Podrobna razlaga metod za izračun povpraševanja po kisiku in stopnje prezračevanja v prezračevalnih rezervoarjih

V procesu biološkega čiščenja odpadne vode je prezračevalni rezervoar glavna reakcijska enota. Njegova glavna funkcija je prenos kisika v mešano tekočino prek opreme za prezračevanje, da zadosti potrebam mikrobnega metabolizma in razgradnje onesnaževal. Potreba po kisiku (povpraševanje po O₂) se nanaša na skupni kisik, ki ga mikroorganizmi potrebujejo za razgradnjo organske snovi in ​​oksidacijo dušika iz amonijaka, medtem ko je stopnja prezračevanja dejanska proizvodnja opreme za prezračevanje, izračunana na podlagi povpraševanja po kisiku in parametrov, kot je učinkovitost prenosa kisika. Natančen izračun potrebe po kisiku in stopnje prezračevanja ne zagotavlja le učinkovitosti čiščenja odpadne vode, temveč tudi optimizira porabo energije in zmanjša obratovalne stroške. Ta članek bo podrobno razčlenil logiko izračuna, osnovne formule in ključne dejavnike vpliva teh dveh parametrov ter zagotovil referenco za inženirsko načrtovanje in operativne prilagoditve.

Izračun povpraševanja po kisiku temelji na presnovnih reakcijah mikrobov, ki zajemajo povpraševanje po kisiku pri karbonizaciji (razgradnja organske snovi) in povpraševanje po kisiku pri nitrifikaciji (oksidacija dušika iz amonijaka). Zahteva tudi odštevanje kisika, porabljenega zaradi dušenja endogenega dihanja, in kisika, ki ga odnese raztopljeni kisik v iztoku, kar na koncu prinese dejansko skupno zahtevano povpraševanje po kisiku.

1. Osnovna osnova in formula za izračun

Izračun potrebe po kisiku (OD) temelji na ključnih parametrih, kot so kakovost dotočne vode (BPK5, KPK, NH₄⁺-N), učinkovitost čiščenja in koncentracija blata. Osnovna formula je naslednja:

Skupna potreba po kisiku (O₂ₜₒₜₐₗ)=Potreba po kisiku pri karbonizaciji (O₂₍ₙ₎) + Potreba po kisiku pri nitrifikaciji (O₂₍ₙᵢₜ₎) - Potreba po kisiku pri endogenem dihanju (O₂₍ₑₙₐₐ₎) - Kisik, ki ga odnese DO v iztoku (O₂₍ₒᵤₜ₎)

(1) Potreba po kisiku pri karbonizaciji (O₂₍ₙ₎)
Potreba po kisiku pri karbonizaciji je količina kisika, ki je potrebna za mikrobno razgradnjo biorazgradljive organske snovi. Formula za izračun z uporabo BPK₅ kot osrednjega indikatorja je:

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

Razlaga parametrov v formuli:

1a': Koeficient potrebe po kisiku za razgradnjo organske snovi (kg O₂/kg) BPK5: Za konvencionalno gospodinjsko odpadno vodo se a' upošteva kot 0,42~0,53; za industrijsko odpadno vodo je treba vrednost prilagoditi glede na biorazgradljivost (višja vrednost za slabo biorazgradljivost, nižja vrednost za dobro biorazgradljivost);

1Q: prostornina obdelave (m³/d);

1Sᵢₙ,Sₒᵤₜ: Koncentracije BPK₅ v dotoku in iztoku (kg/m³, tj. g/L);

1b': Koeficient porabe kisika pri endogenem dihanju blata (kg O₂/(kg MLSS·d)), za gospodinjsko odpadno vodo, b' je vzet kot 0,10~0,15;

1V: Efektivna prostornina prezračevalne posode (m³);

1X: Koncentracija suspendiranih trdnih snovi mešane tekočine v prezračevalni posodi (MLSS, kg/m³).

Opomba: če se KPK uporablja kot indikator izračuna, je treba KPK najprej pretvoriti v BPK₅ (za konvencionalne gospodinjske odpadne vode BPK₅/KPK≈0,5; za industrijsko odpadno vodo je potrebna dejanska meritev).

(2) Potreba po kisiku zaradi nitrifikacije (O₂₍ₙᵢₜ₎)

Če postopek zahteva nitrifikacijo (oksidacija amonijevega dušika v nitratni dušik), je treba nitrifikacijsko potrebo po kisiku izračunati posebej. Formula je:

O₂₍ₙᵢₜ₎=4.57 × Q × (NH₄⁺-Nᵢₙ - NH₄⁺-Nₒᵤₜ) - 0.12 × Q × (NO₃⁻-Nₒᵤₜ - NE₃⁻-Nᵢₙ)

Razlaga parametrov v formuli:

14.57: Teoretični koeficient potrebe po kisiku za oksidacijo amonijevega dušika v nitratni dušik (kg O₂/kg) NH4⁺-N);

10.12: Koeficient izravnave porabe kisika za denitrifikacijo z nitrati (to lahko prezrete, če denitrifikacije ni);

1NH₄⁺-Nᵢₙ, NH4⁺-Nₒᵤₜ: koncentracija dušika v amoniaku v dotoku in iztoku (kg/m³);

1NO₃⁻-Nᵢₙ, NO3₃⁻-Nₒᵤₜ: koncentracija nitratnega dušika v dotoku in iztoku (kg/m³).

(3) Poraba kisika pri endogenem dihanju in prenos kisika z DO v iztoku
Poraba kisika pri endogenem dihanju se že odraža v formuli karbonacijske potrebe po kisiku prek parametra b' in je ni treba ponovno izračunati; formula za izračun prenosa kisika z DO v iztoku je:

O₂₍ₒᵤₜ₎=8.33 × Q × (DOₒᵤₜ - DOᵢₙ)

Kjer je: 8,33 pretvorbeni faktor gostote kisika (kg O₂/(m³·mg/L)), DOᵢₙ in DOₒᵤₜ koncentraciji raztopljenega kisika v dotoku in iztoku (mg/L). V običajnih primerih lahko DO v iztoku zanemarimo (vzamemo kot 0), RK v iztoku pa nadzorujemo pri 2~3 mg/L.

2. Primer izračuna povpraševanja po kisiku (OD) Za gospodinjsko čistilno napravo z zmogljivostjo čiščenja Q=1000 m³/d, efektivno prostornino posode za prezračevanje V=300 m³, dotočno BPK5=200 mg/L, iztočno BPK5=20 mg/L, MLSS=3000 mg/L, dotočno NH₄⁺-N=30 mg/L, iztok NH₄⁺-N=1 mg/L in iztok DO=2 mg/L, vzemite a'=0.5 in b'=0.12.

(1) Potreba po kisiku pri karbonizaciji: O₂₍ₙ₎=0.5 × 1000 × (0.2 - 0.02) - 0.12 × 300 × 3=90 - 108=-18 (negativna vrednost kaže, da je potreba po kisiku pri endogenem dihanju večja od potrebe po kisiku pri karbonizaciji, zato vzamemo 0);

(2) Potreba po kisiku pri nitrifikaciji: O₂₍ₙᵢₜ₎=4.57 × 1000 × (0.03 - 0.001)=4.57 × 29 ≈ 132,53 kg O₂/d;

(3) Kisik, ki ga odnese DO v iztoku: O₂₍ₒᵤₜ₎=8.33 × 1000 × (2 - 0)=16.66 kg O₂/d;

(4) Skupna potreba po kisiku: O₂ₜₒₜₐₗ=0 + 132.53 - 16.66≈115,87 kg O₂/dan.

Prostornina prezračevanja se nanaša na količino zraka, ki jo mora oprema za prezračevanje vnesti v prezračevalno posodo. Izračunati ga je treba na podlagi skupne potrebe po kisiku v kombinaciji s parametri, kot sta učinkovitost prenosa kisika in vsebnost kisika v zraku. Upoštevati je treba tudi popravke za prenos kisika zaradi dejavnikov, kot sta temperatura vode in zračni tlak.

1. Logika in formula osnovnega izračuna
Vsebnost kisika v zraku je približno 21 % (masni delež). Učinkovitost prenosa kisika (Eₚ) se nanaša na delež kisika, ki se dejansko prenese iz zraka v mešano tekočino. Stopnja prezračevanja se izračuna po naslednji formuli:

Dejanska stopnja prezračevanja (Gₛ)=skupna potreba po kisiku (O₂ₜₒₜₐₗ) / (vsebnost kisika v zraku × učinkovitost prenosa kisika × korekcijski faktor)

Posebna formula razgradnje:

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

Razlaga parametrov v formuli:

10.21: Volumski delež kisika v zraku (%);

11.205: Gostota zraka (kg/m³, pri standardnih pogojih, 20 stopinj, 1 atm);

1Eₚ: Učinkovitost prenosa kisika (%), Eₚ se zelo razlikuje glede na opremo za prezračevanje: prezračevanje s puhalom (mikroporozni prezračevalnik) Eₚ=15%~25%, površinsko prezračevanje (prezračevalnik z rotorjem) Eₚ=8% ~15%;

1Kₜ: Korekcijski faktor za temperaturo vode, Kₜ=1.024^(T-20), kjer je T dejanska temperatura vode v prezračevalni posodi ( stopinja ). Ko se temperatura vode poveča, se topnost kisika zmanjša, Kₜ pa se poveča.

1Kₚ: Korekcijski faktor za tlak plina, Kₚ=P/1,013, kjer je P lokalni atmosferski tlak (atm). Ko se atmosferski tlak poveča, se topnost kisika poveča in Kₚ se poveča.

11000: faktor pretvorbe enot (pretvori kg O₂ v g O₂).

2. Primer izračuna stopnje prezračevanja (po zgornjem primeru povpraševanja po kisiku) Glede na skupno povpraševanje po kisiku O₂ₜₒₜₐₗ=115.87kg O₂/d, z uporabo mikroporoznih prezračevalnikov, Eₚ=20%, temperatura vode prezračevalne posode T=25 stopinj in lokalni atmosferski tlak P=1.0atm.

(1) Izračunajte korekcijski faktor: Kₜ=1.024^(25-20)=1.024⁵≈1,127, Kₚ=1.0/1,013≈0,987;

(2) Izračunajte stopnjo prezračevanja: 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? Izračun tukaj ni pravilen in ga je treba popraviti na naslednji način:

Ponovno izračunajte (enote so skladne): O₂ₜₒₜₐₗ=115.87 kg/d=115870 g/d;

Imenovalec: 0,21 (volumenski delež kisika) × 1,205 (gostota zraka 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 zraka;

Zato je Gₛ=115.87 kg/d / 0,056 kg O₂/m³ zraka ≈ 2069 m³/d (približno 86.2 m³/h).

1. Dejavniki kakovosti vode
Koncentracija dotočne organske snovi (BPK5, KPK) in amonijevega dušika neposredno določata potrebo po kisiku: višja kot je koncentracija, večja je potreba po kisiku, zato je treba ustrezno povečati stopnjo prezračevanja; če industrijska odpadna voda vsebuje nepopustljive organske snovi ali strupene snovi, bo zavirala aktivnost mikrobov, kar zahteva ustrezno povečanje stopnje prezračevanja (povečanje koncentracije DO za ublažitev zaviranja toksičnosti).

2. Delovni parametri
Prekomerno visoka koncentracija MLSS bo povečala endogeno porabo kisika pri dihanju in zmanjšala učinkovitost prenosa kisika (povečana viskoznost mešane tekočine), kar zahteva ravnovesje med MLSS in stopnjo prezračevanja; zadrževalni čas blata (SRT) vpliva na učinkovitost nitrifikacije, mora postopek nitrifikacije nadzorovati SRT več kot ali enako 10 dni (20 stopinj) in ustrezati zadostni nitrifikacijski potrebi po kisiku.

3. Okoljski dejavniki
Povišana temperatura vode zmanjša topnost kisika in zmanjša učinkovitost prenosa kisika, kar zahteva povečano prezračevanje. Znižani zračni tlak (npr. na območjih z visoko-nadmorska višina) dodatno zmanjša topnost kisika, kar zahteva povečano prezračevanje za nadomestitev. pH mešane tekočine vpliva na nitrifikacijo (optimalni pH=7.5~8,5); nenormalen pH zahteva prednostno prilagajanje kakovosti vode pred optimizacijo prezračevanja.

4. Izbira prezračevalne opreme
Različni tipi prezračevalne opreme ponujajo precej različne učinkovitosti prenosa kisika. Mikroporozni aeratorji imajo največjo učinkovitost prenosa kisika in so primerni za velike prezračevalne posode. Površinski aeratorji so enostavni za montažo in primerni za male čistilne naprave. Pri izbiri opreme je bistveno upoštevati povpraševanje po kisiku in vrsto posode, pri čemer je treba dati prednost opremi z visoko-učinkovitostjo in nizko-porabo-energije, da zmanjšate obseg prezračevanja in obratovalne stroške.

1. Natančne vrednosti parametrov: koeficiente, kot so a', b' in Eₚ, je treba prilagoditi glede na vrsto odpadne vode (gospodinjska odplaka/industrijska odpadna voda), model prezračevalne opreme in izmerjenih podatkov, da se izognete odstopanjem pri izračunih, ki jih povzroči neposredna uporaba empiričnih vrednosti.

2. Doslednost enot je ključnega pomena: Pred izračunom morajo biti vse enote parametrov dosledne (npr. mg/L do kg/m³, m³/d do m³/h), da preprečite zamenjavo enot, ki vodi do napak.

3. Načrtovana meja: V dejanskih projektih je treba varnostni faktor 1,1–1,2 pomnožiti z izračunano stopnjo prezračevanja, da se odpravi zmanjšanje učinkovitosti prenosa kisika zaradi dejavnikov, kot so nihanja kakovosti vode in staranje opreme.

4. Prilagoditve na podlagi dejanskega delovanja: Izračunane vrednosti so teoretične vrednosti. Med dejanskim delovanjem je treba stopnjo prezračevanja dinamično prilagoditi glede na koncentracijo DO v mešani tekočini (nadzorovano na 2~3 mg/L) in kakovost odpadne vode (BPK5, NH₄⁺-N), da se doseže ravnovesje med učinkovitostjo in porabo energije.

Izračun povpraševanja po kisiku in stopnje prezračevanja v prezračevalni posodi je osrednji vidik inženirskega načrtovanja in optimizacije delovanja čiščenja odpadne vode. V bistvu vključuje kvantificiranje presnovnih potreb mikroorganizmov in učinkovitosti prenosa kisika, da se doseže »-oskrba s kisikom na zahtevo«. Izračuni povpraševanja po kisiku se morajo natančno držati parametrov kakovosti vode in presnovnih vzorcev mikrobov, medtem ko je treba izračune stopnje prezračevanja prilagoditi v povezavi z zmogljivostjo opreme in okoljskimi dejavniki. V praktičnih aplikacijah je treba osnovni okvir vzpostaviti s teoretičnimi izračuni, ki jim sledijo dinamične prilagoditve na podlagi izmerjenih podatkov. To zagotavlja, da rezultati čiščenja odpadne vode ustrezajo standardom, hkrati pa zmanjšujejo porabo energije za prezračevanje, dosegajo učinkovito in ekonomično delovanje procesa.