Детальне пояснення методів розрахунку споживання кисню та швидкості аерації в аеротенках

У процесі біологічного очищення стічних вод аеротенк є основною реакційною установкою. Його основною функцією є передача кисню до змішаного розчину через обладнання для аерації для задоволення потреб мікробного метаболізму та розкладання забруднюючих речовин. Попит на кисень (попит на O₂) стосується загальної кількості кисню, необхідного мікроорганізмам для розкладання органічної речовини та окислення аміачного азоту, тоді як швидкість аерації – це фактична продуктивність обладнання для аерації, розрахована на основі потреби в кисні та таких параметрів, як ефективність передачі кисню. Точний розрахунок потреби в кисні та швидкості аерації не тільки забезпечує ефективність очищення стічних вод, але й оптимізує споживання енергії та знижує експлуатаційні витрати. У цій статті детально описано логіку розрахунку, основні формули та ключові фактори, що впливають на ці два параметри, надавши посилання для коригування проектування та експлуатації.

Розрахунок потреби в кисні базується на метаболічних реакціях мікроорганізмів, що охоплює потребу в кисні карбонізації (деградація органічної речовини) і потребу в кисні нітрифікації (окислення аміачного азоту). Це також вимагає вирахування кисню, спожитого ендогенним ослабленням дихання, і кисню, що виноситься розчиненим киснем у витікаючих водах, що в кінцевому підсумку дає фактичну загальну потребу в кисні.

1. Основа та формула розрахунку ядра

Розрахунок потреби в кисні (OD) базується на ключових параметрах, таких як якість води (БПК₅, ХПК, NH₄⁺-N), ефективність очищення та концентрація мулу. Основна формула така:

Загальна потреба в кисні (O₂ₜₒₜₐₗ)=Потреба в кисні при карбонізації (O₂₍ₙ₎) + Потреба в кисні при нітрифікації (O₂₍ₙᵢₜ₎) - Потреба в кисні при ендогенному диханні (O₂₍ₑₙₐₐ₎) - Кисень, що переноситься DO у стічних водах (O₂₍ₒᵤₜ₎)

(1) Потреба в кисні для карбонізації (O₂₍ₙ₎)
Потреба в кисні для карбонізації — це кількість кисню, необхідна для мікробного розкладання органічних речовин, що біологічно розкладаються. Використовуючи БПК₅ як основний показник, формула розрахунку така:

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

Пояснення параметрів у формулі:

1a': Коефіцієнт потреби в кисні для розкладання органічної речовини (кг O₂/кг) БПК5: Для звичайних побутових стічних вод a' приймається рівним 0,42~0,53; для промислових стічних вод значення необхідно скоригувати відповідно до здатності до біологічного розкладання (вище значення для поганої здатності до біологічного розкладання, нижче значення для хорошої здатності до біологічного розкладання);

1Q: об'єм обробки (м³/день);

1Sᵢₙ,Sₒᵤₜ: концентрації БПК₅ у припливній та витікаючих водах (кг/м³, тобто г/л);

1b': Коефіцієнт споживання кисню при ендогенному диханні мулу (кг O₂/(кг MLSS·d)), для побутових стічних вод, b' приймається як 0,10~0,15;

1V: Ефективний об'єм аеротенку (м³);

1X: Концентрація зважених твердих частинок змішаного розчину в аеротенку (MLSS, кг/м³).

Примітка. Якщо COD використовується як індикатор розрахунку, COD потрібно спочатку перетворити на BOD₅ (для звичайних побутових стічних вод BOD₅/COD≈0,5; для промислових стічних вод потрібне фактичне вимірювання).

(2) Попит на кисень нітрифікації (O₂₍ₙᵢₜ₎)

Якщо процес вимагає нітрифікації (окислення аміачного азоту до нітратного азоту), потребу в кисні для нітрифікації необхідно розрахувати окремо. Формула:

O₂₍ₙᵢₜ₎=4.57 × Q × (NH₄⁺-Nᵢₙ - NH₄⁺-Nₒᵤₜ) - 0.12 × Q × (NO₃⁻-Nₒᵤₜ - НІ₃⁻-Nᵢₙ)

Пояснення параметрів у формулі:

14.57: Теоретичний коефіцієнт споживання кисню для окислення аміачного азоту до нітратного азоту (кг O₂/кг) NH₄⁺-N);

10.12: Коефіцієнт компенсації споживання кисню для нітратної денітрифікації (це можна ігнорувати, якщо немає денітрифікації);

1NH₄⁺-Nᵢₙ, NH₄⁺-Nₒᵤₜ: концентрація аміачного азоту у притоці та витоку (кг/м³);

1NO₃⁻-Nᵢₙ, NO₃⁻-Nₒᵤₜ: концентрація нітратного азоту у притоці та витоку (кг/м³).

(3) Споживання кисню від ендогенного дихання та перенесення кисню через DO у стічних водах
Споживання кисню від ендогенного дихання вже відображається у формулі потреби в кисні для карбонізації через параметр b' і не потребує повторного розрахунку; формула для розрахунку переносу кисню через DO у стічні води:

O₂₍ₒᵤₜ₎=8.33 × Q × (DOₒᵤₜ - DOᵢₙ)

Де: 8,33 — коефіцієнт перетворення густини кисню (кг O₂/(м³·мг/л)), DOᵢₙ і DOₒᵤₜ — концентрації розчиненого кисню у притоці та витоку (мг/л), відповідно. У звичайних випадках DO у стічній рідині можна ігнорувати (взяти за 0), а DO у стічній рідині контролюється на рівні 2~3 мг/л.

2. Приклад розрахунку споживання кисню (OD) Враховуючи побутову очисну станцію з очисною потужністю Q=1000 м³/день, ефективний об’єм аеротенка V=300 м³, вхідний БПК₅=200 мг/л, стічні води БПК5=20 мг/л, MLSS=3000 мг/л, вхідний NH₄⁺-N=30 мг/л, стічні води NH₄⁺-N=1 мг/л, а стічні води DO=2 мг/л, візьміть a'=0.5 і b'=0.12.

(1) Потреба в кисні при карбонізації: O₂₍ₙ₎=0.5 × 1000 × (0.2 - 0.02) - 0.12 × 300 × 3=90 - 108=-18 (від’ємне значення вказує на те, що ендогенна потреба в кисні при диханні більша, ніж потреба в кисні при карбонізації, тому ми приймаємо 0);

(2) Споживання кисню при нітрифікації: O₂₍ₙᵢₜ₎=4.57 × 1000 × (0.03 - 0.001)=4.57 × 29 ≈ 132,53 кг O₂/день;

(3) Кисень, винесений DO в стічних водах: O₂₍ₒᵤₜ₎=8.33 × 1000 × (2 - 0)=16.66 кг O₂/день;

(4) Загальна потреба в кисні: O₂ₜₒₜₐₗ=0 + 132.53 - 16.66≈115,87 кг O₂/день.

Об’єм аерації – це кількість повітря, яку обладнання для аерації має ввести в аеротенк. Його потрібно розраховувати на основі загальної потреби в кисні в поєднанні з такими параметрами, як ефективність передачі кисню та вміст кисню в повітрі. Також необхідно враховувати поправки на перенесення кисню через такі фактори, як температура води та тиск повітря.

1. Логіка та формула основного розрахунку
Вміст кисню в повітрі приблизно 21% (масова частка). Ефективність передачі кисню (Eₚ) стосується частки кисню, фактично перенесеного з повітря в змішаний розчин. Швидкість аерації розраховується за формулою:

Фактична швидкість аерації (Gₛ)=Загальна потреба в кисні (O₂ₜₒₜₐₗ) / (Вміст кисню в повітрі × Ефективність переносу кисню × Коригувальний коефіцієнт)

Конкретна формула розкладання:

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

Пояснення параметрів у формулі:

10.21: Об’ємна частка кисню в повітрі (%);

11.205: Густина повітря (кг/м³, за стандартних умов, 20 градусів, 1 атм);

1Eₚ: Ефективність переносу кисню (%), Eₚ значно змінюється залежно від обладнання для аерації: аерація вентилятором (мікропористий аератор) Eₚ=15%~25%, поверхнева аерація (аератор із робочим колесом) Eₚ=8% ~15%;

1Kₜ: Коригуючий коефіцієнт температури води, Kₜ=1.024^(T-20), де T фактична температура води в аеротенку (градуси). З підвищенням температури води розчинність кисню зменшується, а Kₜ зростає.

1Kₚ: Коефіцієнт поправки на тиск газу, Kₚ=P/1,013, де P – місцевий атмосферний тиск (атм). З підвищенням атмосферного тиску розчинність кисню зростає, а Kₚ зростає.

11000: коефіцієнт перетворення одиниць (перетворює кг O₂ на г O₂).

2. Приклад розрахунку швидкості аерації (відповідно до наведеного вище прикладу потреби в кисні) Враховуючи загальну потребу в кисні O₂ₜₒₜₐₗ=115.87кг O₂/день, з використанням мікропористих аераторів, Eₚ=20%, температуру води в аеротенку T=25 градусів і місцевий атмосферний тиск P=1.0атм.

(1) Обчисліть поправочний коефіцієнт: Kₜ=1.024^(25-20)=1.024⁵≈1,127, Kₚ=1.0/1,013≈0,987;

(2) Обчисліть швидкість аерації: Gₛ=115.87×1000 / (0,21×1,205×20%×1,127×0,987)≈115870 / (0,21×1,205×0,2×1,127×0,987)≈115870 / 0,056≈2069109 м³/день? Розрахунок тут неправильний і має бути виправлений таким чином:

Перерахувати (узгоджено одиниці): O₂ₜₒₜₐₗ=115.87 кг/день=115870 г/день;

Знаменник: 0,21 (об’ємна частка кисню) × 1,205 (щільність повітря кг/м³) × Eₚ (20%=0.2) × Kₜ (1,127) × Kₚ (0,987)=0.21 × 1,205 × 0,2 × 1,127 × 0,987 ≈ 0,21 × 1,205 ≈ 0,253, 0,253 × 0,2 ≈ 0,0506, 0,0506 × 1,127 ≈ 0,057, 0,057 × 0,987 ≈ 0,056 кг O₂/м³ повітря;

Отже, Gₛ=115.87 кг/день / 0,056 кг O₂/м³ повітря ≈ 2069 м³/день (приблизно 86.2 м³/год).

1. Фактори якості води
Концентрація органічних речовин, що надходять (БПК₅, ХПК) та аміачного азоту безпосередньо визначає потребу в кисні: чим вища концентрація, тим більша потреба в кисні, і швидкість аерації потрібно відповідно збільшити; якщо промислові стічні води містять стійкі органічні речовини або токсичні речовини, це пригнічуватиме активність мікроорганізмів, вимагаючи відповідного збільшення швидкості аерації (збільшення концентрації DO для послаблення інгібування токсичності).

2. Робочі параметри
Надмірно висока концентрація MLSS збільшить ендогенне споживання кисню при диханні та знизить ефективність передачі кисню (збільшення в’язкості змішаної рідини), вимагаючи балансу між MLSS та швидкістю аерації; час утримування осаду (SRT) впливає на ефективність нітрифікації, процес нітрифікації повинен контролювати SRT більше або дорівнює 10 дням (20 градусів) і відповідати достатній потребі нітрифікації в кисні.

3. Екологічні фактори
Підвищена температура води зменшує розчинність кисню та зменшує ефективність перенесення кисню, що вимагає посилення аерації. Знижений атмосферний тиск (наприклад, у високо-районах над рівнем моря) ще більше зменшує розчинність кисню, що вимагає посилення аерації для компенсації. Рівень рН змішаного розчину впливає на нітрифікацію (оптимальний рН=7.5~8,5); анормальний рН вимагає пріоритетного коригування якості води перед оптимізацією аерації.

4. Вибір аераційного обладнання
Різні типи обладнання для аерації пропонують значно різну ефективність передачі кисню. Мікропористі аератори мають найвищу ефективність перенесення кисню і підходять для великих аеротенків. Поверхневі аератори прості в установці і підходять для невеликих очисних споруд. Вибираючи обладнання, важливо враховувати потребу в кисні та тип резервуара, віддаючи перевагу високо-ефективності та низькому-енергоспоживання-обладнанню, щоб зменшити обсяг аерації та експлуатаційні витрати.

1. Точні значення параметрів: Такі коефіцієнти, як a', b' і Eₚ, необхідно скоригувати на основі типу стічних вод (побутові стічні води/промислові стічні води), моделі обладнання для аерації та даних вимірювань, щоб уникнути відхилень у розрахунках, викликаних прямим застосуванням емпіричних значень.

2. Узгодженість одиниць є ключовим: перед обчисленням усі одиниці параметрів повинні бути узгодженими (наприклад, від мг/л до кг/м³, м³/день до м³/год), щоб уникнути плутанини в одиницях, яка призведе до помилок.

3. Розрахунковий запас: у реальних проектах коефіцієнт безпеки 1,1~1,2 слід помножити на розраховану швидкість аерації, щоб усунути зниження ефективності передачі кисню, викликане такими факторами, як коливання якості води та старіння обладнання.

4. Коригування на основі фактичної роботи: Розраховані значення є теоретичними значеннями. Під час фактичної роботи швидкість аерації необхідно динамічно регулювати на основі концентрації розчинного розчину в змішаному розчині (контролюється на рівні 2~3 мг/л) і якості стоків (БПК₅, NH₄⁺-N), щоб досягти балансу між ефективністю та споживанням енергії.

Розрахунок потреби в кисні та швидкості аерації в аеротенку є ключовим аспектом проектування та оптимізації роботи системи очищення стічних вод. По суті, це передбачає кількісне визначення метаболічних потреб мікроорганізмів і ефективності передачі кисню для досягнення «-постачання кисню за потребою». Розрахунки потреби в кисні повинні точно відповідати параметрам якості води та мікробним метаболічним моделям, тоді як розрахунки швидкості аерації повинні бути скориговані в поєднанні з продуктивністю обладнання та факторами навколишнього середовища. У практичних застосуваннях базову структуру необхідно встановити за допомогою теоретичних розрахунків з подальшим динамічним коригуванням на основі виміряних даних. Це гарантує, що результати очищення стічних вод відповідають стандартам, мінімізуючи споживання енергії на аерацію, досягаючи ефективної та економічної роботи процесу.