IVL Swedish Environmental Research Institute

Nitrogen removal in wastewater treatment plants (WWTPs) is one of the most crucial end-of-pipe actions by which society can protect the environment from anthropogenic nitrogen loads that would otherwise have a negative impact on natural water systems. Without nitrogen removal from municipal wastewater, many ecosystems would have more problems with eutrophication and oxygen depletion and algae blooming as result, as challenges in regions such as the Baltic Sea illustrate. An increasing population and the restoration, or at least maintenance, of our ecosystem will in the future require even more stringent nitrogen removal targets than we have today. Nitrogen removal in WWTPs is also one of the most resource-intensive processes, which requires both a high amount of energy needed for aeration in the nitrification process as well as external carbon sources addition in the form of methanol/ethanol for the denitrification process. As the use of these resources contributes to impacts on our environment, reducing energy and resource consumption in nitrogen removal is one of the most focused research and development (R&D) areas in wastewater treatment worldwide. The most significant step towards a more sustainable nitrogen removal has been accomplished with the implementation of the deammonification process based on nitritation/anammox in side-stream treatment, i.e. the treatment of ammonium-rich supernatant from digested sludge dewatering. However, the process can be improved further in many different ways. The upcoming application of the deammonification process is for the mainstream, i.e. wastewater with low concentration and temperature. The pioneering work by a group consisting of researchers and experts from the Royal Institute of Technology (KTH) and IVL Swedish Environmental Research Institute has a significant share in this research field. This Synthesis report provides an overview of the work performed by the KTH/IVL R&D-group at the R&D-facility Hammarby Sjöstadsverk in Stockholm since the collaborative activities were initiated in 2008. The expertise of KTH stretches longer back than this (starting from year 1999 with first studies in laboratory scale), but this report has the aim to present the KTH/IVL research of the last years (2008-2014) and provide an overview of the expertise and potential that the group has within the field of deammonification in all its applications. The main competences and research focus of the KTH/IVL group includes: Side-stream deammonification process operation and control Mainstream deammonification process operation and control GHG-emissions measurement and control from deammonification processes Holistic WWTP-system approaches including deammonification processes This Synthesis report does not include a review of the research groups’ activities in relation to other international research. However, the included review of performed research and listed publications will provide an indication of the group’s activities. In addition, interested collaboration partner are invited to see the actual work at the R&D-facility Hammarby Sjöstadsverk. The shared goal by the group members is clear: Side-stream and Mainstream Deammonification process for Energy Positive Nitrogen Removal as a part of creating water resource recovery facilities previously known as wastewater treatment plants.

Kvävereduktion i kommunala avloppsreningsverk (ARV) är en av samhällets viktigaste uppgifter för att minska den negativa miljöpåverkan antropogent (mänskligt orsakat) kväve annars har i naturliga vattensystem. Utan kvävereduktion skulle utsläppt avloppsvatten orsaka övergödning med syrebrist och algblomning som följd. Detta kan tydligt ses i regioner där kvävereduktion i ARV ej ännu är implementerat, men även i regioner såsom Östersjön där det redan finns implementerat i hög grad. En ökad befolkning i kombination med ett återställande, eller åtminstone bibehållande av befintlig vattenkvalité, kommer i framtiden innebära krav för ytterligare förbättrad kvävereduktion. Kvävereduktion i ARV är en väldigt resursintensiv process. Det krävs resurser både i form av energi till luftning i nitrifikationsprocessen samt metanol eller etanol som tillsätts som kolkälla i denitrifikationsprocessen. En stor förbrukning av dessa resurser medför således också en negativ miljöpåverkan vilket ger att det är en balansgång att uppnå en god kvävereduktion med så liten resursförbrukning som möjligt. Denna balansgång har medfört att kvävereduktion i ARV numera är ett av de största forskningsområdena i världen idag. Det tydligaste steget mot en mer resurseffektiv kvävereduktion har åstadkommits genom fullskaleimplementering av deammonifikationsprocessen för rening av sidoströmmar, det vill säga koncentrerat tempererat rejektvatten från slamavvattning. Deammonifikationsprocessen för rejektvattenbehandling kan dock ytterligare förbättras med avseende på flera aspekter, vilket forskning visat. Ett annat viktigt bidrag mot en mer resurseffektiv kvävereduktion sker just nu genom forskning inom området för rening av huvudströmsvatten med deammonifikationsprocessen, det vill säga vanligt avloppsvatten med lägre koncentration och temperatur jämfört med rejektvatten. En stor del av arbetet i båda dessa områden har utförts av en grupp bestående av forskare och experter från Kungliga Tekniska Högskolan och IVL Svenska Miljöinstitutet. I forskargruppens främsta kompetenser och fokusområden ingår: Sidoströmsdeammonifikation, drift och styrning ? Huvudströmsdeammonifikation, drift och styrning ? Utsläpp av växthusgaser från deammonifikationsprocessen, mätning och styrning Kompletta avloppsvattenreningssystem med deammonifikationsprocessen inkluderad Denna rapport innehåller en sammanfattning av arbete och studier utförda av forskar-gruppen, sedan initiativet om gemensamma forskningsaktiviteter på forsknings-anläggningen Hammarby Sjöstadsverk startade år 2008 fram tills idag, år 2014. Expertisen inom gruppen sträcker sig dock längre bak i tiden (med de första studierna i labbskala år 1999), men en sammanfattning från de senaste åren (2008-2014) ger en god översikt över den expertis och potential som denna grupp har inom området deammonifikation och dess möjliga applikationer. Det gemensamma målet inom forskargruppen är tydligt: Sidoströms- och huvudströms-deammonifikation för energipositiv kvävereduktion som en del av att utveckla resurseffektiva vattenanläggningar, tidigare benämnda avloppsvattenreningsverk.