Procesno ekoinženjerstvo voda Voda za piće Otpadne vode Ø otpadne vode iz domaćinstva Ø industrijske otpadne vode Ø kanalizacijske otpadne vode Ø slivne vode
Shema tipičnog sustava za pripravu pitke vode IZVOR SITO PUMPA BROJILO AERACIJA rijeka, jezero, spremnik... FILTRACIJA ribe, kornjače, debla... SEDIMENTACIJA FLOKULACIJA ZRAK uklanjanje H 2 S, CO 2, VOC... DODATAK KEMIKALIJA uklanjanje sitnozrnatog taloga uklanjanje mulja i krupnozrnatog taloga lagano miješanje - agregacija uklanjanje mirisa, koagulacija, precipitacija ADSORPCIJA KLORIRANJE FLORIRANJE NEUTRALIZACIJA DISTRIBUCIJA uklanjanje tragova organskih spojeva dezinfekcija prevencija karijesa podešavanje ph
Shema tipičnog sustava za obradu otpadnih voda MLJEVENJE FILTRACIJA KANALIZACIJA SITO PUMPA uklanjanje krupnog otpada SEKUNDARNA SEDIMENTACIJA usitnjavanje zrnatog otpada A(NA)EROBNA BIOLOŠKA OBRADA uklanjanje šljunka i pijeska ulja, masti i pjena: obrada PRIMARNA i odlaganje SEDIMENTACIJA otpadna biomasa: obrada i odlaganje povratni tok biomase mulj: koncentriranje, obrada i odlaganje NAPREDNI POSTUPCI OBRADE ISPUŠTANJE U PRIJEMNIKE PRIMARNA OBRADA SEKUNDARNA OBRADA NAPREDNA (TERCIJARNA) OBRADA
Podjela procesa obrade voda Fizikalni procesi Ø fizikalna sila pokretač procesa: sedimentacija, filtracija (micro-, nano-), reverzna osmoza, elektrodijaliza ultra-, Kemijski i fizikalno-kemijski procesi Ø uklanjanje ili pretvorba onečišćenja kemijskom reakcijom Biološki procesi Ø uklanjanje nečistoća reakcijama oksido-redukcije primjenom mikroorganizama
Fizikalni procesi obrade voda Ø SEDIMENTACIJA Ø FILTRACIJA KROZ POROZNI MEDIJ Ø MEMBRANSKI SEPARACIJSKI PROCESI Ø Reverzna osmoza Ø Elektrodijaliza Ø Mikrofiltracija, ultrafiltracija, nanofiltracija
Kemijski i fizikalno-kemijski procesi obrade voda Ø DEZINFEKCIJA Ø KOAGULACIJA I PRECIPITACIJA Ø ADSORPCIJA ORGANSKIH MOLEKULA Ø KEMIJSKA PRECIPITACIJA Ø IONSKA IZMJENA
Biološka obrada otpadnih voda Ø visoka koncentracija biološki razgradivih otpadnih tvari Ø smanjenje koncentracije otopljenog kisika problemi u preživljavanju viših organizama Ø u području ispuštanja anaerobna redukcija S u H 2 S Ø sekundarni procesi obrade uklanjanje otopljenih ili suspendiranih bioloških razgradivih otpadnih tvari (biološka potrošnja kisika, BPK) Ø aerobna Ø anaerobna Ø obrada otpadnih voda sa visokim sadržajem biorazgradivih otpadnih tvari aktivni mulj, prokapni filtri, rotirajući biološki kontaktori
A(na)erobna obrada otpadnih voda Ø aktivni mulj Ø razgradnja organskog otpada pomoću mikroorganizama u prisustvu: - otopljenog kisika aerobni procesi - bez prisustva kisika anaerobni procesi Ø razgradnja organskog otpada (oksidacija i sinteza svježe biomase) - oksidacija do CO 2 i proizvodnja energije (ATP, ADP, AMP) potrebne za održavanje metaboličkih funkcija mikroorganizama - rast biomase C H O N O CO biomasa... biomasa X Y Z + 2 2 + + Ø brzina rasta biomase 1/2 brzina potrošnje kisika
Aerobna obrada otpadnih voda Ø osnovna konfiguracija procesa za mikrobiološku obradu otpadnih voda Ø uklanjanje organskog materijala (smanjenje BOD) provodi se u bioreaktoru dotok zraka ili O 2 Ø separator odvajanje biomase AEROBNA BIOLOŠKA OBRADA SEKUNDARNA SEDIMENTACIJA otpadna voda (primarna obrada) otpadna voda (napredna obrada) povratni tok biomase otpadna biomasa: obrada i odlaganje
Aerobna obrada otpadnih voda Ø uloga separatora - uklanjanje aktivnog mulja i smanjenje BPK u izlaznoj struji otpadne vode - recirkulacija biomase i povećanje njene koncentracije u bioreaktoru srednje vrijeme zadržavanja biomase >> hidrauličkog srednjeg vremena zadržavanja brža razgradnja organskog otpadnog materijala (smanjenje BPK) - smanjenje sadržaja vode u struji otpadne biomase manji volumen otpadne biomase koji se mora zbrinuti
Aerobna obrada otpadnih voda Ø kompleksna mikrobiologija aktivnog mulja višekomponentni sustav Ø brza sedimentacija aktivnog mulja ključna procesna varijabla u aerobnoj obradi otpadnih voda Ø jednokomponentni sustavi ne sedimentiraju dovoljno brzo Ø reaktor PKR ili cijevni Ø cijevni: jednostavnija izvedba, učinkovitiji, osjetljiviji na promjenu parametara procesa (protok, sastav ulaznog toka, temperatura, i sl.), kompleksniji matematički opis (pretpostavka da biomasa ne raste po jednom prolazu kroz reaktor) Ø PKR: složenija izvedba, manje učinkovit, praktički neosjetljiv na promjenu parametara procesa, jednostavan matematički opis procesa
Aerobna obrada otpadnih voda Ø razlozi modeliranja i simuliranja aerobne obrade otpadnih voda: - predviđanje utjecaja promjene procesnih parametara na učinkovitost procesa simuliranje izlazne koncentracije biološki razgradivih organskih tvari - procjena brzine rasta biomase određivanje količine otpadnog aktivnog mulja - procjena potrebne količine zraka (kisika) Ø temelji analize: - bilance tvari - kinetika reakcije - reaktorski model
Aerobna obrada otpadnih voda Ø Shema sustava za obradu otpadnih voda sa procesnim veličinama potrebnim za matematičku analizu REAKTOR SEDIMENTATOR q 0, c S,0, c X,0 q 0 + q R, c S, c X V S q E, c S, c X,E V, c S, c X q W + q R, c S, c X,U q R, c S, c X,U q W, c S, c X,U
Aerobna obrada otpadnih voda Ø kinetika mikrobiološkog metabolizma i rasta biomase (za kotlasti reaktor) d c dt d c X S dt µ µ = µ c k c S/X X d X = Y µ c c X S = MAX KS + cs Monodova kinetika Ø µ - specifična brzina rasta biomase, µ MAX maksimalna specifična brzina rasta biomase, K S Monodova konstanta, Y S/X iskorištenje substrata na biomasi, k d konstanta deaktivacije biomase, c X koncentracija biomase, c S koncentracija supstrata (mikrobiološki razgradivo organsko opterećenje)
Aerobna obrada otpadnih voda Ø pretpostavke pri postavljanju modela: - stacionarno stanje - rast biomase, odumiranje stanica biomase i potrošnja supstrata odvijaju se samo u bioreaktoru jer je V S << V i zrak (kisik) se ne dovodi u separator - idealni separator c X,E = 0, nema separacije biološki razgradivih tvari - c X,0 = 0 - gustoća svih procesnih struja jednaka i konstantna
Aerobna obrada otpadnih voda Ø bilanca tvari za bioreaktor d c d X q q + q t V V R 0 R = cx cx + µ cx kd cx d c q q q + q = c + c c Y µ c dt V V V S 0 R 0 R S,0 S S S/X X Ø u stacionarnom stanju q R q + q c c = c µ + k V V K c 0 R S X X MAX d S + S q 0 K ( ) S+ c S cx = cs,0 cs V YS/X µ MAX cx V τ = srednje vrijeme zadržavanja (hidrauličko) q 0
Aerobna obrada otpadnih voda Ø bilanca tvari za separator u stacionarnom stanju q + q q q + q c = c + c 0 R E W R X X,E X,U VS VS VS Ø c X,E = 0 c X,U q 0 R = q W + q + q R c X Ø srednje vrijeme zadržavanja biomase, τ X omjer mase biomase u reaktoru i brzine odvođenja otpadne biomase τ X V c V X W R = = qw cx,u qw q0 + qr q + q
Ø za tipične uvjete provedbe procesa q W << q R τ Aerobna obrada otpadnih voda X τ R = W 1+ R Ø R omjer recirkulacije, W omjer odvođenja biomase R q q R W = 0 W = q q 0 Ø uobičajene vrijednosti parametara procesa aerobne obrade otpadnih voda - R = 0,25-1 - τ = 3-5 h - τ X = 5-15 d
Anaerobna obrada aktivnog mulja (digestija) Ø najuobičajeniji način zbrinjavanja otpadnog aktivnog mulja nastalog u aerobnim procesima obrade otpadnih voda visokog sadržaja biorazgradivih otpadnih tvari Ø biokonverzija organskog materijala iz aktivnog ugljena u CO 2 i CH 4 mikroorganizmima koji djeluju bez prisustva kisika Ø smanjenje volumena otpadnog aktivnog mulja, učinkovitija biorazgradnja otpadnih tvari, sprječavanje spontane dekompozicije (raspada) biomase, glavni produkt razgradnje CH 4 - energent, značajno sporija od aerobne mikrobiološke obrade, jeftinija, nije potreban sustav za dobavu zraka (kisika) Ø obrada otpadnih tokova industrija sa visokim sadržajem biorazgradivih otpadnih tvari i biorazgradivih toksičnih tvari (učinkovitije od aerobne)
Anaerobna obrada aktivnog mulja Ø otpadni aktivni mulj sadrži: - dušik - fosfor - kalij - patogene mikroorganizme Ø troškovi obrade i zbrinjavanja otpadnog aktivnog mulja čine 40 % svih troškova obrade otpadnih vodenih tokova sa visokim sadržajem biorazgradivih organskih tvari Ø tipično vrijeme zadržavanja 10-20 dana
Anaerobna obrada aktivnog mulja Ø faze obrade otpadnog aktivnog mulja: Ø smanjenje sadržaja vode smanjenje volumena materijala koji se u konačnici odlaže Ø stabilizacija aktivnog mulja - smanjenje sadržaja patogenih mikroorganizama - uklanjanje neugodnih mirisa - inhibicija, redukcija ili potpuno uklanjanje uzročnika truleži - patogene mikroorganizme
Anaerobna obrada aktivnog mulja Ø shema dvostupnjevite anaerobne obrade otpadnog mulja: CH 4, CO 2 otpadni aktivni mulj Kapljeviti ostatak T = 35 C P-1 / AD-101 Anaerobic Digestion P-2 / AD-102 Anaerobic Digestion Odlaganje obrađenog aktivnog mulja
Biološka obrada otpadnih voda AEROBNA BIOLOŠKA OBRADA SEKUNDARNA SEDIMENTACIJA otpadna voda (primarna obrada) otpadna voda (napredna obrada) povratni tok biomase otpadna biomasa: obrada i odlaganje CH 4, CO 2 otpadni aktivni mulj Kapljeviti ostatak T = 35 C Odlaganje obrađenog aktivnog mulja P-1 / AD-101 Anaerobic Digestion P-2 / AD-102 Anaerobic Digestion