Modellering av omställningen från kemisk till biologisk fosforavskiljning vid Stengårdens avloppsreningsverk

Abstract

Emissions from wastewater treatment plants affect our lakes and seas negatively. Higher demands are therefore placed on the purification processes at the wastewater treatment plants. New emission requirements will be presented in the Wastewater Directive from the EU in 2024 and will be a guide for the emission requirements that exist for the Swedish wastewater treatment plants. Stricter emission requirements for nitrogen and phosphorus force treatment plants to optimize their treatment processes.
A major cost for the treatment plants is the usage of precipitation chemicals for the purification of phosphorus. One way to reduce its use is to introduce an Enhanced Biological Phosphorus Removal (EBPR) process .
In this thesis, mathematical modeling has been applied to investigate how Stengården's wastewater treatment plant could rebuild its treatment process to an EBPR-process. Furthermore should the thesis also investigate how Stengården's wastewater treatment plant could meet the emission requirements without the complementary addition of precipitation chemicals while using EBPR.
The degree project began with the laboratory collection of data for the influent and the effluent wastewater. In a first step, a model was built for the current treatment plant. The model was calibrated to measured data, but the model failed to predict correct values for output levels of phosphorus and suspended solids. Additional sampling was conducted on the wastewater but confirmed the previous data. Further investigation and more analyzes of the wastewater would have been necessary to investigate the composition of the effluent wastewater and how the model could have been adjusted accordingly. The model for the current operating configuration has therefore low credibility and few conclusions should be drawn from future models based on the original one.
However, the modeling work continued with the aim of investigating a suitable operating configuration for enhanced biological phosphorus removal. An anaerobic zone were installed in the returning activated sludge stream from the activated sludge process and the population of PAOs was seen to increase significantly in the model. Elevated concentration of phosphate in the anaerobic zone also indicated that P-release occurred in the anaerobic zone, which would lead to the conclusion that some phosphorus uptake occurred by PAO. The model predicted levels around 0,5 mg/l in the effluent water from the sedimentation basin after the activated sludge process, which indicates that additional purification steps are needed to meet the emission requirements for total phosphorus of 0,3 mg/l.
Further investigation of the composition of the suspended solids is required to be able to draw conclusions with greater confidence regarding the effluent levels. It is therefore difficult to determine with greater certainty the optimal operating configuration for the enhanced biological phosphorus removal for Stengården's wastewater treatment plant.

Abstract (Swedish)

Utsläpp från avloppsreningsverk påverkar våra sjöar och hav negativt och allt högre krav ställs på reningsprocesserna på avloppsreningsverken. Nya utsläppskrav kommer att presenteras i Avloppsdirektivet från EU under 2024 och kommer att vara vägledande för de utsläppskrav som finns på de svenska avloppsreningsverken. Strängare utsläppskrav för kväve och fosfor tvingar reningsverken att optimera sina reningsprocesser samtidigt som man önskar att hålla kostnaderna nere. En stor kostnad för reningsverken är användandet av fällningskemikalier för rening av fosfor. Ett sätt att minska sin användning är att införa biologisk fosforavskiljning (bio-P).
I detta examensarbete har matematisk modellering tillämpats för att undersöka hur Stengårdens avloppsreningsverk skulle kunna bygga om sin reningsprocess till biologisk fosforavskiljning. Vidare skulle examensarbetet även undersöka om Stengårdens reningsverk kunde klara utsläppskraven utan komplementär tillsats av fällningskemikalier.
Examensarbetet inleddes med laborativ insamling av data för inkommande samt utgående avloppsvatten. I ett första steg byggdes en modell upp för det nuvarande reningsverket. Modellen kalibrerades efter mätdata men modellen misslyckades med att prediktera korrekta värden för utgående halt av fosfor och suspenderade ämnen. Ytterligare analyser genomfördes på avloppsvattnet men bekräftade tidigare data, vilket tyder på att reningsverket avviker från normala driftförhållande. Vidare utredning av problemet samt ytterligare provtagning hade krävts för att motivera några större justeringar av den nuvarande modellen. Osäkerheten i den ursprungliga modellen försvårar arbetet med att översätta modellen till en framtida modell och ska därför användas med försiktighet.
Modelleringsarbetet fortsatte dock med syftet att undersöka en lämplig driftskonfiguration för biologisk fosforavskiljning. En anaerob zon installerades i returströmmen från den aktiva slamprocessen och i modellen sågs populationen av PAO öka avsevärt. Förhöjd koncentration av fosfat i den anaeroba zonen indikerade också att P-släpp skedde i den anaeroba zonen vilket skulle leda till slutsatsen att ett visst fosforupptag skedde av PAO. Modellen gav halter runt 0,5 mg/l i utgående vatten från den första sedimenteringsbassängen vilket tyder på att processen behöver ytterligare reningssteg för att klara utsläppskraven på totalfosfor om 0,3 mg/l.
Vidare undersökning av sammansättning av suspenderade ämne vid avloppsreningsverket krävs för att kunna dra slutsatser med större trovärdighet och svara på vilken som är den optimala driftskonfigurationen för biologisk fosforavskiljning för Stengårdens avloppsreningsverk.

Popular Abstract (Swedish)

Övergödning, algblomning och syrefattiga bottnar är några av de problem som människan orsakat genom höga utsläpp av näringsämnen till sjöar och hav. Orsakerna till läckage av näringsämnen är flera men utsläpp från avloppsreningsverk har en betydande roll för våra sjöar och havs välmående. Nya utsläppskrav för organiskt material, fosfor och kväve gör att avloppsreningsverken i Sverige måste ställa om och förbättra sina reningsprocesser. Utöver att skärpa utsläppskraven vill många reningsverk även minska sin energiförbrukning och användning av kemikalier.
Ett sätt att minska sin kemikalieförbrukning är att ställa om till vad som kallas biologisk fosforavskiljning. Istället för att tillsätta en kemikalie som minskar mängden fosfor i avloppsvattnet utnyttjar man istället mikroorganismers förmåga att ta upp fosfor. Alla levande organismer behöver fosfor för att överleva men en viss typ av organismer kan ta upp mer fosfor än vad de behöver för överlevnad. Dessa organismer kallas för fosfatackumulerande organismer (PAO) och kan nyttjas vid ett avloppsreningsverk. Organismerna finns naturligt i avloppsvattnet men behöver rätt förutsättningar för att kunna ta upp mycket fosfor. Födan består av korta flyktiga fettsyror som bildas när organiskt material bryts ner. Sedan behöver organismerna även en syrefattig miljö. Med rätt förutsättningar kan PAO minska utsläppen av fosfor till godkända nivåer, men ibland kan kemikalier fortfarande behövas användas för att säkerställa att man når kraven.
Utan att behöva testa i stor skala om det går att använda biologisk fosforavskiljning i verkligheten kan man istället använda sig av matematiska modeller som beskriver reningsverket. Dessa modeller kan hjälpa till att bestämma hur reningsverket ska byggas om och hur reningsverket fungerar över tid. Modellering av avloppsverk ger bra förståelse för reningsprocesserna samtidigt som man kan spara både tid och pengar.
En sådan modell skapades för Stengårdens avloppsreningsverk med syftet att se om det går att bygga om reningsverket till att ha en fungerande biologisk fosforavskiljning, även kallat bio-P-process. Först behövde en modell byggas för det nuvarande reningsverket. Stora mängder data samlades in från både det inkommande och utgående avloppsvattnet. Tillgängliga data från reningsverket var inte tillräckligt för modellen och ytterligare prover samlades in för att skapa en så trovärdig modell som möjligt. Efter att den ursprungliga modellen byggts upp kunde den sedan justeras för att modellera framtidens bio-P-process.
Den ursprungliga modellen gav dock inte så rimliga värden för utgående halt fosfor och när det jämfördes med insamlade data upptäckes det att reningsverkets utsläppsvärden för suspenderade ämnen var väldigt ovanliga i jämförelse med andra reningsverk. Vidare utredning av problemet hade krävts för att motivera några större justeringar av den nuvarande modellen.
Den framtida modellen byggdes upp, trots osäkerheten i den ursprungliga modellen, och från den gick det att utläsa att genom en enkel ombyggnation av en existerande bassäng kunde man reducera halten fosfor i utgående avloppsvatten utan att använda sig av kemikalier. Detta tyder på att det finns bio-P-aktivitet på reningsverket.
Huruvida detta är fallet i verkligheten går inte att avgöra i och med den stora avvikelsen i den ursprungliga modellen. Det gick därför inte att avgöra om reningsverket kunde klara utsläppskraven på fosfor utan extra tillsats av fällningskemikalier. Arbetet med modellen belyste dock frågetecken hos det aktuella reningsverket och har bidragit till en ökad förståelse hos samtliga inblandade parter. Att fortsätta arbeta med modellering för avloppsreningsverk ses som en viktig del i att minska användningen av kemikalier och optimera energianvändningen på reningsverk i framtiden.

• author: Wahlquist, Åsa
• supervisor: Karin Jönsson; Christoffer Wärff
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: VVAM05 20241
• year: 2024
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: biologisk fosforavskiljning, matematisk modellering, avloppsreningsteknik, vattenförsörjnings- och avloppsteknik
• language: Swedish
• id: 9170889
• date added to LUP: 2024-08-12 12:33:33
• date last changed: 2024-08-12 12:33:33