Styrning av reningsverket vid Fors kartongfabrik: Utvärdering av försök att styra det biologiska reningssteget med styrparametern ”nettoslamproduktion”

Styrning av reningsverket vid Fors kartongfabrik

Utvärdering av försök att styra det biologiska reningssteget med styrparametern

”nettoslamproduktion”

E L I S A B E T H G R U V M A N O S K A R S S O N

Examensarbete Stockholm 2007

Elisabeth Gruvman Oskarsson

S TYRNING AV RENINGSVERKET VID F ORS

KARTONGFABRIK : U TVÄRDERING AV FÖRSÖK ATT STYRA DET BIOLOGISKA RENINGSSTEGET MED STYRPARAMETERN

” NETTOSLAMPRODUKTION ”

STOCKHOLM 2007

EXAMENSARBETE UTFÖRT VID

INDUSTRIELL EKOLOGI

KUNGLIGA TEKNISKA HÖGSKOLAN

Handledare och examinator:

Per Olof Persson, Industriell Ekologi

TRITA-IM 2007:2 ISSN 1402-7615

Industriell Ekologi,

Kungliga Tekniska Högskolan www.ima.kth.se

Sammanfattning

Detta examensarbete behandlar det biologiska reningssteget vid Stora Enso Fors AB kartongfabrik.

Examensarbetet omfattar 20 p och ingår i slutskedet av Magisterutbildningen, 60 p, i Kemiteknik med inriktning industriell ekologi vid Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm.

Stora Enso Fors AB är en kartongfabrik som är lokaliserat i Fors strax nordost om Avesta.

Tillverkning sker av både mekanisk massa samt kartong. Fabriken har ett eget reningsverk som tar hand om avloppsvattnet från processen.

De biologiska anläggningarnas utformning har under årens lopp utvecklats främst genom bättre syresättning i luftningsbassängerna samt förändringar i avloppsvattnets sammansättning. För att klara av dessa förändringar kan styrparametern slamhalten behöva ersättas med andra alternativa styrsätt.

Examensarbetets syfte är just att studera möjligheten att styra det biologiska reningssteget vid Fors kartongpappersbruk efter nyckeltalet nettoslamproduktionen. Projektet innefattar även att undersöka hur COD-reduktionen och mikroflorans sammansättning påverkas av denna styrparameter.

Litteraturstudier av reningsteknikens processer har utförts samt den befintliga reningsanläggningen i Fors har studerats. Det första steget i projektet var att besluta vilket målvärde som skulle användas på nettoslamproduktionen som skulle användas under en försöksperiod där den biologiska reningen skulle styras efter nettoslamproduktionen.

För varje dygn under tre olika tidsperioder ( period 1, period 2 och period 3) har driftsdata samlats in och sammanställdes och därefter beräknades nettoslamproduktionens dygnsvärde.

Driftsdata för period 1 och halva period 2 har använts som underlag för att kunna bestämma målvärdet för nettoslamproduktionen. Den bestämdes att vara 0,46 kg SS/kg reducerad COD som användes i ett fullskaleförsök, s.k. period 3. Värdena har sedan analyserats för att försöka finna effekter och samband för styrning av reningsverket efter styrningsparametern

nettoslamproduktionen, jämfört med det tidigare sättet att styra efter slamhalten. Detta för att se om nettoslamproduktionen skulle kunna vara en ny bättre styrparameter.

Resultatet visade bl.a.:

• Att period 2 och 3 övervägande hade ett högt flöde som överskrider värdet på 14 000 m³/dygn som reningsanläggningen är dimensionerad efter.

• Att medelvärdet för nettoslamproduktionen för period 3 låg på 0,5 kg SS/kg reducerad COD

• På en jämnare och lägre COD-halt ut från kemfällningen för period 3 jämfört med perioderna 1 och 2, (ett undantag den 9 februari).

• Att period 3 hade en hög och jämn COD-reducering.

• Att period 3 verkade ha en bättre biologisk process än perioderna 1 och 2, bl. a. för att antalet hjuldjur, klockdjur var högre och att antalet trådbakterier var lägre och perioden hade också bättre flockbetyg.

När det gäller en del samband så verkar det finnas en tendens för alla tre perioderna att när

nettoslamproduktionen är hög så ger det den effekten att flockbetyget försämras i luftningsbassäng 2.

IV Följande slutsatser av arbetet kan dras:

¾ Att nettoslamproduktionen är den bästa styrparameter för Fors reningsanläggning är svårt att säga efter den korta tidsperiod som försöket utfördes. Men det visar helt klart att det är värt att gå vidare med att styra efter nettoslamproduktionen.

¾ Att använda målvärdet på 0,46 kgSS/kg reducerad COD eventuellt lite högre på 0,50 kg SS/kg reducerad COD skulle kunna vara ett bra riktvärde.

¾ Att styrning efter nettoslamproduktionen skulle kunna ge riktlinjer för hur slamavdragspumpen skall ställas in.

Ett fortsatt arbete rekommenderas med att testa styrning av reningsverket efter parametern

nettoslamproduktionen med målvärdet, 0,46 kg SS/kg reducerad COD eller möjligen ett högre värde 0,50 kg SS/kg reducerad COD.

De fortsatta försöken bör utföras under olika förhållanden. Det är viktigt att bl.a. studera en försöksperiod under en varmare årstid och då jämföra med de perioder som har studerats i detta arbete. Det är också angeläget att testa hur styrningssättet fungerar när reningsverket utsätts för extrema belastningssituationer.

Nyckelord: Styrning, biologiska reningssteget, slamhalten, nettoslamproduktionen, mikroorganismer.

Abstract:

This Master´s thesis discusses the Biological Purification Step at Stora Enso Fors AB cardboard plant.

Stora Enso Fors AB is located in Fors just northeast of Avesta. The factory is producing

both mechanical pulp and cardboard. The Plant has an own Sewage-Treatment Plant, which take care of the wastewater from the process.

The biological construction design has been developed during the last fifteen years and the

composition of the wastewater has also been changed. In order to compensate for the changes of the compositions, the old parameter “Sludge content” could be replaced by a new parameter “Net sludge production”.

The aim of This Master’s thesis is:

¾ To study the possibility to control the Biological purification step at the Stora Enso Fors AB cardboard plant, by using the parameter Net sludge production. The project will also

investigate how COD-reduction and the composition of the micro organisms will be influenced by this parameter.

The first step in this project was to determine which target value of the Net sludge production the experiments period should use. The value was decided to 0,46 kg SS/kg reduced COD.

Every day during three different periods the productions data has been collected and then analysed.

From this material the Net sludge production has been calculated. The first period and half of the second period has been used as basis for determine the target value of the Net sludge production.

The target value was decided to be 0,46 kg SS/kg reduced COD and to use this value in a full-scale experiment in the Plant, during the third period. The productions data has been analysed to try to find effects and connections in the Biological purification step when the Sewage-treatment plant is

controlled with the new parameter “Net sludge production”. A comparison with the old parameter

“Sludge content” has also been done to verify which of the two parameters is the most favourable.

The result showed:

• That period 2 and 3 predominantly had a high flow which exceed the value 14 000 m³/day, which the Sewage-treatment plant is designed for.

• That the average of the Net sludge production for period 3 was 0,5 kg SS/kg reduced COD.

• A more even and lower content of COD out from the Chemical step for period 3 compared with the periods 1 and 2 (with the exception on 9 February).

• That the reduction of COD was significant and on an even level in period 3.

• That period 3 has a tendency to have a better biological process than period 1 and 2.

• That the number of higher micro-organism in period 3 increased compared to period 1 and 2.

The testimonial of the flocks in the Biological step is also better in this last period.

VI The conclusions of this project are:

¾ Due to the limited time available for this experiment it is difficult to determine if the Net Sludge Production is the most favourable control parameter for Fors Sewage Treatment Plant.

However, the experiment clearly shows that is worth to further investigate to control the Sewage Treatment Plant using the parameter Net Sludge Production

¾ To use the target value of the Net sludge production of 0,46 kg SS/kg reduced COD or perhaps a slightly value of 0,50 kg SS/kg reduced COD.

¾ That control based on after the Net Sludge Production could give guidelines for how much sludge the pump should take out from the Biological step.

Continued work could be to test to control the Sewage Treatment Plant based on the target value of the Net Sludge Production of 0,46 kg SS/kg reduced COD or 0,50 kg SS/kg reduced COD as mentioned above.

Further, the experiment should be performed during different conditions. It is important to study a period during the warmer months of the year and compare the results with the periods, which has been studied in this Master’s thesis. It is also important to test the capacity of the Sewage Treatment Plant during extreme load situations.

Keywords: Controlling, the biological purification step, Sludge content, Net sludge production, microorganism.

Förord

Jag vill tacka samtliga som medverkat i detta examensarbete. Speciellt vill jag tacka miljökonsult Torgny Kindh, operatörerna på reningsverket, miljölaboratoriets medarbetare och min handledare vid Fors kartongfabrik Anna Nygren, vilka varit mig till stor hjälp vid detta arbete. De har gett mig inspiration, råd och uppmuntran. Tack till Jan Björklund vid Fors kartongfabrik för att han ordnade en oförglömlig visning av Fors kartongfabrik samt all annan administration.

Tack till Per Olof Persson min examinator vid Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm

framförallt för sitt tålamod och uppmuntran och som har hjälpt mig med styrriktning, goda råd och granskning av rapporten.

Ett stort tack vill rikta till Anders Lindh, Svenskt Vatten, för all litteratur som han skickade till mig.

Vill tacka alla myndigheter och organisationer och övriga personer som jag har varit i kontakt med.

Mitt sökande av relevant information har ibland varit komplicerat. Detta arbetsområde är komplicerat och många som arbetar med detta är kunniga, intresserade och har egna idéer på

lösningar av problemen. Detta bör man ta till vara på. Det har varit svårt att ensam finna lösningar på problemen som har uppstått under arbetets gång. Detta har ändå gått bra för jag har fått ett trevligt och hjälpsamt bemötande och jag uppskattar den tid alla berörda personer har tagit för mina frågor och funderingar.

Sist men inte minst vill jag tacka alla på Fors kartongfabrik för trevlig samvaro, all hjälpsamhet, den lärdom och kontakter det har gett mig att skriva examensarbetet på Er arbetsplats. Detta arbete har lärt mig mycket som jag tar med mig vidare i min karriär.

VIII

Innehållsförteckning

1. Inledning……….1

1.1 Bakgrund……….1

1.2 Syfte……….2

1.3 Metod………...2

1.4 Avgränsningar………2

2. Teoretisk bakgrund……….3

2.1 Vattenvård och föroreningstrend………..3

2.1.1 Avloppsvattnets inverkan på sjöar och vattendrag………3

2.2 Biologiska steget……….5

2.2.1 Biologisk behandling………5

2.2.2 Mikrobiologisk bakgrund……….….6

2.2.3 Metabolismen………6

2.2.4 Oxidation och syntes……….6

2.2.5 Selektion (urval) av mikroorganismer………..7

2.2.6 Biologisk tillväxt………...8

2.3 Nedbrytning av döda mikroorganismer……….10

2.3.1 Avlägsnandet av närsalterna kväve och fosfor………10

2.4 Mikroorganismer vid avloppsvattenrening………11

2.4.1 Bakterier………...11

2.4.2 Frisimmande bakterier………..11

2.4.3 Flockformiga bakterier……….11

2.4.4 Trådformiga bakterier………...12

2.4.5 Protozoer………...12

2.4.6 Metazoer………13

2.4.7 Flockstruktur……….13

3. Konventionell aktiv slamanläggning……….15

4. LSP–processen………17

5. Nettoslamproduktionen………..19

6. Fors kartongfabrik……….21

6.1 Avloppsvattnet………22

6.2 1 Fors reningsanläggning……….23

6.2.2 Reningsverket………23

6.2.3 Beskrivning av reningsverket………24

7. Försöksbeskrivning………27

7.1 Försökets syfte………27

7.2 Försöksbakgrund………27

7.3 Försöket……….. 28

7.4 Analyser………...29

7.5 Beräkningar………29

7.6 Problem vid reningsverket under period 2………..30

8.Resultat………31

8.1 Flödet………...31

8.2 Nettoslamproduktionen……….32

8.3 COD-belastningen………..35

X

8.4 Slambelastning………...37

8.5 COD-reduktionen över det biologiska reningssteget……….41

8.6 Medelvärdet för periodernas totala COD-reduktion över den biologiska och den kemiska reningen…….42

8.7 Suspenderande ämnen i utgående vatten från mellansedimenteringen………...42

8.8 Biologin- flockbetyg- och mikroorganismer………45

8.8.1 Flockbetyg………45

8.8.2 De olika mikroorganismerna………45

8.8-3 Trådbakterier- och flagellater i luftningsbassäng 1………..46

8.8.4 Flagellater- och klockdjur i luftningsbassäng 2………46

8.8.5 Frisimmande bakterier i luftningsbassäng 1 och 2………..47

8.8.6 Trådbakterier- och hjuldjur i luftningsbassäng 2……….47

8.9 Syrehalten………..48

8.10 Slamhalten………48

8.11 Slamvolymindex, SVI………..50

8.12 Slamåldern………...51

9 Diskussion………..55

9.1 Belastning av reningsverket……….55

9.1.1 Flödet………55

9.1.2 COD-belastningen………56

9.1.3 Slambelastning……….56

9.2 COD-reduktionen……….57

9.2.1 COD-reduktionen över det biologiska reningssteget………..57

9.2.2 Totala COD-reduktionen över såväl det biologiska som kemiska reningssteget………57

9.2.3 Samband mellan COD- reduceringen och nettoslamproduktionen……….58

9.3 Suspenderande ämnen ut från mellansedimenteringen………60

9.4 Mikroorganismerna i det biologiska reningssteget………62

9.4.1 Samband mellan flockbetyg och nettoslamproduktionen………62

9.4.2 Frisimmande bakterier……….64

9.4.3 Trådformiga bakterier………..64

9.4.4 Flagellater………68

9.4.5 Hjuldjur………68

9.4.6 Ciliater………..68

9.5 Syrehalten………..68

9.6 Slamhalt……….69

9.7 Slamvolymindex………70

9.8 Slamåldern……….71

9.9 Styrning efter nettoslamproduktionen………75

10 Felkällor………79

11 Slutsatser och fortsatt arbete………81

11.1 Slutsatser………..81

11.2 Fortsatt arbete……….81

12. Referenser………83

13 Bilagor………..85

Bilaga Ι……….85

Bilaga Π………87

Bilaga Щ………..89

Bilaga ΙV………..99

1 Inledning

1.1 Bakgrund

Detta arbete är ett examensarbete som behandlar det biologiska reningssteget vid Fors kartongfabrik.

Examensarbetet omfattar 20 p och ingår i slutskedet av Magisterutbildningen, 60 p, i Kemiteknik med inriktning industriell ekologi vid Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm.

Stora Enso Fors AB är en kartongfabrik som är lokaliserat i Fors strax nordost om Avesta.

Tillverkning sker av både mekanisk massa samt kartong. Fabriken har ett eget reningsverk som tar hand om avloppsvattnet från processen.

Myndigheternas kontroll skärps ideligen över industriernas tillverkningsprocesser, dess

vattenanvändning och dess reningssystem. Följden av detta är att utökade krav ställs på fabrikernas tillverkningsprocesser samt rening av dess utsläpp till både luft, mark och vatten.

Vid dimensionering av en aktivslamanläggning är det oftast nyckeltalen, uppehållstid (timmar), slambelastning och slamålder som brukar användas.

För att veta vilken slamhalt (mg SS) som det skall vara i luftningsbassängerna vid önskad slambelastning och slamålder så måste slamhaltens koncentration beräknas. Sedan styr man

mängden uttag av överskottslam för att konstanhålla denna slamhalt i luftningsstegen. Ovanstående sätt är det traditionella sättet att styra en reningsanläggning och används främst vid de kommunala anläggningarna. Dessa reningsanläggningar har helt andra förutsättningar än de som gäller för skogsindustriella avloppsvatten. När det gäller skogsindustriellt avloppsvatten så består detta vatten av en mer enhetlig sammansättning i form av främst kolhydrater från cellulosa och en del från tillsats av stärkelse samt av bestrykningmedel (krita, lera och latex). Det är också ett näringsfattigt vatten jämfört med det kommunala vattnet vilket medför att näringsalter som kväve och fosfor måste tillsättas. De biologiska anläggningarnas utformning har under årens lopp utvecklats främst genom bättre syresättning i luftningsbassängerna samt förändringar i avloppsvattnets sammansättning. För att klara av dessa förändringar kan styrparametern slamhalten behöva ersättas med andra alternativa styrsätt.

Reningsanläggningarna har under 80–talet och framåt utformats efter att ge minimal slamproduktion ofta mindre än 0,15 kg SS/kg reducerad COD. [1] En av konsekvenserna av att försöka få så minimal slamproduktion som möjligt har inneburit slamflykt pg. a. kraftig tillväxt av trådbakterier. För att komma tillrätta med dessa problem har ett nytt nyckeltal att styra reningsanläggningar efter börjat förankras i några av de industriella reningsverken. Att styra reningsanläggningen efter nyckeltalet, nettoslamproduktionen kan kanske vara en bättre parameter. Intresset för detta nya sätt att styra reningsanläggningar har växt fram även för Fors reningsverk.

I detta arbete har försök med att använda styrparametern, nettoslamproduktionen, vid Fors kartongpappersbruk studerats. Arbetet är ett första steg under den stora process som det faktiskt innebär om det skall införas ett nytt styrsätt i anläggningen.

2 1.2 Syfte

Syftet med detta examensarbete är att studera möjligheten att styra det biologiska reningssteget vid Fors kartongpappersbruk efter nyckeltalet nettoslamproduktionen. Projektet innefattar även att undersöka hur COD-reduktionen och mikroflorans sammansättning påverkas av denna

styrparameter.

1.3 Metod

Litteraturstudier av reningsteknikens processer har utförts för att få en grund till detta arbete.

Generell information om mikrobiologi, vattenreningsteknik och kartong-/massatillverkning har inhämtats från Stora Enso Fors intranet samt olika utbildningsmaterial.

Litteraturen har varit böcker och rapporter från bibliotek, artiklar, personliga kontakter och även via Internet. Litteraturdelen har begränsats till att omfatta aeroba behandlingstekniker av avloppsvatten, mikrobiologi och LSP-processen. Många av artiklarna har varit specialiserade om just

nettoslamproduktionen.

Den befintliga reningsanläggningen i Fors har studerats och insamling av data och sammanställning av dessa värden har utförts. Värdena har sedan analyserats för att försöka finna effekter och samband för styrning av reningsverket efter styrningsparametern nettoslamproduktionen jämfört med det tidigare sättet att styra efter slamhalten. Detta för att se om nettoslamproduktionen skulle kunna vara en ny bättre styrparameter.

1.4 Avgränsningar

Examensarbetet begränsas till att enbart studera det biologiska stegets aktivslamprocess. Det biologiska reningssteget är ett komplext och stort system och sambandet mellan olika

driftsparametrar i en aktiv slamanläggning är svårtolkade. Sammansättningen och flödet på

inkommande vatten varierar ofta. Varje anläggning har sitt speciella avloppsvatten och med det sitt speciella biologiska system med olika sammansättningar av mikroorganismer. Det är många parametrar som påverkar det biologiska steget och inom detta arbete har endast parametrar som direkt inverkar på beräkningen av nettoslamproduktionen studerats.

2 Teoretisk bakgrund

2.1 Vattenvård och föroreningstrend

Under 90-talet nåddes allmänheten av larmrapporter om den försämrade livsmiljön i Östersjön.

Syrebrist och bottendöd signalerade att Östersjön tog emot mer organiskt material och näringsämnen från människors avloppsvatten, industrier och jordbruksmark än vad det klarade av att omhänderta.

Dalälven som är en närbelägen recipient för Fors kartongfabrik har förr varit en stor utsläppskälla av förorenat vatten till Östersjön. För att skona livet i Östersjön är det av stor vikt att det avloppsvatten som släpps ut till det känsliga innanhavet har renats i någon form. Typ av rening bestäms av vattnets sammansättning. Vid tillverkning av pappersmassa används stora vattenmassor som i

massatillverkningen anrikas på organiskt material.

En svårighet vid reningen av vatten från massaindustrin är att den höga halten organiskt material i kombination med låga halter kväve och fosfor ofta kräver en tillsats av näringsämnen. I kommunala reningsverk är det tvärsom, för mycket kväve och fosfor och detta är oftast den största utmaningen att avlägsna. Det är därför viktigt att doseringen av näringsämnena kväve och fosfor är tillräcklig för att möjliggöra nedbrytningen av det organiska materialet samtidigt som utsläppen av dessa

näringsämnen inte får öka.

Sjöar och vattendrag i vårt land används för en mängd ändamål. Några exempel kan nämnas som vattentäkt, för rekreation, för vattenproduktion och som recipient för avloppsvatten. En avvägning måste göras så att inget användningsområde omöjliggörs. Behovet av råvatten för industrier måste förvisso prioriteras högt och ställer krav på god vattenkvalitet. Vattendragens användning för bad, fritidsfiske och rekreation har också ställt ökande krav på recipientvattnets renhet.

Föroreningstrenden har brutits och emissionerna per ton produkt har minskat snabbare än industrins produktion har ökat. Flera olika skäl har bidragit till denna utveckling under de senaste årtiondena.

Några av de viktigaste kan nämnas:

¾ Forskningen har påvisat tilltagande skador i sjöar och vattendrag och utformat åtgärder

¾ Analystekniken har förfinats

¾ Myndigheternas kontroll har skärpts. Tillsynsmöjligheterna har utökats

¾ Miljövårdslagstiftningen har omarbetats och moderniserats

¾ Bidrag till kommunala och industriella miljövårdsåtgärder har påskyndat utbyggnadstakten av miljöskyddet

¾ Teknisk utveckling i Sverige och utlandet har resulterat i nya och bättre reningsmetoder

¾ Industrins branschorganisationer har drivit undersökningar av föroreningars ursprung och påverkan på vattendrag och bidragit till teknikutvecklingen

¾ Massmedia har kraftigt stimulerat miljövårdsdebatten och ökat allmänhetens intresse för miljövård. Detta har i sin tur möjliggjort prioritering av t. ex utbyggnad av reningsverk inom kommunerna

2.1.1 Avloppsvattnets inverkan på sjöar och vattendrag

I ett vattendrag som inte är påverkat av förorening råder en viss jämvikt mellan de processer, där alger och högre organismer byggs upp och de processer där döda växter och djur bryts ner till

enklare beståndsdelar. Tillförsel av ett industriellt avloppsvatten till en sjö eller ett vattendrag medför en snedvridning av ämnesomsättningen i vattnet och en rubbning av jämvikten.

4

Ett utsläpp av avloppsvatten kan bl.a. medföra följande olägenheter:

™ Avsättningar

Avloppsvatten som innehåller suspenderande ämnen kan ge upphov till avsättningar i närheten av utsläppsplatsen. Oorganiska ämnen som lera och anrikningsslam behöver i och för sig inte medföra någon förändring av vattnet men dels inträder en ej önskvärd

uppgrundning och slambanksbildning, dels förändras bottenstrukturen så att fiskens lekmöjligheter försämras. Om slamlagret är av organisk natur så förvärras situationen ytterligare. En bakteriell nedbrytning uppstår och anaeroba (syrefria) förhållanden kan inträda. Syrebristen hindrar utvecklingen av den rom som kan ha lagts på botten. Vid syrebrist kan även fosforföreningar frigöras från bottenslammet.

™ Grumling och missfärgning

Lerslam, fiberrester, fyllnadsmedel och stärkelsekorn kan ge en grumling av vattnet. En missfärgning kan orsakas av avlutar från cellulosaindustrin. Grumligheten hindrar

solljusinstrålningen till vattnet och minskar därmed den naturliga produktiviteten i vattnet.

I en del fall leder vissa typer av grumlighet i form av skarpa mineralkorn till onormal förslitning av fiskarnas gälslemhinnor och andra grumlighetstyper som kan ge beläggningar på gälarna.

™ Tillförsel av näringsämnena kväve och fosfor

Kvävet förekommer både som organiskt bundet och som oorganiska föreningar (nitrat, nitrit och ammonium). Fosfor förekommer som organiska föreningar och fosfat. Tillförsel

av näringsämnena kväve och fosfor till havet är en naturlig förutsättning för liv.

Miljöproblem blir det först när tillförseln ökar så mycket att ekosystemets ursprungliga karaktär eller funktion förändras. Då har det blivit för mycket av det goda. När det händer i ett havsområde eller sjö kallas det eutrofiering och är ett begrepp som står för en serie förlopp i vattenmiljön. Ökad tillförsel av näringsämnen eller organiskt material leder till ökad produktion. Övergödning kan leda till syrebrist, algblomningar och igenväxning.

När produktionen av organiskt material överskrider konsumtionen och det blir ett överskott som inte bryts ner på normalt sett på bottnarna och då drabbas stora bottenområden av syrebrist och leder till en nedgång i antalet djur som lever i och på sedimenten. Åtgärder har vidtagits genom att bl.a. reningsverk har anlagts för att minska utsläppen av både kväve och fosfor men det är bara att konstatera att eutrofieringsproblemet kvarstår som förändrar havets ekologi och mångfald.

Är det kväve-fosfor eller båda som orsakar eutrofiering i Östersjön? Varifrån kommer näringsämnena och hur mycket måste tillförseln minska? Hur lång tid tar det innan åtgärderna ger effekt ute i havet? Vad är mest kostnadseffektivt och hur skall kostnaderna fördelas? Frågorna är lätta att ställa men svaren är komplicerade att finna. Ett samarbete måste till mellan alla berörda kommuner, myndigheter, företag och olika enskilda parter.

Vattnet känner inte av några kommun- eller landsgränser utan rinner på i sina egna vägar genom sina avrinningsområden vidare ut till sjön /havet.

™ Syrekonsumtion

I en sjö sker en samtidig uppbyggnad och nedbrytning av organiskt material, se bilden i figur 1.

Vid nedbrytning av döda växter och djur splittrar bakterier och andra mikroorganismer de organiska ämnena till koldioxid och vatten, varvid syre förbrukas som i första hand tas från vattnets förråd av löst syre. [2]

Figur 1. Uppbyggnad och nedbrytning av organiskt material.Bilden är från Rennerfelt J (2000).

Vid nedbrytningen frigörs också mineralsalter. Den kolsyra och de mineralsalter som frigörs vid den bakteriella nedbrytningen tjänar som byggstenar för produktion av nytt organiskt material. På detta sätt hålls cirkelprocessen igång. Vissa typer av industriella avloppsvatten medför en extra tillförsel av organisk substans till vattenmassan. Detta leder till en snedbelastning mellan uppbyggnad och nedbrytning av organiska ämnen. Bakterier och andra mikroorganismer adsorberar och omsätter näringen till koldioxid, vatten och ny cellsubstans. En kraftig ökning av bakteriemassan är följden av detta och medför en kraftig syreåtgång.

™ Giftverkan

Ämnen från cellulosaindustrin som har giftverkan är bl.a. sulfider, merkaptaner och hartsyror. Giftämnena blockerar enzymer som deltar i organismernas omsättning

(metabolism) och hindrar därmed deras livsprocesser. Även syror och baser har giftverkan när de orsakar så stora förändringar i vattnets pH–värde att växt och djurliv påverkas. Med beaktande till fisklivet bör pH normalt ligga mellan 5,5 och 8,5.[2].

2.2 Biologiska steget 2.2.1 Biologisk behandling

Biologisk behandling är ett samlingsnamn för behandlingsmetoder där mikroorganismer används för att ta hand om föroreningarna. I naturen finns mikroorganismer (bakterier och mikrosvampar) som har förmåga att bryta ner i stort sett alla organiska ämnen som finns. I en reningsanläggning för avloppsvatten renas vatten från löst och suspenderat organiskt material och näringsämnen under kontrollerade former. Om vattnet inte genomgår någon rening kommer samma processer att äga rum i recipienten under okontrollerade former. En okontrollerad nedbrytning av organiskt material i recipienten kan leda till syrebrist och bottendöd. I de flesta reningsanläggningar sker nedbrytningen i en aerob miljö, det vill säga i en miljö med syrgas.

I en reningsanläggning ger man naturen hjälp på traven, genom att se till att förhållandena blir de rätta för att organismerna ska kunna bryta ner föroreningarna effektivt. Oavsett vilken

mikroorganism man har att göra med så ställer den krav på sin miljö och sina levnadsbetingelser för att trivas. Den vill ha rätt temperatur, pH-värde, vattenhalt, syre och näringsämnen. Bara om alla dessa krav tillgodoses kan man förvänta sig att organismerna gör sitt jobb på ett bra sätt.

6

Biologisk rening avskiljer i första hand lösta organiska föroreningar som omvandlas till biomassa som därefter suspenderar och separeras från vattnet. En mycket diversifierad grupp av

mikroorganismer står för omvandlingen. Mikroorganismer (bakterier, encelliga och flercelliga små organismer) bryter ned eller omvandla olika ämnen med hjälp av aerob process med fri tillgång till fritt syre.

2.2.2 Mikrobiologisk bakgrund

Mikroorganismernas sammansättning beror av förhållandena i reningsanläggningen. Bakterier är den viktigaste gruppen av mikroorganismer. Tre huvudgrupper av mikroorganismer finns i ett

avloppsvattenverk.

¾ Prokaryoter, encelliga bakterier

¾ Protozoer, encelliga organismer

¾ Metazoer, större flercelliga organismer

2.2.3 Metabolismen

Metabolismen (ämnesomsättning) är ett sammanfattande namn på de kemiska processer [3] där molekyler tas upp, bryts ner och avlägsnas i cellerna. Encelliga mikroorganismer måste själva klara av sin metabolism och för att de skall kunna reproducera sig och växa krävs det en energikälla (ljus eller kemisk oxidation) och en kolkälla (organiska ämnen). För syntes av cellmassa krävs också näringsämnen (oorganiska ämnen) såsom kväve och fosfor mm. Näringsämnena kan ibland vara begränsade. Bilden i figur 2 visar de kemiska processerna inom ämnesomsättningen i cellerna. [4]

Figur 2.Metabolismen (ämnesomsättning) i cellerna

2.2.4 Oxidation och syntes

En kemisk reaktion sker i en sk. aerob respiration = oxidation-reduktionsreaktion [5], se bilden i figur 3. En aerob respiration har med omsättning av energi eller uppbyggnad och nedbrytning av vävnad att göra.

Figur 3.En aerob respiration.

En vanlig omvandlingsprocess är en aerob heterotrof omvandling av organiskt material till koldioxid, CO2, vatten, H2O och ammonium, NH4+,

I en aerob heterotrof nedbrytning så sker följande med det organiska materialet.

I. oxidation till syre, O2,

II. assimilation till biomassa (slam)

III. passage utan nedbrytning (svårnedbrytbara ämnen, klorerade kolväten, fenoler) och IV. omvandling till andra organiska ämnen

Mikoorganismerna använder det organiska materialet som energikälla samt som byggstenar till ny biomassa. Avloppsvattnets ursprung bestämmer sammansättningen på det organiska materialet. Den genomsnittliga sammansättningen av organiskt material i kommunalt avloppsvatten kan beskrivas C18H19O9N [6] och oxideras av mikroorganismer enligt de kemiska formlerna, se i rutan nedan. [5]

Av energin som utvinns vid oxidationen kan mikroorganismerna ta tillvara för underhåll och tillväxt omkring 60 % och resterande 40% avgår som värme.[6]

2.2.5 Selektion (urval) av mikroorganismer

I huvudsak bestämmer mikroorganismernas tillväxthastighet vilka arter som kommer att finnas i slammet. Tillväxthastigheten hos en viss typ av mikroorganismer är inte konstant. Den påverkas av tillgången på näringsämnen, syrehalten, pH och temperaturen. Vissa bakterier kan endast leva under vissa betingelser, t.ex. i närvaro eller frånvaro av syre. Sammansättningen av mikroorganismer ändras hela tiden för de anpassar sig till förhållandet i reningsverket. De som växer snabbast eller som kan använda vissa näringsämnen kommer att dominera. I avloppsvattnet finns många olika mikroorganismer som finns överallt i naturen och vissa kommer alltid att kunna växa vilket gör reningen så effektiv.

C18H19O9N + 17,5 O2 + H⁺ → 18CO2 + 8H2O + NH4+ (utan nitrifikation) eller C18H19O9N + 19,5 O2 → 18CO2 + 9H2O + H⁺ + NO3- (med nitrifikation)

8 2.2.6 Biologisk tillväxt

När bakterier får växa i ett slutet system eller i en batchkultur så sker tillväxten vanligtvis efter en tillväxtkurva i fyra faser: [3] Bilden i figur 4 visar den klassiska tillväxtkurvan där bakterierna är odlade på ett begränsat substrat.

I. lagfasen,

II. exponential- eller logfasen, III. stationära fasen och

IV. dödsfasen.

V.

Lagfasen representerar tiden som krävs för bakterierna att anpassa sig till deras nya miljö. En enzyminduktion skall ske och cellerna ska acklimatisera sig att bl.a. förändra salthalten, pH och temperatur. Näringsämnen börjar tas upp i cellen som gör att den ökar i storlek och innehållet av enzymer och nukleinsyror förändras. [7]

Under exponentiala fasen sker celldelning med maximal hastighet. Näringsämnen och substrat finns i obegränsade mängder som gör att bakterierna ökar exponentiellt med tiden. Den enda faktorn som påverkar den expontentiella tillväxten är temperaturen. [9] Under stationära fasen har någon faktor blivit begränsad såsom substrat eller näringsämnen vilket leder till att tillväxten hämmas.

Dödshastigheten blir lika stor som tillväxten. Biomassans koncentration hålls relativt konstant med tiden. I dödsfasen har substratet blivit uttömt så att ingen tillväxt sker och förändringen i biomassans koncentration är beroende på celldöden.

I en aktiv slamanläggning är inte bakterierna inneslutna i ett slutet system och faserna beter sig inte exakt som ovan. För att få en möjlighet att definiera i vilket skick en aktivslamanläggning befinner sig så kan de olika tillväxtfaserna vara till stor nytta för att kunna fastställa bakteriernas tillstånd. Ett sådant system kan styras att favorisera mikroorganismer i en viss tillväxtfas genom att påverka eller genom kvoten mellan substrat och mikrobiell massa. [8].

Eftersom det finns tusentals olika typer av bakterier i ett reningsverk är det inte praktiskt möjligt att veta tillväxthastigheter för var och en. Bakteriepoulationerna delas in i grupper beroende på den process de uträttar. Exempel på detta är nedbrytningen av organiskt material, nitrifikation och denitrifikation. För att kunna dimensionera ett reningsverk så använder man sig av empiriska samband för tillväxt och substratförbrukning.

Temperatur, pH, näringstillgång och syre har stor betydelse för urval, överlevnad och tillväxt av mikroorganismer. Generellt är den optimala skalan för temperatur och pH väldigt smal för mikroorganismer. Mikroorganismerna klassificeras i olika grupper [3] baserat på vilken temperaturintervall för tillväxt de tillhör.

Figur 4. Mikroorganismernas tillväxtkurva

Figur 5. Mikroorganismernas klassificeringsgrupper.

Bilden i figur 5 visar de olika mikroorganismernas klassificeringsgrupperna som är:

ƒ psykotrop

ƒ mesofil

ƒ termofil

ƒ extremt termofil

De flesta mikroorganismer är mesofiler och har en optimal tillväxt vid temperaturintervallet 20º - 45ºC. pH har också en stor betydelse och de flesta bakterier klarar inte av pH-nivåer över 9,5 eller under 4. Överlag är ett pH-intervall på mellan 6,7 - 7,5 optimalt för mikroorganismer. [10]

I det biologiska steget så är den biologiska tillväxten av mikroorganismer en viktig process i reningssystemet. Andra viktiga omvandlingsprocesser är hydrolys som innebär nedbrytningen av större molekyler till mindre som kan passera cellväggen, avklingning eller nedbrytning av biomassa och adsorption som innebär att partiklar och molekyler fastnar på ytan av partiklar med bakterier.

10 2.3 Nedbrytning av döda mikroorganismer

Levande bakterier dör så småningom och detta är nödvändigt för omvandlingen av ämnen i den biologiska processen. I ett reningsverk finns bakterier i alla tillväxtfaser. När bakterierna bryts ner omvandlas de till långsamt nedbrytbara ämnen som sedan hydrolyseras (bryts ned till mindre molekyler). Det nedbrytbara material fungerar som substrat för andra bakterier.

2.3.1 Avlägsnandet av närsalterna kväve och fosfor

Då mikroorganismerna växer byggs kväve och fosfor in i biomassan. Fosfor är av fundamental betydelse för alla levande organismer i bl.a. fotosyntesprocesser som byggstenar i nukleinsyrorna DNA och RNA. Fosfor utgör en essentiell del i bakteriernas tillväxt då den ingår i föreningarna ATP och NADPH. Fosfor är också en viktig beståndsdel i det genetiska materialet DNA och RNA.

Bakteriecellen innehåller approximativt 9 - 12 % kväve och 1,3 – 2,5 % fosfor. [11,12] Fosforhalten kan vara högre hos snabbväxande bakterier eftersom dessa innehåller mycket RNA.

Kväve finns i alla levande organismer, främst i form av aminosyror/proteiner och nukleinsyror.

Organiskt kväve och ammonium är de helt dominerande formerna av kväve i orenat och försedimenterat avloppsvatten. [13]

Aktiv biomassa innehåller generellt ungefär 12,3 % kväve och 2,6 % fosfor. [14]

I aktivt slam inom massa- och pappersindustrin består 0,5 % - 1,5 % av slammets torrvikt av fosfor.

[11] Vid nedbrytningen av COD erhåller bakteriecellen förutom energi framförallt kol vilket behövs till huvudsakligen två processer, syntetisering av nya bakterieceller samt underhåll av den befintliga cellen. Det krävs en viss mängd fosfor i förhållande till mängden kol som förbrukas vid

produktionen av ny biomassa. För att få ett grovt mått på om halten kväve och fosfor i avloppsvattnet är tillräcklig kan utbyteskonstanten beräknas, se formel i rutan nedan. Utbyteskonstanten beskriver hur mycket av reducerad COD som resulterar i ny biomassa. Brist på kväve och fosfor kan

uppkomma då koncentrationen av dessa ämnen är omkring 0,1 - 0,3 mg/l och lägre. [10]

Y = utbyteskonstant, kg SSprod/kg CODred)

SSÖS = slamhalt i överskottsslam, kg/m³ QÖS = flöde överskottsslamm, , m³/dygn SSutbio = slamhalt i utgående flöde, kg/m³ CODred = reducerad COD ut bio, kg/m³ Qutbio = utgående flöde, m³/dygn

Flockarna i biomassan är gelatinartade matriser s.k. silken som innehåller encelliga och

filamentbildande bakterier. Protozoer och metazoer är de vanligaste mikroorganismerna och de sitter på ytan av flockarna. Avloppsvattnet blandar sig först med det aktiva slammet och då är det först så att en andel organiska ämnen adsorberas i flockarna tills bakterierna behöver materialet som föda.

Den kvarvarande andelen av organiskt material oxideras sedan och resulterar i syntes och respiration (andning). Det totala avlägsnandet av organiskt material utförs i två huvudsakliga moment –

adsorption och oxidation. Adsorption sker i den första sektionen i luftningsbassängen under de första luftningstimmarna. Total avlägsning av organiskt material i den aktiva slamprocessen är mellan 90 – 95 %. [13]

Y = SSÖS * Q ÖS + SSutbio * Qutbio

CODred * Qutbio

2.4 Mikroorganismer vid avloppsvattenrening

Det är det inkommande vattnets sammansättning som bestämmer hur mikrofloran i

reningsanläggningen kommer att se ut. Viktigt är också miljöfaktorerna som pH, temperatur, syrehalt och framförallt även hur anläggningen styrs och är konstruerad.

De vanligaste mikroorganismerna i en vattenreningsanläggning är bakterier, protozoer och metazoer men även svamp och alger förekommer. Mikroorganismer bryter ner organiskt material och den frigjorda energin används till att bygga upp nya celler. I ett reningsverk så skapas ett ekosystem där mängden bakterier är mycket större än vad som redan finns i avloppsvattnet samt att en selektion (val) sker för de bakterier som gynnas av den specifika miljön för att ge snabbare nedbrytning. För att en anrikning av mikroorganismer skall kunna ske så måste de hållas kvar i systemet genom flockar som kan avskiljas eller biofilm som gör att frilevande bakterier som inte kan flockas spolas ut. Vissa typer har ingen förmåga att aggregera sig pg.a. ytstruktur & kolloidkemiska egenskaper.

Bakterierna växer oftast i flockar eller i biofilmer vilket ger en spontan process som ökar deras överlevnadschanser. [4]

2.4.1 Bakterier

Bakterierna är primärkonsumenter av löst organiskt material men spelar också en viktig roll i nedbrytningen av övrigt organiskt material genom produktion av extracellulära enzymer, sk.

exoenzym. Bakterierna är antingen frisimmande, flockbildande eller filamentformiga (trådformiga).

Dessa är encelliga organismer som kan växa i avloppsvatten genom att bryta ner ämnen såsom proteiner, kolhydrater, fetter samt många andra ämnen och är den viktigaste mikroorganismen i aktivslamprocessen. Storleken är mellan 0,1-50 µm och endast ett fåtal är identifierade. En

biokemisk process kräver i allmänhet enzymer för att kunna ske. Enzymerna hjälper bakterierna att bryta ner ämnen och bygga nya celler. Enzymerna är proteiner som har förmågan att påskynda vissa kemiska reaktioner. Enzymerna fungerar bara då förhållandena är de rätta som pH, temperatur och tillgång på näringsämnen etc.

2.4.2 Frisimmande bakterier

De frisimmande bakterierna kan snabbt ta upp näring från omgivningen eftersom de förekommer var för sig vilket ger dem en större exponerad yta mot omgivningen. Frisimmande bakterier försvinner endast från systemet genom att konsumeras av högre organismer eller genom att följa med utflödet ut. Deras ringa storlek gör att de inte sedimenterar.

Enligt den litteraturen som finns i min referenslista så borde de solitära frisimmande bakterierna i luftningsbassäng 2 inte överstiga 100 000 per µl, för är de för många kan det ge som effekt en dålig sedimentering. De frisimmande bakterierna bryter ned lösta organiska ämnen och även

djurflagellaterna i det biologiska steget. Normalvärdet bör ligga mellan 30 000 – 100 000 per µl i luftningsbassäng 2.

2.4.3 Flockformiga bakterier

Flockbildande bakterier är främst sk. r-strateger vilket innebär att de har en hög tillväxthastighet vid höga substratkoncentrationer, då de har förmåga att snabbt ta tillvara på lättillgängligt organiskt material. På sådant sätt kan de konkurrera ut trådformiga bakterier. Det är viktigt att hålla en hög belastning i början av anläggningen för att undvika en massiv tillväxt av trådformiga bakterier. [6]

12 2.4.4 Trådformiga bakterier

De flesta trådformiga bakterier är sk. k-strateger vilket betyder att de har ett konkurrensmässigt övertag framför flockbildande bakterier vid låga substratkoncentrationer. Detta kan förklaras genom att de trådformiga bakterierna har en större exponerad yta mot omgivningen och detta medför att de snabbt kan hitta mat och näring i en begränsad miljö.

Bilderna i figur 6 och 7 visar en bra flockbildning i Fors biologiska steg den då de flockformiga bakterierna har konkurrerat ut de trådformiga bakterierna. Jämför med bilden i figur 8 då de

trådformiga bakterierna har konkurrerat ut de flockformiga bakterierna och det är dålig flockbildning i Fors biologiska steg. Bilderna i figur 6 – 8 är dygnvis tagna mikroskopiska bilder från Fors

biologiska steg.

Figur 6. Bild från 050914 Figur 7. Bild från 050912 Figur 8. Bild från 051012

2.4.5 Protozoer

Protozoer medverkar till en bättre kvalitet på det renade vattnet samt ger förbättrade slamegenskaper vilket leder till bättre sedimentering då de äter bakterier, alger, svamp och suspenderat organiskt material. Till de vanligaste hör flagellater, amöbor och ciliater (fastsittande eller frisimmande). Dessa är mikroskopiska encelliga organismer och är ofta lätta att känna igen. Storleken är 5-1000 µm. De har enorm mångfald i morfologi & livsstrategier. Deras närvaro anses vara positiv för

reningsprocessen. De äter i huvudsak bakterier som simmar runt i vattnet och bidrar därmed till att producera ett klart vatten. Deras närvaro är ofta en indikation på tillståndet i anläggningen. Deras närvaro kan också leda till negativa effekter bl.a. genom att de för effektivt kan minska antalet viktiga bakterier.

Flagellater är en blandning av encelliga växter och djur men numera klassificeras de flesta som tillhörande växtriket. Djurflagellater lever i första hand på att bryta ned lösta organiska ämnen exempelvis socker och andra kolhydrater, proteiner, fetter och organiska syror mm. De reducerar då vattnets innehåll av COD och BOD7. Det förekommer även växtflagellater (enkla alger) som

innehåller klorofyll och som fotosyntetiserar. Normalvärdet för flagellater bör ligga mellan 20 - 50 per µl. Ciliater förekommer vid ej alltför kort slamålder och om tillräckligt med O2 finns. Vid kort slamålder och om det är otillräckligt med O2 så finns det mer flagellater och amöbor. [5]

2.4.6 Metazoer

Metazoer är större flercelliga organismer och de livnär sig på bakterier, och/eller protozoer och metazoer och på små partiklar av organiskt material. Exempel på metazoer är rotatorier och nematoder. Storleken på dessa är ofta >1000 µm. Metazoernas roll i det biologiska steget är som protozoerna att fungera som rengörare och polera utgående vatten från frisimmande bakterier, småflockar och annat partikulärt organiskt material. Om metazoer förekommer i utgående vatten så tyder detta på en bra aerob biologisk process.[10]. Bilden i figur 9 visar ett hjuldjur i det biologiska steget i Fors, (det avlånga djuret i mitten av bilden). Hjuldjur och ciliater går under beteckningen större mikroorganismer. De skiljer sig åt genom att ciliaterna är encelliga djur som förökar sig genom delning och hjuldjuren är flercelliga djur. Dessa djur lever på partiklar och bakterier och är viktiga i luftningsbassäng 2 eftersom de reducerar vattnets innehåll av partikelbunden COD och BOD och reglerar överskott av frisimmande bakterier. De sedimenterar också bra. När det finns ett högre antal hjuldjur så indikerar det att den biologiska processen fungerar bra och har lägre antal frisimmande bakterier.

Figur 9. Mikroskopisk bild från Fors biologiska steg den 050909

2.4.7 Flockstruktur

Ett bra slam innebär kompakta och stabila flockar bestående av flockbildande bakterier samt en viss andel trådformiga bakterier. Se bilden i figur 6 när Fors biologiska steg har en bra flockbildning För att få bra flockegenskaper krävs en viss andel av just trådformiga bakterier men dessa får inte tillväxa alltför mycket. En hög andel trådformiga bakterier ger ett slam med låg densitet vilket ger dåliga sedimenteringsegenskaper, vilket kan leda till slamflykt som innebär höga halter slam i utflödet. [3]

Olika mikrober har en kritisk roll så att det aktiva slammet i systemet skall fungera bra.

Om reningsanläggningen inte fungerar som den ska så resulterar detta i att dåliga sammansatta flockar bildas se (bilden i figur 10) och detta kan bero på bl.a. låg lufttillförsel, sulfider och sura organiska substrater. Dessa flockar sammanbinds inte riktigt tätt ihop på grund av deras porösa struktur. Konsekvensen av detta blir att det organiska materialet släpps fritt i det behandlade vattnet och detta sänker vattenkvalitén. Bilderna i figur 10 - 11 är tagna ur Prescott, Harley, Klein (1999).

14

Figur 10. Trådbakterier som stör flockbildningen.

Figur 11.Flockar utan så mycket trådbakterier.

3 Konventionell aktiv slamanläggning

En aktiv slamanläggning byggs upp av en eller flera aeroba reaktorer med efterföljande sedimentering. Den konventionella aktiva slamprocessen innehåller följande steg:

™ Blandning av avloppsvatten med det aktiva slammet för vidare behandling

™ Luftning och omrörning av det mixade vattnet med den tid som krävs (vanligen 4 – 6 timmar)

™ Separation av det aktiverade slammet från avloppsvattnet i en sedimenteringsbassäng En stor del av det sedimenterade slammet återförs till den aeroba reaktorn, se bilden i

figur 12. Återföring av slammet innebär att halten mikroorganismer inne i anläggningen kan hållas hög vilket innebär att reaktorvolymen kan minskas. [15] Slamåldern ökar också vilket gynnar de högre livsformerna i slammet; protozoer och metazoer. Dessa livsformer äter av de frisimmande bakterierna som utgör det första steget i näringskedjan för mikroorganismerna i slammet. Detta ger ett klarare utgående vatten.

Biomassans uppehållstid i systemet regleras genom att ta ut sk. överskottslam. En förutsättning för recirkulationen av aktivt slam är att slammet kan avskiljas från det behandlade vattnet vilket sker i sedimenteringsbassängen.

Figur 12. En konventionell aktivslamanläggning.

16

4 LSP-processen

LSP–processen (Low Sludge Production) är en variant av aktiv slamprocessen som har utvecklats i syfte att minimera slamproduktionen för att därigenom minska totalkostnaden för reningen.

Avskiljning, avvattning, övrig behandling och bortskaffning av överskottsslam står för en betydande del av den totala kostnaden för behandlingen av avloppsvatten.

LSP^TM tekniken bygger på en tvåstegsprocess: se bilden i figur 13.

I. Första steget drivs så att i huvudsak frisimmande bakterier växer. Dessa bryter ned det mesta av avloppsvattnets COD [4,16]

II. Det andra steget styrs så att flockbildande bakterier och stora mängder mikrodjur gynnas. De flockbildande bakterierna tar hand om resterande COD (som går att rena, upp till ca 90 %) och mikrodjuren konsumerar de frisimmande bakterierna från första stund. Resultatet blir en förlängd näringskedja och därmed betydligt lägre slamproduktion

Figur 13. LSP-anläggning.

I steg 1 gynnas frisimmande bakterier genom en kort hydraulisk uppehållstid i den höga

koncentrationen av löst organiskt material och näringsämnen. Typisk hydraulisk uppehållstid är någon eller några få timmar. Syftet med detta steg är att få en snabb och hög reduktion av lätt-

tillgängligt COD. Eftersom man vill gynna frisimmande bakterier sker ingen slamåterföring till detta steg. Frisimmarna är snabbväxande och äter snabbt upp det lätt-tillgängliga organiska materialet varför filament- och flockformiga bakterier som har lägre tillväxthastighet vid höga substrathalter missgynnas.

I steg 2 konsumeras de frisimmande bakterierna av protozoer och metazoer. Halten löst COD ska vara lågt i detta steg och därför missgynnas fortsatt tillväxt av bakterier. Detta ska ge ett klarare utgående vatten och ett slam med bra sedimenteringsegenskaper samt leda till lägre slamproduktion.

Steget styrs som ett aktivslamsteg med återföring av slam och man har en lång hydraulisk uppehållstid.

Eftersom organismerna med lägst tillväxthastighet finns i det andra steget skyddas de mot PH-svängningar, toxiska föreningar och andra störningar i inkommande vatten. Det första steget fungerar som en buffert där störningar jämnas ut innan de når biomassan i aktivslamsteget. [17]

Av denna anledning anses LSP-anläggningen vara mindre känslig för störningar i inkommande vatten än konventionella aktivslamanläggningar.

18

LSP-processen baseras på principen om energiförlust i näringskedjan. Grundtanken med en LSP-anläggning är att den ska producera mindre slam av bättre kvalitet än en motsvarande aktivslamanläggning genom att dela upp anläggningen i ett frisimmar- och ett aktivslamsteg.

Uppdelningen innebär att konkurrens mellan livsformerna undviks. Detta skall leda principen om energiförlust i näringskedjan till sin spets. Av energiinnehållet i bakterierna, som konsumeras av protozoerna, går endast en liten del till cellväxt och underhåll av biomassa samtidigt som en betydelsefull del av energin går förlorad som värme.

I en vanlig aerob biologisk reningsprocess är slamproduktionen uppåt 0,3 kg per reducerad COD.

Enligt AnoxKaldness LSP^TMprocess så kan denna produktion sänkas med 30 - 90 % dvs. ned till 0,02 – 0,15 kg slam per kg reducerad COD. Ett pilotförsök utfört 2001 på Södra Cell Mönsterås visade att slamproduktionen i en LSP-anläggning motsvarade eller rentutav översteg

slamproduktionen i den befintliga långtidsluftade aktivslamanläggningen på bruket, [16].

I litteraturen finns försök med LSP-anläggningar beskrivna med en slamproduktion på 0,01 – 0,23 kgSS/kg COD red. [17]. En avgörande faktor för slamproduktionen är slamåldern. Ju högre

slamålder desto lägre slamproduktion.

En nackdel med en LSP-anläggning är att mikrodjurens upptag av kväve och fosfor i förhållande till COD i steg två är lägre än de snabbväxande frisimmande bakterierna i steg ett. Cellmassan hos de frisimmande bakterierna har ett högre innehåll av kväve och fosfor än mikrodjurens cellmassa. Detta innebär att kväve,(i form av nitrat och ammonium) och fosfor frigörs vid mineraliseringen av

bakteriernas biomassa i steg 2. Under perioden 2002-2004 hade Fors reningsanläggning utsläpp av kväve med ett medelvärde av 85 kg/dygn. [18] En annan nackdel är att syrebehovet är högt vid hög slamreduktion. Slamreduktionen i steg 2 kräver alltså en ökad luftning vilket medför ökade

energikostnader. [17].

5 Nettoslamproduktionen

Det är ett antal olika parametrar som behövs vid styrning av en biologisk anläggning. Exempel på dessa är slamålder, slamhalt och slambelastning. Dessa parametrar bygger mycket på praktiska erfarenheter framför allt från kommunala reningsverk. Dessa har helt andra förutsättningar än de som gäller för skogsindustriella avloppsvatten. [19]

I en aktivslamanläggning recirkuleras ca 90 % av bioslammet och endast 10 – 20 % av

bioslammängden i luftningsstegen tas ut ur systemet i form av överskottsslam. Detta för att erhålla en hög koncentration av mikroorganismer för att hantera inkommande COD. Överskottslammet innehåller dels inkommande suspenderad substans (SS) dels den delvis av högre organismer

nedbrutna biomassan som bakterier bildat av inkommande COD. Det svåra är avvägandet hur långt skall man driva slamnedbrytningen utan att få störningar i den biologiska processen. Dessa

störningar innebär ofta en ohämmad tillväxt av trådformiga bakterier (filament) med ett svårsedimenterat bioslam som följd. Rent praktisk kan man empiriskt få fram en väl avvägd slamnedbrytningsgrad genom att styra överskottslamuttaget efter styrparametern

nettoslamproduktionen. [19]

Reningsanläggningarna har under 80 talet och framåt utformats efter att ge minimal slamproduktion ofta mindre än 0,15 kg SS/kg reducerad COD [19] En av konsekvenserna av att försöka få så minimal slamproduktion som möjligt har då gett slamflykt pga. kraftig tillväxt av trådbakterier. För att komma tillrätta med dessa problem har styrning efter nettoslamproduktionen börjat förankras i några av dagens industriella reningsverk.

Avloppsvattnet från en papper/massafabrik har i jämförelse med kommunalt avloppsvatten en mer enhetlig sammansättning i form av främst kolhydrater från cellulosa och en del från tillsats av stärkelse samt av bestrykningsmedel (krita, lera och latex). Det är också ett näringsfattigt vatten jämfört med det kommunala vattnet vilket medför att näringstillförsel av kväve och fosfor behövs.

De biologiska anläggningarnas utformning har under årens lopp förändrats till följd av bättre syresättning i luftningsbassängerna samt förändringar i avloppsvattnets sammansättning. Bättre utrustning för syresättning har utvecklats till luftningsbassängerna vilket medför mycket bättre syretillförsel till mikroorganismerna. Detta kan innebära att syrehalten periodvis blir hög med hög förbränning av biomassa som följd. Detta kan i sin tur resultera i att summan av mängden som förbränns och den mängd som tas ur systemet blir för hög. [19] Om för hög mängd slam tas ut som överskottslam kommer slamhalten att minska vilket ger en försämrad biomassa. Om slamhalten hålls konstant kan uttagen slammängd bli för liten. Om det finns en stor andel filament (trådbakterier) i slammet så kan dessa gynnas av för lågt slamavdrag. För att erhålla en bra slamhalt i systemet med lågt innehåll av filament måste en bestämd mängd slam tas ut i förhållande till hur mycket COD som reduceras i anläggningen. Vattenflödena in varierar som leder till olika betingelser för

mikroorganismerna och ett kontrollerat slamavdrag är viktigt att uppnå. Nettoslamproduktionen kan ge en kvittens på att rätt avdrag sker. [19]

Förbränningen i det biologiska reningssystemet styrs med hjälp av syrehalten i luftningsstegen.

Minskar slamhalten för mycket så måste syrehalten också minskas. Genom att sänka syrehalten ytterligare i luftningsbassängerna kan det ge en effekt att tukta problem med filament.

20

6 Fors kartongfabrik

Kartongtillverkningen i Fors har gamla anor. Tillverkningen på den första kartongmaskinen, KM1 kom igång redan 1952. Då tillverkades 1 289 ton kartong per år. Jämför detta med dagens produktion där KM2 producerar ca 2 821 ton/vecka och KM3 6 320 ton/vecka, totalt 9 141 ton/vecka. Redan från början fick kartongfabriken en internationell inriktning där nära 70 % exporterades. Fors

kartongfabrik blev snabbt uppskattad inom specialområden bl.a. gjutbestrykning. I oktober 1958 togs beslut att bygga KM2. I slutet av 60-talet var den totala årsproduktionen nära 40 000 ton per år. KM3 togs i drift under februari 1976 och fabriken var då världens största kartongfabrik. Byggnationen av KM3 medförde andra viktiga investeringar som gjorde att fabriken kunde leva upp till de allt hårdare miljökrav som ställdes. Reningsverket anlades under denna tid. Den befintliga TMP-anläggningen byggdes senare om till en CTMP-anläggning. KM1 togs ur drift 1977. [18]

Före 1972 gick allt processvatten orenat ut i Forssjön. I mitten av 70-talet påbörjades en rening av Forssjön där omkring 7000 ton fibrer muddrades från sjön. En befintlig CTMP-anläggning från Örnsköldsvik monterades ned och byggdes upp i Fors under 1996. I samband med detta installerades en indunstningsanläggning för processvatten, en av de första av sitt slag i världen. Detta avlastade reningsverket genom att processkemikalierna kunde återvinnas och återföras till

processtillverkningen igen.

Råvara– och annan konsumtion per år är 399 000 m³ ved (FUB), cellulosa 116 000 ton, lera/krita, 62 200 ton, vatten 15 400 m³ och elenergi i 480 miljoner kWh. Kapaciteten i massafabriken är 160 000 ton per år.

Bilden på figur 14 visar processflödet genom fabriken.

Figur 14. Processflöde genom fabriken

Varje dygn tillverkas ca 1000 ton kartong. Kartongen är uppbyggd i tre skikt. Det övre och undre skiktet består av blekt kemiska massa som ger slutprodukten dess vithet, styrka och styvhet.

Kartongens mittskikt utgörs av egentillverkad kemitermomekanisk massa (CTMP). CTMP–massan tillverkas av gran. Först avbarkas veden för att därefter bli flis som behandlas för att ge kartongen högre kemisk renhet. Flisen mals mellan två räfflade skivor så att fibrerna frigörs. Massan tvättas därefter i flera steg och ibland bleks den med väteperoxid. Väteperoxiden omvandlas under

processen till vatten och syrgas. CTMP–massan är nu klar att användas. I kartongmaskinerna formas de tre skikten av massa ihop till en kartongbana. I en press- och torkparti minskas vattenhalten

22

från 99 % till 8 %. Därefter bestryks kartongen med lera, krita och latex för att ge goda

tryckegenskaper. Kartongen levereras till kund som rulle eller ark allt efter kundens önskemål.

Produkter som tillverkas vid Fors är bl.a. kartong till läkemedelskartonger, cigarettförpackningar, chokladkartonger och matförpackningar mm.

6.1 Avloppsvattnet

Figur 15 visar en del av luftningsbassängerna vid Fors reningsverk. Reningsverket behandlar ca 1400 m³ avloppsvatten/dygn. Reduktionen av suspenderade ämnen ligger vid ca 99 % och av organiska ämnen ca 90 %. [18] En del av vattnet behandlas i indunstningen, bl.a. tvättvattnet från CTMP. Med hjälp av både silning, biologiska och kemiska metoder skiljs slam och föroreningar ut från vattnet.

En del av det erhållna slammet används för att görakattsand och absorbationsmaterial. Resten bränns i fabrikens centrala värmeanläggning.

Vattnet från Fors kartongfabrik kommer inte till reningsverket i jämna flöden utan

varierar beroende på vad som tillverkas.

Vid driftsstopp så kommer det ett ansenligt punktutsläpp som då ger stor belastning på det biologiska steget.

Det finns vissa gränsvillkor för vattenutsläppet som Fors kartongfabrik måste underskrida och tabell nr 1 här nedan visar

medelvärdet för utsläppsdata över

december månad samt villkoren Figur 15. Luftningsbassängerna vid Fors reningsverk.

enligt tillståndet.[18]

Tabell nr 1

Utsläppsdata för reningsanläggningen för december -05 6.2 Villkor enligt tillstånd

Vatten 10829 14 000 m³

Susp 70 25 80 kg /dygn

COD 6918 10 000 kg /dygn

Total fosfor 4,1 4,4 kg /dygn

Flöde per ton producerad kartong 13,3 m³

Ett avloppsvatten bör karakteriseras i såväl kemiskt som fysikaliskt hänseende. Under årens lopp har det etablerats ett antal förhållandevis enkla metoder för att analysera vattnet. I Fors tar

reningsverkspersonalen samt miljölaboratoriet kontinuerliga driftsprov samt stickprov.

De väsentligaste är:

¾ Torrsubstans (TS) är totala innehållet av föroreningar både organisk och oorganisk substans

¾ Fosfor (P) både i organisk och oorganisk form

¾ Kväve (N) mäts som nitrat, nitrit, ammoniumföreningar och organiskt kväve

¾ Suspenderande ämnen (SS) som är ett mått på de ämnen som är uppslammade i avloppsvattnet

¾ Organisk substans mäts genom olika parametrar såsom COD, BOD och TOC

Halten av organiska ämnen i luftningstanken påverkas av slamåldern och av tillväxthastigheten. [5]

Speciellt sammansättningen på den organiska fraktionen är svår att mäta i detalj för det innehåller tusentals olika komponenter. Därför används sammanslagningsvärden på innehållet av organiskt material. När organiskt material oxideras förbrukas syre och det bildas CO2 (koldioxid) som båda kan mätas. De olika metoder som används är COD, BOD och TOC. Metoderna ger olika resultat.

Valet av metod beror på vad värdena skall användas till, se bilaga nr І om analysmetoder.

I avloppsvattnet finns föroreningarna både i löst form och i suspenderad form. Vattnets alkalinitet har stor betydelse vid kemisk fällning.

6.2.1 Fors reningsanläggning

En extern reningsanläggning för fabrikens avloppsvatten byggdes år 1976 och konstruerades för de dåtida förhållandena. Aktiv slamanläggningen är från början byggd som en sk. Zurn-Attisholz process. Den bestod av två aktiv slamsteg i serie där varje steg hade något olika driftbetingelser.

Steg 1 var tänkt som ett högbelastat buffrande steg där huvuddelen av de lätt-nedbrytbara föreningarna skulle avskiljas.

Steg två fungerade som ett lågbelastat steg där en långtgående nedbrytning av organiskt material skulle ske.

6.2.2 Reningsverket

Den biologiska reningen byggdes under 2001 om till en s.k. LSP-process, dvs. ett aktivt slamsteg i serie med tre luftningsbassänger och en mellansedimentering, (MS), se figur 16.

Figur 16. Reningsanläggningen i Fors.

Princip externreningen, FORS

L 1 L 3

L 2

MS KemS

KemS

N P

Ecoflock

Ecofloc

Pe Pe

FS

Taster

2003-09-26 KM 3 KM 2 CTMP 1 CTMP 2 Massaupplös mm

Indunstning

FeCl