Meanje Prenos koliine kretanja razmatra fenomene koji se deavaju u sistemu u kome se odigravaju procesi:

- proticanje fluida i - meanje

Proticanje fluida kroz cev je najei sluaj koji se moe okarakterisati pomou Rejnoldsovog broja, Re, (definisanog od Osborne Reynoldsa jo 1883. godine), koji povezuje prenik cevi, gustinu, brzinu i viskozitet fluida koji kroz tu cev protie:

udtRe

Definisanje stanja u kome se fluid nalazi pri proticanju, a koje od laminarnog, preko preobraajnog do turbulentnog reima, se moe izraziti veliinom Re broja i to: Re

dydv

Znak () je neophodan stoga to je gradijent brzine u pravcu dejstva sile F uvek negativan. Vrednost se naziva viskozitet fluida i zapravo predstavlja meru otpora fluida dejstvu sile koja eli da ga pomeri u odredjenom pravcu. lan ( dv/dy) se naziva brzina smicanja i obelezava se sa .

dydv

Grafika zavisnost napona smicanja od brzine smicanja je data na sledeoj slici, pri emu je nagib prave zapravo vrednost viskoziteta fluida, (praviti fenomenoloku razliku od specifine brzine mikrobnog rasta, iako je ista oznaka, ).

Analizom Njutnovog zakona viskoziteta pokazuje se da brzina smicanja ne utie na viskozitet, tj. viskozitet ne zavisi od stepena meanja. Fluidi koji podleu ovom zakonu se i nazivaju Njutnoovski fluidi. Kada fluidi ne podleu prethodnom zakonu tj. kada njihov viskozitet zavisi od stepena meanja, kaemo da da se radi o nenjutnovskim fluidima, ije se ponaanje opisuje sledeom korelacijom za napon smicanja:

nk 0 gde je: k faktor konzistencije n indeks toka 0 poetni napon smicanja

Na taj nain postoji podela na vie fluida ije su korelacije za napon smicanja i viskozitet date u sledeoj tabeli:

Tip fluida Vrednost poetnog napona smicanja

Vrednost napona smicanja

Vrednost viskoziteta

Njutnovski fluid 0 dydv

Pseudo plastini fluid 0 nk n1

1 na k Kasonov fluid 0 2121

02

1 k 221

0

ka

Bingamov fluid 0 k 0 ka 0

Vrednosti viskoziteta a se odnose na aktuelni viskozitet. Grafiki prikaz zavisnosti napona smicanja od brzine smicanja za navedene fluide je dat na slici.

Za sisteme sa meanjem pseudoplastinih nenjutnovskih fluida koristi se modifikovani Re-broj, dat izrazom:

nnii

nn

kND

261.0Re

22,

Kao primeri razliitih tipova fluida mogu da poslue: Tip fluida Primeri Njutnovski fluid Voda, gasovi, vodeni rastvori soli.... Pseudo plastini fluid Lepkovi, polimerni rastvori, suspemzije

tirka, majonez, papirne pulpe Dilatantni fluid Neki rastvori eera, mokar pesak, cementne

suspenzije.... Kasonov fluid Krv, paradajz sos, sok pomorande,

rastopljena okolada, tamparske boje .... Bingamov fluid Margarin, neki deterdenti, masti... Radni mikroorganizmi, reoloke osobine i meanje tenosti u kome se odvijaju biohemijske transformacije (fermentacija), imaju odluujui uticaj na stepen promena hidrodinamikih uslova, razmene topote i mase. Prenos koliine kretanja utie na homogenost fermentacione tenosti i od presudnog je uticaja na ostale fenomene prenosa u bioreaktoru. Da bi se postiglo dobro meanje u fermentoru neophodno je obezbediti makromeanje pomou mealice, koja izaziva intenzivan cirkulacioni tok tj. konvektivno strujanje tenosti u bioreaktoru. Mikromeanje u bioreaktoru mada je poeljno nije od presudne vanosti kao makromeanje. Za meru kvaliteta mealice uzima se vreme meanja za koje obezbedi homogenu izmeanost tenosti. Priroda i vreme meanja zavise od:

- geometrije bioreaktora - tipa mealice - brzine obrtanja mealice - reolokih osobina fluida

Kada su u pitanju pseudoplastini fluidi (najei tip fermentacionih tenosti, poto se dilatantan tip i ne sree u bioinenjerstvu) ne postoje korelacije za vreme meanja. Pri odredjenim uslovima meanja viskozitet presudno utie na prirodu i vreme meanja. Veliki viskozitet i nenjutnovsko ponaanje uzrokuju due vreme meanja tj. slabiju homogenost fermentacionih tenosti zbog stvaranja stagnantnih zona (mrtvih zona) u bioreaktoru. U mrtvim zonama je mogua pojava ak i potpuno mirnog fluida. Sve ovo veoma loe utie na tok i rezultat bioprocesa, pa moe dovesti i do promene metabolizma mikroorganizma i smanjenja prinosa. Takodje, loe meanje uzrokuje nestabilnost rada sistema za kontrolu i regulaciju procesa. Prenos toplote , posebno kada se radi samo o sistemu sa platom, odvija se na granici zid reaktora-fermentaciona tenost (otpadna voda). U sluaju loeg meanja i pojave mrtvih zona sa jedne strane, kao i injenica da se pri malim smicajnim naponima, uz zid, zadrava poveani viskozitet pseudoplastinih fluida, javlja se mali temperaturni gradijent izmedju tenosti u razmenjivau i same fermentacione tenosti u bioreaktoru, to dovodi do veoma neefikasnog prenosa toplote. Pored toga na povrinama za razmenu toplote se taloe mikrobne elije zbog ega se smanjuje koeficijent prelaza toplote od strane fermentacione tenosti. (Fenomen prenosa toplote je pre svega bitan kod anaerobnih procesa preiavanja otpadnih voda, gde je potrebno odravati temperaturu u reaktoru od 30-45oC) Prenos mase iskljuivo zavisi od brzine i intenziteta meanja koje zavisi od reolokih osobina fluida. Veliki viskozitet smanjuje prenos mase kiseonika iz gasne u tenu fazu (najee je re o vazduhu, ali se moe uvoditi i ist kiseonik ili ozon). U tom sluaju prenos mase se odigrava samo u zoni oko mealice. Javlja se pojava koalescencije mehura dok se u mrtvim zonama, posebno blizu zida kolone, javljaju zarobljeni mehuri koji su sa niskim sadrajem ili bez kiseonika, koji se dugo zadravaju u biorektoru. Nedostatak kiseonika dovodi do manje brzine transformacije zagadjujuih materija, a moe doi i do promene morfolokog oblika pa i do potpune promene rezultata bioprocesa.

Meanje fluida i izbor mealice Za meanje nenjutnovskih fluida koriste se dve vrste mealica:

- mealice sa malim brojem obrtaja - mealice sa velikim brojem obrtaja

Mealice sa malim brojem obrtaja izazivaju kretanje fluida pumpanjem (spiralne, trakaste mealice) ili veliinom i oblikom lopatica (okvirne mealice). Mealice sa velikim brojem obrtaja prenose koliinu kretanja pri velikoj brzini obrtanja (turbinske ili lopataste mealice) Pri meanju pseudoplastinih fluida dolazi do smanjenja njegovog viskoziteta sa poveanjem broja obrtaja mealice (poveavaju se brzine smicanja). Smanjenje viskoziteta je najvee u zoni mealice da bi se sa udaljenjem od vratila mealice viskozitet poveavao. Stoga je potrebno veoma intenzivno meanje fluida da bi se izbeglo stvaranje mrtvih zona. U tom cilju, koriste se mealice sa velikom brzinom obrtanja. Iako ovaj tip mealice veoma efikasno i disperguje gas on ima i svoje prednosti i svoje nedostatke. Osnovni nedostatak je u tome da smicajni naponi veoma brzo opadaju sa udaljenjem od vratila mealice pa se i viskozitet fermentacione tenosti menja u radijalnom pravcu. Ovo pak dovodi do kanalisanja struje gasa uz vratilo mealice pa i pored dobrog dispergovanja gasa ne dolazi do eljenog prenosa mase u sistemu. Kao primer ovog tipa mealice navodi se Ratonova (Rushton) turbinska mealica sa diskom za meanje. Da bi se intenzitet meanja poveao moe se:

- poveati veliina turbina na mealici - poveati broj obrtaja mealice - koristiti vei broj mealica na istom vratilu sa manjom brzinom meanja - konstruisati specijalnu mealicu odgovarajuu datom sistemu

Poveanje prenika turbinske mealice i broja obrtaja zahteva veu spoljnu snagu na vratilu. Mealice sa manjim brojem obrtaja za meanje nenjutnovskih fluida se mogu koristiti kada se radi sa neaerisanim sistemima. Tip mealice sa malim brojem obrtaja je sidrasta mealica. Vie mealica na zajednikom vratilu obezbedjuje efikasnije meanje i bolji prenos mase nego turbinska mealica. Kombinacijom turbinske mealice i lopataste mealice sa kosim lopaticama moe se poboljati ukupan efekat meanja. Turbinska mealica se uvek postavlja blie dnu bioreaktora, radi efikasnijeg dispergovanja gasne faze, a lopatasta mealica se postavlja blie povrini fluida tako da pumpa fluid ka dnu.

Uduvavanje vazduha ne menja znaajno model strujanja, iako vazduh moe suzbiti strujanje fluida i izazvati tzv. plavljenje mealice, kada se praktino cela mealica nadje u vazduhu i ne dodiruje tenost koju bi tebalo da mea. Pri korienju dve mealice dolazi do dodatnog dispergovanja veih mehurova u zoni izmedju mealica. Pozitivni efekti meanja i aeracije viskoznih fluida mogu se postii i posebnim konstrukcijama mealica ili konstrukcijom bioreaktora sa unuranjom cevi i dve mealice. Specijalnim konstrukcijama mealica eli se postizanje veih brzina meanja sa manjim utrokom snage od standardnih mealica, a razlikuju se od sluaja do sluaja.

Uticaj mehanikih sila na mikroorganizme Sile smicanja koje se javljaju pri meanju uzrokuju destrukciju (oteenje ili hidrodinamiki ok) mikroorganizama. Ovo moe dovesti do negativnog efekta na ukupan bioproces. Mikroorganizmi koji se koriste u tretmanu otpadnih voda mogu pretrpeti fizika oteenja pri velikom intenzitetu meanja ali se smatra da su oni oteeni samo ukoliko to izaziva negativne efekte na ukupan rezultat bioprocesa, odnosno na smanjenje efikasnosti transformacije zagadjenja. Ponekad mehaniko oteenje moe imati i pozitivan efekat na eljeni rezultat, dok se u odredjenim sluajevima moe rei da su mikroorganizmi oteeni ak iako nije dolo do fizikih oteenja i rastu dobro ali dolazi do smanjenja efikasnosti procesa. Mehanizam oteenja mikroorganizma se odvija tako da se na prednjoj strani mealice formira stagnantna zona, da bi po radijalnom pravcu ka vrhu mealice dolo do jakog ubrzanja, a potom u zoni iza lopatice, u zoni niskog pritiska bi se formirali vrtlozi koji se udaljavaju od lopatice i na taj nain dolazi do udara, a potom i do kidanja mikroorganizama. Jednoelijski mikroorganizmi su osetljivi na prvi mehanizam dok su micelijski mikroorganizmi kad su izloeni silama smicanja veim od kritine sile kidanja osetljivi na drugi mehanizam oteenja.

Viestruko ponavljanje uticaja navedenih mehanizama moe dovesti do zamora elija, ali u odredjenim sluajevima dolazi i do adaptacije mikroorganizama na hidrodinamike uslove u bioreaktoru. Efekti mehanikih sila se odraavaju na:

- promenu morfolokog oblika - oslobadjanje intraelijskog materijala i promene u metabolizmu - brzinu mikrobnog rasta i - brzini potronje supstrata, tj. zagadjenja u otpadnoj vodi

Efekat hidrodinamikih parametara je najbolje eksperimentalno proveriti u uslovima koji su to pribliniji realnim sistemima u kojima e se odvijati bioproces. Izraunavanje vremena i snage meanja Dve osnovne veliine kojima se definie kvalitet meanja su vreme meanja i potrebna snaga meanja. Vreme meanja je parametar koji odredjuje efikasnost meanja u datom sistemu tenost-fermentor-mealica i to je ono vreme za koje se u datom sistemu postigne zadovoljavajui nivo homogenosti fermentacione tenosti. Za odredjivanje vremena meanja najee se pribegava eksperimentu u kome se pomou obeleene supstance, (tracer-a), koja se ubacuje u fermentor, na odredjenom mestu prati promena koncentracije sa vremenom. Kao najee koriene supstance se koriste kiseline, baze i rastvori soli koji utiu na lokalnu promenu pH vrednosti i time se jednostavnim merenjem promene pH na odredjenom mestu moe meriti promena koncentracije u toj taki, kao posledica meanja fluida u fermentoru sa vremenom. Grafikim prikazom promene koncentracije sa vremenom u mernoj taki se moe doi do optimalne vrednosti potrebnog vremena meanja.

gde su veliine prikazane na slici: Ci - poetna koncentracija obeleene supstance u reaktoru Cf - koncentracija obeleene supstance u reaktoru nakon potpunog umeavanja tc - cirkulaciono vreme ili vreme za koje se ponovo javi pik koncentracije na datom mernom mestu tm - vreme meanja

Odredjivanje vremena meanja zavisi od stepena zahtevane homogenizacije ali se uobiajeno uzima da je u sistemu sa jednom fazom u fermentoru sa odbojnicima i relativno malom mealicom, odnos vremena meanja i cirkulacionog vremena:

cm tt 4 Industrijski sistemi sa zapreminom od 1 do 100 m3 imaju vreme meanja od 30 do 120 s, zavisno od uslova. Jasno je da vreme meanja zavisi od veliina sistema, odnosno od veliine reaktora, prenika i tipa mealice i osobina fluida. Ove relacije se odredjuju eksperimentalno, pa za turbinsku (Ratonovu) mealicu za irok opseg sistema se moe dati sledea grafika zavisnost.

gde je: Nitm - broj okretaja mealice potrebnih za homogenizaciju telnosti Zapaa se da za vrednosti Rei broja iznad 5x103, vrednost Nitm postaje konstantna i moe se predstaviti jednainom:

3

54.1

imi D

VtN gde je: V - zapremina tenosti Di - penik mealice Sistemi bez aeracije- njutnovski fluidi Dimenzionom analizom Rutan i saradnici su na osnovu merenja potrebne snage meanja definisali potronju snage meanja preko faktora snage, Np kao:

iip DN

PN 53

gde su: Np - faktor snage P - spoljna snaga meanja N - broj obrtaja mealice Di - prenik mealice Kako je ve definisano kretanje fluida u sudu sa mealicom moe se opisati Rejnolds-ovim brojem pri meanju:

2

Re iND

Na taj nain je mogue dobiti zavisnost, za razliite tipove mealica (turbinske, lopataste i propelerske) faktora snage i Rejnoldsovog broja pri meanju, to je dato na slici.

Za laminarno podruije vai:

mlp KN Re Eksponent m za laminarno podruije je m=1, pa na osnovu jednakosti:

NDK

DNP

il

ii

253 se preuredjenjem dobija:

23NDKP il Moe se zakljuiti da potronja snage u laminarnom podruiju ne zavisi od gustine ve iskljuivo od viskoziteta, prenika mealice i broja obrtaja. Za prelazni reim ne postoje odgovarajue korelacije izmedju faktora snage i Rejnoldsovog broja.

U turbulentnom reimu faktor snage postaje konstantan i ne zavisi od Rejnoldsovog broja, odnosno

fit

tfi

DNKP

KKonstDNP

53

53

odnosno vidi se da potronja snage zavisi od gustine fluida. Konstante Kl i Kt u zavisnosti od tipa mealice, date su u tabeli: Tip mealice Kl Kt (za Re=105) Ratonova turbinska 70 5-6 Lopatasta 35 2 Propelerska 40 0.35 Sidrasta 420 0.35 Helikoidna 1000 0.35 Iz prethodnih jednaina sledi zakljuak da prenik mealice veoma utie na zahtevanu snagu meanja, pa tako u turbulentnom reimu, poveanje od 10% prenika mealice, uzrokuje poveanje potrebne snage i do 60%, a poveanje broja obrtaja mealice za 10% uzrokuje poveanje potrebne snage za 30%. Da bi se proces meanja, na osnovu iskustva, unapred mogao definisati, neophodno je koristiti usvojene standardne geometrijske karakteristike biorektora sa mehanikom mealicom. Na taj nain je formirana tabela, za razliite tipove mealica, sa karakteristinim veliinama prikazanim na slici.

Tip mealice

r

i

DD

r

l

DH

i

i

DW

i

i

DL

i

l

DH

r

b

DW

Broj odbojnika

turbinska 0.33 1 0.2 0.25 1 0.1 4 lopatasta 0.33 1 0.25 - 1 0.1 4 propelerska 0.33 1 - - 1 0.1 4

Da bi se razumeo red veliina traenih parametara, na primeru tenosti viskoziteta 10-2 Pas i gustine 1000 kg/m3, koja se mea u standardnom sudu zapremine 50 m3 sa odbojnicima, pomou mealice propelerskog tipa prenika 1.3 m, iji je eljeni broj obrtaja 240 o/min, odredjivanje potrebne snage elektromotora koji bi pokretao tu mealicu, se odredjuje na taj nain to se odredi Rei, koji u ovom sluaju iznosi 6.76x105 . Iz grafike zavisnosti Np od Rei se moe zakljuiti da sistem radi u razvijenom turbulentnom reimu.

Ovo omoguava da se iz tabele sa podacima za Kt moe odrediti vrednost od Kt=0.35, pa se uvrtavanjem vrednosti u izraz za snagu meanja, dobija vrednost od P=83 kW. Zavisnost potronje snage od Re-broja za sidrastu mealicu i helikoidnu mealicu, kao i specificirane geometrijske odnose za tu zavisnost su dati na sledeoj slici i tabeli.

Tip mealice

i

C

DD

iDc

i

i

DW

i

i

DH

Sidrasta 1.02 0.01 0.1 1 Helikoidna (trakasta)

1.02 0.01 0.1 1

Kada se geometrijske karakteristike sistema razlikuju od standardnih, onda se koristi korekcioni faktor:

dsi

L

dsi

c

i

L

i

C

c

DH

DD

DH

DD

f

tantan

pa se sve izraunate vrednosti, dobijene na osnovu korelacija koje podrazumevaju standardne sisteme (indeks stand), mnoe korekcionim faktorom fc, kao na primer za snagu meanja:

cds fPP tan esto se kod nestandardnih sistema, kao stepen sigurnosti izraunati korekcioni faktor uveava ili smanjuje za 30%, u zavisnosti od smera u kome se sigurnost postie, pa kada je re o potrebnoj snazi meanja, onda je:

cc ff 3.1* Kada se ima vie mealica u sudu onda se moraju zadovoljiti sledei uslovi u pogledu rastojanja izmedju mealica i broja mealica:

iiLi

i

iL

iii

DDHN

DDH

DHD

2

2

gde su: Hi rastojanje izmedju mealica HL visina tenosti u sudu Ni broj mealica Sistem bez aeracije- nenjutnovski fluidi Fermentacione tenosti se u mnogim sluajevima ponaaju kao nenjutnovski fluidi. Kod ovih sistema potronja snage na viskozne sile moe biti dominantna. Postoje mnogi modeli koji opisuju ponaanje nenjutnovskih fluida, a proraun se svodi na izraunavanje ve definisanog modifikovanog Rejnoldsovog broja i odredjivanja faktora snage iz grafike zavisnosti.

Sistemi sa aeracijom- Njutnovski fluidi Uvodjenjem gasa u tenost, deo njegove energije se troi i na meanje to dovodi do smanjenja potrebne snage za mehaniko meanje. Oyoma i Endoh (1955) uvode bezdimenzionu veliinu, nazvanu aeracioni broj, a definisanu kao odnos:

3mesalice siljka brzinagasa brzina prividnabroj aeracioni

i

va ND

QN

to omoguava da se odredi odnos potrebne snage meanja pri aerisanom i neaerisanom fluidu u odnosu na aeracioni broj:

ag NfPP

to je i grafiki prikazano na sledeoj slici.

Osnovni razlog zbog ega se prouavaju sistemi sa aeracijom i sistemi bez aeracije, sa aspekta potronje snage, je u tome to je mogue na osnovu laboratorijskih rezultata predvideti potrebnu snagu za izvodjenje procesa u industrijskim razmerama, (scale-up).

Flotacija Po definiciji, flotacija je proces molekularnog slepljivanja estica materijala, koji se flotira uz graninu povrinu faza, obino gas (najee vazduh)-voda, koji je uslovljen vikom slobodne energije na graninim slojevima i povrinskim pojavama pri kvaenju. Flotacija se koristi kao alternativna metoda drugim separacionim postupcima (sedimentaciji, separaciji, centrifugama, filtraciji ), od kojih je esto efikasnija ili ekonomski opravdanija. vrste estice, kapljice, molekuli ili joni iz tene faze, prilepljeni uz mehurove vazduha, koji se formiraju u tenoj fazi na razliite naine, dominantnom silom potiska odnose se na povrinu tenosti, gde se koncentrisane u vidu pene, odnose i uklanjaju. Flotacija je, kao metoda, prvi put primenjena 1887. godine u obogaivanju grafitne rude, ali je zatim odmah naputena. Od prvog patentiranog postupka (Elmore, 1898.) flotacija se sve vie primenjuje i stalno usavrava. Primena flotacije u obradi otpadnih voda, smatra se revolucionarnom inovacijom. Bra je 6-8 puta od sedimentacije i traje 15-30 minuta. Pri tome se obezbedjuje visok stepen uklanjanja suspendovanog materijala, znaajno smanjuje koncentracija povrinski aktivnog materijala u otpadnoj vodi i poveava sadrzaj kiseonika, to u znatnoj meri olakava kasnije faze obrade. Danas se flotacija primenjuje u mnogim oblastima industrije, u obogaivanju i razdeljivanju ruda razliitih materijala i goriva, izdvajanju visokovrednih komponenti iz rastvora itd. Flotacija se u obradi otpadnih voda primenjuje za: a) uklanjanje suspendovanih i emulgovanih zagadjivaa i b) koncantraciju biolokih muljeva. Mehanizam flotacije Flotacija je proces madjusobnog spajanja (slepljivanja) dispergovanih estica zagadjenja uz medjufaznu povrinu gas-tenost. estice zagadjivaa, zahvaene gasnim mehurovima, kao lake, transportuju se usled sile potiska na povrinu tenosti, gde se izdvajaju u obliku penuave mase. Osnova flotacionog procesa je spajanje suspendovanih ili emulgovanih estica zagadjivaa i vazdunih mehurova. Proces ovog spajanja zavisi od niza faktora, a najznaajniji su:

a) viak slobodne energije na graninim slojevima b) povrinske pojave kvaenja i c) veliina i odnos veliina estica zagadjivaa i mehurova gasa.

Fenomeni na graninim povrinama gas-tenost zavise od osobina materijala. U flotacione procese u obradi otpadnih voda ukljueni su vazduh, pre svega, kao gasna komponenta (iskljuujui elektro i bioflotaciju) i voda. Povrinski fenomeni zavise od fiziko-hemijskih osobina vazduha, za koje moemo uzeti da su prilino ustaljene, i fiziko-hemijskih osobina vode, koje su promenljive, zavisno od vrste rastvorenih, suspendovanih ili emulgovanih zagadjivaa. Kako su zagadjivai brojni i po svojstvima raznovrsni, svaka zagadjena voda ima razliita fiziko-hemijska svojstva, koja se prethodnim ispitivanjima moraju utvrditi. Zbog toga emo razmatrati samo faktore koji znaajno utiu na proces flotacije, a zajedniki su za sve flotacije.

Spajanje estica, koje se nalaze u vodi uz povrinu gasnog mehura, mogue je jedino u sluaju da se estica ne kvasi ili slabo kvasi vodom. Sposobnost moenja svake tenosti, pa i vode, zavisi od njene polarnosti. Sa porastom polarnosti raste i sposobnost tenosti da kvasi vrsta tela. Povrinski napon na granici sa gasnom fazom i razlika polariteta na granici tene i vrste faze su spoljane manifestacije tenosti koja kvasi vrsta tela. Tako se, na primer, proces flotacije moe odvijati efikasno jedino u sluaju kada povrinski napon vode nije vei od 60-65x10-3 N/m. Stepen kvaenja dispergovanih estica vodom opisuje se graninim uglom kvaenja .

Slika 1. ematski prikaz spajanja mehura gasa i suspendovanih ili emulgovanih zagadjivaa u vodi

to je vrednost graninog ugla kvaenja vea to je i hidrofobnost estice vea, pa je i verovatnoa spajanja estica i gasnog mehura vea, a vea je i stabilnost nastale veze. Takve estice se lako flotiraju. Supstance koje smanjuju povrinski napon vode potpomau flotacione fenomene, a supstance koje voda manje kvasi se lake podvrgavaju procesu flotacije. Navedena svojstva vode i pojedinih supstanci, njihovi uzajamni odnosi, mogu se menjati dodatkom pojedinih hemikalija tj. sredstava za flotaciju. Na efikasnost flotacije, pored povrinskog napona i sposobnosti kvaenja, veliki uticaj imaju i dimenzije estica zagadjivaa i veliina mehurova gasa, odnosno, njihov uzajamni odnos. Isto tako veliki uticaj ima i broj gasnih mehurova kao i ravnomernost njihove raspodele po masi tenosti. Pojam kritinog prenika estice Ukoliko se pretpostavi da estice suspendovanog ili emulgovanog zagadjivaa zauzimaju priblino sferni oblik, onda veliina prenika estice u odnosu na prenik mehura ima veliki uticaj na uspenost procesa flotacije. Ako je prenik estice manji od kritinog r, do sudara sa vazdunim mehurom moe doi samo pod dejstvom inercionih sila. Veliina kritinog prenika estice zavisi od prenika vazdunog mehura r, a povezani su sledeim izrazom:

mk rggr

24

gde je : rk - kritini prenik estice rm - prenik mehura - viskozitet tenosti - gustina tenosti g - ubrzanje slobodnog pada - razlika gustina estice i tenosti Navedena teorijska jednaina se vrlo dobro slae sa eksperimentalnim podacima, pa se sa uspehom moe primenjivati u praksi. Na osnovu utvrdjivanja dimenzija estica zagadjivaa i dimenzija mehurova, moe se odrediti verovatnoa njihovog sudara i spajanja. Isto tako se na osnovu ove jednaine moe odrediti potreban stepen dispergovanosti vazduha prema dimenzijama estica zagadjivaa koje flotacijom treba ukloniti.

Iz prethodnog izraza se vidi da je kritini prenik estice obrnuto proporcionalan korenu prenika mehura. Iz toga sledi, da je sa poveanjem disperznosti vazduha flotacijom mogue izdvojiti estice sa manjom vrednou kritinog prenika i obrnuto. Iz ovoga se zakljuuje, da je za uspenu flotaciju neophodno usaglasiti disperznost vazduha sa dimenzijama suspendovanog ili emulgovanog zagadjivaa. Moe se usvojiti da su optimalne dimenzije vazdunih mehurova izmedju 15-30 m, a maksimalne 100-200 m. Svi flotacioni postupci, koji se primenjuju u praksi, mogu se podeliti u dve grupe:

a) prirodna flotacija b) stimulisana flotacija

Postupci stimulisane flotacije se mogu dalje podeliti na vie naina i to: zavisno od uvodjenja gasa u tenu fazu, naina stvaranja gasnih mehurova, naina uklanjanja flotiranog materijala itd. Usvajajui podelu flotacionih postupaka prema nainu uvodjenja gasa u tenu fazu razlikujemo: a) flotacija rastvorenim vazduhom ( flotacija pod pritiskom, vakuum i air-lift flotacija) b) flotacija dispergovanim vazduhom (mehanika i pneumatska) c) elektroflotacija d) bioloka i hemijska flotacija

Prirodna flotacija

Kada se u prirodne tokove unose povrinski aktivne materije, kao sto su deterdenti, dolazi do pojave fenomena flotacije. Penasta masa na povrini vode uvek sadri odredjenu koliinu u vodi suspendovanog ili emulgovanog materijala. Penasti sloj na povrini vode stvara barijeru za prodor kiseonika iz vazduha, to oteava aeraciju prirodnih voda. Takodje se smanjuje propustljivost suneve svetlosti. Sve to dovodi do poremeaja bioloke ravnotee u vodi. U preiavanju otpadnih voda prirodna flotacija je veoma koristan fenomen. Posebno je izraena pri obradi sanitarnih voda, koje redovno sadre detergente. Ova pojava se

manifestuje u toku primarne obrade otpadnih voda, u bazenima za uklanjanje peska i inertnog materijala (naroito ako su aerisani) i u primarnim talonicima. Tu se flotacija javlja kao posledica izdvajanja gasa rastvorenog u otpadnoj vodi, pri emu se uklanja deo suspendovanog i emulgovanog zagadjenja i to je veoma znaajno, odredjena koliina deterdenata. Sve ovo znaajno olakava kasnije faze obrade otpadnih voda. Formirani sloj pene, tj. flotiranog zagadjenja, uklanja se sa povrine prelivom vode ili posebnim uredjajem.

Slika 2. ematski prikaz uklanjanja flotiranog materijala prelivom

Postupci stimulisane flotacije

Flotacija dispergovanim vazduhom Zasniva se na injenici da pri intenzivnom meanju struja vode i vazduha dolazi do turbulencije, koja izaziva dispergovanje vazduha u vodi. Uredjaji, koji se koriste za ovu vrstu flotacije, imaju ugradjene aeratore sa mehanikim meanjem. Pored mehanikog meanja, vazduh se moze dispergovati i pomou statikih raspodeljivaa, tj. pneumatskim putem. Prema tome, u ovu grupu flotacionih postupaka spadaju:

a) mehanika flotacija b) pneumatska flotacija

Mehanika flotacija Ova vrsta flotacije se primenjuje kod obrade otpadnih voda sa visokom koncentracijom suspendovanog i emulgovanog zagadjenja (vee od 2-3 g/l ). Pogodna je za obradu otpadnih voda koje sadre naftu, naftne derivate i masti. Sistem za raspodelu vazduha sa mehanikim meanjem, postavlja se na dno (redje na povrinu ) flotatora, koji moe biti izgradjen u obliku jednostruke ili dvostruke komore.

Stepen disperznosti vazduha zavisi od periferne brzine impelera, koja treba da se kree izmedju 12-15 m/s. Dijametar impelera ne treba da bude vei od 750 mm. On opsluuje povrinu kvadrata koja nije vea od 6d (prenik impelera). Visina flotacione komore obino iznosi 1.5-3 m. Vreme flotacije kree se izmedju 20 i 30 min. Zapremina flotacione komore V (m) izraunava se iz izraza:

ff QV 025.0

gde je: Vf - zapremina flotacione komore (m) Q protok otpadne vode (m/h) f - vreme flotacije, h

Slika 3. Dvokomorni protoni flotator Propusna mo flotatora Q (m/h):

f

ff

ndQ

025.0

36 2

Specifina potronja vazduha Vvs kree se izmedju 40-50 m/h na svakih 1m povrine flotacione komore.

Neophodan broj flotacionih komora odredjuju se iz odnosa:

ff Q

Qn Koliina vazduha Qv odredjuje se iz izraza:

AVQ vsv 41078.2 gde je: A povrina flotacione komore (m) Nedostatak mehanike flotacije je veoma visok sadraj vode u formiranoj peni. Ovaj nedostatak naroito dolazi do izraaja pri uklanjanju vee koliine povrinski aktivnog materijala, jer se javlja problem naknadne obrade vee koliine vode izdvojene penom. Pneumatska flotacija Kod ove vrste flotacionih uredjaja dispergovanje vazduha se postie pomou cevnih ili drugih raspodeljivaa, koji su smesteni na dnu flotacione komore. U cilju poboljavanja flotacionog izdvajanja i uklanjanja pene, flotaciona komora se moe podeliti na deo koji se aerira i na deo koji se ne aerira. Dizne koje su smetene na cevnom raspodeljivau vazduha obino imaju prenik otvora 1-1.2 mm. Cevni raspodeljivai se postavljaju na rastojanju 0.25-0.3 m. Brzina kojom vazduh izlazi iz dizni iznosi 100-200 m/s, a radni pritisak iznosi 0.3-0.5 MPa. Dubina flotacione komore se kree izmedju 3 i 4 m, a njena zapremina se moe odrediti iz izraza:

af

f kQ

V 160

gde je: ka - koeficijent aeracije (normalna vrednost 0.2-0.3) f - vreme flotacije (izmedju 15-20 min) Q - koliina otpadne vode (m/h) Potronja vazduha zavisi od intenzivne aeracije, a orijentaciona vrednost iznosi 15-20 m/mh. Neophodan broj dizni na raspodeljivau vazduha nd odredjuje se iz izraza:

vfQ

nd

vd

gde je: nd- broj dizni na raspodeljivau vazduha Qv- koliina vazduha koja se disperguje (m/s) fd- povrina otvora dizne (m) v- brzina izlaska vazduha (m/s) Mehurovi koji se formiraju pri pneumatskoj flotaciji su relativno krupni (do 1000 m) pa efikasnost postupka nije velika. U cilju postizanja bolje disperznosti vazduha, umesto

raspodele pomou dizni, u dno flotacione komore ugradjuju se porozni materijali za raspodelu vazduha. Veliina pora ovakvih materijala, kree se izmedju 4 i 20 m, a natpritisak, pri kome se vazduh kroz njih potiskuje, iznosi 0.1-0.2 MPa. Prednost ovog naina dispergovanja sastoji se u tome to se moe postii dobra disperznost vazduha i dobri flotacioni efekti, a mana je to se pri zastoju u radu pore lako zaepljuju. Flotacija rastvorenim vazduhom Primenjuje se za izdvajanje jako dispergovanih ili suspendovanih estica zagadjivaa, poto je mogue ostvariti veoma male dimenzije mehurova. Postupak se sastoji u pravljenju presienog rastvora vazduha u otpadnoj vodi. Vazduh, koji se zatim izdvaja iz vode pri smanjenju pritiska, formira mikro mehurove koji flotiraju estice zagadjenja. Da bi se postigao zadovoljavajui efekat flotacije, koliina vazduha koja se mora izdvojiti iz otpadne vode, mora se kretati u granicama 2-5% zapremine vode koja se obradjuje. Efikasnost procesa flotacije rastvorenim vazduhom u velikoj meri zavisi od odnosa zapremine vazduha i mase estica zagadjivaa. Odnos zapremine vazduha i mase zagadjivaa, koji se oznaava kao A/S, mora imati optimalnu vrednost da bi se flotacija obavljala efikasno. Optimalna vrednost ovog odnosa zavisi od vrste disperzije i mora se odrediti eksperimentalnim putem u laboratorijskoj flotacionoj komori. Vrednost odnosa A/S za flotaciono zgunjavanje kree se u granicama od 0.005-0.06. Kod flotacionih sistema koji rade bez recirkulacije priblina potrebna vrednost odnosa A/S moe se nai iz izraza:

a

a

SfPs

SA 13.1

gde je: A/S - odnos vazduh-estice, ml vazduha/mg vrstih estica sa - rastvorljivost vazduha, ml/L f - stepen zasienosti vode vazduhom na pritisku P ( obino 0.5) P - pritisak (atm) Sa - koncentracija dispergovane ili emulgovane materije u vodi (mg/l) Vrednost pritiska izraena u atmosferama, dobija se na osnovu poznate vrednosti pritiska, p, izmerenog u kPa, prema jednaini:

35.10135.101 pP

Kod flotacionih sistema sa recirkulacijom vrednost odnosa A/S moe se izracunati iz izraza:

QSQfPs

SA

a

Ra 13.1 gde je: QR - protok recirkulacionog efluenta, m3/d Q - ukupni protok otpadne vode, m3/d

Vrednost rastvorljivosti vazduha sa, tj. koncentracija zasienja, zavisi od temperature i moe se nai u razliitim prirunicima. Flotacija pod pritiskom Ovaj flotacioni postupak ogleda se prvo u pravljenju zasienog rastvora vazduha u vodi na povienom pritisku od 0.3-0.5 MPa. Nakon ovoga, voda se uvodi u flotacionu komoru koja se nalazi na normalnom pritisku. Poto je voda, za normalne uslove, presiena vazduhom, vazduh se postepeno izdvaja u obliku mehurova veoma malih dimenzija, do 80 m. Mehurovi prijanjaju uz estise zagadjivaa potiskujui ih ka povrini vodenog sloja, gde se izdvajaju u obliku pene koja se mehaniki uklanja. Otpadna voda zasiena vazduhom, uvodi se u flotacionu komoru na jednom njenom kraju ili u sredite, pomou rotacionog raspodeljivaa. Zasienje vode vazduhom na povienom pritisku, moe se izvesti na dva naina: 1) voda i vazduh se dovode u kontakt u sudu pod pritiskom, 2) vazduh se injektorom ubrizgava u strujni tok vode koja se potiskuje pumpama do ulaska u flotacionu komoru. Povrina flotacione komore projektuje se tako da se za svakih 6-10 m/h vode, obezbedi 1 m povrine. Flotatori sa kapacitetom do 100 m/h su pravougaonog oblika, a veih kapaciteta, krunog oblika. Pravougaoni flotatori imaju dubinu 1-1.5 m, a kruni ne manju od 3 m. Vreme zadravanja u flotatoru kree se od 15-20 min, dok propusna mo jednog flotatora ne treba da je vea od 1000 m/h.

Slika 4. ematski prikaz naina zasienja vode vazduhom

a) u kompresionoj komori b) pomou injektora (Venturi efekat)

Oblast primene flotacije pod pritiskom je veoma velika, jer se po potrebi moe menjati stepen presienosti vode vazduhom (variranjem pritiska pri zasienju). Ove promene su u skladu sa vrstom, koliinom i veliinom estica zagadjenja, a koristi se za preiavanje vode, koja sadri 4.000-5.000 mg/l i vie, suspendovanih materija.

Slika 5. ematski prikaz uredjaja za flotaciju pod pritiskom

Slika 6. ematski prikaz uredjaja za flotaciju pod pritiskom Poseban oblik flotacije pod pritiskom jeste flotacija sa recirkulacijom.

Flotacija sa recirkulacijom se sastoji u tome da se deo efluenta iz flotacione komore recirkulie, zasiti vazduhom pri povienom pritisku, a zatim uvodi u flotacionu komoru u kojoj se mea sa ulaznom otpadnom vodom. Izdvajanje mehurova i fenomeni flotacije su identini sa prethodno opisanom flotacijom bez recirkulacije. Ovakav postupak flotacije, pogodan je kod postrojenja velikog kapaciteta, jer se samo deo influenta zasiuje vazduhom, ime se kapacitet postrojenja za kompresiju smanjuje. Ovako modifikovani postupak, omoguava flotaciju znatno zagadjenije otpadne vode, jer se recirkulacijom efluenta ulazni tok razblauje. Poto se koliina recirkulacionog efluenta uzima po potrebi, recirkulacijom se moe postii i razliiti stepen razblaenja influenta. Recirkulisana koliina efluenta obino se kree izmedju 15 i 25% od ulaznog protoka. Kod pojedinih postrojenja velikog kapaciteta, u cilju energetskih uteda, 50-60% influenta se zasiuje vazduhom pod pritiskom, pa se tokovi zasienog i nezasienog influenta spajaju u flotacionoj komori. Na ovaj nain se efekti flotacije umanjuju, ali ne u tollikoj meri da ovakav postupak u flotaciji ne bude prihvatljiv. Efekti delovanja flotacionih uredjaj pod pritiskom su u principu veliki, a zavise od tipa otpadne vode, tj. zagadjenja koje se uklanja. U sledeoj tabeli prikazani su efekti flotacije pod pritiskom pri obradi otpadnih voda razliitog porekla. Tabela - Efekti obrade nekih otpadnih voda flotacijom pod pritiskom Vrsta otpadne vode

Koncentracija suspendovanih

materija u sirovoj vodi

Ostvarena redukcija

BPK sirove vode

Ostvarena redukcija

(mg/l) % (mg/l) % Prerada mesa

1400 85,6 1225 67,3

Proizvodnja hartije

1180 97,5 210 62,6

Proizvodnja ribljeg ulja

890 94,8 3048 91,6

Konzervisanje voa i povra

1350 80 790 66

Proizvodnja sapuna

392 91,5 309 91,6

Flotacija u vakuumu Princip rada ovog postupka flotacije jeste, da se otpadna voda zasiti vazduhom u aeracionoj komori na normalnom pritisku, a zatim se uvodi u flotacionu komoru koja se nalazi pod vakuumom na 0.02-0.03 MPa. Poto voda, zasiena vazduhom, u kontaktu sa vakuumom ima vei parcijalni pritisak vazduha, on se izdvaja u obliku sitnih mehurova koji vre flotaciju

prisutnog zagadjenja. Da bi veliine vazdunih mehurova bile sto uniformnije, voda koja izlazi iz aeratora, uvodi se, pre ulaska u flotacionu komoru, u retencioni sud u kome se zadrava kratko vreme da bi se izdvojili mehurovi veih dimenzija. Na sledeoj slici ematski je prikazano posrojenje za flotaciju u vakuumu.

Slika 7 ematski prikaz postrojenja za flotaciju pod vakuumom Prednost vakuum flotacije je u tome, to se podeavanjem veliine vakuuma moe regulisati intenzitet izdvajanja mehurova vazduha iz vode, a time i njihova veliina. Zbog toga, flotacioni sistem radi mirno i stvorene veze vazduni mehur-estice zagadjenja su stabilne i efikasno se iznose na povrinu. Mana postrojenja je to se flotaciona komora mora drati pod vakuumom, a to zahteva dobro zaptivanje i stalnu kontrolu zaptivaa. Penasta povrina vode, stvorena flotacijom, izbacuje se mehanikkim putem. Obradjena voda se iz flotacione komore isputa razlikom hidrostatikih stubova flotatora i izlivnog rezervoara ili primenom odgovarajuih pumpi. Vakuum flotacija ima ogranienu primenu, jer zagadjenje otpadne vode ne treba da je vee od 250 mg/l. Vreme zadravanja vode u flotacionoj komori obino iznosi 20 min, a optereenje flotatora je oko 200 m/h po 1 m povrine. Elektroflotacija i elekrokoagulaciona flotacija Sutina postupka elekroflotacije je u tome da se suspendovane i emulgovane estice zagadjenja flotiraju gasom koji se oslobadja elekrtolizom vode. Pri procesu elektrolize na

katodi se izdvaja vodonik, a na anodi kiseonik. Centralnu ulogu u flotaciji imaju mehurovi vodonika koji se izdvajaju na katodi. Dimenzije mehurova, a to znai i efekti flotacije, zavise u velikoj meri od konstrukcije elektrode i jaine strujnog toka. Zakrivljenost elektrode znaajno utie na veliinu mehura, a vlaknaste elektrode su povoljnije od ploastih. Ako se upotrebe elektrorastvorljive elektrode (najee od aluminijuma i gvodja), na anodi dolazi do anodnog rastvaranja metala, usled ega u vodu prelazi katjon metala. Pri povoljnim pH vrednostima, metalni joni aluminijuma i gvodja hidrolizuju dajui nerastvorne taloge u vidu pahuljica. Pahuljice hidroksida metala u velikoj meri pospeuju flotacione efekte izazivajui koagulaciju suspendovanog zagadjenja. Ovakav proces naziva se elektrokoagulacionom flotacijom. Elekroflotacione komore, koje imaju propusnu mo do 10-15 m/h, obino su jednostepene, a za vee kapacitete se izgradjuju dvokomorni elektroflotatori horizontalnog ili vertikalnog tipa. Na slici 7. ematski je prikazano postrojenje za elektroflotaciju.

Ukupna radna zapremina elektroflotatora ili elektroflotokoagulatora Vu, sastoji se iz zapremine elekrodnog dela Ve i zapremine dela za flotaciju Vf, tj.: Vu = Ve + Vf Zapremina elektrodnog dela odredjuje se prema ukupnom kapacitetu postrojenja Q i veliini elekroda. Za ukupni kapacitet manji od 90 m/h, irina elekrodne sekcije iznosi 2 m, a za kapacitet izmedju 90-180 m/h irina iznosi 2.5-3.0 m. Veliine gustine elekrinog toka (A/m) i specifina koliina elekriciteta E (Ah/m), odredjuju se eksperimentalnim putem. Pri obradi otpadnih voda iz naftne industrije, industrije celuloze i hartije, mesne i koarske industrije, vrednosti E se kreu od 100-600 Ah/m, a i od 50-200 A/m. Napon jednosmerne struje, koja se koristi, kree se od 5-30 V.

Slika 8. ematski prikaz uredjaja za elektoflotaciju

Hemijski dodaci pri flotaciji Poboljanje rada flotacionih uredjaja moe se postii, dodavanjem organskih i neorganskih hemikalija. Dodatkom ovih hemikalija, menjaju se povrinska svojstva vode illi prisutnog zagadjenja, ime se ostvaruju povoljniji uslovi za flotaciju. Neorganski aditivi, poput soli gvodja i aluminijuma, aktivni SiO2 itd., ostvaruju koagulacione fenomene, kao pri elektrokoagulacionoj flotaciji, povezuju dispergovane estice zagadjenja, tako da mehurovi gasa lake inkorporiraju u stvorene strukture i zbog toga lake flotiraju. Organski aditivi su, u principu, povrinski aktivna jedinjenja pa menjaju fenomene graninih slojeva gas-estica-voda, i na taj nain poboljavaju flotacione fenomene. Pri korienju hemikalija u flotaciji, naroito ako iza flotacije sledi bioloka obrada, treba voditi rauna o tome, da se koriste one hemikalije koje nisu toksine. U principu, hemikalije treba dodavati samo kada je to neophodno i to u minimalnim koliinama, kako se sa njima ne bi izazvala sekundarna zagadjenja vode.

Aeracija Aeracija predstavlja operaciju pri kojoj se gasovita faza (vazduh ili kiseonik) dovodi u kontakt sa, u ovom sluaju, otpadnom vodom u cilju prenosa mase kiseonika iz gasne u tenu fazu. Pri tretmanu otpadnih voda, pojam aeracije moe biti vezan i za prenos mase gasovite faze iz tene faze u atmosferu. U tom sluaju se najee radi o uklanjanju gasovitih sastojaka CO2, N2, H2S, CH4, NH3 i brojnih isparljivih organskih jedinjenja koja su prisutna u otpadnoj vodi. Pored navedenih procesa u postupku obrade otpadnih voda aeracija je neophodna i pri:

uklanjanju neorganskih supstanci (Fe, Mn), poveanju efikasnosti naknadnih operacija (bibioloka oksidacija, taloenje), uklanjanju grubog suspendovanog materijala, uklanjanju masnoa i koncentrisanju mulja, zadovoljavnju metabolikih potreba i obezbedjenju meanja u bioreaktoru u cilju

boljeg prenosa mase i toplote Razmatranje problema prenosa mase kiseonika u biolokom tretmanu otpadnih voda se najee vezuje za problem prenosa mase kiseonika iz gasne u tenu fazu tj. iz vazduha koji je na odredjeni nain distribuiran u obliku mehura unutar otpadne vode u samu tenu fazu. Kod aerobnih bioprocesa rastvoreni kiseonik je neophodan jer u metabolizmu aerobnih mikroorganizama slui kao krajnji akceptor elektrona ili vodonika, uz posredniku ulogu enzima oksidaze. Ukoliko se tokom procesa u sistemu javi deficit kiseonika, to moe prouzrokovati smanjenje intenziteta procesa pa i sam prekid bioprocesa. Smanjena koncentracija kiseonika u odnosu na optimalnu vrednost, dovodi do smanjenja rasta aerobnih mikroorganizama, to neposredno dovodi i do smanjenja efikasnosti procesa preiavanja otpadne vode.

Potrebe aerobnih mikroorganizama za kiseonikom zavise od:

- vrste mikroorganizama, fiziolokog stanja i starosti kulture - koncentracije i izvora ugljenika u tenom medijumu - koncentracije i vrste ostalih sastojaka u otpadnoj vodi - prisutnih ili nakupljenih toksinih proizvoda metabolizma u toku bioprocesa

Za kvantitativno izraavanje potrebe mikroorganizama za kiseonikom mogu posluiti tri veliine:

1. prinos biomase, (YO2), u odnosu na utroeni kiseonik, (kg biomase/kg O2) 2. specifina brzina potronje kiseonika, (qO2), koju 1 kg biomase potroi disanjem u

jedinici vremena, (kg O2/kg X h) i 3. brzina troenja kiseonika, (q), (kg O2/m3 h)

gde X oznaava biomsu. Brzina troenja kiseonika pri rastu bilo kog mikroorganizma moe se izraunati po jednaini:

2OY

Xq gde je: specifina brzina rasta mikroorganizma, (h1)

X koncentracija biomase mikroorganizama, kg/m3 Da bi se odredila brzina troenja kiseonika mora se znati prinos biomase za svaki mikroorganizam i odredjeni izvor ugljenika to se esto ne moe izraunati teorijski pa se moraju odredjivati eksperimentalno. Na rastvorljivost kiseonika u vodenim rastvorima najvie utiu:

- parcijalni pritisak kiseonika u vazduhu - temperatura i - koncentracija rastvorenih komponenti u podlozi

Korienjem Henrijevog zakona, moe se definisati rastvorljivost kiseonika, po jednaini

)()(2

THePy

THep

C Og gde su: C koncentracija rastvorenog kiseonika u vodi, (kg/m3) pg parcijalni pritisak (Pa) He Henrijeva konstanta koja se menja u funkciji temperature (Pam3/mol) yO2 zapreminski udeo kiseonika u vazduhu (m3/m3) P pritisak (Pa) Rastvorljivost kiseonika:

- raste sa poveanjem parcijalnog pritiska kiseonika, - opada sa poveanjem temperature i - opada sa poveanjem koncentracije rastvorenih materija u otpadnoj vodi

Za sistem ist kiseonik-voda i vazduh-voda, u sledeoj tabeli, je data zavisnost rastvorljivosti kiseonika u vodi u funkciji temperature, pod pritiskom kiseonika od 1 bara u oba sluaja. (Manja vrednost rastvorljivosti kiseonika iz vazduha je posledica manjeg parcijalnog pritiska kiseonika u smei sa ostalim gasovima u vazduhu u odnosu na ist kiseonik.)

Pritisak istog kiseonika 1 bar

Pritisak vazduha 1 bar

T oC

Rastvorljivost istog kiseonika

kg/m3

Henry-eva konstanta

atm/kgm3

Rastvorljivost kiseonika iz

vazduha kg/m3

0 0.0703 14.2 0,0148 10 0.0549 18.2 0,0115 15 0.0495 20.2 0,0104 20 0.0450 22.2 0,0095 25 0.0414 24.2 0,0087 30 0.0384 26.1 0,0081 35 0.0358 27.9 0,0075 40 0.0337 29.7 0,0071

Rastvoreni kiseonik se moe praktino smatrati za hranljivu komponentu u otpadnoj vodi to je sluaj i sa drugim elementima u otpadnoj vodi, a pre svega organskim materijama, pa stoga treba da je prisutan u viku pri aerobnim procesima.

Pri skoro svim aerobnim procesima u reaktoru se odigrava simultano prenos mase kiseonika iz mehurova u tenu fazu (apsorpcija) i troenje kiseonika u metabolizmu mikroorganizama, q, (respiracija), pa se u ukupnom bilansu mase u tenoj fazi moraju uzeti u obzir i brzina prenosa mase i brzina potronje kiseonika, to se moe izraziti jednainom:

qccakdtdc

L * gde je: c koncentracija kiseonika u tenoj fazi, kLa zapreminski koeficijent prenosa mase, c* koncentracija rastvorenog kiseonika koja je u ravnotei sa parcijalnim pritiskom

kiseonika u gasnoj fazi, odnosno: Hepc *

q brzina troenja kiseonika u metabolizmu mikroorganizama Koncentracija gasa pri zasienju, c*, ima veliki znaaj jer razlika izmedju nje i stvarne koncentracije gasa u vodi predstavlja pogonsku silu prenoenja gasa. Kada se u kontakt dovedu voda deficitarna u kiseoniku i vazduh, doi e do apsorbcije kiseonika ukoliko u vodi nema potronje kiseonika i njegova koncentracija se pribliava ravnotenoj. Proces pospeuje produena aeracija koja dovodi do zasienja. Ukoliko se pak kiseonik troi u vodi, bilo za oksidaciju ili od strane mikroorganizama, neprekidnom aeracijom e se utroeni kiseonik nadoknadjivati do eljenog nivoa. Pri proraunu aeracije osnovni problem je definisati zapreminski koeficijent prenosa mase, kLa.

Aeracioni sistemi i vrste aeratora

Razlikujemo tri osnovna sistema aeracije, a to su:

pneumatska (difuziona) aeracija raspodela komprimovanog vazduha u vodi barbotiranjem u to sitnije mehurove

mehanika aeracija turbulencija u vodi; stalno obnavljanje kontaktne povrine i odravanje koncentracionih gradijenata na maksimumu to se postie intenzivnim meanjem

aeracija rasprivanjem rasprivanje vode u fine kapljice ili tanke filmove u vazduhu (koristi se pre svega kod pripreme vode za pie, a veoma retko u sistemima sa biolokom obradom otpadnih voda)

Saglasno ovakvoj podeli i uredjaji pomou kojih se izvodi aeracija mogu biti: - pneumatski (difuzioni) aeratori - mehaniki aeratori - rasprujui aeratori

Pneumatski aeratori

Ovaj tip aeracije se vri u betonskim ili metalnim bazenima kod kojih je pri dnu montiran sistem cevi ili distributora u obliku ploa ili svea za dispergovanje vazduha. Aeracija se izvodi uvodjenjem vazduha u sistem za raspodelu vazduha koji u vidu mehurova prolazi kroz vodu navie. Sistem se mora projektovati da raspodela mehurova i njihova veliina omogue to intenzivniji prenos mase kiseonika iz mehura u vodu. U aeratorima ove vrste, aeracija se odvija u tri stupnja: - obrazovanje mehurova (velika brzina gasa) - podizanje mehurova kroz tenost (smicanje i turbulencija) i - rasprskavanje mehurova na povrini tenosti (poveavanje povrine kontakta). Iz navedenih injenica dolazimo do zakljuka da je za uspenost aeracije bitna to vea kontaktna povrina vazduh-voda. U tu svrhu vazduh se raspodeljuje u to sitnije mehurove, to sa druge strane uslovljava niu turbulenciju u sistemu, a time i slabiji prenos kiseonika. Uskladjivanje navedenih fenomena se postie kontrolisanjem veliine mehurova i mehanikim meanjem. Na oblik mehurova najvei uticaj vri turbulencija tj. Reynolds-ov broj (Re):

Re < 300 sferan oblik mehurova, pravolinijsko kretanje ka povrini 300 < Re < 4000 elipsoidan oblik mehurova, "cik-cak" putanja Re < 4000 poluloptast oblik mehurova, krivolinijske putanje

Veliina mehurova i uestalost njihovog obrazovanja funkcije su: protoka vazduha (QV), veliine otvora raspodeljivaa i karakteristike tenosti. Tabela Uobiajeni parametri nekih pneumatskih aeratora

Tip difuzera Protok vazduha kroz difuzer

m3/min

Standardna efikasnost prenosa mase kiseonika

% Keramiki porozni diskovi 0.01-0.1 25-35 Keramike porozne kupole 0.015-0.07 27-37 Keramiki porozni tanjiri 0.6-1.5 * 26-33 Plastine porozne umreene cevi

0.07-0.11 28-32

Plastine porozne spiralne cevi

0.08-0.3 17-28

Izbuene i umreene cevi od membrana

0.03-0.11 22-29

Povrinska kosa det aeracija

1.5-8.5 15-24

* m3/m2 difuzera min

Pored poznavanja koliine potrebnog vazduha (kiseonika) koji se mora uvesti u sistem, pri projektovanju ovakvih uredjaja neophodno je definisati padove pritiska i snagu ventilatora, duvaljke ili kompresora koji se mora instalirati. Pad pritiska zavisi od instalacija kojima se vazduh dovodi u sistem i preporuuje se da on ne bude vei od 3.4 Kpa (340 mmH2O), pri nekom srednjem operativnom stanju sistema. Proraun pada pritiska u cevima komprimovanog vazduha je mogue obaviti korienjem Darcy-Weisbach-ove formule:

252

2

5

2

0827.082

QDLf

gQ

DLf

gv

DLfh f

gde je: hf pad pritiska usled podunog trenja, m f faktor trenja, 1, oitava se iz Moody-evog dijagrama f=f(Re) L duina cevi, m D prenik cevi, m V brzina vazduha u cevi, m/s Q protok gasa u cevi, m3/s Aproksimativno, za proticanje vazduha kroz eline cevi, moe se koristiti korelacija Steel i McGhee-a (1979):

148.0

027.0

029.0QDf

a za ukupan pad pritiska korelacija:

5

281082.9

PDfLTQh

gde je: h pad pritiska, mm T temperatura vazduha u cevi, K P pritisak, atm Absolutna temperatura T na pritisku P se moe odrediti, ukoliko se poznaje temperatura T0 na odredjenom pritisku P0 , na osnovu bilansa:

283.0

00

PPTT

Spojevi ili odredjeni mesni otpori na cevovodu se mogu izraziti kao ekvivalentna duina, pomou izraza:

2.14.55 CDL gde je: C faktor mesnog otpora, vrednosti od 0.25-2.0

Snaga uredjaja za transport vazduha je veliina koja zajedno sa padom pritiska definie tip uredjaja koji se moe instalisati u sistem. Za izvodjenje aeracije najee koristimo ventilatore, duvaljke i kompresore.

Ventilatori se koriste pri relativno malim padovima pritiska, a velikim protocima i do 85 m3/min.

Duvaljke ostvaruju vei pad pritiska ali protoci se kreu do reda veliine od 15 m3/min. Kompresori se primenjuju u sistemima sa velikim padom pritiska i do 70 kPa (0.7 atm) ali sa relativno malim protocima ispod 15 m3/min.

Potrebna snaga za transport vazduha kroz cevovod se moe izraziti u funkciji masenog protoka, ulaznog i izlaznog pritiska, kao i temperature vazduha po sledeoj korelaciji:

1

41.8

283.0

0

0

PP

emRT

p

gde je: m maseni protok vazduha, m3/s R gasna konstanta, R=8.314 kJ/kmolK P izlazni pritisak vazduha, atm P0 ulazni pritisak, atm e efikasnost uredjaja, 0.7-0.9 Mehaniki aeratori Mehaniki aeratori su sastavljeni od elektromotora i propelera montiranog na plivajui ili fiksirani nosa. Prenos mase kiseonika iz vazduha u vodu se vri preko poveane kontaktne povrine vazduh-voda usled intenzivne turbulencije na povrini tenosti i pojavi kapi koje se nadju iznad povrine vode. Prema broju obrtaja propelera, mehaniki aeratori se dele na brze (900-1800 o/min) i spore (40-50 o/min). Spori aeratori su skuplji ali tokom eksploatacije imaju manje mehanike kvarove i lake se odravaju. Jasno je da izbor odgovarajueg aeratora zavisi od ostvarene efikasnosti prenosa mase kiseonika u vodu i eljenog meanja. Efikasnost meanja zavisi od mase vode koja se mea, same geometrije uredjaja i snage kojom se snabdeva.

Kod mehanikih aeratora se poredjenje i njihova efikasnost odredjuje po masi preneenog kiseonika iz vazduha u vodu po utroenoj snazi, odredjenoj pri standardnim uslovima na 20 oC i poetnom koncentracijom kiseonika u vodi 0 mg/l. Opseg u kome se veina mehanikih aeratora kree je 1.2-2.4 kgO2/kWh. Kako su standardne vrednosti parametara mehanikog aeratora date od samog proizvodjaa, to je za sluajeve njihove primene u realnim uslovima za aerisanje otpadne vode potrebno definisati radne parameter, a to se moe uiniti primenom sledee korelacije:

2020

0 024.1

T

S

LW

CCC

NN

gde je: N brzina prenosa mase kiseonika u radnim uslovima, kgO2/kWh N0 brzina prenosa mase kiseonika u standardnim uslovima (proizvodja), kgO2/kWh korekcioni faktor za povrinski napon u funkciji saliniteta, uobiajena vrednost 1 CW koncentracija kiseonika pri zasienju za radne uslove, mg/l CL koncentracija kiseonika za radne uslove, uobiajena vrednost 2 mg/l CS20 koncentracija kiseonika pri zasienju za 20 oC , mg/l T temperatura za radne uslove, oC korekcioni faktor za prenos mase kiseonika u otpadnoj vodi, 0.8-0.9

Povrinska aeracija

Za mehanike aeratore karakteristino je ostvarivanje turbulencije mehanikim meanjem, pri emu je njihov zadatak:

usitnjavanje mehurova (zbog postizanja vee kontaktne povrine) poveanje vremena boravka mehurova u vodi (vreme kontakta) poveanje turbulencije (manja debljina tenog filma).

Na osnovu konstrukcije i naina delovanja mehanike aeratore koji se primenjuju u sistemima sa biolokim tretmanom otpadnih voda najee se sreu:

Kombinovani sistemi difuzor-mehaniko meanje U ovom sistemu instalisana mealica zahvata gasne mehurove, koji se dovode kroz raspodeljiva ispod nje, usitnjava ih i time izaziva veu turbulenciju. Na snagu turbulentnog meanja utiu geometrija mealice i fizike osobine tenosti

gNDn

P i53

gde je:

P snaga potrebna za meanje Di prenik mealice N broj obrtaja mealice

gustina tenosti NP potrebna snaga u odnosu na Reynoldsov broj g ubrzanje zemljine tee

Tabela Tipine mogunosti prenosa mase kiseonika mehanikih aeratora Prenos mase kiseonika kgO2/kWh Aeracioni sistem

Standardni sistem Otpadna voda

Povrinski male brzine 1.5-2.1 0.7-1.5

Povrinski male brzine sa cntralnom cevi

1.2-2.8 0.7-1.3

Povrinski velike brzine 1.1-1.4 0.7-1.2

Potopljena turbina sa centralnom cevi

1.2-2.0 0.6-1.1

Potopljena turbina 1.1-2.1

Potopljena turbina sa krilcima

1.2-2.0 0.7-1.0

Horizontalni rotor 1.5-2.1 0.5-1.1

Standardni sistem: ista voda na 20 oC, sa poetnom koncentracijom kiseonika 0 mg/l Otpadna voda: otpadna voda na 16 oC, sa random koncentracijom kisonika od 2 mg/l,

Tabela Tipine vrednosti veliine bazena za povrinske aeratore

Dimenzije bazena Snaga aeratora

kW Dubina

m irina

m

7.5 3-3.5 9-12

15 3.5-4 10-15

22.5 4-4.5 12-18

30 3.5-5 14-20

37.5 4.5-5.5 14-23

55 4.5-6 15-26

75 4.5-6 18-27