浄水場における浮遊選鉱タンクの動作原理

浮選法とは、ある技術により水中に小さな気泡を多数発生させ、廃水中の浮遊粒子に付着させる方法です。密度が水より小さくなると、水面に浮いてスカムを形成し、水中の浮遊粒子を除去します。浮選法は主に、アンモニア態窒素、有機物、コロイド粒子、藻類の多い低温・低濁度の水源水など、沈降法では除去が困難な密度が1に近い浮遊粒子を含む水の処理に使用されます。

1. 界面張力と界面自由エネルギー 液体と気体が接触すると、液体の表面分子と内部分子には異なる分子引力が働き、液体分子間の相互引力、すなわち凝集力が働きます。液体分子と気体分子の間の付着力よりもはるかに大きいです。したがって、液体の表面分子と内部分子は不均一な力を受けます。つまり、液体の内部分子に対する合力はゼロであり、液体の表面分子に対する合力はゼロより大きくなります。合力の大きさは等しく、方向は接触面に垂直で液体と気体の内部を指します。この力は液体の表面積を減らそうとします。空気中の体積が非常に小さい水は、水滴（球の表面積が最も小さいため球）の形で存在します。気相についても同様です。

2. 水中の空気は泡（すなわち球）の形で存在し、界面張力は表面分子間の引力であり、分子間の凝集力と同時に存在し、その方向は接触面。液体の表面分子は、凝集作用の下で液体の表面にまだ存在します。これは、液体の表面分子間の引力、つまり界面張力が内部分子間の引力よりも大きいことを意味します。したがって、液体の表面分子は内部分子よりも多くのエネルギーを持っています。

同じ体積の空気が分散した小さな気泡を形成し、その表面積は大きな気泡の表面積よりも大きいため、気泡と粒子の間の衝突と付着の可能性が高まります。さらに、上昇過程での大きな気泡の激しい水力撹拌は、気泡や粒子の付着を助けず、また吸着した気泡をはじき飛ばしてしまうため、形成された小さな気泡は浮上に役立ちます。

実際の実験により、粒子によく付着するには気泡の直径が 100um 未満であることが証明されています。気泡自体は互いに付着し界面エネルギーを減少させる傾向があり、気泡の合体効果により衝突や付着の機会も減少します。気泡と粒子の組み合わせ、つまり泡が水面に上がってすぐに破裂すると、吸着した粒子は掻き取り装置で除去される時間がなくなり、再び水中に沈んでしまいます。したがって、泡の合体や泡の急速な崩壊を防ぐために、水中に一定量の界面活性剤が存在する必要があります。界面活性剤は発泡剤とも呼ばれます。それらのほとんどは極性分子と非極性分子で構成されています。丸い頭は極性基を表しており、水に溶けやすく、水の奥深くまで浸透します（水は強い極性分子であるため）。尾部は非極性基を表しており、これは疎水性基であり、泡の奥深くに入ります。同じ符号の電荷の反発により、気泡の合体や崩壊が防止され、それによって泡の安定性が高まります。水中の界面活性剤が不十分な場合、浮選効果を確実にするために界面活性剤を添加する必要があり、その添加量は試験に従って決定する必要があります。

水中の界面活性剤が多すぎると、同符号により泡や粒子（油粒子など）が安定しすぎて泡立ちにくくなります。水に含まれる親水性固体粉末の濡れ角は 0 ～ 90 度であるため、その表面のごく一部が油に付着します。この固体粉末が油滴を覆い、泡が立ちにくくなります。そこで、凝集剤を用いて水中の帯電コロイドを増やし、電荷の反発をなくし、粒子を気泡に付着させる方法が有効です。

気泡が析出する圧力の違いにより、溶存空気浮選法は真空式溶存空気浮選法と加圧式溶存空気浮選法の 2 種類に分けられます。

真空溶解空気浮遊選鉱は、常圧または加圧条件下で空気を水に溶解し、負圧条件下で沈殿させるプロセスです。主な特徴は、加圧空気溶解に比べて空気溶解に必要な圧力が低く、動力設備や電力消費量が少ないことです。空気浮遊選鉱は負圧条件下で作動し、空気浮遊選鉱タンクを密閉する必要があるため、空気浮遊選鉱タンクの構造が複雑で、保守・運用、設備のメンテナンスが困難であり、溶存空気量が少ない。この方法は、汚染物質濃度が低い廃水の処理にのみ適しており、生産ではほとんど使用されません。

加圧溶解空気 空気は加圧条件下で水に溶解し、常圧下では沈殿します。その特徴は、溶存空気量が大きく、十分なマイクロバブルを提供できるため、さまざまな要件の固液分離要件を満たし、除去効果を確実にすることができます。減圧放出後に発生する気泡の粒径が小さく（20～100μm）、粒子径が均一で、マイクロバブルは浮遊選鉱タンク内で非常にゆっくりと上昇し、タンクへの外乱が小さいため、特に浮遊選鉱の分離に適しています。緩いフロックと細かい固体。設備や工程が比較的シンプルで、維持管理が容易です。加圧溶解空気浮遊選鉱は、生産において最も広く使用されている浮遊選鉱法です。そのプロセスは、空気飽和装置、空気放出装置、浮選タンク、スラグ除去装置などで構成されます。基本的なプロセスフローは、完全溶解空気流、部分溶解空気流、および還流加圧溶解空気流の 3 つがあります。

完全な溶解空気の流れは、すべての廃水を加圧して溶解し、固液分離のための減圧解除装置を通って浮選タンクに入ります。他の 2 つのプロセスに比べて消費電力は高くなりますが、溶存空気水を添加しないため、浮遊選鉱タンクの容積は小さくなります。

部分溶解空気流は廃水の一部を加圧して溶解し、残りの廃水は直接浮遊選鉱タンクに送られます。このプロセスは、完全な溶解ガスプロセスよりも多くの電力を節約します。廃水の一部が溶存ガスタンクを通過するため、溶存ガスタンクの体積は比較的小さくなります。ただし、廃水の一部に含まれる加圧溶存ガスでは供給できる空気量が少ないため、同量の空気を供給したい場合は溶存ガスタンクの圧力を高める必要があります。還流加圧溶解ガスは流出液の一部を還流させ、それを直接浮選タンクに加圧します。この方法は、懸濁物質の濃度が高い水中の固体と液体の分離に適しています。

ここでは、浮力選別に必要な機材を紹介します。空気飽和装置は、加圧水ポンプと空気供給装置、溶存ガスなどの装置で構成されています。その機能は、一定の圧力下で水中に空気を溶解し、水処理に必要な溶解ガス水を提供することです。

1. ブースターポンプ

ブースターポンプは、一定量の水を一定の圧力で供給するために使用されます。増圧ポンプの圧力が高すぎると、単位体積あたりの溶存空気量が増加します。減圧後、多量の空気が沈殿する可能性があり、これによりマイクロバブルの凝集が促進され、浮選分離には役立ちません。また、高圧下では必要なガス溶存水の量が減少するため、ガス溶存水と原排水とを完全に混合することができない。逆に、ブースターポンプの圧力が低すぎると、空気中の水の溶解量が必然的に増加し、浮遊選鉱タンクの容積が増大してしまう。

2. エア供給

エア供給は水ポンプ吸込管吸込エア供給、水ポンプ加圧管ジェットエア供給、水ポンプエアコンプレッサエア供給の3つに分けられます。ウォーターポンプ吸引管の吸引エア供給は、ウォーターポンプ吸引管内の負圧を利用して吸引管に小さな穴を開け、エアを吸引した後に溶解エアタンクに吸引する方式の2種類に分けられます。風量調整および計量装置を介して。もう一つは、ウォーターポンプの圧力管に分岐管を接続し、その分岐管にエジェクターを取り付ける方法です。エゼクタで空気を吸い込み、吸込管に送り、水ポンプを経て溶解空気タンクに送ります。設備がシンプルでエアコンプレッサーが不要なことが利点です。欠点は、溶存空気量が少なく、一般にウォーターポンプ流量の10％（体積比）を超えないことです。そうでないと、ウォーターポンプの異常振動を引き起こす可能性があります。

ウォーターポンプ圧力管ジェットエア供給は、ウォーターポンプ圧力管に取り付けられたエジェクターを利用してエアを吸引します。設備が簡単でエアコンプレッサーが不要、ウォーターポンプの異常振動がなく、キャビテーションの危険がないなどの利点がある。欠点は、エゼクター自体のエネルギー損失が大きく（通常約 30%）、水ポンプの出口の圧力が必要な溶解空気水圧よりも高いことです。

現在、ウォーターポンプにエアートランスコンプレッサーを使用してエアーを供給する方式が一般的です。この方法における溶存空気はエアコンプレッサーによって供給され、加圧水をウォーターポンプのみで溶存空気タンクに入れるか、または圧縮空気と組み合わせて溶存空気タンクに入れることができます。誤操作による圧縮空気や圧力水のウォーターポンプやエアコンプレッサーへの逆流を防ぐため、溶存空気タンクへの流入方向は上から下へ同じ方向で流すことが多いです。

利点は、一定の圧力下で必要な空気の量が少なくなるため、エアコンプレッサーの動力が小さいことです。エネルギー消費量は少ないです。欠点は、わずかな騒音と潤滑油と冷却油の汚染です。特にウォーターポンプとエアコンプレッサーの圧力を制御し、バランスのとれた状態にすることが重要です。

3. 溶解空気タンク

溶解空気タンクの機能は、水と空気の完全な接触を統合し、空気の溶解を促進することです。現在、一般的に使用されている形式がいくつかあります。溶存空気タンクには、空タンクと充填タンクの 2 種類があります。タンクを充填すると、乱流の度合いが増し、液相の分散が改善され、液相と気相の間の界面が継続的に更新されるため、溶存空気効率が高くなります。充填された溶存空気タンクにはさまざまな形式があります。研究によると、ステップリングの溶存空気効率が最も高く、90%以上に達する場合があり、次にラシヒリングが続き、最も低いのは波形シートロールです。波板ロールの溶存空気効率は空タンクに比べて約25%高くなります。充填層の厚さが0.8μmを超えると飽和に達する可能性があります。溶存空気タンクの表面負荷は一般的に 300 ～ 2500m3/(m2・d) であるため、通常は充填された溶存空気タンクが使用されます。

4. 溶解エアリリース剤

空気放出装置の機能は、減圧後に加圧溶解水中の空気をマイクロバブルの形で急速に放出することです。マイクロバブルの直径は20～100mmが必要です。マイクロバブルの直径と数は浮力効果に大きく影響します。現在、生産現場で使用されている減圧開放装置は、減圧弁とリリーサの2つに分類されます。減圧弁は既存のストップバルブを使用していますが、複数のバルブの開度がばらつき、最適な開度の調整や制御が難しいため、各バルブからの流出量が異なり、放出される泡のサイズが一定でない。バルブは浮遊選鉱タンクの外側に設置されており、減圧された後、パイプラインの一部を通って浮遊選鉱タンクに送られます。パイプラインのこのセクションが長い場合、気泡の合流現象が深刻になり、浮選効果に影響を及ぼします。さらに、昼夜を問わず加圧された溶存空気水の影響により、バルブコアとバルブステムネジが緩みやすくなり、水入口穴、隙間穴チャンバー、ホールボックス、水出口穴が流量変化を引き起こし、動作が不安定です。

中国ではTSタイプ、TJタイプ、TVタイプがあります。 TS 型溶存空気放出器は、加圧された溶存空気水がホールボックスを通過する際、溶存空気水は収縮、拡散、衝撃、還流、押出、放射、渦などの流動状態を繰り返し、{{{{5} }}}.1秒で圧力損失は約95％となり、溶存空気は速やかに放出されます。 TS型リリーサーの利点は、減圧とエネルギーの放散が徹底していることです。 1回のガス放出効率は99％以上と高く、水に溶けているガスのほぼすべてが放出されます。エネルギーの消散とガスの放出は瞬時に完了します。 0.3MPaの溶存ガス水がリリーサーを通過した後の気泡の平均直径は20～30μmであり、無駄な気泡を最小限に抑えます。リリーサー出口の流量をより適切に制御し、凝集を破壊する水流の害を排除できます。途中で気泡が合流する可能性を防ぎ、浮力効果を向上させます。欠点としては、リリーサー内の水流が少なく、圧力溶解ガス水中の浮遊物質によりリリーサー内の水流が詰まる場合があります。 TV型、TJ型の特殊リリーサーは、エアやバキューム装置を用いてリリーサーのスリットを開き、溶存ガス水を放出し、リリーサーを分解することなくリリーサー内のゴミを洗い流すことができます。安定した浮力効果を発揮します。

要約すると、水処理施設における水の浮遊選鉱は、水製造技術において重要な役割を果たしています。水中の浮遊物質、グリース、凝集物、藻類の多い水を効果的に除去できます。浮選装置は投資額が少なく、設置面積も小さく、高度な自動化が可能です。水草の水質処理に非常に大きな効果を発揮します。