Подробно обяснение на потребността от кислород и методите за изчисляване на скоростта на аериране в аерационни резервоари

В процеса на биологично третиране на отпадъчни води, аерационният резервоар е основният реакционен модул. Неговата основна функция е да пренася кислород към смесената течност чрез оборудване за аериране, за да отговори на нуждите на микробния метаболизъм и разграждането на замърсителите. Нуждата от кислород (O₂ нужда) се отнася до общия кислород, необходим на микроорганизмите за разграждане на органичната материя и окисляване на амонячен азот, докато скоростта на аериране е действителната производителност на оборудването за аериране, изчислена въз основа на нуждата от кислород и параметри като ефективност на пренос на кислород. Точното изчисляване на потреблението на кислород и скоростта на аериране не само гарантира ефективността на пречистването на отпадъчните води, но също така оптимизира консумацията на енергия и намалява оперативните разходи. Тази статия ще разбие подробно логиката на изчислението, основните формули и ключовите влияещи фактори на тези два параметъра, предоставяйки справка за инженерния дизайн и оперативните корекции.

Изчисляването на потреблението на кислород се основава на микробни метаболитни реакции, включващи потребление на кислород при карбонизация (разграждане на органична материя) и потребление на кислород при нитрификация (окисление на амонячен азот). Това също изисква приспадане на кислорода, консумиран от ендогенното затихване на дишането, и кислорода, отнесен от разтворения кислород в отпадъчните води, което в крайна сметка дава действителната необходима обща нужда от кислород.

1. База и формула за основно изчисление

Изчисляването на потреблението на кислород (OD) се основава на ключови параметри като качество на вливащата се вода (BOD5, COD, NH₄⁺-N), ефективност на пречистване и концентрация на утайки. Основната формула е следната:

Обща потребност от кислород (O₂ₜₒₜₐₗ)=Потребност от кислород при карбонизация (O₂₍ₙ₎) + Потребност от кислород при нитрификация (O₂₍ₙᵢₜ₎) - Потребност от кислород при ендогенно дишане (O₂₍ₑₙₐₐ₎) - Кислород, отнесен от DO в отпадъчните води (O₂₍ₒᵤₜ₎)

(1) Потребност от карбонизиран кислород (O₂₍ₙ₎)
Потребността от кислород при карбонизиране е количеството кислород, необходимо за микробно разграждане на биоразградима органична материя. Използвайки БПК₅ като основен индикатор, формулата за изчисление е:

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

Обяснение на параметрите във формулата:

1a': Коефициент на потребление на кислород за разграждане на органична материя (kg O₂/kg) BPK5: За конвенционални битови отпадъчни води, a' се приема като 0,42~0,53; за промишлени отпадъчни води стойността трябва да се коригира според биоразградимостта (по-висока стойност за слаба биоразградимост, по-ниска стойност за добра биоразградимост);

1Q: Третиран обем (m³/d);

1Sᵢₙ,Sₒᵤₜ: Концентрации на БПК₅ във входящата и изходящата вода (kg/m³, т.е. g/L);

1b': Коефициент на потребление на кислород при ендогенно дишане на утайката (kg O₂/(kg MLSS·d)), за битови отпадъчни води, b' се приема като 0,10~0,15;

1V: Ефективен обем на аерационния резервоар (m³);

1X: Концентрация на суспендирани твърди вещества в смесен разтвор в аерационния резервоар (MLSS, kg/m³).

Забележка: Ако COD се използва като индикатор за изчисление, COD трябва първо да се преобразува в BOD₅ (за конвенционални битови отпадъчни води, BOD₅/COD≈0,5; за промишлени отпадъчни води се изисква действително измерване).

(2) Потребност от нитрификация на кислород (O₂₍ₙᵢₜ₎)

Ако процесът изисква нитрификация (окисление на амонячен азот до нитратен азот), необходимостта от нитрификация на кислород трябва да се изчисли отделно. Формулата е:

O₂₍ₙᵢₜ₎=4.57 × Q × (NH₄⁺-Nᵢₙ - NH₄⁺-Nₒᵤₜ) - 0.12 × Q × (NO₃⁻-Nₒᵤₜ - НЕ₃⁻-Nᵢₙ)

Обяснение на параметрите във формулата:

14,57: Теоретичен коефициент на потребление на кислород за окисляването на амонячен азот до нитратен азот (kg O₂/kg) NH4⁺-N);

10.12: Коефициент на компенсиране на консумацията на кислород за нитратна денитрификация (това може да се пренебрегне, ако няма денитрификация);

1NH₄⁺-Nᵢₙ, NH4⁺-Nₒᵤₜ: Концентрация на амонячен азот във входящия и изходящия поток (kg/m³);

1NO₃⁻-Nᵢₙ, NO3₃⁻-Nₒᵤₜ: Концентрация на нитратен азот във входящия и изходящия поток (kg/m³).

(3) Консумация на кислород от ендогенно дишане и пренасяне на кислород от DO в отпадъчните води
Консумацията на кислород от ендогенното дишане вече е отразена във формулата за потреблението на кислород при карбонизация чрез параметъра b' и не е необходимо да се изчислява отново; формулата за изчисляване на пренасянето на кислород от DO в отпадъчните води е:

O₂₍ₒᵤₜ₎=8.33 × Q × (DOₒᵤₜ - DOᵢₙ)

Където: 8,33 е коефициентът на преобразуване на плътността на кислорода (kg O₂/(m³·mg/L)), DOᵢₙ и DOₒᵤₜ са концентрациите на разтворен кислород съответно във входящия и изходящия поток (mg/L). В нормални случаи, DO във входящия поток може да се пренебрегне (приема се за 0) и DO в отпадъчните води се контролира на 2~3 mg/L.

2. Пример за изчисляване на потреблението на кислород (OD) Като се има предвид битова пречиствателна станция за отпадъчни води с капацитет за пречистване Q=1000 m³/d, ефективен обем на аерационния резервоар V=300 m³, входящ BOD₅=200 mg/L, отпадъчни води BOD5=20 mg/L, MLSS=3000 mg/L, входящ NH₄⁺-N=30 mg/L, отпадъчни води NH₄⁺-N=1 mg/L и отпадъчни води DO=2 mg/L, вземете a'=0.5 и b'=0.12.

(1) Потребност от кислород при карбонизация: O₂₍ₙ₎=0.5 × 1000 × (0.2 - 0.02) - 0.12 × 300 × 3=90 - 108=-18 (Отрицателна стойност показва, че потребността от кислород при ендогенно дишане е по-голяма от потребността от кислород при карбонизация, така че приемаме 0);

(2) Потребност от кислород при нитрификация: O₂₍ₙᵢₜ₎=4.57 × 1000 × (0.03 - 0.001)=4.57 × 29 ≈ 132,53 kg O₂/ден;

(3) Кислород, отнесен от DO в изтичащия поток: O₂₍ₒᵤₜ₎=8.33 × 1000 × (2 - 0)=16.66 kg O₂/ден;

(4) Общо потребление на кислород: O₂ₜₒₜₐₗ=0 + 132.53 - 16.66≈115,87 kg O₂/ден.

Обемът на аериране се отнася до количеството въздух, което оборудването за аериране трябва да вкара в резервоара за аериране. Тя трябва да се изчисли въз основа на общата потребност от кислород, комбинирана с параметри като ефективност на пренос на кислород и съдържание на кислород във въздуха. Корекциите за пренос на кислород, дължащи се на фактори като температура на водата и въздушно налягане, също трябва да бъдат взети предвид.

1. Основна логика и формула за изчисление
Съдържанието на кислород във въздуха е приблизително 21% (масова част). Ефективността на пренос на кислород (Eₚ) се отнася до съотношението на кислорода, действително пренесен от въздуха към смесената течност. Степента на аериране се изчислява по следната формула:

Действителен процент на аерация (Gₛ)=Обща потребност от кислород (O₂ₜₒₜₐₗ) / (Съдържание на кислород във въздуха × Ефективност на пренос на кислород × Корекционен фактор)

Специфична формула за разлагане:

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

Обяснение на параметрите във формулата:

10.21: Обемна фракция на кислород във въздуха (%);

11.205: Плътност на въздуха (kg/m³, при стандартни условия, 20 градуса, 1 atm);

1Eₚ: Ефективност на пренос на кислород (%), Eₚ варира значително в зависимост от оборудването за аериране: аериране с вентилатор (микропорест аератор) Eₚ=15%~25%, повърхностно аериране (аератор с работно колело) Eₚ=8% ~15%;

1Kₜ: Коефициент за корекция на температурата на водата, Kₜ=1.024^(T-20), където T е действителната температура на водата в резервоара за аериране (градуси). С повишаване на температурата на водата, разтворимостта на кислород намалява и Kₜ се увеличава.

1Kₚ: Коефициент за корекция на налягането на газа, Kₚ=P/1,013, където P е местното атмосферно налягане (atm). С повишаване на атмосферното налягане, разтворимостта на кислород се увеличава и Kₚ се увеличава.

11000: Коефициент на преобразуване на единица (преобразува kg O₂ в g O₂).

2. Пример за изчисляване на скоростта на аерация (следвайки примера за потребление на кислород по-горе) Като се има предвид общо потребление на кислород O₂ₜₒₜₐₗ=115.87kg O₂/ден, като се използват микропорести аератори, Eₚ=20%, температура на водата в аерационния резервоар T=25 градуса и местно атмосферно налягане P=1.0atm.

(1) Изчислете коефициента на корекция: Kₜ=1.024^(25-20)=1.024⁵≈1,127, Kₚ=1.0/1,013≈0,987;

(2) Изчислете скоростта на аериране: 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 m³/d? Изчислението тук е неправилно и трябва да се коригира, както следва:

Преизчислете (последователни единици): O₂ₜₒₜₐₗ=115.87 kg/d=115870 g/d;

Знаменател: 0,21 (обемна фракция на кислород) × 1,205 (плътност на въздуха kg/m³) × 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 kg O₂/m³ Въздух;

Следователно, Gₛ=115.87 kg/d / 0,056 kg O₂/m³ въздух ≈ 2069 m³/d (приблизително 86.2 m³/h).

1. Фактори за качество на водата
Концентрацията на вливащата се органична материя (BOD5, COD) и амонячен азот директно определя нуждата от кислород: колкото по-висока е концентрацията, толкова по-голяма е нуждата от кислород и скоростта на аериране трябва да се увеличи съответно; ако промишлените отпадъчни води съдържат непокорни органични вещества или токсични вещества, те ще инхибират микробната активност, което изисква подходящо увеличаване на скоростта на аериране (увеличаване на концентрацията на DO за облекчаване на инхибирането на токсичността).

2. Работни параметри
Прекомерно високата концентрация на MLSS ще увеличи потреблението на кислород при ендогенно дишане и ще намали ефективността на преноса на кислород (повишен вискозитет на смесената течност), което изисква баланс между MLSS и скоростта на аериране; Времето за задържане на утайката (SRT) влияе на ефективността на нитрификация, процесът на нитрификация трябва да контролира SRT По-голямо или равно на 10 дни (20 градуса) и да отговаря на достатъчна нужда от кислород за нитрификация.

3. Фактори на околната среда
Повишената температура на водата намалява разтворимостта на кислорода и намалява ефективността на преноса на кислород, което налага повишена аерация. Намаленото въздушно налягане (напр. в райони с висока -надморска височина) допълнително намалява разтворимостта на кислорода, което изисква повишена аерация за компенсиране. pH на смесената течност влияе върху нитрификацията (оптимално pH=7.5~8,5); ненормалното рН изисква приоритизиране на корекциите на качеството на водата преди оптимизиране на аерацията.

4. Избор на аериращо оборудване
Различните видове аерационно оборудване предлагат значително различна ефективност на пренос на кислород. Микропорестите аератори имат най-висока ефективност на пренос на кислород и са подходящи за големи аерационни резервоари. Повърхностните аератори са лесни за монтаж и подходящи за малки пречиствателни станции. Когато избирате оборудване, от съществено значение е да вземете предвид търсенето на кислород и типа на резервоара, като давате приоритет на оборудване с висока-ефективност и ниска-енергийна-консумация, за да намалите обема на аериране и оперативните разходи.

1. Точни стойности на параметрите: Коефициенти като a', b' и Eₚ трябва да бъдат коригирани въз основа на вида на отпадъчните води (битови отпадъчни води/промишлени отпадъчни води), модела на аерационното оборудване и измерените данни, за да се избегнат отклонения в изчисленията, причинени от директно прилагане на емпирични стойности.

2. Съгласуваността на единиците е от ключово значение: Преди изчислението, всички единици на параметри трябва да бъдат постоянни (напр. mg/L до kg/m³, m³/d до m³/h), за да се избегне объркване на единиците, водещо до грешки.

3. Марж на проектирането: В реални проекти коефициент на безопасност от 1,1~1,2 трябва да се умножи по изчислената скорост на аериране, за да се отговори на намаляването на ефективността на преноса на кислород, причинено от фактори като колебания в качеството на водата и стареене на оборудването.

4. Корекции въз основа на действителната работа: Изчислените стойности са теоретични стойности. При действителна работа скоростта на аериране трябва да се регулира динамично въз основа на концентрацията на DO в смесената течност (контролирана на 2~3 mg/L) и качеството на отпадъчните води (BOD5, NH₄⁺-N), за да се постигне баланс между ефективност и консумация на енергия.

Изчисляването на потреблението на кислород и скоростта на аериране в аерационен резервоар е основен аспект на инженерния дизайн и оптимизирането на работата на пречистването на отпадъчни води. По същество това включва количествено определяне на метаболитните нужди на микроорганизмите и ефективността на преноса на кислород, за да се постигне „доставка на-кислород при поискване“. Изчисленията на потреблението на кислород трябва да се придържат стриктно към параметрите на качеството на водата и микробните метаболитни модели, докато изчисленията на скоростта на аерация трябва да се коригират във връзка с производителността на оборудването и факторите на околната среда. В практическите приложения е необходимо да се създаде основна рамка чрез теоретични изчисления, последвани от динамични корекции въз основа на измерени данни. Това гарантира, че резултатите от пречистването на отпадъчните води отговарят на стандартите, като същевременно минимизира потреблението на енергия за аериране, постигайки ефективна и икономична работа на процеса.