TENTAMEN i Kommunal och industriell avloppsvattenrening

Transkript

1 TENTAMEN i Kommunal och industriell avloppsvattenrening Tid: 23 oktober 2012 kl Plats: Polacksbacken Ansvarig lärare: Bengt Carlsson tel , Bengt kommer till tentasalen cirka 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) Vilken designparameter är speciellt viktig att tänka på när man ska bygga en sedimenteringsbassäng? b) Ange en fördel med så kallad stegbeskickning i en aktivslamprocess. c) Vad är den största skillnaden mellan en SBR-reaktor och en aktivslamprocess? d) Vad menas med simultanfällning? e)angenågonfördelmedattanvända enbiobädd(jämförtmedenasp)? f) Beskriv principiellt skillnaden hur tillväxthastigheten för mikroorganismer påverkas av substratkoncentrationen om tillväxthastigheten har Monodkinteikrespektive Haldane-kinetik g) Ange två viktiga förutsättningar för att kunna få nitrifikation i en aktivslamprocess. h) Nämn en fördel med kväverening med anammox jämfört med konventionell kväverening? i) Vad kan hända om det finns rikligt med filamentbildande bakterier i en ASP? 2

3 2) Rita ett blockschema för hur kombinerad biologisk fosfor- och kväverening kan implementeras i en aktivslamprocess. Ange speciellt villkor för syret som finns i de olika processtegen. Ge också en kortfattat förklaring hur bio-p fungerar.(4p) 3)Varför kräver nitrifierarna en hög slamålder? Utgå från organismens metabolism i förklaringen. (2p) 4) Dosering av fällningskemikalier a) Beskriv tre olika reglerstrategier(som via givare utnyttjar olika mätningar för att räkna ut doseringen) för att styra doseringen av fällningskemikalier i ett kemiskt fällningssteg för fosforrening. En strategi ska använda återkoppling från någon givare. Ange också en nackdel eller fördel med respektive strategi. (4p) b) Om fällningssteget finns före den biologiska reningen, ge ett exempel på vad man måste tänka på. (1p) 5) Många proceser i t ex reningsverk kan beskrivas (approximeras) med följande modell: Y(s) = G(s)W(s) där G(s) är processens överföringsfunktion från W till utsignalen Y. Före den linjära processen finns en statisk olinjaritet w(t) = f(u(t)) där u är processens insignal. a) Beskriv ett problem som kan uppstå om systemet ovan regleras med en vanlig linjär regulator. (1p) b) Förklara hur exakt linjärisering fungerar utifrån ett enkelt exempel. Rita även blockschema. (2p) c) Ange ett alternativ till exakt linjärisering. (1p) 3

4 6) Betrakta en totalomblandad biologisk reaktorenligt Figur 1. Q, Sin, Xin=0 S, X Volym V Figur 1: Totalomblandad biologisk reaktor. Inflödet = utflödet och betecknas Q(enhet volym/tidsenhet). Vätskevolymen ireaktornärv.inflödet harsubstratkoncentrationen S in > 0,menförsumbar biomasskoncentration (X in = 0). Yielden (utbyteskonstanten) är Y (biomassökning/substratkonsumtion). Specifika tillväxten av biomassa ges av följande samband µ(s) = µ max (1 e k 1 S ) där µ max är maximal tillväxt och k 1 en konstant. a) Ta fram en dynamisk modell över substrat- och biomasskoncentrationen i reaktorn. (1p) b) Ta fram ett uttryck för det stationära värdet av substratet (ej washout) som ej beror av (stationär) biomasskoncentration. (2p) c) Antag S in =10, k 1 =0.1, µ max = 2 (de utlämnade enheterna antas vara på samma form så att inga omvandlingar behöver göras). Bestäm värdet på D som ger wash-out (utspolning). (3p) 4

5 7) Wilma och Wiktor hade via en genmodifiering lyckats få fram en ny typ av mikroorganismer för kväverening som hade en del intressanta egenskaper. Dessa mikrorganismer X W kunde, under vissa förutsättningar,omvandla ammonium direkt till kvävgas! De döpte fenomenet till W-processen. W-processens biologiska reaktioner beskrivs med nedanstående matris S NH X W Reaktionshast r v Ammonium genmod mikrorog Tillväxt k 1 1 µ W max K S S+K S K S,O2 S O2 +K S,O2 S NH S NH +K S,NH X W S betecknar koncentrationen av löst (lättnedbrytbart) substrat, S O2 är syrehalt och S NH ammoniumhalt. Konstanterna K S, K S,NH och K S,O2 är små. Den specifika maximala tillväxthastigheten µ W max är hög. Uppgiften är att ta fram en processlösning för kväverening som utnyttjar W-processens egenskaper. De föroreningar som finns i inkommande vatten antas bestå av substrat och ammonium. Mikroorganismerna X W antas kunna ympas in i processen. Inkommande vatten innehåller även vanliga heterotrofa mikroorganismer som i en aerobisk miljö kan bryta ner substrat (S). I princip bryts allt substrat ner vid en (aerob) slamålder större än 2 dagar. Vattnet innehåller även autotrofa mikroorganismer som för en (aerob) slamålder större än 6 dagar börjar nitrifiera (en slamålder mindre än 6 dagar ger wash out för dessa). Rita ett översiktligt blockschema för en aktivslamprocess med kväverening som utnyttjar W-processens unika egenskaper. Motivera tydligt din processlösning. Ange även ett rimligt intervall på (aerob) slamåldern för att din lösning ska fungera. (5p) 5

6 Lösningar 1) a) Arean b) Jämnare syrebehov c) SBR= Sequencing Batch Reactor. SBR renar vatttent satsvis (dvs ingen kontinuerlig process). d) Kemfällning i biosteget. e) Biobädden är mindre känslig för höga flöden. f) Haldane-kineteiken modellerar ett substrat som har giftverkan vid höga koncentrationer. g) Tillräckligt hög syrehalt och slamålder (och förekomst av ammonium). h) Slamflykt (de orsakar dels filamentös slamsvällning vilket leder till dålig sedimentering, ev. med slam i utgående vatten, och dels skumning). 2) Se föreläsningsmaterial i mikrobiologi 3) Nitrifierare är autotrofer och det är energikrävande att fixera kol, dvs det åtgår mycket ATP till detta. Dessutom kräver deras metabolism att de återskapar reducerande kraft (NADH) till de biokemiska processerna i cellen. Detta sker via en omvänd elektrontransportkedja vilket innebär att all energi som frigörs när de oxiderar ammoniak eller nitrit inte binds i form av ATP. Sammantaget gör detta att tillväxthastigheten blir låg och sambandet 1/tillväxthastighet=slamålder innebär således att slamåldern måste vara hög. 6

7 4) a) Se Föreläsningsmaterial Reglering av kemisk fällning. b) Mikroorganismerna i den biologiska reningen behöver närsalter inklusive fosofor så viktigt att inte fälla bort allt fosfor. (Kemfällning avskiljer också substrat (kolkälla) vilket behövs för en aktivslamprocess med fördenitrifikation. 5) a) Det finns risk att systemet blir instabilt (alt väldigt långsamt) när systemet befinner sig utanför det arbetsområde som regulatorn har trimmats för. b) Se kursmaterial och räkneövn. c) Parameterstyrning (Gain scheduling) eller kaskadreglering. 6a) dx dt ds dt = (µ(s) D)X = 1 Y µ(s)x +D(S in S) b) Stationärt är µ( S) = D vilket ger S = 1 k 1 ln(1 D µ max ) c) Villkor för wash out: µ( S in ) = D c vilket numeriskt ger D c = 2(1 e ) 1.3 (wash out om D D c ). 7) Från matrisen ser man att W-processen kräver: Låg substratkoncentration Låg syrehalt Kväve i form av ammonium. 7

8 Vi behöver alltså först ett aerobt steg som oxiderar bort substratet men inte omvandlar ammonium till nitrat. Den aeroba slamåldern måste, enligt uppgift, således vara mellan 2 till 6 dagar. Nästa steg ska vara anoxiskt (inget löst syre) där kan X W omvandla ammoniumet till kvävgas (givet ett aerobt steg enligt ovan). Blockschema ska också ritas men utlämnas här. 8