uu.seUppsala University Publications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Modellering av koldioxidavtrycket för Käppalaverket med framtida processlösning för skärpta reningskrav: Modeling the carbon footprint of Käppala WWTP due to more stringent discharge limits
Uppsala University, Disciplinary Domain of Science and Technology, Mathematics and Computer Science, Department of Information Technology.
2013 (Swedish)Independent thesis Advanced level (professional degree), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [sv]

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.

Abstract [en]

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.

Place, publisher, year, edition, pages
2013. , 70 p.
Series
UPTEC W, ISSN 1401-5765 ; 13008
Keyword [sv]
lustgas carbon footprint koldioxidavtryck reningsverk BSM2 växthusgas metangas
National Category
Earth and Related Environmental Sciences
Identifiers
URN: urn:nbn:se:uu:diva-198570OAI: oai:DiVA.org:uu-198570DiVA: diva2:616970
Educational program
Master Programme in Environmental and Water Engineering
Uppsok
Technology
Supervisors
Examiners
Available from: 2013-08-13 Created: 2013-04-19 Last updated: 2013-08-13Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(1708 kB)395 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 1708 kBChecksum SHA-512
57c4519246830f2973b47893da57d2156c9a6848ac3e4ca46e2f8f8dc19081c52fe1bc390f295bae685c980d682c16e4bfe6304a8aeee52f8bd0ceb6b800107c
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Department of Information Technology
Earth and Related Environmental Sciences

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 395 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 492 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf