Biogas is a renewable energy produced through anaerobic digestion, which means that organic matter is degraded by microorganisms under anaerobic conditions. The produced biogas can then be used for cogeneration, electricity, heat or upgraded to vehicle gas. Eskilstuna Energy & Environment AB has four digesters at Ekeby water sewage treatment plant, Eskilstuna. One of the biogas reactor (RK4) is equipped with a jet-mixing system while the remaining digester uses top-mixing. The mixing system is an important parameter to achieve optimum operating conditions for the process regarding gas production and degree of digestion. This study aims to evaluate the two mixing systems, jet-mixing and top- mixing. The design of the reactors is identical and they are assumed to be fed with the same amount of substrate. By collection, analysis and compiling of process- and operational data such as gas production, degree of digestion and energy consumption for the two different systems their performance has been compared to each other. Different operational conditions considering the energy consumption for the jet-mixing system has been done theoretical to try to reduce the energy consumption. The result shows that both rectors operates under stable process conditions, although the result indicates that the gas production for the reactor installed with jet-mixing system is greater than the system with top-mixing system. Hopefully, the result of the study could be used of Ekeby water sewage treatment plant as an indication of how the system could be run. Keywords: Biogas, mixing, mixing system, anaerobic digestion, gas production, energy consumption, degree of digestion, Ekeby water sewage plant. Nyckelord: Biogas, omrörning, omrörningssystem, anaerob rötning, gasproduktion, energiförbrukning, utrörningsgrad, Ekeby reningsverk.

Avloppsreningsverket Sundet i Växjö har en rötningsanläggning som producerar biogas. Anläggningen består idag av två rötkammare och en maskin för avvattning som substratet går igenom efter rötningen. Substratet som används i rötningsprocessen är avloppsslam från Växjö. Planer finns på att utöka processen med en tredje reaktor i vilken det rötade slammet ska återrötas. Detta för att få ut mer biogas ur slammet. Det rötade slammet från reaktor 1 och 2 planeras genomgå tre förbehandlingssteg i form av fasseparering, sönderdelning och hygienisering innan det går till den tänkta reaktor 3. I arbetet genomförs ett rötningsförsök av rötat slam från Sundet med hjälp av satsvisa reaktorer som ska representera den planerade tredje reaktorn. Syftet med arbetet är därmed att undersöka hur mycket mer biogas det går att utvinna genom en andra rötningsprocess. Beräkningar på hur mycket energi det kommer gå åt i förbehandlingsstegen och hur mycket extra energi som går att utvinna i form av biogas från rötningsförsöket utfördes i arbetet. Resultaten visar att det går att utvinna mer metanrik biogas ur slammet och att förbehandlingsstegen fasseparering och sönderdelning kostar små mängder energi i förhållande till hur mycket extra energi som den extra biogasen ger. Hygieniseringen beräknas kosta förhållandevis mycket energi jämfört med den energin från den producerade biogasen. / The municipal waste treatment plant Sundet in Växjö currently has a digestion plant producing biogas. The facility consists of two digesters and a machine that dewaters the sludge after the reactors. The substrate that is used in the reactors consists of sewage sludge from Växjö. There are plans to expand the process with a third reactor in which the digested sludge will be digested a second time in order to extract more biogas. The digested sludge from reactor 1 and 2 is planned to undergo three pretreatment steps in the shape of phase separation, decomposition and sanitation before it reaches reactor 3. In the thesis a digestion process is carried out with digested sludge from Sundet in batch reactors that represents the planned third reactor. The purpose is to analyze how much extra biogas that can be extracted with a second digestion process. Calculations of how much energy that is necessary for the pretreatment stages and how much extra energy that can be extracted in the shape of biogas from the digestion process was made in the thesis. The results from the experiments shows that it is possible extract more methane rich gas from the sludge and that the pre treatment stages phase separation and decomposition use small amounts of energy compared to how much energy the extra gas gives. The sanitation process is estimated to cost quite a lot of energy compared to the energy extracted through biogas.

This thesis investigates the potential of biomethane production in India, the impact of its integration into the energy mix, and the corresponding Greenhouse Gases (GHG) emission and potential reduction. India, with its huge population and being an agriculturally rich country, produces gigantic amounts of biodegradable waste from various sources such as Municipal Solid Waste (MSW),agricultural waste, animal husbandry, sugar industry, etc. Three different end-use scenarios: electricity generation, cooking fuel, and transportation fuel—are assessed in order to determine the decree to which current fossil fuels may be replaced and the net amount of greenhouse gas emissions that are saved by using this biomethane. The total biomethane generation potential according to the study conducted by the Ministry of New and Renewable Energy (MNRE) is 25.6 Billion Metric Standard Cubic Meters (BMSCM) and with the most efficient upgrading technology available (3-stage membrane filtration) the useful potential is 25.4 BMSCM. The electricity that can be produced from the biomethane potential available is 159.1 TWh, which corresponds to the optimistic value of GHG emission reduction of 89million tons. When used as a cooking fuel, biomethane can contribute immensely to satisfying the final thermal needs of India. It can satisfy more than half the combined total thermal energy from Compressed Natural Gas (CNG) and Liquefied Petroleum Gas (LPG) consumed in India and, at the same time, reduce 46.2 million tons of GHG emissions caused by it. The transportation sectoris the most suited and easy to adapt as an end-use application for biomethane. It was observed that biomethane as a replacement for Petrol for road transportation fuel presents the best scenario, since biomethane can reduce more than 71% of its consumption and respectively reduce more than 57 million tons of GHG emission, which is the second highest after electricity production. This thesis puts up a strong case to look at biomethane as a very important fuel towards India’starget to be net zero by 2070 and its plans to be self-reliant. Moreover, biomethane production usingthe path of anaerobic digestion provides not only a renewable source of energy but also food security with digestate being used as fertilizer and an opportunity to address the impact of climate change by preventing the emission of methane in the atmosphere which has a global warming potential of28 and burning of agricultural waste in the open field. Eventually, the production of biomethane prevents soil, air and water pollution. / Denna avhandling undersöker potentialen för biometanproduktion i Indien, effekterna av dess integration i energimixen och motsvarande utsläpp och potential för växthusgaser (GHG). minskning. Indien, med sin enorma befolkning och är ett jordbruksrikt land, producerar gigantiska mängder biologiskt nedbrytbart avfall från olika källor som kommunalt fast avfall (MSW), jordbruksavfall, djurhållning, sockerindustri, etc. Tre olika slutanvändningsscenarier: el produktion,matlagningsbränsle och transportbränsle – utvärderas för att fastställa till vilket dekret nuvarande fossila bränslen får ersättas och nettomängden växthusgasutsläpp som sparas genom att använda denna biometan. Den totala biometangenereringspotentialen enligt studien utförd av ministeriet för ny och förnybarenergi (MNRE) är 25,6 miljarder metriska standardkubikmeter (BMSCM) och med den mest effektiva uppgraderingstekniken som finns tillgänglig (3-stegs membranfiltrering) är den användbara potentialen 25,4 BMSCM. Den el som kan produceras från den tillgängliga biometanpotentialen är 159,1 TWh medan det optimistiska värdet av växthusgasutsläpp som är möjligt med användning av biometan för elproduktion är 89 miljoner ton. När biometan används som matlagningsbränsle kan det bidra oerhört mycket för att tillfredsställa Indiens slutliga termiska behov. Det kan tillfredsställa mer än halva finalen termisk energi som förbrukas i Indien och samtidigt samma miljon ton i utsläpp av växthusgaser som orsakas av den. Transportsektorn är den mest lämpade och lätta att anpassa som slutanvändningsprogram för biometan. Det observerades att biometan som ersättning för bensin som transportbränsle är det bästa scenariot eftersom biometan kan minskamer än 71 % av sin förbrukning och respektive minska mer än 57 miljoner ton växthusgasutsläpp, vilket är det näst högsta efter elproduktion. Den här avhandlingen ger ett starkt argument för att se biometan som ett mycket viktigt bränslemot Indiens mål att vara nettonoll år 2070 och dess planer på att vara självförsörjande. Dessutom ger biometanproduktion genom att använda vägen för anaerob rötning inte bara en förnybar energikälla utan också livsmedelssäkerhet med rötgas som används som gödningsmedel och en möjlighet att ta itu med effekterna av klimatförändringar genom att förhindra utsläpp av metan i atmosfären som har en global uppvärmningspotential på 28 och förbränning av jordbruksavfall på det öppna fältet. Så småningom förhindrar produktionen av biometan mark-, luft- och vattenföroreningar.

Befolkningsökningen och därmed efterfrågan på energikällor som tillhandahålls från fossila bränslen leder till allvarliga miljöproblem på grund av utsläpp av växthusgaser. En annan utmaning är att effektivt hantera organisk avfall som till exempel matavfall som genereras världen över. Matproduktionen orsakar stora miljöproblem som övergödning, klimatpåverkan, kemikaliespridning, regnskogsavverkning och utfiskning. Det är därför viktigt att matsvinnet minskar men också att effektiva metoder används för hantering av avfallet för att inte belasta miljön ytterligare.  En lösning för att hantera organiskt avfall, och samtidigt producera en förnybar energikälla är att använda anaerob rötning för att producera biogas. Vid anaerob rötning bryts organiskt material ner i en syrefri miljö, vilket resulterar i produktion av biogas som innehåller koldioxid och energirik metangas. Biprodukten som bildas är rötrest, som kan vidare användas som gödsel.  Den anaeroba rötningsprocessen har olika utmaningar där biogasprocessen kan stabiliseras och effektiviseras genom tillsats av hydrokol. Hydrokol är ett kolrikt material framställd från hydrotermisk karbonisering av biomassa. Eftersom det finns mycket begränsad forskning på kontinuerlig anaerob rötning av matavfall med tillsats av hydrokol, och ingen forskning har utförts på hydrokol som är tillverkat från skogsindustriellt avfall, så var det viktigt och av intresse att genomföra denna studie.  Syftet med studien är att undersöka hur tillsats av hydrokol påverkar biogasproduktion, metanproduktion och stabiliteten i en kontinuerlig anaerob rötningsprocess. Vidare syftar studien till att analysera effekterna av hydrokol på rötresterna som genereras, undersöka möjligheterna av sammankoppling av en befintlig rötkammare med en HTC reaktor, samt bedöma om det är ekonomiskt försvarbart att investera i hydrokol som additiv i rötningsprocessen. Målet har varit att undersöka om tillsats av hydrokol ger högre biogasutbyte, ökad metanproduktion och en stabil rötningsprocess. Målet har även varit att analysera rötresterna, utföra en materialflödesanalys över när Karlskogas rötkammare sammankopplas med en HTC reaktor, samt utföra en livscykelkostnadsanalys för att svara på om det är ekonomiskt försvarbart att investera i en HTC anläggning, alternativt att köpa in hydrokol externt.  De laborativa försöket gjordes på Karlstads universitet där rötningen var en enstegs anaerob samrötning som gjordes i två kontinuerligt matade reaktorer. Inmatning och uttag av gas gjordes en gång om dagen där försöksserierna pågick under 68 dagars tid. Substratblandningarna eftersträvades efterlikna substratförhållandena på Biogasbolaget i Karlskoga. Inmatat material, det vill säga substratblandningen utgjorde 8,5% av ensilage, 0,6% av glycerol, och 90,9% av substrat (matavfall och flytgödsel). Detta förhållande är detsamma som på Biogasbolaget. I en av reaktorerna användes substratblandningen och i den andra substratblandningen och hydrokol. Hydrokolet blandades in med substratblandningen vid en koncentration på 8g/l. Materialflödesanalysen gjordes över Karlskogas biogasanläggning där flödena ritades ut i programmet Stan 2.5. LCC gjordes utifrån två olika scenarion, om hydrokol köps in externt alternativt att en HTC-reaktor ansluts till biogasanläggningen. Det valdes att beräkna utifrån scenarion om metanutbytet ökar med 17%, enligt resultat från studien gjord av Maria Kristoffersson eller om utbytet ökar med 53% enligt resultat från den här studien.  Resultatet visar att tillsats av hydrokol som additiv ger en ökning på 59% för biogas utbytet och 53,5% för metanutbytet. I medelvärde från rötningsdag 27 till 68 så resulterade biogasproduktionen för hydrokolsreaktorn i 533 ml/g VS. Medelvärdet för referensreaktorn resulterade i 70 ml/g VS. Det här resulterar i en procentuell ökning med 663%. Eftersom misstankar finns att referensreaktorn inte bildar biogas som den ska har biogasproduktionen jämförts med tidigare studie som har gjorts på ungefär samma substratblandning och samma utrustning. Biogasproduktionen i medelvärde för referensreaktorn för (Leijen, 2016) resulterade i 335 ml/g VS. Procentuella skillnaden i biogasproduktion resulterar då i 59% mellan referensreaktorn och hydrokolsreaktorn. Metanproduktionen i hydrokolsreaktorn resulterade i medelvärde till 367 ml/g VS, i referensreaktorn till 18 ml/g VS och i referensreaktorn i Leijens studie till 237 ml/g VS. Jämfört med Leijens resultat resulterade den procentuella ökningen i metangasproduktion till 53,5%. En stabil rötningsprocess bekräftades genom att pH på rötresterna resulterade i 7,66 under hela rötningsprocessen.  Det är möjligt att sammankoppla Karlskogas befintliga anläggning med en HTC-anläggning och återföra rötresterna för hydrokolsproduktion. Rötresterna med ett högre kol-och näringsinnehåll kan återanvändas och recirkuleras för produktion av hydrokol. Av 10 tonTS/dag rötrester som kommer ut från rötningskammaren kommer 2,46 tonTS/dag att recirkuleras för hydrokolsproduktion. Resten av rötresterna kan användas vidare som gödsel.  Det är ekonomiskt försvarbart att investera i hydrokol som additiv till rötningsprocessen. Genom att bygga en HTC-anläggning, där tillsatsen av hydrokol kan ge 17% respektive 53% högre metanproduktion resulterar nettovinsten i 363 miljoner respektive 1237 miljoner kr över en 20-årsperiod. Alternativet är att köpa in hydrokol externt, där nettovinsten uppgår till 177 miljoner respektive 1052 miljoner kr över samma tidsperiod. Livscykelkostnadsanalysen visar att det är ekonomiskt mer fördelaktigt att investera i en HTC-anläggning jämfört med att köpa hydrokol externt. / The population growth and thus the demand for energy sources provided by fossil fuels leads to serious environmental problems due to greenhouse gas emissions. Another challenge is to effectively manage organic waste such as food waste generated worldwide. Food production causes major environmental problems such as eutrophication, climate impact, chemical dispersion, rainforest deforestation and depletion. It is therefore important that food waste is reduced, but also that effective methods are used to manage the waste so as not to burden the environment further.  One solution for managing organic waste, while producing a renewable energy source, is to use anaerobic digestion to produce biogas. In anaerobic digestion, organic material is broken down in an oxygen-free environment, resulting in the production of biogas containing carbon dioxide and energy-rich methane gas. The by-product formed is digestate, which can be further used as fertilizer.  The anaerobic digestion process has various challenges, where the biogas process can be stabilized and made more efficient by adding hydrochar. Hydrochar is a carbon-rich material produced from hydrothermal carbonization of biomass. Since there is very limited research on continuous anaerobic digestion of food waste with the addition of hydrochar, and no research has been conducted on hydrochar produced from forest industry biosludge, it was important and of interest to conduct this study.  The aim of the study is to investigate how the addition of hydrochar affects biogas production, methane production and the stability of a continuous anaerobic digestion process. Furthermore, the study aims to analyze the effects of hydrochar on the digestate generated, investigate the possibilities of connecting an existing digester with an HTC reactor, and assess whether it is economically justifiable to invest in hydrochar as an additive in the digestion process. The goal has been to investigate whether the addition of hydrochar provides higher biogas yield, increased methane production and a stable digestion process. The goal has also been to analyze the digestate, perform a material flow analysis of when Karlskoga's digester is connected to an HTC reactor, and perform a life cycle cost analysis to answer whether it is economically justifiable to invest in an HTC plant, or to purchase hydrochar externally.  The laboratory experiments were carried out at Karlstad University where the digestion was a single-stage anaerobic co-digestion in two continuously fed reactors. Gas was fed and withdrawn once a day and the experimental series lasted for 68 days. The substrate mixtures sought to mimic the substrate conditions at Biogasbolaget in Karlskoga. Input material, i.e. the substrate mixture consisted of 8.5% silage, 0.6% glycerol, and 90.9% substrate (food waste and liquid manure). This ratio is the same as at Biogasbolaget. One of the reactors used the substrate mixture and the other used the substrate mixture and hydrochar. The hydrochar was mixed with the substrate mixture at a concentration of 8g/l. The material flow analysis was made over Karlskoga's biogas plant where the flows were drawn in the program Stan 2.5. LCC was made based on two different scenarios, if hydrochar is purchased externally or if an HTC reactor is connected to the biogas plant. It was chosen to calculate based on scenarios if the methane yield increases by 17%, according to results from the study made by Maria Kristoffersson or if the yield increases by 53% according to results from this study.  The results show that adding hydrochar as an additive gives an increase of 59% for the biogas yield and 53.5% for the methane yield. In average from digestion day 27 to 68, the biogas production for the hydrochar reactor resulted in 533 ml/g VS. The average value for the reference reactor resulted in 70 ml/g VS. This results in a percentage increase of 663%. Since there are suspicions that the reference reactor does not produce biogas as it should, the biogas production has been compared with previous studies that have been done on approximately the same substrate mixture and the same equipment. The biogas production in average for the reference reactor for (Leijen, 2016) resulted in 335 ml/g VS. The percentage difference in biogas production then results in 59% between the reference reactor and the hydrochar reactor. The methane production in the hydrochar reactor resulted on average to 367 ml/g VS, in the reference reactor to 18 ml/g VS and in the reference reactor in Leijen's study to 237 ml/g VS. Compared to Leijen's results, the percentage increase in methane gas production resulted in 53.5%. A stable digestion process was confirmed by the fact that the pH of the digestate resulted in 7.66 during the whole digestion process.  It is possible to interconnect the existing Karlskoga plant with an HTC plant and recycle the digestate for hydrochar production. The digestate with a higher carbon and nutrient content can be reused and recycled for hydrochar production. Out of 10 tonTS/day of digestate coming out of the digestion chamber, 2.46 tonTS/day will be recycled for hydrochar production. The rest of the digestate can be further used as fertilizer.  It is economically justifiable to invest in hydrochar as an additive to the digestion process. By building a HTC plant, where the addition of hydrochar can provide 17% and 53% higher methane production, the net profit results in 363 million and 1237 million SEK over a 20-year period. The alternative is to purchase hydrochar externally, where the net benefit amounts to SEK 177 million and 1052 million respectively over the same time period. The life cycle cost analysis shows that it is economically more advantageous to invest in an HTC plant compared to buying hydrochar externally.

Anaerob rötning är en naturlig nedbrytningsprocess av organiskt material som tar tillvara på avfall samtidigt som nyttig energi kan utvinnas. På Biogasbolaget AB i Karlskoga omvandlas substrat som matavfall, gödsel och ensilage till biogas som sedan kan uppgraderas till fordonsgas. Fordonsgasen kan användas som drivmedel till bussar i närområdet. Det bildas dessutom en rötrest som används som biogödsel, men som är kostsam för företaget. Rötkamrarna i Karlskoga är överdimensionerade i förhållande till den mängden substrat som levereras, vilket innebär att de kan ta hand om mer gas än det som bildas i dagsläget. Tidigare studier har visat att tillsats av hydrokol kan öka metangasproduktionen. Därför var syftet med studien att utvärdera ifall hydrokol kan öka metangasproduktionen i satsvis anaerob rötning. Målen var att jämföra två olika hydrokol; skogsindustriellt och kommunalt, samt att komma fram till en optimal dos. Eftersom området är relativt nytt var det också av intresse att ta reda på hur klimatpåverkan förändras vid tillsats av hydrokol genom att utföra en enkel livscykelanalys.   Utvärderingen av hydrokolets potential i anaerob rötning utfördes genom satsvis rötning i två omgångar. Substrat och ymp hämtades från Karlskogas biogasanläggning. De doserna hydrokol som testades i båda försöken var 4, 8 och 10 g/l samt referensfallet 0 g/l vilket motsvarade Karlskogas förhållanden. Det gjordes även försök med endast hydrokol för att ta reda på om det var hydrokolet i sig som producerade metangas. Den satsvisa rötningen visade att det kommunala hydrokolet med en dos på 8 g/l gav mest metangas (841 Nml/g VS) jämfört med referensen 0 g/l (435 Nml/g VS) vilket var en ökning med 93%. Det skogsindustriella hydrokolet med en dos på 8 g/l visade en ökning med 16,6% (517 Nml/g VS) jämfört med referensen 0 g/l (443 Nml/g VS). Den enkla livscykelanalysen visade att det resulterade i en större minskning av utsläpp när dieselbussar kan bytas ut mot hydrokolsbaserad biogas jämfört med vanlig biogas. Vid tillsats av kommunalt hydrokol till biogasprocessen blev besparingen 14783 ton CO2.ekv./år vid utbyte av diesel och för skogsindustriellt hydrokol motsvarade besparingen 8938 ton CO2.ekv./år. Det jämfört med biogas som produceras utan hydrokol som vid utbyte av diesel sparar 7688 ton CO2.ekv./år. Massflödesanalysen visade att det teoretiskt är möjligt att använda Karlskogas rötrest för att använda som substrat till HTC-anläggningen och därmed införa ett cirkulärt system. Däremot visade metallanalysen att det finns risk för förhöjda mängder tungmetall i rötresten, vilket skulle kunna leda till att de inte klarar de krav som finns för att certifiera biogödseln.   För Biogasbolaget AB i Karlskoga innebär resultaten att de med 8 g/l kommunalt alternativt skogsindustriellt hydrokol skulle kunna öka sin metangasproduktion med 93% respektive 16,6%. Däremot kan det leda till problem med metallhalterna i rötresten som riskerar att överstiga gränsvärdena som finns för biogödsel. / Anaerobic digestion is a natural decomposition process of organic material that utilizes waste while extracting useful energy. At Biogasbolaget AB in Karlskoga, substrates such as food waste, manure, and silage are converted into biogas, which can then be upgraded to vehicle fuel. The vehicle gas can be used as fuel for buses in the local area. Additionally, a digestate is formed, which is used as biofertilizer but is costly for the company. The digesters in Karlskoga are oversized compared to the amount of substrate delivered, which means they can handle more gas than is currently being produced. Previous studies have shown that the addition of hydrochar can increase methane gas production. Therefore, the aim of the study was to evaluate whether hydrochar can increase methane gas production in batch anaerobic digestion. The goals were to compare two different types of hydrochar: from the forestry industry and municipal sources, and to determine the optimal dosage. Since the area is relatively new, it was also of interest to determine how the climate impact changes with the addition of hydrochar by conducting a simple life cycle analysis.   The evaluation of hydrochar's potential in anaerobic digestion was carried out through batch digestion in two rounds. Substrate and inoculum were obtained from Karlskoga's biogas plant. The doses of hydrochar tested in both experiments were 4, 8, and 10 g/l, as well as the reference case of 0 g/l, which corresponded to Karlskoga's conditions. Experiments were also conducted with hydrochar alone to determine if it was the hydrochar itself that produced methane gas. The batch digestion showed that the municipal hydrochar with a dosage of 8 g/l produced the most methane gas (841 Nml/g VS) compared to the reference of 0 g/l (435 Nml/g VS), which was an increase of 93%. The forestry industry hydrochar with a dosage of 8 g/l showed an increase of 16,6% (517 Nml/g VS) compared to the reference of 0 g/l (443 Nml/g VS). The simple life cycle analysis showed that it resulted in a greater reduction in emissions when diesel buses can be replaced by hydrochar-based biogas compared to regular biogas. When municipal hydrochar was added to the biogas process, the savings amounted to 14,783 tons of CO2 equivalent per year through diesel substitution. For forest industry hydrochar the equivalent resulted in savings of 8,938 tons of CO2 equivalent per year. This is in comparison to biogas produced without hydrochar, which saves 7,688 tons of CO2 equivalent per year when substituting diesel. The mass flow analysis showed that it is theoretically possible to use Karlskoga's digestate as substrate for the HTC plant, thus introducing a circular system. However, the metal analysis revealed a potential risk of elevated levels of heavy metals in the digestate, which could prevent it from meeting the requirements for certifying the biofertilizer.   For Biogasbolaget AB in Karlskoga, the results mean that with 8 g/l of municipal or forest industry hydrochar, they could increase their methane gas production by 93% and 16.6%, respectively. However, this could lead to issues with metal levels in the digestate, which may exceed the threshold values set for  biofertilizer.

Käppala wastewater treatment plant (WWTP) has, during a few years, observed an increase in organic loading rate (OLR) in the mesophilic anaerobic digester R100, due to an increased load to the WWTP. The digestion of primary sludge at Käppala WWTP is today high loaded, with a high organic loading rate (OLR) and low hydraulic retention time (HRT). This study aims to evaluate the effect of the maximum OLR and the minimum HRT for the anaerobic digestion of sewage sludge and to investigate further actions that can be taken into consideration in case of process problems in the digestion. The study consists of (a) a practical laboratory experiment of 6 pilot-scale reactors to investigate how the process stability is affected when the OLR increases and the HRT decreases. (b) A mass balance calculation based on the energy potential in the feeding sludge and the digested sludge. (c) A study of the filterability of the digested sludge. (d) The construction of a forecasting model in Excel, to predict when digester R100 will reach its maximum OLR and minimum HRT. The result of the study shows that the maximum OLR for Käppala conditions is 4.9 g VS dm-3 d-1, meaning that R100 will reach its maximum organic load around the year 2031. An OLR of 4.5-4.9 and an HRT of 12 days is optimal for R100, according to the present study. Keeping the anaerobic digestion process in balance is vital when it comes to the outcome of energy in the anaerobic digestion process. Pushing the process to produce more gas can become counterproductive since a high OLR can lead to process imbalance, which in turn leads to low biogas production. Imbalance in the digestion process can occur fast; therefore, the margin for overload in the anaerobic digestion process must be significant. The methane concentration in the converted biogas and the pH level in the reactor are the best stability parameters for the conditions at Käppala. Ammonia is the less efficient stability parameter since it did not predict or detect any instability during the experimental process. Furthermore, the OLR and HRT have a significant impact on the needed quantity for dewatering polymer. The higher digestion of organic material in the sludge, the bigger the need for the polymer to take care of the rest material.

Käppala wastewater treatment plant (WWTP) has, during a few years, observed an increase in organic loading rate (OLR) in the mesophilic anaerobic digester R100, due to an increased load to the WWTP. The digestion of primary sludge at Käppala WWTP is today high loaded, with a high organic loading rate (OLR) and low hydraulic retention time (HRT). This study aims to evaluate the effect of the maximum OLR and the minimum HRT for the anaerobic digestion of sewage sludge and to investigate further actions that can be taken into consideration in case of process problems in the digestion. The study consists of (a) a practical laboratory experiment of 6 pilot-scale reactors to investigate how the process stability is affected when the OLR increases and the HRT decreases. (b) A mass balance calculation based on the energy potential in the feeding sludge and the digested sludge. (c) A study of the filterability of the digested sludge. (d) The construction of a forecasting model in Excel, to predict when digester R100 will reach its maximum OLR and minimum HRT. The result of the study shows that the maximum OLR for Käppala conditions is 4.9 g VS dm-3 d-1, meaning that R100 will reach its maximum organic load around the year 2031. An OLR of 4.5-4.9 and an HRT of 12 days is optimal for R100, according to the present study. Keeping the anaerobic digestion process in balance is vital when it comes to the outcome of energy in the anaerobic digestion process. Pushing the process to produce more gas can become counterproductive since a high OLR can lead to process imbalance, which in turn leads to low biogas production. Imbalance in the digestion process can occur fast; therefore, the margin for overload in the anaerobic digestion process must be significant. The methane concentration in the converted biogas and the pH level in the reactor are the best stability parameters for the conditions at Käppala. Ammonia is the less efficient stability parameter since it did not predict or detect any instability during the experimental process. Furthermore, the OLR and HRT have a significant impact on the needed quantity for dewatering polymer. The higher digestion of organic material in the sludge, the bigger the need for the polymer to take care of the rest material.

Användningen av kommunalt avfall för att producera förnybar energi, huvudsaklig biogas, uppfyller 8 av Sveriges 16 miljökvalitetsmål. Två typer av rötningsprocesser som används är kontinuerligt omrörda tankreaktorer (CSTR) och pluggflödesreaktorer (PFR). Rapportens syfte är att direkt jämföra de två reaktorkonfigurationerna, PFR och CSTR, med samma substratblandning. Båda reaktortyperna drevs med samma belastning (5,2 g VS/L dag), hydraulisk retentionstid (30 dagar) och driftstemperatur (520C). Två PFR-reaktorer drevs med återcirkulation av rötrester. Under projektets gång mättes olika parametrar, vilka var: pH, total gasvolym och gassammansättning, FOS/TAC (organiska syror/alkalinitet), flyktiga fettsyror (VFA), ammonium-kvävekoncentration och TS (torrsubstanshalt) och VS (organiska ämnen). Studieresultatet var uppdelat i två sektioner. Avsnitt 1 sammanfattar uppstartsperioden, där alla tre CSTR (D1-R, D2-NR och C1-NR) kördes i icke-återcirkulerande läge. Uppstartsperioden gjordes för att säkerställa reaktorernas stabilitet och det gällde att uppnå en liknande baslinje för detektion. Inom studien accepterades avvikelser för baslinjen inom intervallet 0-5%. För uppstartsperioden varierade den specifika metanproduktionen med 2 % mellan D1-NR och D2-R, D1-R och C1-NR med 6 %, och D2-NR och C1-NR med 8 %. För ammoniak-koncentrationen var skillnaden mellan D1-R och D2-NR 2 % och mellan D1-R och C1-NR 9 %, mellan D2-NR och C1-NR, 7%. Med dessa variationer togs beslutet att utesluta reaktor C1-NR från den experimentella perioden för projektet. Avsnitt 2 jämför PFR och CSTR återcirkulerat/icke återcirkulerat läge. En CSTR drevs med 30 % återcirkulation av rötrest och en CSTR drevs i icke-återcirkulationsläge. Att jämföra PFR och CSTR återcirkulerat/icke återcirkulerat läge visade att PFR:erna övervann båda CSTR:erna när det gäller den specifika metanproduktionen. Där PFR producerade 395±93 NL/KgVS och 372±42 (N)L/KgVS CSTR med återcirkulation 280±10 (N)L/KgVS och den icke-återcirkulerade CSTR producerade 250±7 (N)L/KgVS. NH4+-N-nivåerna mellan PFR och CSTR visade en skillnad på 1 g/L, där PFR var den med högre NH4+-N (2,53±0,39 g/L för PFR-A och 2,73±0,43 g/L för PFR-T). En av skillnaderna mellan de återcirkulerade och de icke-återcirkulerade CSTR:erna var VFA-koncentrationen. VFA-koncentrationen i de återcirkulerade var 1,05±0,90 g/L och 0,43±0,25 g/L i de icke-återcirkulerade. VFA-koncentrationen för PFR var i genomsnitt 0,28±0,12 g/L och 0,40 ±0,16 g/L. Graden av nedbrytning i CSTRs var 90-91%, och 63-65% i PFR. Den är möjligen felberäknad och visar en inkonsekvens mellan reaktorernas prestanda och specifik metanproduktion. / The use of municipal waste to produce renewable energy, in the form of biogas, fulfils eight of Sweden's sixteen environmental quality objectives. The most common technology to produce biogas is anaerobic digestion (AD). Two common types of AD processes are continuously stirred reactors (CSTR) and plug flow reactors (PFR). The thesis aims at directly comparing the two reactor configurations using the same substrate mix. For this, two PFRs (PFR-T and PFR-A) and three CSTRs (D1-R, D2-NR and C1-NR) were setup. All reactors were operated at the same organic loading rate (5.2 g VS/L-day), hydraulic retention time (30 days) and operational temperature (52°C). During the project, various parameters were measured to evaluate the reactor performance, such as pH, total gas volume and gas composition, FOS/TAC (organic acids/alkalinity), volatile fatty acids (VFA), ammonium-nitrogen concentration, and solid and volatile solid of digestate.   The study result was divided into two sections. Section 1 summarises the start-up period (42 days), where the CSTRs and the PFRs were operated under non-recirculation mode. The start-up period was done to ensure the stability of the reactors and was concerned with achieving a similar baseline for performance. For the start-up period, the specific methane production between D1-R and D2-NR varied by 2% while the variation between C1-NR and D2-NR was 8%. Likewise, for the ammonia concentration, the difference between D1-R and D2-NR was 2%, while C1-NR differed by 9% from D2-NR. Based on these findings, the decision was taken to exclude reactor C1-NR from the experimental period of the project.  Section 2 compares the PFR and CSTR. One CSTR was operated with 30% recirculation of digest, while the other CSTR was operated in non-recirculation mode. The two PFRs were operated with recirculation of digestate. The experiments showed that the PFRs outperformed both CSTRs regarding the specific methane production. The PFRs produced 395±93 (N)L/kg-VS and 372±42 (N)L/kg-VS. In contrast, the CSTR with recirculation reached 280±10 (N)L/kg-VS and the non-recirculated CSTR produced 250±7 (N)L/kg-VS. The NH4+-N levels for the PFRs and CSTRs showed a 1 g/L difference, with a higher value for the PFRs (2.53±0.39 g/L for PFR-A, and 2.73±0.43 g/L for PFR-T). One of the significant differences between the recirculated and the non-recirculated CSTRs was the VFA concentration. The VFA concentration in the recirculated and non-recirculated reactor was 1.05±0.90 g/L and 0.43±0.25 g/L, respectively. The VFA concentration for the two PFRs was on average 0.28±0.12 g/L and 0.40 ±0.16 g/L. The degree of degradation in the CSTRs was 90-91% compared to 63-65% in the PFRs. The degree of degradation is possibly miscalculated and shows an inconsistency between the reactor performance in terms of specific methane production.

Ozonförbehandling av avloppsvattenslam har diskuterats i litteraturen som en potentiell metod för att öka biogasproduktionen och minska slamvolymen. I detta arbete utvecklades en numerisk modell för att simulera effekten av ozonförbehandling på biogasproduktion genom anaerobrötning. Modellen bygger på en befintlig modell från litteraturen. Den antar att ozonering leder till en förbättring av hydrolyssteget samtidigt som de övriga stegen (acidogen, acetogen och metanogen) lämnas opåverkade. Modellen kan förutsäga biogasproduktionen för ett givet substrat förutsatt att den matas in i sin makromolekylära koncentration. Modellen är validerad mot fyra uppsättningar data från laboratorieexperiment rapporterade i litteraturen. Även genomförbarhetanalys och känslighetsanalys av modellen studerades. Skillnad i simulerade och experimentella data beräknades för olika ozondoser och en regressionsplot gjordes för att studera robustheten och noggrannheten hos modellen. / Ozone pretreatment of wastewater sludge has been discussed in the literature as a potential method for increasing biogas production and reducing sludge volume. In this work, a numerical model to simulate the effect of ozone pretreatment on biogas production by anaerobic digestion was developed. The model is based on an existing model from the literature. It assumes that ozonation leads to an enhancement of the hydrolysis step while leaving the other steps (acidogenic, acetogenic and methanogenic) unaffected. The model can predict the biogas production for any given substrate provided it is being inputted in its macromolecular concentration. The model is validated against four sets of data from laboratory experiments reported in the literature. Feasibility and sensitivity analysis of the model was also studied. Difference in the simulated and experimental data were calculated for different ozone dosages and a regression plot was made to study the robustness and accuracy of the model.

To develop anaerobic digestion (AD), innovative solutions to increase methane yields in existing AD processes are needed. In particular, the adoption of low energy pre-treatments to enhance biomass biodegradability is needed to provide efficient digestion processes increasing profitability. To obtain these features, hydrodynamic cavitation has been evaluated as an innovative solutions for AD of waste activated sludge (WAS), food waste (FW), macro algae and grass, in comparison with steam explosion (high energy pre-treatment). The effect of these two pre-treatments on the substrates, e.g. particle size distribution, soluble chemical oxygen demand (sCOD), biochemical methane potential (BMP) and biodegradability rate, have been evaluated. After two minutes of hydrodynamic cavitation (8 bar), the mean fine particle size decreased from 489- 1344 nm to 277- 381 nm (≤77% reduction) depending of the biomasses. Similar impacts were observed after ten minutes of steam explosion (210 °C, 30 bar) with a reduction in particle size between 40% and 70% for all the substrates treated.  In terms of BMP value, hydrodynamic cavitation caused significant increment only within the A. nodosum showing a post treatment increment of 44% compared to the untreated value, while similar values were obtained before and after treatment within the other tested substrates. In contrast, steam explosion allowed an increment for all treated samples, A. nodosum (+86%), grass (14%) and S. latissima (4%). However, greater impacts where observed with hydrodynamic cavitation than steam explosion when comparing the kinetic constant K. Overall, hydrodynamic cavitation appeared an efficient pre-treatment for AD capable to compete with the traditional steam explosion in terms om kinetics and providing a more efficient energy balance (+14%) as well as methane yield for A. nodosum. / Det behövs innovativa lösningar för att utveckla anaerob rötning i syfte att öka metangasutbytet från biogassubstrat. Beroende på substratets egenskaper, kan förbehandling möjliggöra sönderdelning av bakterieflockar, uppbrytning av cellväggar, elimination av inhiberande ämnen och frigörelse av intracellulära organiska ämnen, som alla kan leda till en förbättring av den biologiska nedbrytningen i rötningen. För att uppnå detta har den lågenergikrävande förebehandlingsmetoden hydrodynamisk kavitation prövats på biologiskt slam, matavfall, makroalger respektive gräs, i jämförelse med ångexplosion. Effekten på substraten av dessa två förbehandlingar har uppmäts genom att undersöka distribution av partikelstorlek, löst organiskt kol (sCOD), biometan potential (BMP) och nedbrytningshastigheten. Efter 2 minuters hydrodynamisk kavitation (8 bar) minskade partikelstorleken från 489- 1344 nm till 277- 281 nm (≤77 % reduktion) för de olika biomassorna. Liknande påverkan observerades efter tio minuters ångexplosion (210 °C, 30 bar) med en partikelstorlekreducering mellan 40 och 70 % för alla behandlade substrat. Efter behandling med hydrodynamisk kavitation, i jämförelse med obehandlad biomassa, ökade metanproduktionens hastighetskonstant (K) för matavfall (+65%), makroalgen S. latissima (+3%), gräs (+16 %) samtidigt som den minskade för A. nodosum (-17 %). Förbehandlingen med ångexplosion ökade hastighetskonstanten för S. latissima (+50 %) och A. nodosum (+65 %) medan den minskade för gräs (-37 %), i jämförelse med obehandlad biomassa. Vad gäller BMP värden, orsakade hydrodynamisk kavitation små variationer där endast A. nodosum visade en ökning efter behandling (+44 %) i jämförelse med obehandlad biomassa. Biomassa förbehandlade med ångexplosion visade en ökning för A .nodosum (+86 %), gräs (14 %) och S. latissima (4 %). Sammantaget visar hydrodynamisk kavitation potential som en effektiv behandling före rötning och kapabel att konkurrera med den traditionella ångexplosionen gällande kinetik och energibalans (+14%) samt metanutbytet för A. nodosum.