Räkneuppgifter i Vattenreningsteknik - 2

Transkript

1 Bengt Carlsson last rev September 21, 2010 Kommunal och industriell avloppsvattenrening Räkneuppgifter i Vattenreningsteknik - 2 1) Betrakta en totalomblandad biologisk reaktor enligt Figur 1. Q, Sin, Xin=0 S, X Volym V Figure 1: Totalomblandad biologisk reaktor. Inflödet = utflödet och betecknas Q (enhet volym/tidsenhet). Vätskevolymen i reaktorn är V. Inflödet har substratkoncentrationen S in > 0, men försumbar biomasskoncentration (X in = 0). Yielden (utbyteskonstanten) är Y (biomassökning/substratkonsumption). Specifika tillväxten av biomassa antas ges av följande samband där µ 1,2 och k 1,2 är konstanter. µ(s) = µ 1 (1 e k 1 S ) + µ 2 (1 e k 2 S ) a) Ta fram en dynamisk modell över substrat- och biomasskoncentrationen i reaktorn. b) Vad händer stationärt med utgående substrathalt om inkommande substrathalt fördubblas? Betrakta både fallet wash-out och ej wash-out! c) Normalt påverkas den specifika tillväxten av flera parametrar än S. Ange en typisk parameter som påverkar den specifika tillväxten. 1

2 2) En processingenjör redovisade (stationära) data från en aktivslamanläggning. Tyvärr saknades en av de viktigaste parametrarna, nämligen slamhalten i utgående vatten, X e. Följande data var redovisade: Slamålder θ s = 34.3 h (1.4 dygn). Medelslamkoncentration i bassängen X=2436 g/m 3, bassängvolym V = 4000 m 3, inflöde Q in =2000 m 3 /h, och returslamflöde Q r =2000 m 3 /h, överskottsslamflöde Q w =50 m 3 /h, Bestäm med ledning av ovanstående data, utgående stationära slamhalt, X e. (inga biologiska reaktioner antas ske i sedimenteringsbassängen). 3) En aktivslamanläggning enligt Figur 2 har en slamålder θ s = 10 dygn. Medelslamkoncentration i bassängen X m =1714 g/m 3 och bassängvolymen V = m 3. Inflödet Q=400 m 3 /h, returslamflöde Q r =400 m 3 /h. Inga biologiska reaktioner sker i sedimenteringsbassängen. Slamhalten i utgående vatten, X e, kan dock inte försummas. Bestäm slamkoncentrationen X r i returslamflödet. Q Q-w Luftningsbassäng Qr w Figure 2: Aktivslamanläggning. 2

3 4) En aktivslamanläggning visas i Figur 3. Influent, Qin, Xin=0, Sin Aeration tank, volume V, X, S Qin+Qr, X, S Clarifier Effluent, Qe, Xe, Se Return sludge, Qr, Xr, Sr Excess sludge, Qw, Xr, Sr Figure 3: Enkel aktivslamprocess, flöden betecknas Q, substratkonc. biomassakonc. X. S, och Följande samband gäller i aktivslambassängen V dx dt = µv X + Q rx r (Q in + Q r )X V ds dt = 1 Y µv X + Q ins in + Q r S r (Q in + Q r )S För sedimenteringsbassängen gäller: (Q in + Q r )X = (Q r + Q w )X r + Q e Xe S = S e = S r Q e = Q in Q w a) Visa hur yielden Y kan bestämmas från stationära värden av X, S, D = Q in /V, S in samt slamåldern θ s. b) Undersök hur uttrycket förenklas för fallet Q w = 0 och X e = X dvs (sedimenteringen tas bort och vi har bara en omrörd reaktor). 3

4 5) Betrakta aktivslamprocessen i Figur 4. Qin, Xin=0, Sin Luftningstank, volym V. Qin+Qr, X, S Sed.bassäng Qe, Xe=0, S Returslamflöde, Qr, Xr, S Överskottsslam, Qw, Xr, S Figure 4: Aktivslamanläggning. Specifika tillväxten av biomassa µ(s) beskrivs av ett Monoduttryck som beror av substrathalten S. Sedimenteringen antas ideal med försumbar dynamik, allt slam sedimenterar och substratkoncentrationen påverkas inte i sedimenteringen. All data nedan avser i stationaritet. I utgångsläget har processen inflödet Q in [m 3 /h]. Inkommade substratkoncentration S in [g/m 3 ]. Processens körs så att utgående substratkoncentration är S o. Koncentrationen av biomassa luftningsbassängen är då X o. Erfoderligt överskottsslamflöde betecknas Q w. Returslamflödet Q r = Q in. Sedimenteringsbassängens area är A. Belastningen till anläggningen ökade så att Q in fördubblades (S in ändras inte). Bestäm (som funktion av utgångsdata) ny bassängvolym, area på sedimenteringsbassäng, returslamflöde och överskottsslamflöde så att Konc. av substrat och biomassa blir lika som i utgångsläget (dvs S o och X o ). Fluxen av slam till sedimenteringsbassängen är oförändrad. Ledning. Flera möjliga lösningar på problemet kan finnas. Du behöver bara ta fram en lösning. 4

5 6) Betrakta ett fördenitrifierande system, utan fullständig nitrifikation eller denitrifikation, enligt figuren nedan. Det kan antas att inga andra biologiska reaktioner än nitrifikation (endast i aerob zon) och denitrifikation förekommer (endast i anoxisk zon) i systemet samt att inga biologiska reaktioner sker i sedimenteringsbassängen. Koncentrationerna av nitrat och ammonium förändras inte i sedimenteringsbassängen. Bestäm, mha massbalanser för nitrat och ammonium över de båda zonerna, utgående nitrathalt S NO givet: Inkommande ammoniumhalt: SNH in. Inkommande nitrathalt SNO in =0 Nitrathalt i slutet av denitrifikationszonen: SNO. A Ammoniumhalt i slutet av nitrifikationszonen: S NH. Returslamflöde (ink. ev internrecirkulatuion): Q r Inkommande flöde : Q S in NH Q Anoxic A S NO Aerobic S NO S NH Q-w Qr w 5

6 7) En nitrifierande (totalomblandad, standardutformad) aktivslambassäng med processmatris enligt nedan hade följande processkonstanter: µ max = 0.8 d 1 K S,NH4 = 1 g N/m 3 K S,O2 = 0.4 g O 2 /m 3 b A = 0.2 d 1 k h,a = 0.2 d 1 Y = 0.67 f x =0.09 Component S NH4 S NO3 S O2 X B,A X S,N Reaction rate r v Process Aerobic - 1 f 1 Y x Y S 1 f Y Y x µ NH4 max S NH4 +K S,NH4 growth Decay 1 f x b A X B,A S O2 S O2 +K S,O2 X B,A Hydrolysis 1 1 k h,a X S,N of org. N Ammon. Nitrate Oxygen Nitrif. Suspen. biomass org. N Processen kan antas ha ideal sedimentering och försumbar biomassa i inkommande flöde). a) Antag att syrehalten S O2 är 1 g/m 3 och att vi önskar ammoniumhalten S NH4 = 1.5 g/m 3. Bestäm nödvändig 1 slamålder. Anm. Data är givet för en vattentemperatur på 20 grader (defaultvärde). För andra temperaturer används ofta följande exponentiella samband: Ett typiskt värde på κ är κ(t 20) µ max (T) = µ max (20)e b)från uppgift a ser man att ammoniumhalten minskar med ökad slamålder. Ange en skäl till att man i praktiken inte kan ha en godtyckligt hög slamålder. 8) Sedimenteringshastigheten i en sedimenteringsbassäng kunde beskrivas av v g (X) = ax n där n > 1. Bassängen har arean A och och utflödet (pga returslampumpning) Q u. Bestäm enligt solid flux teorin det begränsade partikelflödet J lim. 1 I praktiken används en säkerhetsfaktor SF = 2 3 som den teoretiskt nödvändiga slamåldern multipliceras med. 6

7 SVAR (kortfattade) 1a) dx dt ds dt = (µ(s) D)X D = Q/V. = 1 Y µ(s)x + D(S in S) b) Stationärt, ej wash-out är µ( S) = D vilket gör att S är oberoende av S in. Vid wash-out är S = S in. c) T ex temperatur, syrehalt, och ph. 2) Använd def. av slamålder + massbalans i sed.bassäng. Rättfram förenkling ger: Xe X = (Q w + Q r )V Q w (Q in + Q r )θ s θ s Q e Q r som uträknat blir Utgående halt är således X e = 24.3 g/m 3. 3) Slamåldern definieras som θ s = V X m wx r + (Q w)x e (1) där X r är slamhalten i överskottssslamuttaget och X e är slamhalten i utgående vatten. Massbalans över sed.bassäng ger (Q + Q r )X m = (Q w)x e + (Q r + w)x r (2) Ekvation (1) ger Insättning i (2) ger Till sist, löser vi ut X r : wx r + (Q w)x e = V X m θ s (Q + Q r )X m = V X m θ s + Q r X r X r = ( Q + Q r Q r V Q r θ s )X m Insättning av siffervärden ger X r = 3000 g/m 3. 7

8 4a) För substratet gäller stationärt 0 = 1 Y µv X + Q in(s in S) Ersättning av µ med 1 θ s och omskrivning ger Y = V X θ s Q in (S in S) = b) Om Q w = 0 och X e = X blir slamåldern θ s = V X Q in X = 1 D X θ s D(S in S) dvs slamåldern blir inversen av utspolningshastigheten. Insättning i uttrycket för yielden ger X Y = (S in S) vilket som väntat är uttrycket för yielden för en totalomblandad reaktor. 5) Stationärt gäller: θ s = 1 µ( S) alltså ska θ s hållas konstant när Q in fördubblas för att S = S o ej ska påverkas. Vi har (se uppg 4) att den stationära biomasskonc ges av: X = Y θ s Q in V (S in S) Om Q in fördubblas och θ s är konstant (vilket är ett krav enligt ovan) påverkas ej X (dvs enl uppg X = X o ) om vi fördubblar V. För slamåldern har vi i utgångsfallet att θ s = V Q w Q r + Q w Q in + Q r och vid det fördubblade flödet och fördubblade volymen enligt ovan blir θ s = 2V Q w Q r + Q w 2Q in + Q r Pröva t ex med flödesprop styrning av returslamflödet dvs Q r = 2Q r. Man ser då dirkt att θ s = θ s om Q w = 2Q w. Fluxen till sed bassängen ges av och vid den nya belastningen är J = (Q in + Q r ) X o /A sed J = (Q in + Q r) X o /A sed 8

9 Från ovan ser vi direkt att om A sed = 2A sed blir fluxen oförändrad. Resultatet är naturligt, fördubbla luftad volym, alla flöden och arean på sedimenteringsbassängen. 6) Sätt upp massbalans för ammonium och nitrat. Ammoniumbalans för anoxisk och anaerob zon: QSNH in rs NH = (Q + Q r )SNH A (Q + Q r )SNH A = (Q + Q r)s NH + NIT Nitratbalans för anoxisk och anaerob zon: De två första ekvationerna ger Q r S NO = (Q + Q r )SNO A + DEN (Q + Q r )SNO A = (Q + Q r )S NO NIT QS in NH + Q r S NH = (Q + Q r )S NH + NIT Vi löser ut NIT från denna ekvation och sätter in i fjärde ekvationen ovan: (Q + Q r )S A NO = (Q + Q r )S NO + (Q + Q r )S NH QS in NH Q r S NH vilket kan skrivas S NO = S A NO + Q Q + Q r (S in NH S NH ) Notera att om vi har fullständig dentrifikation (SNO A = 0) och fullständig nitrifikation (S NH = 0) erhålls det (klassiska) sambandet: S NO = Q Q + Q r S in NH Genom att öka Q r (normalt görs detta med internrecirkulation) minskar nitrathalten i utgående vatten. Detta fungerar dock bara så länge som S A NO = 0 och S NH = 0. Jämför Blab2! 9

10 7a) Tillväxthastigheten ges av S NH4 S O2 µ a = µ max b A S NH4 + K S,NH4 S O2 + K S,O2 = = dygn 1 Nödvändig slamålder är θ s = 1 µ a = 7 dygn b) Slammängden i processen ökar med ökad slamålder och vid för hög slamkoncentration kan man få slamflykt i sedimenteringsbassängen. Jämför solid-flux teorin för sedimentering. 8) där b = Q u /A. Minima ges av J = 0. Lös ut X n : Det begränsade partikelflödet blir J = (ax n + b)x = ax 1 n + bx J = a(1 n)x n + b X n = b a(n 1) b J lim = ( n 1 + b)( b a(n 1) ) 1/n 10