the lifespan of electronics indicates that stockpiling deprives the re-use potential of mobile phones and thus hinders waste prevention. Storage also delays the return of valuable substances for recycling and risks the realisation of the waste management hierarchy. It is concluded that education and awareness raising will continue to be a crucial element in the progress towards a more environmentally conscious WEEE recovery in Finland. / Tiivistelmä Sähkö- ja elektroniikkalaitteiden (SE-laitteiden) tuotanto ja käyttö ovat kasvaneet merkittävästi viime vuosikymmenten aikana uusien teknologisten ratkaisujen ja sovellusten myötä. Nopea teknologinen kehitys, SE-laitteiden jokapäiväistyminen sekä elintason nousu ovat johtaneet tilanteeseen, jossa ne ovat helpommin vaihdettavissa kuin koskaan aikaisemmin. Tämän seurauksena myös sähkö- ja elektroniikkaromun (SE-romu, SER) määrä on nopeassa kasvussa. Vähentääkseen SE-romun aiheuttamia haitallisia ympäristö- ja terveysvaikutuksia sekä tehostaakseen hyödyllisten materiaalien talteenottoa SE-romusta Euroopan Unioni on ottanut käyttöön sähkö- ja elektroniikkalaitteisiin liittyviä direktiivejä. Tässä väitöskirjatutkimuksessa on tarkasteltu SER-direktiivin kansallista käyttöönottoa ja keräysverkoston kehittymistä Suomessa. Lisäksi kuluttajakäsitystä ja -tietoisuutta arvioitiin Oulun alueella toteutetulla kyselytutkimuksella. Työssä on arvioitu myös kuluttajien roolia käytöstä poistettujen SE-laitteiden kotivarastoinnissa ja sen vaikutuksia jätehierarkian toteutumiseen. Tulokset osoittavat, että kansallinen implementointi on onnistunut Suomessa; kansallinen lainsäädännöllinen perusta ja toimiva keräysjärjestelmä on saavutettu vain muutamassa vuodessa. Tutkimuksesta selviää, että kuluttajatietoisuus keräysjärjestelmän tärkeydestä ja sen olemassaolosta on hyvällä tasolla; matkapuhelinten korkea säilytysaste kotitalouksissa viittaa kuitenkin nykyisen järjestelmän riittämättömyyteen motivoida kuluttajia palauttamaan pientä SE-romua keräysjärjestelmään. SE-laitteiden elinkaaren vaikutusten tarkastelu osoittaa, että varastointi estää matkapuhelinten uudelleenkäyttöä ja estää jätteen synnyn ehkäisyä. Lisäksi se viivästyttää hyödyllisten materiaalien palautumista kierrätykseen vaarantaen myös jätehierarkian toteutumisen. Siksi koulutus ja tietoisuuden lisääminen ovat tärkeässä roolissa ympäristömyötäisemmän keräysjärjestelmän saavuttamiseksi Suomessa.

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.