In conventional wastewater treatment plants, methanol, ethanol, and acetate are used as carbon source for the denitrification process in the biological nutrient removal. However, growing concern regarding economical costs and carbon footprints from the fossil-based production of these chemicals have forced the companies to look for other alternatives. VFAs have shown a great potential in replacing the conventionally used carbon sources. If implemented this will result in lower chemical cost and a drastic decrease in carbon footprint as well as striving WWTPs towards sustainable development. In this work denitrification has been analysed using different variations of VFAs such as fermented potato protein liquor, food waste and chicken manure VFA. This was done using a basic laboratory setup of a denitrification reactor which used basic stirring agitation and nitrogen purging to ensure anoxic conditions. Nutrients and excess sCOD were added to ensure the highest denitrification rates. The denitrifying biomass was collected at Gryaab AB in the form of k1-carriers making this process a MBBR. The most influential characteristic of the VFAs is the distribution of the acids in the VFA effluent. Butyric acid along with caproic acid showed the best potential for efficient denitrification. The possibility of concentration of VFA effluent showed a high potential when using a nanofiltration system. A C/N ratio of 4.5 conventionally used when methanol is added showed to be the most optimal condition for VFA addition. The combination of VFAs together with conventional used carbon sources showed the best potential in denitrification efficiency proving to be as good or even better than pure synthetic ones. VFAs effluents showed the best potential in removing the intermediate nitrite from the wastewater at high rates. Overall, VFAs shown a great potential for replacing conventionally used carbon sources, demonstrating the potential of substitution, which if implemented will result in lower carbon footprint and a strive towards sustainable development.

Under de senaste 30 åren så har antalet massa- och pappersbruk minskat medan den totala produktionen av massa och papper har ökat. En högre produktion per bruk tillsammans med en hårdare miljölagstiftning, sätter ett högre tryck på vattenreningen på varje bruk. I flera massa- och pappersbruk så är vattenreningen en av faktorerna som begränsar produktionen av massa och papper. Dessutom så renas oftast restvattnet från massa- och pappersbruken med aerob rening som kräver mycket elektricitet och som producerar slam. För att minska kostnaden av vattenreningen och för att öka kapaciteten, så kan en anaerob vattenrening användas före den aeroba reningen. Fördelar med att ha en anaerob rening före den aeroba reningen är att den minskar belastningen av organiskt material på den aeroba reningen, värdefull biogas produceras, anaerob rening producerar mindre slam och kräver mindre elektricitet. Däremot så innehåller restvattnet från massa- och pappersbruk en hög halt av sulfat, vilket har orsakat en instabil biogasproduktion på flera existerande anläggningar. En potentiell lösning på detta är att använda en ytterligare anaerob reaktor före den biogasproducerande reaktorn, med syftet att reducera sulfat. Syftet med detta projekt var att optimera en anaerob två-stegs process för att få en effektiv biogasproduktion och för en stabil process. I projektet har två upp-flöde anaerob packad bädd (UAPB) reaktorer använts. Den första reaktorn var anrikad med sulfatreducerande bakterier före starten av projektet och den andra reaktorn innehöll metanogener. Processvatten från ett massa- och pappersbruk som använder barrträd som råmaterial och gör termomekanisk massa, användes i projektet. Den anaeroba två-stegs processen optimerades genom att minska retentionstiden i båda reaktorerna; genom att undersöka alternativ för att minska sulfidkoncentrationen i inflödet till biogasreaktorn; och genom att minska tillsatsen av näringsämnen till processvattnet. Stabiliteten av två-stegsprocessen mättes genom att analysera sulfat, sulfid och COD innehållet med spektrofotometri; genom att analysera pH; genom att analysera innehållet av metan i biogasen med gaskromatografi; och genom att analysera flyktiga fettsyror i utflödet med högtrycksvätskekromatografi. Resultaten visade att processen var stabil när retentionstiden för den sulfatreducerande reaktorn och biogasreaktorn var 0.3 dagar respektive 1.5 dagar. Effektiviteten av borttagningen av sulfat och COD i den sulfatreducerande reaktorn var 82% respektive 31%. Innehållet av metan i biogasen i den sulfatreducerande reaktorn var 53% i genomsnitt. I biogasreaktorn var borttagningen av COD 32% och metanhalten i biogasen var 31% i genomsnitt. Den totala borttagningen av COD för tvåstegsprocessen var 61%, när reaktorerna var kopplade via en uppsamlingsflaska. Biometanpotentialen i processvattnet och i utflödet från den sulfatreducerande reaktorn var 147 NmL CH4/g VS respektive 47 NmL CH4/g VS. Slutsatsen av projektet är att processen var stabil när retentionstiden för den sulfatreducerande reaktorn och biogasreaktorn var 0.3 dagar respektive 1.5 dagar, motiverat med stabiliteten av borttagning av sulfat och COD. Däremot var metanpotentialen för utflödet från den sulfatreducerande reaktorn bara 32% jämfört med processvattnet och nedbrytbarheten av COD var lägre i utflödet än i processvattnet. Eftersom den sulfatreducerande reaktorn var stabil vid de testade förhållandena så skulle det vara intressant att testa en enstegsprocess i en UAPB reaktorpilot i framtiden. Det skulle även vara intressant att minska retentionstiden i biogasreaktorn för att se om metanhalten i biogasen ökar. / In the past 30 years, the number of P&P mills have decreased while the total production of pulp and paper have increased. A higher production per mill together with a stringent environmental legislation puts a high pressure on the wastewater treatment of P&P mills. In several P&P mills the wastewater treatment is one of the factors limiting the production of pulp and paper. In addition, the wastewater is usually treated with aerobic treatment that consumes a high amount of electricity and produces sludge. To decrease the cost of the wastewater treatment and to increase the treatment efficiency, an anaerobic treatment can be used before the aerobic treatment. Advantages of having an anaerobic treatment before the aerobic treatment is that it reduces the organic loading of the aerobic treatment, valuable biogas is produced, anaerobic treatment produce less sludge and requires less electricity. However, the wastewater of P&P mills is rich in sulphate, which have resulted in an unstable biogas production. A potential solution for this to have another anaerobic reactor before the biogas producing reactor, with the purpose to remove sulphate. The aim of this project was to optimize a two-step anaerobic treatment for an effective biogas production and for a stable process. In the project, two UAPB reactors were used. The first bioreactor (hereafter pretreatment reactor) was enriched with sulphate reducing bacteria before the start of the project while the second reactor contained methanogens (hereafter biogas reactor). Wastewater from a P&P mill using the TMP process and soft wood as raw material was used in this project. The anaerobic two-step process was optimized by decreasing the HRT of both reactors, by investing alternatives to decrease the sulphide in the influent to the biogas reactor and by decreasing the addition of nutrients to the process water. The stability of the two-step process was measured by analysing the sulphate, sulphide and COD content spectrophotometrically; by analysing pH; by analysing the methane content in the headspace of the reactors with GC and by analysing the VFA content in the effluents using HPLC. The results showed that the process was stable when the HRT of the pretreatment reactor and biogas reactor was 0.3 days and 1.5 days, respectively. The removal efficiency of sulphate and COD in the pretreatment reactor was 82% and 31%, respectively. The methane content in the biogas of the PT reactor was 53% in average. The COD removal efficiency of the biogas reactor was 32% and there was in average 31% methane in the biogas. The average total COD removal efficiency of the two-step process was 61% when the reactors were coupled via a collection tank. The biomethane potential of the process water and the effluent of the pretreatment reactor was 147 NmL CH4/g VS and 47 NmL CH4/g VS, respectively. The process was stable when the HRT of the pretreatment reactor and biogas reactor was 0.3 days and 1.5 days, respectively, considering the stability of the sulphate and COD removal efficiency. However, the BMP of the effluent of the PT reactor was only 32% of the BMP of the process water and the degradability of the COD was lower in the effluent. Since the PT reactor exhibited stability at the tested conditions, it would be interesting to try it as a one-step process in a pilot UAPB reactor in the future. In the future, research is needed to investigate if the methane content in the headspace of the biogas reactor can be increased by decreasing the HRT of the reactor.

Sverige har som mål att bli helt fossilfri till år 2045. Energymyndigheten har därför tagit fram ett förslag till Vätgasstrategi för att ställa om vätgasproduktionen till att vara helt fossilfri till 2045. Idag används ca 180 000 ton vätgas, vilket motsvarar ett energiinnehåll på ca 6 TWh. Termo-kemisk omvandling av fossila bränslen står för 67% av Sveriges vätgasproduktion, medan 30% är biprodukter från industriella processer och 3% produceras med elektrolysörer. Att ersätta all fossil vätgas med elektrolysör-baserad vätgas innebär en elförbrukning motsvarande 60-126 TWh/år, vilket är en ökning på 40-80% jämfört med de 159 TWh el producerade i Sverige 2020. Energimyndigheten bedömer att vätgas har en viktig roll i att lyckas göra Sverige fossilfritt, delvis genom att den ska kunna fungera som energibärare eller energilagring för att jämna ut variationer i produktion hos förnybara energikällor. Av den anledningen kommer antagligen behovet av vätgas öka, och därmed även energibehovet för att producera vätgas öka ännu mer än 60-126 TWh/år om den fossila vätgasen ska bli ersatt med endast elektrolysör-baserad vätgas. Med tanke på begränsningar i expansion av förnybar elproduktion, kommer behovet av vätgas antagligen inte kunna täckas av endast elektrolysör-baserad vätgas. Därför bör möjligheterna för att även satsa på bio-vätgas, där vätgas produceras av antingen bakterier eller genom refinery av biobaserade råvaror, undersökas. Detta examensarbete ska undersöka möjligheter för vätgasproduktion i Sverige och jämföra olika produktionteknikers förutsättningar. En hypotes är att en hållbar strategi är att kombinera elektrolysör-baserad vätgas med bio-vätgas för att få en diversifierad produktion. Att ha olika produktionsmetoder som komplementerar varandra ger en mer stabil och säker produktion, eftersom de kommer påverkas olika av förändringar i produktionsförutsättningar i samhället. Detta arbete söker svara på följande frågor: Vilka tekniker finns tillgängliga för industriell/kommersiell produktion, var borde R&D riktas för de tekniker som inte är redo för kommersiell produktion, vilket Carbon Footprint (CF) har de olika teknikerna, en uppskattad produktionskostnad för de olika teknikerna, och vilken tillgänglighet för de olika råvarorna finns i Sverige? / Sweden has a goal to be completely fossil-free by 2045. Accordingly, the government has published a suggested Hydrogen Strategy to have made all hydrogen production in Sweden fossil-free by 2045. The Swedish hydrogen use is 180,000 ton, equaling an energy content of 6 TWh/year. Thermo-chemical conversion of fossil fuels accounts for 67% of Swedens hydrogen production, while 30% is byproducts from industry and 3% is electrolysis production. To replace all fossil hydrogen with electrolysis production, would give an increase of electrical demand with 60-126 TWh/year, or 40-80% increase compared to the 159 TWh electricity produced during 2020 in Sweden. Furtherly, the Ministry of Energy deem hydrogen to be key in the general transformation of Sweden to become fossil-free, with one reason being that hydrogen can be used as energy carrier to even out the variations in electricity production that renewable energy has. The need of hydrogen will therefore most likely increase until 2045, thus the electric energy demand for hydrogen production will increase as well, if it would be replaced solely with production using electrolysis. Given the constraints to the capacity of electricity production from renewable sources alone in Sweden, the electricity demand for hydrogen cannot be met by the electricity production. Thus, the possible role of biohydrogen, where hydrogen is produced using biorefinery or microbial production, should be investigated. This master thesis project will investigate the feasibility of hydrogen production in Sweden and compare different options for hydrogen production. A hypothesis of the project is that the most sustainable strategy for hydrogen production in Sweden will be with a diversified portfolio of production designs. Both biohydrogen and electrolysis hydrogen from renewable energy will complement each other in the future. By doing so, the energy sector will be more sustainable and stable since the techniques do not react alike to change in production conditions. The report aims to answer: What techniques are available for industrial production, where should R&D be directed for techniques not ready for industry, what is the estimated carbon footprint (CF) of the industrially available techniques, what is the estimated production cost for each technique, what availability is there in Sweden for the feedstock needed for each technique?