Ammonium feedback control at Himmerfjärden wastewater treatment plant – evaluation through full-scale experiments and simulations

Avloppsreningsverk står inför uppgiften att rena inkommande vatten för att möta lagstiftade gränsvärden till en så låg kostnad som möjligt. Att syresätta biologiska reningsprocesser är kostsamt eftersom luftningsanordningen förbrukar mycket energi. Ungefär en femtedel av Himmerfjärdsverkets totala elenergiförbrukning går till luftning av biologiska processer. För att öka Himmerfjärdsverkets energieffektivitet startades under 2010 experiment med olika strategier för luftflödesstyrning. En av verkets nitrifikationsbassänger byggdes då om för att möjliggöra zonvis reglering av syrehalten. Syftet med denna studie var att utvärdera reglering med ammoniumåterkoppling och syrehaltsprofil för styrning av Himmerfjärdsverkets nitrifikationsprocess. Utvärderingen baserades på reningsresultat och energiförbrukning. Med nuvarande reglerstrategi varieras luftningen genom återkoppling från syrehalten i den andra av sex zoner i varje luftad bassäng. Denna reglering medför att det uppstår ett överskott av syre i slutet av bassängerna. Det finns således potential att spara energi om luftningen kan regleras så att syreöverskott undviks. Modellsimuleringar i Benchmark Simulation Model no. 1 (BSM1) användes för att jämföra snabb och långsam ammoniumåterkoppling samt olika typer av syrehaltsprofiler inför försök i full skala. Modellen byggdes om och kalibrerades för att efterlikna Himmerfjärdsverkets process. Strategierna utvärderades för två scenarier; ett utan några övre begränsningar för luftningen och ett där Himmerfjärdsverkets luftflödesbegränsningar simulerades. Resultatet från simuleringarna visade att långsam ammoniumåterkoppling var den mest energieffektiva reglerstrategin i båda scenarierna. Resultatet visade även att det var möjligt att minska syretoppar genom en stigande syrehaltsprofil längs med bassängens flödesriktning. Genom fullskaleförsök utvärderades syrehaltsprofil och ammoniumåterkoppling. Resultatet visade att ammoniumåterkoppling var den reglerstrategi som förbrukade minst luft per mängd avskiljt ammoniumkväve och jämfört med ursprunglig reglering erhölls en 16 % lägre energiförbrukning.Wastewater treatment plants (WWTP) have the challenging task to treat incoming water in order to meet the discharge limits at the lowest possible cost. Aeration of biological treatment processes is one of the most energy consuming posts at a WWTP. At Himmerfjärden WWTP approximately one fifth of the total electric energy consumption is used for aeration of biological processes. With the purpose of making Himmerfjärden WWTP more energy efficient full-scale experiments with different aeration control strategies started in 2010. In one of the aerated tanks a new control system was installed in order to allow zonewise control of the dissolved oxygen (DO). The objective of this master thesis was to evaluate ammonium feedback control and DO-profile control at Himmerfjärden WWTP. The evaluation was made with regard to effluent quality and aeration needs. With the original control strategy aeration is varied to maintain a constant concentration of dissolved oxygen in the second of six zones in each aerated tank. With this control strategy oxygen peaks occur in the last zones of the aerated tank. Thus, there is potential to save energy if these oxygen peaks can be avoided. Simulations were carried out in the Benchmark Simulation Model no. 1 (BSM1) where fast and slow ammonium feedback control and different DO-profiles were evaluated. The model was modified and calibrated to resemble the process at Himmerfjärden WWTP. The simulations showed that the slow ammonium feedback control was the most energy-efficient strategy. The results also showed that it was possible to reduce oxygen peaks by increasing the oxygen set-point along the aerated tank, e.g. an increasing DO-profile. The full-scale experiments included ammonium feedback control and DO-profile control. The results show that ammonium feedback control needed less airflow per amount ammonium removed, compared to both the DO-profile and the original control strategy, with a 16 % lower energy consumption compared to the original control strategy