奥贝尔氧化沟溶解氧分布与节能特性分析

颜秀勤，王树成
(中国市政工程华北设计研究院，天津300074)

　　摘　要：分析了奥贝尔氧化沟溶解氧的分布与能耗之间的关系，比较了奥贝尔氧化沟与其他处理工艺所需供氧量的差别。理论分析与实际计算结果证明，与同类型处理工艺相比，奥贝尔氧化沟可节省供氧能耗15%～20%。
　　关键词：奥贝尔氧化沟；溶解氧分布；供氧量；能耗
　　中图分类号：X505
　　文献标识码：B
　　文章编号：1000-4602(2001)03-0029-03

1　奥贝尔氧化沟中溶解氧的分布特征

　　奥贝尔氧化沟为多反应器系统，通常由三个同心的沟渠串联组成，沟渠呈圆形或椭圆形。污水从外沟道(第一沟)进入，然后流入中沟道(第二沟)，再经内沟道后由中心岛流出。由二沉池来的回流污泥通常只进到第一沟。在三个沟道内均设有曝气转碟以供氧并起推动混合液的作用。曝气转碟按各沟道供氧量的分配设置，实际运行中还可根据需要调节其转速与浸没深度。奥贝尔氧化沟外、中、内三个沟道的容积占总容积的百分比分别为50%～60%、30%～35%、15%～20%，多采用50%∶33%∶17%。
　　除沟形上的特征外，奥贝尔氧化沟的一个最显著特征是三个沟的溶解氧呈0—1—2mg/L(外—中—内)的梯度分布。典型的设计是将碳源氧化、反硝化及大部分硝化设定在第一沟(外沟)内进行，控制其DO在0～0.5 mg/L；第二沟的DO控制在0.5～1.5mg/L，可进一步去除剩余的BOD或继续完成硝化；第三沟(内沟)的DO为2～2.5mg/L，以保证出水中有足够的DO带入二沉池。此种DO的分布方式不仅使奥贝尔氧化沟具有卓越的脱氮性能，而且大大节省了能耗。

2　需氧量与供氧量的设计计算

　　奥贝尔氧化沟的节能特征主要是通过供氧量的减少来体现的。在一个有硝化/反硝化的生物反应池中，实际需氧量可由式(1)计算：
　　　AOR＝1.7 QS_BOD-1.42X_VSS+4.57 QD_N-2.86 QD_DN　　　　　　　　　　　　　　　(1)
　　式中 AOR——实际需氧量，kgO2/d
　　　　 SBOD——设计BOD去除浓度，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——设计进水流量，m³/d

　　在设计条件、设计参数相同的条件下，任何处理系统对氧的需求量理论上是相同的，但由于氧在实际传递过程中受多种因素的影响，在转换为需氧量(作为选择曝气设备依据的标准)时各处理系统就会有所差别，故引入一个系数——现场修正系数FCF。对表面曝气设备，其值由式(2)计算：
　　　　　　FCF＝（βρCs-C／C₂₀）α×1.024^(Tmax^-20)　　　　　　(2)
　　式中 α——清、污氧传递速率修正系数，
　　　　　　　α＝污水中的氧转移系数KLa′／清水中的氧转移系数KLa
　　　　 β——清、污氧饱和度修正系数，
　　　　　　　β＝污水中的氧饱和度Cs′／清水中的氧饱和度Cs
　　　　 ρ——海拔高度修正系数，
　　　　　　　ρ＝所在地区实际气压(Pa)／1.013×105
　　　　 C₂₀——标准大气压下水温20 ℃时氧的饱和溶解度，mg/L
　　　　 Cs——设计最高水温Tmax下氧的饱和溶解度，mg/L
　　　　 Tmax——设计最高水温，℃
　　　　 C——设计反应池内平均DO浓度，mg/L
　　于是标准需氧量(SOR)为：
　　　　　　　SOR＝AOR／FCF　　　　(kgO₂/d)　　　　　　　　(3)
　　由式(2)、(3)可知，反应池混合液中DO越小，现场修正系数越大，则相应的标准需氧量就少，实际供氧量降低，从而也就降低了动力消耗。当混合液中的DO为零时，由于其时推动力最大，因此氧的转移率最大，现场修正系数最大，能耗节省最多。
　　对奥贝尔氧化沟而言，各沟道的容积不同，对有机物、氮的去除率也不同，反映到实际需氧量(AOR)上也就不同。另外其三个沟道内的溶解氧不一样，FCF也就不一样。因此，在计算标准需氧量时需分别对各沟道作修正。
　　为简化计算、便于理解，将式(1)作如下转换：
　　　　　　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——异养微生物产率系数，kgVSS/kgBOD₅，
　　　　　　　一般为0.55～0.75kgVSS/kgBOD₅
　　　　　bH——异养微生物内源衰减速率，d^-1，bH＝b₍₂₀₎×1.04^(Tmin-20)，b(20)为20℃时异养微生物内源衰减速率，一般为0.15～0.2d-1，Tmin为设计最低水温
　　　　　θc——设计泥龄，d
　　式(4)中的第一项可理解为BOD降解(除用于合成的外)所需的耗氧量，第二项可理解为污泥内源呼吸需氧量。
　　假设：①外、中、内沟对BOD5的去除率分别为η_B1、η_B2、η_B3，对TKN的硝化率分别为η_N1、η_N2、η_N3，对N的去除占总去除量的比例分别为η_DN1、η_DN2、η_DN3；②外、中、内三沟的容积百分比分别为P₁、P₂、P₃。则奥贝尔氧化沟外、中、内三个沟道的实际需氧量分别为：
　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)
　　再假设外、中、内三沟内设计溶解氧浓度分别为C₁、C₂、C₃，则三沟的氧传递现场修正系数分别为FCF₁、FCF₂、FCF₃。相应的标准需氧量即为SOR₁、SOR₂、SOR₃，总的标准需氧量即为：
　　　　　SOR＝SOR₁+SOR₂+SOR₃＝AOR₁／FCF₁+AOR₂／FCF₂+AOR₃／FCF₃(8)

3　供氧与能耗的节省

　　与常规单沟式氧化沟或一般延时曝气活性污泥处理系统相比，奥贝尔氧化沟对能耗的节省主要表现在两个方面：
　　①同时硝化/反硝化系统比单独的硝化或需依靠内回流进行反硝化的系统要节省能耗。延时曝气活性污泥系统由于泥龄长、投入的氧量多以及池容大，其成本超过常规活性污泥法系统。需要特别注意的是，造成高动力费用的最主要原因是为硝化提供所需要的氧，即使不需要除氨氮，混合液中的氧也会被硝化菌所利用，硝化氨氮所需的单位氧量较BOD氧化所需的氧量高得多，大量的氧被NO₃-化合物所占有。仅有硝化而无反硝化的处理系统，往往出现终沉池内有气泡产生且有污泥上浮的现象，这不仅影响出水水质，而且硝酸盐中的氧此时也被“浪费”掉了。
　　然而，如果将反硝化设定在生物反应池内进行，就不会存在沉淀池中产氮气的问题，同时又为除碳菌提供了辅助氧源，奥贝尔氧化沟0—1—2mg/L的DO分布正是提供了这样一种脱氮环境，在奥贝尔系统内不仅发生硝化反应，还发生了反硝化反应，特别是发生在外沟道的同时硝化/反硝化作用基本完成了80%～100%的硝化和80%以上的反硝化。反硝化细菌利用硝酸盐中的氧，以有机物作碳源及电子供体，使有机物得到分解氧化，这就相当于回收了一部分被消耗的氧。理论上，每硝化1g氨氮需4.57g氧，而每还原gNO₃-可提供2.86g氧。若外沟反硝化率为80%，则有50%硝化所需的氧被回收，这就减少了供氧量，也就节省了供氧能耗。
　　另外，发生于奥贝尔氧化沟中的同时硝化/反硝化作用使不需内回流即可达到脱氮效果，或至少比常规脱氮工艺所需内回流量少。在系统总脱氮率相同的条件下，比如常规脱氮工艺(如A/O)所需内回流比(R)为200%，而奥贝尔氧化沟仅需50%(假设外沟道的脱氮率仅为50%)，这样就减少了内回流所需能耗。
　　②在奥贝尔氧化沟中需氧量最大的外沟道有最大的氧传递现场修正系数(因DO平均为零)，这就大大减少了实际所需供氧量。在其他条件相同的状况下，DO为2mg/L时比DO为零时的标准需氧量要多出约30%，或说DO为零时的标准需氧量仅为DO为2mg/L时的75%。
　　假设设计进出水水质、曝气设备等条件相同，比较奥贝尔氧化沟与只有硝化的常规处理系统及有硝化、反硝化的常规处理系统的供氧量(以标准需氧量计)和供氧能耗的差别。
基础条件假设如下：
　　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。
　　计算过程参数取值如下：
　　Y＝0.65，bH＝0.12，θc＝15d，Tmin＝15℃，Tmax＝25℃，α＝0.85，β＝0.95，ρ＝1。
将上述数据代入式(1)～(8)，可计算出供氧量，假设曝气设备动力效率EP为1.5kgO2/(kW·h)，可得出所需动力消耗。表1为比较结果。

表1　供氧与能耗比较结果表 项目 有硝化的处理系统 有硝化/反硝化的处理系统 奥贝尔氧化沟 泥龄(d) 15 30 15 30 15 30 反应池内DO(mg/L) 2 2 2(好氧池) 2(好氧池) 外沟0.3
中沟1
内沟2 外沟0.3
中沟1
内沟2 AOR(kgO₂/d) 47884 49948 36444 38508 36444 38 508 FCF 0.73 0.73 0.73 0.73 外沟0.94
中沟0.85
内沟0.73 外沟0.94
中沟0.85
内沟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结果可知，与只有硝化的处理系统相比，奥贝尔氧化沟所需供氧量与供氧能耗约节省38%；与有硝化/反硝化的处理系统比，奥贝尔氧化沟所需供氧量与供氧能耗约节省20%。

4　结语

　　 与曝气池充氧和混合相关的高动力费用是工程设计人员和运行管理人员所普遍关注的。国外最早发现奥贝尔氧化沟的节能特征是在污水处理厂运行中观测到的：实际供氧量大大少于按常规方法设计的氧化沟系统，或是有机负荷高出三分之一以上时不增加供氧量出水仍能达标，这一潜能现已被人们认识并充分发掘出来加以广泛利用。
　　 目前，奥贝尔氧化沟工艺在我国的应用方兴未艾。在我国污水处理厂出水排放标准越来越严的今天，在满足排放标准要求的同时，人们更关心能耗的节省。只考虑硝化的处理系统在某种条件下也可能满足处理要求，但却造成了能量的浪费；而在一般的脱氮工艺(如A/O工艺)中，好氧池中较高的溶解氧浓度并不利于氧的传递。奥贝尔氧化沟特有的DO梯度分布很好地解决了这一矛盾，约占一半总池容的外沟道DO接近于零，不仅节省了能耗还提高了氧传递速率；内沟的DO维持2mg/L可保证有足够的氧带入二沉池。奥贝尔氧化沟的此种DO设计堪称脱氮与节能完美结合的典范，与同类处理工艺相比其供氧能耗约节省15%～20%。

参考文献：
［1］郑兴灿，李亚新.污水除磷脱氮技术［M］.北京：中国建筑工业出版社，1998.
［2］张自杰.排水工程(下册)［M］.北京：中国建筑工业出版社，1996.

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　　 收稿日期：2000-09-08