UNIVERZITET U NOVOM SADUFAKULTET TEHNIČKIH NAUKA NOVI SAD

dr Slavko Đurić, doc.dr Milan Dimić, red. prof.

PROCESNI APARATI ZA ZAŠTITU OKOLINE- skripta ~ predavanja -

Novi Sad, 2006.

PREDGOVOR

Skripta koju upravo čitate predstavlja beleške sa predavanja profesora Slavka Đurića

iz predmeta PROCESNI APARATI ZA ZAŠTITU OKOLINE, održanih u 2004/2005, i

2005/2006 godini, FAKULTETA TEHNIČKIH NAUKA – smer Inženjerstvo zaštite

životne sredine.

Skripta je nastala na osnovu sledećih knjiga, skripti i beleški:

1. Bašić, Đ. : Predavanja (rukopis), FTN, Novi Sad, 2004.

2. Bašić,Đ.,: Odabrana poglavlja iz procesnih postrojenja i sistema,

predavanja, Novi Sad, 2003/2004.

3. Kuburović,M., Petrov,A.: Zaštita životne sredine, SMEITS i Mašinski fakultet,

Beograd, 1994.

4. Sokolović,M.,Sokolović,S.: Zaštita okoline od zagađenja hemijske industrije, I

deo, Metode prečišćavanja otpadnih voda, Tehnološki fakultet, Novi

Sad,1994.

5. Đurić,S.: Uticaj karakteristika ugljeva (masenog udela sumpora i pepela i

sastava pepela) i temperature dimnih gasova na odsumporavanje dimnih

gasova suvim aditivnim postupkom, Magistrski rad, Mašinski fakultet,

Beograd,1998.

6. Đurić,S.,:Istraživanje uticaja procesnih parametara gasova koji se emituju u

atmosferu na uslove kondenzacije, Doktorski rad, Mašinski fakultet,

Beograd,1993.

7. Đurić,S.,Božičković,R.,Stanojević,P.: Postupak proračuna sastava produkata

pirolize i gasifikacije čvrstog goriva, Mašinstvo,Vol.8,Broj 2, str. 109-115,

mašinski fakultet, Zenica, 2004.

2

SADRŽAJ (STRUKTURA) PREDMETA

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

2.4.3.3. 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

3

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

4

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

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%.

5

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)

sastava mineralnih materija (pepela)

temperature kod procesa sagorevanja uglja

kao i od načina vođenja procesa.

6

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

Izvori

Čvrste čestice

Gasovite komponente

Bez

opa

. po

zdra

vlje

Opa

sne

p

o zd

ra.v

lje

Jedinjenja sumpora

Organskajedinjenja

Oksidi azota

Ugljenmonoksid

Halogenajedinjenja

Miri

siSO2

SO3H2S CS2 CmHm NOx CO

Cl,HCl,F,HF

-

Energetika x x x xHemijskaindustrija

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 sredstva

x x x x x x

Poljoprivreda x x xLožišta za individualno grejanje

x x x x x x

7

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:

geometrijske karakteristike (granulometrijski sastav, oblik zrna, specifična

površina)

fizičke karakteristike (brzina taloženja, stvarna gustina, nasipna gustina,

tvrdoća, električna provodljivost,...)

HEMIJSKE REAKCIJE I SAGOREVANJE

SPECIFIČNI POSTUPCI

SIGURNOSNA VENTILACIJA

POČETAK I ZAVRŠETAK

RADA POSTROJENJA

Slika 1.2. Uzroci nastajanja zagađujućih komponenata u industriji

8

UZROCI NASTAJANJA ZAGAĐUJUĆIH KOMPONENATA

UPARAVANJEISPARAVANJE

KONDEN-ZACIJA

MEŠANJE RASPRA-ŠIVANJE

SEJANJEKLASIRANJE

TRANSPORT.SKLADIŠTENJE

NEZAPTIVENOSTRAD POSTROJENJA

VAN PROJEKTOVANIH KAPACITETA

OČEKIVANE GREŠKE HAVARIJE

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:

(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):

. (1.2)

Tada je brzina padanja (taloženja) čestice:

(1.3)

gde je:μ – dinamička viskoznost sredine, Pa·s.

U oblasti 2< Re < 500 (prelazni režim) može se primeniti formula Ozena

(Oseen):

9

(1.4)

pa se brzina taloženja čestice može približno odrediti pomoću izraza:

. (1.5)

U turbulentnoj oblasti 500<Re<2·10 5 je ξ = 0,44, pa se brzina taloženja

čestice određuje pomoću izraza:

. (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 :

, (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:

(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:

10

, (1.9)

ili pomoću izraza:

, (1.10)

pri čemu su korišćeni sledeći kriterijumi:

, (1.11)

(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:

(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)

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).

11

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.

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 .

12

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:

(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 izazivajući ekološke probleme. Neznatan deo oko 5%

emitovanog SO2 u atmosferu osidiše u SO3 i sa vlagom iz vazduha stvara sumpornu

13

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 :

, (1.15)

U tabeli 1.2 prikazane su fizičke osobine SO2, a na slikama 1.3 -1.5 fizičko hemijskeosobine.

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

14

Slika 1.3. Napon pare SO2 u zavisnosti Slika 1.4. Rastvorljivost SO2 u

od temperature sumpornoj kiselini pri 1,013·105Pa

15

Slika 1.5. Rastvorljivost SO2 u vodi u zavisnosti od

parcijalnog pritiska SO2

Stvaranje sumpor-trioksida može se predstaviti reakcijom:

(1.16)

Zavisnost konstante ravnoteže reakcije stvaranja SO3 od temperature može se

prikazati formulom:

(1.17)

gde su:

T - apsolutna temperatura pri kojoj se odvija hemijska reakcja, K,

- konstanta ravnoteže pri konstantnom pritisku u reaktorskom

prostoru, Pa - 0.5,

- 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:

(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

3,57 g/l

2,543 kJ/(m3·K)

16

Specifični toplotni kapacitet Cp pri 5000 C i 1,013 ·105 Pa 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

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)

17

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

, g/cm3 0,903 0,871 0,825 0,787 0,741 0,680

t, 0 C -47 -28 0 20 36 58

18

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:

(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) 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

Koeficijent rastvorljivosti H2S

, m3/(g·bar) 4,53 2,355 1,62 1,17 0,91 0,81

t, 0 C 0 21 40 60 80 100

19

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.

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,...

20

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 podzemne, koje su u stalnom pokretu - od

21

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

22

Granična vrednost imisije (GVI). Očigledno je da je GVI po svojoj suštini NORMA

KVALITETA, granica tolerisanja. Najčeše se primenjuje na vodu, 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.

23

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.

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

24

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.

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

ostatakmg/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.

25

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.

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.

26

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.

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

27

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

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

28

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.

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.

29

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

30

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.

Brzina strujanja vode u otvorima pregrada je 1 – 1,2 m/s. Pregrade sa otvorima

obezbeđuju bolje mešanje od nepotpunih pregrada.

31

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:

, (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:

(2.2)

gde su:

- 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:

(2.3)

gde je i redni broj pregrade posmatrano od kraja mešača.

32

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:

(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:

(2.5)

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:

(2.6)

gde su:

Q – zapreminski protok vode, m3/h,

- vreme boravka vode u mešaču, min.,

33

Poprečni presek ulaznog dela konusa je:

(2.7)

gde su:

- protok vode, m3/s,

v1 – brzina strujanja vode na ulazu u konus (obično 1 m/s), m/s.

Poprečni presek cilindričnog mešača je:

(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

taloga, 4 – osigurač protiv vazdušnih mehurova

34

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:

(2.9)

gde su:

V – zapremina mešača, m3,

z – broj prolaza vode kroz nepokretan plašt ( obično 0,08 – 0,25 s-1), s-1,

Površina poprečnog preseka nepokretnog plašta (bitna za proračun prečnika

propelera), je:

35

(2.10)

gde je v0 brzina vode u nepokretnom plaštu (obično 1,5 do 2 m/s),

Prečnik propelera je:

(2.11)

Broj obrtaja propelera je:

(2.12)

gde je φ ugao nagiba lopatice propelera (obično je 22°),

Pad pritiska koji treba da savlada propeler je:

(2.13)

gde su:

ηH – hidraulični stepen korisnosti propelera 8obično 0,8 do 0,9),

Δpg – gubici pritiska usled lokalnih otpora u mešaču (obično 2000 Pa), Pa,

Snaga na vratilu propelera je:

(2.14)

gde je η0 stepen korisnosti (obično 0,75),

Snaga elektromotora je:

(2.15)

gde je ηp stepen korisnosti prenosa (zavisi od tipa prenosa i iznosi 0,6 do 0,95).

36

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:

(2.16)

gde su:

τ – vremenski period (ujednom ciklusu) osrednjavanja karakteristika voda, h,

- srednja vrednost zapreminskog protoka voda u jednom ciklusu, m3,

η = 0,7 – konstanta,

Q – ukupna zapremina vode u jednom ciklusu, m3.

37

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:

(2.17)

gde su:

H – dubina taložnika,m,

wt – brzina taloženja čvrstih čestica, m/h.

Potrebna dužina taložnika je:

(2.18)

gde je:

vsr – srednja brzina vode duž taložnika,m/h,

Srednja brzina vode duž taložnika može odrediti pomoću izraza:

38

(2.19)

gde su:

- zapreminski protok otpadne vode,m3/h,

A – aktivna površina poprečnog preseka taložnika,m2,

Površina taložnika u osnovi može se odrediti na osnovu iskustvenog izraza:

(2.20)

ili pomoću izraza:

(2.21)

Širina taložnika je:

(2.22)

Šema horizontalnog taložnika prikazana je na slici 2.7.

Slika 2.7. Šema horizontalnog taložnika

2.4.2.1.2. PRORAČUN RADIJALNIH TALOŽNIKA

39

Površina poprečnog preseka taložnika je:

(2.23)

gde su:

- zapreminski protok otpadne vode po m2 poprečnog preseka,m3/(h·m2),

Prečnik taložnika je:

(2.24)

ili pomoću izraza:

(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:

Brzina strujanja vode kroz vertikalni taložnik je:

(2.26)

40

Vreme taloženja čestica određuje se eksperimentalno, ili ako je poznata visina

taložnika H pomoću izarza:

(2.27)

Površina poprečnog preseka vertikalnog taložnika je:

(2.28)

Visina radnog dela taložnika je:

(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

41

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:

(2.30)

gde su:

x – masa rastvora,kg,kmol,

xzas – masa zasićenog rastvora,kg,kmol,

- relativno prezasićenje rastvora,kg/kg,kmol/kmol.

U praksi je obično s ≤ 0,02.

Da bi se kristalizacija mogla obavljati potrebno je:

42

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:

, (2.31)

gde su:

c1,c2 – konstante koje zavise od vrste supstance.

43

Heterogena nukleacija se javlja na stranim površinama koje su u kontaktu sa

rastvorom kao što su zidovi posude, strana tela i čestice u rastvoru.

Intenzitet sekundarne nukleacije B0 utvrđuje se eksperimentalno, i zavisi od načina

ostvarivanja procesa kristalizacije kao i od vrste supstance koja kristalizuje:

(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

(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:

(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:

44

(2.36)

gde su:

- maseni udeo bezvodne soli u vodi na ulazu u kristalizator,kg/kg,

- maseni udeo bezvodne soli u rastvoru posle kristalitacije (matični rastvor),kg/kg,

- 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

Masa isparene (prirodno isparavanje) vode po m2 površine kristalizatora (ogledala)

određuje se iz jednačine:

, (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:

(2.38)

gde su:

A – površina isparavanja,m2,

- vreme isparavanja,h.

Za kristalizaciju bez isparavanja vode, masa izdvojenih kristala je:

45

(2.39)

Masa izdvojenih kristala koja se odvija isparavanjem vode pri temperaturi isparavanja

Ts ( je:

(2.40)

Učinak procesa kristalizacije proporcionalan je brzini stvaranja kristala:

(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:

(2.42)

46

gde su:

hQ – specifična entalpija otpadne vode na ulazu u kristalizator, kJ/kg,

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:

(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:

(2.44)

gde su:

kef – koeficijent prolaza toplote, W/(m2·K)

ΔTm – srednja logaritamska razlika temperatura,K.

2.4.2.2.2. KRISTALIZATORI

47

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 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).

48

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

49

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.

50

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:

51

(2.45)

gde su:

mQ – masa vode koja ulazi u uparivač,kg,

- maseni udeo komponente (soli), kg/kg,

- krajnji (zadani) maseni udeo komponente u ugušćenom rastvoru,kg/kg.

Masa vodene pare potrebna za ugušćivanje rastvora je:

(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:

(2.47)

gde je:

d – potrošnja pare po kilogramu uparene vode, kg/kg.

Ukupna potrebna površina za zagrevanje je:

(2.48)

52

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:

(2.49)

gde je :

n – broj uparivača,-.

Grejna površina jednog uparivača određuje se pomoću izraza:

(2.50)

gde su:

P1 – toplotna snaga uparivača, kW,

k1 – koeficijent prolaza toplote, kW/(m2·K),

ΔT1 – razlika temperature pare i ključalog rastvora,K.

Toplotna snaga prvog uparivača je:

(2.51)

gde je:

- maseni protok grejne pare, kg/s.

Maseni udeo rastvorene komponente u ugušćenom rastvoru na kraju prvog stepena

uparavanja je:

(2.52)

2.4.3.2. ISPARAVANJE

53

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:

(2.53)

gde su:

- godišnji protok otpadne vode koja isparava, m3/god,

- 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:

(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:

(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,

54

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,

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:

55

Tem

pera

tura

va

zduh

a,°C

Tem

pera

tura

va

zduh

a,°C

Tem

pera

tura

vo

de,°

C

p2,mbar

(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,

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.

56

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:

(2.59)

gde su:

- zapreminska masena koncentracija komponente u parnoj fazi (po litru

kondenzata), g/l,

- 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

(2.60)

57

3

1

5

2

gde su:

(2.61)

- početna koncentracija komponente u vodi, g/l,

- 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:

(2.62)

pa je visina sloja ispune:

(2.63)

Osnovne karakteristike procesa destilacije, na osnovu eksploatacionih podataka su:

prečnik kolone 0,8 – 3m

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.

58

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).

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.

59

Slika 2.20. Šema kontinualne ekstrakcije

Osnovne veličine koje definišu proces ekstrakcije opisane su jednačinama (2.64) do

(2.68):

koeficijent rapodele je:

(2.64)

gde su:

- zapreminska koncentracija rastvorene komponente u rsatvaraču, g/l,

- zapreminska koncentracija komponente u vodi, g/l,

krajnja koncentracija komponente u vodi:

(2.65)

gde su:

- 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:

(2.66)

gde su:

V1 – ukupna zapremina ekstragenta,m3,

60

Q – zapremina vode koja se prečišćava postupkom ekstrakcije,m3,

materijalni bilans kontinualne ekstrakcije može se prikazati jednačinom:

(2.67)

gde je:

- zapreminska masena koncentracija komponente u ekstragentu na izlazu iz

ekstraktora,g/l,

kod višestepene ekstrakcije (slika 2.21) broj ekstrakcija neophodnih za

snižavanje koncentracije do je:

(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

61

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:

(2.69)

gde su:

- početna zapreminska masena koncentracija gasa u vodi, g/l,

- zapreminska masena koncentracija gasa u vodi posle vremena , g/l,

- 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:

(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.

62

Izraz (2.70) može se uspešno koristiti i za određivanje difuzije kod blagih rastvora.

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:

(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

63

hemisorpciju SO2 i odsorpciju vode, silika – gel (silicijum – dioksid) veoma porozne

strukture i koristi se za uklanjanje vlage H2S.

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.

64

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.

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

65

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 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:

. (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,

66

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:

(2.73)

gde su:

K- konstanta ravnoteže, -,

- ravnotežna masena koncentracija komponente A u sorbentu,g/kg,

- ravnotežna masena koncentracija komponente C u rastvoru,g/kg.

Masa sorbenta može se odrediti iz jednačine materijalnog bilansa:

(2.74)

odakle je:

(2.75)

gde su:

m – masa sorbenta,kg,

Q – zapremina otpadne vode,l,

- početna zapreminska masena koncentracija komponente u rastvoru, g/l,

– ravnotežna zapreminska masena koncentracija komponente u rastvoru,g/l.

Jednačina (2.75) uz korišćenje jednačine (2.73) može se napisati u obliku:

. (2.76)

Iz jednačine (2.76) može se odrediti ravnotežna koncentracija komponente u rastvoru

pri datoj potrošnji adsorbenta:

67

(2.77)

Ako se otpadnoj vodi, po uspostavljanju ravnoteže, dodaju jednake doze adsorbenta,

koncentracija zagađujuće komponente posle „n“ – tog dodavanaj sorbenta je:

(2.78)

Analiza poslednje jednačina ukazuje da višestepena obrada otpadne vode

omogućava potpunije iskorišćenje adsorpcionih sposobnosti sorbenta, i time

značajno smanjuje njegovu potrošnju.

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:

68

(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

, (2.80)

visina sloja sorbenta

(2.81)

dinamička aktivnost adsorbenta

(2.82)gde su:

H - visina sloja sorbenta,m,

m - masa komponente koja se asorbuje,kg,

A - 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

69

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

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:

(2.83)

gde su:

x - masa adsorbovanog rastvorka,g,

m - masa adsorbenta,g,

70

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.

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.

71

PAC PAC GAC GAC

Slika 2.27. Poređenje praškastog i granularnog aktivnog uglja

2.4.4.2. NEUTRALIZACIJA

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.

72

Neutralizatori mogu biti sa vertikalnim i horizontalnim kretanjem otpadne vode.

Pri neutralizaciji vode u vertikalnim uređajima, minimalna visina sloja materijala je

određena izrazom:

(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.

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:

(2.85)gde su:

v – brzina vode kroz filtar,m/s,

- vreme kontakta vode i materijala za neutralizaciju,s.

Brzina strujanja vode je obično 0,01 – 0,03 m/s. Površina poprečnog preseka

uređaja je:

(2.86)

gde su:

- zapreminski protok otpadne vode,m³/s,

v – brzina flotacije,m/s.

Dnevna potrošnja reagensa je:

(2.87)

gde su:

- dnevni protok otpadne vode, m3/dan,

73

m – koeficijent – stehiometrijska masa reagensa za neutralizaciju,g/g,

- 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.

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.

74

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).

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

75

m, (2.88)

gde su:

a – dužina stranice poprečnog preseka,m,

d – prečnik kola terbine,m,

radna zapremina rezervoara je:

m3, (2.89)

gde je:

h – radna visina sloja smeše vode i vazduha,m,

radna visina h određuje se pomoću izraza:

m, (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:

(2.91)

gde su:

u – obimna brzina,m/s,

φ – koeficijent napora (za flotatore je 0,2 – 0,3),

broj obrtaja turbine je:

(2.92)

broj flotatora se određuje iz izraza:

76

(2.93)

gde su:

- zapreminski protok otpadne vode,m3,

τ – vreme flotacije,min.,

a – koeficijent aeracije (obično iznosi 0,35),

zapremina flotatora:

(2.94)

potrošnja vazduha:

(2.95)

gde su:

I – intenzitet aeracije,m3/(m2·h),

A – površina poprečnog preseka flotatora,m2,

broj mlaznica:

(2.96)

gde su:

AM – površina poprečnog preseka jedne mlaznice,m2,

v – brzina vazduha na izlazu iz mlaznice,m/s,

snaga motora jedene turbine:

(2.97)

gde je:

η – stepen korisnosti (obično iznosi 0,2 – 0,3).

2.4.4.4. BIOLOŠKO PREČIŠĆAVANJE

77

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.

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:

(2.98)

78

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:

(2.99)gde su:

- 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).

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%.

79

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:

(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:

, (2.101)

gde je:

BPKnv – potrebna količina kiseonika za neprečišćenu otpadnu vodu.

Potrebna površina biofiltra je:

(2.102)

gde su:

– proračunski dnevni protok otpadne vode,m3/dan,

80

N – dopušteno opterećenje potrebnom količinom kiseonika (BRK) po m2 filtera na

dan,g/(m2·dan).

Hidraulično opterećenje površine biofiltera je:

,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.

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

81

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

m3mulja/m3vodekg 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

82

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.

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.

83

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

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)

84

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.

85

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

IVOA

ER

OB

NA

O

BR

AD

A it

d.

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

BIOGASR

EC

IRK

UL

AC

IJA

MU

LJA

RECIRKULACIJA

IZBISTRENE TEČNOSTI

ANAEROBNO PREVRELA TEČNOST

86

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 postrojenja. Masa otpada se utvrđuje vaganjem punih i praznih

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 prašinaStara ulja

Radioaktivni ostaci itd.

87

vozila koja transportuju taj otpad. Masa otpada koja se transportuje po godini može

se odrediti primenom izraza:

(3.1)

gde su:

- 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:

(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

88

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)

SADVelika

Britanija

Fran-

cuska

Da-

nska

Švajc-

arskaItalija

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

89

Tabela 3.3. Morfološki sastav smeća u različitim zemljama (maseni udeli izraženi u

procentima)

Mineralne

komponenteHartija

Organske

komponenteMetali Staklo Razni otpaci

SAD

(1970.god.)0 44 26,5 8,6 8,8 12,1

Kanada 5 70 10 5 5 5

Velika

Britanija30 - 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.

90

Tabela 3.4. Morfološki sastav otpada

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.

91

Zapremina i gustina

Slično izrazu (3.1) godišnji zapreminski protok otpada određuje se po formuli:

(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:

(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

92

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:

(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:

(3.6)

gde je:

- 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:

(3.7)

odnosno:

(3.8)

gde su:

93

mw – masa vlage u čvrstom otpadu,kg,

ms – masa apsolutno suvog čvrstog otpada,kg.

Maseni udeo vlage u čvrstom otpadu je:

(3.9)

odnosno:

(3.10)

gde je:

m – masa vlažnog otpada,kg.

Zavisnost vlažnosti otpada od masenog udela vlage u utpadu može se predstaviti

izrazima:

(3.11)

(3.12)

gde je:

- maseni udeo vlage u otpadu,%,

a zavisnost masenog udela od vlažnosti:

(3.13)

(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%.

94

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

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)

Godišnje dobaBakterije Aktiomicete

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

95

Srednja vrednost u

toku godine15211 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

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).

96

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

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:

(3.15)

97

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:

(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:

(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

98

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.

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

99

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.

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

100

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.

Slika 3.4. Glavni koraci postupka proizvodnje komposta iz biootpada

Optimalna temperatura za kompostiranje je 35°C. Proces kompostiranja može se

predstaviti reakcijama:

, (3.18)

, (3.19)

odnosno zbirnom reakcijom:

, (3.20)

gde je:

Δh2 – entalpija reakcije,kJ.

Korišćenje komposta zasniva se na uticaju komposta na zemljište i na hemijskom

sastavu komposta. Koristi se:

u poljoprivredi (poboljšava sastav zemljišta)

Prijem otpada

Obrada otpada

PredRotte/intezivniRotte proces

Posle Rotte proces

Konfekcioniranje

Tržište

101

za revitalizaciju površina ogoljenih požarom

za poboljšanje kvaliteta zemljišta neposredno uz drumske saobraćajnice.

Mehaničko biološka obrada otpada prije odlaganja

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

Ostatak otpada

PredsortiranjeUsitnjavanjeProsijavanjeIzdvajanje

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

102

papira

plastike

nemetala

izdvajanje štetnih materijala koje nije dozvoljeno odlagati na deponije

Osnovne prednosti mehaničko – biološke obrade ostatka otpada su:

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

103

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 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

104

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.

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.

105

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-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 =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.

106

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

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

107

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

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.

108

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 %, 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).

109

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

vazduha242 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

Zagađujuće komponente

Granične vrednosti

Mg/m3 Srednje godišnje vrednosti

mg/m3Srednje dnevne

vrednosti

Srednje polučasovne

vrednosti

SO2 - - -

HCl - - -

NOx 200 400 70

Čvrste čestice 10 30 5

CO 50 100 1.6

Hg 0.03 0.05 0.02

Diskontinualna merenja

Zagađujuće komponenteGranične 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,

110

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:

(3.21)

Za analizu emisije SO2 može se razmatrati izraz :

(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

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.

111

Slika 3.10. Količina produkata pirolize gume

Slika 3.11. Zapreminski udeli komponenata u gasnoj fazi produkata

pirolize gume

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.

112

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

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

113

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:

, (3.23)

, (3.24)

. (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).

Slika 3.14. Zavisnost molskih udjela komponenata u heterogenoj ravnotežnoj

mješavini reakcije C+H2O CO+H2 od reakcione temperature

114