Pilotförsök för utökad nitrifikation med en biofilmsprocess

Abstract

This study investigated the potential of a moving bed biofilm reactor (MBBR) process as a post-nitrification step to reduce ammonium nitrogen concentrations in treated wastewater. The study was conducted in a pilot plant at Ellinge wastewater treatment plant, where two parallel reactors with different operating strategies were compared, one of which was periodically subjected to higher loading through intermittent addition of primary settled wastewater.
The work combined experimental studies in the pilot plant, laboratory analyses, and modelling based on BSM2 to evaluate the performance of the MBBR process and key parameters to con-sider for full-scale implementation of post-nitrification. To replicate real operating conditions, biologically treated wastewater was continuously supplied from Ellinge wastewater treatment plant at a flow rate proportional to the plant's flow, and the temperature was adjusted to match that of the plant's incoming water.
The results showed that the MBBR process as a post-nitrification step was capable of achieving low ammonium concentrations under stable conditions with steady loading, but that variations in loading and short-term peak flows negatively affected ammonium conversion efficiency. The operating strategy involving addition of primary settled wastewater promoted faster develop-ment of higher nitrification rates in the biofilm but appeared to make the process more sensitive to larger load variations and very high flow rates.
The formation of nitrous oxide presents a challenge for the process, as nitrite accumulation can lead to increased emissions. For the implementation of a full-scale MBBR process, a balance between efficient nitrogen removal and potential climate impact from the process must be con-sidered.
Modelling based on BSM2 confirmed the pilot results, demonstrating effective ammonium con-version and an area-efficient process that can serve as a compact complement to existing treat-ment systems. The results indicate that the process has the potential to contribute to meeting future stricter discharge requirements for ammonium, provided that operating strategies are op-timized with respect to both treatment performance and nitrous oxide emissions.

Abstract (Swedish)

I detta arbete undersöktes potentialen av en biofilmsprocess med suspenderade bärare (MBBR) som efternitrifikation att minska halterna av ammoniumkväve som släpps ut med det behandlade avloppsvattnet. För detta genomfördes en studie i en pilotanläggning vid Ellinge avloppsre-ningsverk där två parallella reaktorer med olika driftsätt jämfördes, varav den ena periodvis ut-sattes för högre belastning genom periodvis tillförsel av försedimenterat avloppsvatten.
Arbetet kombinerade experimentella studier i pilotanläggningen, laboratorieanalyser och model-lering baserad på BSM2 för att utvärdera MBBR-processens effektivitet och viktiga parametrar att ta hänsyn till inför en fullskalig implementering av efternitrifikation. För att efterlikna verk-liga förhållanden tillfördes biologiskt behandlat avloppsvatten kontinuerligt från Ellinge re-ningsverk med ett flöde proportionellt mot reningsverkets flöde och temperaturen justerades för att motsvara temperaturen i reningsverkets vatten.
Resultaten visade att MBBR-processen som efternitrifikation kunde uppnå låga ammoniumhal-ter under stabila förhållanden med jämn belastning, men att variationer i belastning och kortva-riga flödestoppar påverkade effektiviteten av ammoniumomvandlingen negativt. Driftsättet med tillförsel av försedimenterat avloppsvatten bidrog till att biofilmen snabbare får en högre nitrifi-kationshastighet, men verkade göra processen mer känslig för större belastningsvariationer och mycket höga flöden.
Bildningen av lustgas utgör en utmaning för processen då nitritackumulation kan leda till ökade emissioner. För implementering av en MBBR-process i fullskala måste en avvägning mellan effektiv kväverening och eventuell klimatpåverkan från processen göras.
Utifrån modellering baserat på BSM2 bekräftades pilotförsökens resultat om en effektiv ammo-niumomvandling och en yteffektiv process som kan utgöra ett kompakt komplement till befint-liga reningsprocesser. Resultaten indikerar att processen kan bidra till att uppfylla framtida skärpta krav på ammoniumutsläpp, förutsatt att driftstrategier optimeras med hänsyn till både reningsprestanda och lustgasemissioner.

Popular Abstract (Swedish)

Kan avloppsrening bli effektivare utan större ytor? I detta arbete testades biofilmsteknik i pilotskala och gav lovande resultat för framtidens krav på ammoniumrening. Studien visade hög reningseffektivitet och gav viktiga insikter om drift och klimatpåverkan.
I takt med skärpta miljökrav på avloppsrening blir effektiv behandling av avloppsvatten allt vik-tigare. Många reningsverk, inklusive flera av VA SYDs anläggningar i sydvästra Skåne, står inför behov av nya miljötillstånd och uppgraderingar för att klara kraven, särskilt gällande am-moniumkväve. Problemet är att konventionella metoder kräver stora ytor för att uppnå de skärpta kraven, vilket många befintliga verk saknar. Därför behövs mer kompakta lösningar.
För att undersöka detta testades en ”moving bed biofilm reactor process” (MBBR) i liten skala vid Ellinge avloppsreningsverk i Eslöv. Tekniken bygger på att bakterier och andra mikroorgan-ismer växer på små plastbärare som rör sig fritt i vattnet. På bärarnas yta bildas biofilm där bak-terier omvandlar ammoniumkväve till mindre skadliga kväveformer genom nitrifikation.
En stor fördel med MBBR är att bärarna möjliggör en stor biofilmsyta, vilket ger hög kapacitet i liten volym. I försöket användes två parallella reaktorer på 15 liter vardera med olika driftstrate-gier. Den ena fick kontinuerligt biologiskt behandlat vatten, medan den andra periodvis fick vatten med högre halter ammonium och organiskt material för att testa om varierad belastning kunde stärka bakteriernas kapacitet.
Resultaten visade att båda reaktorerna effektivt reducerade ammoniumkväve. Reaktorn med jämn belastning låg oftast under 0,2 mg/l, vilket motsvarar framtida riktvärden för skärpta krav. Att försöken dessutom genomfördes huvudsakligen under vintermånader med låga temperatu-rer, vilket normalt försämrar bakteriernas prestanda och samtidigt under en period där bakterier-na fortfarande höll på att etablera sig, tyder på att processen vid stabil drift under ett helt år troli-gen kan uppnå de skärpta kraven.
Reaktorn med varierad belastning utvecklade snabbare en stark bakteriekultur med högre nitrifi-kationskapacitet, men blev samtidigt mer känslig för snabba förändringar och höga flöden. Detta visar att driftstrategin är avgörande vid uppstart av fullskaliga anläggningar och en viktig indika-tor på hur en framtida driftstrategi ska utformas.
En annan viktig aspekt var utsläpp av lustgas, en kraftig växthusgas med en uppvärmningseffekt nästan 300 gånger större än koldioxid. Emissionerna ökade vid ackumulation av nitrit, vilket nitrifikationshastigheten och luftningen visade sig vara viktiga parametrar att kontrollera för att minimera klimatpåverkan.
Datorsimuleringar av en fullskalig MBBR-process visade att tekniken är mycket yteffektiv och kan minska behovet av utbyggnad med 85–95% jämfört med traditionella metoder. Två reakto-rer i serie visade sig dessutom ge bättre resultat än en ensam.
Sammanfattningsvis visar försöket att MBBR som efterpoleringssteg har god potential att möta framtida krav på ammoniumutsläpp på ett yteffektivt och tekniskt genomförbart sätt. Nästa steg är att vidareutveckla och optimera processen i full skala för att uppnå en så effektiv och klimat-vänlig rening som möjligt.

• author: Lindemann, Jonatan
• supervisor: Michael Cimbritz; Simon Bengtsson
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: VVAM05 20261
• year: 2026
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Biofilmsprocess, MBBR, Efternitrifikation, Nitrifikation, Ammoniumkväve, Kväverening, Biofilm, Suspenderade bärare, Ammoniumoxiderande bakterier, AOB, Nitritoxiderande bakterier NOB, Lustgas, BSM2, Processmodellering, Simulering, Pilotanläggning, Rörliga Bärare, Vattenförsörjnings- och avloppsteknik
• report number: 2026-09
• language: Swedish
• id: 9227816
• date added to LUP: 2026-05-27 09:07:45
• date last changed: 2026-05-27 09:07:45