Membrane bioreactors (MBR) combined with biological phosphorous treatment (Bio-P) has been investigated if that could be an alternative to the future expansion with conventional active sludge treatment at Lundåkra wastewater treatment plant (WWTP) in the proximity of Landskrona, Sweden.The results showed that the surface demand in the biological treatment will be reduced with 67% with the MBR-alternative compared to a conventional activated sludge process. The nutrient removal in the MBR-solution was decreased or unchanged for nitrogen-, phosphorous- and organic parameters. However, the energy demand will increase with an estimated cost of approximately 1 million SEK annually. Moreover, the extra chemical consumption is estimated to cost 370 000 SEK annually.The disturbances caused by filamentous bacteria such as sludge dispersal could be resolved with MBR-technology because the membranes are not affected by these organisms. The Bio-P process combined with MBR-technology works if the wastewater recirculates from the membranes to an aerobic zone.In the proposal, there will be a new pre-treatment step, for instance hole screens. In addition, there will be an introduction of chemical precipitation in the biological treatment, use the present post-precipitation basin with lamella sedimentation as an overflow wastewater treatment and transform one of the clarifiers into a side stream hydrolysis. The new MBR-design will consist of a new basin built between the clarifiers and the lamella sedimentation building. An extended study of the MBR-alternative with respect to sludge treatment and hydraulics is required before it can be shown if that is a better solution than a conventional activated sludge process.

<p>This master thesis in energy optimization was made during the autumn of 2006 at Käppala wastewater treatment plant in Lidingö, Stockholm. A preceding thesis, where all electricity consumption was mapped, showed that the aeration in the biological treatment is the single largest consumer in the plant, and it is therefore of interest to reduce this cost. The oxygen control strategy used at Käppala WWTP is working well from a nutrient removal point of view, but not from an economic one. The last aerobic zones have a very low oxygen consumption during low loading periods which give rise to enhanced dissolved oxygen concentrations with excessive costs and reduced denitrification as a result. But also during periods of normal loading unnecessary high oxygen concentration are sometimes given.</p><p>By modifying the aeration control strategy three full-scale experiments have been made, with the intention to reduce the air consumption. The experiments were carried out during week 37-50 in the autumn of 2006 and showed that savings could be made.</p><p>The regular oxygen control at Käppala WWTP controls the oxygen level in the aerobic compartment with two DO-setpoints; one in the first aerobic zone and one in the last. The zones in between are controlled by an airflow fractionation depending on the oxygen level in the first and last zone. In the first strategy to be evaluated, all four zones in the aerated part were individually controlled with its own setpoint. Two different setpoint combinations were tested. By using the fact that the efficiency in the oxygen transfer rate was higher at low airflows, savings of approximately 16 % were achieved. In the second strategy tested, an ammonia-feedback control combined with a DO-feedback controlled the DO-set point in the first aerobic zone. This strategy adjusted the DO- set points to the loading variations, and this gave a decreased airflow of approximately 9 %. Finally the two strategies were combined. All zones were then controlled individually with DO-set points set by an ammonium-feedback and a DO-feedback. The strategy gave savings in the airflow of approximately 18 %. In all three trials the aerated zones were more efficiently used, and the estimated savings are 550 000 SEK/year, and with a preserved nutrient removal efficiency.</p> / <p>Under hösten 2006 har ett examensarbete om energieffektivisering på Käppalaverket på Lidingö utförts. Ett föregående examensarbete där all elenergiförbrukning kartlades visade att blåsmaskinerna i biosteget står för den enskilt största förbrukningen i verket och det är därför av intresse att minska denna kostnad. Syrestyrningsstrategin som används på Käppalaverket fungerar mycket bra ur reningssynpunkt, men är inte optimal ur energisynpunkt. Dels luftas de första aeroba zonerna för mycket vid låg belastning vilket ger upphov till kraftigt förhöjda syrekoncentrationer i de sista aeroba zonerna med höga luftningskostnader och risk för försämrad denitrifikation, men även under normal belastning har det visat sig att onödigt höga syrekoncentrationer ibland ges.</p><p>Tre fullskaliga optimeringsförsök har utförts, med syfte att minska luftförbrukningen med bibehållen reningsgrad. Försöken pågick från vecka 37 till 50 hösten 2006, och visade att det finns möjlighet att spara energi genom att modifiera syrestyrningsstrategin.</p><p>Den reguljära syreregleringen i Käppalaverket styr syrehalten i den aeroba bassängen mot två syrebörvärden; ett i den första luftade zonen och ett i den sista. Luftflödet till de mellanliggande zonerna styrs av luftflödesandelar beroende på syrehalten i dessa två zoner. Den första strategin som utvärderades styrde istället samtliga zoner individuellt med egna börvärden, där två olika strukturer på de satta börvärdena användes. Genom att utnyttja en högre effektivitet i syreöverföringshastigheten vid låga luftflöden uppnåddes luftflödesbesparingar på ca 16 % i första försöket.</p><p>I den andra strategin styrdes syrebörvärdet i den första luftade zonen med hjälp av två återkopplingar, en från utgående ammoniumhalt och en från syrehalten i den sista luftade zonen.</p><p>Tack vare att strategin anpassade syrebörvärdena efter belastningen av syretärande ämnen erhölls luftflödesbesparingar på ca 9 %. Slutligen kombinerades de två strategierna; samtliga zoner styrdes individuellt med börvärden satta av en ammonium-återkoppling och en syre-återkoppling. Strategin medförde luftflödesbesparingar på ca 18 %. I samtliga försök utnyttjades de luftade zonerna bättre, och besparingspotentialen uträknad från 2005 års elpriser blev som mest 550 000 SEK/år, detta med en bibehållen reningsgrad.</p>

I Sverige förekommer strikta krav på fosforrening av avloppsvatten och detta har bidragit till att kemisk fällning har kommit att dominera som reningsmetod för fosfor vid svenska avloppsreningsverk. Fällningskemikalier är dyrt för reningsverken att köpa in och ger negativ påverkan på miljön vid tillverkning och transport. Strängare reningskrav har ökat behovet av nya reningsmetoder som på ett effektivt och miljövänligt sätt kan rena avloppsvatten från näringsämnen utan att kostnaderna för reningen blir för stora. Biologisk fosforavskiljning (bio-P) utnyttjar mikroorganismer som naturligt kan ackumulera fosfor i sina celler. En kritisk faktor för en väl fungerande biologisk fosforavskiljning är tillgången till kolkälla i form av flyktiga fettsyror (VFA). Kommunalt avloppsvatten innehåller vanligen för lite VFA för att tillgodose bio-P-processens behov. Den totala tillgången på organiskt material i avloppsvattnet är dock ofta stor och möjligheten finns därmed att genom biologisk slamhydrolys internt producera VFA. Vid biologisk hydrolys av slam utnyttjas mikroorganismers naturliga förmåga att under anaeroba förhållanden bryta ned organiskt material till mer lättomsättliga föreningar. Duvbackens avloppsreningsverk i Gävle tillämpar biologisk fosforavskiljning och producerar VFA till bio-P-processen genom primärslamshydrolys och sidoströmshydrolys av returslam. I detta examensarbete har hydrolysprocesserna vid reningsverket utvärderats med avseende på processernas förmåga att producera VFA till det biologiska reningssteget. Utvärderingen gjordes genom att mäta förändringen i halten organiskt material över hydrolysbassängerna samt genom att bedöma effektiviteten i bio-P-processen i fullskala och vid labskaleförsök. Möjligheten att stänga av primärslamshydrolysen vid verket undersöktes. Ett försök till att optimera driften av sidoströmshydrolysen gjordes genom att utföra hydrolysförsök i laboratorieskala. Resultaten indikerade att produktionen av VFA i primärslamshydrolysen var begränsad och att processen därmed bör kunna stängas av. Innan detta görs bör dock kompletterande mätningar av halten löst COD över primärslamshydrolysen utföras. Vid samtliga mättillfällen uppmättes en betydande ökning i halten organiskt material över sidoströmshydrolysen. Baserat på detta och den i examensarbetet konstaterade effektiviteten i bio-P-processen drogs slutsatsen att sidoströmshydrolysprocessen vid Duvbackens reningsverk var välfungerande. Hydrolysförsöken pekade på att ett större utbyte av VFA skulle erhållas om en kortare uppehållstid än den nuvarande användes i sidoströmshydrolysen. Detta bör vidare undersökas genom fullskaleförsök vid verket. / The strong regulations concerning phosphorus removal from wastewater in Sweden has resulted in chemical precipitation being the most common treatment method for phosphorus at Swedish wastewater treatment plants (WWTP). Precipitation chemicals are expensive and have a negative environmental impact when produced and transported. More stringent wastewater treatment requirements have increased the need of new, eco-friendly treatment methods that effectively can remove nutrients from wastewater without being too expensive. Enhanced biological phosphorus removal (EBPR) utilizes microorganisms that have the natural capability of accumulating phosphorus in their cells. A critical factor for a well-functioning EBPR-process is the availability of carbon source in form of volatile fatty acids (VFA). Municipal wastewater normally contains too small amounts of VFA to satisfy the need of the EBPR-process. The total amount of organic matter in the wastewater is on the other hand large and the possibility consequently exists to internally produce VFA through sludge hydrolysis. Biological sludge hydrolysis takes advantage of the natural capability of microorganisms to degrade complex organic compounds into easily degradable organics. Duvbacken WWTP in Gävle uses EBRP for phosphorus removal and produces carbon source through hydrolysis of primary sludge and sidestream hydrolysis of return sludge. In this master thesis the hydrolysis processes at the WWTP was evaluated with regard to the capacity of the processes to produce VFA to the biological treatment step. The evaluation was performed by measuring the change in organic material content over the hydrolysis basins and by estimating the effectiveness of the EBPR-process in full scale and by laboratory experiments. The possibility to turn off the primary sludge hydrolysis process was examined. An attempt to optimize the operation of the sidestream hydrolysis process was made by conducting hydrolysis experiments in laboratory scale. The results indicated that the production of VFA by primary sludge hydrolysis was limited and that it thus would be possible to turn off the process. Before this is done complementary measurements of COD levels over the primary hydrolysis basin should be performed. At all times considerable increments in COD content was measured over the sidestream hydrolysis basin. Based on this and the in the thesis confirmed effectiveness of the EBRP-process the conclusion was drawn that the sidestream hydrolysis of return sludge at Duvbacken WWTP was well functioning. The hydrolysis experiments indicated that a larger VFA yield would be obtained if a shorter retention time than the present was used in the sidestream hydrolysis process. This should further be investigated by experiments in full scale at the WWTP.

This master thesis in energy optimization was made during the autumn of 2006 at Käppala wastewater treatment plant in Lidingö, Stockholm. A preceding thesis, where all electricity consumption was mapped, showed that the aeration in the biological treatment is the single largest consumer in the plant, and it is therefore of interest to reduce this cost. The oxygen control strategy used at Käppala WWTP is working well from a nutrient removal point of view, but not from an economic one. The last aerobic zones have a very low oxygen consumption during low loading periods which give rise to enhanced dissolved oxygen concentrations with excessive costs and reduced denitrification as a result. But also during periods of normal loading unnecessary high oxygen concentration are sometimes given. By modifying the aeration control strategy three full-scale experiments have been made, with the intention to reduce the air consumption. The experiments were carried out during week 37-50 in the autumn of 2006 and showed that savings could be made. The regular oxygen control at Käppala WWTP controls the oxygen level in the aerobic compartment with two DO-setpoints; one in the first aerobic zone and one in the last. The zones in between are controlled by an airflow fractionation depending on the oxygen level in the first and last zone. In the first strategy to be evaluated, all four zones in the aerated part were individually controlled with its own setpoint. Two different setpoint combinations were tested. By using the fact that the efficiency in the oxygen transfer rate was higher at low airflows, savings of approximately 16 % were achieved. In the second strategy tested, an ammonia-feedback control combined with a DO-feedback controlled the DO-set point in the first aerobic zone. This strategy adjusted the DO- set points to the loading variations, and this gave a decreased airflow of approximately 9 %. Finally the two strategies were combined. All zones were then controlled individually with DO-set points set by an ammonium-feedback and a DO-feedback. The strategy gave savings in the airflow of approximately 18 %. In all three trials the aerated zones were more efficiently used, and the estimated savings are 550 000 SEK/year, and with a preserved nutrient removal efficiency. / Under hösten 2006 har ett examensarbete om energieffektivisering på Käppalaverket på Lidingö utförts. Ett föregående examensarbete där all elenergiförbrukning kartlades visade att blåsmaskinerna i biosteget står för den enskilt största förbrukningen i verket och det är därför av intresse att minska denna kostnad. Syrestyrningsstrategin som används på Käppalaverket fungerar mycket bra ur reningssynpunkt, men är inte optimal ur energisynpunkt. Dels luftas de första aeroba zonerna för mycket vid låg belastning vilket ger upphov till kraftigt förhöjda syrekoncentrationer i de sista aeroba zonerna med höga luftningskostnader och risk för försämrad denitrifikation, men även under normal belastning har det visat sig att onödigt höga syrekoncentrationer ibland ges. Tre fullskaliga optimeringsförsök har utförts, med syfte att minska luftförbrukningen med bibehållen reningsgrad. Försöken pågick från vecka 37 till 50 hösten 2006, och visade att det finns möjlighet att spara energi genom att modifiera syrestyrningsstrategin. Den reguljära syreregleringen i Käppalaverket styr syrehalten i den aeroba bassängen mot två syrebörvärden; ett i den första luftade zonen och ett i den sista. Luftflödet till de mellanliggande zonerna styrs av luftflödesandelar beroende på syrehalten i dessa två zoner. Den första strategin som utvärderades styrde istället samtliga zoner individuellt med egna börvärden, där två olika strukturer på de satta börvärdena användes. Genom att utnyttja en högre effektivitet i syreöverföringshastigheten vid låga luftflöden uppnåddes luftflödesbesparingar på ca 16 % i första försöket. I den andra strategin styrdes syrebörvärdet i den första luftade zonen med hjälp av två återkopplingar, en från utgående ammoniumhalt och en från syrehalten i den sista luftade zonen. Tack vare att strategin anpassade syrebörvärdena efter belastningen av syretärande ämnen erhölls luftflödesbesparingar på ca 9 %. Slutligen kombinerades de två strategierna; samtliga zoner styrdes individuellt med börvärden satta av en ammonium-återkoppling och en syre-återkoppling. Strategin medförde luftflödesbesparingar på ca 18 %. I samtliga försök utnyttjades de luftade zonerna bättre, och besparingspotentialen uträknad från 2005 års elpriser blev som mest 550 000 SEK/år, detta med en bibehållen reningsgrad.