Детаљно објашњење метода за израчунавање потражње за кисеоником и брзине аерације у резервоарима за аерацију

У процесу биолошког третмана отпадних вода, резервоар за аерацију је главна реакциона јединица. Његова основна функција је да пренесе кисеоник у мешану течност кроз опрему за аерацију како би се задовољиле потребе микробног метаболизма и деградације загађивача. Потреба за кисеоником (О₂ потражња) се односи на укупан кисеоник потребан микроорганизмима за разградњу органске материје и оксидацију амонијачног азота, док је брзина аерације стварни учинак опреме за аерацију израчунат на основу потражње кисеоника и параметара као што је ефикасност преноса кисеоника. Прецизно израчунавање потребе за кисеоником и степена аерације не само да обезбеђује ефикасност третмана отпадних вода, већ и оптимизује потрошњу енергије и смањује оперативне трошкове. Овај чланак ће детаљно разложити логику прорачуна, основне формуле и кључне факторе утицаја ова два параметра, пружајући референцу за инжењерски дизајн и оперативна подешавања.

Прорачун потребе за кисеоником се заснива на метаболичким реакцијама микроба, које обухватају потребу за кисеоником за карбонизацију (разградња органске материје) и потребу за кисеоником за нитрификацију (оксидација амонијачног азота). Такође захтева одузимање кисеоника потрошеног ендогеним слабљењем дисања и кисеоника однешеног раствореним кисеоником у ефлуенту, што на крају даје стварну укупну потребну потребу за кисеоником.

1. Основа и формула за израчунавање језгра

Прорачун потребе за кисеоником (ОД) се заснива на кључним параметрима као што су квалитет воде која утиче (БОД₅, ЦОД, НХ₄⁺-Н), ефикасност третмана и концентрација муља. Основна формула је следећа:

Укупна потреба за кисеоником (О₂ₜₒₜₐₗ)=Потреба за кисеоником за карбонизацију (О₂₍ₙ₎) + Потреба за кисеоником за нитрификацију (О₂₍ₙᵢₜ₎) - Ендогена респирација кисеоником (О₂₍ₑₙₐₐ₎) - Кисеоник који носи ДО у ефлуенту (О₂₍ₒᵤₜ₎)

(1) Потреба за кисеоником за карбонат (О₂₍ₙ₎)
Потреба за кисеоником карбонатом је количина кисеоника потребна за микробну деградацију биоразградивих органских материја. Користећи БОД₅ као основни индикатор, формула за израчунавање је:

O₂₍ₙ₎ = a' × Q × (Sᵢₙ - Sₒᵤₜ) - b' × V × X

Објашњење параметара у формули:

1а': Коефицијент потражње за кисеоником за разградњу органске материје (кг О₂/кг) БПК₅: За конвенционалну кућну отпадну воду, а' се узима као 0,42~0,53; за индустријске отпадне воде, вредност је потребно прилагодити према биоразградивости (већа вредност за лошу биоразградљивост, нижа вредност за добру биоразградљивост);

1К: Запремина третмана (м³/д);

1Сᵢₙ,Сₒᵤₜ: Концентрације БПК₅ у утицају и ефлуенту (кг/м³, тј. г/Л);

1б': Коефицијент потрошње кисеоника ендогеног дисања муља (кг О₂/(кг МЛСС·д)), за кућну отпадну воду, б' се узима као 0,10~0,15;

1В: Ефективна запремина резервоара за ваздух (м³);

1Кс: Концентрација суспендованих чврстих материја у резервоару за аерацију (МЛСС, кг/м³).

Напомена: Ако се ЦОД користи као индикатор израчунавања, ЦОД се прво мора претворити у БПК₅ (за конвенционалну кућну отпадну воду, БПК₅/ЦОД≈0,5; за индустријску отпадну воду потребно је стварно мерење).

(2) Потреба за кисеоником за нитрификацију (О₂₍ₙᵢₜ₎)

Ако процес захтева нитрификацију (оксидацију амонијачног азота у нитратни азот), потребно је посебно израчунати потребу за кисеоником за нитрификацију. Формула је:

О₂₍ₙᵢₜ₎=4.57 × К × (НХ₄⁺-Нᵢₙ - НХ₄⁺-Нₒᵤₜ) - 0.12 × К × (НО₃⁻⁺-{5}} НЕ₃⁻-Нᵢₙ)

Објашњење параметара у формули:

14.57: Теоретски коефицијент потрошње кисеоника за оксидацију амонијачног азота у нитратни азот (кг О₂/кг) НХ₄⁺-Н);

10.12: Коефицијент померања потрошње кисеоника за денитрификацију нитрата (ово се може занемарити ако нема денитрификације);

1НХ₄⁺-Нᵢₙ, НХ₄⁺-Нₒᵤₜ: Концентрација амонијачног азота у доводу и ефлуенту (кг/м³);

1НО₃⁻-Нᵢₙ, НО₃⁻-Нₒᵤₜ: Концентрација нитратног азота у доводу и ефлуенту (кг/м³).

(3) Потрошња кисеоника из ендогеног дисања и пренос кисеоника од стране ДО у ефлуенту
Потрошња кисеоника из ендогеног дисања се већ одражава у формули потребе за кисеоником за карбонацију преко б' параметра и не мора се поново израчунавати; формула за израчунавање преноса кисеоника од стране ДО у ефлуенту је:

О₂₍ₒᵤₜ₎=8.33 × К × (ДОₒᵤₜ - ДОᵢₙ)

Где: 8,33 је фактор конверзије густине кисеоника (кг О₂/(м³·мг/Л)), ДОᵢₙ и ДОₒᵤₜ су концентрације раствореног кисеоника у инфлуенту и ефлуенту (мг/Л), респективно. У нормалним случајевима, ДО у инфлуенту се може занемарити (узети као 0), а ДО у ефлуенту се контролише на 2~3 мг/Л.

2. Пример израчунавања потражње за кисеоником (ОД) Дато је постројење за пречишћавање отпадних вода у домаћинству са капацитетом пречишћавања од К=1000 м³/д, ефективна запремина резервоара за аерацију од В=300 м³, БПК₅=200 мг/Л, ефлуент БОД₅ {{4}млСС мг/Л, флуентни проток {{4} МЛСС мг/Л у НХ₄⁺-Н=30 мг/Л, ефлуент НХ₄⁺-Н=1 мг/Л и ефлуент ДО=2 мг/Л, узмите а'=0.5 и б'=0.12.

(1) Потреба за кисеоником за карбонацију: О₂₍ₙ₎=0.5 × 1000 × (0.2 - 0.02) - 0.12 × 300 × 3=90 - 108=-18 (Негативна вредност указује да је ендогена потреба за кисеоником при дисању већа од потребе за кисеоником за карбонацију, па узимамо 0);

(2) Потреба за кисеоником за нитрификацију: О₂₍ₙᵢₜ₎=4.57 × 1000 × (0.03 - 0.001)=4.57 × 29 ≈ 132,53 кг О₂/д;

(3) Кисеоник који носи ДО у ефлуенту: О₂₍ₒᵤₜ₎=8.33 × 1000 × (2 - 0)=16.66 кг О₂/д;

(4) Укупна потреба за кисеоником: О₂ₜₒₜₐₗ=0 + 132.53 - 16.66≈115,87 кг О₂/д.

Запремина аерације се односи на количину ваздуха коју опрема за аерацију треба да унесе у резервоар за аерацију. Треба га израчунати на основу укупне потражње кисеоника, у комбинацији са параметрима као што су ефикасност преноса кисеоника и садржај кисеоника у ваздуху. Корекције за пренос кисеоника због фактора као што су температура воде и ваздушни притисак такође треба узети у обзир.

1. Логика и формула за израчунавање језгра
Садржај кисеоника у ваздуху је приближно 21% (масени удео). Ефикасност преноса кисеоника (Еₚ) се односи на удео кисеоника који је стварно пренет из ваздуха у мешану течност. Стопа аерације се израчунава помоћу следеће формуле:

Стварна брзина аерације (Гₛ)=Укупна потреба за кисеоником (О₂ₜₒₜₐₗ) / (садржај кисеоника у ваздуху × ефикасност преноса кисеоника × фактор корекције)

Специфична формула разлагања:

Gₛ = O₂ₜₒₜₐₗ × 1000 / (0.21 × 1.205 × Eₚ × Kₜ × ... Kₚ)

Објашњење параметара у формули:

10.21: Запремински удео кисеоника у ваздуху (%);

11.205: Густина ваздуха (кг/м³, под стандардним условима, 20 степени, 1 атм);

1Еₚ: Ефикасност преноса кисеоника (%), Еₚ веома варира у зависности од опреме за аерацију: аерација са дуваљком (микропорозни аератор) Еₚ=15%~25%, површинска аерација (аератор радног кола) Еₚ=8% ~15%;

1Кₜ: Корекциони фактор температуре воде, Кₜ=1.024^(Т-20), где је Т стварна температура воде у резервоару за ваздух (степен). Како температура воде расте, растворљивост кисеоника се смањује, а Кₜ се повећава.

1Кₚ: Корекциони фактор притиска гаса, Кₚ=П/1,013, где је П локални атмосферски притисак (атм). Како се атмосферски притисак повећава, растворљивост кисеоника се повећава, а Кₚ се повећава.

11000: Фактор конверзије јединице (конвертује кг О₂ у г О₂).

2. Пример израчунавања брзине аерације (пратећи горњи пример потрошње кисеоника) С обзиром на укупну потребу за кисеоником О₂ₜₒₜₐₗ=115.87кг О₂/д, коришћењем микропорозних аератора, Еₚ=20%, температура воде у резервоару за аерацију Т=25 степени 4} и локални Пммо притисак.

(1) Израчунајте фактор корекције: Кₜ=1.024^(25-20)=1.024⁵≈1,127, Кₚ=1.0/1,013≈0,987;

(2) Израчунајте брзину аерације: Гₛ=115.87×1000 / (0,21×1,205×20%×1,127×0,987)≈115870 / (0,21×1,205×0,2×1,127×0,987)≈1 0,056≈2069109 м³/д? Обрачун овде није тачан и треба га исправити на следећи начин:

Поново израчунајте (конзистентне јединице): О₂ₜₒₜₐₗ=115.87 кг/д=115870 г/д;

Именилац: 0,21 (запремински удео кисеоника) × 1,205 (густина ваздуха кг/м³) × Еₚ (20%=0.2) × Кₜ (1,127) × Кₚ (0,987)=0.21 × 1,205 × 0,27 × 1,205 × 0,27 × 1.8 ₚ. 1,205 ≈ 0,253, 0,253 × 0,2 ≈ 0,0506, 0,0506 × 1,127 ≈ 0,057, 0,057 × 0,987 ≈ 0,056 кг О₂/м³

Дакле, Гₛ=115.87 кг/д / 0,056 кг О₂/м³ ваздуха ≈ 2069 м³/д (приближно 86.2 м³/х).

1. Фактори квалитета воде
Концентрација утицајне органске материје (БОД₅, ЦОД) и амонијачног азота директно одређује потражњу за кисеоником: што је већа концентрација, већа је потреба за кисеоником, и сходно томе треба повећати брзину аерације; ако индустријска отпадна вода садржи непослушне органске материје или токсичне супстанце, она ће инхибирати микробну активност, захтевајући одговарајуће повећање брзине аерације (повећање концентрације ДО да би се ублажила инхибиција токсичности).

2. Радни параметри
Претерано висока концентрација МЛСС ће повећати потрошњу кисеоника у ендогеном дисању и смањити ефикасност преноса кисеоника (повећан вискозитет мешавине течности), што захтева равнотежу између МЛСС и брзине аерације; Време задржавања муља (СРТ) утиче на ефикасност нитрификације, процес нитрификације треба да контролише СРТ веће од или једнако 10 дана (20 степени) и одговара довољној потреби за кисеоником за нитрификацију.

3. Фактори животне средине
Повећана температура воде смањује растворљивост кисеоника и смањује ефикасност преноса кисеоника, што захтева повећану аерацију. Смањен ваздушни притисак (нпр. у подручјима са великом{3}}висином) додатно смањује растворљивост кисеоника, што захтева повећану аерацију да би се компензовало. пХ мешавине течности утиче на нитрификацију (оптимални пХ=7.5~8,5); абнормални пХ захтева давање приоритета прилагођавању квалитета воде пре оптимизације аерације.

4. Избор опреме за аерацију
Различити типови опреме за аерацију нуде значајно различиту ефикасност преноса кисеоника. Микропорозни аератори имају највећу ефикасност преноса кисеоника и погодни су за велике резервоаре за аерацију. Површински аератори се лако инсталирају и погодни су за мала постројења за пречишћавање отпадних вода. Приликом одабира опреме, неопходно је узети у обзир потражњу за кисеоником и тип резервоара, дајући предност опреми са високом{3}}ефикасношћу и ниском-енергетском-потрошњом да бисте смањили запремину аерације и оперативне трошкове.

1. Прецизне вредности параметара: Коефицијенте као што су а', б' и Еₚ треба прилагодити на основу врсте отпадне воде (домаћа канализација/индустријска отпадна вода), модела опреме за аерацију и измерених података како би се избегла одступања у прорачуну узрокована директном применом емпиријских вредности.

2. Конзистентност јединице је кључна: Пре израчунавања, све јединице параметара морају бити конзистентне (нпр. мг/Л до кг/м³, м³/д до м³/х) како би се избегла конфузија јединица која доводи до грешака.

3. Маргина за пројектовање: У стварним пројектима, фактор сигурности од 1,1~1,2 треба да се помножи са израчунатом стопом аерације да би се решио пад ефикасности преноса кисеоника узрокован факторима као што су флуктуације квалитета воде и старење опреме.

4. Подешавања на основу стварног рада: Израчунате вредности су теоријске вредности. У стварном раду, брзина аерације треба да се динамички прилагођава на основу концентрације мешовите течности ДО (контролисане на 2~3 мг/Л) и квалитета отпадних вода (БОД₅, НХ₄⁺-Н) да би се постигао баланс између ефикасности и потрошње енергије.

Израчунавање потребе за кисеоником и брзине аерације у резервоару за аерацију је кључни аспект пројектовања и оптимизације рада инжењеринга за третман отпадних вода. У суштини, то укључује квантификацију метаболичких потреба микроорганизама и ефикасности преноса кисеоника да би се постигло „снабдевање кисеоником на-на захтев“. Прорачуни потражње за кисеоником морају се строго придржавати параметара квалитета воде и микробних метаболичких образаца, док прорачуни брзине аерације морају бити прилагођени у вези са перформансама опреме и факторима животне средине. У практичним применама, основни оквир треба да се успостави кроз теоријске прорачуне, праћене динамичким прилагођавањем на основу измерених података. Ово осигурава да резултати третмана отпадних вода испуњавају стандарде уз минимизирање потрошње енергије аерације, постижући ефикасан и економичан рад процеса.