Spiegazione dettagliata dei metodi di calcolo della domanda di ossigeno e della velocità di aerazione nei serbatoi di aerazione

Nel processo di trattamento biologico delle acque reflue, il serbatoio di aerazione è l'unità di reazione principale. La sua funzione principale è trasferire l'ossigeno al liquore miscelato attraverso apparecchiature di aerazione per soddisfare le esigenze del metabolismo microbico e della degradazione degli inquinanti. La domanda di ossigeno (domanda O₂) si riferisce all'ossigeno totale richiesto dai microrganismi per degradare la materia organica e ossidare l'azoto ammoniacale, mentre la velocità di aerazione è la produzione effettiva dell'apparecchiatura di aerazione calcolata in base alla domanda di ossigeno e a parametri quali l'efficienza di trasferimento dell'ossigeno. Il calcolo accurato della domanda di ossigeno e del tasso di aerazione non solo garantisce l'efficacia del trattamento delle acque reflue, ma ottimizza anche il consumo energetico e riduce i costi operativi. Questo articolo analizzerà in dettaglio la logica di calcolo, le formule fondamentali e i fattori chiave che influenzano questi due parametri, fornendo un riferimento per la progettazione ingegneristica e gli aggiustamenti operativi.

Il calcolo della domanda di ossigeno si basa sulle reazioni metaboliche microbiche, che comprendono la domanda di ossigeno per carbonizzazione (degradazione della materia organica) e la domanda di ossigeno per nitrificazione (ossidazione dell'azoto ammoniacale). Richiede inoltre la detrazione dell'ossigeno consumato dall'attenuazione della respirazione endogena e dell'ossigeno portato via dall'ossigeno disciolto nell'effluente, ottenendo in definitiva l'effettiva richiesta totale di ossigeno richiesta.

1. Base e formula del calcolo principale

Il calcolo della domanda di ossigeno (OD) si basa su parametri chiave come la qualità dell'acqua influente (BOD₅, COD, NH₄⁺-N), l'efficienza del trattamento e la concentrazione dei fanghi. La formula fondamentale è la seguente:

Domanda totale di ossigeno (O₂ₜₒₜₐₗ)=Domanda di ossigeno per carbonizzazione (O₂₍ₙ₎) + Domanda di ossigeno per nitrificazione (O₂₍ₙᵢₜ₎) - Domanda di ossigeno per respirazione endogena (O₂₍ₑₙₐₐ₎) - Ossigeno trasportato dal DO negli effluenti (O₂₍ₒᵤₜ₎)

(1) Domanda di ossigeno per carbonatazione (O₂₍ₙ₎)
La richiesta di ossigeno per carbonatazione è la quantità di ossigeno necessaria per la degradazione microbica della materia organica biodegradabile. Utilizzando BOD₅ come indicatore principale, la formula di calcolo è:

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

Spiegazione dei parametri nella formula:

1a': coefficiente della domanda di ossigeno per la degradazione della materia organica (kg O₂/kg) BOD₅: per le acque reflue domestiche convenzionali, a' è considerato pari a 0,42~0,53; per le acque reflue industriali, il valore deve essere adeguato in base alla biodegradabilità (valore più alto per scarsa biodegradabilità, valore più basso per buona biodegradabilità);

1Q: Volume di trattamento (m³/d);

1Sᵢₙ,Sₒᵤₜ: concentrazioni di BOD₅ influenti ed effluenti (kg/m³, ovvero g/L);

1b': coefficiente di consumo di ossigeno della respirazione endogena dei fanghi (kg O₂/(kg MLSS·d)), per le acque reflue domestiche, b' è considerato pari a 0,10~0,15;

1V: volume effettivo del serbatoio di aerazione (m³);

1X: concentrazione di solidi sospesi del liquore misto nel serbatoio di aerazione (MLSS, kg/m³).

Nota: se si utilizza il COD come indicatore di calcolo, il COD deve essere prima convertito in BOD₅ (per le acque reflue domestiche convenzionali, BOD₅/COD≈0,5; per le acque reflue industriali, è richiesta la misurazione effettiva).

(2) Domanda di ossigeno per nitrificazione (O₂₍ₙᵢₜ₎)

Se il processo richiede la nitrificazione (ossidazione dell'azoto ammoniacale in azoto nitrato), la richiesta di ossigeno per la nitrificazione deve essere calcolata separatamente. La formula è:

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

Spiegazione dei parametri nella formula:

14.57: Coefficiente teorico di domanda di ossigeno per l'ossidazione dell'azoto ammoniacale in azoto nitrato (kg O₂/kg) NH₄⁺-N);

10.12: Coefficiente di compensazione del consumo di ossigeno per la denitrificazione dei nitrati (può essere ignorato se non c'è denitrificazione);

1NH₄⁺-Nᵢₙ, NH₄⁺-Nₒᵤₜ: concentrazione di azoto ammoniacale negli affluenti e negli effluenti (kg/m³);

1NO₃⁻-Nᵢₙ, NO₃⁻-Nₒᵤₜ: concentrazione di azoto nitrato negli affluenti e negli effluenti (kg/m³).

(3) Consumo di ossigeno derivante dalla respirazione endogena e trasporto di ossigeno da parte del DO negli effluenti
Il consumo di ossigeno derivante dalla respirazione endogena si riflette già nella formula della domanda di ossigeno di carbonatazione attraverso il parametro b' e non necessita di essere ricalcolato; la formula per calcolare il trasporto di ossigeno da parte del DO negli effluenti è:

O₂₍ₒᵤₜ₎=8.33 × Q × (DOₒᵤₜ - DOᵢₙ)

Dove: 8,33 è il fattore di conversione della densità dell'ossigeno (kg O₂/(m³·mg/L)), DOᵢₙ e DOₒᵤₜ sono le concentrazioni di ossigeno disciolto rispettivamente nell'affluente e nell'effluente (mg/L). In casi normali, il DO nell'affluente può essere ignorato (assunto come 0) e il DO nell'effluente è controllato a 2~3 mg/L.

2. Esempio di calcolo della domanda di ossigeno (OD) Dato un impianto di trattamento delle acque reflue domestiche con una capacità di trattamento di Q=1000 m³/d, un volume effettivo del serbatoio di aerazione di V=300 m³, BOD influente₅=200 mg/L, BOD effluente₅=20 mg/L, MLSS=3000 mg/L, NH₄⁺ influente-N=30 mg/L, effluente NH₄⁺-N=1 mg/L e effluente DO=2 mg/L, prendi a'=0.5 e b'=0.12.

(1) Domanda di ossigeno per carbonatazione: O₂₍ₙ₎=0.5 × 1000 × (0.2 - 0.02) - 0.12 × 300 × 3=90 - 108=-18 (Un valore negativo indica che la domanda di ossigeno per respirazione endogena è maggiore della domanda di ossigeno per carbonatazione, quindi prendiamo 0);

(2) Domanda di ossigeno per la nitrificazione: O₂₍ₙᵢₜ₎=4.57 × 1000 × (0.03 - 0.001)=4.57 × 29 ≈ 132,53 kg O₂/d;

(3) Ossigeno trasportato dal DO nell'effluente: O₂₍ₒᵤₜ₎=8.33 × 1000 × (2 - 0)=16.66 kg O₂/d;

(4) Domanda totale di ossigeno: O₂ₜₒₜₐₗ=0 + 132.53 - 16.66≈115,87 kg O₂/giorno.

Il volume di aerazione si riferisce alla quantità di aria che l'attrezzatura di aerazione deve immettere nel serbatoio di aerazione. Deve essere calcolato in base alla domanda totale di ossigeno, combinata con parametri quali l’efficienza di trasferimento dell’ossigeno e il contenuto di ossigeno nell’aria. Devono essere prese in considerazione anche le correzioni per il trasferimento di ossigeno dovute a fattori quali la temperatura dell’acqua e la pressione dell’aria.

1. Logica e formula di calcolo fondamentali
Il contenuto di ossigeno nell'aria è di circa il 21% (frazione di massa). L'efficienza di trasferimento dell'ossigeno (Eₚ) si riferisce alla proporzione di ossigeno effettivamente trasferita dall'aria al liquore misto. Il tasso di aerazione viene calcolato utilizzando la seguente formula:

Tasso di aerazione effettivo (Gₛ)=Domanda totale di ossigeno (O₂ₜₒₜₐₗ) / (Contenuto di ossigeno nell'aria × Efficienza di trasferimento di ossigeno × Fattore di correzione)

Formula di decomposizione specifica:

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

Spiegazione dei parametri nella formula:

10.21: Frazione volumetrica di ossigeno nell'aria (%);

11.205: Densità dell'aria (kg/m³, in condizioni standard, 20 gradi, 1 atm);

1Eₚ: Efficienza di trasferimento dell'ossigeno (%), Eₚ varia notevolmente a seconda dell'attrezzatura di aerazione: aerazione del ventilatore (aeratore microporoso) Eₚ=15%~25%, aerazione di superficie (aeratore a girante) Eₚ=8% ~15%;

1Kₜ: Fattore di correzione della temperatura dell'acqua, Kₜ=1.024^(T-20), dove T è la temperatura effettiva dell'acqua nel serbatoio di aerazione (gradi). All’aumentare della temperatura dell’acqua, la solubilità dell’ossigeno diminuisce e Kₜ aumenta.

1Kₚ: fattore di correzione della pressione del gas, Kₚ=P/1,013, dove P è la pressione atmosferica locale (atm). All'aumentare della pressione atmosferica, aumenta la solubilità dell'ossigeno e aumenta il Kₚ.

11000: Fattore di conversione unità (converte kg O₂ in g O₂).

2. Esempio di calcolo del tasso di aerazione (seguendo l'esempio della domanda di ossigeno sopra) Data una domanda totale di ossigeno O₂ₜₒₜₐₗ=115.87kg O₂/giorno, utilizzando aeratori microporosi, Eₚ=20%, temperatura dell'acqua del serbatoio di aerazione T=25 gradi e pressione atmosferica locale P=1.0atm.

(1) Calcolare il fattore di correzione: Kₜ=1.024^(25-20)=1.024⁵≈1,127, Kₚ=1.0/1,013≈0,987;

(2) Calcolare il tasso di aerazione: 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/giorno? Il calcolo qui non è corretto e deve essere corretto come segue:

Ricalcolo (unità coerenti): O₂ₜₒₜₐₗ=115.87 kg/giorno=115870 g/giorno;

Denominatore: 0,21 (frazione volumetrica di ossigeno) × 1,205 (densità dell'aria 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 Aria;

Pertanto, Gₛ=115.87 kg/giorno / 0,056 kg O₂/m³ aria ≈ 2069 m³/giorno (circa 86.2 m³/h).

1. Fattori di qualità dell'acqua
La concentrazione della materia organica influente (BOD₅, COD) e dell'azoto ammoniacale determina direttamente la richiesta di ossigeno: maggiore è la concentrazione, maggiore è la richiesta di ossigeno e la velocità di aerazione deve essere aumentata di conseguenza; se le acque reflue industriali contengono materia organica recalcitrante o sostanze tossiche, inibiranno l'attività microbica, richiedendo un adeguato aumento del tasso di aerazione (aumento della concentrazione di DO per alleviare l'inibizione della tossicità).

2. Parametri Operativi
Una concentrazione di MLSS eccessivamente elevata aumenterà il consumo di ossigeno della respirazione endogena e ridurrà l'efficienza di trasferimento dell'ossigeno (aumento della viscosità del liquore misto), richiedendo un equilibrio tra MLSS e velocità di aerazione; il tempo di ritenzione dei fanghi (SRT) influisce sull'efficienza della nitrificazione, il processo di nitrificazione deve controllare l'SRT maggiore o uguale a 10 giorni (20 gradi) e soddisfare una domanda sufficiente di ossigeno per la nitrificazione.

3. Fattori ambientali
L’aumento della temperatura dell’acqua riduce la solubilità dell’ossigeno e diminuisce l’efficienza di trasferimento dell’ossigeno, rendendo necessaria una maggiore aerazione. La diminuzione della pressione dell'aria (ad esempio, nelle aree ad alta-altitudine) riduce ulteriormente la solubilità dell'ossigeno, richiedendo una maggiore aerazione per compensare. Il pH del liquore misto influenza la nitrificazione (pH ottimale=7.5~8,5); un pH anomalo richiede di dare priorità alle regolazioni della qualità dell’acqua prima di ottimizzare l’aerazione.

4. Selezione dell'attrezzatura di aerazione
Diversi tipi di apparecchiature di aerazione offrono efficienze di trasferimento dell'ossigeno significativamente diverse. Gli aeratori microporosi hanno la massima efficienza di trasferimento dell'ossigeno e sono adatti per serbatoi di aerazione di grandi dimensioni. Gli aeratori di superficie sono facili da installare e adatti a piccoli impianti di trattamento delle acque reflue. Quando si seleziona l'attrezzatura, è essenziale considerare la richiesta di ossigeno e il tipo di serbatoio, dando priorità alle apparecchiature ad alta-efficienza e a basso-consumo energetico-per ridurre il volume di aerazione e i costi operativi.

1. Valori dei parametri precisi: coefficienti come a', b' ed Eₚ devono essere adeguati in base al tipo di acque reflue (acque reflue domestiche/acque reflue industriali), al modello dell'attrezzatura di aerazione e ai dati misurati per evitare deviazioni di calcolo causate dall'applicazione diretta di valori empirici.

2. La coerenza delle unità è fondamentale: prima del calcolo, tutte le unità dei parametri devono essere coerenti (ad esempio, da mg/l a kg/m³, da m³/d a m³/h) per evitare confusione tra unità che porta a errori.

3. Margine di progettazione: nei progetti reali, un fattore di sicurezza di 1,1~1,2 dovrebbe essere moltiplicato per il tasso di aerazione calcolato per affrontare la diminuzione dell'efficienza di trasferimento dell'ossigeno causata da fattori quali fluttuazioni della qualità dell'acqua e invecchiamento delle apparecchiature.

4. Regolazioni basate sul funzionamento effettivo: i valori calcolati sono valori teorici. Nel funzionamento effettivo, la velocità di aerazione deve essere regolata dinamicamente in base alla concentrazione di DO del liquore misto (controllata a 2~3 mg/L) e alla qualità dell'effluente (BOD₅, NH₄⁺-N) per raggiungere un equilibrio tra efficienza e consumo energetico.

Il calcolo della domanda di ossigeno e del tasso di aerazione in un serbatoio di aerazione è un aspetto fondamentale della progettazione ingegneristica del trattamento delle acque reflue e dell'ottimizzazione del funzionamento. In sostanza, si tratta di quantificare le esigenze metaboliche dei microrganismi e l'efficienza del trasferimento di ossigeno per ottenere "la fornitura di ossigeno su-richiesta". I calcoli della domanda di ossigeno devono aderire strettamente ai parametri di qualità dell’acqua e ai modelli metabolici microbici, mentre i calcoli del tasso di aerazione devono essere adeguati in combinazione con le prestazioni delle apparecchiature e i fattori ambientali. Nelle applicazioni pratiche, è necessario stabilire un quadro di base attraverso calcoli teorici, seguiti da aggiustamenti dinamici basati sui dati misurati. Ciò garantisce che i risultati del trattamento delle acque reflue soddisfino gli standard riducendo al minimo il consumo energetico di aerazione, ottenendo un funzionamento del processo efficiente ed economico.