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.

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.

Hydrotermisk karbonisering (HTC) av avloppsslam har potential att bli en av teknikerna för framtidens slamhantering vid svenska kommunala avloppsreningsverk (ARV).

HTC-tekniken bygger på en process där slammet eller andra substrat behandlas under högt tryck (>20 bar) och under hög temperatur (180-260 °C). HTC-processen genererar hydrokol som kan avvattnas mekaniskt till höga torrhalter (>60 % TS).

Några förväntade fördelar med HTC-tekniken är en mer hållbar återföring av närsalter via det producerade hydrokolet, samt andra positiva effekter som t.ex. mindre växthusgasutsläpp och närsaltläckage till miljön. Samtidigt finns vissa utmaningar, som t.ex. hantering av processvatten, som behöver hanteras och oklarheter kring det hydrokolets egenskaper som behöver utredas.

För att besvara dessa frågeställningar och samla in praktiska erfarenheter från HTC som slamhanteringsalternativ har pilotförsök med både HTC-behandling och våtoxidation av HTC-vatten genomförts. Orötat slam behandlades för att produce¬ra hydrokol och det producerade HTC-vattnet undersöktes vid pilotanläggning Hammarby Sjöstadsverk i bänk- och pilotskaletester för biologisk rening i sido- eller huvudström. 

Med avsikt att studera potential för jordförbättring och näringsegenskaper för hydrokol och slam från Roslagsvattens avloppsreningsverk i Margretelund karakteriserades och testades i odlingsförsök med jord och torv. Även bildningen av koldioxid i jord utvärderades.  I dessa studier jämfördes resultaten även med hydrokol från fyra andra substrat (rötrest från matrester, stallgöd¬sel, bioslam från rening av processvatten från massa/pappersbruk samt rötat blandslam från ARV).  

Projektet har visat att C-Greens OxyPower HTC™ är ett tekniskt möjligt alternativ för att behandla Margretelunds orötade avloppsslam. Olika tester har illustrerat att tekniken kan minska slamvolymen genom en ökning av TS till ca 65 % inte bara för reningsverkets slam utan även för ett antal andra undersökta organiska substrat. Även om HTC-pilotanläggningen inte kunde köras kontinuerligt som en fullskaleanläggning så kunde ändå en processtabilitet visas.

Trots att processen i princip är exoterm och en nettoproduktion av värmeenergi över hela processen kan observeras, så behöver processen högvärdig elenergi för drift. Ett effektivt utnyttjande av överskottsvärmen som produceras blir således en viktig aspekt för att åstadkomma högre resurseffektivitet. C-Greens OxyPower HTC™ är en kompakt process med relativ lite ytbehov och kostnader för processen bedöms domineras av driftkostnader i form av energi och driftpersonal. Tester med biologisk rening av HTC-vattnet som bildas vid HTC-behandling visade att en blandning med endast rejektvatten från slamavvattningen inte är tillräckligt för att åstadkomma en effektiv rening i delströmmen som krävs för att undvika en ökad internbelastning på huvudströmmen. Även om en effektiv reduktion av organiska föroreningar kunde åstadkommas så indikerade både kortidstester i bänkskala och långtidstester i pilotskala en tydlig hämning av nitrifikationen vilket kan tyda på rester av processpåverkande mikroföroreningar.

Även om ingen komplett hämning observerades så visade långtidstester ändå tydligt att en anpassning av mikrobiotan över tid inte kunde observeras. Samtidigt visade kompletterande långtidspilottester med biologisk rening av både HTC-vatten och rejektvatten i huvudströmmen att en effektiv reduktion av både organiska föroreningar uppmätt som COD och ammonium kunde uppnås.

Inga hämmande effekter indikerades vilket beror på den mycket kraftiga utspädningen av hämmande störsubstanser i HTC-vattnet. En återföring till huvudreningen innebär dock en kraftig ökat internbelastning främst med organiska föroreningar och ammonium som kräver extra processvolymer om inte utgående haltnivåer ska överskridas.       

HTC-tekniken utgör således ett intressant alternativ för slamhantering vid svenska kommunala avloppsreningsverk som dock kräver hänsynstagande till anläggningens förutsättningar för att kunna hantera en ökad internbelastning, dagens slamkvalitet för att få en god kvalitet på hydrokolet, och en bra integrering i befintliga processer för att nå ett optimalt resursutnyttjande. 

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.

Vid Slottshagen reningsverk gjordes en av de första karteringarna av lustgasemissioner (N2O) från rejektvattenreningen. De första mätningarna genomfördes 2012 och visade på relativt höga utsläpp av lustgas med i genomsnitt 10 % av inkommande kväve, men periodvis väsentlig högre emissioner än så. Därmed kunde det konstateras att processen trots en effektiv kväverening bidrog med en signifikant miljöpåverkan. För att minska den negativa miljöpåverkan genom höga utsläpp av lustgas, som är en 298 gånger starkare växthusgas än koldioxid, utarbetade IVL olika åtgärdsstrategier till Nodra AB som skulle resultera i minskade emissioner både på kort och lång sikt.

Som snabb åtgärd rekommenderades en anpassning av etanoldosering för att minska utsläppen. En uppföljningsmätning visade att lustgasemissionerna hade minskats till i genomsnitt 5 - 6 % av den genomsnittliga kvävebelastningen. Den långsiktiga rekommendationen till Nodra AB var att ställa om reningsprocessen från Satsvis Biologisk Rening (SBR) med konventionell nitrifikation och denitrifikation till 1-stegs deammonifikation vilket innefattar de biologiska processerna nitritation och anammox. Efter avslutad ombyggnad 2017 gjordes en ny mätning 2018 som tyder på signifikant lägre lustgasutsläpp i deammonifikationsprocessen (<1% av kvävebelastningen).

En ytterligare optimering av processen med fokus på pH-styrningen som genomfördes i samarbete med Mälardalens högskola (MDH) och Purac AB resulterade i ännu lägre utsläpp motsvarande <0,2 % av kvävebelastningen. Även om det i det här fallet föreslogs en viss styrningsändring som kortsiktig åtgärd och ombyggnad till en deammonifikation (nitritation/anammox) med MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) som långsiktig åtgärd så kan det finnas fler åtgärdsstrategier än dessa för att minska lustgasavgång. Det viktigaste momentet i en framgångsrik reducering av växthusgasutsläpp är kunskapen om situationen och viljan till förändringar. Nodra AB har varit drivande i dessa frågor och trots överraskande höga lusgasutsläpp som upptäcktes vid karteringen, har de kontinuerligt jobbat med att reducera dessa med hjälp av extern expertis.

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.

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.

Oljeutsläpp har minskat i antal de senaste åren, men utgör fortfarande den vanligaste miljöskadan, med cirka 600 fall som hanteras årligen av restvärderäddning. Trots detta är information om moderna bränslen och deras påverkan på miljö och människors hälsa fortfarande knapphändig. Därför fokuserar denna studie på att öka kunskapen kring vanliga bränslens kemiska innehåll och miljöpåverkan av dessa vid utsläpp.Inom ramen för denna studie samlades trettio bränsleprover av olika typer in: bensin, diesel, eldningsolja och MGO (Marine Gas Oil). Bränslenas, såväl som den vattenlösliga fasens kemiska sammansättning analyserades med hjälp av GC-MS (gaskromatografi med masspektrometer).

Ett viktigt moment i metoden, eftersom fokus låg på påverkan på vattenekosystem och dricksvattenproduktion, var att skapa en stabil WAF (water-accomodated fraction) genom att blanda vatten och bränsle och sedan låta icke lösta ämnen separera från vattenfasen. I blandningen gavs ett begränsat utrymme för gaser, vilket innebar att mer flyktiga organiska kolväten (VOC) fanns i vattenlösningn. Detta var ett medvetet val, då dessa ämnen förväntades ge utslag i lukttester och att en stor skillnad mellan olika bränslen var önskvärd. Den kemiska analysen fokuserades på att identifiera och kvantifiera 50 ämnen, inklusive aromatiska kolväten, alifatiska kolväten, etrar och estrar, samt 17 polycykliska aromatiska kolväten (PAH:er) i åtta av bränsleproverna. Dessa ämnen valdes dels för att de väntades påverka luktegenskaper, dels för att illustrera fördelningen mellan lätta och tunga ämnen i bränslena. Tolv av de trettio bränsleproverna valdes ut till lukttester, där en spädserie tillverkades utifrån WAF för bränslena. Denna användes för att utvärdera lukt vid olika spädningar. Sex prover valdes ut för ekotoxikologiska tester av kräftdjur, alger och bakterier, vilket ger en relativt god förståelse för ekotoxiciteten hos bränsle-vattenblandningarna. Fyra prover användes i specialdesignade avdunstningsexperiment för att studera hur flyktiga bränslekomponenter avdunstar från vattenytan vid olika temperaturer och etanolkoncentrationer. Resultaten med avseende på lukttester gav att tre bränslen stack ut kraftigt från övriga. Dessa bränslen var de som innehåller högre koncentrationer av eter: 98-oktanig bensin och E85-bränsle.

Även om variationer med avseende på lukttrösklar mellan olika panelmedlemmar var stor, var sambandet mellan MTBE (metyl-tertiär-butyleter) i bränsle-vattenblandningarna och lukt mycket stark. Omvänt gjorde avsaknaden av eter i dieselbränslena dem betydligt mindre benägna att orsaka lukt i WAF. Etanol i bensin och RME (rapsmetylester) i diesel gjorde att mer av respektive bränsle löstes i vatten. Generellt löser sig bensinspecifika ämnen väsentligt lättare i vatten än de i diesel, som bara marginellt finns i vattenfraktionen. För eter, som har stor betydelse för lukt, spelar koncentrationen etanol mindre roll. Eter är så pass vattenlösligt att det kunde observeras ett starkt samband mellan koncentrationen av eter i vatten och dess innehåll i bränslet, utan hänsyn tagen till etanol. De förhållanden som rådde vid blandning av bränsle och vatten i denna studie återspeglar inte verkliga förhållanden. Vid bränslespill i ytvatten avdunstar en del av de flyktiga ämnena såsom eter eller toluen till luft, vilket minskar koncentrationen i vatten. Experimenten visade att avdunstningen av eter kan förutsägas baserat på WAF-eterkoncentrationen, vattentemperaturen och etanolhalten. De visade också att kallt vatten (5 °C) minskar avdunstningshastigheten för eter till nästan försumbara nivåer. De ekotoxikologiska testerna visade reproduktionshämningar hos kräftdjur i alla bränsleprover. Den hämmande effekten från HVO (hydrerad vegetabilisk olja) var dock endast marginellt mer än kontrollen. Eldningsolja och vissa bensinbränslen hade skadliga effekter på algtillväxt, medan diesel inte hade det.

Resultatet med avseende på bakteriers luminiscens var i samma riktning; Bensinbränslen hämmade luminiscensen mer än diesel. Inget av bränslena hämmade respirationen hos aktivt slam i sådan utsträckning att toxiska nivåer kunde konstateras. Detta visar att ett aktivt slam är mer robust än enskilda organismer, på grund av den mångsidiga bakteriefloran. För en dricksvattenproducent är bränslen som innehåller vattenlösliga etrar, såsom E85 och 98-oktanig bensin, den mest potenta risken. Om ett utsläpp inträffar i en dricksvattentäkt beror sannolikheten för produktionsstörning på förutsättningarna för utspädning så att eterkoncentrationen går under lukttröskeln på 1,5-4 μg/L. Modern diesel (både svensk och europeisk) har däremot, genom väldigt låg vattenlöslighet och tack vare regleringar som minskat andelen toxiska ämnen i produkterna, blivit en marginell risk för ytvattentäkter. För sötvattensekosystem har vattenlösliga bensinrelaterade ämnen och hydrofoba giftiga ämnen i eldningsolja eller EU-diesel de allvarligaste effekterna vid ett utsläpp. MK1-diesel eller HVO-diesel påverkade testorganismerna endast marginellt jämfört med kontrollen, som representerar opåverkade organismer. 

Rapporten går igenom det som en processingenjör behöverveta om lustgasmätning på ett avloppsreningsverk: analysteknik, mätmetoder, provtagningsmetoder och beräkning avemissioner.

Den avslutas med en vägledning som ger råd och rekommendationer. Det gäller att förstå de utmaningar och begränsningar som finns vid lustgasmätning för att kunnata hänsyn till osäkerheter bland annat när mätresultatenska användas som underlag för att förbättra reningsverketsklimatprestanda.

Lustgas är en kraftig växthusgas som släpps ut från avloppsreningsverken bland annatvid lagring av slam och vid biologisk kväverening. Svenskt Vatten har satt som mål att VA-branschen ska vara klimatneutral år 2030. Därför är det viktigt att lokalisera och kvantifiera utsläpp av lustgas för att kunna vidta åtgärder och optimera förhållandena i de kvävereningsprocesser där inkommande ammonium i vattenfasen övergår till kvävgas som avgår till luften. Kvävereningsprocesserna är komplexa och utförs av flera olika mikroorganismer.

Lustgasemissioner sker på olika ställen i processerna och är svåra att undvika. För att kunna minska utsläppen av lustgas måste man förstå när och var lustgasproduktionen är störst och hur den sker. Dessa lustgaskällor kan endast hittas genom mätning och dataanalys.

Projektet har sammanställt kunskap om olika mätmetoder för lustgasmätning och hur dessa och olika fysiska förhållanden i samband med lustgasmätning påverkar mätdata och hur de utvärderas.

Rapporten går igenom de mättekniker för lustgas som finns i dag för gas- respektivevattenfas. För gasform används gaskromatografi, optiska tekniker och amperometriska (elektrokemiska) tekniker. Gasen samlas in med huv över bassängytor eller via ventilationen.

Gasen kan också mätas direkt i atmosfären med mikrometeorologiska metoder som till exempel satellitmätning eller CRDS som är en form av laserabsorptionsspektroskopi. I denna studie genomfördes en serie av lustgasmätningar på olika reningsprocesser. Samtliga mätningar gjordes med huvmätningar på Henriksdals reningsverk i Stockholm och Himmerfjärdens reningsverk strax söder om Södertälje.

Mätningarna utfördes medolika typer av huvar (aktiva, semiaktiva och passiva) och olika storlekar på huvarna. De utförda mätningarna täcker reningsverk utomhus och inne i bergrum, rening av huvudström och rejektvatten, samt ventilationssystem. I rapportens sista avsnitt finns en rekommenderad arbetsgång.

Först definieras syftet med mätningen. Syftet kan till exempel vara att beräkna totala utsläpp, identifierapunktutsläpp eller att optimera processen. När syftet är definierat väljer man hur, var, när och hur länge man ska mäta. Man identifierar de krav som ställs på mätningarna och vilka kompletterande data som behövs. När mätningarna är gjorda är det dags att utvärdera, beräkna och göra en osäkerhetsanalys. Sista steget är rapport, beslut och åtgärd för att optimera processen.