IVL Swedish Environmental Research Institute

Reningsverk längs Östersjökusten norr om Norrtälje har i daginga generella krav på kväverening. Kväverening är motiveratbara om det är dåliga lokala förhållanden i recipienten. Efterrevidering av EU:s avloppsdirektiv kan det komma krav påkvävereningäven i norra Sverige. Syftet med projektet var attöka kunskapenom kväverening med MBBR-teknik (moving bedbiofilmreactor) för att kunna åstadkomma kostnadseffektivrening vid de låga vattentemperaturersom förekommer påreningsverk i norra Sverige.

Projektet har utrett förutsättningar för kvävereduktion på olika reningsverk i Norrland utifråntemperaturer, flöden och kvävehalter samt bedömning av möjligheter att värma uppavloppsvatten med en låggradig värmekälla.Andelen ovidkommande vatten (läck-, dränerings-och dagvatten) påverkar vattentemperaturen mer än den geografiska placeringen.De lägsta vattentemperaturerna varierar för olika norrländska reningsverk från 4,5 °Ctill 9 °C för dem med hög respektive låg andel av ovidkommande vatten. Uppvärmning avavloppsvatten visade sig inte vara ett ekonomiskt motiverat alternativ för projektets fallstudiei Sundsvall och är även svårt att rekommendera för övriga reningsverk i Norrland.Pilotförsök med rening av vatten vid ett av Sundsvalls avloppsreningsverk, FillanARV, genomfördes i en anläggning bestående av två MBBR-linjer med både för- ochefterdenitrifikation som kördes vid olika temperaturer. Pilotförsöket visade att det intefinns någon stor skillnad i temperaturkänslighet hos nitrifikations- och denitrifikationsprocesseni MBBR. En minskning i reell reduktionshastighet för båda processerna med8 % kan förväntas för varje grads minskning av temperaturen inom intervallet 5 °C–12 °C.

Nitrifikationsprocessen fungerade stabilt under hela försöksperioden förutom viss minskningav effektiviteten vid driftstörningar och kraftiga belastningsökningar.Fördenitrifikationsprocessen var det mest begränsande steget för kvävereduktion,framför allt på grund av lågt innehåll av lättnedbrytbara organiska ämnen och höga syrehalteri inkommande vatten, särskilt under snösmältningsperioden. Endast cirka 40 % avinkommande kväve reducerades i genomsnitt med den kolkälla som fanns i inkommandevatten, vilket betyder att det skulle vara svårt att klara även ett begränsningsvärde förtotalkväve i utgående vatten på 15 mg N/l med endast fördenitrifikation och utan doseringav extern kolkälla. Efterdenitrifikationen kunde reducera kvävehalter till väl under 6 mg/l,dock med en hög kolkällaförbrukning.

Projektet visade att kvävereduktion från kommunalt avloppsvatten är fullt möjligt attimplementera även vid vattentemperaturer under 5 °C. Vid de förutsättningar som rådervid många reningsverk i Norrland behövs dock större bassängvolymer, och beroende påönskad reningsgrad kan driftkostnaderna bli höga på grund av höga syrekoncentrationeroch stor mängd tillsatt extern kolkälla. Rekommendationer för insamling av dimensionerandedata, processutformning, olika driftsätt samt dimensionerande hastigheter gesi rapporten.Förutom denna rapport har en separat rapport tagits fram i projektet av HallvardØdegaard, Björn Rusten och Linus Karlsson där forskningsläget kring kväverening avkallt avloppsvatten har sammanställts. Den rapporten beskriver också erfarenheter frånde fullskaleanläggningar som finns i framför allt Norge. Dessa reningsverk uppgraderadesunder 1990-talet med kväverening, och kvävereningen har varit stabil sedan dess ävenvid vattentemperaturer under 5 °C.

Wastewater treatment plants (WWTPs) along the east coast of Baltic Sea, north ofNorrtälje, currently have no general requirements for nitrogen removal. Therefore,nitrogen removal is only motivated if poor local conditions persist in the receivingwater body. However, with a changed picture of requirements after the revision ofthe EU Wastewater Directive, nitrogen removal from cold wastewater may becomehighly relevant.

This project aimed to increase knowledge about nitrogen removal withMBBR technology (moving bed biofilm reactor) to enable cost-effective treatment atlow water temperatures.Conditions for nitrogen removal at various treatment plants in Norrland wereinvestigated based on temperature variations, flows and nitrogen content as well asassessment of possibilities for heating the wastewater with low-grade heat. It wasshown that the proportion of extraneous water affects water temperature morethan the geographical location, and the lowest water temperatures vary for differentnortherntreatment plants from 4.5 °C to 9 °C for those with a high or low proportionof extraneous water. Heating the wastewater was shown to be not economicallymotivatedfor the project’s case study in Sundsvall and cannot be recommended evenfor other treatment plants in Norrland.Pilot-scale trials were carried out at one of Sundsvall’s sewage treatment plants,Fillan WWTP, using a pilot plant consisting of two MBBR lines with both pre- andpost-denitrification, which were run at different temperatures. The pilot studiesshowed that there is no big difference in the temperature sensitivity of the nitrificationand denitrification processes in MBBR. A reduction in the real reduction rate for bothprocesses by 8% can be expected for each degree of reduction in temperature within theinterval 5 °C–12 °C.

The complete nitrification was maintained throughout the trials,except for short periods with operational disturbances and increased load conditions.The denitrification process was the most limiting step for nitrogen reduction,primarily due to the low content of easily degradable organic substances and highdissolved oxygen content in the incoming water, especially during the snow meltingperiod. Only approximately 40% of the incoming nitrogen was reduced with thecarbon source in the incoming water, which means that it would be difficult to meeteven a limiting value for total nitrogen in the outgoing water of 15 mg N/l with onlypre-denitrificationand without dosing of external carbon. Post-denitrification couldreduce the nitrogen content to well below 6 mg/l, but with a high consumption ofcarbon source.

The project demonstrated that nitrogen removal from municipal wastewater isentirely possible to implement even at water temperatures below 5 °C. Given theconditions prevailing at many treatment plants in Norrland, however, larger basinvolumes are needed and, depending on the desired treatment degree, operating costscan be high. Recommendations for design and different modes of operation are alsogiven in the report.Except of this report, a review on nitrogen removal at low temperatures was donewithin the project by Hallvard Ødegaard, Björn Rusten, and Linus Karlsson andpublishedin a separate report. The report also describes experiences from the fullscalefacilities in Norway. These WWTPs were upgraded during the 1990s to MBBRwith nitrogen removal and have been in operation since then. Analysis of the WWTPs’performance showed that stable nitrogen removal could be maintained even at watertemperatures below 5 °C.