Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • apa.csl
  • 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
Driftoptimering av luftningssystem och närsaltsdosering i ett skogsindustriellt reningsverk: Utvärdering av en biologisk reningsprocess ur ett energi-, miljö- och kostnadsperspektiv
Karlstad University, Faculty of Health, Science and Technology (starting 2013).
Karlstad University, Faculty of Health, Science and Technology (starting 2013).
2023 (Swedish)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Optimization for aeration and dosing of nutrients in a pulp and paper mill wastewater treatment plant : Evaluation of a biological wastewater treatment process from energetic, environmental and financial perspectives (English)
Abstract [sv]

Dagens samhälle står inför många utmaningar där energieffektivisering är en stor del för att nå Sveriges energipolitiska mål. Det finns anledning att effektivisera och optimera energianvändningen i Sveriges papper- och massaindustrier då de står för en stor andel av nationell energiförbrukning. Papper- och massatillverkning genererar processavloppsvatten som kräver rening då det innehåller en hög halt organiska ämnen som kan orsaka miljöproblem vid utsläpp till närliggande recipient. För att resurs- och miljöeffektivisera krävs god förståelse och kunskap kring hur den aktuella reningsprocessen ser ut och vilka påverkansfaktorer som spelar störst roll då de varierar från bruk till bruk. 

I det här examensarbetet undersöks möjligheten att effektivisera en biologisk reningsprocess på Stora Enso Skoghalls bruk med hänsyn till elanvändning för luftning och tillsättning av närsalter. På grund av en ny installering av luftningsteknik så har bruket förbättrat förutsättningarna för syresättning och har efter detta ett ökat överskott på syre i deras luftade damm. Installationen öppnade för att kunna reglera lufttillförseln och även en möjlighet att studera närsaltsdoseringen då dessa faktorer har stor påverkan på funktionen av det biologiska reningsverket. 

En beräkningsmodell över reningsprocessen formades efter processdata från bruket med målsättning att göra en modell som stämde väl överens med verkligheten. Olika scenarion har därefter studerats för att jämföra vilka åtgärder som har störst inverkan på miljöpåverkan, driftkostnad och energianvändning. Förändring av antalet ytluftare i drift efter syrebehov i den luftade dammen genomfördes som ett scenario. Minskning av slamålder undersöktes med hänsyn till luftning och närsaltsbehov i den luftade dammen. Även en sänkning av syrenivån i MBBR:en (biofilmreaktor med rörlig bädd) undersöktes samt installation av den nya luftningstekniken Hyperclassic i halva volymen av den luftade dammen, dels i kombination, dels som separata scenarion. En möjlighet till bypass runt MBBR undersöktes där olika andelar av flödet fick passera direkt till den luftade dammen. Med hänsyn till tidigare genomförd närsaltsdosering på bruket när det tillsättes enbart under vinterhalvåret så undersöktes nu möjligheten att säsongsanpassa tillsättningen av urea och fosforsyra. Dessa nio scenarion har jämförts mot referensfallet som är dagens drift av den biologiska reningen. 

Målen med studien var att utforma en verklighetsanpassad beräkningsmodell för att identifiera möjliga förändringar i den biologiska reningen som resulterar i ett energieffektivt och miljömässigt bättre driftförslag. 

Resultaten visar att det mest energi- och kostnadseffektiva scenariot var en kombination av åtgärder som sänkning av syrehalten i MBBR:en från 3 mg l-1 till 2 mg l-1 och användning av Hyperclassic i större delen av den luftade dammen. Det gav en kostnadsminskning på 48,5% och en minskning av energianvändning på ca 60% från referensfallet utan att påverka reningens effektivitet. 

Störst påverkan på miljön har användningen av urea och fosforsyra vilket resulterade i att en minskning av närsaltsdosering på sommarhalvåret gav en stor minskning på miljöpåverkan. Det finns en möjlighet att reducera klimatpåverkan med omkring 100 ton CO2-ekv. år-1 i global uppvärmningspotential och omkring 140 kg PO43—ekv. år-1 i övergödningspotential.

Det övergripande målet att utforma en verklighetsanpassad beräkningsmodell över reningsverket uppfylldes. Slutsatsen är också att till synes små förändringar, som att sänka syrehalt i MBBR och tillämpa en mer optimal dosering av närsalter, har betydande inverkan på energianvändning, driftkostnad och miljöpåverkan.  

Abstract [en]

To achieve the goals set by Sweden’s energy policy, improving the efficiency of energy use in society and economy is an imperative. Sweden’s paper and pulp sector accounts for a significant proportion of national energy usage. Paper and pulp production generates wastewater from the production process that requires purification as it has a high content of organic substances that can cause environmental problems when released to nearby sinks. In order to improve resource and environmental efficiency, a good understanding and knowledge of the effectiveness of the current purification process, and the main environmental impact categories (which vary from mill to mill), is required.

In this degree project, the possibility of optimizing a biological purification process at the Stora Enso Skoghall mill, with respect to electricity usage and the addition of nutrients, has been investigated. By installing a new aeration technology, the mill has facilitated an increase in the level of oxygen in its aerated lagoon. The installation made it possible to regulate the air supply and provided an opportunity to study the dosing of nutrients – two factors that have a major impact on the functioning of the biological treatment plant.

A computational model of the purification process was developed, based on process data obtained from the mill. The aim was to build a model that synchronized well with reality. Different scenarios were compared on the basis of environmental impacts, energy use and operational expenses. The number of surface aerators was changed according to oxygen demand in the aerated pond, in one scenario. The consequence of the reduction of the Sludge Retention Time (SRT) on aeration and nutrient salt requirements in the aerated lagoon, was investigated. The effects of lowering the oxygen level in the MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor), and the installation of the new Hyperclassic aeration technology in half the volume of the aerated lagoon, were studied – both in combination and as discrete scenarios. The possibility of bypassing the MBBR and directing different proportions of flows directly to the aerated lagoon was explored. Taking into account the previously implemented nutrient salt dosing at the mill (added only during the winter months), the possibility of seasonally adjusting the dosing of urea and phosphoric acid was investigated. These nine scenarios were compared with the reference case, which is the status quo of the biological treatment at the mill.

The goal of the study was primarily to design a realistic calculation model to identify possible changes in the biological treatment that will lead to an energy-efficient and environmentally-friendlier alternative.

The results depicted that the most energy-efficient and cost-effective alternative was a combination of measures such as lowering the oxygen level in the MBBR from 3 mg l-1 to 2 mg l-1 and using Hyperclassic in the aerated lagoon. This arrangement generated a 48.5% reduction in operational expenses, and a 60% decrease in the energy use, vis-à-vis the reference case, without affecting the efficiency of the purification process.

The reduction in the use of nutrient salts, urea and phosphoric acid, in the summer months, truncated the environmental footprint significantly. An opportunity to mitigate the global warming impact and the eutrophication potential, by approximately 100 tons of CO2-eq. year-1 and 140 kg PO43-eq. year-1 was revealed in this study.

The overall goal of designing a realistic computational model for the treatment plant was achieved. The conclusion is also that seemingly small changes, such as lowering the oxygen level in the MBBR, and applying a more optimal dosage of nutrient salts, can significantly decrease the energy use, reduce operational expenses and mitigate the environmental impact.

Place, publisher, year, edition, pages
2023. , p. 65
Keywords [sv]
Simulink, reningsteknik, luftning, närsaltsdosering, reglerteknik
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kau:diva-95467OAI: oai:DiVA.org:kau-95467DiVA, id: diva2:1770708
External cooperation
Stora Enso
Subject / course
Environmental and Energy Systems
Educational program
Engineering: Energy and Environmental Engineering (300 ECTS credits)
Supervisors
Examiners
Available from: 2023-11-14 Created: 2023-06-19 Last updated: 2023-11-14Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(2690 kB)42 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 2690 kBChecksum SHA-512
689ba3b677f95b5eee08d39d61416885b2c31b4c8caa945ec7da14396adf2272546b4eb55c7ca2503e42380c7a5efe6c12c0d28c45eb49e4a4179b195d9d2bb1
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Faculty of Health, Science and Technology (starting 2013)
Engineering and Technology

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 42 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: 109 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • apa.csl
  • 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