ระบบลอยตัวด้วยอากาศที่ละลายอยู่สร้างฟองเล็กๆ สำหรับการแยกของแข็งกับของเหลวได้อย่างไร

การตกตะกอนน้ำเสียในภาคอุตสาหกรรมพึ่งพาการแยกทางกายภาพที่ขับเคลื่อนด้วยความหนาแน่นเป็นหลัก ซึ่งระบบลอยตัวด้วยอากาศที่ละลายได้ (DAF) รุ่นใหม่สามารถให้ประสิทธิภาพเหนือกว่าระบบอื่นอย่างชัดเจน โดยการสร้างฟองอากาศจิ๋วหลายล้านลูก ระบบ DAF จะทำให้ฟองอากาศที่มีแรงลอยตัวยึดติดกับของแข็งที่มีความหนาแน่นต่ำ น้ำมัน และไขมัน จนทำให้สิ่งเหล่านั้นลอยตัวขึ้นสู่ผิวน้ำอย่างรวดเร็ว เพื่อให้สามารถเก็บออกได้ด้วยเครื่องกราดผิว ทั้งนี้ เพื่อให้ได้ประโยชน์สูงสุดจากกระบวนการเชิงกลนี้ วิศวกรประจำโรงงานและผู้ออกแบบระบบทั้งหลายจำเป็นต้องเข้าใจหลักฟิสิกส์ของการอิ่มตัวระหว่างก๊าซกับของเหลว ไดนามิกส์ของการลดลงของความดัน และตัวแปรเฉพาะที่ควบคุมการเกิดฟองอากาศจิ๋วภายในระบบลอยตัวด้วยอากาศที่ละลายได้ (DAF) สำหรับภาคอุตสาหกรรม

ต่างจากเครื่องกระจายอากาศแบบหยาบแบบดั้งเดิมที่อาศัยการกวนเชิงกล ระบบลอยตัวด้วยอากาศที่ละลายไว้ (DAF) ประสิทธิภาพสูงทำงานตามหลักสมดุลเทอร์โมไดนามิก น้ำจะถูกทำให้อิ่มตัวด้วยอากาศจากบรรยากาศภายใต้ความดันสูง จากนั้นปล่อยผ่านหัวฉีดพิเศษเข้าสู่ถังลอยตัวที่มีความดันปกติ การลดความดันอย่างฉับพลันนี้ทำให้เกิดการก่อตัวของฟองก๊าซทันที ซึ่งผลิตฟองขนาดจิ๋วที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางระหว่าง 20 ถึง 100 ไมโครเมตร ฟองในระดับไมโครเหล่านี้เป็นพื้นฐานสำคัญของการชนกันระหว่างอนุภาคกับฟอง จึงให้แรงยกที่มั่นคงโดยไม่ทำลายโครงสร้างฝุ่นเคมีที่ละเอียดอ่อน

หลักฟิสิกส์ของการละลายก๊าซในระบบลอยตัวด้วยอากาศที่ละลายไว้ (DAF)

กลไกการอิ่มตัวของอากาศภายใต้ความดันสูง

ตามกฎของเฮนรี ความละลายของอากาศในของเหลวมีสัดส่วนโดยตรงกับความดันย่อยของก๊าซนั้นเหนือผิวของเหลว ระบบลอยตัวด้วยอากาศที่ละลายแบบพิเศษใช้กฎนี้โดยการเพิ่มความดันให้กับกระแสไหลเวียนกลับ—ซึ่งมักคิดเป็นร้อยละ 5 ถึง 15 ของน้ำทิ้งที่ผ่านการบำบัดทั้งหมด—ให้อยู่ในช่วง 4.5 ถึง 7 บาร์ ภายในถังรับความดันเฉพาะ (ที่เรียกว่าท่ออิ่มตัวด้วยอากาศ) อากาศกับน้ำที่ไหลเวียนกลับจะถูกผสมกันภายใต้สภาวะการไหลแบบปั่นป่วน เพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวสัมผัสระหว่างของเหลวกับก๊าซให้มากที่สุด และเร่งกระบวนการให้สารละลายเข้าใกล้จุดอิ่มตัวร้อยละ 90 หรือสูงกว่านั้นอย่างรวดเร็ว

การจัดวางโครงสร้างภายในหลายแบบมีผลต่อประสิทธิภาพการอิ่มตัวในระบบลอยตัวด้วยอากาศที่ละลาย บางแบบใช้คอลัมน์เติมวัสดุที่มีพื้นผิวสัมผัสสูงทำจากพลาสติก ในขณะที่แบบอื่นใช้ปั๊มหมุนเวียนแบบหลายขั้นตอนที่ให้แรงเฉือนสูง หรือหัวฉีดเวนทูรีเฉพาะทาง ไม่ว่าจะเลือกใช้โครงสร้างแบบใดเป้าหมายของระบบลอยตัวด้วยอากาศที่ละลายคือการละลายมวลอากาศให้มากที่สุดลงในเฟสของเหลว โดยไม่ก่อให้เกิดช่องว่างอากาศอิสระที่มีขนาดใหญ่เกินไป ซึ่งอาจทำให้เกิดความไม่เสถียรของการไหลในอุปกรณ์ขั้นตอนถัดไป

การผสานรวมการไหลวนกลับและการกำหนดขนาดระบบ

แทนที่จะนำน้ำเสียดิบที่ยังไม่ผ่านการปรับสภาพเข้าสู่แรงดันสูง ระบบลอยตัวด้วยอากาศละลายแบบเพิ่มประสิทธิภาพจะเพิ่มแรงดันให้กับกระแสไหลเวียนกลับที่สะอาด โครงสร้างเช่นนี้ช่วยป้องกันไม่ให้ปั๊มแรงดันสูงและวาล์วปล่อยแรงดันอุดตันภายในจากของแข็งแขวนลอยขนาดใหญ่ กระแสที่ถูกเพิ่มแรงดันแล้วจะไหลรวมกลับเข้ากับน้ำเสียที่ไหลเข้ามาซึ่งได้รับการบำบัดด้วยสารทำให้เกิดการตกตะกอนหรือสารช่วยการตกตะกอนแล้ว การจัดวางแบบไหลเวียนกลับอย่างชาญฉลาดนี้ช่วยให้ระบบลอยตัวด้วยอากาศละลายมีพื้นที่ติดตั้งค่อนข้างกะทัดรัด ขณะเดียวกันก็รักษาอัตราการโหลดปริมาตรให้คงที่

กลไกการปล่อยแรงดันและกระบวนการเกิดฟองจุลภาค

การเกิดภาวะสุญญากาศควบคุมและการเคลื่อนพลศาสตร์ของหัวฉีด

การเปลี่ยนก๊าซที่ละลายอยู่ให้กลายเป็นฟองอากาศจิ๋วเกิดขึ้นทั่วทั้งชุดปล่อยความดันในระบบลอยตัวด้วยอากาศที่ละลายไว้ เมื่อของเหลวที่มีความดันสูงไหลผ่านวาล์วปล่อยความดันหรือหัวฉีดแบบรูเจาะที่ออกแบบพิเศษ ความดันจะลดลงแทบจะทันทีจนถึงระดับบรรยากาศ การลดลงของความดันตามหลักเทอร์โมไดนามิกนี้ทำให้เกิดภาวะอิ่มตัวเกินท้องถิ่น ส่งผลให้โมเลกุลไนโตรเจนและออกซิเจนที่ละลายอยู่ควบแน่นรอบจุดเริ่มต้นการก่อตัวของฟองอากาศจิ๋วภายในเนื้อของเหลว

การออกแบบหัวฉีดปล่อยดังกล่าวมีผลโดยตรงต่อคุณภาพของฟองอากาศจิ๋วในระบบลอยตัวด้วยอากาศที่ละลายไว้ หัวฉีดสแตนเลสที่ผ่านการกลึงด้วยความแม่นยำสูงควบคุมความเร็วของการไหลของของเหลวและการสูญเสียพลังงาน เพื่อป้องกันไม่ให้ฟองอากาศจิ๋วรวมตัวกัน หากความเร็วลดลงอย่างรุนแรงเกินไป ฟองอากาศจะรวมตัวกันเป็นช่องว่างขนาดใหญ่ ซึ่งรบกวนชั้นลอยตัวที่เกิดขึ้น หากความเร็วลดลงช้าเกินไป อากาศจะแยกตัวออกจากสารละลายก่อนเวลาอันควรภายในเครือข่ายท่อ ส่งผลให้ประสิทธิภาพของระบบลอยตัวด้วยอากาศที่ละลายไว้ลดลงอย่างมาก

อัตราการชนกันของอนุภาค การยึดติด และการลอยตัวขึ้น

เมื่อเกิดไมโครฟองขึ้นแล้ว ฟองที่สร้างโดยระบบลอยตัวด้วยอากาศที่ละลายจะมีปฏิสัมพันธ์กับของแข็งที่แขวนลอยผ่านกลไกหลักสามประการ ได้แก่ การล้อมจับโดยตรงภายในฝอยที่กำลังเติบโต การยึดติดทางกายภาพกับพื้นผิวที่ไม่ชอบน้ำ และการดูดซับเข้าไปในมวลตะกอนที่ซับซ้อน เนื่องจากขนาดของฟองที่ 20–100 ไมครอนสอดคล้องกับมิติทางกายภาพของฝอยเคมีมาตรฐาน จึงทำให้เกิดความถี่ในการชนกันสูง โดยไม่ทำลายโครงสร้างรวมตัวที่บอบบางซึ่งเกิดจากโพลิเมอร์

สารประกอบระหว่างอนุภาคกับฟองที่ได้รับมีความหนาแน่นเชิงประสิทธิภาพต่ำ ส่งผลให้อัตราการลอยตัวขึ้นในแนวดิ่งเพิ่มขึ้นตามกฎของสโตกส์ ระบบลอยตัวด้วยอากาศที่ละลายที่ออกแบบมาอย่างเหมาะสมจะสามารถควบคุมความเร็วการลอยตัวให้คงที่อยู่ระหว่าง 2 ถึง 6 เมตรต่อชั่วโมง ซึ่งส่งผลให้เกิดชั้นตะกอนที่หนาแน่นและเข้มข้นบนผิวน้ำ กระบวนการลอยตัวที่สม่ำเสมอนี้จะทิ้งกระแสไหลลงที่ใสสะอาดเป็นพิเศษไว้ พร้อมสำหรับปล่อยทิ้งหรือผ่านการกรองขั้นที่สาม

พารามิเตอร์การควบคุมการดำเนินงานเพื่อให้ได้ปริมาณฟองสูงสุด

การปรับปรุงอัตราส่วนอากาศต่อของแข็ง (A/S)

ตัวชี้วัดการออกแบบพื้นฐานสำหรับระบบลอยตัวด้วยอากาศที่ละลาย (dissolved air flotation) คือ อัตราส่วนอากาศต่อของแข็ง (A/S) ซึ่งแสดงเป็นอัตราส่วนมวลของอากาศที่ละลายที่จ่ายต่อมวลของแข็งแขวนลอยในน้ำป้อน โดยเป้าหมายโดยทั่วไปของอัตราส่วน A/S จะอยู่ระหว่าง 0.005 ถึง 0.060 ขึ้นอยู่กับลักษณะของสารปนเปื้อน การดำเนินงานระบบลอยตัวด้วยอากาศที่ละลายต่ำกว่าเกณฑ์ต่ำสุดจะทำให้การลอยตัวไม่สมบูรณ์ และของแข็งจำนวนมากหลุดรอดเข้าสู่กระแสออกที่ใส ในขณะที่การใช้อากาศมากเกินไปจะสิ้นเปลืองพลังงานไฟฟ้า และอาจรบกวนความมั่นคงของตะกอนผิว

สถานที่ที่ใช้ระบบลอยตัวด้วยอากาศที่ละลายแบบอัตโนมัติจะปรับความดันการอิ่มตัวและอัตราการสูบน้ำกลับตามค่าการวัดความขุ่นแบบต่อเนื่องภายในท่อและอัตราการไหล ซึ่งการควบคุมปัจจัยนำเข้าเหล่านี้จะรับประกันการกระจายฟองอากาศอย่างสม่ำเสมอภายใต้ความเข้มข้นของของแข็งในน้ำป้อนที่เปลี่ยนแปลง จึงช่วยปกป้องโรงงานจากภาระกระทันหันทั้งเชิงไฮดรอลิกและเชิงชีวภาพ

ผลกระทบจากอุณหภูมิ สารลดแรงตึงผิว และเคมีของน้ำ

เคมีของน้ำมีผลโดยตรงต่อพฤติกรรมของไมโครบับเบิลภายในห้องลอยตัวของระบบการลอยตัวด้วยอากาศที่ละลาย น้ำเย็นสามารถเก็บอากาศที่ละลายไว้ได้มากกว่าน้ำอุ่น แต่มีความหนืดสูงกว่า ซึ่งทำให้ความเร็วในการลอยตัวขึ้นของไมโครบับเบิลลดลงเล็กน้อย ตรงกันข้าม อุณหภูมิน้ำที่สูงขึ้นจะลดความสามารถในการละลายของก๊าซ จึงจำเป็นต้องใช้แรงดันในการทำงานที่สูงขึ้นในวงจรการอิ่มตัวของระบบการลอยตัวด้วยอากาศที่ละลาย เพื่อให้ได้ปริมาตรของฟองเท่ากับที่ได้จากสภาวะปกติ

นอกจากนี้ สารลดแรงตึงผิวที่ใช้ในอุตสาหกรรมและสารซักฟอกอินทรีย์ยังช่วยลดแรงตึงผิวระหว่างเฟส ซึ่งส่งผลต่อขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของฟองและความมั่นคงของการยึดเกาะ ผู้เชี่ยวชาญด้านระบบการลอยตัวด้วยอากาศที่ละลายที่มีประสบการณ์จะปรับปริมาณสารตกตะกอน ประเภทของพอลิเมอร์ที่ใช้ และระยะเวลาการค้างน้ำในระบบให้เหมาะสม เพื่อชดเชยผลกระทบจากสารลดแรงตึงผิวทางเคมี ทั้งนี้เพื่อให้มั่นใจว่าไมโครบับเบิลจะคงความมั่นคงและมีประสิทธิภาพตลอดกระบวนการแยกในถังแยก

คำถามที่พบบ่อย

ฟองที่เกิดจากระบบการลอยตัวด้วยอากาศที่ละลายมีขนาดเล็กแค่ไหน

ระบบลอยตัวด้วยอากาศที่ละลายไว้ซึ่งออกแบบอย่างแม่นยำผลิตฟองอากาศขนาดจุลภาคที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางระหว่าง 20 ถึง 100 ไมโครเมตร ฟองอากาศเหล่านี้มีขนาดเล็กกว่าฟองอากาศที่เกิดจากระบบการเติมอากาศแบบกระจายทั่วไปซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 ถึง 3 มิลลิเมตร ความลดลงของเส้นผ่านศูนย์กลางทำให้อัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรเพิ่มขึ้นอย่างมาก ส่งผลให้มีประสิทธิภาพในการสัมผัสและยึดติดกับของแข็งที่ลอยตัวเบาและน้ำมันลอยตัวได้ดีเยี่ยม

ปัจจัยใดบ้างที่ส่งผลต่อขนาดของฟองอากาศในระบบลอยตัวด้วยอากาศที่ละลายไว้

การแจกแจงขนาดของฟองอากาศภายในระบบลอยตัวด้วยอากาศที่ละลายไว้ขึ้นอยู่กับความต่างของแรงดันที่ผ่านวาล์วปล่อย ประสิทธิภาพของการอิ่มตัว อุณหภูมิ และรูปร่างของหัวฉีด โดยทั่วไปแล้ว ความต่างของแรงดันที่สูงขึ้นจะให้ฟองอากาศที่ละเอียดขึ้นเมื่อมีการปล่อยออกมา ภายใต้เงื่อนไขที่พลังงานถูกกระจายอย่างเรียบเนียนโดยไม่เกิดการรวมตัวของฟองจากแรงเฉือน นอกจากนี้ ปัจจัยเชิงเคมี เช่น ความเค็ม ค่าพีเอช และการมีสารลดแรงตึงผิว (surfactants) ก็มีผลต่อแรงตึงผิวและความเสถียรของฟองอากาศด้วย

เหตุใดขนาดของฟองจึงมีความสำคัญต่อประสิทธิภาพของระบบลอยตัวด้วยอากาศที่ละลาย

ขนาดของไมโครฟองมีความสัมพันธ์โดยตรงกับประสิทธิภาพการลอยตัวเชิงไฮดรอลิกและคุณภาพความใสของน้ำในระบบลอยตัวด้วยอากาศที่ละลาย ฟองขนาดเล็กสร้างแรงลอยตัวที่อ่อนโยนและมีเสถียรภาพ ซึ่งไม่ทำให้ฝุ่นเคมีที่ละเอียดอ่อนแตกกระจาย นอกจากนี้ ฟองขนาดเล็กยังลอยขึ้นด้วยความเร็วที่ควบคุมได้ ทำให้เกิดชั้นลอยตัวที่สม่ำเสมอบนผิวน้ำ และป้องกันการเกิดการไหลแบบไม่เป็นระเบียบทางไฮดรอลิกที่อาจพัดพาของแข็งกลับลงไปในน้ำที่ผ่านการบำบัดแล้ว