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.

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.

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.

It has been illegal to deposit household waste in Swedish landfills since 2005. The large amount of waste deposited prior to this does however continue to pose an environmental concern, mainly in the form of leachate water. This study focused on enhancing the denitrification process in a leachate water treatment plant through bioaugmentation. The two strains Brachymonas denitrificans and Comamonas denitrificans as well a commercial seed mix from ClearBlu Environmental® (CBE-mix) containing amongst others, Pseudomonas putida AD 21 and Pseudomonas fluorescens, were investigated as candidates. Nitrite, nitrate, and ammonium concentrations were measured in laboratory-, and pilot-scale studies to follow the processes of nitrification and denitrification. The pilot study was conducted for 10 days in the middle of May 2020 with leachate from the treatment plant in an aerated and nonaerated setup in open field conditions. C. denitrificans and B. denitrificans were both shown to be able to adapt to growth in landfill leachate. The addition of these strains led to a higher rate of nitrate reduction compared to the control during the first days of the pilot experiment but showed no difference in the total amount of nitrate reduced. The combined nitrogen concentration of ammonium, nitrate, and nitrite was 6.7% lower than the control when using a culture augmented with the CBE-mix in the aerated setup. This could indicate aerated denitrification. The amount of nitrate reduced during the pilot experiment was increased with 32% when augmenting the community with the CBE-mix in a nonaerated setup. An explanation could be that certain strains in the mix were able to utilize hard to degrade organic carbon present in the leachate or that the mix had a higher ratio of reduced nitrate to consumed organic carbon than the indigenous community. / Det har varit olagligt att deponera hushållsavfall i Sverige sedan 2005, den stora mängd avfall som deponerats innan dess fortsätter dock att utgöra ett miljöproblem, främst genom genereringen av lakvatten. Den här studien fokuserade på möjligheten att förbättra denitrifikationen i ett reningsverk för lakvatten genom bioaugmentation. Två stammar tillhörande Brachymonas denitrificans, och Comamonas denitrificans, samt en kommersiell bakterieblandning från ClearBlu Environmental® innehållande bland andra Pseudomonas putida AD 21 och Psedomonas flourescens, undersöktes som möjliga kandidater. Ammonium-, nitrat- och nitritkoncentrationer mättes i odlingsstudier i labbskala och i en pilotstudie för att undersöka nitrifikation och denitrification. Pilotstudien utfördes i en luftad och en o luftad konfiguration utomhus i mitten av maj 2020, med lakvatten från reningsverket under en 10 dagars period. C. denitrificans och B. denitrificans klarade båda av att anpassa sig till tillväxt i lakvatten. Tillsats av dessa arter ledde till en ökning i nitratreduktionshastighet i början av pilotexperimentet men gav ingen total minskning av nitratmängden. Den sammanlagda slutkoncentrationen av ammonium-, nitrat- och nitritkväve var 6,7% lägre än i kontrollen när en kultur argumenterad med den kommersiella bakteriemixen användes i den luftade konfigurationen. Mängden reducerat nitrat ökade med 32% när en kultur augmenterad med den kommersiella mixen användes i den oluftade konfigurationen. En möjlig förklaring är att vissa stammar i mixen klarade av att tillgodogöra sig svårnedbrytbara kolföreningar i lakvattnet eller att ration mellan reducerat nitrat mot konsumerat organiskt kol var högre än i det ursprungliga microbsamhället.

Ökade utsläpp av växthusgaser är ett stort problem idag för den pågående klimatförändringen. Lustgas (N2O) är en mycket potent växthusgas och är relaterad till kväverening vid rening av avloppsvatten. I februari 2014 ansattes en separat rejektvattenreningsprocess på Bromma reningsverk som använder ANITA™Mox med anammox bakterier som reningsteknik. Denna masteruppsats undersöker samband och korrelationer mellan kväverening och N2O utsläpp i rejektvattenreningen på Bromma reningsverk, men syftet att presentera hur Stockholm Vatten och Avfall AB kan minska sina lustgasutsläpp. En manuell profilmätning genomfördes även för att utvärdera hur processen fungerade. Fyra olika scenarion testades under åtta veckor: intermittent luftning med olika fördelning mellan luftning och icke-luftning, olika löst syrekoncentrationer, ändringar i ammoniumbelastningen samt seriekörning av processen. Den manuella profilmätningen mätte pH, konduktivitet, löst syre, nitrit- och ammoniumkoncentrationen. Dessa mätningar togs i sju olika punkter, inkluderat rejektet direkt från centrifugerna och utgående rejekt. Resultaten påvisade att vid intermittent luftning gavs de högsta utsläppen vid 60 minuter luftning och 7,5 minuter paus (1,46% N2O-N/inkommande N-tot). Lägsta utsläppen var vid samma luftningstid men 15 minuter paus (0,44% N2O-N/inkommande N-tot).  Både höga och låga koncentrationer av löst syre gav ökade utsläpp. Med de högsta utsläppen vid 0,77 mg/L (0,88% N2O-N/inkommande N-tot ) och lägsta vid 0,34 mg/L (0,07% N2O-N/inkommande N-tot ). Ändringen av ammoniumbelastning (1,5 högre belastning) hav ingen signifikant skillnad gällande utsläpp, med utsläpp på 0,42–0,90% N2O-N/inkommande N-tot. Seriekörning av processen resulterade i driftproblem med höga ammoniumhalter, med utsläpp på 0,90-1,47% N2O-N/inkommande N-tot. Profilmätningarna visade på att processen är stabil och välutvecklad för att rena rejektet på kväve. Uppsatsen kan ge slutsatsen att rejektvattenreningsprocessen är komplex med många parametrar som påverkar varandra och N2O utsläppen. En ingående och bred förståelse om vad som påverkar utsläppen av lustgas är viktigt för att förstå hur utsläppen ska minskas. En positiv linjär korrelation mellan halten nitrit i processen och lustgasutsläpp kan verifieras, samt påverkan av ökade utsläpp vid både för låga och höga koncentrationer syre. Från profilmätningarna kan slutsatsen dras att det är viktigt att rengöra onlineinstrumenten regelbundet. / Greenhouse gas emissions, particularly nitrous oxide (N2O), are a significant environmental challenge linked to biological nitrogen removal in wastewater treatment. Bromma Wastewater Treatment Plant (WWTP) implemented a separate reject water treatment process in February 2017 using ANTIA™Mox with anammox bacteria. This Master's thesis investigates the relationship and correlations between nitrogen removal and N2O production in this process, aiming to assist Stockholm Vatten och Avfall AB in reducing emissions. A manual profile measurement was conducted to investigate the ongoing process. Over eight weeks, four operating strategies were tested: intermittent aeration with varying ratios between aeration and non-aeration, different dissolved oxygen (DO) concentrations, changes in ammonium load, and series configuration. Manual profile measurements of pH, conductivity, DO, nitrite, and ammonium were taken at seven points in the treatment process, including the supernatant and discharged reject. Findings indicate that intermittent aeration, particularly 60 minutes of aeration followed by a 7.5-minute pause, produced the highest N2O emissions (1.46% N2O-N/Influent N-tot load). The lowest emissions (0.44% N2O-N/Influent N-tot load) occurred with a 15-minute pause. The lowest emission (0.07% N2O-N/Influent N-tot load) was detected at 0.34 mg/L, and high DO concentrations (0.77 mg/L) had the highest emissions (0.88% N2O-N/Influent N-tot load). Variations in ammonium load (1.5 times higher) did not significantly affect emissions, averaging 0.42-0.90% N2O-N/Influent N-tot load. The series configuration faced operational challenges with elevated ammonium levels, leading to emissions of 0.90-1.47% N2O-N/Influent N-tot load. Profile measurements confirmed a stable nitrogen removal process. The study concludes that N2O emissions in reject water treatment are complex and influenced by multiple factors. A positive linear correlation was identified between nitrite concentration and N2O emissions, alongside the impact of not having too-low or too-high DO levels, which results in elevated. Regular maintenance of oxygen sensors is crucial for accurate measurements and effective N2O mitigation.

Övergödning är ett utbrett miljöproblem i hav och sjöar, som yttrar sig i toxiska algblomningar och en minskad biodiversitet. Eftersom kväve är en betydande källa till övergödning, har flera avloppsreningsverk (ARV) krav på kväveavskiljning innan utsläpp i recipient. Tierp ARV omfattas [TA1] för närvarande inte av sådana utsläppskrav på kväve, men förväntas bli det i och med kommande lagstiftning. En utbyggnad av det biologiska reningssteget, som idag endast medför viss kväveavskiljning, kan därför bli nödvändigt för att åstadkomma fullständig kväverening.  Syftet med examensarbetet var att föreslå reningstekniker som kan åstadkomma tillräcklig kväveavskiljning vid Tierp ARV och bedöma vilken av dessa som är mest fördelaktig för implementering. Vidare utvärderades nuvarande reduktion av kväve och organiskt material samt rådande nitrifikation i det biologiska reningssteget. Massbalanser upprättades utifrån provtagning på dessa parametrar. Lämpliga kvävereningstekniker föreslogs med hänsyn till lokala krav och förutsättningar. Dessa tekniker jämfördes därefter i en multikriterieanalys med avseende på platsåtgång, växthusgasutsläpp, drift- och underhållskostnader, kapitalkostnader och arbetsinsats.  Massbalanserna uppvisade en reduktion på 31 % för totalkväve, 10 % för ammoniumkväve, 63 % för nitratkväve, 7 % för nitritkväve, 62 % för COD och 67 % för BOD7. Nuvarande nitrifikation bedömdes vara relativt låg, vilket troligtvis är resultatet av den låga temperaturen på avloppsvattnet, eventuell otillräcklig syretillförsel samt ogynnsamt pH. De reningstekniker som föreslås kunna minska kväveutsläppen från Tierp ARV är aktivslamprocess, membranbioreaktor (MBR) och hybridprocess med biofilmsbärare och aktivslam (IFAS). Utifrån en samlad bedömning av kriterierna i multikriterieanalysen bedömdes IFAS som mest fördelaktig för etablering och MBR som minst gynnsamt. / Eutrophication is a major environmental problem in oceans and lakes, which manifests itself intoxic algal blooms and reduced biodiversity. As nitrogen is a significant contributor toeutrophication, numerous wastewater treatment plants (WTPs) have requirements for nitrogenremoval before discharge into the recipient. Tierp WTP is not currently subject to suchregulation, but is expected to be so with forthcoming legislation. Consequently, an expansion ofthe biological treatment, which presently facilitates only partial nitrogen removal, may becomepertinent to achieve complete nitrogen removal. The objective of this thesis was to propose treatment methods capable of achieving adequatenitrogen removal at Tierp WTP and evaluate the most suitable option for implementation.Furthermore, the current nitrogen and organic material reduction, as well as present nitrificationin the biological treatment, were assessed. Mass balances were established based on sampling ofthese parameters. Suitable nitrogen purification techniques were proposed, considering localrequirements and conditions. These techniques were then compared through a multi-criteriaanalysis, taking into account space occupancy, greenhouse gas emissions, operation andmaintenance costs, capital costs and workload. The mass balances revealed reductions of 31% for total nitrogen, 10% for ammonium nitrogen,63% for nitrate nitrogen, 7% for nitrite nitrogen, 62% for COD and 67% for BOD7. The currentnitrification was assessed as relatively low, likely attributable to the low temperature of thewastewater, possibly insufficient oxygen supply and unfavourable pH. The treatment methodsproposed in the thesis to achieve sufficient nitrogen removal at Tierp WTP are the activatedsludge process, membrane bioreactor (MBR), and hybrid process with biofilm carriers andactivated sludge (IFAS). According to the multicriteria analysis, IFAS was deemed the mostadvantageous option for implementation, while MBR was evaluated as the least favourable.

I takt med att Uppsala växer behöver kapaciteten för avloppsvattenrening på Kungsängsverket byggas ut. För att möta en framtida ökad belastning bedömer Uppsala Vatten & Avfall AB att en kolkälla kommer behöva tillsättas i den biologiska kvävereningen för att effektivisera den heterotrofa denitrifikationen på Kungsängsverket, som idag sker utan tillsats av kolkälla. Potentialen till förbättrad denitrifikation med olika kolkällor utvärderades genom satsvisa laboratorieförsök och litteraturstudier. Syftet var att bättre förstå de studerade kolkällornas funktion och prestanda i denitrifikation för att ge underlag inför en framtida fullskalig implementering av kolkälla. Det övergripande målet var att identifiera vilken eller vilka kolkällor som är mest fördelaktiga med avseende på reningseffektivitet, processpåverkan, doseringsbehov, ekonomi och miljöpåverkan. Triplikata försök genomfördes som denitrifikationstester med aktivt slam vid en genomsnittlig slamtemperatur på 14 ℃ och pH 7-8, där fem externa kolkällor (etanol, Brenntaplus VP1 och tre industriella restprodukter) samt försedimenterat avloppsvatten testades. I litteraturstudien inkluderades även metanol. Från försöksdata bestämdes specifika denitrifikationshastigheter, COD/N-kvoter och utbyteskoefficienter. Även bieffekter såsom nitritackumulering och fosforsläpp studerades. Därefter uppskattades doseringsbehov och kostnader baserat på erhållna resultat och antaganden om framtida produktionsmål för nitratkväve. En likartad prestanda erhölls med en av restprodukterna (RTP-vätska) och etanol som uppnådde högst denitrifikationshastigheter och reduktionsgrader (98 % respektive 97 %). Doseringsbehovet uppskattades vara 4 gånger högre med RTP-vätska jämfört med etanol. Med de två andra restprodukterna (dextrandrank och sackaroslösning) uppnåddes lägst denitrifikationseffektivitet och reduktionsgraderna uppgick till 79 % respektive 47 %. Vid test av sackaroslösning observerades dessutom ofullständig denitrifikation samt höga fosforsläpp. Dextrandranken uppträdde på liknande sätt. I egenskap av restprodukt är RTP-vätskan intressant för fortsatt utvärdering. Fullskalig implementering av RTP-vätska förutsätter att doseringsbehoven kan tillgodoses samt att lämplig distribuering och lagerhållning kan ordnas på Kungsängsverket. / The city of Uppsala is expanding and consequently enhanced capacity at the wastewater treatment plant of Kungsängen will be required in the future. As for the biological nitrogen removal process, Uppsala Vatten & Avfall AB expects an additional carbon source to be necessary in the future denitrification process. Currently, the nitrogen removal is employed without the addition of a carbon source. The potential of enhancing denitrification with different carbon sources was evaluated by conducting lab-scale batch tests and compiling literature data. The objective of this work was to better understand the performance of the chosen carbon sources as electron donors in heterotrophic denitrification and thereby provide groundwork for a future full-scale implementation of a carbon source. Based on information drawn from batch tests and literature, the carbon sources were evaluated with respect to removal efficiency, process compliance, quantitative dosing requirements, costs, and environmental sustainability. Lab-scale trials were conducted as denitrification tests (triplicate) at a mean sludge temperature of 14 ℃ and pH 7-8 with five external carbon sources (ethanol, Brenntaplus VP1, and three industrial waste products) and pretreated wastewater. In the literature review, methanol was included as well. Results obtained from the batch tests were used to determine kinetic parameters, mainly specific denitrification rates, COD/N ratios, and anoxic yield coefficients. Moreover, unwanted side effects due to addition of carbon sources were examined. Dosing requirements and costs were assessed based on previously determined kinetic parameters and supposed future production guidelines for effluent quality with respect to nitrate concentration. Similar performance was observed with one of the waste products (RTP liquid) and ethanol which achieved the highest denitrification rates and degree of removal (98 and 97 %, respectively). The estimated dosing requirement was 4 times higher with the RTP liquid compared to ethanol. The other two waste products, solutions of fructose (dextran) and sucrose, reached the lowest denitrification efficiency and removal degrees were 79 and 47 %, respectively. During tests with sucrose solution, incomplete denitrification and release of phosphorous were observed. The fructose solution showed somewhat similar behavior but to a lesser degree. Being a waste product, the RTP liquid is interesting for future evaluation. Full-scale implementation needs further considerations regarding dosing requirements, distribution, and storage conditions at the site of Kungsängsverket.