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2.1.7曝气池的需氧量与供氧量
1、曝气池的需氧量
需氧量是指废水实际取得的氧量。吸氧与供氧之间存在着一个转移效率问题。所供给的氧量仅有一部分被混合液吸收。曝气池中的好氧微生物为了完成有机物的降解转化作用，必须有足够量的溶解氧的参与，其需氧量有两种计算方法：
⑴将好氧微生物所需的氧量分为两部分，即微生物对有机物质进行分解代谢和微生物本身的内源呼吸过程所需要的氧，这两部分需氧量之和即为生物处理所需的氧量：
⑵从污水中的BOD5和每日排放的剩余污泥量来进行估算。假设所去除的BOD5最后都转变成最终产物，总需氧量可由BODu来计算(BODu是总碳氧化需氧量)，由于部分BOD5转变为剩余污泥中的新细胞，所以剩余污泥中的BODu必须从总需氧量中扣除，需氧量公式为：
当生物处理去除含碳有机物时，需氧量以上述两种方法计算即可，而当生物处理既要求去除含碳有机物又要求除氮时，需氧量应加上除氮所需的氧量。
2、曝气池的供氧量
单位时间内曝气设备供给曝气池混合液的氧量称为供氧量。供氧量只有一部分直接转移到废水中去，称为吸氧量。在曝气池中，氧是通过空气在混合液中扩散转移到水中，成为溶解氧后，才被微生物细胞利用。
⑴氧转移的基本原理
根据气体传递双膜理论，可以计算出曝气池内清水中气泡内的氧转移到水中的速率，通过曝气，空气中的氧从气相传递到混合液的液相中，这既是一个传质过程，又是一个物质扩散过程，扩散的推动力是氧在界面两侧的浓度差，即氧的不足量或饱和差，饱和差越大，氧转移速率就越大。
⑵影响氧转移的因素
在供氧量和吸氧量之间存在着转移效率。废水实际所吸收的氧量有多种影响因素：
①水温
水温不仅会影响饱和溶解氧的浓度，而且还影响流体的黏滞度，从而影响氧的总转移系数 ，
式中 是温度为T℃时氧的总转移系数， 是温度为20℃时氧的总转移系数， 为温度系数，其取值范围为1.008～1.047，一般取值1.024。
②溶液的性质及其所含组分对氧的溶解度和氧的转移都有直接的影响，如污水中的表面活性剂等有机组分及无机组分都会影响氧的饱和溶解度。
③分压力对氧的饱和溶解度有一定的影响，当氧的分压力降低时，氧的饱和溶解度也降低，在压力不是标准大气压的地区，应使用修正系数 进行修正。
④曝气装置的搅拌混合强度对氧的总转移系数 有影响，强的混合程度不但会使液膜的厚度减小从而使氧的总转移系数增大而且还使气泡直径减小，增加了气液交界的面积，有利于氧的转移，所以搅拌混合强度越大， 越大。
⑤水深对溶解氧浓度的影响
在鼓风曝气池内，增加扩散器的装设浓度，形成的气泡中氧的分压力增大，所以氧的饱和溶解度亦增大，安装在池底的空气扩散装置出口处的氧分压最大，因此氧的饱和溶解浓度也最大。曝气池中的饱和溶解氧浓度应该是扩散装置出口处和混合液表面两处的饱和溶解氧浓度的平均值。
⑶供氧量计算
实际曝气池中的氧转移量的计算法有以下几种：
①氧转移量法
供氧量的计算是为了让我们更好地选择和设计合适的曝气系统，以满足生化反应的需氧量，但为了产品的适应面，生产厂家提供的空气扩散装置的氧传递参数是在标准条件下测定的，所谓标准条件是指一个大气压和20℃的脱氧清水中测定试验。在实际应用中，曝气装置在混合液中的氧的总转移系数，均与在清水中不同，应该用公式将实际传氧速率换算成标准传氧速率。
供氧量S=0.28GS，
而供气量 其中 是曝气器的氧利用率，用公式 计算。
②经验数据法
根据国内污水厂的运行经验，当曝气池水深为2.5～3.5m时，去除1kgBOD5所需的供氧量为：
穿孔管曝气时：80～140m3(空气)/kg(BOD5)
扩散板曝气时：40～70m3(空气)/kg(BOD5)
③空气利用率计算法
1 m3空气中含氧209.4L，在100kPa的压力和温度为0℃时及20℃时，1m3空气质量分别为1294g和1221g，含氧量分别为300g和280g。按去除1kg的BOD5需氧1kg计算，需空气量分别为3.33 m3和3.57 m3，气泡曝气时氧的利用率一般为5%～10%，(穿孔管取低值，扩散板取高值)，因此当氧的利用率为5%，去除1kg的BOD5需空气72 m3(20℃)，当氧的利用率为10%时，供空气量为36m3(20℃)。
例题2：某漂染废水处理站，有两座完全混合式曝气池，每座容积为350 m3，污泥质量浓度为4000mg/L。处理废水量为5000 m3/d，最大时变化系数为1.3。进水平均BOD5为250 mg/L，水温为30℃，要求BOD5去除90%，求需氧量。
解：
根据教材136页需氧量计算公式取 =0.6， =0.07，
根据题意，需要去除BOD5的量为：5000×0.25×90%=1125kg/d
则每座池子去除的BOD5量为562.5kg，
根据需氧量公式计算每座池子平均需氧量为：
(kg/h)
例题3：某城镇污水量Q为10000 m3/d，进水BOD5 为150 mg/L，要求去除率为90%，有关设计参数为： =2000 mg/L，C=2 mg/L，设计水温T为25℃, =0.5， =0.1， EA=10%，曝气池容积V为3000 m3，扩散设备的安装水深为4.5m，计算鼓风曝气时供气量。
解：⑴求需氧量
计算方法同例题2，将各参数代入公式可得需氧量为： ⑵计算鼓风曝气池中平均溶解氧值
①先求空气释放点处的绝对空气压力 将参数值代入教材140页(2-2-60)公式得：
= ②据公式(2-2-61)求空气逸出池面时气体中氧的百分数 ③查出20℃及25℃时氧的饱和度分别为9.2 mg/L和8.4 mg/L，将各值代入公式(2-2-59)得 =9.88 mg/L
⑶根据公式(2-2-64)换算成20℃时脱氧清水的需气量 则 = 供气量 按公式(2-2-67)计算：
3、曝气方法及曝气设备的选择与计算
⑴曝气方法与曝气设备
曝气设备是活性污泥法污水处理工艺系统中的重要组成部分，通过曝气设备向曝气池供氧，同时曝气设备还有混合搅拌的功能，以增强污染物在水处理系统中的传质条件，提高处理效果。曝气方法主要有以下几种：
①鼓风曝气
鼓风曝气就是利用风机或空压机向曝气池充入一定压力的空气，一方面供应生化反应所需要的氧量，同时保持混合液悬浮固体均匀混合。扩散器是鼓风曝气的关键部件，其作用是将空气分散成空气泡，增大气液接触界面，将空气中的氧溶解于水中。曝气效率取决于气泡大小、水的亏氧量、气液接触时间和气泡的压力等因素。
目前常用的空气扩散器主要有：
a.微孔扩散器;b.中气泡扩散器;c.大气泡扩散器;d.射流扩散器;E.固定螺旋扩散器。
鼓风曝气系统中常用的鼓风机为罗茨鼓风机和离心式风机。罗茨鼓风机在中小型污水厂较为常用，单机风量在80 m3/min以下，缺点是噪声大，必须采取消音、隔音措施。当单机风量大于80 m3/min时，一般采用离心式鼓风机，噪声较小，效率较高，适用于大中型污水厂。
②机械曝气
机械曝气也称为表面曝气，机械曝气器大多以装在曝气池水面的叶轮快速转动，进行表层充氧。按转轴方向不同，可分为立式和卧式两类。常用的立式表面曝气机有平板叶轮、倒伞型叶轮和泵型叶轮等，卧式表面曝气机有转刷曝气机和转盘曝气机等。曝气叶轮的充氧能力和提升能力同叶轮浸没深度、叶轮的转速等因素有关，在适宜的浸深和转速下，叶轮的充氧能力最大，并可保证池内污泥浓度和溶解氧浓度均匀。
一般而言，机械曝气常用于曝气池较小的场合，可减少动力消耗，维护管理也较方便。鼓风曝气供应空气的伸缩性较大，曝气效果也较好，一般用于较大的曝气池。
⑵鼓风曝气设备的选择和计算
鼓风曝气设备的设计内容包括：空气扩散器的选择和布置，空气管路布置及其计算，选择鼓风机并计算所需的台数。其中扩散器按需氧量要求的氧转移量选择，鼓风机台数及管路计算是根据供气量确定的。
管路计算包括：布置管道系统，确定每段最大输气量，根据流量和经济流速计算管径，计算压力损失。从鼓风机房到曝气池上的空气干管，可按经济流速为10～15m/s计算管径。通向扩散设备的支管，可按空气流速为4～5m/s计算管径。空气管道的压力损失包括摩擦损失和局部损失两部分。摩擦损失根据直管长度及流速按摩擦损失计算图进行计算，计算时必须按管内温度和该段管内的压力进行修正。局部损失应根据各配件特征，换算成相应的折算长度，再按摩擦损失计算图进行计算，不同管材有不同的压力损失修正系数。
各配件的折算长度 ，式中D为配件的直径，K为折算系数，见下表：
配件名称等径直流三通异径直流三通转弯三通弯头大小头球阀角阀闸阀
K值0.330.42～0.671.330.4～0.70.1～0.22.00.90.25
例题4：已知曝气池的供气量 =5040m3/h，鼓风机房至曝气池干管总长44m，管段上有弯头5个，闸阀2个，计算输气干管的直径和压力损失。
解：由于干管上没有支管，可采用同一管径，根据 =5040m3/h以及经济流速 =15m/s，在空气管管径计算简图上，两点作一条直线，交管径线于一点，得管径为350mm。根据折算公式得配件折长度为
=194×0.284=55.2m
所以得到干管的计算长度为44+55.2=99.2m，计算水温为30℃,管内空气压力为60kPa，查摩擦损失计算图，可得到摩擦损失h=5.3kPa/1000m，则管道的压力损失为
一般希望管道及扩散设备的总压力损失不大于15kPa,其中管道损失控制在5kPa以内。
选择风机的依据是风量和风压，并考虑必需的储备量。鼓风机台数不少于2台，其中一台备用，以适应负荷的变化。