Nguyên lý hoạt động của bể tuyển nổi trong nhà máy nước

Phương pháp tuyển nổi là tạo ra một số lượng lớn các bong bóng nhỏ trong nước thông qua một công nghệ nhất định để chúng bám vào các hạt lơ lửng trong nước thải. Khi mật độ giảm xuống thấp hơn nước, chúng nổi lên mặt nước tạo thành cặn, từ đó loại bỏ các hạt lơ lửng trong nước. Phương pháp tuyển nổi chủ yếu được sử dụng để xử lý nước chứa các hạt lơ lửng có mật độ gần bằng 1 và khó loại bỏ bằng phương pháp lắng đọng như nitơ amoniac, chất hữu cơ, hạt keo, nguồn nước có nhiệt độ thấp và độ đục thấp có nhiều tảo.

1. Sức căng bề mặt và năng lượng tự do bề mặt Khi chất lỏng và khí tiếp xúc, các phân tử bề mặt của chất lỏng và các phân tử bên trong chịu các lực hấp dẫn phân tử khác nhau và lực hút lẫn nhau giữa các phân tử chất lỏng, tức là lực kết dính, là lớn hơn nhiều so với độ bám dính giữa các phân tử chất lỏng và phân tử khí. Do đó, các phân tử bề mặt và phân tử bên trong của chất lỏng chịu tác dụng của các lực không đồng đều, nghĩa là hợp lực lên các phân tử bên trong của chất lỏng bằng 0 và hợp lực lên các phân tử bề mặt của chất lỏng lớn hơn 0. Độ lớn của lực tổng hợp bằng nhau và hướng vuông góc với bề mặt tiếp xúc và hướng vào bên trong chất lỏng và chất khí. Lực này cố gắng làm giảm diện tích bề mặt của chất lỏng. Nước có thể tích rất nhỏ trong không khí tồn tại ở dạng giọt nước (tức là hình cầu, vì diện tích bề mặt của quả cầu là nhỏ nhất). Điều tương tự cũng đúng với pha khí.

2. Không khí trong nước tồn tại ở dạng bong bóng (tức là hình cầu), và sức căng bề mặt là lực hút giữa các phân tử bề mặt, tồn tại đồng thời với lực liên kết giữa các phân tử và hướng tiếp tuyến với bề mặt tiếp xúc. Các phân tử bề mặt của chất lỏng vẫn còn ở trên bề mặt chất lỏng dưới tác động của sự gắn kết, có nghĩa là lực hút giữa các phân tử bề mặt của chất lỏng, tức là lực căng bề mặt, lớn hơn lực hút giữa các phân tử bên trong. Do đó, các phân tử bề mặt của chất lỏng có nhiều năng lượng hơn các phân tử bên trong.

Cùng một thể tích không khí tạo thành các bong bóng nhỏ phân tán và diện tích bề mặt của nó lớn hơn diện tích bề mặt của bong bóng lớn, điều này sẽ làm tăng khả năng va chạm và bám dính giữa bong bóng và hạt; Ngoài ra, sự khuấy trộn thủy lực mạnh mẽ của các bong bóng lớn trong quá trình nổi lên không có lợi cho sự bám dính của bong bóng và các hạt, đồng thời sẽ đánh bật các bong bóng bị hấp phụ, do đó các bong bóng nhỏ hình thành có lợi cho quá trình tuyển nổi.

Thực tiễn đã chứng minh rằng đường kính bong bóng dưới 100um có khả năng bám dính tốt vào các hạt. Bản thân các bong bóng có xu hướng dính vào nhau và làm giảm năng lượng bề mặt, tức là hiệu ứng hợp nhất của các bong bóng, điều này cũng sẽ làm giảm khả năng va chạm và bám dính. Nếu sự kết hợp giữa bong bóng và các hạt, tức là bọt, nổi lên trên mặt nước và nhanh chóng vỡ ra, các hạt bị hấp phụ sẽ không có thời gian để loại bỏ bằng thiết bị cạo và chìm xuống nước trở lại. Do đó, phải có một lượng chất hoạt động bề mặt nhất định trong nước để ngăn chặn sự kết hợp của bong bóng và sự sụp đổ nhanh chóng của bong bóng. Chất hoạt động bề mặt còn được gọi là chất tạo bọt. Hầu hết chúng bao gồm các phân tử phân cực và không phân cực. Đầu tròn tượng trưng cho nhóm cực, dễ tan trong nước và đi sâu vào trong nước (vì nước là phân tử phân cực mạnh); đuôi tượng trưng cho nhóm không phân cực, là nhóm kỵ nước và đi sâu vào trong bong bóng. Lực đẩy của các điện tích cùng dấu có thể ngăn chặn sự hợp nhất và sụp đổ của bong bóng, do đó tăng cường tính ổn định của bọt. Khi không có đủ chất hoạt động bề mặt trong nước, để đảm bảo hiệu quả tuyển nổi, cần thêm chất hoạt động bề mặt vào và xác định lượng bổ sung theo phép thử.

Nếu có quá nhiều chất hoạt động bề mặt trong nước, các bong bóng hoặc hạt (như hạt dầu) quá ổn định do cùng một dấu hiệu và cũng khó tạo thành bọt. Bột rắn ưa nước có trong nước có góc thấm ướt từ 0 đến 90 độ, do đó một phần nhỏ bề mặt của nó dính vào dầu. Các giọt dầu bị bao phủ bởi các loại bột rắn này nên khó tạo bọt. Do đó, phương pháp hiệu quả là sử dụng chất keo tụ để tăng lượng keo tích điện trong nước, loại bỏ lực đẩy của điện tích và cho phép các hạt bám vào bong bóng.

Theo áp suất khác nhau mà tại đó bong bóng được kết tủa, tuyển nổi không khí hòa tan có thể được chia thành hai loại: tuyển nổi không khí hòa tan chân không và tuyển nổi không khí hòa tan có áp suất.

Tuyển nổi không khí hòa tan chân không là quá trình không khí hòa tan vào nước dưới áp suất bình thường hoặc điều kiện áp suất và kết tủa trong điều kiện áp suất âm. Đặc điểm chính của nó là: áp suất cần thiết để hòa tan không khí thấp hơn áp suất hòa tan không khí, và tiêu thụ điện năng và thiết bị điện ít hơn; tuyển nổi không khí hoạt động trong điều kiện áp suất âm, bể tuyển nổi không khí cần phải được đóng lại, khiến cấu trúc của bể tuyển nổi không khí phức tạp, việc bảo trì và vận hành, bảo trì thiết bị khó khăn và lượng không khí hòa tan nhỏ. Phương pháp này chỉ phù hợp để xử lý nước thải có nồng độ chất ô nhiễm thấp và ít được sử dụng trong sản xuất.

Không khí hòa tan có áp suất Không khí hòa tan vào nước trong điều kiện có áp suất và kết tủa dưới áp suất bình thường. Đặc điểm của nó là: lượng không khí hòa tan lớn, có thể cung cấp đủ vi bọt, có thể đáp ứng các yêu cầu khác nhau về tách chất rắn-lỏng và đảm bảo hiệu quả loại bỏ; kích thước hạt bong bóng được tạo ra sau khi giải nén và giải phóng nhỏ (20 ~ 100um), kích thước hạt đồng đều, các vi bọt tăng rất chậm trong bể tuyển nổi và sự xáo trộn trong bể nhỏ, đặc biệt thích hợp cho việc tách bông xốp và chất rắn mịn; thiết bị và quy trình tương đối đơn giản, bảo trì và quản lý thuận tiện. Tuyển nổi không khí hòa tan có áp suất là phương pháp tuyển nổi được sử dụng rộng rãi nhất trong sản xuất. Quy trình của nó bao gồm thiết bị bão hòa không khí, thiết bị xả khí, bể tuyển nổi, thiết bị loại bỏ xỉ, v.v. Có ba luồng quy trình cơ bản: luồng không khí hòa tan hoàn toàn, luồng không khí hòa tan một phần và luồng không khí hòa tan có áp suất hồi lưu.

Luồng không khí hòa tan hoàn toàn nhằm tạo áp suất và hòa tan toàn bộ nước thải, sau đó đi vào bể tuyển nổi thông qua thiết bị xả giảm áp để tách chất rắn-lỏng. So với hai quy trình còn lại, mức tiêu thụ điện năng cao, nhưng do không thêm nước không khí hòa tan nên thể tích của bể tuyển nổi nhỏ.

Dòng không khí hòa tan một phần nhằm tạo áp suất và hòa tan một phần nước thải, phần nước thải còn lại được đưa trực tiếp vào bể tuyển nổi. Quá trình này tiết kiệm điện hơn quá trình khí hòa tan hoàn toàn. Do một phần nước thải đi qua bình khí hòa tan nên thể tích của bình khí hòa tan tương đối nhỏ. Tuy nhiên, do lượng không khí có thể được cung cấp bởi khí hòa tan có áp suất của một phần nước thải là nhỏ nên muốn cung cấp cùng một lượng không khí thì phải tăng áp suất của bình khí hòa tan. Khí hòa tan được điều áp hồi lưu sẽ hồi lưu một phần nước thải và tạo áp suất trực tiếp vào bể tuyển nổi. Phương pháp này phù hợp để tách chất rắn và chất lỏng trong nước có hàm lượng chất lơ lửng cao.

Dưới đây chúng tôi sẽ giới thiệu các thiết bị cần thiết cho tuyển nổi. Thiết bị bão hòa không khí bao gồm một máy bơm nước điều áp và cung cấp không khí, khí hòa tan và các thiết bị khác. Chức năng của nó là hòa tan không khí trong nước dưới một áp suất nhất định để cung cấp nước khí hòa tan cần thiết cho xử lý nước.

1. Bơm tăng áp

Máy bơm tăng áp được sử dụng để cung cấp một lượng nước nhất định ở áp suất nhất định. Nếu áp suất của bơm tăng áp quá cao, lượng không khí hòa tan trên một đơn vị thể tích sẽ tăng lên. Sau khi giải nén, một lượng lớn không khí có thể bị kết tủa, điều này sẽ thúc đẩy sự kết tụ của các vi bọt và không có lợi cho việc tách tuyển nổi. Ngoài ra, do lượng nước khí hòa tan cần thiết dưới áp suất cao giảm nên không có lợi cho việc trộn hoàn toàn nước khí hòa tan và nước thải ban đầu. Ngược lại, nếu áp suất của bơm tăng áp quá thấp thì lượng nước trong không khí hòa tan chắc chắn sẽ tăng lên, từ đó làm tăng thể tích của bể tuyển nổi.

2. Cung cấp không khí

Cung cấp không khí có thể được chia thành ba cách: cung cấp không khí bằng ống hút bơm nước, cung cấp không khí bằng ống áp lực bơm nước và cung cấp không khí cho máy nén khí bơm nước. Ống hút máy bơm nước cấp khí hút có thể chia làm hai dạng: một là dùng áp suất âm trong ống hút của máy bơm nước để mở một lỗ nhỏ trên ống hút, không khí được hút vào bình chứa khí hòa tan sau khi bị hút thông qua thiết bị đo và điều chỉnh lượng không khí; cách còn lại là nối ống nhánh với ống áp lực của máy bơm nước và lắp đầu phun trên ống nhánh. Máy phun được sử dụng để hút không khí và đưa nó đến ống hút, sau đó đến bể chứa khí hòa tan thông qua máy bơm nước. Ưu điểm của nó là thiết bị đơn giản, không cần máy nén khí; Nhược điểm là lượng không khí hòa tan nhỏ, thường không vượt quá 10% (tỷ lệ thể tích) của lưu lượng bơm nước, nếu không sẽ gây ra rung động bất thường cho máy bơm nước.

Cung cấp không khí bằng ống áp lực của máy bơm nước là sử dụng đầu phun được lắp đặt trên đường ống áp lực của máy bơm nước để hút không khí. Ưu điểm của nó là thiết bị đơn giản, không cần máy nén khí, không có hiện tượng rung lắc bất thường của máy bơm nước và nguy cơ tạo bọt; Nhược điểm của nó là tổn thất năng lượng lớn của chính máy phun, thường khoảng 30% và áp suất ở đầu ra của máy bơm nước lớn hơn áp suất nước không khí hòa tan cần thiết.

Cấp khí bằng máy nén biến áp cho máy bơm nước là phương pháp cấp khí được sử dụng phổ biến hiện nay. Không khí hòa tan trong phương pháp này được cung cấp bởi máy nén khí, nước có áp suất đi vào bình khí hòa tan chỉ bằng bơm nước hoặc có thể kết hợp với khí nén để vào bình khí hòa tan. Để ngăn không cho khí nén hoặc nước có áp suất chảy ngược vào máy bơm nước hoặc máy nén khí do vận hành không đúng cách, người ta thường sử dụng cùng một hướng từ trên xuống dưới để chảy vào bình khí hòa tan.

Ưu điểm của nó là công suất của máy nén khí nhỏ vì cần ít không khí hơn dưới một áp suất nhất định. Tiêu thụ năng lượng nhỏ; nhược điểm là tiếng ồn nhẹ và ô nhiễm dầu bôi trơn và làm mát. Điều đặc biệt quan trọng là kiểm soát áp suất của máy bơm nước và máy nén khí và làm cho chúng đạt đến trạng thái cân bằng.

3. Bình khí hòa tan

Chức năng của bể chứa khí hòa tan là tích hợp sự tiếp xúc hoàn toàn giữa nước và không khí và đẩy nhanh quá trình hòa tan không khí. Có một số hình thức được sử dụng phổ biến hiện nay. Có hai loại bình chứa khí hòa tan: bình rỗng và bình chứa đầy. Các bể chứa đầy có thể làm tăng mức độ nhiễu loạn, cải thiện độ phân tán của pha lỏng và liên tục cập nhật giao diện giữa pha lỏng và pha khí, do đó hiệu suất không khí hòa tan cao. Có nhiều dạng bình chứa khí hòa tan được lấp đầy. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hiệu suất hòa tan không khí của các vòng bậc là cao nhất, có thể đạt hơn 90%, tiếp theo là vòng Raschig và thấp nhất là tấm tôn dạng cuộn. Hiệu suất không khí hòa tan của cuộn tôn cao hơn khoảng 25% so với thùng rỗng. Khi độ dày của lớp đóng gói vượt quá 0,8m, nó có thể đạt độ bão hòa. Tải trọng bề mặt của bình chứa khí hòa tan thường là 300~2500m3/(m2·d), do đó, bình chứa khí hòa tan chứa đầy thường được sử dụng.

4. Máy thoát khí hòa tan

Chức năng của thiết bị xả khí là nhanh chóng giải phóng không khí trong nước không khí hòa tan có áp suất dưới dạng vi bọt sau khi giải nén. Đường kính của vi bọt được yêu cầu là 20 ~ 100mm. Đường kính và số lượng vi bọt có ảnh hưởng lớn đến hiệu ứng tuyển nổi. Hiện nay, thiết bị giải phóng áp suất được sử dụng trong sản xuất được chia thành hai loại: một loại là van giảm áp và loại còn lại là van xả. Van giảm áp sử dụng van chặn hiện có, nhược điểm của nó là: độ mở của nhiều van không nhất quán với nhau và độ mở tối ưu của nó khó điều chỉnh và kiểm soát nên dòng chảy ra từ mỗi van là khác nhau, và kích thước của bong bóng được giải phóng không nhất quán; van được lắp đặt bên ngoài bể tuyển nổi, sau khi giảm áp sẽ được đưa đến bể tuyển nổi thông qua một đoạn đường ống. Nếu đoạn đường ống này dài thì hiện tượng sáp nhập bong bóng nghiêm trọng, ảnh hưởng đến hiệu ứng tuyển nổi; Ngoài ra, dưới tác động của nước không khí hòa tan có áp suất ngày đêm, lõi van và vít thân van rất dễ bị lỏng, lỗ nạp nước, khoang lỗ hở, hộp lỗ và lỗ thoát nước khiến dòng chảy thay đổi, làm cho hoạt động không ổn định.

Ở Trung Quốc có loại TS, loại TJ và loại TV. Bộ giải phóng không khí hòa tan loại TS, khi nước không khí hòa tan có áp suất đi qua hộp lỗ, nước không khí hòa tan liên tục trải qua quá trình co lại, khuếch tán, tác động, hồi lưu, đùn, bức xạ, xoáy và các trạng thái dòng chảy khác, và trong phạm vi {{{{5} }}}.1s, tổn thất áp suất khoảng 95% và không khí hòa tan nhanh chóng được giải phóng. Ưu điểm của bộ giải phóng loại TS là giảm áp suất và tiêu tán năng lượng triệt để. Hiệu suất giải phóng khí một lần có thể lên tới 99% hoặc hơn, gần như toàn bộ khí hòa tan trong nước được giải phóng; việc tiêu tán năng lượng và giải phóng khí được hoàn thành ngay lập tức. Sau khi nước khí hòa tan 0,3MPa đi qua bộ giải phóng, đường kính trung bình của bong bóng là 20 ~ 30um, giúp kiểm soát các bong bóng vô dụng ở mức tối thiểu; nó có thể kiểm soát tốt hơn tốc độ dòng chảy của đầu ra của bộ giải phóng, loại bỏ tác hại của các khối nước phá vỡ dòng nước; ngăn chặn khả năng bong bóng hợp nhất trên đường đi và cải thiện hiệu ứng tuyển nổi. Nhược điểm của nó là lưu lượng nước trong bộ giải phóng nhỏ và đôi khi bị tắc do chất lơ lửng trong nước khí hòa tan có áp suất. Bộ nhả đặc biệt loại TV và TJ sử dụng thiết bị khí nén hoặc chân không để mở khe trong bộ nhả để giải phóng nước khí hòa tan và các mảnh vụn trong đó có thể được rửa sạch mà không cần tháo rời bộ nhả. Sử dụng hiệu ứng nổi ổn định.

Tóm lại, quá trình tuyển nổi nước trong nhà máy nước đóng vai trò quan trọng trong công nghệ sản xuất nước. Nó có thể loại bỏ hiệu quả chất lơ lửng, dầu mỡ, cặn và nước có hàm lượng tảo cao trong nước. Thiết bị tuyển nổi có mức đầu tư nhỏ, diện tích nhỏ và mức độ tự động hóa cao. Nó có tác dụng rất đáng kể trong việc xử lý chất lượng nước của cây thủy sinh.