Aeratsioonipaakide hapnikuvajaduse ja õhutuskiiruse arvutamise meetodite üksikasjalik selgitus

Reovee bioloogilises puhastusprotsessis on tuumreaktsiooniüksus aeratsioonipaak. Selle põhiülesanne on hapniku ülekandmine segavedelikku läbi õhutusseadmete, et rahuldada mikroobide metabolismi ja saasteainete lagunemise vajadusi. Hapnikuvajadus (O₂-vajadus) viitab koguhapnikule, mida mikroorganismid vajavad orgaanilise aine lagundamiseks ja ammoniaaklämmastiku oksüdeerimiseks, samas kui aeratsioonikiirus on õhutusseadmete tegelik väljund, mis arvutatakse hapnikuvajaduse ja parameetrite, näiteks hapnikuülekande efektiivsuse põhjal. Hapnikuvajaduse ja õhutuskiiruse täpne arvutamine ei taga mitte ainult reoveepuhastuse efektiivsust, vaid optimeerib ka energiatarbimist ja vähendab tegevuskulusid. See artikkel kirjeldab üksikasjalikult nende kahe parameetri arvutusloogikat, põhivalemeid ja peamisi mõjutegureid, pakkudes viiteid tehniliste projektide ja töökoha kohandamise kohta.

Hapnikuvajaduse arvutamine põhineb mikroobsetel metaboolsetel reaktsioonidel, mis hõlmavad karboniseerumise hapnikuvajadust (orgaanilise aine lagunemine) ja nitrifikatsiooni hapnikuvajadust (ammooniumlämmastiku oksüdatsioon). Samuti on vaja maha arvata endogeense hingamise nõrgenemise tõttu tarbitud hapnik ja heitvees lahustunud hapniku poolt ära kantud hapnik, mis annab lõpuks tegeliku vajaliku hapnikuvajaduse.

1. Põhiarvutuse alus ja valem

Hapnikuvajaduse (OD) arvutamine põhineb põhiparameetritel, nagu sissevooluvee kvaliteet (BOD₅, KHT, NH₄⁺-N), puhastamise efektiivsus ja muda kontsentratsioon. Põhivalem on järgmine:

Hapniku koguvajadus (O₂ₜₒₜₐₗ)=Karbonisatsiooni hapnikutarve (O₂₍ₙ₎) + nitrifikatsiooni hapnikutarve (O₂₍ₙᵢₜ₎) Respiratoorne oksüdatsioon - (O₂₍ₑₙₐₐ₎) - DO poolt heitvees ära viidud hapnik (O₂₍ₒᵤₜ₎)

(1) Karbonisatsiooni hapnikutarve (O₂₍ₙ₎)
Karbonatsiooni hapnikutarve on hapniku hulk, mis on vajalik biolaguneva orgaanilise aine mikroobseks lagundamiseks. Kasutades põhiindikaatorina BOD5, on arvutusvalem järgmine:

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

Parameetrite selgitus valemis:

1a': orgaanilise aine lagunemise hapnikuvajaduse koefitsient (kg O₂/kg) BOD₅: tavapärase olmereovee puhul võetakse a' väärtuseks 0,42-0,53; tööstusliku reovee puhul tuleb väärtust kohandada vastavalt biolagunevusele (kõrgem väärtus halva biolagunevuse korral, madalam väärtus hea biolagunevuse korral);

1Q: töötlemismaht (m³/d);

1Sᵢₙ,Sₒᵤₜ: sisse- ja väljavoolu BOD5 kontsentratsioonid (kg/m³, st g/L);

1b': muda endogeense hingamise hapnikutarbimise koefitsient (kg O₂/(kg MLSS·d)), olmereovee puhul võetakse b' väärtuseks 0,10-0,15;

1V: õhutuspaagi efektiivne maht (m³);

1X: segavedeliku hõljuvainete kontsentratsioon õhutuspaagis (MLSS, kg/m³).

Märkus. Kui arvutusindikaatorina kasutatakse KHT, tuleb KHT esmalt teisendada BHT5-ks (tavalise olmereovee puhul BHT5/KHT≈0,5; tööstusliku reovee puhul on vajalik tegelik mõõtmine).

(2) Nitrifikatsiooni hapnikutarve (O₂₍ₙᵢₜ₎)

Kui protsess nõuab nitrifikatsiooni (ammooniumlämmastiku oksüdeerimine nitraatlämmastikuks), tuleb nitrifikatsiooni hapnikutarve eraldi välja arvutada. Valem on:

O₂₍ₙᵢₜ₎=4.57 × Q × (NH₄⁺-Nᵢₙ - NH₄⁺-Nₒᵤₜ) - 0.12 × Q × (NO₃⁺₂ -}Nₜ6}₂ -} NO₃⁻-Nᵢₙ)

Parameetrite selgitus valemis:

14.57: teoreetiline hapnikutarbe koefitsient ammoniaaklämmastiku oksüdeerimiseks nitraatlämmastikuks (kg O₂/kg) NH₄⁺-N);

10.12: nitraatide denitrifikatsiooni hapnikutarbimise nihkekoefitsient (denitrifikatsiooni puudumisel võib seda ignoreerida);

1NH₄⁺-Nᵢₙ, NH₄⁺-Nₒᵤₜ: ammoniaaklämmastiku kontsentratsioon sisse- ja heitvees (kg/m³);

1NO₃⁻-Nᵢₙ, NO₃⁻-Nₒᵤₜ: nitraadilämmastiku kontsentratsioon sisse- ja väljavoolus (kg/m³).

(3) Endogeense hingamise hapnikutarbimine ja hapniku ülekandmine DO poolt heitvees
Endogeensest hingamisest tulenev hapnikutarbimine kajastub karboniseerimise hapnikuvajaduse valemis juba parameetri b' kaudu ja seda pole vaja uuesti arvutada; heitvees DO poolt hapniku ülekandumise arvutamise valem on järgmine:

O₂₍ₒᵤₜ₎=8.33 × Q × (DOₒᵤₜ - DOᵢₙ)

Kus: 8,33 on hapniku tiheduse teisendustegur (kg O₂/(m³·mg/L)), DOᵢₙ ja DOₒᵤₜ on vastavalt sissevoolu ja väljavoolu lahustunud hapniku kontsentratsioonid (mg/L). Tavalistel juhtudel võib sissevoolu DO-d ignoreerida (võetakse kui 0) ja heitvee DO-d reguleeritakse tasemele 2–3 mg/l.

2. Hapnikuvajaduse (OD) arvutamise näide Arvestades olmereoveepuhastit puhastusvõimsusega Q=1000 m³/d, aeratsioonipaagi efektiivne maht V=300 m³, sissevoolu BOD₅=200 mg/L, heitvee BOD₅=20 SSL, 5} mg/L NH₄⁺-N=30 mg/L, heitvesi NH₄⁺-N=1 mg/L ja heitvesi DO=2 mg/L, võtke a'=0.5 ja b'=0.12.

(1) Karbonisatsiooni hapnikutarve: O₂₍ₙ₎=0.5 × 1000 × (0.2 - 0.02) - 0.12 × 300 × 3=90 - 108=-18 (Negatiivne väärtus näitab, et endogeense hingamise hapnikutarve on suurem kui karbonisatsiooni hapnikuvajadus, seega võtame 0);

(2) Nitrifikatsiooni hapnikutarve: O₂₍ₙᵢₜ₎=4.57 × 1000 × (0.03 - 0.001)=4.57 × 29 ≈ 132,53 kg O₂ päevas;

(3) DO poolt heitvees ära kantud hapnik: O₂₍ₒᵤₜ₎=8.33 × 1000 × (2 - 0)=16.66 kg O₂/d;

(4) Kogu hapnikutarve: O₂ₜₒₜₐₗ=0 + 132.53 - 16.66≈115,87 kg O₂ päevas.

Aeratsiooni maht viitab õhuhulgale, mida õhutusseade peab õhutuspaaki sisestama. See tuleb arvutada kogu hapnikuvajaduse põhjal koos selliste parameetritega nagu hapnikuülekande efektiivsus ja õhu hapnikusisaldus. Arvestada tuleb ka hapnikuülekande korrigeerimisega, mis on tingitud sellistest teguritest nagu vee temperatuur ja õhurõhk.

1. Põhiarvutuse loogika ja valem
Õhu hapnikusisaldus on ligikaudu 21% (massiosa). Hapnikuülekande efektiivsus (Eₚ) viitab hapniku osakaalule, mis tegelikult õhust segavedelikku kantakse. Õhutuskiirus arvutatakse järgmise valemi abil:

Tegelik õhutuskiirus (Gₛ)=Hapniku koguvajadus (O₂ₜₒₜₐₗ) / (õhu hapnikusisaldus × hapnikuülekande efektiivsus × parandustegur)

Konkreetne lagunemise valem:

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

Parameetrite selgitus valemis:

10,21: hapniku mahuosa õhus (%);

11.205: Õhutihedus (kg/m³, standardtingimustes, 20 kraadi, 1 atm);

1Eₚ: hapnikuülekande efektiivsus (%), Eₚ varieerub suuresti olenevalt õhutusseadmetest: puhurõhutus (mikropoorne aeraator) Eₚ=15%~25%, pindaeratsioon (tiiviku aeraator) Eₚ=8% ~15%;

1Kₜ: veetemperatuuri parandustegur, Kₜ=1.024^(T-20), kus T on tegelik veetemperatuur õhutuspaagis (kraad ). Vee temperatuuri tõustes hapniku lahustuvus väheneb ja Kₜ suureneb.

1Kₚ: gaasirõhu parandustegur, Kₚ=P/1,013, kus P on kohalik atmosfäärirõhk (atm). Atmosfäärirõhu tõustes suureneb hapniku lahustuvus ja Kₚ suureneb.

11000: ühikute teisendustegur (teisendab kg O₂ g O₂-ks).

2. Aeratsioonikiiruse arvutamise näide (järgides ülaltoodud hapnikuvajaduse näidet) Arvestades kogu hapnikutarve O₂ₜₒₜₐₗ=115.87kg O₂/d, kasutades mikropoorseid aeraatoreid, Eₚ=20%, aeratsioonipaagi veetemperatuur T=25 kraadi ja kohalikku atmosfäärirõhku P{atm.4}

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

(2) Arvutage õhutuskiirus: Gₛ=115.87×1000 / (0,21 × 1,205 × 20% × 1,127 × 0,987)≈115870 / (0,21 × 1,205 × 0,2 × 1,127 × 0,987)≈158 0,056≈2069109 m³/d? Siin tehtud arvutus on vale ja seda tuleks parandada järgmiselt:

Arvutage ümber (ühtlased ühikud): O₂ₜₒₜₐₗ=115.87 kg/d=115870 g/d;

Nimetaja: 0,21 (hapniku mahuosa) × 1,205 (õhu tihedus 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

Seetõttu Gₛ=115.87 kg/d / 0,056 kg O₂/m³ õhku ≈ 2069 m³/d (ligikaudu 86.2 m³/h).

1. Veekvaliteedi tegurid
Sissevoolava orgaanilise aine (BOD₅, KHT) ja ammoniaaklämmastiku kontsentratsioon määrab otseselt hapnikuvajaduse: mida suurem on kontsentratsioon, seda suurem on hapnikutarve ja vastavalt tuleb suurendada aeratsiooni kiirust; kui tööstusreovesi sisaldab tõrksat orgaanilist ainet või toksilisi aineid, pärsib see mikroobide aktiivsust, mis nõuab õhutuskiiruse asjakohast suurendamist (DO kontsentratsiooni suurendamine toksilisuse pärssimise leevendamiseks).

2. Tööparameetrid
Liiga kõrge MLSS-i kontsentratsioon suurendab endogeense hingamise hapnikutarbimist ja vähendab hapnikuülekande efektiivsust (suurenenud segavedeliku viskoossus), mis nõuab tasakaalu MLSS-i ja õhutuskiiruse vahel; muda retentsiooniaeg (SRT) mõjutab nitrifikatsiooni efektiivsust, nitrifikatsiooniprotsess peab kontrollima SRT-d, mis on üle 10 päeva (20 kraadi) või sellega võrdsed, ja vastama piisavale nitrifikatsiooni hapnikuvajadusele.

3. Keskkonnategurid
Suurenenud veetemperatuur vähendab hapniku lahustuvust ja hapnikuülekande efektiivsust, mistõttu on vaja suuremat õhutamist. Vähendatud õhurõhk (nt kõrgel{3}alal) vähendab hapniku lahustuvust veelgi, mistõttu on selle kompenseerimiseks vaja suurendada õhutamist. Seguvedeliku pH mõjutab nitrifikatsiooni (optimaalne pH=7.5~8,5); ebanormaalne pH nõuab enne aeratsiooni optimeerimist veekvaliteedi reguleerimist.

4. Õhutusseadmete valik
Erinevad õhutusseadmete tüübid pakuvad oluliselt erinevat hapnikuülekande efektiivsust. Mikropoorsed aeraatorid on kõrgeima hapnikuülekande efektiivsusega ja sobivad suurtesse õhutuspaakidesse. Pinnaeraatoreid on lihtne paigaldada ja need sobivad väikestesse reoveepuhastitesse. Seadmete valimisel on oluline arvestada hapnikuvajadust ja paagi tüüpi, eelistades kõrget-tõhusust, madalat-energiat-kuluvat seadet, et vähendada õhutusmahtu ja tegevuskulusid.

1. Täpsed parameetrite väärtused: koefitsiente, nagu a', b' ja Eₚ, tuleb kohandada reovee tüübi (olmereovesi/tööstusreovesi), õhutusseadmete mudeli ja mõõdetud andmete põhjal, et vältida empiiriliste väärtuste otsesest rakendamisest tingitud arvutushälbeid.

2. Ühiku järjepidevus on võti: enne arvutamist peavad kõik parameetriühikud olema järjepidevad (nt mg/l kuni kg/m³, m³/d kuni m³/h), et vältida ühikute segadust, mis põhjustab vigu.

3. Projekteerimisvaru: tegelike projektide puhul tuleks ohutustegurit 1,1–1,2 korrutada arvutatud õhutuskiirusega, et käsitleda hapnikuülekande efektiivsuse vähenemist, mis on põhjustatud sellistest teguritest nagu veekvaliteedi kõikumised ja seadmete vananemine.

4. Tegelikul tööl põhinevad korrigeerimised: Arvutatud väärtused on teoreetilised väärtused. Tegelikus töös tuleb aeratsiooni kiirust dünaamiliselt reguleerida, võttes aluseks segavedeliku DO kontsentratsiooni (reguleeritud 2–3 mg/L) ja heitvee kvaliteedi (BOD₅, NH₄⁺-N), et saavutada tasakaal tõhususe ja energiatarbimise vahel.

Aeratsioonipaagi hapnikuvajaduse ja aeratsioonikiiruse arvutamine on reoveepuhastuse projekteerimise ja töö optimeerimise põhiaspekt. Põhimõtteliselt hõlmab see mikroorganismide metaboolsete vajaduste kvantifitseerimist ja hapnikuülekande efektiivsust, et saavutada "nõudmisel hapnikuga varustamine". Hapnikuvajaduse arvutused peavad täpselt järgima veekvaliteedi parameetreid ja mikroobide ainevahetuse mustreid, samas kui õhutuskiiruse arvutusi tuleb kohandada vastavalt seadmete jõudlusele ja keskkonnateguritele. Praktilistes rakendustes tuleb teoreetiliste arvutuste abil luua põhiraamistik, millele järgneb mõõdetud andmetel põhinevad dünaamilised kohandused. See tagab, et reoveepuhastustulemused vastavad standarditele, minimeerides samal ajal aeratsiooni energiatarbimist, saavutades protsessi tõhusa ja ökonoomse toimimise.