شرح تفصيلي لطرق حساب الطلب على الأكسجين ومعدل التهوية في خزانات التهوية

في عملية المعالجة البيولوجية لمياه الصرف الصحي، يعتبر خزان التهوية هو وحدة التفاعل الأساسية. وتتمثل وظيفتها الأساسية في نقل الأكسجين إلى السائل المختلط من خلال معدات التهوية لتلبية احتياجات التمثيل الغذائي الميكروبي وتحلل الملوثات. يشير الطلب على الأكسجين (O₂ الطلب) إلى إجمالي الأكسجين الذي تحتاجه الكائنات الحية الدقيقة لتحليل المواد العضوية وأكسدة نيتروجين الأمونيا، في حين أن معدل التهوية هو الناتج الفعلي لمعدات التهوية المحسوبة على أساس الطلب على الأكسجين والمعلمات مثل كفاءة نقل الأكسجين. لا يضمن الحساب الدقيق للطلب على الأكسجين ومعدل التهوية فعالية معالجة مياه الصرف الصحي فحسب، بل يعمل أيضًا على تحسين استهلاك الطاقة وتقليل تكاليف التشغيل. ستقوم هذه المقالة بتقسيم منطق الحساب والصيغ الأساسية والعوامل المؤثرة الرئيسية لهاتين المعلمتين بالتفصيل، مما يوفر مرجعًا للتصميم الهندسي والتعديلات التشغيلية.

يعتمد حساب الطلب على الأكسجين على التفاعلات الأيضية الميكروبية، التي تشمل الطلب على الأكسجين الكربنة (تدهور المواد العضوية) والطلب على الأكسجين النترجة (أكسدة نيتروجين الأمونيا). كما يتطلب أيضًا خصم الأكسجين الذي يستهلكه توهين التنفس الداخلي والأكسجين الذي يحمله الأكسجين المذاب في النفايات السائلة، مما يؤدي في النهاية إلى إجمالي الطلب الفعلي على الأكسجين المطلوب.

1. أساس الحساب الأساسي والصيغة

يعتمد حساب الطلب على الأكسجين (OD) على المعلمات الرئيسية مثل جودة المياه المؤثرة (BOD₅، COD، NH₄⁺-N)، وكفاءة المعالجة، وتركيز الحمأة. الصيغة الأساسية هي كما يلي:

إجمالي الطلب على الأكسجين (O₂ₜₒₜₐₗ)=الطلب على الأكسجين الكربنة (O₂₍ₙ₎) + الطلب على الأكسجين النترجة (O₂₍ₙᵢₜ₎) - الطلب على الأكسجين الداخلي للتنفس (O₂₍ₑₙₐₐ₎) - الأكسجين المنقول بواسطة DO في النفايات السائلة (O₂₍ₒᵤₜ₎)

(1) الطلب على الأكسجين الكربنة (O₂₍ₙ₎)
الطلب على الأكسجين الكربنة هو كمية الأكسجين اللازمة للتحلل الميكروبي للمواد العضوية القابلة للتحلل. باستخدام BOD₅ كمؤشر أساسي، تكون صيغة الحساب هي:

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

شرح المعلمات في الصيغة:

1a': معامل الطلب على الأكسجين لتحلل المواد العضوية (كجم O₂/كجم) BOD₅: بالنسبة لمياه الصرف الصحي المنزلية التقليدية، a' يؤخذ على أنه 0.42~0.53؛ بالنسبة لمياه الصرف الصناعي، يجب تعديل القيمة وفقًا لقابلية التحلل البيولوجي (قيمة أعلى لقابلية التحلل البيولوجي الضعيفة، وقيمة أقل لقابلية التحلل البيولوجي الجيدة)؛

1Q: حجم المعالجة (م³/د)؛

1Sᵢₙ,Sₒᵤₜ: تركيزات BOD₅ المتدفقة والسائلة (كجم/م³، أي جم/لتر)؛

1ب': معامل استهلاك الأكسجين للتنفس الداخلي للحمأة (كجم O₂/(كجم MLSS·d))، بالنسبة لمياه الصرف الصحي المنزلية، b' يؤخذ على أنه 0.10~0.15؛

1V: الحجم الفعال لخزان التهوية (م³)؛

1X: تركيز المواد الصلبة العالقة المختلطة في خزان التهوية (MLSS، كجم/م3).

ملحوظة: إذا تم استخدام COD كمؤشر حسابي، فيجب تحويل COD إلى BOD₅ أولاً (بالنسبة لمياه الصرف الصحي المنزلية التقليدية، BOD₅/COD≈0.5؛ وبالنسبة لمياه الصرف الصناعي، يلزم القياس الفعلي).

(2) الطلب على الأكسجين النترجة (O₂₍ₙᵢₜ₎)

إذا كانت العملية تتطلب النترجة (أكسدة نيتروجين الأمونيا إلى نترات النيتروجين)، فيجب حساب الطلب على الأكسجين في النترجة بشكل منفصل. الصيغة هي:

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

شرح المعلمات في الصيغة:

14.57: معامل طلب الأكسجين النظري لأكسدة نيتروجين الأمونيا إلى نترات النيتروجين (كجم O₂/كجم) NH₄⁺-N)؛

10.12: معامل تعويض استهلاك الأكسجين لنزع النترات (يمكن تجاهل ذلك إذا لم يكن هناك نزع النتروجين)؛

1NH₄⁺-Nᵢₙ، NH₄⁺-Nₒᵤₜ: تركيز نيتروجين الأمونيا في النفايات السائلة والنفايات السائلة (كجم/م³)؛

1NO₃⁻-Nᵢₙ, NO₃⁻-Nₒᵤₜ: تركيز نيتروجين النترات في المياه المتدفقة والنفايات السائلة (كجم/م³).

(3) استهلاك الأكسجين من التنفس الداخلي وترحيل الأكسجين بواسطة الأكسجين المذاب في النفايات السائلة
ينعكس استهلاك الأكسجين من التنفس الداخلي بالفعل في صيغة الطلب على الأكسجين الكربنة من خلال المعلمة b' ولا يحتاج إلى حساب مرة أخرى؛ صيغة حساب ترحيل الأكسجين بواسطة DO في النفايات السائلة هي:

O₂₍ₒᵤₜ₎=8.33 × س × (DOₒᵤₜ - DOᵢₙ)

حيث: 8.33 هو عامل تحويل كثافة الأكسجين (كجم O₂/(m³·mg/L)) وDOᵢₙ وDOₒᵤₜ هما تركيزات الأكسجين المذاب في التدفق والنفايات السائلة (ملجم/لتر)، على التوالي. في الحالات العادية، يمكن تجاهل DO في التدفق (يُنظر إليه على أنه 0)، ويتم التحكم في DO في التدفق عند 2 ~ 3 مجم / لتر.

2. مثال على حساب الطلب على الأكسجين (OD) بالنظر إلى محطة معالجة مياه الصرف الصحي المنزلية بقدرة معالجة Q=1000 م³/ي، حجم خزان تهوية فعال يبلغ V=300 م³، BOD₅=200 ملغم/لتر، BOD₅=20 ملغم/لتر، MLSS=3000 ملغم/لتر، سائل NH₄⁺-N=30 mg/L، التدفق السائل NH₄⁺-N=1 mg/L، والنفايات السائلة DO=2 mg/L، خذ a'=0.5 و b'=0.12.

(1) الطلب على الأكسجين الكربنة: O₂₍ₙ₎=0.5 × 1000 × (0.2 - 0.02) - 0.12 × 300 × 3=90 - 108=-18 (تشير القيمة السالبة إلى أن الطلب على أكسجين التنفس الداخلي أكبر من الطلب على الأكسجين الكربنة، لذلك نأخذ 0)؛

(2) الطلب على أكسجين النترجة: O₂₍ₙᵢₜ₎=4.57 × 1000 × (0.03 - 0.001)=4.57 × 29 ≈ 132.53 كجم O₂/d؛

(3) الأكسجين المنقول بواسطة D O في النفايات السائلة: O₂₍ₒᵤₜ₎=8.33 × 1000 × (2 - 0)=16.66 كجم O₂/d؛

(4) إجمالي الطلب على الأكسجين: O₂ₜₒₜₐₗ=0 + 132.53 - 16.66≈115.87kg O₂/d.

يشير حجم التهوية إلى كمية الهواء التي تحتاج معدات التهوية لإدخالها في خزان التهوية. يجب أن يتم حسابه بناءً على إجمالي الطلب على الأكسجين، بالإضافة إلى معلمات مثل كفاءة نقل الأكسجين ومحتوى الأكسجين في الهواء. تصحيحات لنقل الأوكسجين بسبب عوامل مثل درجة حرارة الماء وضغط الهواء تحتاج أيضا إلى النظر فيها.

1. منطق الحساب الأساسي والصيغة
يبلغ محتوى الأكسجين في الهواء حوالي 21% (جزء الكتلة). تشير كفاءة نقل الأكسجين (Eₚ) إلى نسبة الأكسجين المنقولة فعليًا من الهواء إلى السائل المختلط. يتم حساب معدل التهوية باستخدام الصيغة التالية:

معدل التهوية الفعلي (Gₛ)=إجمالي الطلب على الأكسجين (O₂ₜₒₜₐₗ) / (محتوى الأكسجين في الهواء × كفاءة نقل الأكسجين × عامل التصحيح)

صيغة التحلل المحددة:

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

شرح المعلمات في الصيغة:

10.21: نسبة حجم الأكسجين في الهواء (%)؛

11.205: كثافة الهواء (كجم/م3، في ظل الظروف القياسية، 20 درجة، 1 ضغط جوي)؛

1Eₚ: كفاءة نقل الأكسجين (%)، Eₚ تختلف بشكل كبير اعتمادًا على معدات التهوية: تهوية المنفاخ (مهوية صغيرة المسام) Eₚ=15%~25%، تهوية السطح (مهوية دافعة) Eₚ=8% ~15%؛

1Kₜ: عامل تصحيح درجة حرارة الماء، Kₜ=1.024^(T-20)، حيث T هي درجة حرارة الماء الفعلية في خزان التهوية (درجة). مع زيادة درجة حرارة الماء، تنخفض ذوبان الأكسجين، وتزيد Kₜ.

1Kₚ: عامل تصحيح ضغط الغاز، Kₚ=P/1.013، حيث P هو الضغط الجوي المحلي (atm). مع زيادة الضغط الجوي، تزداد ذوبان الأكسجين، ويزيد Kₚ.

11000: عامل تحويل الوحدة (يحول كجم O₂ إلى g O₂).

2. مثال لحساب معدل التهوية (باتباع مثال الطلب على الأكسجين أعلاه) بالنظر إلى إجمالي الطلب على الأكسجين O₂ₜₒₜₐₗ=115.87kg O₂/d، باستخدام مهويات دقيقة المسام، Eₚ=20%، ودرجة حرارة ماء خزان التهوية T=25 درجة، والضغط الجوي المحلي P=1.0atm.

(1) احسب عامل التصحيح: Kₜ=1.024^(25-20)=1.024⁵≈1.127, Kₚ=1.0/1.013≈0.987;

(2) احسب معدل التهوية: 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 م³/د؟ الحساب هنا غير صحيح وينبغي تصحيحه على النحو التالي:

إعادة الحساب (الوحدات متسقة): O₂ₜₒₜₐₗ=115.87 كجم/d=115870 g/d;

المقام: 0.21 (نسبة حجم الأكسجين) × 1.205 (كثافة الهواء كجم/م³) × 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 كجم O₂/م³ هواء؛

لذلك، Gₛ=115.87 كجم/د / 0.056 كجم O₂/م3 هواء ≈ 2069 م³/ي (حوالي 86.2 م³/ساعة).

1. عوامل جودة المياه
يحدد تركيز المواد العضوية المؤثرة (BOD₅، COD) ونيتروجين الأمونيا بشكل مباشر الطلب على الأكسجين: كلما زاد التركيز، زاد الطلب على الأكسجين، ويجب زيادة معدل التهوية وفقًا لذلك؛ إذا كانت مياه الصرف الصناعي تحتوي على مواد عضوية متمردة أو مواد سامة، فإنها ستثبط النشاط الميكروبي، مما يتطلب زيادة مناسبة في معدل التهوية (زيادة تركيز الأكسجين المذاب للتخفيف من تثبيط السمية).

2. معلمات التشغيل
سيؤدي التركيز العالي المفرط لـ MLSS إلى زيادة استهلاك الأكسجين في التنفس الداخلي وتقليل كفاءة نقل الأكسجين (زيادة لزوجة السائل المختلط)، مما يتطلب توازنًا بين MLSS ومعدل التهوية؛ يؤثر زمن الاحتفاظ بالحمأة (SRT) على كفاءة النترجة، وتحتاج عملية النترجة إلى التحكم في SRT أكبر من أو يساوي 10 أيام (20 درجة) ومطابقة الطلب الكافي على أكسجين النترجة.

3. العوامل البيئية
تؤدي زيادة درجة حرارة الماء إلى تقليل قابلية ذوبان الأكسجين وتقليل كفاءة نقل الأكسجين، مما يستلزم زيادة التهوية. يؤدي انخفاض ضغط الهواء (على سبيل المثال، في المناطق المرتفعة-) إلى تقليل قابلية ذوبان الأكسجين، مما يتطلب زيادة التهوية للتعويض. يؤثر الرقم الهيدروجيني للسائل المختلط على النترجة (الرقم الهيدروجيني الأمثل=7.5~8.5)؛ يتطلب الرقم الهيدروجيني غير الطبيعي إعطاء الأولوية لتعديلات جودة المياه قبل تحسين التهوية.

4. اختيار معدات التهوية
توفر أنواع معدات التهوية المختلفة كفاءات مختلفة بشكل كبير في نقل الأكسجين. تتمتع أجهزة التهوية الصغيرة التي يسهل اختراقها بأعلى كفاءة في نقل الأكسجين وهي مناسبة لخزانات التهوية الكبيرة. المهويات السطحية سهلة التركيب ومناسبة لمحطات معالجة مياه الصرف الصحي الصغيرة. عند اختيار المعدات، من الضروري مراعاة الطلب على الأكسجين ونوع الخزان، مع إعطاء الأولوية للمعدات ذات الكفاءة العالية-والاستهلاك المنخفض للطاقة-- لتقليل حجم التهوية وتكاليف التشغيل.

1. قيم المعلمات الدقيقة: يجب تعديل المعاملات مثل a' وb' وEₚ بناءً على نوع مياه الصرف الصحي (مياه الصرف الصحي المنزلية/مياه الصرف الصناعي)، ونموذج معدات التهوية، والبيانات المقاسة لتجنب الانحرافات الحسابية الناتجة عن التطبيق المباشر للقيم التجريبية.

2. اتساق الوحدة هو المفتاح: قبل الحساب، يجب أن تكون جميع وحدات المعلمات متسقة (على سبيل المثال، mg/L إلىkg/m³، m³/d إلى m³/h) لتجنب ارتباك الوحدة الذي يؤدي إلى أخطاء.

3. هامش التصميم: في المشاريع الفعلية، يجب ضرب عامل الأمان من 1.1 إلى 1.2 بمعدل التهوية المحسوب لمعالجة الانخفاض في كفاءة نقل الأكسجين الناجم عن عوامل مثل تقلبات جودة المياه وتقادم المعدات.

4. التعديلات بناءً على التشغيل الفعلي: القيم المحسوبة هي قيم نظرية. في التشغيل الفعلي، يجب تعديل معدل التهوية ديناميكيًا استنادًا إلى تركيز السائل المختلط D O (يتم التحكم فيه عند 2 ~ 3 مجم / لتر) وجودة النفايات السائلة (BOD₅، NH₄⁺-N) لتحقيق التوازن بين الكفاءة واستهلاك الطاقة.

يعد حساب الطلب على الأكسجين ومعدل التهوية في خزان التهوية جانبًا أساسيًا في تصميم هندسة معالجة مياه الصرف الصحي وتحسين التشغيل. بشكل أساسي، فهو يتضمن قياس الاحتياجات الأيضية للكائنات الحية الدقيقة وكفاءة نقل الأكسجين لتحقيق "إمدادات الأكسجين عند الطلب{{1}". يجب أن تلتزم حسابات الطلب على الأكسجين بشكل وثيق بمعايير جودة المياه وأنماط التمثيل الغذائي الميكروبي، في حين يجب تعديل حسابات معدل التهوية بالتزامن مع أداء المعدات والعوامل البيئية. في التطبيقات العملية، يجب إنشاء إطار أساسي من خلال الحسابات النظرية، تليها التعديلات الديناميكية على أساس البيانات المقاسة. وهذا يضمن أن نتائج معالجة مياه الصرف الصحي تلبي المعايير مع تقليل استهلاك طاقة التهوية، وتحقيق عملية تشغيل فعالة واقتصادية.