Gedetailleerde uitleg van de berekeningsmethoden voor het zuurstofverbruik en de beluchtingssnelheid in beluchtingstanks

In het biologische zuiveringsproces van afvalwater is de beluchtingstank de kernreactie-eenheid. De kernfunctie ervan is het overbrengen van zuurstof naar de gemengde vloeistof via beluchtingsapparatuur om te voldoen aan de behoeften van het microbiële metabolisme en de afbraak van verontreinigende stoffen. Het zuurstofverbruik (O₂-vraag) verwijst naar de totale zuurstof die micro-organismen nodig hebben om organisch materiaal af te breken en ammoniakstikstof te oxideren, terwijl de beluchtingssnelheid de werkelijke output van de beluchtingsapparatuur is, berekend op basis van het zuurstofverbruik en parameters zoals de efficiëntie van de zuurstofoverdracht. Nauwkeurige berekening van het zuurstofverbruik en de beluchtingssnelheid zorgt niet alleen voor de effectiviteit van de afvalwaterbehandeling, maar optimaliseert ook het energieverbruik en verlaagt de bedrijfskosten. In dit artikel worden de berekeningslogica, de kernformules en de belangrijkste beïnvloedende factoren van deze twee parameters gedetailleerd uiteengezet, waardoor een referentie wordt geboden voor technisch ontwerp en operationele aanpassingen.

De berekening van het zuurstofverbruik is gebaseerd op microbiële metabolische reacties, waaronder het zuurstofverbruik door carbonisatie (afbraak van organisch materiaal) en het zuurstofverbruik door nitrificatie (oxidatie van ammoniakstikstof). Het vereist ook dat de zuurstof die wordt verbruikt door endogene ademhalingsverzwakking wordt afgetrokken van de zuurstof die wordt afgevoerd door opgeloste zuurstof in het effluent, waardoor uiteindelijk de werkelijke totale benodigde zuurstofbehoefte ontstaat.

1. Kernberekeningsbasis en formule

De berekening van het zuurstofverbruik (OD) is gebaseerd op belangrijke parameters zoals de kwaliteit van het influentwater (BOD₅, CZV, NH₄⁺-N), de zuiveringsefficiëntie en de slibconcentratie. De kernformule is als volgt:

Totaal zuurstofverbruik (O₂ₜₒₜₐₗ)=Carbonisatie Zuurstofverbruik (O₂₍ₙ₎) + Nitrificatie Zuurstofverbruik (O₂₍ₙᵢₜ₎) - Endogene ademhaling Zuurstofverbruik (O₂₍ₑₙₐₐ₎) - Zuurstof afgevoerd door DO in effluent (O₂₍ₒᵤₜ₎)

(1) Zuurstofbehoefte door carbonatatie (O₂₍ₙ₎)
Het zuurstofverbruik bij carbonatatie is de hoeveelheid zuurstof die nodig is voor de microbiële afbraak van biologisch afbreekbaar organisch materiaal. Met BOD₅ als kernindicator is de berekeningsformule:

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

Uitleg van parameters in de formule:

1a': Zuurstofverbruikscoëfficiënt voor de afbraak van organisch materiaal (kg O₂/kg) BZV₅: Voor conventioneel huishoudelijk afvalwater wordt a' gesteld op 0,42~0,53; voor industrieel afvalwater moet de waarde worden aangepast op basis van de biologische afbreekbaarheid (hogere waarde voor slechte biologische afbreekbaarheid, lagere waarde voor goede biologische afbreekbaarheid);

1Q: Behandelingsvolume (m³/d);

1Sᵢₙ,Sₒᵤₜ: BZV₅-concentraties in en effluent (kg/m³, dwz g/l);

1b': Coëfficiënt voor zuurstofverbruik door endogene ademhaling van slib (kg O₂/(kg MLSS·d)), voor huishoudelijk afvalwater wordt b' gesteld op 0,10~0,15;

1V: Effectief volume beluchtingstank (m³);

1X: Concentratie van gemengde vloeistoffen in de beluchtingstank (MLSS, kg/m³).

Opmerking: Als CZV als berekeningsindicator wordt gebruikt, moet CZV eerst worden omgezet naar BZV₅ (voor conventioneel huishoudelijk afvalwater BZV₅/CZV≈0,5; voor industrieel afvalwater is daadwerkelijke meting vereist).

(2) Nitrificatiezuurstofbehoefte (O₂₍ₙᵢₜ₎)

Als het proces nitrificatie vereist (oxidatie van ammoniakstikstof naar nitraatstikstof), moet het nitrificatiezuurstofverbruik afzonderlijk worden berekend. De formule is:

O₂₍ₙᵢₜ₎=4.57 × Q × (NH₄⁺-Nᵢₙ - NH₄⁺-Nₒᵤₜ) - 0.12 × Q × (NO₃⁻-Nₒᵤₜ - NEE₃⁻-Nᵢₙ)

Uitleg van parameters in de formule:

14.57: Theoretische zuurstofverbruikscoëfficiënt voor de oxidatie van ammoniakstikstof naar nitraatstikstof (kg O₂/kg) NH₄⁺-N);

10.12: Offsetcoëfficiënt voor zuurstofverbruik voor nitraatdenitrificatie (dit kan worden genegeerd als er geen denitrificatie plaatsvindt);

1NH₄⁺-Nᵢₙ, NH₄⁺-Nₒᵤₜ: Ammoniakstikstofconcentratie in influent en effluent (kg/m³);

1NO₃⁻-Nᵢₙ, NO₃⁻-Nₒᵤₜ: Nitraat-stikstofconcentratie in influent en effluent (kg/m³).

(3) Zuurstofverbruik door endogene ademhaling en zuurstofoverdracht door DO in effluent
Het zuurstofverbruik door endogene ademhaling wordt al weerspiegeld in de formule voor het carbonatatiezuurstofverbruik via de parameter b' en hoeft niet opnieuw te worden berekend; de formule voor het berekenen van de zuurstofoverdracht door DO in effluent is:

O₂₍ₒᵤₜ₎=8.33 × Q × (DOₒᵤₜ - DOᵢₙ)

Waarbij: 8,33 de conversiefactor voor de zuurstofdichtheid is (kg O₂/(m³·mg/L)), DOᵢₙ en DOₒᵤₜ de opgeloste zuurstofconcentraties van respectievelijk het influent en het effluent (mg/L). In normale gevallen kan de DO in het influent worden genegeerd (als 0 genomen) en wordt de DO in het effluent gecontroleerd op 2~3 mg/l.

2. Voorbeeld van berekening van het zuurstofverbruik (OD) Gegeven een zuiveringsinstallatie voor huishoudelijk afvalwater met een behandelingscapaciteit van Q=1000 m³/d, een effectief beluchtingstankvolume van V=300 m³, influent BZV₅=200 mg/L, effluent BZV₅=20 mg/L, MLSS=3000 NH₄⁺-N=30 mg/L, effluent NH₄⁺-N=1 mg/L, en effluent DO=2 mg/L, neem a'=0.5 en b'=0.12.

(1) Zuurstofverbruik door carbonatatie: O₂₍ₙ₎=0.5 × 1000 × (0.2 - 0.02) - 0.12 × 300 × 3=90 - 108=-18 (Een negatieve waarde geeft aan dat het zuurstofverbruik door de endogene ademhaling groter is dan het zuurstofverbruik door carbonatatie, dus we nemen 0);

(2) Zuurstofverbruik door nitrificatie: O₂₍ₙᵢₜ₎=4.57 × 1000 × (0.03 - 0.001)=4.57 × 29 ≈ 132,53 kg O₂/d;

(3) Zuurstof afgevoerd door DO in het effluent: O₂₍ₒᵤₜ₎=8.33 × 1000 × (2 - 0)=16.66 kg O₂/d;

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

Beluchtingsvolume verwijst naar de hoeveelheid lucht die de beluchtingsapparatuur in de beluchtingstank moet invoeren. Het moet worden berekend op basis van het totale zuurstofverbruik, gecombineerd met parameters zoals de efficiëntie van de zuurstofoverdracht en het zuurstofgehalte in de lucht. Er moet ook rekening worden gehouden met correcties voor zuurstofoverdracht als gevolg van factoren zoals watertemperatuur en luchtdruk.

1. Kernberekeningslogica en formule
Het zuurstofgehalte in de lucht bedraagt ​​ongeveer 21% (massafractie). De zuurstofoverdrachtsefficiëntie (Eₚ) verwijst naar het aandeel zuurstof dat daadwerkelijk uit de lucht naar de gemengde vloeistof wordt overgebracht. De beluchtingssnelheid wordt berekend met behulp van de volgende formule:

Werkelijke beluchtingssnelheid (Gₛ)=Totaal zuurstofverbruik (O₂ₜₒₜₐₗ) / (luchtzuurstofgehalte x zuurstofoverdrachtsefficiëntie x correctiefactor)

Specifieke ontbindingsformule:

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

Uitleg van parameters in de formule:

10.21: Volumefractie zuurstof in lucht (%);

11.205: Luchtdichtheid (kg/m³, onder standaardomstandigheden, 20 graden, 1 atm);

1Eₚ: Zuurstofoverdrachtsefficiëntie (%), Eₚ varieert sterk, afhankelijk van de beluchtingsapparatuur: ventilatorbeluchting (microporeuze beluchter) Eₚ=15%~25%, oppervlaktebeluchting (waaierbeluchter) Eₚ=8% ~15%;

1Kₜ: Correctiefactor voor de watertemperatuur, Kₜ=1.024^(T-20), waarbij T de werkelijke watertemperatuur in de beluchtingstank is (graden). Naarmate de watertemperatuur stijgt, neemt de zuurstofoplosbaarheid af en neemt Kₜ toe.

1Kₚ: Correctiefactor voor gasdruk, Kₚ=P/1,013, waarbij P de lokale atmosferische druk (atm) is. Naarmate de atmosferische druk toeneemt, neemt de oplosbaarheid van zuurstof toe en neemt Kₚ toe.

11000: Eenheidsconversiefactor (converteert kg O₂ naar g O₂).

2. Voorbeeld van berekening van de beluchtingssnelheid (volgens het voorbeeld van het zuurstofverbruik hierboven) Gegeven een totaal zuurstofverbruik O₂ₜₒₜₐₗ=115.87kg O₂/d, met behulp van microporeuze beluchters, Eₚ=20%, watertemperatuur van de beluchtingstank T=25 graad en lokale atmosferische druk P=1.0atm.

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

(2) Bereken de beluchtingssnelheid: 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? De berekening hier is onjuist en moet als volgt worden gecorrigeerd:

Herbereken (eenheden consistent): O₂ₜₒₜₐₗ=115.87 kg/d=115870 g/d;

Noemer: 0,21 (volumevolumezuurstof) × 1,205 (luchtdichtheid 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 Lucht;

Daarom Gₛ=115.87 kg/d / 0,056 kg O₂/m³ lucht ≈ 2069 m³/d (ongeveer 86.2 m³/h).

1. Waterkwaliteitsfactoren
De concentratie van influent organisch materiaal (BOD₅, CZV) en ammoniakstikstof bepaalt direct het zuurstofverbruik: hoe hoger de concentratie, hoe groter het zuurstofverbruik, en de beluchtingssnelheid moet dienovereenkomstig worden verhoogd; als industrieel afvalwater recalcitrant organisch materiaal of giftige stoffen bevat, zal dit de microbiële activiteit remmen, waardoor een passende verhoging van de beluchtingssnelheid nodig is (verhogen van de DO-concentratie om de remming van de toxiciteit te verminderen).

2. Bedrijfsparameters
Een te hoge MLSS-concentratie zal het zuurstofverbruik van de endogene ademhaling verhogen en de efficiëntie van de zuurstofoverdracht verminderen (verhoogde viscositeit van het gemengde vloeistof), waardoor een evenwicht tussen MLSS en beluchtingssnelheid vereist is; De retentietijd van het slib (SRT) heeft invloed op de nitrificatie-efficiëntie. Het nitrificatieproces moet de SRT controleren groter dan of gelijk aan 10 dagen (20 graden) en voldoen aan voldoende nitrificatiezuurstofbehoefte.

3. Omgevingsfactoren
Een verhoogde watertemperatuur vermindert de zuurstofoplosbaarheid en vermindert de efficiëntie van de zuurstofoverdracht, waardoor meer beluchting noodzakelijk is. Een lagere luchtdruk (bijvoorbeeld in gebieden op grote- hoogte) vermindert de zuurstofoplosbaarheid verder, waardoor ter compensatie meer beluchting nodig is. De pH van de gemengde vloeistof beïnvloedt de nitrificatie (optimale pH=7.5~8,5); Bij een abnormale pH moet prioriteit worden gegeven aan aanpassingen van de waterkwaliteit voordat de beluchting wordt geoptimaliseerd.

4. Selectie van beluchtingsapparatuur
Verschillende typen beluchtingsapparatuur bieden aanzienlijk verschillende efficiënties van de zuurstofoverdracht. Microporeuze beluchters hebben de hoogste zuurstofoverdrachtsefficiëntie en zijn geschikt voor grote beluchtingstanks. Oppervlaktebeluchters zijn eenvoudig te installeren en geschikt voor kleine afvalwaterzuiveringsinstallaties. Bij het selecteren van apparatuur is het essentieel om rekening te houden met het zuurstofverbruik en het tanktype, waarbij prioriteit wordt gegeven aan apparatuur met een hoge-efficiëntie en een-energie-verbruik om het beluchtingsvolume en de bedrijfskosten te verminderen.

1. Nauwkeurige parameterwaarden: Coëfficiënten zoals a', b' en Eₚ moeten worden aangepast op basis van het type afvalwater (huishoudelijk rioolwater/industrieel afvalwater), het model van de beluchtingsapparatuur en de gemeten gegevens om berekeningsafwijkingen te voorkomen die worden veroorzaakt door het rechtstreeks toepassen van empirische waarden.

2. Consistentie van eenheden is essentieel: Vóór de berekening moeten alle parametereenheden consistent zijn (bijv. mg/l tot kg/m³, m³/d tot m³/u) om verwarring van de eenheden te voorkomen, wat tot fouten kan leiden.

3. Ontwerpmarge: In daadwerkelijke projecten moet een veiligheidsfactor van 1,1~1,2 worden vermenigvuldigd met de berekende beluchtingssnelheid om de afname van de zuurstofoverdrachtsefficiëntie aan te pakken, veroorzaakt door factoren zoals schommelingen in de waterkwaliteit en veroudering van apparatuur.

4. Aanpassingen op basis van daadwerkelijke werking: Berekende waarden zijn theoretische waarden. In de praktijk moet de beluchtingssnelheid dynamisch worden aangepast op basis van de DO-concentratie van het gemengde vloeistof (geregeld op 2~3 mg/L) en de kwaliteit van het effluent (BOD₅, NH₄⁺-N) om een ​​evenwicht tussen efficiëntie en energieverbruik te bereiken.

Het berekenen van het zuurstofverbruik en de beluchtingssnelheid in een beluchtingstank is een kernaspect van het ontwerp van de afvalwaterzuiveringstechniek en de optimalisatie van de werking. In wezen gaat het om het kwantificeren van de metabolische behoeften van micro-organismen en de efficiëntie van de zuurstofoverdracht om 'on-zuurstoftoevoer' te bereiken. Berekeningen van het zuurstofverbruik moeten nauw aansluiten bij de waterkwaliteitsparameters en microbiële metabolische patronen, terwijl berekeningen van de beluchtingssnelheid moeten worden aangepast in samenhang met de prestaties van de apparatuur en omgevingsfactoren. In praktische toepassingen moet een basiskader tot stand worden gebracht door middel van theoretische berekeningen, gevolgd door dynamische aanpassingen op basis van gemeten gegevens. Dit zorgt ervoor dat de resultaten van de afvalwaterzuivering voldoen aan de normen, terwijl het energieverbruik van de beluchting wordt geminimaliseerd, waardoor een efficiënte en economische procesvoering wordt bereikt.