Çözünmüş hava flotasyonu, İngilizce dissolved air flotation adının kısaltmasıyla DAF, basınç altında suda çözündürülen havanın basınç düşürülerek mikrokabarcıklar hâlinde açığa çıkarıldığı bir katı–sıvı ayırma prosesidir. Kabarcıkların parçacıklara veya floklara bağlanması, oluşan birleşik yapının ortalama yoğunluğunu düşürür; yüzeye taşınan malzeme sudan uzaklaştırılır. Adındaki “çözünmüş” sözcüğü, giderilen kirleticinin değil, kabarcıkları üretmek için kullanılan havanın başlangıç durumunu belirtir.[1][3]
DAF; su durultma, bazı endüstriyel atık suların ön arıtımı ve arıtma çamurlarının yoğunlaştırılmasında kullanılır. Özellikle yavaş çöken, düşük yoğunluklu flokların ayrılmasında önem taşır. Bununla birlikte yalnızca hava verilmesi başarılı ayırma için yeterli değildir: parçacıkların yüzey özellikleri, kimyasal şartlandırma, kabarcık üretimi ve havuz içindeki akış birlikte değerlendirilir. İçme suyu arıtımında DAF, çoğunlukla filtrasyondan önceki durultma basamağıdır; filtrasyon ve dezenfeksiyonun yerine geçen bağımsız bir güvenlik bariyeri olarak kabul edilmez.[2][4][5]
Ayırma mekanizması ve komşu proseslerden farkı
DAF’ta ilk işlem, havayı suya çözündürmektir. Basınçlandırılan su hava ile temas ettirilir; basınç düşürüldüğünde yeni koşullarda çözeltide kalamayan hava küçük kabarcıklar oluşturur. Dolayısıyla proses, havuz tabanından sıradan bir difüzörle hava vermekten farklıdır. Basınç düşürme elemanının ve dağıtım düzeninin özellikleri, oluşan kabarcıkların boyutunu ve dağılımını etkiler.[1]
Yüzdürme, yalnızca kabarcıkla parçacığın aynı yerde bulunmasına dayanmaz. Önce karşılaşma, ardından yeterince kalıcı bağlanma gerçekleşmelidir. Kabarcıklar flok yüzeyine tutunabilir veya flokun gözenekli yapısı içinde tutulabilir. Yeterli gaz hacmi taşıyan birleşik yapı sudan daha düşük ortalama yoğunluğa ulaştığında yükselir. Sıvı, katı ve gaz fazlarının ara yüzey özellikleri bu nedenle mekanizmanın parçasıdır.[2][3]
Küçük kabarcıkların önemli üstünlüğü, belirli bir gaz hacminde çok sayıda karşılaşma olanağı sağlamalarıdır. Büyük kabarcıkların oluşturduğu kuvvetli hareket ise kırılgan floklar için uygun olmayabilir. Bununla birlikte “kabarcık ne kadar küçükse proses o kadar iyidir” biçiminde sınırsız bir kural kurulamaz; parçacıkla karşılaşma, tutunma, yükselme ve akıştan ayrılma birlikte gerçekleşmelidir.[2]
Koagülasyon ve çökelmeyle ilişkisi
Koagülasyon, kararlı kolloidal parçacıkların ayrılabilir yapılara dönüşmesini sağlayan kimyasal şartlandırmadır; flokülasyon bu yapıların kontrollü karıştırmayla birleşmesini destekler. DAF ise oluşan malzemeyi sudan ayırır. Bu nedenle koagülasyon ve DAF çoğunlukla birbirinin alternatifi değil, birbirini izleyen işlemlerdir.[4]
Çökelme, yeterince ağır parçacıkların aşağı hareketinden yararlanırken DAF kabarcık–parçacık birleşimlerinin yukarı taşınmasını kullanır. Yavaş çöken hafif floklarda yüzdürme uygun olabilir; bu, her su için çökelmeden üstün olduğu anlamına gelmez. Çökelme için seçilmiş flokülasyon koşullarının DAF’a değiştirilmeden aktarılması da doğru değildir. Üç farklı su kaynağını inceleyen 1992 tarihli araştırmanın özetinde, uzun flokülasyon sürelerinin gerekli olmadığı ve deney koşullarında küçük flokların uygun bulunduğu bildirilmiştir.[7]
Hava sıyırmada hedef, çözünmüş uçucu bileşenin gaz fazına aktarılmasıdır. DAF’ın temel hedefi ise gazı taşıyıcı olarak kullanarak parçacık veya damlacıkları yüzeyde toplamaktır. Havanın kullanılması bu iki prosesi aynı işlem yapmaz.[1]
Proses akışı ve kimyasal ön koşullar
Koagülasyonla desteklenen bir durultma uygulamasında ana akış; kimyasal ekleme ve hızlı karıştırma, flokülasyon, kabarcıklarla temas, yüzdürmeyle ayırma ve yüzey malzemesinin uzaklaştırılması sırasını izler. Arıtılmış suyun bir bölümü ayrı bir hatta basınçlandırılıp hava ile doygunlaştırılarak temas bölgesine geri verilebilir. Bu geri devir akımı, taze beslemeden farklıdır; havuzu geçen toplam debiye katkıda bulunur.[1][3]
Temas bölgesi, yeni oluşan kabarcıkların floklarla karşılaşmasını sağlar. Ardındaki ayırma bölgesinde birleşik yapılar yüzeye taşınırken durultulmuş su ayrı bir çıkış düzeniyle alınır. Bu iki bölgenin görevleri aynı değildir: temas için gerekli karışımın bütün havuzda kuvvetli türbülans oluşturması istenmez. Yüzeyde biriken tabaka mekanik sıyırmayla veya uygun hidrolik düzenle uzaklaştırılır.[1][8]
Basınçlandırma seçenekleri
Toplam basınçlandırmada beslemenin tamamı, kısmi basınçlandırmada bir bölümü basınçlandırılır. Geri devir basınçlandırmasında ise nispeten berrak bir yan akım kullanılır. Son seçenek, oluşmuş flokların basınçlandırma pompası ve basınç düşürme elemanından geçmesini azaltır. Toplam veya kısmi basınçlandırmanın uygunluğu, beslemenin niteliği ve ekipmanın kesme etkisiyle birlikte değerlendirilir.[3]
Kimyasal şartlandırmanın amacı yalnızca gözle büyük flok elde etmek değildir. Flokların kabarcıklarla etkileşebilmesi ve temas bölgesindeki kuvvetlere dayanabilmesi gerekir. Ham suyun niteliği, koagülant türü, pH, sıcaklık, doz ve karıştırma koşulları birlikte belirleyicidir. Düşük bulanıklık, kimyasal ihtiyacın mutlaka düşük olduğu anlamına gelmez; renk ve organik madde de şartlandırma gereksinimini etkileyebilir.[2][4][10]
Alüminyum veya demir esaslı koagülantlar ve gerektiğinde yardımcı polimerler kullanılabilir. Ancak bir kimyasalın adı, tek başına uygun dozunu veya bütün sulardaki başarısını belirlemez. Düşük tamponlama kapasitesine sahip sularda koagülant ilavesi pH’ı değiştirebildiğinden, doz denemeleri pH izlemesinden ayrı yürütülmemelidir. DAF’a uygun şartlandırma, kullanılan suyla yapılan deneylerle belirlenir.[4][8]
Uygulamalar ve giderilebilen maddelerin sınırları
İçme suyu ve organik madde içeren yüzey suları
Alg içeren, renkli veya hafif flok oluşturan yüzey suları DAF’ın önemli uygulama alanlarıdır. Buradaki işlev, filtrasyona ulaşacak parçacık yükünü azaltmaktır. Ancak suyun berraklaşması, bütün çözünmüş organik maddenin uzaklaştırıldığı anlamına gelmez. Koagülasyonla flok fazına aktarılabilen organik fraksiyon yüzdürmeyle ayrılabilir; floklara bağlanmayan çözünmüş bileşenler için aynı beklenti kurulamaz.[1][10]
EPA’nın 1990 tarihli proje özeti bu ayrımı açıkça gösterir. İncelenen hümik madde içeren sularda DAF ile çökelmeli arıtmanın çözünmüş organik karbon ve bazı ilişkili göstergelerdeki giderimleri arasında anlamlı fark bulunmamış; çözünmüş organik madde gideriminin esas olarak koagülant kimyasına bağlı olduğu belirtilmiştir. Sonuç, DAF’ın etkisiz olduğunu değil, kimyasal faz aktarımı ile fiziksel ayırmanın farklı işlevler taşıdığını gösterir.[10]
Alg ve siyanobakteri yönetimi
DAF, sağlam siyanobakteri hücrelerinin uzaklaştırılmasına ve böylece hücre içindeki toksinlerin su akımından ayrılmasına katkı sağlayabilir. Buna karşılık hücre dışına çıkmış, suda çözünmüş toksinler aynı mekanizmayla güvenilir biçimde giderilmiş sayılmaz. EPA bu iki durumu ayrı arıtma hedefleri olarak ele alır.[6]
Ön oksidasyon hücreleri zedeleyerek toksinin suya salınmasına neden olabilir. Bu nedenle yalnızca hücre sayısındaki veya bulanıklıktaki azalmaya bakılarak toksin güvenliği sonucu çıkarılamaz. Çamurda tutulan hücrelerin bekletilmesi ve geri dönen sıvıların yönetimi de değerlendirmeye katılmalıdır. Gerekli ek arıtma, hedef toksinin ve suyun özelliklerine göre belirlenir.[6]
Endüstriyel atık sular ve çamur yoğunlaştırma
Yağlı atık sularda serbest yağ, emülsifiye yağ ve gerçekten çözünmüş yağ bileşenleri ayrılmalıdır. DAF, uygun şartlandırılmış damlacıkları yüzdürerek ayırabilir; çözünmüş organik bileşenlerin tamamını gideren bir proses değildir. Metal yüzey işleme atık sularına ilişkin EPA kılavuzu, serbest yağın ön ayrılması ile emülsiyon gideriminin çok basamaklı ele alınabileceğini belirtir. Bir yağ fraksiyonundaki başarı diğer fraksiyonlara genellenemez.[11]
Gıda endüstrisindeki yağ ve proteinlerin, kâğıt endüstrisindeki liflerin ve bazı metal hidroksit floklarının ayrılması da uygulamalar arasındadır. Bununla birlikte bu örnekler bütün kimyasal oksijen ihtiyacının veya bütün metallerin doğrudan kabarcıklara bağlanacağı anlamına gelmez. Ayrılacak maddenin fiziksel biçimi belirleyicidir.[1]
Çamur yoğunlaştırmada hedef farklıdır: düşük katı derişimli çamurun hacmi azaltılır, yüzeyden daha yoğun bir akım alınır. Katı yakalama verimi ile çıkan çamurun kuru madde oranı ayrı performans göstergeleridir. Biyolojik çamurun yapısı ve floklaşma özellikleri sonucu etkiler; içme suyu durultmasının işletme değerleri bu uygulamaya doğrudan taşınamaz.[3][9]
Tasarım göstergeleri ve hidrolik değerlendirme
DAF kapasitesi yalnızca havuz hacmi veya besleme debisiyle tanımlanamaz. Hava üretimi, parçacık yükü, temas koşulları ve ayırma bölgesinin hidrodinamiği birlikte değerlendirilir. Özellikle geri devir artışı hem daha fazla hava taşıyabilir hem de havuzun hidrolik yükünü yükseltir. Bu iki etki aynı yönde performans değişikliği oluşturmak zorunda değildir.[9][12]
Geri devir ve alan yükünün açık tanımlanması
Geri devir oranı aşağıdaki biçimde tanımlanabilir:
$$R=\frac{Q_r}{Q_f}$$
Burada \(Q_r\) geri devir, \(Q_f\) taze besleme debisidir; ikisi aynı birimde, örneğin m3/h olarak kullanılır. \(R\) boyutsuzdur; yüzde gösterimi \(100R\)’dir. Bu bir debi tanımıdır, giderim verimi değildir.
Geri devirli bir düzende, seçilmiş ayırma alanına giren toplam debiyi esas alan hidrolik alan yükü şöyle yazılır:
$$q_h=\frac{Q_f+Q_r}{A}=\frac{Q_f(1+R)}{A}$$
\(A\), hesapta kullanılan etkin ayırma alanıdır ve m2 ile verilir. Debiler m3/h ise \(q_h\) m/h olur. Bu tanım, ek yan akımların bulunmadığını ve belirtilen debilerin aynı bölgeden geçtiğini varsayar. EPA’nın yağ ayırma kılavuzu da yüzey yükünde geri devrin hesaba katılmasını belirtir.[11]
Bir rapor yalnızca taze beslemeyi, diğeri toplam debiyi kullanıyorsa aynı “m/h” değeri aynı hidrolik koşulu anlatmaz. Ayrıca toplam havuz plan alanı ile temas bölgesi dışındaki etkin ayırma alanı eş anlamlı değildir. Bu nedenle bir tasarım değeri aktarılırken paydaki debi ve paydadaki alan birlikte belirtilmelidir. Yukarıdaki bağıntı, ekipmanın sağlayacağı çıkış kalitesini tahmin eden bir model değildir.
Hava miktarı, basınç ve sıcaklık
Hava/katı oranı, seçilmiş hava kütle debisinin katı madde kütle debisine oranıdır. Ancak karşılaştırılabilirlik için “hava”nın kompresörden verilen, suda çözünen veya kabarcık olarak açığa çıkan miktar olup olmadığı açıklanmalıdır. Bu akımların eşit olduğu varsayılamaz. Benzer şekilde katı yükünün hangi numune noktasına ve hangi katı tanımına dayandığı belirtilmelidir.[3][9]
Basınç, geri devir ve doygunlaştırıcı verimi birbirinden bağımsız değildir. Gerçekte çözündürülen hava; cihazın gaz–su temasına, sıcaklığa ve sıvının bileşimine bağlıdır. Ayrıca gaz çözünürlüğü hesabındaki mutlak basınç, atmosfer basıncına göre okunan gösterge basıncıyla karıştırılmamalıdır. Başka bir tesiste bildirilen basıncı tek başına kopyalamak aynı hava dozunu sağlamaz.[3]
Sıcaklığın etkisi de tek yönlü yorumlanamaz. Gaz çözünürlüğü ile sıvının akış ve yükselme davranışı farklı fiziksel özelliklere bağlıdır. Tek kabarcığın ideal koşullardaki yükselme hızı, flok–kabarcık topluluklarının gerçek havuzdaki ayırma hızına doğrudan eşitlenmemelidir. Basitleştirilmiş hız bağıntılarının akış rejimi ve şekil varsayımları vardır.[2][3]
Havuz içindeki kısa devreler, suyun etkin ayırma bölgesinden yeterince yararlanmadan çıkmasına yol açabilir. MBBR floklarının ayrıldığı bir pilot araştırmanın özetinde, tabakalı akış daha iyi ayırmayla, kısa devreli akış ise olumsuz sonuçlarla ilişkilendirilmiştir. Araştırmacıların ek doğrulama istemesi, bu gözlemin bütün DAF tasarımları için hazır bir katsayı olmadığını gösterir.[12]
Deney, ölçüm ve performansın doğrulanması
DAF için laboratuvar değerlendirmesi yalnızca çökelmeli jar testinden ibaret olmamalıdır. Kimyasal şartlandırmanın ardından basınçlandırılmış suyla kabarcık üretimi ve yüzdürme basamağı da temsil edilmelidir. Çökelme testinde iyi görünen bir flokun yüzdürmede aynı sonucu vereceği varsayılmaz. Laboratuvar ve pilot araştırmaları; flokülasyon süresi, kimyasal koşullar ve hava verilmesini birlikte incelemek için kullanılır.[7][8]
Deney planında değişkenlerin ayrıştırılması önemlidir. Koagülant ve polimer dozu değiştirilirken pH, karıştırma ve hava koşulları da kontrolsüz değişirse hangi etkenin sonucu oluşturduğu belirsiz kalır. Sabit bir geri devir yüzdesiyle yapılan deneme de farklı doygunlaştırıcıların aynı miktarda kabarcık ürettiğini kanıtlamaz. Ölçülen koşullar sonuçla birlikte kaydedilmelidir.[4][7]
Performans değerlendirmesinde numune noktası açık olmalıdır: ham su, kimyasal eklenmiş su, DAF çıkışı ve filtre çıkışı birbirinin yerine kullanılamaz. Bulanıklık, askıda katı madde, organik madde göstergeleri ve hedef kirletici analizleri farklı sorulara cevap verir. Bulanıklık optik bir göstergedir; kimyasal ilavesinden sonra oluşan flokların etkisi de sonuçta yer alır. Tek bir çıkış değeri bütün prosesin mekanizmasını açıklamaz.[8][10]
DAF’ın filtrasyona katkısı da ayrıca ölçülmelidir. Abada ve çalışma arkadaşlarının 2026 tarihli pilot çalışması, flokülasyon havuzuna entegre DAF’ın bazı yük koşullarında filtre çalışma süresini uzattığını göstermiştir. Ancak çalışma bir kavram doğrulamasıdır; deney sırasında çamur sıyırma uygulanmamış, laboratuvar testleri bazı yönlerden pilot testlerden daha iyi sonuç vermiştir. Bildirilen iyileşmeler bütün tesislere ait garanti değildir.[8]
Benzer biçimde, pilot başarısı ölçek büyütmedeki hidrolik ve işletme sorunlarını kendiliğinden çözmez. Tasarım doğrulamasında kullanılan suyun, katı özelliklerinin ve işletme aralığının gerçek tesisi temsil etmesi gerekir. Bir modelin veya kısa deneyin sonucu, uzun dönem saha performansından ayrı raporlanmalıdır.[3]
DAFF olarak adlandırılan birleşik DAF–filtrasyon üniteleri daha kompakt olabilir; fakat iki basamağın tek gövdede bulunması ara izlemeyi güçleştirebilir. İrlanda EPA kılavuzu, bazı birleşik düzenlerde durultma performansını ayrı izleme noktası bulunmadığını, filtre yatağının görünmediğini ve geri yıkamada üretimin kesildiğini belirtir. Bu özellikler kontrol ve kapasite planlamasının parçasıdır.[5]
İşletme, çamur yönetimi ve güvenlik
İşletme kontrolü yalnızca çıkış suyuna bakılarak yürütülmez. Besleme ve geri devir debileri, basınç, kimyasal şartlandırma ve çamur uzaklaştırma birlikte izlenir. Çıkış kalitesi bozulduğunda olası nedenler arasında aşırı hidrolik yük, değişen katı yükü, yetersiz veya aşırı hava ve uygun olmayan flok yapısı bulunur. Çamur yoğunlaştırmaya ilişkin EPA kılavuzu, bu değişkenlerin birlikte değerlendirilmesini önerir.[9]
Bu nedenle “çıkış bulanıklaştıysa basıncı artırmak gerekir” biçiminde tek nedenli bir yaklaşım uygun değildir. Havanın artırılması, belirli koşullarda flok yapısını bozabilir. Önce kimyasal şartlandırmanın, hava üretiminin, dağılımın ve hidrolik yükün hangisinin değiştiği araştırılmalıdır. Yüzeyde görülen tabakanın varlığı da tek başına iyi katı yakalama veya uygun çıkış kalitesi kanıtı değildir.[9]
Basınçlandırma hattındaki erken basınç kayıpları, kabarcıkların istenen noktadan önce oluşmasına ve büyümesine neden olabilir. Böyle bir durumda basınç göstergesi veya pompanın çalışıyor olması, temas bölgesine uygun kabarcık dağılımı ulaştığını göstermez. Bakım değerlendirmesi, doygunlaştırma ve basınç düşürme elemanlarını aynı sistemin parçaları olarak ele almalıdır.[1]
Yüzey ve dip çamuru
Yüzey çamurunun uzaklaştırılması ayırmanın tamamlayıcı basamağıdır. Tabakanın aşırı birikmesi, altından malzeme taşınmasına ve çıkış suyunun yeniden kirlenmesine yol açabilir. Çamur yoğunlaştırmada tabakadan suyun süzülmesi kuru madde oranını etkiler; buna karşılık yüksek kuru madde oranı tek başına yüksek katı yakalama anlamına gelmez.[3][9]
Her katının yüzeye çıkması beklenmez. Özellikle atık su uygulamalarında ağır parçacıklar tabanda birikebildiğinden dip çamuru uzaklaştırma düzeni gerekir. Yüzeyden alınan malzeme ile dipten çekilen katılar, tesisin artık yönetiminde birlikte değerlendirilir. DAF kirleticiyi ortadan kaldırmak yerine büyük ölçüde daha yoğun bir artık akımına aktarır.[1][3]
Siyanobakteri riski bulunan uygulamalarda biriken hücrelerin ve ayrılan sıvıların yönetimi ayrıca önemlidir. Hücreleri yakalamakla toksini parçalamak aynı işlem değildir; geri dönen sıvıların kontrolsüz biçimde ana su akımına verilmesi, ayırmanın sağladığı yararı zayıflatabilir.[6]
Ekipman ve işletme güvenliği
DAF; basınçlı kap, pompa, hava sistemi, basınç düşürme elemanı ve hareketli sıyırıcılar içerebilir. Bu nedenle basınçlı hatlara ve mekanik ekipmana müdahale, tesisin üretici talimatlarıyla uyumlu izolasyon, basınç boşaltma ve bakım prosedürleri kapsamında yürütülmelidir. Burada açıklanan proses ilkeleri, ekipmana özgü güvenli çalışma talimatının yerine geçmez.[3][9]
Sonuç olarak uygun DAF işletmesi, en yüksek basınca veya en fazla kimyasala ulaşmak değil; yeterli hava üretimi, uygun flok, kararlı akış ve düzenli artık uzaklaştırmayı birlikte sağlamaktır. Kabul edilebilir çalışma aralığı, arıtılan su veya çamur ile aşağı akım proseslerinin gereksinimleri üzerinden doğrulanır.[1][4][9]