TENTAMEN i Kommunal och industriell avloppsvattenrening

Transkript

1 TENTAMEN i Kommunal och industriell avloppsvattenrening Tid: 21 oktober 2011 kl Plats: Bergsbrunnagatan 15 Ansvarig lärare: Bengt Carlsson tel , Bengt kommer till tentasalen omkring kl Tillåtna hjälpmedel: Miniräknare, och matematisk formelsamling. Preliminära betygsgränser: 3:21-25, 4:26-30, 5:31-35 Lösningarna ska vara tydliga. Skriv din kod på varje ark. Notera försättsbladet som är bifogat (sista sidan) tentamen. LYCKA TILL Bengt Carlsson

2 1) Besvara nedanstående frågor kortfattad, 1p för varje korrekt svar. a) Vad kännetecknar en prokaryot mikroorganism? b) Vad är viktigt att tänka på vid inblandning av fällningskemikalier?? c) Vilket typ av slamsvällning är speciellt vanligt i reningsverk som behandlar industriellt avloppsvatten med låg halt av N och P? d) Ange ett motiv till att använda cirkulationspumpning i en biobädd. e) Kan det finnas fler än en stationär lösning (förutom wash-out) för en modell som beskriver dynamiken för tillväxt av mikroorganismer i en biologisk reaktor? f) Beskriv (du behöver inte ange något matematisk samband) kort hur tillväxthastigheten för mikroorganismer påverkas av substratkoncentrationen om tillväxthastigheten har Haldane-kinetik g) Vilket fällningsförfarande (direktfällning, förfällning, simultanfällning, efterfällning) ger normalt den högsta reduktionen av fosfor? h) Ange två viktiga förutsättningar för att kunna få nitrifikation i en aktivslamprocess. i) Vilken miljö krävs för att biop-bakterier ska bygga upp sitt förråd av PHB (poly-hydroxy-butyrat)? j) Ange ett vanligt test för att få en uppskattning av ett slams sedimenteringsförmåga. 2

3 2) Nämn en fördel och en nackdel med att använda den s.k. Anammoxprocessen. (2 p) 3. Varför recirkulerar man oftast inte från den aeroba zonen till början av bassängen när man försöker åstadkomma både biologisk fosfor- och kväverening (med fördenitrifikation) i en aktivslamprocess? (3 p) 4a) Beskriv utifrån ett blockschema hur dosering av en extern kolkälla kan styras med hjälp av återkoppling i en aktivslamprocess med fördenitrifikation. (2p) b) Betrakta följande stationära och förenklade modell av en totalomblandad anoxisk reaktor : 0 = 1 Y H µ(θ)x B,H + Q V (S S,in)+ S C V u (1) 0 = 1 Y H 2.86Y H µ(θ)x B,H + Q V (S NO,in S NO ) (2) där index in betecknar koncentrationer av inkommande komponenter, S S är koncentrationen av substrat, X B,H är koncentrationen av aktiv biomassa (heterotrofer) och S NO är koncentrationen av nitrat. Yielden betecknas Y H, inkommade flöde Q och bassängvolym V. Den externa kolkällan har ett COD innehåll S C g COD/ m 3 och flödet u. Tillväxthastigheten µ(θ) är något Monoduttryck. Baserat på sambanden ovan ta fram en vettig framkopplingsstrategi för att styra flödet (u) av den externa kolkällan. Det kan antas att Q, S NO, S NO,in, S S,in är mätbara. (3p). c) Ange någon nackdel med en ren framkoppling jämfört med en återkoppling. (1p) 5) Ta fram villkor för att slamåldern i en aktivslamprocess ska kunna beräknas med följande enkla uttryck: θ s = V 2Q w där V luftningsbassängens volym och Q w är överskottslamflödet. (3p) 3

4 6) Syresättningen i en aktivslambassäng beskrivs av: dy(t) dt = Q(t) V (y in(t) y(t))+f(u(t))(y sat y(t)) R(t) (3) y(t) syrehalt i bassäng y in (t) syrehalt i inkommande vatten y sat mättnadsvärde Q(t) flöde V bassängvolym f(u(t)) syreöverföringshastighet och ventilkarakteristik (sammanslagna) u(t) öppningsgrad för ventilen som styr luftflödet R(t) respirationshastighet Funktionen f(u) ges av f(u) = k 1 k 2 u där k 1 och k 2 är kända konstanter. Bestäm en kompenseringslänk ( exact linearization ) med insignal x och utsignal u som gör att systemet blir linjärt. (4p) 4

5 7) Betrakta aktivslamprocessen i Figur 1. 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 Figur 1: Aktivslamanläggning. Tillväxten av biomassa luftningsbassängen beskrivs av där µ(s) = µ max S K S +S V dx dt = µ(s)vx +Q rx r (Q in +Q r )X Substratförbrukningen modelleras enligt V ds dt = 1 Y µ(s)vx +Q in(s in S) Sedimenteringen antas ideal : försumbar dynamik och allt slam sedimenterar. Processen har i utgångsläget följande värden på parametrar och flöden: µ max = 0.2 h 1, K S = 19 g/m 3, Y = 0.8. Inflöde Q in = 2000 m 3 /h. Returslamflöde: Q r = 2000 m 3 /h. Bassängvolym V = 4000 m 3. Substratkoncentration i inkommande vatten : S in = 151 g/m 3. a) Bestäm överskottsslamflödet Q w så att utgående substratkoncentration blir S = 1 g/m 3 stationärt. (3p) b)antag att substratkoncentrationen ska sänkas ytterligare. Vilken av följande alternativ ger minst förändring av den stationära koncentrationen av biomassa: Minskning av överskottsslamflödet Q w Ökning av bassängvolym V Noggrann motivering krävs. (3p) c) Varför kan det vara viktigt att inte koncentrationen av biomassa blir för hög? (1p) 5

6 Lösningar 1a) Encelliga organismer utan kärnmembran b) Snabb inblandning c) Viskös d) T ex större sannolikhet att hela biofilmen hålls fuktig, se LB sid 101. e) Ja. f) Tillväxthastigheten sjunker vid höga substratkoncentrationer (inhiberande effekt) g) Efterfällning. h) Tillräckligt hög syrehalt och slamålder (det måste även finnas ammonium i avloppsvattnet) i) Anaerob j) Slamvolymindex (SVI) 2)En fördel är att man slipper lufta och då minskar energiförbrukningen. En annan fördel är att man slipper optimera för både nitrifikation och denitrifikation - två processer med mycket olika krav på t ex uppehållstid. Nackdelen är att man måste ha partiell nitrifikation som slutar med nitrit. En annan nackdel är att det kan ta tid innan processen kommer igång. 3)Bio-P bakterierna behöver en anaerob miljö med tillgång på enkla fettsyror (VFA) för att bygga upp en polymer av fettsyror (PHB). Om det nitratrika flödet från den aeroba zonen där nitrifikation sker möter det VFA-rika vattnet i den anaeroba miljön är det risk att denitrifierarna konkurrerar ut Bio-P bakterierna och fettsyrorna används för att denitrifiera bort nitratet. Respiration ger en total oxidation, en extern elektronacceptor behövs. Fermentation sker utan extern elektronacceptor och en del av substansen oxideras medan en annan del reduceras, restprodukt bildas. 4) a - Se figur 17 i Some control strategies for the activated sludge process. b) u = Q S c [ 1 β (S NO,in S NO ) (S S,in S S )] där β = 1 Y H c) Praktiskt omöjligt att framkoppla från alla störningar, kräver en exakt modell (omöjligt) för att utsignalen ska hamna på börvärdet. 6

7 5) Antag X in = 0 (koncentration av inkommade slam) och X e = 0 (koncentration av utgående slam efter sedimentering). Massbalans över sedimenteringsbassängen (beteckningar som i räkneuppgifterna) och def av slamålder ger θ s = V Q w (Q r +Q w ) (Q in +Q r ) Låt Q r = Q in och Q w << Q in vilket ger θ s = V 2Q w 6) Syredynamiken kan linjäriseras genom att införa (se avsn 4.4 i Some control strategies for the activated sludge process ) x(t) = f(u(t))(y sat y(t)) = k 1 k 2 u(t)(y sat y(t)) Linjäriseringslänken fås genom att lösa ut u(t): u(t) = 1 x(t) ( k 2 k 1 (y sat y(t)) )2 7a)Viharattµ(S) = 1 θ S vilketnumerisktgerθ s = 100h.Överskottsslamflödet kan beräknas från (Se beräkningslab 1) Q w = V 2θ s V/Q in vilket numeriskt ger Q w 20m 3 /h. b) För att minska substratkoncentrationen måste slamåldern öka. Följande uttryck tas enkelt fram från massbalansen: X = Yθ s Q in V (S in S) Betrakta faktorn F=θ s /V i uttrycket ovan. Om Q w används för att öka θ s ökar F om däremot V används för att öka θ s ökar F däremot inte. Båda alternativen ger en ytterligare (i princip försumbar) ökning av biomassan pga faktorn (S in S) som ökar då S minskar. Slutsats: Ökning av bassängvolym ger minst ökning av biomassan (i princip ingen ökning. c)risken för slamflykt ökar. 7