分析奧貝爾氧化溝溶解氧分布與節能特性的關系
摘要：國外最早發現奧貝爾氧化溝的節能特征是在污水處理廠運行中觀測到的：實際供氧量大大少于按常規方法設計的氧化溝系統，或是有機負荷高出三分之一以上時不增加供氧量出水仍能達標，這一潛能現已被人們認識并充分發掘出來加以廣泛利用。
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器系統，通常由三個同心的溝渠串聯組成，溝渠呈圓形或橢圓形。污水從外溝道(第一溝)進入，然后流入中溝道(第二溝)，再經內溝道后由中心島流出。由二沉池來的回流污泥通常只進到第一溝。在三個溝道內均設有曝氣轉碟以供氧并起推動混合液的作用。曝氣轉碟按各溝道供氧量的分配設置，實際運行中還可根據需要調節其轉速與浸沒深度。奧貝爾氧化溝外、中、內三個溝道的容積占總容積的百分比分別為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最顯著特征是三個溝的溶解氧呈0—1—2mg/L(外—中—內)的梯度分布。典型的設計是將碳源氧化、反硝化及大部分硝化設定在第一溝(外溝)內進行，控制其DO在0～0.5mg/L；第二溝的DO控制在0.5～1.5mg/L，可進一步去除剩余的BOD或繼續完成硝化；第三溝(內溝)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，而且大大節省了能耗。
2需氧量與供氧量的設計計算
奧貝爾氧化溝的節能特征主要是通過供氧量的減少來體現的。在一個有硝化/反硝化的生物反應池中，實際需氧量可由式(1)計算：
AOR＝1.7QSBOD-1.42XVSS+4.57QDN-2.86QDDN(1)
式中AOR——實際需氧量，kgO2/d
SBOD——設計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——設計進水流量，m3/d
在設計條件、設計參數相同的條件下，任何處理系統對氧的需求量理論上是相同的，但由于氧在實際傳遞過程中受多種因素的影響，在轉換為需氧量(作為選擇曝氣設備依據的標準)時各處理系統就會有所差別，故引入一個系數——現場修正系數FCF。對表面曝氣設備，其值由式(2)計算：
FCF＝（βρCs-C／C20）α×1.024(Tmax-20)(2)
式中α——清、污氧傳遞速率修正系數，
α＝污水中的氧轉移系數KLa′／清水中的氧轉移系數KLa
β——清、污氧飽和度修正系數，
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，
ρ＝所在地區實際氣壓(Pa)／1.013×105
C20——標準大氣壓下水溫20℃時氧的飽和溶解度，mg/L
Cs——設計最高水溫Tmax下氧的飽和溶解度，mg/L
Tmax——設計最高水溫，℃
C——設計反應池內平均DO濃度，mg/L
于是標準需氧量(SOR)為：
SOR＝AOR／FCF(kgO2/d)(3)
由式(2)、(3)可知，反應池混合液中DO越小，現場修正系數越大，則相應的標準需氧量就少，實際供氧量降低，從而也就降低了動力消耗。當混合液中的DO為零時，由于其時推動力最大，因此氧的轉移率最大，現場修正系數最大，能耗節省最多。
對奧貝爾氧化溝而言，各溝道的容積不同，對有機物、氮的去除率也不同，反映到實際需氧量(AOR)上也就不同。另外其三個溝道內的溶解氧不一樣，FCF也就不一樣。因此，在計算標準需氧量時需分別對各溝道作修正。
為簡化計算、便于理解，將式(1)作如下轉換：
AOR＝(1.7-1.42Y)QSBOD+(1.42YQSBOD-1.42XVSS)+4.57QDN-2.86QDDN
＝(1.7-1.42Y)QSBOD+1.42YQSBOD×（0.8bHθc／1+bHθc）+4.57QDN-2.86QDDN(4)
式中Y——異養微生物產率系數，kgVSS/kgBOD5，
一般為0.55～0.75kgVSS/kgBOD5
bH——異養微生物內源衰減速率，d-1，bH＝b(20)×1.04(Tmin-20)，b(20)為20℃時異養微生物內源衰減速率，一般為0.15～0.2d-1，Tmin為設計最低水溫
θc——設計泥齡，d
式(4)中的第一項可理解為BOD降解(除用于合成的外)所需的耗氧量，第二項可理解為污泥內源呼吸需氧量。
假設：①外、中、內溝對BOD5的去除率分別為ηB1、ηB2、ηB3，對TKN的硝化率分別為ηN1、ηN2、ηN3，對N的去除占總去除量的比例分別為ηDN1、ηDN2、ηDN3；②外、中、內三溝的容積百分比分別為P1、P2、P3。則奧貝爾氧化溝外、中、內三個溝道的實際需氧量分別為：
AOR1＝(1.7-1.42Y)ηB1QSBOD+1.42P1YOSBOD×［0.8bHθc／(1+bHθc)］+4.57ηN1QDN-2.86ηDN1QDDN(5)
AOR2＝(1.7-1.42Y)ηB2QSBOD+1.42P2YOSBOD×0.8bHθc／（1+bHθc）+4.57ηN2QDN-2.86ηDN2QDDN(6)
AOR3＝(1.7-1.42Y)ηB3QSBOD+1.42P3YOSBOD×［0.8bHθc／（1+bHθc）］+4.57ηN3QDN-2.86ηDN3QDDN(7)
再假設外、中、內三溝內設計溶解氧濃度分別為C1、C2、C3，則三溝的氧傳遞現場修正系數分別為FCF1、FCF2、FCF3。相應的標準需氧量即為SOR1、SOR2、SOR3，總的標準需氧量即為：
SOR＝SOR1+SOR2+SOR3＝AOR1／FCF1+AOR2／FCF2+AOR3／FCF3(8)
3供氧與能耗的節省
與常規單溝式氧化溝或一般延時曝氣活性污泥處理系統相比，奧貝爾氧化溝對能耗的節省主要表現在兩個方面：
①同時硝化/反硝化系統比單獨的硝化或需依靠內回流進行反硝化的系統要節省能耗。延時曝氣活性污泥系統由于泥齡長、投入的氧量多以及池容大，其成本超過常規活性污泥法系統。需要特別注意的是，造成高動力費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，往往出現終沉池內有氣泡產生且有污泥上浮的現象，這不僅影響出水水質，而且硝酸鹽中的氧此時也被“浪費”掉了。
然而，如果將反硝化設定在生物反應池內進行，就不會存在沉淀池中產氮氣的問題，同時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境，在奧貝爾系統內不僅發生硝化反應，還發生了反硝化反應，特別是發生在外溝道的同時硝化/反硝化作用基本完成了80%～100%的硝化和80%以上的反硝化。反硝化細菌利用硝酸鹽中的氧，以有機物作碳源及電子供體，使有機物得到分解氧化，這就相當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，也就節省了供氧能耗。
另外，發生于奧貝爾氧化溝中的同時硝化/反硝化作用使不需內回流即可達到脫氮效果，或至少比常規脫氮工藝所需內回流量少。在系統總脫氮率相同的條件下，比如常規脫氮工藝(如A/O)所需內回流比(R)為200%，而奧貝爾氧化溝僅需50%(假設外溝道的脫氮率僅為50%)，這樣就減少了內回流所需能耗。
②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場修正系數(因DO平均為零)，這就大大減少了實際所需供氧量。在其他條件相同的狀況下，DO為2mg/L時比DO為零時的標準需氧量要多出約30%，或說DO為零時的標準需氧量僅為DO為2mg/L時的75%。
假設設計進出水水質、曝氣設備等條件相同，比較奧貝爾氧化溝與只有硝化的常規處理系統及有硝化、反硝化的常規處理系統的供氧量(以標準需氧量計)和供氧能耗的差別。
基礎條件假設如下：
Q＝10×104m3/d，SBOD＝200mg/L，DN＝50mg/L，DDN＝40mg/L，P1＝55%，P2＝30%，P3＝15%，ηB1＝100%，ηB2＝0，ηB3＝0，ηN1＝80%，ηN2＝20%，ηN3＝0，ηDN1＝90%，ηDN2＝10%，ηDN3＝0。
計算過程參數取值如下：
Y＝0.65，bH＝0.12，θc＝15d，Tmin＝15℃，Tmax＝25℃，α＝0.85，β＝0.95，ρ＝1。
將上述數據代入式(1)～(8)，可計算出供氧量，假設曝氣設備動力效率EP為1.5kgO2/(kW·h)，可得出所需動力消耗。表1為比較結果。
表1供氧與能耗比較結果表
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由表1結果可知，與只有硝化的處理系統相比，奧貝爾氧化溝所需供氧量與供氧能耗約節省38%；與有硝化/反硝化的處理系統比，奧貝爾氧化溝所需供氧量與供氧能耗約節省20%。
4結語
與曝氣池充氧和混合相關的高動力費用是工程設計人員和運行管理人員所普遍關注的。國外最早發現奧貝爾氧化溝的節能特征是在污水處理廠運行中觀測到的：實際供氧量大大少于按常規方法設計的氧化溝系統，或是有機負荷高出三分之一以上時不增加供氧量出水仍能達標，這一潛能現已被人們認識并充分發掘出來加以廣泛利用。
目前，奧貝爾氧化溝工藝在我國的應用方興未艾。在我國污水處理廠出水排放標準越來越嚴的今天，在滿足排放標準要求的同時，人們更關心能耗的節省。只考慮硝化的處理系統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；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，不僅節省了能耗還提高了氧傳遞速率；內溝的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設計堪稱脫氮與節能完美結合的典范，與同類處理工藝相比其供氧能耗約節省15%～20%。
參考文獻：
［1］鄭興燦，李亞新.污水除磷脫氮技術［M］.北京：中國建筑工業出版社，1998.
［2］張自杰.排水工程(下冊)［M］.北京：中國建筑工業出版社，1996.
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