Termofil rötning av kommunala avloppsslam: En utvärdering i pilotskala med modellstöd

I takt med att städerna växer ökar belastningen på de kommunala avloppsreningsverken. Käppalaförbundet förutspår att antalet anslutna personekvivalenter till Käppalaverket kommer att öka med över 160 % under de kommande tre decennierna. En ökad belastning leder till en större mängd slam som måste behandlas. Detta görs idag med stabilisering genom mesofil rötning samt efterföljande avvattning och hygienisering. Samtidigt finns ett behov av hållbara energikällor i samhället, dit avloppsreningsverken bidrar genom tillhandahålla energirik biogas som biprodukt från rötningen.  Utrötningsgraden är beroende av slammets uppehållstid i rötkammaren och uppehållstiden kommer att bli kortare i takt med att belastningen ökar. Termofil rötning har identifierats som ett möjligt alternativ till inköp av ytterligare rötkammarvolym då metoden har rapporterats ge en snabbare stabilisering och därmed ett likvärdig resultat med kortare uppehållstid. Dessutom finns indikationer för att termofil rötning kan producera en större mängd biogas per enhet organiskt material i jämförelse med mesofil rötning. För att utreda huruvida Käppalaförbundet kan åtnjuta dessa fördelar har ett termofilt rötningsförsök bedrivits i pilotskala.  Pilotanläggningen bestod av en 5 m³ rötkammare som matades semikontinuerligt med 65 mass% primärslam och 35 mass% överskottsslam. Försöket inleddes med en temperaturövergång från en mesofil ymp till termofila betingelser, följt av att processen tilläts acklimatisera. Processen drevs därefter under tre uppehållstider med en längd på 18 dygn vardera. Samtliga driftparametrar härleddes i den mån det var möjligt från fullskalig slambehandling på Käppalaverket. De experimentella resultaten jämfördes med simuleringsresultat baserade på den matematiska modellen Anaerobic Digestion Model No. 1. Temperaturövergången och acklimatiseringen utfördes med framgång. Vid referensbelastningen var utrötningsgraden 54.4 % och den specifika metanproduktionen var 0.221 Nm3 CH4/kgVS, vilket var otillräckligt för att överträffa den mesofila, fullskaliga processen. Försöket indikerade att proteiner bryts ned lättare i en termofil process. Vidare observerades avtagande processtabilitet och försämrade avvattningsegenskaper hos rötresten.As cities grow, the load on the municipal wastewater treatment plants increases. The Käppala Association predicts that the number of population equivalents connected to the Käppala Wastewater Treatment Plant will increase by over 160 % in the coming three decades. An increased load leads to a larger amount of sludge that must be treated. This is done today with stabilization through mesophilic anaerobic digestion and subsequent dewatering and hygienization. At the same time, there is a need for sustainable energy sources in society, to which wastewater treatment plants contribute by providing energy-rich biogas as a by-product from the anaerobic digestion. The degree of digestion is dependent on the retention time of the sludge in the digester and the retention time will become shorter as the load increases. Thermophilic anaerobic digestion has been identified as a possible alternative to the investment of additional digester volume as the method has been reported to provide a faster stabilization and thus an equivalent result with a shorter retention time. In addition, there are indications that thermophilic anaerobic digestion is able to produce a larger amount of biogas per unit of organic material in comparison with mesophilic anaerobic digestion. To evaluate whether the Käppala Association can enjoy these benefits, a thermophilic anaerobic digestion experiment has been conducted on a pilot scale. The pilot plant included a 5 m³ digester which was fed semi-continuously with 65 mass% primary sludge and 35 mass% waste activated sludge. The experiment began with a temperature transition from a mesophilic inoculum to thermophilic conditions, followed by allowing the process to acclimatize. The process was operated thereafter for three retention times with a length of 18 days each. All process parameters were derived as far as possible from the full-scale sludge treatment at Käppala Wastewater Treatment Plant. The experimental results were compared with simulation results based on the mathematical model Anaerobic Digestion Model No. 1. The temperature transition and acclimatization was performed successfully. At reference load, the degree of digestion was 54.4 % and specific methane production was 0.221 Nm3 CH4/kgVS, which was not enough to overcome the mesophilic full-scale process. Indications pointed towards proteins being more easily digested in a thermophilic process. Furthermore, deteriorating process stability and dewaterability of the digestate was observed

Möjligheter med digitalisering och digitala tvillingar. Demonstrationsstudie på industriella och kommunala avloppsreningsverk.

En digital tvilling i form av en dynamisk processmodell kan användas för flera syften under hela livscykeln av ett kommunalt eller industriellt reningsverk. Syftet med detta projekt var att (1) demonstrera möjligheter för och (2) identifiera behov och genomförbarhet med en digital tvilling hos de anläggningsägare som ingår i projektet.För att demonstrera möjligheter användes LEVA i Lysekils ombyggnadsprojekt för Långeviks reningsverk som fallstudie. Med dataunderlag från förstudien implementerades en processmodell av det framtida reningsverket i en kommersiellt tillgänglig mjukvara. Denna baseras på att den befintliga för- och efterbehandlingen behålls medan det biologiska reningssteget byggs om till en MBBR-process. Som indata till modellen (temperatur, flöde och koncentrationer på inkommande och försedimenterat vatten) beaktades de förutsättningar som angivits i det förfrågningsunderlag som LEVA tagit fram. För att verifiera modellimplementeringen jämfördes modellresultaten med erfarenhetsbaserad kunskap om MBBR-processen. Resultaten visade att modellen i stort ger förväntade resultat vilket är viktigt för att verktyget skall få förtroende vid verklig tillämpning.Med den typ av digital tvilling som använts i projektet finns möjlighet att beskriva/modellera det inkommande avloppsvattnet med en högre detaljeringsgrad än vad som traditionellt görs vid ombyggnadsprojekt. För att demonstrera detta planerades och genomfördes en provtagningskampanj. Resultaten från denna var tyvärr inte tillförlitliga och därför användes i projektet standardvärden för inkommande vatten i projektet. Detta ökar osäkerheten i resultaten jämfört med om provtagningsresultaten hade funnits men förutsättningarna är fortfarande i enlighet med förfrågningsunderlaget.   I projektet har det sedan visats att det är möjligt att kombinera den digitala tvillingen med LCA-data för att beräkna klimatpåverkan för olika processutföranden, styrstrategier, val av energikälla och insatsvaror. Detta presenteras som ett stöd för jämförelse av olika anbud vid upphandling även om det kräver mera förarbete av både beställare och entreprenörer. Ett exempel är att byta styrstrategi för dosering av kolkälla kan spara upp till 19 ton CO2-ekvivalenter på ett år. Den digitala tvillingen kan också användas av LEVA under hela den nya processlösningens livstid från design och upphandling till införande och justeringar av driftstrategier och slutligen som ett stöd vid kontinuerlig drift.Som påbyggnad till konventionell processmodellering demonstrerades slutligen möjligheten att köra simulering i realtid och med indata från en verklig process. Implementeringen gjordes användarvänlig genom användning av mjukvaran Mediator som enkelt möjliggjorde sammankopplingen av signaler till/från ett styrsystem med kontaktpunkter definierade i simuleringsmjukvaran SIMBA#. Flera veckors stabil drift av systemet kunde visas. Tillämpningen anses dock för rudimentär för att kunna besvara frågor om krav på tidsupplösning, beräkningsprestanda och numerisk stabilitet. Under projektet genomfördes en behovs- och genomförbarhetsanalys genom informations- och kunskapsspridning vid ett flertal arbetsmöten och en avslutande workshop till vilken klustrets anläggningsägare bjöds in

New technology and knowledge in measuring greenhouse gas emissions at sewage treatment plants

Utsläpp av lustgas (N2O) utgör en betydande andel av klimatpåverkan från avloppsreningsverk (ARV). Medan de genomsnittliga utsläppen av lustgas från avloppsreningsverk med kväverening bedöms generellt ligga på ca 1,6 % av inkommande kväve förväntas inga lustgasemissioner i avloppsreningsverk utan kväverenande aktivitet. Detta eftersom lustgas bildas via processer som alla ingår i den biologiska kväveavskiljningen i avloppsvattenreningen. Dock kan det förekomma spontan och okontrollerad nitrifikation som kan leda till mycket höga lustgasutsläpp. Relativt ringa lustgasemissioner kan vara betydande för avloppsreningsverkens klimatavtryck eftersom lustgas är en mycket kraftig växthusgas, ca 273 gånger kraftigare än koldioxid.  Trots den ökande kunskapen om lustgasutsläppens betydelse i avloppsreningsverkens klimatarbete utförs det fortfarande relativt få mätningar av lustgasutsläpp vid svenska ARV. Detta gör att det finns flera kunskapsluckor om och förståelse för lustgasutsläpp för att aktivt kunna vidta åtgärder för att minska dessa utsläpp. En anledning till att få mätningar genomförs är att det i dag inte finns krav på sådana mätningar och inte heller enkla metoder för lustgasmätning tillgängliga för VA-aktörer.  Projektet har därför syftat till att öka kunskapen om lustgasutsläpp från avloppsrening i kallt klimat, med eller utan kontrollerad nitrifikation. Kallt klimat refererar till avloppsvatten som har minimitemperaturer ner till 4–5 grader. I samarbete med teknikleverantörer har dessutom nya lustgassensorer, anpassat för mätningar vid avloppsreningsverk, testats. För att kunna genomföra projektet med tilldelade medel och för att åstadkomma synergieffekter kopplades projektet till ett pågående pilotprojekt för kväverening i kall klimat vid Fillan avloppsreningsverk i Sundsvall, som även SVU medverkar i.  Lustgasmätningar vid Fillan ARV som representerar en biologisk reningsprocess i kallt klimat utan kväverening är som förväntat låga. De uppmätta emissionerna uppgick till ca 0,17 % N2O-N/TN trots att en spontan och okontrollerad nitrifikation inte kunde observeras. Även om lustgasemissioner är låga så visar emissionsberäkningar att lustgasavgången ändå inte är försumbar och utgör ett avsevärt bidrag till klimatpåverkan.   Lustgasmätningar i pilotanläggningen som representerar biologiska reningsprocesser med kväverening i kallt klimat indikerar att emissionerna kan antas vara i samma storleksordning eller högre som vid avloppsreningsverk med kväverening som inte har ett kallt inkommande avloppsvatten som regel. Ingen signifikant skillnad i lustgasemissioner kunde observeras mellan pilotens två linjer, varav den ena linjen värmdes med +4 °C mot referenslinjen.  Utvärdering av de två nya sensorer från Unisense och Senseair har visat en mycket bra överensstämmelse mellan kalibrerade sensordata och referensmätningarna. Båda sensorer har därför en potential att användas för en kontinuerlig mätning av lustgas i gasfas ifall en kommersiell produktutveckling sker. Resultaten från kalibreringen indikerar dock vikten av en regelbunden kalibrering av sensorerna för att säkerställa korrekta mätningar, så som för sensorer i allmänhet. Kalibreringsmetoden som tillämpades inom projektet bedöms som rimlig men är inte den mest robusta eller noggranna metoden för en fullskaleimplementering. Även utifrån andra implementeringsaspekter framstår de två testade sensorerna som ett tänkbart alternativ till andra mättekniker. Dock är dessa sensorer ännu inte kommersiellt tillgängliga och kompletterande långtidstester av sensorerna bör genomföras för en utvärdering som även kan ta hänsyn till aspekter relaterat till mätstabilitet och underhållsbehov vid långtidsdrift.  En annan aspekt som projektet vill lyfta fram är vikten av att korrekta luftflödesmätningar utförs samtidigt som haltmätningarna. Endast en bra haltmätning i kombination med en korrekt luftflödesmätning vid mätpunkten kan ge ett korrekt underlag för emissionsberäkningar. Tyvärr kan det konstateras att enkla, robusta och ekonomiskt överkomliga sensorer för kontinuerlig luftflödesmätning inte finns idag och att det krävs en teknikutveckling även inom detta område

Powdered activated carbon in combination with Membrane BioReactor (PAK-MBR) : Establishment and tests with a pilot plant at Hammarby Sjöstadsverk

Under 2020 - 2022 har Syvab med hjälp av medel från Naturvårdsverket och i samverkan med IVL Svenska Miljöinstitutet genomfört en utvärdering av teknikkombinationen pulveriserat aktivt kol med MembranBioReaktor, d.v.s. PAK-MBR avseende för rening av mikroföroreningar. IVL har bidragit med att etablera och drifta pilotanläggningen. Teknikkombinationen har tidigare diskuterats som en potentiell avancerad reningsteknik, framförallt för rening av läkemedelsrester från avloppsvatten, men brist på kunskap och erfarenheter om tekniken har varit ett hinder för att betrakta tekniken som ett tänkbart alternativ vid svenska avloppsreningsverk (ARV). Etableringen av PAK-MBR-pilotanläggningen vid Hammarby Sjöstadsverk kunde avslutas under 2021, trots stora utmaningar med bl.a. förseningar orsakat av coronapandemin. Pilotanläggningen bestod av två identiska MBR-pilotlinjer. För en pilotlinje doserades det även in PAK. PAK-dosering till membrantanken gjordes med fyra olika PAK-doser (5-25 mg/L) inklusive en kontroll, och utvärderades för avskiljning av primärt olika organiska mikroföroreningar där bl.a. högfluorerade ämnen (PFAS) också ingick. Utöver de utvalda organiska mikroföroreningarna undersöktes även reningsgrad för hormonstörande effekter, bakterier och antibiotikaresistenta bakterier. Försöken med MBR och MBR-PAK hade två syften: dels att på ett generellt plan undersöka hur väl organiska mikroföroreningar avskiljs av teknikkombinationen PAK-MBR, dels att undersöka vid vilken PAK-dos som ledde till högst reningsgrad av de utvalda mikroföroreningarna. Resultaten visade att en mycket effektiv borttagning av de studerade läkemedelsrester erhölls med &gt;80 % redan vid en PAK-dos på ca 15 mg/L. Även hormonstörande effekter avlägsnades markant vid 2 av 3 undersökta PAK-doser och i det tredje fallet var en lägre reningsgrad sannolikt förknippat med högre inkommande halter av östradiol till PAK-MBR-processen. PFOS (perfluorooktansyra, ett högfluorerat ämne), kunde renas bort mycket effektivt med en avskiljning &gt;98 % med hjälp av teknikkombinationen PAK-MBR. För den andra pilotlinjen, där PAK inte doserades till membrantanken (referenslinjen), avskildes PFOS också mycket effektivt (&gt;90 %). Någon avskiljning av andra högfluorerade ämnen (PFAS), som för denna rapport utvärderas med summaparametern PFAS11, var inte lika tydlig för någon av pilotlinjerna. Däremot visade pilotlinjen PAK-MBR en något bättre reningseffekt jämfört med referenslinjen utan PAK-tillsats.     För bedömning av miljöpåverkan och kostnader jämfördes framför allt PAK-MBR med en annan teknikkombination bestående av MBR-GAK. Den senare teknikkombinationen testas för närvarande i pilotskala av Syvab och IVL och under 2019 tog Ramboll fram ett principförslag av denna teknikkombination. I jämförelsen bedömdes det att resursförbrukningen och kostnaderna var avsevärt mindre för PAK-MBR jämfört med MBR-GAK, vilket bl.a. kan förklaras med att inga extra processvolymer behövs och att endast en PAK-lagring och -dosering krävs för PAK-MBR processen. Från pilottesterna framgick det dessutom att en mindre, eller en nästan jämförbar mängd aktivt kol som i MBR-GAK-alternativet behövdes. I jämförelse med andra tekniker, möjliggör PAK-MBR en belastningsstyrd (flödesstyrd) resursförbrukning. Detta kan innebära en framtida användning av biobaserat aktivt kol där exempelvis biokol kan tillverkas från avloppsslam och andra substrat. PAK ger också en positiv effekt på slamavvattningen och på rötningen, vilket kan ge ytterligare resursbesparingar. Sammanfattningsvis framstår teknikkombinationen PAK-MBR som den mest resurseffektiva avancerade reningsteknik för de reningsverk som redan har en befintlig MBR-process. Förutom att investeringskostnader kan hållas på en låg nivå, uppnår teknikkombinationen med PAK-MBR en mycket bred reningseffekt för många olika typer av mikroföroreningar. Med bred reningseffekt menas samtliga studerade parametrar, dvs. att en effektiv och delvis komplett rening av hormonstörande effekter, mikroplaster, PFOS, bakterier och antibiotikaresistenta bakterier också erhölls. Utöver dessa nämnda parametrar visade MBR-tekniken också att den kunde åstadkomma den mest effektiva reningen av vanliga föroreningar såsom närsalter, partiklar och biologiskt nedbrytbart material. Potentiella nackdelar med tekniken såsom överföring av mikroföroreningar till slamfasen behöver inte nödvändigtvis utgöra ett hinder för en framtida teknikimplementering. Istället, och för en möjlig reduktion av organiska mikroföroreningar, kan en ökad ackumulering av många organiska mikroföroreningar i slammet fasa ut återrecirkuleringen av dessa föroreningar till samhället och miljön. Framgent rekommenderas fler kompletterande tester med PAK-MBR-tekniken för att utforska potentialen av tekniken, hur den bäst styrs och övervakas och för att identifiera möjliga synergier med MBR-processen. Vi vill också betona att kompletterande tester även kan leda till upptäckten av andra eventuella bieffekter som ännu inte har identifierats.Research funders: SYVAB.</p