顏秀勤，王樹成
(中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究院，天津300074)

　　摘　要：分析了奧貝爾氧化溝溶解氧的分布與能耗之間的關(guān)系，比較了奧貝爾氧化溝與其他處理工藝所需供氧量的差別。理論分析與實(shí)際計(jì)算結(jié)果證明，與同類型處理工藝相比，奧貝爾氧化溝可節(jié)省供氧能耗15%～20%。
　　關(guān)鍵詞：奧貝爾氧化溝；溶解氧分布；供氧量；能耗
　　中圖分類號(hào)：X505
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
　　文章編號(hào)：1000-4602(2001)03-0029-03

1　奧貝爾氧化溝中溶解氧的分布特征

　　奧貝爾氧化溝為多反應(yīng)器系統(tǒng)，通常由三個(gè)同心的溝渠串聯(lián)組成，溝渠呈圓形或橢圓形。污水從外溝道(第一溝)進(jìn)入，然后流入中溝道(第二溝)，再經(jīng)內(nèi)溝道后由中心島流出。由二沉池來的回流污泥通常只進(jìn)到第一溝。在三個(gè)溝道內(nèi)均設(shè)有曝氣轉(zhuǎn)碟以供氧并起推動(dòng)混合液的作用。曝氣轉(zhuǎn)碟按各溝道供氧量的分配設(shè)置，實(shí)際運(yùn)行中還可根據(jù)需要調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速與浸沒深度。奧貝爾氧化溝外、中、內(nèi)三個(gè)溝道的容積占總?cè)莘e的百分比分別為50%～60%、30%～35%、15%～20%，多采用50%∶33%∶17%。
　　除溝形上的特征外，奧貝爾氧化溝的一個(gè)最顯著特征是三個(gè)溝的溶解氧呈0—1—2mg/L(外—中—內(nèi))的梯度分布。典型的設(shè)計(jì)是將碳源氧化、反硝化及大部分硝化設(shè)定在第一溝(外溝)內(nèi)進(jìn)行，控制其DO在0～0.5 mg/L；第二溝的DO控制在0.5～1.5mg/L，可進(jìn)一步去除剩余的BOD或繼續(xù)完成硝化；第三溝(內(nèi)溝)的DO為2～2.5mg/L，以保證出水中有足夠的DO帶入二沉池。此種DO的分布方式不僅使奧貝爾氧化溝具有卓越的脫氮性能，而且大大節(jié)省了能耗。

2　需氧量與供氧量的設(shè)計(jì)計(jì)算

　　奧貝爾氧化溝的節(jié)能特征主要是通過供氧量的減少來體現(xiàn)的。在一個(gè)有硝化/反硝化的生物反應(yīng)池中，實(shí)際需氧量可由式(1)計(jì)算：
　　　AOR＝1.7 QS_BOD-1.42X_VSS+4.57 QD_N-2.86 QD_DN　　　　　　　　　　　　　　　(1)
　　式中 AOR——實(shí)際需氧量，kgO2/d
　　　　 SBOD——設(shè)計(jì)BOD去除濃度，g/L
　　　　 XVSS——活性污泥生成量，kg/d
　　　　 DDN——需反硝化的氮量，g/L
　　　　 DN——需硝化的氮量，g/L
　　　　 Q——設(shè)計(jì)進(jìn)水流量，m³/d

　　在設(shè)計(jì)條件、設(shè)計(jì)參數(shù)相同的條件下，任何處理系統(tǒng)對(duì)氧的需求量理論上是相同的，但由于氧在實(shí)際傳遞過程中受多種因素的影響，在轉(zhuǎn)換為需氧量(作為選擇曝氣設(shè)備依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn))時(shí)各處理系統(tǒng)就會(huì)有所差別，故引入一個(gè)系數(shù)——現(xiàn)場(chǎng)修正系數(shù)FCF。對(duì)表面曝氣設(shè)備，其值由式(2)計(jì)算：
　　　　　　FCF＝（βρCs-C／C₂₀）α×1.024^(Tmax^-20)　　　　　　(2)
　　式中 α——清、污氧傳遞速率修正系數(shù)，
　　　　　　　α＝污水中的氧轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa′／清水中的氧轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa
　　　　 β——清、污氧飽和度修正系數(shù)，
　　　　　　　β＝污水中的氧飽和度Cs′／清水中的氧飽和度Cs
　　　　 ρ——海拔高度修正系數(shù)，
　　　　　　　ρ＝所在地區(qū)實(shí)際氣壓(Pa)／1.013×105
　　　　 C₂₀——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水溫20 ℃時(shí)氧的飽和溶解度，mg/L
　　　　 Cs——設(shè)計(jì)最高水溫Tmax下氧的飽和溶解度，mg/L
　　　　 Tmax——設(shè)計(jì)最高水溫，℃
　　　　 C——設(shè)計(jì)反應(yīng)池內(nèi)平均DO濃度，mg/L
　　于是標(biāo)準(zhǔn)需氧量(SOR)為：
　　　　　　　SOR＝AOR／FCF　　　　(kgO₂/d)　　　　　　　　(3)
　　由式(2)、(3)可知，反應(yīng)池混合液中DO越小，現(xiàn)場(chǎng)修正系數(shù)越大，則相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)需氧量就少，實(shí)際供氧量降低，從而也就降低了動(dòng)力消耗。當(dāng)混合液中的DO為零時(shí)，由于其時(shí)推動(dòng)力最大，因此氧的轉(zhuǎn)移率最大，現(xiàn)場(chǎng)修正系數(shù)最大，能耗節(jié)省最多。
　　對(duì)奧貝爾氧化溝而言，各溝道的容積不同，對(duì)有機(jī)物、氮的去除率也不同，反映到實(shí)際需氧量(AOR)上也就不同。另外其三個(gè)溝道內(nèi)的溶解氧不一樣，F(xiàn)CF也就不一樣。因此，在計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)需氧量時(shí)需分別對(duì)各溝道作修正。
　　為簡化計(jì)算、便于理解，將式(1)作如下轉(zhuǎn)換：
　　　　　　AOR＝(1.7-1.42Y)QS_BOD+(1.42YQS_BOD-1.42X_VSS)+4.57QD_N-2.86QD_DN ＝(1.7-1.42Y)QS_BOD+1.42YQS_BOD×（0.8bHθc／1+bHθc）+4.57QD_N-2.86QD_DN　　　　　(4)
　　式中　Y——異養(yǎng)微生物產(chǎn)率系數(shù)，kgVSS/kgBOD₅，
　　　　　　　一般為0.55～0.75kgVSS/kgBOD₅
　　　　　bH——異養(yǎng)微生物內(nèi)源衰減速率，d^-1，bH＝b₍₂₀₎×1.04^(Tmin-20)，b(20)為20℃時(shí)異養(yǎng)微生物內(nèi)源衰減速率，一般為0.15～0.2d-1，Tmin為設(shè)計(jì)最低水溫
　　　　　θc——設(shè)計(jì)泥齡，d
　　式(4)中的第一項(xiàng)可理解為BOD降解(除用于合成的外)所需的耗氧量，第二項(xiàng)可理解為污泥內(nèi)源呼吸需氧量。
　　假設(shè)：①外、中、內(nèi)溝對(duì)BOD5的去除率分別為η_B1、η_B2、η_B3，對(duì)TKN的硝化率分別為η_N1、η_N2、η_N3，對(duì)N的去除占總?cè)コ康谋壤謩e為η_DN1、η_DN2、η_DN3；②外、中、內(nèi)三溝的容積百分比分別為P₁、P₂、P₃。則奧貝爾氧化溝外、中、內(nèi)三個(gè)溝道的實(shí)際需氧量分別為：
　AOR₁＝(1.7-1.42Y)η_B1QS_BOD+1.42P₁YOS_BOD×［0.8b_Hθc／(1+b_Hθc)］+4.57_ηN1QD_N-2.86_ηDN1QD_DN(5)
　AOR₂＝(1.7-1.42Y)η_B2QS_BOD+1.42P₂YOS_BOD×0.8bHθc／（1+bHθc）+4.57η_N2QD_N-2.86η_DN2QD_DN(6)
　AOR₃＝(1.7-1.42Y)η_B3QS_BOD+1.42P₃YOS_BOD×［0.8bHθc／（1+bHθc）］+4.57η_N3QD_N-2.86η_DN3QD_DN　　　　　　　　　(7)
　　再假設(shè)外、中、內(nèi)三溝內(nèi)設(shè)計(jì)溶解氧濃度分別為C₁、C₂、C₃，則三溝的氧傳遞現(xiàn)場(chǎng)修正系數(shù)分別為FCF₁、FCF₂、FCF₃。相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)需氧量即為SOR₁、SOR₂、SOR₃，總的標(biāo)準(zhǔn)需氧量即為：
　　　　　SOR＝SOR₁+SOR₂+SOR₃＝AOR₁／FCF₁+AOR₂／FCF₂+AOR₃／FCF₃(8)

3　供氧與能耗的節(jié)省

　　與常規(guī)單溝式氧化溝或一般延時(shí)曝氣活性污泥處理系統(tǒng)相比，奧貝爾氧化溝對(duì)能耗的節(jié)省主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：
　　①同時(shí)硝化/反硝化系統(tǒng)比單獨(dú)的硝化或需依靠內(nèi)回流進(jìn)行反硝化的系統(tǒng)要節(jié)省能耗。延時(shí)曝氣活性污泥系統(tǒng)由于泥齡長、投入的氧量多以及池容大，其成本超過常規(guī)活性污泥法系統(tǒng)。需要特別注意的是，造成高動(dòng)力費(fèi)用的最主要原因是為硝化提供所需要的氧，即使不需要除氨氮，混合液中的氧也會(huì)被硝化菌所利用，硝化氨氮所需的單位氧量較BOD氧化所需的氧量高得多，大量的氧被NO₃-化合物所占有。僅有硝化而無反硝化的處理系統(tǒng)，往往出現(xiàn)終沉池內(nèi)有氣泡產(chǎn)生且有污泥上浮的現(xiàn)象，這不僅影響出水水質(zhì)，而且硝酸鹽中的氧此時(shí)也被“浪費(fèi)”掉了。
　　然而，如果將反硝化設(shè)定在生物反應(yīng)池內(nèi)進(jìn)行，就不會(huì)存在沉淀池中產(chǎn)氮?dú)獾膯栴}，同時(shí)又為除碳菌提供了輔助氧源，奧貝爾氧化溝0—1—2mg/L的DO分布正是提供了這樣一種脫氮環(huán)境，在奧貝爾系統(tǒng)內(nèi)不僅發(fā)生硝化反應(yīng)，還發(fā)生了反硝化反應(yīng)，特別是發(fā)生在外溝道的同時(shí)硝化/反硝化作用基本完成了80%～100%的硝化和80%以上的反硝化。反硝化細(xì)菌利用硝酸鹽中的氧，以有機(jī)物作碳源及電子供體，使有機(jī)物得到分解氧化，這就相當(dāng)于回收了一部分被消耗的氧。理論上，每硝化1g氨氮需4.57g氧，而每還原gNO₃-可提供2.86g氧。若外溝反硝化率為80%，則有50%硝化所需的氧被回收，這就減少了供氧量，也就節(jié)省了供氧能耗。
　　另外，發(fā)生于奧貝爾氧化溝中的同時(shí)硝化/反硝化作用使不需內(nèi)回流即可達(dá)到脫氮效果，或至少比常規(guī)脫氮工藝所需內(nèi)回流量少。在系統(tǒng)總脫氮率相同的條件下，比如常規(guī)脫氮工藝(如A/O)所需內(nèi)回流比(R)為200%，而奧貝爾氧化溝僅需50%(假設(shè)外溝道的脫氮率僅為50%)，這樣就減少了內(nèi)回流所需能耗。
　?、谠趭W貝爾氧化溝中需氧量最大的外溝道有最大的氧傳遞現(xiàn)場(chǎng)修正系數(shù)(因DO平均為零)，這就大大減少了實(shí)際所需供氧量。在其他條件相同的狀況下，DO為2mg/L時(shí)比DO為零時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)需氧量要多出約30%，或說DO為零時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)需氧量僅為DO為2mg/L時(shí)的75%。
　　假設(shè)設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)、曝氣設(shè)備等條件相同，比較奧貝爾氧化溝與只有硝化的常規(guī)處理系統(tǒng)及有硝化、反硝化的常規(guī)處理系統(tǒng)的供氧量(以標(biāo)準(zhǔn)需氧量計(jì))和供氧能耗的差別。
基礎(chǔ)條件假設(shè)如下：
　　Q＝10×10⁴m³/d，S_BOD＝200mg/L，D_N＝50mg/L，D_DN＝40mg/L，P₁＝55%，P₂＝30%，P₃＝15%，η_B1＝100%，η_B2＝0，η_B3＝0，η_N1＝80%，η_N2＝20%，η_N3＝0，η_DN1＝90%，η_DN2＝10%，η_DN3＝0。
　　計(jì)算過程參數(shù)取值如下：
　　Y＝0.65，bH＝0.12，θc＝15d，Tmin＝15℃，Tmax＝25℃，α＝0.85，β＝0.95，ρ＝1。
將上述數(shù)據(jù)代入式(1)～(8)，可計(jì)算出供氧量，假設(shè)曝氣設(shè)備動(dòng)力效率EP為1.5kgO2/(kW·h)，可得出所需動(dòng)力消耗。表1為比較結(jié)果。

表1　供氧與能耗比較結(jié)果表 項(xiàng)目 有硝化的處理系統(tǒng) 有硝化/反硝化的處理系統(tǒng) 奧貝爾氧化溝 泥齡(d) 15 30 15 30 15 30 反應(yīng)池內(nèi)DO(mg/L) 2 2 2(好氧池) 2(好氧池) 外溝0.3
中溝1
內(nèi)溝2 外溝0.3
中溝1
內(nèi)溝2 AOR(kgO₂/d) 47884 49948 36444 38508 36444 38 508 FCF 0.73 0.73 0.73 0.73 外溝0.94
中溝0.85
內(nèi)溝0.73 外溝0.94
中溝0.85
內(nèi)溝0.73 SOR(kgO₂/d) 65595 68422 49923 52751 39865 42 272 供氧能耗(kW) 1822 1901 1387 1465 1107 1174

　　 由表1結(jié)果可知，與只有硝化的處理系統(tǒng)相比，奧貝爾氧化溝所需供氧量與供氧能耗約節(jié)省38%；與有硝化/反硝化的處理系統(tǒng)比，奧貝爾氧化溝所需供氧量與供氧能耗約節(jié)省20%。

4　結(jié)語

　　 與曝氣池充氧和混合相關(guān)的高動(dòng)力費(fèi)用是工程設(shè)計(jì)人員和運(yùn)行管理人員所普遍關(guān)注的。國外最早發(fā)現(xiàn)奧貝爾氧化溝的節(jié)能特征是在污水處理廠運(yùn)行中觀測(cè)到的：實(shí)際供氧量大大少于按常規(guī)方法設(shè)計(jì)的氧化溝系統(tǒng)，或是有機(jī)負(fù)荷高出三分之一以上時(shí)不增加供氧量出水仍能達(dá)標(biāo)，這一潛能現(xiàn)已被人們認(rèn)識(shí)并充分發(fā)掘出來加以廣泛利用。
　　 目前，奧貝爾氧化溝工藝在我國的應(yīng)用方興未艾。在我國污水處理廠出水排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)的今天，在滿足排放標(biāo)準(zhǔn)要求的同時(shí)，人們更關(guān)心能耗的節(jié)省。只考慮硝化的處理系統(tǒng)在某種條件下也可能滿足處理要求，但卻造成了能量的浪費(fèi)；而在一般的脫氮工藝(如A/O工藝)中，好氧池中較高的溶解氧濃度并不利于氧的傳遞。奧貝爾氧化溝特有的DO梯度分布很好地解決了這一矛盾，約占一半總池容的外溝道DO接近于零，不僅節(jié)省了能耗還提高了氧傳遞速率；內(nèi)溝的DO維持2mg/L可保證有足夠的氧帶入二沉池。奧貝爾氧化溝的此種DO設(shè)計(jì)堪稱脫氮與節(jié)能完美結(jié)合的典范，與同類處理工藝相比其供氧能耗約節(jié)省15%～20%。

參考文獻(xiàn)：
［1］鄭興燦，李亞新.污水除磷脫氮技術(shù)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998.
［2］張自杰.排水工程(下冊(cè))［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1996.

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　　 收稿日期：2000-09-08