Vannrensegruppa – erfaringer fra oppstart av en forskningsgruppe

Hallvard Ødegaard, Professor Eremitus, Institutt for bygg og miljøteknikk

Da jeg kom tilbake til NTH som dosent i Vannforsynings- og avløpsteknikk ved Institutt for vassbygging (med fagfelt Vannrenseteknikk) i 1977, forsto jeg raskt at jeg måtte bygge opp en forskningsaktivitet innen fagområdet. Det hadde det ikke vært tidligere, bortsett fra min egen, ensomme forskning mot licentiat-graden i perioden 1973-1975. Jeg hadde en viss erfaring med såkalt «instituttforskning» fra NIVA i perioden 1970-73, men hadde ambisjoner om å få i gang noe mer grunnleggende FoU – i stor grad inspirert av min danske kollega, prof. Poul Harremoes ved Danmarks Tekniske Universitet (DTU).

Jeg sto overfor tre utfordringer; fasiliteter, mannskap og forskningsmidler. Instituttet hadde en ørliten undervisningslab med enkelt utstyr, beliggende nede på Valgrinda (i bygningene til Vassdrags- og havnelaboratoriet, VHL), mens våre kontorer lå i 8 etg. i Sentralbygg 1 på Gløshaugen.

Etablering av analyselaboratoriet. Institutt for geoteknikk, som hadde laboratorier i VHL-bygget, flyttet til Bygningsingeniøravdelingens nybygg på Gløshaugen søndre, og Vassbygg fikk overta deres lokaler ved VHL til et kombinert kjemi- og mikrobiologi-laboratorium.

Etablering av forsøkshallen. Jeg forsto at skulle vi få til forskning av noen betydning, måtte vi få etablert en forsøkshall med pilot-/lab-anlegg for avløpsrensing og drikkevannsbehandling. Jeg hadde vært med på å bygge opp noe tilsvarende på Kjeller i NIVA-tiden og visste noenlunde hva jeg var ute etter. Som en del av Mjøs-aksjonen på 70-tallet ble HIAS avløpsrenseanlegg på Hamar planlagt og prosjektert av Østlandskonsult. Som grunnlag for prosjekteringen hadde de bygget og drevet et pilot-anlegg, og i 1977 da pilotforsøkene var ferdige, var de villige til å selge anlegget for kr. 10.000. I rekordfart hev jeg meg rundt og: a) kjøpte pilotanlegget, b) søkte Norges Teknisk-Naturvitenskapelige Forskningsråd (NTNF) om økonomisk støtte til kjøpet, c) utarbeidet planer og anbud for et provisorisk overbygg fra et byggefirma og d) søkte NTH’s administrasjon om økonomisk støtte til overbygget, plassert på Valgrinda.

I løpet av forbausende kort tid var alt dette på plass. Det tok tid å få tildelt de kr 10.000 fra NTNF og i mellomtiden la jeg ut beløpet privat!Det var ikke mulig å få penger til forskningsprosjekter fra NTH sentralt, men administrasjonssjefen (Carlsen) hadde en god del penger til ulike utbyggings-prosjekt, og det var fra denne potten de 200.000 kronene kom. Forsøkshallen fikk snart navnet «Ødegaarden» og var svært viktig for utviklingen innen FoU i vannrenseteknikk ved NTH og senere SINTEF.

Figur 1 «Ødegaarden» utvendig og innvendig på 1980-tallet

Sammen med kollegaer og studenter ved Instituttet, startet vi opp en forsiktig oppdragsforskning for å skaffe penger til utstyr. Inntekter og utgifter ble forvaltet gjennom SINTEF B-ordningen.

SINTEF B-ordningen Det unike med denne ordningen var at fagmiljøet selv kunne forvalte midlene så lenge inntektene var større enn utgiftene. Og det var full tillit både fra institutt- og NTH-ledelsen til at vi forvaltet midlene til felleskapets beste. Som eksempel kjøpte jeg en brukt pick-up og en tilhenger for å frakte vann. Ingen spurte hvor jeg tok pengene fra, men de kom fra inntektene vi fikk ved å arrangere en internasjonal konferanse. I hovedsak gikk inntektene til kjøp av vitenskapelig utstyr og etter hvert ble medlemmene i gruppa delvis finansiert over B-ordningen.

Vannrensegruppa NTH/SINTEF. I 1981 skjedde det en avgjørende endring. NTNF opprettet det året NTNF’s Utvalg for utvikling og kontroll av industriens rensetiltak (INDRENS), i samarbeid med Norges Industriforbund og Statens forurensningstilsyn (SFT). Jeg søkte straks om bidrag til flere FoU-prosjekter på vegne av vår lille faggruppe ved Institutt for vassbygging (IVB) - i konkurranse med bl.a. SINTEF Avd. for teknisk kjemi – og vi vant konkurransen.

Noen dager etter at tildelingen skjedde, banket det hardt på kontordøra mi i 8 etg. i Sentralbygg I, og inn kom Conrad Krohn, leder for SINTEF Teknisk kjemi. «Sånn kan vi ikke ha det, Hallvard», buldret han, «du må komme og ta over ledelsen av Vannrensegruppa på min SINTEF-avdeling, slik at vi unngår å konkurrere hverandre ut». Og slik ble det. Den gangen var det sett på som positivt at dosenter og professorer på NTH engasjerte seg i SINTEF, og det var flere eksempler på dette ved Bygningsingeniøravdelingen. Jeg ble ansatt på SINTEF i 20 %-stilling i 1981 uten at jeg reduserte stillingen min på NTH av den grunn. Og jeg jobbet virkelig mer enn 120 % i den tiden.

Vannrensegruppa ved SINTEF Teknisk Kjemi var (før jeg kom) i hovedsak involvert i industri-avløpsrensing. Men i tillegg til INDRENS-prosjektene, brakte jeg med meg flere prosjekter innen kommunal avløpsrensing og drikkevannsbehandling og ikke minst personell etter hvert som mine dr.ing.-studenter ble ferdige og tok ansettelse i SINTEF utover på 80-tallet.

Vi kalte oss nå Vannrensegruppa NTH/SINTEF, med egen logo og grafiske profil. Som leder la jeg stor vekt på at vi skulle være likeverdige selv om gruppemedlemmene med fast ansettelse i SINTEF var erfarne forskere med kjemi-/bioteknologi-bakgrunn, mens de fra Vassbygging for det meste var dr.ing.-stipendiater ved Bygg på NTH. Instituttet eide kjemilabben, men jeg fikk ordnet det slik at lab-ingeniøren, ble ansatt med halv stilling på NTH og halv stilling på SINTEF.

SINTEF Avd. for teknisk kjemi. For en som skulle bygge opp en forskningsgruppe, var SINTEF Avd. for teknisk kjemi et godt sted å være. Det var spennende å delta i avdelingsmøter med de andre gruppelederne (for gruppene innen Polymerkjemi, Kjemiteknikk, Petrokjemi, Mikrobiologi, Avfallsteknikk, Gassrensing). Conrad Krohn var en inspirerende leder, og jeg lærte viktigheten av å pleie god kontakt med våre oppdragsgivere – både i industri og offentlig virksomhet. Teknisk kjemi hadde kontorer i kjemiblokkene på Gløshaugen. Jeg var i SINTEF-kontoret ca. 1 time hver dag – i lunsj-tiden. I mange år spiste jeg derfor aldri lunsj. Jeg ble etter hvert en svoren tilhenger av NTH/SINTEF samarbeidet og forklarer suksessen av dette samarbeidet med figuren under.

I 1983 flyttet IVB til nye lokaler i «gråbygget» på Valgrinda (Klæbuveien 153). Snart flyttet Vannrensegruppa ved SINTEF Teknisk Kjemi etter, og vi fikk samlet kontorer, kjemi-lab og forsøkshall innenfor kort gangavstand.

Figur 2. NTH/SINTEF samarbeidet i Vannrensegruppa

Dr.ing.-forskningen på 80-tallet ble fokusert mot de to hovedutfordringene i Norge på den tiden:

• Fjerning av næringsstoffer (fosfor og nitrogen) fra avløpsvann
• Fjerning av humus (som gav naturlig vann en brungul farge) fra drikkevann

Det var 6 dr.ing.-studenter i Vannrensegruppa på 1980-tallet, deriblant Helge Brattebø. Disse utgjorde «ryggraden» i den grunnleggende forskningen ved Vannrensegruppa på åtti-tallet, mens de SINTEF-ansatte i hovedsak tok seg av oppdragsforskningen. Etter hvert som dr.ing.-ene disputerte i første halvdel av 80-tallet, ble de ansatte i SINTEF og drev oppdragsforskning.

Vi var progressive ved valg av temaer for avhandlingene og ikke redde for å gå løs på noe vi absolutt ikke hadde erfaringer med.

Membranteknologien var på fremmarsj, og Thor Thorsen ved SINTEF, Teknisk kjemi, hadde anskaffet forsøksutstyr som min første dr.ing.-student, thailandske Supporn Koottatep, fikk bruke i sitt arbeid med fjerning av humus ved membranfiltrering. Vi kalte det «omvendt osmose» i mangel av noe bedre, mens det i realiteten var nanofiltrering vi holdt på med. I dag er det mer enn 200 nano-filtrerings-anlegg i norsk vannforsyning.

I 1974 viste laboratoriesjefen ved Rotterdam vannverk (Rook) at det fantes kloroform (og andre trihalometaner) i drikkevannet – noe som førte til et voldsomt oppsving i humus-forskning over hele verden. Klorering (for desinfeksjon) av humusholdig vann var vanlig i Norge på den tiden, og Liv Schou viste i sin dr.ing. -avhandling i 1982 forekomst av klor-organiske mikroforurensninger også i norsk drikkevann.

Jeg tok med meg dr.ing.-gruppa på en inspirasjonstur til de fremste vannforskningsmiljøene i Sveits (EAWAG) og Tyskland (Engle-Bunte Institut). Ett av problemene med vår humus-forskning var at vi måtte transportere humusvannet til lab. og forsøkshall (vanligvis fra Heimdalsmyra). Det var derfor vi kjøpte den før nevnte pick-up og tilhenger. I Tyskland lære vi et triks av professor Sontheimer. Humus er negativt ladet, og ved å benytte en makroporøs, anionisk ionebytter, kunne vi oppkonsentrere humusen på prøvetakingsstedet, bringe ionebyttermassen til laben og regenerere denne, slik at vi fikk humusen ut som et konsentrat. Dette kunne vi i neste omgang fortynne til ønsket konsentrasjon med springvann i forsøkshallen. Dette sparte oss for mye arbeid og ga dessuten opphav til Ola Halle sin dr.ing.-avhandling i 1983 om ionebytting for fjerning av humus.

Vi ble litt hekta på sorpsjonsprosesser på den tiden, og fant ut at fosfor også kunne la seg sorbere – på aktivert alumina. Helge Brattebø gjøv løs på denne oppgaven, som en av de første i verden, i sitt dr.ing.- arbeid (1983). Helge var teoretisk anlagt og utviklet modeller for prosessen som ble verifisert i lab. og pilotskala i «Ødegaarden».

Jeg ble inspirert av en sør-afrikansk kollega (James Barnard), som jeg traff på en konferanse i Japan i 1978, til å forske på nitrogen-fjerning i avløpsvann. Barnard hadde utviklet en metode for fjerning av nitrogen i såkalte aktivslamanlegg (anlegg med suspendert bakteriekultur), mens jeg var mest interessert i de mer kompakte biofilm-anleggene (anlegg med fastsittende bakteriekultur). Det førte til min mest kjente oppfinnelse, MBBR.

MBBR-teknologien. Et veldig godt eksempel på FoU-arbeid gjennom NTH/SINTEF-modellen, er utviklingen av Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR), som startet på 80-tallet.

Jeg hadde arbeidet med FoU på biofilm-prosesser helt siden NIVA-tiden på 70-tallet – da hovedsakelig med biorotorer, også kalt RBC’s (rotating biological contactors). Det var derfor naturlig at jeg igangsatte forskning på biofilm-prosesser for N-fjerning. Dette førte fram til Bjørn Rustens dr.ing.-avhandling om nitrogenfjerning i biorotorer (RBC) i 1982. Dette var altså ca. 10 år før nitrogen-fjerning ble vanlig rundt om i verden og 40 år før Miljødirektoratet tok problemstillingene rundt nitrogen-generert eutrofiering i sjøvann alvorlig (ref. Oslofjord-utfordringene i dag).

Det var mange (mekaniske) problemer med da-tidens RBC-anlegg. Vi begynte derfor å lete etter den «perfekte» biofilm-prosess,, og jeg fikk en idé på sensommeren 1985; hva om vi lot biofilmen vokse på et medium som var i bevegelse, f.eks. på små plastelementer? Bevegelsen kunne opprettholdes gjennom lufting (evt. med mekanisk omrører).

Men det var først et stykke ut på høsten 1986 at ideen skulle materialisere seg. Det startet med en telefonhenvendelse fra Thorbjørn Westrum i Kaldnes AS, en mekanisk bedrift i Tønsberg med utgangspunkt i Kaldnes Mekaniske Verksteder – et skipsverft. Skipsbyggingen ble etterhvert i hovedsak overtatt at asiatiske land, og selskapet måtte finne nye virksomhetsområder. Dette var tiden da mange industri-styrer så for seg en kraftig økning for miljøteknologi.

Westrum hadde vært på en arbeidsreise i Tyskland (høsten 1986) og leste «Der Spiegel» på flyet. Der kom han over en annonse for det tyske kjemiselskapet Hoechst, som skrøt av sin miljøsatsing og bl.a. viste et bilde av sitt renseanlegg for bedriften i Frankfurt, «Der Biohoch-reaktor». Dette var et over 20 m høyt aktivslamanlegg, bygget i stål. Thorbjørn så på bildet av denne svære tanken og sa til seg selv; «dette ser da ut som et skip – vi kan vel bygge en slik!». Han bestemte seg for å ta kontakt med SINTEF for å undersøke om dette kunne være noe for Kaldnes. Min rapport konkluderte med at Biohoch-reaktoren var svært interessant, men at jeg ikke hadde tro på at den ville ha noe særlig marked i Norge. Westrum var naturlig nok skuffet over min konklusjon, men ønsket å fortsette samarbeidet etter at jeg fanget hans interesse med å si: «Jeg har imidlertid en annen idé som dere kan være interessert i».

Det var starten på etableringen av MBBR-teknologien, som nettopp går ut på at en biofilm lar seg etablere på små plastelementer i en reaktor, og holdes i omrøring ved hjelp av lufting i en aerob reaktor og en omrører i en anaerob/anoksisk reaktor. Westrum tente på ideen og allerede samme høst (1988) var vi i gang med de første forsøkene. Min tidligere dr.ing.-student Bjørn Rusten var nå ansatt i Vannrensegruppa på SINTEF NHL, og han ble satt på jobben. Til prosjektet knyttet vi to diplom studenter, bl.a. senere dr.ing.-student Anette Æsøy. Hensikten med forsøkene var å finne ut om prosessen virket som vi forutsatte. Som bæremedium for biofilm benyttet vi High Density Polyetylen (HDPE) granulat, som hadde en tetthet svært nær 1 (0,97) g/cm3.

Resultatene ble ikke så gode som vi hadde håpet. Vi antok tre mulige årsaker til at biofilm-veksten på overflaten av HPDE-bitene var dårlig; a) at plasten inneholdt et stoff som var toksisk overfor nitrifikasjonsbakteriene, b) at overflatespenningen på overflaten var av en slik karakter at bakteriene ikke klarte å etablere seg, eller c) at de stadige kollisjonene mellom HDPE-bitene ville føre til at biofilmen aldri fikk etablert seg skikkelig, ettersom den til stadighet ble skrapt av ved erosjon.

For å teste ut material-hypotesen bestemte vi oss for å prøve ut et materiale som garantert ikke var toksisk. Jeg tok derfor i desember 1988 kontakt med Regionsykehuset og spurte hvilken type slanger de brukte i forbindelse med dialyse. Jeg gikk så til innkjøp av flere hundre meter av denne slangen. Så fikk min sønn, Pål, en juleferie-jobb, nemlig å klippe opp disse slangene (som hadde en diameter på ca. 5 mm) i ca. 5 mm lange biter – nok til å fylle forsøksreaktorene nede på labben.

Like over nyttår satte vi reaktorene i gang igjen, med slange-bitene som bæremedium for biofilm, og bingo – biofilm-etableringen var nesten umiddelbar. Vi kunne se at mesteparten av biomassen var etablert på innsiden av rørbiten og kunne dermed slå fast at det sannsynligvis ikke var noen toksisk effekt av HDPE-materialet og at erosjons-teorien var den riktige. Dermed skjønte vi at vi måtte utvikle et medium med størst mulig beskyttet overflate, og at vi kunne fortsette med HDPE som hadde gunstig tetthet.

Vi satte da i gang et arbeid med utprøving av ulike utforminger og endte opp med en bærer som vist under (bildet til venstre), en rør-bit med diameter ca. 10 mm, høyde ca. 8 mm og veggtykkelse ca. 0,7 mm og med et innvendig kryss (for å øke det beskyttede arealet).

Figur 3 The Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR)

Allerede tidlig på våren 1989 kom Kaldnes i kontakt med Lardal kommune som skulle bygge et renseanlegg på Steinsholt i Lardal kommune i Vestfold. Westrum inviterte kommunen med i et samarbeid om en offentlig utviklingskontrakt basert på et tilbud på renseanlegg for 625 personer. Lardal kommune viste seg å være dristige nok til å inngå en offentlig FoU-kontrakt med Kaldnes Miljøteknologi AS (KMT) og Industrifondet om byggingen av renseanlegget. Selskapet ble først stiftet 30.07.1989 - etter at kontrakten var i havn. Den dristige i Lardal kommune var ordfører Dag Terje Andersen, som senere ble en sentral AP-politiker på Stortinget og var Stortingspresident i perioden 2009 – 2012.

MBBR-teknologien og bruken av denne ble patentert av Kaldnes Miljøteknologi, med meg som oppfinner. Patentsøknaden ble sendt inn allerede i januar 1990, men patentet ble først publisert i 1994 pga. diverse plunder og heft i patentkontor og patentdomstol. I mellomtiden måtte vi ligge lavt i terrenget mht. publisering. Men etter det, åpnet slusene seg, og vi bidro med mer enn 150 internasjonale publikasjoner. Dette var utmerket markedsføring og teknologien brukes nå i over 2000 anlegg over hele verden og regnes i dag som den mest anvendte av biofilm-teknologiene for rensing av avløpsvann.

Tiden etter 1990. Utover i 1990- og 2000-årene utviklet Vannrensegruppa seg videre. Det skjedde et par viktige endringer mot slutten av 80-tallet. Departementet tillot ikke at professorer hadde dobbeltstilling ved NTH og SINTEF. Slike som meg måtte gjennomføre samarbeidet gjennom å være såkalt «vitenskapelig rådgiver» til SINTEF. Det innebar at jeg ikke lengre kunne være gruppeleder – formelt sett. Min tidligere dr.ing.-student Bjørnar Eikebrokk ble ny gruppeleder. Dette endret på mange måter arbeidsform og dynamikk i gruppa, men dette er det ikke plass til å gå inn på her.

Jeg hadde dr.ing-studenter i grupper både på 1990-tallet og 2000-tallet – 25 i alt og holdt deler av Vannrensegruppa NTH/SINTEF noenlunde sammen fram til 2005 – da jeg gikk på en mental smell. Mot-kreftene hadde blitt for store. Helge Brattebø hjalp meg den gang ut av knipa ved å ta over som instituttleder ved Institutt for Vann- og miljøteknikk. Jeg er ham evig takknemlig.

Den «gode» forskningsgruppe. Når jeg tenker tilbake på min mer enn 40 år lange forsker-karriere, er det de første årene (80-årene) jeg husker med størst glede. Det var da vi hadde minst forskningsmidler, men størst entusiasme og trivsel i forskningsgruppen. Hvorfor var det slik?

Jeg tror dette henger sammen med at vi holdt gruppen tett sammen og deltok I diskusjonene rundt hverandres prosjekter. Alle sluttet opp om gruppen, og det var klarhet omkring ledelsen. Gruppa hadde stor evne til å utvikle og fornye seg ved å engasjere seg i nye problemstillinger og renseprosesser. Vi hadde virkelig følelsen av å være med i første front. Det aller viktigste var likevel den trivsel som rådet og den entusiasme vi gikk til arbeidet med.

Ingen har uttrykt viktigheten av entusiasme/glød/lidenskap i livet bedre enn filosofen Arne Næss i boken Life’s Philosophy (utgitt i 1999 – da Næss var 88 år!). Her presenterte han trivselsformelen:

W = P2/SB + SM

W = Well-being (velvære/trivsel)

P = Passion (lidenskap/glød/entusiasme)

SB = Bodily suffering (fysisk smerte/lidelse)

SM = Mental suffering (mental smerte/lidelse)

Thomas Arctaedius, svensk professor i entreprenørskap (2021), tolker Næss som følger: Næss mente at en høy grad av lidenskap/glød/entusiasme skaper velvære selv om vi erfarer lidelse/smerte på samme tid. Dersom entusiasmen for noe, f.eks. forskningen som du holder på med, er stor, kan du tåle mye stress/motgang både fysisk og mentalt.

Næss sa: «Dersom vi legger merke til at et eller annet gir mer intens glød i livene våre, må vi dra fordel av disse omstendighetene».

Næss mente også at denne evnen kan knyttes til alder. «Mange eldre mennesker har en stor evne til å takle problemer «head on» og å se hva som er det viktigste i livet. Mange unge og middelaldrende mennesker skjønner dette for sent fordi de aldri ga seg selv tid til å sette spørsmålstegn ved sine prioriteringer».

Det avgjørende er ikke hva du bruker tiden på, men hvordan du involverer deg og hvor stor innsats du setter inn, mente Næss: “The art of living is being able to do small things in a big way”

Dette burde være ledetråd for enhver forskningsgruppe (og for så vidt hver forsker). Du må lete etter det som gir deg spenning og glede å holde på med. Da blir arbeidet meningsfullt og forskningen best.