TENTAMEN i Kommunal och industriell avloppsvattenrening - 1RT361

Transkript

1 TENTAMEN i Kommunal och industriell avloppsvattenrening - 1RT361 Tid: 21 oktober 2014 kl Plats: Polacksbackens skrivsal Ansvarig lärare: Bengt Carlsson tel , Bengt kommer till tentasalen ca kl 11. Tillåtna hjälpmedel: Miniräknare och valfri matematisk formelsamling. Preliminära betygsgränser: 3:21-25, 4:26-30, 5:31-35 Pga av fel i uppg 5 (rättat i denna version) ströks denna uppgift och poänggränserna blev: 3:17-20, 4:21-24, 5:25-29 Lösningarna ska vara tydliga. Skriv din kod på varje ark. Notera försättsbladet som är bifogat (sista sidan) tentamen. LYCKA TILL Bengt Carlsson

2 Uppgift 1 Besvara nedanstående frågor kortfattad, 1p för varje korrekt svar. (a) Vad kan vara en risk/problem om man använder förfällning och har en aktivslamprocess med fördenitrifikation? (b) Vad kan vara orsaken till att man får mikroflockar i en aktivslamprocess? aktivslamprocess (c) Vilken process är normalt mest känslig för låg vattentemperatur i en aktivslamprocess med kväverening? (d) Vad måste man göra för att kunna använda tvåvärt järn för fällning? (e) Namnge en modell för tillväxthastighet som modellerar att substrathalten vid höga koncentrationer har giftverkan. Uppgift 2 Studera processlösningen för ett biosteg enligt figure 1. (a) Ange tre olika mikrobiologiska processer som pågår i de olika zonerna och beskriv kortfattat metabolismen hos de organismer som utför processerna. (3p) (b) Ange var respektive process sker. (c) Beskriv hur de påverkar BOD- och N-reningen. (d) Vad är motivet till att ha en oluftad zon i slutet av processen? (1p) (3p) (1p) Figur 1: Biosteg. Uppgift 3 Namnge tre stycken processer i ett reningsverk med biologisk kväverening och kemisk fällning i ett efterfällningssteg där det kan vara av intresse att styra processen med en regulator. För varje fall ange lämplig variabel att återkoppla från och styrsignal (insignal till processen). Ge också för varje fall ett exempel på möjlig framkopplingssignal. Hela svaret kan lämpligen redovisas i en tabell. (6p) 2

3 Uppgift 4 Betrakta en totalomblandad biologisk reaktor enligt Figur 2. Q, Sin, Xin=0 S, X, So2 Volym V Figur 2: Totalomblandad biologisk reaktor. Inflödet = utflödet och betecknas Q. Vätskevolymen i reaktorn är V och koncentrationen av syre S O2. Inflödet har substratkoncentrationen S in > 0, och försumbar biomasskoncentration (X in = 0). Processens biologiska reaktioner beskrivs med nedanstående matris Komponenter S S O2 X Reaktionshast r v Substrat Syre Biomassa Process Tillväxt Y S 1 µ Y Y max S+K S Avdöd -1 b A X S O2 S O2 +K S,O2 X (a) Ange de differentialekvationer som beskriver dynamiken för biomassa och substrat för den totalomblandade reaktorn i Figur 1 med processreaktioner enligt tabell ovan. Du behöver inte beskriva dynamiken för syrekoncentrationen. (2p) (b) Bestäm maximal tillväxthastighet µ max [d 1 ], givet följande parametervärden: S O2 = 6.3 g COD/m 3, S = 2 g COD/m 3, K S = 0.5 g COD/m 3, K S,O2 = 1.0 g COD/m 3, b A = 0.05 d 1, Y = 0.67, Q = 295 m 3 d 1, V = 1000 m 3 K S,O2 = 1.0 g COD/m 3. (3p) 3

4 Uppgift 5 Betrakta aktivslamprocessen i figur 3. 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 3: 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, allt slam sedimenterar. Antag, stationaritet och att inte wash-out inträffar. Visa att då slamåldern görsså**felhög**skavaralågsomärfysikaliskt möjligtkanx bestämmas som en funktion av Y, S in, och S. (6p) 4

5 Uppgift 6 Betrakta aktivslamprocessen i föregående uppgift dvs figur 3 och med samma grundantaganden (modellerna för biomassa och substrat samt antagande om ideal sedimentering). 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. Överskottsslamflödet Q w är inställt så att S = 1 g/m 3 stationärt. Betrakta följande tre alternativ: 1. Substratkoncentration i inkommande vatten halveras så att S in = 75.5 g/m Inflödet halveras så att Q in = 1000 m 3 /h. 3. Bassängvolymen fördubblas så att V = 8000 m 3. Vilket av alternativen ovan (inga andra förändringar görs i processen) ger den lägsta stationära substratkoncentrationen? Du behöver inte räkna ut den stationära substratkoncentration för varje fall men tydlig motivering krävs. (5p) 5

6 Några lösningar 1) Se kursmaterial 2) a) Nitrifikation: Får energi genom att oxidera ammonium till nitrat via nitrit i två olika processer, andas med syre. Denitrifikation: Reducerar nitrat till kvävgas genom anaerob respiration, energi (elektroner) från en organisk förening. Heterotrof respiration: Oxiderar organiska föreningar till koldioxid och andas med syre. b) Nitrifikation: i den aeroba zonen. Denitrifikation: i den anoxiska zonen, (kan förekomma även i sedimenteringen). Heterotrof respiration: i den aeroba zonen c) Nitrifikation: Är första delsteget i kvävereningsprocessen, en förutsättning för denitrifikation, bidar till BOD-reningen eftersom mindre ammonium släpps ut som annars skulle vara syretärande i recipienten. Denitrifikation: Tar bort kvävet från vattnet då kvävgas avges till atmosfären, bidrar till BOD-rening då de använder organiska föreningar som energi- och kolkälla. Heterotrof respiration:den viktigaste processen för att rena vattnet från BOD, organismerna tar upp kväve då de växer vilket bidra till viss kväverening (ca 20 % reduktion). d) För att minska syrehalten i interncirkulationen (hög syrehalt försämrar denitrifikationen i det anoxiska steget) 3) Exempel: Process Återkopplingssignal Styrsignal Framkoppling (ex) Nitrifikation Ammoniumkonc i BV syre Ammonium in sista luftade zonen Denitrifikation Nitratkonc i Extern kolkälla Nitrat in sista oluftade zonen Kemfällning Fosfat i utgående vatten Dosering fällningskemikalier Fosfatmängd in 6

7 4a) dx dt ds dt = (µ b A D)X = 1 Y µ(s)x +D(S in S) där D = Q/V och µ = µ max S S +K S Mycket viktigt att ha med D i ekvationerna b) Stationärt (ej wash-out)gäller µ b A D = 0 S O2 S O2 +K S,O2 Lös map µ max. Numerisk erhålls µ max = 0.5 d 1. 5) Vi har att θ s = V X Q w Xr = V Q w Q r +Q w Q in +Q r Maxvärde för Q w är Q in vilket ger lägsta möjliga slamålder θ s = V/Q in. Från substratbalansen fås X = Yθ s Q in V (S in S) vilket ger X = Y(S in S) dvs samma som för en enkel bioreaktor (se även uppg 4, Räkneuppgifter-2) 6) Slamåldern ges av Stationärt gäller: Lös ut S: θ s = V X Q w Xr = V Q w Q r +Q w Q in +Q r S = θ s = 1 µ( S) K s µ max θ s 1 dvs ju högre slamålder, ju lägre substratkoncentration. 7

8 1. S in halveras θ s påverkas ej S opåverkad. 2. Q in halveras θ s ökar S minskar. Från uttrycket på θ s ser man att θ s inte fördubblas. 3. V fördubblas θ s fördubblas Alltså ger alt 3) den lägsta substratkoncentrationen. 8