Tuyển nổi áp lực ( tuyển nổi bọt khí nhỏ )

Trong các loại tuyển nổi thì tuyển nổi áp lực được ứng dụng rộng rãi hơn cả vì có khả năng tạo ra các bọt khí có kích thước nhỏ 40-70µm và dễ dàng phân phối đều trong toàn bộ khối lượng

Tuyển nổi áp lực ( tuyển nổi bọt khí nhỏ )

1 Nguyên lý chung

Trong các loại tuyển nổi thì tuyển nổi áp lực được ứng dụng rộng rãi hơn cả vì có khả năng tạo ra các bọt khí có kích thước nhỏ (40-70µm) và dễ dàng phân phối đều trong toàn bộ khối lượng nước cần xử lý

Tuyển nổi áp lực (DAF) là một quá trình loại bỏ các hạt lơ lửng trong chất lỏng bằng cách đưa các hạt lơ lửng lên bề mặt chất lỏng Chất lỏng chảy đến có thể là nước thô, nước thải hoặc bùn lỏng Hệ thống tuyển nổi bao gồm bốn thành phần chính: cung cấp không khí, máy bơm áp suất cao, bình áp lực (bể lưu giữ) và buồng tuyển nổi Theo định luật Henry, độ hòa tan của khí trong dung dịch nước tăng khi áp lực ngày càng tăng Không khí được hòa tan trong nước thải ở áp suất cao trong bình áp lực, và các bọt khí nhỏ được hình thành khi trong nước xuất hiện những bọt khí ở áp suất khí quyển Nguồn nước cung cấp đến có thể được nén bằng một máy bơm áp lực từ 172 đến 620 kPa với khí nén thêm vào bơm hút Dòng áp lực được đưa vào bình lưu giữ ở áp suất cao khoảng 0.5 đến 30 phút cho phép đủ thời gian để hòa tan không khí vào dòng nước thải

Sau đó dòng nước được đưa qua một van giảm áp để vào buồng tuyển nổi Kết quả của việc giảm đột ngột áp lực trong buồng tuyển nổi là sự tạo thành các bọt khí nhỏ Các bọt khí nhỏ bám dính vào các hạt cặn lơ lửng hoặc các hạt keo trong nước cho đến khi lực đẩy nổi của nước tăng sẽ đưa hỗn hợp khí-cặn lên trên bề mặt tạo thành một lớp váng

Tỷ lệ tăng theo chiều dọc của bọt khí dao động từ 0.152 đến 0.061 m/phút Các máy cào hoặc thiết bị gạn bọt khác tiếp tục loại bỏ các váng bọt nổi trên bề mặt Dòng thải của DAF được rút ra từ đáy bể tuyển nổi để tái sử dụng hoặc thải bỏ

Hình 1: Tuyển nổi không khí hòa tan toàn dòng chảy

Hình 2: Tuyển nổi áp lực một phần dòng chảy không tuần hoàn

Hình 3: Tuyển nổi áp lực có tuần hoàn dòng chảy

Ba cấu hình hoạt động có sẵn của hệ thống DAF bao gồm:

- Tuyển nổi áp lực toàn dòng chảy, nơi mà toàn bộ dòng chảy đến được bão hòa và đưa vào buồng tuyển nổi khi các bọt khí được hình thành (Hình 1) Quá trình này 9 thường được áp dụng cho dòng nước thải có hàm lượng chất rắn lơ lửng vượt quá 800 mg/l, mà không cần keo tụ nhưng đòi hỏi một lượng lớn bọt khí

- Tuyển nổi áp lực mà một phần dòng chảy không có hệ thống tuần hoàn, một phần được đưa trực tiếp vào bể tuyển nổi (khoảng 30-50%) Phần còn lại của dòng chảy được cung cấp bởi máy bơm trọng lực với áp suất thấp để vào bể tuyển nổi (Hình 2) Sơ đồ này được sử dụng trong loại bỏ các chất lơ lửng ở nồng độ thấp và yêu cầu không khí thấp –

Tuyển nổi áp lực có tuần hoàn dòng chảy, nơi một phần nước thải sau khi xử lý (khoảng 15-20%) được tuần hoàn trở lại bể tuyển nổi (Hình 3) Quá trình này thường sử dụng khi

keo tụ tạo bông là một phần của hệ thống xử lý Lựa chọn này phổ biến nhất trong xử lý nước thải bao gồm việc loại bỏ dầu

2 Các giai đoạn trong tuyển nổi áp lực

Hình 4 Sơ đồ của quá trình tuyển nổi không khí hòa tan để xử lý nước

- Chuyển không khí sang mặt phân chia khí-nước trong bình bão hòa

- Sự phân tán khí, hòa tan không khí vào trong nước

- Không khí trong trạng thái hòa tan “kết tủa” để tạo thành bọt khí

- Kết dính các bọt khí

- Sự vận chuyển các bọt khí đến các hạt rắn để tạo được “mối liên hệ” và “sự dính bám”

- Tuyển nổi hỗn hợp của các bọt khí-hạt rắn trong buồng tuyển nổi

- Tách cặn ra khỏi nước trong bể tuyển nổi

2.1 Chuyển không khí sang mặt phân chia khí-nước trong bình bão hòa:

- Chuyển không khí theo đường ống hút của bơm

Hình 5: Sơ đồ cấp khí theo đường ống hút của bơm

Khi đưa khí vào phía trước bơm sẽ tăng cường khả năng làm nhỏ bong bóng khí trong bơm Tuy nhiên làm giảm công suất và áp lực của bơm,chế độ làm việc của bơm sẽ không được tốt

- Chuyển không khí theo đường ống có áp của bơm

Hình 6: Sơ đồ cấp khí theo đường ống có áp của bơm

Để cho nước không rơi vào ống đưa khí vào phải làm thêm van một chiều

- Dùng ejector

Hình 7: Sơ đồ ejector

Hai sơ đồ 6 và 7 được ứng dụng trong trường hợp các chất lơ lửng trong nước có kích thước lớn Sự dao động mực nước trong bể tiếp nhận làm ảnh hưởng đến chế độ bơm, do

đó mực nước trong bể không được thấp hơn 0,5m và thường dao động trong khoảng 1,5 – 2m Để bảo đảm mực nước này, có thể hoàn lưu trở lại bể tiếp nhận một ít nước sau xử

lý khi cần thiết

2.2 Quá trình phân tán, hòa tan không khí vào nước

Hiệu quả tuyển nổi phụ thuộc vào lưu lượng khí hoà tan trong nước và lượng bọt khí thoát ra từ dung dịch quá bão hoà

Cân bằng pha khí chuyển sang pha nước được đưa ra bởi định luật Henry Định luật Henry khẳng định rằng nồng độ dung dịch nước của khí hòa tan tỷ lệ thuân với áp suất riêng phần của khí

Trong đó:

: nồng độ của không khí hòa tan A trong dung dịch nước (kg/m3 )

H: hằng số Henry (kg/m3 /kPa)

: phần mol khí trong pha khí

: áp suất tổng của tất cả các pha (kPa)

Nồng độ không khí hòa tan khi ra khỏi bình áp lực thường thấp hơn so với mức độ cân bằng như định luật Henry đã khẳng định Tỷ lệ của hai giá trị là yếu tố hiệu quả Do đó

có sự thay đổi trong định luật Henry cho bình áp lực:

Trong đó f= tỷ lệ nồng độ khí ra khỏi bình áp lực với tỷ lệ nồng độ khí được dự đoán bởi định luật Henry

2.3 Sự hình thành bọt khí từ dung dịch quá bão hòa

Các bọt khí nhỏ, 100µm hoặc ít hơn, được hình thành bằng cách bơm nước tuần hoàn quá bão hòa dưới áp lực vào trong bể tuyển nổi bằng vòi phun thiết kế đặc biệt, sự chênh lệch áp suất lớn trên vòi phun tạo ra các bọt khí một cách tự nhiên Bọt khí phát triển cố định do không khí di chuyển trong nước Khi không khí thừa được chuyển từ pha khí để

được hòa tan, các bong bóng phát triển với các kích thước Sự tăng trưởng các bọt khí

có thể xảy ra do sự tăng hoặc giảm áp suất thủy tĩnh hoặc sự kết dính

Các phép đo kích thước của bọt khí cho hệ thống DAF chỉ ra rằng bọt khí duy trì một phạm vi kích thước trạng thái ổn định từ 10-100µm Ước tính hợp lý cho kích thước của bọt khí là 40 µm Trạng thái ổn định phụ thuộc vào áp lực của bình áp lực và tốc độ dòng chảy Sự phun phải diễn ra một cách nhanh chóng dưới áp suất thấp và có đủ để ngăn chặn dòng chảy và sự tăng trưởng bọt khí trên bề mặt trong vùng lân cận của hệ thống phun Để đảm bảo bọt khí nhỏ, sự chênh lệch áp lực được khuyến khích từ 400 đến 600 kPa

Theo định luật Henry, giảm áp suất hoặc tăng nhiệt độ khí sẽ tách ra khỏi nước Kích thước nhỏ nhất Rmin của bọt khí phụ thuộc vào lực căn bề mặt khí – nước và độ giảm

áp lực :

Rmin = 2σ /(P-P1), (mm)

Trong đó:

σ : lực căng bề mặt khí – nước

P : áp suất bão hoà (Pa)

P1 : áp suất trong bình tuyển nổi (Pa)

2.4 Bọt khí và chất rắn va chạm và dính bám nhau trong vùng trộn

Có ba cơ chế để hình thành hỗn hợp khí-rắn:

- Các bong bóng hình thành trước trong cấu trúc cụm xốp lớn (kích thước cụm xốp lớn hơn nhiều so với quy mô kích thước của bọt khí)

- Sự tăng trưởng bọt khí trong các hạt hoặc trong cụm xốp

- Va chạm và bám dính bọt khí vào các hạt

Đối với quá trình DAF, cơ chế thứ ba là quan trọng nhất Góc tiếp xúc giữa các hạt và bọt 13 khí được sử dụng để mô tả mức độ bám dính của bọt khí Ở đây góc tiếp xúc phải

là hữu hạn và đủ lớn để năng lượng bám dính vào nước của các hạt rắn là nhỏ hơn năng lượng gắn kết của nước Một góc tiếp xúc lớn hơn cho cả hai kỵ nước và dính ướt tốt Tuy nhiên, độ lớn của góc tiếp xúc phụ thuộc vào kích thước của bọt khí và hạt Một quan điểm khác của sự bám dính giữa hỗn hợp khí- cặn bởi bọt khí nhỏ là một góc tiếp xúc hữu hạn không cần phải hình thành Đối với các hạt kỵ nước có thể tăng lên bằng

cách giảm điện tích âm Các hạt khác, chẳng hạn như kết tủa hoặc Al(OH)3, có sự phân cực và làm cho nó thấm nước Hiệu ứng thấm nước này có thể giảm sự trung hòa, nhưng hạt nhôm hydroxit có một lớp phủ polymolecular thấm nước nên cản trở bong bóng bám dính

Sự dính kết bọt khí ảnh hưởng đến số lượng và kích thước bọt khí, nên sẽ gây ra ảnh hưởng đến quá trình tuyển nổi Sự dính kết các bọt khí có thể xảy ra trong nước, trong lớp bọt tạo thành của quá trình tuyển nổi Đôi khi sự dính kết làm tăng hiệu quả của quá trình tuyển nổi, nhưng thường nó làm cản trở quá trình này Các hạt có kích thước nhỏ khó nổi lên bề mặt, các hạt có kích thước lớn hơn lại tham gia quá trình tuyển nổi Mặt khác sự dính kết bọt khí làm giảm diện tích bề mặt và thời gian lưu của bọt khí trong bể

Do vậy trong quá trình tuyển nổi cần hạn chế tối đa các ảnh hưởng xấu do sự dính kết bọt khí gây ra

2.5 Sự vận chuyển các bọt khí đến các hạt rắn để tạo được “mối liên hệ” và “sự dính

bám”

Khả năng hình thành các keo khí phụ thuộc vào bản chất hạt cặn và có thể phân chia thành ba dạng:

Các hạt cặn va chạm vào bọt khí và dính bám

Các bọt khí phát sinh trong lớp cặn lơ lửng

Đầu tiên trong lớp cặn hình thành các bọt khí nhỏ, sau đó chúng va chạm và dính bám với nhau tạo thành các bọt khí lớn có đủ khả năng tuyển nổi

Đối với hiệu quả khu vực phản ứng (dNfl/dt) được xác định là sự giảm số lượng của cụm xốp với thời gian, kích cỡ cụm xốp và bọt khí (dfl và db) và nồng độ được định nghĩa là thông số quá trình có liên quan:

dNft/dt = - (3/2)()()/

Trong đó:

: hiệu quả bám dính

: tổng thu hiệu quả nhất

: đường kính bọt khí

: tốc độ gia tăng của bọt khí

: nồng độ cụm xốp

: nồng độ khối lượng bọt khí

Sự bám dính hỗn hợp khí-cặn được coi là cơ chế động học phù hợp nhất cho hiệu quả của DAF, tùy thuộc vào kích thước cụm xốp và bọt khí (dn và db), và sự kết hợp ở ηT 2.6 Tốc độ vận chuyển không khí:

Sự vận chuyển khí trong một pha để hòa tan khí tỷ lệ thuận với độ thiếu hụt của bình áp lực

Trong đó:

= tốc độ thay đổi nồng độ khí hòa tan (kg/m3 /s)

t = thời gian trôi qua (s)

: hệ số chuyển đổi khối lượng (s-1 )

: nồng độ bão hòa (kg/m3 )

C: nồng độ khí hòa tan trong một pha ở thời gian t (kg/m3 )

Hệ số chuyển đổi khối lượng = (D/ ) (A/pha khí nước)/V(bình áp lực)

Trong đó D= liên tục khuếch tán không khí hòa tan trong nước (m2 /s)

: độ dày màng (m)

A (pha khí nước) = diện tích bề mặt khí nước trong bình áp lực (m2 )

V (bình áp lực) = thể tích của bình áp lực (m3 )

3.2.7 Quá trình tách cặn ra khỏi nước trong bể tuyển nổi

Tách cặn ra khỏi nước trong bể tuyển nổi xảy ra theo hai chiều ngược nhau

Hỗn hợp cặn khí nổi lên trên, nước trong đi xuống dưới để vào máng thu dẫn ra ngoài Vận tốc nước đi xuống hay tải trọng bề mặt của bể tuyển nổi và lượng cặn được tách ra phụ thuộc vào tính chất của cặn và tỷ số

=

Trong xử lý nước thường nước nguồn có chứa cặn thô những hạt cặn nặng, chắc, diện tích bề mặt không phát triển thường không bị đẩy lên bề mặt mà lắng xuống đáy bể, ví vậy bể phải cấu tạo hố thu cặn và thiết bị xả cặn Tiểu chuẩn thiết kế bể tuyển nổi lấy trong giới hạn:

- Tải trọng bề mặt : 3 – 10m3 /m2 h

- Thời gian lưu nước trong bể: 20 – 40 phút

- Lượng không khí tiêu thụ : 15 – 50 lít/ m3 nước

- Cấu tạo bể tuyển nổi:

+ Bể tuyển nổi có bề mặt hình chữ nhật

+ Bể tuyển nổi hình tròn

- Chiều cao ngăn tạo bọt Hk = 1,5m

- Đường kính ngăn tạo bọt:

Dk=0,6 ;

Trong đó: Q: Lưu lượng nước xử lý (m3 /h)

vk: vận tốc nước trong ngăn, lấy 6 mm/s

0,6: hệ số đổi đơn vị

Thời gian lưu nước trong ngăn 4 –6 phút

Chiều cao vùng lắng H0 = 1,5m, tổng chiều cao của bể H⏀= 3m

Đường kính của bể

D⏀=

Trong đó:

to: thời gian lưu nước trong bể từ 20-40 phút

3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của quá trình tuyển nổi

⏀ Keo tụ và tạo bông

⏀ Hàm lượng nước thô

⏀ Tốc độ dâng lên của hạt

⏀ Tỷ lệ khí-rắn

⏀ Tốc độ tải trọng thủy lực

⏀ Tốc độ tải trọng rắn

⏀ Tỷ số tuần hoàn

Keo tụ và tạo bông

Keo tụ là quá trình gây mất ổn định các hạt keo nhằm tăng sự va chạm của các hạt để xuất hiện các hạt keo lớn hơn Chất keo tụ là một hóa chất được thêm vào để làm mất đi

độ bền của các hạt keo và hỗ trợ sự hình thành bông cặn

Keo tụ là quá trình mang lại những va chạm giữa các hạt lơ lủng mất ổn định và chất keo tạo thành các hạt lớn hơn có thể loại bỏ dễ dàng

Keo tụ và tạo bông là cơ chế mà các hạt lơ lửng và vật liệu dạng keo được loại bỏ khỏi nước trong quá trình tuyển nổi Tối ưu hóa keo tụ-tạo bông là chần thiết cho hiệu suất tối

ưu của hệ thống tuyển nổi Định lượng loại và lượng hóa chất, cường độ khuấy trộn, thời gian lưu trong vùng trộn, vùng tạo bông và kích thước bông cặn là thông số đóng vai trò quan trọng trong việc thực hiện của hệ thống tuyển nổi

Tỷ lệ khí-rắn (A/S)

Tỷ lệ khí-rắn là tham số thiết kế chính cho một hệ thống tuyển nổi không khí hòa tan Nó

là thước đo tiêu chuẩn của trọng lượng không khí hòa tan trong nước trên trọng lượng chất rắn được loại bỏ khỏi nước Giá trị thông thường 0.005 – 0.06 ml/mg

Đối với bình không khí bão hòa, mối quan hệ giữa tỷ lệ khí-rắn, độ hòa tan không khí, áp suất vận hành, nồng độ chất rắn, tốc độ dòng chảy và tỷ số tuần hoàn được cho bởi

phương trình sau:

Trong đó:

A/S: tỷ lệ khí-rắn, ml(không khí)/mg(chất rắn)

1.3: trọng lượng không đổi của không khí, mg/ml

17

Sa: hệ số tan của không khí trong nước, ml/l

F: phần bão hòa, thường là 0.5

P: áp suất hệ thống tuần hoàn, atm

Ss: buồng chứa chất rắn lơ lưng, mg/l

R: tốc độ tuần hoàn dòng chảy áp lực, m3/ngày đêm

Q; tốc độ dòng chảy nước thô, m3/ngày đêm

Tỷ số tuần hoàn

Tỷ số tuần hoàn là phần cuối cùng của nước thải được trả về và bão hòa với không khí chịu áp lực trước khi vào bể tuyển nổi nơi áp suất giảm đột ngột gây ra sự xuất hiện của các bọt khí nhỏ Phạm vi tỷ số tuần hoàn là từ 8% đến 150% dựa trên chất lượng nước thô được xử lý

Theo định luật Henry, tỷ lệ không khí hòa tan tỷ lệ thuận với áp suất tuyệt đối riêng phần của các khí tiếp xúc với chất lỏng Do đó, cao hơn áp suất vận hành của máy bơm DAF hoặc bình không khí/ độ bão hòa nước, tăng khả năng hòa tan không khí, do đó hạ thấp yêu cầu tỷ số tuần hoàn

Tốc độ tải trọng thủy lực

Tốc độ tải trọng thủy lực là một phép đo khối lượng của nước thải được áp dụng hiệu quả

trên một đơn vị diện tích bề mặt trên một đơn vị thời gian Kết quả là con số quá trình thiết kế thể hiện như vận tốc dâng lên tương đương với các đơn vị m/giờ HLR tùy thuộc các yếu tố khác nhau, tuy nhiên nó dao động từ 4 đến 12 m/giờ HLR tối đa phải nhỏ hơn tốc độ tăng tối thiểu của các hạt rắn-khí để đảm bảo rằng tất cả các hạt sẽ nổi lên mặt nước trước khi đi đến chỗ tháo nước cuối cùng của bể Tốc độ tải trọng thủy lực được kiển tra dựa trên tốc độ dòng chảy đến và tổng số tốc độ dong chảy (dòng chảy đến+tuần hoàn

Nhà máy dầu khí/ hóa dầu/ năng lượng 6 đến 8 m/giờ

Ngành công nghiệp giấy và bột giấy 5 đến 6 m/giờ

Tỷ lệ tải trọng chất rắn (SLR)

Tỷ lệ tải trọng chất rắn là tốc độ của tổng các chất rắn và FOG trong dòng chảy đến ảnh hưởng đến diện tích bề mặt trong bể tuyển nổi Đơn vị là khối lượng trên một đơn vị diện tích trên một đone vị thời gian SLR thiết kế trung bình khoảng từ 4 kg/m2.giờ lên đến 18 kg/m2.giờ với hóa chất Nhìn chung, tăng SLR sẽ làm giảm nồng độ nổi

3.4 Hệ thống tuyển nổi áp lực.

Các hệ thống phổ biến nhất hiện nay là sản xuất đơn vị hình chữ nhật bằng cách sử dụng

áp suất cao để cung cấp không khí hòa tan khuyến khích tuyển nổi

Như minh họa trong hình 9, một hệ thống DAF bao gồm các chính sau đây thành phần:

Hình 9 Bộ phận chính cùa DAF

- Sự liên thông giữa các ngăn hoặc buồng tuyển nổi Giúp cho sự pha trộn của