Išsamus deguonies poreikio ir aeracijos greičio apskaičiavimo metodų aeravimo rezervuaruose paaiškinimas

Biologinio nuotekų valymo procese aeracijos bakas yra pagrindinis reakcijos įrenginys. Jo pagrindinė funkcija yra per aeracijos įrangą pernešti deguonį į mišrų skystį, kad būtų patenkinti mikrobų metabolizmo ir teršalų skaidymo poreikiai. Deguonies poreikis (O₂ poreikis) reiškia bendrą deguonies kiekį, kurio mikroorganizmai turi skaidyti organines medžiagas ir oksiduoti amoniakinį azotą, o aeracijos greitis yra faktinė aeravimo įrangos galia, apskaičiuota pagal deguonies poreikį ir tokius parametrus kaip deguonies perdavimo efektyvumas. Tikslus deguonies poreikio ir aeracijos greičio apskaičiavimas ne tik užtikrina nuotekų valymo efektyvumą, bet ir optimizuoja energijos sąnaudas bei sumažina eksploatavimo išlaidas. Šiame straipsnyje bus išsamiai išaiškinta šių dviejų parametrų skaičiavimo logika, pagrindinės formulės ir pagrindiniai įtaką darantys veiksniai, pateikiant inžinerinio projektavimo ir eksploatacinių koregavimų nuorodas.

Deguonies poreikio skaičiavimas pagrįstas mikrobų metabolinėmis reakcijomis, apimančiomis karbonizacijos deguonies poreikį (organinių medžiagų skaidymas) ir nitrifikacijos deguonies poreikį (amonio azoto oksidaciją). Taip pat reikia atimti deguonį, sunaudotą dėl endogeninio kvėpavimo susilpnėjimo, ir deguonį, kurį nuneša ištirpęs deguonis nuotekose, kad galiausiai būtų gautas tikrasis reikalingas deguonies poreikis.

1. Pagrindinis skaičiavimo pagrindas ir formulė

Deguonies poreikio (OD) apskaičiavimas pagrįstas pagrindiniais parametrais, tokiais kaip įtekančio vandens kokybė (BDS₅, ChDS, NH₄⁺-N), valymo efektyvumas ir dumblo koncentracija. Pagrindinė formulė yra tokia:

Bendras deguonies poreikis (O₂ₜₒₜₐₗ)=Karbonizacijos deguonies poreikis (O₂₍ₙ₎) + nitrifikacijos deguonies poreikis (O₂₍ₙᵢₜ₎) Endogeninis deguonies išsiskyrimas - (O₂₍ₑₙₐₐ₎) - DO išnešamas deguonis nuotekose (O₂₍ₒᵤₜ₎)

(1) Karbonacinis deguonies poreikis (O₂₍ₙ₎)
Karbonacinis deguonies poreikis – tai deguonies kiekis, reikalingas biologiškai skaidžioms organinėms medžiagoms suskaidyti mikroorganizmais. Naudojant BOD₅ kaip pagrindinį rodiklį, skaičiavimo formulė yra tokia:

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

Formulės parametrų paaiškinimas:

1a': organinių medžiagų skaidymosi deguonies poreikio koeficientas (kg O2/kg) BDS₅: Įprastoms buitinėms nuotekoms a' laikomas 0,42–0,53; pramoninėms nuotekoms vertė turi būti koreguojama pagal biologinį skaidumą (didesnė reikšmė prastam biologiniam skaidomumui, mažesnė reikšmė geram biologiniam skaidomumui);

1Q: apdorojimo tūris (m³/d);

1Sᵢₙ,Sₒᵤₜ: BDS5 koncentracijos įtekamajame ir nuotekyje (kg/m³, ty g/L);

1b': Dumblo endogeninio kvėpavimo deguonies suvartojimo koeficientas (kg O₂/(kg MLSS·d)), buitinėms nuotekoms, b' laikomas 0,10–0,15;

1V: Efektyvus aeracijos bako tūris (m³);

1X: mišraus skysčio suspenduotų kietųjų dalelių koncentracija aeracijos rezervuare (MLSS, kg/m³).

Pastaba: jei COD naudojamas kaip skaičiavimo indikatorius, pirmiausia COD reikia konvertuoti į BDS5 (įprastoms buitinėms nuotekoms BDS₅/COD≈0,5; pramoninėms nuotekoms reikia atlikti faktinį matavimą).

(2) Nitrifikacijos deguonies poreikis (O₂₍ₙᵢₜ₎)

Jei procesas reikalauja nitrifikacijos (amonio azoto oksidacijos į nitratinį azotą), nitrifikacijos deguonies poreikį reikia skaičiuoti atskirai. Formulė yra tokia:

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

Formulės parametrų paaiškinimas:

14.57: Teorinis amoniakinio azoto oksidacijos į nitratinį azotą deguonies poreikio koeficientas (kg O₂/kg) NH₄⁺-N);

10.12: nitratų denitrifikacijos deguonies suvartojimo kompensacijos koeficientas (jei nėra denitrifikacijos, į jį galima neatsižvelgti);

1NH₄⁺-Nᵢₙ, NH₄⁺-Nₒᵤₜ: amoniakinio azoto koncentracija įtekamajame ir nuotekose (kg/m³);

1NO₃⁻-Nᵢₙ, NO₃⁻-Nₒᵤₜ: Nitratų azoto koncentracija įtekamajame ir nuotekose (kg/m³).

(3) Deguonies suvartojimas iš endogeninio kvėpavimo ir deguonies pernešimas DO nuotekose
Deguonies suvartojimas iš endogeninio kvėpavimo jau atsispindi karbonizacijos deguonies poreikio formulėje per parametrą b' ir jo nereikia skaičiuoti dar kartą; DO deguonies pernešimo nuotekose apskaičiavimo formulė yra tokia:

O₂₍ₒᵤₜ₎=8.33 × Q × (DOₒᵤₜ - DOᵢₙ)

Čia: 8,33 yra deguonies tankio konversijos koeficientas (kg O₂/(m³·mg/L)), DOᵢₙ ir DOₒᵤₜ yra atitinkamai ištirpusio deguonies koncentracijos įtekamajame ir nuotekose (mg/L). Įprastais atvejais DO įtekamajame vandenyje gali būti nepaisoma (laikoma 0), o DO nuotekose kontroliuojama 2–3 mg/l.

2. Deguonies poreikio (OD) skaičiavimo pavyzdys Buitinių nuotekų valymo įrenginys, kurio valymo našumas yra Q=1000 m³/d, efektyvusis aeracijos rezervuaro tūris V=300 m³, įtekamoji BDS₅=200 mg/L, nuotekų BDS₅=20 SSt, 5}mg/l NH₄⁺-N=30 mg/L, nuotekų NH₄⁺-N=1 mg/L ir nuotekų DO=2 mg/L, paimkite a'=0.5 ir b'=0.12.

(1) Karbonacinio deguonies poreikis: O₂₍ₙ₎=0.5 × 1000 × (0.2 - 0.02) - 0.12 × 300 × 3=90 - 108=-18 (neigiama reikšmė rodo, kad endogeninio kvėpavimo deguonies poreikis yra didesnis nei karbonizacijos deguonies poreikis, todėl imame 0);

(2) Nitrifikacijos deguonies poreikis: O₂₍ₙᵢₜ₎=4.57 × 1000 × (0.03 - 0.001)=4.57 × 29 ≈ 132,53 kg O₂ per dieną;

(3) DO išnešamas deguonis nuotekose: O₂₍ₒᵤₜ₎=8.33 × 1000 × (2 - 0)=16.66 kg O₂/d;

(4) Bendras deguonies poreikis: O₂ₜₒₜₐₗ=0 + 132.53 - 16.66≈115,87 kg O₂/d.

Aeracijos tūris reiškia oro kiekį, kurį aeravimo įranga turi įvesti į aeracijos baką. Jį reikia apskaičiuoti remiantis bendru deguonies poreikiu, derinant su tokiais parametrais kaip deguonies perdavimo efektyvumas ir deguonies kiekis ore. Taip pat reikia atsižvelgti į deguonies perdavimo pataisas dėl tokių veiksnių kaip vandens temperatūra ir oro slėgis.

1. Pagrindinė skaičiavimo logika ir formulė
Deguonies kiekis ore yra maždaug 21% (masės dalis). Deguonies perdavimo efektyvumas (Eₚ) reiškia deguonies dalį, kuri faktiškai perkeliama iš oro į mišrų skystį. Aeracijos greitis apskaičiuojamas pagal šią formulę:

Faktinis aeracijos greitis (Gₛ)=Bendras deguonies poreikis (O₂ₜₒₜₐₗ) / (Oro deguonies kiekis × deguonies perdavimo efektyvumas × pataisos koeficientas)

Specifinė skilimo formulė:

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

Formulės parametrų paaiškinimas:

10.21: deguonies tūrinė dalis ore (%);

11.205: Oro tankis (kg/m³, standartinėmis sąlygomis, 20 laipsnių, 1 atm);

1Eₚ: Deguonies perdavimo efektyvumas (%), Eₚ labai skiriasi priklausomai nuo aeracijos įrangos: pūtimo aeracija (mikroporinis aeratorius) Eₚ=15%~25%, paviršinis aeravimas (sparnuotės aeratorius) Eₚ=8% ~15%;

1Kₜ: vandens temperatūros pataisos koeficientas, Kₜ=1.024^(T-20), kur T yra tikroji vandens temperatūra aeracijos bake (laipsniai). Kylant vandens temperatūrai, tirpumas deguonyje mažėja, o Kₜ didėja.

1Kₚ: dujų slėgio pataisos koeficientas, Kₚ=P/1,013, kur P yra vietinis atmosferos slėgis (atm). Didėjant atmosferos slėgiui, deguonies tirpumas didėja, o Kₚ didėja.

11000: vieneto perskaičiavimo koeficientas (paverčia kg O₂ į g O2).

2. Aeracijos greičio apskaičiavimo pavyzdys (vadovaujantis anksčiau pateiktu deguonies poreikio pavyzdžiu) Atsižvelgiant į bendrą deguonies poreikį O₂ₜₒₜₐₗ=115.87kg O₂/d, naudojant mikroporinius aeratorius, Eₚ=20%, aeracijos bako vandens temperatūra T=25 laipsnis ir vietinis atmosferos slėgis P{atm.4}

(1) Apskaičiuokite pataisos koeficientą: Kₜ=1.024^(25-20)=1.024⁵≈1,127, Kₚ=1.0/1,013≈0,987;

(2) Apskaičiuokite aeracijos greitį: Gₛ=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 m³/d? Skaičiavimas čia yra neteisingas ir turėtų būti pataisytas taip:

Perskaičiuoti (vienetai nuoseklūs): O₂ₜₒₜₐₗ=115.87 kg/d=115870 g/d;

Vardiklis: 0,21 (deguonies tūrio dalis) × 1,205 (oro tankis kg/m³) × Eₚ (20 %=0.2) × Kₜ (1,127) × Kₚ (0,987)=0.21 × 1,205 × 0,2 × 0,9 × 1,9 × 1,9. 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 oro

Todėl Gₛ=115.87 kg/d / 0,056 kg O₂/m³ oro ≈ 2069 m³/d (apytiksliai 86.2 m³/h).

1. Vandens kokybės veiksniai
Įtekančių organinių medžiagų (BDS₅, ChDS) ir amoniakinio azoto koncentracija tiesiogiai lemia deguonies poreikį: kuo didesnė koncentracija, tuo didesnis deguonies poreikis, atitinkamai reikia didinti aeracijos greitį; jei pramoninėse nuotekose yra nepalankių organinių medžiagų arba toksinių medžiagų, jos slopins mikrobų aktyvumą, todėl reikia atitinkamai padidinti aeracijos greitį (didinant DO koncentraciją, kad būtų sumažintas toksiškumo slopinimas).

2. Veikimo parametrai
Pernelyg didelė MLSS koncentracija padidins endogeninio kvėpavimo deguonies suvartojimą ir sumažins deguonies perdavimo efektyvumą (padidės mišraus skysčio klampumas), todėl reikės balanso tarp MLSS ir aeracijos greičio; dumblo sulaikymo laikas (SRT) turi įtakos nitrifikacijos efektyvumui, nitrifikacijos procesas turi kontroliuoti SRT daugiau nei 10 dienų (20 laipsnių) ir atitikti pakankamą nitrifikacijos deguonies poreikį.

3. Aplinkos veiksniai
Padidėjusi vandens temperatūra sumažina deguonies tirpumą ir sumažina deguonies perdavimo efektyvumą, todėl reikia padidinti aeraciją. Sumažėjęs oro slėgis (pvz., didelio aukščio vietovėse) dar labiau sumažina deguonies tirpumą, todėl norint kompensuoti reikia padidinti aeraciją. Mišraus skysčio pH turi įtakos nitrifikacijai (optimalus pH=7.5~8,5); Jei pH yra nenormalus, prieš optimizuojant aeraciją, pirmenybė turi būti teikiama vandens kokybės koregavimui.

4. Vėdinimo įrangos pasirinkimas
Skirtingi aeravimo įrangos tipai siūlo labai skirtingą deguonies perdavimo efektyvumą. Mikroporiniai aeratoriai pasižymi didžiausiu deguonies perdavimo efektyvumu ir tinka dideliems aeravimo bakams. Paviršiniai aeratoriai yra lengvai montuojami ir tinka mažiems nuotekų valymo įrenginiams. Renkantis įrangą būtina atsižvelgti į deguonies poreikį ir rezervuaro tipą, pirmenybę teikiant didelio-efektyvumo, mažo-energijos-naudojimo įrangai, siekiant sumažinti aeracijos tūrį ir eksploatavimo išlaidas.

1. Tikslios parametrų reikšmės: tokius koeficientus kaip a', b' ir Eₚ reikia koreguoti atsižvelgiant į nuotekų tipą (buitinės nuotekos / pramoninės nuotekos), aeracijos įrangos modelį ir išmatuotus duomenis, kad būtų išvengta skaičiavimo nukrypimų, atsirandančių dėl tiesioginio empirinių verčių taikymo.

2. Vieneto nuoseklumas yra pagrindinis dalykas: prieš apskaičiuojant visi parametrų vienetai turi būti nuoseklūs (pvz., nuo mg/l iki kg/m³, m³/d iki m³/h), kad būtų išvengta vienetų painiavos, dėl kurios gali atsirasti klaidų.

3. Projektavimo marža: Realiuose projektuose saugos koeficientas 1,1–1,2 turėtų būti padaugintas iš apskaičiuoto aeracijos greičio, kad būtų pašalintas deguonies perdavimo efektyvumo sumažėjimas, kurį sukelia tokie veiksniai kaip vandens kokybės svyravimai ir įrangos senėjimas.

4. Koregavimai, pagrįsti faktine veikla: Apskaičiuotos vertės yra teorinės vertės. Faktiškai veikiant, aeracijos greitį reikia dinamiškai reguliuoti pagal mišraus skysčio DO koncentraciją (kontroliuojama 2–3 mg/L) ir nuotekų kokybę (BOD₅, NH₄⁺-N), kad būtų pasiekta efektyvumo ir energijos sąnaudų pusiausvyra.

Deguonies poreikio ir aeracijos greičio aeracijos rezervuare apskaičiavimas yra pagrindinis nuotekų valymo inžinerinio projektavimo ir veiklos optimizavimo aspektas. Iš esmės tai apima mikroorganizmų medžiagų apykaitos poreikių ir deguonies perdavimo efektyvumo kiekybinį įvertinimą, kad būtų užtikrintas deguonies tiekimas pagal poreikį. Deguonies poreikio skaičiavimai turi tiksliai atitikti vandens kokybės parametrus ir mikrobų apykaitos modelius, o aeracijos greičio skaičiavimus reikia koreguoti atsižvelgiant į įrangos veikimą ir aplinkos veiksnius. Praktiškai naudojant teorinius skaičiavimus reikia sukurti pagrindinę sistemą, o po to atlikti dinaminius koregavimus, pagrįstus išmatuotais duomenimis. Taip užtikrinama, kad nuotekų valymo rezultatai atitiktų standartus, tuo pačiu sumažinant aeracijos energijos sąnaudas, užtikrinant efektyvų ir ekonomišką proceso veikimą.