Detta examensarbete behandlar det biologiska reningssteget vid Stora Enso Fors AB kartongfabrik. Examensarbetet omfattar 20 p och ingår i slutskedet av Magisterutbildningen, 60 p, i Kemiteknik med inriktning industriell ekologi vid Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm. Stora Enso Fors AB är en kartongfabrik som är lokaliserat i Fors strax nordost om Avesta. Tillverkning sker av både mekanisk massa samt kartong. Fabriken har ett eget reningsverk som tar hand om avloppsvattnet från processen. De biologiska anläggningarnas utformning har under årens lopp utvecklats främst genom bättre syresättning i luftningsbassängerna samt förändringar i avloppsvattnets sammansättning. För att klara av dessa förändringar kan styrparametern slamhalten behöva ersättas med andra alternativa styrsätt. Examensarbetets syfte är just att studera möjligheten att styra det biologiska reningssteget vid Fors kartongpappersbruk efter nyckeltalet nettoslamproduktionen. Projektet innefattar även att undersöka hur COD-reduktionen och mikroflorans sammansättning påverkas av denna styrparameter. Litteraturstudier av reningsteknikens processer har utförts samt den befintliga reningsanläggningen i Fors har studerats. Det första steget i projektet var att besluta vilket målvärde som skulle användas på nettoslamproduktionen som skulle användas under en försöksperiod där den biologiska reningen skulle styras efter nettoslamproduktionen. För varje dygn under tre olika tidsperioder ( period 1, period 2 och period 3) har driftsdata samlats in och sammanställdes och därefter beräknades nettoslamproduktionens dygnsvärde. Driftsdata för period 1 och halva period 2 har använts som underlag för att kunna bestämma målvärdet för nettoslamproduktionen. Den bestämdes att vara 0,46 kg SS/kg reducerad COD som användes i ett fullskaleförsök, s.k. period 3. Värdena har sedan analyserats för att försöka finna effekter och samband för styrning av reningsverket efter styrningsparametern nettoslamproduktionen, jämfört med det tidigare sättet att styra efter slamhalten. Detta för att se om nettoslamproduktionen skulle kunna vara en ny bättre styrparameter. Resultatet visade bl.a.: - Att period 2 och 3 övervägande hade ett högt flöde som överskrider värdet på 14 000 m3/dygn som reningsanläggningen är dimensionerad efter. - Att medelvärdet för nettoslamproduktionen för period 3 låg på 0,5 kg SS/kg reducerad COD - På en jämnare och lägre COD-halt ut från kemfällningen för period 3 jämfört med perioderna 1 och 2, (ett undantag den 9 februari). - Att period 3 hade en hög och jämn COD-reducering. - Att period 3 verkade ha en bättre biologisk process än perioderna 1 och 2, bl. a. för att antalet hjuldjur, klockdjur var högre och att antalet trådbakterier var lägre och perioden hade också bättre flockbetyg. När det gäller en del samband så verkar det finnas en tendens för alla tre perioderna att när nettoslamproduktionen är hög så ger det den effekten att flockbetyget försämras i luftningsbassäng 2. Följande slutsatser av arbetet kan dras: - Att nettoslamproduktionen är den bästa styrparameter för Fors reningsanläggning är svårt att säga efter den korta tidsperiod som försöket utfördes. Men det visar helt klart att det är värt att gå vidare med att styra efter nettoslamproduktionen. - Att använda målvärdet på 0,46 kgSS/kg reducerad COD eventuellt lite högre på 0,50 kg SS/kg reducerad COD skulle kunna vara ett bra riktvärde. - Att styrning efter nettoslamproduktionen skulle kunna ge riktlinjer för hur slamavdragspumpen skall ställas in. Ett fortsatt arbete rekommenderas med att testa styrning av reningsverket efter parametern nettoslamproduktionen med målvärdet, 0,46 kg SS/kg reducerad COD eller möjligen ett högre värde 0,50 kg SS/kg reducerad COD. De fortsatta försöken bör utföras under olika förhållanden. Det är viktigt att bl.a. studera en försöksperiod under en varmare årstid och då jämföra med de perioder som har studerats i detta arbete. Det är också angeläget att testa hur styrningssättet fungerar när reningsverket utsätts för extrema belastningssituationer. / This Master´s thesis discusses the Biological Purification Step at Stora Enso Fors AB cardboard plant. Stora Enso Fors AB is located in Fors just northeast of Avesta. The factory is producing both mechanical pulp and cardboard. The Plant has an own Sewage-Treatment Plant, which take care of the wastewater from the process. The biological construction design has been developed during the last fifteen years and the composition of the wastewater has also been changed. In order to compensate for the changes of the compositions, the old parameter “Sludge content” could be replaced by a new parameter “Net sludge production”. The aim of This Master’s thesis is: - To study the possibility to control the Biological purification step at the Stora Enso Fors AB cardboard plant, by using the parameter Net sludge production. The project will also investigate how COD-reduction and the composition of the micro organisms will be influenced by this parameter. The first step in this project was to determine which target value of the Net sludge production the experiments period should use. The value was decided to 0,46 kg SS/kg reduced COD. Every day during three different periods the productions data has been collected and then analysed. From this material the Net sludge production has been calculated. The first period and half of the second period has been used as basis for determine the target value of the Net sludge production. The target value was decided to be 0,46 kg SS/kg reduced COD and to use this value in a full-scale experiment in the Plant, during the third period. The productions data has been analysed to try to find effects and connections in the Biological purification step when the Sewage-treatment plant is controlled with the new parameter “Net sludge production”. A comparison with the old parameter “Sludge content” has also been done to verify which of the two parameters is the most favourable. The result showed: - That period 2 and 3 predominantly had a high flow which exceed the value 14 000 m3/day, which the Sewage-treatment plant is designed for. - That the average of the Net sludge production for period 3 was 0,5 kg SS/kg reduced COD. - A more even and lower content of COD out from the Chemical step for period 3 compared with the periods 1 and 2 (with the exception on 9 February). - That the reduction of COD was significant and on an even level in period 3. - That period 3 has a tendency to have a better biological process than period 1 and 2. - That the number of higher micro-organism in period 3 increased compared to period 1 and 2. The testimonial of the flocks in the Biological step is also better in this last period. The conclusions of this project are: - Due to the limited time available for this experiment it is difficult to determine if the Net Sludge Production is the most favourable control parameter for Fors Sewage Treatment Plant. However, the experiment clearly shows that is worth to further investigate to control the Sewage Treatment Plant using the parameter Net Sludge Production - To use the target value of the Net sludge production of 0,46 kg SS/kg reduced COD or perhaps a slightly value of 0,50 kg SS/kg reduced COD. - That control based on after the Net Sludge Production could give guidelines for how much sludge the pump should take out from the Biological step. Continued work could be to test to control the Sewage Treatment Plant based on the target value of the Net Sludge Production of 0,46 kg SS/kg reduced COD or 0,50 kg SS/kg reduced COD as mentioned above. Further, the experiment should be performed during different conditions. It is important to study a period during the warmer months of the year and compare the results with the periods, which has been studied in this Master’s thesis. It is also important to test the capacity of the Sewage Treatment Plant during extreme load situations. / www.ima.kth.se

The Enhanced Biological Phosphorus Removal (EBPR) process is characterized as the most sustainable process to remove phosphorus from wastewater albeit with high variability in performance efficiency. Thus, unpredictable upsets in the EBPR system is the norm across several wastewater treatment plants throughout Sweden, forcing the hand of the operators to dose higher volume of chemicals to reach the effluent requirements. As future effluent requirements are getting stricter and since higher chemical usage is environmentally and economically unsustainable, this investigation was setup to evaluate which environmental, operational and/or wastewater characteristics correlate with EBPR upsets at full-scale wastewater treatment plant (WWTP), more specifically at Lundåkra WWTP operated by Nordvästra Skånes Vatten och Avlopp (NSVA). The data used in the investigation was collected between 1St January 2018 and 31St December 2020 for a vast number of parameters known to play a key role in biological phosphorus removal. Online sensors as well as external and internal analysis contributed to the data which included parameters such as ‘Total flow at the plant’, ‘pH of the incoming water’, ‘Temperature in aeration basins’, ‘Dissolved oxygen (DO) levels in aeration basins’, ‘Nitrate in aeration basins’, ‘Sludge content in aeration basins’, etc. Other relevant parameters such as ‘Hydraulic retention time (HRT) in the treatment units’, ‘Sludge retention time (SRT) in aeration basin’, ‘Organic loading rate (OLR)’, etc. were calculated. Before the start of this investigation, the two possible explanations were presumed and they can be classified as: (i) upsets as a result of unsuitable environmental conditions and/or error in the operational strategy at the plant and (ii) upsets as a result of toxicity from higher concentration of metals in the influent specifically. Traditional statistical methods such as the t-distributed Stochastic Neighbor Embedding (t-SNE), Spearman Rank Correlation and Principal Component Analysis were used for the purpose of this study to test the first presumed explanation. The t-SNE plot showed that the upsets did not cluster into one large group but instead clamped up into smaller groups scattered across the length of the scale in both dimensions. This points towards the multivariate dependency of the EBPR process and exhibits that upsets might occur even with an operational strategy that produces good results otherwise. This, in turn, eludes to the fact that a non-included parameter such as the ‘daily metal concentrations in the influent’ could be responsible for some or all of the upsets. The Principal Component Analysis (PCA) plot, although noisy, offered an improvement strategy built around the key variables namely ‘nitrate in aeration basin 1 & 2’, ‘sludge content in aeration basin’, ‘SRT in aeration basin’, ‘O2 in aeration basin 1 & 2’ and ‘pH of incoming water’. Therefore, it is recommended that an improvement strategy be devised around them. Multiple causal factors increase the complexity of the analysis by decreasing the correlation coefficients, however, incorporation of the scatterplots presents a clearer picture. The parameters ‘nitrate in aeration basin 1 & 2’ and ‘sludge content in aeration basin’ showed the strongest correlation with phosphate values at the end of biological treatment at -0.32 and 0.42 respectively. The results also open the door to future research and provide direction for further investigations. / Den förbättrade biologiska fosforborttagningsprocessen karakteriseras som den mest hållbara processen för att avlägsna fosfor från avloppsvatten om än med stor variation i prestandaeffektivitet. Således är oförutsägbara störningar i systemet för förbättrad biologisk fosforavskiljning (EBPR) normen bland flera avloppsreningsverk i hela Sverige, vilket tvingar operatörerna att dosera högre volymer kemikalier för att nå avloppskraven. Eftersom framtida avloppskrav blir allt strängare och eftersom högre kemikalieanvändning är miljömässigt och ekonomiskt ohållbar, gjordes denna undersökning för att utvärdera vilka miljö-, drifts- och/eller avloppsvattenegenskaper som korrelerar med EBPR- störningar vid fullskaligt avloppsreningsverk. Närmare bestämt vid Lundåkra reningsverk som drivs av Nordvästra Skånes Vatten och Avlopp. Datan som användes i undersökningen samlades in mellan 1:a januari 2018 och 31:a december 2020 för ett fast antal parametrar som är kända att spela en nyckelroll vid borttagning av biologiskt P. Onlinesensorer samt externa och interna analyser bidrog till datan vilken inkluderade parametrar som 'Totalt flöde vid anläggningen', 'pH för det inkommande vattnet', 'Temperatur i luftningsbassänger', nivåer av upplöst syre (DO) i luftningsbassänger ',' Nitrat i luftningsbassänger ',' Slamhalt i luftningsbassänger ', etc. Andra relevanta parametrar som 'Hydraulisk retentionstid (HRT) i behandlingsenheterna ',' Slamretentionstid (SRT) i luftningsbassäng ',' Organisk belastningshastighet (OLR) ', etc. beräknades. Innan denna undersökning påbjörades antogs de två möjliga förklaringarna och de kan klassificeras som: (i) störningar till följd av olämpliga miljöförhållanden och/eller fel i driftstrategin vid anläggningen och (ii) störningar till följd av toxicitet från högre koncentration av metaller i inflödet specifikt. Traditionella statistiska metoder såsom t- Distributed Stochastic Neighbor Embedding (t-SNE), Spearman Rank Correlation och Principal Component Analysis användes i denna studie för att testa den första förmodade förklaringen. t-SNE- diagrammet visade att störningarna inte samlades i en stor grupp utan istället klämdes ihop i mindre grupper utspridda över skalans längd i båda dimensionerna. Detta pekar mot EBPR-processens multivariata beroende och visar att störningar kan uppstå även med en operativ strategi som annars ger bra resultat. Detta i sin tur undviker det faktum att en icke-inkluderad parameter som "dagliga metallkoncentrationer i inflödet" kan vara orsaken för några eller alla störningar. Principal Component Analysis (PCA)-diagrammet, trots att det var bullrigt, möjliggjorde en förbättringsstrategi byggd kring nyckelvariablerna, nämligen 'nitrat i luftningsbassäng 1 & 2', 'slamhalt i luftningsbassäng', 'SRT i luftningsbassäng', 'O2 i luftningsbassäng 1 & 2' och 'pH av inkommande vatten'. Därför rekommenderas att en förbättringsstrategi utarbetas kring dem. Flera kausala faktorer ökar komplexiteten i analysen genom att minska korrelationskoefficienterna, men spridningsdiagrammen ger en tydligare bild. Parametrarna ‘nitrat i luftningsbassäng 1 & 2’ och ‘slamhalt i luftningsbassäng’ visade starkast samband med fosfatvärden vid slutet av biologisk behandling vid -0,32 respektive 0,42. Resultaten lämnar dörren öppen för framtida forskning och kan vägleda vidare undersökningar.