Sammanfattning Totalt 80 % av världens energianvändning kommer från förbränning av fossila bränslen. Användningen tros också öka med tiden vilket skulle påverka den förstärkta växthuseffekten ytterligare. De ökade utsläppen av växthusgaser påverkar klimatförändringarna och är någonting som alla borde bidra till att minska. I Sverige är det mindre än 30 % av den totala energianvändningen som kommer från fossila bränslen. Det är dock inte tillräckligt för en hållbar utveckling.   Tillverkningen av papper och massa förbrukar stora mängder vatten som senare måste renas för att kunna släppas ut. Vid reningen bildas slam som ofta förbränns. Istället för att förbränna slammet går det att ta till vara på energin genom att röta slammet och få ut biogas. Dock är det svårt att få detta ekonomiskt hållbart. Studier visar att med hjälp av förbehandling av bioslammet kan större mängder biogas produceras och därmed göra processen mer lönsam. Biogasen som bildas genom rötning kan sedan ersätta en viss del av de fossila bränslen som används i olika processteg i bruken och därmed föra pappers- och massaindustrin ett steg närmare ett hållbart koncept.   Förbehandlingar som visats gynna biogasproduktionen är kombination av kemisk och termisk behandling som sönderdelar slammet innan rötningen. Då kan biogasproduktionen öka och mer fossila bränslen kan fasas ut.   I studien behandlas bioslam kemiskt och termiskt innan rötning. De kemikalier som undersöktes var natriumhydroxid (NaOH), kaliumhydroxid (KOH) och kalciumhydroxid Ca(OH)2 som användes för att ge slammet pH 10 eller 12. De termiska förbehandlingarna utfördes i 100 °C respektive 140 °C. Som referenspunkter användes obehandlat slam och endast värmebehandlat slam. Bioslammet som användes hämtades på Stora Ensos bruk i Skoghall och det kommunala rötslammet från Fiskaretorpets reningsverk i Kristinehamn då de använder mesofil rötning.   Rötningen har skett satsvis med hjälp av en AMPTS2 (ett analytiskt instrument för rötningsprocesser) i tre rötningsomgångar. Den förbehandling som gav allra mest metangas var NaOH pH 12 i 100 °C. Detta skedde i rötningsomgång två. I de andra rötningsomgångarna var det förbehandlingen med NaOH pH 12 i 140 °C respektive KOH pH 12 i 140 °C som genererade mest metangas. Vid jämförelse av de olika rötningsomgångarna användes rötning av cellulosa för respektive omgång som referens. Skillnaderna mellan de tre som producerade mest metangas var små. Förbehandling med pH 12 gav mer metangas än med pH 10. Förbehandlingar med NaOH producerade mer metangas vid 100°C än vid 140 °C, medan det motsatta gällde för förbehandlingarna med Ca(OH)2. / Abstract A total of 80 % of the world’s energy use comes from fossil fuels, which causes emissions of greenhouse gases leading to climate change. In Sweden less than 30 % of the total energy use comes from fossil fuels. It must however, be decreased further to achieve a sustainable development.   A large amount of water is used during the manufacturing of pulp and paper. The water has to be treated before reaching a recipient and during this purification process, sludge is left as a by-product. The sludge is usually incinerated, although it could also be used in an anaerobic digestion process to produce biogas. The method is difficult to make economically viable, but studies show that by pre-treatment of the sludge, larger amounts of biogas can be produced, which would make the process more profitable. Biogas produced by anaerobic digestion can replace fossil fuels in some processes at pulp and paper mills and therefore contribute to a smaller environmental footprint for this industry.   Pre-treatments shown to promote the production of biogas are a combination of chemical and thermal treatment, which decomposes the sludge before digestion. The biogas production will then increase and more fossil fuels can be phased out.   In this report, biosludge is treated chemically and thermally before digestion. The chemicals tested were sodium hydroxide, potassium hydroxide and calcium hydroxide, added until the sludge had a pH of 10 or 12. The thermal treatments tested were 100 °C and 140 °C. As references, untreated sludge and only heat treated sludge were used. The biosludge that was used was collected at Stora Enso CTMP-mill in Skoghall and the inoculum were collected from a municipal treatment plant.    Digestion was done in batch with the help of an AMPTS2 in three digestion rounds. The pre-treatment that produced the most methane was 100 °C with NaOH at pH 12. This was in anaerobic digestion round two. In the other digestion rounds the best pre-treatments were NaOH pH 12 at 140 °C and KOH pH 12 at 140 °C. When comparing the different rounds, a cellulose sample was used for each round as a reference. All chemical pre-treatments generated more methane at pH 12 than at pH 10. Pre-treatments with NaOH produced more methane gas at 100°C than at 140 °C, whereas the opposite was true for Ca(OH)2.

On several occasions fish died in Hjälmaren due to, among other things, elevated nitrite levels in the lake. A contributing factor turned out to be the high nitrite content that leaves the wastewater treatment plant Skebäck, located in Örebro. The wastewater is purified from nitrogen through nitrification and denitrification where nitrite occurs as an intermediate in several reaction steps. The report contains theory round the formation of nitrite and the results from samplings where nitrite concentration was determined. The objective was to increase nitrite conversion and thereby decrease the content of nitrite in the effluent water, by studying the increase of nitrite.   Samplings started in March and no changes in the process where made, the first samples were analyzed to determine where the nitrite accumulation occurred. The samplings were taken in the intermittently aerated basin, wish includes a aerated period and a nonaerated period.   The initial samples showed that nitrite accumulates when there is oxygen in the basin. The content of nitrite decreases when there is no oxygen in the water. The ammonium limits were changed in one basin because it was suspected that the bacteria were becoming stressed by the intermittent aerated start-stop process. This resulted in a longer aerated period for the nitrified bacteria to grow and due to the change it was expected that the bacteria would thrive. This proved insufficient for nitrite oxidation to take place, but the concentration of nitrite at this time was at least lower.  These changes did not show any reduction in the nitrite concentration. Suggestions for future work are addition of an extern carbon source and optimizing the aeration.

I och med Sveriges åtaganden i Baltic Sea Action Plan (BSAP) och de miljökvalitetsnormer (MKN) som beskrivs i ramdirektivet för vatten kommer Käppalaverket sannolikt ställas inför strängare kväve- och fosforreningskrav. Käppala kan då bli tvungna att införa en ny processlösning t.ex. efterdenitrifikation och förfällning. Hur detta kommer att påverka det totala koldioxidavtrycket utreds i denna rapport. Tidigare har stora energiutredningar utförts på verket men aldrig har ett samlat koldioxidavtryck dokumenterats. En kartläggning över Käppalaverkets totala koldioxidavtryck 2011 gjordes för att skapa en referens för framtida modellering. Utvärderingen visade att Käppalaverkets totala koldioxidavtryck var 16 kg CO2,ek/pe, år. Ryaverket, som gjort en liknande utredning, hade ett totalt koldioxidavtryck runt noll. Det höga koldioxidavtrycket för Käppalaverket, jämfört med Ryaverket, beror framförallt på den höga lustgasemissionen från aktivslambassängen. Under hösten 2012 utfördes mätningar av lustgas för att få fram ett nyckeltal på bildad lustgas per reducerad kväve. Mätningarna visade på en relativt hög lusgasbildning 1,7 % bildad lustgas per reducerad kväve. För att ge svar på vad den nya processlösningen med strängare reningskrav skulle innebära för koldioxidavtrycket, kalibrerades och utvidgades den befintliga reningsverksmodellen Benchmark Simulation Model no.2 (BSM2). I utvidgningen av BSM2 inkluderades beskrivningar över hur Käppalas processer bidrar till koldioxidavtrycket. För att uppnå de nya reningskraven kan dagens fördenitrifikation kompletteras med en efterdenitrifikation och dagens simultanfällning ersättas med förfällning. Modellens biologi kalibrerades med två perioder, ett sommarflöde och ett höstflöde. Sedan simulerades 2011 för att ha ett referensvärde att jämföra framtida simuleringar med. Förfällning visade sig ge en ökad biogasproduktion som bidrog starkt till ett minskat avtryck. Däremot bidrog den ökade energiförbrukningen och lustgasemissionen i den biologiska reningen till ett ökat avtryck. Simuleringen med dagens rening gav ett koldioxidavtryck på cirka 14 kg CO2/pe, år och framtidens processlösning för ökad kväve- och fosforrening gav ett nästan dubbelt så stort avtryck, 26 kg CO2/pe, år. Kostnaden för den totala reningen uttryckt i koldioxidekvivalenter blir i framtiden 4,2 kg CO2/NRED mot dagens 2,5 kg CO2/NRED. En simulering av strängare reningskrav samt ökad flödesbelastning från dagens 440 000 pe till 700 000 pe visade på svårigheter att uppnå de nya reningskraven. Reningskraven kunde inte hållas under de högflödesperioder som uppkom under året på grund av slamflykt från eftersedimenteringarna. Utformningen av reningskraven är betydelsefull för branschen som helhet. Samtliga simuleringar visar svårigheter att hålla kvävekravet vid vårfloden. Det är därför av stor betydelse om kraven formuleras på årsbasis eller om de formuleras månadsvis för att reningsverken ska klara de nya kraven. / In accordance with the Baltic Sea Action Plan (BSAP) and the EU water framework directive the Käppala waste water treatment plant (WWTP) could face more stringent discharge limits for phosphorous and nitrogen. To meet these limits Käppala has to change the treatment process, for example implement pre-precipitation and post-denitrification. The effect of more stringent discharge limits on the carbon footprint has not been studied at Käppala WWTP and will be studied in this report. In 2011 a static summary of the carbon footprint was made and serves as a reference for modeling. The evaluation showed that the total carbon footprint of Käppala was approximately 16 kg CO2/pe, yr. At the Rya WWTP in Gothenburg a similar study indicated a carbon footprint of 0 kg CO2/pe, yr. The difference between Käppala WWTP and Rya WWTP is explained by the large nitrous oxide emission from the activated sludge process at Käppala WWTP. During autumn 2012 the nitrous oxide emission was measured in one treatment line at Käppala, in order to get a standard value to use in the model. The measurements showed that 1.7 % of the removed nitrogen was emitted as nitrous oxide gas. An existing model, Benchmark Simulation Model no.2 (BSM2), was extended to model the effect on the carbon footprint with a future process configuration due to more stringent discharge limits. Every process that affects the carbon footprint was described by equations to simulate the emissions from the different treatment processes regarding energy consumption, chemical consumption and transport. In order to meet the new demands, current biological and chemical water treatment with pre- denitrification and simultaneous precipitation was substituted with combined pre and post denitrification and pre precipitation. The calibration of the model was made for two periods in 2011. When the suggested process configuration, with post-denitrification and pre-precipitation, was implemented it showed that the pre- precipitation increased the production of biogas and therefore decreased the carbon footprint. However, the increased nitrous oxide emission and the increased energy consumption due to the more stringent limits resulted in an increased footprint. A simulation of existing and future process configuration showed that the total footprint would increase from approximately 14 kg CO2/pe, year to 26 kg CO2/pe, year. The cost for the extra nitrogen removal would increase from 2.5 kg CO2/NRED to 4.2 kg CO2/NRED. The simulations showed that more stringent limits and increased load from 440 000 pe to 700 000 pe could be met at “normal” flow. At wet weather flow however, the process became unstable with high concentrations of effluent organic nitrogen as a result. A big question for the industry is the design of these new limits for phosphorous and nitrogen. It is of great importance whether the new limits are based on a yearly or monthly average.

En orörd torvmark lagrar en stor mängd kol. Vid dränering bryts det organiska materialet ned och stora mängder CO2 frigörs. Torvmarker i Sverige har med åren minskat i antal dåområden har dikats ut till förmån för jord- och skogsbruk. På senare år har torvmarkerrestaurerats genom återvätning där grundvattenytan höjs. I denna rapport har klimatpåverkan från dikade och restaurerade torvmarker i skogsmark undersökts.   Genom en litteraturstudie undersöktes parametrar som påverkar kolinlagring, CO2-, CH4- och N2O-emissioner. Utifrån parametrarna togs en metodik fram för att kvantifiera en skogstorvmarks klimatpåverkan som har testats i en fältstudie. Kolförrådet och N2O-utsläpp från dikade torvmarker kan kvantifieras. Utsläpp av CO2 samt CH4 är dock komplicerade att kvantifiera och i stället togs förslag fram på hur dessa kvalitativt kan förutspås utifrån dess parametrar.   Dessutom har lärdomar från tidigare restaureringar beaktats genom en litteraturstudie och intervjuer med erfarna personer inom området. De lärdomar som kan dras från tidigare genomförda restaureringar av skogstorvmarker är främst att det är för tidigt att dra slutsatser gällande effekter på inlagringen av kol.

Biogas is an expanding sector within the broad field of agriculture and animal production. Small-scale biogas offers local combined power and heating production and the substrate is transformed into high-quality biological fertilizer. This bachelor thesis focuses on a pig farm in south-western Sweden, where biogas is produced from pig manure, evaluates and suggests ways of optimizing the process and investigates whether investing in an upgrading plant would be a feasible and more cost-efficient option. The results show that the biogas plant is working well, although the production differs from the original plans. This shows in turn that planning and examining the basic conditions before making the investment is of great importance, as well as monitoring and keeping detailed statistics of the running process. Logistical factors make optimizing the process through additional substrates difficult. The thesis shows that investing in a Biosling upgrading plant would be a profitable option, supposing that the upgraded gas is sold via the natural gas infrastructure. Furthermore, many farmers are interested in producing their own fuel for tractors and other machines, which offers more future alternatives for the upgraded biogas. However, biogas producers in Sweden today are not offered any particular subsidies, which makes it especially hard for small-scale producers.

To develop anaerobic digestion (AD), innovative solutions to increase methane yields in existing AD processes are needed. In particular, the adoption of low energy pre-treatments to enhance biomass biodegradability is needed to provide efficient digestion processes increasing profitability. To obtain these features, hydrodynamic cavitation has been evaluated as an innovative solutions for AD of waste activated sludge (WAS), food waste (FW), macro algae and grass, in comparison with steam explosion (high energy pre-treatment). The effect of these two pre-treatments on the substrates, e.g. particle size distribution, soluble chemical oxygen demand (sCOD), biochemical methane potential (BMP) and biodegradability rate, have been evaluated. After two minutes of hydrodynamic cavitation (8 bar), the mean fine particle size decreased from 489- 1344 nm to 277- 381 nm (≤77% reduction) depending of the biomasses. Similar impacts were observed after ten minutes of steam explosion (210 °C, 30 bar) with a reduction in particle size between 40% and 70% for all the substrates treated.  In terms of BMP value, hydrodynamic cavitation caused significant increment only within the A. nodosum showing a post treatment increment of 44% compared to the untreated value, while similar values were obtained before and after treatment within the other tested substrates. In contrast, steam explosion allowed an increment for all treated samples, A. nodosum (+86%), grass (14%) and S. latissima (4%). However, greater impacts where observed with hydrodynamic cavitation than steam explosion when comparing the kinetic constant K. Overall, hydrodynamic cavitation appeared an efficient pre-treatment for AD capable to compete with the traditional steam explosion in terms om kinetics and providing a more efficient energy balance (+14%) as well as methane yield for A. nodosum. / Det behövs innovativa lösningar för att utveckla anaerob rötning i syfte att öka metangasutbytet från biogassubstrat. Beroende på substratets egenskaper, kan förbehandling möjliggöra sönderdelning av bakterieflockar, uppbrytning av cellväggar, elimination av inhiberande ämnen och frigörelse av intracellulära organiska ämnen, som alla kan leda till en förbättring av den biologiska nedbrytningen i rötningen. För att uppnå detta har den lågenergikrävande förebehandlingsmetoden hydrodynamisk kavitation prövats på biologiskt slam, matavfall, makroalger respektive gräs, i jämförelse med ångexplosion. Effekten på substraten av dessa två förbehandlingar har uppmäts genom att undersöka distribution av partikelstorlek, löst organiskt kol (sCOD), biometan potential (BMP) och nedbrytningshastigheten. Efter 2 minuters hydrodynamisk kavitation (8 bar) minskade partikelstorleken från 489- 1344 nm till 277- 281 nm (≤77 % reduktion) för de olika biomassorna. Liknande påverkan observerades efter tio minuters ångexplosion (210 °C, 30 bar) med en partikelstorlekreducering mellan 40 och 70 % för alla behandlade substrat. Efter behandling med hydrodynamisk kavitation, i jämförelse med obehandlad biomassa, ökade metanproduktionens hastighetskonstant (K) för matavfall (+65%), makroalgen S. latissima (+3%), gräs (+16 %) samtidigt som den minskade för A. nodosum (-17 %). Förbehandlingen med ångexplosion ökade hastighetskonstanten för S. latissima (+50 %) och A. nodosum (+65 %) medan den minskade för gräs (-37 %), i jämförelse med obehandlad biomassa. Vad gäller BMP värden, orsakade hydrodynamisk kavitation små variationer där endast A. nodosum visade en ökning efter behandling (+44 %) i jämförelse med obehandlad biomassa. Biomassa förbehandlade med ångexplosion visade en ökning för A .nodosum (+86 %), gräs (14 %) och S. latissima (4 %). Sammantaget visar hydrodynamisk kavitation potential som en effektiv behandling före rötning och kapabel att konkurrera med den traditionella ångexplosionen gällande kinetik och energibalans (+14%) samt metanutbytet för A. nodosum.