Förbättring av kvävereduktionsprocessen på avloppsreningsverket Lucerna under WTOS-styrningJonas Wenström Övergödning av sjöar och hav är idag ett stort miljöproblem vilket samhället bidrar till genom sitt utsläpp av bland annat kväve. Därför har Sverige genom Baltic Sea Action Plan åtagit sig att minska sin belastning på Östersjön från reningsverk med 3000 ton kväve årligen fram till 2021. Om- och utbyggnader av reningsverk kommer att krävas, men en viss förbättring av reningen kan uppnås genom optimering av befintliga processer. Avloppsreningsverket Lucerna i Västervik hade tidigare problem att uppnå tillräcklig kväverening, men sedan processtyrningssystemet WTOS implementerades 2010 klaras kraven. Efter att WTOS implementerats sker luftningen intermittent i verkets aktivslamsteg, i vilken en biologisk rening sker. För att utreda om kvävereningen ytterligare kunde förbättras utfördes denna studie med huvudmålet att lämna förslag på hur kvävereningen kunde förbättras i verkets aktivslamprocess. Vid sidan av huvudmålet undersöktes även hur energiförbrukningen kunde minskas. Med simuleringar i Benchmark Simulation Modell nr 1, där en modell anpassades efter aktivslamsteget på Lucernaverket, utreddes fyra olika driftomställningar för att uppnå en bättre kvävereduktion. Som en kompletterande studie utfördes även fullskaleförsök, i en av två linjer i aktivslamsteget, för två typer av driftomställningar. Från resultatet av studien rekommenderas att driften av aktivslamsteget under sommarförhållanden använder en fördenitrifikation och en förlängd tid för denitrifikationsfasen samt att lägre syrebörvärden jämfört med vad som används i dagens drift utvärderas. Under vinterförhållanden rekommenderas en användning av en förlängd tid för denitrifikationsfasen samt att en stegbeskickning utvärderas i en av aktivslamlinjerna. Utöver driftomställningarna stödjs även att en investering görs för att hela aktivslamsteget ska ha en mekanisk omblandning. Om de rekommenderade driftomställningarna utförs förväntas en förbättring av kvävereduktionen i aktivslamsteget. Alla driftomställningarna förväntas även leda till en minskad energiförbrukning för luftningen på verket.

The most common type of nitrogen removal in wastewater treatment plant is to use abiological treatment. When biological treatment is used, the two most common processes fornitrogen removal is pre and post denitrification. In the biological treatment A (BA) atKungsängsverket the nitrogen removal process used is intermittent aeration. Whenintermittent aeration is used, the wastewater is aerated at specific time intervals. This allowsboth nitrification and denitrification to occur in the same water volumes. It is of great interestto find a control strategy for controlling the air supply which is both cost effective and leadsto low emissions of nitrogen. The aim of this project was to improve the intermittent aeration at Kungsängsverket, Uppsala.The project was divided into two parts. The first part consisted of experiments carried out infull scale on the plant and the second part was a simulation study. In the experimental partdifferent time intervals for aeration were evaluated. The aim of the simulation part was toevaluate different control parameters and to find which parameters that should be used for anoptimal control strategy. The results showed that the best combination of aerated time and un-aerated time is 50minutes aerated and 50 minutes unaerated. It is recommended that the wastewater should beadded in the beginning and after half of the plant. The simulation results showed that thecontrol strategy can be improved by using a PI-regulator. The experiments and thesimulations both showed clear signs of variations in the inflow during the day. Because of thisit is recommended to establish a control strategy which easily can change the aeration timedepending on low and high flows. / Biologisk rening av avloppsvatten är den vanligaste typen av kväverening vidavloppsreningsverk. Bioblock A, Kungsängsverket Uppsala, har efter en renovering fått dettidigare driftsättet, kaskadkväverening, utbytt mot intermittent luftning. Intermittent luftninginnebär att nitrifikation och denitrifikation sker i samma zoner. Luftningen startas och stängsav med jämna tidsintervall vilket skapar en miljö för både nitrifikation och denitrifikation. Detär av stort intresse att finna en fungerande styrstrategi för luftningen som både ärkostnadseffektiv och som ger låga halter av kväve i utgående vatten. Syftet med examensarbetet var att effektivisera den intermittenta luftningen vid bioblock Avid Kungsängsverket, Uppsala. Tillvägagångsättet var att genom en utvärdering av detnuvarande driftsättet se vad som kunde förbättras. Det ställdes därefter upp ett antal försöksom var inriktade på att finna bättre driftparametrar. Dessa experiment genomfördes ifullskala. Därefter genomfördes en simuleringsstudie där dagens relästyrning jämfördes medtre regleralternativ. Det första alternativet var att reglera luftningen med hjälp av en PIregulator.De andra två alternativen var att styra luftningsperioderna efter utgåendeammonium-respektive nitrathalt. Fullskaleförsöken indikerade att luftning påslagen i 50 minuter följt av avslagen i 50 minutergav den högsta kvävereduktionen av de undersökta alternativen. Bioblock A är uppdelad ifem olika linjer vilka i sin tur är uppdelade i zoner. Utifrån försöken kan det rekommenderasatt avloppsvattnet tillsätts till första zonen och efter hälften av linjen, istället för som vid dennuvarande driften då vattnet tillsätts efter en fjärdedel och efter hälften av linjen. Simuleringsstudien visade att om dagens relästyrning byttes ut mot en PI-regulator skullesyretopparna minskas och syrehalten stabiliseras vid det förinställda börvärdet. Resultatenfrån både simuleringsstudien och fullskaleförsöken visar att en tidsstyrning avluftningsperioderna är av intresse för att spara energi och få en bättre kväverening.

Les installations d'épuration des eaux usées sont des systèmes de grande dimension, non linéaires, sujets à des perturbations importantes en flux et en charge. Une commande prédictive (MPC) a été appliquée au Benchmark BSM1 qui est un environnement de simulation qui définit une installation d'épuration. Une identification en boucle ouverte d'une station d'épuration d'eaux usées a été réalisée pour déterminer un modèle linéaire en se basant sur un ensemble de mesures entrée sortie du Benchmark BSM1. Les réponses indicielles en boucle ouverte ont été obtenues à partir de variation échelon des entrées autour de leurs valeurs stationnaires. Le modèle tient compte des non-linéarités à travers des paramètres variables. Les réponses indicielles obtenues permettent de déterminer par optimisation les fonctions de transfert continues correspondantes. Ces fonctions de transfert peuvent être regroupées en cinq modèles mathématiques. Des fonctions de transfert continues de premier ordre, de premier ordre avec un intégrateur, des réponses inverses, de second ordre et de second ordre avec zéro représentant les réponses indicielles ont été identifiées. Les valeurs numériques des coefficients de chaque modèle choisi ont été calculées par un critère des moindres carrés. La commande prédictive (MPC) utilise le modèle obtenu comme un modèle interne pour commander le procédé. Deux stratégies de la commande prédictive DMC et QDMC d'une station d'épuration avec ou sans compensation par anticipation ont été testées. La commande par anticipation est utilisée pour réduire l'effet de deux perturbations mesurées, le débit entrant et la concentration entrante en ammonium, sur le système / Wastewater treatment processes are large scale, non linear systems, submitted to important disturbances of influent flow rate and load. Model predictive control (MPC) widely used industrial technique for advanced multivariable control, has been applied to the Benchmark Simulation Model 1 (BSM1) simulation benchmark of wastewater treatment process. An open loop identification method has been developed to determine a linear model for a set of input-output measurements of the process. All the step responses have been obtained in open loop from step variations of the manipulated inputs and measured disturbances around their steady state values. The non-linearities of the model are taken into account by variable parameters. The step responses coefficient obtained make it possible to determine by optimization the corresponding transfer functions. That functions are classified by five mathematical models, such as : first order, first order with integrator, inverse response, second order and second order with zero. The numerical values of coefficients of each model selected were calculated using a least squares criterion. Model predictive control (MPC) uses the resulting model as an internal model to control the process. Dynamic matrix control DMC and quadratic dynamic matrix control QDMC predictive control strategies, in the absence and presence of feedforward compensation, have been tested. Two measured disturbances have been used for feedforward control, the influent flow rate and ammonium concentration

Within this study it was investigated how much energy and money that could be saved by implementing new aeration equipment and aeration control in Sternö wastewater treatment plant (WWTP). Sternö WWTP is a full-scale plant built in 1997 and dimensioned for 26 000 population equivalents. The plant has two parallel biological treatment lines with pre-denitrification. During the study, one of the treatment lines was used as a test line, where new aeration equipment and control was implemented. The other line was used as a reference line, where the aeration equipment and control was maintained as before. The new aeration equipment that was implemented to support the test line was an AtlasCopco screw blower, fine bubble Sanitaire low pressure diffusers and measurement equipment. Two control strategies were tested: oxygen control and ammonium control. The results show that 35 percentage points of the test line energy consumption was reduced with the new screw blower. The diffusers saved another 21 percentage points and by fine tuning the controllers, the oxygen concentrations and the air pressure a further 9 percentage points could be saved. The ammonium control gave no energy savings, since the lowest allowed DO set-point (0.7 mg L-1) kept effluent ammonium below the ammonium set-point of 1 mg L-1.  The final energy savings of the test line was 65 ± 2 %. Each aeration equipment upgrade increased the energy savings with: •    Blower 35 %. •    Diffusers 32 %. •    Oxygen control with decreased DO concentrations and air pressure 21 %. The final savings correspond to 13 % of the total energy consumption of Sternö WWTP. These savings are equivalent to annual savings of 178 MWh, which decreases the energy costs by 200 000 SEK per year. The payback period of the implemented aeration equipment and control was 3.7 years. / I denna studie har det undersökts hur mycket energi och pengar som kan sparas genom att installera ny luftningsutrusning och luftningsreglering i Sternö avloppsreningsverk. Reningsverket är beläget i Karlshamn och dimensionerat för 26 000 personekvivalenter. Den biologiska reningen är uppdelad på två parallella reningslinjer, där den ena användes till försök och den andra som referenslinje i denna studie. Den biologiska reningen utgörs av en konventionell aktivslamprocess med fördenitrifikation. Studien innefattade en simulering där två olika reglerstrategier för luftningen jämfördes. Simuleringen gjordes i programmet Benchmark Simulation Model no 1 och modellen anpassades för att efterlikna Sternö reningsverk på bästa sätt. De två reglerstrategierna för luftningen utgjordes av luftstyrning baserad på syrekoncentration i bioreaktorerna och luftstyrning baserad på utgående ammoniumkoncentration från bioreaktorerna. Simuleringen visade att energibesparingen från ammoniumreglering jämfört med en syrereglering är liten. Fördelen med ammoniumreglering är istället att den önskade reningsgraden lättare kan uppfyllas över året, trots varierande temperatur. Vid fullskaleförsök vid försökslinjen installerades ny luftningsutrustning (AtlasCopco blåsmaskin med skruvteknologi, Sanitaire småbubbliga diffusorer, samt mätnings-utrustning) och ny luftstyrning. Två luftstyrningsstrategier testades: syrereglering och ammoniumreglering. Resultaten visade att blåsmaskinen gav en energibesparing på 35 procentenheter, att diffusorerna gav en energibesparing på 21 procentenheter och att fininställd syrereglering tillsammans med sänkta syre- och lufttrycksnivåer gav en sänkning på 9 procentenheter. Ammoniumregleringen gav ingen energibesparing eftersom den lägst tillåtna syrekoncentrationen (0,7 mg L-1) höll ammonium-koncentrationen under sitt börvärde på 1 mg L-1. Den slutliga energibesparingen för testlinjen var 65 ± 2 %. Varje luftningsutrustning bidrog med följande energibesparing: •    Blåsmaskin 35 %. •    Diffusorer 32 %. •    Ny syrereglering med sänkta syre- och lufttrycksnivåer 21 %. Den slutliga energibesparingen i testlinjen motsvarar 13 % av Sternö reningsverks totala energiförbrukning, vilket gör att 178 MWh kan sparas per år. Den minskade energi-förbrukningen sänker energikostnaden för reningsverket med 200 000 SEK per år. Återbetalningstiden på den till försökslinjen installerade utrustningen var 3,7 år.

Avloppsreningsverk står inför uppgiften att rena inkommande vatten för att möta lagstiftade gränsvärden till en så låg kostnad som möjligt. Att syresätta biologiska reningsprocesser är kostsamt eftersom luftningsanordningen förbrukar mycket energi. Ungefär en femtedel av Himmerfjärdsverkets totala elenergiförbrukning går till luftning av biologiska processer. För att öka Himmerfjärdsverkets energieffektivitet startades under 2010 experiment med olika strategier för luftflödesstyrning. En av verkets nitrifikationsbassänger byggdes då om för att möjliggöra zonvis reglering av syrehalten. Syftet med denna studie var att utvärdera reglering med ammoniumåterkoppling och syrehaltsprofil för styrning av Himmerfjärdsverkets nitrifikationsprocess. Utvärderingen baserades på reningsresultat och energiförbrukning. Med nuvarande reglerstrategi varieras luftningen genom återkoppling från syrehalten i den andra av sex zoner i varje luftad bassäng. Denna reglering medför att det uppstår ett överskott av syre i slutet av bassängerna. Det finns således potential att spara energi om luftningen kan regleras så att syreöverskott undviks. Modellsimuleringar i Benchmark Simulation Model no. 1 (BSM1) användes för att jämföra snabb och långsam ammoniumåterkoppling samt olika typer av syrehaltsprofiler inför försök i full skala. Modellen byggdes om och kalibrerades för att efterlikna Himmerfjärdsverkets process. Strategierna utvärderades för två scenarier; ett utan några övre begränsningar för luftningen och ett där Himmerfjärdsverkets luftflödesbegränsningar simulerades. Resultatet från simuleringarna visade att långsam ammoniumåterkoppling var den mest energieffektiva reglerstrategin i båda scenarierna. Resultatet visade även att det var möjligt att minska syretoppar genom en stigande syrehaltsprofil längs med bassängens flödesriktning. Genom fullskaleförsök utvärderades syrehaltsprofil och ammoniumåterkoppling. Resultatet visade att ammoniumåterkoppling var den reglerstrategi som förbrukade minst luft per mängd avskiljt ammoniumkväve och jämfört med ursprunglig reglering erhölls en 16 % lägre energiförbrukning. / Wastewater treatment plants (WWTP) have the challenging task to treat incoming water in order to meet the discharge limits at the lowest possible cost. Aeration of biological treatment processes is one of the most energy consuming posts at a WWTP. At Himmerfjärden WWTP approximately one fifth of the total electric energy consumption is used for aeration of biological processes. With the purpose of making Himmerfjärden WWTP more energy efficient full-scale experiments with different aeration control strategies started in 2010. In one of the aerated tanks a new control system was installed in order to allow zonewise control of the dissolved oxygen (DO). The objective of this master thesis was to evaluate ammonium feedback control and DO-profile control at Himmerfjärden WWTP. The evaluation was made with regard to effluent quality and aeration needs. With the original control strategy aeration is varied to maintain a constant concentration of dissolved oxygen in the second of six zones in each aerated tank. With this control strategy oxygen peaks occur in the last zones of the aerated tank. Thus, there is potential to save energy if these oxygen peaks can be avoided. Simulations were carried out in the Benchmark Simulation Model no. 1 (BSM1) where fast and slow ammonium feedback control and different DO-profiles were evaluated. The model was modified and calibrated to resemble the process at Himmerfjärden WWTP. The simulations showed that the slow ammonium feedback control was the most energy-efficient strategy. The results also showed that it was possible to reduce oxygen peaks by increasing the oxygen set-point along the aerated tank, e.g. an increasing DO-profile. The full-scale experiments included ammonium feedback control and DO-profile control. The results show that ammonium feedback control needed less airflow per amount ammonium removed, compared to both the DO-profile and the original control strategy, with a 16 % lower energy consumption compared to the original control strategy.

På Käppalaverket i Stockholm står luftningen av de biologiska bassängerna för omkring en femtedel av verkets totala elenergiförbrukning. I ett försök att minska energikostnaden utvärderades under hösten 2010 nya metoder för luftflödesreglering på verket. Grundtanken var att styra luftflödet efter medelvärdet på utgående ammoniumkoncentration under en längre tid, istället för som idag efter momentana värden. Ett vanligt sätt att styra luftflöden på reningsverk idag är att använda återkoppling från utgående ammoniumkoncentration, vilket syftar till att alltid hålla den utgående koncentrationen vid ett valt börvärde. Lagstiftade gränsvärden på ammonium avser dock normalt medelvärden över en längre tid, såsom kvartal eller år. Istället för att anpassa luftflödet efter den inkommande belastningen är det därför möjligt att hålla luftflödet relativt konstant medan istället den utgående koncentrationen tillåts variera. I denna studie visades en energibesparing kunna erhållas om luftflödets variation reduceras. Två strategier utvärderades i vilka luftflödet respektive syrehalten hölls så konstant som möjligt. Dessa jämfördes med den idag använda styrstrategin på Käppalaverket, i vilken luftflödet anpassas efter den inkommande belastningen genom återkoppling. Studien inkluderade både simuleringar i modellen Benchmark Simulation Model no. 1 och fullskaleförsök på Käppalaverket. I både simuleringar och fullskaleförsök resulterade de två utvärderade strategierna i en lägre luftförbrukning per reningsgrad än den idag använda återkopplingsstrategin. I fullskaleförsöken erhölls en luftflödesreduktion på 11 % då luftflödet hölls konstant och 15 % då syrehalten hölls konstant. Båda strategierna genererade dock en kraftigt varierande utgående ammoniumkoncentration. Variationerna var störst då luftflödet hölls konstant och korrelerade inte med den dygnsbaserade belastningsprofilen. Sammanfattningsvis visade studien att en reducering av luftflödets variation resulterar i en lägre luftförbrukning men också i en ökad instabilitet. En konstant syrehalt gav en större energivinst och även en stabilare ammoniumreduktion än ett konstant luftflöde, varför denna metod har störst potential till vidare implementering i fullskala. / The aeration of the bioreactors is responsible for one fifth of the energy consumption at the Käppala wastewater treatment plant (WWTP) in Stockholm. In this report, new methods for aeration control were evaluated in order to reduce the energy costs at the plant. The main idea was to control the effluent ammonia concentration in terms of mean values instead of momentary values. A quite common approach for aeration control is to use feedback from the effluent ammonia concentration, thus aiming to keep the effluent concentration consistently at a certain set point. However, discharge limits normally refer to mean values over longer periods of time, such as months or years. Instead of adjusting the airflow to the incoming load it is therefore possible the keep the airflow fairly constant while allowing a fluctuating effluent concentration. In this paper, it was shown that by reducing the variation of the airflow, energy could be saved. Two methods were evaluated in which the airflow and oxygen concentration respectively was held constant. These methods were compared to the control strategy used today at the Käppala WWTP, where feedback control adjusts the airflow to the influent load. The study consisted of simulations with the Benchmark simulation model no. 1 (BSM1) as well as full scale experiments at the Käppala WWTP. Both the simulations and full scale experiments showed a reduced aeration per nutrient removal for the evaluated methods. In full scale, the total airflow reduction was 11 % when the airflow was held constant and 15 % when the oxygen concentration was held constant. However, the methods resulted in large variations of the effluent ammonia concentration, which did not correlate to the daily influent load. The variations were especially large when the airflow was held constant. In summary, this study showed that a reduced airflow variation results in lower aeration costs but also less stability. A constant oxygen concentration required less aeration and provided a more stable degree of ammonia removal than a constant airflow. For this reason, aeration control with a constant oxygen concentration has the best potential for further use at the Käppala WWTP.

Une méthode miniaturisée de fractionnement de la Demande Chimique en Oxygène (DCO) dans les eaux usées a été développée pour vérifier une possible variabilité à court terme de ce fractionnement et son influence sur le comportement des installations d’épuration par boues activées. Des tests de biodégradabilité, en réacteur fermé, ont été effectués avec des échantillons moyens horaires de temps sec (24h) provenant de deux stations d’épuration urbaines. Les analyses réalisées ont concerné la DCO totale et soluble, la Demande Biologique en Oxygène, les matières sèches et en suspension, l’ammonium et ont été complétées par des analyses spectrales (UV-visible et fluorescence). Globalement, en accord avec les données de la littérature, les fractions biodégradables sont les plus importantes en terme de concentration. Une variabilité journalière du fractionnement a été observée, sans qu’il soit possible de dégager des tendances particulières indiquant la prééminence de telle ou telle fraction. L’effet de la variabilité du fractionnement a été testé en boucle ouverte en utilisant un schéma classique d’épuration du carbone et de l’azote dans un simulateur de référence, le Benchmark Simulation Model 1. Les simulations ont permis de vérifier l’importance de la variabilité du fractionnement de la DCO sur une station d’épuration. Les concentrations en DCO dans l’effluent sont affectées par le rapport entre la fraction biodégradable et inerte, mais restent dans une limite acceptable par rapport aux normes de rejet. La situation est différente et plus délicate pour les rejets en matières azotées car ils sont proches des limites fixées par la réglementation / A miniaturized method has been developed for the fractionation of Chemical Oxygen Demand (COD) in wastewater in order to assess its variability and its effects on the behaviour of wastewater treatment plants by activated sludge. Biodegradability tests have been performed in batch reactor on daily composite samples grabbed by dry weather with a 1h sampling interval. The method has been applied on samples from two urban wastewater treatment plants. The samples were analysed for total and soluble COD, Biological Oxygen Demand, turbidity, total suspended solids and N-NH3. UV-visible and fluorescence spectra have also been collected. It has been observed, as in literature, that the biodegradable fractions are the most significant ones in terms of concentration. A variability of the fractionation during the day has been observed, although it was not possible to determine definite tendencies for particular fractions. In order to evaluate the effect of the variability of the fractionation, the Benchmark Simulation Model n°1 has been used. The sensibility analysis has been performed in open loop. The simulations allowed verifying the impact of the variability of the fractionation on a treatment plant based on a classical setup for the treatment of carbon and nitrogen. The COD concentrations of the plant effluent are affected by the ratio between the biodegradable fraction and the non-biodegradable one, although staying in an acceptable limit according to the discharge limits. The same is not true for the nitrogen, which are close to these limits