Dans le processus de traitement biologique des eaux usées, le bassin d’aération constitue l’unité de réaction centrale. Sa fonction principale est de transférer l'oxygène à la liqueur mélangée via un équipement d'aération pour répondre aux besoins du métabolisme microbien et de la dégradation des polluants. La demande en oxygène (demande en O₂) fait référence à l'oxygène total requis par les micro-organismes pour dégrader la matière organique et oxyder l'azote ammoniacal, tandis que le taux d'aération est le débit réel de l'équipement d'aération calculé en fonction de la demande en oxygène et de paramètres tels que l'efficacité du transfert d'oxygène. Un calcul précis de la demande en oxygène et du taux d'aération garantit non seulement l'efficacité du traitement des eaux usées, mais optimise également la consommation d'énergie et réduit les coûts d'exploitation. Cet article détaillera la logique de calcul, les formules de base et les principaux facteurs d'influence de ces deux paramètres, fournissant ainsi une référence pour la conception technique et les ajustements opérationnels.
I. Calcul de la demande en oxygène (O₂ₙₑₑₙₑₙₜ)
Le calcul de la demande en oxygène est basé sur des réactions métaboliques microbiennes, englobant la demande en oxygène de carbonisation (dégradation de la matière organique) et la demande en oxygène de nitrification (oxydation de l'azote ammoniacal). Cela nécessite également de déduire l'oxygène consommé par l'atténuation respiratoire endogène et l'oxygène emporté par l'oxygène dissous dans l'effluent, ce qui donne finalement la demande totale réelle en oxygène requise.
1. Base de calcul et formule de base
Le calcul de la demande en oxygène (DO) est basé sur des paramètres clés tels que la qualité de l'eau d'entrée (DBO₅, DCO, NH₄⁺-N), l'efficacité du traitement et la concentration des boues. La formule de base est la suivante :
Demande totale en oxygène (O₂ₜₒₜₐₗ)=Demande en oxygène de carbonisation (O₂₍ₙ₎) + Demande en oxygène de nitrification (O₂₍ₙᵢₜ₎) - Demande endogène en oxygène par respiration (O₂₍ₑₙₐₐ₎) - Oxygène emporté par DO dans l'effluent (O₂₍ₒᵤₜ₎)
(1) Demande en oxygène de carbonatation (O₂₍ₙ₎)
La demande en oxygène de carbonatation est la quantité d'oxygène requise pour la dégradation microbienne de la matière organique biodégradable. En utilisant la DBO₅ comme indicateur principal, la formule de calcul est la suivante :
O₂₍ₙ₎ = a' × Q × (Sᵢₙ - Sₒᵤₜ) - b' × V × X
Explication des paramètres dans la formule :
1a' : Coefficient de demande en oxygène pour la dégradation de la matière organique (kg O₂/kg) DBO₅ : Pour les eaux usées domestiques conventionnelles, a' est compris entre 0,42 et 0,53 ; pour les eaux usées industrielles, la valeur doit être ajustée en fonction de la biodégradabilité (valeur plus élevée pour une biodégradabilité faible, valeur inférieure pour une bonne biodégradabilité) ;
1Q : Volume de traitement (m³/j) ;
1Sᵢₙ,Sₒᵤₜ : Concentrations de DBO₅ dans l'influent et l'effluent (kg/m³, c'est-à-dire g/L) ;
1b' : coefficient de consommation d'oxygène de respiration endogène des boues (kg O₂/(kg MLSS·d)), pour les eaux usées domestiques, b' est pris comme 0,10 ~ 0,15 ;
1V : Volume effectif du bassin d'aération (m³) ;
1X : Concentration de matières en suspension dans la liqueur mixte dans le bassin d'aération (MLSS, kg/m³).
Remarque : Si la DCO est utilisée comme indicateur de calcul, la DCO doit d'abord être convertie en DBO₅ (pour les eaux usées domestiques conventionnelles, DBO₅/DCO≈0,5 ; pour les eaux usées industrielles, une mesure réelle est requise).
(2) Demande en oxygène de nitrification (O₂₍ₙᵢₜ₎)
Si le processus nécessite une nitrification (oxydation de l’azote ammoniacal en azote nitrate), la demande en oxygène de la nitrification doit être calculée séparément. La formule est :
O₂₍ₙᵢₜ₎=4.57 × Q × (NH₄⁺-Nᵢₙ - NH₄⁺-Nₒᵤₜ) - 0.12 × Q × (NO₃⁻-Nₒᵤₜ - NON₃⁻-Nᵢₙ)
Explication des paramètres dans la formule :
14.57 : Coefficient de demande théorique en oxygène pour l'oxydation de l'azote ammoniacal en azote nitrate (kg O₂/kg) NH₄⁺-N) ;
10.12 : Coefficient de compensation de la consommation d'oxygène pour la dénitrification des nitrates (cela peut être ignoré s'il n'y a pas de dénitrification) ;
1NH₄⁺-Nᵢₙ, NH₄⁺-Nₒᵤₜ : Concentration d'azote ammoniacal dans l'influent et l'effluent (kg/m³) ;
1NO₃⁻-Nᵢₙ, NO₃⁻-Nₒᵤₜ : Concentration d'azote nitrique dans l'influent et l'effluent (kg/m³).
(3) Consommation d'oxygène provenant de la respiration endogène et du transfert d'oxygène par l'OD dans les effluents
La consommation d'oxygène provenant de la respiration endogène est déjà reflétée dans la formule de demande en oxygène par carbonatation via le paramètre b' et n'a pas besoin d'être calculée à nouveau ; la formule de calcul du transfert d'oxygène par l'OD dans les effluents est :
O₂₍ₒᵤₜ₎=8.33 × Q × (DOₒᵤₜ - DOᵢₙ)
Où : 8,33 est le facteur de conversion de la densité d'oxygène (kg O₂/(m³·mg/L)), DOᵢₙ et DOₒᵤₜ sont les concentrations d'oxygène dissous de l'influent et de l'effluent (mg/L), respectivement. Dans les cas normaux, le DO dans l'affluent peut être ignoré (pris comme 0) et le DO dans l'effluent est contrôlé à 2 ~ 3 mg/L.
2. Exemple de calcul de la demande en oxygène (DO) Étant donné une station d'épuration des eaux usées domestiques avec une capacité de traitement de Q=1000 m³/d, un volume effectif du réservoir d'aération de V=300 m³, DBO₅ dans l'influent=200 mg/L, DBO₅ dans l'effluent=20 mg/L, MLSS=3000 mg/L, NH₄⁺ dans l'influent-N=30 mg/L, effluent NH₄⁺-N=1 mg/L et effluent DO=2 mg/L, prendre a'=0.5 et b'=0.12.
(1) Demande en oxygène de carbonatation : O₂₍ₙ₎=0.5 × 1000 × (0.2 - 0.02) - 0.12 × 300 × 3=90 - 108=-18 (Une valeur négative indique que la demande en oxygène de la respiration endogène est supérieure à la demande en oxygène de carbonatation, nous prenons donc 0) ;
(2) Demande en oxygène de nitrification : O₂₍ₙᵢₜ₎=4.57 × 1 000 × (0.03 - 0.001)=4.57 × 29 ≈ 132,53 kg O₂/j ;
(3) Oxygène emporté par l'OD dans l'effluent : O₂₍ₒᵤₜ₎=8.33 × 1000 × (2 - 0)=16.66 kg O₂/j ;
(4) Demande totale en oxygène : O₂ₜₒₜₐₗ=0 + 132.53 - 16.66≈115,87 kg O₂/j.
II. Calcul du volume d'aération (Gₛ)
Le volume d'aération fait référence à la quantité d'air que l'équipement d'aération doit injecter dans le réservoir d'aération. Elle doit être calculée sur la base de la demande totale en oxygène, combinée à des paramètres tels que l’efficacité du transfert d’oxygène et la teneur en oxygène de l’air. Les corrections du transfert d'oxygène dues à des facteurs tels que la température de l'eau et la pression de l'air doivent également être prises en compte.
1. Logique et formule de calcul de base
La teneur en oxygène de l'air est d'environ 21 % (fraction massique). L'efficacité de transfert d'oxygène (Eₚ) fait référence à la proportion d'oxygène réellement transférée de l'air à la liqueur mélangée. Le taux d'aération est calculé à l'aide de la formule suivante :
Taux d'aération réel (Gₛ)=Demande totale en oxygène (O₂ₜₒₜₐₗ) / (Teneur en oxygène de l'air × Efficacité de transfert d'oxygène × Facteur de correction)
Formule de décomposition spécifique :
Gₛ = O₂ₜₒₜₐₗ × 1000 / (0.21 × 1.205 × Eₚ × Kₜ × ... Kₚ)
Explication des paramètres dans la formule :
10.21 : Fraction volumique d'oxygène dans l'air (%) ;
11.205 : Densité de l'air (kg/m³, dans des conditions standard, 20 degrés, 1 atm) ;
1Eₚ : Efficacité de transfert d'oxygène (%), Eₚ varie considérablement en fonction de l'équipement d'aération : aération par soufflante (aérateur microporeux) Eₚ=15%~25%, aération de surface (aérateur à turbine) Eₚ=8% ~15 % ;
1Kₜ : Facteur de correction de la température de l'eau, Kₜ=1.024^(T-20), où T est la température réelle de l'eau dans le réservoir d'aération (degré). À mesure que la température de l'eau augmente, la solubilité de l'oxygène diminue et Kₜ augmente.
1Kₚ : Facteur de correction de la pression du gaz, Kₚ=P/1,013, où P est la pression atmosphérique locale (atm). À mesure que la pression atmosphérique augmente, la solubilité de l’oxygène augmente et Kₚ augmente.
11000 : Facteur de conversion d'unité (convertit kg O₂ en g O₂).
2. Exemple de calcul du taux d'aération (en suivant l'exemple de demande en oxygène ci-dessus) Étant donné une demande totale en oxygène O₂ₜₒₜₐₗ=115.87kg O₂/j, en utilisant des aérateurs microporeux, Eₚ=20%, la température de l'eau du réservoir d'aération T=25 degré et la pression atmosphérique locale P=1.0atm.
(1) Calculez le facteur de correction : Kₜ=1.024^(25-20)=1.024⁵≈1,127, Kₚ=1.0/1,013≈0,987 ;
(2) Calculez le taux d'aération : 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/j ? Le calcul ici est incorrect et doit être corrigé comme suit :
Recalculer (unités cohérentes) : O₂ₜₒₜₐₗ=115.87 kg/j=115870 g/j ;
Dénominateur : 0,21 (fraction volumique d'oxygène) × 1,205 (densité de l'air 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 Air ;
Par conséquent, Gₛ=115.87 kg/j / 0,056 kg O₂/m³ d'air ≈ 2069 m³/j (environ 86.2 m³/h).
III. Facteurs d’influence clés et ajustements d’optimisation
1. Facteurs de qualité de l'eau
La concentration de matière organique influente (DBO₅, DCO) et d'azote ammoniacal détermine directement la demande en oxygène : plus la concentration est élevée, plus la demande en oxygène est élevée et le taux d'aération doit être augmenté en conséquence ; si les eaux usées industrielles contiennent des matières organiques récalcitrantes ou des substances toxiques, elles inhiberont l'activité microbienne, nécessitant une augmentation appropriée du taux d'aération (augmentation de la concentration d'OD pour atténuer l'inhibition de la toxicité).
2. Paramètres de fonctionnement
Une concentration excessivement élevée de MLSS augmentera la consommation d'oxygène respiratoire endogène et réduira l'efficacité du transfert d'oxygène (augmentation de la viscosité de la liqueur mélangée), nécessitant un équilibre entre le MLSS et le taux d'aération ; Le temps de rétention des boues (SRT) affecte l'efficacité de la nitrification, le processus de nitrification doit contrôler le SRT supérieur ou égal à 10 jours (20 degrés) et correspondre à une demande suffisante en oxygène de nitrification.
3. Facteurs environnementaux
L'augmentation de la température de l'eau réduit la solubilité de l'oxygène et diminue l'efficacité du transfert d'oxygène, nécessitant une aération accrue. Une diminution de la pression atmosphérique (par exemple, dans les zones de haute -altitude) réduit encore davantage la solubilité de l'oxygène, nécessitant une aération accrue pour compenser. Le pH de la liqueur mélangée affecte la nitrification (pH optimal=7.5~8,5) ; Un pH anormal nécessite de prioriser les ajustements de la qualité de l’eau avant d’optimiser l’aération.
4. Sélection de l'équipement d'aération
Différents types d’équipements d’aération offrent des efficacités de transfert d’oxygène très différentes. Les aérateurs microporeux ont la plus grande efficacité de transfert d'oxygène et conviennent aux grands réservoirs d'aération. Les aérateurs de surface sont faciles à installer et adaptés aux petites stations d’épuration. Lors de la sélection de l'équipement, il est essentiel de prendre en compte la demande en oxygène et le type de réservoir, en donnant la priorité aux équipements à haute-efficacité et à faible-consommation d'énergie-pour réduire le volume d'aération et les coûts d'exploitation.
IV. Précautions de calcul
1. Valeurs précises des paramètres : les coefficients tels que a', b' et Eₚ doivent être ajustés en fonction du type d'eaux usées (eaux usées domestiques/eaux usées industrielles), du modèle d'équipement d'aération et des données mesurées pour éviter les écarts de calcul causés par l'application directe de valeurs empiriques.
2. La cohérence des unités est la clé : avant le calcul, toutes les unités de paramètres doivent être cohérentes (par exemple, mg/L en kg/m³, m³/j en m³/h) pour éviter toute confusion d'unité conduisant à des erreurs.
3. Marge de conception : dans les projets réels, un facteur de sécurité de 1,1 à 1,2 doit être multiplié par le taux d'aération calculé pour remédier à la diminution de l'efficacité du transfert d'oxygène causée par des facteurs tels que les fluctuations de la qualité de l'eau et le vieillissement des équipements.
4. Ajustements basés sur le fonctionnement réel : Les valeurs calculées sont des valeurs théoriques. En fonctionnement réel, le taux d'aération doit être ajusté dynamiquement en fonction de la concentration de DO de la liqueur mélangée (contrôlée à 2~3 mg/L) et de la qualité de l'effluent (DBO₅, NH₄⁺-N) pour atteindre un équilibre entre efficacité et consommation d'énergie.
V.Conclusion
Le calcul de la demande en oxygène et du taux d'aération dans un bassin d'aération est un aspect essentiel de la conception technique du traitement des eaux usées et de l'optimisation de son fonctionnement. Essentiellement, il s'agit de quantifier les besoins métaboliques des micro-organismes et l'efficacité du transfert d'oxygène pour obtenir un « approvisionnement en oxygène à la demande ». Les calculs de la demande en oxygène doivent respecter étroitement les paramètres de qualité de l'eau et les schémas métaboliques microbiens, tandis que les calculs du taux d'aération doivent être ajustés en fonction des performances de l'équipement et des facteurs environnementaux. Dans les applications pratiques, un cadre de base doit être établi au moyen de calculs théoriques, suivis d'ajustements dynamiques basés sur les données mesurées. Cela garantit que les résultats du traitement des eaux usées répondent aux normes tout en minimisant la consommation d'énergie d'aération, permettant ainsi un fonctionnement efficace et économique du processus.