The Swedish pulp and paper industry is the third largest exporter of pulp and paper products worldwide. It is a highly energy-demanding and water-utilising industry, which generates large volumes of wastewater rich in organic material. These organic materials are to different extents suitable for anaerobic digestion (AD) and production of energy-rich biomethane. The implementation of an AD process within the wastewater treatment plant of a mill would increase the treatment capacity and decrease the overall energy consumption due to less aeration and lower sludge production and in addition produce biomethane. Despite the many benefits of AD it is only applied at two mills in Sweden today. The reason for the low implementation over the years may be due to problems encountered linked to the complexity and varying composition of the wastewaters. Due to changes in market demands many mills have broadened their product portfolios and turned towards more refined products. This has increased both the complexity and the variations of the wastewaters´ composition even further, as the above changes can imply an increased pulp bleaching and utilisation of more diverse raw materials within the mills. The main aim of this thesis was therefore to generate knowledge needed for an expansion of the biomethane production within the pulp and paper industry. As a first step to achieve this an evaluation of the biomethane potential and the suitability for AD of wastewaters within a range of Swedish pulp and paper mills was performed. Thus, around 70 wastewater streams from 11 different processes at eight mills were screened for their biomethane potential. In a second step, the impact of shifts in wood raw material and bleaching on the AD process and the biomethane production was investigated and further evaluated in upflow anaerobic sludge bed (UASB) reactors. The screening showed that the biomethane potential within the Swedish pulp and paper industry could be estimated to 700 GWh, which corresponds to 40% of the Swedish biomethane production during 2014. However, depending on the conditions at each specific mill the strategy for the establishment of AD needs to differ. For mills producing kraft pulp the potential is mainly found in wastewaters rich in fibres, alkaline kraft bleaching wastewaters and methanol-rich condensates. The biomethane potential within thermo-mechanical pulp- (TMP) and chemical thermo-mechanical pulp (CTMP) mills is mainly present in the total effluents after pre-sedimentation and in the bleaching effluents as these holds high concentrations of dissolved organic material. The screening further showed that the raw material used for pulp production is an important factor for the biomethane potential of a specific wastewater stream, i.e. hardwood (HW) wastewaters have higher potentials than those from softwood (SW) pulp production. This was confirmed in the lab-scale UASB reactor experiments, in which an alkaline kraft bleaching wastewater and a composite pulping and bleaching CTMP wastewater were used as substrates. AD processes were developed and maintained stable throughout shifts in wastewater composition related to changes in the wood raw materials between SW and HW for the kraft wastewater and spruce, aspen and birch for the CTMP wastewater. The lower biomethane production from SW- compared to HW wastewaters was due to a lower degradability together with a higher ratio of sulphuric compounds per TOC for the SW case. The impact of shifts between bleached and unbleached CTMP production could not be fully  evaluated in the continuous process mainly due to technical problems. However, due to the large increase in dissolved organic material when bleaching is applied, the potential biomethane production will increase during the production of bleached pulp compared to unbleached pulp. Based on the biomethane potentials obtained for one of the included CTMP mills, their yearly production of biomethane was estimated to 5-27 GWh with the lowest and the highest value corresponding to the production of unbleached spruce pulp vs. bleached birch pulp. Thus, the results of the investigations presented in this thesis show that the UASBreactor is suitable for AD of wastewaters within the pulp and paper industry. The results also show that challenges related to variations in the organic material composition of the wastewaters due to variations in wood raw materials could be managed. The outcome of the thesis work also imply that the production of more refined products, which may include the introduction of an increased number of raw materials and extended bleaching protocols, could increase the potential biomethane production, especially if the pulp production will make use of more HW. / Den svenska pappers- och massaindustrin är den tredje största exportören av massa och pappersprodukter och en viktig industriell aktör i Sverige. Det är en industri med hög energi- och vattenanvändning, som genererar stora mängder avloppsvatten rika på organiskt material. Detta organiska material kan via anaerob nedbrytning användas för att producera energirik biometan. Användandet av anaerob behandling, som ett steg i brukens vattenrening, genererar inte bara biometan utan kan också öka reningskapaciteten och minska energiförbrukning och kostnader tack vare minskat behov av luftning och minskad slamproduktion. Trots de många fördelarna med anaerob behandling är den idag bara tillämpad på två bruk i Sverige. En av orsakerna till detta kan vara processproblem som relaterats till avloppsvattnens komplexitet samt varierande sammansättning och flöden. Många pappers- och massabruk har utökat sina produktportföljer med bl a mer förfinade produkter, som en följd av en förändrad marknad. Dessa förändringar har ökat avloppsvattnens komplexitet och variation än mer, då ovan exempelvis kan medföra en ökad produktion av blekt massa samt att fler typer av träråvaror används vid ett och samma bruk. Huvudsyftet med föreliggande avhandling är att bidra med kunskap för en ökad produktion av biometan inom pappers- och massaindustrin. Som ett första steg genomfördes en övergripande utvärdering av ca 70 avloppsvattenströmmar från totalt 11 olika processer vid åtta svenska pappers- och massabruk med fokus på biometanpotential samt lämplighet för anaerob behandling. I ett andra steg utvärderades hur skiften i träråvara samt blekning påverkar biometanproduktionen samt processtabiliteten för en kontinuerlig anaerob nedbrytningsprocess i en UASBreaktor. Den initiala utvärderingen visade att den svenska pappers- och massaindustrin skulle kunna bidra med 700 GWh biometan per år, vilket motsvarar 40% av biometanproduktionen i Sverige under 2014. Beroende på utformningen av det enskilda bruket kommer strategier för implementering av anaeroba processer att se olika ut. För bruk som producerar sulfatmassa återfanns huvuddelen av biometanpotentialen i fiberrika avloppsvattenstömmar, alkaliska blekeriavlopp samt metanolrika kondensat. För bruk som producerar termomekanisk- (TMP) eller kemitermomekanisk (CTMP) massa föreligger biometanpotentialen framförallt i avloppsvatten rika på löst organiskt material såsom totalavlopp efter sedimentering och blekeriavlopp. Den initiala utvärderingen visade också att användandet av lövved ger en högre biometanpotential jämfört med barrved. Dessa resultat kunde bekräftas vid kontinuerliga experiment med anaerob nedbrytning i UASB-reaktorer, där ett alkaliskt blekeriavlopp från ett sulfatmassabruk och ett kombinerat massaproduktions- och blekeriavlopp från ett CTMP-bruk användes som substrat. Stabila anaeroba processer etablerades och bibehölls vid förändrad avloppsvattensammansättning på grund av skiften i träråvara (löv- och barrved för sulfatmassabruket samt gran, asp och björk för CTMP bruket). Den lägre produktionen av biometan för barrved jämfört med lövved kunde förklaras med en lägre nedbrytbarhet samt ett ökat svavelinnehåll i relation till mängden organiskt material. Skiften mellan avloppsvatten från blekt- och oblekt CTMP massa kunde inte utvärderas fullständigt i den kontinuerliga processen på grund av tekniska problem. Produktionen av blekt massa ökar dock mängden organiskt material i  avloppsvattnet, vilket medför att mer biometan kan produceras jämfört med då oblekt massa produceras. Baserat på biometanpotentialerna för ett av i studien ingående CTMP bruk uppskattas den årliga produktionen av biometan till 5-27 GWh, där den lägsta produktionen motsvarar oblekt granmassa och den högsta produktionen motsvarar blekt björkmassa. Sammanfattningsvis visar studien att UASB-reaktorer är lämpliga för anaerob behandling av avloppsvatten inom pappers- och massaindustrin. Vidare visar resultaten från de kontinuerliga försöken att de utmaningar som medförs av den varierande sammansättningen av avloppsvattnens organiska material knutet till träråvaran kan hanteras. Slutligen, breddade produktportföljer samt produktionen av mer förfinade produkter, vilket kan innebära en ökad massablekning och ett ökat användande av olika träråvaror, kan öka brukens potentiella biometanproduktion, särskilt om mer lövved används för massaproduktion.

Water is used every day in society and to be able to recycle this water we depend upon efficient wastewater treatment. It is vital to test the wastewater based on different parameters. One parameter is the Chemical Oxygen Demand (COD), which defines the amount of organic substances that can be chemically oxidized within the water. The Swedish standardized analytical method for COD (SS-028142), COD(Cr) is dependent on mercury, a substance which was banned according to Swedish regulations in year 2009 but is still used due to time limited dispensations. This report is a part of a pre-procurement innovative project initiated by the Swedish Water and Wastewater Association (SWWA) in order to bring forward and evaluate mercury free analytical methods for COD for municipal wastewater. The aim was to validate three analytical methods for COD: Chloride Determination, Chloride Elimination and PeCOD and compare the analytical results to the standardized COD(Cr). Three laboratories, Käppala (Stockholm), Gryaab (Gothenburg) and Komlab (Örnsköldsvik) were included in the validation process by providing analytical data. The validation was conducted using the data as input for the statistical methods regression, correlation and analysis of variance to investigate the performance of the individual methods. As a complement to the statistical results, comments regarding the methods brought up by the laboratory staff were compiled in order to reflect on the usability and robustness of the methods.  The results indicated that the method Chloride Determination was the method most similar to the COD(Cr) method, when investigating obtained COD concentrations, required analytical time and implementation steps needed to obtain a final COD value. This result was evident by high coefficient of determination values for influent wastewater samples. The PeCOD method, which was submitted in two versions, one manual and one automatic was only able to analyze soluble COD. It was found that the PeCOD methods obtained lower COD concentrations compared to the standardized method when analyzing filtered samples. Due to highly variable correlation coefficients between the PeCOD and COD(Cr) for various types of samples indicated that no uniform linear relation between the methods was present. Analysis with the Chloride Elimination method was halted early in the validation process, but was found to receive approximately 50 percent lower COD values than the reference method  COD(Cr). Finally it can be said that the input data for conducting the statistical test were limited and further analysis should be recommended in order to validate the results with a higher certainty. / Varje dag produceras avloppsvatten i samhället och för att kunna återanvända detta vatten krävs en tillförlitlig reningsprocess. För att rena avloppsvatten effektivt är det betydelsefullt att kontinuerligt testa avloppsvattnet utifrån ett antal viktiga parametrar. En av dessa är kemisk syreförbrukning, COD, som definieras av den mängd syre som förbrukas genom fullständig kemisk oxidation av organiskt material. Den svenska standardiserade analysmetoden för COD (SS-028142) , COD(Cr) är beroende av kvicksilver för att erhålla ett korrekt analysresultat utan påverkan av kloridjoner. Kvicksilver är enligt Svensk lag förbjudet sedan år 2009, men analysmetoden är dock vanligt använd på svenska avloppsreningsverk tack vare årliga dispenser. Detta examensarbete är en del av en förkommersiell innovationsupphandling som initierats av Svenskt Vatten med mål att undersöka och validera kvicksilverfria analysmetoder för COD tillgängliga på den internationella marknaden. Projektets syfte var att utföra en validering av tre analysmetoder: Klorid Determination, Klorid Elimination och PeCOD och jämföra dess resultat med referens metoden COD(Cr). Tre olika laboratorier, Käppala (Stockholm), Gryaab (Göteborg) och Komlab (Örnsköldsvik) medverkade i projektet. Valideringen genomfördes med de statistiska metoderna regression, korrelation och variansanalys, utifrån insamlade mätdata i syfte att undersöka de givna metodernas prestanda. Som ett komplement till det statistiska testerna sammanställdes synpunkter som framkommit under analysarbetet av laboratoriepersonal, för bedömning av metodernas användarvänlighet och robusthet.  Utifrån valideringen var det tydligt att metoden Klorid Determination hade störst likhet med COD(Cr) metoden utifrån givna analysresultat, analystid samt utförda analyssteg. Detta resultat styrktes av höga värden för determinationskoefficients för inkommande avloppsvatten mellan innovatios metoden och referense metoden COD(Cr). Analysmetoden PeCOD bestod av två olika versioner, skildrade den lösliga COD innehållet i provet istället för den total COD koncentrationen som hos COD(Cr). Oavsett vilken version av PeCOD som används erhålls ett lägre COD resultat jämfört med referens metoden COD(Cr) då filtrerade prover analyserades. De framtagna varierande korrelations koefficienter mellan PeCOD och COD(Cr) indikerade att ingen enhetlig korrelation gick att finna mellan metoderna hos de olika laboratorierna. Analysmetoden COD Elimination pausades tidigt i processen men de tidiga testerna visade på halverade COD koncentrationer jämfört med referens metoden.  Slutligen kan det nämnas att mätdata som användes som indata till de beskrivna statistiska testerna var begränsade och att vidare analyser rekommenderas för att kunna bevisa givna resultat med ökad sannolikhet.

I den här studien har en beräkningsmodell byggts för hur PHA skulle kunna produceras av substrat i avloppsvatten från Gruvöns bruk. Därefter har en jämförande livscykelanalys utförts där PP-sugrör inom Europa ersätts med PHA-sugrör från bruket. Målet med studien är att utvärdera och jämföra miljöpåverkan för en engångsprodukt av PHA med en engångsprodukt av PP. Syftet är att undersöka ett alternativt material till PP på grund av att fossila resurser är ändliga samt att alternativa material kommer krävas i och med europeiska kommissionens förbud mot engångsplast som träder i kraft 2022. Arbetet utförs också för att bidra med mer forskningsunderlag gällande PHA från restströmmar. Livscykelanalysen utfördes med ISO-standard: 14040 och 14044 som riktlinje för utförande. 1 ton sugrör valdes som funktionell enhet och hela produktens livscykel undersöktes med undantag för användningsfasen. PHA-produktion på bruket beräknades teoretiskt där mass- och energiflöden från modellen sedan användes för miljöbedömning. SimaPro valdes som programvara för LCA-beräkning, miljödata hämtades från databasen Ecoinvent 3 och ELCD där 10 av 18 miljöfaktorer inom metoden ReCiPe midpoint (h) undersöktes kompletterat med kumulativt energibehov (CED).   Resultaten i studien visar en minskning av miljöpåverkan med 99 % om sugrör av PP skulle ersättas med sugrör av PHA från Gruvöns bruk. Samtidigt beräknades CED öka med cirka 50 %. Analyser av resultatet visar att giftighet för ekosystem i sjöar och hav vid materialframställning för PP är de största faktorerna för PP-sugrörets påverkan, motsvarande cirka 85 % av den totala miljöpåverkan. Inkludering av fler produktionsvariationer indikerar också att det finns potential att ytterligare sänka miljöpåverkan från PHA-sugrör samt att få en lägre energianvändning än för PP-sugrör genom att ändra metod för extraktion samt temperatur i fermenteringsprocessen. Resultaten är osäkra på grund av LCA-verktygets osäkerheter, brist på miljödata samt brist på studier. Resultaten kan dock användas för att se trender och potential. Ett exempel är att ingen större skillnad ses mellan engångsprodukter av PP och PHA när enbart klimatpåverkan och energi för produktion undersöks men när hela livscykeln undersöks med fler miljöfaktorer så verkar PP ha klart högre miljöpåverkan än PHA. Slutsatsen som dras är att engångsprodukter av PHA från varma restströmmar har potential att ersätta engångsprodukter av PP på ett för miljön hållbart sätt. Det kan vara en möjlig lösning till att fortsätta producera engångsprodukter som berörs av plastförbudet samt att lätta på en del av problematiken kring utarmning av fossila resurser. Mer studier gällande möjliga användningsområden samt en småskalig pilotanläggning på Gruvöns bruk rekommenderas som vidare steg för att utforska potentialen av PHA från restströmmar. / In this study, a calculation model has been built on how PHA could be produced from forest industrial wastewater at Gruvöns pulp- and paper mill. Subsequently, a comparative life-cycle analysis has been carried out where production of PP-drinking straws in Europe is replaced with PHA-straws from the mill. The objective of the study is to assess and compare the environmental impact of a disposable PHA product with a disposable PP product. The purpose of the study is to examine an alternative material for PP due to the finite nature of fossil resources and the fact that alternative materials will be required when the plastic ban from the European Commission on disposable products comes into force 2022. An additional purpose is to provide more research data on PHA from residual streams. The lifecycle analysis was performed with ISO standard: 14040 and 14044 as a guideline and 1 ton of straw was selected as the functional unit. The entire life cycle was examined with an exception of the usage phase. PHA production at the mill was theoretically calculated and mass and energy flows from the model was then used in the environmental assessment. SimaPro was selected as the software for LCA calculation, environmental data was retrieved from the Ecoinvent 3 database and ELCD database. 10 out of 18 environmental factors within the ReCiPe midpoint (h) method were investigated complemented with cumulative energy demand (CED). The results of the study show a 99 % reduction in environmental impact if drinking straws of PP would be replaced with straws from PHA from Gruvön's mill. At the same time, CED was estimated to increase by about 50 %. Analyses of the results show that the toxicity of material production to marine and freshwater ecosystems is the most influential factor in the impact of PP straws, representing around 85 % of the total environmental impact. Expansion of the calculation model showed that there is potential to further reduce the environmental impact of PHA straws as well as the energy requirements to a level that is lower than that of PP straws by changing method of extraction and fermentation. The results are uncertain due to the uncertainties of the LCA tool, lack of environmental data and lack of studies. However, the results can be used to see trends and potential. One example is that no major difference is seen between disposable PP and PHA products when only climate impact and energy for production are examined, but when the entire life cycle is examined with more environmental factors, PP appears to have a significantly higher environmental impact than PHA. The conclusion drawn in the study is that disposable PHA products from hot residual streams have potential to replace disposable PP products in an environmentally sustainable manner. This may be a possible solution to continue producing disposable products that are affected by the plastic ban and to alleviate some of the problems surrounding depletion of fossil resources. Further studies on possible uses and a small-scale pilot plant at Gruvön's mill are recommended as further steps to explore the potential of PHA from residual streams.

Denna studie genomfördes på uppdrag av det statliga forskningsinstitutet Formas. Syftet med rapporten var att undersöka hur effektiva våtmarker är som tilläggsrening av avloppsvatten, detta med avseende på reducering av läkemedel samt skadeeffekter på akvatiska organismer. Rapporten baserades på en tidigare studie utförd av Breitholtz et al. (2012) där mätningar av läkemedelshalter samt mortalitet och larvutveckling hos hoppkräftor, Nitocra spinipes, gjordes i fyra olika våtmarker.  De fyra våtmarkerna ligger i Eskilstuna, Oxelösund, Nynäshamn och Trosa. Deras mätningar undersökte mortalitet och larvutvecklingskvot för hoppkräftor i prover utspädda med bräckt vatten vid koncentration avloppsvatten på, 11,25 %; 22,5 %; 45% och 90 %. Proverna för läkemedelshalter späddes inte ut och enbart ett mätvärde per våtmark togs vid inflödet och utflödet. I denna rapport undersöktes dessa frågeställningar: (1) Är anlagda våtmarker som tilläggsrening en effektiv metod med avseende på skadeeffekter hos hoppkräftor, (2) till vilken grad reduceras halten läkemedel när våtmarker används som tilläggsrening samt (3) finns det ett samband mellan läkemedelsrester och hoppkräftornas överlevnad? För att besvara de tre frågeställningarna genomfördes en metaanalys av data från studien av Breitholtz et al. (2012). Hoppkräftors mortalitet, larvutvecklingskvot (LDR) och koncentration av läkemedel analyserades. Endast mortalitet och larvutvecklingskvot hade tillräckligt med data för utförande av en metaanalys. Läkemedelsanalysen kunde bara göras på en grundläggande nivå. Metaanalysen programmerades i MATLAB R2019b, där skillnaden i medelvärdet för mortalitet respektive larvutvecklingskvot beräknades mellan in- och utflöde för de fyra våtmarkerna. Skillnaderna för varje våtmark vägdes samman med invers-varians metoden för att få ett sammanvägt medelvärde. Analysen av läkemedel gjordes på nio läkemedel från Breitholtz et al. (2012). De nio valdes ut då de har pekats ut av Svenska Miljöinstitutet som intressanta ur ett avloppsreningsperspektiv. Excel användes för att göra enklare statistiska analyser mellan in- och utflöde i våtmarkerna. Slutligen gjordes en jämförelse mellan hoppkräftors skadeeffekter och läkemedelshalter genom att ta ut skillnaden i medelvärde mellan in- och utflöde. Resultatet från analyserna visade att när våtmarker användes som tilläggsrening minskade mortaliteten hos hoppkräftor för koncentrationerna 11,25 % och 90 % avloppsvatten. För koncentrationerna 22,5 % och 45 % fanns däremot ingen signifikant skillnad i mortalitet. Larvutvecklingskvoten minskade efter våtmarksbehandlingen för alla koncentrationer utom 90 %. Läkemedelshalten minskade i snitt med 30 % mellan inflöde och utflöde i våtmarkerna. För läkemedlen sulfametoxazol och oxazepam kunde dock en ökning ses efter behandling med våtmark. Ingen direkt trend kunde utläsas mellan läkemedelshalt och mortalitet hos hoppkräftor. Detta berodde troligtvis på att andra faktorer och föroreningar påverkade hoppkräftornas mortalitet och larvutvecklingskvot i högre grad än läkemedelshalterna. I studien kunde ingen slutsats dras om huruvida tilläggsvåtmarker är en effektiv reningsmetod med avseende på skadeeffekter hos hoppkräftor. Hoppkräftor är bra indikatorer på föroreningar i vattnet, dock är det svårt att bestämma vilka föroreningar som påverkar mest i detta fall. Detta medför att inga direkta samband mellan läkemedel och hoppkräftors mortalitet kunde påvisas i studien. De undersökta läkemedlen reducerades generellt. Eftersom mätningarna gjordes under vinterförhållanden då nedbrytningen i våtmarken är som minst effektiv bör resultatet ses som ett lägsta värde.

Odling av mikroalger för framställning av biogas är ett relativt outforskat område. Den forskning som hittills utförts har påvisat lovande resultat tack vare möjligheten att utnyttja resurser som idag går till spillo, eller till och med utgör miljöproblem; mikroalgerna kan rena både näringsrikt vatten (exv. avloppsvatten) och koldioxidutsläpp (rökgaser från industrin) då de tar upp föreningar innehållande kväve, fosfor och kol från dessa källor. Den producerade biogasen kan ersätta fossila bränslen. Dessutom skapas en rötrest som kan återföras till odlingsmarker vilket sluter näringskretsloppet. Mikroalgen Chlorella vulgaris undersöks gällande dess egenskaper i alg-biogasprocessen för att aktuella flöden ska kunna sammanlänkas genom industriell symbios. Mikroalger kan skapa unika möjligheter till kretsloppsanpassad energiproduktion bland annat tack vare att vissa av dem har potential att fungera både som växt och som djur. För att energiproduktionen ska kunna kretsloppsanpassas måste de olika systemen i alg-biogasprocessen lokaliseras strategiskt med avseende på dess flöden. / The area of microalgae cultivation for the production of biogas is quite uninvestigated. Research has shown promising results due to the possibility to make use of resources that are unused or even cause negative environmental impact: the microalgae can purify nutrient rich water (waste water) as well as exhausts rich in carbon dioxide (flue gas) as they take up compounds containing carbon, nitrogen and phosphorus from these sources. The produced biogas can replace fossil fuels. In addition, a digest is produced which can be returned to cropland which closes the nutrient loop. The microalgae Chlorella vulgaris is studied regarding its traits in the algae-to-biogas process in order to evaluate if the flows present can be interlinked through industrial symbiosis. Microalgae can create unique possibilities for loop adapted energy production partly thanks to their potential to function both as plant and as animal. For a loop adapted energy production the different systems in the algae-biogas process need to be located strategically with regards to the flows in the process. / The area of microalgae cultivation for the production of biogas is quite uninvestigated.Research has shown promising results due to the possibility to make use of resources that areunused or even cause negative environmental impact: the microalgae can purify nutrient rich water(waste water) as well as exhausts rich in carbon dioxide (flue gas) as they take up compoundscontaining carbon, nitrogen and phosphorus from these sources. The produced biogas can replacefossil fuels. In addition, a digest is produced which can be returned to cropland which closes thenutrient loop. The microalgae Chlorella vulgaris is studied regarding its traits in the algae-to-biogasprocess in order to evaluate if the flows present can be interlinked through industrial symbiosis.Microalgae can create unique possibilities for loop adapted energy production partly thanks to theirpotential to function both as plant and as animal. For a loop adapted energy production the differentsystems in the algae-biogas process need to be located strategically with regards to the flows in theprocess

I takt med att städerna växer ökar belastningen på de kommunala avloppsreningsverken. Käppalaförbundet förutspår att antalet anslutna personekvivalenter till Käppalaverket kommer att öka med över 160 % under de kommande tre decennierna. En ökad belastning leder till en större mängd slam som måste behandlas. Detta görs idag med stabilisering genom mesofil rötning samt efterföljande avvattning och hygienisering. Samtidigt finns ett behov av hållbara energikällor i samhället, dit avloppsreningsverken bidrar genom tillhandahålla energirik biogas som biprodukt från rötningen.  Utrötningsgraden är beroende av slammets uppehållstid i rötkammaren och uppehållstiden kommer att bli kortare i takt med att belastningen ökar. Termofil rötning har identifierats som ett möjligt alternativ till inköp av ytterligare rötkammarvolym då metoden har rapporterats ge en snabbare stabilisering och därmed ett likvärdig resultat med kortare uppehållstid. Dessutom finns indikationer för att termofil rötning kan producera en större mängd biogas per enhet organiskt material i jämförelse med mesofil rötning. För att utreda huruvida Käppalaförbundet kan åtnjuta dessa fördelar har ett termofilt rötningsförsök bedrivits i pilotskala.  Pilotanläggningen bestod av en 5 m³ rötkammare som matades semikontinuerligt med 65 mass% primärslam och 35 mass% överskottsslam. Försöket inleddes med en temperaturövergång från en mesofil ymp till termofila betingelser, följt av att processen tilläts acklimatisera. Processen drevs därefter under tre uppehållstider med en längd på 18 dygn vardera. Samtliga driftparametrar härleddes i den mån det var möjligt från fullskalig slambehandling på Käppalaverket. De experimentella resultaten jämfördes med simuleringsresultat baserade på den matematiska modellen Anaerobic Digestion Model No. 1. Temperaturövergången och acklimatiseringen utfördes med framgång. Vid referensbelastningen var utrötningsgraden 54.4 % och den specifika metanproduktionen var 0.221 Nm3 CH4/kgVS, vilket var otillräckligt för att överträffa den mesofila, fullskaliga processen. Försöket indikerade att proteiner bryts ned lättare i en termofil process. Vidare observerades avtagande processtabilitet och försämrade avvattningsegenskaper hos rötresten. / As cities grow, the load on the municipal wastewater treatment plants increases. The Käppala Association predicts that the number of population equivalents connected to the Käppala Wastewater Treatment Plant will increase by over 160 % in the coming three decades. An increased load leads to a larger amount of sludge that must be treated. This is done today with stabilization through mesophilic anaerobic digestion and subsequent dewatering and hygienization. At the same time, there is a need for sustainable energy sources in society, to which wastewater treatment plants contribute by providing energy-rich biogas as a by-product from the anaerobic digestion. The degree of digestion is dependent on the retention time of the sludge in the digester and the retention time will become shorter as the load increases. Thermophilic anaerobic digestion has been identified as a possible alternative to the investment of additional digester volume as the method has been reported to provide a faster stabilization and thus an equivalent result with a shorter retention time. In addition, there are indications that thermophilic anaerobic digestion is able to produce a larger amount of biogas per unit of organic material in comparison with mesophilic anaerobic digestion. To evaluate whether the Käppala Association can enjoy these benefits, a thermophilic anaerobic digestion experiment has been conducted on a pilot scale. The pilot plant included a 5 m³ digester which was fed semi-continuously with 65 mass% primary sludge and 35 mass% waste activated sludge. The experiment began with a temperature transition from a mesophilic inoculum to thermophilic conditions, followed by allowing the process to acclimatize. The process was operated thereafter for three retention times with a length of 18 days each. All process parameters were derived as far as possible from the full-scale sludge treatment at Käppala Wastewater Treatment Plant. The experimental results were compared with simulation results based on the mathematical model Anaerobic Digestion Model No. 1. The temperature transition and acclimatization was performed successfully. At reference load, the degree of digestion was 54.4 % and specific methane production was 0.221 Nm3 CH4/kgVS, which was not enough to overcome the mesophilic full-scale process. Indications pointed towards proteins being more easily digested in a thermophilic process. Furthermore, deteriorating process stability and dewaterability of the digestate was observed.

Wastewater released from showers, sinks, and washers contains a considerable amount of wasteheat that can be recovered by using a heat exchanger. Conventional metal heat exchangers for wastewater heat recovery have common problems of corrosion, fouling and clogging, which makes it necessary to develop a new type of heat exchanger for such low-grade thermalenergy recovery applications. This study deals with a novel patented polymer heat exchanger (WO2020049233A1) made of soft polyurethane tubes that are capable of oscillation once subjected to external forces. Laboratory tests coupled with theoretical analyses show a stable global heat transfer coefficient of 100-110 W/m2·K, in between the ideal parallel flow and crossflow heat exchangers. The theoretical calculations indicate that the performance of polymer heat exchanger can achieve 62-92% of the performance of titanium, aluminium, and copperheat exchangers with the same dimensions and working conditions. It further reveals that the performance of the soft heat exchanger can be enhanced by 30% when it is under oscillation. In addition, the results of thermal resistance study show that the total thermal resistance issignificantly higher in the model of parallel flow than in crossflow. Moreover, in the parallel flow, the external convective thermal resistance appears to be the dominant one instead of heat conduction through the wall material. / Avloppsvatten som rinner ut från duschar, diskhoar och tvättmaskiner innehåller en betydande mängd spillvärme som kan återvinnas med hjälp av en värmeväxlare. Konventionella metallvärmeväxlare för värmeåtervinning av avloppsvatten har vanliga problem med korrosion, förorening och förstoppning, vilket gör det nödvändigt att utveckla en ny typ av värmeväxlare för applikationer med låg värmeåtervinning. Denna studie behandlar en ny patenterad polymervärmeväxlare (WO2020049233A1) tillverkad av mjuka polyuretanrör som tål vibrationer som ett resultat av yttre krafter. Laboratorietester tillsammans med teoretiska analyser visar en stabil global värmeöverföringskoefficient på 100-110 W/m2·K, mellan det ideala parallella flödet och tvärflödesvärmeväxlarna. De teoretiska beräkningarna indikerar att en prestanda hos polymervärmeväxlare kan uppnå 62-92% av prestanda för titan-, aluminiumoch kopparvärmeväxlare med samma dimensioner och arbetsförhållanden. Det visar sig att den mjuka värmeväxlarens prestanda kan förbättras med 30% när den vibrerar. Dessutom visar resultaten från studien med termisk resistens att det totala värmemotståndet är betydligt högre i modellen för parallellt flöde jämfört med tvärflöde. I det parallella flödet verkar dessutom det externa konvektiva värmemotståndet vara det dominerande i stället för värmeledning genom väggmaterialet.

Per- and polyfluoroalkyl substances (PFASs) are man-made substances that hold unique properties. They are not only oil- and water repellants but also very resistant to degradation. Due to these properties, the applications are endless and PFASs can be found in a wide range of industrial applications and commercial products. The effluents of wastewater treatment plants (WWTPs) have been pointed out as one of the major sources of PFASs in the environment. The main aim of this project was to evaluate the sources and the occurrence of PFASs in a wastewater network in a Swedish city and in the different treatment steps at the connected WWTP. Another objective was to use these data to calculate mass flows and to investigate the fate of PFASs within the WWTP. The city of Uppsala and the WWTP Kungsängsverket were selected as study objects. Both wastewater and sludge were sampled and analyzed. In the wastewater network, a total of 15 pumping stations (PSTs) were sampled for wastewater, and at the WWTP, a total of 10 wastewater and 10 sludge samples were taken. The samples consisted of grab samples (n = 24), time-integrated samples (100 mL every 20 min during 24 hours, n = 2) and flow proportional samples (24 hours, n = 9). The aqueous and sludge samples were prepared for analysis using solid-phase and solid liquid extraction, respectively, and then analyzed by liquid chromatography tandem mass spectrometry (LC/MS/MS). The PFAS concentrations and composition profiles varied greatly in the network. High concentrations of 6:2 fluorotelomer sulfonate (6:2 FTSA) were generally found in the wastewater, which indicates increased usage of 6:2 FTSA in industrial processes and applications as replacement for perfluorooctane sulfonate (PFOS) and/or leaching from fire-training sites. A hot spot was detected (Sågargatan PST: ΣPFAS = 55,000 ng L-1 = 110,000 mg d-1) with elevated discharges of C3 – C8 perfluoroalkyl carboxylates (PFCAs). The studied WWTP was ineffective in removing C4, C6, C8 perfluoroalkyl sulfonates (PFSAs), C3 – C8 PFCAs and 6:2 FTSA from wastewater. Longer chained C9 – C17 PFCAs tended to partition to sludge more effectively than shorter chained C3 – C8 PFCAs, where PFCAs with an even amount of perfluorated carbon atoms had a higher affinity for sludge than those with an odd amount. The PFAS concentrations and mass flows tended to increase across the second clarifier in both wastewater and sludge, probably due to precursor degradation. PFSAs and PFCAs tended to be at similar or lower concentrations in the effluent compared to the influent. This shows that these substances enter the WWTP from an upstream source and are not formed or added in the WWTP. The transformation of precursors is therefore not the most important source of PFASs in Kungsängsverket. PFASs in wastewater at a large scale municipal WWTP may origin to a large extent from both industrial applications and domestic sources, such as daily life products. The new knowledge generated within this project will help Uppsala Vatten to protect drinking water supplies and the receiving aquatic environment from PFAS contamination. / Per- och polyfluoroalkylerade substanser (PFAS) är konstgjorda ämnen som har unika egenskaper. De är inte bara fett- och vattenavvisande utan är även mycket resistenta mot nedbrytning. På grund av dessa egenskaper är applikationerna med PFAS oändliga, och de används i en lång rad industriella applikationer och kommersiella produkter. Renat vatten från avloppsreningsverk har pekats ut som en av de största källorna av PFAS i miljön. Syftet med det här projektet var att undersöka källorna och uppkomsten av PFAS i ett ledningsnät i en svensk stad och även före/efter de olika reningsstegen i det största reningsverket. Ett annat mål var att använda dessa data för att beräkna massflöden och att studera ödet för PFAS i reningsverket. Uppsala stad och reningsverket Kungsängsverket valdes som studieobjekt. Både avloppsvatten och slam provtogs och analyserades. I ledningsnätet provtogs totalt 15 pumpstationer (PST) med avseende på avloppsvatten och i reningsverket togs det totalt 10 avloppsvatten- och 10 slamprover. Proverna bestod av stickprover (n = 24), tidsintegrerade prover (100 mL var 20 min under 24 timmar, n = 2) och flödesproportionerliga prov (24 timmar, n = 9). Vatten- och slamproverna preparerades för analys med hjälp av fastfas- respektive fast-vätske-extraktion, och analyserades därefter med vätskekromatografi kopplat till tandem-mass-spektrometri (LC/MS/MS). PFAS koncentrationerna och sammansättningsprofilerna varierade mycket i ledningsnätet. Koncentrationerna av 6:2 fluorotelomersulfonsyra (6:2 FTSA) var generellt höga i avloppsvattnet, vilket tyder på en ökad användning av 6:2 FTSA i industriella processer och applikationer som ersättningssubstans för perfluorooktansulfonsyra (PFOS) och/eller urlakning från brandövningsplatser. En så kallad hot spot detekterades i ledningsnätet (Sågargatan PST: ΣPFAS = 55 000 ng L-1 = 110 000 mg d-1) med punktutsläpp av C3 – C8 perfluoroalkylerade karboxylsyror (PFCA). Det studerade reningsverket var inte effektivt för rening av C4, C6, C8 perfluoroalkyl-sulfonsyror (PFSAs), C3 – C8 PFCAs och 6:2 FTSA. PFAS av typen C9 – C17 PFCA (långa kolkedjor) tenderade att fördela sig till slamfasen mer än C3 – C8 PFCA (kortare kedjor), där PFCA med ett jämnt antal perfluorerade kolatomer hade större affinitet för slam än de med udda. PFAS koncentrationerna och massflödena tenderade att öka från första till andra sedimentations-tanken, både i avloppsvatten och i slam, troligtvis som en följd av degradering av prekursorer. PFSA och PFCA tenderade att ha likvärdiga eller lägre koncentrationer i ut- jämfört med inflöde. Detta tyder på att huvudkällorna för dessa substanser i avloppsvatten finns uppströms och uppkommer inte genom bildning eller tillsats i reningsverket. Nedbrytning av prekursorer är därför inte den viktigaste källan av PFAS i Kungsängsverket. Det visades tydligt att PFAS i ett kommunalt avloppsvatten kan ha sitt ursprung såväl i både industriella produkter och processer som produkter från hushåll, som t.ex. dagligvaruprodukter. Den nya kunskapen som genererats i detta projekt kommer att hjälpa Uppsala Vatten att skydda dricksvattentäkter och den mottagande akvatiska miljön för PFAS förorening.

Onsite wastewater treatment systems in Sweden are getting old and many of them lack sufficient phosphorus, nitrogen and organic carbon reduction. Biochar is a material that has been suggested as an alternative to the common sand or soil used in onsite wastewater treatment systems. The objective of this study was to compare the phosphorus removal capacity between three different modified biochars and one untreated biochar in a batch adsorption and column filter experiment. The modifications included impregnation of ferric chloride (FeCl3), calcium oxide (CaO) and untreated biochar mixed with the commercial phosphorus removal product Polonite. To further study nitrogen removal a filter with one vertical unsaturated section followed by one saturated horizontal flow section was installed. The batch adsorption experiment showed that CaO impregnated biochar had the highest phosphorus adsorption, i.e. of 0.30 ± 0.03 mg/g in a 3.3 mg/L phosphorus solution. However, the maximum adsorption capacity was calculated to be higher for the FeCl3 impregnated biochar (3.21 ± 0.01 mg/g) than the other biochar types. The pseudo 2nd order kinetic model proved better fit than the pseudo 1st order model for all biochars which suggest that chemical adsorption was important. Phosphorus adsorption to the untreated and FeCl3 impregnated biochar fitted the Langmuir adsorption isotherm model best. This indicates that the adsorption can be modeled as a homogenous monolayer process. The CaO impregnated and Polonite mixed biochars fitted the Freundlich adsorption model best which is an indicative of heterogenic adsorption. CaO and FeCl3 impregnated biochars had the highest total phosphorus (Tot-P) reduction of 90 ± 8 % and 92 ± 4 % respectively. The Polonite mixed biochar had a Tot-P reduction of 65 ± 14 % and the untreated biochar had a reduction of 43 ± 24 %. However, the effluent of the CaO impregnated biochar filter acquired a red-brown tint and a precipitation that might be an indication of incomplete impregnation of the biochar. The FeCl3 effluent had a very low pH. This can be a problem if the material is to be used in full-scale treatment system together with biological treatment for nitrogen that require a higher pH. The nitrogen removal filter showed a total nitrogen removal of 62 ± 16 % which is high compared to conventional onsite wastewater treatment systems. Batch adsorption and filter experiment confirms impregnated biochar as a promising replacement or addition to onsite wastewater treatment systems for phosphorus removal. However the removal of organic carbon (as chemical oxygen demand COD) in the filters was lower than expected and further investigation of organic carbon removal needs to be studied to see if these four biochars are suitable in real onsite wastewater treatment systems. / Många av Sveriges små avloppssystem är gamla och saknar tillräcklig rening av fosfor, kväve och organiskt material. Följden är förorenat grundvatten samt övergödning i hav, sjöar och vattendrag. Lösningar för att förbättra fosfor- och kvävereningen finns på marknaden men många har visat brister i rening och robusthet. Biokol är ett material som har föreslagits som ersättare till jord eller sand i mark och infiltrationsbäddar. Denna studie syftade till att i skak- och kolonnfilterexperiment jämföra fosforreduktion mellan tre modifierade biokol och ett obehandlat biokol. Modifieringen av biokolet innebar impregnering med järnklorid (FeCl3), kalciumoxid (CaO) samt blandning med Polonite som är en kommersiell produkt för fosforrening. För att undersöka förbättring av kväverening installerades även ett filter med obehandlat biokol där en vertikal aerob modul kombinerades med en efterföljande horisontell anaerob modul. Skakstudien där biokolen skakades i 3.3 mg/L fosforlösning visade att adsorptionen var högst i det CaO-impregnerade biokolet, 0.3 ± 0.03 mg/g. Den maximala potentiella fosforadsorptionen beräknades dock vara högst för biokolet som impregnerats med FeCl3, 3.21 ± 0.01 mg/g. Skakförsöket visade också att fosforadsorptionen var främst kemisk då adsorptionen passade bättre med pseudo andra ordningens modell än pseudo första. Adsorption av fosfor på obehandlat biokol och FeCl3 impregnerat biokol modellerades bäst med Langmuir modellen, vilket tyder på en homogen adsorption. Det Polonite-blandade biokolet och CaO-impregnerade biokolet modellerades bäst med Freundlich modellen vilket är en indikation på en heterogen adsorptionsprocess. Biokol impregnerat med CaO och FeCl3 gav de högsta totalfosforreduktionerna på 90 ± 8 % respektive 92 ± 4 %. Biokolet som var blandat med Polonite hade en reduktion på 65 ± 14 % och det obehandlade biokolet 43 ± 24 %. Ett problem med filtratet från CaO-filtret var att det fick en rödbrun färg samt en fällning vilket kan ha berott på ofullständig pyrolysering och impregnering. Filtratet från det FeCl3 impregnerade biokolet hade mycket lågt pH vilket kan vara problematiskt om mikrobiologisk tillväxt i filtret för rening av kväve och organiskt material vill uppnås. Filtret för kväverening gav en total kvävereduktion på 62 ± 16 % vilket är högre än kommersiella system. Resultaten från skak och filterstudien visade på att impregnerade biokol kan ge en förbättrad fosforrening om de skulle användas i små avloppssystem. Rening av organiskt material, kemisk syreförbrukning (COD), var dock låg i alla filter och behöver studeras ytterligare för att avgöra om dessa biokol är lämpliga för småskalig avloppsvattenrening.

This thesis analyses individual and societal relations to human excrement by looking at historical and contemporary examples of symbolics and management systems of human shit and piss. It furthermore connects urban culture to a particular type of perception of the meaning of human waste. End-of-pipe, large scale sewerage solutions for densely populated areas and cities are analysed for their historical origins and contemporary ramifications, and contrasted with examples of classical, mediaeval, early modern and contemporary times in different regions of Europe and India. The cases were presented in a non-chronological order to avoid simple narratives of progress. The focus is on questions of agricultural recycling of excrement and the relevance of human waste for public health issues. Analytical tools during the cross-temporal and cross-cultural case comparison are the categorisations of human excrement as e.g. waste, threat or resource, the technique of dualism-deterritorialisation and occasionally the Entanglement approach. Main results are that the large-scale introduction of sewerage systems in European cities around the world coincides with urbanisation and industrialisation, that pre-industrial dense settlement faced essentially the same excrement management challenges as modern cities do and that the stability of certain management systems has been severely influenced by factors such as power structures, paradigms of purity and piety as well as economic developments. The future relevance of this topic is seen in the predicted rise of urban regions worldwide, but especially in the developing world, a development which is expected to complicate human excrement management issues considerably.