عملکرد ضعیف DAF؟ در اینجا چیزی است که واقعاً اشتباه است

چرا سیستم DAF شما کار نمی کند: علل اصلی واقعی

شناورسازی هوای محلول (DAF) یک فناوری جداسازی جامد-مایع پرکاربرد است که میکروحباب‌های ریز را وارد فاضلاب می‌کند و باعث می‌شود جامدات سخت ته نشین شده و روغن‌های امولسیون شده به سطوح حباب بچسبند و به‌عنوان یک لایه کف شناور برای حذف بالا بروند. این فرآیند به ویژه برای جداسازی چربی ها، روغن ها، الیاف و جامدات کم چگالی موثر است و همچنین معمولاً برای غلیظ کردن لجن فعال و لجن لخته شده تولید شده در طی انعقاد شیمیایی استفاده می شود.

وقتی عملکرد DAF ضعیف عمل می کند، علت اصلی تقریباً همیشه به یکی از سه حوزه بازمی گردد: شرایط پیش تصفیه انعقادی، استراتژی دوز شیمیایی یا ویژگی های حباب ریز. درک اینکه چگونه هر یک از این عوامل واقعاً کارایی جداسازی را هدایت می کنند، اولین گام به سمت تشخیص و تصحیح عملکرد ضعیف فلوتاسیون است.

چگونه پیش درمان انعقادی بر عملکرد DAF تأثیر می گذارد

انعقاد موثر پیش شرط یک فرآیند DAF با عملکرد خوب است. کیفیت پیش تصفیه را می توان از طریق سه پارامتر اصلی کنترل کرد: اندازه ذرات لخته، شدت اختلاط و زمان واکنش.

الزامات اندازه ذرات فلوک

فرآیندهای DAF و ته نشینی دارای الزامات اندازه لخته مشابه هستند - هر دو برای جداسازی مؤثر به لخته هایی در حد صدها میکرون یا بزرگتر نیاز دارند. تحقیقات نشان می‌دهد که کارایی چسبندگی بین میکروحباب‌ها و ذرات لخته زمانی به اوج خود می‌رسد که این دو اندازه یکسان باشند. از آنجایی که قطر حباب های معمولی DAF بین 10 تا 100 میکرون است، ذرات لخته در محدوده ده ها میکرون تا تقریباً 100 میکرون معمولاً کافی هستند - نیازی به تعقیب لخته های بزرگ نیست.

در واقع، لخته‌های بزرگ به طور خاص بر خلاف عملکرد DAF عمل می‌کنند: لخته‌های بزرگ‌تر چگالی ظاهری بالاتری دارند، که سرعت افزایش آنها را کاهش می‌دهد. این امر باعث می‌شود که کنترل اندازه لخته در DAF مهم‌تر از رسوب‌گذاری معمولی باشد، جایی که لخته‌های بزرگ‌تر و متراکم‌تر معمولاً یک مزیت هستند تا یک مسئولیت.

الزامات شدت اختلاط

از آنجایی که لخته‌های بزرگ ارزش محدودی در DAF ارائه می‌دهند، شدت اختلاط (شیب سرعت یا G-value) معمولاً می‌تواند بیشتر از انعقاد متمرکز بر ته نشینی باشد - نتیجه‌گیری که توسط مطالعات متعدد پشتیبانی می‌شود. محدوده G-value بهینه بر اساس نوع منعقدکننده متفاوت است: تقریباً 70 s-1 برای کلرید آهن، 70-80s-1 برای نمک های آلومینیوم و بالاتر از 30s-1 برای پلی آلومینیوم کلرید (PAC). حذف خوب ذرات هنوز در محدوده G-value 10-50 s-1 قابل دستیابی است و انرژی ورودی بالاتر به طور موثر جمعیت ذرات ریز زیر 50 میکرون را کاهش می دهد و عملکرد کلی شناورسازی را بهبود می بخشد.

در عمل، اکثر تاسیسات لخته سازی را به دو یا سه مرحله با کاهش تدریجی شدت اختلاط تقسیم می کنند: مرحله اولیه در G = 70-100s-1 برای ترویج پراکندگی سریع منعقد کننده و تشکیل میکرو لخته، و به دنبال آن مراحل بعدی به G = 20-50 s-1 کاهش می یابد تا از شکسته شدن بیش از حد آن جلوگیری شود. داده‌های عملیاتی از چندین تصفیه خانه نشان می‌دهد که وقتی میانگین مقادیر G مرحله لخته‌سازی از 100 ثانیه فراتر می‌رود، تعداد ذرات ریز باقی‌مانده در پساب به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابد و شکسته شدن لخته افزایش می‌یابد و کارایی حذف کف را کاهش می‌دهد - در حالی که مقادیر G که کمتر از 20 ثانیه حفظ می‌شوند، نتایج مشابهی را کاهش می‌دهند.

الزامات زمان واکنش

روش های اولیه تصفیه آب اروپایی از زمان لخته سازی یکسانی برای ته نشینی و DAF استفاده می کردند - معمولاً حدود 45 دقیقه. تحقیقات جدیدتر نشان می دهد DAF در واقع تنها به 15 تا 20 دقیقه زمان لخته سازی نیاز دارد و اکثر تأسیسات اکنون از یک طرح لخته سازی دو مرحله ای با زمان کل لخته سازی حدود 20 دقیقه استفاده می کنند که کیفیت لخته را در مقابل زمان چرخه تصفیه متعادل می کند.

در عمل، انتخاب زمان لخته سازی نیز به شدت به ویژگی های آب خام و حجم تصفیه بستگی دارد. آب سرد و کم کدورت (زیر 5 درجه سانتیگراد، کدورت زیر 10 NTU) آهسته تر لخته ها را تشکیل می دهد و به زمان لخته سازی به 25 تا 30 دقیقه یا افزایش دوز منعقد کننده برای جبران اثرات دمای پایین تر نیاز دارد. در مقابل، آب با کدورت بالا (بالاتر از 100 NTU)، برخورد ذرات مکرر و رشد لخته سریع‌تر را مشاهده می‌کند، که اجازه می‌دهد زمان لخته‌سازی به 12 تا 15 دقیقه کاهش یابد. طراحی زمان لخته سازی باید کیفیت آب خام، دما و نوع ماده منعقد کننده را با هم در نظر بگیرد - هیچ رقم یکسانی برای همه وجود ندارد. شرایط هیدرولیک به همان اندازه اهمیت دارد: اتصال کوتاه یا مناطق مرده در حوضه لخته سازی می تواند زمان لخته سازی موثر را بسیار کمتر از زمان ماند اسمی باقی بگذارد، حتی زمانی که اندازه حوضه روی کاغذ مناسب به نظر می رسد.

کدورت آب خام و استراتژی انعقاد

سطح کدورت آب خام نیز استراتژی کنترل انعقاد را شکل می دهد. آب با کدورت کم ذرات کمتری دارد و فرصت‌های برخورد کمتری دارد و معمولاً برای تقویت تشکیل لخته به کمک منعقدکننده یا لخته‌سازی به کمک میکرو ماسه نیاز دارد. آب با کدورت بالا در عوض به تطابق دقیق زمان لخته سازی و شدت اختلاط نیاز دارد تا از ته نشین شدن خیلی سریع لخته ها جلوگیری شود. برای منابعی با کدورت بسیار متغیر، نظارت در زمان واقعی همراه با کنترل دوز بازخورد خودکار به یک روش استاندارد در سیستم‌های DAF مدرن تبدیل شده است و به فرآیند کمک می‌کند بدون مداخله دستی به نوسانات کیفیت آب پاسخ دهد.

چگونه دوز شیمیایی بر عملکرد DAF تأثیر می گذارد

ذرات آبگریز یا آبدوست اغلب به عملیات شیمیایی نیاز دارند تا خواص سطحی خود را تغییر دهند و چسبندگی حباب-ذره را تقویت کنند. دسته های شیمیایی رایج مورد استفاده در DAF شامل موارد زیر است.

منعقد کننده ها

منعقد کننده ها — inorganic and organic polymer types — promote flocculation of fine particles into larger aggregates, increasing rise velocity while also modifying the hydrophilic surface character of suspended particles to favor subsequent flotation. منعقد کننده های معدنی رایج شامل سولفات آلومینیوم، پلی آلومینیوم کلرید و کلرید آهن هستند. که در سرعت هیدرولیز، محدوده pH بهینه و چگالی لخته متفاوت است.

کلرید آهن در pH 6.0-8.5 به خوبی عمل می کند، و آن را به ویژه برای تصفیه فاضلاب روغنی مناسب می کند، در حالی که محدوده بهینه سولفات آلومینیوم (pH 6.0-7.5) باریک تر است و عملکرد به طور قابل توجهی در خارج از باند کاهش می یابد. پلی‌آلومینیوم کلرید، یک منعقدکننده پلیمری معدنی، از نسبت بیشتری از محصولات هیدرولیز پیش پلیمریزه شده بهره می‌برد و عملکرد پایدار را در محدوده pH وسیع‌تر (5.5-8.5) با سازگاری بهتر با آب سرد نسبت به نمک‌های آلومینیوم سنتی حفظ می‌کند. منعقد کننده های پلیمری ارگانیک - سری پلی آکریل آمید که نماینده هستند - از ساختارهای با زنجیره بلند برای پل زدن بین ذرات استفاده می کنند که باعث تشکیل لخته های بزرگتر می شود، اگرچه دوز نیاز به کنترل دقیق دارد زیرا مصرف بیش از حد می تواند یک اثر محافظتی کلوئیدی ایجاد کند که در واقع لخته سازی را بدتر می کند. ترکیب منعقدکننده‌های معدنی با لخته‌سازهای آلی یک روش معمول است، که از مکانیسم‌های خنثی‌سازی بار و پل زدن/جذب با هم استفاده می‌کند.

عوامل شناورسازی

عوامل متداول فلوتاسیون شامل روغن های نفتی، روغن رزین، استئارات ها و سورفکتانت ها هستند. هنگامی که یک ذره معلق آبدوست انتهای قطبی عامل شناورسازی را جذب می کند، انتهای غیرقطبی به سمت بیرون به داخل آب می رود و سطح ذره را از آب دوست به آبگریز تبدیل می کند و چسبیدن به میکروحباب ها را آسان تر می کند. گزینش پذیری عامل فلوتاسیون بسته به نوع آلاینده متفاوت است - دیزل یا نفت سفید جفت شده با عامل کف کننده برای دوغاب زغال سنگ ریز در فاضلاب فرآوری معدنی رایج است، در حالی که عوامل مبتنی بر روغن رزین اغلب برای ذرات رنگ آبگریز در چاپ پارچه و رنگرزی فاضلاب استفاده می شود. عوامل فلوتاسیون معمولاً در قسمت جلویی یا وسط مخزن واکنش انعقاد برای اطمینان از زمان اختلاط و جذب کافی دوز می شوند.

کمک های انعقادی

کمک های منعقد کننده در درجه اول آب گریزی سطح ذرات معلق را افزایش می دهند و شناورپذیری را افزایش می دهند - پلی آکریل آمید یک نمونه معمولی است. کمک‌های منعقدکننده معمولاً در کنار یک منعقدکننده اولیه با دوز نسبتاً کم (معمولاً 0.1-0.5 میلی‌گرم در لیتر) استفاده می‌شوند، اما تأثیر آنها بر راندمان حذف فلوتاسیون می‌تواند قابل توجه باشد. توالی دوز بسیار مهم است: به طور کلی بهتر است که کمک منعقد کننده را فقط پس از پراکندگی کامل منعقد کننده اولیه اضافه کنید، و از واکنش مستقیم بین این دو که اثربخشی هر دو عامل را کاهش می دهد اجتناب کنید.

داروهای افسردگی

داروهای افسردگی selectively suppress the floatability of certain substances without affecting flotation removal of the target contaminant — sodium sulfide and lime are common examples. Depressants see particularly wide use in mineral flotation and multi-metal separation, and in wastewater treatment are often applied to complex systems containing multiple contaminant types. Optimal dosage needs to be determined by testing against the specific raw water composition — underdosing leaves suppression incomplete, while overdosing risks suppressing the target contaminant's own floatability.

تنظیم کننده های pH

تنظیم کننده های pH - اسیدها و بازهای مختلف - پراکندگی حباب در آب و قابلیت چسبندگی ذرات حباب را با تنظیم pH فاضلاب اصلاح می کنند. pH نه تنها بر بار سطحی ذرات بلکه بر شکل هیدرولیز منعقد کننده و پتانسیل سطح حباب نیز تأثیر می گذارد. سیستم های منعقد کننده و آلاینده مختلف پنجره های عملیاتی pH بهینه خود را دارند - به عنوان مثال، فاضلاب روغنی تصفیه شده با انعقاد کلرید آهن بهترین حذف روغن را در pH 6.5-7.5 به دست می آورد. تنظیم دوز در زمان واقعی در پاسخ به تغییرات pH آب خام یک عمل استاندارد برای حفظ محدوده بهینه است. فاضلاب صنعتی قوی قلیایی معمولاً با اسید سولفوریک یا هیدروکلریک تنظیم می شود، در حالی که فاضلاب اسیدی معمولاً با آهک یا هیدروکسید سدیم خنثی می شود. تنظیم کننده های pH باید قبل از منعقد کننده دوز شوند تا اطمینان حاصل شود که واکنش انعقاد تحت شرایط pH بهینه انجام می شود.

توالی دوز و ملاحظات سازگاری

توالی دوز و سازگاری بین مواد شیمیایی مختلف به طور قابل توجهی بر نتایج درمان در عمل DAF تأثیر می گذارد. توالی کلی این است: ابتدا تنظیم کننده pH، رساندن آب به محدوده pH هدف؛ سپس منعقد کننده، با استفاده از خنثی سازی بار از محصولات هیدرولیز برای بی ثبات کردن کلوئیدها. سپس کمک منعقد کننده، با استفاده از عمل پل زدن خود برای رشد اندازه لخته. عوامل فلوتاسیون معمولاً درست قبل از منطقه تماس DAF دوز می شوند و از تماس کامل با ذرات لخته قبل از ورود به مرحله جداسازی اطمینان حاصل می کنند. داروهای مضعف قبل یا بعد از انعقاد بسته به ماده هدف خاصی که سرکوب می شود دوز می شوند.

برخی از ترکیبات شیمیایی خطرات سازگاری واقعی را به همراه دارند: پلی آکریل آمید کاتیونی و آنیونی هرگز نباید با هم مخلوط شوند، زیرا انجام این کار باعث تولید آگلومراهای بزرگ و بی اثر می شود. عوامل فلوتاسیون و منعقد کننده ها که به صورت متوالی دوز می شوند نیز می توانند برای مکان های جذب رقابت کنند و اثربخشی هر دو را کاهش دهند. طراحی سیستم دوز باید این فعل و انفعالات را در نظر بگیرد، و برای تایید ترکیب شیمیایی بهینه و توالی برای یک منبع آب معین، آزمایش لیوان (شیشه) توصیه می شود.

چگونه ویژگی های میکروحباب بر عملکرد DAF تأثیر می گذارد

تولید میکروحباب های پایدار و در مقیاس بزرگ هسته اصلی فرآیند DAF است و اندازه حباب و ویژگی های سطح به طور مستقیم کارایی جداسازی را تعیین می کند.

اندازه میکرو حباب

تحقیقات اخیر نشان می دهد که وقتی صحبت از اندازه میکرو حباب به میان می آید، کوچکتر همیشه بهتر نیست به چند دلیل: حباب های بیش از حد کوچک به این معنی است که ذرات لخته باید به حباب های بیشتری بچسبند تا بالا بیایند، که عملا دشوار است. حباب های کوچکتر نیاز به انرژی بیشتری برای تولید دارند که هزینه عملیاتی را افزایش می دهد. حباب های بسیار کوچک می توانند به فیلتر پایین دست منتقل شوند و باعث ایجاد مشکلات اتصال هوا شوند. و بارگذاری سطحی در ناحیه جداسازی نیز بر اندازه ایده‌آل حباب تأثیر می‌گذارد - با افزایش بارگذاری سطحی، سنگدانه‌های لخته حباب زمان کمتری را در آب می‌گذرانند و برای رسیدن به زمان به سطح به سرعت افزایش بیشتری نیاز دارند. تعداد معینی از حباب‌های کوچک متصل به یک لخته، چگالی ظاهری بالاتر و سرعت خیزش کمتری نسبت به تعداد مشابه حباب‌های بزرگ ایجاد می‌کنند که در برابر ظرفیت بارگذاری سطح بالاتر عمل می‌کنند.

از نقطه نظر توزیع اندازه، یک فرآیند DAF ایده‌آل باید توزیع اندازه حباب باریک و یکنواخت را به جای به حداقل رساندن اندازه متوسط ​​هدف قرار دهد. توزیع اندازه بیش از حد گسترده به این معنی است که حباب‌های بزرگ برای زمان تماس لخته‌ها خیلی سریع بالا می‌روند، در حالی که حباب‌های خیلی کوچک ممکن است خیلی آهسته بالا بیایند یا حتی با جریان آب از بین بروند. یکنواختی اندازه حباب اغلب برای بازده کلی DAF مهمتر از کاهش متوسط ​​اندازه حباب به تنهایی است.

ویژگی های سطح میکرو حباب

میکروحباب‌های موجود در آب معمولاً آنیون‌های خاصی را ترجیحاً جذب می‌کنند و بار سطحی منفی را به دست می‌آورند که می‌تواند به مقادیر منفی نسبتاً بالایی برسد - داده‌های اندازه‌گیری شده معمولاً پتانسیل سطح میکروحباب را در حدود -100 میلی ولت در فرآیندهای DAF نشان می‌دهند و سطوح ذرات لخته نیز معمولاً بار منفی دارند. هنگامی که این دو به یکدیگر نزدیک می شوند، دافعه الکترواستاتیکی در برابر برخورد و چسبندگی عمل می کند. کیفیت آب خام و نوع و کمیت یون‌های جذب‌شده هر دو بر استحکام حباب‌های کوچک، آبگریزی سطح و بار تأثیر می‌گذارند - افزودن مقدار مناسب الکترولیت می‌تواند این ویژگی‌ها را تغییر داده و عملکرد شناورسازی را متناسب با آن تنظیم کند.

با توجه به کنترل بار سطحی به طور خاص، کاتیون های فلزی موجود در آب (مانند Ca2+ و Mg2+) می توانند پتانسیل منفی سطح حباب را از طریق مکانیسم فشرده سازی دو لایه کاهش دهند و دافعه الکترواستاتیکی بین حباب ها و لخته ها را کاهش دهند. این بخشی از این است که چرا DAF اغلب در آب سخت بهتر از آب نرم عمل می کند - تنظیم سختی آب یا افزودن مقدار کمی الکترولیت در عمل می تواند عملکرد چسبندگی حباب را بهبود بخشد. آبگریزی سطح حباب نیز یک عامل تعیین کننده در کارایی چسبندگی است: حباب های آبگریز بیشتر محکم تر به ذرات آبگریز می چسبند و نوع و کمیت سورفکتانت های جذب شده در طول تشکیل حباب به طور مستقیم درجه آب گریزی سطح را تعیین می کند.

تراکم میکروحباب و یکنواختی پراکندگی

فراتر از اندازه حباب و ویژگی های سطح، تراکم تعداد میکروحباب ها در واحد حجم آب نیز یک پارامتر کلیدی است که بر کارایی DAF تأثیر می گذارد. تحت فشار اشباع و شرایط آزادسازی یکسان، چگالی حباب بالاتر به معنای مساحت کل حباب بیشتر و احتمال برخورد با ذرات لخته است. اما تراکم حباب بیش از حد بالا می‌تواند اثر قابل توجهی از افزایش خوشه‌های حباب ایجاد کند، تلاطم آب محلی را افزایش دهد و رشد پایدار دانه‌های حباب را مختل کند. یک محدوده بهینه چگالی حباب وجود دارد که باید با آزمایش بر اساس غلظت لخته و توزیع اندازه تعیین شود.

پراکندگی یکنواخت میکروحباب در منطقه تماس به همان اندازه مهم است - توزیع ناهموار حباب، با حباب های اضافی در برخی مناطق و حباب های ناکافی در برخی دیگر، به طور اجتناب ناپذیری کارایی کلی شناور را کاهش می دهد. عمل مهندسی معمولاً این موضوع را از طریق قرار دادن بهینه و کمیت نازل های رهاسازی، همراه با ساختارهای هدایت کننده جریان در ناحیه تماس برای ترویج توزیع یکنواخت حباب مقطعی برطرف می کند.

فشار اشباع و شرایط رهاسازی

فشار اشباع (هوای محلول) پارامتر اصلی عملیاتی است که اندازه و کمیت حباب های کوچک را تعیین می کند. فشار اشباع بالاتر، محتوای هوای محلول را افزایش می‌دهد و با آزاد شدن فشار، میکروحباب‌های بیشتری تولید می‌کند، اگرچه اندازه متوسط ​​حباب نیز ممکن است همراه با مصرف انرژی افزایش یابد. فرآیندهای DAF فعلی معمولاً در محدوده فشار اشباع 0.3-0.6 مگاپاسکال کار می کنند ، که به طور کلی ویژگی های میکروحباب مطلوب را به دست می آورد - تعادل بهینه بین کمیت حباب و مصرف انرژی باید برای کیفیت آب خاص و اهداف تصفیه تعیین شود.

طراحی دستگاه آزاد کننده فشار تأثیر تعیین کننده ای بر توزیع اندازه حباب اولیه دارد. انواع رایج دستگاه آزادسازی شامل شیر سوزنی، صفحه سوراخ دار و طراحی نازل آزاد کننده اختصاصی است که می تواند توزیع اندازه حباب های متفاوتی را در فشار اشباع یکسان ایجاد کند. توسعه اخیر نازل‌های رهاسازی با راندمان بالاتر، متوسط ​​قطر حباب‌های میکروبی را از محدوده سنتی 50 تا 80 میکرون به 20 تا 40 میکرون کاهش داده است که به طور قابل‌توجهی کارایی چسبندگی لخته حباب را بهبود می‌بخشد. گرفتگی نازل رهاسازی یک مانع اصلی برای عملکرد پایدار سیستم DAF در دراز مدت است و معمولاً از طریق شستشوی منظم یا پیش فیلتراسیون مدیریت می شود.

چگونه روش اشباع بر عملکرد سیستم DAF تأثیر می گذارد

روش اشباع (هوای محلول) مورد استفاده، کیفیت تولید ریزحباب و مصرف انرژی کلی سیستم را تعیین می کند. روش های جریان اصلی اشباع DAF به سه دسته اصلی تقسیم می شوند: اشباع تحت فشار جریان کامل، اشباع تحت فشار جریان جزئی و اشباع تحت فشار جریان بازیافت.

اشباع تحت فشار جریان بازیافت در حال حاضر پرکاربردترین روش است، زیرا محتوای جامدات معلق در جریان بازیافتی کم است، مخزن اشباع و نازل های آزاد کننده را کمتر مستعد گرفتگی می کند، با ثبات عملیاتی خوب و سازگاری قوی با نوسانات کیفیت آب خام. انتخاب نسبت بازیافت باید غلظت جامدات معلق آب خام، سرعت افزایش لخته و حجم تصفیه را با هم در نظر بگیرد - به طور کلی، غلظت جامدات معلق بالاتر نسبت بازیافت بالاتری را می طلبد.

هر روش اشباع بر توزیع اندازه حباب، مصرف انرژی و پایداری عملکرد سیستم تأثیر متفاوتی دارد، بنابراین انتخاب باید مقیاس تصفیه، ویژگی‌های کیفیت آب و اقتصاد کلی را با هم بسنجید.