顏秀勤
(中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究院)

　　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。圖1為一個(gè)典型的奧貝爾氧化溝示意圖，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)有日落氣轉(zhuǎn)碟以供氧并起混合與推動(dòng)池內(nèi)混合液的作用。日落氣轉(zhuǎn)碟按各溝道供氧量的分配設(shè)置，實(shí)際運(yùn)街上中還可根據(jù)需要調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速與浸沒深度。奧貝爾氧化溝三個(gè)溝道的容積占總?cè)莘e的百分比分別為外溝約占50%～60%，中溝30%～35%，內(nèi)溝15%～20%，多采用50%：33%：17%。

　　除構(gòu)形上的特征，奧貝爾氧化溝的一個(gè)最顯著特征是三個(gè)溝道的溶解呈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，控制第一溝的DO在0～0.5mg/L內(nèi)。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溶解氧帶入二沉池。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)際需氧量可由下式計(jì)算：

　　AOR=1.7QS_BOD-1.42X_VSS+4.57QD_N-2.86Q_DDN(1)
　　式中，AOR-----實(shí)際需氧量（kgO₂/d)
　　　　　Q------設(shè)計(jì)進(jìn)水流量（m³/d)
　　　　　S_BOD------設(shè)計(jì)BOD去除濃度（g/L)
　　　　　X_VSS------活性污泥生成量（kg/d)
　　　　　D_N-------需硝化的氮量（g/L)
　　　　　D_DN------需反硝化的氮量（g/L)
　　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，故轉(zhuǎn)換為作為選擇曝氣設(shè)備依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)需氧量時(shí)，各處理系統(tǒng)就會(huì)有所差別。這里引入一個(gè)校正參數(shù)--現(xiàn)場(chǎng)修正系數(shù)FCF，對(duì)表面曝氣設(shè)備，其值由下式計(jì)算：

　　　FCF=(βΡС-C/C20)а×1.024(T_max^-20) 　　　　　　　　　　　(2)
　　 式中，F(xiàn)CF----氧傳遞現(xiàn)場(chǎng)校正系數(shù)
　　　　　а----清污氧傳遞速修正系數(shù)，а=污水中的氧轉(zhuǎn)移系數(shù)（K_la＇）/清水中的氧轉(zhuǎn)移系數(shù)（K_la）
　　　　　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（Ρa）/1.013×10⁵
　　　　　T_max---設(shè)計(jì)最高水溫（℃）
　　　　　C20---標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水溫20攝氏度時(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)
　　　　　C-----設(shè)計(jì)反應(yīng)池內(nèi)平均溶解氧濃度（mg/L)
　　于是標(biāo)準(zhǔn)需氧量（SOR）為：
　　SOR=AOR/FCT（kgO₂/d)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (3)
　　由式（2）和（3）可知，反應(yīng)在池混合液中溶解氧越小，現(xiàn)場(chǎng)校正系數(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)，由于有最大的推動(dòng)力，因此氧的轉(zhuǎn)移率最大，現(xiàn)場(chǎng)校正系數(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(jiǎn)化計(jì)算、便于理解，將式（1）作如下轉(zhuǎn)換：
　　AOR=(1.7-1.42Y)QSBOD+(1.42YQS_BOD-1.42X_VSS)+4.57QD_N-2.86QD_ND
　　　=(1.791.42Y)QS_BOD+1.42YQS_BOD×(0.8b_Hθc/1+b_Hθc)+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---異樣微生物內(nèi)源衰減速率（d^-1),b_H=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--0.25d^-1,T_min為設(shè)計(jì)最低水漫
　　　　　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)源泉呼吸需氧量。
　　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：
　　APR₁=(1.7-1.42)η_B1QS_BOD+1.42p₁YQS_BOD×(0.8b_Hθc/1+b_Hθ_c)+4.57η_N1QD_N-2.86η_DN1QD_DN (5)
　　APR₂=(1.7-1.42)η_B2QS_BOD+1.42p₂YQS_BOD×(0.8b_Hθc/1+b_Hθ_c)+4.57η_N2QD_N-2.86η_DN2QD_DN (6)
　　APR₃=(1.7-1.42)η_B3QS_BOD+1.42p₃YQS_BOD×(0.8b_Hθc/1+b_Hθ_c)+4.57η_N3QD_N-2.86η_DN3QD_DN (7)

　　再假設(shè)：外、中、內(nèi)三個(gè)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)校正系數(shù)分別為：FCF₁、FCF₂、FCF₃。相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)需氧量即為：SOR₁、SOR₂、SOR₃。奧貝爾氧化溝總的標(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，奧貝爾氧化溝能耗的節(jié)省主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：
　　第一，同時(shí)硝化/反硝化比單獨(dú)的硝化要節(jié)省能耗。在設(shè)計(jì)和運(yùn)行延時(shí)曝氣模式的活性污泥處理系統(tǒng)時(shí)，由于泥齡長(zhǎng)、投入的氧量多以及池容大，其成本超時(shí)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氧化所需要的氧量高得很多，大量的氧被NO₃^-化合物所占有。當(dāng)終沉池內(nèi)有氣泡產(chǎn)生且造成污泥上浮時(shí)，即為硝酸鹽在終沉池內(nèi)發(fā)生了反硝化生成氮?dú)馑鶠椋藭r(shí)，硝酸鹽中的氧即被“浪費(fèi)”掉了。
　　實(shí)際上，反硝化可以在生物反應(yīng)池內(nèi)進(jìn)行，這樣就不存在沉淀池中的產(chǎn)氮?dú)鈫栴}，同時(shí)又為除碳菌提供了輔助氧源。奧貝爾氧化溝0-1-2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)生硝化發(fā)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80%甚至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4.57氧，而每還原1gNO₃^-可提供2.86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。
　　其次，在奧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)校正系數(shù)（因DO平均為零），這就大大減少了實(shí)際所需供氧量。在其它條件相同的狀態(tài)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?jī)H為DO為2mg/L時(shí)的75%左右。
　　假設(shè)設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)、泥齡、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)及有硝化和反硝化的常規(guī)處理系統(tǒng)的供氧量（在此以標(biāo)準(zhǔn)需氧量計(jì)）與供氧能耗的差別。
　　基礎(chǔ)條件假設(shè)如下：
　　　Q=10萬³/d,S_BOD=200mg/l,D_N=50mg/L,D_DN=40mg/L,p1=55%,p1=30%,p1=15%,η_B1=100%,η_B1=0_,
η_B1=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,T_min=15℃,T_max=25℃,α=0.85,β=0.95,p=1。
　　將上述數(shù)據(jù)代入式（1）---（8）計(jì)算可得出供氧量，假設(shè)曝氣設(shè)備動(dòng)力效率E_p為1.5kgO₂/kwh,可得出所需動(dòng)力消耗。表1為比較結(jié)果。

　　由表中結(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均節(jié)省39%；與有硝化反硝化的處理系統(tǒng)相比，奧貝爾氧化溝所需供氧量與供氧能耗均節(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(guó)外最早發(fā)現(xiàn)奧貝爾氧化溝的節(jié)能物征是源于在污水處理廠運(yùn)行中觀測(cè)到，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)。這一潛能慢慢被人們認(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(guó)的應(yīng)用正方興未艾。在我國(guó)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)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梯度分布很好的解決了這一矛盾。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)Lewis E.Ritter.CASE HISTORLES OF STARTUP AND OPERATION OF THE ENVIREX ORBAL AERATION PROCESS.Water Pollution Control Association of Pennsylvania61st Annual Conference 1989
　　(2)Mikkel G.Mandt,Bruce A.Bell.OXIDATION DITCHES IN WASTEWATER TREATMENT.Ann Arbor Science,Michigan,1982
　　(3)鄭興燦 李亞新編著。污水除磷脫氮技術(shù)。中國(guó)建筑工業(yè)出版社，北京，1998
　　(4)張自杰主編。排水工程（下冊(cè)）。中國(guó)建筑工業(yè)出版社，北京，1996