هوادهی و انتقال اکسیژن از مفاهیم حیاتی در بسیاری از سیستمهای بیولوژیکی و صنعتی به شمار میآیند این فرایندها در سلامت موجودات زنده و در بسیاری از فرایندهای شیمیایی و محیط زیستی نقش اساسی دارند این فرآیند در سیستمهای آبی برای تامین اکسیژن موجودات آبزی یا برای تسهیل واکنشهای شیمیایی کاربرد دارد هوادهی میتواند به روشهای مختلفی انجام شود در محیطهای آبی، اکسیژن از سطح آب به موجودات آبزی انتقال مییابد در این محیطها، عمل هوادهی باعث افزایش میزان اکسیژن در آب و کمک به تنفس موجودات دریایی میشود.
وسایل ایجاد حبابهای ریز مواد متخلخلی هستند که هوا را بهصورت حبابهای ریز آزاد میکنند بهگونهای که در شکل نشان دادهشده است. اگرچه هر نوع دیفیوزر مشخصات خاصی دارد، اما نازلهای ایجادکنندهی حباب درشت در بهرهبرداری و نگهداری بیشتر موردتوجه قرار میگیرند، درحالیکه دیفیوزرهای حباب ریز، بازدهی بیشتری در انتقال اکسیژندارند. هوادههای مکانیکی بهصورت پاروهای افقی توربینهای عمودی و توربین عمودی با استوانه مکش میباشند.
بخشی از یک روتور افقی بهصورت مستغرق در یک کانال هوادهی میچرخد. توربین عمودی ممکن است بهصورت سطحی یا کاملاً مستغرق باشد که همراه با منبع تولید هوا با فشار زیاد در زیر تیغه گردان است. در خصوص اختلاطهای عمقی توربین عمودی ممکن است در یک استوانه مکش بهکاررفته باشد بهگونهای که فاضلاب را از کف مخزن در درون لوله بهطرف بالا بکشاند و آن را در سطح تخلیه کند.
انتقال اکسیژن یک فرآیند دومرحلهای است. ابتدا گاز اکسیژن توسط هوادهی عمقی یا مکانیکی در فاضلاب حلشده سپس اکسیژن محلول توسط میکرواورگانیزمها در فرآیند متابولیسم مواد آلی موجود در فاضلاب مورداستفاده قرار میگیرد.
اگر سرعت مصرف اکسیژن بیشتر از سرعت حل شدن آن باشد، اکسیژن محلول در مایع مخلوط به پایان میرسد. سرعت انتقال اکسیژن از حبابهای هوا به مایع محلول بر اساس معادله زیر بیان میشود.
فاکتور K به مشخصات فاضلاب و بیشتر به خصوصیات فیزیکی سیستم هوادهی، مانند نوع دیفیوزر یا هواده عمق مایع در حوضچه، سرعت اختلاط و پیکرهبندی حوضچه بستگی دارد.
در این فرمول:
R برابر با سرعت انتقال اکسیژن از هوا به اکسیژن محلول است (میلیگرم).
K برابر است با ضریب انتقال که بستگی به تجهیزات هوادهی و مشخصات فاضلاب دارد (در ساعت).
ضریب اکسیژن اشباع فاضلاب که معمولاً بین 0.8 تا 0.9 است.
Cs عبارت است از غلظت اکسیژن محلول در حالت اشباع در خصوص آب خالصُ میلیگرم در لیتر.
Ct غلظت اکسیژن محلول موجود در مایع مخلوط، میلیگرم در لیتر.
(BCs-Ct) عبارت است از کاهش اکسیژن محلول، میلیگرم در لیتر.
سرعت مصرف اکسیژن محلول ضرورتاً به نسبت غذا به میکرواورگانیزمها ( بار BOD و زمان هوادهی ) و درجه حرارت بستگی دارد. میزان مصرف بیولوژیکی معمولاً کمتر از 10 میلیگرم در لیتر در هر ساعت برای فرآیند هوادهی گسترده و حدود 30 میلیگرم در لیتر در هر ساعت برای هوادهی متداول است.
فعالیت بیولوژیکی هوازی مستقل از اکسیژن محلول بوده و در حد حداقل مقدار است. در غلظتهای پایینتر از این، متابولیسم میکرو ارگانیزمها به علت کمبود منبع اکسیژن محدود میشود. غلظتهای معیار برای سیستمهای متفاوت در حد 0.2-2 میلیگرم در لیتر و عمومیترین آن 0.5 میلیگرم در لیتر گزارش شده است. مقادیر بالاترُ حدود 1.2 و 2 میلیگرم در لیتر ممکن است بهعنوان یک فاکتور بهرهبرداری جهت محاسبهی تغییرات روزانهی بار BOD و اصلاح خصوصیات تهنشینی MLSS مورداستفاده قرار گیرد.
هوادهی مکانیکی:استفاده از دستگاههای خاص که هوا را به داخل آب وارد میکنند این دستگاهها معمولاً با چرخش یا ضربهزدن به سطح آب موجب پخش بهتر اکسیژن میشوند.
هوادهی طبیعی:مانند استفاده از جریان باد یا تغییرات دمایی در سطح آبفرآیند جذب اکسیژن از جو توسط موجودات زنده است این اکسیژن از طریق دستگاه تنفسی یا پوست وارد بدن موجودات زنده شده و از طریق سیستم گردش خون به سلولها منتقل میشود در انسانها، ریهها وظیفه انتقال اکسیژن به خون را بر عهده دارند، جایی که این گاز از طریق غشای ریهها به خون وارد شده و توسط هموگلوبین در گلبولهای قرمز خون به سراسر بدن منتقل میشود.
بهعنوانمثال اضافه بار مواد آلی یک سیستم هوادهی گسترده که به دیفیوزرهای حباب درشت مجهز میشوند در سیستمهای کمعمق میزان اکسیژن محلول کمتر از 0.5 میلیگرم در لیتر میشود، حتی در حوضچههایی که بهشدت توسط دیفیوزرها و حبابهای هوا اختلاط مییابند.
شاید شرایطی که اکثراً اتفاق میافتد و بهرهبرداری را غیراقتصادی میکند، هوادهی بیشازحد معمول باشد که باعث تولید میزان اکسیژن محلول بیشتر از مقدار موردنیاز در مایع مخلوط میشود؛ و فعالیت بیولوژیکی به همان میزان قبلی است و سرعت انتقال از هوا به اکسیژن محلول افزایش مییابد که همواره با کاهش غلظت بوده و این امر منطقی به نظر میرسد که باید سیستم را در حد امکان بر اساس حداقل اکسیژن محلول در شرایطی بحرانی راهاندازی نماییم. راهاندازی کمپرسورهای هوا در هنگامیکه ظرفیت کاهشیافته و حتی خاموش کردن موتورها در آخر هفتهها ممکن است باعث حفظ انرژی الکتریکی شده ولی روی فرآیند فیزیولوژیکی اثر نامطلوب نداشته باشد.
کنترل اتوماتیکی موتورهایی که در اکسیژن محلول استفاده میشوند، توسط اصلاح و تکمیل سیستمهای کنترل و اطمینان از کارکرد دستگاههای اندازهگیری اکسیژن محلول، کاراییشان افزایش مییابد.