تقنية التهوية هي العملية الهندسية لنقل الأكسجين إلى مياه الصرف الصحي لدعم المعالجة البيولوجية والحفاظ على استقرار العملية.
في أنظمة الحمأة المنشطة، يتم توفير التهوية الأكسجين المذاب (افعل) للكائنات الحية الدقيقة التي تزيل BOD و COD والأمونيا. كما أنه يضمن الخلط الكامل، ويمنع ترسب الحمأة والمناطق اللاهوائية.
في معظم محطات المعالجة البلدية والصناعية، تستهلك التهوية 40-60% من إجمالي استخدام الطاقة مما يجعلها أكبر مركز تكلفة تشغيلية.
تؤدي التهوية ثلاث وظائف متزامنة:
• نقل الأكسجين – الإمدادات DO (يتم الاحتفاظ بها عادةً عند 1.5-3.0 مجم / لتر)
• خلط – يحافظ على تعليق الكتلة الحيوية (MLSS عادة 2000-4000 ملغم / لتر)
• استقرار العملية – يمنع حالات الإنتان وتكوين الرائحة
وبدون كمية كافية من الأكسجين، لا تستطيع البكتيريا الهوائية أكسدة المواد العضوية بكفاءة. أقل من 0.5 ملغم/لتر D O، ينخفض أداء النترجة بشكل حاد.
لتصميم الأنظمة أو مقارنتها، يستخدم المهندسون معلمات قابلة للقياس الكمي:
OTR (معدل نقل الأكسجين)
كتلة الأكسجين المنقولة في الساعة (كجم O₂/ساعة).
سوتي (كفاءة نقل الأكسجين القياسية)
نسبة الأكسجين المنقول في الظروف القياسية (ماء نظيف، 20 درجة مئوية).
عامل ألفا (α)
عامل التصحيح يمثل ظروف مياه الصرف الصحي مقابل المياه النظيفة.
النطاق النموذجي: 0.6-0.85.
نطاقات الأداء النموذجية:
| المعلمة | ناشر فقاعات ناعم | فقاعة الخشنة | مهوية السطح |
|---|---|---|---|
| SOTE | 25-35% | 8-15% | 10-20% |
| كفاءة الطاقة (كجم O₂/كيلوواط ساعة) | 2.5-6.5 | 1.2-2.5 | 1.5-3.0 |
| عمق الخزان النموذجي | 4-8 م | 3-6 م | 2-4 م |
توفر أنظمة الفقاعات الدقيقة 2-3× كفاءة أكسجين أعلى من أنظمة الفقاعات الخشنة.
ونظرًا لأن الطلب على الأكسجين مستمر، فحتى مكاسب الكفاءة الصغيرة تتضاعف بشكل كبير.
مثال:
محطة بقدرة 10,000 متر مكعب/يوم تتطلب 1,800 كجم أكسجين/يوم
تحسين الكفاءة بنسبة 15%
→ يمكن أن تقلل من استهلاك الكهرباء السنوي بمقدار 50,000-120,000 كيلوواط ساعة
وبمعدلات الكهرباء الصناعية، يؤثر هذا بشكل مباشر على تكلفة دورة الحياة أكثر من النفقات الرأسمالية للمعدات.
الاستنتاج: التهوية ليست مجرد خطوة عملية. إنها العمود الفقري للطاقة في معالجة مياه الصرف الصحي البيولوجية.
تحدد التهوية سرعة التفاعل البيولوجي، واستقرار الحمأة، واستهلاك الطاقة النباتية.
في أنظمة الحمأة المنشطة، يتحكم توفر الأكسجين بشكل مباشر في إزالة BOD وأداء النترجة.
وبدون التحكم في التهوية، تنخفض قدرة المعالجة وتصبح جودة النفايات السائلة غير مستقرة.
تستخدم الكائنات الحية الدقيقة الهوائية الأكسجين المذاب (DO) لأكسدة المواد العضوية.
الطلب النموذجي للأكسجين:
• إزالة 1 كجم من BOD ← 1.1-1.5 كجم من O₂
• 1 كجم NH₄⁺-N نتروجين → 4.57 كجم O₂
في النباتات المتقدمة، غالبا ما تمثل النترجة 60-70% من إجمالي الطلب على الأكسجين .
إذا انخفض مستوى الأكسجين في الدم إلى أقل من 1.0 ملغم/لتر:
ويتبع ذلك النمو البيولوجي حركية مونود ، الذي يصف كيف يحد تركيز الركيزة أو الأكسجين من سرعة التفاعل.
معدل النمو ∝ DO / (Ks DO)
أين:
عندما يزيد:
• أقل من 0.5 ملغم/لتر ← يحد الأكسجين من سرعة التفاعل
• بين 1.5-3.0 ملغم/لتر ← نطاق التشغيل الأمثل
• أعلى من 3.0 ملغم/لتر ← الحد الأدنى من زيادة الأداء ولكن تكلفة طاقة أعلى
وهذا ما يفسر سبب استهداف معظم محطات المعالجة 1.5-3.0 ملغم/لتر .
يؤدي انخفاض الأكسجين إلى مخاطر تشغيلية قابلة للقياس:
• قم بإجراء < 0.5 ملغم/لتر ← انهيار النترجة
• ORP < –100 مللي فولت ← الظروف اللاهوائية
• زيادة احتمالية تضخيم الحمأة
• طفرات NH₄-N السائلة
حتى أن انقطاع الأكسجين لمدة ساعة أو ساعتين يمكن أن يؤدي إلى زعزعة استقرار الأنظمة الصناعية ذات الأحمال العالية.
تهوية عادة ما تكون مسؤولة عن:
• 40-60% من إجمالي استهلاك المحطة من الكهرباء
• ما يصل إلى 70% في أنظمة النترجة المكثفة
سيناريو المثال:
قدرة المصنع: 20,000 م3/يوم
الطلب على الأكسجين: 2500 كجم/يوم
تحسين كفاءة نقل الأكسجين من 2.0 إلى 3.5 كجم O₂/كيلووات ساعة
← التوفير السنوي: 200,000 كيلووات ساعة
تتحول مكاسب الكفاءة الصغيرة إلى تخفيضات كبيرة في النفقات التشغيلية على المدى الطويل.
التهوية ليست مجرد "إضافة الهواء".
وهو التوازن بين:
• الطلب على الأوكسجين
• استهلاك الطاقة
• متطلبات الخلط
• خصائص الحمأة
يضمن تصميم التهوية الصحيح استقرار العلاج وتحسين تكلفة دورة الحياة.
يتم تصنيف تقنيات التهوية حسب كيفية انتقال الأكسجين إلى الماء: أنظمة الهواء المنتشر، والتهوية الميكانيكية، والتهوية النفاثة.
تختلف كل تقنية من حيث كفاءة نقل الأكسجين، وملاءمة العمق، والتكلفة الرأسمالية، وأداء الطاقة.
يمكن أن يؤدي تحديد النوع الخاطئ إلى زيادة تكلفة دورة الحياة بنسبة 20-40%.
تستخدم التهوية المنتشرة المنافيخ والناشرات المغمورة لإطلاق الهواء على شكل فقاعات.
إنها التكنولوجيا السائدة في النباتات البلدية الحديثة.
يتم دفع الهواء من خلال ناشرات غشائية أو سيراميكية. تخلق الفقاعات الصغيرة مساحة سطح أكبر ووقت اتصال أطول.
• قطر الفقاعة الدقيقة: 1-3 ملم
• قطر الفقاعة الخشنة: 4-10 ملم
• العمق الأمثل للخزان: 4-8 م
• SOTE (فقاعة دقيقة): 25-35%
• كفاءة الطاقة: ما يصل إلى 6.5 كجم O₂/كيلوواط ساعة
توفر أنظمة الفقاعات الدقيقة 2-3× كفاءة أكسجين أعلى من أنظمة الفقاعات الخشنة.
• الحمأة البلدية المنشطة
• المفاعلات البيولوجية الصناعية
• خزانات للتهوية العميقة
• محطات موفرة للطاقة
تقوم المهويات الميكانيكية بنقل الأكسجين عن طريق تحريك سطح الماء.
إنهم يعتمدون على الاضطراب بدلاً من الانتشار الدقيق للفقاعات.
تقوم المكره أو الدوار بإلقاء الماء في الهواء، مما يزيد من الاتصال بين الهواء والماء.
• كفاءة الأكسجين: 1.5-3.0 كجم O₂/كيلوواط ساعة
• العمق الفعال: 2-4 م
• قوة الخلط : عالية
• التثبيت: بسيط
• خنادق الأكسدة
• بحيرات
• المشاريع التحديثية
• المرافق تعطي الأولوية للبساطة على الكفاءة
عادةً ما تكون الأنظمة الميكانيكية أقل كفاءة في استخدام الطاقة من أنظمة الفقاعات الدقيقة ولكن من الأسهل صيانتها.
تستخدم التهوية النفاثة نفاثات سائلة عالية السرعة لسحب الهواء وخلطه مع الماء.
تخلق المضخة ضغطًا سلبيًا، حيث تسحب الهواء إلى تيار الماء من خلال فوهة فنتوري.
• القدرة على العمق: ما يصل إلى 10 م
• كفاءة الأكسجين: 2.0-4.0 كجم O₂/كيلوواط ساعة
• خلط ممتاز
• مناسبة لمياه الصرف الصحي ذات الأحمال العالية
• مياه الصرف الصناعي
• تطبيقات المواد الصلبة العالية
• خزانات المعادلة
• المفاعلات العميقة
تعمل الأنظمة النفاثة على موازنة قوة الخلط وكفاءة الأكسجين.
| التكنولوجيا | كفاءة الأكسجين (كجم O₂/كيلووات ساعة) | العمق النموذجي | رتبة الطاقة | خلط Strength | مستوى النفقات الرأسمالية |
|---|---|---|---|---|---|
| ناشر فقاعات ناعم | 2.5-6.5 | 4-8 م | عالية | معتدل | متوسط |
| فقاعة الخشنة | 1.2-2.5 | 3-6 م | منخفض | عالية | منخفض |
| السطح الميكانيكي | 1.5-3.0 | 2-4 م | متوسط | عالية جدًا | متوسط |
| التهوية النفاثة | 2.0-4.0 | 4-10 م | متوسط–High | عالية | متوسط–High |
تهيمن أنظمة الفقاعات الدقيقة على النباتات الحساسة للطاقة.
تهيمن الأنظمة الميكانيكية على التركيبات التي تعتمد على البساطة.
تهيمن الأنظمة النفاثة على البيئات الصناعية كثيفة الخلط.
يعتمد الاختيار على:
• معدل نقل الأكسجين المطلوب (كجم O₂/ساعة)
• هندسة الخزان وعمقه
• تركيز MLSS
• تكلفة الطاقة لكل كيلووات ساعة
• إمكانية الوصول إلى الصيانة
القاعدة الأساسية:
إذا كان تحسين الطاقة هو الأولوية ← ناشرات الفقاعات الدقيقة.
إذا كانت قوة الخلط هي الأولوية → الأنظمة الميكانيكية أو النفاثة.
إذا كان عمق الخزان أكبر من 6 أمتار → يفضل الأنظمة المنتشرة أو النفاثة.
يركز Nihaowater في المقام الأول على أنظمة تهوية تعتمد على الناشر ، الأمثل لـ:
• توزيع الهواء بشكل موحد
• أداء عالي لـ SOTE
• مواد صناعية متينة
• تصميم تخطيط تدفق الهواء المخصص
لا يقتصر التركيز على إمداد الناشر فحسب، بل على تحسين كفاءة الأكسجين على مستوى النظام.
يخضع تصميم نظام التهوية لمعايير قابلة للقياس تضمن نقل الأكسجين بشكل كافٍ، والخلط الأمثل، وكفاءة الطاقة.
يؤدي التصميم السيئ إلى زيادة النفقات التشغيلية بنسبة 20-40% ويمكن أن يؤثر على أداء العلاج.
التعريف: OTR هي كتلة الأكسجين المنقولة إلى الماء لكل وحدة زمنية (كجم O₂/ساعة).
الصيغة (المبسطة):
OTR = Q_air × C_sat × α × β
أين:
هدف التصميم النموذجي:
التعريف: جزء الأكسجين المنقول فعليًا إلى الماء في ظل الظروف القياسية (ماء نظيف، 20 درجة مئوية).
| نوع الناشر | سوت (٪) |
|---|---|
| فقاعة الجميلة | 25-35 |
| فقاعة الخشنة | 8-15 |
| السطح الميكانيكي | 10-20 |
| التهوية النفاثة | 15-25 |
يتم استخدام SOTE مع OTR لحساب قدرة المنفاخ واستهلاك الطاقة .
التعريف: حجم الهواء المزود لكل وحدة زمنية (Nm³/h).
اعتبارات التصميم:
القاعدة الأساسية:
المعلمة المرئية: مسار ارتفاع الفقاعة مقابل كفاءة الأكسجين المذاب.
| التكنولوجيا | الكفاءة النموذجية |
|---|---|
| ناشر فقاعات ناعم | 2.5-6.5 |
| فقاعة الخشنة | 1.2-2.5 |
| السطح الميكانيكي | 1.5-3.0 |
| التهوية النفاثة | 2.0-4.0 |
التحسين:
الوجبات الجاهزة الرئيسية: يرتبط حجم المنفاخ بشكل مباشر بالطلب على الأكسجين، وهندسة الخزان، وأداء الناشر.
الاستنتاج: يدمج نظام التهوية المصمم جيدًا كل هذه المعلمات لتحقيق معالجة مستقرة، وتوحيد الأكسجين المذاب، والحد الأدنى من استهلاك الطاقة.
تعتبر تكنولوجيا التهوية ضرورية في معالجة مياه الصرف الصحي البلدية والصناعية، وتربية الأحياء المائية، وإدارة المياه المعالجة.
فهو يوفر الأكسجين للمعالجة البيولوجية، ويمنع المناطق اللاهوائية، ويضمن استقرار العملية عبر التطبيقات المتنوعة.
مثال الحالة:
محطة بلدية متوسطة الحجم بطاقة 20.000 م3/يوم
| الصناعة | مياه الصرف الصحي النموذجية | تقنية التهوية | الطلب على الأكسجين (كجم O₂/يوم) | MLSS (ملغم/لتر) |
|---|---|---|---|---|
| الأطعمة والمشروبات | عالية BOD, low solids | فقاعة غرامة / جيت | 2000-10000 | 3000-4000 |
| النسيج | اللون، COD ثقيل | فقاعة غرامة / جيت | 1500-8000 | 2500-3500 |
| الصيدلانية | عالية COD/NH₄⁺ | جيت / فقاعة الجميلة | 1000-5000 | 3000-4500 |
| اللب والورق | عالية solids & BOD | طائرة / ميكانيكية | 5000-20000 | 4000-5000 |
الملاحظة:
أنظمة التهوية كثيفة الاستهلاك للطاقة وبالغة الأهمية من الناحية الفنية. يمكن أن تؤدي المشكلات التشغيلية الشائعة إلى تقليل كفاءة نقل الأكسجين، وزيادة تكاليف الطاقة، والإضرار بجودة النفايات السائلة.
يعد تحديد هذه المشكلات وتصحيحها أمرًا ضروريًا للعلاج البيولوجي المستقر.
| مشكلة | المؤشرات / العتبات | السبب المحتمل | الحل الموصى به |
|---|---|---|---|
| منخفض Dissolved Oxygen | قم بإجراء < 1.0 مجم / لتر في خزان التهوية | انسداد الناشر، ضعف أداء المنفاخ، تدفق الهواء غير المتكافئ | نظف الناشرات، وتحقق من خرج المنفاخ، وأعد توازن توزيع الهواء |
| قاذورات الناشر | انخفاض الضغط > 10-15% أو انسداد واضح | الأغشية الحيوية، التحجيم، الحطام | الغسيل العكسي المنتظم، التنظيف الكيميائي، تركيب المصافي |
| خلط غير متساو | تدرج MLSS > 10-15% عبر الخزان | تصميم ناشر سيء، خزان ضحل، تدفق هواء منخفض | اضبط تصميم الناشر، وقم بزيادة تدفق الهواء، وفكر في الخلاطات الميكانيكية |
| الاستخدام المفرط للطاقة | كيلووات ساعة/كجم O₂> هدف التصميم | الإفراط في التهوية، وسرعة النفخ العالية، والناشر غير الفعال | تحسين تدفق الهواء، وتركيب نظام التحكم VFD، وترقية أجهزة النشر |
| فشل النترجة | NH₄⁺-N > 2 ملغم/لتر من النفايات السائلة | DO < 1.5 مجم/لتر، قصر الدائرة، الحمل العالي | زيادة DO، وتحسين الخلط، وموازنة الحمل الهيدروليكي |
| الحمأة يستكثر | SVI > 150 مل/جم | النمو الخيطي، وانخفاض DO | حافظ على DO ≥ 1.5 مجم/لتر، وراقب توازن العناصر الغذائية، وفكر في المناطق المحددة |
| الضوضاء / الاهتزاز | > 80 ديسيبل بالقرب من معدات التهوية | عدم التوازن الميكانيكي، والتجويف | فحص الأجزاء الدوارة، والحفاظ على المحامل، والتركيب المناسب |
| المعلمة | النطاق الأمثل | ملاحظات |
|---|---|---|
| DO | 1.5-3.0 mg/L | يحافظ على النشاط البيولوجي دون هدر الطاقة |
| MLSS | 2000-4500 ملغم/لتر | يضمن تركيز الكتلة الحيوية الكافية |
| SVI (مؤشر حجم الحمأة) | 80-120 مل/جم | يتنبأ بجودة التسوية |
| ضغط المنفاخ | حسب مواصفات الناشر | يمنع الإفراط/تحت التهوية |
| توزيع تدفق الهواء | ± 10% التوحيد | ضروري لتوصيل الأكسجين على مستوى الخزان |
تكنولوجيا التهوية هي العمود الفقري للمعالجة البيولوجية الفعالة لمياه الصرف الصحي.
فهو يتحكم في إمداد الأكسجين، والخلط، واستهلاك الطاقة، مما يؤثر بشكل مباشر على إزالة BOD/COD، والنترجة، واستقرار الحمأة.
نقل الأكسجين: ناشرات الفقاعات الدقيقة achieve 25–35% SOTE; oxygen demand must match biological load.
هل التحكم: الحفاظ على 1.5-3.0 ملغم/لتر للحركية الميكروبية المثالية؛ أقل من 0.5 ملغم / لتر يخاطر بانهيار النترجة.
كفاءة الطاقة: تمثل التهوية 40-60% من كهرباء المحطة؛ يمكن أن يؤدي تحسين تخطيط OTR والناشر إلى تقليل الاستهلاك بنسبة 15-35%.
اختيار النظام:
معلمات التصميم: إن عمق الخزان، وMLSS، وتدفق الهواء، وOTR، وSOTE، وعامل ألفا، والتحكم في المنفاخ مترابطة لتحسين الأداء.
المراقبة التشغيلية: يعد DO وMLSS وSVI وتوحيد تدفق الهواء أمرًا بالغ الأهمية للكشف المبكر عن المشكلة.