Descripción general
El método de flotación consiste en generar una gran cantidad de pequeñas burbujas en el agua mediante una determinada tecnología, para que se adhieran a las partículas suspendidas en las aguas residuales. A medida que la densidad cae a menos que la del agua, flotan hacia la superficie del agua para formar espuma, eliminando así las partículas suspendidas en el agua. El método de flotación se utiliza principalmente para tratar agua que contiene partículas suspendidas con una densidad cercana a 1 y difíciles de eliminar mediante el método de sedimentación, como nitrógeno amoniacal, materia orgánica, partículas coloidales, agua de fuente de baja temperatura y baja turbidez con más algas.
Base teórica de la flotación por aire.
1. Tensión interfacial y energía libre interfacial Cuando el líquido y el gas están en contacto, las moléculas de la superficie del líquido y las moléculas internas están sujetas a diferentes fuerzas de atracción molecular, y la atracción mutua entre las moléculas del líquido, es decir, la fuerza cohesiva, es mucho mayor que la adhesión entre moléculas de líquido y moléculas de gas. Por lo tanto, las moléculas de la superficie y las moléculas internas del líquido están sujetas a fuerzas desiguales, es decir, la fuerza resultante sobre las moléculas internas del líquido es cero y la fuerza resultante sobre las moléculas de la superficie del líquido es mayor que cero. La magnitud de la fuerza resultante es igual y la dirección es perpendicular a la superficie de contacto y apunta al interior del líquido y del gas. Esta fuerza intenta reducir la superficie del líquido. El agua con un volumen muy pequeño en el aire existe en forma de gotas de agua (es decir, esferas, porque la superficie de la esfera es la más pequeña). Lo mismo ocurre con la fase gaseosa.
2. El aire en el agua existe en forma de burbujas (es decir, esferas), y la tensión interfacial es la atracción entre las moléculas de la superficie, que existe al mismo tiempo que la fuerza cohesiva entre las moléculas, y la dirección es tangente a la superficie de contacto. Las moléculas de la superficie del líquido todavía están en la superficie del líquido bajo la acción de la cohesión, lo que significa que la atracción entre las moléculas de la superficie del líquido, es decir, la tensión interfacial, es mayor que la atracción entre las moléculas internas. Por tanto, las moléculas superficiales del líquido tienen más energía que las moléculas internas.
Estabilidad de la formación de espuma
El mismo volumen de aire forma pequeñas burbujas dispersas y su superficie es mayor que la superficie de las burbujas grandes, lo que aumentará las posibilidades de colisión y adhesión entre burbujas y partículas; Además, la violenta agitación hidráulica de las burbujas grandes durante el proceso de ascenso no favorece la adhesión de burbujas y partículas, y también eliminará las burbujas adsorbidas, por lo que las pequeñas burbujas formadas favorecen la flotación.
La práctica ha demostrado que el diámetro de la burbuja es inferior a 100 µm para adherirse bien a las partículas. Las propias burbujas tienen tendencia a adherirse entre sí y reducir la energía interfacial, es decir, el efecto de fusión de las burbujas, lo que también reducirá la posibilidad de colisión y adhesión. Si la combinación de burbujas y partículas, es decir, la espuma, sube a la superficie del agua y estalla rápidamente, las partículas adsorbidas no tendrán tiempo de ser eliminadas por el equipo de raspado y hundirse nuevamente en el agua. Por lo tanto, debe haber una cierta cantidad de surfactante en el agua para evitar la fusión de burbujas y el rápido colapso de las mismas. Los tensioactivos también se denominan agentes espumantes. La mayoría de ellos están compuestos por moléculas polares y apolares. La cabeza redonda representa el grupo polar, que es fácilmente soluble en agua y penetra profundamente en el agua (porque el agua es una molécula polar fuerte); la cola representa el grupo no polar, que es un grupo hidrofóbico y se adentra profundamente en las burbujas. La repulsión de cargas del mismo signo puede evitar la fusión y colapso de las burbujas, mejorando así la estabilidad de la espuma. Cuando no hay suficiente surfactante en el agua, para asegurar el efecto de flotación, se debe agregar y la cantidad de adición se debe determinar de acuerdo con la prueba.
Si hay demasiados tensioactivos en el agua, las burbujas o partículas (como las partículas de aceite) son demasiado estables debido al mismo signo y también es difícil formar espuma. El polvo sólido hidrófilo contenido en el agua tiene un ángulo de humectación entre 0 y 90 grados, por lo que una pequeña parte de su superficie queda adherida al aceite. Las gotas de aceite quedan cubiertas por estos polvos sólidos, lo que dificulta la formación de espuma. Por tanto, el método eficaz es utilizar un coagulante para aumentar el coloide cargado en el agua, eliminar la repulsión de cargas y permitir que las partículas se adhieran a las burbujas.
Principio de funcionamiento de la flotación por aire disuelto.
Según las diferentes presiones a las que precipitan las burbujas, la flotación por aire disuelto se puede dividir en dos tipos: flotación por aire disuelto al vacío y flotación por aire disuelto presurizado.
La flotación por aire disuelto al vacío es el proceso de disolución del aire en agua bajo presión normal o condiciones presurizadas y precipitación en condiciones de presión negativa. Sus principales características son: la presión requerida para la disolución del aire es menor que la del aire disuelto a presión, y el consumo de equipos eléctricos y electricidad es menor; La flotación de aire funciona en condiciones de presión negativa y el tanque de flotación de aire debe estar cerrado, lo que dificulta la estructura del tanque de flotación de aire, el mantenimiento y la operación, el mantenimiento del equipo y la cantidad de aire disuelto es pequeña. Este método sólo es adecuado para el tratamiento de aguas residuales con bajas concentraciones de contaminantes y rara vez se utiliza en la producción.
El aire disuelto presurizado se disuelve en agua en condiciones presurizadas y precipita bajo presión normal. Sus características son: gran volumen de aire disuelto, se pueden proporcionar suficientes microburbujas, que pueden cumplir con los requisitos de separación sólido-líquido de diferentes requisitos y garantizar el efecto de eliminación; el tamaño de las partículas de burbujas generadas después de la descompresión y liberación es pequeño (20 ~ 100 um), el tamaño de las partículas es uniforme, las microburbujas se elevan muy lentamente en el tanque de flotación y la perturbación en el tanque es pequeña, lo que es particularmente adecuado para la separación de flóculos sueltos y sólidos finos; el equipo y el proceso son relativamente simples y el mantenimiento y la administración son convenientes. La flotación por aire disuelto presurizado es el método de flotación más utilizado en la producción. Su proceso consta de equipos de saturación de aire, equipos de liberación de aire, tanque de flotación, equipos de eliminación de escoria, etc. Hay tres flujos de proceso básicos: flujo de aire disuelto total, flujo de aire disuelto parcial y flujo de aire disuelto presurizado por reflujo.
El flujo total de aire disuelto sirve para presurizar y disolver todas las aguas residuales y luego ingresar al tanque de flotación a través del dispositivo de liberación de descompresión para la separación sólido-líquido. En comparación con los otros dos procesos, su consumo de energía es alto, pero debido a que no se agrega agua y aire disuelto, el volumen del tanque de flotación es pequeño.
El flujo de aire disuelto parcial sirve para presurizar y disolver parte de las aguas residuales, y el resto de las aguas residuales se envía directamente al tanque de flotación. Este proceso ahorra más electricidad que el proceso de gas disuelto completo. Dado que parte del agua residual pasa a través del tanque de gas disuelto, el volumen del tanque de gas disuelto es relativamente pequeño. Sin embargo, dado que la cantidad de aire que puede proporcionar el gas disuelto presurizado de parte del agua residual es pequeña, si se desea proporcionar la misma cantidad de aire, se debe aumentar la presión del tanque de gas disuelto. El gas disuelto presurizado por reflujo hace refluir parte del efluente y lo presuriza directamente al tanque de flotación. Este método es adecuado para la separación de sólidos y líquidos en agua con altas concentraciones de materia en suspensión.
Equipo necesario para la flotación.
A continuación, presentaremos el equipo necesario para la flotación. El equipo de saturación de aire consta de una bomba de agua a presión y suministro de aire, gas disuelto y otros equipos. Su función es disolver aire en agua bajo una cierta presión para proporcionar el agua gaseosa disuelta necesaria para el tratamiento del agua.
1. Bomba de refuerzo
La bomba de refuerzo se utiliza para suministrar una determinada cantidad de agua a una determinada presión. Si la presión de la bomba de refuerzo es demasiado alta, aumentará la cantidad de aire disuelto por unidad de volumen. Después de la descompresión, se puede precipitar una gran cantidad de aire, lo que promoverá la agregación de microburbujas y no favorece la separación por flotación. Además, dado que se reduce la cantidad de agua con gas disuelto requerida a alta presión, no favorece la mezcla completa del agua con gas disuelto y el agua residual original. Por el contrario, si la presión de la bomba de refuerzo es demasiado baja, la cantidad de agua disuelta en el aire aumentará inevitablemente, aumentando así el volumen del tanque de flotación.
2. Suministro de aire
El suministro de aire se puede dividir en tres formas: suministro de aire de succión de tubería de succión de bomba de agua, suministro de aire de chorro de tubería de presión de bomba de agua y suministro de aire de compresor de aire de bomba de agua. El suministro de aire de succión de la tubería de succión de la bomba de agua se puede dividir en dos formas: una es usar la presión negativa en la tubería de succión de la bomba de agua para abrir un pequeño orificio en la tubería de succión y el aire se succiona al tanque de aire disuelto después de ser succionado. a través del equipo de medición y ajuste del volumen de aire; el otro es conectar un ramal al tubo de presión de la bomba de agua e instalar un eyector en el ramal. El eyector se utiliza para aspirar aire y enviarlo a la tubería de succión y luego al tanque de aire disuelto a través de la bomba de agua. Sus ventajas son un equipamiento sencillo y no se requiere compresor de aire; la desventaja es que la cantidad de aire disuelto es pequeña y generalmente no excede el 10% (relación de volumen) del flujo de la bomba de agua; de lo contrario, provocará una vibración anormal de la bomba de agua.
El suministro de aire del chorro de la tubería de presión de la bomba de agua se realiza mediante el eyector instalado en la tubería de presión de la bomba de agua para aspirar aire. Sus ventajas son un equipo sencillo, sin necesidad de compresor de aire, sin vibraciones anormales de la bomba de agua y peligro de cavitación; sus desventajas son una gran pérdida de energía del propio eyector, generalmente alrededor del 30%, y la presión en la salida de la bomba de agua es mayor que la presión requerida del aire disuelto y el agua.
El suministro de aire con compresor transformador de aire para bomba de agua es un método de suministro de aire comúnmente utilizado en la actualidad. El aire disuelto en este método es suministrado por un compresor de aire y el agua a presión ingresa al tanque de aire disuelto solo mediante una bomba de agua, o se puede combinar con aire comprimido para ingresar al tanque de aire disuelto. Para evitar que el aire comprimido o el agua a presión regresen a la bomba de agua o al compresor de aire debido a un funcionamiento inadecuado, a menudo se utiliza la misma dirección de arriba a abajo para fluir hacia el tanque de aire disuelto.
Su ventaja es que la potencia del compresor de aire es pequeña porque se requiere menos aire bajo cierta presión. El consumo de energía es pequeño; la desventaja es un ligero ruido y la contaminación del aceite de lubricación y refrigeración. Es particularmente importante controlar la presión de la bomba de agua y el compresor de aire y hacer que alcancen un estado equilibrado.
3. Tanque de aire disuelto
La función del tanque de aire disuelto es integrar el contacto total entre el agua y el aire y acelerar la disolución del aire. Existen varias formas comúnmente utilizadas en la actualidad. Hay dos tipos de tanques de aire disuelto: tanques vacíos y tanques llenos. Los tanques llenos pueden aumentar el grado de turbulencia, mejorar la dispersión de la fase líquida y actualizar continuamente la interfaz entre la fase líquida y la fase gaseosa, por lo que la eficiencia del aire disuelto es alta. Hay varias formas de tanques llenos de aire disuelto. Los estudios han demostrado que la eficiencia del aire disuelto de los anillos escalonados es la más alta, que puede alcanzar más del 90%, seguida de los anillos Raschig y la más baja son los rollos de láminas corrugadas. La eficiencia del aire disuelto de los rollos de láminas corrugadas es aproximadamente un 25 % mayor que la de los tanques vacíos. Cuando el espesor de la capa de relleno supera los 0,8 m, puede alcanzar la saturación. La carga superficial del tanque de aire disuelto es generalmente de 300~2500 m3/(m2·d), por lo que generalmente se utilizan tanques de aire disuelto llenos.
4. Liberador de aire disuelto
La función del dispositivo de liberación de aire es liberar rápidamente el aire en el agua disuelta a presión en forma de microburbujas después de la descompresión. Se requiere que el diámetro de las microburbujas sea de 20 a 100 mm. El diámetro y el número de microburbujas tienen una gran influencia en el efecto de flotación. En la actualidad, el equipo de liberación de descompresión utilizado en la producción se divide en dos categorías: una es una válvula reductora de presión y la otra es un liberador. La válvula reductora de presión utiliza la válvula de cierre existente y sus desventajas son: el grado de apertura de múltiples válvulas es inconsistente entre sí y su grado de apertura óptimo es difícil de ajustar y controlar, por lo que el flujo de salida de cada válvula es diferente y el la dimensión de las burbujas liberadas es inconsistente; la válvula se instala fuera del tanque de flotación y, después de la descompresión, se envía al tanque de flotación a través de un tramo de tubería. Si este tramo de tubería es largo, el fenómeno de fusión de burbujas es grave, lo que afecta el efecto de flotación; Además, bajo el impacto del agua disuelta presurizada día y noche, el núcleo de la válvula y el tornillo del vástago de la válvula son fáciles de aflojar, y el orificio de entrada de agua, la cámara del orificio de separación, la caja del orificio y el orificio de salida de agua provocan el cambio de flujo, lo que hace que la operación es inestable.
En China, existen los tipos TS, TJ y TV. Liberador de aire disuelto tipo TS, cuando el agua del aire disuelto presurizado pasa a través de la caja del orificio, el agua del aire disuelto sufre repetidamente contracción, difusión, impacto, reflujo, extrusión, radiación, vórtice y otros estados de flujo, y dentro de {{{{5} }}}.1s, la pérdida de presión es aproximadamente del 95% y el aire disuelto se libera rápidamente. La ventaja del liberador tipo TS es que la reducción de presión y la disipación de energía son completas. La eficiencia de liberación de gas por única vez puede llegar al 99% o más, y se libera casi todo el gas disuelto en agua; la disipación de energía y la liberación de gas se completan instantáneamente. Después de que el agua con gas disuelto de 0,3 MPa pasa a través del liberador, el diámetro promedio de la burbuja es de 20 a 30 um, lo que controla las burbujas inútiles al mínimo; puede controlar mejor el caudal de la salida del liberador, eliminar el daño del flujo de agua que rompe los flóculos; evita la posibilidad de que se fusionen burbujas en el camino y mejora el efecto de flotación. Su desventaja es que el flujo de agua en el liberador es pequeño y, a veces, se bloquea debido a la materia suspendida en el agua gaseosa disuelta a presión. Los liberadores especiales tipo TV y TJ utilizan dispositivos neumáticos o de vacío para abrir la ranura en el liberador y liberar el agua gaseosa disuelta, y los residuos que contiene se pueden lavar sin desmontar el liberador. Utilice un efecto de flotación estable.
En resumen, la flotación de agua en plantas acuáticas juega un papel vital en la tecnología de producción de agua. Puede eliminar eficazmente la materia suspendida, la grasa, los flóculos y el agua con alto contenido de algas en el agua. El equipo de flotación tiene una pequeña inversión, ocupa poco espacio y un alto grado de automatización. Tiene un efecto muy significativo en el tratamiento de la calidad del agua de las plantas acuáticas.
