Q, Sin, Xin=0 Q, S, X S, X. Volym V

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

Download "Q, Sin, Xin=0 Q, S, X S, X. Volym V"

Niklas Lundström
för 4 år sedan
Visningar:

1 Bengt Carlsson 9711, rev 98, 99 Vattenreningsteknik W4 Kursinfo pνa nätet: N ν AGRA RÄKNEUPPGIFTER, del 1 0) e till att ni kan ta fram en dynamisk modell över substrat- och biomasskoncentrationen i en enkel reaktor samt bestämma stationära värden och villkor för att förhindra "wash-out". e föreläsning och Beräkningslab 1. 1) Betrakta en totalomblandad biologisk reaktor av enslamtyp enligt Figur 1., in, Xin=0,, X, X Volym V Figure 1: Totalomblandad biologisk reaktor. Inflödet = utflödet och betecknas (enhet volym/tidsenhet). Vätskevolymen i reaktorn är V. Inflödet har en substratkoncentrationen in, biomasskoncentrationen X in =0.Yielden (utbyteskonstanten) är Y (biomassökning/substratkonsumption). pecifika tillväxten av biomassa antas ges av följande samband där μ() =μ o k =k h μ o, k 1 ; k h är substratkoncentration är konstanter a) Bestäm för vilken substratkoncentration opt som tillväxten är maximal. b) Lνat μ beteckna det stationära värdet av substratkoncentrationen för fallet ej wash-out. Motsvarande biomasskoncentration betecknas μ X. Visa hur yielden kan bestämmas frνan mätningar av in, μ och μ X. c) Visa att det finns tvνa möjliga stationära lösningar (förutom wash-out) μ 1, μ 2 samt att μ 1 μ 2 = 2 opt 1

2 2) Betrakta en totalomblandad biologisk reaktor av enslamtyp enligt Figur 2., in, Xin, X Volume V Figure 2: Totalomblandad biologisk reaktor. Inflödet = utflödet och betecknas (enhet volym/tidsenhet). Vätskevolymen i reaktorn är V. Inflödet har en substratkoncentrationen in och biomasskoncentrationen X in Utbyteskonstanten är Y (biomassökning/substratkonsumption). pecifika tillväxten av biomassa antas ges av följande Monodsamband där μ() =μ max K + μ max är maximal specifik tillväxthastighet är substratkoncentration är halvmättadskonstant K a) Ta fram en dynamisk modell över substrat- och biomasskoncentrationen i reaktorn. b) Lνat μ beteckna det stationära värdet av substratkoncentrationen. Visa att μ kan fνas som lösning till följande ekvation a μ 2 + b μ + c =0 2

3 3) En aktivslamanläggning enligt Figur 3 har en slamνalder pνa 10 dygn. Medelslamkoncentration i bassängen X m =1714 g/m 3 och bassängvolymen V = m 3. Inflödet =400 m 3 /h, returslamflöde r =400 m 3 /h. Inga biologiska reaktioner sker i sedimenteringsbassängen. lamhalten i utgνaende vatten kan dock inte försummas. Bestäm slamkoncentrationen i returslamflödet. -w Luftningsbassäng r w Figure 3: Aktivslamanläggning. 4) Betrakta ett fördenitrifierande system, utan fullständig nitrifikation eller denitrifikation, enligt figuren nedan. Det kan antas att inga andra biologiska reaktioner än nitrifikation och denitrifikation förekommer i systemet samt att inga biologiska reaktioner sker i sedimenteringsbassängen. Bestäm utgνaende nitrathalt NO givet: Inkommande ammoniumhalt: in. (Inkommande nitrathalt=0) Nitrathalt i slutet av denitrifikationszonen: A NO. Ammoniumhalt i slutet av nitrifikationszonen:. Returslamflöde (ink. ev internrecirkulatuion): r Inkommande flöde : in Anoxic A NO Aerobic NO -w r w 3

4 5) Betrakta en aktivslamanläggning enligt Figur 4 där X in =0. edimenteringen var ideal, inga biologiska reaktioner och inget slam i utgνaende vatten, X e =0. in, Xin=0, in Luftningstank, volym V. in+r, X, ed.bassäng e, Xe=0, e Returslamflöde, r, Xr, r Överskottsslam, w, Xr, r Figure 4: Aktivslamanläggning. a) Härled ett uttryck pνa slamνaldern där inga slamkoncentrationer ingνar! b) Vad blir slamνalder i uppg. a) om det kan antas att r = in och w << in 6) En aktivslamanläggning (stationära förhνallanden) hade följande data: ffl Inflöde: m 3 /dygn, Returslamflöde: m 3 /dygn ffl Luftad bassängvolym: 4000 m 3 ffl edimenteringsbassängvolym: 6000 m 3 ffl Bassänghöjder (lika för bνade luftad och sed.): 4m ffl BOD 7 -halt i inkommande vatten: 150 g/m 3 ffl Medelslamhalt 1 i luftningsbassäng X = 3000 g/m 3 ffl lamhalt i utgνaende vatten: 0 g/m 3 ffl Överskottsslamflöde 340 m 3 /dygn, slamhalt X r = 5900 g/m 3 a) Bestäm slambelastning, slamνalder och ytbelastning i sedimenteringsbassäng. b) Bestäm yielden" (utbyteskonstanten) om det kan antas att utgνaende BOD 7 - halt är försumbar. c) tabil nitrifikation kan förväntas om s 1:13 t 15 > 6 där t är temperaturen i C och s är slamνaldern. Antag att temperaturen är 8 o C. Bestäm den minsta luftningsbassängvolym som behövs för att erhνalla stabil nitrifikation med data enligt a), förutom bassängvolym. 1 Betecknas m i det svenska kompendiet Avloppstekniken 4

5 7) En nitrifierande (totalomblandad, standardutformad) aktivslambassäng med processmatris enligt nedan hade följande processkonstanter: μ max =0:8 d 1 K ;4 = 1 g N/m 3 K ;O2 =0:4 go 2 /m 3 b A =0:2 d 1 k h;a =0:2 d 1 Y =0:67 f x =0.09 Component! 4 NO3 O2 X B;A X ;N Reaction rate r v Process # Aerobic - 1 Y f x growth 1 Y - 4:57 Y Y 1 f x μ max 4 4 +K ;4 Decay 1 f x b A X B;A O2 O2 +K ;O2 X B;A Hydrolysis 1 1 k h;a X ;N of org. N Ammon. Nitrate Oxygen Nitrif. uspen. biomass org. N Processen kan antas ha ideal sedimentering och försumbar biomassa i inkommande flöde). yrehalten O2 var 1 g/m 3 och ammoniumhalten 4 = 1:5. Bestäm nödvändig 2 slamνalder. Anm. Data är givet för en vattentemperatur pνa 20 grader (defaultvärde). För andra temperaturer används ofta följande exponentiella samband: Ett typiskt värde pνa» är μ max (T )=μ max (20)e»(T 20) 8) edimenteringshastigheten i en sedimenteringsbassäng kunde beskrivas av v g (X) =ax n där n>1. Bassängen har arean A och och utflödet (pga returslampumpning) u. Bestäm enligt"solid flux teorin" det begränsade partikelflödet J lim 2 I praktiken används en säkerhetsfaktor F =2 3 som den teoretiskt nödvändiga slamνaldern multipliceras med. 5

6 1 a) b) dμ() dt VAR =0! opt = Y = μx in μ q k 1 k h c) tationärt gäller μ( μ )=D vilket ger sambandet μ 2 + μ (1 μ o D )k h + k 1 k h =0 Den sista termen svarar mot produkten av rötterna dvs μ 1 μ 2 = k 1 k h. Frνan svaret till 1a) ses direkt pνastνaendet. 2) a) b) tationärt är _X = 0 vilket ger tationärt är även _ = 0 vilket ger _X = (μ() D)X + DX in _ = μ() Y X + D( in ) μx = DX in D μ( μ ) 0= μ( μ ) Y μx + D( in μ ) Insättning av μ X ger efter enkla räkningar μ 2 (μ max D)Y + μ [ μ max X in μ max Y in + YD in YDK s ]+YD in K s =0 frνan vilket direkt koefficienterna kan avläsas. 3) lamνaldern definieras som s = Massbalans över sed.bassäng ger VX m wx s +( w)x e (1) ( + s )X m =( w)x e +( s + w)x s (2) Ekvation (1) ger wx s +( w)x e = VX m s 6

7 Insättning i (2) ger Till sist, löser vi ut X s : ( + s )X m = VX m s + s X s X s =( + s s V s s )X m Insättning av siffervärden ger X s = 3000 g/m 3. 4) ätt upp massbalans för ammonium och nitrat. Ammoniumbalans för anoxisk och anaerob zon: in + r = ( + r ) A Nitratbalans för anoxisk och anaerob zon: De tvνa första ekvationerna ger ( + r ) A = ( + r ) + NIT r NO = ( + r ) A NO + DEN ( + r ) A NO = ( + r ) NO NIT in + r =( + r ) + NIT Vi löser ut NIT frνan denna ekvation och sätter in i fjärde ekvationen ovan: ( + r ) A NO =( + r ) NO +( + r ) in r vilket kan skrivas NO = A NO + + r ( in ) Notera att om vi har fullständig dentrifikation ( A NO =0)och fullständig nitrifikation ( =0)erhνalls det (klassiska) sambandet: NO = + r in Genom att öka r (normalt görs detta med internrecirkulation) minskar nitrathalten i utgνaende vatten. Detta fungerar dock bara sνa länge som A NO = 0 och =0. Jämför Blab2! 7

8 5) a) Massbalans och def av slamνalder ger s = V w ( r + w ) ( in + r ) b) s = V 2 w 6) lambelastning = BOD 7 VX = =0:3 kgbod 7 /kg dygn. lamνaldern = s = Ytbelastning = A = V=h VX wx r = :9 = 6 dygn = 32 m/dygn =1:3m/h. b) Yield Y = bildat slam / förbrukat substrat. lamproduktion = ubstratförbrukning = Y ß 0:6 kg /kg BOD 7. c) s 1:13 t 15 =6ger s = 14 dagar. Ny volym V ny = V 14 6 ß ) Tillväxthastigheten ges av 4 O2 μ a = μ max b A 4 + K ;4 O2 + K ;O2 = 0:8 1:5 1 1:5+11+0:4 0:2 = 0:143 dygn 1 Nödvändig slamνalder är s = 1 μ a =7 dygn 8) 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 b a(n 1) J lim =( n 1 + b)( a(n 1) ) 1=n b 8

Relevanta dokument

Räkneuppgifter i Vattenreningsteknik - 2

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,