淺析奧貝爾氧化溝溶解氧的分布與能耗的節(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器系統(tǒng)，通常由三個同心的溝渠串聯組成，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日落氣轉碟以供氧并起混合與推動池內混合液的作用。日落氣轉碟按各溝道供氧量的分配設置，實際運街上中還可根據需要調節(jié)其轉速與浸沒深度。奧貝爾氧化溝三個溝道的容積占總容積的百分比分別為外溝約占50%～60%，中溝30%～35%，內溝15%～20%，多采用50%：33%：17%。
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除構形上的特征，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）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，控制第一溝的DO在0～0.5mg/L內。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(xù)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的。在一個有硝化反硝化的生物反應池中，實際需氧量可由下式計算：
AOR=1.7QSBOD-1.42XVSS+4.57QDN-2.86QDDN (1)
式中，AOR-----實際需氧量（kgO2/d)
Q------設計進水流量（m3/d)
SBOD------設計BOD去除濃度（g/L)
XVSS------活性污泥生成量（kg/d)
DN-------需硝化的氮量（g/L)
DDN------需反硝化的氮量（g/L)
在設計條件、設計參數相同的條件下，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，故轉換為作為選擇曝氣設備依據的標準需氧量時，各處理系統(tǒng)就會有所差別。這里引入一個校正參數--現場修正系數FCF，對表面曝氣設備，其值由下式計算：
FCF=(βΡС-C/C20)а×1.024(Tmax-20) (2)
式中，FCF----氧傳遞現場校正系數
а----清污氧傳遞速修正系數，а=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(qū)實際氣壓（Ρa）/1.013×105
Tmax---設計最高水溫（℃）
C20---標準大氣壓下水溫20攝氏度時氧的飽和溶解度（mg/L)）
Cs----設計最高水溫Tmax下氧的飽和溶解度（mg/L)
C-----設計反應池內平均溶解氧濃度（mg/L)
于是標準需氧量（SOR）為：
SOR=AOR/FCT（kgO2/d) (3)
由式（2）和（3）可知，反應在池混合液中溶解氧越小，現場校正系數越大，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，由于有最大的推動力，因此氧的轉移率最大，現場校正系數最大，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-2.86QDND
=(1.791.42Y)QSBOD+1.42YQSBOD×(0.8bHθc/1+bHθc)+4.57QDN-2.86QDDN (4)
式中，Y---異養(yǎng)微生物產率系數（kgVSS/kgBOD5),一般為0.55--0.75kgVSS/kgBOD5；
bh---異樣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(yǎng)微生物內源衰
減速率，一般為0.15--0.25d-1,Tmin為設計最低水漫
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泉呼吸需氧量。
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：
APR1=(1.7-1.42)ηB1QSBOD+1.42p1YQSBOD×(0.8bHθc/1+bHθc)+4.57ηN1QDN-2.86ηDN1QDDN (5)
APR2=(1.7-1.42)ηB2QSBOD+1.42p2YQSBOD×(0.8bHθc/1+bHθc)+4.57ηN2QDN-2.86ηDN2QDDN (6)
APR3=(1.7-1.42)ηB3QSBOD+1.42p3YQSBOD×(0.8bHθc/1+bHθc)+4.57ηN3QDN-2.86ηDN3QDDN (7)
再假設：外、中、內三個溝內設計溶解氧濃度分別為C1、C2、C3，則三溝的氧傳遞現場校正系數分別為：FCF1、FCF2、FCF3。相應的標準需氧量即為：SOR1、SOR2、SOR3。奧貝爾氧化溝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(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。當終沉池內有氣泡產生且造成污泥上浮時，即為硝酸鹽在終沉池內發(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池內進行，這樣就不存在沉淀池中的產氮氣問題，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)內不僅發(fā)生硝化發(fā)應。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4.57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場校正系數（因DO平均為零），這就大大減少了實際所需供氧量。在其它條件相同的狀態(tài)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%左右。
假設設計進出水水質、泥齡、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(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（在此以標準需氧量計）與供氧能耗的差別。
基礎條件假設如下：
Q=10萬3/d,SBOD=200mg/l,DN=50mg/L,DDN=40mg/L,p1=55%,p1=30%,p1=15%,ηB1=100%,ηB1=0,
ηB1=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,p=1。
將上述數據代入式（1）---（8）計算可得出供氧量，假設曝氣設備動力效率Ep為1.5kgO2/kwh,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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由表中結果可知，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(fā)現奧貝爾氧化溝的節(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)方法設計的氧化溝系統(tǒng)，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。這一潛能慢慢被人們認識并充分發(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用正方興未艾。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(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(jié)能完美結合的典范，與同類處理工藝相比其供氧能耗約節(jié)省15%～20%。
參考文獻
(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。中國建筑工業(yè)出版社，北京，1998
(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
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