DAF oznacza Flotacja rozpuszczonego powietrza — proces klarowania wody i ścieków, polegający na usuwaniu zawieszonych ciał stałych, tłuszczów, olejów, smarów i cząstek koloidalnych poprzez przyczepienie ich do mikroskopijnych pęcherzyków powietrza i unoszenie powstałych agregatów na powierzchnię wody w celu mechanicznego usunięcia. W przeciwieństwie do sedymentacji, która opiera się na grawitacji zatapiania gęstych cząstek, DAF wykorzystuje siłę wyporu do unoszenia zanieczyszczeń o małej gęstości, które w przeciwnym razie pozostałyby w zawieszeniu lub ich osiadanie trwałoby niepraktycznie długo.
Proces ten polega na rozpuszczeniu powietrza w zawracanym pod ciśnieniem strumieniu uzdatnionej wody – zwykle pod ciśnieniem 4–8 barów – a następnie uwolnieniu tego strumienia z powrotem do zbiornika flotacyjnego pod ciśnieniem atmosferycznym. Nagły spadek ciśnienia powoduje, że rozpuszczone powietrze wytrąca się z roztworu w postaci gęstej chmury mikropęcherzyków Średnica 10–100 mikronów . Pęcherzyki te przyłączają się do zawieszonych cząstek i kłaczków, zmniejszając efektywną gęstość agregatu cząstki-pęcherzyki znacznie poniżej gęstości wody. Kruszywo wypływa na powierzchnię i tworzy pływającą warstwę osadu – zwaną pływakiem lub szumowiną – która jest w sposób ciągły usuwana za pomocą mechanicznego odpieniacza.
DAF do uzdatniania wody i oczyszczania ścieków ma zastosowanie w wyjątkowo szerokiej gamie gałęzi przemysłu: oczyszczanie miejskiej wody pitnej, ścieki z przetwórstwa żywności i napojów, ścieki z papierni i celulozowni, ścieki z farbiarni tekstyliów, woda produkowana w rafineriach ropy naftowej, systemy recyrkulacji w akwakulturze i uzdatnianie wody z pól naftowych. Jego szczególną zaletą są zastosowania, w których docelowe zanieczyszczenia mają ciężar właściwy bliski lub mniejszy niż 1,0 – tłuszcze, oleje, włókna i kłaczki biologiczne – gdzie sedymentacja jest powolna i zawodna.
Kompletny system oczyszczania ścieków DAF przetwarza dopływające ścieki w kilku kolejnych etapach. Zrozumienie każdego etapu jest niezbędne do prawidłowego zaprojektowania systemu, dozowania środków chemicznych i rozwiązywania problemów operacyjnych.
Surowe ścieki dostające się do układu DAF zazwyczaj przechodzą przez sita lub filtry siatkowe w celu usunięcia większych cząstek stałych, które w przeciwnym razie zanieczyszczałyby pompę recyrkulacyjną i saturator. W przypadku procesów przemysłowych wsadowych lub o zmiennym przepływie zbiornik wyrównawczy przed jednostką DAF buforuje zmiany przepływu i ładunku zanieczyszczeń, zapobiegając wstrząsom hydraulicznym i niestabilności dozowania środków chemicznych, które zmniejszają skuteczność separacji.
Większość zastosowań DAF wymaga chemicznej obróbki wstępnej w celu destabilizacji cząstek koloidalnych i agregacji drobnych zawieszonych cząstek stałych w kłaczki wystarczająco duże, aby umożliwić przyczepienie się pęcherzyków. Koagulanty — zazwyczaj siarczan glinu (ałun), chlorek żelazowy lub chlorek poliglinu (PAC) — są dozowane w punkcie szybkiego mieszania w celu zneutralizowania ujemnego ładunku powierzchniowego cząstek koloidalnych. Flokulanty — anionowe lub kationowe polimery poliakryloamidowe — są następnie dozowane w strefie delikatnego mieszania w celu połączenia poszczególnych skoagulowanych cząstek w większe, mocniejsze struktury kłaczków. Rozmiar, gęstość i wytrzymałość kłaczków to główne czynniki wpływające na skuteczność separacji DAF, co sprawia, że dobór środków chemicznych i optymalizacja dozowania są krytycznymi parametrami projektowymi i operacyjnymi.
Część oczyszczonych ścieków DAF — zazwyczaj strumień zawracany do obiegu 10–50% natężenia przepływu surowca — jest pod ciśnieniem przez pompę recyrkulacyjną DAF i podawany do zbiornika ciśnieniowego zwanego saturatorem lub zbiornikiem rozpuszczającym. Sprężone powietrze jest wtryskiwane do saturatora, gdzie pod ciśnieniem rozpuszcza się w wodzie zgodnie z prawem Henry'ego. Nasycony strumień zawracany utrzymuje się pod ciśnieniem aż do skierowania go do wlotu zbiornika flotacyjnego.
Strumień zawracany pod ciśnieniem jest uwalniany przez zawór redukcyjny ciśnienia do zbiornika flotacyjnego, gdzie styka się z wpływającą, oczyszczoną chemicznie wodą zasilającą. Mikropęcherzyki natychmiast zarodkują i przyłączają się do kłaczków, które unoszą się na powierzchnię w ciągu hydraulicznego czasu retencji w zbiorniku – zazwyczaj 15–30 minut w konwencjonalnych konstrukcjach DAF, skrócony do 3–8 minut w jednostkach o dużej wydajności. Łańcuchowy lub obrotowy odpieniacz plażowy w sposób ciągły usuwa nagromadzony osad pływający do rynny zbierającej osad. Oczyszczona woda wypływa z podstawy zbiornika przez zanurzone otwory ściekowe.
Osad pływakowy DAF ma zazwyczaj stężenie substancji stałych wynoszące 2–8% wagowo suchej masy — znacznie bardziej stężony niż osad dolny z klarownika z równoważnych procesów sedymentacji. Ta zaleta w zakresie koncentracji zmniejsza rozmiar i koszty operacyjne urządzeń do odwadniania osadów znajdujących się za nimi. Osad pływakowy jest zwykle dalej zagęszczany w zagęszczaczach taśmowych grawitacyjnych lub wirówkach przed usunięciem, kompostowaniem, fermentacją beztlenową lub – w zastosowaniach w przetwórstwie żywności – odzyskiem jako składnik paszy dla zwierząt.
Pompa flotacyjna rozpuszczonego powietrza — inaczej pompa DAF — jest elementem najbardziej bezpośrednio odpowiedzialnym za działanie układu. W systemie DAF istnieją dwa różne zadania pomp, każdy z innymi wymaganiami dotyczącymi wydajności, a wybór odpowiedniego typu pompy dla każdego zadania ma fundamentalne znaczenie dla niezawodnego działania.
Pompa recyrkulacyjna DAF spręża strumień oczyszczonych ścieków zawracanych do ciśnienia roboczego saturatora — zazwyczaj 4–8 barów (60–120 psi) . Jest to najbardziej krytyczna pompa w systemie; jego działanie bezpośrednio determinuje ilość i jakość wytwarzanych mikropęcherzyków, co z kolei kontroluje skuteczność separacji.
Kluczowe kryteria wyboru pompy recyrkulacyjnej obejmują:
Pompa zasilająca tłoczy surowe lub wstępnie oczyszczone ścieki ze zbiornika wyrównawczego do jednostki DAF przy kontrolowanym, stałym natężeniu przepływu. Ponieważ strumień zasilający może zawierać zawieszone ciała stałe, materiał włóknisty lub zawartość biologiczną, pompy zasilające to zazwyczaj niezatykające się pompy odśrodkowe, z progresywną wnęką lub zatapialne pompy do ścieków z wirnikami otwartymi lub wirowymi, które przepuszczają ciała stałe bez blokowania. W przeciwieństwie do pompy recyrkulacyjnej, pompa zasilająca działa zazwyczaj przy niskim lub umiarkowanym ciśnieniu 0,5–2 bary — zwymiarowany wyłącznie pod kątem dostarczania przepływu i niewielkiego ciśnienia statycznego.
Odstojnik DAF — sam zbiornik flotacyjny — jest centralnym zbiornikiem procesowym systemu, a jego geometria określa czas retencji hydraulicznej, skuteczność kontaktu pęcherzyków z cząstkami oraz skuteczność usuwania osadu pływającego, które wspólnie definiują ogólną przepustowość systemu i jakość ścieków.
Podstawowym parametrem doboru osadnika DAF jest hydrauliczna prędkość ładowania powierzchni (zwany także natężeniem przelewu lub obciążeniem powierzchniowym), wyrażonym jako przepływ na jednostkę powierzchni zbiornika. Konwencjonalne jednostki DAF są przeznaczone do obciążenia powierzchniowego wynoszącego 3–6 m³/m²/godz ; można osiągnąć wysokowydajne konstrukcje DAF wykorzystujące moduły z rurkami lamelowymi lub zoptymalizowany rozkład wlotów 10–15 m³/m²/godz lub wyższy. Przekroczenie projektowego natężenia obciążenia powierzchni powoduje zwarcie hydrauliczne, skrócenie czasu retencji i przedostanie się osadu pływającego do ścieków.
Odstojniki DAF produkowane są w konfiguracjach prostokątnych i okrągłych. Zbiorniki prostokątne są standardem w przypadku większych instalacji — umożliwiają proste odpienianie w układzie łańcuchowym, skutecznie mieszczą wlotowe przegrody dystrybucyjne i mogą być konstruowane w modułowych sekcjach w przypadku dużych systemów budowanych na miejscu. Okrągłe osadniki DAF wykorzystują obrotowe ramiona odpieniacza, są kompaktowe i ekonomiczne w przypadku mniejszych natężeń przepływu; są one powszechne w konfiguracjach instalacji pakujących do przetwarzania żywności i mniejszych zastosowań komunalnych.
Dobrze zaprojektowany osadnik DAF dzieli hydraulicznie zbiornik na dwie strefy funkcjonalne. The strefa kontaktu na wlocie znajduje się miejsce, w którym woda obiegowa pod ciśnieniem miesza się z chemicznie obrobionym surowcem, maksymalizując zderzenie i przyleganie cząstek pęcherzyków. The strefa separacji zajmuje większość długości zbiornika, zapewniając spokojne warunki hydrauliczne niezbędne do wypłynięcia agregatów cząstek pęcherzykowych na powierzchnię bez turbulentnych zakłóceń. Przegrody oddzielające te strefy są kluczowym szczegółem projektu; Nieodpowiednia separacja powoduje, że turbulencje na wlocie zakłócają unoszący się pływak w strefie separacji, pogarszając jakość ścieków.
Prawidłowe skonfigurowanie systemu DAF podczas instalacji decyduje o tym, czy jednostka osiągnie parametry projektowe od pierwszego dnia, czy też będzie wymagała miesięcy rozwiązywania problemów, aby osiągnąć stabilną pracę. Poniższa lista kontrolna obejmuje najważniejsze etapy instalacji nowej jednostki DAF i pierwszego uruchomienia.
Na polach naftowych oraz w wydobyciu ropy i gazu woda produkowana i woda zwrotna stanowią jedne z największych i najbardziej wymagających strumieni ścieków spotykanych we wszystkich gałęziach przemysłu. Systemy DAF są szeroko stosowane jako podstawowy etap oczyszczania ścieków z pól naftowych — usuwają rozproszony i zemulgowany olej, zawiesiny stałe i kamień naturalnie występujących materiałów radioaktywnych (NORM) przed wypuszczeniem, ponownym wtryskiem lub dalszą obróbką w celu korzystnego ponownego wykorzystania.
Operatorzy zarządzający wyprodukowaną wodą stoją przed fundamentalną decyzją: oczyszczać ścieki na miejscu przy użyciu zainstalowanego lub mobilnego DAF i powiązanego sprzętu do oczyszczania lub ścieków ciężarówek lub rurociągów poza siedzibą do komercyjnego zakładu utylizacji lub przetwarzania. Decyzja ta wiąże się z poważnymi kosztami, odpowiedzialnością i konsekwencjami operacyjnymi.
Oczyszczanie ścieków na polach naftowych na miejscu za pomocą systemów DAF obejmuje następujące podstawowe kategorie kosztów:
Ekonomiczny próg rentowności pomiędzy oczyszczaniem DAF na miejscu a utylizacją poza zakładem zależy przede wszystkim od ilości wyprodukowanej wody i odległości transportu. Przy objętościach powyżej około 2 000–5 000 baryłek dziennie i na odległości przekraczające 30–50 mil, uzdatnianie na miejscu stale generuje niższy całkowity koszt baryłki w porównaniu z utylizacją poza zakładem – nawet po uwzględnieniu amortyzacji kapitału i pełnego stosu kosztów operacyjnych na miejscu. Poniżej tych progów lub w połączeniu z istniejącą tanią infrastrukturą rurociągów na wynos, utylizacja poza miejscem lokalizacji pozostaje konkurencyjna wyłącznie na podstawie kosztów.
Oprócz kosztów bezpośrednich operatorzy w coraz większym stopniu uwzględniają także czynniki wartość ponownego wykorzystania wody w analizę. Uzdatniona woda spełniająca wymagania dotyczące ponownego wykorzystania poprzez szczelinowanie hydrauliczne eliminuje koszty pozyskiwania słodkiej wody – które w basenach dotkniętych niedoborem wody, takich jak perm, mogą sięgać 1,50–3,00 dolarów za baryłkę pozyskiwanej wody słodkiej – zasadniczo zmieniając ekonomikę na korzyść oczyszczania na miejscu nawet przy mniejszych ilościach produkowanej wody.
Wybór producenta pomp DAF — czy to konkretnej pompy do recyklingu, czy całego pakietu systemów DAF — wymaga oceny możliwości technicznych, doświadczenia w zakresie zastosowań i wsparcia posprzedażnego, a nie samej ceny sprzętu. Pompa recyrkulacyjna, która nie utrzymuje stabilnego ciśnienia saturatora lub ulega kawitacji przy zmiennych warunkach zasilania, pogarsza wydajność DAF niezależnie od tego, jak dobrze zaprojektowana jest reszta układu.
Kluczowe kryteria oceny producentów pomp DAF i dostawców systemów obejmują: