TENTAMEN i Vattenreningsteknik 1TV361 Tid: 6 oktober 2008 kl 9.00-14.00 Plats: Gimogatan 4, Skrivsal 1 Ansvarig lärare: Bengt Carlsson tel 018-4713118, 070-6274590 Bengt kommer till tentasalen omkring kl 11.30 Tillåtna hjälpmedel: Miniräknare, och matematisk formelsamling. Preliminära betygsgränser: Denna tenta hade 35 p som maxgräns: Prel betygsgränser 3:21-25, 4:26-30, 5:31-35 Lösningarna ska vara tydliga. Skriv namn på varje ark. Notera försättsbladet som är bifogat (sist sidan) tentamen. LYCKA TILL Bengt Carlsson 1
1) Besvara nedanstående frågor kortfattad, 1p för varje korrekt svar. a) Vilken reningsprocess byggdes ut i Sverige framförallt under 1960-70 talet? b) Definiera ytbelastning. c) Vad kallas det ledningssystem som har skilda ledningar för spill- och dagvatten? d) Vad kallas den process som gör att även utan aktiv kväverening (denitrifikation och nitrifikation) i en aktivslamprocess så avskiljs 10-30 % av inkommande kväve? e) Ange ett vanligt sätt för hur dosering av fälllningskemikalier styrs automatiskt. f) Ange ett alternativ till sedimentering för att ta bort partikulärt material. g) Föreslå en reningsmetod som klarar stora belastningsvariationer, god reduktion av fosfor, och kräver lite underhåll. h) Vilka kvävekomponenter består Kjeldahl-kväve av? i) Vissa mikroorganismer kan orsaka filamentös slamsvällning. Vad innebär det för reningsverket? j) Vad menas med simultanfällning? k) Ange en fördel med stegbeskickning jämfört med en konventionell utformning av aktivslamprocessen. l) Ange två metoder för att desinficera dricksvatten. m) Ange namnet på ett simuleringsprogram (förutom JASS simulatorn) för att simulera reningsverksprocesser. n) Vilken typ av vattentäkt är lämplig om man behöver producera stora volymer dricksvatten? o) Ange en fördel med ett dynasandfilter. 2
2) Vilken funktion fyller nitrit för denitrifierande resp nitrifierande bakterier? (3p) 3) Beskriv utifrån ett blockschema, de olika mikrobiella steg som är nödvändiga för biogasproduktion vid anaerob rötning.(3p) 4) Antag att flödet av en extern kolkälla i ett denitrifikationssteg ska styras automatiskt. Rita och förklara utifrån ett blockschema hur detta kan göras mha återkoppling. Ange och motivera också en möjlig parameter att framkoppla ifrån. (3p) 5) Användning av framkoppling kan ofta förbättra regleringen jämfört med om bara återkoppling används. Betrakta ett system som regleras med en återkoppling och där man vill införa en framkoppling från någon mätbar störning. Beskriv hur förstärkningen i en statisk framkoppling kan bestämmas från mätningar av styrsignalen och störningen då systemet regleras endast med återkoppling. Det kan antas att mätdata är tillgängligt för två olika störningsnivåer. (3p) 3
6) En nitrifierande (totalomblandad, standardutformad) aktivslambassäng hade en slamhalt av nitrifierande bakterier X B,A = 1500 g COD/m 3. (Processen kan antas ha ideal sedimentering och försumbar biomassa i inkommande flöde). Processen kunde beskrivas med nedanstående matris och kända konstanter. Bestäm den syrehalt som krävs för att utgående ammoniumhalt ska vara 1 mg/l då slamåldern är 5.5 dygn. (3p) Component S NH4 S NO3 S O2 X B,A X S,N Reaction rate r v Process Aerobic - 1 f 1 Y x - 4.57 Y S 1 f Y Y x µ NH4 max S NH4 +K S,NH4 growth Decay 1 f x b A X B,A S O2 S O2 +K S,O2 X B,A Hydrolysis 1 1 k h,a X S,N of org. N Ammon. Nitrate Oxygen Nitrif. Suspen. biomass org. N Processkonstanter: µ max = 0.7 d 1, K S,NH4 = 0.5 g N/m 3, K S,O2 = 0.8 g O 2 /m 3, b A = 0.05 d 1, k h,a = 0.05 d 1, Y = 0.67, f x =0.09 7) Betrakta aktivslamprocessen i figur 1. Influent, Qin, Xin=0, Sin Aeration tank, volume V, X, S Qin+Qr, X, S Clarifier Effluent, Qe, Xe=0, Se Return sludge, Qr, Xr, Sr Excess sludge, Qw, Xr, Sr Figur 1: Aktivslamprocess, flöden betecknas med Q, substratkoncentrationer med S, och biomassa (slam) med X. där Tillväxten av biomassa beskrivs av V dx dt = µv X + Q rx r ( + Q r )X µ = µ max S K S + S Substratförbrukningen modelleras enligt V ds dt = 1 Y µv X + S in + Q r S r ( + Q r )S 4
Sedimenteringen modelleras med en massbalans där utgående slamhalt X e = 0 samt S = S e = S r och Q e = Q w. Processen kördes i utgångsläget så att substratkoncentrationen blev S o och biomasskoncentrationen X o. Betrakta följande två olika belastningsökningar (inga andra ändringar görs i processen för respektive fall i förhållande till utgångsläget): 1. Substratkoncentration i inkommande vatten fördubblas jämfört med utgångsläget (detta skulle kunna svara mot att antalet anslutna fördubblades men genom olika sparåtgärder, t ex snålspolande toaletter, ökade inte flödet utan bara koncentrationen). 2. Inflödet och internrecirkulationen Q r fördubblas (en typisk belastningsökning). (Inkommande substrathalt förändrades inte utan är lika med utgångsfallet) Förutom stationaritet kan följande antas: Ingen wash-out inträffar. När det gäller slamflykt antas sedimenteringen beskrivas av Hindered settling enligt solid flux teorin. Returslamflödet är lika med inflödet dvs Q r =. Det kan i alla fallen antas att Q >> Q w, samt att S in >> S. Vilken (eller är båda ekvivalenta) av de två fallen ger minst risk för slamflykt i sedimenteringsbassängen? I undersökningen ska du tydligt visa om och när du utnyttjar Q >> Q w och S in >> S. (5p) 5
Svar till tentamen i Vattenreningsteknik - 081006 1a) Kemisk rening b) Q/A där Q=flöde in till sed bassäng och A= sed bassängens area c) Duplikat ledningssystem. d) Assimilation. e) Flödeproportionellt. f) Flotation. g) Fällningsdamm. h) Organiskt bundet kväve + Ammoniumkväve. i) Slam i utgående vatten pga slamflykt j) Kemisk fällning i det biologiska reningssteget. k) Jämnare belastning över biosteget jämnare syreförbrukning l) Klor (NA-hypoklorit), UV-belysning m) Simba (GPS-X, West) n) Ytvattentäkt o) Inga avbrott för spolning (rensning) av bärarmaterialet. 2) Denitrifikation - Nitrit är en intermediär elektronacceptor (oxidationsmedel) i den elektrontransportkedja som bakterien nyttjar under syrefria förhållanden. Nitrifikation - Nitrit är en energikälla, som oxideras av en grupp av nitrifierande bakterier (Nitrobacter ). 3) Se sista sidan (kopia av OH material) 4) För blockschema se Figur 17 i Some Control Strategies for the Activated Sludge Process (finns i kompletterande material). Lämplig framkoppling: Inkommande (till anoxisk zon) nitratkoncentration eller (bättre) inkommande nitratmängd. En annan (enkel) möjlighet är flöde. 5) K f = u 1 u 2 v 1 v2 där u i är den styrsignal som krävs för att hålla utsignalen=börvärdet då störningen är v i (i=1,2). 6
6)Allmänt gäller µ netto = 1 θ s där µ netto är specifik tillväxt - specifik avdöd. Från tabellen fås S NH4 S O2 µ netto = µ max b A S NH4 + K S,NH4 S O2 + K S,O2 Lös ut S O2 och sätt in siffror S O2 = 0.8 7. Fluxen J insed till sed. bassängen ges av J insed = SedX insed = ( + Q r )X Ju mindre flux ju mindre risk för slamflykt. Alltså ska vi undersöka ( + Q r )X för de olika fallen. Stationärt gäller: 1/µ = θ s = V X Q w X r = V Q w Q r + Q w + Q r = V 2Q w (1) där vi i sista uttrycket utnyttjat att Q r = och >> Q w. Substratmassbalansen ger (Se Blab 1): X = Y θ s V (S in S) = Y θ s V S in (2) där vi i sista uttrycket utnyttjat att S in >> S. Vi får alltså J insed = 2X = 2 Y θ s V S in = 2 Y V 2Q w V S in = Q2 iny S in Q w För fall 1 (S in fördubblas) ser vi från uttrycket ovan att fluxen fördubblas. För fall 2 ( fördubblas) fyrdubblas fluxen. Fall 1 ger alltså minst risk för slamflykt (det är alltså även ur denna aspekt bra att snåla med vatten!) 7