Tuyển nổi áp lực ( tuyển nổi bọt khí nhỏ )

Tuyển áp lực ( tuyển bọt khí nhỏ ) Nguyên lý chung Trong loại tuyển tuyển áp lực ứng dụng rộng rãi có khả tạo bọt khí có kích thước nhỏ (40-70µm) dễ dàng phân phối toàn khối lượng nước cần xử lý Tuyển áp lực (DAF) trình loại bỏ hạt lơ lửng chất lỏng cách đưa hạt lơ lửng lên bề mặt chất lỏng Chất lỏng chảy đến nước thơ, nước thải bùn lỏng Hệ thống tuyển bao gồm bốn thành phần chính: cung cấp khơng khí, máy bơm áp suất cao, bình áp lực (bể lưu giữ) buồng tuyển Theo định luật Henry, độ hòa tan khí dung dịch nước tăng áp lực ngày tăng Khơng khí hòa tan nước thải áp suất cao bình áp lực, bọt khí nhỏ hình thành nước xuất bọt khí áp suất khí Nguồn nước cung cấp đến nén máy bơm áp lực từ 172 đến 620 kPa với khí nén thêm vào bơm hút Dòng áp lực đưa vào bình lưu giữ áp suất cao khoảng 0.5 đến 30 phút cho phép đủ thời gian để hòa tan khơng khí vào dòng nước thải Sau dòng nước đưa qua van giảm áp để vào buồng tuyển Kết việc giảm đột ngột áp lực buồng tuyển tạo thành bọt khí nhỏ Các bọt khí nhỏ bám dính vào hạt cặn lơ lửng hạt keo nước lực đẩy nước tăng đưa hỗn hợp khí-cặn lên bề mặt tạo thành lớp váng Tỷ lệ tăng theo chiều dọc bọt khí dao động từ 0.152 đến 0.061 m/phút Các máy cào thiết bị gạn bọt khác tiếp tục loại bỏ váng bọt bề mặt Dòng thải DAF rút từ đáy bể tuyển để tái sử dụng thải bỏ Hình 1: Tuyển khơng khí hòa tan tồn dòng chảy Hình 2: Tuyển áp lực phần dòng chảy khơng tuần hồn Hình 3: Tuyển áp lực có tuần hồn dòng chảy Ba cấu hình hoạt động có sẵn hệ thống DAF bao gồm: - Tuyển áp lực tồn dòng chảy, nơi mà tồn dòng chảy đến bão hòa đưa vào buồng tuyển bọt khí hình thành (Hình 1) Quá trình thường áp dụng cho dòng nước thải có hàm lượng chất rắn lơ lửng vượt 800 mg/l, mà không cần keo tụ đòi hỏi lượng lớn bọt khí - Tuyển áp lực mà phần dòng chảy khơng có hệ thống tuần hồn, phần đưa trực tiếp vào bể tuyển (khoảng 30-50%) Phần lại dòng chảy cung cấp máy bơm trọng lực với áp suất thấp để vào bể tuyển (Hình 2) Sơ đồ sử dụng loại bỏ chất lơ lửng nồng độ thấp u cầu khơng khí thấp – Tuyển áp lực có tuần hồn dòng chảy, nơi phần nước thải sau xử lý (khoảng 15-20%) tuần hoàn trở lại bể tuyển (Hình 3) Quá trình thường sử dụng keo tụ tạo phần hệ thống xử lý Lựa chọn phổ biến xử lý nước thải bao gồm việc loại bỏ dầu Các giai đoạn tuyển áp lực Hình Sơ đồ trình tuyển khơng khí hòa tan để xử lý nước - Chuyển khơng khí sang mặt phân chia khí-nước bình bão hòa - Sự phân tán khí, hòa tan khơng khí vào nước - Khơng khí trạng thái hòa tan “kết tủa” để tạo thành bọt khí - Kết dính bọt khí - Sự vận chuyển bọt khí đến hạt rắn để tạo “mối liên hệ” “sự dính bám” - Tuyển hỗn hợp bọt khí-hạt rắn buồng tuyển - Tách cặn khỏi nước bể tuyển 2.1 Chuyển khơng khí sang mặt phân chia khí-nước bình bão hòa: - Chuyển khơng khí theo đường ống hút bơm Hình 5: Sơ đồ cấp khí theo đường ống hút bơm Khi đưa khí vào phía trước bơm tăng cường khả làm nhỏ bong bóng khí bơm Tuy nhiên làm giảm cơng suất áp lực bơm,chế độ làm việc bơm khơng tốt - Chuyển khơng khí theo đường ống có áp bơm Hình 6: Sơ đồ cấp khí theo đường ống có áp bơm Để cho nước khơng rơi vào ống đưa khí vào phải làm thêm van chiều - Dùng ejector Hình 7: Sơ đồ ejector Hai sơ đồ ứng dụng trường hợp chất lơ lửng nước có kích thước lớn Sự dao động mực nước bể tiếp nhận làm ảnh hưởng đến chế độ bơm, mực nước bể khơng thấp 0,5m thường dao động khoảng 1,5 – 2m Để bảo đảm mực nước này, hồn lưu trở lại bể tiếp nhận nước sau xử lý cần thiết 2.2 Q trình phân tán, hòa tan khơng khí vào nước Hiệu tuyển phụ thuộc vào lưu lượng khí hồ tan nước lượng bọt khí từ dung dịch q bão hồ Cân pha khí chuyển sang pha nước đưa định luật Henry Định luật Henry khẳng định nồng độ dung dịch nước khí hòa tan tỷ lệ thuân với áp suất riêng phần khí Trong đó: : nồng độ khơng khí hòa tan A dung dịch nước (kg/m3 ) H: số Henry (kg/m3 /kPa) : phần mol khí pha khí : áp suất tổng tất pha (kPa) Nồng độ khơng khí hòa tan khỏi bình áp lực thường thấp so với mức độ cân định luật Henry khẳng định Tỷ lệ hai giá trị yếu tố hiệu Do có thay đổi định luật Henry cho bình áp lực: Trong f= tỷ lệ nồng độ khí khỏi bình áp lực với tỷ lệ nồng độ khí dự đốn định luật Henry 2.3 Sự hình thành bọt khí từ dung dịch q bão hòa Các bọt khí nhỏ, 100µm hơn, hình thành cách bơm nước tuần hồn q bão hòa áp lực vào bể tuyển vòi phun thiết kế đặc biệt, chênh lệch áp suất lớn vòi phun tạo bọt khí cách tự nhiên Bọt khí phát triển cố định khơng khí di chuyển nước Khi khơng khí thừa chuyển từ pha khí để hòa tan, bong bóng phát triển với kích thước Sự tăng trưởng bọt khí xảy tăng giảm áp suất thủy tĩnh kết dính Các phép đo kích thước bọt khí cho hệ thống DAF bọt khí trì phạm vi kích thước trạng thái ổn định từ 10-100µm Ước tính hợp lý cho kích thước bọt khí 40 µm Trạng thái ổn định phụ thuộc vào áp lực bình áp lực tốc độ dòng chảy Sự phun phải diễn cách nhanh chóng áp suất thấp có đủ để ngăn chặn dòng chảy tăng trưởng bọt khí bề mặt vùng lân cận hệ thống phun Để đảm bảo bọt khí nhỏ, chênh lệch áp lực khuyến khích từ 400 đến 600 kPa Theo định luật Henry, giảm áp suất tăng nhiệt độ khí tách khỏi nước Kích thước nhỏ Rmin bọt khí phụ thuộc vào lực bề mặt khí – nước 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 bình tuyển (Pa) 2.4 Bọt khí chất rắn va chạm dính bám vùng trộn Có ba chế để hình thành hỗn hợp khí-rắn: - Các bong bóng hình thành trước cấu trúc cụm xốp lớn (kích thước cụm xốp lớn nhiều so với quy mơ kích thước bọt khí) - Sự tăng trưởng bọt khí hạt cụm xốp - Va chạm bám dính bọt khí vào hạt Đối với trình DAF, chế thứ ba quan trọng Góc tiếp xúc hạt bọt 13 khí sử dụng để mơ tả mức độ bám dính bọt khí Ở góc tiếp xúc phải hữu hạn đủ lớn để lượng bám dính vào nước hạt rắn nhỏ lượng gắn kết nước Một góc tiếp xúc lớn cho hai kỵ nước dính ướt tốt Tuy nhiên, độ lớn góc tiếp xúc phụ thuộc vào kích thước bọt khí hạt Một quan điểm khác bám dính hỗn hợp khí- cặn bọt khí nhỏ góc tiếp xúc hữu hạn khơng cần phải hình thành Đối với hạt kỵ nước tăng lên cách giảm điện tích âm Các hạt khác, chẳng hạn kết tủa Al(OH)3, có phân cực làm cho thấm nước Hiệu ứng thấm nước giảm trung hòa, hạt nhơm hydroxit có lớp phủ polymolecular thấm nước nên cản trở bong bóng bám dính Sự dính kết bọt khí ảnh hưởng đến số lượng kích thước bọt khí, nên gây ảnh hưởng đến trình tuyển Sự dính kết bọt khí xảy nước, lớp bọt tạo thành q trình tuyển Đơi dính kết làm tăng hiệu trình tuyển nổi, thường làm cản trở q trình Các hạt có kích thước nhỏ khó lên bề mặt, hạt có kích thước lớn lại tham gia q trình tuyển Mặt khác dính kết bọt khí làm giảm diện tích bề mặt thời gian lưu bọt khí bể Do q trình tuyển cần hạn chế tối đa ảnh hưởng xấu dính kết bọt khí gây 2.5 Sự vận chuyển bọt khí đến hạt rắn để tạo “mối liên hệ” “sự dính bám” Khả hình thành keo khí phụ thuộc vào chất hạt cặn phân chia thành ba dạng: Các hạt cặn va chạm vào bọt khí dính bám Các bọt khí phát sinh lớp cặn lơ lửng Đầu tiên lớp cặn hình thành bọt khí nhỏ, sau chúng va chạm dính bám với tạo thành bọt khí lớn có đủ khả tuyển Đối với hiệu khu vực phản ứng (dNfl/dt) xác định giảm số lượng cụm xốp với thời gian, kích cỡ cụm xốp bọt khí (dfl db) nồng độ định nghĩa thông số trình có liên quan: dNft/dt = - (3/2)()()/ Trong đó: : hiệu bám dính : tổng thu hiệu : đường kính bọt khí : tốc độ gia tăng bọt khí : nồng độ cụm xốp : nồng độ khối lượng bọt khí Sự bám dính hỗn hợp khí-cặn coi chế động học phù hợp cho hiệu DAF, tùy thuộc vào kích thước cụm xốp bọt khí (dn db), kết hợp ηT 2.6 Tốc độ vận chuyển khơng khí: Sự vận chuyển khí pha để hòa tan khí tỷ lệ thuận với độ thiếu hụt 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 pha thời gian t (kg/m3 ) Hệ số chuyển đổi khối lượng = (D/ ) (A/pha khí nước)/V(bình áp lực) Trong D= liên tục khuếch tán khơng khí hòa tan nước (m2 /s) : độ dày màng (m) A (pha khí nước) = diện tích bề mặt khí nước bình áp lực (m2 ) V (bình áp lực) = thể tích bình áp lực (m3 ) 3.2.7 Quá trình tách cặn khỏi nước bể tuyển Tách cặn khỏi nước bể tuyển xảy theo hai chiều ngược Hỗn hợp cặn khí lên trên, nước xuống để vào máng thu dẫn Vận tốc nước xuống hay tải trọng bề mặt bể tuyển lượng cặn tách phụ thuộc vào tính chất cặn tỷ số = Trong xử lý nước thường nước nguồn có chứa cặn thơ hạt cặn nặng, chắc, diện tích bề mặt khơng phát triển thường không bị đẩy lên bề mặt mà lắng xuống đáy bể, ví bể phải cấu tạo hố thu cặn thiết bị xả cặn Tiểu chuẩn thiết kế bể tuyển lấy giới hạn: - Tải trọng bề mặt : – 10m3 /m2 h - Thời gian lưu nước bể: 20 – 40 phút - Lượng khơng khí tiêu thụ : 15 – 50 lít/ m3 nước - Cấu tạo bể tuyển nổi: + Bể tuyển có bề mặt hình chữ nhật + Bể tuyển 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 ngăn, lấy mm/s 0,6: hệ số đổi đơn vị Thời gian lưu nước ngăn –6 phút Chiều cao vùng lắng H0 = 1,5m, tổng chiều cao bể H⏀= 3m Đường kính bể D⏀= Trong đó: to: thời gian lưu nước bể từ 20-40 phút 3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất trình tuyển ⏀ Keo tụ tạo ⏀ Hàm lượng nước thô ⏀ Tốc độ dâng lên hạt ⏀ Tỷ lệ khí-rắn ⏀ Tốc độ tải trọng thủy lực ⏀ Tốc độ tải trọng rắn ⏀ Tỷ số tuần hồn Keo tụ tạo bơng Keo tụ trình gây ổn định hạt keo nhằm tăng va chạm hạt để xuất hạt keo lớn Chất keo tụ hóa chất thêm vào để làm độ bền hạt keo hỗ trợ hình thành bơng cặn Keo tụ q trình mang lại va chạm hạt lơ lủng ổn định chất keo tạo thành hạt lớn loại bỏ dễ dàng Keo tụ tạo chế mà hạt lơ lửng vật liệu dạng keo loại bỏ khỏi nước q trình tuyển Tối ưu hóa keo tụ-tạo bơng chần thiết cho hiệu suất tối ưu hệ thống tuyển Định lượng loại lượng hóa chất, cường độ khuấy trộn, thời gian lưu vùng trộn, vùng tạo bơng kích thước bơng cặn thơng số đóng vai trò quan trọng việc thực hệ thống tuyển Tỷ lệ khí-rắn (A/S) Tỷ lệ khí-rắn tham số thiết kế cho hệ thống tuyển khơng khí hòa tan Nó thước đo tiêu chuẩn trọng lượng khơng khí hòa tan nước trọng lượng chất rắn loại bỏ khỏi nước Giá trị thông thường 0.005 – 0.06 ml/mg Đối với bình khơng khí bão hòa, mối quan hệ tỷ lệ khí-rắn, độ hòa tan khơng khí, áp suất vận hành, nồng độ chất rắn, tốc độ dòng chảy tỷ số tuần hồn cho phương trình sau: Trong đó: A/S: tỷ lệ khí-rắn, ml(khơng khí)/mg(chất rắn) 1.3: trọng lượng khơng đổi khơng khí, mg/ml 17 Sa: hệ số tan khơng khí nước, ml/l F: phần bão hòa, thường 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 thơ, m3/ngày đêm Tỷ số tuần hồn Tỷ số tuần hoàn phần cuối nước thải trả bão hòa với khơng khí chịu áp lực trước vào bể tuyển nơi áp suất giảm đột ngột gây xuất bọt khí nhỏ Phạm vi tỷ số tuần hồn từ 8% đến 150% dựa chất lượng nước thô xử lý Theo định luật Henry, tỷ lệ khơng khí hòa tan tỷ lệ thuận với áp suất tuyệt đối riêng phần khí tiếp xúc với chất lỏng Do đó, cao áp suất vận hành máy bơm DAF bình khơng khí/ độ bão hòa nước, tăng khả hòa tan khơng khí, hạ thấp u cầu tỷ số tuần hồn Tốc độ tải trọng thủy lực Tốc độ tải trọng thủy lực phép đo khối lượng nước thải áp dụng hiệu đơn vị diện tích bề mặt đơn vị thời gian Kết số trình thiết kế thể vận tốc dâng lên tương đương với đơn vị m/giờ HLR tùy thuộc yếu tố khác nhau, nhiên dao động từ đến 12 m/giờ HLR tối đa phải nhỏ tốc độ tăng tối thiểu hạt rắn-khí để đảm bảo tất hạt lên mặt nước trước đến chỗ tháo nước cuối bể Tốc độ tải trọng thủy lực kiển tra dựa tốc độ dòng chảy đến tổng số tốc độ dong chảy (dòng chảy đến+tuần hồn Cơng nghiệp Tốc độ tải trọng thủy lực Nhà máy dầu khí/ hóa dầu/ lượng đến m/giờ Chế biến thịt/mỡ đến m/giờ Nhà máy gia cầm/sữa đến m/giờ Ngành công nghiệp giấy bột giấy đến m/giờ Xử lý nước thải đô thị đến 12 m/giờ Tỷ lệ tải trọng chất rắn (SLR) Tỷ lệ tải trọng chất rắn tốc độ tổng chất rắn FOG dòng chảy đến ảnh hưởng đến diện tích bề mặt bể tuyển Đơn vị khối lượng đơn vị diện tích đone vị thời gian SLR thiết kế trung bình khoảng từ kg/m2.giờ lên đến 18 kg/m2.giờ với hóa chất Nhìn chung, tăng SLR làm giảm nồng độ 3.4 Hệ thống tuyển áp lực Các hệ thống phổ biến sản xuất đơn vị hình chữ nhật cách sử dụng áp suất cao để cung cấp khơng khí hòa tan khuyến khích tuyển Như minh họa hình 9, hệ thống DAF bao gồm sau thành phần: Hình Bộ phận cùa DAF - Sự liên thông ngăn buồng tuyển Giúp cho pha trộn khơng khí hòa tan với dòng nước vào cho phép bong bóng đính kèm vào hạt keo tụ Ngồi chí cung cấp phân phối dòng chảy theo chiều ngang đơn vị - Buồng tuyển cung cấp diện tích bề mặt cho khơng khí hòa tan hạt keo tụ Hệ thống sử dụng việc sử dụng nghiêng để làm tăng thêm phân chia chất rắn nước thải với đặc tính định - Gàu xúc bọt bề mặt: Là phương tiện để loại bỏ hạt keo tụ để chuyển khử nước xử lí khác Các hệ thống phổ biến sử dụng liên quan đến loạt lần kéo để gạt bọt hệ thống ổ đĩa xích với biến tốc độ, ổ đĩa đếm thời gian vận hành - Phần cuối gàu xúc bọt bề mặt khoan Giúp cho việc loại bỏ chất rắn đơn vị - Nước thải xả vào vách ngăn buồng.Cho phép tách vật chất nước làm rõ từ hạt keo tụ đáy trước xả từ đơn vị thông qua đập tràn cấu trúc tương tự - Hệ thống khơng khí bão hòa Cung cấp lượng khơng khí cần thiết hình thức thích hợp (kích thước bong bóng khoảng 10-100m), tốt sử dụng dòng tái chế tối thiểu Các hệ thống khơng khí bão hòa sử dụng bơm áp suất cao để đẩy khơng khí vào dung dịch với hai dòng chảy đến dòng rác thải làm rõ Giải pháp máy nước sau đưa vào dòng nước thải đến để khuyến khích liên kết bong bóng rắn tuyển Trong đơn vị DAF trung tâm thiết kế hệ thống DAF, có số khác hỗ trợ hệ thống quan trọng hoạt động DAF tối ưu Một số hệ thống thể Hình 10, thiết kế trình DAF điển hình: 20 Hình 10 Một thiết kế trình DAF điển hình - Sàng lọc Mặc dù bị bỏ qua nhà thiết kế, kiểm tra thích hợp lớn chất rắn (ví dụ, chất rắn sản phẩm, thùng rác) từ nước thải công nghiệp làm giảm chất rắn DAF, cải thiện điều hóa hạ lưu, làm giảm bảo trì yêu cầu bị tắc van, máy bơm, đường ống - Thiết bị hiệu chỉnh làm cân thích hợp nước thải cơng nghiệp cung cấp thường xun dòng đồng để đơn vị DAF Điều nâng cao hiệu q trình hóa học sử dụng để làm đơng kết bơng trước tuyển Ngồi ra, cân thủy lực làm giảm tăng cao gây hại đến hiệu suất hệ thống - Hầu hết hóa chất sử dụng kết bơng ống, bể tuyển cho vào trình dòng chảy Những hệ thống phải thiết kế để cung cấp lượng thời gian thích hợp pha trộn lượng cho chương trình hóa học sử dụng Ngồi ra, kiểm sốt pH xác thường cải thiện hiệu suất hầu hết trình hóa học - Xử lí bọt bề mặt Các hóa chất điều chỉnh độ pH, chất keo tụ, polyme sử dụng q trình hóa học ảnh hưởng đến phương thức xử lý bọt bề mặt tạo hệ thống DAF Độ ẩm khối lượng vật liệu phục ... dày màng (m) A (pha khí nước) = diện tích bề mặt khí nước bình áp lực (m2 ) V (bình áp lực) = thể tích bình áp lực (m3 ) 3.2.7 Q trình tách cặn khỏi nước bể tuyển Tách cặn khỏi nước bể tuyển xảy... lực bề mặt khí – nước độ giảm áp lực : Rmin = 2σ /(P-P 1), (mm) Trong đó: σ : lực căng bề mặt khí – nước P : áp suất bão hồ (Pa) P1 : áp suất bình tuyển (Pa) 2.4 Bọt khí chất rắn va chạm dính bám... (kg/m3 ) C: nồng độ khí hòa tan pha thời gian t (kg/m3 ) Hệ số chuyển đổi khối lượng = (D/ ) (A/pha khí nước)/V(bình áp lực) Trong D= liên tục khuếch tán khơng khí hòa tan nước (m2 /s) : độ dày