ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΥΤΙΚΗΣ ΜΑΚΕ ΟΝΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΩΝ ΠΟΡΩΝ Τομέας Περιβάλλοντος και Χρήσης Ενέργειας Εργαστήριο Τεχνολογίας Περιβάλλοντος ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ (3 ο ΕΞΑΜΗΝΟ) Υγρά Απόβλητα 1. Επίδραση της θερμοκρασίας στις σταθερές ταχύτητας της αντίδρασης. Να βρεθεί η ενέργεια ενεργοποίησης και η απαραίτητη τιμή της θ για ένα διπλασιασμό της σταθεράς ταχύτητας της αντίδρασης από 20 σε 30 ο C. 2. Ανάλυση των στερεών για δείγμα υγρών αποβλήτων. Τα αποτελέσματα του ακόλουθου πειράματος, παρουσιάστηκαν για ένα εκρέον δείγμα υγρών αποβλήτων το οποίο πάρθηκε από μία δεξαμενή βιολογικού καθαρισμού χωρίς φίλτρο στην εκροή. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας δείγμα 100ml. Υπολογίστε τη συγκέντρωση ολικών στερεών TS, ολικά πτητικά στερεά (TVS), ολικά αιωρούμενα στερεά TSS, αιωρούμενα πτητικά στερεά (VSS), ολικά διαλυόμενα στερεά TDS και πτητικά διαλυόμενα στερεά (VDS). Τα δείγματα που χρησιμοποιήθηκαν στις αναλύσεις στερεών ήταν όλα ξηρά ή ξηρά και εύφλεκτα με βάση τις standard methods (1995). TS και TVS χρησιμοποιώντας δίσκο εξάτμισης με αφιλτράριστο δείγμα. Μάζα δίσκου εξάτμισης : 62,6775g Μάζα δίσκου εξάτμισης με το υπόλειμμα της εξάτμισης : 62,7264g Μάζα δίσκου εξάτμισης με το υπόλειμμα μετά την ανάφλεξη : 62,6971g TSS και VSS μετά από φιλτράρισμα. Μάζα φίλτρου : 1,6623g Μάζα φίλτρου και υπόλειμμα στο φίλτρο μετά την εξάτμιση : 1,6728g Μάζα φίλτρου και υπόλειμμα στο φίλτρο μετά την ανάφλεξη : 1,6645g 3. Υπολογισμός των λόγων BOD 5 /COD, BOD 5 /TOC και TOC/COD. Υπολογίστε τους θεωρητικούς λόγους BOD 5 /COD, BOD 5 /TOC και TOC/COD για το C 5 H 7 NO 2. H τιμή της σταθεράς της ταχύτητας αντίδρασης BOD 5 πρώτης τάξης είναι 0,23d -1. 4. Ανάλυση της επίδρασης της αντίδρασης επιβραδυνόμενου ρυθμού. Θεωρούμε ιδανικό αντιδραστήρα εμβολικής ροής. Υποθέστε ότι ο εκθέτης n στον παράγοντα επιβράδυνσης είναι ίσος με 1 και η αντίδραση δεύτερης τάξης. Η τιμή της σταθεράς επιβράδυνσης είναι R=0,6, για t=0 η
συγκέντρωση C=1,0 και η σταθερά k=0,3. Συγκρίνεται την συγκέντρωση εκροής με επιβράδυνση με αυτή χωρίς επιβράδυνση. 5. Ανάλυση της περιεκτικότητας μιας λίμνης σε φώσφορο. Θεωρήστε ότι μια λίμνη έχει επιφάνεια 1,2mi 2 και μέσο βάθος 15ft. Υποθέστε ότι η λίμνη βρίσκεται σε μια περιοχή όπου η μέση ετήσια βροχόπτωση είναι 27,6in και η μέση ετήσια εξάτμιση 33,8in. η λίμνη τροφοδοτείται από ένα χείμαρρο το οποίου η μέση ροή είναι 5,2ft 3 /sec. Επίσης γίνεται η παραδοχή ότι δεν εισέρχονται από την επιφάνεια της λίμνης νερά από χιόνια που λιώνουν. Η έξοδος της λίμνης είναι τέτοια ώστε να έχουμε μία σταθερή ανύψωση της επιφάνειας της. Αν η συγκέντρωση του φωσφόρου για το χείμαρρο και για τη βροχή είναι 0,08mg/l και 0,01mg/l αντίστοιχα, υπολογίστε τη συγκέντρωση του φωσφόρου στη λίμνη για μόνιμη κατάσταση. Υποθέστε ότι η ροή των υπόγειων νερών προς τη λίμνη είναι μηδενική, ότι ο ρυθμός καθίζησης του φωσφόρου είναι πρώτης τάξης και η σταθερά του ρυθμού καθίζησης είναι 0,005d -1. Μία οικιστική ανάπτυξη 100 κατοικιών ](μία οικογένεια ανά κατοικία), υπάρχει περιμετρικά της λίμνης. Η λίμνη τροφοδοτεί τον οικισμό με νερό. Το νερό αυτό φιλτράρεται και διανέμεται στις κατοικίες. Τα απόβλητα του οικισμού επεξεργάζονται σε σύστημα διήθησης και εισέρχονται στη λίμνη απευθείας. Αν η μέση συγκέντρωση φωσφόρου των επεξεργασμένων αποβλήτων που φθάνουν στη λίμνη είναι 6,0mg/lt, προσδιορίστε τη συγκέντρωση του φωσφόρου στη λίμνη σε συνθήκες μόνιμης κατάστασης. Ποια είναι η % αύξηση της συγκέντρωσης του φωσφόρου σε σχέση με την συγκέντρωση που υπολογίσθηκε. Ο μέσος αριθμός των ατόμων ανά κατοικία είναι 3 και ο ρυθμός κατανάλωσης νερού είναι 75gal/capita*d. επίσης. Θεωρήστε ότι 50gal/capita*d είναι επεξεργασμένα απόβλητα τα οποία τροφοδοτούνται στη λίμνη. 6. Υπολογισμός της μέσης και της μέγιστης ημερήσιας ροής αποβλήτων και του ολικού συντελεστή αιχμής. Ένα μικρό τουριστικό θέρετρο βρίσκεται κοντά σε δημοφιλή χιονοδρομικά κέντρα. Λόγο των ιδιαιτεροτήτων της μορφολογίας του εδάφους η πόλη θα εξυπηρετείται από ένα υβριδικό σύστημα συλλογής αποβλήτων. Ο κύριος οικισμός βρίσκεται σε υψόμετρο σε σχέση με το σύστημα επεξεργασίας αποβλήτων που πρόκειται να εγκατασταθεί. Επιπλέον δύο περιφερειακοί οικισμοί σαν μέρος της πόλης σχεδιάζονται σε υψόμετρο σε σχέση με το σύστημα επεξεργασίας. Τα απόβλητα των δύο οικισμών θα συλλέγονται σε ξεχωριστό σύστημα STEP(septic tank effluent pump). Η εκροή των δύο συστημάτων υπονόμων θα πηγαίνει σε σύστημα συλλογής με καθίζηση σε διαφορετικά σημεία. Υπολογίστε τη μέση και τη μέγιστη ημερήσια ροή και τον ολικό συντελεστή αιχμής(overall peaking factor). Ο κεντρικός οικισμός θα
περιλαμβάνει τις ακόλουθες εγκαταστάσεις των οποίων τα απόβλητα θα εκρέουν κατευθείαν στο σύστημα συλλογής με καθίζηση: 1. Τρία μοτέλ χωρίς κουζίνα με 25,50 και 90 δωμάτια. 2. ύο βενζινάδικα (2 υπαλλήλους το καθένα) 3. Ένα καθαριστήριο (15 πλυντήρια ) 4. Ένα ταχυδρομείο (2 υπαλλήλους) 5. Τρία εστιατόρια (1 συνηθισμένο, 2 φαστ φουντ) 6. Ένα εμπορικό κέντρο(10 υπάλληλοι, 50 θέσεις στάθμευσης) 7. Ένα δημαρχείο, αίθουσα συνεδριάσεων (θέσεις για 90 άτομα) 8. Ένα δημοτικό με καφετέρια(120 μαθητές) ύο οικιστικές περιοχές σχεδιάζονται: 1. Κέντρο οικισμού-35 οικιστικές μονάδες οι οποίες θα εκφορτώνουν κατευθείαν στον υπόνομο καθίζησης. 2. Περιοχή Ridgeview-84 οικιστικές μονάδες οι οποίες θα εκφορτώνουν σε σύστημα συλλογής με καθίζηση από ένα υπόνομο πίεσης. 3. Περιοχή Crestmont-71 οικιστικές μονάδες οι οποίες θα εκφορτώνουν σε σύστημα συλλογής με καθίζηση από ένα υπόνομο πίεσης. Τόσο η κεντρική οικιστική περιοχή όσο και η περιοχή Ridgeview αποτελούνται από κατοικίες τεσσάρων ή πέντε δωματίων και κατοικούνται κυρίως από οικογένειες. Οι μονάδες του Crestmont οι οποίες είναι μικρότερες προορίζονται κυρίως για συνταξιούχους. Υποθέστε τις ακόλουθες συνθήκες και παραμέτρους: 1. Κατά τη διάρκεια περιόδων αιχμής (καλοκαίρι/ χειμώνας), τα μοτέλ έχουν 90% πληρότητα. 2. Κατά τη διάρκεια περιόδων αιχμής, θα υπάρχει ένα μέγιστο 120 αυτοκινήτων τα οποία θα εξυπηρετούνται κάθε μέρα από το βενζινάδικο. 3. Θεωρήστε το ρυθμό ροής αποβλήτων από το βενζινάδικο. 4. Κατά τη διάρκεια περιόδων αιχμής, θα υπάρχει ένα μέγιστο 500 πελατών στα εστιατόρια ανά μέρα (150 στα συνηθισμένα εστιατόρια και 350 στα φαστ φουντ). 5. Στον κεντρικό οικισμό και στο Ridgeview θα υπάρχουν 3,7 άτομα ανά κατάλυμα. 6. Στο Crestmont θα υπάρχουν 2,3 άτομα ανά κατάλυμα. 7. Η χορήγηση για διήθηση στο σύστημα συλλογής με καθίζηση είναι 1000gal/d*in-mi.
8. Χρησιμοποιείστε ένα ημερήσιο συντελεστή αιχμής 3,5 προς 1, για τις εμπορικές και υπηρεσιακές δραστηριότητες που εξυπηρετούνται από το σύστημα συλλογής με καθίζηση. 9. Το σύστημα συλλογής με καθίζηση θα αποτελείται από 1mi και 6in διάμετροvcp(vitrified clay pipe). 10. Χρησιμοποιήστε ένα συντελεστή αιχμής 2,0 για τροφοδοσία στο σύστημα συλλογής με καθίζηση. 7. Υπολογισμός πτώσης πίεσης σε σχάρα. Προσδιορίστε την ανάκτηση της πτώσης πίεσης, η οποία προκαλείται σε μία σχάρα όταν το 50% της επιφάνειας ροής καλύπτεται από στερεά. εδομένα : ταχύτητα προσέγγισης: 2ft/min ταχύτητα διαμέσου των ανοιγμάτων: 3ft/min εμβαδόν διατομής ροής: 2ft 2 επίσης g=32,2ft/sec 2. 8. Ισοζύγιο μάζας μικροοργανισμών. Τα απόβλητα από ένα εργοστάσιο πλύσης μπουκαλιών περιέχουν ένα διαλυτό οργανικό απόβλητο το οποίο έχει COD 300mg/lt. Από εκτεταμένες εργαστηριακές έρευνες το BOD 5 βρέθηκε ίσο με 0,6 φορές το COD. Γίνεται επεξεργασία του μέσου ρυθμού ροής 1,0Mgal/d, με μία διεργασία ενεργούς ιλύος πλήρους ανάμιξης. Η εκροή BOD 5 και TSS είναι μικρότερη ή ίση με το 95% των 30mg/lt. Υποθέστε ότι η θερμοκρασία είναι 20 ο C και ισχύουν τα ακόλουθα : Η εισροή των αιωρούμενων πτητικών στερεών στον αντιδραστήρα είναι αμελητέα Συγκέντρωση λάσπης που ανακυκλώνεται = 8000mg/lt των συνολικών αιωρούμενων στερεών = 6400mg/lt πτητικών αιωρούμενων στερεών. MLSS (mixed-liquor suspended solids) = 2500mg/lt MLVSS (mixed-liquor volatile suspended solids) = 2000mg/lt = 0,80 του συνολικού MLSS. Χρόνος παραμονής θ c = 8 ημέρες Ο αντιδραστήρας είναι πλήρους ανάμιξης Κινητικές σταθερές Y= 0,46lb cells /lb υποστρώματος (COD) που καταναλώνονται, k d = 0,06d -1. Υπολογίστικε ότι το 80% των στερεών που εκρέουν είναι βιοαποικοδομήσημα. Επίσης θεωρήστε ότι τα βιολογικά στερεά μπορούν να μετατραπούν από απαίτηση COD σε απαίτηση BOD 5 χρησιμοποιώντας ένα συντελεστή 0,6. Τα απόβλητα περιέχουν αρκετό άζωτο και φώσφορο και άλλα θρεπτικά υλικά για βιολογική ανάπτυξη.
Η σταθερά αξιοπιστίας (COR) της διεργασίας τόσο για το BOD όσο και για το TSS, που βασίζεται σε μία ανάλυση για ίδια εργοστάσια στην ίδια περιοχή, είναι 0,70 και 0,65 αντίστοιχα. Να προσδιοριστεί ο όγκος του αντιδραστήρα, ο ρυθμός αποβαλλόμενης λάσπης, το κλάσμα ανακύκλωσης και ο υδραυλικός χρόνος κατακράτησης για τον αντιδραστήρα. Ακόμη να υπολογιστεί ο ειδικός ρυθμός αξιοποίησης υποστρώματος και το κλάσμα τροφής μικροοργανισμού. 9. Νιτροποίηση. Προσδιορίστε τη συγκέντρωση της αμμωνίας στην εκροή και τον απαιτούμενο υδραυλικό χρόνο κατακράτησης για μία διεργασίας ενεργούς ιλύος μιας βαθμίδας ώστε να γίνει πλήρης νιτροποίηση όταν γίνεται επεξεργασία οικιακών αποβλήτων. Υποθέστε τις ακόλουθες συνθήκες Ρυθμός εισροής = 0,1Mgal/d (380m 3 /d) BOD 5 μετά από πρωτοβάθμια καθίζηση = 150mg/lt TKN=N μετά από πρωτοβάθμια καθίζηση = 30mg/lt Ελάχιστη διατηρούμενη θερμοκρασία = 12 ο C ιαλυμένο οξυγόνο που αναμένεται στον αντιδραστήρα DO = 2,0mg/lt ph = 7,2 κινητικές σταθερές του πίνακα 7.7 παράγοντας ασφάλειας SF = 2,0 10. Απονιτροποίηση. Υπολογίστε το χρόνο παραμονής που απαιτείται για απονιτροποίηση διαφορετικών σταδίων για τις ακόλουθες συνθήκες: εισροή νιτρικών στη δεξαμενή = 29,85(30-0,42) mg/lt εκροή νιτρικών από τη δεξαμενή = 2 mg/lt MLVSS = 2000mg/lt Θερμοκρασία = 12 ο C ιαλυμένο οξυγόνο = 0,15mg/lt R DN20 = 0,10d -1 11. Μετατροπή οργανικού υλικού σε αέριο μεθάνιο. Προσδιορίστε το ποσό του μεθανίου που παράγεται ανά pound UBOD το οποίο σταθεροποιείται σε μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα. Υποθέστε ότι η αρχική ένωση είναι η γλυκόζη (C 6 H 12 O 6 ). 12. ιαστασιολόγηση ενός πλήρους ανάμιξης αναερόβιου χωνευτή. Υπολογίστε το μέγεθος ενός πλήρους ανάμιξης χωνευτή που απαιτείται για την επεξεργασία λάσπης από μία μονάδα πρωτογενούς επεξεργασίας σχεδιασμένης να επεξεργάζεται 1,0Mgal/d (3800m 3 /d) οικιακών αποβλήτων. Ελέγξτε το ρυθμό φόρτωσης οργανικών και εκτιμήστε το
ποσό του μεθανίου και του συνολικού χωνευτή αερίου που παράγεται σε standard συνθήκες. Θερμοκρασία λειτουργίας = 36 ο C Οργανικό υλικό που απομακρύνεται ανά Mgal αποβλήτων = 1200lb. COD TSS που απομακρύνεται ανά Mgal αποβλήτων = 1200 lb (τα στερεά είναι περίπου 70% βιοαποικοδομίσημα και ο συντελεστής μετατροπής από μάζα κυττάρων σε COD είναι 1,42. Παρόλα αυτά ο συνολικός συντελεστής μετατροπής από TSS σε COD είναι 0,70*1,42 = 1,0) Υγρασία λάσπης (κατά βάρος) = 96% Ειδικό βάρος λάσπης = 1,025 Υποθέστε τις κινητικές σταθερές : k = 1,4d -1, K s = 2000mg COD/lt, Y = 0,1mgVSS/ mg COD, k d = 0,03d -1 Χρησιμοποιήστε ένα συντελεστή ασφαλείας 2,0 για να υπολογίσετε τον απαιτούμενο όγκο του χωνευτή. Η λάσπη περιέχει επαρκώς άζωτο και φώσφορο για βιολογική ανάπτυξη.