procesi prerade i dorade vode - Hemijski fakultet - Univerzitet u ...
procesi prerade i dorade vode - Hemijski fakultet - Univerzitet u ...
procesi prerade i dorade vode - Hemijski fakultet - Univerzitet u ...
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
<strong>Univerzitet</strong> u Beogradu<br />
<strong>Hemijski</strong> <strong>fakultet</strong><br />
PROCESI PRERADE I DORADE<br />
VODE<br />
B e o g r a d, 2010<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
1
SADRŽAJ:<br />
<strong>Univerzitet</strong> u Beogradu .................................................................................................................. 1<br />
PROCESI OBRADE I PRERADE VODE .................................................................................... 1<br />
1 OPŠTI DEO .......................................................................................................................... 4<br />
2 PROCESI PREDHODNE OBRADE ................................................................................... 5<br />
2.1 Flokulacija / koagulacija ....................................................................................... 5<br />
2.2 Flotacija ................................................................................................................ 8<br />
2.3 Taloženje .............................................................................................................. 9<br />
2.3.1 Kosi pločasti separatori ............................................................................... 10<br />
2.3.2 Centrifugalni separatori ............................................................................... 11<br />
2.3.3 Hidrocikloni ................................................................................................ 12<br />
2.4 Filtracija .............................................................................................................. 12<br />
2.4.1 Jednoslojni ili višeslojni filteri, sa povremenim radom .............................. 13<br />
2.4.2 Jednoslojni ili višeslojni filteri sa neprekidnim radom ............................... 15<br />
2.4.3 Filteri sa kertridžem i vrećasti filteri .......................................................... 16<br />
2.5 Aeracija ............................................................................................................... 17<br />
3 OSNOVNI PROCESI OBRADE ........................................................................................ 19<br />
3.1 Izmena jona ......................................................................................................... 19<br />
3.2 Omekšavanje ...................................................................................................... 23<br />
3.3 Uklanjanje bikarbonata ....................................................................................... 24<br />
3.4 Potpuna dejonizacija ........................................................................................... 25<br />
3.5 Hemijske metode ................................................................................................ 26<br />
3.5.1 Taloženje ..................................................................................................... 26<br />
3.5.2 Neutralizacija .............................................................................................. 28<br />
3.5.3 Oksidacija .................................................................................................... 28<br />
3.6 Membranska filtracija ......................................................................................... 28<br />
3.6.1 Mikrofiltracija ............................................................................................. 28<br />
3.6.2 Ultrafiltracija ............................................................................................... 28<br />
3.6.3 Nanofiltracija ............................................................................................... 28<br />
3.6.4 Reversna osmoza ......................................................................................... 29<br />
3.6.5 Tehnički detalji membranske filtracije ........................................................ 29<br />
3.6.6 Elektrodijaliza ............................................................................................. 31<br />
3.7 Isparavanje .......................................................................................................... 33<br />
4 NAKNADNI POSTUPCI PREČIŠĆAVANJA .................................................................. 35<br />
4.1 Dezinfekcija – fizičke metode ............................................................................ 35<br />
4.1.1 Dezinfekcija zagrevanjem ........................................................................... 35<br />
4.1.2 Mikrofiltracija ............................................................................................. 36<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
2
4.1.3 Zračenje ....................................................................................................... 36<br />
4.2 Dezinfekcija - hemijske metode ......................................................................... 36<br />
4.2.1 Hlor .............................................................................................................. 37<br />
4.2.2 Hlordioksid .................................................................................................. 37<br />
4.2.3 Ozon ............................................................................................................ 38<br />
4.2.4 Vodonik peroksid ........................................................................................ 39<br />
4.2.5 Tretman aktivnim ugljem ............................................................................ 40<br />
4.3 Deaeracija ........................................................................................................... 41<br />
5 PRAKTIČNA PRIMENA OBRADE VODE ..................................................................... 43<br />
5.1 Uopšteno ............................................................................................................. 43<br />
5.2 Obrada podzemne <strong>vode</strong> ...................................................................................... 43<br />
5.2.1 Podzemna voda dobrog kvaliteta ................................................................ 43<br />
5.2.2 Podzemna voda koja pored komponenata tvrdoće sadrži gvožđe i mangan 44<br />
5.2.3 „Veštačke“ podzemne <strong>vode</strong>......................................................................... 44<br />
5.3 Obrada površinske <strong>vode</strong> ..................................................................................... 45<br />
5.3.1 Površinska voda dobrog kvaliteta ............................................................... 45<br />
5.3.2 Površinske <strong>vode</strong> sa organskim zagađenjem ................................................ 45<br />
5.4 Posebna obrada ................................................................................................... 46<br />
5.4.1 Voda za laboratorijske svrhe ....................................................................... 48<br />
Tabela 5.3 Specufikacija za laboratorijsku vodu prema ASTM standardu ............. 48<br />
5.4.2 Čistoća <strong>vode</strong> izražena preko provodljivosti i otpornost .............................. 48<br />
5.4.3 Kako da prečistiti vodu za laboratorijske svrhe .......................................... 49<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
3
1 OPŠTI DEO<br />
Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici, prehrambenoj industeiji,<br />
za komunalne potrebe i drugo. Najviše zahteve za čistoću <strong>vode</strong> postavljaju prehrambena<br />
industriju (proizvodnja piva, sokova) kao i komunalni sistemi za snabdevanje građana<br />
pijaćom vodom. Zato su od velikog značaja svi <strong>procesi</strong> obrade sirove <strong>vode</strong> kojim se uklanjaju,<br />
čvrste suspendovane, organske i neorganske hemijske komponente, bakterije i hemikalije koje<br />
daju loš ukus i miris.<br />
Zbog visoke cene obrade sirove <strong>vode</strong>, pogodne tehnologije se moraju kombinovati na najbolji<br />
način kako bi se uspostavila ravnoteža između cene i dobijenog kvaliteta <strong>vode</strong>. U nastavku će<br />
biti opisane najbolje tehnologije (Best available techniques – BAT) za obradu i rekuperaciju<br />
sirove <strong>vode</strong>.<br />
Neki od ovih procesa nisu u opštoj upotrebi obrade <strong>vode</strong> ali ukazuju na neke mogućnosti u<br />
budućnosti.<br />
Slika 1.1 prikazuje prisustvo tipičnih nečistoća, od krupnih čestica, kakav je pesak do<br />
rastvorenih soli. Metode koje se koriste za uklanjanje su uslovljene fizičkim veličinama<br />
nečistoća.<br />
Slika 1.1 Prikaz veličine čestica i metode obrade<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
4
2 PROCESI PREDHODNE OBRADE<br />
2.1 Flokulacija / koagulacija<br />
Sirova voda koja ulazi u postrojenje za preradu <strong>vode</strong> može sadržavati čvrsti materijal u<br />
koloidnom obliku.<br />
Koloidi su stabilne suspenzije veoma finih čestica u vodi, a njihova veličina je u opsegu 0,1 –<br />
0,001 μm. Zbog tako male veli čine poje dinačnih čestica koloidne suspenzije su praktično<br />
stabilne i pojavljuju se kao "oblak" ili "maglica" u vodi. Koloidne suspendovane materije nije<br />
moguće ukloniti upotrbom samo tehnika filtracije. Odvajanje se bazira na <strong>procesi</strong>ma<br />
koagulacije i flokulacije čestica odnosno taloženju.<br />
Dodatak hemijskih sredstava, "koagulanata", destabiliše koloide, odnosno dolazi do<br />
koagulacije. Ova sredstva smanjuju repulsivne sile između čestica koloida. U sledećoj fazi<br />
čestice se spajaju obrazujući veće flokule izazvano dodatkom hemijskih sredstava poznatih<br />
kao "flokulanti". Ova sredstva se vezuju ili se adsorbuju na koloidne čestice koje se<br />
međusobno privlače, stoga pospešuju stvaranje flokula. Flokule postaju mnogo veće od<br />
početnih koloidnih, tako da mogu biti uklonjene taloženjem (pogledati deo 2.2 i 2.3) i<br />
filtracijom (pogledati deo 2.4 i 3.3) Na slici 2.1 prikazan je primer procesa obrade sirove<br />
<strong>vode</strong>. Slika 2.2 prikazuje tipičan pogon kombinovanja procesa koagulacije i flokulacije.<br />
Slika 2.1 Primer procesa obrade sirove <strong>vode</strong><br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
5
Slika 2.2 Pogon za koagulaciju i flokulaciju<br />
Iz ekonomskih razloga najčešće korišćeni koagulant je Al 2 (SO 4 ) 3, koji se obično dodaje u<br />
količini od 10 do 150 g/m 3 , gvožđe - Fe 3+ - hlorid se obično dodaje u količini 5 – 150 g/m 3 i<br />
gvožđe - Fe 3+ - sulfat se uobičajeno dodaje u količini 10 – 250 g/m 3 . Ostale hemikalije su<br />
AlCl 3 i različiti polimeri aluminijuma. Izbor koagulanta zavisi od sastava koloida.<br />
U fazi koagulacije, koagulanti jonizuju, sa katjonima, primer su joni aluminijuma i gvožđa<br />
koji se adsorbuju na površini koloida. Ovo je veoma brza reakcija koja zahteva veliku<br />
energiju a odvija se za manje od 0,1 sekunde. Zato se koagulanti dodaju tokom brzog<br />
mešanja. Ovaj proces se odvija u tanku sa kratkim vremenom zadržavanja. Nakon adsorbcije<br />
katjona koloidi više nisu stabilni ali privlače jedni druge OH - vezama koje se formiraju među<br />
njima, pogledati sliku 2.3.<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
6
Slika 2.3 Vezivanje koloidnih čestica OH - vezama<br />
Da bi se povećao broj koagulisanih koloida često je potrebno dodati flokulante. Kao flokulanti<br />
se koriste aktivisani silika - gel ili polielektroliti. Polielektroliti su dugački lančasti<br />
ugljovodonici sa nekoliko katjonskih i anjonskih grupa. Ove grupe destabilišu koloide, koje<br />
su adsorbovani od dva ili više polielektrolita. Njihova uloga je predstavljena slikom 2.4.<br />
Adsorpcija polielektrolita koloidima zahteva znatnu energiju. Zato se flokulanti dodaju vodi<br />
uz energično mešanje, mada se formirane flokule i uništavaju prekomernom brzinom. Stoga<br />
se za fazu rasta koristi tank u kome je sporije mešanje a tome sledi odvajanje sedimentacijom.<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
7
Slika 2.4 Adsorpcija polielektrolita koloidima<br />
2.2 Flotacija<br />
Flotacija kao i sedimentacija se zasniva na razlici u specifičnoj masi čvrstih komponenti i<br />
<strong>vode</strong>. Flotacija se može podeliti na "spontanu" i "izazvanu". Kod "spontane" flotacije<br />
specifična masa čestica je manja od specifične mase <strong>vode</strong> pa se čestice bez pomoći podižu<br />
prema površini odakle mogu biti uklonjene. Kod "izazvane" ili "podstaknute" flotacije,<br />
vazduh koji se dodaje u vodu prijanja na čestice i stvara gasne tvorevine, koje imaju manju<br />
gustinu nego voda pa se podižu na površinu, odakle ih je moguće ukloniti.<br />
Najčešće korišćena tehnika proizvodnje zahtevane veličine mehurića vazduha je tehnika<br />
"rastvorenog vazduha". Obično se zahteva prečnik mehurića odnosno "mikromehurića"<br />
između 40 - 70 μm. Vazduh se rastvara u vodi pod pritiskom. Kada se u vodi uba čenoj pod<br />
pritiskom, smanji pritisak prouzrokuje se da vazduh u obliku mehurića napušta rastvor. Ti<br />
mehurići i čvrste materije formiraju gasne tvorevine koje se podižu prema površini <strong>vode</strong><br />
odakle se mogu uklonjati. Slika 2.5 prikazuje porast rastvorljivosti vazduha u vodi sa<br />
pritiskom na temperaturi 20°C.<br />
Druga tehnika za proizvodnju mehurića je elektro - flotacija. Tehnika je zasnovana na<br />
proizvodnji gasova H 2 i O 2 elektrolizom <strong>vode</strong>. Aktuelna gustina je 80 do 90 Ǻ/m 2 (po jedinici<br />
površine u oblasti primenjene flotacije). Na ovaj načine se proizvodi 50 l gasa /h. Veličina<br />
mehurića je istog reda veličine kao kod gore navedene tehnike.<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
8
Flotacija se najčešće primenjuje u kombinaciji sa flokulacijom. Flokule imaju veliku površinu<br />
što poboljšava prijanjanje mehurića i njihovo kretanje prema gore.<br />
Slika 2.5 Rastvorljivost vazduha u vodi u ovisnosti od prititiska na 20 °C<br />
2.3 Taloženje<br />
Taloženje je razdvajanje dve faze zbog njihove razlike u gustini. Na brzinu taloženja utiču<br />
sledeći faktori:<br />
• razlika u gustini između dve faze,<br />
• viskozitet okolne tečnosti,<br />
• prečnika čestica koje se odvajaju.<br />
Brzina taloženja može se računati primenom Stokes - ove jednačine:<br />
d 2 · g · (r 1 -r 2 )<br />
v = ---------------------<br />
18 · h<br />
v = brina taloženja čestica, m/s<br />
d = prečnik čestice, m<br />
g = ubrzanje usled gravitacije, m/s 2<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
9
1 = gustina čestice, kg/m 3<br />
r 2 = gustina tečnosti, kg/m 3<br />
h = viskozitet tečnosti, Pas<br />
Najčešće podešena brzina u taložniku je 0,5 - 1 m/h.<br />
Slika 2.6 Prikaz putanje čestice u taložniku u kome se dešava sedimentacija<br />
Da bi došlo do taloženja čestica neophodno je da se voda u taložniku zadržava dovoljno dugo.<br />
Brže i efikasnije taloženje može se postići poboljšanjem svojstava odvajanja gravitacijom.<br />
Primeri za to su:<br />
• pločasti separatori,<br />
• centrifugalni separatori,<br />
• hidrocikloni.<br />
2.3.1 Kosi pločasti separatori<br />
Kod kosih pločastih separatora, fluid prolazi između niza kosih ploča (lamela), uzak prostor<br />
između ovih ploča skraćuje put česticama. Pločasti separatori mogu biti korišćeni za<br />
odvajanje lakših kontaminirajućih materija kao što su ulje iz <strong>vode</strong>. Vreme odvajanja kod<br />
pločastih separatora je mnogo kraće nego kod konvencionalnih tankova.<br />
Princip rada je prikazan na slici 2.7. Izdvojene flokule i čestice se sakupljaju u odvojene<br />
sudove. Odvajanje u pločastim separatorima je pomognuto meračima protoka tečnosti u<br />
pravcu odvajanja faza. Odvajanju čestica pomaže protok nagore kroz separator.<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
10
Slika 2.7 Princip rada pločastog separatora<br />
2.3.2 Centrifugalni separatori<br />
U centrifugalnim separatorima <strong>procesi</strong> odvajanja se poboljšavaju sa porastom sile gravitacije,<br />
a to se dešava usled rotacije velikom brzinom. Povećanje gravitacione sile uobičajeno je za<br />
faktor 5000 odnosno "5000 g". Centrifuge za izbistravanje se sastoje od skupa konusa i<br />
rotirajuće kugle. Efekat konusa, sa razmakom oko 6 mm, sastoji se u tome da smanjuje<br />
rastojanje koje čvrste čestice moraju prevaliti pre nego što se uhvate na čvrstu površinu<br />
unutar pločastog separatora. Čvrste komponente se kreće prema rubu kugle odakle je moguće<br />
automatski uklanjati. Izbistrena voda zadržava se u centru kugle odakle se neprekidno<br />
uklanja. Slika 2.8 prikazuje presek centrifuge za izbistravanje.<br />
Centrifugalni separatori pokazuju relativno nizak stepen odvajanja što se kompenzuje visokim<br />
kapacitetom obrade.<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
11
Slika 2.8 Deo centrifuge za izbistravanje<br />
Da bi se sprečilo oštećenje centrifuge relatvno krupnim česticama, potrebna je predfiltracija.<br />
2.3.3 Hidrocikloni<br />
Hidrocikloni se mogu upoterbljavati za poboljšanje odvajanja čestica. Centrifugalna sila, kao i<br />
kod centrifuga, se koristi za poboljšanje gravitacionog polja čime se daje doprinos procesu<br />
odvajanja. Mada u hidrociklonima nema pokretnih delova, rotirajući put fluida se stvara usled<br />
protoka fluida kroz opremu. Kako fluid prati rotirajući put kroz ciklon, čestice veće gustine<br />
nego što je voda se kreću pod uticajem gravitacione sile prema spoljnim zidovima ciklona<br />
odakle ih je moguće izdvojiti. Voda se zadržava u centranlom delu.<br />
2.4 Filtracija<br />
Filtracija se uglavnom koristi kao završni korak posle flotacije i sedimentacije (pogledati deo<br />
2.2 i 2.3). Filteri se projektuju za jednostepene postupke u proizvodnji ili u kombinaciji sa<br />
<strong>procesi</strong>ma koagulacije i flokulacije. U ovom delu se opisuju jedno i višeslojni filteri sa<br />
ulošcima (kertridžima) kao i vrećasti filteri.<br />
U delu 3.3 o mikrofiltraciji, se opisuje tehnika odstranjivanja suspendovanih čestica i<br />
koloidnih tvari.<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
12
2.4.1 Jednoslojni ili višeslojni filteri, sa povremenim radom<br />
Najčešći filteri su oni silaznog toka a imaju jedan, dva ili tri sloja, pogledati sliku 2.9. U<br />
poređenju sa jednoslojnim, dvo ili troslojni filteri dozvoljavaju suspendovanim česticama<br />
prolazak kroz filtracioni sloj. Iz tog razloga je kapacitet za suspendovane čvrste tvari veći<br />
kod višeslojnih filtera. U jednoslojnom filteru, filtracija se odvija uglavnom u sloju dubine<br />
oko 20 mm.<br />
Slika 2.9 Osnovni model troslojnog filtera<br />
Tokom rada, čestice se hvataju u filterskom sloju. Pokazano je da u momentu dostizanja<br />
kapaciteta filtera suspendovane čestice prodiru i dolazi do smanjenja pritiska. Tada je<br />
neophodno čišćenje filtera.<br />
Filter se čisti protokom <strong>vode</strong> u suprotnom pravcu, "povratnim pranjem", brzinom koja je<br />
uslovljena parcijalnom fluidizacijom slojeva. Tako potrošeni filterski sloj otpušta nahvatane<br />
čestice koje se spiraju sa filtera u sistem za efluent. Da bi se regeneracija izvodila metodom<br />
uklanjanja čvrstih čestica povratnim pranjem, podrazumeva se da pojedinačni slojevi višesloja<br />
budu različite gustine. Obično se koriste: pesak, antracit i plastika u granulama. Veličina zrna<br />
peska treba da bude u opsegu između 0.5 - 1.5 mm, za antracit 2 - 3 mm i 3 - 5 mm za<br />
plastiku.<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
13
Slika 2.10 Gubitak površinskog sloja u odnosu na odstranjene suspendovane<br />
čestice za različite forme peska i antracita<br />
Brzina <strong>vode</strong> prlikom filtracije obično je 10 – 15 m/h, ili 10 – 15 m 3 /m 2 filtarskog sloja po<br />
satu. Smanjenje pritiska na kraju filtracionog ciklusa je uobičajeno oko 1 bar.<br />
Tokom povratnog pranja, brzina treba biti između 20 i 70 m/h. Za povratno pranje se mora<br />
koristiti filtrirana voda. Vazduh se ubacuje u vodu za povratno pranje kako bi se pospešilo<br />
uklanjanje nakupljenih čvrstih nečistoća u filtracionom sloju, smanjila potrošnja <strong>vode</strong> za<br />
povratno pranje i skratilo vreme procesa pranja. Kombinovanom upotrebom <strong>vode</strong> i vazduha<br />
moguće je smanjiti potrošnju <strong>vode</strong> za 20 – 30%.<br />
Filteri sa protokom nagore se manje upotrebljavaju. Oni su projektovani za direktno filtriranje<br />
<strong>vode</strong> bez prethodne obrade. Na ulazu u filter flokulanti se mešaju sa vodom koja sadrži<br />
suspendovane čvrste nečistoće. Za razliku od filtera sa povratnim pranjem u ovom postupku<br />
je omogućeno česticama da prodiru dublje u filtarski sloj. Slika 2.11 prikazuje filter sa<br />
protokom na gore uz dodavanje flokulanta u vodu pre ulaska u filter.<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
14
Slika 2.11 Princip rada jednoslojnog filtera sa protokom na gore uz dodatak<br />
flokulacionog sredstva.<br />
2.4.2 Jednoslojni ili višeslojni filteri sa neprekidnim radom<br />
Kod konvencionalnih filtera protok je naizmeničan jer se povremeno mora izvršiti pranje.<br />
Često je neophodno postojanje više filtera da bi se obezbedio kontinuiran proces.<br />
Nedostaci takvih filtera su:<br />
• povećan sadržaj čvrstih suspendovanih nečistoća u obrađenoj vodi na kraju filtracije,<br />
• znatno smanjenje pritiska tokom procesa.<br />
Usavršavanje filtera sa neprekidnim protokom na gore rešava ove probleme. Takav primer je<br />
"Dynasand" filter (pogledati sliku 2.12).<br />
Mada su skuplji filteri sa neprekidnim protokom postaju sve popularniji.<br />
Napomena: Naziv "Dynasand" je patentirani zaštitni znak „Nordic Water Products AB“<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
15
Slika 2.12 "Dynasald" filter sa neprekidnim radom<br />
2.4.3 Filteri sa kertridžem i vrećasti filteri<br />
Filteri pod pritiskom projektovani kao vrećasti filteri ili sa kertridžem mogu se koristiti za<br />
uklanjanje čestica iz <strong>vode</strong>. Filterski sloj, u obliku zamenjivog kertridža ili filterske vreće koju<br />
je moguće prati, smešten je unutar kućišta filtera, (pogledati sliku 2.13). Interval zamene se<br />
prati putem merenje pada pritiska kroz filter. Veliko opterećenje česticama, znači brzo<br />
stvaranje nečistoća a to zahteva čestu zamenu.<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
16
Slika 2.13 Princip rada filtera sa kertridžem i vrećastog filtera<br />
Višeslojni filteri su uobičajeno pararelelno povezani, u slučaju prekida rada usled servisiranja<br />
ili zamene filtera. Filteri, takođe, mogu biti povezani i serijski sa relativno krupnim porama u<br />
prvom filteru iza koga slede filteri sa finijom veličinom pora. Najčešća veličina pora je<br />
između 50 i 150 μm.<br />
2.5 Aeracija<br />
Aeracija se primenjuje u sirovoj vodi koja sadrži gasove kao što je vodonik - sulfid koji može<br />
izazvati neprijatan ukus i miris, CO 2 se formira kao posledica kiselog tretmana nekih baznih<br />
voda i može biti izazivač korozije a takođe se može uklanjati putem aeracije. Slika 2.14<br />
prikazuje sistem za aeraciju u kome voda struji nadole preko punjenja a vazduh se uduvava<br />
nagore kroz punjenje i ispušta u atmosferu.<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
17
Slika 2.14 Aeraciona kolona<br />
Ako u vodi nedostaje kiseonika, Fe 2+ će se procesom aeracije oksidovati do Fe 3+ koga je<br />
moguće uklanjati u obliku taloga, čak se i mangan može uklanjati na ovaj način, a pod<br />
određenim uslovima moguće je nitrifikovanje amonijaka. Ovaj proces je moguće poboljšati uz<br />
upotrebu ozona (pogledati sliku 4.2). Najčešće se koristi ubacivanje vazduha pod pritiskom u<br />
<strong>vode</strong>ni tok preko difuzera koji rasipa vazduh u obliku finih mehurića. Mešanje je moguće<br />
poboljšati uz upotrebom "Baffle" ili "Statik" mešalica. Kod “aeratora pod pritiskom” voda se<br />
od "Statik" mešalice uvodi na dnu posude pod pritiskom, koja je ispunjenim poroznim<br />
medijem, kako bi se povećala dodirna površina između vazduha i <strong>vode</strong>. Višak vazduha se<br />
izdvaja iz <strong>vode</strong> na vrhu posude i ispušta. Voda zatim prolazi kroz peščani filter kako bi se<br />
istaložile komponente poput gvožđa (pogledati sliku 2.15). Peščani filter se čisti protokom<br />
<strong>vode</strong> nagore što izaziva širenje ovog sloja, efekat je izraženiji uz upotrebu vazduha "čistača".<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
18
Slika 2.15 Odstranjivanje gvožđa aeracijom pod pritiskom uz peščani filter<br />
3 OSNOVNI PROCESI OBRADE<br />
3.1 Izmena jona<br />
Kao što i sam naziv ukazuje, izmena jona je proces kojim se neželjeni prisutni joni u vodi<br />
izmenjuju jonima koji su prihvatljivi u vodi a takvi su joni vodonika i hidroksilni joni.<br />
Većina izmenjivača se sastoji od kolone koja je ispunjena poroznim zrncima smole prečnika<br />
0.3 do 1.2 mm. Najčešće korišćen materijal je polimer polistirena koji se povezuju sa divinil -<br />
benzenom. Smole sadrže aktivne anjonske ili katjonske grupe koji se mogu zamenjivati kao<br />
što su jon vodonika i hidroksilni jon. Prilikom obrade, voda potiče kroz kolonu dolazeći u<br />
kontakt sa zrncima smole. Uobičajena brzina protoka je 10 do 30 m/h. Zapremina smole kod<br />
jonske izmene je od svega nekoliko litara za laboratorijsku upotrbu ili u domaćinstvu pa do<br />
nekoliko kubnih metara za potrebe velikih industrijskih postrojenja. Da bi se izbegla oštećenja<br />
smole i gubitak pritiska, voda koja dolazi u kolonu treba da je prethodno filtrirana kako bi iz<br />
nje bile odstranjene pojedine materije.<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
19
Slika 3.1 Kapacitet izmene jona u odnosu na koncentraciju u rastvoru<br />
Aktivni centri u koloni sadrže elektrostatičke aktivne grupe jona koji obrazuju veze sa jonima<br />
iz <strong>vode</strong>. Elektrostatičke grupe mogu se izabrati tako da pokazuju različite kisele i bazne<br />
karakteristike. Postoji razlika između slabo i jako kiselih katjonskih izmenjivača kao i između<br />
slabo i jako baznih anjonskih izmenjivača. Sposobnost izmenjivača jona da preuzmu jone<br />
uvek zavisi od ravnoteže koja je uslovljena koncentracijom jona u smoli kao i koncentracijom<br />
u okolnoj tečnosti (pogledati sliku 3.1). Ravnoteža takođe zavisi od sposobnosti izmenjivača<br />
da lakše oduzima i bolje veže neke jone na sebe.<br />
Ovo se zove jonska selektivnost izmenjivača. Najčešće se primenjuju izmenjivači za<br />
omekšavanje i demineralizaciju <strong>vode</strong>, imaju sposobnost apsorbovanja dvovalentnih jona pre<br />
nego jednovalentnih. Na primer: katjonski izmenjivači će imati K + , Na + i H + dok će anjonski<br />
imati Cl - ili OH - . Tokom katjonske izmene jednovalentni joni K + , Na + i H + će se u smoli<br />
zameniti dvovalentnim jonima Ca 2+ ili Mg 2+ prisutnim u vodi. Tokom anjonske izmene,<br />
jednovalentni Cl - ili OH - će se zameniti dvovalentnim jonima prisutnim u vodi kao što je<br />
sulfat. Ako se vrši zamena jona jonima istog elektronskog naboja, jonski izmenjivač je više<br />
selektivan za veće jone. Kod procesa desalinizacije kombinacija katjonske i anjonske izmene<br />
izvodi se tako da se H + i OH - zamenjuju katjonima i anjonima prisutnim u vodi a rezultat je<br />
voda bez jona "dejonizovana voda".<br />
Selektivna sposobnost izmenjivača jona je uslovljena grupama kompleksa na matriksu.<br />
Neki metalni joni mogu se vezati sa jonima matriksa u komplekse dok su ostali joni<br />
zanemareni. Ovi jonski izmenjivači se nazivaju helatnim i selektivni su u uklanjanju<br />
određenih metalnih jona.<br />
Smole se mogu opisati kao "makroporozne" ili "gel". Makroporozne smole jonske izmene<br />
sadrže veće pore sa smanjenim kapacitetom za aktivne grupe pa stoga imaju manji kapacitet<br />
nego jonski izmenjivači sa “gel” smolom. S druge strane velike organske molekule se lakše<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
20
transportuju kroz makroporozne jonske izmenjivače. Makroporozni jonski izmenjivači su<br />
takođe više otporni na mehanički zamor i veoma su otporni prema oksidaciji.<br />
Jon - izmenjivačke smole se moraju regenerisati pre nego što sloj postane potpuno zasićen<br />
neželjenim jonima u vodi, u suprotnom može doći do prolaska istih u obrađenu vodu što<br />
predstavlja “proboj“.<br />
Regeneracija se postiže prolaskom rastvora koji sadrži zahtevane jone kroz smolu. Sadržaj<br />
jona rastvora za regeneraciju zavisiće od aktivnog oblika smole pa se tako rastvor NaCl<br />
koristi za regeneraciju Na + - katjonskih smola ali može biti korišćen i za regeneraciju Cl - -<br />
anjonskih smola. Alternativno, kiseli rastvori se mogu koristiti za regeneraciju smola koje<br />
imaju H + a za regeneraciju anjonskih smola sa OH - koristi se rastvor NaOH. Koncentracija<br />
rastvora za regeneraciju je između 1 – 10 %. Visoke koncentracije ukazuju na promenu<br />
ravnoteže, kako su <strong>procesi</strong> zamene povratni, neželjeni joni se uklanjaju sa vodom koja se<br />
odbacuje posle prolaska kroz smolu u efluent. Tokom regeneracije protok je mnogo slabiji<br />
nego u procesu rada, mada je komplikovanije, postupak regeneracije uz merenje protoka<br />
podrazumeva manju količinu rastvora za regeneraciju. Posle regenerecije izmenjivač jona<br />
retko zadržava početni kapacitet. Stepen gubitka kapaciteta je teško ili čak nemoguće<br />
predvideti.<br />
Uobičajeno za proces regeneracije potrebno je 3 – 8% od ukupno primljene <strong>vode</strong>. Ovo znači<br />
da je efikasnost procesa 92 - 97 %, izražena preko WCF (Water Conversion f<br />
Factor) - "faktor konverzije <strong>vode</strong>".<br />
Apsorpcija neželjenih jona se dešava u zoni apsorpcije. S obzirom da se pomera u pravcu<br />
protoka što je obično prema dnu, joni sa slabijim afinitetom za smolu biće otpušteni a<br />
apsorbovaće se oni koji imaju izraženiji afinitet za smolu.<br />
Kada zona apsorpcije prođe kroz pakovanje dolazi do zasićenja i ravnoteže sa vodom koja<br />
ulazi (pogledati sliku 3.2).<br />
Ako se grafikonom predstavi koncentracija onih jona koji se apsorbuju odnosno uklanjaju iz<br />
obrađivane <strong>vode</strong> u ovisnosti od zapremine <strong>vode</strong> koja prolazi kroz pakovanja dobija se<br />
grafikon "proboja" (pogledati sliku 3.3).<br />
Grafikon predstavlja kapacitet pakovanja koji se određuje površinom iznad krive i može se<br />
izračunati.<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
21
Slika 3.2 Pomeranje zone apsorpcije kroz pakovanje izmenjivača jona.<br />
Slika: 3.3 Primer grafičkog predstavljanja "proboja"<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
22
Kao što je grafički prikazano "proboj" je uslovljen sa tri parametra:<br />
• ravnoteža, koja određuje maksimalnu količinu koja se može apsorbovati,<br />
• brzina koja određuje proces apsorpcije i otpor prenosa,<br />
• koncepcija postupka, koja određuje maseni bilans u postupku.<br />
Ravnoteža se može izmeniti sa promenom temperature i pH. Otpor masenom prenosu<br />
kontroliše nekoliko faktora. Difuzija u pore apsorbenta se obično menja sa promenom<br />
temperature. Sa brzinom protoka i temperature menja se difuzija na granici između tečnosti i<br />
smole.<br />
Izmena jona se najčešće primenjuje kod:<br />
• omekšavanja,<br />
• uklanjanja bikarbonata,<br />
• potpune dejonizacije.<br />
3.2 Omekšavanje<br />
Za omekšavanje <strong>vode</strong> se koriste katjonski izmenjivači u obliku Na - R a za njihovu<br />
regeneraciju NaCl. Sve soli kalcijuma i magnezijuma prisutne u vodi pre<strong>vode</strong> se u Na – soli a<br />
Ca - R i Mg - R se uklanjaju kao nosioci tvrdoće.<br />
Ca(HCO 3 ) 2 NaHCO 3<br />
MgSO 4 + Na - R → Na 2 SO 4 + Mg - R<br />
CaCl 2 NaCl Ca - R<br />
"R" je oznaka za smolu.<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
23
Slika 3.4 Omekšavanje <strong>vode</strong> postupkom jonske izmene<br />
3.3 Uklanjanje bikarbonata<br />
Birkabonati se odstranjuju primenom slabo kiselih izmenjivača jona u obliku H - R, a za<br />
njihovu regeneraciju se koristi kiselina, uklanjaju se metalni katjoni vezani sa anjonima slabih<br />
kiselina. Metalni katjoni vezani sa anjonima jakih kiselina će prolaziti kroz kolonu.<br />
Ca(HCO 3 ) 2 CO 2 (rastvoren) + Ca - R<br />
MgSO 4 + H - R → MgSO 4<br />
CaCl 2 CaCl 2<br />
NaHCO 3 CO 2 (rastvoren) + Na - R<br />
Na 2 SO 4 Na 2 SO 4<br />
Preporučljivo je da se aeracijom uklanja rastvoreni CO 2 nastao tokom ovog procesa, kako bi<br />
se sprečili problemi vezano za koroziju.<br />
Slikom 3.5 je prikazana primena izmene jona kod uklanjanja bikarbonata sa aeracionim<br />
tornjem za odstranjivanje CO 2 .<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
24
Slika 3.5 Primena jonske izmene za uklanjanje bikarbonata<br />
3.4 Potpuna dejonizacija<br />
Ako se zahteva potpuna dejonizacija, jako kiseli katjonski izmenjivači u H-R obliku su<br />
praćeni jako baznim izmenjivačima jona u OH-R obliku. Za uklanjanje CO 2 između jonskih<br />
izmenjivača je potrebna aeracija (ili vakum).<br />
Katjonska izmena:<br />
Ca(HCO 3 ) 2 CO 2 (rastvoren) + Ca-R<br />
MgSO 4 H 2 SO 4 + Mg-R<br />
CaCl 2 + H-R → HCl + Ca-R<br />
NaHCO 3 CO 2 (rastvoren) + Na-R<br />
Na 2 SO 4 H 2 SO 4 + Na-R<br />
Anjonska izmena:<br />
H 2 SO 4 R-SO 4<br />
HCl + R-OH → H 2 O + R-Cl<br />
SiO 2 R-HSiO 3<br />
Kako bi se smanjio utrošak NaOH za regeneraciju anjonskog izmenjivača, pre jako baznog<br />
anjonskog izmenjivača može se upotrebiti slabo bazni anjonski izmenjivač. Slabo bazni<br />
anjonski izmenjivač ima veći kapacitet i lakše se regeneriše nego jako bazni anjonski<br />
izmenjivači. Slika 3.6 šematski prikazuje sistem demineralizacije.<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
25
Slika 3.6 Šematski prikaz pogona za demineralizaciju <strong>vode</strong><br />
3.5 Hemijske metode<br />
Pored tehnologija opisanih u delu 2.1 flokulacije i koagulacije hemijske metode su: taloženje,<br />
neutralizacija, oksidacija i redukcija. Dodatkom rastvorljivog reagensa vodi obrazovaće se<br />
nerastvorljiva nepoželjna jedinjenja. Uobičajeno, dodatkom kreča (Ca(OH) 2 ), postiže se<br />
efekat omekšavanja <strong>vode</strong>, rezultat toga je taloženje kalcijumovih, moguće i magnezijumovih<br />
jona sa nosiocima tvrdoće. Istaloženi materijal se uklanja koagulacijom, flokulacijom,<br />
sedimentacijom i/ili filtracijom.<br />
3.5.1 Taloženje<br />
Uklanjanje prolazne tvrdoće:<br />
Ca(OH) 2 + Ca(HCO 3 ) 2 → 2 CaCO 3 (čvrsti) + 2 H 2 O<br />
Ca(OH) 2 + Mg(HCO 3 ) 2 → CaCO 3 (čvrsti) + MgCO 3 + 2H 2 O<br />
Kreč u višku:<br />
Ca(OH) 2 + MgCO 3<br />
→ CaCO 3(čvrsti) + Mg(OH) 2(čvrsti)<br />
Na primer, ako je koncentracija reaktanata tačno podešena moguće je da će konačna tvrdoću<br />
biti između 1 - 1.5 °dH.<br />
Slika 3.7 prikazuje proces poznat kao "brza dekarbonizacija". Ovo je neprekidan proces<br />
omekšavanja <strong>vode</strong> krečom, gde voda u fluidiziranom sloju dolazi u kontakt sa krečom.<br />
Neprekidnim ubacivanjem kreča i obezbeđivanjem inicijalnih čestica (kristalnih klica)<br />
pospešuje se formiranje granula nerasvornog kalcijumkarbonata veličine oko 2.5 mm.<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
26
Slika 3.7 Neprekidni proces omekšavanja dodavanjem kreča<br />
Prolazna tvrdoća se takođe uklanja dodavanjem NaOH kao što sledi:<br />
2NaOH + Ca(HCO) 3 → CaCO 3(čvrsti) + Na 2 CO 3 + 2H 2 O<br />
Dalje smanjenje tvrdoće postiže se odklanjanjem stalne tvrdoće sa NaCO 3 kao što je<br />
prikazano.<br />
Slično, dodatak jona kalcijuma će taložiti fluoride kao što sledi:<br />
Ca 2+ + 2F - → CaF 2 (čvrsti)<br />
Fosfati se mogu taložiti uz dodatak soli gvožđa ili aluminijuma:<br />
Fe 3+ + PO 4<br />
3-<br />
→ FePO 4 (čvrsti)<br />
Stalna tvrdoća u obliku jona kalcijuma i magnezijuma vezanih sa hloridima i sulfatima može<br />
se odstraniti uz dodatak natrijumkarbonata kao što sledi:<br />
Na 2 CO 3 + CaSO 4 → Na 2 SO 4 + CaCO 3(čvrsti)<br />
Na 2 CO 3 + CaCl 2 → 2NaCl + CaCO 3(čvrsti)<br />
Uklanjanjem stalne tvrdoće konačna tvrdoća je između 1.5 i 3.0 °dH.<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
27
3.5.2 Neutralizacija<br />
Mogu se koristiti sledeće metode za neutraloizaciju srednje kiselih ili baznih voda do<br />
neutralnog pH:<br />
Karbonatna kiselost:<br />
CO 2 + NaOH → NaHCO 3<br />
CO 2 + Ca(OH) 2 → Ca(HCO 3 ) 2<br />
CO 2 + CaCO 3 → Ca(HCO 3 ) 2<br />
CO 2 + Na 2 CO 3 → NaHCO 3<br />
Alkalna voda (manjak CO 2 ):<br />
Ca(OH) 2 + CO 2 → Ca(HCO 3 ) 2<br />
3.5.3 Oksidacija<br />
Pri obradi <strong>vode</strong> za piće, uglavnom se oksidacija koristi za dezinfekciju, pogledajte deo 4.2.<br />
3.6 Membranska filtracija<br />
Pod membranskom filtracijom se podrazumeva potiskivanje rastvora kroz poluprop.<br />
membranu pod pritiskom. Tokom ovog procesa niskomolekulske frakcije prolaze kroz<br />
membranu dok se visokomolekulska jedinjenja zadržavaju i koncentrišu. Parametar koji se<br />
odnosi na svojstva odvajanja membrane je "granica propustljivosti". Pojam "granica<br />
propustljivosti" se odnosi na molekulsku masu najmanjih molekula koji se zadržava na<br />
poleđini membrane. U praksi se često pojavljuju razlike za "granica propustljivosti" a to se<br />
objašnjava idealnim uslovima pod kojima je ona određivana. Membranska filtracija je<br />
podeljena na različite tipove filtracije u ovisnosti od nepropustljivosti membrane kao i da li se<br />
proces pokreće pritiskom ili električnim pogonom.<br />
Procesi koji se pokreću pritiskom su mikrofiltracija, ulztafiltracija i nanofiltracija i reversna<br />
osmoza.<br />
3.6.1 Mikrofiltracija<br />
Za mikrofiltraciju "granica propustljivosti" je između 300000 i 1000000. Ovim procesom se<br />
odvajaju jedinjenja sa veličinom čestica manjom od 0.2 μm. Pritisak koji se obično primenjuje<br />
je u opsegu 0.1 – 0.5 MPa;<br />
3.6.2 Ultrafiltracija<br />
Za ovu metodu se koriste membrane sa “granicom propustljivosti" između 500 i 300 000.<br />
Ovim procesom se odvajaju jedinjenja u opsegu 0.001 – 0.1 μm. To zahteva radni pritisak od<br />
0.2 do 1.5 MPa;<br />
3.6.3 Nanofiltracija<br />
Ova metoda predstavlja odvajanje pomoću membrana koje su po karakeristikama između<br />
ultrafiltracije i reversne osmoze. Zahtevani radni pritisak za ove membrane je između 2 i 4<br />
MPa i daju viši protok nego membrane kod reversne osmoze, ali s druge strane<br />
nanomembrane imaju manju sposobnost odvajanja nego membrane reversne osmoze;<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
28
3.6.4 Reversna osmoza<br />
Reversna osmoza koristi membrane sa najmanjom propustljivosti. Membrane ovog tipa imaju<br />
"granicu propustljivosti" manju od 500, što znači da zahtevaju veći pritisak, obično između 2 i<br />
8 MPa. Membrane kod reversne osmoze imaju sposobnost razdvajanja jona i molekula<br />
manjih od 0.001 μm. Koriste se za desalinizaciju morske <strong>vode</strong> i rekuperaciju metalnih jona.<br />
Poslednjih godina su razvijene metode reversne osmoze pod visokim pritiskom od 20 do 25<br />
MPa, koje se koriste kod izlučivanja iz zemljista.<br />
Slika 3.8 Opsezi razdvajanja za različite tipove membranske filtracije<br />
Preduslov za reversnu osmozu je da primenjeni radni pritisak prevazilazi osmotski pritisak<br />
<strong>vode</strong>nog rastvora. Kada se koristi filtracija reversnom osmozom, osmotski pritisak, <strong>vode</strong> koja<br />
je u procesu, povećava se shodno koncentraciji. Filltracija se može primenjivati samo dok<br />
primenjeni pritisak prevazilazi osmotski koji zavisi od koncentracije rastvorenih materija u<br />
dolazećoj vodi.<br />
3.6.5 Tehnički detalji membranske filtracije<br />
Tehnički problemi membranske filtracije uglavnom se odnose na oštećenja membrane i<br />
poteškoće oko dostizanja nivoa koncentracije kod filtracije reversnom osmozom. Jedan od<br />
problema je visok osmotski pritisak tretirane <strong>vode</strong>. Kada se membrane zaprljaju proces<br />
filtracije se mora zaustaviti da bi se membrane očistile. To se obično izvodi automatski na<br />
određeni interval ili kontrolom protoka filtrata.<br />
Membrane za mikrofiltraciju sa relativno velikim otvorima pora su više osetljive, više se<br />
zapušavaju nego membrane koje se koriste kod ultrafiltracije mada se može obezbediti<br />
povratno ispiranje membrana. Povratno ispiranje iziskuje povratni protok kroz membran -<br />
filter u određenim intervalima kako bi se pore membrane očistile, povratno ispiranje ne<br />
zamenjuje pranje membrana. Kapacitet filtera se efektivno smanjuje jer se određeni deo <strong>vode</strong><br />
ili permeata koristi za povratno ispiranje.<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
29
Membrane se smeštaju u module i mogu biti konstruisane na različite načine, najčešće su<br />
cevaste, spiralne, pločaste, ramske i “šuplje vlaknaste” membrane. Poslednje se sastoje od<br />
brojnih tankih cevi smeštenih u modulu. Generalno, veća površina koja se može dobiti po<br />
modulu smanjuje cenu membrana, u isto vreme podložnost oštećenjima od strane čestica se<br />
povećava.<br />
Slika 3.9 Šematski prikaz cevastog membranskog modula<br />
Određeni tip membrana može biti osetljiv na ekstremne uslove pH, a posebno u kombinaciji<br />
sa visokom tempeaturom. U poslednje vreme se sve više koriste keramičke membrane zbog<br />
njihove otpornosti prema visokoj temperaturi u kombinaciji sa visokim / niskim pH kod<br />
mikrofiltracije i ultrafiltracije. Membrane sa visokom hemijskom otpornošću su aktuelne kod<br />
nanofiltracije i reversne osmoze.<br />
Ulja i relativno krupnije čestice moraju prethodno biti uklonjene da bi se smanjio rizik od<br />
oštećenja i uništavanja membrana. Slika 3.11 prikazuje princip rada koji se zahteva za pogon<br />
obrade uz upotrebu membrana.<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
30
Slika 3.10 Šematski prikaz modula sa spiralnim namotajima<br />
Slika 3.11 Princip pogona obrade uz primenu membrana<br />
3.6.6 Elektrodijaliza<br />
Elektrodijaliza je primer vođenja membranskog procesa uz električnu energiju u kome se<br />
dešava selektivni transport anjona i katjona kroz membranu. Membrane, koje dozvoljavaju<br />
prolazak pozitivno nabijenih katjona su negativnog naboja. Membrane koje dozvoljavaju<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
31
prolazak negativno naelektrisanih anjona su pozitivnog naboja.<br />
Obradom <strong>vode</strong> elektrodijalizom podrazumeva se smanjenje koncentracije jona jednog<br />
parcijalnog naboja i povećanje koncentracije jona drugog parcijalnog naboja. Naboji se<br />
odvajaju jedan od drugog selektivnom membranom. Gubitak jona fluida nazvan je “širenje”<br />
dok se primanje jona naziva “koncentrisanje”. Struktura ćelija za elektrodijalizu je prikazano<br />
na slici 3.12.<br />
Slika 3.12 Elektrodijaliza slane <strong>vode</strong><br />
Osim jona, kroz membrane prolazi i voda. Transport <strong>vode</strong> se razlikuje od drugih fluida i<br />
ponekad se mogu javiti problemi oko dostizanja koncentrisanosti. Kod koncetrisanja kiselina<br />
anjon - selektivne membrane moraju biti prilagođene za to. Propuštanje nešto vodonikovih<br />
jona se dešava kroz anjon - selektivnu membranu dok se koncentracija kiseline povećava na<br />
mestu koncentrisanja. Na tržištu postoje membrane sa slabim transportom vodonikovih jona.<br />
Kompletno instalisanje često podrazumeva jednu ili par stotina ćelija sa efektivnim prostorom<br />
od 0.2 do 0.5 m² za svaku membranu. Membrane se odvajaju ramom kroz koji se fluid<br />
transportuje u ćeliju. Razmak između membrana obično je između 0.5 i 1.5 mm. Da bi se<br />
izbeglo zapušavanje, bitno je da voda pre ulaska u ćeliju za elelktrodijalizu ide na<br />
predfiltraciju.<br />
Postoji aktuelna granica gustine toka svakog fluida.<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
32
3.7 Isparavanje<br />
Isparavanje se primenjuje za odvajanje isparljivih rastvarača od rastvorenog materijala, koristi<br />
se isparljiva faza kako bi se postiglo razdvajanje. Za obradu <strong>vode</strong> primenjuje se postupak<br />
zagrevanja sirove <strong>vode</strong> do pare koja se potom kondenzuje. Rastvorene soli se zadržavaju u<br />
rastvoru, koji postaje još koncentrovaniji i izbacuju se u struji efluenta.<br />
Pogonska sila za proces je toplotna energija koja je potrebna za grejanje <strong>vode</strong> do tačke<br />
ključanja i za dostizanje promene iz tečne faze u parnu. U većini slučajeva za dobijanje<br />
energije je potrebna promena faze. Zahtevana energija može biti računata kao što sledi:<br />
• specifični toplotni kapacitet <strong>vode</strong> je 4.19 KJ/kg /°C pa je potrebna energija od 335 MJ za<br />
podizanje temperature 1 m³ <strong>vode</strong> sa 20° do 100°C,<br />
• latentna toplota isparavanja <strong>vode</strong> je 2.26 MJ/kg, zato se za promenu 1m³ <strong>vode</strong> od tečne do<br />
gasovite faze zahteva 2260 MJ,<br />
• ukupna toplotna energija za isparavanje 1 m³ <strong>vode</strong> je 2595 MJ.<br />
Upotrebom velikog broja tehnika regeneracije, aktuelni zahtevi za energijom su znatno manje<br />
ovisni o dizajnu opreme, dok se stepen regeneracije toplote postiže kada se <strong>vode</strong>na para<br />
kondenzuje.<br />
Slika 3.13 prikazuje metodu isparavanja uz upotrebu kompresora na elelktrični pogon kako bi<br />
se postigla regeneracija toplote koristeći se tehnikom koja se tiče mehaničke rekompresije<br />
pare. Takvi sistemi mogu funkcionisati uz potrošnju energije od 54 MJ/m³.<br />
Različiti tipovi metoda isparavanja su:<br />
• isparavanje u tankom sloju, toplota se prenosi na tanak sloj tečnosti nanesene preko<br />
zagrevane površine,<br />
• komora za isparavanje, toplota se prenosi na ukupnu zapreminu tečnosti koja isparava,<br />
• trenutno isparavanje, toplota se prenosi na vodu pod pritiskom koja “trenutno ključa” a to<br />
se dešava kad se pritisak smanji.<br />
Posledica uklanjanja <strong>vode</strong> isparavanjem je povećanje koncentracije rastvorene čvrste<br />
komponente u tečnoj fazi. Potrošnja goriva i <strong>vode</strong> je od ekonomskog interesa, pa većina<br />
sistema zadržava vodu u odeljenju zagrevanja koja može poslužiti za recirkulaciju kroz<br />
grejač, sve dok rastvorene čvrste komponente ne dostignu proopisani nivo. Treba se odlučiti<br />
između male zapremine, visokog sadržaja rastvorene čvrste komponente sa prisutnim rizikom<br />
od kamenca i korozije, i velike zapremine a niskog sadržaja čvrste komponente ali visoke<br />
cene koštanja <strong>vode</strong>, energije i efluenta.<br />
Izbor materijala zavisi od tečnosti koja će isparavati i određuje se s naročitom pažnjom<br />
zbog potencijalne korozije koja bi se mogla desiti naročito kod viših koncentracija.<br />
Posebno treba obratiti pažnju u slučaju prisustva hlorida, kada se zahteva upotreba specijalnih<br />
materijala.<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
33
Slika 3.13 Metoda prečišćavanja <strong>vode</strong> isparavanjem uz primenu mehaničke regeneracije<br />
pare<br />
U toku procesa isparavanja mogu se javiti sledeći problemi:<br />
• Trenutno ključanje se dešava kada je površinski napon koncentrovane tečnosti visok, tako<br />
se ograničava formiranje mehurića. Konačno, pritisak pare prevazilazi površinski napon i<br />
dešava se trenutno ključanje, tokom koga kapljice prelaze iz tečne faze u parnu fazu.<br />
Konačan kondezat postaje kontaminiran, ako se kapljice koje sadrže rastvorene čvrste<br />
materije prenesu u kondenzator.<br />
• U isparivaču se stvara pena, naročito ako voda potiče od regeneracije ili ako sadrži<br />
površinski aktivne materije. Pena može ispuniti isparivač i prouzrokovati kontaminaciju<br />
pare kapljicama sirove <strong>vode</strong> a konačno i kondenzata. Upotreba antipenušavca ovaj rizik<br />
svodi na najmanju moguću meru.<br />
• Kamenac se formira taloženjem sloja čvrste faze na zagrevanim površinama. Time je<br />
smanjena efikasnost zagrevanja, samim tim i pogona. Kamenac se svodi na najmanju<br />
moguću meru ograničavanjem koncentracije čvrste komponente u isparivaču uz upotrebu<br />
hemijski modifikovanih sredstava.<br />
Procesom isparavanja, sve prisutne isparljive komponente iz sirove <strong>vode</strong> pojaviće se u<br />
kondenzovanoj vodi. Ukoliko je prisutna takva kontaminacija biće neophodan predtretman<br />
<strong>vode</strong> uz aktivni ugalj ili reversnu osmozu.<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
34
4 NAKNADNI POSTUPCI PREČIŠĆAVANJA<br />
4.1 Dezinfekcija – fizičke metode<br />
Dezinfekcijom se obezbeđuje da voda za potrebe proizvodnje ne sadrži štetne<br />
mikroorganizme. Za razliku od sterilizacije, čiji je cilj da se unište svi mikroorganizmi,<br />
dezinfekcija se koristi za uništavanje patogenih mikroorganizama. Različite metode<br />
dezinfekcije mogu biti podeljene u dve grupe: fizičke i hemijske.<br />
Koriste se tri različita fizička principa za dezinfekciju ulazne <strong>vode</strong>:<br />
• zagrevanje,<br />
• mikrofiltracija,<br />
• radijacija.<br />
4.1.1 Dezinfekcija zagrevanjem<br />
Voda se zagreva kao bi se uništili mikroorganizmi (na 100°C većina će biti uništena). Mada<br />
se veći deo energije može rekuperisati upotrebom izmenjivača toplote, potrošnja energije je<br />
velika u poređenju sa drugim <strong>procesi</strong>ma. Dodatni problem se može javiti zbog prisustva<br />
drugih kontaminirajućih materija koje pokazuju neželjene promene pri zagrevanju. Spore neće<br />
biti uništene zagrevanjem. Ako se zahteva sterilizacija mora se izvoditi na 120 °C.<br />
Slika 4.1 Princip postupka membranske filtracije u svrhu dezinfekcije<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
35
4.1.2 Mikrofiltracija<br />
Mikrofiltracija se koristi za odvajanje mikroorganizama od ulazne <strong>vode</strong>. Voda prolazi kroz<br />
membranu dok se na njoj mikroorganizmi zadržava. Slika 4.1 Spore mogu proći kroz<br />
membrane veličine pora 0.45 µm, ali će i one biti zadržane na membrani sa porama od 0.2<br />
µm.<br />
4.1.3 Zračenje<br />
Zračenje se može primeniti za dezinfekciju <strong>vode</strong>. Pored radioaktivnog zračenja, UV svetlo<br />
sadrži dovoljno energije za dezinfekciju. Pokazalo se da UV zračenje na 254 nm daje najbolji<br />
efekat protiv mikroorganizama. U principu uništava DNA molekule i tako daje odlične<br />
rezultate protiv bakterija i gljivica.<br />
Oprema se sastoji od cevi za pražnjenje živinih para, uz napajanje strujom visokog napona,<br />
postavljene u plašt od nerđajućeg čelika u kome se vrši obrada <strong>vode</strong> dok struji. UV senzor je<br />
lociran na zidu plašta detektujući UV zračenje i u najudaljenijem mestu u cevi, čime se<br />
omogućava registrovanje bilo kakvog narušavanja radnih karakteristika. Primer za to bi bila<br />
razgradnja nečistoća sa cevi.<br />
Pojedinačni uređaji vrše obradu <strong>vode</strong> protoka do 450 ³/h m u zavisnosti od zagađenja. Veći<br />
kapacitet zahteva ugradnju višecevnog sisitema.<br />
Zbog ograničenog radnog kapaciteta i karakteristika emisije, konstrukcijom opreme mora se<br />
osigurati dobro mešanje <strong>vode</strong> i izbeći svaki zaklon od zračenja - “senke”. Doza UV zračenja<br />
koju organizam prima, meri se kombinacijom inteziteta radijacije merenog u mJ /cm² i<br />
vremena. Efekat zračenja na individualni organizam se meri kao energija u mJ/cm², potrebna<br />
da se broj organizama prisutnih u vodi smanji za deset puta, a izražava se kao vrednost D 10 . E.<br />
coli se često koristi kao indikator bakterija, pokazalo se da će se energijom zračenja od 5.4<br />
mJ/cm² njeno prisustvo smanjiti za 99%. Treba napomenuti da je vrednost D 10 specifična za<br />
svaki pojedini organizam.<br />
Za specifikaciju UV sterilizatora su relevantni sledeći faktori:<br />
• obrada pri maksimalnom protoku,<br />
• prenosivost kroz fluid koji se obrađuje, ako je u pitanju voda uticaće mutnoća,<br />
rastvoreni joni, naročito mangan i gvožđe kao i prisustvo organskih materija,<br />
• nivo i priroda zagađenja kako bi se sa sigurnošću odredio učinak UV izvora<br />
i uskladila D 10 vrednost za najotpornije organizme.<br />
S vremenom oprema se degradira. Vremenom izlazni signal UV lampe slabi, i uobičajeno je<br />
zameniti na svakih 4000 do 8000 h u ovisnosti od primenjenog tipa. Moderne konstrukcije<br />
uključuju mehaničke brisače kako bi se prevazišao i problem zaprljanosti površina cevi.<br />
Metode fizičke dezinfekcije nemaju trajni uticaj, zato je važno da oprema koja dolazi u<br />
kontakt sa prečišćenom vodom ne bude kontaminirana.<br />
4.2 Dezinfekcija - hemijske metode<br />
Voda se dezinfikuje uz dodatak odgovarajućih hemikalija, koje deluju kao oksidujuća<br />
sredstva. Neka od hemijskih sredstava, koja mogu biti upotrebljena su: hlor,<br />
natrijumhipohlorit, hlordioksid, vodonikperoksid i ozon. Hemikalije, nasuprot fizičkim<br />
metodama i nakon obrade imaju uticaj jer se zadržavaju u vodi. Pošto mogu davati nepoželjan<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
36
priukus vodi i pivu, pre upotrebe bi ih trebalo uklanjati a za tu svrhu se može koristiti filter sa<br />
aktivnim ugljem (pogledati sliku 4.4).<br />
4.2.1 Hlor<br />
Hlor se obično koristi za dezinfekciju <strong>vode</strong> za piće. U vodi reaguje formirajući hipohloritne<br />
jone. Negativan uticaj hlora je formiranje zagađujućih hlorovanih organskih jedinjenja u vodi,<br />
primer su huminske kiseline. Zakonsko ograničenje se zasniva na postavljanju maksimalne<br />
granice za jedinjenja kakva su trihlormetani i hlorfenoli. Za otkrivanje ovakvih nepoželjnih<br />
produkata hlorisanja koristi se aktivni ugalj. Da bi se izbegla ponovna kontaminacija u<br />
aktivnom uglju ne sme biti mikroorganizama, to zahteva periodično pranje na oko 24h<br />
propuštanjem pare ili tople <strong>vode</strong>.<br />
4.2.2 Hlordioksid<br />
Odmah na početku trea naglasiti da je hlordioksid eksplozivan gas kad se nalazi pod pritiskom<br />
zato se uglavnom nikad ne transportuje, već se proizvodi na licu mesta. Kao proizvod može<br />
da se dobije u <strong>vode</strong>nom rastvoru ili kao gas. Proizvodi se iz kiselog rastvora natrijum hlorita<br />
(NaClO 2 ) ili natrijum hlorata (NaClO 3 ). Za proizvodnju ClO 2 postoji nekoliko reakcija:<br />
1) 2NaClO 2 + Cl 2 → 2ClO 2 + 2NaCl<br />
(reakcija hlorita sa hlorom)<br />
2) 5NaClO 2 + 4HCl → 4ClO 2 + 5NaCl + 2H 2 O<br />
(reakcija hlorita sa hlorovodoničnom kiselinom – prilično opasna reakcija)<br />
3) 2NaClO2 + Na 2 S 2 O 8 → 2ClO 2 + 2Na 2 SO 4<br />
(reakcija hlorita sa natrijumpersufatom)<br />
4) 2NaClO 2 + HCl + NaOCl → 2ClO 2 + 2NaCl + NaOH<br />
(reakcija +hlorita sa hlrovodoničnom kiselinom i natrijum hipohloritiom)<br />
Hlordioksid je jako oksidaciono sredstvo i dezinficijent. Prednost je u tome što je smanjeno<br />
stvaranje organskih jedinjenja. Pošto se radi o nestabilnom gasu, stvara se na mestu upotrebe<br />
mešanjem rastvora natrijumhlorita i hlorovodonične kiseline (reakcija 2) ubrizgavanjem u<br />
struju <strong>vode</strong> (pogledati sliku 4.2 i 4.3) konačne koncentracije između 0.1 i 0.4 mg/l. Da bi se<br />
smanjile potencijalne opasnosti u procesu bi trebalo koristiti relativno razređeni rastvore kao 9<br />
% rastvor HCl i 7.5 % rastvor natrijumhlorita. Mada se koriste koncentrovani rastvori kako bi<br />
se smanjila cena koštanja i to 30% HCl i 25% natrijumhlorit.<br />
Reakciju 2 bi trebalo sprovoditi u kiselim uslovima, da bi se izbeglo formiranje NaCl. Kao<br />
jako oksidujuće sredstvo, hlordioksid će uticati na taloženje gvožđa i mangana.<br />
Pored njegovog delovanja kao oksidujućeg sredstva, hlordioksid služi i za otklanjanje<br />
neprijatnog mirisa. Hlordioksid deluje mnogo brže i ima trajnije dejstvo nego sam hlor.<br />
Takođe, hlordioksid je otrovan, obično se razlaže do natrijumhlorida i ne stvara neželjena<br />
jedinjenja u vodi.<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
37
Slika 4.2 Hlordioksid<br />
Slika 4.3 prikazuje postupak proizvodnje ClO 2 kao i sistem njegovog ubacivanja pri obradi<br />
<strong>vode</strong>. Treba napomenuti da bi optimalno vreme zadržavanja <strong>vode</strong> u tanku posle ubacivanja<br />
sredstva bilo oko 15 minuta.<br />
Slika 4.3 Tok dijagram procesa stvaranja ClO 2 i sistem ubacivanja<br />
4.2.3 Ozon<br />
Ozon je troatomna molekula kiseonika koji se uobičajeno proizvodi prolaskom suvog vazduha<br />
ili čistog kiseonika kroz električno polje visokog napona opsega od 6 do 18 kV.<br />
Uobičajena oprema podrazumeva:<br />
• kompresor za vazduh i sušnicu,<br />
• izvor kiseonika iz rezervoara ili iz generatora,<br />
• ozon reactor,<br />
• rastvaranje ozona uključujući reakcioni tank,<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
38
• jedinica za razgradnju ozona kako bi se sprečilo njegovo ispuštanje u atmosferu.<br />
Koncentracija ozona u gasu iz reaktora je od 2 do 12% u ovisnosti da li se koristi vazduh ili<br />
čisti kiseonik. Iz ove smeše 80 do 90 % ozona može biti rastvoreno u vodi, ostatak se mora<br />
razgraditi pre ispuštanja u atmosferu.<br />
Ozon je jak oksidans i reaguje sa nekoliko organskih i neorganskih supstanci. Ozon takođe<br />
deluje kao jako dezinfekciono sredstvo. Uobičajeno je da se ozon koristi za eliminaciju<br />
stranog ukusa, odnosno mirisa iz <strong>vode</strong> i smanjenje boje, naročito u UV oblasti. Ovo je<br />
zasnovano na sposobnosti ozona da reaguje selektivno sa onim supstancama, koje<br />
prouzrokuju miris i nečistoće u vodi. Ozon takođe oksiduje gvožđe i mangan, i omogućava<br />
njihovo uklanjanje filtracijom ili sedimentacijom.<br />
Koncentracija ozona na izlazu iz reaktora obično se kontroliše i održava na vrednosti oko 0.4<br />
mg/l. U ovisnosti od kvaliteta obrađivane <strong>vode</strong>, ozon se dodaje u koncentraciji od oko1 g/m³<br />
<strong>vode</strong>. Ukoliko se ozon dodaje iz drugih razloga, kao što je odklanjanje gvožđa i mangana,<br />
dodaje se nešto više i to znači od 1–3 g/m³, dok vreme odigravanja reakcije mora biti<br />
produženo od četiri do oko petnaest minuta. Potrošnja će biti mnogo veća od uobičajene<br />
potrošnje od 1-2 g/m³, ako se voda tretira ozonom pre bilo kakve druge obrade.<br />
Primenom gore navedenih količina, dolazi do razgradnje dela organskog materijala i<br />
smanjenja broja molekula. Ovo znači da će organske materije u vodi biti upotrebljivije za<br />
mikroorganizme i povećavnje ukupnog organskog ugljenika, postoji opasnost od porasta<br />
mikroorganzama na mestu delovanja. Uobičajeno je da postupak ozonizacije sledi filtracija<br />
preko aktivnog uglja, kako bi se smanjio organski ugljenik i uklonio preostali ozon iz <strong>vode</strong><br />
pre upotrebe.<br />
Veoma je važno da se osigura razgradnja ozona u izduvnom gasu pre ispuštanja u atmosferu.<br />
Razgradnja se postiže na temperaturi od 350°C. Kod većih pogona ozona, kapaciteta većeg od<br />
200 m³/h zahtevi za energijom se minimiziraju podešavanjem regeneracije toplote. U<br />
ispuštenom gasu ne sme biti više od 0.1 mg/l ozona.<br />
Energija potrebna za proizvodnju ozona će zavisiti od toga da li se koristi vazduh ili kiseonik<br />
za napajanje na određenoj frekvanciji električnog polja. Rad pogona na visokim<br />
frekvancijama primera radi 600 Hz, pokazuje porast u proizvodnji ozona i smanjenju<br />
potrošnje snage poredeći to sa radom pri standardnoj frekvenciji od 50 Hz.<br />
Slede podaci za uobičajenu utroške u pogonu proizvodnje ozona:<br />
• 18 kWh /kg za proizvodnu jedinicu na 50 Hz koristeći vazduh kao sirovina za<br />
napajanje,<br />
• 13 kWh/kg za proizvodnu jedinicu na 600 Hz koristeći vazduh kao sirovina za<br />
napajanje,<br />
• 6 kWh/kg za proizvodnu jedinicu na 600 Hz koristeći kiseonik kao sirovina za<br />
napajanje.<br />
Dodatna snaga će biti zahtevana za dodatne delove opreme na primer kao što su uređaji za<br />
sušenje vazduha i kompresori.<br />
4.2.4 Vodonik peroksid<br />
Vodnik peroksid je manje reaktivan od ozona. Sastoji se od dva vodonikova i dva kiseonikova<br />
atoma. Vodonik peroksid se nakon određenog vremena razlaže u vodi u ovisnosti od uslova,<br />
temperature, prisustva aktivnih materija. Dejstvo se može aktivirati UV -svetlom.<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
39
4.2.5 Tretman aktivnim ugljem<br />
Aktivni ugalj je nepolarno apsorpciono sredstvo koje ima sposobnost da “hvata” nepolarne<br />
molekule. Specifična površina aktivnog uglja varira između 200 i 3000 ²/g m u ovisnosti od<br />
sirovine i metode proizvodnje. Najčešće korišćeni aktivni ugalj ima specifičnu površinu<br />
između 1000 m²/g i veličinu pora između 30 i 150 Å.<br />
Teorijski, cela površina aktivnog uglja bi trebala biti nepolarna, ali usled autooksidacije na<br />
površini se formira sloj oksida. Kiseonik koji se vezuje na površini u obliku različitih<br />
kompleksa ugljenikovih oksida, čini površinu blago polarnom. Ovo nije nedostatak jer su<br />
mnoga organska jedinjenja slabo polarna.<br />
Druge promene polarnosti površine mogu se desiti u proizvodnom procesu ili posle tretmana<br />
sa ugljem, kiselog pranja ili impregnacije. Ovim metodama apsorpciona sposobnost može biti<br />
usmerena prema specifičnom opsegu, gde će ugalj više ili manje apsorbovati određeni tip<br />
jedinjenja.<br />
Kod tehnologije prečišćavanja <strong>vode</strong>, aktivni ugalj se uglavnom koristi za prečišćavanje <strong>vode</strong><br />
sa niskim sadržajem supstanci koje će se apsorbovati, primer za to su organska jedinjenja.<br />
Ova tehnika se može koristiti u kombinaciji sa drugim tehnologijama, kao što je otklanjanje<br />
nečistoća poput jedinjenja hlora koja su rezultat hemijske dezinfekcije. Tabela 4.1 daje prikaz<br />
jedinjenja koja aktivni ugalj bolje ili slabije apsorbuje.<br />
Tabela 4.1 Apsorpcione karakteristike pri filtraciji aktivnim ugljem<br />
Supstance koje se dobro apsorbuju<br />
Aromatski rastvarači<br />
Hlorovana aromatska jedinjenja<br />
Fenoli i hlorofenoli<br />
Polinuklearna aromatska jedinjenja<br />
Pesticidi i herbicidi<br />
Hlorovana nearomatska jedinjenja<br />
Ugljovodonici visoke molekulske mase<br />
Supstance koje se slabo apsorbuju<br />
Alkoholi<br />
Ketoni niske molekulske mase, kiseline i<br />
aldehidi<br />
Jedinjenja veoma velike molekulske mase<br />
ili koloidna organska jedinjenja<br />
Alifatična jedinjenja male molekulske mase<br />
Benzen, toluen, nitrobenzen itd.<br />
Polihlorovani bifenoli, hlorobenzen,<br />
hloronaftalin<br />
Acetonaftalin, benzopiren itd.<br />
DDT, aldrin, hlordan, BHC – bihlorovani<br />
ugljovodonici, heptahlor itd<br />
Ugljen tetrahlorid, hloralkil-etri,<br />
heksahlorbutadien, itd<br />
Boje, benzin, amini, huminske kiseline<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
40
Vremenom, ugalj će se zasititi apsorbovanim materijalom. Apsorpciona moć može se<br />
povratiti regeneracijom uglja pogodnim medijumom kao što je para pod niskim pritiskom.<br />
Takođe upotrebom pare ubijaju se bakterije koje imaju sklonost nagomilavanja na ulazu u<br />
filter. Nakon dužeg vremena, neophodno je odstraniti ugalj zbog reaktivacije i sortiranja od<br />
strane ovlašćenog dobavljača ili kompanije specijalizovane za taj posao. Slika 4.4 daje prikaz<br />
tipičnog filtera sa aktivnim ugljem.<br />
Slika 4.4 Tipičan filtar sa aktivnim ugljem<br />
4.3 Deaeracija<br />
Deaeracija se koristi za otklanjanje neželjenih gasova iz <strong>vode</strong>, na primer, u procesu<br />
proizvodnje piva. U <strong>procesi</strong>ma proizvodnje piva najčešće se primenjuje otklanjanje kiseonika<br />
iz <strong>vode</strong> pri fermentaciji donjeg vrenja. Deaeracija se obično izvodi prolaskom inertnog gasa<br />
ili pare kroz vodu. Uobičajenim metodama deaeracije je moguće smanjiti sadržaj kiseonika<br />
ispod 0.05 mg/l.<br />
Uređaj za izdvajanje gasa, obično sadrži pakovanu kolonu kroz koju se voda cedi nadole i<br />
sreće sa inertnim gasom koji struji nagore. Da bi se postigla ravnoteža, kiseonik prelazi iz<br />
<strong>vode</strong>ne faze u gasnu (pogledati sliku 4.5) Posredstvom pakovanja kolone prenošenje gasa se<br />
poboljšava zbog velike kontaktne površine tečnosti i gasa.<br />
Osim inertnog gasa, para se može iskoristiti za podizanja temperature a tada je rastvorljivost<br />
kiseonika u vodi veoma niska i proces uklanjanja kiseonika veoma brz. Potrošnja energije je<br />
takođe velika, primena visoke temperature znači da je voda toplotno obrađena kao i<br />
deaerisana.<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
41
Slika 4.5 Uređaj na principu prolaska gasa za deaeraciju <strong>vode</strong><br />
Druga mogućnost je upotreba deaeracionih grejača, koji rade pri višoj temperaturi i pritisku<br />
zasićene pare što dozvoljava prenos neželjenih gasova u parnu fazu. Alternativno, može se<br />
koristiti smanjen pritisak tamo gde se pritisak <strong>vode</strong> na određenoj temperaturi smanjuje blizu<br />
pritisku zasićene pare. Pod ovim uslovima, neželjeni gasovi zajedno sa malom količinom<br />
<strong>vode</strong> isparavaju i mogu se odstraniti vakum pumpom.<br />
Druga tehnološka metoda koja dobija na značaju je odvajanje membranom. Membrane sa<br />
velikom propustljivošću za neželjene gasove do<strong>vode</strong> se u kontakt sa vodom. Gas se propušta<br />
iz tečnosti direktno kroz poroznu membranu u gasnu fazu (pogledati sliku 4.6) Odvajanje je<br />
veoma selektivno zbog visoke propustljivosti membrane za ove gasove.<br />
Slika 4.6 Deaeracija pomoću membrane<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
42
5 PRAKTIČNA PRIMENA OBRADE VODE<br />
5.1 Uopšteno<br />
Neke industrije koriste sopstvene podzemne izvore, <strong>vode</strong> iz bunara, površinske <strong>vode</strong> reka ili<br />
jezera, kao i obrađenu vodu obično iz gradskih pogona za obradu <strong>vode</strong>. Podzemne <strong>vode</strong><br />
obično nisu zagađene i mogu se koristiti uz jednostavnu obradu. Slede primeri posebnih<br />
metoda obrade koji se koriste u proizvodnji <strong>vode</strong> iz različitih izvora.<br />
Voda za piće iz gradskih pogona za obradu <strong>vode</strong> često se direktno koristi u prehrambenoj<br />
industriji. Obrada <strong>vode</strong> vrši se prema standardima za proizvodnju <strong>vode</strong> za piće koji su obično<br />
prilagođeni određenim proizvodnim <strong>procesi</strong>ma. Izvori pitke <strong>vode</strong> mogu biti površinski ili<br />
podzemni. Problemi nastaju ako je sirova voda lošeg kvaliteta. Voda iz gradskih pogona za<br />
obradu <strong>vode</strong> obično je dezinfikovana hlorisanjem, što može proizvesti miris i ukus koji se<br />
prenosi i u gotov prehrambeni proizvod, pa se stoga moraju odstranjivati iz <strong>vode</strong>. Ovo je<br />
naročito važno u proizvodnji piva i bezalkoholnih pića. Problemi se javljaju kao rezultat<br />
delovanja hlora na huminske kiseline kojih ima u tragovima u obrađenoj vodi, a koje su inače<br />
uvek prisutne u kiselim površinskim vodama.<br />
5.2 Obrada podzemne <strong>vode</strong><br />
5.2.1 Podzemna voda dobrog kvaliteta<br />
Podzemna voda dobrog kvaliteta obično zahteva samo aeraciju po principu kaskada ili u<br />
tornju za aerisanje, kako bi se povećao sadržaj kiseonika u vodi i uklonilo svo gvođže.<br />
Aerisana voda se sakuplja u tank i dezinfikuje pre upotrebe oksidantom kakav je ozon.<br />
Ukoliko je gvožđe prisutno u količini od 1-2 mg/l, sirova voda se filtrira kroz peščane filtre.<br />
Slika 5.1 Obrada podzemne <strong>vode</strong> dobrog kvaliteta<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
43
5.2.2 Podzemna voda koja pored komponenata tvrdoće sadrži gvožđe i<br />
mangan<br />
Ako podzemna voda sadrži gvožđe i mangan u visokoj koncentraciji i/ili prolaznu tvrdoću<br />
potrebno je i više procesa obrade.<br />
Voda se prvo aeriše u kaskadama ili u aeracionom tornju. Da bi se odstranio mangan u vodu<br />
se u<strong>vode</strong> kalijum - permanganat, ozon i hlor. Kreč se obično koristi za otklanjanje prolazne<br />
tvrdoće. Hladni kreč - soda postupak može se primeniti za uklanjanje stalne tvrdoće. Iako su<br />
razvijene i membranske metode češća je upotreba izmenjivača jona uz katjonsku smolu<br />
regenerisanu u Na – oblik. Izvodi se flokulacija <strong>vode</strong>, a talog se odstranjuje bistrenjem ili<br />
putem peščanih filtara, kontroliše se pH a za dezinfekciju dodaje ozon. Slika 5.2 prikazuje<br />
metodu obrade podzemne <strong>vode</strong> koja sadrži gvožđe, mangan i komponente tvrdoće.<br />
Slika 5.2 Obrada podzemne <strong>vode</strong> koja sadrži komponente tvrdoće, gvožđe i mangan<br />
5.2.3 „Veštačke“ podzemne <strong>vode</strong><br />
Površinska voda iz jezera ili reka može prolaziti kroz zemlju, posebno gde dominiraju<br />
prirodni slojevi peska i šljunka kuda voda polako prolazi u zemlju formirajući izvore veštačke<br />
podzemne <strong>vode</strong>. Tlo će imati ulogu peščanog filtera a mikrobiološkom aktivnošću tla<br />
odstraniće se gvožđe, mangan i nitrati. Mada se može desiti da se neki od ovih elemenata<br />
reasorbuje ukoliko su prisutni u dubljim slojevima šljunka ili stena.<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
44
5.3 Obrada površinske <strong>vode</strong><br />
5.3.1 Površinska voda dobrog kvaliteta<br />
Površinska voda dobrog kvaliteta može da sadrži suspendovane čestice i takođe nešto<br />
organskih materija, koje mogu biti odstranjene hemijskim tretmanom. Sezonsko opterećenje<br />
čvrstim suspendovanim materijama u obliku čestica finog mulja je uobičajeno, prvo se<br />
odstranjuje u pogonu za odmuljivanje ili u taložniku, posle čega se vodi dodaju hemijski<br />
flokulanti kakvi su soli aluminijuma ili gvožđa. Tako se u tanku za flokulaciju od čestica<br />
mulja stvaraju flokule. Veće flokule se mogu odvajati u uređaju za bistrenje dok se finije<br />
odstranjuju na peščanom filtru.Voda se dezinfikuje oksidirajućim sredstvima kao što je ozon.<br />
Slika 5.3 daje prikaz metode obrade površinske <strong>vode</strong> dobrog kvaliteta.<br />
Slika 5.3 Obrada površinske <strong>vode</strong> dobrog kvaliteta<br />
5.3.2 Površinske <strong>vode</strong> sa organskim zagađenjem<br />
Površinske <strong>vode</strong> mogu sadržavati komponente organskog zagađenja u količini da je potrebna<br />
filtracija preko aktivnog uglja. Veliko sezonsko opterećenje čvrstim suspendovanim<br />
materijama se odstranjuje u posebnoj jedinici ili taložniku, hemijske supstance se uz brzo<br />
mešanje dodaju u tank a hemijski talog se sakuplja u tanku za flokulaciju. Polielektrolit se<br />
dodaje da pospeši taloženje pre nego voda uđe u uređaj za bisternje, posle toga se voda filtrira<br />
kroz peščane filtere. Ozon se dodaje kako bi se razložila organska jedinjenja pre filtera sa<br />
aktivnim ugljem. Posle filtera sa aktivnim ugljem, vrši se dezinfekcija <strong>vode</strong> ozonom. Slika 5.4<br />
daje prikaz metode obrade površinske <strong>vode</strong> uz prisustvo organskih zagađivača.<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
45
Slika 5.4 Obrada površinske <strong>vode</strong> koja sadrži organsko zagađenje<br />
5.4 Posebna obrada<br />
Sirova voda sadrži hloride, nitrate, fluoride a ta jedinjenja nije lako odstraniti, kao i druga<br />
jedinjenja koja nije moguće odstraniti uobičajenim <strong>procesi</strong>ma obrade pa se primenjuju jonski<br />
izmenjivači, elektrodijaliza, reversna osmoza, ultrafiltracija i isparavanje.<br />
Jonski izmenjivači, elektrodijaliza, reverzna osmoza i isparavanje su alternativni <strong>procesi</strong> i<br />
izbor zavisi od specifičnosti uslova. Elektrodijaliza se obično koristiti kada je velika<br />
koncentracija rastvorenih čvrstih komponenti.<br />
Nitrati, fluoridi i hloridi mogu se odstraniti reversnom osmozom i jonskim izmenjivačima.<br />
Natrijum se takođe može odstraniti reversnom osmozom, jonskim izmenjivačima i<br />
isparavanjem.<br />
Huminske kiseline se mogu odstraniti preko aktivnog uglja posle tretmana ozonom. Fenoli se<br />
mogu odstraniti pomoću filtera sa aktivnim ugljem.<br />
Teški metali kao što su kadmijum i hrom mogu se odstraniti taloženjem pomoću kreča, kao i<br />
uz pomoć filtera sa ugljem a u krajnjem slučaju jonskim izmenjivačima. Olovo se takođe<br />
može odstraniti taloženjem pomoću kreča i upotrebom jonskih izmenjivača. Tabela 5.2 daje<br />
sumiran prikaz obrade <strong>vode</strong> koji se zahteva za odstranjivanje glavnih kontaminirajućih<br />
materija prisutnih u vodi.<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
46
Tabela 5.2 Tabela prikazuje metode odstranjivanja najčešće prisutnih<br />
kontaminirajućih materija u vodi<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
47
5.4.1 Voda za laboratorijske svrhe<br />
Voda za laboratorijske svrhe može da se dobije na nekoliko načina, a li se obično počinje od<br />
česmenske <strong>vode</strong>. Kvalitet česmenske <strong>vode</strong> je vrlo promenjliv i kada treba da se upotrebljava<br />
za laboratorijske svrhe mora prethodno da se prečisti.<br />
Česmenska voda obično sadrži suspendovane čestice (organske i/ili neorganske prirode) i<br />
rastvorne soli i jedinjenja organskog i/ili neorganskog porekla koje mogu značajno da utiču na<br />
hemiski eksperiment, analitički postupak ili sintetički poduhvat. Na primer, samo neorganske<br />
soli, kojih u vodi ima od 300 ppm pa naviše, u vodi generišu provodljivost od oko 600 μS/cm<br />
(mikroSimensa po santimetru). Propisani i opšte prihvaćen standard o kvalitetu laboratorijske<br />
<strong>vode</strong> je dalo Američko društvo za testiranje i materijale (American Society for Testing and<br />
Materials - ASTM) koje laboratorijsku vodu deli u tri tipa:<br />
• Tip III: voda koja je dobra za pranje laboratorijskog posuđa, s tim što poslednje<br />
ispiranje sudova mora biti sa vodom s kojom će se raditi određeni eksperiment ili<br />
postupak.<br />
• Tip II: voda koja se koristi za eksperimente u biomedicini (histohemija, imunohemija)<br />
• Tip I: voda koja se koristi za analitičke svrhe, kliničku hemiju, elektzroforezu i slično.<br />
Pored ovih tipova <strong>vode</strong> koristi se i čistija voda za specijalne svrhe, pre svega za naučnoistraživački<br />
rad i za nju nema standardnih propisa.<br />
Tabela 5.3 Specufikacija za laboratorijsku vodu prema ASTM standardu<br />
ASTM Tip <strong>vode</strong> I II III<br />
Provodljivost na 25°C (μS/cm) 0,056 1,0 0.25<br />
Otpornost na 25°C (MΩxcm.) 18,2 1,0 4,0<br />
Ukupni SiO 2 (μg/L) 3 3 500<br />
Ukupni organski ugljenik, TOC (μg/L) 50 50 200<br />
Cloridi (μg/L) 1 5 10<br />
Natrijum (μg/L) 1 5 10<br />
5.4.2 Čistoća <strong>vode</strong> izražena preko provodljivosti i otpornost<br />
U osnovi provodljivost je mera elektroprovodljivosti <strong>vode</strong> na 25°C izražena u Simensima ili<br />
mikroSimensima na santimetar (μS/cm). Što je manje rastvorernih neorganskih soli u void to<br />
je provodljivost (konduktanca) manja, odnosno voda je čistija. Najčistija voda prema ASTM<br />
standard je voda tipa I koja ima provodljivost 0,056 μS/cm.<br />
Otpornost <strong>vode</strong> je mera električne otpornosti <strong>vode</strong> izražena u Omima ili mikroOmima na<br />
santimetar (MΩ*cm). Što je manje rastvoerenih neorganskih soli u void to je otpornost <strong>vode</strong><br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
48
veća, pa samim tim je veća i njena čistoća. Najčistija voda prema ASTM standard je voda tipa<br />
I koja ima otpornost 18,2 MΩ*cm.<br />
Provodljivost i otpornost <strong>vode</strong> se nalaze u obrnutoj srazmeri, recipročna vrednost<br />
provodljivosti je otpornost:<br />
Provodljivost = 1/Otpornost (0,055 = 1/18,2).<br />
5.4.3 Kako da prečistiti vodu za laboratorijske svrhe<br />
Ni jedna metoda za prečišćavanje <strong>vode</strong> ne može da proizvede laboratorijsku vodu očišćenu od<br />
svih kontaminanata. Samo kombinacija efektivnih i ekonomičnih metoda može da proizvede<br />
laboratorijsku vodu zadovoljavajućeg kvaliteta. Za proečišćavanje <strong>vode</strong> korisiti se nekoliko<br />
metoda (metode su poređane od jeftinijih ka skupljim): (1) primarni tretman – filtracija, (2)<br />
UV foto-oksidacija, (3) tretman na jonoizmenjivačkim smolama, (4) membranska filtracija,<br />
(5) ultrafiltracija (6) reversna osmoza, (7) destilacija i (8) redestilacija. U tabeli 5.4 dat je opis<br />
efikasnosti pojedinih metoda.<br />
Tabela 5.4 Kontaminanti i efikasnost metode prečišavanja<br />
Šta se<br />
odstranjuje<br />
Primarni<br />
tretman –<br />
filtracija<br />
na<br />
aktivnom<br />
uglju<br />
Reversna<br />
osmoza<br />
Jono<br />
izmenji<br />
vački<br />
tretman<br />
Ultrafiltracija<br />
UV fotooksidacija<br />
Membranska<br />
filtracija<br />
Destilacija<br />
Hlor Odlično Odlično<br />
Ca / Mg Dobro Odlično Odlično<br />
Krupne<br />
čestice<br />
Odlično Odlično Odlično<br />
Fine čestice Odlično ¹ Odlično ¹ Odlično Odlično<br />
Bakterije Odlično Odlično Odlično Odlično Odlično<br />
Virusi Odlično Odlično Dobro Odlično<br />
Nukleaze ² Dobro ² Odlično ² Odlično ² Odlično<br />
Pirogeni Odlično Odlično Odlično<br />
Rastvorne<br />
neorganske<br />
soli<br />
Rastvorne<br />
organske<br />
supstance<br />
Odlično Odlično Dobro do<br />
Odlično<br />
Dobro Dobro Dobro Dobro Dobro do<br />
Odlično<br />
Rastvoreni<br />
Odlično Dobro Dobro<br />
gasovi<br />
¹ Mogu da zaguše uređaj za prečišćavanje<br />
² Za ovaj slučaj kombinacija označenih metoda je naefikasnija, pojedinačno nisu<br />
najbolje<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
49
Primarni tretman ili pred tretman – najčešće se primenjuje kod jako tvrdih voda ili<br />
tehničke <strong>vode</strong> primenom jonoizmenjivačkih kolona i korišćenjem aktivnog uglja radi<br />
uklanjanja hlora, neorganskih soli i nečistoća organskog porekla.<br />
Destilacija – najstariji poznat metod za pripremu laboratorijske <strong>vode</strong>, ali i vrlo skup. Troši<br />
mnogo toplotne energije i troši mnogo <strong>vode</strong> za kondenzaciju <strong>vode</strong>ne pare. Ovakva voda se<br />
koristi u laboratorijama manjih kapaciteta i za uobičajene analitičke postupke, ali ako su<br />
zahtevi analitike visoki i koriste se hemikalije visoke čistoće (chromatografic grade) obična<br />
destilovana voda nije pogodna jer je „prljava“.<br />
Redestilacija - poznat metod za pripremu laboratorijske <strong>vode</strong> visoke čistoće, ali i najskuplji.<br />
Kao i destilacija troši mnogo toplotne energije i troši mnogo <strong>vode</strong> za kondenzaciju <strong>vode</strong>ne<br />
pare. Ovakva voda se koristi u laboratoriskim postupcima gde su zahtevi za čistoću <strong>vode</strong> i<br />
hemikalija vrlo visoki kao u analitičkim laboratorijama, molekularnoj biologiji ili<br />
mikrobiologiji.<br />
Reversna osmoza (RO) – je postala nezaobilazna metoda za prirpemu laboratorijske <strong>vode</strong>.<br />
Iako ova metoda nije efikasna kao jonoizmenjivačka priprema <strong>vode</strong> ona se koristi jer je jeftina<br />
i jer se uređaj za RO lako čisti i ponovo koristi. Ova metoda se često nadopunjuje tretmanom<br />
<strong>vode</strong> sa UV zračenjem (254nm) koje vrlo efikasno eliminiše sve žive mikroorganizme. Često<br />
se RO i UV tretman koriste kao predtretman za pripremu ultračiste <strong>vode</strong>.<br />
Dejonizacija – je vrlo efikasan metod za uklanjanje svih vrsta soli iz <strong>vode</strong>. U slučaju<br />
pripreme ultračiste <strong>vode</strong> koristi se upravo ova metoda, a kao ulazna voda koristi se prethodno<br />
pripremljena voda metodom RO i UV ili destilovana voda. Primenom jonoizmenjivačkih<br />
smola koje su pripremljene baš u svrhu pripreme ultračiste <strong>vode</strong> postiže se<br />
elektroprovodljivost od svega 0.055 μS/cm. Ultračista voda se nakon toga prečišćava sa<br />
aktivnim ugljem da bi se odstranile organske suspstance čija koncentracina ne sme da pređe<br />
10 ppb organskog ugljenika mereno TOC-em (TOC – uređaj za merenje ukupnog organskog<br />
ugljenika – Total Organic Carbon). Ovako pripremljena voda koristi se za finalno ispiranje<br />
staklarije i za analitičke potrebe, na primer, za AA, HPLC, ICP, GC, TOC i slično.<br />
Ultrafiltracija – je poseban tretman <strong>vode</strong> značajan za biomedicinske laboratoriske svrhe jer<br />
uklanja bakteriske toksine, makromolekule, viruse, bakterije ili koloidne čestice. Ovakva voda<br />
se često koristi za elektroforezu ili za uzgajanje laboratoriskih kultura.<br />
UV foto-oksidaciaja – poseban postupak sa UV lampom (185/254nm) koji je vrlo efikasan<br />
kod uništavanja (oksidacije) malih organskih molekula bakterija i virusa. Posledica ovakvog<br />
tretmana <strong>vode</strong> je da se dobija voda sa mane od 5 ppb organskog ugljenika mereno TOC-em.<br />
Sterilizaciona filtracija – poseban vid ultrafiltracije koji otklanja sve čestice, viruse i<br />
bakterije koje su veći od 0.2μm. Za ovaj postupak se koristi dejonizovana voda tip I (18.2<br />
MΩcm).<br />
Kod donošenja odluke koji tip <strong>vode</strong> vam treba uvek vodite računa, na prvom mestu, za šta<br />
vam laboratoriska voda treba, na drugom mestu, koliko vam takve dode treba, a tek na trećem<br />
mestu koliko sve to košta.<br />
Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda<br />
50