IVL Svenska Miljöinstitutet

Henriksdals reningsverk i Stockholm byggs nu ut och om för ökad kapacitet (från 0,8 till 1,6 miljoner PE) och för förbättrad reningsgrad (6 mg TN/l, 0,20 mg TP/L, 5 mg BOD7/l). Projektet inkluderar uppgradering av den befintliga konventionella aktivslamprocessen till en ny membranbioreaktorprocess (MBR) med mer än 1,6 m2 installerad membranyta.

Det inkluderar även utökad förbehandling och ett nytt steg för primärslamförtjockning. Termofil rötning av tjockt slam (~6 % TS) vid hög organisk belastning och relativt låg uppehållstid kommer ersätta dagens mesofila rötning.

För att öka kunskapen om MBR-teknik i nordiskt klimat har Stockholm Vatten och Avfall (SVOA) och IVL Svenska Miljöinstitutet genomfört långtidsstudier på en membranprocess i pilotskala på FoU-anläggningen Hammarby Sjöstadsverk, som ligger i anslutning till Henriksdals reningsverk. MBR-piloten togs i drift 2013 och byggdes om till sin nuvarande utformning under 2016. År 2017 kompletterades MBR-piloten med en slamlinje för att kunna studera olika aspekter av slamrötning.Under 2021 kördes MBR-piloten med ett fast inflöde på 4,1 m3/h, vilket är 37 % högre än det designade medelflödet, med externt tillförskaffad glycerol och internt producerad VFA-kolkälla för efterdenitrifikation.

Aluminium (PAX) användes i stället för trevärt järn (PIX) som komplement till tvåvärt järn (FeSO4) för fosforutfällning. Detta gjordes för att testa driftstrategin för den första MBR-linjen i Henriksdals reningsverk. Medelhalter av kväve och fosfor i utgående vatten var 3,9 mg TN/L respektive 0,07 mg TP/L, vilket innebär att utsläppsvärden uppfylldes även i år. För att uppnå detta krävdes 8,6 g Fe2+/m3 och 0,9 g Al3+/m3.

Under försök med fluxförhöjare tillsattes totalt 17,8 g järn (Fe2++ Fe3+)/m3. Glyceroldosen motsvarade 17,3 g COD/m3, och för användning av internt producerad VFA motsvarande dosen 15,5 g COD/m3. Den något högre förbrukningen av fosforfällningskemikalier jämfört med 2020, 1,29 mol metall per mol avlägsnad fosfor, berodde främst på en lägre bio-P aktivitet under 2021. År 2021 var fosforsläppshastigheten mycket låg under våren, ex. < 1 g PO4-P/kg VSS,h i juni men återhämtade sig under sommaren med t.ex. 5,5 g PO4-P/kg VSS,h i juli, efter att doseringen av skumdämpare stoppades.

Järn- och aluminiumhalten i det aktiva slammet var 6,2 respektive 0,7 %. Genomsnittlig total slamålder under 2021 var 17,2 dagar och luftad medelslamålder var 7 dagar. Nitrifikation var alltid komplett med utgående ammoniumkoncentrationer under 2 mg/L, förutom vecka 25.

Tester med användning av internt producerad VFA som kolkälla visade att den specifika COD-förbrukningen var nästan densamma som för glycerol när man jämförde årsgenomsnittet från 2021 och 2020. Utgående nitrat och total kvävereduktion var liknande under försöket med VFA som resten av året, då glycerol användes.

Liksom tidigare år rengjordes membranen i membrantank 1 (MT1) med oxalsyra och membranen i MT2 med citronsyra. Båda membranen rengjordes också med natriumhypoklorit. Membranen kördes med ett genomsnittligt flux på 21 till 25 L/(m2·h), men med startvecka 25 testades fullskaledesignens maximala nettoflux på 30 L/(m2·h) i piloten under 25 veckor. Netto-TMP varierade mellan 49 och 218 mbar för MT1 och mellan 51 och 146 mbar för MT2. TMP reducerades efter varje återhämtningsrengöring (RC) med hypoklorit, men effekten varade inte länge. 

Permeabiliteten var generellt över 200 L/(m2·h·bar) under hela 2021–2022 för båda membranen. Återhämtningsrengöringar gjordes två gånger med hypoklorit och en gång med syror under 2021. Under 2022 genomfördes en slutlig RC, först med hypoklorit sedan med syror. Den första RC för MT1 resulterade i en tydlig ökning av permeabiliteten efter rengöring. För MT2 var den största ökningen av permeabiliteten resultatet av en citronsyra-MC (en vecka efter hypoklorit-RC).

Följande RC i slutet av 2021 och i mars 2022 hade tydliga men mindre positiva inverkan på permeabiliteten. Före den första RC var permeabiliteten högre för MT1 (rengöras med oxalsyra) jämfört med MT2 (rengöras med citronsyra). Efter de första RC hade båda membranen liknande permeabilitet. Som ett resultat av den tuffa driftstrategin från vecka 25 2021 minskade permeabiliteten ganska snabbt efter RC. MT2 nådde en stabil nivå runt 250-300 L/(m2·h·bar) medan MT1 sjönk ytterligare till som lägst 200 L/(m2·h·bar).

Utsläpp av klorerade föreningar mättes under den slutliga återställningsrengöringen med natriumhypoklorit. Utsläppsprocessen var långsammare än förväntat och generellt sett observerades inga tydliga tecken på dämpning av utsläppen under provtagningens 21 timmar. Även om sammansatta prover på flera timmar under natten inte ger tillräckligt med detaljer, drogs slutsatsen att utsläppen kan vara skadliga under hela RC-processen ur ett exponeringsperspektiv. Exempelvis nådde trikloramin sin topp vid 36 gånger den rekommenderade gränsen, klorgas vid 73 % av korttidsexponeringsgränsen (15 min exponering) och kloroform vid 9 % av den yrkesmässiga exponeringsgränsen (genomsnittlig arbetsdag på 8 timmar).

För att följa upp tidigare mätningar av växthusgaserna lustgas (N2O) och metan (CH4) genomfördes en ny mätkampanj under flera månader i 2021. Generellt sett var utsläppen som observerades 2021 betydligt högre än i tidigare kampanjer och särskilt höga N2O-utsläpp från membrantanken kunde observeras. Någon tydlig orsak kunde inte identifieras men den högre inkommande belastningen med bibehållna reningskrav och ett "bättre" provtagningsupplägg kan delvis vara en förklaring.

I samarbete med Kemira genomfördes tester med en fluxförhöjande produkt (flux enhancer). Ingen uppenbar positiv eller negativ förändring i permeabiliteten på grund av dosering av fluxförhöjare kunde dock identifieras utifrån de kontinuerliga processparametrar som övervakades och vanliga variationer i permeabilitet samt effekten av membranrengöring.

Eftersom skumbildning är ett vanligt fenomen i MBR-anläggningar genomfördes tester med ett skumdämpande medel som doserades i pulser och kontinuerligt till den biologiska behandlingen under perioden med kraftig skumbildning (mars-juni). Även om skumning inte upphörde helt så kunde en god minskning och kontroll av skumning uppnås. En optimal effekt konstaterades vid en kontinuerlig dos på > 10 ppm. Men även om produkten har visat sig ha en positiv effekt på skumning i MBR-piloten, framstår inte en permanent användning i fullskala som ekonomiskt genomförbar på grund av den höga förbrukningen.

Tester med reducerat RAS-flöde från 4×Qin enligt design till 2×Qin syftade till att minska energiförbrukningen. Ett minskat RAS-flöde skulle dock innebära en ökad slamkoncentration i membrantankarna, vilket kan ha negativa effekter på membranets prestanda med mer igensättning, vilket i sin tur kan leda till ökad luftning för membranrengöring och behov av tätare membrantvättar. Projektgruppen kunde dock inte observera några negativa effekter av det minskade RAS-flödet på membranets prestanda.

Under 2021 genomfördes tester med övergång från mesofil till termofil rötning, avvattning av rötslam efter mesofil och termofil rötning, samt termofil rötning vid hög organisk belastning (OLR) och låg hydraulisk uppehållstid (HRT) i slampiloten. Resultat visar att övergången från mesofil till termofil rötning kan ske utan större problem om den organiska belastningen minskades lite vid den mest kritiska temperaturen och att stabil drift uppnåddes efter 10-12 dagar. Att utvärdera avvattningen av mesofilt och termofilt rötat slam var svårare och inga tydliga skillnader kunde observeras. En slutsats var dock att de metoder som användes för att bestämma avvattningsbarhet eller optimal polymerdos inte framstår som tillförlitliga. Försök med hög organisk belastning vid termofil rötning visade att rötkammarens prestanda kunde bibehållas upp till en OLR på cirka 4 kg VS/m3, d och en HRT på 12 d. När belastningen ökades ytterligare och HRT minskade, minskade prestandan vad gäller utrötningsgrad och biogas-/metanproduktion, även om själva reaktordriften fortfarande var stabil.

Den totala resursåtgången i piloten visade att konsumtionen av glycerol var densamma som för den framtida Henriksdalsdesignen, även om kvävebelastningen i piloten var 21 % högre och den genomsnittliga totala kvävekoncentrationen i utgående vatten var med 3,9 mg TN/L lägre än design på 6 mg TN/L. Järn-/metallförbrukningen var också 73 % av den framtida Henriksdalsdesignen, även om fosforbelastningen till piloten var cirka 50 % högre jämfört med designvärden och utgående fosfatkoncentrationerna låg under målkoncentrationen. Detta förklaras främst av EBPR-aktiviteten i pilotprojektet. Dessutom var förbrukningen av rengöringskemikalier lägre än den framtida Henriksdalsdesignen även om inflödet till piloten var 30 % högre än designen.

Stockholms avloppsreningsverk (ARV) byggs för närvarande om från en konventionell aktivslamprocess till en ny membranbioreaktorprocess (MBR). Även nya behandlingssteg för slamhantering ingår. Stockholm Vatten och Avfall (SVOA) och IVL har sedan 2014 genomfört långtidsstudier i pilotskala vid FoU-anläggningen Hammarby Sjöstadsverk. Denna rapport presenterar resultat från pilotoperationen under 2020.

MBR-piloten drevs kontinuerligt vid ett högre inflöde än det genomsnittliga designflödet. Utsläppsvärden för fosfor och kväve underskreds även detta år. En låg förbrukning av fällningskemikalier i fosforreningen kunde uppnås främst på grund av en hög Bio-P-aktivitet. Piloten visade också att glycerol kan vara en bra tillfällig kolkälla vid Henriksdal WWTP under processuppstart.

Liksom tidigare år rengjordes membranen i membrantank 1 (MT1) med oxalsyra och membranen i MT2 med citronsyra. Flera tester för att optimera förbrukningen av kemikalierna för membranrengöring utfördes. Återhämtningsrengöring (RC) av membranen utfördes två gånger under 2020.

I slampiloten visade en termofil och mesofil krocktest med korta hydraulisk retentionstid (HRT) stabil prestanda ner till 4 dagars HRT.

Den totala resursförbrukningen i piloten visade att optimering av fosforutfällning och tvättkemikalier resulterade i en betydligt lägre dosering än designvärden för framtida Henriksdal WWTP.

Den här rapporten finns endast på engelska. Svensk sammanfattning finns i rapporten.

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.

Den här rapporten finns endast på engelska. Svensk sammanfattning finns i rapporten.