คำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับวิธีคำนวณความต้องการออกซิเจนและอัตราการเติมอากาศในถังเติมอากาศ

ในกระบวนการบำบัดน้ำเสียทางชีวภาพ ถังเติมอากาศเป็นหน่วยปฏิกิริยาหลัก หน้าที่หลักคือการถ่ายโอนออกซิเจนไปยังสุราผสมผ่านอุปกรณ์เติมอากาศ เพื่อตอบสนองความต้องการการเผาผลาญของจุลินทรีย์และการย่อยสลายของมลพิษ ความต้องการออกซิเจน (ความต้องการ O₂) หมายถึงปริมาณออกซิเจนทั้งหมดที่จุลินทรีย์ต้องการในการย่อยสลายสารอินทรีย์และออกซิไดซ์ไนโตรเจนแอมโมเนีย ในขณะที่อัตราการเติมอากาศคือผลลัพธ์ที่แท้จริงของอุปกรณ์เติมอากาศที่คำนวณตามความต้องการออกซิเจนและพารามิเตอร์ เช่น ประสิทธิภาพการถ่ายโอนออกซิเจน การคำนวณความต้องการออกซิเจนและอัตราการเติมอากาศที่แม่นยำไม่เพียงแต่รับประกันประสิทธิภาพการบำบัดน้ำเสียเท่านั้น แต่ยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานและลดต้นทุนการดำเนินงานอีกด้วย บทความนี้จะแจกแจงรายละเอียดตรรกะการคำนวณ สูตรหลัก และปัจจัยที่มีอิทธิพลสำคัญของพารามิเตอร์ทั้งสองนี้โดยละเอียด โดยเป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับการออกแบบทางวิศวกรรมและการปรับเปลี่ยนการปฏิบัติงาน

การคำนวณความต้องการออกซิเจนขึ้นอยู่กับปฏิกิริยาเมแทบอลิซึมของจุลินทรีย์ ซึ่งรวมถึงความต้องการออกซิเจนแบบคาร์บอไนเซชัน (การย่อยสลายของสารอินทรีย์) และความต้องการออกซิเจนไนตริฟิเคชัน (ออกซิเดชันของแอมโมเนีย ไนโตรเจน) นอกจากนี้ ยังต้องมีการหักออกซิเจนที่ใช้โดยการลดทอนการหายใจภายในร่างกาย และออกซิเจนที่ถูกพาออกไปโดยออกซิเจนที่ละลายในน้ำทิ้ง ส่งผลให้ได้ความต้องการออกซิเจนทั้งหมดตามจริงที่ต้องการในที่สุด

1. พื้นฐานและสูตรการคำนวณหลัก

การคำนวณความต้องการออกซิเจน (OD) ขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์หลัก เช่น คุณภาพน้ำที่ไหลเข้า (BOD₅, COD, NH₄⁺-N) ประสิทธิภาพการบำบัด และความเข้มข้นของตะกอน สูตรหลักมีดังนี้:

ความต้องการออกซิเจนรวม (O₂ₜₒₜₐₗ)=ความต้องการออกซิเจนในการทำให้เกิดคาร์บอน (O₂₍ₙ₎) + ความต้องการออกซิเจนในการไนตริฟิเคชัน (O₂₍ₙᵢₜ₎) - ความต้องการออกซิเจนในการหายใจภายนอก (O₂₍ₑₙₐₐ₎) - ออกซิเจนที่ถูกพาไปโดย DO ในน้ำทิ้ง (O₂₍ₒᵤₜ₎)

(1) ความต้องการออกซิเจนคาร์บอนไดออกไซด์ (O₂₍ₙ₎)
ความต้องการออกซิเจนคาร์บอนไดออกไซด์คือปริมาณออกซิเจนที่จำเป็นสำหรับการย่อยสลายของจุลินทรีย์ของสารอินทรีย์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ การใช้ BOD₅ เป็นตัวบ่งชี้หลัก สูตรการคำนวณคือ:

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

คำอธิบายของพารามิเตอร์ในสูตร:

1a': ค่าสัมประสิทธิ์ความต้องการออกซิเจนสำหรับการย่อยสลายอินทรียวัตถุ (กก. O₂/กก.) BOD₅: สำหรับน้ำเสียในครัวเรือนทั่วไป ค่า a' จะเป็น 0.42~0.53; สำหรับน้ำเสียอุตสาหกรรม จะต้องปรับค่าตามความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพ (ค่าที่สูงขึ้นสำหรับความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพที่ไม่ดี ค่าที่ต่ำกว่าสำหรับความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพที่ดี)

1Q: ปริมาตรการบำบัด (m³/d);

1Sᵢₙ,Sₒᵤₜ: ความเข้มข้นของ BOD₅ ที่ไหลเข้าและน้ำทิ้ง (กก./ลบ.ม. เช่น ก./ลิตร);

1b': ค่าสัมประสิทธิ์การใช้ออกซิเจนในการหายใจภายนอกของตะกอน (kg O₂/(kg MLSS·d)) สำหรับน้ำเสียในครัวเรือน b' ถือเป็น 0.10~0.15;

1V: ปริมาตรที่มีประสิทธิภาพของถังเติมอากาศ (m³);

1X: ความเข้มข้นของสารแขวนลอยในสุราผสมในถังเติมอากาศ (MLSS, กก./ลบ.ม.)

หมายเหตุ: หากใช้ COD เป็นตัวบ่งชี้การคำนวณ จะต้องแปลง COD เป็น BOD₅ ก่อน (สำหรับน้ำเสียในครัวเรือนทั่วไป BOD₅/CODµ0.5; สำหรับน้ำเสียอุตสาหกรรม ต้องมีการวัดตามจริง)

(2) ความต้องการออกซิเจนในการไนตริฟิเคชั่น (O₂₍ₙᵢₜ₎)

หากกระบวนการนี้จำเป็นต้องมีไนตริฟิเคชัน (ออกซิเดชันของแอมโมเนียไนโตรเจนเป็นไนเตรตไนโตรเจน) จำเป็นต้องคำนวณความต้องการออกซิเจนไนตริฟิเคชันแยกต่างหาก สูตรคือ:

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

คำอธิบายของพารามิเตอร์ในสูตร:

14.57: สัมประสิทธิ์ความต้องการออกซิเจนตามทฤษฎีสำหรับการเกิดออกซิเดชันของแอมโมเนียไนโตรเจนเป็นไนเตรตไนโตรเจน (kg O₂/kg) NH₄⁺-N);

10.12: สัมประสิทธิ์การชดเชยการใช้ออกซิเจนสำหรับการแยกไนเตรตของไนเตรต (สามารถละเว้นได้หากไม่มีการแยกไนตริฟิเคชั่น)

1NH₄⁺-Nᵢₙ, NH₄⁺-Nₒᵤₜ: ความเข้มข้นของแอมโมเนียไนโตรเจนในตัวไหลเข้าและน้ำทิ้ง (กก./ลบ.ม.);

1NO₃⁻-Nᵢₙ, NO₃⁻-Nₒᵤₜ: ความเข้มข้นของไนเตรตไนโตรเจนในน้ำที่ไหลเข้าและน้ำทิ้ง (กก./ลบ.ม.)

(3) การใช้ออกซิเจนจากการหายใจภายนอกและการลำเลียงออกซิเจนโดย DO ในน้ำทิ้ง
ปริมาณการใช้ออกซิเจนจากการหายใจภายนอกได้สะท้อนให้เห็นแล้วในสูตรความต้องการออกซิเจนของคาร์บอนไดออกไซด์ผ่านพารามิเตอร์ b' และไม่จำเป็นต้องคำนวณอีกครั้ง สูตรคำนวณการพาออกซิเจนโดย DO ในน้ำทิ้งคือ:

O₂₍ₒᵤₜ₎=8.33 × Q × (DOₒᵤₜ - DOᵢₙ)

โดยที่ 8.33 คือปัจจัยการแปลงความหนาแน่นของออกซิเจน (kg O₂/(m³·mg/L)) DOᵢₙ และ DOₒᵤₜ คือความเข้มข้นของออกซิเจนละลายของสิ่งที่เข้ามาและน้ำทิ้ง (mg/L) ตามลำดับ ในกรณีปกติ ค่า DO ในน้ำทิ้งสามารถถูกละเว้นได้ (ถือเป็น 0) และค่า DO ในน้ำทิ้งจะถูกควบคุมที่ 2~3 มก./ลิตร

2. ตัวอย่างการคำนวณความต้องการออกซิเจน (OD) ให้โรงบำบัดน้ำเสียในครัวเรือนที่มีความสามารถในการบำบัด Q=1000 m³/d ปริมาตรถังเติมอากาศที่มีประสิทธิผลที่ V=300 m³, BOD₅ ที่มีอิทธิพล=200 มก./ลิตร, น้ำทิ้ง BOD₅=20 มก./ลิตร, MLSS=3000 มก./ลิตร, ที่มีอิทธิพล NH₄⁺-N=30 มก./ลิตร, น้ำทิ้ง NH₄⁺-N=1 มก./ลิตร และน้ำทิ้ง DO=2 มก./ลิตร รับ a'=0.5 และ b'=0.12.

(1) ความต้องการออกซิเจนของคาร์บอนไดออกไซด์: O₂₍ₙ₎=0.5 × 1000 × (0.2 - 0.02) - 0.12 × 300 × 3=90 - 108=-18 (ค่าลบบ่งชี้ว่าความต้องการออกซิเจนในการหายใจภายนอกมากกว่าความต้องการออกซิเจนของคาร์บอนไดออกไซด์ ดังนั้นเราจึงหา 0)

(2) ความต้องการออกซิเจนในการไนตริฟิเคชั่น: O₂₍ₙᵢₜ₎=4.57 × 1000 × (0.03 - 0.001)=4.57 × 29 µm กลับไปยัง 132.53 กก. O₂/d;

(3) ออกซิเจนที่ถูกพาไปโดย DO ในน้ำทิ้ง: O₂₍ₒᵤₜ₎=8.33 × 1000 × (2 - 0)=16.66 กิโลกรัม O₂/d;

(4) ความต้องการออกซิเจนทั้งหมด: O₂ₜₒₜₐₗ=0 + 132.53 - 16.66หยาบคาย115.87กก. O₂/วัน

ปริมาตรการเติมอากาศหมายถึงปริมาณอากาศที่อุปกรณ์เติมอากาศจำเป็นต้องป้อนลงในถังเติมอากาศ โดยจะต้องคำนวณตามความต้องการออกซิเจนทั้งหมด รวมกับพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น ประสิทธิภาพการถ่ายเทออกซิเจนและปริมาณออกซิเจนในอากาศ จำเป็นต้องพิจารณาการแก้ไขการถ่ายโอนออกซิเจนเนื่องจากปัจจัยต่างๆ เช่น อุณหภูมิของน้ำและความดันอากาศด้วย

1. ตรรกะและสูตรการคำนวณหลัก
ปริมาณออกซิเจนในอากาศอยู่ที่ประมาณ 21% (เศษส่วนมวล) ประสิทธิภาพการถ่ายโอนออกซิเจน (Eₚ) หมายถึงสัดส่วนของออกซิเจนที่ถ่ายโอนจากอากาศสู่สุราผสมจริง อัตราการเติมอากาศคำนวณโดยใช้สูตรต่อไปนี้:

อัตราการเติมอากาศจริง (Gₛ)=ความต้องการออกซิเจนทั้งหมด (O₂ₜₒₜₐₗ) / (ปริมาณออกซิเจนในอากาศ × ประสิทธิภาพการถ่ายเทออกซิเจน × ปัจจัยแก้ไข)

สูตรการสลายตัวเฉพาะ:

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

คำอธิบายของพารามิเตอร์ในสูตร:

10.21: สัดส่วนปริมาตรของออกซิเจนในอากาศ (%);

11.205: ความหนาแน่นของอากาศ (กก./ลบ.ม. ภายใต้สภาวะมาตรฐาน 20 องศา 1 atm)

1Eₚ: ประสิทธิภาพการถ่ายโอนออกซิเจน (%), Eₚ จะแตกต่างกันมากขึ้นอยู่กับอุปกรณ์เติมอากาศ: การเติมอากาศด้วยโบลเวอร์ (เครื่องเติมอากาศพรุนขนาดเล็ก) Eₚ=15%~25%, การเติมอากาศที่พื้นผิว (เครื่องเติมอากาศแบบใบพัด) Eₚ=8% ~15%;

1Kₜ: ปัจจัยการแก้ไขอุณหภูมิของน้ำ Kₜ=1.024^(T-20) โดยที่ T คืออุณหภูมิของน้ำตามจริงในถังเติมอากาศ ( องศา ) เมื่ออุณหภูมิของน้ำเพิ่มขึ้น ความสามารถในการละลายของออกซิเจนจะลดลง และ Kₜ จะเพิ่มขึ้น

1Kₚ: แฟคเตอร์แก้ไขแรงดันแก๊ส, Kₚ=P/1.013 โดยที่ P คือความดันบรรยากาศเฉพาะที่ (atm) เมื่อความดันบรรยากาศเพิ่มขึ้น ความสามารถในการละลายของออกซิเจนจะเพิ่มขึ้น และ Kₚ จะเพิ่มขึ้น

11000: ตัวคูณการแปลงหน่วย (แปลง kg O₂ เป็น g O₂)

2. ตัวอย่างการคำนวณอัตราการเติมอากาศ (ตามตัวอย่างความต้องการออกซิเจนด้านบน) เมื่อพิจารณาจากความต้องการออกซิเจนทั้งหมด O₂ₜₒₜₐₗ=115.87kg O₂/d โดยใช้เครื่องเติมอากาศพรุนขนาดเล็ก Eₚ=20% อุณหภูมิของน้ำในถังเติมอากาศ T=25 องศา และความดันบรรยากาศเฉพาะที่ P=1.0atm

(1) คำนวณปัจจัยการแก้ไข: Kₜ=1.024^(25-20)=1.024⁵µ1.127, Kₚ=1.0/1.013µ0.987;

(2) คำนวณอัตราการเติมอากาศ: Gₛ =115.87 × 1,000 / (0.21 × 1.205 × 20% × 1.127 × 0.987) µ115870 / (0.21 × 1.205 × 0.2 × 1.127 × 0.987) กลับไปยัง 115870 / 0.056 2069109 ลบ.ม./วัน? การคำนวณที่นี่ไม่ถูกต้อง และควรแก้ไขดังนี้:

คำนวณใหม่ (หน่วยสม่ำเสมอ): O₂ₜₒₜₐₗ=115.87 kg/d=115870 g/d;

ตัวหาร: 0.21 (เศษส่วนปริมาตรออกซิเจน) × 1.205 (ความหนาแน่นอากาศ กิโลกรัม/ลูกบาศก์เมตร) × Eₚ (20%=0.2) × Kₜ (1.127) × Kₚ (0.987)=0.21 × 1.205 × 0.2 × 1.127 × 0.987 หยาบคาย 0.21 × 1.205 หยาบคาย 0.253, 0.253 × 0.2 พรีเมี่ยม 0.0506, 0.0506 × 1.127 พรีเมี่ยม 0.057, 0.057 × 0.987 พรีเมี่ยม 0.056 กก. O₂/m³ อากาศ;

ดังนั้น Gₛ=115.87 kg/d / 0.056 kg O₂/m³ อากาศ asym 2069 m³/d (ประมาณ 86.2 m³/h)

1. ปัจจัยด้านคุณภาพน้ำ
ความเข้มข้นของอินทรียวัตถุที่มีอิทธิพล (BOD₅, COD) และแอมโมเนียไนโตรเจนจะกำหนดความต้องการออกซิเจนโดยตรง ยิ่งความเข้มข้นสูง ความต้องการออกซิเจนก็จะยิ่งมากขึ้น และจำเป็นต้องเพิ่มอัตราการเติมอากาศตามไปด้วย หากน้ำเสียอุตสาหกรรมมีสารอินทรีย์หรือสารพิษที่ดื้อรั้น จะยับยั้งการทำงานของจุลินทรีย์ โดยต้องเพิ่มอัตราการเติมอากาศอย่างเหมาะสม (เพิ่มความเข้มข้นของ DO เพื่อบรรเทาการยับยั้งความเป็นพิษ)

2. พารามิเตอร์การทำงาน
ความเข้มข้นของ MLSS ที่สูงเกินไปจะเพิ่มการใช้ออกซิเจนในการหายใจภายในร่างกาย และลดประสิทธิภาพการถ่ายโอนออกซิเจน (เพิ่มความหนืดของสุราผสม) ซึ่งต้องการความสมดุลระหว่าง MLSS และอัตราการเติมอากาศ เวลากักเก็บตะกอน (SRT) ส่งผลต่อประสิทธิภาพของไนตริฟิเคชั่น กระบวนการไนตริฟิเคชั่นจำเป็นต้องควบคุม SRT มากกว่าหรือเท่ากับ 10 วัน (20 องศา ) และตรงกับความต้องการออกซิเจนของไนตริฟิเคชันที่เพียงพอ

3. ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม
อุณหภูมิของน้ำที่เพิ่มขึ้นจะช่วยลดความสามารถในการละลายของออกซิเจน และลดประสิทธิภาพการถ่ายเทออกซิเจน ทำให้จำเป็นต้องเติมอากาศเพิ่มขึ้น ความกดอากาศที่ลดลง (เช่น ในพื้นที่สูง-) จะทำให้ความสามารถในการละลายของออกซิเจนลดลง โดยต้องมีการเติมอากาศเพิ่มขึ้นเพื่อชดเชย ค่า pH ของสุราผสมส่งผลต่อการเกิดไนตริฟิเคชัน (pH ที่เหมาะสม=7.5~8.5) ค่า pH ที่ผิดปกติจำเป็นต้องจัดลำดับความสำคัญของการปรับคุณภาพน้ำก่อนที่จะเพิ่มประสิทธิภาพการเติมอากาศ

4. การเลือกอุปกรณ์เติมอากาศ
อุปกรณ์เติมอากาศประเภทต่างๆ ให้ประสิทธิภาพการถ่ายเทออกซิเจนที่แตกต่างกันอย่างมาก เครื่องเติมอากาศแบบพรุนขนาดเล็กมีประสิทธิภาพการถ่ายเทออกซิเจนสูงสุด และเหมาะสำหรับถังเติมอากาศขนาดใหญ่ เครื่องเติมอากาศพื้นผิวติดตั้งง่ายและเหมาะสำหรับโรงบำบัดน้ำเสียขนาดเล็ก เมื่อเลือกอุปกรณ์ จำเป็นต้องคำนึงถึงความต้องการออกซิเจนและประเภทของถัง โดยจัดลำดับความสำคัญของอุปกรณ์ที่ใช้พลังงาน-ประสิทธิภาพสูง -พลังงานต่ำ- เพื่อลดปริมาณการเติมอากาศและค่าใช้จ่ายในการดำเนินงาน

1. ค่าพารามิเตอร์ที่แม่นยำ: จำเป็นต้องปรับค่าสัมประสิทธิ์ เช่น a', b' และ Eₚ ตามประเภทของน้ำเสีย (น้ำเสียในครัวเรือน/น้ำเสียทางอุตสาหกรรม) รุ่นอุปกรณ์เติมอากาศ และข้อมูลที่วัดได้เพื่อหลีกเลี่ยงความเบี่ยงเบนในการคำนวณที่เกิดจากการใช้ค่าเชิงประจักษ์โดยตรง

2. ความสม่ำเสมอของหน่วยเป็นกุญแจสำคัญ: ก่อนการคำนวณ หน่วยพารามิเตอร์ทั้งหมดจะต้องสอดคล้องกัน (เช่น มก./ลิตร ถึง กก./ลบ.ม., m³/d ถึง ลบ.ม./ชม.) เพื่อหลีกเลี่ยงความสับสนของหน่วยที่นำไปสู่ข้อผิดพลาด

3. ขอบการออกแบบ: ในโครงการจริง ควรคูณปัจจัยด้านความปลอดภัย 1.1~1.2 ด้วยอัตราการเติมอากาศที่คำนวณได้ เพื่อจัดการกับประสิทธิภาพการถ่ายโอนออกซิเจนที่ลดลงที่เกิดจากปัจจัยต่างๆ เช่น ความผันผวนของคุณภาพน้ำ และการเสื่อมสภาพของอุปกรณ์

4. การปรับเปลี่ยนตามการใช้งานจริง: ค่าที่คำนวณได้เป็นค่าทางทฤษฎี ในการทำงานจริง อัตราการเติมอากาศจำเป็นต้องปรับแบบไดนามิกโดยอิงตามความเข้มข้น DO ของสุราผสม (ควบคุมที่ 2~3 มก./ลิตร) และคุณภาพน้ำทิ้ง (BOD₅, NH₄⁺-N) เพื่อให้เกิดความสมดุลระหว่างประสิทธิภาพและการใช้พลังงาน

การคำนวณความต้องการออกซิเจนและอัตราการเติมอากาศในถังเติมอากาศเป็นส่วนสำคัญของการออกแบบทางวิศวกรรมบำบัดน้ำเสียและการเพิ่มประสิทธิภาพการดำเนินงาน โดยพื้นฐานแล้ว เกี่ยวข้องกับการวัดปริมาณความต้องการการเผาผลาญของจุลินทรีย์และประสิทธิภาพการถ่ายโอนออกซิเจนเพื่อให้บรรลุ "การจัดหาออกซิเจนตามความต้องการ" การคำนวณความต้องการออกซิเจนจะต้องเป็นไปตามพารามิเตอร์คุณภาพน้ำและรูปแบบเมตาบอลิซึมของจุลินทรีย์อย่างใกล้ชิด ในขณะที่การคำนวณอัตราการเติมอากาศจำเป็นต้องปรับร่วมกับประสิทธิภาพของอุปกรณ์และปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม ในการใช้งานจริง จำเป็นต้องกำหนดกรอบงานพื้นฐานผ่านการคำนวณทางทฤษฎี ตามด้วยการปรับเปลี่ยนแบบไดนามิกตามข้อมูลที่วัดได้ สิ่งนี้ทำให้มั่นใจได้ว่าผลการบำบัดน้ำเสียเป็นไปตามมาตรฐานในขณะที่ลดการใช้พลังงานในการเติมอากาศให้เหลือน้อยที่สุด บรรลุการดำเนินการตามกระบวนการที่มีประสิทธิภาพและประหยัด