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