Zemská tíže překonána bublinkami

Datum: 30.1.2014
Odpadní vody z potravinářských výrob se mohou kvůli svému specifickému složení stát obtížně řešitelným problémem. Jednou z technologií, které lze na takový typ odpadních vod použít, je flotace rozpuštěným vzduchem.

Princip flotace je založen na separaci, kterou dojde k oddělení dispergovaných částic z kapaliny. Mikrobublinky, jako základní kámen flotace, se váží na částice a ve formě pěny je vynáší na hladinu. Tato technologie je jako stvořená pro čištění vod s obsahem tukových látek.

V oblasti čištění průmyslových odpadních vod existuje celá řada pokročilých technologií, které s úspěchem odstraňují sledované parametry. Tím zajišťují plnění odtokových parametrů, což je pro provozovatele základní motivací. Mezi tyto technologie lze zařadit i flotaci, která je jedinečnou technologií pro čištění odpadních vod zejména z potravinářského průmyslu. V takových případech se flotace používá jako separační stupeň, ve kterém jsou z odpadní vody odstraněny nerozpuštěné látky, tuky a oleje a částečně i organické znečištění vyjádřené jako BSK5 a CHSKCr. Právě s ohledem na složení odpadní vody z potravinářského průmyslu je pro jejich čištění nutné volit odpovídající technologii. Nejsnazším řešením se jeví mechanické odstranění tukových částic. Tyto částice ovšem snadno ucpávají nejrůznější mechanická zařízení, jako jsou síta a filtry. A právě těmto problémům lze předejít použitím flotace. Přestože existuje několik různých variant flotace, které se vyznačují rozdílnými postupy a vlastnostmi, základní princip zůstává stejný. Flotace je separační metoda, která pracuje na opačném principu, než prostá sedimentace. Mikrobublinky vzduchu se váží na částice znečištění v takovém množství, až vytvoří aglomeráty (flotační komplexy) s vyšší specifickou hmotností než voda, které stoupají ke hladině. Navázání bublin na částice nečistot však zpravidla neprobíhá samovolně, ale musí být podpořeno koagulací a flokulací.

Koagulace

Koagulace je fyzikálně-chemický proces, který slouží k odstranění koloidních
a makromolekulárních látek z vody. K odstranění co největšího množství nečistot je třeba látky shlukovat (agregovat), a tím zvětšit jejich velikost do separovatelné formy – vloček. K vytvoření takových vloček je v první řadě nezbytné snížit stabilitu systému. Ve vodě totiž existují mechanismy, které brání samovolnému shlukování částic. Nejvýznamnějším je elektrická dvojvrstva koloidních částic. K potlačení této stability se v praxi používá zejména přídavek koloidu s opačným znaménkem povrchového náboje než je polarita elektrické dvojvrstvy nečistot. Takový koloid se připravuje dávkováním železité nebo hlinité soli do vody. Tím proběhne hydrolytická reakce:

Fe3+ + 3H2O → hydrolytické meziprodukty → Fe(OH)3 + 3H+

Hydrolytické meziprodukty představují v kyselém prostředí opačně nabitý koloid, který koaguluje s přítomnými nečistotami. Tím vzniknou neutrálně nabité částice, které již mohou agregovat do větších celků.

Účinnost koagulace je do značné míry závislá na hodnotě pH. Ta ovlivňuje jak stabilitu koloidů, tak samotný účinek koagulantu. Před samotnou koagulací bývá v technologické lince zpravidla zahrnuta i úprava pH.

Flokulace

Další proces, který by měl předcházet flotaci. Během flokulace se tvoří z destabilizovaných částic vločky. Vločky mohou vznikat pouze tehdy, dojde-li mezi oběma složkami ke srážce. Tu lze vysvětlit třemi mechanismy. První je založen na Brownově pohybu, což je neustálý chaotický pohyb částic. Druhý vysvětluje srážky částic jako závislost na rozdílné rychlosti pohybu různých částí kapaliny. Poslední mechanismus vychází z gravitace, kdy se částice s různou hmotností, a tím různou sedimentační rychlostí, při usazování sráží s jinými částicemi. Částice se začínají shlukovat ihned po přidání koagulantu. Pro získání větších, tedy lépe separovatelných, částic se za koagulaci zařazuje proces flokulace. Ten je charakterizován vnosem kinetické energie ve formě míchání, který zvýší počet srážek částic, a ty se poté lépe shlukují ve větší agregáty. Často se navíc přidávají chemické látky podporující srážení – flokulanty. Intenzitu míchání je třeba volit s ohledem na již vzniklé vločky, výhodné je postupné snižování intenzity míchání. V praxi lze provádět tak, že voda postupně protéká spojenými flokulačními nádržemi, ve kterých postupně klesá intenzita míchání. Žádoucí velikosti vzniklých vloček jsou cca 30‑50 µm /1/.

Flotace

Vzhledem k tomu, že se sedimentace jako separační proces vyznačuje časovou i prostorovou náročností a ne vždy dostatečnou účinností, byla zrealizována opačná myšlenka, tedy vynášení kalu na hladinu. To je při zohlednění hydrofobicity odpadních vod z potravinářského průmyslu ideálním řešením. Podobnost se sedimentací však stále zajišťuje aplikace Stokesovy rovnice – rozdíl mezi sedimentační rychlostí částic a rychlostí vynášení částic při flotaci je pouze ve znaménku.

flotace

Proměnné Stokesovy rovnice poukazují na omezenou oblast manipulace: technologicky lze ovlivnit pouze velikost částic a rozdíl hustot částic a kapaliny. Hustota vloček vzniklých při koagulaci je velmi blízká hustoty vody. Vločky tak budou špatně sedimentovat, což je naopak výhodné pro flotaci. Velikost částic lze ovlivnit nastavením flokulace, konkrétně rychlostí
a intenzitou míchání.  

Princip flotace

a)      Rozpouštění vzduchu

Vylučování vzduchových bublin pro flotaci může být prováděno různými metodami. V průmyslu je požadovaná velikost bublin 10-100 mm s průměrnou hodnotou 40 mm /1/. K rozpuštění vzduchu ve vodě dochází procesem absorpce. Pro absorpci je vhodné zvětšit mezifázové rozhraní vody, nebo naopak vzduchu.

b)      Kontaktní zóna

Následující děje probíhají v kontaktní zóně. Bubliny vzduchu se musí nejprve s vločkami potkat, a dále se na sebe navázat. Čím je množství bublin vyšší, tím je vyšší
i pravděpodobnost srážky. Nutno ovšem připomenout, že ne všechny bubliny, které se s vločkou srazí, se s ní naváží,  obzvlášť jsou-li na vločce přichycené další bubliny. Samotné bubliny se kvůli svému zápornému náboji odpuzují.

Míra účinnosti flotace je závislá na parametrech: velikost bublin, teplota a hustota bublin i částic, apod. Tyto parametry jsou shrnuty v následujícím upraveném vztahu /2/:

flotace

a)      Vazba vzduch – pevná látka

Vazba mezi částicí a vzduchem je umožněna adhezními silami. Koagulace je určena k úpravě částic na neutrální, stanou se tak hydrofobními, a bubliny vzduchu se na ně mohou navázat. Vazba je také ovlivněna vzájemným poměrem velikostí obou látek. Udává se, že vhodná velikost vloček je větší než bublin, tj. větší než 100 µm /2/. Základem k navázání bubliny na vločky je rovnováha povrchového napětí dle vztahu:

flotace

Je-li styčný úhel roven nule, jedná se o hydrofilní povrch a bubliny se nebudou schopny navázat, naopak při styčném úhlu 180° mluvíme o hydrofobním povrchu, který by bubliny vzduchu pokryly přednostně. Tedy čím větší styčný úhel, tím větší přilnavost vzduchu k částicím. Styčný úhel však musí být dostatečně velký, aby adhezní síla vody a částice byla menší než kohezní síla vody.

Bubliny jsou na povrch částic zachycovány jedním z těchto mechanismů:

-          Adsorpční mechanismus
Vzduch v přebytku se z roztoku dostává navázáním na povrch částic.

-          Mechanismus zachycování
Vazba vzduch-pevná látka se v tomto případě vytváří srážkami mezi částicemi při náhodném pohybu. Velikost bublin i částic ovšem musí být v určitém rozmezí, aby byla zaručena srážka pod vhodným úhlem.

-          Absorpční mechanismus
Poskytuje trvalou vazbu vzduch – pevná látka a projevuje se zejména v případě, že poslední část flokulace probíhá až po uvolnění vzduchu.

d)      Separační zóna

Jakmile se bubliny naváží na vločky, okamžitě se zvětšuje jejich vznosná síla. Jakmile vznosná síla převýší tíhu samotného komplexu, začne stoupat vzhůru. Tím, že jsou komplexy tvořeny hydrofobní látkou a vzduchem, dosahuje se vysoké sušiny kalu, resp. flotační pěny.

Flotace se dělí podle způsobu produkce bublin, uvádíme tři nejužívanější /3/:

  1. Flotace rozpuštěným vzduchem (Dissolved Air Flotation, DAF)
    Vzduch je při vysokém tlaku rozpuštěn ve vodě. Při vyrovnání tlaku nasyceného roztoku dochází k produkci bublin o velikosti 10-100 mm.
  1. Flotace nasávaným vzduchem (Induced Air Flotation, IAF)
    Plyn a kapalina jsou mechanicky smíseny za vzniku bublin. Jako mechanické mísiče se používají vysoko otáčkové vrtule nebo Venturiho trubice.
  1. Elektroflotace
    Vzduchové bubliny jsou produkovány elektrolýzou vody.

Flotace rozpuštěným vzduchem

Flotace rozpuštěným vzduchem je nejrozšířenější formou flotace vůbec. Pochází ze Skandinávie, kde byla původně používána při separaci partikulí minerálních rud v těžebním průmyslu. Od té doby se rozšířila do dalších zemí Evropy, do Ameriky, Austrálie i Asie. Rovněž v oblasti použití došlo k výraznému pokroku. Flotace je dnes s úspěchem používána pro čištění průmyslových odpadních vod z průmyslu potravinářského, papírenského a textilního, dále pro čištění technologické vody v metalurgii a rovněž při výrobě celulózy a papíru, a v neposlední řadě je známa celá řada použití na úpravu pitných vod /4/.

Jak již bylo uvedeno, u tohoto typu flotace je vzduch při vysokém tlaku (4 - 6 MPa) rozpuštěn ve vodě. Po uvolnění tlaku dojde k produkci bublin o velikosti cca 10-100 µm. Platí přitom, že čím menší velikost bublin, tím lepší účinnost. Velikost bublin je závislá pouze na působícím tlaku /5/. K sycení je používána vyčištěná voda z nádrže, a to v poměru 5-15% /6/. Pro optimalizaci provozu flotace jsou stěžejními právě tyto parametry - tlak a recirkulační poměr.

AS-FLOT

Firma ASIO, spol. s r.o. vyrábí a dodává flotační jednotky pod obchodním názvem AS-FLOT. Jedná se přitom o kompletní zařízení, které sestává z flotační nádrže s potřebným vystrojením a zařízením na předúpravu včetně elektroinstalace.

Předúprava

Předúprava zahrnuje úpravu pH, koagulaci a flokulaci a v praxi ji lze realizovat ve dvou variantách. První je samostatná nádrž, v níž probíhají všechny procesy, tedy úprava pH dávkováním kyseliny, nebo zásady, koagulace s přídavkem koagulantu a flokulace s dávkováním flokulantu. Každý proces ovšem vyžaduje jiné provozní podmínky. Při úpravě pH musí dojít k homogenizaci celého objemu nádrže, je tedy nezbytné zajistit rychlé míchání osazením míchadla. Obdobně je tomu u koagulace. Odlišné podmínky jsou naopak nezbytné pro proces flokulace. Po homogenizaci celé nádrže krátkým, ale rychlým mícháním se začnou tvořit větší vločky, které by se při stejné intenzitě míchání mohly rozbít.  K dosažení dobře separovatelných vloček je nutná i fáze pomalého míchání, která trvá řádově desítky minut. Pro takovou dobu zdržení by bylo třeba osadit další nádrž s velkým objemem.

flotace chemické hospodářství

Trubkový směšovač

Z tohoto důvodu ASIO, spol. s r.o. vyvinulo a standardně, jako součást flotačních jednotek, dodává trubkový směšovač. Jedná se o soustavu plastových potrubí, ve kterých probíhá kompletní proces předúpravy. Parametry trubkového směšovače jsou navrženy tak, aby bylo zajištěno turbulentní proudění pro úpravu pH a koagulaci a laminární proudění s potřebnou dobou zdržení pro flokulaci. Dávkování chemikálií je elegantně řešeno dávkovacími injektory přímo v potrubí směšovače, čímž se toto zařízení stává provozně jednoduché a velmi efektivní. Z dalších výhod nelze opomenout úsporu prostoru, protože trubkový směšovač zabírá nesrovnatelně méně plochy než konvenční způsoby předúpravy.        

Flotační nádrž

Flotační jednotky jsou vyráběny v materiálovém provedení plast a nerez ocel v různých velikostech. Pro průtoky do 5 m3/h (40 m3/den) se standardně osazují kruhové plastové nádrže, pro průtoky vyšší nádrže nerezové, obdélníkového půdorysu. Oba materiály se vyznačují vysokou odolností vůči zpracovávanému médiu. Jak vyplývá z principu flotace, v nádrži jsou umístěny trysky pro nasycenou vodu, která po uvolnění do nádrže produkuje jemné bubliny vzduchu. Vyflotovaná pěna je z hladiny kontinuálně odstraňována stíracím zařízením. Součástí technologie je i čerpadlo na odtah sedimentu, kompresor a čerpadlo vyčištěné vody jako recykl.

flotace

Návrh flotace

Flotační jednotky AS-FLOT jsou vhodné pro čištění odpadních vod z podniků potravinářských výrob, a to konkrétně: masný průmysl, porážka dobytka, zpracování ryb, mlékárny, sýrárny, pivovary, výroba bramborových lupínků. Charakter  průmyslových odpadních vod z výše uvedených oblastí lze shrnout v následující tabulce:

Průměrné znečištění odpadních vod z potravinářského průmyslu

Jsou-li odpadní vody vypouštěny do recipientu, po flotaci musí následovat biologické čištění. Flotaci jako separační stupeň čištění odpadních vod je vhodné zařadit do technologické linky za mechanické předčištění, jako jsou česle, síta, apod. Hrubé mechanické nečistoty jsou v tomto případě odstraněny již na česlích a nedostanou se do flotační jednotky. Tam by mohly kromě zvýšené spotřeby chemikálií způsobit i problémy mechanické, zejména ucpávání potrubí, čerpadel, apod.

Výhodami flotačních jednotek AS-FLOT jsou nízké investiční a provozní náklady, rychlá instalace, ekonomický provoz, vysoká účinnost, spolehlivost a životnost.

Jak vypadá běžně dodávaná technologie je zobrazeno na Obr. 4.

Kompletní dodávka flotace

Z velkého množství realizací je níže uvedeno několik referenčních staveb z různých odvětví potravinářského průmyslu. Ač je třeba přistupovat ke každé realizaci zcela individuálně, všechny mají stejný důvod použití flotace. Tím je potřeba předčištění technologických odpadních vod na takovou úroveň, aby bylo možné předčištěné vody dočistit na městských nebo podnikových čistírnách odpadních vod.

Směs odpadních vod ze všech jmenovaných provozů obsahuje specifické znečištění jak ve formě nerozpuštěných látek, tak i v rozpuštěné formě. Tato vysoká míra znečištění se projevuje vysokými koncentracemi v ukazatelích BSK5, CHSKCr a NL i extrahovatelného znečištění (EL), jak je uvedeno v Tab. 2.

Ve výčtu aplikací flotace rozpuštěným vzduchem pro čištění průmyslových odpadních vod nesmí chybět výsledky z odzkoušení technologie projektu Apply Adoxpol. Cílem tohoto mezinárodního výzkumného projektu je výroba flotace s použitím ozonu a především zavedení této inovativní technologie do praxe. Odzkoušení flotační jednotky, ovšem bez použití ozonu, proběhlo na odpadní vodě z Mlékárny Olešnice.

reference - flotace

flotace reference

Odtokové parametry z flotace

Závěr

Čištění technologické vody je nejen pro potravinářské podniky povinností, jejíž plnění je závislé na dostupných technologiích, ale i na finančních možnostech provozovatelů. Spolehlivou a ekonomicky výhodnou variantou čištění odpadních vod se nabízí flotace rozpuštěným vzduchem. Výsledky z víceletých provozů potvrzují vysoké účinnosti čištění u všech sledovaných parametrů a provozní náklady řádově 10-20 Kč/m3 vyčištěné vody. Kompletní dodávka a snadná obsluha a údržba činí z výrobků AS-FLOT ideální řešení pro čištění průmyslových odpadních vod.

Ing. Martina Sukopová

Literatura

  1. Zábranská, J. a kol.: Laboratorní metody v technologii vody, 1. Vyd. VŠCHT Praha, 1997, 168 s. ISBN 80-7080-282-3
  2. Hendricks, D. W.: Water Treatment Unit Processes: Physical and Chemical, Taylor & Francis Group, 2006, 1266 s. ISBN 0-8247-0695-1
  3. Wang, L.K.; Shammas, N.K.; Selke, W.A.; Aulenbach, D.B.: Handbook of Environmental Engineering, Volume 12: Flotation Technology, Humana Press, 2010, 680 s. ISBN 978-1-58829-494-4
  4. Ambrožová, J.: Aplikovaná a technická hydrobiologie, 1. vyd. VŠCHT Praha, 2001, 226 s. ISBN 80-7080-463-7
  5. 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
  6. Edzwald, J. 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

Tento článek byl již v plném znění publikován ve sborníku k seminářům ASIO, spol. s r.o. „Separační procesy … aneb síta, bublinky a zemská tíže“ (říjen, listopad 2013).

 

Kontakty

ASIO, spol. s r.o.
Kšírova 552/45
619 00 Brno
ID datové schránky: 9nwzka6

ASIO NEW, spol. s r.o.
Kšírova 552/45
619 00 Brno
ID datové schránky: z9g8vaw

tel.: 548 428 111
e-mail: asio@asio.cz