Avfallshantering TE0014
Tentamen i Avfallshantering 5HP 2014-12-18 Del 1 Kod:. Tillåtna hjälpmedel; Papper, Penna Svaren skall ges som hela, tydliga meningar som är lätta att förstå, anledningen är att detta ökar möjligheten att du får valuta för din insats Del 1 och del 2 examineras separat, tiden mellan delarna disponeras efter eget val, man får dock maximalt ägna 3 timmar åt varje del. För godkänt krävs 50% på båda delarna, var för sig. Del två rekommenderas att påbörjas när del ett lämnats in. Del 1 1. Anaerob nedbrytning (rötning) av organiska material sker genom en komplex mikrobiologisk process som involverar flera olika nedbrytningssteg. För en effektiv process krävs att organismerna som är aktiva i de olika nedbrytningsstegen samarbetar med varandra och att ingen grupp är hämmad. Många olika parametrar påverkar effektiviteten och stabiliteten på hela processen, t ex karaktären på materialet som ska brytas ner (kemisk sammansättning, partikelstorlek etc.) och under vilka förhållande som processen drivs (belastning, uppehållstid etc). a. Beskriv på vilket sätt som organismerna samarbetar med, och är beroende av, varandra, samt vilken gas som spelar en nyckelroll för organismerna i ett av stegen, då fel koncentration av gasen kan blockera steget och därmed hela rötningen. Vilket steg är det som kan blockeras och vilket steg är det som gör att gaskoncentrationen normalt hålls inom ett bra intervall. (2p) b. Vilket av nedbrytningsstegen är det som vanligen är mest begränsande vid rötning av avloppsslam och varför? Ge ett förslag på hur man för slam kan minska denna begränsning, alltså vad man kan göra för att få detta begränsande steg att gå lite snabbare. (2p) c. Vid rötning bör följande driftsparametrar främst kontrolleras: temperatur, ph, gasproduktion, gassammansättning, organiska syror och bikarbonatalkalinitet. Beskriv varför temperatur och ph bör kontrolleras dagligen och varför organiska syror och bikarbonatalkalinitet bör kontrolleras ofta och varför förhållandet mellan fettsyror och totalalkalinitet också bör beräknas ofta. (4p) i 2. Antalet deponier var > 300 för ca 10 år sedan. Idag är det ca 80 stycken som tar emot avfall. Resterande deponier kommer att sluttäckas under de närmaste 5-10 åren. Stor del av det avfall som deponeras idag och som klassas som inert och icke-farligt avfall används vid sluttäckning. a. a) Kan du nämna två huvudproblem när majoriteten av de nedlagda deponierna är avslutade (sluttäckta)? ii (2p) b. Föreslå två åtgärder och förklara (kort) iii (2p) 3. Ammoniakhygienisering är en relativt ny behandlingsmetod för att hygienisera organiska restprodukter innan de används som gödselmedel i växtodling. Det har
bland annat använts för att hygienisera salmonellasmittad rötrest innan den sprids på fälten. a. Vilken form (kemiskt) av ammoniak är det som hygieniserar rötresten? 0,5p iv b. Om man tycker att behandlingen tar för lång tid kan man påskynda behandlingen, ge tre sätt att förbättra ammoniakhygieniseringens funktion? v 1,5p 4. Vilka är stegen i EUs avfallshirarki? Ge de olika stegen i rangordning med det mest eftersträvansvärda först. Ange dessutom ett exempel för varje steg (2,5p) vi 5. Under sin föreläsning om avfallsjuridik berättade Jonas om ett fall där Uppsala kommun hade en annan tolkning av begreppet hushållsavfall i sin renhållningsordning, än vad som står i Miljöbalken. a. Ge ett exempel på en situation där det är viktigt att avgöra om ett avfall är hushållsavfall eller inte. vii 1p b. Hur ska en myndighet hantera en situation där en kommunal föreskrift avviker från en överordnad lag eller förordning? viii 2p c. Vem ansvarar för att hushållsavfallet hanteras på ett korrekt sätt när det finns hemma hos familjen Christensen respektive efter att hushållsavfall samlas in? ix 2p d. Ge ett exempel på en fraktion avfall som genereras i hemmet, men som inte är ett hushållsavfall, samt vem som är ansvarig för att samla in fraktionen x 2p 6. Klassifiera nedanstående patogener i en av grupperna; bakterier, virus parasitära maskar och protozoer. Beskriv dessutom organismens vanligaste smittväg (t.ex. vatten, luft, mat etc.). a) EHEC (1p) b) VTEC (1p) c) Vibrio cholerae (1p) d) Trichuris trichiura (1p) e) Giardia lamblia (1p) f) Hepatitis A (1p) 7. Vilken enhet används för normal mätning av lukt? (ange enhet och hur dess skala fungerar)? (2p) xi 8. Vid kompostering rekommenderas oftast att kol/kväve-kvoten skall ligga i intervallet 15-30. Vid rötning kan enligt viss litteratur balansen mellan C:N:P vara upp till 850:5:1. a. Vilka är nackdelarna om C/N den i komposteringsprocessen är lägre än 15 respektive högre än 30? (2 p) b. Varför är mängden näringsämnen som behövs vid rötning så mycket mindre än vid kompostering? (2p) c. Vilka problem uppstår i rötningen om mängden näringsämnen är alltför hög eller alltför låg? (1p) xii
Del 2 Tillåtet material; allt förutom personlig konsultation och dator eller telefon. Svaren på del 1 måste vara inlämnade för att ta fram annat material än papper och penna. När du använder ekvationer från litteraturen, ange gärna vilken källa du använt (detta ökar dina chanser till poäng för dina svar). Beräkningarna måste vara enkla att förstå. Använd en sida per uppgift, och skriv endast på ena sidan av pappret. 1. Ditt konsultbolag får en förfrågan från en stad i Polen som planerar att införa anaerob behandling av slammet från avloppsreningsverket. Tillsammans med reningsverksslammet vill de även samröta fettavskiljarslam, som samlas upp från restauranger i staden. Till din hjälp har du information från beställaren enligt tabellen nedan: Parameter Enhet Reningsverksslam Fettavskiljarslam Flöde ton/år 55 000 4 000 Densitet kg/m 3 1 1 Torrsubstans (TS) % av våtvikt 4,8 6,0 Organiskt material % av TS 75 95 (VS) Metanutbyte 1) Nm 3 /kg VS 0,26 0,68 Metankoncentration % 63 70 Nedbrytbarhet kompostering %VS 60 50 1) Mesofil rötning med en-stegs CSTR. Nm3 = normal kubikmeter vid 0 C, 1 atm 2) Ideala gaskonstanten är 22,414 L/mol Du väljer uppehållstiden 25 dygn och ska ge svar på frågorna nedan: a. Vad blir den aktiva rötkammarvolymen (m 3 )? (2p) b. Vilken torrsubstans har den ingående blandningen? (2p) c. Vad blir den organiska belastningen (kg VS/m 3 r/d)? (2p) d. Vilken normalvolym metan bör produceras årligen (nm 3 /år) xiii? (2p) e. Vilken normalvolym koldioxid bör produceras årligen (nm 3 /år) (1p) f. Hur förhåller sig de producerade mängderna metan och koldioxid till varandra volymsmässigt och viktsmässigt? (2p) xiv g. Hur stor mängd rötrest produceras av behandlingen? (2p) h. Genom att det är reningsverksslam som skall behandlas krävs det en hygienisering för att slammet skall få återföras till lantbruket, det vanligaste alternativet kopplat till rötning är pasteurisering. Bör pasteuriseringen ske före eller efter behandlingen, motivera ditt val? (1,5p)
2. Som alternativ till rötningen kan man kompostera materialet, för att få ett komposterbart material avvattnas reningsverksslammet ytterligare så att det når 30% TS, den optimala torrsubstanshalten för komposteringen är 35%. Den färdiga komposten håller en TS på 70% och 10% askhalt. a. Hur mycket flis med TS=90% som strukturmaterial krävs för att nå den önskade torrsubstanshalten? (2p) b. Vad kan man göra för att minska den årliga åtgången av flis? (1p) xv c. Hur stor mängd kompost produceras om den tillsatta flisen har en nedbrytbarhet på 5%? (2p) d. Beräkna vilken av processerna som kräver mest luft, Nedbrytningen eller Torkningen vid 70 C? (5p)
Lämnas in med del 1 av tentan Kod Antal sidor: Inlämninstid: Markera frågorna du svarat på: Fråga Besvarad Poäng Max 1a 2 1b 2 1c 4 2a 2 2b 2 3a 0,5 3b 1,5 4 2,5 5a 1 5b 2 5c 2 5d 2 6a-f 6 7 2 8a 2 8b 2 8c 2 Total Poäng: av 37,5p Betyg:
Lämnas in med del 2 av tentan Kod Antal sidor: Starttid: tid för inlämning: Markera vilka frågor du svarat på: Fråga Besvarad Poäng Max 1a 2 1b 2 1c 2 1d 2 1e 1 1f 2 1g 2 1h 1,5 2a 2 2b 1 2c 2 2d 5 Totalpoäng: av 24p Betyg:
i A) Organismerna i processen är beroende av varandra för att få sina substrat och när det gäller anaeroba oxidationer till vätgas så kan inte dessa alls ske om vätgastrycket blir för högt. Den anaeroba oxidationen förutsätter alltså att vätgasen plockas bort, vilket metanogenerna gör. Oxidationen är termodynamisk ofördelaktig vid höga vätgaskoncentrationer och blir blockerad i frånvaro av en vätgaskonsumerande metanogen. b) Slam är ett material som typisk är svårt att bryta ner pga av biomassans komplexa organiska sammansättning med en betydande andel svårnedbrytbart organiskt material. Dessutom innehåller slammet mycket vatten och har lågt energinnehåll. Detta innebär att det första steget i biogasprocessen (hydrolysen) blir långsam och ineffektiv och stoppar upp resten nedbrytningen. För att få en bra nedbryning krävs lång uppehållstid, något som kompliceras av att materialet är så utspätt (kräver då stora tankvolymer). För att underlätta hydrolysen kan man använda en förbehandling som finfördelar materialet och gör det mer tillgängligt för mikrobiell nedbrytning. ii) förlänga uppehållstiden genom att tex avvattna materialet eller iii) öka rötningstemperaturen ii 1) det kommer att uppstå ett överskott av avfall som saknar avsättning 2) finns risk för att deponiytorna och antalet deponier inte räcker till alternativt fylls för snabbt iii 1) Bygga ut nya ytor deponier 2) Öka återvinning (genom sortering mnska avfallsmängderna som behöver deponeras) 3) Utveckla nya användningsområden (hänsyn till miljön) iv NH3 >1min v Höja temperaturen, tillsätta med ammoniak/urea, höja ph. 1min 1. vi Undvika uppkomst, sluta med dubbla förpackningar, använda mindre material (tunnare plast) 2. Återanvända, t.ex. pantglas (dvs glasflaskor som används flera gånger) 3. Recirkulera (växtnäring i kompost, materialåtervinning, glas, papper, plast etc.) 4. Återvinn energi (rötning, förbränning) 5. Säker deponering vii Svar: eftersom det är kommunen som har monopol på att samla in och transportera hushållsavfall måste man veta om just detta avfallet är hushållsavfall. viii det finns en bestämmelse i regeringsformen som säger att myndigheter och domstolar inte får tillämpa en regel som strider mot överordnad lag. ix Familjen Christensen själv x Sådan avfall som lyder under producentansvaret t.ex. tidningar, konservburkar, förpackningar xi (OU Odour unit, which is the number of dilutions to detection threshold) xii a) Vid lägre kol-kvävekvot ungefär 15 så behöver inte bakterierna all näring för sin celluppbyggnad, vilket innebär att kväveöverskottet kommer att försvinna som ammoniakemission, vilken därför ökar starkt vid minskande kol/kväve-kvot. Om kol/kvävekvoten är högre än ca 30 räcker inte kvävemängden till för snabbast möjliga tillväxt av mängden bakterieceller. Komposteringshatigheten sjunker liksom maximal temperatur. (2 min) B) Vid rötning bildas mycket färre mindre mängd cellmassa än vid aerob nedbrytning. Detta innebär att näringsbehovet blir mycket mindre än vid kompostering eller aktiv slamprocessen. (2min) C) Om kol-kvävekvoten är mycket mindre än den rekommenderad, alltså om det finns mycket mera kväve än den mängd som åtgår för celluppbyggnad finns risk för att ammoniumhalten når toxiska nivåer och påverkar metanogenerna. Om mängden kväve är mindre än den rekommenderade är risken stor att metanogenerna inte kan tillväxa optimalt och att processhastigheten därför blir låg. (2 min) xiii a) HRT = V/Q; V= ((55 000 + 4 000) / 365) (m3/d) x 25 (d) = 4 041 m3 (~ 4 000 m3)
Reningsverksslam: ca 151 ton/d = ca 151 m3/d Fettavskiljarslam: ca 11 ton/d = ca 11 m3/d Totalt: ca 162 m3/d b) Alt.1 VS-flöde: Reningsverksslam; (55 000/365) x 0,048 (% TS av våtvikt) x 0,75 (%VS av TS) = 5,425 ton VS/d = 5 425 kg VS/d Fettavskiljarslam; (4 000/365) x 0,060 (% TS av våtvikt) x 0,95 (%VS av TS) = 0,625 ton VS/d = 625 kg VS/d Totalt; 5 425 + 625 = 6 050 (kg VS/d) / 4 041 (m3) = 1,5 kg VS/m3r/d Alt.2 1 m3 = 1 ton OLR = So/HRT; So: 6 050 (kg VS/d) / 161,64 (m3/d) = 37,42 kg VS/m3 So/HRT = 37,42 (kg VS/m3) / 25 (d) = 1,5 kg VS/m3r/d c) Reningsverksslam; 5 425 (kg VS/d) x 0,26 (Nm3/kg VS) x 365 (d/år) = 514 832 Nm3/år = Fettavskiljarslam; 625 kg (VS/d) x 0,68 (Nm3/kg VS) x 365 (d/år) = 155 125 Nm3/år Totalt; 6,7 10 5 Nm3 CH4/år ( ca 670 000 Nm3) a) xiv HRT = V/Q; V= ((55 000 + 4 000) / 365) (m 3 /d) x 25 (d) = 4 041 m 3 (~ 4 000 m 3 ) Svar: ca 4000 m 3 b) Alt.1 VS-flöde: Reningsverksslam; (55 000/365) x 0,048 (% TS av våtvikt) x 0,75 (%VS av TS) = 5,425 ton VS/d = 5 425 kg VS/d Fettavskiljarslam; (4 000/365) x 0,060 (% TS av våtvikt) x 0,95 (%VS av TS) = 0,625 ton VS/d = 625 kg VS/d Totalt; 5 425 + 625 = 6 050 (kg VS/d) / 4 041 (m 3 ) = 1,5 kg VS/m 3 r/d Alt.2 1 m 3 = 1 ton OLR = So/HRT; So: 6 050 (kg VS/d) / 161,64 (m3/d) = 37,42 kg VS/m3 So/HRT = 37,42 (kg VS/m 3 ) / 25 (d) = 1,5 kg VS/m 3 r/d Svar: 1,5 kg VS/m 3, d c) Rekommendationen i kurslitteraturen är XXX. Det är alltså lämpligt. Svar: Det är lämpligt. d) (c2) Reningsverksslam; 5 425 (kg VS/d) x 0,26 (Nm 3 /kg VS) x 365 (d/år) = 514 832 Nm 3 /år Fettavskiljarslam; 625 kg (VS/d) x 0,68 (Nm 3 /kg VS) x 365 (d/år) = 155 125 Nm 3 /år
Svar: Totalt; 6,7 10 5 Nm 3 CH 4 /år ( ca 670 000 Nm 3 ) e) (d enligt frågan) Totalmängd gas: 514 832 Nm 3 /år/0,63+155 125 Nm 3 /år/0,63 =1063424 Nm 3 /år Detta innebär att volymen CO2=1063424- (514 832+155 125)=393467 Nm 3 /år f) (e enligt frågan) Volymsrelationen mellan gaserna är metan och koldioxid är (514 832+155 125)/393467= 1,70. Alltså volymen metan är 1,7 ggr så stor som volymen koldioxid. Massrelationen är däremot: 1,70*16/(1*44)=0,62. Alltså metanen väger bara 62% så mycket som koldioxiden. Svar: Volymrelationen mellan CH 4 /CO 2 =1,70 medan massrelationen är 0,62. xv A Materialet in ger Slam 55000x0.048=2640 ton TS, TS halt = 30%, 2640/0,3=8800 ton 4000 ton fettslam TS halt =6% X=våtvikt Xa+Xs=Xm Xs=Xslam+Xfett = 8800+4000=12800 ton S=TS halt XSsubstrat = XSslam+XSfett Ssubstrat=(XSslam+XSfett)/Xsubstrat=(8800x0,3+4000x0,06)/12800=(2640+240)12800=0,225 Xflis=Xs(Smix-Ssubstrat)/(Sflis-Smix)=12800(0,35-0,225)/(0,9-0,35)=2909 ton flis per år. b) Flisen kan separeras från materialet o återanvändas eftersom den inte bryts ned speciellt mycket under komposteringen. C) Enhet Slam Fett Flis Xs (ton) 8800 4000 2909 Ss 30% 6% 90% Vs 75% 95% 90% BVs 60% 50% 5% Aska (XsSs(1-Vs)) (ton) 660 12 262 NBVs (XsSsVs(1- BVs)) (ton) 792 114 2238 Xp 858 126 2500 Massa ut XpSp=3484 ton /år Sp70% Xp=XpSp/Sp=3484/,07=4977 ton per år Enhet Slam Fett Flis XsBVs (ton) 1188 114 118 Från tab 7.1 haug C10H39O10N C50H90O6 C295H420O186N Molvikt (g/mol) 225 786 6950 Stökeometriskt O2 behov 19 72,5 399,25
Kmol O2 för nedbrytning 100320 10512,5 6779,3 Massa O2 (ton) 3210,24 336,4 216,94 Totalmängd O2 3763,6 ton per år 23,2% O2 i luft 16222 ton luft för nedbrytningen. Enhet Slam Fett Flis Vatten in Xs(1-Ss) (ton) Vatten ut Xp(1-Sp) (ton) 6160 3760 290,9 1493,1 H2O(g) (ton) 10210,9-1493,1=8717,8 Ånga i torr luft vid 70 C (från tabell) 282kg/ton luft Luftbehov = 8717,8/0,282=30914 ton luft. Svar: torkningen av komposten kräver mest luft.