Den idag mest använda biologiska metoden för rening av avloppsvatten är processen som kallas för aktivt slam. Denna är normalt uppbyggd av luftningsbassäng och sedimenteringsbassäng. Kärnan i processen består av mikroorganismer vars sammansättning varierar. Detta beror på en rad olika yttre faktorer. Mikroorganismer bryter ned löst organiskt material i avloppsvattnet och bildar så kallade flockar, som sedan sjunker ner till bassängbottnen i sedimentationssteget. På detta sätt separerar man vattnet ifrån slammet. Det man vill uppnå är så snabb och kompakt sedimentation som möjligt. Polymerer används i samband med avloppsvattenrening för att förbättra flockbildningen och då speciellt när förutsättningarna för naturlig flockning är nedsatt. Syftet med den här studien var att laborativt utvärdera ett antal konventionella polymerprodukter och ett miljövänligare alternativ baserad på potatisstärkelse ur effektiv flockning- och sedimenteringssynvinkel. Där resultat för slamvolym, turbiditet och färgtal har vägts mot varandra, samt koncentrationen av polymer och den tid för sedimentering som krävts. Resultaten har visat att Magnafloc® 919 var den polymer med effektivast och mest optimala egenskaper. Fler polymerer så som t.ex. Magnafloc® 455 hade snarlika resultat, men krävde en högre koncentration av flockningsmedlet, vilket gör Magnafloc® 919 till det bättre alternativet. Resultaten kommer att ligga till grund för rekommendation av polymerprodukt att testa i fullskala.

Avloppsreningsverk är en viktig del av vattnets kretslopp och skyddar mottagande miljö från föroreningar i avloppsvattnet. Det finns olika tekniker att rena avloppsvattnet på och denna studie jämför den potentiella miljöpåverkan från MBR och aktivslammetoden ur ett livscykelperspektiv. Utformningen av reningsverken baserar sig på ett inledande designförslag i ett tidigt skede för en framtida utbyggnad av ett avloppsreningsverk på Öland. Reningsverken är designade för biologisk kväve- och fosforrening i kombination med kemisk fosforfällning. Livscykelfaserna som inkluderas är driften samt material för konstruktion och utrustningar. Inventeringsdata har baserats på information från designförslaget, beräkningar, leverantörsinformation, miljövarudeklarationer, erfarenhetsuppskattningar samt litteraturvärden. Resultatet visade att emissioner av lustgas och metan från reningsverkens driftsfas potentiellt är avgörande för jämförelsen av miljöpåverkan. I studien har emissionsfaktorer från IPCC (2019) använts för emissionerna av metan och lustgas. Påverkan från emissioner av dessa växthusgaser utgjorde cirka 80% av påverkan på global uppvärmning samt cirka 99% av påverkan på ozonförlust. Ett viktat värde togs fram för den potentiella miljöpåverkan som visade att emissioner av metan och lustgas från driftsfasen utgör över 50% av påverkan på det viktade singelresultatet, där huvuddelen av påverkan kom från lustgasen. Även små skillnader av dessa utsläpp kan därför påverka jämförelsen. När emissionerna av metan och lustgas antas vara samma för bägge systemen visar resultatet att MBR har högre potentiell påverkan i 15 av 18 miljökategorier till följd av en högre elanvändning vid driften samt användning av kemikalier för membranrengöring. Skillnaden var dock låg för många miljökategorier och det viktade slutpunktsresultatet visade att singelpoängen var relativt lika för bägge systemen. Resultatet var därför känsligt för antaganden och modelleringsval och modellering med membranrengöringskemikalien citronsyra tillverkat i Europa i stället för ett globalt medelvärde för tillverkningsorter, resulterade i att MBR fick lägre potentiell miljöpåverkan i ytterligare 5 kategorier, bland annat global uppvärmning. En användning av kompaktare membran eller inköp av citronsyra från Europa ledde även till att MBR i stället fick ett lägre viktat singelpoäng än aktivslammetoden och därmed en lägre potentiell miljöpåverkan. Bidrager från konstruktionsfasen var relativt hög i de flesta miljökategorier och bidrog med mellan 10–15 % i det viktade singelresultatet. Påverkan från grundläggning och eventuella utomhusbyggnader var inte med i analysen vilket gör att inkludering av dessa kan öka bidraget från konstruktionen ytterligare. Vidare så var inte eventuella reningsskillnader av substanser så som kväve, organiska ämnen, metaller och mikroföroreningar med i analysen. Eventuella reningsskillnader kan leda till ändrade resultat i den jämförande miljöbedömningen. En mer tillförlitlig jämförelse för miljöpåverkan mellan avloppsreningsverk kräver därför närmare information gällande skillnader i reningsgrad av avloppsvattnet samt skillnader för emissioner av lustgas och metan från reningsverken för att i högre grad kunna fånga avvägningar mellan skapad kontra undviken miljöpåverkan och hur det påverkar jämförelsen mellan de studerade systemen. / Wastewater treatment plants are an essential part of the water cycle and protect the receiving environment from pollution in wastewater. There are different techniques to purify wastewater, and this study compares the potential environmental impact of the MBR and the activated sludge method from a life cycle perspective. The study bases the treatment plants' designs on an initial design proposal at an early stage for a future expansion of a sewage treatment plant on Öland. The treatment plants include biological nitrogen and phosphorus purification and chemical phosphorus precipitation. The study includes the operational phase and materials for construction and equipment. Inventory data comes from information from the design proposal, calculations, supplier information, environmental product declarations, experience estimates, and literature values. The result showed that emissions of nitrous oxide and methane from the operational phase of the treatment plants are potentially decisive for comparing environmental impact. This study uses emission factors from the IPCC (2019) for methane and nitrous oxide emissions. The impact from these greenhouse gas emissions accounted for approximately 80% of the impact of global warming and about 99% of the impact on stratospheric ozone depletion. A weighted value was produced for the potential environmental impact, which showed that methane and nitrous oxide emissions from the operational phase constitute over 50% of the impact on the weighted single score result, with the majority of the impact coming from the nitrous oxide. Even minor differences in these emissions can therefore affect the comparison. When methane and nitrous oxide emissions are assumed to be the same for both systems, the result shows that the MBR has a higher potential impact in 15 out of 18 environmental categories due to higher electricity consumption during operation and the use of chemicals for membrane cleaning. However, the difference was low for many environmental categories, and the weighted endpoint result showed that the single score values were relatively similar for both systems. The result was, therefore, sensitive to assumptions and modeling choices, and modeling with the membrane cleaning chemical citric acid manufactured in Europe instead of a global average for manufacturing locations resulted in MBR having a lower potential environmental impact in five additional categories, including global warming. Using more compact membranes or purchasing citric acid from Europe also led to MBR receiving a lower weighted single score than the activated sludge method and, thus, a lower potential environmental impact. Contributors from the construction phase were relatively high in most environmental categories, contributing 10–15% of the weighted single score result. The impact of foundation laying and any outdoor buildings was not included in the analysis, which means that including these can increase the contribution from the construction phase even further. Furthermore, the study did not include possible purification differences of substances such as nitrogen, organic substances, metals, and micropollutants. Differences in the degree of purification can lead to changed results in the comparative environmental assessment. A more reliable comparison of the environmental impact between wastewater treatment plants, therefore, requires more detailed information regarding differences in the degree of purification of the wastewater and differences in emissions of nitrous oxide and methane from the operation of the plants to be able to better capture trade-offs between created versus avoided environmental impact and how it affects the comparison between the studied systems.

Aktivt slam är en biologisk process som används i stor utsträckning för rening av avloppsvatten, där bakterier som odlas under luftiga förhållanden avlägsnar organiska ämnen och näringsämnen från förorenat vatten. För industriell verksamhet modelleras denna process för att representera och förutsäga biologiska fenomen. De modeller som används för närvarande (främst modellen för aktiverat slam) ger acceptabla resultat men har vissa begränsningar, t.ex. lång kalibreringstid och beroende av många modellparametrar som är svåra att förutsäga. Under detta projekt som genomfördes på företaget SUEZ bedömdes det om sådana modeller kunde förbättras genom att lägga till ett termokemiskt perspektiv i deras arkitektur, antingen genom att minska antalet parametrar eller genom att teoretiskt förutsäga deras värden. Det termokemiska bidraget bedömdes på två olika nivåer: de stökiometriska förhållanden som beskriver systemet och de biologiska processernas kinetik. På grundval av en omfattande litteraturstudie valdes två metoder ut för att föra in termodynamiska överväganden i dessa delar av modellen. Termodynamiska beräkningar som krävs för att förbättra specifikationen av de förorenande molekyler som finns i vattenmatrisen. Arkitekturen i den ursprungliga modellen för aktiverat slam ändrades för att möjliggöra en differentiering mellan substrat av olika slag. När det gäller den stökiometriska studien visade det sig att den dynamiska förutsättningen av termodynamiska begränsningar för reaktionerna inte var av något större intresse med tanke på de stora mängder energi som finns tillgängliga. Användningen av olika organiska substrat gav dock intressanta resultat, eftersom det gjorde det möjligt att modellera de biologiska beteendena på ett mer detaljerat sätt och att förutsäga tillväxten av specifika typer av mikroorganismer. Den kinetiska studien gav måttliga resultat, med adekvata simuleringar men utan någon ny större förbättring av modellen. Den mest lovande utvecklingen av denna studie tycks vara en modell som omfattar en mängd olika organiska substrat med motsvarande biomassapopulationer, för att kunna rikta in sig på den specifika förekomsten av intressanta bakterier. / Activated sludge is a biological process that is widely used for wastewater treatment, where bacteria grown in aerated conditions remove organic substances and nutrients from polluted waters. For industrial operations, this process is modeled to represent and predict biological phenomena. Currently used models (mainly, the Activated Sludge Model) give acceptable results but suffer from some limitations such as long calibration time and dependency on an many model parameters that are difficult to predict. During this project conducted at the company SUEZ, it was assessed whether such models could be improved by adding a thermochemical perspective to their architecture, either by reducing the number of parameters involved or by predicting theoretically their values. The contribution of thermochemistry was assessed on two different levels: the stoichiometric relations that describe the system, and the kinetics of the biological processes. Based on an extensive literature study, two methods were selected to inject thermodynamical considerations to these parts of the model. Thermodynamic calculations required to improve the specification of the pollutant molecules present in the water matrix. The architecture of the initial Activated Sludge Model was modified to allow for a differentiation between substrates of different nature. Regarding the stoichiometric study, it appeared that the dynamic prevision of thermodynamical constraints over the reactions did not show a major interest considering the high amounts of energy available. However, the use of different organic substrates gave interesting results because it allowed to model more finely the biological behaviors and to predict the growth of specific types of microorganisms. The kinetic study gave mitigated results, with adequate simulations but no new major improvement to the model. The most promising development of this study appears to be a model involving a multiplicity of organic substrates, with corresponding biomass populations, to target the specific occurrence of bacteria of interest.

Mellansedimenteringsbassänger är inte sällan flaskhalsen för flödeskapaciteten vid reningsverk. För höga flöden kan leda till slamflykt, vilket påverkar efterkommande reningssteg negativt. Om en stor mängd slam från systemet försvinner kan detta även påverka det biologiska reningssteget negativt. Att förstå dynamiken av slamkvalitet och flödeskapaciteten är därmed viktigt både för att veta hur nya bassänger ska dimensioneras och för att bestämma belastningen för befintliga bassänger. Syftet med denna studie var att utvärdera flödeskapaciteten för mellansedimenteringen för det biologiska reningssteg C vid Kungsängsverket, Uppsala Vatten och Avfall AB:s största reningsverk. Syftet var också att studera hur temperaturen påverkade flödeskapaciteten. Genom att utföra sedimenteringstester med slam från Biosteg C vid olika koncentrationer och temperaturer kunde slammets kvalitet kvantifieras och användas för beräkningar och simuleringar för utvärdering av flödeskapaciteten. Sedimenteringstesterna visade på en tydlig skillnad i sedimenteringshastiget vid de olika temperaturerna. I Stokes lag användes olika värden på densiteten och viskositeten, vilka är parametrarna som förändras med temperaturen, för att undersöka en förväntad förändring i sedimenteringshastiget. Kvoten mellan 20 och 5° C var cirka 2 och kvoten mellan 10 och 5° C var cirka 1,2. Kvoterna mellan sedimenteringstesten varierade, men resultatet visade på en liknande trend som för Stokes lag. Bürger-Diehls och Takács sedimenteringsmodeller användes i den här rapporten med Takács sedimenteringsfunktion. Bürger-Diehlmodellen användes för att kalibrera parametrarna i Takács sedimenteringsfunktion, vilket gjordes genom att simulera sedimenteringstest och minimera felet mot den verkliga slamnivån vid sedimenteringstesten. Parametern 𝑣0 minskade med ökande temperatur vilket är en omvänd trend jämfört med litteratur. Parametern 𝑟h minskade med temperaturen vilket stämmer överens med litteratur. Flödeskapaciteten utvärderades vid konstant och dynamiskt flöde. För det konstanta flödet användes olika modeller, State Point-analys, Takács sedimenteringsmodell samt Bürger-Diehls sedimenteringsmodell med 10 och 30 lager. Alla modeller visade på ökande flödeskapacitet med ökande temperatur. Takács och Bürger-Diehl med 10 lager gav mindre noggranna resultat på grund av den låga mängden lager så för det dynamiska flödessimuleringarna användes bara Bürger-Diehlmodellen med 30 lager. Dessa simuleringar visade liknade resultat som för det konstanta flöden vid 6° C och 12° C. Vid 22° C visade däremot det dynamiska resultatet på en lägre kapacitet än för det konstanta flödet. Trots att sedimenteringstesten och de skattade modellparamterarna visade på en icke försumbar temperaturpåverkan ingår inte temperaturen i de använda sedimenteringsmodellerna. Detta kan leda till överskattning av flödeskapaciteten vintertid, exempelvis vid snösmältning. I framtiden bör därför detta tas hänsyn till vid dimensionering/modellering av mellansedimenteringsbassänger. / Secondary sedimentation tanks are usually the bottleneck of the flow capacity for wastewater treatment plants. High flows risk sludge escaping the system, which can negatively affect the following treatment steps. If a greater amount of the activated sludge escapes, the treatment efficiency could greatly decrease. Understanding the dynamic of sludge quality and flow capacity is detrimental to designing new secondary settling tanks and determining capacity of existing ones. The purpose of this study was to evaluate the flow capacity of the secondary settling tank for the biological treatment step C at Kungsängsverket, Uppsala Vatten och Avfall AB’s biggest wastewater treatment plant. The purpose was to study how different temperatures affected the flow capacity as well. By performing batch settling tests with sludge from the biological treatment step C, with different concentrations and temperatures, the sludge quality was quantified and could be used for calculations and simulations to evaluate the flow capacity. A clear distinction in the zone settling velocity could be observed between the different temperatures. Different values for the density and viscosity, correlated to the different temperatures used for the batch tests, were used in Stoke’s law to get an expected change of velocity. Between 20° and 5° C the quota was roughly 2 and between 10° and 5° C it was around 1,2. The quota for the batch tests differed randomly for the different concentrations, but the result indicated a similar trend as for Stokes law. The Bürger-Diehl and Takács sedimentation models were used for this study with the sedimentation function of Takács. The Bürger-Diehl model was used to calibrate the parameters in Takács function. This was done by simulating a batch test and minimizimg the sum of squared error compared to the actual sludge level from the batch test. The parameter 𝑣0 decreased in value with increasing temperature, which is a reversed trend seen from the literature. The parameter rh decreased with increasing temperature, which follows literature trends. The flow capacity was evaluated for a constant and dynamic flow. Constant flow was used with different models for comparison, which were, State point analysis, the Takács sedimentation model and the Bürger-Diehl sedimentation model with 10 and 30 layers. The result from all models indicated a higher flow capacity the higher the temperature. The flow capacity with Takács and Bürger-Diehl models with 10 layers gave a lower flow capacity than expected, which was because of the low resolution, therefore, the Bürger-Diehl model with 30 layers was used for the dynamic flow. The dynamic flow gave a similar result for 6° and 12° C, however, for 22° C the flow capacity was lower for the dynamic flow. Even though the batch tests and the estimated parameters showed a difference with temperature, it’s not included in any sedimentation model. This could lead to an overestimation of the flow capacity during wintertime, for example during snowmelt. Further research should be conducted to confirm these results and possibly be interpreted for future modelling of secondary sedimentation tanks.