奧貝爾（Orbal）氧化溝充氧量的計(jì)算

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簡介： 本文通過對奧貝爾（Orbal）氧化溝工藝特點(diǎn)的介紹，詳細(xì)討論了該工藝充氧量的計(jì)算方法及相關(guān)參數(shù)選擇。
關(guān)鍵字：奧貝爾 氧化溝 充氧量 參數(shù)

The Oxygenation Capacity Calculation of Orbal Oxidation Ditch

　　Abstract: Based on a general introduction of the process character of Orbal oxidation ditch, The paper gives a detailed discussion on the calculation method of the oxygenation capacity and the selection of related parameter.

　　Keywords:　Orbal　 Oxidation Ditch　 Oxygenation Capacity　 Parameter

　　一、前言

　　奧貝爾氧化溝污水處理工藝由南非的Huisman設(shè)想開發(fā)，后轉(zhuǎn)讓給美國的Envirex公司。該工藝除具有普通氧化溝流程簡單、管理方便、出水水質(zhì)穩(wěn)定、耐沖擊負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)外，更憑借其良好的節(jié)能效果，在污水處理界得到廣泛應(yīng)用，目前世界上已有500多座奧貝爾氧化溝在正常運(yùn)行。我國于八十年代引進(jìn)該工藝，近年來，隨著北京大興污水處理廠、山東萊西污水處理廠、溫州市污水處理廠、廊坊市東方污水處理廠、臺(tái)州市污水處理廠、無錫市城北污水處理廠等的建成運(yùn)行，充分顯現(xiàn)了該工藝良好的技術(shù)性能。

　　二、奧貝爾氧化溝工藝特點(diǎn)

　　奧貝爾氧化溝屬活性污泥法中的延時(shí)曝氣法，溝體通常由三個(gè)同心橢圓形溝道組成，污水與回流污泥混合后，由外溝道進(jìn)入，再依次進(jìn)入中溝和內(nèi)溝，在各溝道內(nèi)循環(huán)數(shù)十到數(shù)百次，最終出水至二沉池。各溝道內(nèi)安裝有數(shù)量不等的轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)，以進(jìn)行充氧及推流攪拌作用。

　　與普通氧化溝相比，奧貝爾氧化溝可看作是由外溝、中溝和內(nèi)溝串聯(lián)的一種多級(jí)氧化溝：

　　外溝道的功能主要是高效完成碳源氧化、反硝化及大部分硝化，容積通常占氧化溝容積的50%～55%，可去除80%左右的有機(jī)物，溶解氧濃度一般在0mg/l～0.5mg/l之間，在溝道內(nèi)形成交替耗氧和大區(qū)域的缺氧環(huán)境，可較高程度地同時(shí)進(jìn)行“硝化和反硝化”，脫氮效果明顯，氨氮的去除率可高達(dá)90%；同時(shí)，由于溝道中大部分區(qū)域溶解氧在0mg/l～0.5mg/l之間，氧傳遞作用是在氧虧條件下進(jìn)行的，氧的轉(zhuǎn)移速率有所提高，節(jié)能效果明顯。

　　中溝道是聯(lián)系外溝與內(nèi)溝的過渡段，進(jìn)行互補(bǔ)調(diào)節(jié)，進(jìn)一步去除剩余的有機(jī)物及繼續(xù)完成氨氮硝化，并可充分發(fā)揮外溝道或內(nèi)溝道的強(qiáng)化作用，有利于保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，中溝道容積一般占25%～30%，溶解氧濃度控制在1.0mg/l左右。

　　內(nèi)溝道主要是為了確保氧化溝出水水質(zhì)，溶解氧濃度約在2.0mg/l左右，以保證有機(jī)物和氨氮較高的去除率，同時(shí)保證出水帶有足夠的溶解氧進(jìn)入二沉池，抑制磷的釋放。內(nèi)溝道容積約占氧化溝總?cè)莘e的15%～20%。

　　從奧貝爾氧化溝三個(gè)溝的溶解氧分布來看，外溝、中溝、內(nèi)溝的溶解氧呈0—1—2mg/L的梯度分布，其中，僅內(nèi)溝道的溶解氧值要求較高，與普通氧化溝要求（2mg/L）一致，外溝及中溝的溶解氧均低于普通氧化溝要求。由于氧的轉(zhuǎn)移速率隨混合液溶解氧濃度的降低而提高，故在奧貝爾氧化溝的外溝及中溝中，氧的轉(zhuǎn)移速率將高于普通氧化溝，這樣充氧量可相應(yīng)減少，這就決定了奧貝爾氧化溝較普通氧化溝更為節(jié)能，一般約節(jié)省能耗15%～20%。因此，在設(shè)計(jì)奧貝爾氧化溝時(shí)，應(yīng)充分結(jié)合工藝特點(diǎn)，科學(xué)合理地計(jì)算充氧量。

　　三、充氧量計(jì)算

　　奧貝爾氧化溝充氧量的計(jì)算方法與普通氧化溝一樣，可分為需氧量計(jì)算及折算標(biāo)準(zhǔn)需氧量兩個(gè)步驟，結(jié)合奧貝爾氧化溝的工藝特點(diǎn)，應(yīng)對三條溝道分別計(jì)算。

　　1. 需氧量（AOR）計(jì)算

　　對于硝化/反硝化完全的氧化溝系統(tǒng)，需氧量（AOR）包括碳源氧化需氧及硝化需氧兩部分，并考慮扣除剩余活性污泥排放減少的有機(jī)物耗氧及反硝化過程可利用的氧量。具體為：

　　（1）碳源氧化需氧量

　　碳源氧化需氧量以降解的BOD值來計(jì)算，根據(jù)BOD的定義，降解1kgBOD需消耗1kgO2。通常情況下，污水中有機(jī)物濃度是以BOD5來表示的，在20℃時(shí)，BOD與BOD5的比值為1.47，故碳源氧化需氧量為1.47QSBOD5，其中Q為設(shè)計(jì)進(jìn)水流量（m3/d），SBOD5為設(shè)計(jì)BOD5去除濃度（kg/m3）。

　?。?）剩余活性污泥排放減少的有機(jī)物耗氧

　　如果系統(tǒng)中每日排放的剩余活性污泥為ΔXVSS（kg/d），那么該部分有機(jī)物不參與耗氧，則減少的需氧量為1.42ΔXVSS（kg/d）。

　?。?）硝化需氧量

　　從硝化反應(yīng)的反應(yīng)式可知，每硝化1g氨氮需4.57gO2，若每日所需硝化的氨氮量為ΔNNH4（kg/d），則硝化需氧量為4.57ΔNNH4（kg/d）。

　　（4）反硝化過程可利用的氧量

　　在脫硝過程中，每還原1gNO3-可提供2.86gO2，若每日所進(jìn)行反硝化的硝態(tài)氮量為ΔNNO3（kg/d），則反硝化過程可利用的氧量為2.86ΔNNO3（kg/d）。

　?。?）總需氧量

　　對上面4項(xiàng)求和，則總需氧量為：

　　AOR＝1.47QSBOD5-1.42ΔXVSS+4.57ΔNNH4-2.86ΔNNO3　　　　　　　　　　　　　　　　　 （公式1）

　　如果認(rèn)為奧貝爾氧化溝中揮發(fā)性懸浮固體濃度（MLVSS）及污泥齡（θc）在三條溝道一致，氧化溝總?cè)莘e為V，則公式1可改寫為：

　　AOR＝1.47QSBOD5-1.42V•MLVSS/θc +4.57ΔNNH4-2.86ΔNNO3　　　　　　　　　 （公式2）

　　前面已經(jīng)論述，奧貝爾氧化溝可看作是由外溝、中溝和內(nèi)溝串聯(lián)的多級(jí)氧化溝，三條溝道功能不同，進(jìn)行碳源氧化、硝化、反硝化的程度不同，設(shè)定在外、中、內(nèi)三條溝道中：

　　對BOD的去除比例為a1、a2、a3；

　　三溝容積比為b1、b2、b3；

　　硝化反應(yīng)的發(fā)生比例為c1、c2、c3；

　　反硝化反應(yīng)的發(fā)生比例為d1、d2、d3，則公式2可改寫為：

　　AOR＝1.47（a1＋a2＋a3）QSBOD5-1.42（b1＋b2＋b3）V·MLVSS/θc +4.57（c1＋c2＋c3）ΔNNH4-2.86（d1＋d2＋d3）ΔNNO3　　　　　　　　　　 （公式3）

　　（6）各溝需氧量

　　拆分公式3，可得各溝需氧量，分別為：

　　AOR外＝1.47a1QSBOD5-1.42b1V•MLVSS/θc+4.57c1ΔNNH4-2.86d1ΔNNO3　　　　　　 （公式4）

　　AOR中＝1.47a2QSBOD5-1.42b2V•MLVSS/θc+4.57c2ΔNNH4-2.86d2ΔNNO3　　　　　　 （公式5）

　　AOR內(nèi)＝1.47a3QSBOD5-1.42b3V•MLVSS/θc+4.57c3ΔNNH4-2.86d3ΔNNO3　　　　　　 （公式6）

　　2. 折算標(biāo)準(zhǔn)需氧量（SOR）

　　由于氧轉(zhuǎn)移速率受水質(zhì)、水溫、大氣壓力、水中溶解氧濃度等因素的影響，因此對前面計(jì)算的需氧量（AOR）應(yīng)乘以一個(gè)系數(shù)進(jìn)行修正，折算為標(biāo)準(zhǔn)需氧量（SOR）。對于表曝系統(tǒng)，計(jì)算公式為：

　　SOR=AOR•Cs20/α·1.024(t-20)（βρCsTmax-Cl）　　　　　　　　　　　 （公式7）

　　式中：

　　Tmax為設(shè)計(jì)最高水溫，℃；

　　Cs20　 為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水溫20℃時(shí)飽和溶解氧濃度，9.17mg/L；

　　CsTmax為設(shè)計(jì)最高水溫時(shí)飽和溶解氧濃度，mg/L；

　　α　 為污水中氧轉(zhuǎn)移系數(shù)的修正系數(shù)，一般取0.8～0.85；

　　β　 為污水中飽和溶解氧濃度的修正系數(shù)，一般取0.9～0.97；

　　ρ　 為氣壓修正系數(shù)，一般取1；

　　Cl　　 為混合液溶解氧濃度，mg/L。

　　根據(jù)公式7，可分別計(jì)算各溝的標(biāo)準(zhǔn)需氧量SOR外、SOR中、SOR內(nèi)。

　　3. 計(jì)算實(shí)例

　　下面以1座處理規(guī)模1.25萬m3/d的奧貝爾氧化溝為例，計(jì)算所需充氧量。

　　基礎(chǔ)條件如下：

　　SBOD5=194mg/l,氧化溝容積V=8360m3，外、中、內(nèi)三溝容積比b1、b2、b3分別為51%、31%、18%，每日所需硝化的氨氮量ΔNNO3=296kg/d，反硝化的硝態(tài)氮量ΔNNO3=171kg/d。

　　相關(guān)參數(shù)選擇分別為MLVSS=3000mg/l,θc=30d，α＝0.85，β＝0.90，ρ＝1，設(shè)計(jì)最高水溫Tmax=25℃，混合液溶解氧濃度分別為0、1、2mg/L。

　　結(jié)合奧貝爾氧化溝的工藝特點(diǎn)，我們可以認(rèn)為：所有的反硝化反應(yīng)發(fā)生在缺氧段，即外溝，則三溝中反硝化反應(yīng)的發(fā)生比例d1、d2、d3分別為100%、0、0；根據(jù)本例出水氨氮及總氮要求，三溝中硝化反應(yīng)的發(fā)生比例c1、c2、c3可確定為60%、30%、10%；對于BOD的去除，參照AB法，外溝與AB法A段較類似，外溝有機(jī)物去除率約70%，結(jié)合三溝的功能特點(diǎn)，a1、a2、a3可設(shè)定為70%、20%、10%。

　　根據(jù)上述條件計(jì)算，外溝、中溝、內(nèi)溝的需氧量分別為：

　　AOR外＝2213kg/d

　　AOR中＝751kg/d

　　AOR內(nèi)＝278kg/d

　　根據(jù)公式7，計(jì)算外溝、中溝、內(nèi)溝的標(biāo)準(zhǔn)需氧量分別為：

　　SOR外＝2988kg/d

　　SOR中＝1172kg/d

　　SOR內(nèi)＝512kg/d

　　三條溝道的充氧比例大致為64%、25%、11%，與典型奧貝爾氧化溝要求的設(shè)計(jì)充氧比（65%、25%、10%）基本一致。

　　以上述計(jì)算的各溝標(biāo)準(zhǔn)需氧量，換算成小時(shí)需氧量，再乘以一定的安全系數(shù)，進(jìn)行曝氣設(shè)備選型。

　　按本例的處理要求，若采用普通氧化溝工藝，總標(biāo)準(zhǔn)需氧量約為5965kg/d，而本例奧貝爾氧化溝總標(biāo)準(zhǔn)需氧量僅為4672kg/d，比普通氧化溝約減少22%。

　　四、結(jié)語

　　目前奧貝爾氧化溝工藝的節(jié)能性已被充分認(rèn)識(shí)，但對于奧貝爾氧化溝充氧量計(jì)算，國內(nèi)仍缺少成熟與統(tǒng)一的計(jì)算方法，本文提供的計(jì)算方法還有待在工程實(shí)際中進(jìn)一步加以驗(yàn)證。相信隨著國內(nèi)更多奧貝爾氧化溝的成功運(yùn)行，一定能促進(jìn)該工藝的設(shè)計(jì)更為科學(xué)合理，以充分發(fā)揮奧貝爾氧化溝的潛能。

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