В процессе биологической очистки сточных вод основным реакционным агрегатом является аэротенк. Его основная функция заключается в передаче кислорода в смешанную жидкость через оборудование для аэрации для удовлетворения потребностей микробного метаболизма и разложения загрязняющих веществ. Потребность в кислороде (потребность O₂) относится к общему количеству кислорода, необходимому микроорганизмам для разложения органических веществ и окисления аммиачного азота, а скорость аэрации — это фактическая производительность аэрационного оборудования, рассчитанная на основе потребности в кислороде и таких параметров, как эффективность переноса кислорода. Точный расчет потребности в кислороде и скорости аэрации не только обеспечивает эффективность очистки сточных вод, но также оптимизирует энергопотребление и снижает эксплуатационные расходы. В этой статье подробно разбирается логика расчета, основные формулы и ключевые факторы, влияющие на эти два параметра, а также предоставляются ссылки на инженерное проектирование и корректировку эксплуатации.
I. Расчет потребности в кислороде (O₂ₙₑₑₙₑₙₜ)
Расчет потребности в кислороде основан на микробных метаболических реакциях, включающих потребность в кислороде при карбонизации (разложение органических веществ) и потребность в кислороде при нитрификации (окисление аммиачного азота). Это также требует вычета кислорода, потребляемого при эндогенном затухании дыхания, и кислорода, уносимого растворенным кислородом в сточных водах, что в конечном итоге дает фактическую общую необходимую потребность в кислороде.
1. Основная основа расчета и формула
Расчет потребности в кислороде (OD) основан на таких ключевых параметрах, как качество поступающей воды (БПК₅, ХПК, NH₄⁺-N), эффективность очистки и концентрация осадка. Основная формула выглядит следующим образом:
Общая потребность в кислороде (O₂ₜₒₜₐₗ)=Потребность в кислороде при карбонизации (O₂₍ₙ₎) + Потребность в кислороде для нитрификации (O₂₍ₙᵢₜ₎) - Потребность в кислороде для эндогенного дыхания (O₂₍ₑₙₐₐ₎) - Кислород, уносимый DO в сточных водах (O₂₍ₒᵤₜ₎)
(1) Потребность кислорода при карбонизации (O₂₍ₙ₎)
Потребность кислорода при карбонизации — это количество кислорода, необходимое для микробного разложения биоразлагаемого органического вещества. Используя БПК₅ в качестве основного показателя, формула расчета выглядит следующим образом:
O₂₍ₙ₎ = a' × Q × (Sᵢₙ - Sₒᵤₜ) - b' × V × X
Пояснение параметров в формуле:
1a': Коэффициент потребности в кислороде для разложения органических веществ (кг O₂/кг). БПК₅: Для обычных бытовых сточных вод a' принимается равным 0,42~0,53; для промышленных сточных вод значение необходимо скорректировать в зависимости от биоразлагаемости (более высокое значение соответствует плохой биоразлагаемости, более низкое значение соответствует хорошей биоразлагаемости);
1Q: Объем очистки (м³/сут);
1Sᵢₙ,Sₒᵤₜ: концентрации БПК₅ в притоках и стоках (кг/м³, т.е. г/л);
1b': Коэффициент потребления кислорода эндогенным дыханием осадка (кг O₂/(кг MLSS·сут)), для бытовых сточных вод, b' принимается равным 0,10~0,15;
1V: Эффективный объем аэротенка (м³);
1X: Концентрация взвешенных веществ в смеси щелока в аэротенке (MLSS, кг/м³).
Примечание. Если в качестве показателя расчета используется ХПК, то ХПК необходимо сначала преобразовать в БПК₅ (для обычных бытовых сточных вод БПК₅/ХПК≈0,5; для промышленных сточных вод требуются фактические измерения).
(2) Потребность в кислороде для нитрификации (O₂₍ₙᵢₜ₎)
Если процесс требует нитрификации (окисления аммиачного азота до нитратного азота), потребность в кислороде для нитрификации необходимо рассчитывать отдельно. Формула:
O₂₍ₙᵢₜ₎=4.57 × Q × (NH₄⁺-Nᵢₙ - NH₄⁺-Nₒᵤₜ) - 0.12 × Q × (NO₃⁻-Nₒᵤₜ - НЕТ₃⁻-Нетₙ)
Пояснение параметров в формуле:
14.57: Теоретический коэффициент потребности в кислороде при окислении аммиачного азота до нитратного азота (кг O₂/кг) NH₄⁺-N);
10.12: Коэффициент компенсации потребления кислорода при денитрификации нитратов (его можно не учитывать, если денитрификация отсутствует);
1NH₄⁺-Nᵢₙ, NH₄⁺-Nₒᵤₜ: концентрация аммиачного азота в приходящих и отходящих водах (кг/м³);
1NO₃⁻-Nᵢₙ, NO₃⁻-Nₒᵤₜ: концентрация нитратного азота в приточных и сточных водах (кг/м³).
(3) Потребление кислорода в результате эндогенного дыхания и перенос кислорода DO в сточных водах.
Потребление кислорода в результате эндогенного дыхания уже отражено в формуле потребности в кислороде при карбонизации через параметр b' и не требует повторного расчета; Формула для расчета переноса кислорода DO в сточных водах:
O₂₍ₒᵤₜ₎=8.33 × Q × (DOₒᵤₜ - DOᵢₙ)
Где: 8,33 — коэффициент пересчета плотности кислорода (кг O₂/(м³·мг/л)), DOᵢₙ и DOₒᵤₜ — концентрации растворенного кислорода в приходящих и сточных водах (мг/л) соответственно. В обычных случаях РК в сточных водах можно пренебречь (принимать за 0), а содержание РК в стоках контролируют на уровне 2–3 мг/л.
2. Пример расчета потребности в кислороде (OD) Учитывая установку очистки бытовых сточных вод с производительностью очистки Q=1000 м³/сут, эффективный объем аэротенка V=300 м³, приток БПК₅=200 мг/л, сточные воды БПК₅=20 мг/л, MLSS=3000 мг/л, приток NH₄⁺-N=30 мг/л, сточные воды NH₄⁺-N=1 мг/л и сточные воды DO=2 мг/л, возьмите a'=0.5 и b'=0.12.
(1) Потребность в кислороде при карбонизации: O₂₍ₙ₎=0.5 × 1000 × (0.2 - 0.02) - 0.12 × 300 × 3=90 - 108=-18 (Отрицательное значение указывает на то, что эндогенная потребность в кислороде для дыхания больше, чем потребность в кислороде при карбонизации, поэтому мы принимаем 0);
(2) потребность в кислороде для нитрификации: O₂₍ₙᵢₜ₎=4.57 × 1000 × (0.03 - 0.001)=4.57 × 29 ≈ 132,53 кг O₂/сут;
(3) Кислород, уносимый DO в сточных водах: O₂₍ₒᵤₜ₎=8.33 × 1000 × (2 - 0)=16.66 кг O₂/сут;
(4) Общая потребность в кислороде: O₂ₜₒₜₐₗ=0 + 132.53 - 16.66≈115,87 кг O₂/сут.
II. Расчет объема аэрации (Гₛ)
Объем аэрации обозначает количество воздуха, которое аэрационное оборудование должно подавать в аэротенк. Его необходимо рассчитывать на основе общей потребности в кислороде в сочетании с такими параметрами, как эффективность переноса кислорода и содержание кислорода в воздухе. Также необходимо учитывать поправки на перенос кислорода, обусловленные такими факторами, как температура воды и давление воздуха.
1. Основная логика и формула расчета
Содержание кислорода в воздухе составляет примерно 21% (массовая доля). Эффективность переноса кислорода (Eₚ) означает долю кислорода, фактически перенесенного из воздуха в смешанную жидкость. Скорость аэрации рассчитывается по следующей формуле:
Фактическая скорость аэрации (Gₛ)=Общая потребность в кислороде (O₂ₜₒₜₐₗ) / (Содержание кислорода в воздухе × Эффективность переноса кислорода × Поправочный коэффициент)
Конкретная формула разложения:
Gₛ = O₂ₜₒₜₐₗ × 1000 / (0.21 × 1.205 × Eₚ × Kₜ × ... Kₚ)
Пояснение параметров в формуле:
10.21: Объемная доля кислорода в воздухе (%);
11.205: Плотность воздуха (кг/м³, при стандартных условиях 20 градусов, 1 атм);
1Eₚ: Эффективность переноса кислорода (%), Eₚ сильно варьируется в зависимости от аэрационного оборудования: аэрация воздуходувкой (микропористый аэратор) Eₚ=15%~25%, поверхностная аэрация (аэратор с крыльчаткой) Eₚ=8% ~15%;
1Kₜ: Поправочный коэффициент температуры воды, Kₜ=1.024^(T-20), где T — фактическая температура воды в аэротенке (градусы). С повышением температуры воды растворимость кислорода снижается, а Kₜ увеличивается.
1Kₚ: Поправочный коэффициент давления газа, Kₚ=P/1,013, где P — местное атмосферное давление (атм.). По мере увеличения атмосферного давления растворимость кислорода увеличивается, а Kₚ увеличивается.
11000: Коэффициент пересчета единиц измерения (пересчитывает кг O₂ в г O₂).
2. Пример расчета скорости аэрации (согласно приведенному выше примеру потребности в кислороде). Учитывая общую потребность в кислороде O₂ₜₒₜₐₗ=115.87кг O₂/сут, с использованием микропористых аэраторов, Eₚ=20%, температуру воды в аэротенке T=25 градусов и местное атмосферное давление P=1.0атм.
(1) Рассчитайте поправочный коэффициент: Kₜ=1.024^(25-20)=1.024⁵≈1,127, Kₚ=1.0/1,013≈0,987;
(2) Рассчитайте скорость аэрации: 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/сут? Расчет здесь неверен и его следует исправить следующим образом:
Пересчитать (единицы согласованы): O₂ₜₒₜₐₗ=115.87 кг/д=115870 г/д;
Знаменатель: 0,21 (объемная доля кислорода) × 1,205 (плотность воздуха, 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 Воздух;
Следовательно, Gₛ=115.87 кг/сут / 0,056 кг O₂/м³ воздуха ≈ 2069 м³/сут (приблизительно 86.2 м³/ч).
III. Ключевые факторы влияния и корректировки оптимизации
1. Факторы качества воды
Концентрация поступающего органического вещества (БПК₅, ХПК) и аммиачного азота напрямую определяет потребность в кислороде: чем выше концентрация, тем больше потребность в кислороде, и скорость аэрации необходимо соответственно увеличить; если промышленные сточные воды содержат стойкие органические вещества или токсичные вещества, они будут подавлять микробную активность, что требует соответствующего увеличения скорости аэрации (увеличение концентрации DO для облегчения ингибирования токсичности).
2. Рабочие параметры
Чрезмерно высокая концентрация MLSS приведет к увеличению потребления эндогенного кислорода при дыхании и снижению эффективности переноса кислорода (повышение вязкости смешанного раствора), что требует баланса между MLSS и скоростью аэрации; время удержания ила (SRT) влияет на эффективность нитрификации, процесс нитрификации должен контролировать SRT больше или равный 10 дням (20 градусов) и соответствовать достаточной потребности в кислороде для нитрификации.
3. Факторы окружающей среды
Повышенная температура воды снижает растворимость кислорода и снижает эффективность переноса кислорода, что приводит к необходимости увеличения аэрации. Пониженное давление воздуха (например, в высокогорных районах) еще больше снижает растворимость кислорода, что требует усиления аэрации для компенсации. pH смешанного раствора влияет на нитрификацию (оптимальный pH=7.5~8,5); аномальный уровень pH требует приоритетной корректировки качества воды перед оптимизацией аэрации.
4. Выбор аэрационного оборудования
Различные типы аэрационного оборудования существенно различаются по эффективности переноса кислорода. Микропористые аэраторы обладают самой высокой эффективностью переноса кислорода и подходят для больших аэротенков. Поверхностные аэраторы просты в установке и подходят для небольших очистных сооружений. При выборе оборудования важно учитывать потребность в кислороде и тип резервуара, отдавая предпочтение высоко-эффективному оборудованию с низким-энергопотреблением-, чтобы уменьшить объем аэрации и эксплуатационные расходы.
IV. Меры предосторожности при расчете
1. Точные значения параметров. Такие коэффициенты, как a', b' и Eₚ, необходимо корректировать в зависимости от типа сточных вод (бытовые сточные воды/промышленные сточные воды), модели аэрационного оборудования и измеренных данных, чтобы избежать отклонений в расчетах, вызванных непосредственным применением эмпирических значений.
2. Ключевым моментом является согласованность единиц измерения: перед расчетом все единицы измерения параметров должны быть согласованы (например, от мг/л до кг/м³, от м³/сут до м³/ч), чтобы избежать путаницы, приводящей к ошибкам.
3. Расчетный запас: в реальных проектах коэффициент безопасности 1,1–1,2 следует умножить на расчетную скорость аэрации, чтобы устранить снижение эффективности переноса кислорода, вызванное такими факторами, как колебания качества воды и старение оборудования.
4. Корректировки на основе фактической эксплуатации: расчетные значения являются теоретическими значениями. В реальной эксплуатации скорость аэрации необходимо динамически регулировать в зависимости от концентрации DO в смешанной жидкости (контролируемой на уровне 2–3 мг/л) и качества сточных вод (БПК₅, NH₄⁺-N) для достижения баланса между эффективностью и потреблением энергии.
V. Заключение
Расчет потребности в кислороде и скорости аэрации в аэротенке является ключевым аспектом проектирования очистки сточных вод и оптимизации работы. По сути, он включает в себя количественную оценку метаболических потребностей микроорганизмов и эффективности переноса кислорода для достижения «поставки кислорода по-требованию». Расчеты потребности в кислороде должны точно соответствовать параметрам качества воды и закономерностям микробного метаболизма, а расчеты скорости аэрации необходимо корректировать в зависимости от производительности оборудования и факторов окружающей среды. В практических приложениях базовая основа должна быть создана посредством теоретических расчетов с последующей динамической корректировкой на основе измеренных данных. Это гарантирует, что результаты очистки сточных вод соответствуют стандартам, при этом минимизируются затраты энергии на аэрацию, достигается эффективная и экономичная работа процесса.
