IVL Swedish Environmental Research Institute

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.

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.

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.

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.

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.

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.

The analysis of LCC-results can be used to determine which option is the most financially preferred from the company’s standpoint. The results are clear and show that the biogas-option is favorable and a profitable option of investment for the company.

To determine how various parameters and factors influence the results, an extensive sensitivity analysis was also included in this study where several parameters were altered. The Net Present Value of Investment is influenced by all parameters in the following order: i) biomethane price of the grid, ii) revenue from fiber sludge, iii) calculation period, iv) interest rate, v) investment cost sewage treatment plant, vi) revenues biofertilizer, vii) investment cost biogas plant, viii) electricity price, and ix) sludge revenue/cost. This is a measure of how important the individual parameters are for the company’s decision on how to proceed with their investment plans.

The transition towards circular flows within industrial processes often involves assessment of only one type of flow. For example, zero liquid discharge sometimes focuses on water flows, without taking into consideration solid residues. It could however be possible to simultaneously optimize different types of resources, and consequently generate a higher economic yield, a reduced risk, and a reduced environmental impact. The purpose of this study was to find the best use for the solid residues from a zero liquid discharge wastewater treatment at a copper smelting plant. The result was a methodology for resource optimization, based on the principles of reduce, replace, reuse and recycle. The methodology involves relatively simple steps and could be used as a set of instructions for anyone working with resources in almost any industrial process. This methodology is expected to lower one barrier towards a more circular economy - by focusing on preventable losses of valuable resources in all forms (energy, water, and material) and by being simple to use, thereby improving the attitude and knowledge in industrial organizations. With the help of this methodology, it was concluded that the solid waste from the case study could be reduced by 58%–85%. A preliminary economic analysis showed that the operational cost for the optimized waste handling scheme is lower than in the base scenario. If all the proposed changes are fully realizable, the reduced waste will be a result of reduced use of resources in the process, reused resources within the process, and recovered resources which could be recycled and sold as by-products.

Landfill leachate is one of the major point sources of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) pollution. In this study, powdered activated carbon (PAC), granular activated carbon (GAC), anion exchange resin (AIX), nanofiltration (NF), ozonation, and foam fractionation were tested for treatment of the same leachate.

These methods were compared in terms of PFAS removal efficiencies and treatment cost. More than 75% removal of long-chain PFAS (6-9 CF2) could be achieved with all the studied methods, though with high resource consumption. It was demonstrated that PFAS breakthrough was up to 27 times faster when the leachate was treated with GAC and AIX compared to groundwater treatment. Nanofiltration was the only method which could be practically applied for removal of PFAS with the shortest fluorinated carbon chain (3-4 CF2). Foam fractionation and AIX offered the most economical treatment, with an estimated cost of < 1 €/m3 for PFOS and PFOA reduction to ≥90%. The cost of treatment was shown to increase exponentially if the goal of > 60% ΣPFAS11 removal was applied. It was also discussed that composite parameters that include expected toxicity of different PFAS, such as ΣPFOAeq, should be used to obtain a cost-efficient reduction of PFAS-induced water toxicity.

Treatment of PFAS-contaminated leachate with ion exchange filters has been studied in several pilot studies and showed good results, especially in the case of requirements for the reduction of PFAS with longer carbon chains. The biggest challenge with using ion exchange mass for leachate treatment is that either a very advanced pre-treatment is required or that the filter needs to be backwashed frequently to avoid clogging. Backwashing of filters mixes the ion exchange mass, which causes the column action to be lost. 

The aim of the project was to test the design where leachate flows upstream of a filter bed with a sufficient flow to fluidize the bed. The report describes trials carried out on a larger pilot scale at the Sivik waste facility as well as trials on a smaller pilot scale at the Löt waste facility. At Sivik, a standard DynaSand filter has been filled with ion exchange resin and run for 9 months.

At Löt, comparative trials with downstream ion exchange filters and two upstream filters in series have been carried out. Trials at Sivik showed that it was crucial to mix the ion exchange mass in the filter by running the airlift pump to maintain good treatment results. However, it was challenging to find a balance between mixing the resin and the risk of media loss with flushing water. It was also discovered that the flow rate in the trials was too low for homogeneous suspension of the resin, which is believed to have created shortcuts of flow through the filter. This led to varying purification of the shorter PFAS. Despite the challenges, reduction of PFOS averaged 94% during the course of the trial where 14 300 bed volumes (BV) of water was treated.

Effluent PFOS concentrations were approximately 13 times lower than the respective effluent target value for the facility. Complementary lab-scale trials showed that the ion exchange resin had a lot of capacity left when the tests ended and reduced PFOS and other longer PFAS almost as good as new ion exchange resin. In tests at Löt, the 2-stage upstream filter showed similar treatment efficiency as a downstream filter, confirming that capacity utilization of ion exchange resin can be similar with the two process designs. Loss of mass was noted both with downstream ion exchangers (in trials on Löt during backwash) and upstream ion exchangers (due to poor design of a resin mixing system). Measures to reduce the risk of the resin loss as well as the importance of polishing removal of possible smaller amounts of resin are discussed in the report.

Syftet med detta projekt var att studera rening av PFAS-förorenat lakvatten från avfallsanläggningar genom praktiska försök i labb- och pilotskala och genom sammanfattning och utvärdering av försök som genomfördes på andra avfallsanläggningar. Försök med ett brett spektrum av olika reningstekniker genomfördes på fyra avfallsanläggningar.

En generell slutsats för alla tekniker som ger en rimlig reningskostnad är att de PFAS som har en kortare fullfluorerad kolkedja avskiljs sämre än de med en längre kedja. Ett stort fokus i utvärderingen av resultaten var därför att demonstrera hur olika reningsgrader för olika PFAS kan påverka reningskostnader. Utvärderingen av samtliga försök visade att skumfraktionering, rening med GAK och jonbytare är de mest lovande teknikerna som ger liknande kostnader vid samma reduktionsgrad. Om reningen ska utformas utifrån dagens krav blir reningskostnaderna lägst vid användning av jonbytare. Skumfraktionering ger bra reduktion av PFAS med sex eller fler helfluorerade kolatomer och är den mest kostnadseffektiva tekniken för reduktionen av de mest toxiska PFAS. Rening med GAK bedöms vara motiverat vid låga inkommande DOC-halter och om rening av andra organiska miljögifter behövs. Kostnad för rening av PFAS-förorenat lakvatten beräknas till 5-13 kr/m3 för en mellanstor avfallsanläggning.

Syftet med projektet var att studera rening av PFAS-förorenat lakvatten med jonbytare med fokus på avskiljning av substanser med kort och medellång kolkedja. Dessa substanser avskiljs dåligt med de flesta tekniker. Tidigare studier har visat att jonbytarfilter avskiljer substanserna initialt när filtret tas i drift men reduktionsgraden minskar snabbt. För att behålla bra avskiljning av dessa substanser behöver jonbytarmassan därför bytas ofta, vilket medför en hög reningskostnad. Några studier har visat att jonbytarmassa kan regenereras från PFAS och användas flera upprepade gånger, vilket har potential att minska reningskostnaden och behålla bra reduktion av de kortare PFAS.

Regenerering av jonbytare har dock inte testats tidigare vid rening av lakvatten, bara vid rening av andra vattenströmmar. Dessutom behövde hantering av den förbrukade regenereringslösningen som innehåller höga PFAS halter studeras.I föreliggande studie gjordes litteraturgenomgång, försök i labb-, bänk-, och pilotskala samt processberäkningar och kostnadskalkyler för att studera hur regenerering av jonbytare och återvinning av regenereringslösningen kan tillämpas vid rening av PFAS-förorenat vatten. Försöken utfördes vid Ragn-Sells avfallsanläggning Högbytorp.Kortvariga labbförsök visade att det finns flera typer av jonbytare från de flesta stora leverantörer som fungerar bra vid rening av lakvatten från PFAS. De mest lovande av dessa testades avseende regenerering med två olika regenereringslösningar. En indikation från labbförsöken var att det är möjligt att regenerera jonbytarna och behålla liknande kapacitet i fler cykler av sorption-regenerering.

Pilotförsöken genomfördes i en anläggning bestående av förbehandling av lakvatten genom fällning, sedimentering, och ultrafiltrering följt av två jonbytarfilter som kördes i serie eller parallellt. Förbehandlingen fungerade för det mesta bra och producerade ett partikelfritt vatten, dock med en hög dos av en fällningskemikalie. Jonbytarfiltren renade det förbehandlade vattnet tills genombrott av medellånga PFAS observerades. Sedan regenererades ett av jonbytarfiltren och filtret togs i drift igen för att undersöka hur regenereringen påverkade kapaciteten för PFAS-reduktion.

Resultaten visade att det mesta av sorberade PFAS tvättades bort från massan och att den regenererade massan hade en kapacitet som liknande en ny.Den regenereringslösning som visade sig fungera bra i labb-, bänk-, och pilotskaleförsöken var 1% NH4Cl i 80%vol etanol. För regenerering av 1 m3 jonbytarmassa krävdes minst 13 m3 av lösningen. Att regenerera jonbytare och skicka lösningen på destruktion kostar  mer än att köpa ny jonbytarmassa. För att regenereringen ska vara ekonomiskt motiverad behöver den förbrukade regenereringslösningen återanvändas och/eller kemikalier från den behöver återvinnas. I projektet studerades två alternativ för återvinning av lösningen – destillering och nanofiltrering. Båda metoderna fungerade bra och separerade >98% av PFAS från regenereringslösningen. Koncentratet, som innehåller PFAS i halter 1 000 – 1 700 gånger högre än i inkommande lakvatten, kan då skickas på destruktion medan den renade regenereringslösningen återanvändas.

En grov kostnadsanalys visade att för de flöden och halter som förekommer i lakvatten på Högbytorp skulle regenerering och återvinning av regenereringslösningen med nanofiltrering vara ekonomiskt motiverad om en bra reduktion av medellånga PFAS eller väldigt höga reduktionsgrader (>95%) av de längre PFAS skulle krävas. Däremot, om 90% reduktionsgrad  eller lägre bedöms vara tillräckligt för ΣPFAS4 eller ΣPFOAekv så bedöms regenerering och återvinning av regenereringslösningen i en egen anläggning att inte vara ekonomiskt motiverat. Däremot finns en stor potential för en gemensam anläggning för regenerering av jonbytare från flera avfallsanläggningar eller andra verksamheter, liknande som det görs idag med reaktivering av aktivt kol.

The report describes established and new technologies for nitrogen recovery from wastewater and compares the nitrogen recovery methods with other ways of producing nitrogen fertilizer in terms of climate impact and costs. The report also includes a brief review of opportunities for potassium and sulfur recovery and a status update of phosphorus recovery methods.

Recycling of nutrients from sewage in Sweden today takes place almost exclusively by spreading of sewage sludge on arable land, but only about a third of all sludge is used in this way. Dewatered sludge contains only about 15 percent of the nitrogen present in incoming wastewater. This means that only a few percent of the nitrogen is recycled today. Increased nitrogen recovery therefore has great potential. There is a risk that even the minor nitrogen recycling with sludge today will be stopped if sludge use on arable land is to be banned at the same time as the requirement for phosphorus recycling is introduced. The most interesting methods of phosphorus recovery involves  sludge incineration and recovery from ashes, and this means that the nitrogen content is lost during the incineration.

Nitrogen is mainly removed with biological methods in the treatment plant's mainstream today. An alternative is to separate the nitrogen present in reject water, ie the highly concentrated water that remains when dewatering digested sludge. The amount of nitrogen in the reject water is about the same as the amount of nitrogen in the sludge itself. The nitrogen in reject water can be recycled into fertilizer products by various chemical-physical methods. If nitrogen is recycled, less nitrogen needs to be removed biologically, which saves energy and reduces greenhouse gas emissions, especially nitrous oxide. Nitrogen recovery processes are, however, energy and chemical intensive, resulting in indirect greenhouse gas emissions and relatively high cost.

A literature study showed that ammonia stripping and contact membranes are the techniques for nitrogen recovery from reject water that are applied in full scale and have similar and relatively high consumption of chemicals and energy. For wastewater streams similar to reject water, other methods have been tested, including thermal stripping of ammonia with further chemical reaction with gypsum or distillation to ammonia water. Evaporation and distillation are also developed techniques that have the potential for nitrogen recovery.

Conventional production of nitrogen fertilizer depends on natural gas to obtain energy. Several technologies are now being developed where renewable energy can be used for the production of ammonia. The project evaluated the climate impact and costs for different nitrogen recovery methods compared with the production of nitrogen fertilizer from fossil and renewable energy sources. There was a big variation of results for the different recovery methods, but some conclusions can be drawn. The operating cost of nitrogen recovery with the established technologies (ammonia stripping and contact membranes) is slightly higher than the cost of producing nitrogen fertilizer from fossil and renewable energy sources, even when the cost of biological treatment of reject water with the most cost-effective biological methods is deducted. On the other hand, the climate impact from nitrogen recycling is lower than the climate impact from nitrogen fertilizer production and biological nitrogen removal. Several new recycling techniques, such as thermal stripping of ammonia and struvite precipitation with further acid treatment, have the potential to provide both lower cost and lower climate impact.

An alternative for recovering as much nitrogen as possible is to introduce source sorting systems and separate treatment of toilet water or urine. Recovery from the low-concentration main stream of wastewater with an ion exchange process followed by recovery with stripping or contact membranes also has potential.