Statisk olinjäritet. Linjärt dynamiskt system

Transkript

1 TENTAMEN i Vattenreningsteknik W4 Miljö- och Vattenteknik Tid: Tisdag 8 oktober 2002, kl Plats: krivsal Polacksbacken Ansvarig lärare: Bengt Carlsson tel , Bengt kommer till tentasalen omkring kl 15. Tillνatna hjälpmedel: Miniräknare, och matematisk formelsamling. Preliminära betygsgränser: 3:24-29, 4:30-34, 5:35-40 Eventuella bonuspoäng adderas till poängen pνa tentamen. Lösningarna ska vara tydliga. kriv namn pνa varje ark. Vissa uppgifter kan innehνalla mera information än vad som behövs för lösningen. LYCKA TILL Bengt Carlsson 1

2 1) Besvara nedanstνaende frνagor kortfattat, 1p för varje korrekt svar. a) Nämn tvνa vanliga kolkällor som används som externa kolkällor i en aktivslamprocess. b) Anta att det finns en kemisk fällningskemikalie som medför att fosforinnehνallet i avloppsvattnet helt kan avlägsnas. För ett reningsverk med kväverening i en aktivslamprocess, finns det dνa nνagon anledning att fundera över var fällningen ska ske (ge en kort motivering)? c) Ange en fördel och en nackdel med fällningsdammar. d) Beskriv hur slamvolymindex bestäms e) Vilken reningsprocess byggdes ut i verige under 1950-talet? f) Ange tvνa vanligt förekommande sätt för hur dosering av fälllningskemikalier styrs automatiskt. g) Beskriv stegbeskickning (i en aktivslamprocess) och ange en fördel med denna metod. h) Ange en nackdel med att minska förbrukningen av dricksvatten i verige. i) Ange ett alternativ till att desinficera dricksvatten med klor. j) Visa hur en observatör ser ut för följande system dx dt = f(x; u) y = h(x) där x är tillstνandsvektor, u är insignal, y är utsignal, och f och h vektorvärda olinjära funktioner. k) Dνa en observatör ska konstrueras mνaste en viktig kompromiss göras vid valet av observatörsförstärkning" (K). Beskriv kort denna kompromiss. l) Beskriv vilken betydelse de obligata protonreducerande bakterierna har för produktionen av biogas under mikrobiell nedbrytning av organiskt materiel till biogas. (1 p) m) Vilka organismgrupper behövs för att fνa nitrifikation i en aktivslamprocess? 2

3 2) Under rötning av organiskt materiel till biogas kan tvνa mikrobiella steg vara hastighetsbegränsande. a) Vilka steg? Vilken organismgrupp är aktiv i respektive steg? (2 p) b) I vilken situation blir respektive steg hastighetsbegränsande för biogasprocessen? Varför?(2p) 3) Ge ett förslag pνa en processlösning för biologisk fosforreduktion i en aktivslamprocess där ocksνa kväverening ingνar och motivera lösningen utifrνan mekanismerna för biologisk fosforreduktion. (4 p) 4) Ett system bestνar av en statisk olinjär funktion kopplad till ett linjärt dynamiskt system enligt figur 1. insignal, u tatisk olinjäritet Linjärt dynamiskt system Utsignal, y Figur 1: En olinjär funktion seriekoppladmed ett dynamiskt linjärt system. a) Ange en process i ett avloppsreningsverk där vi kan förvänta oss olinjäriteter t ex av den typ som visas ifigur1. (1p) b) Beskriv ett problem som kan uppstνa dνa ett olinjärt system regleras med en vanlig" linjär regulator. (1p) c) Beskriv kortfattat tre olika reglerstrategier som kan användas för att minska effekten av olinjäriteten i figur 1. (3p) 3

4 5) Betrakta en totalomblandad biologisk reaktor enligt Figur 2. Q, in, Xin=0, X, o2 Volym V Figur 2: Totalomblandad biologisk reaktor. Inflödet = utflödet och betecknas Q. Vätskevolymen i reaktorn är V och koncentrationen av syre O2. Inflödet har substratkoncentrationen in > 0, och försumbar biomasskoncentration (X in = 0). Processens biologiska reaktioner beskrivs med nedanstνaende matris (AM1 matrisformat) Komponenter! O2 X Reaktionshast r v Process # ubstrat yre Biomassa Tillväxt Y 1 μ Y Y max +K Avdöd -1 b A X O2 O2 +K ;O2 X a) Ange de differentialekvationer som beskriver dynamiken för biomassa och substrat (du behöver inte beskriva dynamiken för syrekoncentrationen). (2p) b) Bestäm vilken syrehalt som krävs i reaktorn för att stationärt ge substratkoncentrationen =2g COD/m 3. Följande parametervärden är givna: μ max = 0:5 d 1, K = 0:5 g COD/m 3, K ;O2 = 1:0 g COD/m 3, b A = 0:05 d 1, Y =0:67, Q =295m 3 d 1, V =1000m 3. (3p) 4

5 6) Betrakta aktivslamprocessen i Figur 3. Qin, Xin=0, in Luftningstank, volym V. Qin+Qr, X, ed.bassäng Qe, Xe=0, Returslamflöde, Qr, Xr, Överskottsslam, Qw, Xr, av Figur 3: Aktivslamanläggning. Den specifika tillväxthastigheten (specific growth rate) av biomassan (X) ges μ() =μ max K + Utbyteskonstanten (yielden) betecnas Y. edimenteringen antas ha försumbar dynamik, inga biologiska reaktioner och allt slam sedimenterar. Processen har följande värden pνa parametrar och flöden: μ max =0:2 h 1, K =19g/m 3, Y =0:8. Inflöde Q in = 1000 m 3 /h. Bassängvolym V = 2000 m 3. ubstratkoncentration i inkommande vatten in =101g/m 3. Processen kördes (med t ex ett lämpligt val av Q w ) sνa att biomasskoncentrationen var X =4000g/m 3. Bestäm den stationära substratkoncentration. (4p). 5

6 7) Betrakta ett fördenitrifierande system enligt figuren nedan. Det kan antas att nitrifikation endast sker i den aeroba zonen och denitrifikation endast i den anoxiska zonen. Inga andra biologiska reaktioner förekommer i processen. Respektive zon är totalomblandad. in NH Q in NO Anoxisk zon Aerob zon Q w Qi Qr w Följande stationära data var uppmätta: Inkommande ammoniumhalt: NH in = 30 mg/l. Inkommande nitrathalt: NO in =4mg/l. Nitrathalt i anoxiska zonen: NO anox = 0 mg/l. Nitrathalt i aeroba zonen: NO aerob = 10 mg/l. Returslamflöde : Q r = 1000 m 3 /h Internrecirkulationsflödet: Q i =1000m 3 /h Inkommande flöde : Q = 1000 m 3 /h Bestäm ammoniumhalten ( aerob ) idenaeroba zonen.(5p) NH Anmärkning: De givna koncentrationerna avser som brukligt mängden kväve/volymsenhet (betecknas ibland NH 4 -N, N0 3 -N) vilket betyder att 1 mg NH omvandlas till 1 mg NO vid nitrifikation. 6