IVL Swedish Environmental Research Institute

During 2013–2022, the membrane bioreactor technology (MBR) has been evaluated through pilot tests at the Hammarby Sjöstadsverk research facility, in preparation for full-scale implementation at the Henriksdal wastewater treatment plant. This report summarizes specific experiences, challenges, and opportunities identified. The pilot consists of pre- and post-denitrification with the addition of an external carbon source for nitrogen removal. Phosphorus is removed through pre- and simultaneous precipitation at three dosing points. The pilot has generally achieved stable treatment efficiency, even under high load conditions, with effluent concentrations far below the discharge requirements. This even with less consumption of chemicals compared to design values. The report includes results from various control strategies and a comparison of  different external carbon sources. The membrane operation was generally stable, with permeability ranging from 600 to 200 lmh/bar. Optimization of resource consumption has been a focus in the pilot project since 2018. Attempts to reduce membrane fouling and the amount of chemicals used for membrane cleaning have been conducted, showing, for example, a reduction of membrane cleaning chemical requirements to 30–40% of the design. This finding has partially been confirmed in the full-scale line. Tests with reduced sludge  recirculation to decrease energy consumption indicated no negative effects on membrane performance. Tests with a flux enhancer showed no apparent positive or negative changes in membrane permeability. However, tests with an antifoaming agent were effective in reducing and controlling foaming. An assessment of micropollutants such as pharmaceutical residues, microplastics and PFAS, showed comparable levels between the MBR pilot and the conventional activated sludge process at Henriksdal WWTP. Emissions of chlorinated compounds were measured during several recovery cleanings with sodium hypochlorite, indicating potential harm throughout the cleaning process from an exposure perspective. Measurements of greenhouse gas emissions showed varied emissions between different measurements. In addition to these and other results and aspects, experiences from other MBR plants in Sweden and internationally are also presented.The MBR pilot was also used for several other activities outlined in the report, including: ● Testing and comparing different carbon sources for post-denitrification, including sodium acetate, Brenntaplus, methanol, acetic acid, glycerol, ethanol, and internally produced VFA (volatile fatty acids). ● Biological phosphorus removal, although the process was not specifically designed for this purpose. This resulted in significantly lower consumption of precipitation chemicals than expected. ● Tests with advanced treatment techniques such as ozonation, activated carbon, and others for the removal of micropollutants. Experiences from other Swedish and international MBR plants are also described. ● Use of the MBR pilot as part of a direct potable reuse (DPR) system, which involves treating the purified wastewater for direct use as drinking water. Finally, the report discusses various aspects including decommissioning and management of spent membranes, general operational experiences, pilot to full-scale feedback, and future potential and challenges for MBR technology.

Henriksdal wastewater treatment plant (WWTP) in Stockholm is currently being extended and rebuilt for increased capacity (from 0.8 to 1.6 million PE) and enhanced treatment efficiency (6 mg TN/L, 0.20 mg TP/L, 5 mg BOD7/L).

The reconstruction includes retrofitting of the existing conventional activated sludge (CAS) tanks with a new membrane bioreactor (MBR) process containing 1.6 million m2 of membrane area. It also includes extended pretreatment and a new treatment step for thickening of primary sludge. Digestion of thick sludge (~6 % TS) will be done at thermophilic conditions, unlike today’s mesophilic operation, with high organic load and relatively short retention time.

To increase the knowledge of MBRs in Nordic conditions, Stockholm Vatten och Avfall (SVOA) and IVL Swedish Environmental Research Institute have conducted long-term MBR studies in pilot scale at the R&D-facility Hammarby Sjöstadsverk, located on the premises of the Henriksdal WWTP. The MBR-pilot was taken into operation in 2013 and was reconstructed to its current configuration in 2016. In 2017 the MBR pilot was supplemented with a sludge treatment line to study different aspects of sludge digestion. 

During 2021, the MBR-pilot was operated at a fixed inflow of 4.1 m3/h, which is 37 % higher than the design average flow, with externally provided glycerol as well as internally produced VFA as carbon source for post-denitrification. Aluminum (PAX) was used instead of Ferric (PIX) as complement to Ferrous (FeSO4) for phosphorous precipitation. This was done to test the operational strategy for the first MBR line in Henriksdal WWTP. The average effluent concentration of nitrogen and phosphorus was 3.9 mg TN/L and 0.07 mg TP/L, respectively, which means that the effluent requirements were met also this year. To achieve this, 8.6 g Fe2+/m3 and 0.9 g Al3+/m3 was required.

During flux enhancer trials a total of 17.8 g iron (Fe2+ + Fe3+)/m3 was added. The glycerol dose was equivalent to 17.3 g COD/m3 and for internally produced VFA the dose equivalent was 15.5 g COD/m3. The slightly higher consumption of phosphorus precipitation chemicals compared to 2020, 1.29 mole metal per mole of phosphorus removed, was mainly due to a lower enhanced biological phospho¬rus removal (EBPR) activity in 2021. In 2021 the phosphorous release rates were low during the spring and showed < 1 g PO4-P/kg VSS,h in June but recovered in the summer with 5.5 g PO4-P/kg VSS,h in July after the defoaming agent dosing was stopped.

The iron and aluminum content in the activated sludge was 6.2 and 0.7 %, respectively. Average total sludge age during 2021 was 17.2 days and average aerated sludge age was 7 days. Nitrification was always complete with ammonia concentrations below 2 mg/L except week 25. Test with use of internally produced VFA as carbon source showed that the specific COD consumption was almost the same as for glycerol when comparing the yearly average from 2021 and 2020. Effluent nitrate and total nitrogen removal was similar during the trial with VFA as the rest of the year, when glycerol was used.

 Like previous years, the membranes in membrane tank 1 (MT1) was cleaned with oxalic acid and the membranes in MT2 with citric acid. Both membranes were also cleaned with sodium hypochlorite. The membranes were operated with an average net flux around 21 to 25 L/(m2·h) but starting from week 25, the flux was increased to 30 L/(m2·h) which is the design net max flux of the full scale MBR in Henriksdal and was tested in the pilot for 25 weeks.

The net TMP varied between 49 and 218 mbar for MT1 and between 51 and 146 mbar for MT2. TMP was reduced after each recovery cleaning (RC) with hypochlorite, but the effect did not last long. The permeability was generally above 200 L/(m2·h·bar) throughout 2021-2022 for both membranes. Recovery cleanings were done twice with hypochlorite and once with acids during 2021. During 2022 a final RC, first with hypochlorite then with acids was carried out.

The first RC for MT1 resulted in a clear increase in permeability after cleaning. For MT2 the major increase in permeability was the result of a citric acid MC (one week after the hypochlorite RC). The RCs at the end of 2021 and in March 2022 had clear but smaller positive impact on permeability. Prior to the first RCs, permeability was higher for MT1 (cleaned with oxalic acid) compared to MT2 (cleaned with citric acid). After the first RCs, both membranes had similar permeability. As a result of the tough operational strategy from week 25 2021, permeability decreased quite quickly after RCs. MT2 reached a stable level around 250-300 L/(m2·h·bar) while MT1 decreased even more, to as low as around 200 L/(m2·h·bar). 

Emission of chlorinated compounds in the off-gas ventilation were measured during the final sodium hypochlorite recovery cleaning. The emission process was slower than expected and generally no clear sign of attenuation of emissions was observed during the 21 hours of sampling. Although composite samples of several hours during the night are not providing enough details, it was concluded that the emissions can be harmful during the entire RC process from an exposure perspective. Trichloramine peaked at 36 times the recommended limit, chlorine gas at 73 % of the short-term exposure limit (15 min exposure), and chloroform at 9 % of the occupational exposure limit (8-hour workday average).To follow up previous measurements of greenhouse gases nitrous oxide (N2O) and methane (CH4), a new campaign was performed during several months in 2021. Generally, emissions observed in 2021 were significantly higher than in previous campaigns in the pilot and especially high N2O-emissions from the membrane-tank could be identified.

No clear reason could be identified but the increased incoming load with a maintained effluent quality and a “better” sampling setup may partly be an explanation.In collaboration with Kemira, tests with a flux enhancer product were performed in 2021. However, no obvious positive or negative change in permeability due to dosing of flux enhancer was possible to identify based on continuously monitored process parameters and commonly observed variations in permeability and effect of membrane cleaning.  As the formation of foam is a common phenomenon in MBR plants, tests with an antifoaming agent were done by dosing in batches and continuously to the biological treatment during the period of heavy foaming (March-June).

Even if foaming was not avoided, a good reduction and control of foaming could be achieved. An optimal effect was achieved with continuous dosages of > 10 ppm. However, even though the product has shown to have a positive effect in the MBR-pilot, a permanent use in full-scale may not be economically feasible due to the high consumption.Test with a reduced RAS flow from the design value of 4×Qin to 2×Qin was done with the aim to reduce energy consumption for pumping. A reduced RAS flow would however imply an increased sludge concentration in the membrane tanks, which may have negative effects on the membrane performance with more clogging and consequently increased aeration for membrane scouring and need for more frequent membrane cleaning.

However, no negative effects of the reduced RAS-flow could be seen on the membrane performance.    During 2021, tests with a transition from mesophilic to thermophilic anaerobic digestion, dewatering of digested sludge after mesophilic and thermophilic digestion, and thermophilic digestion at high organic loading rate (OLR) and low hydraulic retention time (HRT) were performed in the sludge pilot. Results show that the transition from mesophilic to thermophilic digestion can be done without any major problems if the load was reduced during the most critical temperatures and that stable operation was achieved after 10-12 days. Evaluating the dewatering of mesophilically and thermophilically digested sludge was more difficult and no clear differences could be observed. However, it was concluded that used methods for determining dewaterability or optimal polymer dose are not reliable.

Trials with high organic loading rate at thermophilic digestion showed that the digester performance could be maintained up to an OLR of around 4 kg VS/m3, d and an HRT of 12 d. When the load is further increased and HRT decreased, the performance in terms of VS reduction and biogas-/methane production decreased although the reactor operation was still stable.   The overall resource consumption in the pilot showed that the consumption of glycerol was the same as for the future Henriksdal design, even though the nitrogen load in the pilot was 21 % higher and the average effluent total nitrogen concentration was 3.9 mg TN/L compared to the design of 6 mg TN/L.

Also, the iron/metal consumption was 73 % of the future Henriksdal design, although the phosphorus load to the pilot was about 50 % higher compared to design values and effluent phosphate concentrations were below the target concentration. This is mainly explained by the EBPR activity in the pilot. Also, the consumption of cleaning chemicals was lower than the future Henriksdal design although the inflow to the pilot was 30 % higher than design.

Denna rapport innehåller tips och råd för pilotförsök. Texten är framtagen inom ramen för Svenska Näringsplattformen och syftet har varit att sammanställa vad som är viktigt att tänka på vid genomförande av tester för växtnäringsåtervinning från avloppsströmmar och vad en testbädd bör erbjuda. Sammanställningen är skriven i generella termer och råden kan anses gälla både för tester av växtnäringsåtervinning från avloppsströmmar men även för andra tester relaterade till kommunalt eller industriellt vatten.

Stockholm’s wastewater treatment plant (WWTP) in is currently retrofitting from a conventional activated sludge process to a new membrane bioreactor (MBR) process. It also includes new treatment steps for sludge handling. Stockholm Vatten och Avfall (SVOA) and IVL have since 2014 conducted long-term MBR studies in pilot scale at the R&D facility Hammarby Sjöstadsverk. This report present results from the pilot operation during 2020. 

The MBR-pilot was continuously operated at a higher inflow than the design average flow. The average effluent concentration of nitrogen and phosphorus met the effluent requirements of the future WWTP also this year. A low consumption of phosphorus precipitation chemicals could be achieved mainly due to a high Bio-P activity. The pilot showed that glycerol can be a good temporary carbon source at Henriksdal WWTP during startup. 

Like previous years, the membranes in membrane tank 1 (MT1) was cleaned with oxalic acid and the membranes in MT2 with citric acid. Several tests to optimize the chemical consumption for membrane cleaning were performed. Recovery cleanings (RC) of the membranes were performed twice in 2020.

In the sludge pilot, a thermophilic and a mesophilic hydraulic retention time (HRT) crash test showed stable performance down to 4 days HRT. 

The overall resource consumption in the pilot showed that the optimization of phosphorus precipitation and membrane cleaning chemicals resulted in a significantly lower dosing than design values for the future Henriksdal WWTP. 

This report summarises the findings from operations with AQUA-Q’s online real-time water quality monitoring system on the effluent from a pilot Membrane Bioreactor (MBR,) within the co-financed VINNOVA-project entitled Tomorrows Sewage Treatment Plants – A Utility Production Facility (Morgondagens kommunala vattenrening – en produktionsanläggning för nyttigheter). Significant progress has been made during recent years with regard to real-time water quality monitoring systems for monitoring and control of water quality and water treatment operation. This report provides an evaluation of the efficiency of the MBR process at the R&D-facility Hammarby Sjöstadsverk, Stockholm, Sweden. This includes the monitoring of larger contaminants (>0.2mm) in effluent water of the MBR process. Aqua-Q’s early warning system, WQM-100, has monitored the water quality 24/7 during the spring 2014 and the particle/micro-contaminants removal efficiency of the MBR was evaluated. Aqua-Q’s real-time monitoring system detected that one of the membranes (membrane A) of the MBR-process had a constant leakage of micro-contaminants. Periodic variations in the measured micro-contaminants concentration could have been caused by an overload in MBR process and also by a potential filter breakthrough. However, during the test period no significant problems were observed in the MBR-process control. For evaluation and verification of the indication from Aqua-Q’s real-time monitoring system, complete microbiological analyses were performed with an alternative ISO standard method and by a certified environmental laboratory. The results highlight the importance of real time quality monitoring of processes related to human sources of microbiological growth. Therefore, a better understanding and control of water qualities in water treatment processes is cost and resource effective, and reduces microbiological emissions to the environment.  

How we can use nature to restore marine environments before it is too late. Short version of the WEBAP project’s final report (December 2013)

Dagens reningsverk står inför flera utmaningar såsom ökad belastning, skärpta reningskrav, ett förändrat klimat, krav på ökad resurseffektivitet, en mer hållbar slamhantering och minskad miljöpåverkan från verksamheten. I en strävan att nå mer hållbara lösningar för avloppsvattenrening och slamhantering har IVL Svenska Miljöinstitutet och Syvab haft ett långsiktigt forskningssamarbete. Under 2020 och 2021 har olika aktiviteter inom områdena klimat- och miljöpåverkan, slamhantering och processoptimering genomförts. Några av de aktiviteter som redovisas i denna rapport är fortfarande under genomförande och fortsätter även under 2022.  

Några resultat från 2020/21 års arbete är följande: 

- En simulering av framtida Himmerfjärdsverket 2030 med olika realistiska inflöden där infiltration och snabb avrinning varierats visar att mängden tillskottsvatten i inflödet påverkar reningsverkets miljöpåverkan. Framför allt en förändrad infiltration som ger ett minskat inflöde resulterar i en kraftig minskning av övergödningspotentialen, förbrukning av fossila resurser, klimatpåverkan, försurningspotential och förbrukningen av materialresurser.

- Lutsgasmätningarna i den nya rejektvattenbehandlingen indikerade att 0,3 % av inkommande totalkväve emitterades som lustgas vilket är en total årlig lustgasemission från processen på ca 330 kg N2O/år eller 117,5 ton koldioxidekvivalenter årligen. Dessa emissioner är mycket lägre jämfört med mätningar i den tidigare deammonifikationsprocessen. Vid periodvisa problem i demonprocessen uppgår lustgasemissionerna dock till samma storleksordning som från den tidigare deammonifikationsprocessen.

- Emissionsmätningar i huvudlinjen visade en genomsnittlig N2O-emissionsfaktor på ca 0,42 % (N2O-N/NH4-N-belastning). Vid en delvis hämning av nitrifikationen under mätperioden v41 kunde högre utsläpp av lustgas (1 % N2O-N/NH4-N-belastning) observeras. Vid en mer stabil nitrifikation minskar även lustgasemissioner igen till en emissionsfaktor på <0,4 %.

- Mätningar för att kvantifiera växthusgasemissioner gjordes även i MBR-pilotanläggningen och ett medelvärde för lustgasemissionsfaktorn på ca 0,36 % N2O-N/NH4-N-belastning med ett högsta värde på 1,33 % beräknades. Även om det på grund av saknande data för luftflödet till membrantanken inte går att dra några slutsatser än så tyder dessa initiala mätningar ändå på högre lustgasemissioner från MBR-piloten jämfört med mätningar i IVLs MBR-pilot vid Hammarby Sjöstadsverk samt jämfört med nuvarande reningsprocess vid Himmerfjärdsverket.

- Resultaten för rening av läkemedelsrester och PFAS för de två MBR-GAK-pilotlinjerna visar en fortsatt bra reningseffektivitet även om en förväntat avtagande effekt med ökade antal behandlade bäddvolymer observerades. Ett kolbyte har fortfarande inte behövts och PFOS-reningen sker fortfarande främst i MBR-processen. Medan första pilotlinjen bekräftar principförslaget så visar den andra pilotlinjen och övergripande resultat att signifikanta resurs- och kostnadsbesparingar kan åstadkommas jämfört med konventionell design om resultaten från pilotförsöken läggs som grund för en framtida fullskaleimplementering.

- Olika åtgärder som rekommenderades i en genomförd utredning för att minska skumproblemet i piloten och för att undersöka en möjlig hantering i framtida Himmerfjärdsverket visar ett minskat skumtäcke i piloten. Ifall det beror på en minskad skumbildning eller ett effektivt avdrag av skummet kvarstår dock att utreda.

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.

Hydrothermal carbonization (HTC) of municipal sewage sludge has the potential to become one of the techniques for future sludge management at Swedish municipal wastewater treatment plants (WWTPs).

Some expected benefits of the HTC technology are a more sustainable sludge management and return of nutrients via the produced hydrochar, as well as other positive effects such as less greenhouse gas emissions and nutrient leakage into the environment.

At the same time, certain challenges such as the handling of process water and uncertainties about the properties of the produced hydrochar need to be investigated. In order to answer these questions and gather practical experience for HTC as a sludge management alternative, pilot trials with C-Green's OxyPower HTC™ have been carried out at Roslagsvattens WWTP in Margretelund, Åkersberga, Sweden.

Undigested sludge was treated to produce hydrochar and the produced HTC water was used at KTH/IVL's pilot plant Hammarby Sjöstadsverk in various side- or mainstream bench- and pilot-scale tests for biological treatment.Hydrochar and sludge from Roslagsvattens WWTP in Margretelund were characterized and tested in growth trials with soil and peat.

The formation of carbon dioxide in soil was also evaluated. In these studies, the results were also compared with hydrochar from four other substrates (digested food waste, stable manure, biosludge from treatment of process water from a pulp/paper mill and digested mixed sludge from municipal WWTPs).The project has shown that C-Green's OxyPower HTC™ is a possible technical alternative for treating Margretelund’s undigested sewage sludge. Various tests have illustrated that the technol¬ogy can reduce the sludge volume through an increase in TS to about 65 %, not only for sewage sludge but also for several other investigated substrates.

Although the HTC pilot plant could not be run continuously as a full-scale plant, still a process stability could be demonstrated. Even though the process is basically exothermic and a net production of energy over the entire process can be observed, the process needs high-quality electrical energy for operation.

An efficient utilization of the surplus heat that is produced thus becomes an important aspect to achieve resource efficiency. C-Green's OxyPower HTC™ is a compact process with relatively little surface area and costs for the process are judged to be dominated by operating costs in the form of energy and operating personnel.Tests with biological treatment of HTC water showed that a mixture with only reject water from sludge dewatering is not sufficient to achieve an effective purification to avoid an increased internal load on the mainstream process.

Although an effective reduction of organic pollutants measured as COD could be achieved, both short-term bench-scale and long-term pilot-scale tests indicated a clear inhibition of nitrification. While no complete inhibition was observed, long-term tests clearly showed that an adaptation of the microbial community over time cannot be expected. At the same time, supplementary long-term pilot tests with biological treatment of both HTC-water and reject water in the mainstream process showed an effective reduction of both organic pollutants such as COD and ammonium. No inhibitory effects were indicated, which is due to the very strong dilution of any inhibitory substances in the HTC water.

A return to the main treatment, however, means a greatly increased internal load, mainly with respect to organic pollutants and ammonium, which require extra process volumes if the effluent levels are not to be compromised.The HTC technology thus constitutes an interesting alternative for sludge management at Swedish WWTPs, which, however, requires consideration of several aspects: the facility's fitness to handle an increased internal load, today's sludge quality for producing good quality hydrochar, and a good integration into existing processes for optimal resource utilization.

Dagens reningsverk står inför flera utmaningar såsom ökad belastning, skärpta reningskrav, ett förändrat klimat, krav på ökad resurseffektivitet, en mer hållbar slamhantering och minskad miljöpåverkan från verksamheten.

I en strävan att nå mer hållbara lösningar för avloppsvattenrening och slamhantering har IVL Svenska Miljöinstitutet och Syvab haft ett långsiktigt forskningssamarbete. Under 2022 har olika aktiviteter inom områdena resursförbrukning, miljöpåverkan, slamhantering och processoptimering genomförts. Några av de aktiviteter som redovisas i denna rapport är fortfarande under genomförande och fortsätter även under 2023.  Några resultat från 2022 års arbete är följande:

Långtidspilottester med teknikkombinationen av Syvabs framtida MBR-process och två parallella 2-stegs filter med granulerat aktivt kol (GAK) för rening av läkemedelsrester och PFAS visar en fortsatt bra reningseffektivitet även om en förväntat avtagande effekt med ökade antal behandlade bäddvolymer observerats. tt kolbyte har fortfarande inte behövts efter ca 2,5 år av drift (vid ca 70 000 behandlade bäddvolymer i de enstaka GAK-filtren). Jämfört med det befintliga principförslaget så visar pilottesterna att signifikanta resurs- och kostnadsbesparingar kan åstadkommas om resultaten från pilotförsöken läggs till grund för en framtida fullskaleimplementering.Utvärderingen av övervaknings- och styrningsmöjligheter av GAK-filtren med hjälp av UVA eller DOC indikerar att en övervakning av reningen baserat på endast dessa parameter inte kommer räcka till.

Pilottester med en kombination av pulveriserat aktivt kol (PAK) och MBR-processen visar en mycket effektiv borttagning av studerade läkemedelsrester med >80 % redan vid en PAK-dos på ca 15 mg/l. Även PFOS renas bort effektivt med en avskiljning >98 %. Jämfört med teknikkombinationen MBR-GAK kan PAK-MBR alternativet ge ytterligare resursbesparingar samtidigt som andra utmaningar som slampåverkan p.g.a. PAK-tillsats behöver beaktas.

En implementering av SIMBA#-processmodellen för MBR-piloten och utvärdering av återkommande nitrifikationshämningar i fullskaleanläggningen med hjälp av dataanalys visar potential för dessa verktyg som möjlig användning i framtiden.

At Slottshagen wastewater treatment plant (WWTP), one of the first mappings of nitrous oxide (N2O) emissions from the reject water treatment was performed. The first measurements were carried out in 2012 and showed relatively high emissions of nitrous oxide with emissions corresponding to an average of 10 % of the incoming nitrogen load but periodically significantly higher emissions than that. Thus, it was concluded that the process, despite efficient nitrogen removal, contributed to a significant environmental impact. To reduce the negative environmental impact caused by the high emissions of nitrous oxide, which is a 298-fold stronger greenhouse gas than carbon dioxide, IVL developed various action strategies for Nodra AB that would result in reduced emissions both in the short and long term.

As a quick measure, an adaptation of the ethanol dosing strategy was recommended to reduce emissions. A monitoring measurement showed that nitrous oxide emissions had been reduced to an average of 5-6 % of the average nitrogen load. The long-term recommendation to Nodra AB was to change the treatment process from Sequential Batch Reactor (SBR) with conventional nitrification and denitrification to a 1-step deammonification, which includes the biological processes nitration and anammox. After completion of the reconstruction in 2017, a new measurement campaign was performed in 2018. These measurements indicate significantly lower nitrous oxide emissions in the deammonification process (<1 % of the nitrogen load).

A further optimization of the process with a focus on pH control, which was carried out in collaboration with Mälardalen University (MDH) and Purac AB, resulted in even lower emissions of <0.2 % of the nitrogen load. Although in this specific case, certain mitigation strategies were proposed, there may be several other action strategies possible. The most important part of a successful reduction of greenhouse gas emissions is the knowledge of the current situation and the willingness to change a negative state. Nodra AB has been driving these questions and despite high emissions that were discovered during the mapping process, they have been continuously working to reduce these with the help of external expertise.

Population growth, increasing living standards, but also environmental hazards with global climate change as the most significant are all contributing to an increasing water stress in many parts of the world. While access to fresh water for drinking water is getting more costly due to environmental pollution, uses of drinking water conflicts with water needs for agricultural and industrial use, which are in need of substantial water quantities. The use of reclaimed wastewater for non-potable purposes provides a solution for this. This is not new and has in fact been applied in many regions as the main water management approach. As water scarcity becomes more severe, also the need for more sustainable and holistic approaches to deal with our limited fresh water resources becomes more and more obvious. The traditional one-way water handling approach, with end-of-pipe treatment releasing “clean” effluent water to nature, has to be converted into a society-internal water reuse scheme where different water qualities and water uses are considered as an integral part of the water cycle.

The present report presents activities and results from an international project that aimed at developing and optimizing water treatment processes and systems for sustainable reuse of treated wastewater. The starting point is to combine the sequential batch treatment (SBR, sequencing batch reactors) with different conventional and emerging secondary and tertiary treatment techniques in various combinations, optimized from an overall sustainability perspective. Evaluation and optimization is achieved using life cycle assessment and life cycle cost assessment and their combination.

Compilation of what types of pharmaceutical residues and other priority substances that can be found in wastewater, how they affect the recipient, how they can be removed etc.

I denna rapport redovisar projektet SystemLäk - Systemförslag för rening av läkemedelsrester och andra prioriterade svårnedbrytbara ämnen en samlad bild av kunskapsläget kring avancerade reningstekniker för rening av läkemedelsrester och andra prioriterade svårnedbrytbara substanser, även kallade mikroföroreningar.

När ett reningsverk beslutat att implementera kompletterande reningssteg för rening av mikroföroreningar, bör en kartering genomföras, som visar på vilka mikroföroreningar det aktuella reningsverket tar emot. När reningsverket har kännedom om vilka mikroföroreningar som belastar verket bör ett övergripande mål för reningen beslutas, det vill säga, vilka mikroföroreningar som ska renas, och till vilken grad. Vägledning för genomförande av kartering, samt hur dess resultat kan tolkas, presenteras i denna rapport.

Efter beslut om övergripande reningsmål, men innan beslut av slutligt teknikval, bör reningsverkets specifika förutsättningar och begränsningar identifieras. Är anläggningens infrastruktur mer eller mindre lämpad för någon särskild teknik? Finns icke utnyttjade utrymmen eller volymer som kan nyttjas? Vilken reningseffektivitet av mikroföroreningar uppnås i dagsläget? Finns några framtidsplaner för reningsverket som kan påverka teknikvalet? För att bekräfta att potentiella tekniker fungerar bör pilotförsök genomföras vid det specifika reningsverket. Pilottesterna bör inte enbart beakta reningseffektivitet utan även kostnader, resursförbrukning och behov av arbetskraft. Studiebesök vid samt erfarenhetsutbyte med andra reningsverk med samma reningsteknik implementerad rekommenderas.

När det fastställts vilket teknikval som är mest lämpligt vid det specifika reningsverket bör offerter tas in från minst tre olika teknikleverantörer. Offerter samt implementeringsunderlag bör granskas och godkännas av oberoende part. Vid upphandling bör garantier för framgångsrik implementering ingå. Noggrann uppföljning av idrifttagande rekommenderas.

Sjöstadsverket är en unik resurs för att utveckla VA-forskning i Sverige och internationellt. Stockholm Vatten överlåter (1/1 2008) hela försöksanläggningen för fortsatt experimentell verksamhet inom VA-området till en FoU grupp ledd av IVL och KTH. Det primära målet är först att säkerställa kontinuiteten i driften och kostnader för detta ska täckas genom projektstöd från olika intressenter. Tanken är att all verksamhet skall finansierats genom olika projekt.Forskningsinriktningen kommer att beslutas av en FoU styrelse där finansiärerna sitter med. Tre huvudmål för drift av anläggningen har definierats: A. Utveckling och optimering av befintliga metoder och processkonfigurationer för resurseffektiv avloppsvattenrening. B. Utveckling av nya innovativa metoder och processkonfigurationer för förbättrad behandling av vattenfas samt sidoströmmar. C. Testning samt utvärdering av utrustningar för vattenreningsteknik, specifika komponenter och system med fokus på världsmarknaden. Relevanta projektförslag för svensk VA-teknik kan delas upp i åtta huvudområden: 1. Krav på ingående vatten, 2. Optimering av befintliga aeroba och anaeroba processer, 3. Kompletterande rening, 4. Processtyrning samt mätteknik, 5. Behandling av sidoströmmar, 6. Klimateffektiv behandlingsteknik, 7. Biogasproduktion, 8. Nya innovativa tekniker och processer. Från dessa huvudområden prioriterar Svenskt Vatten i samråd med ITT Flygt, NV och övriga FoU-styrelseledamöter vilka konkreta projekt som ska startas upp.

Större delen av de läkemedel och andra mikroföroreningar som används i samhället hamnar i våra avloppsreningsverk. Där bryts en del ner effektivt, men många föroreningar passerar i stort sett opåverkade genom verken. Vid låg utspädning i närrecipienten kan vissa substanser nå så höga halter att man inte kan utesluta effekter på vattenlevande organismer. Kompletterande rening av avloppsvattnet vid avloppsreningsverk kan därför vare ett alternativ för att avlägsna dessa mikroföroreningar. De mest lovande teknikerna för att minska utsläppen av ett brett spektrum av läkemedelssubstanser och andra svårnedbrytbara substanser är behandling med starka oxidationsmedel, främst ozon, adsorption till aktivt kol och en utökad biologisk nedbrytning.

Denna rapport redovisar resultat från fortsatta försök med avskiljning av särskilt läkemedelsrester i avloppsvatten inom projektet SystemLäk, och kompletterar tidigare genomförda försök inom samma projekt. I första hand har 24 olika läkemedel, som ofta förekommer i avloppsvatten och som representerar olika läkemedelsgrupper, analyserats. Tekniker som studerats innefattar: § Granulerat aktivt kol som filtermaterial med biologisk aktivitet - BAF(GAK) § Rening med biokol framställt från bioslam/organiskt substrat - BAK § Användning av pulveriserat aktivt kol i MembranBioReaktor (MBR) -PAK § Oxidation med ozon § Oxidation med klordioxid

Genomförda tester, i kombination med tidigare försök, visar tydligt på att de flesta studerade teknikerna ger ökad avskiljning av de flesta studerade ämnena. I många fall får man en mycket bra effekt med en rimlig insats. Testerna har även lyft fram begränsningar hos de studerade teknikerna: BAF(GAK) - Granulerat aktivt kol som biofilter, BAK – Biokol framställt från bioslam, PAK-MBR – Pulveriserat aktivt kol (PAK) i membranbioreaktor, Resurseffektiv ozonering, Klordioxid (ClO2)

För mer detaljer kring de ämnen som studerats, analysmetoder för dessa, vilken effekt dessa har i recipienten samt till vilken nivå de bör reduceras hänvisas till den första delrapporten i SystemLäk (Baresel m fl., 2015a). För en samlad bedömning av olika reningssystem inklusive miljöpåverkan och kostnader samt vilka av tekniker som rekommenderas hänvisas till slutrapporten i SystemLäk (Baresel m fl., 2017).

Treatment with ozone or granulated activated carbon (GAC) are compared for further purification of an already well treated (chemically and biologically) wastewater. The wastewater was taken from the pilot plant Hammarby Sjöstadsverk where incoming water to the main WWTP Henriksdal was treated by pre-precipitation, pre- denitrification, nitrification, and post-denitrification in an MBR pilot scale, providing particle-free water. This represents the process planned for the expanded Henriksdal WWTP. The removal efficiency of the MBR-pilot is highly effective, but further removal of some organic compounds may eventually be required. This is particularly true for pharmaceutical residues. Polishing treatment with ozone or active carbon is most relevant for the moment and has been tested in a scale around 1 m3/hr. Concentrations of 37 pharmaceutical residues and a number of phenolic substances were analyzed before and after the treatments. Ozone was tested at doses between 3 and 13 g/m3. 9 of the 18 detectable pharmaceutical residues in the effluent from the MBR pilot were removed already at 3 g ozone/m3. After 5 g ozone/ m3 remained six compounds in measurable concentrations, and after 7 g ozone/m3 only 3 pieces (atenolol, metoprolol, and oxazepam). After 13 g ozone/m3 remained only oxazepam (18 ng/L). Among phenolic compounds triclosan and bisphenol A were removed effectively at 7 g of ozone/m3. Nonylphenol and octylphenol were much more stable and levels were just halved at 7 g ozone/m3. 13 g ozone /m3 did not produce an increased reduction. A potential method to adapt the ozone dose depending on the demand is discussed. Granulated activated carbon (GAC) was tested in a pilot with automatic backwash when the bed tended to clog. Most of the analyses were made after about 6800 bed volumes had passed, corresponding to about 13 m3/kg coal. The separation efficiency decreases with load, but has been shown in previous experiments to be acceptable up to at least 25 000 bed volumes, or 50 m3/kg coal. The contact time in the bed (EBCT) appeared not to affect the reduction in the range of 10 to 18 minutes. The removal of pharmaceutical residues was generally better with GAC than with 7 g ozone/m3, and the removal of oxazepam was evidently more effective with GAC than at 13 g ozone/m3. Octylphenol and triklosan were effectively reduced, but not nonyphenol and bisphenol A. Additional analyzes at higher loads are required in order to evaluate the removal efficiency over the entire lifetime of the carbon. Supplementary analyzes after about 16 700 Empty Bed Volumes (EBV), equivalent to more than 32 m3/kg carbon, however, indicate a continued good removal efficiency. The treatment with ozone and GAC was also compared with the treatment using reverse osmosis (RO) from a parallel project. RO was more effective than both ozone and GAC, but is overall significantly more resource intensive. The color of treated wastewater declined sharply using the two methods, but most effective was ozone. Other parameters were less affected, but an additional disinfection of the already fairly clean water was recorded with both methods. The target level of removal should be determined by each substance and its impact in the receiving water (PNEC) and the individual plant's initial dilution in the receiving water. The comparison of the different treatment methods should also consider costs (capital and operating costs) and total resource consumption and environmental impacts (life cycle analysis). These calculations are under preparation, based on current tests, but are not yet completed. This report is only available in Swedish.

A working group consisting of VA-professionals (the Kalmar-initiative) proposes a new strategy for municipal wastewater treatment that focuses on an increased microbial conversion of organic and inorganic pollutants into valuable resources, i.e. recycling of nutrients, and an increased utilization and production of energy. In order to reach these goals the proposed ERA-design is based on following concept: Design of the incoming wastewater to a high COD/N ratio. Selections of the fastest bacteria in the activated sludge (100% biological nitrogen reduction without the use of the slow-growing bacteria for nitrification / denitrification, but the use of a rapid and stable heterotrophic biological assimilation. 100% biological phosphorous reduction without the use of the chemicals.) Increased sludge production with high energy content. Central treatment of supernatant (e.g. with anammox and/or regeneration of N and P) This pre-study aimed to investigate whether a conventional wastewater treatment plant can be operated with high organic load, short sludge age and nutrient removal by 100% biological assimilation. The results show that the treatment of wastewater using the ERA concept was acceptable. Nitrogen removal in the experiment was better than in traditional WWTP with the same wastewater. Also phosphorus removal and reduction of organic material was good with a reduction of around 80% and 90%, respectively. The project also showed that the carbon/ nitrogen ratio has great impact on sludge characteristics.

In 2015 the municipality of Simrishamn, together with IVL decided to start a project for the design, implementation and evaluation of a full-scale plant for removal of micropollutants such as pharmaceuticals and hormone disturbing substances. This ambition came true within a VINNOVA funded programme, Challenge Driven Innovation and by a decision made by the City council for the investment in a full-scale demonstration plant. As the region, including Simrishamn municipality, have been facing water shortage in recent years, it was decided to also evaluate the possibility to reuse the treated water by infiltration to the ground water. For this, an advanced treatment was added to the existing wastewater treatment plant (WWTP).

The evaluation of the implemented three parallel advanced treatment systems consisting of only activated carbon (GAC), ozonation combined with sand filter, and ozonation combined with activated carbon clearly shows an added removal effect for pharmaceuticals but also other pollutants.

Evaluation of the reusability of the treated water also showed positive results. The removal of pharmaceuticals, endocrine disrupting substances and antibiotics was almost 100 % and indicates that the water could be reused, e.g. by recharging to the groundwater.

Mellan 2020 och 2023 har Vivab i samarbete med IVL Svenska Miljöinstitutet genomfört en förstudie om avancerad rening vid Getteröverket i Varberg. Förstudien genomfördes med bidrag från Naturvårdsverket i två olika etapper. Den första etappen omfattade en påverkansanalys av vattenmiljön, en behovsutredning och initiering av pilottester medan den andra etappen handlade främst om en fortsättning och komplettering av pilottester samt framtagandet av beslutsunderlag. Denna rapport redovisar etapp nummer två och kompletterar redan utfört arbete från etapp ett. Den första rapporten som avser etapp ett skickades till Naturvårdsverket i slutet av 2021.

Syftet med den förstudien var att utreda förutsättningarna för en fullskaleinstallation av lämplig teknik för rening av organiska mikroföroreningar såsom läkemedelsrester vid Getteröverket. Målet med studien var att ge ett väl underbyggt underlag för aktuella beslutsfattare för en eventuell implementering av en fullskaleanläggning inom befintligt verksamhetsområde.

För att uppnå ovan nämnda mål genomfördes kompletterande screeningar av organiska mikroföroreningar i föreliggande rapport. Provtagning har genomförts över avloppsreningsverket, potentiella punktkällor uppströms och i mottagande ytvatten som utgör Getteröverkets recipient. De tidigare startade långtidsförsöken från etapp 1 fortsatte under etapp 2. Försöken har utvärderat teknikkombinationen ultrafiltrering och granulerat aktiv kol (UF-GAK) och inkluderade även kompletterande pilottester med teknikkombinationen ozonering efterföljt av GAK (O3-GAK).Resultaten för den genomförda och kompletterande kartläggningen av i) mikroföroreningar över Getteröverket, ii) bidragande källor till inkommande avloppsvatten och iii) olika recipientpunkter, visade tydligt att Getteröverket är den dominerande transportvägen för läkemedelsrester till mottagande recipient inklusive Inre Farehammarsviken, som är ett känsligt och skyddat naturområde. För andra mikroföroreningar såsom PFAS (per- och polyfluorerade alkylsubstanser) och fenoler, finns även andra källor än Getteröverket. Vid undersökningar av lakvattnet från Bösarp deponi, konstaterades att det endast bidrar med en mindre del av den totala PFAS-belastningen till Getteröverket.De genomförda pilottesterna med de olika teknikkombinationerna UF-GAK och O3-GAK visade att en mycket bra reduktion av läkemedelsrester och andra organiska mikroföroreningar kunde åstadkommas.

Långtidsförsöken som pågick i ca 30 månader visade också att reduktionen kan åstadkommas med en signifikant mindre kolförbrukning i UF-GAK-lösningen jämfört med en traditionell design av kolfilter. Principförslaget som inkluderar dimensionering och tekniskt utförande för UF-GAK visar hur en fullskaleimplementering kan utföras. Projektgruppen valde att fokusera på teknikkombinationen UF-GAK i principförslaget, eftersom denna tekniklösning utvärderades under en längre tid och utifrån flera aspekter. En annan anledning till ett ökat fokus för kombinationen UF-GAK, var att den även ger ökade möjligheter för en återanvändning av vatten. För alternativet med O3-GAK gjordes endast en förenklad bedömning av resursbehovet. Utifrån den genomförda kostnadsbedömningen skulle en implementering av avancerad rening med UF-GAK vid Getteröverket generera en specifik reningskostnad på ca 2,3 kr/m3.Utöver analyser av olika organiska mikroföroreningar för pilotprocesserna genomfördes det även ett antal olika aktiviteter såsom aktivitetstester av vattenprover över olika reningssteg, flödescytometri, karakterisering av den mikrobiella sammansättningen i GAK-filter, antibiotikaresistens med mera, vilket återfinns i rapporten.

Different studies have indicated limitations of treatment technologies such as ozone oxidation and active carbon for certain particularly persistent substances in municipal wastewater. Therefore, the use of advanced oxidation treatment using UV light coupled with hydrogen peroxide (UV/H2O2) for the oxidation of pharmaceutical residues in municipal wastewater effluents was investigated.
The conducted tests, comprising both lab-scale and pilot-scale studies, show good removal efficiencies for all pharmaceuticals observed in the effluent of Stockholm’s largest WWTP. A clear dose-response behaviour is observed that can be used for targeting various substances depending on removal target definition.
The cost evaluation of the technique reveals that UV/H2O2 applications may be more cost intensive compared to other technologies, especially ozonation and activated carbon. However, compared to combinations of several technologies such as ozonation and activated carbon or technologies with ultrafiltration, UV/H2O2 applications may be in the same or lower cost range. Based on the project results it is understood that the gap in costs towards other removal techniques is not that wide and that several advantages of the UV/H2O2 technology may favour its application in various cases. For this, further investigations are planned by the project partners.

To evaluate direct greenhouse gas emissions from Membrane Biological Reactor (MBR), measurements of nitrous oxide (N2O) and methane (CH4) were made at a pilot-scale MBR treating municipal wastewater Measurements were conducted during two campaigns with some changes in processes, i.e. introducing a pre-aeration tank in the second measurement, different distributions of aeration in the treatment line, not the same wastewater inflow rate, two types of ultrafiltration membrane. It was found that about 0.004% and 0.07% of the total ammonium loads were emitted as N2O, CH4 emissions were 0.026% and 0.12% of incoming TOC (0.008% and 0.04% of incoming COD) in 2014 and 2018. The obtained N2O emission values were relatively low.

The study suggested that a high aeration at the beginning of the treatment line may result in significantly high emissions of both N2O and CH4. A significant change in aeration in the membrane ultrafiltration tank did not have the same impact. The MBR process is known for high quality effluent but have been questioned due to its higher carbon footprint due to energy consumption. This study gave a reference case about direct GHG emissions from MBR process and provide information for the further evaluation of MBR processes.

Per- and Polyfluoroalkyl Substances (PFAS) are everywhere around us in society, found in commercial and industrial products, the atmosphere, waste, water (waste, surface, drinking, and ground), soil, plants, animals, and even in our bodies. The use and spread of PFAS is a global societal challenge, affecting even the most remote places on Earth. One of the reasons why PFAS has been an attractive component in many products and industrial applications is their extreme chemical and thermal stability. However, these same properties allow for the persistence of PFAS in the environment, whereby even low PFAS emissions over time can be accumulated and pose a high risk of negative health and environmental effects. Today there are thousands of known and unknown PFAS with widely varying properties and toxicity, which makes both risk assessments and management of this growing environmental problem difficult. According to a national mass balance for PFAS emissions from products and atmospheric deposition are the major sources of PFAS in Sweden.

The amount of PFAS which are environmentally dispersed via wastewater and sewage sludge can be considered a minor part. However, due to the persistence of PFAS, measures to minimize their addition via these pathways may be necessary to reduce the total environmental load. Due to their toxicity and persistence, PFAS have recently become heavily regulated, with many regulatory agencies lowering the accepted PFAS environmental level ranges. Many PFAS have already been banned in Sweden or the EU and assessment grounds or action limits have been defined for various PFAS (e.g., surface water bodies, groundwater and drinking water) to initiate measures to reduce the spread of the substances. Already announced and stricter regulations will further increase the need for measures to minimize human exposure to PFAS and their dispersal in the environment.

Regardless of which measures are implemented, PFAS will remain in the environment for a long time, even if a global ban of the chemicals is implemented. Long-term management of PFAS is thus necessary to removal from the cycle gradually. The focus of mitigation actions should primarily be on heavily contaminated land and landfill leachate. The review of existing data from Swedish wastewater treatment plants WWTP and receiving recipients shows that today’s treatment processes do not remove PFAS. At some WWTP, however, an effective separation of certain PFAS is observed, which should be investigated further. Perfluorooctanoic sulfonic acid (PFOS) levels in many of the investigated inland surface waters receiving effluent from treatment plants and PFAS from other sources/pathways exceed existing limits. In many cases, however, analysis limitations prevent an assessment.

Ongoing activities around various treatment and destruction techniques for PFAS show that there are currently no techniques that achieve a far-reaching PFAS removal from municipal wastewater without significant resource consumption and related costs. For the continued use of sludge as a fertilizer, upstream mitigation is needed, with e.g., disconnection or treatment of PFAS-contaminated leachate. However, several ongoing projects indicate that a certain part of PFAS in wastewater can be removed as a side-effect of advanced treatment for pharmaceutical removal. This report provides guidance to stakeholders on how the PFAS problem can be tackled. It also demonstrates the need to improve and spread PFAS knowledge, particularly those involved with PFAS measurement data, treatment techniques and PFAS in sludge. 

PFAS (Per- and Polyfluoroalkyl Substances) are everywhere around us in society; in products, the atmosphere, waste, wastewater, surface water, drinking water, groundwater, soil, plants, animals and in our bodies. The use and spread of PFAS is a global societal challenge and even the most remote places on earth are no longer unaffected by PFAS substances. One of the reasons why PFAS has been attractive in many products and industrial applications is the substances' extreme chemical and thermal stability. However, the same properties create challenges in the environment as the persistence of PFAS implies that even low emissions over time can be accumulated in different environments with a high risk of negative health and environmental effects. Today there are thousands of known and unknown PFAS with widely varying properties and toxicity, which makes both risk assessments and management of this growing environmental problem difficult.

A national mass balance for PFAS shows that emissions from products and atmospheric deposition are the major sources of PFAS to Sweden. The PFAS-amounts that are spread to the environment via wastewater and sewage sludge can be considered a minor part. However, due to the persistence of PFAS substances, measures to minimize the addition via these pathways may be relevant in order to reduce the total environmental load.

Considering the toxicity and persistence of PFAS, their use has been heavily regulated in recent times and the levels that are considered acceptable in the environment have been lowered. Many PFAS have already been banned in Sweden or the EU and assessment grounds or action limits have been defined for various PFAS in e.g. surface water bodies, groundwater and drinking water to initiate measures to reduce the spread of the substances. Already announced and upcoming stricter regulations will further increase the need for measures to minimize human exposure to PFAS and their dispersal in the environment. Regardless of which measures that are implemented, PFAS will remain in the environment for a long time, even if a global ban of the chemicals is implemented. A long-term management of PFAS is thus necessary with a gradual removal from the cycle. The focus of mitigation actions should primarily be on heavily contaminated land and landfill leachate.The review of existing data at Swedish sewage treatment plants and receiving recipients shows that today's treatment processes do not remove PFAS even of some PFAS are removed and end up in the sludge. At some sewage treatment plants, however, an effective separation of certain PFAS is observed, which should be investigated further. PFOS levels in many of the investigated inland surface waters receiving effluent from treatment plants and PFAS from other sources/pathways exceed existing limits. In many cases, however, analysis limitations prevent an assessment.

Ongoing activities around various treatment and destruction techniques for PFAS show that there are currently no techniques that achieve a far-reaching PFAS removal from municipal wastewater without significant resource consumption and related costs. For a continued use of sludge as a fertilizer, upstream mitigation is needed, with e.g. disconnection or treatment of PFAS-contaminated leachate. However, several ongoing projects indicate that a certain part of PFAS in wastewater can be removed as a side-effect of advanced treatment for pharmaceutical removal.The report also provides guidance to stakeholders on how the PFAS problem can be tackled. In addition, the report shows a great need to improve and spread knowledge about PFAS with, above all, measurement data and knowledge about treatment techniques and PFAS in sludge in order to be able to meet the PFAS challenge.

This report is only available in English.

Various floating contaminants can affect the handling of water. In wastewater treatment plants, floating sludge that has its origin in various process conditions is often a problem. It implies disturbances in the operation of processes as, e.g., by clogging sand filters and thus reducing the capacity of the various purification steps. In addition to operating and technical problems and increased costs of maintenance, floating contaminants also imply other difficulties, as they usually need to be taken care of by the operating staff in a non-optimal environment. In other water processes, e.g. surface water reservoirs used for drinking water production and water distribution may also be affected by surface contaminants. During 2013-2015, a technique developed especially for oil spill remediation was tested and further developed to achieve a resource efficient management of floating sludge problems. The long-term aim was to reduce downtime, maintenance needs, while facilitating for the usage of the sludge as a resource. Stockholm Water Company (Stockholm Vatten AB) and IVL Swedish Environmental Research Institute, together with the technology company Inovacor used both Henriksdal and Bromma sewage treatment plants to test, adapt and evaluate the technology through the use of existing devices and a new specifically developed prototype for floating sludge. The technology is based on a separation of the sludge from the water phase. Therefore, it would enable transfer of the separated sludge to the usual sludge treatment (anaerobic stabilization). Although various aggravating circumstances such as the floating sludge’s unpredictable occurrence has complicated the tests, SurfCleanern, as the technology is called, proved to be efficient in taking up and separating the floating sludge. During the project, various other problems were identified and alternative solutions suggested and tested on a smaller scale. Despite promising results with SurfCleanern, an application in today's process design appears not to be the most resource-efficient option. This is mostly due to how the basin setup and flow-profile in basins look like. Instead, another technical solution based on wave-generation is proposed to prevent operational problems caused by the floating sludge. This report is only available in Swedish.

Syvab Himmerfjärdsverket i Grödinge som renar omkring 43 Mm3 avloppsvatten årligen är ett av fyra avloppsreningsverk i Stockholmsområdet. Slamhanteringen vid avloppsreningsverk utgör en stor del av verksamheten och en ökad energiutvinning, återföring av viktiga näringsämnen till åkermark utan negativa bieffekter samt en problemfri hantering är några av de utmaningar som behöver bemötas. Dagens situation med osäkerheter med avseende på framtida krav på slamkvalitét, återvinning näringsämnen, m.m. kräver en flexibel slamhantering som kan anpassas till olika tänkbara utvecklingar och som samtidigt ger en resurseffektiv processintegrering med övriga delar av reningsverket. Vid Syvab har därför slamtorkning varit i fokus under flera år. Denna rapport presenterar en kartläggning av slamtorkning som en möjlig del av Syvabs framtida slamhantering; både genom att hjälpa till att bemöta de kända utmaningar som finns i dagens arbete för att kostnadseffektivt minska Syvabs totala miljöpåverkan idag, men även genom att ge den flexibilitet som behövs för anpassning till framtida krav.

Resultaten visar att slamtorkning framstår som en resurseffektiv komplettering till Syvabs process. Bedömningen är att torkningen skulle ge en enklare och flexiblare slamhantering där såväl kunskap från tidigare erfarenheter av torkning som samlats vid anläggningen som delar av existerande infrastruktur kan utnyttjas. Konkret framstår följande aspekter som de mest relevanta:

§ En hygienisering och vikt/volymminskning av slammet skulle åstadkommas men behöver även godkännas för att en slamtorkning skulle vara intressant. § Gödselvärdet av slammet skulle ökas men de totala metall- och fosformängder skulle inte påverkas. § På grund av den minskade slamvolymen/-vikten skulle relaterade transporter minska avsevärt. Transporter till och från slamlagring för hygienisering skulle upphöra helt. § Växthusgasemissioner från slamlagringen och spridning skulle kunna minskas signifikant. § Kväve som vid slamslagring och -spridning skulle emitteras till atmosfären, yt- och/eller grundvatten skulle kunna tas hand om vid reningsverket vilket minskar utsläppen. Den ökade interna kvävebelastningen från torkningen kan tas hand om av den nya rejektvattenbehandlingen. § En optimal integrering av generering av det extra värmebehovet bör kunna ge flera synergieffekter. § Minskade substitutionsvinster p.g.a. minskade volym fordonsbränsle vid användning av biogas för torkning bör kunna balanseras genom en utökning av samrötningen och samordning med övriga anläggningsinterna energiflöden. § Kostnad och återbetalningstid för en slamtorkning är svåra att skatta då dessa beror på värdet av det torkade slammet och biogastillgång och -pris. § En resurseffektiv slamtorkning vid Syvab skulle även kunna ta emot slam från mindre reningsverk i regionen.

This report is only available in Swedish.

Slamhanteringen på kommunala reningsverk står inför förändringar. Tekniska möjligheter att minska till exempel tungmetaller i avloppsslam har nått en gräns där ytterligare steg inte är rimliga. Även i uppströmsarbeten har problem att minska föroreningsnivåer för att klara framtida utsläppskrav för slam uppdagats. Eftersom krav på återvinning av näringsämnen samtidigt blir allt tydligare och intresset för att utnyttja slam som en energiresurs blir allt större, kommer olika andra slambehandlingsmetoder spela en allt viktigare roll i framtiden. De flesta av alternativen för slamhantering kräver ett behandlingssteg där vattenhalten i slammet minskas för att möjliggöra en vidarebehandling av slammet. Detta kan göras med olika metoder såsom gravimetrisk, mekanisk och termisk avvattning vilka presenteras i denna rapport. Möjligheter och potential, men även nackdelar med de olika teknikerna diskuteras. Eftersom vissa slamhanteringsmetoder som till exempel slamförbränning redan nu kan antas spela en viktig roll i framtidens slamhantering, så kommer även slamtorkningen få en viktig roll som ett nödvändigt försteg. Tyskland, som är EUs största slamaktör, samt andra länder, tas upp som ett exempel på hur slamhantering ser ut idag och hur utvecklingen kommer att ske i framtiden. Det är dock viktigt att nämna att Tyskland och andra länder har en egen utvecklad tradition vad gäller slamhanteringen och att den infrastruktur som finns därmed är utgångspunkten för deras vidareutveckling. Sverige har andra förutsättningar och därmed också möjligheter att utveckla egna strategier (Baresel m fl., 2014). Rapportens författare bedömer att det finns en del tekniker för slamavvattning som har en större potential än andra och som samtidigt är kompaktare och kräver mindre resurser för drift. Till dessa kan främst torkningstekniker räknas. Dessutom finns tekniker som än så länge mest finns på ritbordet och som därför är svåra att bedöma med avseende på kostnader och potential. Dessa borde testas i pilotskala för vidareutveckling.

Studien syftar till att beskriva vilka tekniska lösningar och dess effektivitet som finns för rening av avloppsvatten från oönskade ämnen som läkemedelsrester, mikroplaster, PFAS, andra organiska miljöföroreningar, tungmetaller, samt antibiotikaresistenta och andra skadliga mikroorganismer. Undersökningen har ett speciellt fokus på rening av läkemedelsrester och mikroplaster. De tekniker som beskrivs i rapporten är de som bedöms kunna vara tillgängliga att implementera till år 2018. Tekniker som ännu håller på att utvecklas och som inte bedöms vara tillgängliga till år 2018 beskrivs men mer översiktligt. I rapporten görs en samlad bedömning av de olika teknikerna med avseende på ett flertal aspekter så som reningseffektivitet, kostnad, miljöpåverkan, arbetsmiljörisker, energi- och råvaruåtgång, mm.

Som effektiv rening avses här ett avlägsnande av föroreningar eller effekter från avloppsvatten så att utgående avloppsvatten till recipient helt saknar eller har en signifikant lägre halt av föroreningar eller effekter. Det bör noteras att fokus för bedömningen härvid ligger på just vattenfasen. En reningsprocess behöver dock inte innebära att en förorening bryts ner till ofarliga beståndsdelar utan föroreningen kan också övergå från t.ex. vattenfas till slamfas eller brytas ned till metaboliter, som i sig kan vara definierade som föroreningar. Rapporten försöker att redovisa alla dessa aspekter för genomgångna reningstekniker.

Studien visar att kostnader för olika tekniker och anläggningsstorlekar varierar signifikant både mellan olika tekniker och olika reningsverksstorlekar. Olika teknikkombinationer tas upp och dess för- och nackdelar diskuteras. Studien poängterar att det är viktigt att välja reningsteknik utifrån målsättning och lokala förutsättningar, då varje reningsverk är unikt. Är målsättningen en effektiv rening av läkemedelsrester (>90%) genom ett kompletterande reningssteg som slutbehandling rekommenderas en kombination av ozonering och BAF med granulerat aktivt kol (GAK) som filtermaterial. Den totala miljöpåverkan för de olika teknikerna/-kombinationerna som behandlats i denna studie begränsas till framförallt energi- och kemikalieförbrukning men även risker för bildning av nya, eventuellt toxiska föreningar från reningsteknikerna behandlas.

This report is only available in Swedish. English summary is available in the report.

Projektets huvudsakliga syfte har varit att utveckla och testa en metod för syresättning av djupvatten i Östersjön genom nedpumpning av syrerikt ytvatten med hjälp av vågdrivna syrepumpar. Inom projektet har två olika pilotanläggningar tagits fram, byggts och varit i drift mellan 2010 och 2013. En vågdriven pump (WEBAP I) testades under 2 år i Hanöbukten utanför Simrishamn och en elektrisk pump (WEBAP II) placerades i Kanholmsfjärden i Stockholms skärgård. Förutom tester for att undersöka den vågdrivna pumpens effektivitet och framtida utformning så har även effekterna av syresättning på omgivande vattens syre- och fosforkoncentrationer studerats under projektet. Med hjälp av modeller studerades uppskalning av tekniken samt beräkningar av åtgärdens klimatavtryck (carbon footprint) med hjälp av förenklad livscykelanalysmetodik (LCA). Projektet har tagit fram olika tekniska alternativ av syrepumpar för olika behov. Den vågdrivna syrepumpen använder sig direkt av vågorna som energi- och syreresurs vilket har flera fördelar, bland annat en enkel och robust konstruktion samt lokalt tillförd energi genom att vågor nyttjas. Den eldrivna pumpen är en nyutveckling som möjliggör att pumpning kan drivas av vind- och solenergi eftersom effektförbrukningen i pumpen är låg. De två testade systemen visade sig kunna pumpa ner stora mängder ytvatten, men ytterligare förbättringar och utveckling krävs för långsiktigt störningsfri funktion. Rapporten ger en del förslag till sådan utveckling.   

At present, there are no requirements for Swedish wastewater treatment plants (WWTPs) to remove pharmaceutical residues and other emerging substances. However, it is likely that such requirements will soon be introduced in Sweden. Therefore, SYVAB has initiated a project to investigate how such an advanced treatment could be implemented at the Himmerfjärdsverket WWTP. The current report summarizes previous investigations and pilot-tests to remove pharmaceuticals from wastewater, related to Himmerfjärdsverkets future treatment process configuration. Tests have been conducted by IVL Swedish Environmental Research Institute, partly in collaboration with SYVAB, through pilot tests at Himmerfjärdsverket and the R&D-facility Hammarby Sjöstadsverk.

The removal efficiency in today's process at Himmerfjärdsverket is over 85% for some pharmaceuticals while others are reduced to a much lower degree or their concentration may even be higher in outgoing water than in the inflow. Despite low removal efficiency, pharmaceutical levels in the recipient are representing low risk of adverse environmental effects for most of the studied substances. This is mainly because of a high water exchange in the receiving recipient Himmerfjärden with the outer archipelago. A performed risk analysis shows that a more advanced treatment would not be required to achieve medium risk levels in the recipient, since risk levels are already below 1 for all substances analysed. However, to achieve low-risk levels of pharmaceuticals already in outgoing water from the WWTP, i.e. without dilution, an extended treatment would be required for at least 7 of the analysed substances. The highest treatment demand would be for Oxazepam (96% reduction).

After rebuilding the current WWTP into an active sludge plant with MBR technology, the removal efficiency for some pharmaceuticals is expected to increase, which, however, only affects the need for extra purification very little as the risk analysis reveals.

All investigated pharmaceuticals are efficiently removed from MBR-effluent with both activated carbon filtration and ozonation at appropriate doses and load according to several pilot tests performed. Treatment of water in GAK filters provides stable low levels of pharmaceuticals until breakthrough occurs. If the extra treatment is to be dimensioned to reduce levels in outgoing water under predicted no effect concentrations (PNEC), a treatment of 96% of the total flow would be required based on Oxazepam according to the performed evaluation. Alternatively, a higher proportion of the flow can be treated but that the carbon is changed after a longer period, after the entire sorption capacity has been consumed. If the level of ambition is to reduce the levels of all pharmaceuticals to very low levels, one can expect carbon consumption of about 15-20 g/m3 of water (or 50 - 75 m3/kg of carbon). If extended treatment is based on ozonation, it should be dimensioned for an ozone dose of >9 mg O3/L for reduction of levels in outgoing water under predicted no effect concentrations (PNEC).

In addition to pharmaceuticals, outgoing water from Himmerfjärdsverket also contains other organic micropollutants that are important to include in the assessment of extended treatment. Himmerfjärdsverket's emissions of PFOS contribute for example to over 90% of the limit value for fulfilling good chemical surface water status. Reduction of PFOS from wastewater has not been thoroughly tested on site, but existing results from experiments with leachate at Hammarby Sjöstadsverk and drinking water indicate that a high degree of reduction over a carbon filter can be expected and breakthrough of PFOS is expected to occur simultaneously or slightly earlier than for pharmaceuticals. However, high degrees of reduction cannot be expected in ozonation.

Rapporten redovisar resultaten från en förstudie för läkemedelsrening i Ullareds avloppsreningsverk med ozonoxidation. Gekås handelscentrum står för den mest betydande del av belastningen till reningsverket vilket innebär en särskild sammansättning av inkommande avloppsvatten. Dessutom tillhör recipienten (Högvadsån) till ett av regeringens godkända Natura 2000-områden vilket motiverar för att Naturvårdsverket har bidragit med finansiering till projektet.

Dagens reningsverk står inför flera utmaningar såsom skärpta reningskrav, ett förändrat klimat, krav på ökad resurseffektivitet, en mer hållbar slamhantering och minskad miljöpåverkan från verksamheten. I en strävan att nå mer hållbara lösningar för avloppsvattenrening och slamhantering har IVL och Syvab haft ett långsiktigt forskningssamarbete. Under 2019 har olika aktiviteter inom områdena klimat- och miljöpåverkan, slamhantering och processoptimering genomförts. Några av de aktiviteter som redovisas i denna rapport är fortfarande under genomförande och fortsätter även under 2020.

Några aktiviteter från 2019 års arbete som presenteras är:
• Utvärdering av olika slamtorkningstekniker.
• Modeller för att generera realistiska inflödesscenarier och simulera drift av framtida processlösning.
• Mätningar av lustgasemissioner från rejektvattenrening.
• Sammanställning av tidigare utredningar och försök kring rening av läkemedelsrester i avloppsvatten.
• En förstudie av kombinationen pulveriserat aktivt kol (PAK) och MBR-processen.
• Tester med produktion av biokol från torkat slam.
• Undersökning av mikroföroreningar vid högflöde.
• Produktion av intern kolkälla till reningsprocessen från organiska restprodukter.

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 >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 >98 % med hjälp av teknikkombinationen PAK-MBR. För den andra pilotlinjen, där PAK inte doserades till membrantanken (referenslinjen), avskildes PFOS också mycket effektivt (>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.

The paper provides an investigation and understanding of the significance of various wastewater flows on microplastics retainment and emission to the environment. WWTPs and sewer overflows as an important pathway of microplastics to the environment are assessed by considering the removal of microplastics in WWTPs with different treatment processes and several sewer overflow types and their contribution to microplastic loads to recipients. On the example of the Baltic Sea basin, presented results indicate a considerable discharge of microplastic from WWTPs despite the relatively good overall removal efficiency. Results show that the discharge of microplastics from sewer overflows can be in the same magnitude as from treated wastewater although the total flow is much lower than that of treated wastewater. Sewer overflow events frequently occur and are expected to increase due to climate change and urbanization, unless infrastructure is adapted. At the same time, sewer overflows are often neglected in conventional wastewater handling.

Många läkemedelsrester och andra prioriterade substanser passerar igenom dagens avloppsreningsverk (ARV) och hamnar antingen i slammet eller i recipienten, ibland i nivåer som kan påverka vattenlevande organismer. Substanser som släpps ut via avlopps-reningsverk kan också anrikas i den akvatiska näringskedjan och orsaka effekter i högre organismer såsom fiskätande fåglar eller däggdjur, inklusive människor. Studier har också visat att antibiotika som hamnar i miljön kan bidra till uppkomsten av antibiotikaresistenta gener i bakterier, vilket är ett allvarligt globalt hot mot möjligheten att bota livshotande sjukdomar.

Eftersom nuvarande vattenreningstekniker har utvecklats främst för att avlägsna partikulärt material samt kväve och fosfor är de oftast inte anpassade för att rena bort mikrobiellt stabila kemiska föroreningar. Utvärderingar av effektiviteten hos olika behandlingstekniker för avlägsnande av sådana ämnen baseras vanligtvis på analyser av förekomst av ett ämne i inkommande och utgående vatten från reningsverket. Det finns dock problem med detta tillvägagångssätt eftersom vissa ämnen metaboliseras till potentiellt mer skadliga substanser, som då inte automatiskt fångas i analysen. Dessutom kan vissa ämnen spontant bildas i reningsverken, vilket kan resultera i högre nivåer i utgående än i inkommande vatten. Ett ytterligare problem är att de utgående koncentrationerna ibland kan vara lägre än detektions-gränserna, men trots det ändå vara högre än eller nära etablerade risknivåer.

This report is only available in Swedish.

Många läkemedelsrester och andra prioriterade föroreningar passerar igenom avloppsreningsverk (ARV) och hamnar i recipienten och slam, ibland i nivåer som kan påverka vattenlevande organismer. Kemikalier som släpps ut via avloppsreningsverk kan också anrikas i den akvatiska näringskedjan och orsaka effekter i högre organismer såsom fiskätande fåglar eller däggdjur inklusive människor. Studier har också visat att antibiotika som hamnar i miljön kan bidra till uppkomsten av antibiotikaresistenta gener i bakterier, vilket är ett allvarligt hot mot vår möjlighet att bota livshotande sjukdomar på den globala skalan. Eftersom nuvarande behandlingstekniker har utvecklats främst för att avlägsna partikulärt material samt kväve och fosfor är de inte alltid anpassade för att rena bort mikrobiellt stabila kemiska föroreningar. Utvärderingen av effektiviteten av olika behandlingstekniker för avlägsnande av sådana ämnen baseras vanligtvis på analyser av förekomst av ett ämne i inkommande och utgående vatten. Det finns dock problem med detta tillvägagångssätt eftersom vissa ämnen metaboliseras till potentiellt mer skadliga substanser som inte automatiskt fångas i analysen. Dessutom kan vissa ämnen bildas i reningsverken, vilket kan resultera i högre nivåer i utgående än i inkommande vatten. Dessutom kan de utgående koncentrationerna ibland vara lägre än detektionsgränserna, men trots det ändå vara högre än eller nära etablerade riskkoncentrationer. This report is only available in English, but the popuar version B2226-P is written in Swedish.

AA

Several municipal wastewater treatment plants (WWTPs) in Stockholm, Sweden, will within the near future face both an increased load due to a growing population as well as more stringent effluent quality requirements. The latter mainly regarding nutrients due to Sweden‘s commitment to the Baltic Sea Action Plan and the implementation of the European water framework directive (WFD). In addition, removal of emerging substances such as pharmaceutical residues, micro plastics and antibiotic resistance are gaining more attention since WWTP effluent is the most or one of the most significant sources of such loads to the environment [1-4]. Pharmaceutical residues and other emerging substances are generally not efficiently removed in conventional WWTPs [5]. The WFD has defined a list of prioritized substances including pesticides, biocides, flameretardants and metals [6], which already today require monitoring and treatment. Several other substances, including some pharmaceuticals, are on the ‘watch list’ of emerging pollutants that may be placed on the WFD priority list. Requirements for additional treatment, in larger WWTPs, for the reduction of some pharmaceutical residues and other micropollutants (MP) could thus be expected, also in other countries than Switzerland, where such a regulation is already in place. The potential negative effects on aquatic organisms, the aquatic food-web and higher organisms, as well as the risk of increased numbers of antibiotic resistant genes in bacteria, all present a threat to our environment, health and society [7-9]. Another increasing concern for wastewater treatment are emissions of greenhouse gases (GHGs). At WWTPs, special attention is given to nitrous oxide (N2O), which is a highly potent GHG (298 times more potent than carbon dioxide (CO2 ) [10]). At incomplete nitrification and denitrification N2O can be emitted, which may cause a significant negative overall environmental impact of the treatment process [11,12]. Even though regulations may earliest come in place in some years from now, many WWTPs actively work on reducing GHG emissions from wastewater treatment processes. Besides the requirements to increase capacity, improve treatment efficiency and reduce GHG emissions, many WWTPs also face the problem that they cannot expand spatially as they are located in densely populated areas or underground.

New solutions for space-efficient, high-capacity and flexible municipal wastewater treatment processes are thus required. Stockholm Water and Waste Company (Stockholm Vatten och Avfall), Sweden’s largest water service organization, is directly facing the above problems of space limitation, increased capacity need and stricter effluent requirements at the Henriksdal WWTP in Stockholm. As a result, the existing conventional activated sludge process (CAS) will be converted to a Membrane Bioreactor (MBR), doubling the capacity by using existing process volumes only. The new process will be the world’s largest MBR facility with a capacity of 1.6 million PE (predicted load year 2040).

MBRs combine the biological activated sludge process with membrane separation, which provide distinct advantages over the CAS. Advantages include a significantly better effluent (permeate) quality regarding particles, disinfection capabilities due to the membrane pore size, higher volumetric loading due to higher sludge concentrations in the biology, reduced footprint and process flexibility towards influent changes. Even the treatment of MP may be more efficient using MBRs compared to traditional treatment systems. This is partly explained by the fact that MP attached to particles can effectively be removed by filtration whereas dissolved MP can be degraded more effectively because of the higher biological activity in a MBR process. In addition, a more efficient polishing treatment compared to CAS can be achieved [11,13-18]. Drawbacks of the process are the high energy use for aeration and the use of cleaning chemicals in the filtration step to curb fouling and scaling on the membrane surface, which reduces the permeability of the membranes.

MBRs have been used for a number of decades but only in the last decade, MBRs gained more attention for the treatment of both municipal and industrial wastewater. This is mainly due to a significant cost reduction of membranes and process development decreasing energy requirements [19-23].

The aim of this research work is to investigate the MBR technology concerning the overall holism and resource efficiency towards some of the most central treatment aspects including nutrient removal, removal of micropollutants and minimizing of GHG emissions. Through actual pilotscale experiments, the paper describes the performance of the studied system under various test periods defined to meet present and future requirements of the growing region of Stockholm, Sweden.

Svenska avloppsreningsverk står inför nya utmaningar i samband med anpassningen till ett mer hållbart och cirkulärt samhälle. Detta gäller även slamhanteringen. Inte minst på grund av de ökade kraven på lägre restkoncentrationer av olika föroreningar i slammet och försiktighetsprincipen blir dock en direkt slamspridning på åkermark en allt större utmaning. Hantering av restprodukter, lukt och utsläpp av växthusgaser är andra utmaningar som kräver en modifierad slamhantering.

Hydrotermisk karbonisering (HTC) av avloppsslam har potential att bli en av teknikerna för framtidens slamhantering som även kan ge en förenklad slamhantering vid reningsverk. HTC-tekniken skulle kunna ge en hållbar återvinning av närsalter och medföra andra positiva effekter som t.ex. mindre växthusgasutsläpp. Idag saknas dock data och praktiska erfarenheter för detta slamhanteringsalternativ vid svenska reningsverk.

Pilotprojektet vid Margretelunds reningsverk i Åkersberga syftar att undersöka om den förslagna systemlösningen med HTC-teknik kombinerat med våtoxidation av HTC-vatten kan utgöra ett hållbart alternativ för framtidens slamhantering vid svenska reningsverk. Rapporten beskriver nuläget vid Margretelunds reningsverk och den tänkta implementering av framtidens slamhantering samt vilka kritiska aspekter som projektet identifierat i dagens slamhantering och som ska undersökas i projektet.   

HTC-processen kommer förutom HTC-biokol även att generera ett HTC-vatten som bl.a. innehåller föroreningar som annars skulle ha släpps ut till miljön vid slamspridning. För att undersöka vilken teknik som kan åstadkomma en resurseffektiv rening av detta filtrat, ska olika pilotreningssteg sättas upp vid FoU-anläggningen Hammarby Sjöstadsverk som matas med filtratet som produceras vid HTC-piloten och rejektvatten från Margretelund reningsverk.

Today's wastewater treatment plants (WWTPs) are facing several challenges such as stringent treatment requirements, climate change, demands for increased resource efficiency, and reduced environmental impacts from operations. In an effort to achieve more sustainable solutions for wastewater treatment and sludge handling, IVL Swedish Environmental Research Institute and Syvab started on a long-term research collaboration. During 2017, various activities related to climate and environment impacts, sludge handling and process optimization were carried out.

Some of the activities described in this report will continue and new activities for 2018 include e.g. the measurement of direct emissions of greenhouse gases, further work on an efficient sludge management, evaluation of alternative carbon sources, and evaluation of MBR pilot tests.

Syvab Himmerfjärdsverket i Grödinge som renar omkring 43 Mm3 avloppsvatten årligen är ett av fyra avloppsreningsverk i Stockholmsområdet. Avloppsreningsverk kan utgöra en signifikant källa för växthusgasutsläpp i form av direkta metan- och lustgasemissioner, samt indirekta emissioner genom en hög energi- och kemikalieanvändning. Vid Syvab har därför kvantifieringen och minimering av utsläpp av växthusgaser från reningsprocesser och slamhanteringen varit ett fokus under flera år. Denna rapport presenterar en kartläggning av klimatpåverkan från Syvab Himmerfjärdsverket baserat på både mätkampanjer och olika scenarier som beskriver inverkan av olika processändringar samt de aktiva val som Syvab redan har gjort i sitt arbete för att uppnå minskad klimatpåverkan. Vidare så inkluderas ett antal framtidsscenarier och rekommendationer som stöd åt Syvabs fortsatta arbete mot ett klimatneutral eller-positiv avloppsreningsverk.

Resultaten visar att lustgasutsläpp från avloppsvattenreningen och biogasläckage vid slamhanteringen och uppgraderingen i dagsläget utgör de dominerande orsakerna till klimatpåverkan. Produktion av fordonsbränsle ger dock en kraftig reduktion av klimatpåverkan genom substitution av fossila drivmedel. Flera åtgärder som Syvab vidtagit och som inkluderar bl.a. inköp av endast grön el och en uppgraderingsteknik som ger ett lägre biogasläckage än andra tekniker har gett en positiv effekt på anläggningens klimatpåverkan. Beräkningarna visar att anläggningens klimatpåverkan är lägre jämfört med andra reningsverk och jämfört med andra emissionskällor från samhället. Detta gäller framförallt när emissionerna räknas per faktiskt anslutna personer vilket anses motiverat då en beräkning av BOD-pe inte tar hänsyn till BOD-påverkan av inloppstunneln.

Utifrån scenarioanalyser rekommenderas ett antal potentiella åtgärder för att minska den totala klimatpåverkan ännu mer och för att uppnå en klimatneutral verksamhet. Framförallt bör direkta emissioner från reningen minskas genom en bättre övervakning vilket skulle ge en bättre förståelse och möjlighet till anpassad styrning av processen. Även processändringar av både huvudreningen och rejektvattenreningen förväntas minska de direkta emissionerna. En ändrad slambehandling, en utökad samrötning och förbättringar i transporterna till och från reningsverket kan samtliga bidra till ytterligare förbättringar.

This report is only available in Swedish. English summary is available in the report.

Dagens reningsverk står inför flera utmaningar såsom skärpta reningskrav, ett förändrat klimat, krav på ökad resurseffektivitet och minskad miljöpåverkan från verksamheten. I en strävan att nå mer hållbara lösningar för avloppsvattenrening och slamhantering har IVL Svenska Miljöinstitutet och Syvab påbörjat ett långsiktigt forskningssamarbete. Under 2016 har olika aktiviteter inom områdena klimat- och miljöpåverkan, slamhantering och processoptimering genomförts.

I en scenarioutvärdering av kol-fotavtrycket för Himmerfjärdsverket har klimatpåverkan från reningsverket kartlagts och inverkan av olika processändringar utvärderats. Resultaten har visat att de dominerande källorna till klimatpåverkan är direkta utsläpp av lustgas från avloppsvattenreningen och av metan vid slamhantering. Scenarioanalysen har visat att åtgärder som vidtagits har givit en positiv effekt och att det med processoptimeringar och ökad samrötning skulle vara möjligt att nå en klimatneutral verksamhet. Rekommenderade fortsatta åtgärder riktas huvudsakligen mot de direkta emissionerna från processerna genom bättre övervakning, styrning och processändringar.

Slamtorkning som komplettering till nuvarande slamhantering har utvärderats och bedömts som en potentiellt resurseffektiv lösning. Fördelar med torkning av slammet är att slammets volym och vikt minskar vilket minskar transportarbetet avsevärt, emissioner av växthusgaser vid lagring och spridning av slam kan minskas och gödselvärdet i slammet ökas. Innan tillämpning i full skala kan bli aktuellt kvarstår dock att torkning godkänns som hygieniseringsmetod för slam.

Eftersom slutanvändning av slam har stor betydelse i nuläget och för arbetet med alternativa slamhanteringsmetoder har en kartering av slamsammansättningen genomförts. Flera slamprover analyserades av olika externa laboratorier för fosfor, metaller och läkemedelsrester. Resultaten visade en stor spridning av uppmätta koncentrationer vilket illustrerar vilken svår matris slam är att analysera. Resultaten visar också att valet av analysföretag skulle kunna påverka om kravet för kvoten mellan kadmium och fosfor klaras eller inte. Även svårigheten att analysera läkemedelsrester i slam har visats genom karteringen.

Som ytterligare ett led i arbetet mot en effektivare slamhantering har det gjorts en vidareutveckling av det substratverktyg som 2015 utvecklades i samarbete mellan Syvab och IVL. Verktyget har gjorts mer användarvänligt och kan användas både för uppföljning och prognostisering av metallhalter och gaspotential vid mottagande av olika externa substrat till rötningen.

Även verksamhetens totala miljöpåverkan har kartlagts för driften av nuvarande och framtida anläggning. Den totala miljöpåverkan från processen minskas i framtidsscenariet, främst på grund av dagens höga miljöpåverkan, vilken blir tydlig vid jämförelse mot andra reningsverk som utvärderats med samma metodik. Huvudanledningen till dagens höga miljöpåverkan är en hög kemikalieförbrukning, där metanol som extern kolkälla till efterdenitrifikationen står för ett mycket stort bidrag. Himmerfjärdsverket står inför en ombyggnation för att möta skärpta utsläppskrav. Med syfte att kunna testa scenarier och ändringar inför ombyggnationen, under ombyggnationen och efter driftsättning av den nya vattenreningslinjen har en dynamisk processmodell tagits fram. Detta arbete är i ett tidigt skede, men resultat från körningarna med modellen har visat att den framtida processen uppnår utsläppskravet på kväve utan behov av extern kolkälla.

För att kvantifiera eventuella besparingar vid lägre rötningstemperaturer gjordes fullskaleförsök med rötning vid olika mesofila temperaturer. Resultaten indikerar att det för Syvabs nuvarande process ger en försumbar effekt att variera temperaturen, dock ses en potential till nettobesparing/-vinst om Syvabs uppvärmningslösning kan förbättras.

Fullskaleförsök gjordes även med ökad belastning på en rötkammare för att studera hur metanproduktionen påverkas vid temporärt behov att stänga ner en eller flera rötkammare för underhåll eller vid substratöverskott. Med 50 % högre OLR jämfört med referensen minskade gasutbytet per kg VS med 5 %. Från fullskaleförsöken konstaterades att både temperaturvariationer och ökad belastning kunde nås utan indikationer på process- eller driftstörningar.

Några av de aktiviteter som redovisas i denna rapport kommer att fortsätta och nya aktiviteter för 2017 innefattar bland annat direkta emissioner av växthusgaser, vidare arbete med en effektiv slamhantering, utvärdering av alternativ kolkälla samt utvärdering av pilottester med MBR.

This report is only available in Swedish. English summary is available in the report.

Denna rapport undersöker möjligheten att utföra reaktivering av aktivt kol i Sverige för VA-huvudmännens behov vid vattenverk och avloppsreningsverk. Den innefattar i första hand en kartläggning av framtida behov av aktivt kol och en översiktlig beskrivning av en reaktiveringsprocess. Den tittar även på ägarform för att etablera en reaktiveringsanläggning och möjliga lokaliseringar.

I Sverige och Europa kommer flera vattenverk och avloppsreningsverk behöva tillföra ytterligare reningssteg till följd av bland annat nya dricksvatten- och avloppsdirektiv, där användning av aktivt kol som granulerat aktivt kol (GAK) representerar en av de mest etablerade teknikerna i Europa.

GAK adsorberar mikroföroreningar och behöver bytas ut eller reaktiveras då kolet blir mättat. I dag sker ingen omfattande nationell reaktivering av aktivt kol i Sverige. Större reaktiveringsanläggningar finns bland annat i Belgien och Tyskland. I Sverige finns endast en anläggning för reaktivering av förbrukat aktivt kol för dricksvattenberedning, vid vattenverket Alelyckan hos Kretslopp och Vatten i Göteborg. Anläggningen har nått sin livslängd och kommer att behöva förnyas inom en inte alltför lång tid. En nationell reaktivering av aktivt kol för den svenska VA-sektorn skulle kunna bidra till en effektiv resurshushållning och säkerställa tillgången av aktivt kol.

Enligt projektgruppens bedömning landar det totala kolbehovet från år 2040 för Sveriges framtida vattenverk och avloppsreningsverk i ett intervall från 21 000 ton till 35 000 ton per år. Det innebär 13 500 ton till 24 000 ton per år vid vattenverk för avlägsnande av färg, lukt och smak och utökad PFAS-rening. För avloppsreningsverk motsvarar kolbehovet ett intervall från 7 500 ton till 11 000 ton per år för den avancerade reningen från mikroföroreningar såsom läkemedelsrester.

Genom att etablera en eller flera reaktiveringsanläggningar med termisk reaktivering kan det framtida kolbehovet täckas, samtidigt som miljöpåverkan från kolanvändning kan minskas. Detta kan ske genom att minska användning av jungfruligt aktivt kol och långväga transporter till reaktiveringsanläggningar utomlands. Det finns även en potential för egenproducerat kol, särskilt aktiverat biokol från organiska restprodukter som avloppsslam, men det kvarstår arbete inom både forskning och utveckling innan denna potential kan realiseras fullt ut.

En etablering av reaktiveringsanläggningar kan ske genom både kommunala och privata aktörer, men deras drivkrafter och förutsättningar skiljer sig delvis åt. Kommunala aktörer drivs till stor del av det egna behovet av att reaktivera kol. Om en sådan anläggning ska verka på en marknad och acceptera kol för reaktivering från andra kommuner än de som äger den, kan det uppstå olika utmaningar beroende på de externa mängderna och ägarstrukturen för anläggningen. Privata aktörer kommer att fatta sina beslut utifrån bedömd lönsamhet. Oavsett ägarform är mängden genererat kol, tillgänglig mark och energi samt infrastruktur viktiga faktorer som avgör om framtida etableringar kommer till stånd.

Denna rapport har endast fokuserat på det svenska kolbehovet. Det finns också ett kolbehovvåra grannländer såsom Finland, Norge och Danmark. En framtida reaktiveringsanläggning i Sverige kan eventuellt stödja aktörer i våra grannländer, vilket behöver utredas vidare.

Vid tre av de största avloppsreningsverken i Sundsvall kommun har IVL genomfört en förstudie med syftet att utreda förutsättningar för en fullskaleinstallation för rening av läkemedelsrester från avloppsvatten. Förstudien visade att det framför allt var hormoner som utgjorde den största risken för negativ påverkan på vattenförekomsten. Eftersom Sundsvall kommun har planer för en framtida utbyggnad med kväverening vid Fillan ARV, föddes en tanke om huruvida en sådan utbyggnad även skulle kunna bidra till att hormonhalterna i utgående avloppsvatten minskar till icke-detekterbara nivåer.

Detta mot bakgrund av att minskade hormonhalter observerats vid avloppsreningsverk med kväverening i södra Sverige. Om motsvarande minskning av utgående hormonhalter skulle observeras vid en utbyggd kväverening i Sundsvall kommun, skulle detta leda till att de observerade miljöriskerna i recipienten eliminerades.Med ekonomiskt stöd från Naturvårdsverket, och med hjälp av en befintlig pilotanläggning för studier av kväverening i kalla klimat via rörliga biofilmsreaktorer med bärare (MBBR), genomfördes under åren 2021 och 2023 en kompletterande förstudie vars resultat presenteras i denna rapport. Projektet har fokuserat på rening av hormoner och hormonstörande effekter vid implementering av kväverening i kalla klimat. Det övergripande målet har varit att öka kunskapen om kväverening och nedbrytning av hormoner vid låga temperaturer och att identifiera kunskapsluckor.

Denna kunskap ska stödja planering och implementering av reningsprocesser vid höga hormonhalter i avloppsvatten i kalla klimat.Föreliggande rapport sammanställer dels kunskap om rening av hormoner och hormonstörande ämnen vid avloppsreningsverk utifrån i huvudsak en svensk kontext, dels resultat från genomförda pilottester vid Fillan ARV i Sundsvall. Genomgående under projektperioden observerades att kväve kunde reduceras med mer än 70 % i genomsnitt. Veckovisa analyser av hormoner och hormonstörande effekter, samt månadsvisa analyser av läkemedelsrester, visade däremot på en stor variation av inkommande halter och reningrader.

En genomgående, och förväntad trend, var att halterna av östrogena effekter följde detekterade halter av både östron och östradiol. Halten av etinylöstradiol, däremot, detekterades inte i något av de analyserade proverna under hela projektperioden. Vid de tillfällen där reduktionsgraden av hormonerna var närmare 80 %, var det fortfarande höga halter av hormoner i utgående avloppsvatten, vilket bland annat kunde förklaras med höga inkommande halter. Inga tydliga samband mellan höga reduktionshalter av hormoner och kväve eller andra processrelaterade aspekter kunde observeras. Detta resultat indikerar att reduktion av hormoner och kväverening i huvudsak utförs av skilda grupper av mikroorganismer. En högre reduktion av hormoner kunde däremot observeras i filtrerade prover relativt ofiltrerade, något som delvis kan förklara den låga hormonreduktion efter MBBR-processen som vid dessa försök saknade en partikelavskiljning. 

Sammanfattningsvis kan det konstateras att hypotesen kring att kväverening effektivt kan rena bort hormoner i kalla klimat med en MBBR-teknik inte kan bekräftas vid de betingelser som utvärderats i denna rapport. Det kunde inte heller bekräftas när temperaturen ökade med 4 °C i processen eftersom ingen signifikant påverkan på reningsgraden för varken hormoner, hormonstörande effekter eller läkemedelsrester kunde observeras. Utifrån data från denna rapport kan det därför konstateras att vid anläggningar i norra Sverige, där höga hormonhalter utgör huvudproblemet avseende påverkan på recipient, kan en avancerad rening för att ta bort hormoner och deras effekter behövas, åtminstone i de fall där biofilmsprocesser såsom MBBR implementeras. 

Här rapporteras om ett långtidsförsök med aktivt kol i kolonner/bäddar för att bestämma avskiljning och kolets kapacitet. Kolfiltret sattes in som ett extra polersteg efter den normala reningen vid Henriksdals avloppsreningsverk i Stockholm. Försöken genomfördes under 19 månader 2011-2012 vid försöksanläggningen Hammarby Sjöstadsverk. Avskiljningen av analyserade läkemedelssubstanser var generellt mycket bra. Vid en belastning motsvarande 50 m3 vatten/kg kol (20 g kol/m3 vatten) passerade 5-10 % av vissa föreningar den första kolonnen. Även vid över 70 m3/kg kol i första kolonnen kunde man inte påvisa kvantifierbara mängder ut från kolonn 2. Det största problemet för teknisk drift var den begränsade hydrauliska kapaciteten, till stor del beroende på mikrobiell tillväxt i kolonnerna. Kolet måste regelbundet rensas genom backspolning med luft och vatten. Baserat på förbrukningen av kol och andras beräkningar av totalkostnaden inklusive investeringar kommer man fram till en totalkostnad för reningen med aktivt kol kring 1 kr/m3 vatten i ett sort avloppsreningsverk. Det är högre än för ozonbehandling, men lägre än för andra metoder med samma effektivitet. Vid en bedömning av olika metoder bör också andra faktorer än de rent ekonomiska vägas in. Fortsatta studier av hydraulisk kapacitet, nödvändig uppehållstid och avskiljning av andra organiska föreningar föreslås, och har delvis påbörjats.