淺析奧貝爾氧化溝溶解氧的分布與能耗的節(jié)省

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簡介： 淺析奧貝爾氧化溝溶解氧的分布與能耗的節(jié)省
關(guān)鍵字：奧貝爾氧化溝 溶解氧 能耗的節(jié)省

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)，通常由三個同心的溝渠串聯(lián)組成，溝渠呈圓形或橢圓形。圖1為一個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。在三個溝道內(nèi)均設(shè)有日落氣轉(zhuǎn)碟以供氧并起混合與推動池內(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，實際運街上中還可根據(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最顯著特征是三個溝道的溶解呈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)計計算

　　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。在一個有硝化反硝化的生物反應(yīng)池中，實際需氧量可由下式計算：

　　AOR=1.7QS_BOD-1.42X_VSS+4.57QD_N-2.86Q_DDN(1)
　　式中，AOR-----實際需氧量（kgO₂/d)
　　　　　Q------設(shè)計進(jìn)水流量（m³/d)
　　　　　S_BOD------設(shè)計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)計條件、設(shè)計參數(shù)相同的條件下，任何處理系統(tǒng)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，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，各處理系統(tǒng)就會有所差別。這里引入一個校正參數(shù)--現(xiàn)場修正系數(shù)FCF，對表面曝氣設(shè)備，其值由下式計算：

　　　FCF=(βΡС-C/C20)а×1.024(T_max^-20) 　　　　　　　　　　　(2)
　　 式中，F(xiàn)CF----氧傳遞現(xiàn)場校正系數(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)實際氣壓（Ρa）/1.013×10⁵
　　　　　T_max---設(shè)計最高水溫（℃）
　　　　　C20---標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水溫20攝氏度時氧的飽和溶解度（mg/L)）
　　　　　Cs----設(shè)計最高水溫Tmax下氧的飽和溶解度（mg/L)
　　　　　C-----設(shè)計反應(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)場校正系數(shù)越大，則相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)需氧量就少，實際供氧量降低，從而也就降低了動力消耗。當(dāng)混合液中的DO為零時，由于有最大的推動力，因此氧的轉(zhuǎn)移率最大，現(xiàn)場校正系數(shù)最大，能耗節(jié)省最多。
　　對奧貝爾氧化溝而言，各溝道的容積不同，對有機(jī)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(nèi)的溶解不一樣，F(xiàn)CF也就不一樣。因此，在計算標(biāo)準(zhǔn)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(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)計最低水漫
　　　　　θc---設(shè)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(nèi)源泉呼吸需氧量。
　　假設(shè)：
　　1）外、中、內(nèi)溝對BOD₅的去除率分別為η_B1、η_B2、η_B3，對TKN的硝化率分別為η_N1、η_N2、η_N3，對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)三個溝道的實際需氧量分別為：
　　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)三個溝內(nèi)設(shè)計溶解氧濃度分別為C₁、C₂、C₃，則三溝的氧傳遞現(xiàn)場校正系數(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)在兩個方面：
　　第一，同時硝化/反硝化比單獨的硝化要節(jié)省能耗。在設(shè)計和運行延時曝氣模式的活性污泥處理系統(tǒng)時，由于泥齡長、投入的氧量多以及池容大，其成本超時常規(guī)活性污泥法系統(tǒng)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，即為硝酸鹽在終沉池內(nèi)發(fā)生了反硝化生成氮氣所為，而此時，硝酸鹽中的氧即被“浪費”掉了。
　　實際上，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)氮氣問題，同時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)場校正系數(shù)（因DO平均為零），這就大大減少了實際所需供氧量。在其它條件相同的狀態(tài)下，DO為2mg/L時比DO為零時的標(biāo)準(zhǔn)需氧量要多出約30%，或說DO為零時的標(biāo)準(zhǔn)需氧量僅為DO為2mg/L時的75%左右。
　　假設(shè)設(shè)計進(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）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）計算可得出供氧量，假設(shè)曝氣設(shè)備動力效率E_p為1.5kgO₂/kwh,可得出所需動力消耗。表1為比較結(jié)果。 

表1 供氧與能耗比較結(jié)果表項 目僅有硝化的處理系統(tǒng)有硝化反硝化的處理系統(tǒng)奧貝爾氧化溝反應(yīng)池內(nèi)DO（mg/L)22外溝o.3
中溝1
內(nèi)溝2AOR(kgO₂/d)478843644436444FCF0.730.73外溝 0.94
中溝0.85
內(nèi)溝0.73SOR(kgO₂/d)655954992339865能耗（kw)182213871101

　　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)的高動力費用是工程設(shè)計人員和運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)能物征是源于在污水處理廠運行中觀測到，實際供氧量大大少于按常規(guī)方法設(shè)計的氧化溝系統(tǒng)，或是有機(jī)負(fù)荷高出三分之一以上時，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)用正方興未艾。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，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。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)
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　　(4)張自杰主編。排水工程（下冊）。中國建筑工業(yè)出版社，北京，1996