I examensarbetet har möjlig denitrifikationshastighet för lakvattnet på Bredemads avfallsdeponi i Ljungby undersökts. Denitrifikationshastigheten har tagits fram i satsvisa och kontinuerliga försök där Reppos 40T och Brenntaplus VP1 har jämförts som externa kolkällor. De satsvisa försöken har genomförts i temperaturerna 15 °C, 20 °C och 22,5 °C och de kontinuerliga försöken har genomförts med reningsmetoden ”Moving Bed Biofilm Reactor” (MBBR) med bärare som hade en skyddad yta på 500 m2/m3. Denitrifikationshastigheten i g/(dygn•m2) med Reppos 40T var 0,45 och med Brenntaplus VP1 1,05. I reaktorn med Reppos 40T var fyllnadsgraden 48 % och denitrifikationshastigheten 4,5 g/(h•m3). I reaktorn med Brenntaplus VP1 var fyllnadsgraden 41 % och denitrifikationshastigheten 9,1 g/(h•m3).

Lakvatten innehåller ofta stora mängder föroreningar som kan vara skadliga för människor och miljön. På Löt avfallsanläggning som ägs och drivs av Söderhalls renhållningsverk AB (SÖRAB) finns en aktiv deponi för icke-farligt avfall (IFA-deponi) som ger upphov till ett lakvattenflöde med höga halter av ammoniumkväve. Om höga halter av kväve läcker ut i naturen kan det påverka biologiska processer negativt och orsaka problem som övergödning. Fram till 31/12 2014 står Löt avfallsanläggning under prövotid. Under prövotiden har SÖRAB fått ålagt att bland annat utvärdera den kemiska karaktären på samtliga vattenströmmar på anläggningen och optimera vattenreningen för de olika delströmmarna utifrån vattnets karaktär. Under prövotiden har SÖRAB tilldelats provisoriska utsläppsvillkor i form av riktvärden.  På grund av de höga halterna av kväve i lakvattnet från IFA-deponin har SÖRAB haft svårt att klara de provisoriska riktvärden som satts upp för utsläpp av kväve. För att undvika skadlig miljöpåverkan i recipienten dit vatten från anläggningen avleds har SÖRAB utvecklat och konstruerat en pilotanläggning för kontinuerlig biologisk rening (KBR-anläggning) där lakvattnet från IFA-deponin ska behandlas för att reducera utsläppen av kväve från avfallsanläggningen. I KBR-anläggningen utnyttjas de biologiska processerna nitrifikation och denitrifikation för att avskilja kväve från lakvattnet. Detta projekt syftar till att optimera driften av SÖRAB:s anläggning för kontinuerlig biologisk rening av näringsrikt lakvatten med avseende på avskiljning av kväve. I projektet undersöktes olika parametrars inverkan på avskiljningen av kväve. De parametrar som utvärderades var, uppehållstid i reningsstegen, vattentemperatur, fosforbehov samt behov av extern kolkälla. Resultaten visade att vid ett flöde på 420 m3/d genom KBR-anläggningen kunde fullständig nitrifikation och denitrifikation uppnås vid vattentemperaturer över 14 °C om en fosfatfosforhalt över cirka 1 mg/L upprätthölls i dessa reningssteg. Utöver detta krävdes en tillsats av kolkälla i denitrifikationssteget motsvarande en COD-tillsats på fyra gånger nitratkvävehalten i inkommande vatten till denitrifikationssteget. Med dessa parameterinställningar kunde närmare 100 % av det oorganiska kvävet i vattnet avskiljas i KBR-anläggningen, vilket motsvarade en reningseffekt på 66-85 % med avseende på avskiljning av totalkväve. I projektet gjordes även en jämförelse mellan KBR-teknik och andra tekniker för behandling av näringsrikt lakvatten. Jämförelsen visade att KBR-tekniken utgör ett mycket gott alternativ för avskiljning av kväve från näringsrika lakvatten med avseende på både reningseffekt och kostnad. Då reningseffekt och kostnad sammanvägdes var det enbart rening i konventionella avloppsreningsverk som kunde konkurrera med kontinuerlig biologisk rening i den form som användes i detta projekt. / Landfill leachate often contains contaminants that can be harmful if they are discharged into the environment without proper treatment. At SÖRAB’s (Söderhalls renhållningsverk AB) waste treatment site in Löt there is an active landfill for non-hazardous waste that generates leachate containing high levels of nitrogen in the form of ammonium. If large amounts of nutrients leak out into the environment it can have a negative impact on biological processes and cause problems such as eutrophication and acidification. The waste treatment site is until 31 December 2014 under a trial period where the owner company is obliged to, amongst other things, characterise the chemical composition in the runoff from the treatment areas and leachate from the landfill. The characterisation is done in order to find the best treatment methods for the different streams of water. Due to the high levels of nitrogen in the leachate from the landfill at Löt waste disposal plant the current regulations that are set up for the plant have been difficult to follow. To avoid negative environmental impact on the receiving waters and surrounding lands SÖRAB has constructed a pilot treatment plant for continuous biological treatment (KBR) where the nutrient rich leachate will be treated to reduce the total emissions of nitrogen from the waste disposal plant. The KBR-plant uses nitrification and denitrification to remove nitrogen from the leachate. This project is aimed at optimising SÖRAB’s plant for continuous biological treatment with respect to removal of nitrogen. An important part of the project was to examine the effect of different parameters on the removal of nitrogen in the KBR-plant.  The parameters examined and optimised were retention time in the treatment basins, water temperature, phosphorus demand, and the need of external carbon source. The results showed that for a operational flow of 420m3/d, complete nitrification and the denitrification could be achieved for temperatures above 14°C if the phosphate content was more than 1mg/L in the water. Furthermore, a need for an external carbon source in the denitrification basin was identified. It was found that the need of an external carbon source corresponded to a COD-addition of four times the content of nitrate in the incoming water. With these parameter settings almost 100% of the inorganic nitrogen in the water could be separated in the KBR-plant. The removal of total nitrogen was 66-85%. In the project a comparison was also done between the KBR treatment method and other available treatment methods for nitrogen removal from nutritious leachate. The comparison showed that the KBR treatment method is a very good alternative for removal of nitrogen with regard to treatment efficiency and costs. When both removal efficiency and costs were taken into account only traditional wastewater treatment plants could compete with the KBR treatment method used in this project.

Explosives used in the mining industry release nitrate into the environment, causing concerns for the water quality in local river-systems. One way of reducing the nitrate loading into the environment is through a woodchip bioreactor. Water is passed through the bioreactor, where denitrifying microbial communities use the organic carbon from the substrate for energy, together with the nitrate. The efficiency of the denitrification process depends on various factors, including the type of carbon source selected and the temperature. To determine a suitable organic substrate to use in colder environments, column experiments were conducted, comparing different woodchip types. Three columns contained woodchips from pine, spruce and birch. In the fourth column, barley wheat was mixed with pine woodchips. An influent solution was pumped into the columns contained 50 mg/L nitrate-nitrogen. The effluent water was sampled and analysed twice per week for nitrate, nitrite and ammonium concentrations. The pH and alkalinity were analysed weekly to determine that denitrification was taking place. Three column conditions were tested. During the initial period, the columns were kept in 21 °C with a hydraulic residence time (HRT) of 6.3 days. In the following period, the columns were refrigerated at a temperature of 5°C. During the final period, the HRT was lowered to 3.2 days. After a 106-day runtime, it could be concluded that pine woodchips were the most effective substrate for denitrification in 5 °C temperature. The column with pine woodchips removed nitrate efficiently and produced the least amount of by-products and released DOC with a short HRT. The pine woodchips and barley straw column had high nitrite accumulation, and the nitrate removal rate in the birch and spruce woodchip columns was low in 5 °C conditions. / Sprängmedel som används inom gruvindustrin släpper ut nitrat i miljön, vilket kan leda till problem med vattenkvaliteten i lokala vattensystem. Ett sätt att reducera mängden nitrat som släpps ut är genom en bioreaktor med träflis. Vatten passeras genom bioreaktorn, där denitrifierande microbakteriella grupper använder det organiska kolet från substratet för energi, tillsammans med nitratet. Effektiviteten av den denitrifierande processen beror på flertalet faktorer, däribland vilken sorts kolkälla som valts ut och vilken temperatur bioreaktorn håller. För att identifiera ett bra organiskt substrat att använda i kallt klimat genomfördes ett kolumnexperiment som jämförde olika sorters träflis. Tre kolonner innehöll träflis från tall, gran och björk. I en fjärde kolonn blandades kornhalm med träflis från tall. En lösning med koncentrationen 50 mg/L kväve i form av nitrat pumpades in i kolonnerna. Utloppsvattnet från de fyra kolonnerna analyserades två gånger per vecka för koncentration av nitrat, nitrit och ammonium. pH och alkalinitet analyserades varje vecka för att se att denitrifikation skedde. Tre olika förutsättningar testades i kolonnerna. I den första perioden hölls kolonnerna i 21 °C med en hydraulisk uppehållstid på 6,3 dagar. I den följande perioden kyldes kolonnerna till 5 °C. I den sista perioden sänktes uppehållstiden till 3,2 dagar. Efter 106 dagar gick det att fastställa att tall-träflisen var det mest effektiva substratet för denitrifikation i 5 °C. Kolonnen med träflis från tall sänkte nitrathalten i vattnet och producerade minst biprodukter, samt frigjorde organiskt kol även vid kort uppehållstid. Kolonnen med tallflis och kornhalm ackumulerade mycket nitrit, och kolonnerna med träflis från björk och gran hade låga nivåer av nitrat-rening när temperaturen sänktes till 5 °C.

In der vorliegenden Arbeit werden Ergebnisse von Untersuchungen zur Denitrifikation in Grundwasserleitern vorgestellt. Dabei werden drei pleistozäne norddeutsche Grundwasser-leiter betrachtet. Grundlage der Untersuchungen im Labor bilden Sedimentproben, die aus Bohrungen mit einer maximalen Teufe von 60 m u GOK, gewonnen wurden. Der Gehalt an organischem Kohlenstoff und Sulfidschwefel erlaubt den Ablauf einer chemo-organotrophen und chemo-lithotrophen Denitrifikation. Die Laborversuche zeigen eine maximale Nitratelimi-nation von 0,2 mg∙kg-1∙d-1 N, hauptsächlich infolge chemo-lithotropher Denitrification. Für einige Sedimentproben wurde eine Sorption von Nitrat mit maximal 0,85 mg∙kg-1N nachge-wiesen. Im Feld wurde der Ablauf einer Denitrifikation anhand von N2- und Ar-Messungen nachgewiesen. Die Größenordnung der Denitrifikation im Aquifer wurde außerdem mit Ein-bohrloch-Tracerversuchen (Push&Pull-Tests) bestimmt. Diese Tracerversuche wurden in Teufen durchgeführt, aus denen Sedimentproben für Laboruntersuchungen gewonnen wor-den waren. Die Labor- und Tracerversuche lieferten vergleichbare Ergebnisse. Weiterhin wird ein Weg gezeigt, wie Punktinformationen zum N-Umsatz mittels stochastischer Simula-tion in die Fläche übertragen werden und somit in numerische Transportmodelle eingebun-den werden können. / This thesis shows results from investigations about denitrification, a possibility is shown in aquifers. The investigation areas are three pleistocene aquifers in northern Germany. The studies in laboratory are based on samples of drillings until a depth of 60 m. The content of organic carbon and sulphides allows both chemo-organotrophic and chem-lithotrophic deni-trification. The maximum of nitrate, that was eliminated, mainly by chemo-lithotrophic denitri-fication, was 0.2 mg N per kg sediment and day. In some samples a sorption of nitrate was detected at a maximum of 0.85 mg N per kg sediment. Denitrification in situ was detected by measurements of the gases N2 and Ar at some measurement wells. Denitrification in situ was also quantified by push&pull-tests (single-well-tracer tests). Push&pull-tests as well as labo-ratory studies were carried out with sediment samples of respective measurement-wells. Similar results were found for push&pull tests and batchtests. Further, a possibility is shown how point-data concerning nitrate-metabolism can be transferred into two dimensions by sto-chastic simulation. Thus one can implement point-data into numerical transport-models.

Sveriges avloppsreningsverk står inför ett antal utmaningar, där en av utmaningarna är minskning av växthusgaser. Lustgas är en av dessa växthusgaser, som bildas vid rening av avloppsvatten. Lustgas är 300 gånger skadligare för klimatet i jämförelse med koldioxid. Dessutom påverkar den nedbrytningen av ozonskiktet. I dagsläget är det svårt att mäta och uppskatta lustgasutsläpp, på grund av att det pågår flera samtidiga processer på stora ytor. För att driften av avloppsreningsverk ska ske på ett effektivt sätt och med en ytterst liten miljöpåverkan måste man kunna förstå hur lustgas uppstår och hur bildningsprocesserna samverkar med de andra reningsprocesserna och driftparametrarna. Utsläpp av lustgas har studerats vid avloppsreningsverket i Göteborg. Syftet har varit att tillhandahålla resultat och mätningar från Gryaab AB reningsverk och fastställa vilka processer som ger upphov till störst eller minst lustgasemissioner. Utsläpp av lustgasemissioner har mätts från rejektrening med nitrifikation och denitrifikation process. Analyser på resultaten ska förhoppningsvist kunna hjälpa Gryaab AB med fortsatt studier om lustgas. Som mätningsmetod användes EPA-huvmätning som man mätte med ovanför vattenytan på bassängerna och mobilt extraktiv FTIR som åkte runt anläggningen. Den dominerande källan för lustgas visade sig bildas allra mest i nitrifikationsprocessen. Där mätningarna med huv-mätning och stickprov visade totala utsläpp motsvarande 1,8 ton N2O/år. Den totala lustgasemissionen från biologiska reningsprocessen visade totala utsläpp motsvarande 3,5 ton N2O/ år. Som en slutsats bör fler mätningar med olika mätningsmetoder och mer studier göras för att få en bättre överblick till varför och hur lustgas bildas. Samt vilka åtgärder som kan minska lustgasemission. Det finns ett behov av fortsatta studier med mätningar med olika mätningsmetoder på Gryaab AB. / Sweden's wastewater treatment plant faces several challenges, one of them is the reduction of greenhouse gases. Nitrous oxide is one of these greenhouse gases, which is formed during the purification of wastewater. Nitrous oxide is 300 times more harmful to the climate compared to carbon dioxide. In addition, it affects the depletion of the ozone layer. At present, it is difficult to measure and estimate nitrous oxide emissions, since several simultaneous processes are taking place on large areas. For the operation of sewage treatment plants to take place in an efficient manner and with an extremely small environmental impact, it is important to understand how nitrous oxide is formed and how the formation processes interact with the other treatment processes and operating parameters. Emissions of nitrous oxide have been studied at the wastewater treatment plant in Gothenburg. The purpose has been to provide results and measurements from Gryaab AB wastewater treatment plant and to determine which processes give rise to the highest nitrous oxide emissions. Emissions of nitrous oxide emissions have been measured from reject cleaning with the nitrification and denitrification process. Analysis of the results will hopefully be able to help Gryaab AB with further research. As a measurement method, EPA hood measurement was used, which was measured above the water surface in the basins and mobile extractive FTIR was driven around the facility. The dominant source of nitrous oxide was found to be formed most in the nitrification process. Where the measurements with hood measurement and sampling showed total emissions corresponding to 1.8 tons of N2O / year. The total nitrous oxide emissions from the biological treatment process showed total emissions corresponding to 3.5 tons of N2O /year. As a conclusion, more measurements with different measurement methods and more research should be done to get a better overview of why and how nitrous oxide is formed. And what measures can reduce nitrous oxide emissions. There is a need for further studies with measurements with different measurement methods on Gryaab AB.

Stickstoff ist ein lebenswichtiger Bestandteil der aller Organismen. Dazu gehören auch Pflanzen, die der Ernährung von Tier und Mensch dienen. Terrestrische Pflanzen nehmen Stickstoff über die Wurzeln und damit aus dem Boden auf. Die verschiedenen Stickstoffverbindungen sind durch biogeochemische Prozesse miteinander verknüpft. Zusammen bilden diese Prozesse den Stickstoffkreislauf. Mikrobielle Nitrifikation und Denitrifikation gehören zu den häufig in Grünlandböden vorkommenden Prozessen. Die Aktivität der Mikroorganismen und damit die Geschwindigkeit und Intensität, mit welcher die Transformationsprozesse ablaufen, sind stark abhängig von den vorliegenden Umweltbedingungen. Insbesondere der mikrobiell im Boden verfügbare Sauerstoff spielt hier eine bedeutende Rolle: Während die Nitrifikation von seiner Anwesenheit abhängt, wird die Denitrifikation durch ihn gehemmt. Die Denitrifizierer dagegen können, aber müssen nicht Sauerstoff verwenden. Dadurch entsteht eine gekoppelte, nicht lineare Abhängigkeit der Prozesse vom Sauerstoffgehalt.Der Sauerstoffgehalt im Boden schwankt durch natürliche Faktoren, wie Niederschlagsereignisse, aber ändert sich auch mit der Landnutzung. Die Übergänge zwischen aeroben und anaeroben Bedingungen sind dabei fließend, so dass eine strikte Trennung der beiden Prozesse in der Modellierung nicht sinnvoll ist. In meiner Dissertation im Rahmen des Teilprojekts „InDiLaNi“ im DFG Schwerpunktprogramm „Biodiversitätsexploratorien“ entwickelte ich ein Simulationsmodell für eine gekoppelte Nitrifikations- und Denitrifikationsdynamik. Diese Dynamik ist abhängig vom Sauerstoffgehalt und den Abundanzen der Nitrifizierer und Denitrifizierer. Das Modell brachte dabei Erkenntnisse über den Einfluss von Sauerstoff auf die Nitrifikations-Denitrifikationsdynamik, dient jedoch nicht der Abschätzung von tatsächlichen Stickstoffkonzentrationen im Boden. Mittels eines rein aeroben und eines strikt anaeroben Sauerstoffszenarios wurde das Modell auf seine Gültigkeit überprüft. Aerobe Bedingungen führten zu einer Nitrifikationsdynamik und anaerobe Bedingungen zu einer Denitrifikationsdynamik. Ein transientes Szenario, welches unter Annahme eines niedrigen Sauerstoffgehaltes simuliert wurde, zeigte die Verknüpfung beider Prozesse. Eine Sensitivitätsanalyse diente der Eingrenzung der Modellparameter auf diejenigen, welche den größten Einfluss auf die Modelldynamik haben. Über einen Zeitraum von mehr als 1000 Stunden zeigte sich dabei, dass besonders die Wachstums- und Sterberaten der Nitrifizierer und Denitrifizierer Einfluss auf die Modelldynamik haben. Mit Hilfe experimentellen Daten sollten einige Modellparameter angepasst werden. Dies erwies sich als schwierig, da die Datengrundlage nicht zu einer wirklichen Parameteroptimierung ausreichte und so lediglich eine Anpassung per Hand erfolgen konnte. Dabei konnte mit leichten Veränderungen der Umsatzgeschwindigkeiten der Teilprozesse die modellierte Dynamik dem experimentellen Verlauf angenähert werden. Durch die Biodiversitätsexploratorien standen mir Zeitreihen für den Bodenwassergehalt und die Bodentemperatur zur Verfügung. Aus der Reihe für den Bodenwassergehalt konnte ich Sauerstoffgehalte berechnen und so das Modell mit variablem Sauerstoffgehalt nutzen. Zusätzlich konnte ich den Einfluss von Temperatur und Bodenwassergehalt auf das mikrobielle Wachstum einbringen. Dabei zeigte sich, dass die Sauerstoffgehalte in den Böden im aeroben Bereich lagen, so dass vor allen Dingen die Nitrifikationsdynamik zu beobachten war. Der Einfluss der Temperatur führte zu einer leichten Verlangsamung der Prozesse, da sie immer etwas unter dem mikrobiellen Optimum lag. Weiterhin konnte ich aufgrund von Informationen aus den Biodiversitätsexploratorien Dünge- und Beweidungsereignisse zu modellieren. Durch den Eintrag von Ammonium und Nitrat durch Mineraldünger werden Transformationsprozesse angestoßen und es kommt es zu starken Veränderungen in den Stickstoffkonzentrationen im Boden. Durch Beweidung erfolgt ein Ammoniumeintrag über den gesamten Beweidungszeitraum. Diese externen Einträge sind so stark, dass sie alle anderen, eventuell vorher ablaufenden Stickstoffumwandlungsprozesse überdecken.

This study was done with the aim of deepening the understanding of the Maya Chay aquaponic systems. To meet the aim, a literature study on aquaponics, with an emphasis on the nitrogen metabolism in such systems, was conducted. Furthermore, a deep investigation of the specific Maya Chay systems was made to understand how these systems might be different from the general aquaponic designs. Finally, two nitrogen balances were developed with the purpose of examining the dynamics of the nitrogen transformations in two Maya Chay aquaponic systems. The measurements for the nitrogen balances was made between Mars 2017 to July 2017, and the model for the nitrogen balances evaluated the amount of nitrogen as: i) nitrogen input to the system through the feed, ii) nitrogen assimilated by the fish and the plants, iii) nitrogen accumulated in the sludge, and iv) nitrogen lost to the atmosphere through denitrification and similar processes such as anammox. The resulting nitrogen balances showed some interesting differences in the dynamics of nitrogen distribution. In the smaller Maya Chay XS system in Antigua, only 36 % of the nitrogen input was assimilated by the fish (30 %) and the plants (6 %) and 64 % of the nitrogen input could be regarded as lost, either to the atmosphere (46 %) or in the sludge (18 %). The other nitrogen balance showed that the distribution of nitrogen in the Maya Chay S system in Chinautla is much more efficient in taking care of the nitrogen input. In this system 70 % was assimilated by the fish (33 %) and the vegetables (37 %) and the remaining 30 % was lost, either to the atmosphere (14 %) or in the sludge (16 %). The nitrogen balances also showed that both systems are almost equally efficient in terms of nitrogen assimilation by the fish, and that the big differences lie in the rate of nitrogen assimilation by the plants (6 % vs. 30 %) and in the nitrogen loss to the atmosphere (46 % vs. 14 %). A likely explanation for these differences is the difference in design of the vegetable beds, where the less efficient system in Antigua has a large surface area for the vegetable bed, but only a small portion of this could be utilized for vegetable growth. Furthermore, a consequence of the larger surface is a larger anoxic zone in the bottom of the vegetable bed, which promotes the growth of denitrifying and anammox bacteria. These kinds of bacteria convert the dissolved ammonia, nitrite and nitrate to gas forms of nitrogen, such as nitrogen gas and nitrous oxide and thus nitrogen is lost from the system to the atmosphere. Finally, this study also showed a great difference in the ratio of vegetable to fish production between the systems, where the ratio was 0.43 in Antigua and 2.7 in Chinautla. This ratio further indicates the difference in design between the systems, especially regarding the vegetable beds, has an impact on how well they perform, both in terms in economic and productivity terms, but also in terms of the release of greenhouse gases (nitrous oxide). It can therefore be concluded that the original design of the Maya Chay system (i.e. the Chinautla system) is the preferable one. Even though the accuracy of the measurements in the experiments could be improved for future studies, this study has demonstrated the value of making nitrogen balances for aquaponic systems. Nitrogen balances increase the knowledge of the performance of the system and they increase the understanding of the dynamics of nitrogen transformations that takes place in the system. This knowledge can then be utilized to adjust the design and/or verify if either the aquaculture or hydroponic system is properly designed. / Den här studien gjordes med syftet att fördjupa förståelsen kring Maya Chay akvaponiska system. För att uppnå syftet, utfördes en litteraturstudie som fokuserade på metabolismen av kväve i sådana system. Vidare undersöktes specifika Maya Chay system för att förstå hur dessa system skulle kunna skilja sig från den generella akvaponiska designen. Slutligen utvecklades två kvävebalanser i syfte att utforska dynamiken i de kväveomvandlingar som sker i två Maya Chay akvaponiska system. Mätningarna för kvävebalanserna gjordes i perioden mars 2017 till juli 2017, och modellen för kvävebalanserna utvärderade mängden kväve som: i) kväve som tillförts till systemet genom fodret, ii) kväve som assimilerats av fiskarna och växterna, iii) kväve som ackumulerats i slammet, och iv) kväve som gått förlorat till atmosfären genom denitrifikation och liknande processer så som anammox. Resultaten från kvävebalanserna visade intressanta skillnader kring dynamiken av kvävefördelningen. I det mindre Maya Chay XS systemet i Antigua, assimilerades endast 36 % av kvävet av fiskarna (30 %) och växterna (6 %) och 64 % av kvävet ansågs som förluster, antingen till atmosfären (46 %) eller genom slammet (18 %). Den andra kvävebalansen visade att fördelningen av kväve i Maya Chay S systemet i Chinautla är mycket mer effektivt gällande tillvaratagandet av tillfört kväve. I detta system assimilerades 70 % av fiskarna (33 %) och av växterna (37 %) och de resterande 30 % gick förlorat, antingen till atmosfären (14 %) eller i slammet (16 %). Kvävebalanserna visade även att bägge systemen är mer eller mindre likvärdiga gällande assimilering av kväve från fiskarna, och att den stora skillnaden mellan systemen ligger i hur mycket kväve som assimilerats av växterna (6 % vs. 37 %) samt hur mycket kväve som gått förlorat till atmosfären (46 % vs. 14 %). En sannolik förklaring till dessa skillnader är skillnaden i designen av växtbäddarna för två systemen, där det mindre effektiva systemet i Antigua har större area för växtbädden, men endast en mindre del av denna kunde nyttjas för odling av grönsaker. Som konsekvens av den större arean av växtbädden är en större volym syrefattigt vatten i botten av växtbädden, vilket verkar för tillväxt av denitrifierande och anammoxa bakterier. Dessa typer av bakterier omvandlar den upplösta ammoniaken, nitriten samt nitratet till kväveföreningar i gasform, till exempel kvävgas och lustgas och därav går kvävet förlorat till atmosfären. Slutligen visade den här studien stora skillnader i förhållandet mellan växt- och fisk-produktion mellan de två systemen, där förhållandet var 0.43 i Antigua och 2.7 i Chinautla. Skillnaden mellan de två olika förhållandena är ytterligare en indikation till att skillnaden i designen mellan systemen, speciellt med avseende på växtbäddarna, har en effekt på hur väl systemen presterar, både i termer som ekonomi och produktivitet, men också i termer som utsläpp av växthusgaser (lustgas). Därför kan slutsatsen dras att den ursprungliga designen av Maya Chay systemen (det vill säga systemet i Chinautla) är att föredra. Även om noggrannheten i mätningarna i detta experiment skulle kunna förbättras i framtida experiment, så visar denna studie värdet av att utföra kvävebalanser för akvaponiska system. Kvävebalanserna ökar kunskapen om hur väl systemen fungerar och dom ökar kunskapen kring dynamiken i kväveomvandlingarna som sker i systemen. Denna kunskap kan sedan utnyttjas för att justera designen av systemen och/eller verifiera om antingen vattenbruksdelen eller hydroponidelen i systemet är feldimensionerad.

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.

Stoffumsatzreaktionen und hydraulische Prozesse im Boden und Grundwasser können in Tieflandeinzugsgebieten zu einer Nitratretention führen. Die Untersuchung dieser Prozesse in Raum und Zeit kann mit Hilfe geeigneter Modelle erfolgen. Ziele dieser Arbeit sind: i) die Entwicklung eines geeigneten Modellansatzes durch Kombination von Teilmodellen zur Simulation des N-Transportes im Boden und Grundwasser von Tieflandeinzugsgebieten und ii) die Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Gebietseigenschaften und N-Transport unter besonderer Berücksichtigung der potentiellen N-Zufuhr in die Oberflächengewässer. <br /> <br /> Der Modellansatz basiert auf der Kombination verschiedener Teilmodelle: das Bodenwasser- und -stickstoffmodell mRISK-N, das Grundwassermodell MODFLOW und das Stofftransportmodell RT3D. Zur Untersuchung der Wechselwirkungen mit den Gebietseigenschaften muss die Verteilung und Verfügbarkeit von Reaktionspartnern berücksichtigt werden. Dazu wurde ein Reaktionsmodul entwickelt, welches chemische Prozesse im Grundwasser simuliert. Hierzu gehören die Mineralisation organischer Substanz durch Sauerstoff, Nitrat und Sulfat sowie die Pyritoxidation durch Sauerstoff und Nitrat. Der Modellansatz wurde in verschiedenen Einzelstudien angewandt, wobei jeweils bestimmte Teilmodelle im Vordergrund stehen. Alle Modellstudien basieren auf Daten aus dem Schaugrabeneinzugsgebiet (ca. 25 km&#178;), in der Nähe von Osterburg(Altmark) im Norden Sachsen-Anhalts. <br /> <br /> Die folgenden Einzelstudien wurden durchgeführt: i) Evaluation des Bodenmodells anhand von Lysimeterdaten, ii) Modellierung eines Tracerexperimentes im Feldmaßstab als eine erste Anwendung des Reaktionsmoduls, iii) Untersuchung hydraulisch-chemischer Wechselwirkungen an einem 2D-Grundwassertransekt, iv) Flächenverteilte Modellierung von Grundwasserneubildung und Bodenstickstoffaustrag im Untersuchungsgebiet als Eingangsdaten für nachfolgende Grundwassersimulationen, und v) Untersuchung der Ausbreitung von Nitrat im Grundwasser und des Durchbruchs in die Oberflächengewässer im Untersuchungsgebiet auf Basis einer 3D-Modellierung von Grundwasserströmung und reaktivem Stofftransport. <br /> <br /> Die Modellstudien zeigen, dass der Modellansatz geeignet ist, die Wechselwirkungen zwischen Stofftransport und &ndash;umsatz und den hydraulisch-chemischen Gebietseigenschaften zu modellieren. Die Ausbreitung von Nitrat im Sediment wird wesentlich von der Verfügbarkeit reaktiver Substanzen sowie der Verweilzeit im Grundwasserleiter bestimmt. Bei der Simulation des Untersuchungsgebietes wurde erst nach 70 Jahren eine der gegebenen Eintragssitutation entsprechende Nitratkonzentration im Grundwasserzustrom zum Grabensystem erreicht (konservativer Transport). Die Berücksichtigung von reaktivem Stofftransport führt zu einer deutlichen Reduktion der Nitratkonzentrationen. Die Modellergebnisse zeigen, dass der Grundwasserzustrom die beobachtete Nitratbelastung im Grabensystem nicht erklären kann, da der Großteil des Nitrates durch Denitrifikation verloren geht. Andere Quellen, wie direkte Einträge oder Dränagenzuflüsse müssen ebenfalls in Betracht gezogen werden. Die Prognosefähigkeit des Modells für das Untersuchungsgebiet wird durch die Datenunsicherheiten und die Schätzung der Modellparameter eingeschränkt. Dennoch ist der Modellansatz eine wertvolle Hilfe bei der Identifizierung von belastungsrelevanten Teilflächen (Stoffquellen und -senken) sowie bei der Modellierung der Auswirkungen von Managementmaßnahmen oder Landnutzungsveränderungen auf Grundlage von Szenario-Simulationen. Der Modellansatz unterstützt auch die Interpretation von Beobachtungsdaten, da so die lokalen Informationen in einen räumlichen und zeitlichen Zusammenhang gestellt werden können. / Chemical transformations and hydraulic processes in soil and groundwater often lead to an apparent retention of nitrate in lowland catchments. Models are needed to evaluate the interaction of these processes in space and time. The objectives of this study are <br /> <br /> i) to develop a specific modelling approach by combining selected modelling tools simulating N-transport and turnover in soils and groundwater of lowland catchments, ii) to study interactions between catchment properties and nitrogen transport. Special attention was paid to potential N-loads to surface waters. The modelling approach combines various submodels for water flow and solute transport in soil and groundwater: The soil-water- and nitrogen-model mRISK-N, the groundwater flow model MODFLOW and the solute transport model RT3D. In order to investigate interactions of N-transport and catchment characteristics, the distribution and availability of reaction partners have to be taken into account. Therefore, a special reaction-module is developed, which simulates various chemical processes in groundwater, such as the degradation of organic matter by oxygen, nitrate, sulphate or pyrite oxidation by oxygen and nitrate. The model approach is applied to different simulation, focussing on specific submodels. All simulation studies are based on field data from the Schaugraben catchment, a pleistocene catchment of approximately 25 km&#178;, close to Osterburg(Altmark) in the North of Saxony-Anhalt. The following modelling studies have been carried out: i) evaluation of the soil-water- and nitrogen-model based on lysimeter data, ii) modelling of a field scale tracer experiment on nitrate transport and turnover in the groundwater as a first application of the reaction module, iii) evaluation of interactions between hydraulic and chemical aquifer properties in a two-dimensional groundwater transect, iv) modelling of distributed groundwater recharge and soil nitrogen leaching in the study area, to be used as input data for subsequent groundwater simulations, v) study of groundwater nitrate distribution and nitrate breakthrough to the surface water system in the Schaugraben catchment area and a subcatchment, using three-dimensional modelling of reactive groundwater transport.<br /> <br /> The various model applications prove the model to be capable of simulating interactions between transport, turnover and hydraulic and chemical catchment properties. The distribution of nitrate in the sediment and the resulting loads to surface waters are strongly affected by the amount of reactive substances and by the residence time within the aquifer. <br /> <br /> In the Schaugraben catchment simulations, it is found that a period of 70 years is needed to raise the average seepage concentrations of nitrate to a level corresponding to the given input situation, if no reactions are considered. Under reactive transport conditions, nitrate concentrations are reduced effectively. Simulation results show that groundwater exfiltration does not contribute considerably to the nitrate pollution of surface waters, as most nitrate entering soils and groundwater is lost by denitrification. Additional sources, such as direct inputs or tile drains have to be taken into account to explain surface water loads. <br /> <br /> The prognostic value of the models for the study site is limited by uncertainties of input data and estimation of model parameters. Nevertheless, the modelling approach is a useful aid for the identification of source and sink areas of nitrate pollution as well as the investigation of system response to management measures or landuse changes with scenario simulations. The modelling approach assists in the interpretation of observed data, as it allows to integrate local observations into a spatial and temporal framework.

På Käppalaverket i Stockholm står luftningen av de biologiska bassängerna för omkring en femtedel av verkets totala elenergiförbrukning. I ett försök att minska energikostnaden utvärderades under hösten 2010 nya metoder för luftflödesreglering på verket. Grundtanken var att styra luftflödet efter medelvärdet på utgående ammoniumkoncentration under en längre tid, istället för som idag efter momentana värden. Ett vanligt sätt att styra luftflöden på reningsverk idag är att använda återkoppling från utgående ammoniumkoncentration, vilket syftar till att alltid hålla den utgående koncentrationen vid ett valt börvärde. Lagstiftade gränsvärden på ammonium avser dock normalt medelvärden över en längre tid, såsom kvartal eller år. Istället för att anpassa luftflödet efter den inkommande belastningen är det därför möjligt att hålla luftflödet relativt konstant medan istället den utgående koncentrationen tillåts variera. I denna studie visades en energibesparing kunna erhållas om luftflödets variation reduceras. Två strategier utvärderades i vilka luftflödet respektive syrehalten hölls så konstant som möjligt. Dessa jämfördes med den idag använda styrstrategin på Käppalaverket, i vilken luftflödet anpassas efter den inkommande belastningen genom återkoppling. Studien inkluderade både simuleringar i modellen Benchmark Simulation Model no. 1 och fullskaleförsök på Käppalaverket. I både simuleringar och fullskaleförsök resulterade de två utvärderade strategierna i en lägre luftförbrukning per reningsgrad än den idag använda återkopplingsstrategin. I fullskaleförsöken erhölls en luftflödesreduktion på 11 % då luftflödet hölls konstant och 15 % då syrehalten hölls konstant. Båda strategierna genererade dock en kraftigt varierande utgående ammoniumkoncentration. Variationerna var störst då luftflödet hölls konstant och korrelerade inte med den dygnsbaserade belastningsprofilen. Sammanfattningsvis visade studien att en reducering av luftflödets variation resulterar i en lägre luftförbrukning men också i en ökad instabilitet. En konstant syrehalt gav en större energivinst och även en stabilare ammoniumreduktion än ett konstant luftflöde, varför denna metod har störst potential till vidare implementering i fullskala. / The aeration of the bioreactors is responsible for one fifth of the energy consumption at the Käppala wastewater treatment plant (WWTP) in Stockholm. In this report, new methods for aeration control were evaluated in order to reduce the energy costs at the plant. The main idea was to control the effluent ammonia concentration in terms of mean values instead of momentary values. A quite common approach for aeration control is to use feedback from the effluent ammonia concentration, thus aiming to keep the effluent concentration consistently at a certain set point. However, discharge limits normally refer to mean values over longer periods of time, such as months or years. Instead of adjusting the airflow to the incoming load it is therefore possible the keep the airflow fairly constant while allowing a fluctuating effluent concentration. In this paper, it was shown that by reducing the variation of the airflow, energy could be saved. Two methods were evaluated in which the airflow and oxygen concentration respectively was held constant. These methods were compared to the control strategy used today at the Käppala WWTP, where feedback control adjusts the airflow to the influent load. The study consisted of simulations with the Benchmark simulation model no. 1 (BSM1) as well as full scale experiments at the Käppala WWTP. Both the simulations and full scale experiments showed a reduced aeration per nutrient removal for the evaluated methods. In full scale, the total airflow reduction was 11 % when the airflow was held constant and 15 % when the oxygen concentration was held constant. However, the methods resulted in large variations of the effluent ammonia concentration, which did not correlate to the daily influent load. The variations were especially large when the airflow was held constant. In summary, this study showed that a reduced airflow variation results in lower aeration costs but also less stability. A constant oxygen concentration required less aeration and provided a more stable degree of ammonia removal than a constant airflow. For this reason, aeration control with a constant oxygen concentration has the best potential for further use at the Käppala WWTP.