DAF のパフォーマンスが悪いですか?本当に何が問題なのかは次のとおりです

DAF システムが動作しない理由: 本当の根本原因

溶解空気浮上分離 (DAF) は広く使用されている固液分離技術で、微細なマイクロバブルを廃水に導入し、沈降しにくい固体や乳化した油を泡の表面に付着させ、浮遊スカム層として浮上させて除去します。 このプロセスは、脂肪、油、繊維、低密度固体の分離に特に効果的です。 、また、活性汚泥や化学凝集中に生成される凝集汚泥を濃縮するためにも一般的に使用されます。

DAF のパフォーマンスが低下する場合、その根本原因はほとんどの場合、凝固前処理条件、化学物質の投与戦略、またはマイクロバブルの特性の 3 つの領域のいずれかに遡ります。これらの各要因が実際にどのように分離効率を高めるかを理解することは、貧弱な浮選性能を診断し修正するための第一歩です。

凝固前処理が DAF のパフォーマンスに与える影響

効果的な凝固は、DAF プロセスが適切に機能するための前提条件です。前処理の品質は、フロック粒子サイズ、混合強度、反応時間という 3 つの主要パラメータによって制御できます。

フロック粒子サイズの要件

DAF プロセスと沈降プロセスには同様のフロック サイズ要件があり、効果的な分離にはどちらも数百ミクロン以上のフロックが必要です。 研究によると、マイクロバブルとフロック粒子の接着効率は、両者のサイズが同じ場合に最大になることがわかっています。 一般的な DAF マイクロバブルの直径の範囲は 10 ～ 100 ミクロンであるため、通常は数十ミクロンから約 100 ミクロンの範囲のフロック粒子で十分であり、特大のフロックを追いかける必要はありません。

実際、サイズが大きすぎるフロックは特に DAF のパフォーマンスに悪影響を及ぼします。フロックが大きいほど見かけの密度が高くなり、上昇速度が低下します。このため、DAF ではフロック サイズの制御が従来の沈降法よりもおそらく重要になります。従来の沈降法では、フロックが大きく密度が高いことが一般に欠点ではなく利点となります。

混合強度の要件

DAF ではサイズが大きすぎるフロックの値が限られているため、混合強度 (速度勾配、または G 値) は一般に、沈降重視の凝固よりも高くなります。この結論は複数の研究で裏付けられています。 最適な G 値の範囲は凝固剤の種類によって異なります。 塩化第二鉄の場合は約 70 s-1、アルミニウム塩の場合は 70 ～ 80 s-1、ポリ塩化アルミニウム (PAC) の場合は 30 s-1 以上です。良好な粒子除去は 10 ～ 50 s⁻¹ の G 値範囲にわたって達成可能であり、より高いエネルギー入力により 50 ミクロン未満の微粒子の数が効果的に減少し、全体的な浮選性能が向上します。

実際には、ほとんどの施設では、凝集を 2 つまたは 3 つの段階に分割し、徐々に混合強度を低下させます。最初の段階は G = 70 ～ 100 s⁻¹ で急速な凝固剤の分散と微細凝集塊の形成を促進し、その後の後期段階では G = 20 ～ 50 s⁻¹ に下げて、過度のせん断下ですでに形成された凝集塊の破壊を回避します。いくつかの処理プラントの運転データによると、凝集段階の平均 G 値が 100 s⁻¹ を超えると、排水中の残留微粒子数が著しく増加し、フロックの分解が増加し、スカム除去効率が低下します。一方、G 値が 20 s⁻¹ 未満に維持されると、フロックの成長が遅くなり、気泡フロックの衝突頻度が減少し、同様に処理結果が損なわれます。

反応時間の要件

ヨーロッパの初期の水処理では、沈降と DAF の両方に同じ凝集時間を使用していました (通常は約 45 分)。 より最近の研究によると、 DAF 実際に必要な凝集時間はわずか 15 ～ 20 分です 現在、ほとんどの施設では、合計凝集時間が約 20 分の 2 段階凝集設計を採用しており、凝集品質と処理サイクル時間のバランスをとっています。

実際には、凝集時間の選択は、原水の特性と処理量にも大きく依存します。冷たく濁度の低い水（5°C 以下、濁度 10 NTU 以下）では凝集の形成が遅くなり、凝集時間を 25 ～ 30 分に延長するか、低温の影響を相殺するために凝固剤の投与量を増やす必要があります。対照的に、高濁度水 (100 NTU 以上) では、粒子の衝突が頻繁になり、凝集の成長が速くなり、凝集時間が 12 ～ 15 分に短縮されます。凝集時間の設計では、原水の品質、温度、凝固剤の種類を合わせて考慮する必要があります。すべてに当てはまる万能の数値はありません。水圧条件も同様に重要です。凝集槽内の短絡またはデッドゾーンにより、たとえ紙上では槽のサイズが適切に見えても、有効凝集時間が公称滞留時間を大幅に下回ってしまう可能性があります。

原水の濁度と凝集戦略

原水の濁度レベルも凝集制御戦略を決定します。濁度の低い水では粒子が少なく、衝突の機会が少ないため、通常、フロックの形成を強化するために凝集剤または微小砂を利用した凝集が必要です。濁度の高い水では、凝集時間と混合強度を慎重に調整して、凝集が急速に沈降しないようにする必要があります。濁度が大きく変動する水源の場合、自動フィードバック投与制御と組み合わせたリアルタイム監視が最新の DAF システムの標準的な手法となっており、手動介入なしで水質の変動にプロセスが対応できるようにしています。

化学物質の投与が DAF のパフォーマンスに与える影響

疎水性または親水性粒子は、多くの場合、その表面特性を変更し、気泡粒子の付着を強化するために化学処理が必要です。 DAF で使用される一般的な化学カテゴリには次のものがあります。

凝固剤

凝固剤 — inorganic and organic polymer types — promote flocculation of fine particles into larger aggregates, increasing rise velocity while also modifying the hydrophilic surface character of suspended particles to favor subsequent flotation. 一般的な無機凝集剤には、硫酸アルミニウム、ポリ塩化アルミニウム、塩化第二鉄などがあります。 、加水分解速度、最適な pH 範囲、およびフロック密度が異なります。

塩化第二鉄は pH 6.0 ～ 8.5 の範囲で優れた性能を発揮するため、油分を含む廃水処理に特に適していますが、硫酸アルミニウムの最適範囲 (pH 6.0 ～ 7.5) は狭く、その範囲外では性能が著しく低下します。無機ポリマー凝集剤であるポリ塩化アルミニウムは、予備重合された加水分解生成物の割合が高いことから恩恵を受け、従来のアルミニウム塩よりも優れた冷水適応性を備え、より広い pH 範囲 (5.5 ～ 8.5) にわたって安定した性能を維持します。有機高分子凝集剤（ポリアクリルアミド系が代表的）は、長鎖構造を利用して粒子間を架橋し、より大きな凝集形成を促進しますが、過剰摂取はコロイド保護効果を引き起こし、実際に凝集を悪化させる可能性があるため、投与量は厳密に制御する必要があります。無機凝集剤と有機凝集剤を組み合わせるのが一般的で、電荷の中和と架橋/吸着メカニズムの両方を活用します。

浮遊選鉱剤

一般的な浮選剤には、石油、ロジン油、ステアリン酸塩、界面活性剤などがあります。親水性の懸濁粒子が浮選剤の極性末端を吸着すると、非極性末端が水中で外側を向き、粒子表面が親水性から疎水性に変化し、マイクロバブルに付着しやすくなります。 浮選剤の選択性は汚染物質の種類によって異なります — ディーゼルまたは灯油と発泡剤の組み合わせは、鉱物加工廃水の微粉炭スラリーには一般的ですが、ロジン油ベースの薬剤は、繊維捺染および染色廃水の疎水性染料粒子によく使用されます。浮遊選鉱剤は通常、適切な混合と吸着時間を確保するために、凝固反応タンクの前面または中央セクションに投入されます。

凝固助剤

凝固助剤は主に懸濁粒子表面の疎水性を高め、浮遊性を高めます。ポリアクリルアミドがその典型的な例です。凝固助剤は通常、比較的低用量 (通常 0.1 ～ 0.5 mg/L) で主凝固剤と併用されますが、浮遊物除去効率に対する影響は重大な場合があります。投与順序は非常に重要です。通常、主凝固剤が完全に分散した後にのみ凝固助剤を添加し、両剤の有効性を低下させる両者間の直接反応を避けることが最善です。

抑制剤

抑制剤 selectively suppress the floatability of certain substances without affecting flotation removal of the target contaminant — sodium sulfide and lime are common examples. Depressants see particularly wide use in mineral flotation and multi-metal separation, and in wastewater treatment are often applied to complex systems containing multiple contaminant types. Optimal dosage needs to be determined by testing against the specific raw water composition — underdosing leaves suppression incomplete, while overdosing risks suppressing the target contaminant's own floatability.

pH調整剤

pH 調整剤 (さまざまな酸と塩基) は、廃水の pH を調整することにより、水中での気泡の分散と気泡粒子の付着能力を調整します。 pH は粒子の表面電荷だけでなく、凝集剤の加水分解形態や気泡の表面電位にも影響します。 さまざまな凝固剤および汚染物質システムには、それぞれ最適な pH 動作ウィンドウがあります。 — たとえば、塩化第二鉄の凝固で処理された油性廃水は、pH 6.5 ～ 7.5 で最適な油除去を実現します。原水の pH 変化に応じてリアルタイムで投与量を調整することは、最適な範囲を維持するための標準的な操作方法です。強アルカリ性の工業廃水は通常、硫酸または塩酸で調整され、酸性廃水は通常、石灰または水酸化ナトリウムで中和されます。最適な pH 条件下で凝固反応が確実に進行するように、pH 調整剤は凝固剤の前に投与する必要があります。

投与順序と互換性に関する考慮事項

投与順序と異なる化学物質間の適合性は、DAF 実践における治療結果に大きく影響します。 一般的な順序は次のとおりです。まず pH 調整剤、 水を目標のpH範囲にする。次に凝固剤。加水分解生成物からの電荷中和を利用してコロイドを不安定化します。次に、凝固剤の架橋作用を利用してフロックのサイズを大きくします。浮選剤は通常、DAF 接触ゾーンの直前に添加され、分離段階に入る前にフロック粒子と完全に接触するようにします。抑制剤は、抑制される特定の標的物質に応じて、凝固の前または後に投与されます。

特定の化学物質の組み合わせには実際の適合性リスクが伴います。カチオン性ポリアクリルアミドとアニオン性ポリアクリルアミドは、決して混合すべきではありません。混合すると大きくて効果のない凝集物が生成されるからです。浮遊選鉱剤と凝固剤を非常に連続して投与すると、吸着サイトをめぐって競合する可能性があり、両方の有効性が低下します。投与システムの設計ではこれらの相互作用を考慮する必要があり、特定の水源に最適な化学物質の組み合わせと順序を確認するためにビーカー (ジャー) テストが推奨されます。

マイクロバブルの特性が DAF のパフォーマンスに与える影響

安定した大規模なマイクロバブルの生成は DAF プロセスの中核であり、気泡のサイズと表面特性が分離効率に直接影響します。

マイクロバブルのサイズ

最近の研究によると、 マイクロバブルのサイズに関しては、小さいほど良いとは限りません 理由はいくつかあります。気泡が小さすぎると、フロック粒子が上昇するためにより多くの気泡に付着する必要があり、これは実際には困難です。気泡が小さくなると、生成するためにより多くのエネルギー入力が必要となり、運用コストが上昇します。小さすぎる気泡は下流の濾過に持ち込まれ、空気結合の問題を引き起こす可能性があります。また、分離ゾーンの表面負荷も理想的な気泡サイズに影響します。表面負荷が増加すると、気泡フロック凝集体が水中に滞在する時間が短くなり、時間内に表面に到達するためにより高い上昇速度が必要になります。フロックに付着した所定の数の小さな気泡は、同じ数の大きな気泡よりも高い見掛け密度と低い上昇速度を生成し、より高い表面負荷容量に反して作用します。

サイズ分布の観点から見ると、理想的な DAF プロセスは、単に平均サイズを最小化するのではなく、狭くて均一な気泡サイズ分布を目指す必要があります。サイズ分布が広すぎるということは、大きな気泡の上昇が速すぎてフロックとの適切な接触時間が取れないことを意味し、一方、小さすぎる気泡は上昇が遅すぎたり、水流とともに持ち去られてしまう可能性さえあります。多くの場合、気泡サイズの均一性は、平均気泡サイズのみを小さくすることよりも、全体的な DAF 効率にとって重要です。

マイクロバブルの表面特性

水中のマイクロバブルは通常、特定のアニオンを優先的に吸着し、かなり高い負の値に達する負の表面電荷を獲得します。測定データは通常、DAF プロセスにおけるマイクロバブルの表面電位が約 -100mV であることを示しており、フロック粒子の表面も一般にマイナスに帯電しています。両者が近づくと、衝突や付着に対して静電反発力が働きます。原水の品質、吸着されたイオンの種類と量は両方とも、マイクロバブルの強度、表面の疎水性、電荷に影響を与えます。適切な量の電解質を添加すると、これらの特性が変化し、それに応じて浮上性能を調整できます。

特に表面電荷制御に関しては、水中の金属カチオン (Ca2⁺ や Mg2⁺ など) は、二重層圧縮メカニズムを通じて気泡表面の負の電位を低下させ、気泡とフロックの間の静電反発力を低減します。 これが、DAF が軟水よりも硬水の方が優れたパフォーマンスを発揮する理由の 1 つです。 — 実際に水の硬度を調整したり、少量の電解質を追加したりすると、気泡の付着性能を向上させることができます。気泡表面の疎水性も付着効率の決定的な要素です。疎水性気泡が多いほど、疎水性粒子によりしっかりと付着し、気泡形成中に吸着される界面活性剤の種類と量が表面の疎水性の程度を直接決定します。

マイクロバブルの密度と分散の均一性

気泡のサイズと表面特性を超えて、水の単位体積あたりのマイクロバブルの数密度も、DAF 効率に影響を与える重要なパラメーターです。同じ飽和圧力と放出条件下では、気泡密度が高いほど気泡の総表面積が大きくなり、それに応じてフロック粒子との衝突確率が高くなります。しかし、気泡密度が高すぎると、気泡クラスターの上昇による顕著な後流効果が生じ、局所的な水の乱流が増大し、気泡フロック凝集体の安定した上昇が妨げられる可能性があります。最適な気泡密度範囲があり、フロック濃度とサイズ分布に基づいたテストによって決定する必要があります。

接触ゾーン内でマイクロバブルを均一に分散させることも同様に重要です。気泡の分布が不均一で、一部の領域では過剰な気泡があり、他の領域では気泡が不足していると、全体的な浮選効率が必然的に低下します。エンジニアリングの実践では通常、放出ノズルの配置と量を最適化し、接触ゾーンの流れを誘導する構造と組み合わせて、均一な断面気泡分布を促進することでこの問題に対処します。

飽和圧力と放出条件

飽和（溶解空気）圧力は、マイクロバブルのサイズと量を決定する中心的な動作パラメータです。飽和圧力が高くなると溶存空気量が増加し、圧力解放時により多くのマイクロバブルが生成されますが、エネルギー消費とともに平均気泡サイズも増加する可能性があります。 現在の DAF プロセスは通常、0.3 ～ 0.6 MPa の飽和圧力範囲で動作します。 これにより、一般に好ましいマイクロバブル特性が得られます。バブル量とエネルギー消費量の最適なバランスは、関係する特定の水質と処理目標に応じて決定する必要があります。

圧力解放装置の設計は、初期の気泡サイズ分布に決定的な影響を与えます。一般的な放出装置のタイプには、ニードル バルブ、多孔板、専用の放出ノズル設計が含まれており、同じ飽和圧力でも大幅に異なる気泡サイズ分布を生成する可能性があります。最近のより効率的な放出ノズルの開発により、平均マイクロバブル直径が従来の 50 ～ 80 ミクロンの範囲から 20 ～ 40 ミクロンまで縮小され、気泡フロックの付着効率が大幅に向上しました。リリース ノズルの詰まりは、依然として DAF システムの長期安定動作にとって大きな障害となっており、通常は定期的なフラッシングや事前ろ過によって管理されます。

飽和方法が DAF システムの動作に与える影響

使用される飽和（溶解空気）法により、マイクロバブルの生成品質とシステム全体のエネルギー消費量が決まります。現在主流の DAF 飽和法は、全流量加圧飽和、部分流量加圧飽和、およびリサイクル流加圧飽和の 3 つの基本カテゴリに分類されます。

リサイクル流加圧飽和法は、現在最も広く適用されている方法です。これは、リサイクル流中の浮遊物質含有量が低いため、飽和タンクや放出ノズルが詰まりにくく、運転安定性が良く、原水の水質変動に対する適応力が高いためです。リサイクル率の選択では、原水の浮遊物質濃度、フロックの上昇速度、処理量を総合的に考慮する必要があります。一般に、浮遊物質濃度が高いほど、リサイクル率も高くなります。

各飽和方法は、気泡サイズの分布、エネルギー消費、およびシステムの動作安定性に異なる影響を与えるため、選択では、処理規模、水質特性、および全体的な経済性を総合的に考慮する必要があります。