Tuyển nổi khí hòa tan (DAF)

2.5.2. Các giai đoạn trong tuyển nổi khí hòa tan

• 
  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.
  

• 
  Chuyển không khí theo đường ống hút của bơm
  

Hình 2.11: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 2.12:Sơ đồ cấp khí theo đường ống có áp của bơm

Công suất bơm nước của máy bơm được đảm bảo, chế độ làm việc của bơm ổn định. Tuy nhiên, có thể nước sẽ đi vào hệ thống bơm nên để cho nước không rơi vào ống đưa khí vào phải làm thêm van một chiều.

• 
  Dùng ejector
  

Hình 2.13:Sơ đồ ejector

Hai hình 2.12 và 2.12 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.

Phương án “chuyển không khí theo đường ống có áp của bơm” được nhóm dùng để xây dựng mô hình bể tuyển nổi do công suất bơm nước của máy bơm được đảm bảo, chế độ làm việc của bơm ổn định. Khí và nước sau đó được đi vào bồn khí nên vẫn đảm bảo độ hòa tan của 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 thuận với áp suất riêng phần của khí.

Trong đó:

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

H: hằng số Henry (kg/m³/kPa)

x_A: phần mol khí trong pha khí

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

Nồng độ không khí hòa tan khi ra khỏi bồn khí tan 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:

Với f là tỷ lệ nồng độ khí ra khỏi bình áp lực với tỷ lệ nồng độ khí được dự đoán bởi định luật Henry.

Do đó, để hiệu quả của quá trình khí hòa tan vào nước được cao hơn thì ta tăng áp suất lên 5- 6atm.

2.5.2.3. 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 R_min của bọt khí phụ thuộc vào lực căn bề mặt khí – nước và độ giảm áp lực :

R_min = _ (m)

Trong đó:

- _lực căng bề mặt khí – nước

- P: áp suất bão hoà (Pa)

- P₁: áp suất trong bình tuyển nổi (Pa).

2.5.2.4. 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.
  

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.

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 (dN_fl/dt) được xác định là sự giảm số lượng của cụm xốp với thời gian, kích cỡ cụm xốp và bọt khí (d_fl và d_b) và nồng độ được định nghĩa là thông số quá trình có liên quan:

dN_ft/dt = - (3/2)(α_pbη_T)(Φ_bν_bN_fl)/d_b

Trong đó:

- α_pb : hiệu quả bám dính

- η_T : tổng thu hiệu quả nhất

- d_b : đường kính bọt khí

- ν_b : tốc độ gia tăng của bọt khí

- N_fl : nồng độ cụm xốp

- Φ_b : 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 (d_n và d_b),và sự kết hợp ở η_T.

2.5.2.6.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/m³s)

- t = thời gian trôi qua (s)

- K_La: hệ số chuyển đổi khối lượng (s^-1)

- C_S: 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

K_La = _

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).

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/m²h.

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 H_k = 1.5m.

Đường kính ngăn tạo bọt:

D_k= D - d

Trong đó:

- D_k là đường kính ngăn tạo bọt

- D là đường kính bể tuyển nổi

- d là đường kính ống trung tâm

Thời gian lưu nước trong ngăn 4- 6 phút.

Đường kính của bể:

Với: A là diện tích bề mặt tuyển nổi