ХХ конгрес на хемичарите и технолозите на Македонија 20th Congress of Chemists and Technologysts of Macedonia

CHE–03-E

МАСЕНАТА ПИНЧ ТЕХНОЛОГИЈА – МОЖНА АЛАТКА ЗА ОПТИМИЗАЦИЈА НА СИСТЕМИТЕ ЗА ПРОЧИСТУВАЊЕ НА

ОТПАДНИТЕ ВОДИ

Александар Анастасовски

e-mail: AleksandarA@mt.net.mk

Voved Во втората половина од минатиот век започнат е развојот на посебен дел во интеграцијата на елементите од процесот со цел оптимизирање на работата на постоечките постројки и на постројките кои во иднина би се дизајнирале. Првите чекори во развојот на овој вид на алатки во проектирањето се однесуваат на топлинската заштеда во постројките со помош на дизајнирање на мрежа од топлински разменувачи. Таа алатка е наречена Пинч технологија. Подоцна се развиваат техники слични на топлинската процесна интеграција, кои се однесуваат на материјалните процесни струи. Тој дел од процесната интеграција е наречен масена процесна интеграција или масена Пинч технологија. Целта на масената интеграција е искористувањето на компоненти од материјалните струи во еден процес, од една страна искористување со цел намалување на потребните количини на суровина, а од друга страна намалување на испуштањето на различни токсични компоненти во отпадните материи. Главната улога на процесната интеграција е оптимизирање на трошоците за енергија и материјал (суровини). Кај масената процесна интеграција се градат мрежи од разменувачи на маса (адсорбери, јонски разменувачи, филтри, центрифуги и апарати со слична намена). Во понатамошниот развој на Пинч технологијата се развива гранка во масената Пинч технологија за минимизирање на користењето на свежа вода во процесите и искористување на дел од отпадните води кои можат да се искористат за постоечкиот процес (воден пинч) [1]. Денес развојот на Пинч технологијата може да се искористи и за постројки кои служат за преработка на отпадните води. Во таа мрежа на разменувачи на маса можат да се вклучат покрај основните операции во хемиската технологија, операциите на размена на маса користејки микробни реактори, развиени во биотехнологијата. Целта на овој труд е да се покаже можноста за користење на Пинч технологијата за таа намена. Метод на работа Загадувањето на отпадните води се мери со потребната количина на кислород потребна за намалување на нејзиното загадување. Кислородот е потребен при постапката на биолошки или хемиски третман на отпадните води, при што неговата потребна количина е еквивалентна на количината на загадувач кој се трансформира од постоечката форма во друга (нетоксична) форма. Потребната количина на кислород за биолошки третман на отпадните води претставува мерлива вредност – БПК, како и хемиски потребната количина на кислород – ХПК. Еквивалентноста на овие параметри со кои е определено загадувањето, даваат можност да се искористат како замена на концентрацијата на било која од загадувачките компоненти со концентрациска вредност на кислородот кој е потребен за третманот. Биолошкиот третман на отпадните води се користи покрај физичко – хемиските методи. При тоа микроорганизмите делуваат како разменувачи или акумулатори на маса, складирајки ги дел од материите во своите клетки, издвојувајки ги дел од трансформираните компоненти како нерастворлив талог или пак создавајки гасовити материи кои се издвојуваат во атмосферата. Отпадните води како материјални струи се среќаваат во секоја производствена постројка. Тие помеѓу себе се разликуваат по видот и количината на загадување. Денес најчесто се раздвојуваат по однос на потеклото и загаденоста (дождовница, комунални отпадни води, органски загадувачи од животинско и

ХХ конгрес на хемичарите и технолозите на Македонија 20th Congress of Chemists and Technologysts of Macedonia

растително потекло, загадувачи од хемиската индустрија, тешки метали и сл.). Дел од нив можат да се прочистат со обични таложни постапки, но дел потребно е да се третираат со специфични постапки. Најчесто за отпадните материјални струи кои во себе содржат органски материи од животинско и растително потекло, најефикасна постапка е биолошкиот третман. Биодеградабилноста на отпадните води може лесно да се определи како однос на ХПК со БПК ( HPK

BPKfffffffffffffffff<2) [2]. Доколку тој однос е поголем

од 2, тогаш тие отпадни води не се биодеградабилни, или тоа многу тешко ќе го постигнат. Пречистувањето на отпадните води скоро секогаш се сведувало на преработка од мешавини на отпадните води. За да се оптимизира една постројка за преработка на отпадните води, потребно е истите да ги третира поединечно. Некои од нив немаат потреба од пречистување (дождовница), но може да послужи за потребни разредувања за кои би се користело вода од водоводен систем. Конструкција на композитни криви – Кривите кои се добиваат со графичка суперпозиција на селектираните материјални струи (посебно на струи кои се богати со референтната компонента и посебно на струи кои се сиромашни со референтната компонента) како зависност на количеството пренесена маса од концентрацијата на компонентата се наречени композитни криви. Основните параметри кои треба да бидат дадени за материјалните струи со цел конструкција на композитни криви и понатамошна анализа се: масен проток на материјалните струи (Qm [kg/h]), влезна и излезна вредност на БПК5 [O2 mg/L], како и потребниот пренос на кислород (QO [ (O2) BPK5 kg/ден]) [3]. Врз опснова на овие податоци, се определува кои од материјалните струи се струи богати со кислород, а кои сиромашни со кислород. Во случајов сиромашни струи со кислород се струите кои имаат високи вредности за БПК и таа вредност е потребно да се намали. Кај топлинската процесна интеграција, погонска сила претставува температурната разлика, аналогно на тоа кај БПК масената процесна интеграција, погонската сила е разликата на влезната и излезната вредност на БПК5 (разлика на концентрации). Сличноста може да се види со споредбата на равенките за количество пренос на топлина (1) и за количеството пренос на маса (2,3,4).

Композитните криви на сиромашните и богатите материјални струи се конструираат од вредностите на протокот на кислород за БПК5 и вредностите за влез и излез на БПК5, исцртани како графичка зависност на разменетата маса со концентрацијата. На слика 1 се прикажани материјални струи од отпадни води на кои е потребно да им се намали вредноста на БПК5. Долната прикажана струја, претставува струја која во себеси носи вишок на кислород. Тоа е струја која во себе ги содржи потребите на микроорганизмите за кислород, како и другите фактори кои влијаат врз процесот – растворливост на кислородот, рамнотежна концентрација и сл. (аериран медиум). Треба да се нагласи дека струите кои се богати со отпадни материи се струи сиромашни со кислород, додека аерираниот медиум е струја богата со кислород. Конструирањето на композитните криви е прикажано на слика 2. Тие се конструираат по метод на суперпозиција на праволиниски функции определени од влезните и излезните параметри на материјалните струи. Аерираноста на медиумот зависи од растворливоста на кислородот во него и од асимилацијата од страна на микроорганизмите, така да на влезот во системот има висока содржина на кислород. Кога композитните криви ќе се приближат, местото на допир на кривите ја определува Пинч точката (слика 3). Најкусото растојанието помеѓу кривите во делот на Пинч точката претставува местото каде се наоѓа минималната погонска сила на пренос на маса во системот. Вредноста на минималната погонска сила ги одредува карактеристиките на постројката (големина и капацитет). Врз основа на различните вредности на оваа погонска сила, се врши економска оптимизација на можната конструкција на систем од биореактори за биолошки третман на селектираните отпадни материјални струи.

pQ m c t m h= Ч ЧD = ЧD (1)

( ) ( )( ) 55 5O m mVLEZ IZLEZQ Q BPK BPK Q BPK= Ч - = ЧD (2) vlezBPK m vlezQ Q BPK= Ч (3)

i lBPK m izlezQ Q BPK= Ч (4)

ХХ конгрес на хемичарите и технолозите на Македонија 20th Congress of Chemists and Technologysts of Macedonia

Сл. 1. Конструкција на композитни криви за масена интеграција, користејки ги вредностите на БПК5 од отпадните материјални струи (група на 3 струи во горниот дел) и струја богата со кислород

Сл. 2. Графичка конструкција на композитните криви со користење на суперпозиција

Сл. 3. Конструирани композитни криви на материјални струи сиромашни со кислород (горна крива) и носител на кислород (долната права)

ХХ конгрес на хемичарите и технолозите на Македонија 20th Congress of Chemists and Technologysts of Macedonia

______________________________________________________________________________

Ohrid 2008

Rezultati i diskusija БПК и ХПК на отпадните води поради нивниот различен состав можат да бидат искористени за анализа на материјалните струи кои се среќаваат во системот со цел да бидат интегрирани. Конструкцијата на композитните криви се дел од таа анализа. Со нивна помош се определува Пинч точката и минималната погонска сила. Ова претставува основа за понатамошно оптимизирање на системи за третман на отпадните води. Можноста различните отпадни струи да се комбинираат за нивниот третман, дава поволни услови за развој на мрежа од биореактори. Таа мрежа се развива со различни комбинации на распоред кои можат да се направат во неа. Овој начин на развој на системи за преработка на отпадните води дава можности за наоѓање на оптималното решение за даден преработувачки капацитет. Со дизајнот на ваква мрежа и негова економска анализа, може да се согледа можноста за заштеда во процесот на преработка, во суровини и капацитет на единиците за третман. Економската оптимизација се базира на односот на минималната вредноста на погонската сила врз трошоците на чинење за постројката, производствените трошоци и вкупните трошоци. Важна е и искористеноста на кислородот во системот и минимизрањето на тришоците за него, како и останатите видови на трошоци. Номенклатура ХПК (COD) – Хемиски Потребен Кислород БПК (BOC) – Биолошки Потребен Кислород

Q – количество пренесена маса или топлина (kJ/h, kg/h) t – температура (оС)

Referenci

[1]. El-Halwagi, Mahmud. Polution Prevention through Process Integration - Systematic Design Tools. s.l. : Academic Press, 2003.

[2]. T.K. Zhelev, N. Bhaw. Combined water-oxygen pinch analysis for better wastewater treatment management. 2000, Waste Management, pp. 665-670.

[3]. Cheremisinoff, Nicholas P. Biotechnology for industrial waste water. Westwood, New Jersy : Noel Publications, 1996.