Vattenreningsverket på Nynas oljeraffinaderi är en nödvändig kärnverksamhet och används för att rena processvatten från dag- och kylvattenströmmar från produktionsanläggningarna, som innehåller föroreningar av olika ämnen, som exempelvis COD, ammonium, totalkväve och fenoler i varierande sammansättning. För att följa de strikta utsläppskrav som förekommer innan processvattnet kan nå recipienten, Östersjön, har Nynas ett internt reningsprogram där processvattnet behandlas genom mekanisk, biologisk och kemisk rening. Den biologiska reningsprocessen sker med en MBBR reaktor och är indelad i tre olika faser; denitrifikation, TOC-reduktion och nitrifikation i syfte att åstadkomma god kväveavskiljning och reduktion av organiskt svårnedbrytbart material. Avskiljningen av fosfor sker genom en biologisk assimileringsprocess, där fosfat lagras hos mikroorganismer i biofilmen på fyllkropparna i bassängerna.

Under senare tid har det observerats förhöjda halter av totalfosfor (Ptot) i utgående flöde vid provpunkt 3 (PP3), som är placerad i slutet av vattenreningsprocessen jämfört med provpunkt 2 (PP2), före MBBR reaktorn. Detta medför risk att utsläppskraven inte kan nås och behöver åtgärdas för att förhindra de långsiktiga miljökonsekvenser som förhöjda fosforhalter kan leda till, exempelvis övergödning i sjöar och vattendrag.

Syftet med projektet är att studera de olika provpunkterna och analysera orsakerna till de förhöjda totalfosforhalterna i processen. Under 7 veckors tid utfördes provtagningar från vattenreningsanläggningen och totalfosforhalterna analyserades i inkommande och utgående flöde samt andra föroreningar i processvattnet med hjälp av spektrofotometrisk analysmetod. Genom att studera möjliga orsaker till de förhöjda halterna utifrån analysresultat och litteraturstudier kan förslag ges på optimering av de parametrar som påverkar kapaciteten och ökar reningsgraden av fosfor i MBBR reaktorn.

Resultatet från provtagningarna visade inga förhöjda totalfosforhalter vid PP3 jämfört med PP2, förutom vid en mätpunkt. Däremot observerades en svag korrelation mellan förhöjda halter och högre temperatur, men inte för låga pH-värden i MBBR. Fosforavskiljningen försämrades vid lägre ingående halt COD, vilket beror på avsaknad av tillräcklig mängd kolkälla i form av VFA (flyktiga fettsyror) som gynnar tillväxten av polyfosfat ackumulerande mikroorganismer (PAO). Ett tydligt samband kunde ses med låga nitrathalter i det anaeroba steget och förbättrat fosforupptag i den biologiska reningen. Vid ogynnsamma förhållanden dominerar glykogen ackumulerade mikroorganismer (GAO), och teorin för att åstadkomma miljö för gynnsam tillväxt av PAO kallas bio-P processen.

Reningsgraden för fosfor beräknades till 25 % och innebär att en försämrad biologisk avskiljningsprocess förekommer i MBBR. Det betyder att fosforavskiljningen behöver processoptimeras och kan antingen utföras genom att öka fyllnadsgraden från nuvarande 20 % till 30-45 %, ersätta befintligt bärarmaterial med större ytarea som exempelvis Z-bärare alternativt ändra designen, eller förlänga HRT (uppehållstiden) i reaktorn. Styrfunktioner i form av pH och temperatur bör regleras, där optimal pH och temperatur för PAO tillväxt är 7,5 respektive 10-15 grader för effektiv fosforavskiljning. En viktig faktor för att öka reningsgraden är att öka den interna produktionen av VFA, antingen genom manuell dosering eller med omkonstruktion av reningsstegen med implementering av hydrolys-process.

Den uppskattade kostnaden för att öka fyllkroppsandelen i bassängerna i MBBR reaktorn är 1,9 MSEK och är den mest fördelaktiga tekniska lösningen för att öka kapaciteten för fosforavskiljningen i den biologiska vattenreningsprocessen.

The Wastewater Treatment Plant (WWTP) at Nynas oil refinery is a vital core operation and is used to purify process water from runoff water and cooling water streams from the production facilities, which contain contaminants of various substances, such as COD, ammonium, Total Nitrogen and Phenols in different compositions. To comply with the strict discharging requirements before the process water can reach the recipient, the Baltic Sea, Nynas has an internal treatment program where the contaminated water is treated through mechanical, biological, and chemical purification steps. The biological treatment process is conducted with an MBBR reactor and is divided into three different sections: denitrification, reduction of TOC, and nitrification to achieve good removal of Total Nitrogen and reduction of organic material. Phosphorus removal occurs through a biological assimilation process, where phosphate ions is stored in microorganisms in the biofilm on the carrier media in the tanks.

Recently, elevated levels of total phosphorus (Ptot) have been observed in the outgoing flow at sampling point 3 (PP3), located at the end of the treatment process compared to sampling point 2 (PP2), before the MBBR reactor. This can result in a risk that the discharge requirements may not be met, and actions needs taken to prevent the long-term environmental consequences that elevated phosphorus levels can lead to, such as eutrophication in lakes and watercourses.

The purpose of the project is to study the different sampling points and analyze the causes of the elevated total phosphorus levels in the process. For 7 weeks, samples were taken from the water treatment plant and phosphorus were analyzed in incoming and outgoing flows, as well as other contaminants in the process using a spectrophotometric analysis method. By studying possible causes of the elevated levels based on analysis results and literature studies, suggestions can be made for optimizing the parameters that affect the capacity and increase the purification rate of phosphorus in the MBBR reactor.

The results from the sampling analysis showed no elevated total phosphorus levels at PP3 compared to PP2, except at one measurement point. However, a weak correlation was observed between elevated levels and higher temperature, but not for low pH values in the MBBR. Phosphorus removal was impaired at lower incoming COD levels, which is due to a lack of sufficient carbon source in the form of VFA (Volatile Fatty Acids) that promotes the growth of polyphosphate accumulating organisms (PAO). A clear connection could be seen with low nitrate levels in the anaerobic stage and improved phosphorus uptake in the biological process. Under unfavorable conditions, glycogen accumulating organisms (GAO) dominate, and the theory to create an environment for favorable growth of PAO is called the bio-P process.

The purification rate for phosphorus was calculated to 25 %, indicating a deteriorated biological separation process in the MBBR. This means that phosphorus removal needs to be process optimized and can either be done by increasing the fill rate from the current 20 % to 30-45 %, replacing existing carrier material with larger surface area, such as Z-carriers alternatively change the design, or extending the HRT (Hydraulic Retention Time) in the reactor. Control functions in the form of pH and temperature should be regulated, where the optimal pH and temperature for PAO growth are 7.5 and 10-15 ℃ respectively for efficient phosphorus removal. An important factor for increasing the purification rate is to increase the internal production of VFA, either through manual dosing or by reengineering the treatment stages with the implementation of a hydrolysis technique.