Vliv provozních parametrů DAF na separační účinnost procesu
Účinnost flotace jako separačního procesu používaného při úpravě vody je ovlivněna celou řadou faktorů. V příspěvku jsou prezentovány dílčí výsledky výzkumu na toto téma, konkrétně je demonstrován vliv nasycení upravované vody vzduchem a poloha přepážky mezi kontaktní a separační zónou.
Úvodem
Flotace patří mezi technologické procesy využívané v úpravě vody. Obvykle je zařazována jako první separační stupeň ve dvoustupňové úpravě namísto sedimentace. Flotace je v podstatě obrácený proces sedimentace, kdy částice s nižší hustotou než voda, jsou vynášeny na hladinu a odtud odstraňovány. Princip flotace je ten, že do nádrže je pod tlakem vháněn vzduch, mikrobublinky vzduchu se spojují s nečistotami přítomnými ve vodě, čímž takto utvořené komplexy získají nižší specifickou hmotnost jako voda a jsou vynášeny k povrchu. Účinnost flotace je poměrně vysoká, ale i přesto se nedoporučuje ji použít jako jediný separační stupeň [6].
Poprvé byla flotace používána již v antickém Řecku, kdy Řekové takto separovali minerály z rud na základě využití povrchového napětí vody. Od šedesátých let 19. století je flotace využívána při úpravě a zpracování železných rud. Pro úpravu pitné vody je flotace využívána zhruba od šedesátých let 20. století. V České republice byla poprvé použita na úpravně vody Mostiště [2].
Flotace je doporučena k využití zejména pro úpravu povrchové vody s nižším stupněm zákalu. Vhodná je rovněž pro úpravu povrchové vody s vysokým obsahem organických látek, včetně huminových [1, 7].
Typy flotace
Podle způsobu vytváření vzduchových bublin v upravované vodě jsou rozlišovány tři typy flotace:
- elektrolytickou flotaci,
- flotaci s mechanickou dispergací vzduchu (dispersed-air flotation),
- tlakovou flotaci rozpuštěným vzduchem (dissolved-air flotation).
Nejpoužívanějším typem flotace pro úpravu pitné vody je poslední zmiňovaný typ – tlaková flotace rozpuštěným vzduchem, označovaná často zkratkou DAF (z angl. dissolved-air flotation) [1].
V případě provedení tlakové flotace rozpuštěným vzduchem (dále DAF) jsou vzduchové bubliny tvořeny pomocí redukce tlaku ve vodním proudu nasyceném vzduchem. Podle způsobu rozpouštění vzduchu ve vodě lze hovořit o flotaci vakuové (podtlakové), mikroflotaci a tlakové flotaci. Nejpoužívanějším typem z těchto tří je flotace tlaková, která je založena na principu vhánění vzduchu pod tlakem do vody. Blíže jsou principy flotačního procesu popsány v odborné literatuře, např. [1, 3 a 4].
Tlaková flotace rozpuštěným vzduchem
Flotace, na rozdíl od sedimentace, je převážně využívána pro úpravu povrchových vod s nízkým zákalem a bohatých na organické a huminové látky. Pouze u vod s velmi nízkým množstvím rozpuštěných organických látek může být účinnost flotace značně omezena. Flotace je vhodná zejména pro separaci řas a sinic z eutrofizovaných vod [6]. Pro zvýšení separační účinnosti procesu lze předřadit koagulaci, čímž je možné dosáhnout vytvoření snadněji separovatelných agregátů.
Kinetika flotace
Kinetika flotace je podobná kinetice flokulace. Veškeré pochody se řídí Henryho zákonem, vyjadřujícím závislost rozpuštěného množství vzduchu na tlaku a teplotě. Vhodným uvolněním tlaku je možno docílit podle příslušného teplotně-tlakového diagramu uvolnění plynné fáze ve formě nejjemnějších vzduchových bublinek. Mikrobublinky se při tlakové vzdušné flotaci vytvářejí tak, že se kapalina v uzavřené nádobě nasytí za zvýšeného tlaku vzduchem. Po nasycení se tlak na dekompresní trysce uvolní, dochází ke snížení tlaku, a vzduch se z přesyceného roztoku uvolňuje ve formě mikrobublinek, projevujících se vizuálně mléčným zakalením. Jemné vzduchové bublinky pak vynášejí suspendované látky na hladinu. Proces tvorby mikrobublinek zahrnuje nukleaci a růst na základě koalescence. Počet nukleačních center je dán množstvím vzduchu převedeného do vody [3, 4]. Velikost bublinek závisí na velikosti syticího tlaku a dekompresního průtoku.
Čím je vyšší hodnota syticího tlaku, tím menší bublinky se tvoří. Dekompresní průtok musí být takový, aby zajistil tlakový rychlostní spád a zabránil zpětnému průtoku a růstu bublinek na povrchu trysky v blízkosti dekompresního systému. V systému tlakové vzdušné flotace rostou mikrobublinky jako pevné koule v laminárních podmínkách proudění a řídí se Stokesovým pravidlem, kde hlavní roli hraje teplota a viskozita vody. Mikrobublinky mají nižší vzestupnou rychlost, která způsobuje příznivější průběh fyzikálních a chemických reakcí. Doba zdržení ve flotační nádrži je delší a pravděpodobnost možnosti srážky mezi bublinkou a částicí je vyšší. Rychlost stoupání vzduchové bublinky je úměrná kvadrátu průměru, což možnost kolize mikrobublinek podstatně zvyšuje. Nenarušují homogenitu vyflotované vrstvy kalu. Makrobublinky spirálovitě stoupají k povrchu a interferují s pomalu stoupajícími mikrobublinkami. Vyskytují se jako elipsoidy nebo sférické kapky s vyšší rychlostí růstu. Negativně působí na vzniklé aglomeráty, při vzestupném proudu na ně naráží, narušují jejich strukturu, až je nakonec rozbijí. Velikost bublinky souvisí i s velikostí kontaktního úhlu, kdy malé bublinky se lépe nabalují na povrch částice. Velikost bublin závisí dále i na geometrickém tvaru a pracovních podmínkách dekompresní trysky. Na účinnost trysky působí také teplota a chemické složení sytící vody.
Částice a vzduchové bublinky jsou ve flotačním zařízení v intenzivním pohybu, neustále na sebe narážejí vlivem turbulence. Během vzájemných srážek dochází k adhezi částic k bublině. Partikule se chová jako jádro, na které se bublinka vzduchu nabalí. Vytváří se systém charakterizovaný povrchovým napětím a úhlem kontaktu. Vzduchová bublina zaujímá takový tvar, aby potenciální energie celého komplexu byla minimální [9]. Vlastní adheze vyžaduje, aby částice a bublina byly po určitou dobu ve vzájemném dotyku. Předpokladem účinného přilnutí vzduchové bubliny a suspendované částice je velikost úhlu dotyku v intervalu <0°, 90°>. Aby se vzduchová bublinka mohla uchytit na pevné částici, musí mít plynná fáze větší afinitu k povrchu částice než tekutá fáze [3].
Obr. 1 Tvorba agregátů při tlakové flotaci [3]
a – zachycení vzduchové bublinky na povrch částice (velikost stykového úhlu méně než 0° a více než 90°);
b, c, d – vznik komplexů vynášených k hladině flotační jednotky.
Flotační nádrž
Obr. 2 Schéma flotační nádrže, kde je znázorněno rozdělení kontaktní a separační zóny [1]
Proces separace se odehrává ve flotační nádrži, která je rozdělena na několik částí. Nádrže pro DAF mají dvě zóny, resp. funkce. Do první, kontaktní zóny (KZ), vtéká znečištěná voda. Zde dochází ke spojování bublinek s nečistotami a začínají se vytvářet agregáty. Druhá zóna, nazývaná též separační (SZ), slouží k vynášení agregátů s celkovou hustotou nižší jak voda k povrchu, kde se postupně vytváří vrstva kalu, která je následně stírána (různé provedení) a odváděna odkalovacím potrubím [1]. Rozdělení flotační nádrže je schématicky znázorněno na obrázku 2.
Účinnost separace
U vod povrchových je separační účinnost flotace poměrně dost vysoká. Odstranění organismů a mikroorganismů se pohybuje kolem 98–99,9 % v případě vysokého stupně znečištění. Účinnost při odželezování bývá kolem 96–98 % a účinnost odstranění organických látek je kolem 70 % u vysoce eutrofizovaných vod [6].
Účinnost flotace může být značně ovlivněna vnějšími faktory. Mezi ty nejpodstatnější patří koagulace, flokulace, doba flokulace, stupeň nasycení vzduchem a jiné, jako například odstraňování kalu nebo množství vháněného vzduchu.
Můžeme tedy říci, že účinnost flotace je podstatně ovlivněna provozními parametry procesu, jako např.: velikost nádrže a jejích zón, dávkování a dávka chemikálií, množství rozpuštěného vzduchu a velikost bublin [1].
V některých případech separace je flotace několikanásobně efektivnější než sedimentace. U flotace není třeba použití různých zatěžkávadel na rozdíl od sedimentace. Rovněž potřebná plocha je 5–10násobně menší jak u sedimentace. Účinnost DAF je ovlivněna kvalitou surové vody méně než u ostatních technologií.
Laboratorní výzkum
Obr. 3 Modelová flotační nádrž
S motivací ověřit vliv některých z výše uvedených faktorů na separační účinnost flotace byl proveden laboratorní výzkum ve spolupráci s finskou „Oulu University of Applied Sciences“.
Cílem práce bylo stanovení účinnosti odstranění zákalu a UV absorbance separace pomocí DAF při různých podmínkách. Zkoumána byla účinnost procesu flotace bez použití chemikálií a s použitím chemikálií (koagulantů), tj. s předřazenou koagulací. Pro obě varianty byl hledán vliv polohy přepážky kontaktní zóny (viz schéma nádrže) a dále pro každou polohu přepážky byla stanovena délka separační zóny podle různých dob zdržení – ty byly určeny celkem tři: 5, 10 a 15 minut. Při měření byl zohledněn i vliv množství přidávaného rozpuštěného vzduchu Qair (jako podíl na celkovém průtoku přicházejícího do nádrže – tvořený vodou a vzduchem).
Obr. 4 Schéma modelové flotační nádrže
Rozměry modelové nádrže byly následující: délka 1,6 m, šířka 0,8 m; výška 0,8 m; hladina vody 0,56 m. Průtok dostupný v laboratoři 6,24 l.min−1, tj. 0,104 l.s−1.
Surová voda pro laboratorní pokusy byla odebírána z řeky Oulu River, která protéká finským městem Oulu, z hloubky cca 1 m pod hladinou. Surová voda vykazovala průměrnou hodnotu pH kolem 7,3 a hodnoty zákalu byly v průběhu měření proměnlivé (viz tabulky níže).
Výsledky měření
V další části příspěvku uvádíme výsledky laboratorního měření na popsané modelové flotační nádrži. Jak již bylo uvedeno výše, byl prováděn vždy pokus se dvěma polohami přepážky mezi kontaktní a separační zónou, přičemž pro obě polohy byl proveden pokus bez a s přidáním koagulantu.
V tabulkách je vždy v prvním sloupci uveden podíl rozpuštěného vzduchu, dále doba zdržení v kontaktní zóně (KZ), která byla stanovena z objemu a celkového průtoku. Ve třetím sloupci jsou vypočítané hodnoty délky separační zóny pro stanovené doby zdržení (5, 10 a 15 min). Pátý sloupec odpovídá součtu dob zdržení v kontaktní a separační zóně. Pravá část tabulek obsahuje údaje o kvalitě surové a upravené vody v ukazateli pH a zákal (pro surovou a upravenou vodu).
V grafech osa x znázorňuje celkovou dobu zdržení (celkově v kontaktní i separační zóně) a na ose y je vynesena účinnost v ukazateli zákal [NTU].
Jako koagulant byl při všech variantách pokusů použit PAX 18 (polyaluminiumchlorid) s dávkou 50 mg.l−1. Pro případnou úpravu pH byl použit buďto NaOH (pro zvýšení) nebo H2SO4 (pro snížení). Při předchozích výzkumech na Oulu university bylo prokázáno, že koagulant PAX je pro daný typ surové vody nejúčinnější při pH 6,2.
| Nasycení vzduchem [%] | Doba zdržení v kontaktní zóně | lsep.z. [cm] | Doba zdržení v separační zóně | Celková doba zdržení | pH [-] | Zákal [NTU] | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| surová | upravená | surová | upravená | účinnost [%] | |||||
| 10 | 3 min 12 s | - | 0 | 0 | 7,43 | 7,06 | 5,57 | 5,17 | 7,18 |
| 7,5 | 5 min | 8 min 12 s | 7,43 | 7,15 | 5,33 | 4,90 | 8,07 | ||
| 15,0 | 10 min | 13 min 12 s | 7,44 | 7,23 | 6,93 | 5,60 | 19,19 | ||
| 22,4 | 15 min | 18 min 12 s | 7,45 | 7,09 | 7,89 | 6,32 | 19,90 | ||
| 15 | 3 min 4 s | - | 0 | 0 | 7,41 | 6,83 | 5,69 | 5,24 | 7,91 |
| 7,5 | 5 min | 8 min 4 s | 7,41 | 6,99 | 5,44 | 5,14 | 5,51 | ||
| 15,0 | 10 min | 13 min 4 s | 7,40 | 6,97 | 6,54 | 5,73 | 12,39 | ||
| 22,4 | 15 min | 18 min 4 s | 7,41 | 7,01 | 7,62 | 6,21 | 18,50 | ||
| 20 | 2 min 56 s | - | 0 | 0 | 7,40 | 6,92 | 5,63 | 5,21 | 7,46 |
| 7,5 | 5 min | 7 min 56 s | 7,40 | 6,89 | 5,44 | 5,16 | 5,15 | ||
| 15,0 | 10 min | 12 min 56 s | 7,41 | 6,98 | 9,60 | 6,80 | 29,17 | ||
| 22,4 | 15 min | 17 min 56 s | 7,42 | 6,93 | 13,00 | 8,37 | 35,62 | ||
Obr. 5 Účinnost pro první pozici přepážky bez přidání koagulantu
| Nasycení vzduchem [%] | Doba zdržení v kontaktní zóně | lsep.z. [cm] | Doba zdržení v separační zóně | Celková doba zdržení | pH [-] | Zákal [NTU] | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| surová | upravená | surová | upravená | účinnost [%] | |||||
| 10 | 3 min 12 s | - | 0 | 0 | 6,12 | 6,38 | 4,53 | 4,19 | 7,51 |
| 7,5 | 5 min | 8 min 12 s | 6,16 | 6,37 | 4,63 | 2,67 | 42,33 | ||
| 15,0 | 10 min | 13 min 12 s | 6,15 | 6,10 | 5,57 | 2,62 | 52,96 | ||
| 22,4 | 15 min | 18 min 12 s | 6,19 | 6,29 | 5,62 | 2,69 | 52,14 | ||
| 15 | 3 min 4 s | - | 0 | 0 | 6,71 | 6,43 | 2,20 | 2,18 | 0,91 |
| 7,5 | 5 min | 8 min 4 s | 6,16 | 6,43 | 2,31 | 1,32 | 42,86 | ||
| 15,0 | 10 min | 13 min 4 s | 6,29 | 6,22 | 3,64 | 2,53 | 30,49 | ||
| 22,4 | 15 min | 18 min 4 s | 6,32 | 6,78 | 3,74 | 2,65 | 29,14 | ||
| 20 | 2 min 56 s | - | 0 | 0 | 6,35 | 6,41 | 2,80 | 2,64 | 5,71 |
| 7,5 | 5 min | 7 min 56 s | 6,16 | 6,42 | 2,97 | 2,20 | 25,93 | ||
| 15,0 | 10 min | 12 min 56 s | 6,24 | 6,49 | 3,20 | 2,23 | 30,31 | ||
| 22,4 | 15 min | 17 min 56 s | 6,25 | 6,41 | 3,28 | 2,10 | 35,98 | ||
Obr. 6 Účinnost pro první pozici přepážky s přidáním koagulantu
| Nasycení vzduchem [%] | Doba zdržení v kontaktní zóně | lsep.z. [cm] | Doba zdržení v separační zóně | Celková doba zdržení | pH [-] | Zákal [NTU] | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| surová | upravená | surová | upravená | účinnost [%] | |||||
| 10 | 10 min 32 s | - | 0 | 0 | 6,36 | 6,51 | 2,59 | 2,38 | 8,11 |
| 7,5 | 5 min | 15 min 32 s | 6,32 | 6,52 | 2,70 | 1,43 | 47,04 | ||
| 15,0 | 10 min | 20 min 32 s | 6,21 | 6,49 | 2,92 | 1,75 | 40,07 | ||
| 22,4 | 15 min | 25 min 32 s | 6,27 | 6,50 | 3,03 | 1,87 | 38,28 | ||
| 15 | 10 min 5 s | - | 0 | 0 | 6,29 | 6,58 | 3,95 | 3,62 | 8,35 |
| 7,5 | 5 min | 15 min 5 s | 6,20 | 6,55 | 3,80 | 1,90 | 50,00 | ||
| 15,0 | 10 min | 20 min 5 s | 6,20 | 6,52 | 4,05 | 2,23 | 44,94 | ||
| 22,4 | 15 min | 25 min 5 s | 6,27 | 6,46 | 3,91 | 2,47 | 36,83 | ||
| 20 | 9 min 39 s | - | 0 | 0 | 6,32 | 6,68 | 3,90 | 3,74 | 4,10 |
| 7,5 | 5 min | 14 min 39 s | 6,22 | 6,57 | 4,12 | 3,65 | 11,41 | ||
| 15,0 | 10 min | 19 min 39 s | 6,23 | 6,39 | 3,40 | 2,37 | 30,29 | ||
| 22,4 | 15 min | 24 min 39 s | 6,25 | 6,39 | 2,85 | 2,08 | 27,02 | ||
Obr. 7 Účinnost pro druhou pozici přepážky s přidáním koagulantu
Porovnání
Na závěr uvádíme pro ilustraci vlivu nasycení upravované vody vzduchem a polohy přepážky tři srovnávací grafy (každý pro jiný poměr Qair).
Obr. 8 Účinnost při Qair = 10 %
Obr. 9 Účinnost při Qair = 15 %
Obr. 10 Účinnost při Qair = 20 %
Závěr
Provedenými laboratorními pokusy byl prokázán vliv poměru nasycení vzduchem (Qair) a také polohy přepážky kontaktní zóny na separační účinnost flotace použité při úpravě vody. Poměr nasycení v některých případech ovlivňuje účinnost i poměrně dosti negativně.
Nejvyšší účinnosti v ukazateli zákal bylo dosaženo v případě varianty s nadávkováním koagulantu pro 1. pozici přepážky a s podílem vzduchu rovným 10 %. Účinnosti odstranění zákalu byly pro případy s přídavkem chemikálií vesměs podobné a pohybovaly se kolem 50 %, v případech bez přídavku chemikálií tyto hodnoty značně kolísaly, v některých případech nabyla účinnost i záporných hodnot.
Poděkování
Příspěvek byl zpracován za finanční podpory Grantové agentury VUT v Brně v rámci řešení grantového projektu specifického výzkum FAST-S-11-24 1224.
Použitá literatura
- [1] AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION. Water quality and treatment: a handbook of community water supplies. 4th ed. New York: McGraw-Hill, c1990, 1194 s. ISBN 0-07-001540-6.
- [2] Biela, R. Vodárenská flotace a její použití při úpravě pitné vody v ČR. TZB-info. 2012. ISSN 1801-4399. Dostupné z: http://voda.tzb-info.cz.
- [3] EDZWALD, James K. Principles and applications of dissolved air flotation. Water science and technology: Water supply. New York: IWA Publishing, 2001-, roč. 31, 3–4, s. 1–23. ISSN 0735-1917.
- [4] HUISMAN, L.: Sedimentation and flotation. Delft: Delft University of Technology, 2004.
- [5] PAX18. KEMIRA. Kemirawatersolutions.com [online]. 2010 [cit. 2010-12-14]. Dostupné z:
http://www.kemira.com/documents/PAX18new1.pdf - [6] TUHOVČÁK, Ladislav, Pavel ADLER, Tomáš KUČERA a Jaroslav RACLAVSKÝ. Vodárenství: Studijní opora pro studijní programy s kombinovanou formou studia [online]. Brno: VUT v Brně, 2006 [cit. 2012-03-26].
- [7] Water treatment plant design. 4th ed. New York: McGraw-Hill, c2005, 1 s. ISBN 00-714-1872-5.
- [8] Water treatment handbook. 7th [English] ed. Rueil-Malmaison, France: Degremont, 2007. ISBN 978-2-7430-0970-0.
- [9] HUBÁČKOVÁ, J. & ERBEN, V. (1989): Využití flotace při procesu úpravy vody – Práce a studie sešit 172, VÚV Praha: 120 pp.
The effectiveness of a flotation separation process used in water treatment is influenced by many factors. The paper presents partial results of research on this topic, namely the saturation effect is demonstrated by the treated water and the location of the barrier between the contact and separation zone.