<p>This master's theses was carried out on assignment from Stockholm Vatten AB as a part of a project developing new waste water treatment techniques. The goal of the theisis has been to evaluate an anaerobic membrane bioreactor for treatment of waste water from Hammarby Sjöstad. The bioreactor has not been heated and the main interest has been to study the gas production, power consumption and the reduction of organic matter and nutrients.</p><p>The system has been completed with a reverse osmosis unit and a total of four batch runs have been made with good results. The use of reverse osmosis allows nutrient in the waste water to be reintroduced into circulation as the reverse osmosis concentrate can be used as crop nutrient.</p><p>The membrane unit is of VSEP ("Vibratory Shear Enhanced Processing") type and an extensive membrane test has been conducted. This so called L-test helped determine the most suitable type of membrane for the system to allow a higher ±ux and thus lower power consumption. The L-test gave good results and a new membrane with a poresize diameter of 0,45 μm was used.</p><p>The organic load on the bioreactor has been more or less constant, around 0,7 kg COD/day, during the seven weeks of testing. The reduction over the entire system including reverse osmosis has been large, around 99 % regarding organic matter and phosporus and 93 % for nitrogen, making the system suitable for waste water treatment except for high power consumption, around 2 kWh/m3. The production of methanegas has worked although it has been quite low, with average values of 0,13 m3 CH4/kg reduced COD.</p> / <p>Examensarbetet är utfört på uppdrag av Stockholm Vatten AB som en del av det pilotprojekt som utvärderar nya tekniker för avloppsvattenrening för Hammarby Sjöstad. Målsättningen med studien har varit att utvärdera ett system bestående av en anaerob membranbioreaktor för behandling av avloppsvatten från Hammarby Sjöstad. Bioreaktorn har inte varit uppvärmd och det som har studerats är reningseffekten, biogasproduktionen samt energiåtgången.</p><p>Systemet har även innefattat en omvänd osmosanläggning och totalt har fyra försök med denna gjorts med goda resultat. Analyser har koncentrerats till att utvärdera reduktion av organiskt material över membranbioreaktorn och av närsalter och metaller över omvänd osmos anläggningen. Bakgrunden till att använda omvänd osmos är att öka återföringen av näringsämnen från avloppsvatten. Resultatet av försöken med omvänd osmos gav ett koncentrat med högt näringsinnehåll och låg halt av tungmetaller vilket ger möjligheten att sprida det på åkermark.</p><p>Membranenheten är av typen VSEP ("Vibratory Shear Enhanced Processing") och ett membrantest har även utfötts för att finna det membran som passar systemet bäst med avseende på flöde och energiförbrukning. Det så kallade L-testet var omfattande och gav en klar bild över vad som skulle vara det bästa membranet. Det membran som visade sig passa systemet bäst var ett membran med en porstorlek på 0,45 μm. Belastningen av organiskt material på reaktorn under försöksperiodens sju veckor har varit mer eller mindre konstant och låg, cirka 0,7 kg COD/dygn. Reduktionen över hela systemet inklusive omvänd osmosanläggningen med avseende på organiskt material och fosfor har varit mycket hög, omkring 99 %. Reduktionen av kväve var som högst 93 %. Gasproduktionen har fungerat och har i genomsnitt varit omkring 0,13 m3 CH4/kg reducerad COD.</p><p>Energiförbrukningen för systemet i motsvarande fullskala blev omkring 2 kwh/m3.</p>

<p>The most common way to treat wastewater in Sweden today is by a combination of an activated sludge process and a chemical treatment. These processes are not very energy efficient and may not be the most environmentally friendly. That is why it is interesting to evaluate new alternative methods to see if they can be less harmful to the environment and help to a lower resource consumption. New techniques are tested in a pilot installation at Hammarby Sjöstad, Sjöstadsverket. To be able to evaluate these techniques in a wide perspective system analyses are conducted where different impacts can be considered, advantages and disadvantages in the systems.</p><p>Five system structures for water treatment have been constructed in Matlab/Simulink in this study. The URWARE (URbanWAter REsearch) model was used to conduct a system analysis, which made a comparison of the different systems possible. Four of the systems contained a new technique for water treatment, consisting of an anaerobic membrane bioreactor (MBR) combined with a VSEP (Vibratory Shear Enhanced Process) unit. This is one of the techniques that now are tested in Sjöstadsverket. The fifth system was a reference system designed as a conventional treatment plant. The wastewater treated in the different systems was in some cases mixed wastewater, in other source sorted, with or without food waste from kitchen waste disposers.</p><p>Results from the system analysis shows that the MBR technique gives some advantages compared to the conventional water treatment. A large part of the nutrients in incoming materials are recycled. The highest recycling percent is reached when the MBR technique is combined with compost that handles the food waste. The total impact on the environment by greenhouse gases and eutrophic substances is lower in all the alternative systems compared to the reference system. The system with the source sorted urine has the most favourable exergy turnover. When reversed osmosis is used in the treatment a lot of energy is needed which leads to a poor exergy turnover and the conventional technique is more advantageous in these cases. All the alternative systems give a larger acidification which is a disadvantage with the MBR technique.</p> / <p>Vid behandling av avloppsvatten i Sverige används idag i de flesta fall en aktivslamprocess kompletterad med kemiskfällning. Denna process är inte så energieffektiv och kanske inte heller den mest optimala ur miljösynpunkt. Därför kan det vara intressant att utvärdera nya alternativa metoder för att se om dessa kan vara skonsammare mot miljön och bidra till en minskad resursförbrukning. I Sjöstadsverket, som är en försöksanläggning vid Hammarby Sjöstad, undersöks flera nya tekniker i mindre skala. För att kunna utvärdera dessa tekniker utifrån ett helhetsperspektiv görs systemanalyser, där för- och nackdelar och andra effekter kan vägas in.</p><p>I föreliggande studie har fem systemstrukturer för vattenrening byggts upp i Matlab/Simulink. Substansflödesmodellen URWARE (URban WAter REsearch) användes för att utföra en systemanalys, som gjorde en jämförelse av de olika systemen möjlig. Fyra av systemen innehöll ny reningsteknik bestående av en anaerob membranbioreaktor (MBR) kopplad till en VSEP- enhet (Vibratory Shear Enhanced Process). Det är en teknik som nu testas i Sjöstadsverket. Det femte systemet var ett referenssystem utformat som ett konventionellt reningsverk. De vatten som behandlades i reningsverken var i vissa fall blandat avloppsvatten, i andra källsorterat, med och utan matavfall från köksavfallskvarnar.</p><p>Utifrån systemanalysen kan det konstateras att MBR-tekniken ger en del fördelar gentemot den konventionella reningen. Bland annat eftersom en stor andel av näringsinnehållet i avloppsvattnet kan fångas upp och återföras till åkermark. Bäst kretsloppspotential fås när membranbioreaktorn kombineras med en kompost som tar hand om allt matavfall. Totalt sett bidrar också alla de nya reningssystemen till lägre växthusgasutsläpp och lägre utsläpp av eutrofierande ämnen än referenssystemet med konventionell rening. Ur exergisynpunkt är den nya tekniken bättre än den konventionella i det fall då urin källsorteras. I de fall då omvänd osmos används vid behandling är den konventionella processen mer fördelaktig. En nackdel med MBR-tekniken är att utsläpp av försurande ämnen är markant större än för den konventionella tekniken.</p>

This master's theses was carried out on assignment from Stockholm Vatten AB as a part of a project developing new waste water treatment techniques. The goal of the theisis has been to evaluate an anaerobic membrane bioreactor for treatment of waste water from Hammarby Sjöstad. The bioreactor has not been heated and the main interest has been to study the gas production, power consumption and the reduction of organic matter and nutrients. The system has been completed with a reverse osmosis unit and a total of four batch runs have been made with good results. The use of reverse osmosis allows nutrient in the waste water to be reintroduced into circulation as the reverse osmosis concentrate can be used as crop nutrient. The membrane unit is of VSEP ("Vibratory Shear Enhanced Processing") type and an extensive membrane test has been conducted. This so called L-test helped determine the most suitable type of membrane for the system to allow a higher ±ux and thus lower power consumption. The L-test gave good results and a new membrane with a poresize diameter of 0,45 μm was used. The organic load on the bioreactor has been more or less constant, around 0,7 kg COD/day, during the seven weeks of testing. The reduction over the entire system including reverse osmosis has been large, around 99 % regarding organic matter and phosporus and 93 % for nitrogen, making the system suitable for waste water treatment except for high power consumption, around 2 kWh/m3. The production of methanegas has worked although it has been quite low, with average values of 0,13 m3 CH4/kg reduced COD. / Examensarbetet är utfört på uppdrag av Stockholm Vatten AB som en del av det pilotprojekt som utvärderar nya tekniker för avloppsvattenrening för Hammarby Sjöstad. Målsättningen med studien har varit att utvärdera ett system bestående av en anaerob membranbioreaktor för behandling av avloppsvatten från Hammarby Sjöstad. Bioreaktorn har inte varit uppvärmd och det som har studerats är reningseffekten, biogasproduktionen samt energiåtgången. Systemet har även innefattat en omvänd osmosanläggning och totalt har fyra försök med denna gjorts med goda resultat. Analyser har koncentrerats till att utvärdera reduktion av organiskt material över membranbioreaktorn och av närsalter och metaller över omvänd osmos anläggningen. Bakgrunden till att använda omvänd osmos är att öka återföringen av näringsämnen från avloppsvatten. Resultatet av försöken med omvänd osmos gav ett koncentrat med högt näringsinnehåll och låg halt av tungmetaller vilket ger möjligheten att sprida det på åkermark. Membranenheten är av typen VSEP ("Vibratory Shear Enhanced Processing") och ett membrantest har även utfötts för att finna det membran som passar systemet bäst med avseende på flöde och energiförbrukning. Det så kallade L-testet var omfattande och gav en klar bild över vad som skulle vara det bästa membranet. Det membran som visade sig passa systemet bäst var ett membran med en porstorlek på 0,45 μm. Belastningen av organiskt material på reaktorn under försöksperiodens sju veckor har varit mer eller mindre konstant och låg, cirka 0,7 kg COD/dygn. Reduktionen över hela systemet inklusive omvänd osmosanläggningen med avseende på organiskt material och fosfor har varit mycket hög, omkring 99 %. Reduktionen av kväve var som högst 93 %. Gasproduktionen har fungerat och har i genomsnitt varit omkring 0,13 m3 CH4/kg reducerad COD. Energiförbrukningen för systemet i motsvarande fullskala blev omkring 2 kwh/m3.

The most common way to treat wastewater in Sweden today is by a combination of an activated sludge process and a chemical treatment. These processes are not very energy efficient and may not be the most environmentally friendly. That is why it is interesting to evaluate new alternative methods to see if they can be less harmful to the environment and help to a lower resource consumption. New techniques are tested in a pilot installation at Hammarby Sjöstad, Sjöstadsverket. To be able to evaluate these techniques in a wide perspective system analyses are conducted where different impacts can be considered, advantages and disadvantages in the systems. Five system structures for water treatment have been constructed in Matlab/Simulink in this study. The URWARE (URbanWAter REsearch) model was used to conduct a system analysis, which made a comparison of the different systems possible. Four of the systems contained a new technique for water treatment, consisting of an anaerobic membrane bioreactor (MBR) combined with a VSEP (Vibratory Shear Enhanced Process) unit. This is one of the techniques that now are tested in Sjöstadsverket. The fifth system was a reference system designed as a conventional treatment plant. The wastewater treated in the different systems was in some cases mixed wastewater, in other source sorted, with or without food waste from kitchen waste disposers. Results from the system analysis shows that the MBR technique gives some advantages compared to the conventional water treatment. A large part of the nutrients in incoming materials are recycled. The highest recycling percent is reached when the MBR technique is combined with compost that handles the food waste. The total impact on the environment by greenhouse gases and eutrophic substances is lower in all the alternative systems compared to the reference system. The system with the source sorted urine has the most favourable exergy turnover. When reversed osmosis is used in the treatment a lot of energy is needed which leads to a poor exergy turnover and the conventional technique is more advantageous in these cases. All the alternative systems give a larger acidification which is a disadvantage with the MBR technique. / Vid behandling av avloppsvatten i Sverige används idag i de flesta fall en aktivslamprocess kompletterad med kemiskfällning. Denna process är inte så energieffektiv och kanske inte heller den mest optimala ur miljösynpunkt. Därför kan det vara intressant att utvärdera nya alternativa metoder för att se om dessa kan vara skonsammare mot miljön och bidra till en minskad resursförbrukning. I Sjöstadsverket, som är en försöksanläggning vid Hammarby Sjöstad, undersöks flera nya tekniker i mindre skala. För att kunna utvärdera dessa tekniker utifrån ett helhetsperspektiv görs systemanalyser, där för- och nackdelar och andra effekter kan vägas in. I föreliggande studie har fem systemstrukturer för vattenrening byggts upp i Matlab/Simulink. Substansflödesmodellen URWARE (URban WAter REsearch) användes för att utföra en systemanalys, som gjorde en jämförelse av de olika systemen möjlig. Fyra av systemen innehöll ny reningsteknik bestående av en anaerob membranbioreaktor (MBR) kopplad till en VSEP- enhet (Vibratory Shear Enhanced Process). Det är en teknik som nu testas i Sjöstadsverket. Det femte systemet var ett referenssystem utformat som ett konventionellt reningsverk. De vatten som behandlades i reningsverken var i vissa fall blandat avloppsvatten, i andra källsorterat, med och utan matavfall från köksavfallskvarnar. Utifrån systemanalysen kan det konstateras att MBR-tekniken ger en del fördelar gentemot den konventionella reningen. Bland annat eftersom en stor andel av näringsinnehållet i avloppsvattnet kan fångas upp och återföras till åkermark. Bäst kretsloppspotential fås när membranbioreaktorn kombineras med en kompost som tar hand om allt matavfall. Totalt sett bidrar också alla de nya reningssystemen till lägre växthusgasutsläpp och lägre utsläpp av eutrofierande ämnen än referenssystemet med konventionell rening. Ur exergisynpunkt är den nya tekniken bättre än den konventionella i det fall då urin källsorteras. I de fall då omvänd osmos används vid behandling är den konventionella processen mer fördelaktig. En nackdel med MBR-tekniken är att utsläpp av försurande ämnen är markant större än för den konventionella tekniken.

<p>In the pilot plant at Hammarby Sjöstad, Sjöstadsverket, several new methods are tested in order to achieve a good use of resources. When a new technique is considered it is often the performance of the technique itself, under given conditions, that is evaluated. However, in order to evaluate the overall function the whole picture is needed. With a system analysis it becomes possible to make a comparison where all the positive aspects are put up against the negative ones, for the technique itself as well as its requirements. In this way the influence that minor components have on an entire system can be considered.</p><p>This report presents a system analysis of an anaerobic membrane reactor (MBR) with a VSEP-membrane (Vibratory Shear Enhanced Process). The MBR is tested at the research treatment plant at Hammarby Sjöstad. In the analysis presented two different treatment techniques treating two different types of wastewaters are compared. The considered techniques are conventional (represented by an active sludge process) and the MBRtechnique. The waters treated are a mixed wastewater and wastewater from a separating system where closet water is separated from greywater and mixed with food waste from waste disposers.</p><p>The system analysis has been carried out with the URWARE (URban WAter REsearch) system analysis tool. A new URWARE-model that describes the anaerobic reactor and the VSEP membrane was created in order to generate the system structures needed for the analysis. The model consists of two submodels, which as the other URWARE-models are mass-flow, steady-state models based on yearly average-values. The model was tested and calibrated from the test-results at the Hammarby Sjöstad pilot plant. In the study the systems are compared considering energy, exergy and recirculation of nutrients.</p><p>The VSEP-technique has some advantages compared to the conventional system as it ensures that a large part of the nutritional content in the wastewater can be retained. The advantage is more obvious with the separated system, where food waste is mixed with closet water. Also the global warming potential of the new technique is lower. However, conventional treatment is better from an exergy-perspective. This is mostly due to the high energy consumption as a result of the reversed osmosis (RO) required for post treatment.</p> / <p>I försöksanläggningen vid Hammarby Sjöstad, Sjöstadsverket undersöks flera olika metoder för att uppnå största möjliga resursutnyttjande. När en ny teknik utprovas är det i allmänhet funktionen hos den givna metoden under givna förutsättningar som undersöks. För att få ett helhetsperspektiv krävs emellertid att den sätts in i sitt sammanhang. En systemanalys gör det möjligt att få en bild av alla för- och nackdelar, såväl av tekniken i sig som av de förutsättningar den kräver. Även effekter som små delar har på ett helt system kan då belysas och dess betydelse för helheten fastställas.</p><p>Föreliggande studie möjliggör en systemanalytisk utvärdering av en anaerob membranbioreaktor (MBR) kopplad till ett VSEP-membran (Vibratory Shear Enhanced Process) som är under utprovning vid Sjöstadsverket. Studien jämför två vattenreningstekniker för behandling av två olika typer av avloppsvatten. Dels rör det sig om konventionell teknik (aktiv slam-rening liknande den behandlingsmetod som används idag), dels den nya MBRtekniken. De vatten som behandlas är blandat avloppsvatten respektive sorterat klosettvatten blandat med matavfall från avfallskvarnar.</p><p>Systemanalysen har utförts med hjälp av systemanalysverktyget URWARE (URban WAter REsearch). För att kunna bygga upp önskade systemstrukturer har en ny modell för att beskriva den anaeroba reaktorn och VSEP-membranet skapats inom ramen för detta examensarbete. Modellen består av två delmodeller, som liksom övriga modeller i URWARE är substansflödesmodeller där beräkningar är baserade på årsmedelvärden. Modellen har utprovats och kalibrerats mot mätresultat från pilotförsöken vid Sjöstadsverket. I studien jämförs systemen med avseende på energi, exergi och återföring av närsalter.</p><p>Utifrån systemanalysen konstateras att MBR-tekniken ger vissa fördelar gentemot konventionell teknik då en stor del av näringsinnehållet från avloppsvattnet kan fångas upp. Detta gäller speciellt då tekniken används i kombination med ett separerat avloppssystem där matavfall blandas med klosettvatten. Även växthuspotential för den nya tekniken är lägre totalt sett. Ur exergisynpunkt är konventionell teknik emellertid mer fördelaktig. Till stor del beror detta på hög energiförbrukning pga. den efterbehandling med omvänd osmos (RO) som systemet i dess nuvarande utformning kräver.</p>

In the pilot plant at Hammarby Sjöstad, Sjöstadsverket, several new methods are tested in order to achieve a good use of resources. When a new technique is considered it is often the performance of the technique itself, under given conditions, that is evaluated. However, in order to evaluate the overall function the whole picture is needed. With a system analysis it becomes possible to make a comparison where all the positive aspects are put up against the negative ones, for the technique itself as well as its requirements. In this way the influence that minor components have on an entire system can be considered. This report presents a system analysis of an anaerobic membrane reactor (MBR) with a VSEP-membrane (Vibratory Shear Enhanced Process). The MBR is tested at the research treatment plant at Hammarby Sjöstad. In the analysis presented two different treatment techniques treating two different types of wastewaters are compared. The considered techniques are conventional (represented by an active sludge process) and the MBRtechnique. The waters treated are a mixed wastewater and wastewater from a separating system where closet water is separated from greywater and mixed with food waste from waste disposers. The system analysis has been carried out with the URWARE (URban WAter REsearch) system analysis tool. A new URWARE-model that describes the anaerobic reactor and the VSEP membrane was created in order to generate the system structures needed for the analysis. The model consists of two submodels, which as the other URWARE-models are mass-flow, steady-state models based on yearly average-values. The model was tested and calibrated from the test-results at the Hammarby Sjöstad pilot plant. In the study the systems are compared considering energy, exergy and recirculation of nutrients. The VSEP-technique has some advantages compared to the conventional system as it ensures that a large part of the nutritional content in the wastewater can be retained. The advantage is more obvious with the separated system, where food waste is mixed with closet water. Also the global warming potential of the new technique is lower. However, conventional treatment is better from an exergy-perspective. This is mostly due to the high energy consumption as a result of the reversed osmosis (RO) required for post treatment. / I försöksanläggningen vid Hammarby Sjöstad, Sjöstadsverket undersöks flera olika metoder för att uppnå största möjliga resursutnyttjande. När en ny teknik utprovas är det i allmänhet funktionen hos den givna metoden under givna förutsättningar som undersöks. För att få ett helhetsperspektiv krävs emellertid att den sätts in i sitt sammanhang. En systemanalys gör det möjligt att få en bild av alla för- och nackdelar, såväl av tekniken i sig som av de förutsättningar den kräver. Även effekter som små delar har på ett helt system kan då belysas och dess betydelse för helheten fastställas. Föreliggande studie möjliggör en systemanalytisk utvärdering av en anaerob membranbioreaktor (MBR) kopplad till ett VSEP-membran (Vibratory Shear Enhanced Process) som är under utprovning vid Sjöstadsverket. Studien jämför två vattenreningstekniker för behandling av två olika typer av avloppsvatten. Dels rör det sig om konventionell teknik (aktiv slam-rening liknande den behandlingsmetod som används idag), dels den nya MBRtekniken. De vatten som behandlas är blandat avloppsvatten respektive sorterat klosettvatten blandat med matavfall från avfallskvarnar. Systemanalysen har utförts med hjälp av systemanalysverktyget URWARE (URban WAter REsearch). För att kunna bygga upp önskade systemstrukturer har en ny modell för att beskriva den anaeroba reaktorn och VSEP-membranet skapats inom ramen för detta examensarbete. Modellen består av två delmodeller, som liksom övriga modeller i URWARE är substansflödesmodeller där beräkningar är baserade på årsmedelvärden. Modellen har utprovats och kalibrerats mot mätresultat från pilotförsöken vid Sjöstadsverket. I studien jämförs systemen med avseende på energi, exergi och återföring av närsalter. Utifrån systemanalysen konstateras att MBR-tekniken ger vissa fördelar gentemot konventionell teknik då en stor del av näringsinnehållet från avloppsvattnet kan fångas upp. Detta gäller speciellt då tekniken används i kombination med ett separerat avloppssystem där matavfall blandas med klosettvatten. Även växthuspotential för den nya tekniken är lägre totalt sett. Ur exergisynpunkt är konventionell teknik emellertid mer fördelaktig. Till stor del beror detta på hög energiförbrukning pga. den efterbehandling med omvänd osmos (RO) som systemet i dess nuvarande utformning kräver.