The conventional wastewater treatment of today was developed aiming to mitigate problems occurring in wastewater recipients such as oxygen depletion and eutrophication. The focus of wastewater management has however broadened and major concern is now focused on the sustainability of the wastewater treatment process itself. Algae based wastewater treatment is an alternative to conventional treatment. It has the potential to yield an acceptable effluent quality at a lower ecological cost. This Degree Project was conducted as part of MOBIT, a project at Mälardalen University. The MOBIT project was aimed at the development of an algae based wastewater treatment process in an activated sludge environment. The aim of this Degree Project was to propose a model describing the dynamics of such a system. The model was constructed in Simulink, based on the River Water Quality Model no. 1. The River Water Quality Model no. 1 was chosen as the basis for modelling because it included the state variables and processes necessary to describe the dynamics of bacteria, algae and pH. The River Water Quality Model no. 1 was, as the name suggests, developed to describe a river system. It was hence considered important to evaluate if the model was applicable to an activated sludge environment. A major obstacle was the fact that no algae based activated sludge system had been studied prior the start of the MOBIT project, the project was pioneering. The lack of system understanding and of measurement data aggravated the evaluation. However, the proposed model was compared to the Activated Sludge Model No. 1 which was known to describe an activated sludge system accurately. The model structure of the River Water Quality Model no. 1 was considered a good starting point for future modelling of the algae based activated sludge process. However, the model set-up proposed in this report does not describe the system sufficiently well. Better system understanding and measurement data is needed in order to develop and calibrate the model. / Dagens konventionella avloppsvattenrening har utvecklats för att minimera utsläpp av näringsämnen och kolföreningar då sådana utsläpp medför övergödning och syrebrist i mottagande vatten. På senare tid har reningsprocessen i sig hamnat i fokus då den är såväl energi- som resurskrävande. Algbaserad avloppsvattenrening är ett alternativ som har potential att ge tillfredsställande rening med ett betydligt mindre ekologiskt fotavtryck. Det här examensarbetet var en del av MOBIT, ett projekt vid Mälardalens högskola. MOBIT syftade till att utvärdera algbaserad avloppsvattenrening i form av en aktivslamprocess. Syftet med examensarbetet var att ta fram en modell för det planerade systemet. Modellen byggdes i Simulink och den baserades på en befintlig modell, River Water Quality Model no. 1. Den befintliga modellen valdes för att den inkluderade alla önskvärda tillståndsvariabler och processer, bland annat de som krävs för att beskriva alg-, bakterie- och pH-dynamik. Som namnet antyder utvecklades River Water Quality Model no. 1 för att beskriva ett flodsystem. Det var därför angeläget att utvärdera huruvida modellen var tillämpbar i en aktivslammiljö. Utvärderingen försvårades av att det vid tiden för examensarbetets utförande ännu inte fanns någon existerande algbaserad aktivslamprocess. Kunskapen om systemet var därför begränsad och det fanns ingen mätdata att kalibrera eller evaluera mot. I brist på mätdata jämfördes den framtagna modellen med en annan modell som var utvecklad för att beskriva just avloppsvattenrening, Activated Sludge Model No. 1. Arbetet resulterade i slutsatsen att River Water Quality Model no. 1 utgör en bra grund för modellering av den algbaserade aktivslamprocessen. Men, den modellkonfiguration som tas fram i denna rapport beskriver inte systemet särskilt bra. Bättre systemförståelse samt tillförlitlig mätdata krävs för att omarbeta och kalibrera den föreslagna modellen. / MOBIT

Chromium and other heavy metals are known to cause issues related to human and environmental health when they occur in high concentrations in ecosystems. Chromium poses a particularly large threat if it occurs in its hexavalent form, Cr(VI), as it is highly reactive and carcinogenic. The aim of this project was to investigate the wastewater emitted from a tannery in Liwonde, Malawi, with respect to the metals Cr, Al, Cd, Cu, Fe, Mn, Pb and Zn, and to reduce the concentrations using locally available materials. A particular emphasis was put on chromium.   Wastewater collected from the tannery was analysed to determine the total and dissolved concentrations of the metals using a Microwave Plasma-Atomic Emission Spectrometer (MP-AES). The wastewater was then mixed with various dosages of peeled and unpeeled Moringa Oleifera seed powder as well as pure Moringa Oleifera shell powder and sand collected from river Shire. Thereafter, the remaining concentrations of metals were analysed. Additional analyses of various contact times were performed for the removal agent that had shown the best results.     The analyses showed a total chromium concentration of 2.25 ppm and a dissolved chromium concentration of 0.251 ppm in the wastewater discharged from the tannery. Both concentrations were lower than what had initially been expected but still above both the WHO guideline value for chromium in drinking water and the Swedish threshold value for chromium in industrial wastewater (0.05 ppm). No other metals were found in concentrations above trace levels. All of the investigated removal agents, except for pure shell powder, showed positive results for chromium removal. The highest removal observed for dissolved chromium was 72 % and occurred with a removal agent mixture of 5.0 g of river sand and 2.0 g of unpeeled Moringa Oleifera seed powder to 100 mL of wastewater. The reduction of total chromium was 97 % for the same removal agent mixture. However, lower dosages of the removal agents also gave a chromium removal of similar size. Due to resource limitations, no analysis of whether the wastewater contained Cr(III) and Cr(VI) could be performed.   Considering the low initial concentrations of metals emitted from the tannery, there is no urgent need for further treatment of the wastewater. This study has however substantiated the theory that Moringa Oleifera seeds can be used as a low-cost chromium remediation agent in wastewater, a result that can be of use to improve the water quality in other industries and applications. / Det har länge varit känt att krom och andra tungmetaller kan orsaka hälso- och miljöproblem när de förekommer i höga koncentrationer i ekosystem. Krom utgör ett särskilt stort hot om det förekommer i sin sexvärda form, Cr(VI), eftersom det är mycket reaktivt och cancerogent. Syftet med detta projekt var att undersöka avloppsvattnet från ett garveri i Liwonde, Malawi, med avseende på metallerna Cr, Al, Cd, Cu, Fe, Mn, Pb och Zn, samt att minska koncentrationerna med hjälp av lokalt tillgängliga material. En särskilt tonvikt lades på krom.   Avloppsvatten som inhämtats från garveriet analyserades med hjälp av en mikrovågsplasma-atomemissionsspektrometer (MP-AES) för bestämning av total samt löst koncentration av metallerna. Avloppsvattnet blandades sedan med olika doser av pulver från skalade och oskalade Moringa Oleifera-frön, liksom med pulver från skal av Moringa Oleifera-frön och sand från Shire-floden. Därefter analyserades proverna med avseende på återstående metallkoncentrationer. Ytterligare undersökningar genomfördes med olika kontakttider för det inbindningsmedel som visat bäst resultat.   Analyserna visade en total kromkoncentration på 2,25 ppm och en löst kromkoncentration på 0,251 ppm i det avloppsvatten som släpptes ut från garveriet. Båda koncentrationerna var lägre än vad som ursprungligen hade förväntats, men ändå över både WHOs riktlinjer för krom i dricksvatten och det svenska gränsvärdet för krom i industriellt avloppsvatten (0,05 ppm). Inga andra metaller påvisades i betydande koncentrationer. Alla undersökta inbindningsmedel, med undantag av Moringa Oleifera-skal, visade positiva resultat för kromrening. Den största observerade reningen för löst krom var  72 %, och uppmättes för en blandning av 5,0 g sand och 2,0 g pulver av oskalade Moringa Oleifera-frön till 100 mL avloppsvatten. Reduktionen av totalt krom var 97 % för samma blandning. Även lägre doser gav dock en nästan lika hög reningsgrad. På grund av resursbegränsningar kunde ingen analys av huruvida avloppsvattnet innehöll Cr(III) eller Cr(VI) genomföras.   Då avloppsvattnet från garveriet endast innehöll låga koncentrationer av metaller finns inget akut behov av ytterligare rening. Denna studie har dock styrkt tesen att Moringa Oleifera-frön kan användas som ett lågkostnadsalternativ för rening av krom i avloppsvatten. Detta resultat kan vara användbart för att förbättra vattenkvaliteten vid andra industrier och tillämpningar.

Stockholm Vatten AB (SVAB) behöver utöka kapaciteten på avloppsreningsverket i Henriksdal. Därför kommer en membranbioreaktor (MBR) att implementeras i dagens befintliga aktivslamanläggning. Den nya anläggningen dimensioneras för att kunna hantera det förväntade flödet år 2040. Det framtida verket kommer dessutom behöva rena avloppsvatten som i dagsläget behandlas i verket i Bromma. Ytterligare förväntas utsläppskraven för fosfor (P), kväve (N) och organiskt material (BOD7) att skärpas.   För närvarande bedriver SVAB i samarbete med IVL (Svenska miljöinstitutet) en pilotanläggning i Sjöstadsverket för att undersöka hur tekniken effektivt kan implementeras i Henriksdal. En stor utmaning för att optimera driften är reningsprocessen av fosfor. Som alternativ till efterfällning av fosfor önskar Henriksdal att simultanfälla fosfor med tvåvärt järn (Fe2+) i MBR:en.   I följande arbete utreds hur kemisk fällning av fosfor med Fe2+ fungerar i kombination med aktivslam och mer specifikt, med MBR. Syftet med arbetet är att bidra med kunskap till fortsatta studier i Sjöstadsverket inför implementeringen av MBR i Henriksdal. Arbetet utreder delar inom den kunskap och forskning som finns gällande området idag och identifierar kunskapsluckor inom studiet. Fokus har bland annat legat på att beskriva; mekanismer och reaktionskinetik; utreda vilka parametrar som styr utfällningen; hur slammet och den biologiska aktiviteten påverkas; samt hur dosering av järn inverkar på MBR.   Få studier har gjorts inom området och i många fall varierar resultaten studierna emellan. Detta beror sannolikt på två faktorer: 1) Vattenmatrisen i avloppsvattnet är komplex. 2) Avloppsvattnets innehåll kan variera mycket.   Exakta reaktioner och mekanismer för hur fosfor avskiljs med järn(II)dosering är ännu inte fullständigt klarlagt. En stor del av Fe2+ som tillsätts kommer att oxideras till trevärt järn (Fe3+). Oxidationshastigheten av Fe2+ styrs främst av pH och syretillgänglighet i vatten och hastigheten varierar kraftigt med avseende på dessa parametrar. Fe2+ kan även oxideras biologiskt under anoxiska förhållanden av denitrifierare. Fosfor avskiljas i sin tur antingen direkt genom utfällning med Fe2+ eller Fe3+, eller genom adsorption till järnhydroxider.   Järn(II)dosering inverkar på slammets morfologi, sedimenteringsindex, storlek och stabilitet. Dosering med Fe2+ ger kompakta flockar med släta och täta ytor samt få utstickande filament. Fe2+ kan inverka på den biologiska aktiviteten i slammet, men där finns bevis gällande både en synergistisk inverkan och en reducerande effekt.   Generellt rekommenderas att molförhållanden över 2, Fe2+:P används för att uppnå tillräcklig avskiljning av fosfor i aktivslam. Liknande molförhållande tycks rekommenderas i MBR. Utöver doseringshalt kan även doseringspunkt inverka på både avskiljningsgraden av fosfor och nedsmutsningen av membranen.   I studien sammanställdes även en massbalans av flödet och järn i MBR-linjen i Sjöstadsverket. Ytterligare gjordes analyser på vattnet för att undersöka förhållandet   Vid massbalansen uppmärksammades att avskiljningen av fosfor är låg i förluftning (FL) och försedimentering (FS). Avskiljningsgraden låg under vad som förväntades (uppmätt 18 %, förväntad 50 %). Den låga avskiljningsgraden beror sannolikt på att FL och Fs är förhållandevis små. I MBR erhölls ett 40 % större uttag av järn jämfört med inkommande halt järn till MBR. Det bör kunna förklaras av att järnhalten i slammet under denna period var ovanligt hög.   Förhållandet mellan fria Fe2+- och Fe3+-joner analyserades i tvåpunkter, efter FL (mätpunkt 1) och efter FS (mätpunkt 2). I mätpunkt 1 hade 80 % av järnjonerna fällt ut och ca 60 % oxiderat till trevärt järn. Uppehållstiden i FL är ca 13 min.   pH mättes i hela MBR-reningslinjen. I FL och FS låg pH kring ungefär 7,5 och i MBR-reaktorerna låg pH omkring 6,5. Det förenklade hastighetsuttrycket för oxidation av järn vid syrerika förhållanden d[Fe (II)]/dt = -k􁇱[Fe(II)] användes för att beräkna den teoretiska halveringstiden (t1/2) av Fe2+. t1/2 i FL beräknades till 13 min, i FS till 22 min och i MBR-reaktorerna till omkring 2 h. Den teoretiska t1/2 stämmer relativt bra överens med vad som uppmättes vid analys av Fe2+: Fe3+. Den slutsats som kan dras är att sannolikt så kommer mer av järnet att fälla ut i sin trevärda form då järnet doseras i FL och FS, än då järnet doseras i de luftade biologiska reaktorerna.   Sammanfattningsvis, finns få studier som utreder processen för utfällning av fosfor med Fe(II) i aktivslam eller MBR. Kunskapen inom området är begränsad och det finns ännu många kunskapsluckor som behöver täckas. På grund av avloppsvattnets komplexitet räcker inte teoretisk kunskap för en effektiv implementering av MBR. / To expand the capacity of the Stockholm Vatten AB (SVAB) municipal waste water treatment plant (WWTP) “Henriksdal” a membrane bioreactor will be implemented in the existing activated sludge process. The new WWTP is dimensioned to handle the expected flow of year 2040. The future WWTP will also need to treat waste water is currently treated in Bromma. Furthermore, the effluent treatment requirements for phosphorus (P), nitrogen (N) and organic substituents is expected to become stricter.   In cooperation between SVAB and IVL (The Swedish Environmental Institute) the new treatment process is being tested in a pilot plant in Sjöstadsverket. One of the challenges in the new project is to achieve sufficient removal of phosphorus. Today Henriksdal WWTP removes phosphorus through post-precipitation with ferrous iron (Fe2+). When the MBR is implemented SVAB wants to use simultaneous precipitation in the MBR.   In this report the chemical precipitation of Fe2+ in combination with activated sludge and MBR is examined. The aim of this thesis is to aid SVAB by contributing with knowledge in the mentioned area. The report examines the knowledge and research available about the area today and identifies if there are any gaps of knowledge. Focus of the study is among other things: the reaction mechanisms and kinetics; what parameters favor efficient precipitation; how does ferrous iron integrate with the sludge; how to efficiently combine ferrous iron precipitation in MBR.   There are only a few studies in the field and the results often contradict each other. It is likely due to two factors: 1) the matrix of waste water is complex. 2) the matrix varies considerably between different areas and different WWTP’s.   The exact mechanisms and kinetics of phosphorus removal with chemical precipitation of ferrous iron are not fully understood. A lot of the Fe2+ will oxidize to ferric iron (Fe3+). The oxidation rate is mainly dependent on the pH and oxygen concentration in the water. Fe2+ can also be oxidized through biological oxidation in anoxic environments. The phosphorus is removed by direct precipitation with Fe2+ and Fe3+, or through adsorption to iron hydroxides.   Fe2+ can influence the characteristics of the sludge by changing the morphology, the size and the stability of the flocs and the settleability of the sludge. Dosing Fe2+ gives more compact flocs, with smooth surfaces and few filaments. Fe2+ can also influence the biological activity in the sludge. Some studies states the iron contributes to synergistic effects, some claim it reduces the activity.   For efficient phosphorus removal in activated sludge ratios of Fe:P > 2 mole /mole is mostly used. The recommendations seem to be the same for MBR. The dosing point also seem to be of importance to achieve sufficient removal, and furthermore to prevent fouling of the membranes.   Material balances for phosphorous and for iron, as well as analyses to examine the oxidation rate and pH of the waste water in the MBR-pilot plant were also performed. The material balance showed that the removal of phosphorous in the pre-aeration (PA) and the pre-sedimentation (PS) was low. The expected removal was 50 % while the achieved removal 18 %. This is probably due to the relatively small size of the PA and PS compared to the rest of the pilot-plant. In the MBR the outgoing flow of iron was 40 % larger than the incoming flow. During the examined weeks the iron concentration in the sludge was higher than usually. Probably iron had been accumulated in the sludge the weeks before.   The ratio between Fe2+-ions and Fe3+-ions was analyzed in two points, in the flow following the PA respectively the flow following the PS. In the PA 80 % of the ions had precipitated and 60 % of the free irons had been oxidized to Fe3+.   pH was measured in each reactor of the pilot plant. In the PA and the PS the pH was about 7.5, while in the MBR-reactors the pH was around 6.5. The theoretical half-life (t1/2) of Fe2+ was calculated from a simplified rate reaction expression for oxidation of Fe2+ in aerated waters. t1/2 in the PA was around 13 minutes, in the PS around 22 minutes and the bio reactors around 2h. The theoretical t1/2 of Fe2+ is relatively close to the measured values of the ratio between Fe2+-ions and Fe3+-ions. From the results of the studies it is likely that more of the iron will precipitate as ferric iron in the PA and PS than if the ferrous iron is dosed in the aerated bioreactors.   In conclusion: there are only very few studies that examines the precipitation process of ferrous iron in activated sludge or MBR. The theoretical knowledge is not wide enough to use as an only tool when MBR is implanted in new WWTP’s. Due to the complexity of the waste water empirical studies need to be performed under the actual conditions that prevail at Henriksdal WWTP.

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.

Domestic and industrial water demands are growing globally due to population growth and rapid economic development, placing increasing strains on water resources. Wastewater effluents generated from these and other activities impact the environment and are thus subject to tightening regulation. The focus of research and development in water treatment processes aims at both pollutant removal efficiency and cost of purification. Membrane distillation (MD) is a developing thermally driven technology capable of achieving extremely high environmental performance utilizing renewable energy sources to a high degree. District heating networks, and in particular those driven by biomass, represent an ideal heat supply for MD systems. This thesis presents a technoeconomic assessment of district heating driven MD for water purification in selected industrial applications. The study covers analysis of MD separation performance and the related costs from different district heating integration scenarios. The analyses are based on three types of semi-commercial MD modules, with experiments conducted at laboratory and pilot scales. The case studies include pharmaceutical residue removal from effluents of municipal wastewater treatment plant, wastewater purification in pharmaceutical industry, and ethanol concentration in bioethanol production plant. Full-scale simulation studies were carried out for the identified case studies based on the experimental data obtained from MD module along with process information gathered from the industries. Results from the pharmaceutical residue removal pilot trials showed very good to excellent separation efficiency for 37 compounds at feed concentrations ranging from ng/L to mg/L. From alcohol-water feeds, ethanol concentrations were increased from 5% to nearly 90%. Simulation studies revealed that district heating integration of MD systems is feasible. Costs per unit volume of purified water are higher than competing technologies, however the configurations enable enhanced environmental performance that would be difficult to achieve otherwise. / Kommunala och industriella vattenkrav växer globalt på grund av befolkningstillväxt och snabb ekonomisk utveckling, vilket ökar belastningen på vattenresurserna. Avloppsvatten från alla verk-samheter påverkar miljön och är därmed föremål för tilltagande reglering. Fokus i forskning och utveckling av vattenreningsprocesser syftar till att både öka effektiviteten i avlägsnandet av föroreningarna och att minska kostnaderna för detta. Membrandestillation (MD) är en ny termiskt driven teknik som kan uppnå extremt hög miljö-prestanda genom att den är effektiv och i hög grad kan drivas av förnybara energikällor. Fjärrvärmesystem, särskilt de som drivs av biomassa, utgör en idealisk värmeförsörjning för ett MD-system. Avhandlingen presenterar en teknoekonomisk bedömning av fjärrvärmedriven MD för vattenrening i utvalda industriella applikationer. Studien analyserar MD-systemets separations-prestanda och kostnader i olika fjärrvärmeintegrationsscenarier. Analyserna baseras på tre typer av semi-kommersiella MD-moduler, med experiment utförda på laboratorie- och pilotskala. Fallstudierna innefattar: borttagning av läkemedelsrester från avloppsvatten från kommunalt avloppsreningsverk; avloppsvattenrening i läkemedels-industrin; och uppkoncentrering i bioetanolproduktionsanläggning. Fullskaliga simuleringsstudier har utförts för fallstudierna baserat på experimentella data erhållna från MD-modulen och med processinformation som samlats in från industrin. Resultaten från försöken med läkemedelsrester visade mycket god till utmärkt separationseffektivitet för 37 föreningar vid förorenings-koncentrationer som sträckte sig från ng/liter till mg/liter. Vid uppkoncentrering av alkohol ökades etanolhalten från 5 % till nära 90 %. Simuleringsstudier visade att fjärrvärmeintegration av MD-system är möjlig. Kostnader per volym renat vatten är högre än konkurrerande teknik, men konfigurationerna möjliggör förbättrad miljöprestanda som skulle vara svår att uppnå på annat sätt. / <p>This doctoral research has been carried out in the context of an agreement on joint doctoral research supervision between KTH Royal Institute of Technology, (Stockholm, Sweden), and Politecnico di Torino − PoliTo, (Turin, Italy). Erasmus Mundus Joint Doctorate, SELECT+ (Environomical pathways for sustainable energy services) program. QC 20170523</p> / SLECT+ Erasmus Mundus Joint Doctoral Program

En central del i reningsverkens behandling av avloppsvatten är att dosera fällningskemikalier i syfte att reducera halten fosfor samt organiskt material. Under fällningsprocessen är det viktigt att det sker en snabb och fullständig inblandning av fällningsmedlet i avloppsvattnet för att uppnå goda reningsresultat. På Henriksdals reningsverk i Stockholm undersöks möjligheten att tillämpa en doseringsanordning som med hjälp av tryckluft doserar fällningskemikalien genom ett perforerat rör från kanalens botten för att på detta vis åstadkomma en effektiv inblandning. Anordningen, en doserramp, är tänkt att utnyttjas som extra fällningssteg under högflödesrening, vilket förekommer när det inkommande flödet överskrider reningsverkets hydrauliska kapacitet och uppstår vanligtvis vid kraftiga skyfall eller snösmältningsperioder. Under dessa perioder bräddas avloppsvattnet förbi den biologiska behandlingen, antingen till sandfiltreringen eller direkt till recipienten vilket resulterar i utsläpp av avloppsvatten med förhöjda föroreningshalter. Projektet utgick efter befintlig design och modell för dosering av fällningsmedel med tryckluft. Genom pilotförsök har sedermera en egenutvecklad doserramp utformats, utvärderats och optimerats i ändamål att kunna implementeras i verksamheten på Henriksdals reningsverk. Pilotförsöken kompletterades med teoretiska beräkningar av de resulterande tryckförlusterna genom rörsystemet via Darcy-Weisbachs ekvation. Tester utfördes på en doserramp i fullstor skala med två olika rördimensioner, DN50 (innerdiameter 50 mm) respektive DN25 (innerdiameter 25 mm) med en horisontell rörlängd på 4 m. Som vätskemedium användes vatten från reningsverket. Resultaten från experimenten med båda rördimensionerna visade att bäst prestanda uppnåddes när en korrigerad hålbild med avtagande centrumavstånd mellan luftningshålen implementerades i kombination med att luftningshålen vinklades vertikalt nedåt. Vid experiment med den större rördimensionen DN50 uppmättes bäst prestanda när den horisontella rördelen fylldes med fyllkroppar vilka fyllde funktionen att finfördela luft- och vätskeblandningen och samtidigt bibehålla en hög turbulens längs det horisontella röret. Den resulterande tryckförlusten genom doserrampen beräknades till 4–8 bar beroende på vätskekälla och ingående lufttryck.

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

Sludge, produced in the waste water treatment process, can be used as fertilizer in agriculture. It is rich in nutrients but also contains other substances, such as heavy metals. Metals may enter crops which means that it also enters the food chain. Some heavy metals have been proven to cause severe damage to living organisms in high doses. It is therefore important to regulate the amount of heavy metals in the soil and in the sludge used as fertilizer. In this thesis the sources of heavy metals in the waste water system in the town of Västerås was examined. The sources of the heavy metals cadmium, chromium, mercury, copper and zinc were mainly analyzed by using the Excel tool "Source Finder". In this tool collected data of emissions or calculated emissions by the use of model values were entered. Households proved to be the single largest source of all the metals in this study, with the exeption of chromium. For cadmium and chromium water leakage from the ground water into the pipe system was a large contributing source. Business did not prove to be a large source of any metal with the exception of dental units which emitted large amounts of mercury. To be able to predict change of quality, in regards of metals, in the sludge and puried water an existing model of the water treatment plant was supplemented with processes regarding separation of copper. This was done by studying other models regarding metal partitioning and separation. The final model proved unable to describe variances in the measured data, but could describe the median concentration of copper in cleansed water and sludge.

The majority of the nutrients in household wastewater are found in the urine and in order to facilitate the use the nutrients in the urine as fertilizer, the urine can be can be concentrated. To extract the nutrients from the urine, various technologies for urine concentration are being developed today. As the technologies are relatively new, urine concentration systems have not been installed on a larger scale. In this study, sustainability of three different urine concentration technologies was evaluated through a fictional case study for 2100 people that took inspiration from a planned residential area in Malmö, Sweden, where technology for urine concentration will be implemented in at least one of the buildings. The technologies were evaluated through a multi-criteria assessment (MCA), where different criteria within sustainability categories environment, technical, economic and health were determined based on the Sustainable Development Goals (SDGs). The technologies examined were alkaline dehydration, nitrification-distillation and ion-exchange using a pre-step of struvite precipitation. For the alkaline dehydration technology, fresh urine is added to an alkaline medium, in order to prevent nitrogen losses, and then dried. In the nitrification-distillation technology, stored urine is treated by first being stabilized by a partial nitrification and then distilled in order to reduce the volume. For the ion-exchange and struvite precipitation system, phosphorus is first precipitated from stored urine and nitrogen is then extracted through ion-exchange. The urine concentration technologies were assumed to be installed in semi-centralized treatment plants in basements in the residential area. The other household wastewater was assumed to be treated in the local wastewater treatment plant (WWTP). The results showed that all three urine concentration technologies may contribute to a significant increase in nitrogen recovery from the household sewer. However, this may come at the expense of increased annual costs for the population. Before it is possible to determine whether urine concentration can be an alternative as a complement to the existing wastewater treatment, further studies of the urine concentration technologies and their sustainability are required. However, this study indicated that urine concentration technologies perform well in many of the sustainability criteria examined and therefore have potential to contribute to the SDGs, especially regarding nitrogen recovery. This study can therefore be an incentive for further studies, where the sustainability of an implementation of urine concentration in Sweden is addressed. / Majoriteten av näringen i hushållsavloppsvattnet finns i urinen och för att underlätta användningen av växtnäringsämnena i urinen som gödningsmedel kan den koncentreras. För att utvinna näringen ur urinen utvecklas idag olika tekniker för urinkoncentrering. Då teknikerna är relativt nya har system för urinkoncentrering inte installerats i en större skala. Därför utvärderades hållbarheten för tre olika urinkoncentreringsmetoder genom en fiktiv fallstudie som innefattade 2100 personer. Fallstudien fick inspiration från ett planerat bostadsområde i Malmö, Sverige, där teknik för urinkoncentrering ska implementeras i minst en av byggnaderna. Teknikerna utvärderades genom en multikriterieanalys (MKA), där kriterier inom hållbarhetskategorierna miljö, teknik, ekonomi och hälsa valdes utifrån de Globala målen. De tekniker som utvärderades var alkalisk urintorkning, nitrifikations-destillering och jonbyte där struvitutfällning tillämpades som förbehandling. För den alkaliska urintorkningen tillförs färsk urin till ett alkaliskt medium, för att förhindra kväveförluster, och torkas sedan. I nitrifikations-destillerings tekniken behandlas lagrat urin genom att det först stabiliseras genom en partiell nitrifikation för att sedan destilleras för att reducera volymen. För systemet med jonbyte och struvitfällning, fälls först fosfor från lagrat urin ut och sedan utvinns kvävet genom jonbyte. Urinkoncentreringsteknikerna antogs anläggas i semi-centraliserade reningsverk i källare i bostadsområdet. Övrigt hushållsvatten antogs renas i det lokala avloppsreningsverket. Resultatet visade att samtliga av de tre teknikerna för urinkoncentrering kan bidra till en betydande ökning kväveåtervinning från hushållsavloppet. Dock kan detta komma på bekostnad av ökade årliga kostnader för de boende i området. Innan det är möjligt att avgöra om urinkoncentrering kan vara ett alternativ som ett komplement till den befintliga avloppsreningen i Sege Park krävs vidare studier av urinkoncentreringsteknikerna och deras hållbarhet. Däremot visade denna studie att urinkoncentreringsteknikerna presterar bra i många av de undersökta hållbarhetskriterierna och har därför potential att bidra till de Globala målen, främst när det gäller kväveåtervinning. Denna studie kan därför vara ett incitament för vidare studier som behandlar hållbarheten av en implementering av urinkoncentrering i Sverige.

Chemical coagulation is a widely used wastewater treatment method around the world to reduce impurities from the process water in various industries. However, the large amounts of coagulation chemicals that are required for the removal of dissolved particles create a chemical sludge which poses a great environmental problem. Purac AB, a Swedish wastewater treatment company attempts to solve this problem with a new technology called the ReAl process. The ReAl process can recycle the aluminium ions from the commonly used coagulant aluminium sulfate, which reduces the amount of chemical sludge and the amount of aluminium sulfate needed in the coagulation process. In this study, a comparative life cycle assessment was conducted with a cradle-to-grave approach and mostly in accordance with the ISO-14040 series with the only deviation of not including resource-based impact categories. The goal was to evaluate the environmental impact of two sludge treatment systems – a conventional system (system 1) and a system which includes the ReAl process (system 2). Furthermore, the environmental performance of two dewatering equipment’s, a decanter centrifuge and a filter press, were examined in system 1, while in system 2, the exclusion of sludge drying was investigated. The scope of the study did not include the infrastructure of the sludge treatment systems and the ReAl process since previous studies have shown that, the environmental impact from the infrastructure in the wastewater treatment industry is relatively small compared to other factors, such as the energy and coagulation chemical used in these systems. The characterization results showed that system 2 had the lowest environmental impact on all the evaluated impact categories. The results also revealed that system 1 would have a slightly lower environmental impact if the chemical sludge was dewatered with a decanter centrifuge instead of a filter press. Similarly, system 2 would have a slightly lower environmental impact if sludge drying was excluded from the system. However, the environmental performance gain from selecting the best dewatering and drying equipment is limited and considered within the margin of error. Thus, this thesis suggests selecting the sludge treatment equipment based on their economic and technical factors before their environmental performance. The largest environmental impact in system 1 derived from the use of the coagulation chemical aluminium sulfate, while in system 2, sulfuric acid used in the ReAl process contributed the most to its environmental impact. The sensitivity analysis showed that a “clean” electricity mix is essential for system 2 and the ReAl process overall impact on the environment compared to system 1.