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.

Att lufta biologiska bassänger vid ett avloppsreningsverk är en mycket energikrävande process. Genom att reglera lufttillförseln kan processen optimeras så att den blir så energisnål som möjligt men samtidigt bidrar till en god kvalitet på utgående vatten. Regleringen bör då ske vid flera punkter längs med en bassäng. I detta projekt har regleringen av syrehalten i aktivslamanläggningen vid Himmerfjärdsverket utvärderats och ett försök till förbättring av processen har genomförts. Verket har efterdenitrifikation varför aktivslamanläggningen enbart består av en luftad del där nitrifikation och oxidation av organiskt material sker. Styrsättet i verket är sådant att syrehalten regleras i början av varje luftningsbassäng. En syrehaltsgivare sitter ca 20 meter in i varje linje och en luftflödesgivare satt på vardera linjes huvudledning med luft. Kaskadreglering reglerar luftflödet. Den överordnade syrehaltsregulatorn beräknar börvärdet till luftflödesregulatorn. Börvärdet på syrehalten är normaltsatt till 2 mg/L. Detta reglersystem har lett till att då belastningen är låg ökade syrehalten kraftigt i slutet av varje linje medan höga belastningar gör att syrehalten sjunker för mycket mot slutet av bassängen så att reningsresultaten för ammonium blir sämre än önskvärt. Syre- och ammoniumprofiler, det vill säga syre- och ammoniumhalterna i vardera av linjernas sex zoner plottade mot zonerna, studerades på två av verkets linjer. Dessa gjordes under perioder med relativt låg belastning av ammonium. Då framkom att oavsett flöde skedde den mesta av reduktionen i linjernas två mittersta zoner. Målet blev då att försöka förskjuta reningen så att hela bassängen utnyttjades. Detta måste dock ske utan att reningen under perioder med högre belastning försämras. Det som också framkom var att det förekommer både belastningsvariationer och flödesvariationer till de olika linjerna. För att förbättra regleringen installerades en syrehaltsgivare, en luftflödesgivare och en reglerventil till varje zon i en av verkets linjer. Ett kaskadreglersystem installerades och trimmades in i varje zon. En börvärdesundersökning gjordes för att hitta den kombination av börvärden i de olika zonerna som gav ett gott reningsresultat och samtidigt minimerade energikonsumtionen. De kombinationer som testades var 1,5/1,5/2/2/1,5/1,5 och 1,5/2,5/2,5/2,5/2,5/2,5. Dessa kombinationer förväntades förskjuta reningen så att hela bassängen utnyttjades och pressa ner de syrehaltstoppar som stundtals uppstod i slutet av bassängen. Syrehaltstopparna försvann men en acceptabel reningsgrad erhölls ej med avseende på utgående ammoniumhalt från försökslinjen. Reningen i försökslinjen var försämrad jämfört med innan byte av syrehaltsreglering. Här skall dock noteras att vattentemperaturen hade sjunkit i förhållande till perioden med ursprunglig reglering vilket kan ha påverkat nitrifikationshastigheten negativt. Temperaturen var lägst under den sistnämnda kombinationen. Under den sistnämnda börvärdeskombinationen hade försökslinjen stundtals bättre rening än övriga linjer så denna börvärdeskombination ger en förhållandevis god reningskvalitet. För att jämföra energikonsumtionen togs ett samband fram mellan luftflöde och blåsmaskinernas effekt. Sambandet användes för att beräkna skillnaden i effektförbrukningen mellan de bägge reglersystemen. Denna räknades om till motsvarande årsenergiförbrukning för samtliga linjer. Resultatet blev att energikonsumtionen skulle kunna sänkas med 10 % för luftningssteget. / To aerate the biological basins at a wastewater treatment plant is a very energy intensive process. To make the process as energy efficient as possible the air supply should be controlled. This may also contribute to a better purification quality. To fulfill this, the control of air supply should occur at several points along a basin. In this project, control of the dissolved oxygen in the activated sludge basins at Himmerfjärden wastewater treatment plant is evaluated and improved. The plant has postdenitrification, why the activated sludge plant solely consists of an aerated part where nitrification and oxidation of organic matter occurs. The oxygen level in the aeration basins is controlled at the beginning of each aeration basin. An oxygen sensor is placed 20 meters from the inlet and an air flow meter is placed on the main inlet tube for air at each line. Cascade control is used to control the airflow rate. The primary dissolved oxygen controller calculates the set-point to the secondary air flow controller. The set-point of the oxygen level is normally set at 2 mg/L. During periods with low loads of ammonia, this control leads to an increased oxygen level at the end of each basin while the high loads causes the oxygen level to drop towards the end of the basin so that the treatment results for ammonium were less than desirable. Oxygen and ammonium profiles, i.e. oxygen and ammonia concentrations in each of the lines’ six zones were measured and plotted against the zones, were studied at two of the plant lines. These were made during periods of relatively low load of ammonium. It was found that regardless of flow, most of the reduction occurred in the two middle zones in each line. The goal then became to try to shift the treatment so that the entire basin was used. This must be done without lowering the treatment quality during periods of higher loadings. What also emerged was that there are variations between the lines both in load and in flow. To improve the control system, an oxygen sensor, an airflow meter and a control valve were installed in each zone in one of the plant lines. A cascade control system with two PI-controllers was installed and tuned in each zone. Different combinations of set points were analyzed to find the one that gave a good cleaning performance while minimizing energy consumption. The combinations tested were 1.5/ 1.5/2 /2 /1.5/1.5 and 1.5 / 2.5 / 2.5 / 2.5 / 2.5 / 2.5. These combinations were expected to push the treatment forward so that the entire basin was used. It should also and lower the oxygen peaks that sometimes occurred at the end of the basin. The oxygen peaks disappeared but an acceptable degree of purification of ammonium was not obtained. The purification in the experimental line was lower than before the change of aeration control. It should be noted that water temperature had decreased compared to before the change of control system which may have affected the rate of nitrification negatively. This may be a reason for the higher ammonium concentrations. The lowest temperature was measured during the last set- point combination. During that period the experimental line had a better purification compared to the other lines in the plant. To compare the energy consumption for the two control systems a relationship was calculated between the air flow rate and the power consumption of the blowers. This relationship was used to calculate the difference in power consumption between the two control strategies. This consumption was translated to the corresponding annual energy usage of all the lines. The result was that the energy consumption could be reduced by 10% for the aeration step.

Detta examensarbete på C-nivå utförs på kemiindustri företaget Cambrex Karlskoga med fokus på energibesparing i en biologisk syrekrävandeprocess. Den biologiska processen sker i en bioreaktor, även kallad miniverket, vars volym är 1200 m3 där uppgiften är att reducera processvattnets TOC-halt innan det släpps vidare till industriområdets reningsverk. Syret tillförs till processen med komprimerad utomhusluft från en blåsmaskin via ett rörledningsnät på bioreaktorns botten. År 2021 förbrukade blåsmaskinen 680 MWh då dess kontinuerliga drift var 70% av dess maximala effekt. Syftet med detta arbete är att utreda om blåsmaskinens effekt kan minskas och ändå bibehålla en god TOC-reduktion i miniverket. Tre driftlägen utreds veckovis: 60%-, 55%- och 50% utav blåsmaskinens maximala effekt. Daglig provtagning och analys utförs av processvattnets TOC-, TSS-, PO4-, NH4-halt för att säkerhetsställa miniverkets funktion. Syremätning i den biologiska processen sker manuellt på fyra mätställen som utförs med en optisk syregivare. Under testperioden observeras att TOC-halten ökar medan syrehalten minskar i processvattnet när blåsmaskinen körs på lägre effekt. Dessa förändringar från miniverket påverkar dock inte det totala TOC-utsläppet från reningsverket till recipient, då miniverkets processvattenflöde är 5–10% av industriområdets totala flöde av processvatten. Därför är en sänkning av driftläget möjligt. När driftläget är 50% av blåsmaskinens maximala effekt blir energibesparingen 264 MWh per år. Metoderna för syremätning samt beräkning utav blåsmaskinseffekten kräver vidare utredning för att ge ett mer representativt resultat.

Dagens samhälle står inför många utmaningar där energieffektivisering är en stor del för att nå Sveriges energipolitiska mål. Det finns anledning att effektivisera och optimera energianvändningen i Sveriges papper- och massaindustrier då de står för en stor andel av nationell energiförbrukning. Papper- och massatillverkning genererar processavloppsvatten som kräver rening då det innehåller en hög halt organiska ämnen som kan orsaka miljöproblem vid utsläpp till närliggande recipient. För att resurs- och miljöeffektivisera krävs god förståelse och kunskap kring hur den aktuella reningsprocessen ser ut och vilka påverkansfaktorer som spelar störst roll då de varierar från bruk till bruk.  I det här examensarbetet undersöks möjligheten att effektivisera en biologisk reningsprocess på Stora Enso Skoghalls bruk med hänsyn till elanvändning för luftning och tillsättning av närsalter. På grund av en ny installering av luftningsteknik så har bruket förbättrat förutsättningarna för syresättning och har efter detta ett ökat överskott på syre i deras luftade damm. Installationen öppnade för att kunna reglera lufttillförseln och även en möjlighet att studera närsaltsdoseringen då dessa faktorer har stor påverkan på funktionen av det biologiska reningsverket.  En beräkningsmodell över reningsprocessen formades efter processdata från bruket med målsättning att göra en modell som stämde väl överens med verkligheten. Olika scenarion har därefter studerats för att jämföra vilka åtgärder som har störst inverkan på miljöpåverkan, driftkostnad och energianvändning. Förändring av antalet ytluftare i drift efter syrebehov i den luftade dammen genomfördes som ett scenario. Minskning av slamålder undersöktes med hänsyn till luftning och närsaltsbehov i den luftade dammen. Även en sänkning av syrenivån i MBBR:en (biofilmreaktor med rörlig bädd) undersöktes samt installation av den nya luftningstekniken Hyperclassic i halva volymen av den luftade dammen, dels i kombination, dels som separata scenarion. En möjlighet till bypass runt MBBR undersöktes där olika andelar av flödet fick passera direkt till den luftade dammen. Med hänsyn till tidigare genomförd närsaltsdosering på bruket när det tillsättes enbart under vinterhalvåret så undersöktes nu möjligheten att säsongsanpassa tillsättningen av urea och fosforsyra. Dessa nio scenarion har jämförts mot referensfallet som är dagens drift av den biologiska reningen.  Målen med studien var att utforma en verklighetsanpassad beräkningsmodell för att identifiera möjliga förändringar i den biologiska reningen som resulterar i ett energieffektivt och miljömässigt bättre driftförslag.  Resultaten visar att det mest energi- och kostnadseffektiva scenariot var en kombination av åtgärder som sänkning av syrehalten i MBBR:en från 3 mg l-1 till 2 mg l-1 och användning av Hyperclassic i större delen av den luftade dammen. Det gav en kostnadsminskning på 48,5% och en minskning av energianvändning på ca 60% från referensfallet utan att påverka reningens effektivitet.  Störst påverkan på miljön har användningen av urea och fosforsyra vilket resulterade i att en minskning av närsaltsdosering på sommarhalvåret gav en stor minskning på miljöpåverkan. Det finns en möjlighet att reducera klimatpåverkan med omkring 100 ton CO2-ekv. år-1 i global uppvärmningspotential och omkring 140 kg PO43—ekv. år-1 i övergödningspotential. Det övergripande målet att utforma en verklighetsanpassad beräkningsmodell över reningsverket uppfylldes. Slutsatsen är också att till synes små förändringar, som att sänka syrehalt i MBBR och tillämpa en mer optimal dosering av närsalter, har betydande inverkan på energianvändning, driftkostnad och miljöpåverkan. / To achieve the goals set by Sweden’s energy policy, improving the efficiency of energy use in society and economy is an imperative. Sweden’s paper and pulp sector accounts for a significant proportion of national energy usage. Paper and pulp production generates wastewater from the production process that requires purification as it has a high content of organic substances that can cause environmental problems when released to nearby sinks. In order to improve resource and environmental efficiency, a good understanding and knowledge of the effectiveness of the current purification process, and the main environmental impact categories (which vary from mill to mill), is required. In this degree project, the possibility of optimizing a biological purification process at the Stora Enso Skoghall mill, with respect to electricity usage and the addition of nutrients, has been investigated. By installing a new aeration technology, the mill has facilitated an increase in the level of oxygen in its aerated lagoon. The installation made it possible to regulate the air supply and provided an opportunity to study the dosing of nutrients – two factors that have a major impact on the functioning of the biological treatment plant. A computational model of the purification process was developed, based on process data obtained from the mill. The aim was to build a model that synchronized well with reality. Different scenarios were compared on the basis of environmental impacts, energy use and operational expenses. The number of surface aerators was changed according to oxygen demand in the aerated pond, in one scenario. The consequence of the reduction of the Sludge Retention Time (SRT) on aeration and nutrient salt requirements in the aerated lagoon, was investigated. The effects of lowering the oxygen level in the MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor), and the installation of the new Hyperclassic aeration technology in half the volume of the aerated lagoon, were studied – both in combination and as discrete scenarios. The possibility of bypassing the MBBR and directing different proportions of flows directly to the aerated lagoon was explored. Taking into account the previously implemented nutrient salt dosing at the mill (added only during the winter months), the possibility of seasonally adjusting the dosing of urea and phosphoric acid was investigated. These nine scenarios were compared with the reference case, which is the status quo of the biological treatment at the mill. The goal of the study was primarily to design a realistic calculation model to identify possible changes in the biological treatment that will lead to an energy-efficient and environmentally-friendlier alternative. The results depicted that the most energy-efficient and cost-effective alternative was a combination of measures such as lowering the oxygen level in the MBBR from 3 mg l-1 to 2 mg l-1 and using Hyperclassic in the aerated lagoon. This arrangement generated a 48.5% reduction in operational expenses, and a 60% decrease in the energy use, vis-à-vis the reference case, without affecting the efficiency of the purification process. The reduction in the use of nutrient salts, urea and phosphoric acid, in the summer months, truncated the environmental footprint significantly. An opportunity to mitigate the global warming impact and the eutrophication potential, by approximately 100 tons of CO2-eq. year-1 and 140 kg PO43-eq. year-1 was revealed in this study. The overall goal of designing a realistic computational model for the treatment plant was achieved. The conclusion is also that seemingly small changes, such as lowering the oxygen level in the MBBR, and applying a more optimal dosage of nutrient salts, can significantly decrease the energy use, reduce operational expenses and mitigate the environmental impact.

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.

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.

På Himmerfjärdsverket söder om Stockholm finns åtta luftade bassänger för biologisk rening av avloppsvatten. Genom att syresätta vattnet skapas en miljö där mikroorganismer kan arbeta och omvandla organiskt material och ammonium till koldioxid, vatten och nitrat. Bara luftningen av dessa aktivslambassänger på Himmerfjärdsverket står för nästan en femtedel av verkets totala energiförbrukning och är därför en viktig process att optimera. Under hösten 2011 har några olika reglerstrategier utvärderats genom fullskaleförsök på verket. Denna rapport handlar om dessa försök. Arbetet bygger på ett tidigare utfört examensarbete vid Himmerfjärdsverket och ingår i en större forskningsstudie som leds av IVL Svenska Miljöinstitutet i samarbete med Uppsala Universitet. Syftet med studien är att utvärdera metoder för att optimera luftningen med avseende på reningsgrad och energiförbrukning. Målet med detta examensarbete har varit att implementera ammoniumåterkoppling och att jämföra denna reglerstrategi med en strategi som innebär att luftningen styrs på konstanta syrebörvärden, så kallad syreprofil. Grundtanken var att tre olika reglerstrategier skulle undersökas. Dels en där luftflödet styrs individuellt till sex olika zoner i luftningsbassängen med konstanta syrehalter. Dels två olika strategier där luftningen styrs med hjälp av ammoniumåterkoppling, som innebär att börvärdet för syrehalten hela tiden beräknas av ammoniumregulatorn utifrån värdet på utgående ammoniumkoncentration. På grund av olika begränsningar i anläggningen, såväl fysiska som reglertekniska, har endast två reglerstrategier utvärderats. Dels strategin med konstanta syrehalter och dels en snabb ammoniumåterkoppling där syretillförseln styrs efter den momentana utgående ammoniumhalten. Tanken var att även utvärdera en långsam ammoniumåterkoppling, som reglerar efter ett önskat dygnsmedelvärde för utgående ammoniumhalt, men begränsningar i framför allt styrsystemet tillät inte någon implementering av denna reglerstrategi. Regleringen av lufttillförseln görs med kaskadreglering. Det innebär att vid t ex ammonium-återkoppling är ammoniumregulatorn överordnad syrehaltsregulatorn, som i sin tur är överordnad luftflödesregulatorn. Regulatorerna har i detta arbete trimmats med hjälp av Lambdametoden och i rapporten beskrivs förhållandet mellan dessa regulatorer i praktiken. Utifrån de olika försöken har energiförbrukningen beräknats och resultaten visar att den mest effektiva reglerstrategin är konstanta syrehalter sett till både energiförbrukning och reningsgrad. Resultatet blir att ammoniumåterkopplingen kräver 22 Wh per kilo reducerad ammonium. Den ursprungliga regleringen kräver 21 Wh och reglerstrategin med konstanta syrehalter kräver 14 Wh per kilo reducerad ammonium. För att minimera syretopparna bör varje zon i bassängen kunna regleras individuellt och tekniken med en stegrande syreprofil längs med bassängen bör användas för att jämna ut ammoniumbelastningen i luftningssteget.

Ett avgörande steg i avloppsvattenrening med aktivslammetoden är att slammet kan avskiljas från det renade vattnet. Detta sker oftast i sedimenteringsbassänger. Sedimenteringsproblem är dock vanliga på många avloppsreningsverk, vilket kan leda till att föroreningar följer med utgående vatten. Studier om slamegenskaper är därför viktiga för att öka förståelsen för vilka faktorer som påverkar sedimenteringen och vad som kan göras för att minska problemen. I detta examensarbete har ett mindre avloppsreningsverk i Lövsta utanför Uppsala studerats. Ungefär en tredjedel av flödet till verket kommer från ett närliggande slakteri. Verket har återkommande problem med flytslam i slutsedimenteringsbassängen. Syftet med arbetet var att – genom litteraturstudier, provtagning, fullskaleförsök och analys – identifiera orsaker till flytslamproblemen. Även förslag till åtgärder skulle läggas fram. En utvärdering av reningsprocessen genomfördes dels utifrån befintliga mätdata, dels genom utförligare provtagningar och mätningar som gjordes under en treveckorsperiod i oktober. Höga nitrathalter observerades i vattnet, särskilt i den utjämningstank där flödesutjämning och förbehandling av slakterivattnet sker. De höga nitrathalterna, i kombination med en lång slamuppehållstid i slutsedimenteringsbassängen, bedömdes vara orsaken till flytslambildningen eftersom båda dessa faktorer gynnar uppkomsten av kvävgas genom denitrifikation. Det är denna gas som lyfter slammet från botten av bassängen till ytan. Två möjliga åtgärder för att lösa flytslamproblemen bedömdes vara genomförbara. Den ena var att öka bortpumpningen av slam från botten av slutsedimenteringsbassängen, för att förkorta slamuppehållstiden. Den andra var att denitrifiera vattnet innan det når slutsedimenteringen. Av dessa förslag ansågs det senare vara mer tilltalande ur både ekonomisk och miljömässig synvinkel. En strategi för att denitrifiera vattnet bedömdes vara intermittent luftning av utjämningstanken. Denna luftningsstrategi tillämpades under en försöksperiod på tio veckor. Nitrathalterna mättes en eller två gånger i veckan under försöksperioden. En sänkning av nitrathalterna observerades: från 182 mg/l till som lägst 60 mg/l i utjämningstanken och från 65 mg/l till som lägst 18 mg/l i luftningsbassängen. Sänkningen var dock inte tillräcklig för att förhindra flytslambildning i sedimenteringsbassängerna. Den ofullständiga denitrifikationen berodde troligtvis på för låga BOD-halter i utjämningstanken. Vidare undersökningar behövs för att utvärdera och optimera kvävereningen genom intermittent luftning. / One of the most crucial steps in wastewater treatment with activated sludge is the separation of sludge from the treated effluent. This is most often done by sedimentation in clarifiers. Sedimentation problems are, however, common in many wastewater treatment plants, causing higher concentrations of pollutants in the effluent. Research on sludge characteristics is therefore important to increase the knowledge about which factors affect the sludge settling properties and what can be done to minimize problems. In this master thesis a small wastewater treatment plant in Lövsta outside Uppsala, Sweden, was investigated. About a third of the influent water to the plant comes from a slaughterhouse situated nearby. The plant suffers from recurrent problems with rising sludge in the secondary clarifier. The purpose of this thesis was to – through literature studies, sampling, full scale experiments and analysis – identify causes for the rising sludge problem. Also, suggestions to remedy the problem were to be presented. An evaluation of the treatment process was conducted from existing measurement data and from sampling and measuring done for three weeks in October. High concentrations of nitrate were found in the water, especially in the equalization tank, where flow equalization and primary treatment of the slaughterhouse wastewater takes place. The high concentrations of nitrate, in combination with a long sludge retention time in the secondary clarifier, were judged to be the reason for the formation of rising sludge. Both of these factors stimulate the development of nitrogen gas through denitrification. This gas lifts the sludge from the bottom of the clarifier to the water surface. Two possible solutions to the rising sludge problem were considered feasible. One was to increase the pumping of sludge from the bottom of the secondary clarifier, to decrease the sludge retention time. The second was to denitrify the water before it reaches the clarifiers. Of these two suggestions, the second was regarded as more appealing from both an economical and an environmental point of view. One method to denitrify the water was deemed to be intermittent aeration in the equalization tank. This aeration strategy was implemented for ten weeks. Nitrate concentrations were measured one or two times a week for this period of time. A decrease in nitrate concentrations was observed: from 182 mg/L to at its lowest 62 mg/L in the equalization tank, and from 65 mg/L to at its lowest 18 mg/L in the aeration tank. The decrease was, however, not enough to prevent formation of rising sludge in the clarifiers. The incomplete denitrification process was thought to be due to low concentrations of BOD in the equalization tank. Further studies need to be carried out to evaluate and optimize the nitrogen removal through intermittent aeration.

The electricity demand of a waste water treatment plants follows the diurnal pattern of society, and this generally leads to higher demand when the market price is high. The possibility to adapt the operation after price variation has been known since long, but few studies have been published. It has been suggested that the influent can be redistributed using an equalization basin, and one study showed 16 % reduction in cost with equalization to constant flow. Oxygen supply by aeration uses the major part of electricity, and adaptation of aeration intensity has also been suggested. However, this requires respect for effluent limits, especially for nitrogen, as larger plants are often equipped with nitrogen removal. In this study, optimal control of aeration was used to evaluate the potential of adapted aeration. Use of an equalization basin was also studied. A reduced version of Benchmark Simulation Model no. 1 was used, with only one basin. Aeration was optimized for minimal cost given a price profile for 24 hours, under a constraint on ammonia discharge. Cost was reduced with 1-2.5 % compared to energy-optimal control. Constant flow equalization showed an energy reduction of 2.5-12 %, and a cost reduction of additionally up to 5 %. Control adapted after price gave another 1-3 % savings. The nitrification process is sensitive to oxygen and ammonia concentration. This makes it difficult to redistribute nitrification over the day, especially with a one basin model. It is therefore motivated to study a model with more basins.

The aeration step is the most energy consuming process in the wastewater treatment plant, i.e. making the energy usage in this step more efficient is of great concern both in Sweden and world wide. There are some examples of previous studies investigating ways to make the ae- ration control more efficient, though most of these have focused on for example ammonium feedback control rather than blower control which is the main focus of this study. Bromma wastewater treatment plant installed three new blowers in december 2016 functioning as suppliers of air to the aeration step in the bioreactor. Since there are still three old blowers operating at the WWTP, there is a need to control two different types of blowers efficiently. This is challenging since the two blower types have different capacities, efficiency and maxi- mum/minimum air flows and a control strategy that optimizes the operation of these two blower types combined needs to take this into account. Operational data for the blowers was used to generate a second grade polynome for each blower type which gives the efficiency as a function of produced air flow. These polynomes were further utilized to build a script in MATLAB that chooses the most efficient number of blowers operating and at what air flows for a certain total aeration need. The least square method was used to calibrate a model for calculating energy consumption for the simulated control strate- gy. Calculations for energy consumption from the current control strategy and another strategy proposed by the blower deliverer Sulzer were made in order to decide whether the optimized control strategy was an improvement or not. The simulation results and the calculations for energy consumption indicates that the current control strategy at Bromma WWTP is almost as effective as the optimized control strategy. Both strategies sets the new blowers at the first places in the queue. The optimized strategy appears to be more efficient for flows that requires both new and old blowers operating. From the calculations of energy consumption, it was shown that the control strategy from Sulzer de- mands an energy consumption on levels in between the one for the current control strategy and the optimized control strategy. / Luftningssteget är den mest energikrävande processen i ett avloppsreningsverk. Det finns därför incitament till att effektivisera energianvändningen då en minskad elförbrukning är positivt både ur ett ekonomiskt perspektiv och ur ett resursmässigt perspektiv. Energibesparingar från luftningssteget har undersökts tidigare genom att främst studera optimering av syreregleringen och luftregulatorn. Det här projektet syftar till att uppnå en minskad effektförbrukning på Bromma reningsverk genom att optimera blåsmaskinsregulatorn, ett mer outforskat forskningsfält.  På Bromma reningsverk installerades den 16 december 2016 tre nya blåsmaskiner som ska försörja luftningssteget i den biologiska reningen med luft. Det innebär att det finns två olika typer av blåsmaskiner som är i drift på Bromma: den gamla modellen (HST9000) och den nya modellen (HST40). Då dessa två olika typer av blåsmaskiner har olika kapacitet och verkningsgrad är det viktigt att blåsmaskinsregulatorn använder en styrstrategi som ställer dessa maskiner i kö på ett optimalt energieffektivt sätt. Det är även viktigt att i så stor utsträckning som möjligt låta maskinerna generera luftflöden nära sin högsta verkningsgrad.  Driftinformation för blåsmaskinerna användes för att med hjälp av beräkningar i MATLAB kunna välja ut det effektivaste antalet maskiner i drift, avgöra vilken typ av maskiner som ska användas samt vilket luftflöde respektive maskin ska generera vid ett specifikt luftflödesbehov. Målet var att hitta en optimal styrstrategi för Bromma reningsverk, samt att undersöka om det fanns möjligheter till energibesparingar jämfört med nuvarande implementerade styrstrategi. Effektförbrukningsberäkningar gjordes för både den simulerade optimerade styrstrategin och den nuvarande. Ytterligare en styrstrategi, föreslagen av blåsmaskinsleverantören Sulzer, undersöktes också ur ett energiförbrukningsperspektiv för jämförelse.  Resultatet av simuleringen och effektberäkningen indikerar att den nuvarande styrningen i princip är lika energieffektiv som den simulerade optimala styrningen. I båda fallen kopplas de nya maskinerna in i första hand. Dock visar resultatet på att den simulerade styrningen är effektivare vid flöden där det krävs att de gamla blåsmaskinerna sätts i drift. Sulzers föreslagna styrstrategi är mer energieffektiv än nuvarande styrning, men inte lika effektiv som den optimerade styrstrategin.