21750080 tehnologije za zastitu okolisa technology for environmental protection
DESCRIPTION
Zastita zivotne sredineTRANSCRIPT
Tehnologije za zaštitu okoliša – prirodne sredine
SADRŽAJ :
1. Uvodna određenja (terminologija, uslovi nastajanja, vrste osobine i izvori
zagađujućih komponenti)...............................................................................5
1.1. Uslovi nastajanja, vrste i izvori zagađujućih komponenata.....................6
2. Zaštita voda....................................................................................................21
2.1. Granične vrednosti imisije (GVI)...........................................................22
2.2. Klasifikacija voda..................................................................................24
2.3. Ispitivanje zagađenosti voda................................................................26
2.4. Procesi, uređaji i postrojenja za preradu otpadnih voda......................26
2.4.1. Mešači i uređaji za osrednjavanje karakteristika otpadnih
voda............................................................................................30
2.4.1.1. Proračun mešača sa nepotpunim pregradama..........31
2.4.1.2. Proračun mešača sa pregradama sa otvorima..........32
2.4.2. Primena procesa taloženja i kristalizacije pri tretmanu
otpadnih voda............................................................................37
2.4.2.1. Taložnici.....................................................................37
2.4.2.1.1. Proračun horizontalnih taložnika.....................37
2.4.2.1.2. Proračun radijalnih taložnika...........................39
2.4.2.1.3. Proračun vertikalnih taložnika.........................39
2.4.2.2. Kristalizacija...............................................................41
2.4.2.2.1. Proračun procesa kristalizacije........................43
2.4.2.2.2. Kristalizatori.....................................................47
2.4.3. Primena procesa uparavanja, isparavanja, ekstrakcije i
Aeracije pri tretmanu otpadnih voda..........................................49
2.4.3.1. Uparavanje.................................................................49
2.4.3.2. Isparavanje.................................................................52
- 2 -
2.4.3.3. Izdvajanje isparljivih komponenata pomoću vodene
pare............................................................................55
2.4.3.4. Ekstrakcija..................................................................57
2.4.3.5. Aeracija......................................................................60
2.4.4. Procesi adsorpcije, neutralizacije, mutacionog filtriranja,
flotacije i biološkog prečišćavanja pri tretmanu otpadnih voda..62
2.4.4.1. Adsorpcija..................................................................62
2.4.4.2. Neutralizacija..............................................................71
2.4.4.3. Flotacija......................................................................73
2.4.4.4. Biološko prečišćavanje...............................................76
2.4.5. Prerada produkata iz procesa prečišćavanja voda....................80
3. Otpad..............................................................................................................85
3.1. Masa otpada.........................................................................................85
3.2. Karakteristike otpada............................................................................87
3.3. Vrste procesa i postrojenja za uklanjanje otpada.................................97
3.3.1. Biološki postupci prerade otpada...............................................97
3.3.2. Termički postupci prerade otpada...........................................101
3.3.2.1. Sagorevanje čvrstog otpada....................................101
3.3.2.1.1. Istorijat i osnovne karakteristike procesa
sagorevanja otpada...................................102
3.3.2.1.2. Emisija zagađujućih materija iz postrojenja
za sagorevanje otpada..............................108
3.3.2.2. Piroliza čvrstog otpada.............................................109
3.3.2.3. Gasifikacija čvrstog otpada......................................111
- 3 -
1. UVODNA RAZMATRANJA, USLOVI NASTAJANJA, VRSTE,
OSOBINE I IZVORI ZAGAĐUJUĆIH KOMPONENTI
Razvoj privredne delatnosti jedne zemlje uzrokuje emitovanje zagađujućih kompone-
nata u atmosferu. Apsolutno čista atmosfera se ne može postići. Sastav atmosfere zavisi od
fizičkih, hemijskih i bioloških procesa koji se odvijaju u prirodi.
Şpoljni vazduh zauzima vazduh u troposferi. To je donji deo atmosfere koji je i najgušći. U
troposferi se akumulira oko 80% ukupne mase vazduha. Troposfera je najtanja u polarnim
krajevima (oko 8km), a najdeblja na ekvatoru (oko 16km). Na našoj geografskoj širini dostiže
visinu oko 12km. Troposfera sadrži znatne količine vlage i predstavlja središte vremenskih
promena. Iznad troposfere nalazi se stratosfera koja se prostire do visine 50km. Sadrži male ali
veoma bitne količine ozona koji nas štiti od štetnih zračenja iz svemira. Vazduh se sastoji od
(molskih -zapreminskih udela) : azota, kiseonika, inertni gasovi, ugljen-dioksid, vodonik
(slika1.1).
Azot,N2, 78,12%
Kiseonik,O2, 20,90%
Inertni gasovi, 0,94%
Ugljendioksid,CO2, 0,03%
Vodonik,H2, 0,01%
Slika 1.1. Satav atmosfere u zavisnosti od molskih udela pojedinih komponenata
- 4 -
U tragovima se mogu sresti komponente sa molskim udelima ispod 0,0001% , a to su:
CO,O3,CH4,NOx,NH3.
Pri inženjerskim i praktičnim proračunima mogu se bez većih grešaka usvojiti zapreminski udeli
azota od 79% i kiseonika od 21%.
Zagađujuće komponente imaju štetan uticaj na čoveka, životinje, biljke i objekte, vazduh itd.
Stepen uticaja zavisi od karakteristika zagađujućih komponenata, njene koncentracija, vremena
uticaja itd.
Najvažnije gasovite komponente koje ugrožavaju čovekovo zdravlje su: sumpor-dioksid,
sumpor-vodonik, merkaptan, ugljen-monoksid, oksidi azota i halogeni.
Na životinje zagađujuće komponente utiče različito.Unose se udisanjem vazduha, korišćenjem
stočne hrane i vode.
Čvrste i gasovite zagađujuće komponente stvaraju štete kod biljaka (utiču na rast biljaka, na
prinos roda i na prirodnu ravnotežu i na bogatstvo voda u tlu).
1.1. USLOVI NASTAJANJA, VRSTE I IZVORI ZAGAĐUJUĆIH
KOMPONENATA
Zagađujuće komponente mogu se podeliti prema:
1) mestu nastanka (izvora)
2) agregatnom stanju
3) posledicama prisustva zagađujućih komponenata u atmosferi.
1) Najveći udeo zagađujućih komponenti potiče iz proizvodnje energije. U Srbiji
glavni nosilac primarne energije jeste lignit. Naši ligniti imaju relativno visok maseni udeo
sumpora i pepela. Sagorevanju lignita u ložištima termoenergetskih postrojenja posebno
termoelektrana nastaje znatna emisija pepela i gasovitih zagađujućij kopmonenti. Od
zagađujućih komponenti na prvom mestu spada sumpor-dioksid. Koja će količina sumpora u
uglju preći u SO2 i sa dimnim gasovima otići u atmosferu zavisi od fiše faktora:
• masenog udela ukupnog sumpora u uglju (piritni, organski, sulfatni)
• masenog udela balastnih materija u uglju (vlage i pepela)
- 5 -
• sastava mineralnih materija (pepela)
• temperature kod procesa sagorevanja uglja
• kao i od načina vođenja procesa.
Hemijska industrija i industrija prerade uglja takođe predstavlja značajne izvore gasovitih
zagađujućih komponenata. Tu su još metalurška industrija, farmaceutska industrija,
automobilska industrija itd.
Najveći deo zagađujućih komponenata u naseljenim mestima potiče iz ložišta za individualno
grejanje. Ložišta emituju CO, SO2, SO3, NO, NO2, pepeo, čađ.
Razvojem poljoprivrede povećava se broj izvora zagađujućih komponenata.
U tabeli 1.1. dat je pregled najznačajnijih izvora zagađujućih komponenata. Ovakve i slične
tabele neophodne su pri projektovanju procesa i opreme u cilju sagledavanja prisustva mogućih
zagađujućih komponenata na izlazu iz procesa. Ova tabela ima opšti pregled. Svaka industrija
ima svoje specifičnosti.
Emisija zagađujućih komponenata zavisi od tehnologije procesa, eksploatacionih karakteristika
postrojenja. Najvažniji uzroci nastajanja zagađujućih komponenata u industriji prikazani su na
slici 1.2.
Tabela 1.1. Zagađujuće komponente i nihovo poreklo
Čvrste čestice
Gasovite komponente
Jedinjenja sumpora
Organska jedinjenja
Oksidi azota
Ugljen monoksid
Halogena jedinjenja
Miri
si
Izvori
Bez
opa.
po
zdra
vlje
Opa
sne
po
zdra
.vlje
SO2 SO3
H2S CS2 CmHm NOx CO Cl,HCl, F,HF
-
Energetika x x x x Hemijska industrija
x x x x x x x x x x
Industrija prerade uglja
x x x x x
Industrija cementa
x x x
Metalurška industrija
x x x x x x x
Transportna x x x x x x
- 6 -
sredstva Poljoprivreda x x x Ložišta za individualno grejanje
x x x x x x
2) Prema agregatnom stanju, zagađujuće komponente mogu se podeliti na: čvrste, tečne i
gasovite.
Čvrste čestice mogu se grupisati prema različitim karakteristikama: dejstvu na okolinu, fizičko
hemijskim karakteristikama ili prema njihovom poreklu.
Ponašanje čvrstih čestica može se definisati prema sledećim karakteristikama:
HEMIJSKE REAKCIJE I SAGOREVANJE
SPECIFIČNI POSTUPCI
SIGURNOSNA VENTILACIJA
POČETAK I ZAVRŠETAK
RADA POSTROJENJA
Slika 1.2. Uzroci nastajanja zagađujućih komponenata u industriji
UZROCI NASTAJANJA ZAGAĐUJUĆIH KOMPONENATA
UPARAVANJE ISPARAVANJE
KONDEN- ZACIJA
MEŠANJE RASPRA- ŠIVANJE
SEJANJE KLASIRANJE
TRANSPORT. SKLADIŠTENJE
NEZAPTIVENOST RAD POSTROJENJA
VAN PROJEKTOVANIH KAPACITETA
OČEKIVANE GREŠKE HAVARIJE
- 7 -
• geometrijske karakteristike (granulometrijski sastav, oblik zrna, specifična površina)
• fizičke karakteristike (brzina taloženja, stvarna gustina, nasipna gustina, tvrdoća,
električna provodljivost,...)
• fizičko-hemijske karakteristike (rastvorljivost, higroskopnost, sposobnost kvašenja,
hemijski sastav,...)
• minerološke karakteristike (sastav pojedinih frakcija i faza)
• fiziološke karakteristike (toksičnost, štetnost za disajne organe,...).
Rasprostiranje i taloženje čvrstih čestica u atmosferi i njihovo izdvajanje iz nosećeg gasa (fluida)
može se odrediti korišćenjem brzine taloženja čestice u gravitacionom polju Zemlje i to prema
izrazu:
,,)(
3
4
s
mgssdtw
ρζ
ρρ
⋅
⋅−⋅⋅= (1.1)
gde su:
ρs – gustina čestice, kg/m3,
ρ – gustina fluida, kg/m3,
g – ubrzanje zemljine teže, m/s2,
ds – prečnik čestice, m,
ξ – koeficijent otpora,- .
Koeficijent otpora ξ zavisi od karakteristika fluida i određuje se u zavisnosti od Rejnoldsovog
(Reynolds) broja Re.
• Pri laminarnom režimu Re < 2 koeficijent otpora ξ može se odrediti korišćenjem formule
Stoksa (Stokes):
,,Re
24−=ζ
µ
ρ sdtw ⋅⋅=Re . (1.2)
Tada je brzina padanja (taloženja) čestice:
s
mgssd
tw ,)(2
18
1
µ
ρρ ⋅−⋅= (1.3)
- 8 -
gde je: µ – dinamička viskoznost sredine, Pa·s.
• U oblasti 2< Re < 500 (prelazni režim) može se primeniti formula Ozena (Oseen):
.,6,0Re
5,18−=ζ (1.4)
pa se brzina taloženja čestice može približno odrediti pomoću izraza:
43,0285,0
715,0)(43,078,0
µρ
ρρ
⋅
−⋅⋅= ssd
tw . (1.5)
• U turbulentnoj oblasti 500<Re<2·10 5 je ξ = 0,44, pa se brzina taloženja čestice određuje
pomoću izraza:
ρ
ρρ
ρ
ρρ )(46,5
)(74,1
−⋅⋅=
⋅−⋅⋅= ssdgssd
tw . (1.6)
Za čestice čiji su prečnici reda veličine dužine slobodnog puta molekula gasa,
Stoksova jednačina (jednačina (1.3)) se mora korigovati Kaningemovim (Cunningham)
popravnim faktorom Cu :
s
m
sdAtwuCtwsw ),21(
λ⋅⋅+⋅=⋅= , (1.7)
gde su:
A – konstanta (ima vrednost 0,8 – 0,9 za gasove pri 1,013·105Pa i t = 0°C),
λ – srednji slobodan put molekula,m.
Ako su u pitanju čestice loptastog oblika i ako se pretpostavi da se njihovo taloženje odvija u
nepokretnoj, beskonačno velikoj sredini, tj. da je u pitanju slobodno, a ne ometano taloženje
(što je korektno u slučaju usamljenih čestica), algoritam izračunavanja brzine taloženja u slučaju
da je prečnik čestice poznat ima oblik:
1. odredi se Arhimedov broj:
- 9 -
,2
)(3
µ
ρρρ gssdrA
⋅⋅−⋅= (1.8)
2. sa dijagrama (slika 1.3) se na osnovu izračunatog Ar broja očitava vrednost Ljašenkovog
Ly ili Rejnoldsovog Re broja i na osnovu očitanih vrednosti računa brzina taloženja
čestice:
3 2)(
ρ
ρρµ gsLytw
⋅−⋅⋅= , (1.9)
ili pomoću izraza:
sd
eRtw
⋅
⋅=
ρ
µ, (1.10)
pri čemu su korišćeni sledeći kriterijumi:
µ
ρ sdtweR
⋅⋅= , (1.11)
.)(
23
ρρµ
ρ
−⋅⋅
⋅=
sg
twyL (1.12)
Prečnik čestice koja se taloži poznatom brzinom određuje se obrnutim redosledom. Prvo se
računa Ljašenkov broj, a zatim iz dijagrama (Prilog I) očitava kriterijum Arhimeda, na osnovu
koga se proračuna vrednost prečnika za česticu loptastog oblika:
3 .,)(
2m
gs
Arsd
⋅⋅−
⋅=
ρρρ
µ (1.13)
Bezdimenzionalne veličine koje se koriste pri određivanju efektivnosti uređaja za izdvajanje
čestica iz gasova su:
• Rejnoldsov broj (predstavlja odnos veličina sila inercije i sila viskoznosti u struji fluida)
• Rejnoldsov broj za česticu (karakteriše kretanje čestice u struji gasa)
- 10 -
• Knudsenov broj (karakteriše kretanje čestice i predstavlja odnos dužine slobodnog puta
molekula gasa i prečnika čestice)
• popravni koeficijent Kaningema (obuhvata kretanje čestica za slučaj bez sudaranja sa
molekulama gasa – čestice malog prečnika i razređeni gasovi)
• Stoksov broj (uzima u obzir uticaj na česticu sile zemljine teže i sila viskoznosti).
Čvrste čestice mogu se uslovno podeliti na:
• inertne čvrste čestice (ugljeni prah, čestice sa sadržajem silicijuma)
• čvrste čestice sa sadržajem teških matala (Cu, Zn, As, Ag, Cd, Sn, Pb,Hg, imisione
vrednosti za Cd kreću se u granicama 0,02 – 0,2 mkg/m3)
• vlaknaste čvrste čestice (azbestni prah, zakonske norme već predviđaju zabranu
proizvodnje i primene proizvoda od azbesta)
• čvrste čestice sa sadržajem jedinjenja polickličnih ugljovodonika (dioksini, furani, ova
jedinjenja nastaju pri sagorevanju otpada sa sadržajem hlora, dopuštene emisione
vrednosti za ove čestice su reda veličine 0,1ng/m3).
Tehnički prahovi (čvrste čestice) mogu se klasifikovati i prema drugim kruterijumima npr.
tehnološkim karakteristikama kao:
• ugljeni prah
• ugljenik u vidu nesagorelog finog praha, letećeg koksa i čađi
• prahovi metala i oksidi metala
• leteći pepeo
• prahovi vezivnih sredstava (cement, kreč, gips,...)
• prahovi iz prehrambene industrije
• organski prahovi iz hemijske industrije
• neorganski prahovi iz hemijske industrije
• mešavine prahova uključujući i prahove iz poljoprivrede.
Ugljeni prah i leteći pepeo su od posebnog ineresa za inženjersku praksu. Sagorevanjem uglja u
ložištima termoenergetskih postrojenja (termoelektrane, toplane) emituju se velike količine
pepela koji se zbog lošeg rada (niskog stepena izdvajanja pepela u elektrofilteru) dospijevaju u
atmosferu i zagađuju okolinu.
- 11 -
Na primer rezultati ispitivanja elektrofiltra u TE Obrenovac ukazuju na visok zapreminski maseni
udeo pepela u dimnim gasovima koji odlaze u atmosferu od oko 2500 mg/m3 (blok A1 i A2) što
je 50 puta više od zakonom propisanih vrednosti za emisiju letećeg pepela od 50 mg/m3 .
Udeo isparljivih komponenata (Cisp+H+O+N) u uglju u znatnoj meri utiče na emisiju letećeg
pepela i čađi. Na primer za ugljeve sa sadržajem isparljivih komponenata iznad 15% ne
preporučuje se sagorevanje na nepokretnoj rešetki. Ugljeve sa visokim sadržajem isparljivih
komponenata bolje je sagorevati u sprašenom stanju, u ložištima sa pokretnom rešetkom.
Količina i sastav gorivih isparljivih materija zavise od niza uticajnih veličina:
• vrste uglja
• brzine zagrevanja
• temperature
• vremena itd.
Donja toplotna moć gorivih isparljivih materija može se odrediti pomoću izraza:
./,,8339,46
)4262(5,47401,5011,10298,119,
kgMJnHmCnHmCdHHC
HCHCCHCOHdvolH
⋅+⋅
++⋅+⋅+⋅+⋅= (1.14)
Problem primene jednačine (1.14) jeste u tome što sastav gorivih isparljivih komponenata većine
ugljeva nije poznat i zahtevaju dugotrajna i specifična istraživanja.
Gasovite zagađujuće komponente mogu se svrstati u sledeće važnije grupe:
• jedinjenja sumpora
• jedinjenja azota
• jedinjenja kiseonika
• organska jedinjenja
• halogeni i jedinjenja halogena
• mirisi.
Jedinjenja sumpora uglavnom se emituju kao SO2, SO3,H2S i merkaptani. Inače, sumpor gradi
veći broj oksida, a od praktičnog značaja su SO2 i SO3.
Sumpor – dioksid (SO2) nastaje pri procesima sagorevanja uglja, nafte, zemnog gasa. Zbog
svoje gustine 2,93kg/m3 pri 1,013·105Pa i 0°C koncentriše se u prizemnim slojevima atmosfere
- 12 -
izazivajući ekološke probleme. Neznatan deo oko 5% emitovanog SO2 u atmosferu osidiše u
SO3 i sa vlagom iz vazduha stvara sumpornu kiselinu, što onda dovodi do pojave kiselosti
kišnice (kiselih kiša), reka i jezera. Sumpor – dioksid je bezbojan, otrovan i korozivan gas oštrog
mirisa.
Nastajanje SO2 odvija se prema reakciji :
),(2)(2)( gSOgOsS ⇔+ , ./297 molkJH −=∆ (1.15)
U tabeli 1.2 prikazane su fizičke osobine SO2, a na slikama 1.3 -1.5 fizičko hemijske osobine.
Tabela 1.2. Fizičke osobine SO2
Temperatura topljenja pri 1013mbar -75,50 C
Toplota topljenja 115,6 J/g
Dinamička viskoznost pri 00 C 368 PaS
Gustina pri - 100 C 1,46 g/cm3
Kritična gustina 0,525 g/cm3
Kritični pritisak 78,8bar
Kritična temperatura 157,50 C
Gustina pri 00 C i 1013 mbar 2,93 kg/m3
Entalpija stvaranja (pri standardnim uslovima) - 297,01 kJ/mol
Specifični toplotni kapacitet Cp pri 00 C i 1013 mbar 586 J/kg K
Specifični toplotni kapacitet Cp pri 1000 C i 1013 mbar 662 J/kg K
Specifični toplotni kapacitet Cp pri 3000 C i 1013 mbar 754 J/kg K
Specifični toplotni kapacitet Cp pri 5000 C i 1013 mbar 816 J/kg K
Cp/CV pri 150 C i 1013 mbar 1,29
- 13 -
Slika 1.3. Napon pare SO2 u zavisnosti Slika 1.4. Rastvorljivost SO2 u
od temperature sumpornoj kiselini pri 1,013·105Pa
Slika 1.5. Rastvorljivost SO2 u vodi u zavisnosti od
parcijalnog pritiska SO2
Stvaranje sumpor-trioksida može se predstaviti reakcijom:
,gO3 SgO2
1 + gSO )()(2)(2 =⋅ 0kJ99 - = H ,∆ (1.16)
Zavisnost konstante ravnoteže reakcije stvaranja SO3 od temperature može se prikazati
formulom:
- 14 -
, - T + T
= K p 25,9log611,05,5186
log ⋅ (1.17)
gde su:
T - apsolutna temperatura pri kojoj se odvija hemijska reakcja, K,
p 50O2
pO2S
pO3S
= K p ,⋅
- konstanta ravnoteže pri konstantnom pritisku u reaktorskom
prostoru, Pa - 0.5,
pO3S ,p
O2 ,p
O2S- parcijalni pritisak sumpor-dioksida, kiseonika i sumpor
trioksida u ravnotežnoj smeši, Pa.
U odsustvu katalizatora reakcija stvaranja SO3 protiče veoma sporo. Kao katalizator se u industriji
koristi sundjerasta platina V2O5. Sumpor-trioksid burno reaguje sa vodom uz nastajanje sumporne
kiseline. Reakcija teče po formuli:
. kJ 5132 - = H ,tO4SH 2 OH 2 (t) + gO3S ,)()( ∆→ (1.18)
Fizičke osobine sumpor-trioksida prikazane su u tabeli 1.3.
Tabela 1.3. Fizičke osobine SO3
Gasoviti SO3:
Gustina pri 100 C i 1013 mbar
Specifični toplotni kapacitet Cp pri 1000 C
i 1,013 ·105 Pa
Specifični toplotni kapacitet Cp pri 5000 C i 1,013 ·105 Pa
3,57 g/l
2,543 kJ/(m3·K)
3,191kJ/(m3·K)
Tečni SO3:
Gustina pri 250 C
Tačka ključanja pri 1013 mbar
Toplota isparavanja
Pritisak pare pri 200 C
Pritisak pare pri 300 C
Pritisak pare pri 500 C
Pritisak pare pri 1000 C
Kritična temperatura
Kritični pritisak
1,9 g/cm3
44,80 C
538 J/g
0,26 bar
0,47 bar
1,32 bar
8 bar
217,70 C
81,9 bar
- 15 -
Sumpor-vodonik se emituje iz rafinerija nafte i ima ga u zemnom gasu. Javlja se u sva tri
agregatna stanja: gasovitom, tečnom i čvrstom. Osobine sumpor-vodonika prikazane su u
tabelama 1.4 do 1.6. Rastvorljivost H2S u vodi nije velika. Pri temperaturi od 1000 C i pritisku 5,06
bar rastvorljivost H2S u vodi iznosi oko 3,5 cm3 H2S/ (g H2O), (slika 1.6).
Tabela 1.4. Fizičke osobine H2S
Molarna masa 34,080 kg/kmol
Tačka topljenja - 85,60 C
Tačka ključanja pri 1010,8 mbar - 60,40 C
Kritična temperatura 100,380 C
Kritični pritisak 90,05 bar
Kritična gustina 0,349 g/cm3
Gustina pri 00 C i 1010,8 mbar 1,539 g/cm3
Koeficijent kompresibilnosti pri 00 C 1,012
Toplota topljenja 18,673 kJ/mol
Specifični toplotni molarni kapacitet
pri konstantnom pritisku i 250 C
34,22 J/(mol K)
Molarna entropija pri 250 C 205,5 J/(mol K)
Entalpija veze pri 250 C -20,7 kJ/mol
Slobodna entalpija veze -33,0 kJ/mol
Tabela 1.5. Osobine tečnog H2S
Tačka topljenja za različite vrednosti pritiska
t, 0 C -72,8 -60,6 -46,1 -22,4 -0,8 24,8
p, bar 0,5 1 2 5 10 20
Gustina za različite vrednosti temperature
ρ , g/cm3 0,903 0,871 0,825 0,787 0,741 0,680
t, 0 C -47 -28 0 20 36 58
- 16 -
Slika 1.6. Rastvorljivos H2S u vodi u zavisnosti od temperature
Tabela 1.6. Koeficijent rastvorljivosti H2S u vodi u zavisnosti od temperature
Sumpor-vodonik nastaje reakcijom vodonika i sumpora. Ova reakcija može se prikazati formulom:
).(2)(22
1)(2 gSHgSgH ⇔⋅+ (1.19)
Konstanta ravnoteže Kp i log Kp za navedenu reakciju stvaranja H2S u zavisnosti od temperature
prikazana je u tabeli 1.7.
U grupu azotnih oksida spadaju: NO,NO2,N2O3,N2O4. Oksidi azota nastaju pri visokim
temperaturama u ložištima i potiču uglavnom od azota iz vazduha koji je potreban za sagorevanje.
Oksidi azota uglavnom se emituju iz postrojenja za proizvodnju azotne kiseline. Amonijak (NH3)
Koeficijent rastvorljivosti H2S
λ , m3/(g·bar) 4,53 2,355 1,62 1,17 0,91 0,81
t, 0 C 0 21 40 60 80 100
- 17 -
prouzrokuje štetnosti samo u blizini emisionog izvora. Znatno povećanje koncentracije NO u
dimnim gasovima javlja se pri temperaturama iznad 1400°C.
Tabela 1.7. Konstanta ravnoteže reakcije stvaranja
H2S u zavisnosti od temperature
Temperatura, K Kp, Pa-0.5 log Kp
400 0,026 10-10 - 11,58
500 0,006 10-7 - 9,22
600 0,019 10-6 - 7,72
800 0,017 10-4 - 5,77
1000 0,024 10-3 - 4,62
1200 0,015 10-2 - 3,82
1500 0,009 10-1 - 3,05
1800 0,031 10-1 - 2,51
Najvažnije jedinjenje kiseonika je ugljen – monoksid (CO). Uglavnom je prisutan u dimnim
gasovima iz motornih vozila i iz postrojenja hemijske industrije. Uslovi za smanjenje emisije CO
su: prisustvo viška molekularnog kiseonika (vazduha), visoka temperatura (iznad 900°C) i
dovoljno vreme zadržavanja reagujućih komponenata u zoni visokih temperatura.
Jedinjenja hlora i fluora su predstavnici halogenih zagađujućih komponenata. Fluor – vodonik
(HF) deluje toksično i veoma agresivno već u malim koncentracijama. najčešće se emituje pri
proizvodnji fosfatnih đubriva, u industriji keramike, aluminijuma i ciglanama.
Hlor (Cl2) i hlorovodonik (HCl) sreću se u proizvodnji hlora i hlorovodonika. Ugljen – dioksid (CO2) i vodena para (H2O) su sastavni delovi vazduha i uslovno se ne
ubrajaju u zagađujuće komponente. Kao emisija iz postrojenja za transformaciju energije znatno
opterećuju atmosferu. Godišnja emisija CO2 izražena kao emisija ugljenika iznosi 3·1016g iz
procesa fotosinteze i 4·1015g iz procesa sagorevanja.
- 18 -
Mirisi takođe deluju štetno i deluju kao opterećenje. Nastaju pre svega iz biološki otpadaka.
Nastaju i u industrijskim granama kao što su prerade biljnih i životinjskih proizvoda (pržionice
kafe), kompostiranje smeća, industrija celuloze, stočarske farme,...
Zagađujuće komponente u atmosferi mogu da izazivaju ozbiljne posledice. Na primer gasovi
CO2, CO, CH4, oksidi azota čine takozvane gasove staklene bašte. Povećanje koncentracije
ovih gasova u atmosferi utiče na smanjenje debljine ozonskog omotača i povišenja temperature
na zemlji.
Postoji veliki broj jedinjenja na koje treba obratiti pažnju zbog štetnih posledica. Neke
komponente su izuzetno opasne po zdravlje ljudi kao što su: živine pare, vinilhlorid, benzol i za
njih postoke posebni kriterijumi kontrole.
Svaki proces proizvodnje energije i materijala mora imati odgovarajuće tehničke mere za
smanjenje emisije zagađujućih komponenata u životnu sredinu. Emisije (knocentracije)
zagađujućih komponenata u atmosferu moraju biti u granicama zakonom propisanih vrednosti. U
prilogu II prikazane su granične vrednosti zapreminske masene koncentracije SO2 u nekim
zemljama Evrope i Srbije.
Emisija čvrstih čestica u dimnim gasovima (pri 1,013·105Pa i 0°C) ne sme da prekorači:
• 50 mg/m3 kod postrojenja toplotne snage od 5 MW i više
• 150 mg/m3 kod postrojenja toplotne snage ispod 5 MW.
Emisija CO2 ne sme da prekorači 0,25 g/m3, a emisija organskih jedinjenja ne sme da prekorači
50 mg/m3 .
Emisija azotnih oksida u dimnim gasovima ne sme da prekorači 0,30 g/m3.
Detaljnije o graničnim vrednostima emisije zagađujućih komponenata može se videti u
odgovarajućoj literaturi.
2. ZAŠTITA VODA
Prema proceni, na zemlji ima oko 1,4 milijardi km3 vode, od čega 97,2% otpada na slanu vodu
mora i okeana. Dalje, na polovima i planinama nalazi se oko 2% vode stalno zamrznute u led.
Na zemlji nalazimo samo oko 0,8% od ukupne količine rezervi slatke vode, kao površinske i
- 19 -
podzemne, koje su u stalnom pokretu - od isparavanja, do padavina i rečnih tokova, jezera i
mora. Ovo kruženje je ujedno efikasan način za prečišćavanje voda.
Danas se potrošnja vode kreće od 10 do 1500 l/dan po stanovniku dok u slučajevima visokog
standarda potrošnja dostiže i 3000 l/dan po stanovniku. U mnogim sredinama suočeni smo sa
nedostatkom kvalitetne vode. R
Izvori zagađenja voda su raznoliki. To su:
• ljudski i životinjski otpadni materijali
• prodiranje veštačkih đubriva u podzemne vode
• prodiranje otpadnih voda iz neuređenih deponija smeća
• otpadne vode iz industrije
• kanalizacione otpadne vode.
U javnu kanalizaciju ne smeju se puštati otpadne vode iz bolnica, klaonica, veterinarskih stanica,
kafilerija i sličnih ustanova, ako nisu prethodno dezinficirane, kao i otpadne vode koje mogu
štetno uticati na instalacije, građevine i uređaje javne kanalizacije.
Ugroženost površinskih voda toplotnim opterećenjem se uglavnom zanemaruje. Pri povišenim
temperaturama smanjuje se masa kiseonika u vodi, što se negativno odražava na biološke
procese samoprečišćavanja.
Opasne zagađujuće komponenete u vodama su: organske materije i lako isparljivi derivati nafte,
pesticidi, hrom ,bakar,cink, nikal, gvožđe, olovo, deterdženti i sl. Veća koncentracija ovih
komponenata u vodi uzrokuje štetna dejstva na zdravlje ljudi.
2.1. GRANIČNE VREDNOSTI IMISIJE (GVI)
Da bi voda (vazduh) bila upotrebljiv za piće (disanje) i uopšte za ljudsku upotrebu, mora imati
određene osobine, tj. određene sastojke, a ne sme imati neke druge sastojke preko određene
granice. Granica koja određuje maksimalno dozvoljenu količinu neke štetne materije u jedinici
zapremine posmatrane sredine naziva se Granična vrednost imisije (GVI). Očigledno je da je
GVI po svojoj suštini NORMA KVALITETA, granica tolerisanja. Najčeše se primenjuje na vodu,
- 20 -
vazduh u atmosferi i radnim prostorijama, na životne namirnice, radioaktivno zračenje i drugo.
Utvrđivanje granične vrednosti može da bude vremenski ograničeno. Granične vrednosti
definisane su raznim zakonskim propisima kao što su:
• pravilnik o opasnim materijama u vodama, Sl. Glasnik SRS, 31/82
• pravilnik o tehničkim i sanitarnim uslovima za upuštanje otpadnih voda u
gradsku kanalizaciju, Sl. List Grada Beograda 5-224/98
• pravilnik o higijenskoj ispranosti vode za piće, Sl. List SRJ 42/98.
Granične vrednosti štetnih materija za vodu prikazane su u prilogu III. Pokazatelji štetnog dejstva komponenata u otpadnoj vodi su:
• organoleptički (komponente koje daju vodi boju, neprijatan ukus i miris)
• opšte – sanitarni (komponente koje imaju sposobnost samoprečišćavanja kao što su:
bakar, cink, hrom, deterdžent)
• sanitarno – toksični (za komponente koje imaju toksično deijstvo kao što su: živa, olovo,
cijanid,arsen).
Industrijaske otpadne vode imaju baznu reakciju (kiselu reakciju zbog fermentacionih procesa)
pH<7, dok komunalne vode imaju baznu reakciju pH>7. Zbog toga je moguće puštanje
industrijskih otpadnih voda u kanalizacionu mrežu komunalnih otpadnih voda.
Glavni zagađivač vode otpadnom toplotom jesu termoelektrane, a u manjoj meri termički procesi
u rafinerijama nafte, u hemijskoj industriji i crnoj metalurgiji.
Zagađujuće komponente u vodama mogu se podeliti na:
• komponente koje se u vodi ne razgrađuju i uglavnom ostaju u vodi
• komponente koje se razgrađuju u vodi i postepeno iščezavaju iz vode.
U prvu grupu uglavnom spadaju neorganske komponente. Kako se ove komponente ne
razgrađuju u vodi, proračun dopuštenih koncentracija komponenata u otpadnoj vodi pre ulivanja
u vodotok nije veliki problem.
- 21 -
Proračun dopuštenih koncentracija komponenata koji spadaju u drugu grupu je prilično složen.
Koncentracija ovih komponenata u otpadnoj vodi zavisi od intenziteta i brzine procesa
samoprečišćavanja. Najvažniji činioci samoprečišćavanja vode jesu aerobne bakterije koje
razgrađuju orgnske komponente uz potrošnju kiseonika. Stepen aktivnosti ovih bakterija zavisi
od:
• temperature vode
• prisustva toksičnih komponenata u vodi koje mogu usporiti ili čak zaustaviti proces
samoprečišćavanja
• od procesa fotosinteze
• od turbulencije strujanja vode i drugih faktora.
Manjak kiseonika u vodama reka i jezera je poguban za opstanak riba. Minimalna zapreminska
masena koncentracija kiseonika rastvorenog u vodi je 5 mg/l.
Hlor u vodi je veoma otrovan. Pri koncentraciji 0,1 do 0,2 mg/l uništava riblju mlađ i rakove.
Koncentracija amonijaka od 0,2 mg/l deluje toksično na mlađ pastrmke, 0,8 mg/l na šarana, 2
mg/l na crve u mulju i 9,2 mg/l na larve insekata.
Koncentracija deterdženta od 20 do 25 mg/l dovodi do pomora riba za 6 časova.
Izbor tehnološkog procesa prečišćavanja otpadnih voda zavisi od mesta njihovog nastajanja
(komunalne i industrijske otpadne vode) i mogućnosti recipijenta (prijemnika). Pre početka
projektovanja postrojenja potrebno je uzeti reprezentativne uzorke otpadne vode i vode iz
raspoloživog recipijenta, pa prema rezultatima fizičko – hemijskih analiza uzoraka (boja, miris,
suspendovane komponente, pH, temperatura) pristupi određivanju stepena prečišćavanja
otpadne vode, a zatim projektovanju i izgradnji postrojenja.
2.2. KLASIFIKACIJA VODA Prema literaturnim podacima vode se mogu podeliti na:
• vode I klase su najčistije prirodne vode, izvorišta reka i njihovi gornji tokovi.
Upotrebljavaju se za piće ili u prehrambenoj industriji. Naseljavaju ih plemenite vrste riba
(salmonidi). Nemaju miris, vidljivu boju niti otpadne tvari.
- 22 -
• vode II klase su još uvek relativno čiste. Mogu se koristiti za rekreaciju i uz određeno
prečišćavanje za snabdevanje gradova vodom. Ne smeju imati miris ni boju, a ostali
pokazatelji su navedeni u tabeli 2.1.
• vode III klase su zagađene prolaskom kroz gusto naseljene i industrijske oblasti. Imaju
miris i vidljivu boju, ali se još uvek mogu koristiti u poljoprivredi i nekim granama
industrije. Pokazatelji za ove vode imaju znatno više granične vrednosti.
• vode IV klase su sve one vode koje ne spadaju u prethodne tri klase. Vrlo su zagadjene i
moraju se prečišćavati ako se hoće upotrebljavati u odredjene svrhe.
Tabela 2.1. Pokazatelj kvaliteta voda
Klasa
I II III IV
Rastvoreni O2 mg/l >8 >6 >4 >3
Zasićenost sa O2
saturacija 90 -105 75 - 90 50 -75 30 -50
supersaturacija - 105 - 115 115 -125 125 -130
BPK5 mgO2/l <2 >4 <7 <20
HPK iz utroška
KMnO4 mgO2/l <10 <12 <20 <40
Nefiltrirajući
ostatak mg/l <10 <30 <80 <100
pH vrednost - 6,8 - 8,5 6,8 - 8,5 6,0 – 9,0 6,0 – 9,0
Biohemijski potreban kiseonik (BPK) je glavni pokazatelj zagađenosti otpadnih voda. BPK je
masa kiseonika (u mg) potrebna da se u laboratorijskim uslovima (u tami pri 20°C) u datom
vremenskom periodu izvrši razgradnja organskih komponenata u litru otpadne vode.
Za komunalne otpadne vode može se usvojiti vrednost za BPK5 od 54 gO2/(stanovnik·dan).
Hemijski potreban kiseonik (HPK) je masa kiseonika (u mg/l), potrebna za oksidaciju organskih
jedinjenja i neorganskih soli. HPK je takođe pokazatelj zagađenosti otpadnih voda.
Odnos HPK/BPK predstavlja parametar biorazložljivosti. Raste sa porastom zagađivanja i
obično se kreće od 1,5 do 3. U ekstremnim slučajevima može biti
preko 5.
- 23 -
pH vrednost predstavlja koncentraciju vodonikovih jona u vodenom rastvoru i predstavlja meru
kiselosti, odnosno bazičnosti sredine. Ako je koncentracija vodonikovih jona u vodi veća od 10-7
mol/l, voda je bazna (pH>7), a u suprotnom je kisela (pH<7). Biološko prečišćavanje otpadne
vode može se vršiti ako pH ima vrednost između 6,5 i 8,5, jer se u tom intervalu najbolje
razvijaju mikroorganizmi u biološkim populacijama.
Suv ostatak je pokazatelj mineralnih komponenata u otpadnoj vodi. Merenjem mase suvog
ostatka i delenjem sa početnom zapreminom uzorka dobija se koncentracija mineralnih
komponenata u vodi (obično u mg/l).
Boja, miris i ukus su organoleptička svojstva vode, tj. opažaju se čulima vida, ukusa i mirisa.
Svaka voda ima svoj specifični ukus zbog rastvorenih gasova i soli. Otklanjanje neprijatnog
ukusa se vrši adsorpcijom na aktivnom uglju, ozonom ili hlorisanjem.
Suspendovane komponente su nerastvorljive čestice neorganskog porekla. Veličina im se kreće
u intervalu od 100 do 1mkm.
2.3. ISPITIVANJE ZAGAĐENOSTI VODA
Za procenu stanja i upotrebljivosti voda postoji niz postupaka: fizički, hemijski, biološki, i
ekološki.
Fizički pokazatelji obuhvataju temperaturu, miris i ukus, boju, mutnoću, transparentnost i
provodljivost vode, zapreminske masene koncentracije čvrstih komponenata i suvog ostatka.
Hemijski pokazatelji obuhvataju kiselost i baznost, tvrdoću, redoks-potencijal (BPK5, HPK),
udeo ili koncentraciju čvrstih, tečnih i gasovitih komponenata u vodi i specifične hemijske
analize. Od rastvorenih gasova najveći značaj se pridaje kiseoniku.
Biološki pokazatelji obuhvataju bakteriološko ispitivanje vode, saprobiološke metode i
kompleksne toksikološke metode. Biološku aktivnost karakteriše BPK kiseonika. U biološke
pokazatelje pripada i utvrđivanje toksičnosti zagađenih voda.
- 24 -
Ekološka analiza obuhvata procenu stanja vode kao životnog prostora bioloških sistema posle
uvođenja otpadnih voda.
2.4. PROCESI, UREĐAJI I POSTROJENJA ZA PRERADU
OTPADNIH VODA
Smanjenje zagađenosti voda otpadnim vodama može se postići:
• organizacionim ili tehnološkim promenama u industrijskim procesima nastajanja otpadnih
voda
• zamenom vode drugim sredstvima, posebno vazduhom i procesima hlađenja
• primenom postupaka za preradu otpadnih voda.
Najbolja strategija zaštite voda podrazumeva što je manje moguće korišćenje vode za
industrijske procese. Temperatura otpadne vode iz procesa trebako bi da bude jednaka
temperaturi vode na ulazu u proces.
Pri razvoju novih i racionalizaciji postojećih procesa trebalo bi:
• prednost davati rešenjima sa manjom potrošnjom vode i manjim zagađivanjem otpadnih
voda
• dobijati što više sekundarnih sirovina iz procesa korišćenja i prerade voda
• kod proizvoda jednake vrednosti prednost dati proizvodnji sa manjom specifičnom
potrošnjom vode.
Postupci prerade otpadnih voda su u tesnoj vezi sa karakteristikama proizvodnog procesa.
Metode se mogu podeliti na: mehaničke, hemijske,biološke, toplotne.
Mehaničke metode prečišćavanja vode sastoje se u uklanjanju mikro i makro suspendiranih
čestica iz vode, organskog i anorganskog porekla. U tu svrhu služe rešetke, sita, taloženje,
flotacija, filtriranje centrifugiranje. Princip rada ovih uredjaja zasniva se na različitim specifičnim
težinama suspendiranih česticva i vode. Pre nego što voda dođe u te uređaje, iz nje se uklanjaju
sve plivajuće makromaterije, kao papir, ostaci drveta, plastike, itd., i to na sistemu grubih i finih
usitnjavanja makromaterija u napravama koje se nazivaju kominutori. Njihova primena je vrlo
- 25 -
široka. Flotatori uglavnom služe za odvajanje materija lakših od vode, kao što su sve vrste ulja i
masti. Razne vrste flotatora primenjuju se u tehnici prošišćavanja otpadnih voda u naseljima,
kao i specifičnim industrijskim granama.
Hemijski postupci su: flokulacija, neutralizacija, katalitička oksidacija, izmena jona i
dezinfekcija. Flokulacijom se naziva proces stvaranja pahuljica-flokula, dodavanjem vodi
izvesnih hemikalija, oko kojih se hvataju suspendirane čestice koje lebde u vodi. Kako se
optimalna vrednost pH vode kreće od 6 do 8, prethodno se mora izvršiti neutralizacija, bilo sa
alkalnog ili kiselog područja, na optimalnu vrednost. Ovde se mogu primeniti i razne druge
hemijske reakcije koje imaju zadatak da grade nerastvorne i rastvorljive spojeve (jedinjenja).
Neke od hemijskih reakcija su dobro poznate, te se primenjuju u standardnim metodama, dok se
mnoge specifične reakcije moraju prethodno laboratorijski ispitati. Postoje različite hemijske
metode i uglavnom su patentirane.
Biološki postupci prečišćavanja U prva dva postupka se radi na selekciji, tj. odstranjivanju
nepoželjne organske, odnsono pretežno anorganske materije,
suspendirane ili rastvorene u otpadnoj vodi. Time se postiže to da se u biološkom
prečišćavanju, obradi, u principu samo organska materija, odnosno jedinjenja. Kako je već ranije
istaknuto razlaganje organskih jedinjenja dogadja se pod uticajem bakterija. U aerobnom
postupku se biodekompozicija organske materije dogadja uz prisustvo kiseonika, u anaerobnom
bez prisustva kiseonika u vodi. Sve dok u nekom vodotoku ima i najmanja količina kiseonika
biološki procesi su aerobni. Kada se sav kiseonik utroši, tada su procesi biorazgradnje
anaerobni.
U svrhu biološke razgradnje, otpadnoj vodi se na veštački način može dovesti veća količina
kiseonika u kraćem ili dužem periodu. To dovodjenje kiseonika, pomoću vazduha iz atmosfere
može se postići na sledeće načine:
• doziranjem vazduha pomoću kompresora niskog pritiska kroz sistem cevi položen uz dno
bazena
• horizontalni rotori, u stvari valjci, imaju radijalne nastavke poput ježevih igala
• vertikalne turbine
• prokapnici rade na principu prokapavanja vode preko tela od lomljenog kamena.
- 26 -
U grupu toplotnih postupaka spadaju: isparavanje, destilacija, ekstrakcija, membranska
filtracija, hlađenje.
Proces prečišćavanja komunalnih otpadnih voda može se uslovno podeliti na sledeće celine:
predtretman – separacija, proces flotacije, primarno prečišćavanje (taloženje), biološka aeracija,
sekundarno prečišćavanje (taloženje), filtriranje, završna aeracija, tretman muljeva.
Šema primarnog i sekundarnog prečišćavanja otpadnih voda prikazana je na slikama 2.1 i 2.2.
Slika 2.1. Uprošćena šema primarnog prečišćavanja otpadnih voda
Slika 2.2. Uprošćena šema sekundarnog prečišćavanja otpadnih voda
Mreža za čvrste plivajuće materije
Uklanjanje masti i pene
Izbistrivanje (sedimentacija)
IZLAZ
ULAZ
Zgušnjavanje mulja
Pohranjivanje čvrstih materija
Kapajući filtar (aeracija)
Aktivni mulj (aeracija)
Izbistravanje
Recikliranje mulja
Tercijarno prečišćavanje
Zgušnjavanje i digestija
Uklanjanje čvrstih materija
IZLAZ
ULAZ
- 27 -
2.4.1. MEŠAČI I UREĐAJI ZA OSREDNJAVANJE KARAKTERISTIKA
OTPADNIH VODA
Protok i sastav otpadnih voda je promenljiv, pa se pri naglim promenama protoka otpadnih voda
narušava rad taložnika i filtara. Promenom sastava otpadnih voda narušava se rad uređaja za
oksidaciju i neutralizaciju. Usrednjavanje sastava otpadnih voda se postiže mešanjem voda
različitog sastava ili uvođenjem reagensa u vodu. Mešači koji se najviše koriste u praksi su sa
nepotpunim pregradama i pregradama sa otvorima (slika 2.3).
Slika 2.3. Mešači sa pregradama
1 – cev za dovod vode, 2 - cevovod za reagens, 3 – cevovod za odvod vode,
4 – pregrade sa otvorima, 5 – pregrade za usmeravanje struje
Pregrade za usmeravanje struje postavljaju se pod uglom od 45 - 135° u odnosu na smer
kretanja vode. Ugao od 135° kako je prikazan na slici 2.3 daje veoma dobro mešanje vode uz
povećan pad pritiska. Što je veća brzina vode u suženju, bolje je mešanje, ali je veći pad
pritiska. Obično se brzina vode u suženom preseku između pregrada i zida kreću u intervalu od
0,8 - 1 m/s.
Pregrade sa otvorima su normalne na strujanje vode. Postavljaju se 2 do 3 pregrade, sa
otvorima prečnika 20 – 40 mm za manje protoke vode. Za veće protoke vode prečnici otvora su
do 100 mm.
- 28 -
Brzina strujanja vode u otvorima pregrada je 1 – 1,2 m/s. Pregrade sa otvorima obezbeđuju
bolje mešanje od nepotpunih pregrada.
2.4.1.1. Proračun mešača sa nepotpunim pregradama
Proračun se svodi na određivanje širine proreza između pregrade i zida, i pada pritiska u
prorezima. Brzina strujanja vode u prorezima obično je konstantna.
• Pad pritisak u jednom prorezu je:
Pav
p ,2
2⋅⋅=∆
ρζ , (2.1)
gde su:
ξ – koeficijent lokalnog otpora, - ,
ρ – gustina vode, kg/m3,
v – brzina vode u suženom preseku (prorezu), m/s.
Pri α = 45° koeficijent lokalnog otpora iznosi ξ = 2,5. Pri α = 90°, ξ = 3, a pri
α = 135°, ξ = 3,5.
• Nivo vode u odvodnom kanalu je:
,,1
mvB
qH
⋅=
& (2.2)
gde su:
q& - protok vode u mešaču, m3/s,
B – širina odvodnog kanala, m,
V1 – brzina vode u odvodnom kanalu, m/s.
Obično se v1 kreće od 0,4 – 0,6 m/s, ali ne manje od kritične brzine pri kojoj dolazi da
taloženja čvrstih čestica.
• Širina proreza iznosi:
- 29 -
,,
1
m
g
piHv
qib
⋅
∆⋅+⋅
=
ρ
& (2.3)
gde je i redni broj pregrade posmatrano od kraja mešača.
2.4.1.2. Proračun mešača sa pregradama sa otvorima
Proračun setakođe svodi na određivanje pada pritiska za svaku pregradu i broja otvora na
svakoj pregradi.
• Pad pritiska za svaku pregradu je:
,,22
20 Pa
vp
µ
ρ
⋅
⋅=∆ (2.4)
gde su:
v0 = 1-1,2 m/s – brzina strujanja vode kroz otvore pregrade,
µ – koeficijent protoka (zavisi od debljine pregrade i kreće se od 0,62 do 0,7),
• Broj otvora na svakoj pregradi je:
,2
00
4
dv
qn
⋅⋅
⋅=
π
&
(2.5)
gde je d0,m, prečnik otvora.
Mešači sa pregradama su nepogodni za primenu u praksi kada je izraženo taloženje
reagenta (na primer, krečno mleko). U ovom slučaju koriste se vertikalni mešači (slika 2.4).
Brzina strujanja vode na ulazu u konusni deo iznosi 1 m/s. U cilindričnom delu je manja i
iznosi 0,03 m/s. Vrema boravka vode u mešaču Zavisi od reagenta i kreće se u granicama
od 1 – 2,5 minuta.
• Zapremina vertikalnog mešača je:
,3,60
mQ
Vτ⋅
=&
(2.6)
- 30 -
gde su:
Q – zapreminski protok vode, m3/h,
τ - vreme boravka vode u mešaču, min.,
• Poprečni presek ulaznog dela konusa je:
,2,1
1 mv
qA
&= (2.7)
gde su:
q& - protok vode, m3/s,
v1 – brzina strujanja vode na ulazu u konus (obično 1 m/s), m/s.
• Poprečni presek cilindričnog mešača je:
,2,2
2 mv
qA
&= (2.8)
gde je v2 brzina strujanja vode u cilindričnom delu (obično manje od 0,03 m/s).
Visina cilindričnog dela iznad površine vode obično se kreće u intervalu od 0,1 do 0,15 m.
Pad pritisak kod ovi mešača uglavnom iznosi 2000 – 3000 Pa.
Slika 2.4. Vertikalni mešač
a) odvod vode kanalom sa potopljenim otvorima, b) odvod vode
potopljenim levkom 1 – dovod vode, 2 – odvod vode, 3 – vod za ispuštanje
- 31 -
taloga, 4 – osigurač protiv vazdušnih mehurova
Nedostaci ovih mešača zahtevaju veći prostor za smeštaj pogotovo sa velikim protocima vode.
Ovi nedostaci vertikalnih mešača otklonjeni su mehaničkim mešačima prikazanih na slici 2.5.
Slika 2.5. Mešači sa mešalicom
a) sa lopaticama, b) sa propelerima, 1 – ulaz otpadne vode, 2 – ulaz reagenta, 3 –
elektromotor, 4 – reduktor, 5 – lopatice, 6 – propeler, 7 – nepokretan plašt, 8 –
odbojnik, 9 – odvod otpadne vode
• Vreme boravka vode u mehaničkim mešačima sa lopaticama je od 3 do 5 min, a u
propelernim od 1 do 2 min.
• Broj obrtaja lopatica je od 0,3 do 0,5 s-1.
• Protok vode koja struji u nepokretnom plaštu je:
,/3,1 smVzq ⋅=& (2.9)
gde su:
V – zapremina mešača, m3,
z – broj prolaza vode kroz nepokretan plašt ( obično 0,08 – 0,25 s-1), s-1,
- 32 -
• Površina poprečnog preseka nepokretnog plašta (bitna za proračun prečnika propelera),
je:
,2,0
1 mv
qA
&= (2.10)
gde je v0 brzina vode u nepokretnom plaštu (obično 1,5 do 2 m/s),
• Prečnik propelera je:
,,94,0
4m
AD
π⋅
⋅= (2.11)
• Broj obrtaja propelera je:
,1,2cos
045,0 −
⋅⋅
⋅= s
tgD
vpn
ϕϕ (2.12)
gde je φ ugao nagiba lopatice propelera (obično je 22°),
• Pad pritiska koji treba da savlada propeler je:
,,2
201
Pav
pgH
p
⋅+∆⋅=∆
ρ
η (2.13)
gde su:
ηH – hidraulični stepen korisnosti propelera 8obično 0,8 do 0,9),
∆pg – gubici pritiska usled lokalnih otpora u mešaču (obično 2000 Pa), Pa,
• Snaga na vratilu propelera je:
,,010000 kW
pqP
η⋅
∆⋅=
& (2.14)
gde je η0 stepen korisnosti (obično 0,75),
• Snaga elektromotora je:
- 33 -
,,01 kW
p
PP
η= (2.15)
gde je ηp stepen korisnosti prenosa (zavisi od tipa prenosa i iznosi 0,6 do 0,95).
Za osrednjavanje koncentracije zagađujućih kompnenata u otpadnim vodama koriste se
veštačka jezera i specijalni rezervoari.
Jezera usrednjivači imaju velike kapacitete. Rezervoari osrednjivači imaju relativno malu
zapreminu. Osrednjavanje se postiže prinudnim mešanjem otpadnih voda. Primenjuju se
mehaničke mešalice, barbotiranje vazduhom ili sistem pregrada koje razdvajaju vodu na niz
struja. Šema pravougaonih osrednjivača prikazana je na slici 2.6.
Slika 2.6. Pravougaoni osrednjivači[
1 – ulazni kanal, 2 – razdelni kanal, 3 –dijagonalna pregrada,
4 –uzdužne vertikalne pregrade, 5 – zbirni kanal, 6 – izlazni kanal
• Zapremina osrednjivača je:
,3,22
mQQ
Vηη
τ
⋅=
⋅
⋅=
&
(2.16)
gde su:
τ – vremenski period (ujednom ciklusu) osrednjavanja karakteristika voda, h,
Q& - srednja vrednost zapreminskog protoka voda u jednom ciklusu, m3,
- 34 -
η = 0,7 – konstanta,
Q – ukupna zapremina vode u jednom ciklusu, m3.
2.4.2. PRIMENA PROCESA TALOŽENJA I KRISTALIZACIJE PRI TRETMANU
OTPADNIH VODA
2.4.2.1. TALOŽNICI
Taloženje je osnovni postupak izdvajanja iz otpadnih voda nerastvorenih taložnih ili plivajućih
mehaničkih primesa. Taloženje može biti prethodna i završna etapa prečišćavanja voda. Dele se
na:
• horizontalne (primenjuju se za protoke otpadne vode do 20000m3/dan)
• vertikalne taložnike (primenjuju se za protoke otpadne vode do 10000m3/dan)
• radijalne taložnike (rade na istom principu kao horizontalni i koriste se za
kapacitete preko 20000m3/dan).
Za proračun (dimenzionisanje) svih tipova taložnika potrebni su podaci o: protoku otpadne vode,
koncentraciji nerastvorenih komponenata, gustini i mešavini vode i taloga, kinetici taloženja.
2.4.2.1. 1. PRORAČUN HORIZONTALNIH TALOŽNIKA
• Vreme taloženja mehaničkih čestica je:
,,htw
H=τ (2.17)
gde su:
H – dubina taložnika,m,
wt – brzina taloženja čvrstih čestica, m/h.
• Potrebna dužina taložnika je:
,, mtw
Hsrvsrvl ⋅=⋅= τ (2.18)
gde je:
vsr – srednja brzina vode duž taložnika,m/h,
- 35 -
• Srednja brzina vode duž taložnika može odrediti pomoću izraza:
,/, hmA
Qsrv
&
= (2.19)
gde su:
Q& - zapreminski protok otpadne vode,m3/h,
A – aktivna površina poprečnog preseka taložnika,m2,
• Površina taložnika u osnovi može se odrediti na osnovu iskustvenog izraza:
,2,)9,05,0(0 mQA &⋅−= (2.20)
ili pomoću izraza:
,2,0 mtw
QA
&
= (2.21)
• Širina taložnika je:
.,mHsrv
QB
⋅=
&
(2.22)
Šema horizontalnog taložnika prikazana je na slici 2.7.
Slika 2.7. Šema horizontalnog taložnika
- 36 -
2.4.2.1.2. PRORAČUN RADIJALNIH TALOŽNIKA
• Površina poprečnog preseka taložnika je:
,2, mq
QA
&
&
= (2.23)
gde su:
q& - zapreminski protok otpadne vode po m2 poprečnog preseka,m3/(h·m2),
• Prečnik taložnika je:
,,4
mq
QD
&
&
⋅
⋅=
π (2.24)
ili pomoću izraza:
.,4
mtw
QD
⋅
⋅=
π
&
(2.25)
Dubina taložnika se pri dimenzionisanju usvaja.
Nedostatak horizontalnih i radijalnih taložnika je jako izraženo strujanje otpadnih voda, što
izaziva dopunske otpore (padove pritisaka) koje sprečavaju taloženje čvrstih čestica a samim
time i smanjuju i efikasnost rada taložnika.
2.4.2.1.3. PRORAČUN VERTIKALNIH TALOŽNIKA
Veliki nedostatak horizontalnih taložnika jeste problem odvođenja taloga (mulja) iz njih. U tu
svrhu koriste se vertikalni taložnici (slika 2.8 i 2.9). Pri obradi industrijskih voda, pored taloženja,
treba izvršiti degazaciju pomoću degazatora (slika 2.10). Vreme boravka vode u degazatoru ne
sme da bude manje od 45s, a brzina ispuštanja vode ne sme biti veća od 0,05m/s. Visina
cilindričnog dela u degazatoru ne sme biti manja od 1m. Brzina vode na ulazu u taložnik je
vu=1,2-4cm/s. Ugao nagiba konusnog dela taložnika iznosi α=45-60°. Važnije karakteristike
vertikalnih taložnika su:
- 37 -
• Brzina strujanja vode kroz vertikalni taložnik je:
,/,)75,05,0( hmtwsrv ⋅−= (2.26)
• Vreme taloženja čestica određuje se eksperimentalno, ili ako je poznata visina taložnika
H pomoću izarza:
,, htw
H=τ (2.27)
• Površina poprečnog preseka vertikalnog taložnika je:
,2,msrv
QA
&
= (2.28)
• Visina radnog dela taložnika je:
.,mvh sr τ⋅= (2.29)
• Ugao nagiba konusnog dela taložnika inosi 45 do 60°,
• Za odvođenje vode iz taložnika obično se koristi periferni žljeb, a pri prečniku taložnika
većem od 6m koristi se dopunski zbirni žljeb.
Slika 2.8. Šema vertikalnog taložnika
45°
D/2
h2
h 1
α = 45 - 60°
H
h
d1
D
d
- 38 -
Slika 2.9. Vertikalni taložnik sa Slika 2.10. Degazator
spoljašnjim ugušivačem
1 – dovod vode, 2 – radna zona, 3 – zaštitna zona, 4 – odvod vode,
5 – cev za odvod taloga, 6 – ugušivač, 7 – cev za odvod vode iz ugušivača,
8 - cev za odvod taloga
2.4.2. 2. KRISTALIZACIJA
Kristalizacija je proces formiranja čvrste faze unutar homogene tečne mešavine. Promenom
temperature rastvora može se dobiti prezasićen rastvor, a zatim i kristali rastvorene
komponente. Izdvajanje čvrste faze iz tečnog rasrvora koji čine rastvorak A i rastvarač B je
moguće samo u slučaju ako je koncentracija rastvorka veća od koncentracije u zasićenom
rastvoru za datu temperaturu.
Stepen prezasićenja rastvora može se odrediti pomoću izraza:
,11 szasx
zasxx
zasx
xS +=
−+== (2.30)
gde su:
x – masa rastvora,kg,kmol,
xzas – masa zasićenog rastvora,kg,kmol,
zasx
zasxxs
−= - relativno prezasićenje rastvora,kg/kg,kmol/kmol.
U praksi je obično s ≤ 0,02.
Da bi se kristalizacija mogla obavljati potrebno je:
- 39 -
• da rastvor bude prezasićen
• stvaranje nukleusa kristala
• rast kristala.
Do prezasićenja uglavnom dolazi na tri osnovna načina (slika 2.11):
• kristalizacija hlađenjem
• kristalizacija isparavanjem
• vakuum kristalizacija.
Slika 2.11. Prezasićenje rastvora u zavisnosti od temperature rastvora
Nukleacija predstavlja početak fazne transformacije i manifestuje se stvaranjem centara
kristalizacije. Nukleacija može biti primarna (homogena i heterogena) i sekundarna.
Kod homogene nukleacije:
• kristali se moraju oduprijeti ponovnom otapanju
• postojanje kritične veličine kristala (r<rc otapanje kristala, r>rc rast kristala).
Ako je nukleacija homogena, brzina nukleacije se može izračunati korišćenjem jednačine:
+⋅−⋅=
)1(32exp1
sT
ccW , (2.31)
gde su:
c1,c2 – konstante koje zavise od vrste supstance.
Heterogena nukleacija se javlja na stranim površinama koje su u kontaktu sa rastvorom kao što
su zidovi posude, strana tela i čestice u rastvoru.
- 40 -
Intenzitet sekundarne nukleacije B0 utvrđuje se eksperimentalno, i zavisi od načina ostvarivanja
procesa kristalizacije kao i od vrste supstance koja kristalizuje:
,3
,)1(0sm
nukleusabrojasB
⋅+∝ (2.32)
gde je:
a=3 – 6, kinetički stepen nukleacije.
Rast kristala je posledica transporta rastvorka (komponenta A) iz mase tečnosti ka površini
kristala. Brzina rasta kristala wr za konstantnu temperaturu u sistemu raste sa stepenom
prezasićenja rastvora s:
• za kristale neorganskog porekla
wr = c·s,mm/s, (2.33)
• za kristale organskog porekla
),2exp(1s
ccrw −⋅= (2.34)
gde su:
c,c1,c2 – konstante koje zavise od vrste supstance.
2.4.2.2.1. PRORAČUN PROCESA KRISTALIZACIJE
Proračun procesa kristalizacije zasniva se na rešavanju osnovne jednačine materijalnog bilansa:
,, kgGmgmqmQm ++= (2.35)
gde su:
mQ – masa otpadne vode koja se obrađuje u kristalizatoru,kg,
mq – masa rastvora posle kristalizacije,kg,
mg – masa izdvojenih kristala za vreme kristalizacije,kg,
mG – masa isparene vode,kg.
Masa izdvojenih kristala određuje se pomoću izraza:
,,~~
~)
~~(
kgqXkrX
qXGmqXQXQm
gm−
⋅+−⋅= (2.36)
gde su:
- 41 -
QX~
- maseni udeo bezvodne soli u vodi na ulazu u kristalizator,kg/kg,
qX~
- maseni udeo bezvodne soli u rastvoru posle kristalitacije (matični rastvor),kg/kg,
2
1~
M
MkrX = - maseni udeo bezvodne soli u jedinjenju hidratisane soli,kg/kg,
M1 – molarna masa bezvodne soli,kg/kmol,
M2 – molarna masa hidratisane soli (mešavina soli i vode),kg/kmol.
Ako iz rastvora kristalizuje bezvodna so, tada je ./1~
kgkgkrX =
Masa isparene (prirodno isparavanje) vode po m2 površine kristalizatora (ogledala) određuje se
iz jednačine:
hm
kgppkGm
⋅
⋅−⋅=
2),
1002
1(1ϕ
, (2.37)
gde su:
k – koeficijent isparavanja,kg/(m2·Pa·h),
p1 – pritisak zasićene pare pri srednjoj temperaturi isparavanja (srednja temperatura
isparavanja jednaka je srednjoj temperaturi vode),Pa,
p2 – pritisak zasićene pare pri temperaturi vazduha,Pa,
φ – relativna vlažnost vazduha,%.
Ukupna masa vode koja ispari za period isparavanja iz kristalizatora je:
,1 τ⋅⋅= AGmGm (2.38)
gde su:
A – površina isparavanja,m2,
τ - vreme isparavanja,h.
Za kristalizaciju bez isparavanja vode, masa izdvojenih kristala je:
.~~)
~~(
qXkrX
qXQXQm
gm−
−⋅= (2.39)
- 42 -
Masa izdvojenih kristala koja se odvija isparavanjem vode pri temperaturi isparavanja Ts
( )~~~
sXqXQX == je:
.~~
~
sXkrX
sXGmgm
−
⋅= (2.40)
Učinak procesa kristalizacije proporcionalan je brzini stvaranja kristala:
,%.100~
~
⋅⋅
⋅=
QXQm
krXgmη (2.41)
Količina dovedene ili odvedene toplote tokom kristalizacije izvodi se iz bilansa kristalizatora
(slika 2.12):
Slika 2.12. Šema kristalizatora
{ulaz} = {toplota ulazne otpadne vode} + {dovedena toplota}
{izlaz} = {toplota odvedena parom} + {toplota izlazne vode}+{toplota kristalizacije}+{toplotni
gubici}
ili u matematičkom obliku:
,QgubghgmqhqmGhGmdovQQhQm +⋅+⋅+⋅=+⋅ (2.42)
gde su:
hQ – specifična entalpija otpadne vode na ulazu u kristalizator, kJ/kg,
- 43 -
hG – specifična entalpija isparene vode (vodene pare), kJ/kg,
hq – specifična entalpija rastvora posle kristalizacije (matični rastvor), kJ/kg,
hg – specifična entalpija izdvojenih kristala, kJ/kg,
Qdov – dovedene toplota u kristalizator, kJ,
Qk – toplota kristalizacije, kJ,
Qgub – toplotni gubici, kJ.
Entalpija kristalizacije hk mora se odrediti eksperimentalno. Ukoliko je poznata kriva topljenja
kristala, moguće je entalpiju kristalizacije proceniti pomoću izraza:
,)
~ln
~(ln
QTqT
QXqXqTQTuR
kh−
−⋅⋅⋅≈ (2.43)
gde je:
Ru – univerzalna gasna konstanta.
U jednačinu toplotnog bilansa potrebno je uvrstiti odgovarajući predznak toplote kristalizacije,
zavisno od toga da le se toplota dovodi (+) ili odvodi (-) iz sistema.
Toplota u kristalizatoru se izmenjuje pomoću izmenjivača toplote (unutrašnjeg ili vanjskog)
preko površine izmenjivača:
,2, mmTefk
QA
∆⋅= (2.44)
gde su:
kef – koeficijent prolaza toplote, W/(m2·K)
∆Tm – srednja logaritamska razlika temperatura,K.
2.4.2.2.2. KRISTALIZATORI
Kristalizatori su uređaji u kojima se vrši proces kristalizacije, tj. proces stvaranja kristala iz
otpadnih voda. Postoji veliki broj uređaja (kristalizatora) koji se koriste u praksi. Nude različite
- 44 -
učinke u kvalitetu kristala (čistoća, veličina zrna, raspodela veličina) zavisno o dizajnu i
procesnim uslovima. Zavisno o načinu rada postoje:
• šaržni kristalizatori
� za male količine proizvoda, opremljeni mešalicama i pumpama
� oprema za mešanje mora raditi kontrolisano (kontrola brzine hlađenja i
isparavanja)
• kontinuirani kristalizatori
� konstantan kvalitet proizvoda (kristala).
Prema načinu uklanjanja produkta pri procesu kristalizacije, kristalizatori se mogu podeliti na:
• kristalizator bez uklanjanja matičnog taloga (luga)
• kristalizatori sa uklanjanjem matičnog taloga (luga)
• kristalizator sa frakcioniranjem produkta (suspenzija nastaje u fluidizovanom
sloju:kristali se razdvajaju sedimentacijom).
Pri odabiru kristalizatora treba voditi računa o nizu faktora a posebno o kvalitetu dobijenih
kristala (kvalitetu proizvoda) i cijene na tržištu (slika 2.13).
- 45 -
Slika 2.13. Kriterijum za odabir kristalizatora
Šema nekih osnovih kristalizatora koji se koriste u praksi prikazani su na slikama 2.14 do 2.16.
Slika 2.14. Frakcijska kristalizacija
Svojstva ulazne otpadne vode
Kapacitet proizvodnje
Željeni kvalitet proizvoda
Cijena proizvoda na tržištu
Način rada i vrsta pomoćne opreme
Fizičko hemijske osobine ulazne otpadne vode
Fizičko hemijske osobine matičnog
rastvora
Fizičko hemijske osobine kristala
Definisanje procesa kristalizacije
Odabir načina rada
Odabir vrste uređaja
Bilansiranje procesa
Dimenzionisanje uređaja
- 46 -
Slika 2.15. Kristalizator sa mešanjem
Slika 2.16. Kristalizator sa prisilnom cirkulacijom
uz kontrolu prezasićene odpadne vode
2.4.3. PRIMENA PROCESA UPARAVANJA, ISPARAVANJA, EKSTRAKCIJE I
AERACIJE PRI TRETMANU OTPADNIH VODA
2.4.3.1. UPARAVANJE
Uparavanje otpadnih voda se primenjuje radi povećanja koncentracije soli u njima, čime se
ubrzava proces kristalizacije. Uparavanje se primenjuje za obradu visokokoncentriranih voda
malih protoka.
- 47 -
Uparavnje otpadnih voda može se izvesti kao:
• jednostepeno (prosto)
� izvodi se u otvorenim sudovima
� za zagrevanje se koristi para niskog pritiska
• višestepeno
� koristi se vodena para od uparavanja tečnosti u prethodnom stepenu za
uparavanje rastvora u sledećem stepenu
� time se smanjuje potrošnja pare u odnosu na jednostepeno
• pod vakumom
� izvodi se pri nižim temperaturama ključanja rastvora
� složeniji su u pogledu konstrukcije i eksploatacije u odnosu na proste uparivače
U praksi se najviše koriste višestepeni istosmerni uparivači (slika 2.17). Rad svih uparivača je
istovetan radu prvog, samo što se kod njih umesto sveže pare koristi sekundarna para iz
prethodnog uparivača.
Slika 2.17. Višestepeni uparivač
1-rezervoar sirovog rastvora, 2-rezervoar za stvaranje hidrostatičkog pritiska,
3-protokomer, 4-centrifugalna pumpa, 5-grejač rastvora, 6,7,8-aparati za uparavanje,
9-kondenzator, 10-izdvajač, 11-rezervoar uparenog rastvora, 12-komora za zagrevanje, 13-parni
prostor, 14-izdvajač kapi, 15-priključak za ulaz rastvora, 16-priključak za paru, 17-kondenzacioni
lonac, 18-priključak za izlaz uparenog rastvora, 19-priključak za izlaz sekundarne pare, 20-preliv
Masa vode koja ispari uparavanjem je:
- 48 -
,,~
~1 kg
kx
px
QmGm
−⋅= (2.45)
gde su:
mQ – masa vode koja ulazi u uparivač,kg,
px~ - maseni udeo komponente (soli), kg/kg,
kx~ - krajnji (zadani) maseni udeo komponente u ugušćenom rastvoru,kg/kg.
Masa vodene pare potrebna za ugušćivanje rastvora je:
,,'
)''()(kg
DhDh
gubQkhGhGmphkhQmD
−
+−⋅+−⋅= (2.46)
gde su:
hk – specifična entalpija ugušćenog rastvora, kJ/kg,
hp – specifična entalpija vode na ulazu u uparivač, kJ/kg,
h''G – specifična entalpija pare izdvojene iz rastvora, kJ/kg,
hD – specifična entalpija grejne pare na ulazu u uparivač, kJ/kg,
h'D – specifična entalpija pare (kondenzata) na izlazu iz uparivača, kJ/kg,
Qgub – gubici toplote u okolinu, kJ.
Proračun višestepenih uparivača se satoji u određivanju kapaciteta, potrošnje pare za grejanje i
popvršine zagrevanja.
Kako se sveža para za grejanje dovodi samo u prvi uparivač, ostali se zagrevaju sekundarnom
parom, to se potrošnja pare određuje prema potrošnji pare u prvom uparivaču:
,,1 kgdGmD ⋅= (2.47)
gde je:
d – potrošnja pare po kilogramu uparene vode, kg/kg.
Ukupna potrebna površina za zagrevanje je:
,2,211
mnAAAn
iiAA +⋅⋅⋅++=∑
== (2.48)
gde je:
A1,A2,...,An – grejna površina svakog uparivača,m2.
U višestepenim uparivačima se obično nalaze uparivači jednakih grejnih površina, pa izraz
(2.48) prelazi u oblik:
- 49 -
,2,1 mAnA ⋅= (2.49)
gde je :
n – broj uparivača,-.
Grejna površina jednog uparivača određuje se pomoću izraza:
,2,11
11 m
Tk
PA
∆⋅= (2.50)
gde su:
P1 – toplotna snaga uparivača, kW,
k1 – koeficijent prolaza toplote, kW/(m2·K),
∆T1 – razlika temperature pare i ključalog rastvora,K.
Toplotna snaga prvog uparivača je:
,),'(11 kWDhDhDP −⋅= & (2.51)
gde je:
1D& - maseni protok grejne pare, kg/s.
Maseni udeo rastvorene komponente u ugušćenom rastvoru na kraju prvog stepena uparavanja
je:
.,~1
~kg
kgpx
GmQm
Qm
kx ⋅−
= (2.52)
2.4.3.2. ISPARAVANJE
Za razliku od uparavanja koje se obavlja na temperaturi ključanja, isparavanje sa slobodnih
površina tečnosti se praktično odvija pri bilo kojoj temperaturi.
Osnovni zadatak pri projektovanju površina jeste određivanje površine. Ona se može odrediti
pomoću izaraza:
,2, mthfhDEiE
gsQgQA
−++
+=
&&
(2.53)
- 50 -
gde su:
gQ& - godišnji protok otpadne vode koja isparava, m3/god,
gsQ& - godišnji protok vode sakupljene na površini isparavanja,m3/god,
Ei – proračunski godišnji sloj isparene vode, m/god,
ED – godišnji sloj isparene vode usled dopunskog isparavanja (povišena temperatura
otpadne vode), m/god,
hf – godišnji gubici vode zbog filtracije kroz dno i bočne stranice, m/god,
ht – srednji godišnji sloj taloga, m/god.
Godišnji sloj isparene vode određuje se iz izraza:
,12
1∑=
⋅=i
miEsKiE (2.54)
gde su:
Ks – koeficijent sigurnosti,-,
Emi – sloj isparene vode u toku meseca, m/mes.
Sloj isparene vode u toku meseca određuje se pomoću izraza:
),20072,01()200max(15,0 WppnmiE ⋅+⋅−⋅⋅= (2.55)
gde su:
n – broj dana u mesecu,-,
pmax – pritisak zasićenja vodene pare pri temperaturi prijemnika vode, mbar,
p200 – srednji mesečni parcijalni pritisak vodene pare u vlažnom vazduhu na visini
200cm iznad površine vode, mbar,
W200 – srednja brzina vetra na visini 200cm iznad površine vode, m/s.
Vrednost p200 može se odrediti pomoću izraza:
p200=p1+M·(p2-p1), (2.56)
gde su:
p1 – parcijalni pritisak vodene pare u vlažnom vazduhu iznad kopna, u blizini lokacije
površine za isparavanje, mbar,
p2 – granična vrednost parcijalnog pritiska vodene pare pri neprekidnom strujanju
nad površinom vode, mbar,
- 51 -
M – empirijski koeficijent koji zavisi od dužine vremena strujanja vazduha nad
vodenom površinom,-.
Vrednost veličine p1 dobija se iz meteorološke stanice, a veličina p2 zavisi od temperature vode
(slika 2.18).
Slika 2.18. Zavisnost p2 od temperature vode
Vreme strujanja vazduha nad površinom za isparavanje je:
,,200
sW
srL=τ (2.57)
gde je:
Lsr – srednja dužina površine nad kojom struji vazduh,m.
Brzina vetra se dobija na osnovu podataka iz meteorološke stanice na osnovu izraza:
W200=0,8·K·Wx, (2.58)
gde su:
K – popravni koeficijent koji zavisi od mesta meteorološke stanice,
Tem
pera
tura
va
zduh
a,°C
T
empe
ratu
ra
vazd
uha,
°C
Tem
pera
tura
vo
de,°
C
p2,mbar
- 52 -
Wx – izmerena srednja mesečna brzina vetra na visini x, m/s.
Pojava masnih mrlja i pena na površini vode znatno smanjuje intenzitet isparavanja i može ga
potpuno prekinuti. Zbog toga je pre potrebno odstraniti masnoće i pene sa površine vode.
2.4.3.3. IZDVAJANJE ISPARLJIVIH KOMPONENATA POMOĆU VODENE
PARE
Pri isparavanju rastvora lako isparljive komponente prelaze u parnu fazu i napuštaju prostor sa
vodenom parom. Na tome je zasnovan proces destilacije primenjen za prečišćavanje otpadnih
voda. Proces se obavlja u destilacionim kolonama:
• sa periodičnim
• sa kontinualnim tipom.
Najjednostavniji uređaja za destilaciju prikazana je na slici 2.19.
Slika 2.19. Šema uređaja za destilaciju
1-kolona za isparavnjem sa ispunom, 2-vlažni izdvajač,
3-ventilator, 4-zagrejač vode
Pri strujanju otpadne vode kroz kolonu u suprotnom smeru od smera strujanja pare, voda se
zagreva do 100°C. Lako isparljive komponente delimično prelaze u parnu fazu. Koefeicijent
raspodele komponente u dve faze (para i voda) je:
,~
~
vc
pcK = (2.59)
gde su:
3
1
5
2
- 53 -
pc~ - zapreminska masena koncentracija komponente u parnoj fazi (po litru
kondenzata), g/l,
vc~ - zapreminska masena koncentracija komponente u tečnoj fazi, g/l.
Za razblažene rastvore u koje spadaju i otpadne vode, koeficijent raspodele se može smatrati
nezavisnim od koncentracije i ima konstantnu vrednost za svaku komopnentu.
Osnovne veličine koje definišu proces destilacije opisane su jednačinama (2.60) do (2.63):
• koncentracija komponente na izlazu iz kolone
,1
~0
~)1~
(~
−⋅⋅
⋅−⋅=
xeKY
cKYc (2.60)
gde su:
,)~1
1( HvSKYb
x ⋅⋅⋅
−⋅=ρ (2.61)
0~c - početna koncentracija komponente u vodi, g/l,
Y~ - masena koncentracija pare u odnosu na vodu, kg/kg,
b – gustina orošavanja kolone, m3/(m2·h),
Sv – specifična površina ispune, m2/m3,
H – visina sloja ispune, m,
ρ – empirijska konstanta, m/h.
• za praktičnu primenu može se koristiti jednostavniji izraz:
,~
~ 0
bHS
cbc
v +⋅⋅
⋅=
ρ (2.62)
pa je visina sloja ispune:
.~)~~( 0
vSc
ccbH
⋅⋅
−⋅=
ρ (2.63)
Osnovne karakteristike procesa destilacije, na osnovu eksploatacionih podataka su:
• prečnik kolone 0,8 – 3m
- 54 -
• visina ispune 6 – 12m
• gustina orošavanja 1 – 2m3/(m2·h),
• specifična potrošnja pare 0,5 – 1,5kg/kg,
• kapacitet kolone 20 – 200m3 otpadne vode na dan.
Za prečišćavanje fenolnih otpadnih voda u laboratorijskim uslovima, karakteristike destilacije su:
• specifična potrošnja pare 0,2 – 0,5kg/kg,
• gustina orošavanja 35 – 250m3/(m2·h)
• specifična površina ispune 80m2/m3
• vrednost empirijske konstante ρ = 0,03 - 0,18m/h.
Odnos visine i prečnika kolone ne bi trebalo da prelazi vrednost 5 – 10.
2.4.3.4. EKSTRAKCIJA
Prečišćavanje otpadnih voda ekstracionom metodom zasniva se na tome da se u smeši dve
uzajamno nerastvorljive tečnosti svaka komponenta koja se nalazi u rastvoru raspoređuje u
tečnosti saglasno njihovoj rastvorljivosti.
Za proces ekstrakcije najčešće se koriste organski rastvarači koji se ne mešaju sa vodom kao
što su: benzol, mineralna ulja, tetrahlorugljenik, itd).
Koeficijent raspodele zavisi od temperature pri kojoj se vrši ekstrakcija, i od koncentracije
rastvorene komopnente.
Prečišćavanje otpadnih voda ekstrakcijom može se vršiti na tri načina:
• jednostepena ili višestepena obrada svežim ekstragentom (rastvaračem)
• mešanje vode i ekstragenta u suprotnosmernom aparatu sa naknadnim razdvajanjem
tečnosti
• mešanje vode i ekstragenta u više suprotnosmernih aparata.
Eksrakcija može da bude kontinualna (slika 2.20) i periodična. Periodična se primenjuje za
manje kapacitete (manje protoke otpadne vode).
- 55 -
Ekstraktor je kolona sa ispunom u koju se dovode voda i ekstragent. Ukoliko je gustina
ekstragenta manja od gustine vode, ekstragent se dovodi odozdo. U suprotnom slučaju
ekstragent se dovodi odozgo.
Slika 2.20. Šema kontinualne ekstrakcije
Osnovne veličine koje definišu proces ekstrakcije opisane su jednačinama (2.64) do (2.68):
• koeficijent rapodele je:
,~
~
v
R
c
cK = (2.64)
gde su:
Rc~ - zapreminska koncentracija rastvorene komponente u rsatvaraču, g/l,
vc~ - zapreminska koncentracija komponente u vodi, g/l,
• krajnja koncentracija komponente u vodi:
,)1(
~~ 0
nbK
cc
⋅+= (2.65)
gde su:
0~c - početna zapreminska masena koncentracija komponente u vodi ,g/l,
n – broj ekstrakcija,-,
K – koeficijent raspodele,-,
b – specifična potrošnja ekstragenta po m3 vode za jednokratnu ekstrakciju,m3/m2,
• specifična potrošnja ekstragenta (veličina b) je:
- 56 -
,1
Qn
Vb
⋅= (2.66)
gde su:
V1 – ukupna zapremina ekstragenta,m3,
Q – zapremina vode koja se prečišćava postupkom ekstrakcije,m3,
• materijalni bilans kontinualne ekstrakcije može se prikazati jednačinom:
,~~~0 EcQcQc +⋅=⋅ (2.67)
gde je:
Ec~ - zapreminska masena koncentracija komponente u ekstragentu na izlazu iz
ekstraktora,g/l,
• kod višestepene ekstrakcije (slika 2.21) broj ekstrakcija neophodnih za snižavanje
koncentracije 0~c do c~ je:
[ ]
.1)log(
~log~)1(~log 0 −⋅
−+−⋅⋅=
Kb
ccKbcn (2.68)
Izraz (2.65) ukazuje da je višekratna ekstrakcija sa malim dozama ekstragenta efikasnija od
jednokratne.
Slika 2.21. Šema višestepene ekstrakcije
I,II,III – ekstraktori, 1,2,3 – taložnici, 4 – rezervoar ekstragenta,
5 – rezervoar vode
2.4.3.5. AERACIJA
- 57 -
Prečišćavanje otpadnih voda aeracijom zasniva se na oksidaciji primesa otpadne vode
kiseonikom iz vazduha, i prelazkom rastvorenih isparljivih komponenata u gasnu fazu po
uticajem vazduha.
Brzina oksidacije kiseonikom rastvorenih komponenata zavisi od:
• koncentracije komponente
• pH vrednosti rastvora
• načinu strujanja vazduha kroz vodu.
Pri strujanju vazduha nad vodom bez njihovog mešanja, izdvajanje gasova određeno je izrazom:
,207,0)2
(~
~log43,0 20 −⋅
⋅⋅=⋅ τ
π
hD
c
c (2.69)
gde su:
0~c - početna zapreminska masena koncentracija gasa u vodi, g/l,
c~ - zapreminska masena koncentracija gasa u vodi posle vremena τ , g/l,
τ - vreme strujanja vazduha nad vodom, min,
D – koeficijent difuzije, cm2/min,
h – visina sloja vode, cm.
U praksi se dosta koristi empirijski izraz za određivanje koeficijenta difuzije u gasnoj smeši:
,)11
()(
7,435 2
23
1
3
1
2
3
BABA
MMVVp
TD +⋅
+⋅
⋅= (2.70)
gde su:
T – temperatura smeše, K,
p=pA+pB - pritisak u smeši, Pa,
pA,pB – parcijalni pritisak komponenata A i B u smeši, Pa,
VA,VB – molarna zapremina komponente A i komponente B, m3/kmol,
MA,MB – molarna masa komponente A i komponente B, kg/kmol,
D – koeficijent difuzije, cm2/s.
Izraz (2.70) može se uspešno koristiti i za određivanje difuzije kod blagih rastvora.
- 58 -
Koeficijent difuzije zavisi od vrste gasa. Koeficijent difuzije za neke gasove je prikazan je u
prilogu IV.
Izdvajanje gasova iz vode, pri intenzivnom mešanju sa vazduhom (barbotiranju, raspršivanju)
može se odrediti pomoću izraza:
,43,0~log~log 0V
Scc ⋅⋅⋅=− τβ (2.71)
gde su:
S – površina rastvora, cm2,
V – zapremina rastvora, ml,
β – koeficijent desorpcije,-.
Koeficijent desorpcije zavisi od vrste gasa i temperature. Pri 25°C je za sumpor – vodonik 0,07,
za amonijak 0,015 i za ugljen – dioksid 0,17.
2.4.4. PROCESI ADSORPCIJE, NEUTRALIZACIJE, MUTACIONOG
FILTRIRANJA, FLOTACIJE I BIOLOŠKOG PREČIŠĆAVANJA
PRI TRETMANU OTPADNIH VODA
2.4.4.1. ADSORPCIJA Adsorpcija je proces akumulacije supstance iz fluida na površini čvrste faze. Supstanca koja se
koncentriše ili adsorbuje naziva se adsorbat, faza na kojoj se vrši adsorpcija naziva se
adsorbent. Karakteristike sorbenta su porozna struktura i specifična površina. Aktivnost sorbenta
definisana je masom adsorbovane komponente po jedinici mase sorbenta.
Najčešći adsorbenti koji se koriste u praksi su: aktivni ugljenik, posebno ćumur i koriste se za
adsorpciju mirisa, aktivna zemlja (aluminijium - oksid) pogodan za hemisorpciju SO2 i odsorpciju
vode, silika – gel (silicijum – dioksid) veoma porozne strukture i koristi se za uklanjanje vlage
H2S.
- 59 -
Pri procesu adsorpcije prenos mase je definisan u tri koraka: transport mase iz rastvora do
granice faza, transport mase kroz granični sloj – film, transport kroz unutrašnje kanale čestice
adsorbenta (slika 2.22).
Slika 2.22. Šematski prikaz prenosa mase u adsorpciji
Mehanizmi adsorpcije S obzirom na dominantne sile koje definišu proces i na prirodu veza koja se uspostavlja između
adsorbenta i adsorbata, mogu se razlikovati sledeći oblici adsorpcije:fizička, hemijska, selektivno
popunjavanje šupljina u kristalnoj rešetci, molekulska sita, jonska izmena.
Fizička adsorpcija je rezultat delovanja van der Valsovih sila. U ovom slučaju molekul je
fiksiran na jednom mestu, te je moguće njegovo premeštanje na površini. Fizička adsorpcija
dominira na niskim temperaturama, a karakterišu je niske adsorpcione energije.
U hemijskoj adsorpciji adsorbat stupa u hemijsku vezu sa adsorbentom. U tom slučaju molekul
nije slobodan za kretanje po površini.
Adsorpcija supstance iz fluida na površinu čvrstog predstavlja specifični termodinamički
proces, pri kojem se dostiže ravnoteža, uz definisanu distribuciju supstance, posle čega više
nema adsorpcije. Adsorpciona izoterma definiše distribuciju adsorbata pri ravnoteži, tj., količinu
adsorbata adsorbovanu po jedinici težine adsorbenta pri ravnotežnoj koncentraciji adsorbata u
rastvoru.
- 60 -
Parametri koji utiču na adsorpciju Kada se govori o adsorpciji kao metodi treba odgovoriti na sva osnovna pitanja: koliko se
adsorbata može ukloniti po jedinici težine adsorbenta za postojeće radne uslove, i koliko dugo
traje proces adsorpcije te količine.
Na adsorpciju utiču: osobine adsorbenta, osobine adsorbata, osobine rastvora. Osobine adsorbenta od značaja za adsorpciju su:
• fizičke osobine (veličina granula, oblik, gustina, poroznost, površinu, itd.)
• hemijske osobine (energetski potencijal, polarnost itd.)
• adsorpcioni kapacitet (definisan je modelom adsorpcione izotermne ravnoteže)
• sadržaj rastvorljivih primesa
• sposobnost regeneracije.
Osobine adsorbata koje značajno utiču na adsorpiju su: rastvorljivost, struktura molekula,
polarnost.
Najvažnije osobine rastvora koje su najbitnije za adsopciju jesu: pH, temperatura i selektivnost
adsorbenta prema polutantu koji se želi ukloniti iz rastvarača. Vrednost pH može različito da
utiče uslovljeno prirodom i adsorbenta i adsorbata. Vrednost pH može da ima veći uticaj u
laboratorijskim testovima nego u industrijskom postrojenju, gde je količina rastvora veća.
Temperatura ima višestruki uticaj. Povišenje temperature obično ubrzava proces adsorpcije
zbog intenzivnije difuzije. Pored toga temperatura utiče i na rastvorljivost adsorbata u rastvoru
što je od značaja za prenos mase.
Adsorbent može da bude u obliku praha, granula, vlakana ili monolitnog adsorpcionog filtra. Ta
činjenica uslovljava opremu za proces. Kada je u pitanju granulisani adsorbent koriste se
kolonski uređaji. Kada je adsorbent prah tada se koristi suspenziona tehnika. Za njenu
realizaciju potreban je reaktor sa mešanjem i filter.
Najšire rasprostranjena adsorpcija u praksi, te i tretmanu odpadnih voda, jesta ona kroz
nepokretni sloj granula koje su smeštene u koloni (adsorpcija u sloju).
Prenos mase u sloju obavlja se tako da se prvo iskoristi adsorbcioni kapacitet prvog mikro sloja
adsorbenta, pa se zatim prenosi na sledeći sloj. Tako se front prenosa mase kreće od ulaza
prema izlazu iz uređaja. Ako se formira dijagram zavisnosti izlazne koncentracije adsorbata od
- 61 -
vremena (zapremine obrađene tečnosti) tada se može pratiti kretanje fronta prenosa mase i
određivati vreme regeneracije
(slika 2.23). Ta kriva naziva se probojna kriva i na njoj se uočava prevoj posle koga drastično
raste izlazna koncentracija. To je znak da se front prenosa mase približava izlazu tečnosti.
Površina ispod probojne krive predstavlja masu adsorbovanu u okolini, i može se matematički
izračunati jednačinom dole. Znajući količinu adsorbenta u koloni, računa se adsorpcioni
kapacitet:
∫ −=V
dVCCM0
0 )( . (2.72)
Slika 2.23. Kretanje fronta prenosa mase kroz sloj adsorbenta
Proračun adsorpcije
Kao sorbent praktično se mogu koristiti svi materijali koji imaju veliku aktivnu specifičnu
površinu: aktivni ugalj, koksni prah, treset, kaolin, strugotina, pepeo, silikagel, itd. Najveću
primenu imaju različiti tipovi aktivnog uglja i silikagel. Ulogu sorbenta imaju i hidroksidi metala
(kod koagulacije), aktivni ugalj, u sudovima za aeraciju, planktoni, sloj biološkog materijala, u
biofiltrima.
Prečišćavanje adsorpcijom se uglavnom koristi za otpadne vode sa malim koncentracijama
zagađujućih komponenata. Stanje adsorpcione ravnoteže može se predstaviti izrazom:
,~
~
B
A
X
XK = (2.73)
- 62 -
gde su:
K- konstanta ravnoteže, -,
AX~
- ravnotežna masena koncentracija komponente A u sorbentu,g/kg,
CX~
- ravnotežna masena koncentracija komponente C u rastvoru,g/kg.
Masa sorbenta može se odrediti iz jednačine materijalnog bilansa:
cA cQcQXm ~~~⋅=⋅+⋅ (2.74)
odakle je:
AX
cocQm ~
)~~( −⋅= (2.75)
gde su:
m – masa sorbenta,kg,
Q – zapremina otpadne vode,l,
oc~ - početna zapreminska masena koncentracija komponente u rastvoru, g/l,
c~ – ravnotežna zapreminska masena koncentracija komponente u rastvoru,g/l.
Jednačina (2.75) uz korišćenje jednačine (2.73) može se napisati u obliku:
cK
cocQm ~
)~~(
⋅
−⋅= . (2.76)
Iz jednačine (2.76) može se odrediti ravnotežna koncentracija komponente u rastvoru pri datoj
potrošnji adsorbenta:
mKQ
ocQc
⋅+
⋅=
~~ (2.77)
Ako se otpadnoj vodi, po uspostavljanju ravnoteže, dodaju jednake doze adsorbenta,
koncentracija zagađujuće komponente posle „n“ – tog dodavanaj sorbenta je:
.~)(~o
n
n cmKQ
Qc ⋅
⋅+= (2.78)
Analiza poslednje jednačina ukazuje da višestepena obrada otpadne vode omogućava potpunije
iskorišćenje adsorpcionih sposobnosti sorbenta, i time značajno smanjuje njegovu potrošnju.
- 63 -
Za manje zapremine vode višestepena adsorpcija se može ostvariti u jednom reaktoru sa
mešačem za sorbent i vodu. Svaka nova masa sorbenta se uvodi posle vremena neophodnog
za postizanje ravnoteže i taloženja sorbenta (slika 2.24).
Slika 2.24. Šema trostepenog sorpcionog uređaja sa rednim uvođenjem adsorbenta; 1. ulaz vode, 2. voda posle prve obrade, 3. Voda posle druge obrade, 4. voda posle treće obrade-prečišćena voda-izlaz, 5. mešalica, 6. taložnik za sorbent, 7. ulaz svežeg sorbenta, 8. odvod zasićenog sorbenta
Suprotnosmerna adsorpcija najviše koristi sorpcioni kapacitet sorbenta i daje najmanju njegovu
potrošnju, ali su investicioni i eksploatacioni troškovi povećani u odnosu na rednu adsorpciju.
U početku ciklusa koncentracija zagađujuće komponente u prečišćenoj vodi (filtratu) je bliska
nuli, vremenom ona raste i dostiže maksimalnu vrednost, posle čega se sorbent mora
regenerisati ili zameniti novim.
Period vremena rada adsorbera od početka do momenta pojave nedozvoljene koncentracije
zagađujuće komponente u filtratu (prečišćenoj vodi), odnosno rok zaštitnog dejstva adsorbera je:
,,hTHK −⋅=τ (2.79) gde su:
H – visina sloja sorbenta,m,
K,T – empirijske konstante.
Obično se asorberi izrađuju kao cilindrični razervoari, u kojima je obezbeđena ravnomerna
raspodela otpadne vode, sa filtracijom od dna ka vrhu. Proračunska brzina vode je 2 do 4 m/h.
Karakteristične veličine adsorbera su:
• masa komponente koja se adsorbuje ( ) aAhHm s ⋅⋅−= , (2.80)
- 64 -
• visina sloja sorbenta
,hsAa
mH +
⋅= (2.81)
• dinamička aktivnost adsorbenta
,1 ρ⋅= aa (2.82) gde su:
H - visina sloja sorbenta,m,
m - masa komponente koja se asorbuje,kg,
A S - površina poprečnog preseka adsorbera,m2,
a - dinamička aktivnost sorbenta,kg/m3,
h - empirijska konstanta,m,
a1- dinamička aktivnost adsorbenta po jedinici mase,kg/kg,
ρ – gustina adsorbenta, kg/m3.
Primena aktivnog uglja kao adsorbenta
Adsorpcija je proces pomoću koga se aktivnim ugljem uklanjaju čestice iz vode. Tačnije,
adsorpcija predstavlja "sakupljanje čestica po celokupnoj površini adsorbenta. " To je proces
odstranjivanja gde su izvesne čestice ograničene na jednom delu površine adsorbenta bilo
hemijskim ili fizičkim dejstvom. Često se pojam adsorpcije brka sa pojmom apsorpcije, u kome je
supstanca sakupljena ili odstranjena prodiranjem po celoj zapremini.
Razlog zbog koga je aktivni ugalj tako dobar adsorbent jeste veliki broj šupljina koje poseduje
(slika 2.25).
Slika 2.25. Površine i pore ugljenika se povećavaju sa leva na desno
- 65 -
Aktivni ugalj koristi proces fizičke adsorpcije putem privlačnih van der Walsovih sila izvlačeći
rastvorak iz rastvora po površini adsorbenta. Jednom kada je rastvorak ograničen aktivnim
ugljem podrazumeva se da je uklonjen iz vode.
Adsorpcija pomoću aktivnog uglja odvija se u tri osnovna koraka:
• supstance adsorbuju po spoljašnjosti aktivnog uglja
• supstance se kreću ka unutrašnjosti pora
• supstance adsorbuju po unutrašnjim zidovima aktivnog uglja.
Sposobnost adsorpcije se smanjuje tokom vremena i eventualni aktivni ugalj će biti zamenjen ili
reaktiviran. Izoterme su empirijske relacije koje se koriste da predvide koliko se rastvorka može
adsorbovati pomoću aktivnog uglja. Tri najpoznatije izoterme su Freundlich-ova, Langmuir-ova i
Linear. U inženjerstvu zaštite životne sredine i pri detaljnom tretmanu vode za piće najčešće
korišćena izoterma je Freundlich-ova:
,1
nCkm
x⋅= (2.83)
gde su:
x - masa adsorbovanog rastvorka,g,
m - masa adsorbenta,g,
C – zapreminska masena koncentracija rastvorka,g/l,
k, n - konstante,-.
Upotreba aktivnog uglja u industriji vode
Aktivni ugalj se u industriji vode koristi u nekoliko oblika, najčešće u obliku praha ili zrna,
susrećući se sa mnoštvom neželjenih aspekata u sirovoj vodi. Na slici 2.26 prikazano je
postrojenje za tretman vode i pilot skala kolona aktivnog uglja.
- 66 -
Slika 2.26. Upotreba aktivnog uglja u industriji vode
Sezonska primena praškastog aktivnog uglja (PAC) u uzorkovanoj sirovoj vodi ili u brzim
mešačima se koriste u nekim postrojenjima za rešavanje problema kratkotrajnog kvaliteta sirove
vode kao što je "cvetanje" vode. PAC se najčešće koristi za otklanjanje problema ukusa i mirisa
koji su estetsko merilo kvaliteta vode. Postoje i druge primene kao što su destrukcija
rezidualnog ozona i prevencija od hemijske kontaminacije, ali još uvek nisu dokumentovani
(Mallevialle, 1992). Potrebno je kontakt vreme kako bi se odigrala adsorpcija. PAC je uklonjen iz
vode procesima koagulacije, flokulacije i sedimentacije. Kada je PAC jednom izdvojen iz vode
on se rasprostire uzduž taložnog mulja. Neki od netradicionalnih sistema kao što su površinski
skupljači pri tretmanu mulja takođe koriste PAC (Hoehn, 1996).
Slika 2.27 daje prikaz poređenje praškastog i granularnog aktivnog uglja.
PAC PAC GAC GAC
Slika 2.27. Poređenje praškastog i granularnog aktivnog uglja
2.4.4.2. NEUTRALIZACIJA
- 67 -
Neutralizacija otpadnih voda se zasniva na uzajamnom dejstvu vode, i kiselih , ili baznih
komponenata dodatih vodi, tako da se dobija neutralna reakcija vode
(pH = 7).
Neutralizacija se ostvaruje:
• dodavanjem reagensa vodi
• filtriranjem vode kroz materijale za neutralizaciju.
Za neutralizaciju kiselih voda primenjuju se kreč (gašeni i negašeni), krečnjak, mermer, dolomit.
Bazne vode se uvek neutralizuju tehničkom sumpornom kiselinom.
Najjeftiniji reagens je kreč, i obično se primenjuje u obliku krečnog mleka, a može se primeniti
kao gusta pasta ili prašak. Prednosti suvog doziranja u odnosu na mokro (vlažno) su:
jednostavnija priprema reagensa, kraće vreme taloženja, manja masa taloga. Pri neutralizaciji
vode sa sadržajem sumporne kiseline krečnim mlekom, masa aktivnog kalcijum – oksida je
105% - 110% u odnosu na stehiometrijsku. Pri suvom doziranju reakcije između čvrste i tečne
faze ne idu do kraja, i sporije su u odnosu na vlažno doziranje. Zbog toga pri neutralizaciji
pastom ili prahom masa aktivnog kalcijum – oksida je 140% - 150% u odnosu na
stehiometrijsku.
Pri neutralizaciji hlorovodonične i azotne kiseline, masa aktivnog kalcijum – oksida je 95% od
stehiometrijske.
Neutralizatori mogu biti sa vertikalnim i horizontalnim kretanjem otpadne vode.
Pri neutralizaciji vode u vertikalnim uređajima, minimalna visina sloja materijala je određena
izrazom:
,,)lg3( mvbDKH n ⋅+⋅⋅= (2.84) gde su:
D – prečnik zrna materijala za neutralizaciju,mm,
b – masena zapremniska koncentracija kiseline (masa kiseline je u gram ekvivalentima),g/l,
v - brzina filtracije,m/h,
K ,n – empirijske konstante.
- 68 -
Veličina n je uglavnom konstanta i iznosi 1,47. Vrednost K zavisi od vrste materijala za
neutralizaciju. Brzina filtracije obično iznosi 4-8 m/h. Zavisi od koncentracije kiseline i visine
filtrirajućeg sloja. Pri većoj visini i manjim koncentracijama usvaja se veća brzina.
Dužina horizontalnih uređaja za neutralizaciju određuje se na osnovu izraza:
,,mvl τ⋅= (2.85) gde su:
v – brzina vode kroz filtar,m/s,
τ - vreme kontakta vode i materijala za neutralizaciju,s.
Brzina strujanja vode je obično 0,01 – 0,03 m/s. Površina poprečnog preseka uređaja je:
,2,mv
qA
&= (2.86)
gde su:
q& - zapreminski protok otpadne vode,m³/s,
v – brzina flotacije,m/s.
Dnevna potrošnja reagensa je:
,,~1
dan
kgcmQm ⋅⋅= && (2.87)
gde su:
Q& - dnevni protok otpadne vode, m3/dan,
m – koeficijent – stehiometrijska masa reagensa za neutralizaciju,g/g,
c~ - zapreminska masena koncentracija kiseline ilibaze,g/l.
Postrojenje za neutralizaciju čine: taložnice, rezervoari kiselih i baznih voda, skladište
negašenog kreča, sud za gašenje kreča, rezervoar rastvarača, dozatori, mešači, reaktor za
neutralizaciju, taložnik neutralizovanih voda, deponija mulja.
Maseni udeo aktivnogkalcijuma u rastvoru krečnog mleka treba da bude 5% - 10% [**]. Pri
neutralizaciji vode do protoka 50 m³/h može se primenjivati periodični reaktor, a pri većim
protocima isključivo se koriste reaktori sa kontinualnim radom.
U zavisnosti od sastava vode, vreme kontakta sa reagensima u reaktoru za neutralizaciju iznosi
od 5 do 15 godina.
- 69 -
Uređaji, cevovodi i armatura moraju biti izrađeni od hemijski otpornog otpornog materijala ili
zaštićeni specijalnim slojem.
2.4.4.3. FLOTACIJA
Pri prečišćavanju otpadnih voda flotacijom koristi se princip isplivavanja čestica na površinu
tečnosti zajedno sa mehurovima vazduha. Proces flotacije je uspešniji ako je veća ukupna
površina vazdušnih mehurova i veća površina kontakta vazduha sa flotirajućim česticama.
Najbolji efekat flotacije postiže se pri aeraciji mehurova malog prečnika.
U praksi se primenjuju sledeći postupci stvaranja vazdušnih mehurova:
• dodavanjem vazduha na usisnom cevovodu pumpe
• izdvajanjem mehurova vazduha iz rastvora pri promeni pritiska
• dispergovanjem vazduha pomoću poroznih elemenata
• dispergovanjem vazduha pomoću turbinskih uređaja
• pneumatskim dispergovanjem vazduha.
Šema flotacionih uređaja prikazane su na slikama 2.28 i 2.29.
Slika 2.28. Šema flotacionih uređaja
a) bezpritisni, b) pritisni, 1-ulaz otpadne vode,
2-prijemni rezervoar, 3-usisna cev,
4-vod za vazduh,
5-pumpa, 6-rezervoar, 7-cev za penu, 8-izlaz
prečišćene vode,
9-pritisni rezervoar
Dispergovanje vazduha pomoću turbinskih
uređaja omogućava dobijanje veoma malih
mehurova vazduha (slika 2.29).
- 70 -
Slika 2.29. Šema flotacionog uređaja sa turbinom
1-ulaz otpadne vode, 2-kolo turbine, 3-cev za usisavanje vazduha,
4-vratilo, 5-pogon, 6-stvoreni mehurovi vazduha, 7-odvod vode
Ugaona brzina turbine je od 30 do 50l/s, a prečnik do 600mm. Eksploataciona iskustva ukazuju
da se pri proračunima uređaja za flotaciju usvaja vreme flotacije od 15 do 20 min.
Pri dimenzionisanju uređaja za flotaciju bitne karakteristike su:
• flotacioni rezervoar je kvadratnog poprečnog preseka
,6 da ⋅= m, (2.88)
gde su:
a – dužina stranice poprečnog preseka,m,
d – prečnik kola terbine,m,
• radna zapremina rezervoara je:
,2ahV ⋅= m3, (2.89)
gde je:
h – radna visina sloja smeše vode i vazduha,m,
• radna visina h određuje se pomoću izraza:
- 71 -
,gat
stHh
⋅=
ρm, (2.90)
gde su:
Hst – statički napor,Pa,
ρat –gustina mešavine vazduha i tečnosti u stanju aeracije ρa t= 0,67·ρt,kg/m3,
ρt – gustina otpadne vode,kg/m3,
g – ubrzanje zemljine teže,m/s2.
• statički napor određuje se pomoću izraza:
,2
2u
H atst
⋅⋅=ρ
ϕ (2.91)
gde su:
u – obimna brzina,m/s,
φ – koeficijent napora (za flotatore je 0,2 – 0,3),
• broj obrtaja turbine je:
,d
un
⋅=
π (2.92)
• broj flotatora se određuje iz izraza:
,)1(60 aV
tQN
−⋅⋅
⋅=
τ&
(2.93)
gde su:
tQ& - zapreminski protok otpadne vode,m3,
τ – vreme flotacije,min.,
a – koeficijent aeracije (obično iznosi 0,35),
• zapremina flotatora:
,1 a
tQV
−
⋅=
τ&
(2.94)
• potrošnja vazduha:
- 72 -
,AIvV ⋅=& (2.95)
gde su:
I – intenzitet aeracije,m3/(m2·h),
A – površina poprečnog preseka flotatora,m2,
• broj mlaznica:
,3600 vMA
vVMn
⋅⋅=
&
(2.96)
gde su:
AM – površina poprečnog preseka jedne mlaznice,m2,
v – brzina vazduha na izlazu iz mlaznice,m/s,
• snaga motora jedene turbine:
,)1(6,3
610
η⋅−⋅⋅
−⋅⋅=
aN
stHtQP
&
(2.97)
gde je:
η – stepen korisnosti (obično iznosi 0,2 – 0,3).
2.4.4.4. BIOLOŠKO PREČIŠĆAVANJE
Ovi procesi kao i prirodni procesi mogu biti aerobni i anaerobni. Osnovni princip i uslov za što
bolje biološko prečišćavanje je stvaranje velike dodirne površine. Velika dodirna površina se
postiže stvaranje biološke opne na zrnastom materijalu u biofilterima ili stvaranjem pahuljičastih
tvorevina u bioaeracionom bazenu.
Osnovni faktori koji određuju mogućnost biološkog prečišćavanja otpadnih voda su:
• sklonost organskih komponenata ka hemijskoj oksidaciji
• koncentracija zagađujućih komponenata
• prisustvo neophodnih hranjivih komponenata (azot, fosfor, kalijum)
• koncentracija toksičnih komponenata koje deluju na mikroorganizme
• reakcija otpadnih voda, i niz drugih faktora.
- 73 -
Opšti uslovi za prečišćavanje vode pre biološkog prečišćavanja su:
• zapreminska masena koncentracija mehaničkih primesa trebalo bi da je manja
od 150 mg/l
• pH vrednost bi trebala da bude u granicama 6,5-8,5
• biohemijski potreban kiseonik (BPK) trebalo bi da je manji od 1000 mg/l
• koncentracija toksičnih komponenti mora biti manja od one koja ugrožava
normalan rad mikroorganizama,
• ukupna zapreminska masena koncentracija rastvorenih soli trebalo bi da je
manja od 10 g/l.
Masa potrebnog kiseonika se kreće u širokim granicama. Ako je koncentracija aktivnog mulja 3
g/l, masa potrebnog kiseonika iznosi za :
• kanalizacione vode 70 g/(m3h)
• vode iz koksno-hemijske industrije 55 g/(m3h)
• vode gasogeneratorskih stanica 35 g/(m3h).
Optimalna koncentracija aktivnog mulja za većinu industrijskih voda je 2,5-3 g/l. Za otpadne
vode iz mnogih industrija BPK ne pokazuje stvarnu koncentraciju organskih komponenata, pa se
koristi hemijski potreban kiseonik HPK. Pri prethodnim proračunima može se usvojiti da je:
.)7,06,0( HPKBPK ⋅−= (2.98) Što je veća razlika između HPK i BPK to je i veći prirast biomase. Veličina prirasta biomase se
ne može tačno izračunati, već se određuje eksperimentalno. Za orijentacioni proračun može se
koristiti izraz:
),(~20BPKHPKkcA −⋅=∆ (2.99)
gde su:
Ac~∆ - prirast mulja pri potpunom prečišćavanju,mg/l
k – koeficijent proporcionalnosti – masa mulja u mg stvorenog iz razlike HPK i BPK,
mg/mg. Za otpadne vode je k=0,1-0,9 mg/mg.
Veliki protoci otpadne vode i visoka koncentracija zagađujućih komponenata zahtevaju
razgrađivanje sa već biološki prečišćenim vodama (slika 2.30).
- 74 -
Slika 2.30. Šema postrojenja sa recirkulacijom
1-dovod otpadne vode, 2-taložnik, 3-mešač, 4-sud za oksidaciju, 5-sekundarni taložnik, 6-
pumpna stanica, 7-vod prečišćene vode, 8-vod za recirkulaciju
Izbor tipa suda za oksidaciju zavisi od vrednosti BPK. Do 500 mg/l mogu se primeniti obične
posude za aeraciju, a pri većim vrednostima BPK, i nepoznavanju sastava otpadnih voda,
primenjuju se posude-mešači i cirkulacioni bazeni za aeraciju
(slika 2.31). Cirkulacioni bazeni se koriste za industrijske vode. Biološko prečišćavanje daje
dobar efekat kada se dodaju vodi soli azota, fosfora i kalijuma. Masa soli se određuje tako da u
otpadnoj vodi bude 15-25 mg/l azota i 3-8 mg/l fosfora. Vreme boravka otpadne vode u
bazenima zavisi od početne koncentracije i potrebnog stepena prečišćavanja, i u određenim
slučajevima može biti 3 ili više dana. Potrošnja vazduha je 8 do 12 m3 otpadne vode.
Horizontalna brzina vode u bazenu ne prelazi 0,5-0,6 m/s. Radna dubina bazena je od 1,5-2 m.
Cirkulacioni bazeni dopuštaju visoku početnu koncentraciju zagađujućih komponenata u
otpadnoj vodi, i omogućavaju visoki stepen prečišćavanja. Za početnu koncentraciju fenola u
otpadnoj vodi 4-5 g/l stepen izdvajanja je 97-98%.
Slika 2.31.Šema cirkulacionog aeracionog bazena
1-pumpna stanica, 2-propelerna pumpa, 3-cirkulacioni kanal
Visokoopterećeni biofiltri se mogu koristiti za pripremno i završno prečišćavanje otpadnih voda u
ovim uređajima se primenjuje recirkulacija otpadne vode. Potrebna količina kiseonika u smeši
otpadne i recirkulisane vode je:
- 75 -
,/, lmgBPKkBPK rusm ⋅= (2.100)
gde su:
k – koeficijent proporcionalnosti koji zavisi od visine biofiltra i proporcionalan je temperaturi
tečnosti,-,
BPKru – potrebna količina kiseonika u prečišćenoj otpadnoj vodi (recirkulisana tečnost),mg/l.
Potreban koeficijent recirkulacije (odnos ukupnog protoka vode na ulazu u filtar i protoka
neprečišćerne otpadne vode) izračunava se iz jednačine:
ruBPKsmBPK
smBPKnvBPKn
−
−= , (2.101)
gde je:
BPKnv – potrebna količina kiseonika za neprečišćenu otpadnu vodu.
Potrebna površina biofiltra je:
( )
,2,1
mN
nsmBPKQA
−⋅⋅=
&
(2.102)
gde su:
Q& – proračunski dnevni protok otpadne vode,m3/dan,
N – dopušteno opterećenje potrebnom količinom kiseonika (BRK) po m2 filtera na
dan,g/(m2·dan).
Hidraulično opterećenje površine biofiltera je:
smBPK
Nq = ,m3/(m2 ·dan). (2.103)
Dopušteno opterećenje biofiltera zavisi od srednje temperature vazduha i iznosi:
N=1700g/(m2·dan) za t=8-10°C,
N=2300g/(m2·dan) za t=10-14°C,
N=3000g/(m2·dan) za t>14°C.
Visina biofiltra je od 8 do 20m. U zavisnosti od mesnih uslova mogu se primenjivati jednostepeni
i višestepeni filteri. Višestepeni imaju prednost jer se zagađujuće komponente izdvajaju u
taložnicima između filtera. To smanjuje opterećenje filtera i time se povećava njegov kapacitet.
- 76 -
Biološko prečišćavanje mešavine kanalizacionih i industrijskih otpadnih voda je po pravilu
efikasnije od prečišćavanja samo industrijskih otpadnih voda. Za sjedinjavanje industrijskih i
kanalizacionih otpadnih voda radi biološkog prečišćavanja najbolje je primeniti osrednjivače u
koje se uduvava vazduh pod pritiskom. U tom slučaju se dobija potpuno osrednjavanje voda, a
oksidanti lako oksidišu organske komponente i odvode gasovite produkte. Sniženje BPK (efekat
oksidacije) pri vremenu osrednjavanja 10-15 min ne prelazi 10%.
Intenzitet aeracije je odnos zapreminskog protoka vazduha i jednačine površine osnove suda za
aeraciju. Kreće se u granicama od 5-10 m3/(m2h). Potrošnja vazduha zavisi od intenziteta
aeracije i dubine osrednjivača i iznosi od 0.5 do 3m3 po m3 otpadne vode.
2.4.5. PRERADA PRODUKATA IZ PROCESA PREČIŠĆAVANJA VODA
Otpadni materijali izprocesa prerade voda trebalo bi da imaju visok udeo izdvojenih
komponenata, i mali udeo preostale vlage. Kod većine postrojenja za prečišćavanja produkti iz
procesa prečišćavanja su u vidu mulja sa masenim udelom vode
96 – 98%.
Izbor postupaka obrade i odlaganje muljeva najviše zavisi od njihovih karakteristika. Muljevi su,
u opštem slučaju, veoma različiti, naročito muljevi od prečišćavanja industrijskih otpadnih voda.
Od količine mulja i koncentracije suspendovanih čestica (tipične vrednosti za komunalnu
otpadnu vodu navedene su u tabeli 2.2) najviše i zavisi način obrade mulja. Treba naglasiti da
uobičajeno izražavanje koncentracije suspendovanih čestica u mulju, preko procenata mase
suve materije, ne daje punu informaciju o ponašanju muljeva, jer je zapremina suspendovanih
čestica, zbog njihove hidratisanosti, zapravo mnogo veća. Naročito je to slučaj sa aktivnim
muljem. Na primer, aktivni muljevi sa 0,2 - 2% suve mase mogu imati zapreminske koncentracije
suspendovanih čestica 25 - 50%. Sem toga, samo izražavanje koncentracije (meri se u mg/l) u
procentima je pogrešno, ali uobičajeno u praksi pri čemu je ta greška mala i zanemarljiva za
male koncentracije, i za muljeve sa suspendovanim česticama malih gustina (aktivni mulj, na
primer).
Tabela 2.2. Količina i koncentracija muljeva od prečišćavanja komunalnih otpadnih voda
Prečišćavanje Zapremina Masa Koncentracija
- 77 -
m3mulja/m3vode kg suve materije mulja/m3vode
% suve materije suspendovanih
čestica
Primarno 3,0 1,144 2,5-6
Kapajući filter 0,7 0,054 4-8
Aktivni mulj 19 0,216 0,5-1,5
Koncentracija suspendovanih čestica ima najviše uticaja na reološke karakteristike muljeva. U
opštem slučaju, muljevi se ne ponašaju kao njutnovski fluidi već imaju osobine plastičnih i
pseudoplastičnih materijala, i važno je poznavati njihove reološke karakteristike (viskozitet u
prvom redu) da bi se na odgovarajući način izvela oprema za transport i obradu muljeva: pumpe,
mešalice, ventili, cevovodi.
Ostale karakteristike muljeva (sposobnost obezbeđivanja, toplotna vrednost, hemijske i biološke
karakteristike) razmatraće se vezano za pojedine postupke obrade i odlaganja muljeva.
Muljevi se, najčešće, moraju obraditi pre odlaganja. U tabeli 2.3 navedeni su najvažniji postupci
obrade muljeva. Međutim, koji će se od postupaka primeniti, i kojim redosledom, zavisi od
čitavog niza faktora: fizičkih, hemijskih i bioloških karakteristika mulja, raspoloživosti i
karakteristikama mesta za odlaganje mulja, mogućnosti recirkulacije pojedinih konstituenata
mulja, cene i prihvatljivosti pojedinih postupaka obrade mulja itd.
Tabela 2.3. Postupci obrade muljeva
Postupak Svrha postupka
Ugušćivanje
─ Gravitaciono ─ Flotaciono
Povećanje koncentracije suspendovanih čestica i smanjenje zapremine mulja.
Stabilizacija
─ Anaerobna ─ Aerobna
Razgradnja mulja (smanjenje koncentracije suve materije)
Kondicioniranje
─ Dodatak hemikalija ─ Termička obrada
Promene u konzistenciji mulja usmerene ka poboljšanju obezvodnjavanja i povećanju koncentracije mulja.
- 78 -
Obezvodnjavanje
─ Vakuum filtracija ─ Centrifugisanje ─ Spori peščani filtri
Smanjenje zapremine mulja i formiranje vlažne muljne "pogače".
Sušenje i oksidacija
─ Spaljivanje ─ Sušenje ─ Oksidacija vlažnim vazduhom
Sušenje ili oksidacija muljne pogače.
Odlaganje
─ Deponija ─ Razbacivanje po obradivom zemljištu ─ Lagune ─ More
Odlaganje ili korišćenje stabilizovanog mulja.
Biotehnološka prerada mulja zasniva se na korišćenju mikroorganizama za proizvodnju korisnih
proizvoda iz organskih komponenti mulja a naročito proizvodnju biogasa.
Proizvodnja biogasa se odvija anaerobnom (bez prisustva vazduha) stabilizacijom mulja koji
predstavlja vrlo interesantan izvor energije (slika 2.32). Efikasnost produkcije biogasa
obezbeđuje se održavanjem temperature između 30 - 35oC, pH vrednosti, mešanjem i
odstranjivanjem kiseonika i toksičnih materija. U anaerobnim reaktorima (digestor) nastaje
biogas kao mešavina gorivih i negorivih gasova prosečnog sastava (zapreminski udeli): metan
55 - 75%, ugljen - dioksid 25-45%, i ostalih gasova, kao što su vodonik, kiseonik, ugljen-
monoksid, azot, vodonik-sulfid, amonijak i vodena para.
Slika 2.32. Proizvodnja biogasa
- 79 -
Blok šema tehnološkog procesa proizvodnje biogasa, zajedno sa nekim od osnovnih mogućnosti
korišćenja dobijenog gasa i anaerobno prevrele tečnosti prikazana je na slici 2.33. Sa slike se
vidi da je tehnološki proces proizvodnje biogasa relativno je jednostavan, i obuhvata tri osnovne
faze:
• pripremu sirovina
• anaerobno vrenje (koje se još naziva i truljenje, digestija, metansko vrenje)
• prihvat i obrada proizvedenog gasa i anaerobno prevrele tečnosti.
Biogas koji se dobija metanskim vrenjem može se koristiti na više načina. On je pre svega
značajan kao energetski izvor, ali se može koristiti i kao sirovina za proizvodnju različitih
hemijskih proizvoda.
- 80 -
Slika 2.33. Blok šema tehnološkog procesa proizvodnje i korišćenja biogasa
VODA ZA RAZBLAŽIVANJE
PRIPREMA SIROVINA
SIROVINE ZA PROIZVODNJU
BIOGASA
DODACI ZA KORIGOVANJE
SASTAVA SIROVINE
ANAEROBNO VRENJE
PRIHVAT PREVRELE TEČNOSTI
PRIHVAT GASA
OBRADA PREVRELE TEČNOSTI
KORIŠĆENJE/ODLA-GANJE PREVRELE
TEČNOSTI
SAGOREVANJE GASA
ĐU
BR
IVO
KORIŠĆENJE GASA
PREČIŠĆAVANJE GASA
HE
MIJ
SK
A
SIR
OV
INA
itd.
PO
GO
NS
KO
G
OR
IVO
AE
RO
BN
A
OB
RA
DA
itd.
OD
LA
GA
NJE
U
OK
OL
INU
ST
OČ
NA
H
RA
NA
EL
EK
TR
O-
EN
ER
GIJ
A
TO
PL
OT
NA
E
NE
RG
IJA
TOPLOTNA ENERGIJA
BIOGAS
RE
CIR
KU
LA
CIJ
A M
UL
JA
RECIRKULACIJA
IZBISTRENE TEČNOSTI
ANAEROBNO PREVRELA TEČNOST
- 81 -
3. OTPAD
Kategorizacija otpada može se uraditi na osnovu više kriterijuma. Prema agregatnom stanju
otpad može biti čvrsti, tečni i gasoviti. Prema izvoru (mestu nastanka) otpad može biti iz:
stanova, ustanova (škole, bolnice, gradske ustanove), komercijalnih izvora (prodavnice, servisi,
skladišta), industrijskih izvora itd.
Otpad iz stambenih jedinica koji se sa mesta nastajanja uklanjaju na regulisan način naziva se
smećem.
Za planiranje, izvođenje i kontrolu na iskorišćavanju i zbrinjavanju otpada potrebno je
poznavanje karakteristika otpada kao što su: vrsta, sastav, masa, toplotna moć i dr. Na osnovu
ovih karakterisrika vrši se izrada katastra otpada, a na bazi toga vrši se izrada kataloga otpada
(slika 3.1).
Slika 3.1. Šematski prikaz katastra otpada
3.1. MASA OTPADA
Masa industrijskog otpada zavisi od vrtse i načina odvijanja proizvodnog procesa. Tačni podaci
potrebni za projektovanje postrojenja za uklanjanje otpada mogu se dobiti od korisnika
Katastar otpada
Vrste otpada
Katalog otpada
Kućni otpad
Krupni otpad
Industrijski otpad
Posebni otpad
Otpad iz domaćinstva
Nameštaj, kućanski aparati i sl.
Materijali za pakovanje i kartonske kutije
Olovna prašina Stara ulja
Radioaktivni ostaci itd.
- 82 -
postrojenja. Masa otpada se utvrđuje vaganjem punih i praznih vozila koja transportuju taj otpad.
Masa otpada koja se transportuje po godini može se odrediti primenom izraza:
,,52
1∑=
=
⋅⋅=j
i
iiigodini
kgmznm& (3.1)
gde su:
m& - maseni protok otpada, kg/god.,
ni – broj vozila i – tog tipa u j – toj sedmici,
zi – broj vožnji i – tog tipa vozila u j – toj sedmici,
mi – masa otpada u i – tom vozilu u j – toj sedmici, kg.
Specifična godišnja masa otpada po stanovniku određuje se po formuli:
,tan
,godinaovniks
kg
n
mm
st
sp⋅
=&
& (3.2)
gde je:
nst – broj stanovnika u oblasti sakupljanja otpada.
Na masu gradskog smeća utiče: način stanovanja, vrsta energije za zagrevanje stanova, nivo
životnog standarda itd. Pri projektovanju manjih postrojenja za preradu smeća mogu se koristiti i
podaci iz tabele 3.1.
Tabela 3.1. Masa i zapremina smeća u objektima uslužnih delatnost
Masa, kg/dan Zapremina, l/dan
Bolnica (po jednom ležaju) 0,63 1,90
Poliklinike (po jednom ležaju) 0,01 0,04
Hoteli (jedno mesto) 0,22 1,10
Inernati (jedno mesto) 0,28 0,93
Obdaništa (jedno mesto) 0,19 0,78
Instituti, fakulteti 0,09 0,40
Pozorišta, bioskopi 0,06 0,30
Škole (jedan učenik) 0,06 0,30
Ustanove (jedan zaposlen) 0,14 0,70
Prodavnice (1m2 prostora) 0,33 1,27
- 83 -
3.2. KARAKTERISTIKE OTPADA
Za projektovanje, građenje i ekspoloataciju postrojenja za preradu otpada potrebno je upoznati
se sa osnovnim karakteristikama smeća. Karakteristike smeća su: morfološki i frakcioni sastav,
gustina, vlažnost, sanitarna i biološka svojstva, hemijski sastav, toplotna moć.
Morfološki sastav
Najčešće komponente koje se nalaze u smeću su: papir, otpaci hrane, drvo, metal, tekstil,
staklo, kosti, koža, guma, veštački materijali, mineralne komponente. U tabeli 3.2 i 3.3 prikazan
je morfološki sastav smeća u pojedinim zemljama.
Tabela 3.2. Morfološki sastav smeća u različitim zemljama (maseni udeli izraženi u procentima)
SAD Velika
Britanija
Fran-
cuska
Da-
nska
Švajc-
arska Italija
Ka-
nada
Fi-
nska
Nem-
ačka
Špa-
nija
Hartija 38 30 35 45 45 20 70 65 28 21
Otpaci hrane 28,5 15 23 15 20 25 10 10 15 45
Metali 10 8 4,1 - - - - - - -
Staklo 10 8 5,2 7,5 5 7 5 5 9 4
Plastika 4 1 1,7 5 3 5 - - 4 -
Sitna frakcija
(ugalj, pepeo,
šljaka)
- 31 22 15 20 25 5 - 28 22
Tekstil, drvo,
koža, guma) 13 2 9 12,5 7,5 3 5 10 7 3
Ostalo
(neklasifikovano) 1,5 5 - - 2 15 5 15 16 5
Tabela 3.3. Morfološki sastav smeća u različitim zemljama (maseni udeli izraženi u procentima)
- 84 -
Mineralne
komponente Hartija
Organske
komponente Metali Staklo Razni otpaci
SAD
(1970.god.) 0 44 26,5 8,6 8,8 12,1
Kanada 5 70 10 5 5 5
Velika
Britanija 30 - 40 25 - 30 10 - 15 5 - 8 5 - 8 5 - 10
Francuska
(Pariz) 24,3 29,6 24 4,2 3,9 14
Švedska 0 55 12 6 15 12
Španija
(Madrid) 22 21 45 3 4 5
Švajcarska 20 40 - 50 15 - 25 5 5 -
Holandija 9,1 45,2 14 4,8 4,9 22
Norveška
(leto) 0 56,6 34,7 3,2 2,1 8,4
Norveška
(zimi) 12,4 24,2 55,7 2,6 5,1 0
Izrael 1,9 23,9 71,3 1,1 0,9 1,9
Belgija
(Brisel) 48 20,5 23 2,5 3 3
Finska - 65 10 5 5 15
Poljska 10 - 21 2,7 - 6,2 35,3 - 43,8 0,8 - 0,9 0,8 - 2,4
Morfološki sastav otpada u našim opštinama je veoma različit (tabela 3.4), a prosečan sastav
otpada u Republici Srbiji prikazan je na slici 3.2. Razlike su značajne pogotovo u organskom
otpadu. To može biti posledica višeg standarda i načina uklanjanja otpada u okviru samih
domaćinstava.
Tabela 3.4. Morfološki sastav otpada
- 85 -
Komponenta
(maseni udeo,%) Beograd Batočina Subotica
Papir i fini karton 25 30 15,5 - 22,5
Metali 6 0,55 5,0 - 7,0
Plastika 3 4 5,0 - 7,0
Staklo 6 7 5,0 - 7,0
Tekstil 2 3 4,0 - 6,0
Guma 1 1 -
Koža 1 - -
Organski otpad 37 20 6,0 -12,0
Pepeo (inertni
materijal) - 10 28,0 - 34,0
Ostalo 19 24,45 7,0 - 8,5
Ukupno 100,00 100,00 100,00
Obojeni metali 2%Tekstil 4%
Organski otpad 30%
Staklo 7%Guma 1%Papirni otpad
26%
Plastika 5%
Fe-metali 4%
Ostalo 21%
Slika 3.2. Prosečan sastav otpada u većim gradovima u Republici Srbiji
Frakcioni sastav
Frakcioni sastav smeća zavisi od udela pojedinih komponenata smeća. Frakcije otpadaka hrane
su do 150mm, a frakcije hartije, ambalaže, tekstila, drveta kreću se iznad 150mm.
Zapremina i gustina
- 86 -
Slično izrazu (3.1) godišnji zapreminski protok otpada određuje se po formuli:
,,52
1
3
∑=
=
⋅⋅=j
i
iiigodini
mVznV& (3.3)
gde je:
Vi – zapremina otpada u i – tom vozilu u j – toj sedmici,m3.
Maseni, zapreminski protok i gustina otpada imaju međusobni odnos:
,,godini
kgVm && ⋅= ρ (3.4)
gde je:
ρ – gustina otpada, kg/m3.
Pri praktičnim proračunima često se koristi nasipna gustina otpada. Određuje se statističkom
procenom za različite oblasti sakupljanja. Vrednosti nasipnih gustina kod smeća za neke
komponente prikazane su u tabeli 3.5.
Tabela 3.5. Vrednosti nasipne gustine smeća
Vrsta smeća (otpada) Nasipna gustina, kg/m3
Papir 220
Drvo, masivno 110
Željezni metali 450
Staklo, ravno 320
Plastične mase, folije 160
Plastične mase, vreće 170
Veštačke mase, stiropor 10
Organski otpad iz vrtova 210
Organski kuhinjski otpad 240
Inertni otpad 280
Otpad sa građevina 930
Otpad iz radionica 1020
Otpad iz štamparija 210
Za oblast sakupljanja sa prosečnom produkcijom otpada od 10 – 30l/(stanovnik·sedmica)
nasipna gustina otpada može se izračunati (na osnovu statističke procene) pomoću formule:
- 87 -
,,105,0316,03
m
t
n
V
st
N
&
⋅−=ρ (3.5)
gde je:
nst – broj stanovnika oblasti (grada) gde se vrši sakuljanje otpada.
Nakon istresanja otpada iz posuda u kojima se sakuplja u prijemni bunker vozila dolazi do
zbijanja otpada koji definiše koeficijent zbijenosti otpada, a određuje se po formuli:
,42100 −=⋅=N
a
ρε (3.6)
gde je:
100⋅=
iV
ima - koeficijent iskorišćenja zapremine vozila.
Prema literaturnim podacima nasipne gustine smeća kreću se u granicama 100 – 500kg/m3 pa
čak i do 1200kg/m3. Gustina smeća se uglavnom ne menja tokom godine. Neznatno povećanje
gustine smeća jeste u jesenjem periodu zbog povećanog udela vlage.
Vlažnost
Vlažnost čvrstog otpada definiše se kao odnos mase vlage (vode) i mase apsolutno suvog
čvrstog otpada:
,,~
kg
kg
sm
wmwX = (3.7)
odnosno:
,%,100,~
sm
wmwX = (3.8)
gde su:
mw – masa vlage u čvrstom otpadu,kg,
ms – masa apsolutno suvog čvrstog otpada,kg.
Maseni udeo vlage u čvrstom otpadu je:
,,~kg
kg
m
m
mm
mx w
ws
w
w =+
= (3.9)
odnosno:
- 88 -
,%,100100~ ⋅=⋅+
=m
m
mm
mx w
ws
w
w (3.10)
gde je:
m – masa vlažnog otpada,kg.
Zavisnost vlažnosti otpada od masenog udela vlage u utpadu može se predstaviti izrazima:
,,~1
~~
kg
kg
x
xX
w
w
w−
= (3.11)
,%,~100
~100~
w
w
wx
xX
−
⋅= (3.12)
gde je:
wx~ - maseni udeo vlage u otpadu,%,
a zavisnost masenog udela od vlažnosti:
,,~1
~~
kg
kg
X
Xx
w
w
w+
= (3.13)
,%.~100
~100~
w
w
wX
Xx
+
⋅= (3.14)
Maseni udeo vlage u kućnom otpadu (smeću) ima odlučujući uticaj na kvalitet dobijenog đubriva
iz procesa kompostiranja.
Vlažnost otpada zavisi od godišnjeg doba i sadržaja pojedinih komponenata u njemu (tabela
3.6). U zimskom i prolećnom periodu maseni udeo vlage u smeću je oko 30%, a u letnjem i
jesenjem periodu oko 50%.
Tabela 3.6. Prosečna vlažnost nekih vrsta otpada u jesen
Vrsta otpada Vlažnost otpada (maseni udeo,%)
Ostaci hrane 70 - 80
Papir 20 - 30
Karton 8 – 25
- 89 -
Drvo 15 – 25
Metali 3
Tekstil 20 - 40
Staklo 2
Koža 15 - 35
Kosti 5 - 7
Šljaka 2
Sanitarno biološka svojstva
U smeću i pojedinom ondustrijskom otpadu razvija se patogena mikroflora – izazivač raznih
bolesti (tuberkoloza, hepatitis).
Pri temperaturama smeća od 30 - 50°C najintenzivnije je razmnožavanje mikroorganizama u
smeću. Prei temperaturama smeća iznad 60°C razvijaju se patogeni organizmi.
Poznavanje sanitarno – bioloških svojstava smeća značajno je zbog kvalitetnog i bezbednog
održavanja opreme za uklanjanje smeća. U tabeli 3.7 prikazan je razvoj mikroorganizama u
smeću po godišnjim dobima.
Tabela 3.7. Broj mikroorganizama (miliona po jednom gramu suve komponente u smeću)
Bakterije Aktiomicete Godišnje doba
Mezofili Termofili Mezofili Termofili
Proleće 14988 0,55 0,051 0,0144
Leto 40077 2,389 1,75 0,0002
Jesen 4219,5 0,36 0,07 0,005
Zima 1567 0,006 - 0,006
Srednja vrednost u
toku godine 15211 0,826 0,6023 0,0064
Hemijski sastav
Poznavanje hemijskog sastav smeća (otpada) kao heterogene smeše veoma složenih hemijskih
jedinjenja je neophodno i predstavlja polaznu osnovu u fazi projektovanja uređaja i postrojenja
za termičku preradu otpada. Neophodno je poznavati sledeće karakteristike (tabela 3.8):
1. Rezultate tehničke analize
- 90 -
• maseni udeo vlage
• maseni udeo isparljivih komponenata
• maseni udeo nesagorelih komponenata
• maseni udeo fiksnog ugljenika
2. Rezultate elementarne analize
• maseni udeo ugljenika
• maseni udeo kiseonika
• maseni udeo vodonika
• maseni udeo sumpora
• maseni udeo azota
• maseni udeo pepela (mineralnih komponenti).
Pored navedenih karakteristika otpada neophodno je poznavati temperaturu topljenja pepela i
vrednost donje toplotne moći.
Sa stanovišta zaštite životne sredine posebno su značakni maseni udeli sumpora, fluora, hlora i
teških metala u otpadu (tabela 3.8).
Tabela 3.8. Prosečan sadržaj hemijskih elemenata u kućnom otpadu
Elementi Maseni udeo, g/kg
Ugljenik, C 150 - 250
Kiseonik, O 150 - 300
Vodonik, H 40 - 50
Hlor, Cl 7 - 8
Azot, N 3 - 5
- 91 -
Sumpor, S 0,7 - 5,0
Fluor, F 0,1 - 0,2
Željezo, Fe 25 - 75
Olovo, Pb 0,4 - 1,20
Bakar, Cu 0,2 - 0,6
Cink, Zn 1,2 - 2,0
Hrom, Cr 0,20 - 0,88
Nikl, Ni 0,05 - 0,20
Kadmium, Cd 0,01 - 0,015
Živa, Hg 0,002 - 0,014
Dioksin 0,008 - 0,07·10-3
Toplotna moć
Za ocjenu smeća u pogledu toplotne vrednosti potrebno je poznavati njenu toplotnu moć.
Osnovni nosioci toplotne moći u smeću su hartija i plastika. Smanjenjem masenog udela
vlažnosti, stakla, metalnih delova i inertnih mineralnih materijala u otpadu dolazi do povećanja
toplotne moći. Toplotna moć otpada varira između 4200kJ/kg (letnji i jeseni period) do 8400kJ/kg
(zimski period).
Ako je poznata elementarna analiza otpada, donja toplotna moć radne mase otpada može se
odrediti pomoću izraza:
,,25105)8
(1200340kg
kJWS
OHCH
rrr
rrr
d ⋅−⋅+−⋅+⋅= (3.15)
gde su:
Cr,Hr,Or,Sr,Wr – maseni udeli ugljenika, vodonika, kiseonika, sumpora i vlage u radnoj masi
otpada,%.
Zavisnost gornje i donje toplone moći čvrstog otpada data je izrazom:
- 92 -
.),9(25kg
kJHWHH
rrr
d
r
g ⋅+⋅+= (3.16)
Zavisnost donje toplotne moći otpada Hdr sa masenim udelom vlage Wr i mineralnih
komponenata Ar od donje toplotne moći osnove bez vlage i mineralnih komponenata Hdg je:
.,25100
100
kg
kJW
AWHH
rrr
g
d
r
d ⋅−−−
⋅= (3.17)
U tabeli 3.9. prikazani su podaci o elementarnoj analizi i toplotnoj moći smeća nekih gradova i
zemalja.
Tabela 3.9. Elementarna analiza i donja toplotna moć smeća
Smeće sa vlagom i pepelom
Cr,% Hr,% Or,% Nr,% Sr,% Ar,% Wr,% Hdr,kJ/kg
Moskva 21,36 2,80 17,52 0,61 0,13 17,93 39,65 7017
Vladivostok 16,34 2,18 13,27 0,59 0,13 24,35 43,14 5116
Gorki 19,62 2,62 16,67 0,56 0,11 20,5 39,91 6328
Sverdlovsk 17,40 2,24 13,85 0,55 0,11 31,09 34,76 5674
Harkov 19,38 2,48 14,70 0,61 0,14 19,13 43,56 6285
Beč 21,59 1,89 10,12 0,42 0,26 29,3 36,42 7230
V. Britanija 20,96 1,99 12,32 0,31 0,20 38,78 25,49 7459
Brisel 22,10 1,53 8,82 0,25 0,28 40,30 26,72 7814
Kanada 25,57 3,18 18,40 0,42 0,13 25,36 27,03 9443
Holandija 22,17 1,51 8,34 0,23 0,28 43,27 24,20 7740
Norveška 20,12 2,52 16,06 0,46 0,16 18,79 41,86 7085
Helsinki 26,31 3,38 23,35 0,22 0,13 21,95 24,66 9183
Pariz 24,12 3,00 18,99 0,34 0,12 28,24 25,12 8470
Švajcarska 21,41 2,30 15,89 0,27 0,19 31,04 28,90 6982
SAD 24,66 3,11 18,97 0,35 0,13 27,64 25,14 8976
Japan 21,54 2,30 12,48 0,52 0,20 25,35 37,71 7887
Beograd 21,94 2,96 11,66 0,54 0,52 26,85 35,52 7572
3.3. VRSTE PROCESA I POSTROJENJA ZA UKLANJANJE OTPADA
Postupci uklanjanja otpada bi trebalo da obezbede optimalnu zaštitu životne sredine, sa spekta
kruženja materijala u prirodi i sa aspekta zagađenja sredine. Uklanjanje otpada obuhvata:
sakupljanje, transport, skladištenje, sortiranje, recikliranje, uništavanje i preradu.
- 93 -
Svaki proces prerade otpada ima svoje prednosti i nedostatke. Pri izboru postupka neophodno
je razmotriti dva pitanja: u kojoj meri postupak obezbeđuje zaštitu sredine i kakvi su ekonomski
efekti primene produkata iz prerade.
Metode – postupci uklanjanja otpada mogu se podeliti u dve grupe:
1. Utilizacioni postupci u kojima je cilj maksimalno iskorišćenje energije i sirovina iz otpada
(sagorevanje, pirolizacija, gasifikacija itd.).
2. Likvidacioni postupci u kojima je cilj eliminisanje cele mase otpada da bi se sprečilo
nagomilavanje i dejstvo štetnih komponenata iz otpada (sagorevanje otpada bet
korišćenja toplotne energije, trajno zatrpavanje itd.).
Prema primenjenoj tehnologiji, postupci prerade otpada mogu biti:
1. Biološki, u kojima fizičko – hemijska razgradnja organske komponente iz otpada vrše
živi organizmi (deponije, kompostiranje).
2. Teermički (hemijski) postupci kod kojih se fizičko – hemijska razgradnja otpada vrši
korišćenjem hemijske energije sadržane u otpadu. Tu spada: sagorevanje, piroliza,
hidroliza, gasifikacija).
3. Mehanički postupci koji imaju za cilj samo mehaničku transformaciju pojedinih
komponenata ili otpada u celini. Jedan od ovih postupaka je presovanje neorganske
komponente iz smeća i dobijeni presovani blokovi koriste se u građevinarstvu.
3.3.1. BIOLOŠKI POSTUPCI PRERADE OTPADA
Biološki postupci obrade otpada izvode se u cilju:
• proizvodnje komposta
• poboljšanje ostatka otpada za odlaganje (mehaničko-biološki postupci)
• biološke stabilizacije ostatka otpada (postupci stabilizacije)
Kompostiranje
Kompostiranje je najjednostavniji način obrade biološki razgradljivog otpada. To je biohemijski
proces prerade komponenata otpada u stabilan proizvod kompost koji je sličan humusu.
Kompostiranje je aeroban proces i odvija se u mezofilnim i termofilnim stadijumima. Mezofilne
bakterije su aktivne pri temperaturi od 15 - 20°C, a termofilne pri temperaturama od 45 - 60°C.
- 94 -
Tehnologija stvaranja komposta može se klasifikovati prema tri kriterijuma: korišćenju kiseonika,
temperaturi i načinu vođenja procesa. Sa stanovišta korišćenja kiseonika kompostiranje može
biti aerobno i anaerobno. Proces kompostiranja može se odvijati u naslagama (gomilama)
otpada ili u mehanizovanim uređajima (slika 3.3).
Slika 3.3. Šema postrojenja za kompostiranje kućnog otpada
1-prijemni bunker, 2-bunker za doziranje, 3-kranski uređaj, 4-člankasti dodavač,
5-transportna traka za doziranje otpada, 6-rotaciona peć, 7-instalacija za dovod vode,8-
instalacija za dovod vazduha, 9-otpadni dimni gasovi, 10-biofilter,
11-rotaciono sito, 12-nadrešetne frakcije za sagorevanje, 13-vibraciono sito,
14-odvoz ostatka prosijavanja, 15-odvajač tvrdih materijala, 16-vibraciono sito,
17 i 18-transporter za kompost, 19 i 20 – gomila komposta, 21-utovarač komposta
Glavni koraci kompostiranja prikazani su na slici 3.4. Pri sakupljanju biootpada u domaćinstvima
i drugim objektima kao i pri transporu postoje određeni logistički problemi kao i određeni rizik za
zdravlje ljudi koji dolaze u kontakt sa tim otpadpom. Posebno treba obratiti pažnju pri izboru
lokacije za kompostiranje.
- 95 -
Slika 3.4. Glavni koraci postupka proizvodnje komposta iz biootpada
Optimalna temperatura za kompostiranje je 35°C. Proces kompostiranja može se predstaviti
reakcijama:
glikozaceluloza
OHCnnOHC
izmimikroorgan
)6126()6126( ⋅⇔ , (3.18)
2262626)6126( hnOHnCOnOnOHCn
izmimikroorgan
∆⋅−⋅⋅+⋅⋅⇔⋅⋅+⋅ , (3.19)
odnosno zbirnom reakcijom:
2262626)6126( hnOHnCOnOnnOHC
izmimikroorgan
∆⋅−⋅⋅+⋅⋅⇔⋅⋅+ , (3.20)
gde je:
∆h2 – entalpija reakcije,kJ.
Korišćenje komposta zasniva se na uticaju komposta na zemljište i na hemijskom sastavu
komposta. Koristi se:
• u poljoprivredi (poboljšava sastav zemljišta)
• za revitalizaciju površina ogoljenih požarom
• za poboljšanje kvaliteta zemljišta neposredno uz drumske saobraćajnice.
Mehaničko biološka obrada otpada prije odlaganja
Prijem otpada
Obrada otpada
PredRotte/intezivni Rotte proces
Posle Rotte proces
Konfekcioniranje
Tržište
- 96 -
Postupci mehaničko-biološke obrade otpada razvili su se na bazi dosadašnjih iskustava
odlaganja ostatka otpada u zemljama Zapadne Evrope. Mehaničko – biološka obrada, vrši se
samo za ostatak otpada poslije izdvajanja korisnih komponenti iz otpada (slika 3.5).
Slika 3.5. Tehnološka šema funkcionisanja postrojenja za mehaničko – biološku obradu otpada
Pri procesu mehaničke obrade otpada vrši se izdvajanje korisnih komponenti iz ostatka otpada:
• metala
• papira
• plastike
• nemetala
• izdvajanje štetnih materijala koje nije dozvoljeno odlagati na deponije
Osnovne prednosti mehaničko – biološke obrade ostatka otpada su:
Ostatak otpada
Predsortiranje Usitnjavanje Prosijavanje Izdvajanje
Biološka obrada
Intezivni Rotte postupak
Anaerobno vrenje
Posle Rotte postupak Konfekcioniranje
Energetsko korišćenje Korišćenje materijala
Termička obrada
Odlaganje u deponije
Korisni gorivi
materijali
Inertni štetni
materijali
Bioplin
- 97 -
• materijali koji nisu podesni za odlaganje u deponije izdvajaju se i odlažu u posebne
deponije
• količina deponijskog filtrata u telu deponije se smanjuje
• manja je produkcija deponijskog gasa
• poboljšava se zbijanje i gustina otpada
3.3.2. TERMIČKI POSTUPCI PRERADE OTPADA
Za razliku od biohenijskih anaerobnih i aerobnih dugotrajnih procesa razgradnje otpada , gorive
komponente otpada mogu se obraditi i termički. Pri termičkoj preradi otpada odvijaju se hemijske
reakcije pri kojima se oslobađa energija (egzotermne reakcije), ili je potrebno dovoditi energiju
(endotermne reakcije).
Termička prerada otpada izvodi se sledećim postupcima:
• sagorevanje
• piroliza
• gasifikacija.
3.3.2.1. SAGOREVANJE ČVRSTOG OTPADA
Tokom sagorevanja otpada nastaju otpadni gasovi i čvrst ostatak (pepeo). U otpadnom gasu
nalazi se čitav niz zagađujućih komponenata SO2, HCl, HF, NOx itd. Sumpor-dioksid (SO2) i
hlorovodonik (HCl) su osnovni predstavnici kiselih gasova. Tu spadaju u manjim
koncentracijama još i fluorovodonik (HF) i sumpor-trioksid (SO3). Kiseli gasovi su glavni uzročnik
pojave niskotemperaturske korozije na hladnim delovima postrojenja za sagorevanje otpada.
Radi optimalnog korišćenja postrojenja za sagorevanje otpada, kao i zaštite životne sredine
neophodno je poznavanje uticaja procesnih parametara na uslove kondenzacije dimnih gasova.
3.3.2.1.1. ISTORIJAT I OSNOVNE KARAKTERISTIKE PROCESA
SAGOREVANJA OTPADA
Sagorevanjem otpada raspoloživa energija prevodi se u fizičku energiju dimnih gasova
definisanu temperaturom dimnih gasova. Za ocenu karakteristika sagorevanja otpada pored
- 98 -
toplotne moći otpada, naročit značaj ima maseni udeo sagorljivih komponenata, maseni udeo
H2O i maseni udeo pepela. Maseni udeo vlage W, pepela A i sagorljivih komponenata Vs u
otpadu stoje u određenom odnosu (suma iznosi 100%).
Slika 3.6 predstavlja statističko-analitičko vrednovanje oko 400 analiza čvrstog komunalnog
otpada (ČKO).
Slika 3.6. Dijagram sagorevanja čvrstog komunalnog otpada
Razmatrane karakteristike imaju normalnu (Gausovu) raspodelu. To praktično znači da se
razmatrane karakteristike otpada gomilaju oko srednje vrednosti. Na to ukazuju površine dva
mala trougla. Manji trougao predstavlja 50%, a veći 80% razmatranih analiza otpada. Srednje
vrednosti masenih udela iznose: 35% vlage, 30% pepela i 35% sagorljivih komponenata.
Podaci o sadašnjem stanju u Republici Srbiji o generisanju i načinu odlaganja otpada su samo
delimično raspoloživi. Podaci o drugim postupcima tretmana komunalnog otpada (osim
odlaganja na deponije) ne postoje, tj. separacija i recikliranje skoro da se ne primenjuju, dok
termički postupci i ne postoje.
- 99 -
Decenijama unazad gradi se oprema za sagorevanje otpada. Tehnologija je dostigla visok nivo.
Pri sagorevanju otpada mora se zadovoljiti niz uslova. Čvrsti ostatak mora biti sterilan. Dimni
gasovi ne smeju sadržavati produkte nepotpunog sagorevanja CO, H2, CmHn. Temperatura
dimnih gasova u postrojenju mora biti najmanje 800-900 °C da bi se potpuno razgradile
organske komponente. Ložišni prostor za sagorevanje otpada trebalo bi da obezbedi sušenje i
paljenje jako vlažnih komponenata iz otpada, sa masenim udelom vlage i do 70%. Sagorevanje
otpada se sprovodi ili u centralnim postrojenjima ili neposredno na mestima nastajanja otpada.
Postrojenje se može optimalno podesiti pri čemu se može uključiti i piroliza otpada. Dimni gasovi
se prečišćavaju jer se moraju zadovoljiti norme emisije.
Sagorevanja u sloju na rešetki je široko primenjivana tehnologija za sagorevanje svih vrsta
otpada (slika 3.7). Ova postrojenja su kapaciteta od 50 do 100 t/dan. Prosečna temperatura
gasa u kotlovskom delu postrojenja kreće se od 870 do 980 °C, pri čemu temperatura gasa
može dostići i vrednost od 1650 °C. Ovo ima za posledicu povećanu emisiju azotnih oksida NOx.
Vreme zadržavanja otpada u ložištima je oko črtiri sata.
Slika 3.7. Šema postrojenja za sagorevanje otpada u sloju na rešetki
1-skladišni prostor, 2-kran, 3-koš za doziranje, 4-ventilator primarnog vazduha, 5-ventilator
sekundarnog vazduha, 6-rešetka za sušenje, 7-rešetka za sagorevanje, 8-rešetka za
dogorevanje, 9-rešetkasti transporter, 10-rezervoar za brzo hlađenje pepela vodom, 11-
sekcija sa toplovodnim ili parovodnim cevima, 12-sabirnik pare, 13-pregrejač, 14-
- 100 -
ekonomajzer, 15-uređaj za prečišćavanje dimnih gasova, 16-vibracioni transporter, 17-
beskrajna traka, 18-usisni ventilator, 19-deponija pepela, 20-dimnjak
U ložištima za sagorevanje u fluidizovanom sloju materijal sagoreva sa inertnim materijalom
(npr. pesak, silikatni materijali i sl.) (slika 3.8). Funkcija ovih inertnih materijala jeste da stvaraju
fluidizovani sloj pomoću vazduha koji se produvava sa donje strane. Za dobro projektovanje
postrojenja zahteva se da se oko 5% peska nadoknadi na svakih 300 radnih sati. Temperatura
u sloju se održava u granicama od 750 do 925°C. Prema temperaturi vazduha koji se uduvava u
fluidizovani sloj razlikuju se dve konstrukcije ložišta. U prvom slučaju vazduh se predgreva u
razmenjivaču toplote. U drugom slučaju, okolni vazduh se direktno injektira u ložište bez
njegovog prethodnog predgrevanja. Ložišta sa fluidizovanim slojem mogu se uspešno
primenjivati za sagorevanje i vlažnog otpada. Potpuno sagorevanje u fluidizovanom sloju
ostvaruje se koeficijentom viška vazduha λ=1.25-1.50. Zbog relativno niskih temperatura
sagorevanja emisija NOx iz ovih postrojenja je zanemarljiva. Emisija čvrstih čestica veća je u
odnosu na druge konstrukcije.
Slika 3.8. Prikaz ložišta za sagorevanje otpada u fluidizovanom sloju
a)"bubbling bed" sistem; 1-mlaznice za vazduh,2-priključak za krečnjak,3-ulaz otpada,4-
kotao,5-rezervoar vode,6-parni doboš,7-priključak za povrat letećeg pepela u ložište
- 101 -
b)"circulating bed" sistem; 1-otvor za pesak, 2-termopar, 3-ulaz otpada, 4-ulaz vazduha za
fluidizaciju, 5-komora za vazduh, 6-gorionik za predgrevanje vazduha pri startovanju, 7-
mlaznice za vazduh, 8-fluidizovani sloj, 9,13-priključak za probu pritiska, 10-priključak za
ubrizgavanje goriva, 11-gorionik, 12-revizioni otvor, 14-slobodna zona, 15-izduvni gasovi i
pepeo
U najširoj upotrebi jesu rotacione peći za sagorevanje otpadaka jer one omogućuju i druge
termičke prerade otpada kao što je piroliza i gasifikacija (slika 3.9). Dužine rotacionih peći su 8–
12 m (ređe 20 m), prečnika 1–5 m, temperature u peći 800–1400 °C, vremena zadržavanja
otpadaka u peći oko 60–90 minuta. Nagib peći je
1–3 °, vreme potrebno za jedan obrtaj peći je 20–40 sekundi. Prednost ovih peći je elastičnost u
radu pri promenama kapaciteta. U poređenju sa sagorevanjem u sloju, u rotacionim pećima
mogu da sagorevaju i goriva sa nižom toplotnom moći. To omogućava duže vreme neprekidnog
rada u odnosu na sagorevanje sa rešetkom. U odnosu na rešetke, rotaciona peć lakše podnosi
otpatke sa većim masenim udelom mineralnih materija.
Kod sagorevanja otpada u rotacionim pećima sitnije frakcije ostaju u ložištu, ne propadaju iz
ložišta (kao kod rešetke).
Time se smanjuju gubici u propadanju goriva.Mehanička priprema otpada nije potrebna.
Koeficijent viška vazduha je manji kod rotacionih peći nego kod drugih konstrukcija.
Slika 3.9. Uprošćena šema rotacione peći
- 102 -
1-rotaciona peć, 2-vatrostalni izolacioni materijal, 3-zaptivač, 4-
gorionik za dodatno gorivo, 5-kanal za odvod pepela, 6-komora za
dogrevanje
Sagorevanjem otpada nastaju emisije materija koje zagađuju vazduh, a koje se radi zaštite
čovekove okoline moraju otkloniti. Bitne štetne materije u dimnim gasovima nastale u uređajima
za sagorevanje otpada su čvrste čestice, SO2, HCl, HF, NOx, CO, teški metali i organska
jedinjenja.
Nekontrolisano odlaganje otpada, što je doskora bio jedini način uklanjanja i u visoko razvijenim
zemljama, dovelo je do velokog zagađenja životne sredine. To je dovelo do stvaranja
međunarodnih zakona i standarda o zaštiti životne sredine (prilog V-VII). Detaljnije o zakonskoj
regulativi uklanjanja čvrstih otpada može se videti u literaturnim izvorima.
Postojeće zakonske norme emisije mogu se postići primenom sledećih postupaka
prečišćavanja:
• suvi postupci prečišćavanja (uglavnom koriste CaO, uz naknadno izdvajanje čvrstih
čestica iz dimnih gasova u
elektrostatičkim ili vrećastim izdvajačima),
• polusuvi postupci prečišćavanja (primena krečnog mleka ili Ca(OH)2 uz naknadno
izdvajanje čvrstih čestica u
elektrostatičkim izdvajačima),
• vlažni postupci (primena vodenih rastvora odgovarajućeg hemijskog sredstava).
Kod vlažnog postupka prečišćavanja dimnih gasova stepen izdvajanja SO2 je 30–40 %, a HCl
do 80 %. Preporučuje se dvostepeni uređaj. U prvom stepenu se održava kiseli, a u drugom
stepenu neutralni ili slabo bazni rastvor tečne faze. Problemi sa hladnim dimnim gasovima
zasićenim vodenom parom koji nastaju usled ispiranja dimnih gasova (potrebno je dogorevanje
dimnih gasova) dovode do ubrzanog istraživanja u oblasti suvih postupaka prečišćavanja dimnih
gasova.
Takvi postupci se do danas samo pojedinačno uvode i nalaze se još u fazi razvoja. Primenjuju
se dva postupka: adsorptivno izdvajanje zagađujuće komponente primenom aktivnog uglja
(koksa) i absorptivni metod kod kojih nastaje neutralna so, koja se izdvaja u posebnim
uređajima. Stepen izdvajanja SO2 primenom aktivnog uglja je dosta visok i kreće se od 80 – 95
- 103 -
%, hlora i fluora 40 – 60 %. Korišćenjem vodenih rastvora natrijumhidroksida koncentracija HCl
u prečišćenim dimnim gasovima je ispod 100 mg / m3 a SO2 ispod 50 mg / m3.
Među bitnim kriterijumima pri izboru uređaja za prečišćavanje dimnih gasova su investicioni i
pogonski troškovi.
Ne postoje opšti podaci o investicionim i pogonskim troškovima postrojenja za sagorevanje
industrijskog otpada. Oni zavise od vrste otpada koji sagoreva kao i od veličine postrojenja.
Nemačka hemijska industrija je investirala od 1995 do 2000 godine oko 2,4 milijardi EUR (€) za
zaštitu životne sredine. Najveći deo od toga otpada na mere za održavanje čistoće vazduha i
zaštitu voda ( tabela 3.10).
Tabela 3.10. Troškovi Nemačke hemijske industrije za zaštitu životne sredine u periodu od
1995-2000. godine
Investiciona ulaganja u
milionima € 1995. 1996. 1997. 1998. 1999. 2000. 1995-2000.
Spaljivanje otpada 110 91 72 41 85 45 444
Zaštita voda 172 164 185 159 162 161 1003
Održavanje kvaliteta
vazduha 242 276 156 106 85 118 983
Ukupno 524 531 413 306 332 324 2430
3.3.2.1.2. EMISIJA ZAGAĐUJUĆIH MATERIJA IZ POSTROJENJA ZA
SAGOREVANJE OTPADA
Koncentracija štetnih komponenata u otpadnom gasu iz postrojenja za sagorevanje otpada
varira u širokom opsegu zbog različitih karakteristika (različitog sastava) otpada. U tabeli 3.11 su
navedene srednje vrednosti zapreminskih masenih koncentracija zagađujućih komponenata iz
nekih postrojenja za sagorevanje vlažnih (muljevitih) otpada.
Tabela 3.11. Koncentracije zagađujućih komponenata iz postrojenja za sagorevanje vlažnih
(muljevitih) otpada u Nemačkoj
Kontinualna merenja
Granične vrednosti
Mg/m3 Zagađujuće komponente
Srednje dnevne
vrednosti
Srednje polučasovne
vrednosti
Srednje godišnje vrednosti
mg/m3
SO2 - - -
HCl - - -
NOx 200 400 70
- 104 -
Čvrste čestice 10 30 5 CO 50 100 1.6
Hg 0.03 0.05 0.02
Diskontinualna merenja
Zagađujuće komponente Granične vrednosti
Mg/m3
Srednje vrednosti
mg/m3
Najviše vrednosti
mg/m3
Pb, Cu, Mn 0.5 0.2 0.5
Dioksin i Furan 0.1 ng/m3 0.073 ng/m3 0.088 ng/m3
HF 1 <0.2 <0.2
HCl 10 <0.2 <0.2
Poredeći brojne vrednosti zapreminskih masenih koncentracija komponenata prikazanih u tabeli
3.11 sa propisanim graničnim vrednostima emisije prema EPA, prema direktivi EU i prema
Pravilniku Ministarstva zaštite životne sredine Republike Srbije može se zaključiti da su
razmatrane koncentracije zagađujućih komponenata u granicama propisanih vrednosti.
Detaljnija analiza emisije dioksina i furana iz postrojenja za sagorevanje otpada može se videti u
literaturnom izvoru.
Eksploataciona iskustva postrojenja za sagorevanje otpada ukazuju da jedan deo sumpora
sagoreva u SO2, a preostali deo ostaje u čvrstom ostatku (pepelu). Emisija SO2 može se
izračunati primenom izraza:
.h
kg,
100sv
1100
su~xu
.m
2100
se
100su
~xu
.m
22SOE
−⋅
⋅⋅=⋅
⋅= (3.21)
Za analizu emisije SO2 može se razmatrati izraz :
.3m
kg,
gs.V
u.
m
100sv
1100
su~x
2
gs.V
2SOE2SO
~C ⋅
−⋅⋅== (3.22)
Literaturni podaci ukazuju da oko 45% sumpora iz otpada odlazi sa dimnim gasovima u
atmosferu. Smanjenje emisije SO2 u dimnim gasovima može se postići povećanjem vrednosti vs.
Eksploataciona iskustva ukazuju na pretpostavku da je stepen vezivanja sumpora za pepeo veći
ukoliko je maseni udeo kalcijuma i magnezijima u pepelu veći.
3.3.2.2. PIROLIZA ČVRSTOG OTPADA
- 105 -
Piroliza je termičko razlaganje čvrstog otpada bez prisustva kiseonika. Otpad se termički
razgrađuje uz pomoć količine toplote dovedene izvan reaktorskog prostora. Produkti pirolize su
gasovi, kondenzovani produkti i čvrsti ostaci ugljenika.
Iz jedne tone smeća pirolizom se može dobiti 70-90kg koksa toplotne moće 19000-30000kJ/kg,
5-8kg ulja toplotne moći 3800-4200kJ/kg, 300-500m3 gasa toplotne moći 12000-20000kJ/m3
300-350kg kondenzata (gasne vode). Na slikama 3.10 i 3.11 prikazani su rezultati ispitivanja
pirolize gume.
Slika 3.10. Količina produkata pirolize gume
Slika 3.11. Zapreminski udeli komponenata u gasnoj fazi produkata
pirolize gume
- 106 -
Proces pirolize otpada obavlja se u pećima sa fluidizovanim slojem (plastika i stare gume),
rotacionim pećima (smeće) šahtnim retortnim pećima. U rotacionim pećima temperatura je 700-
800°C, a u retortnim pećima 410-460°C.
Na slici 3.12 data je šema postrojenja za obradu kućnog i muljevitog otpada postupkom pirolize.
Slika 3.12. Šema postrojenja za pirolizu kućnog i muljevitog otpada
1-prijemni bunker, 2-usitnjivač, 3-dodavač, PS-ohlađeni sagoreli gasovi, PP-gas pirolize, DG-
dodatno goprivo, ZS-vazduh za sagorevanje, VP-vodena para, DP-dimni gasovi
Osnovne prednosti postupka pirolize otpada u odnosu na sagorevanje otpada su:
• niže temperature
• manja masa dimnih gasova
• fleksibilnije vođenje procesa
• manje zagađenje okoline.
Nedostaci pirolize su:
• potrebno usitnjavanje i homogenizacioja otpada
• loše energetsko iskorišćenje zbog povećanog sadržaja koksa i nesagorelog ugljenika
• povećan sadržaj teških metala i toksičnih organskih kopmonenata zbog nižih temperatura
reakcija.
3.3.2.3. GASIFIKACIJA ČVRSTOG OTPADA
- 107 -
Procesom gasifikacije čvrste komponenete otpada sa sadržajem ugljenika transformišu se pri
visokim temperaturama u gasovita goriva. Gasifikacija otpada se vrši u posebnim pećima
(generatorima) gde se teži za što većim postotkom sagorljivog ugljnen - monoksida u
proizvedenom gasu (slika 3.13). Gasnih generatora ima raznih izvedbi, ali je princip rada svih
tipova generatora u osnovi jednak. Na rešertki se nalazi visok sloj otpada, koji sagoreva u
prisustvu kiseonika. Oksidacija se javlja tako dugo dok ima kiseonika. U vazduhu je manje
slobodnog kiseonika što se više ide od rešetke a sve više ima CO.
Slika 3.13. Šema gasovitg generatora
Postoji bitna razlika između procesa pirolize i gasifikacije otpada. Pri procesima pirolize otpad
destilira bez hemijskih reakcija i najveći deo čini čvrst ostatak (koks). Kod procesa gasifikacije
otpada odvijaju se hemijske reakcije:
422 CHHC ⇔⋅+ , (3.23)
COCOC ⋅⇔+ 22 , (3.24)
22 HCOOHC +⇔+ . (3.25)
Pri procesima gasifikacije otpad nepotpuno sagoreva, a čvrst ostatak je pepeo. Prema
literaturnim podacima iznad 659°C u ravnotežnoj mešavini ne postoji čvrsta faza. Pri porastu
temperature gasifikacije otpada molski udeo ugljenika i vodene pare, dok molski udeo ostalih
komponenata u mešavini raste (slika 3.14).
- 108 -
0
0.2
0.4
0.6
0.8
450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 932
T,KM
olsk
i udi
o,km
ol/k
mol
xC
xH2O
xCO
xH2
Slika 3.14. Zavisnost molskih udjela komponenata u heterogenoj ravnotežnoj mješavini
reakcije C+H2O ⇔ CO+H2 od reakcione temperature