奥贝尔（Orbal）氧化沟充氧量的计算

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简介： 本文通过对奥贝尔（Orbal）氧化沟工艺特点的介绍，详细讨论了该工艺充氧量的计算方法及相关参数选择。
关键字：奥贝尔 氧化沟 充氧量 参数

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

　　奥贝尔氧化沟污水处理工艺由南非的Huisman设想开发，后转让给美国的Envirex公司。该工艺除具有普通氧化沟流程简单、管理方便、出水水质稳定、耐冲击负荷等优点外，更凭借其良好的节能效果，在污水处理界得到广泛应用，目前世界上已有500多座奥贝尔氧化沟在正常运行。我国于八十年代引进该工艺，近年来，随着北京大兴污水处理厂、山东莱西污水处理厂、温州市污水处理厂、廊坊市东方污水处理厂、台州市污水处理厂、无锡市城北污水处理厂等的建成运行，充分显现了该工艺良好的技术性能。

　　二、奥贝尔氧化沟工艺特点

　　奥贝尔氧化沟属活性污泥法中的延时曝气法，沟体通常由三个同心椭圆形沟道组成，污水与回流污泥混合后，由外沟道进入，再依次进入中沟和内沟，在各沟道内循环数十到数百次，最终出水至二沉池。各沟道内安装有数量不等的转碟曝气机，以进行充氧及推流搅拌作用。

　　与普通氧化沟相比，奥贝尔氧化沟可看作是由外沟、中沟和内沟串联的一种多级氧化沟：

　　外沟道的功能主要是高效完成碳源氧化、反硝化及大部分硝化，容积通常占氧化沟容积的50%～55%，可去除80%左右的有机物，溶解氧浓度一般在0mg/l～0.5mg/l之间，在沟道内形成交替耗氧和大区域的缺氧环境，可较高程度地同时进行“硝化和反硝化”，脱氮效果明显，氨氮的去除率可高达90%；同时，由于沟道中大部分区域溶解氧在0mg/l～0.5mg/l之间，氧传递作用是在氧亏条件下进行的，氧的转移速率有所提高，节能效果明显。

　　中沟道是联系外沟与内沟的过渡段，进行互补调节，进一步去除剩余的有机物及继续完成氨氮硝化，并可充分发挥外沟道或内沟道的强化作用，有利于保证系统运行的可靠性，中沟道容积一般占25%～30%，溶解氧浓度控制在1.0mg/l左右。

　　内沟道主要是为了确保氧化沟出水水质，溶解氧浓度约在2.0mg/l左右，以保证有机物和氨氮较高的去除率，同时保证出水带有足够的溶解氧进入二沉池，抑制磷的释放。内沟道容积约占氧化沟总容积的15%～20%。

　　从奥贝尔氧化沟三个沟的溶解氧分布来看，外沟、中沟、内沟的溶解氧呈0—1—2mg/L的梯度分布，其中，仅内沟道的溶解氧值要求较高，与普通氧化沟要求（2mg/L）一致，外沟及中沟的溶解氧均低于普通氧化沟要求。由于氧的转移速率随混合液溶解氧浓度的降低而提高，故在奥贝尔氧化沟的外沟及中沟中，氧的转移速率将高于普通氧化沟，这样充氧量可相应减少，这就决定了奥贝尔氧化沟较普通氧化沟更为节能，一般约节省能耗15%～20%。因此，在设计奥贝尔氧化沟时，应充分结合工艺特点，科学合理地计算充氧量。

　　三、充氧量计算

　　奥贝尔氧化沟充氧量的计算方法与普通氧化沟一样，可分为需氧量计算及折算标准需氧量两个步骤，结合奥贝尔氧化沟的工艺特点，应对三条沟道分别计算。

　　1. 需氧量（AOR）计算

　　对于硝化/反硝化完全的氧化沟系统，需氧量（AOR）包括碳源氧化需氧及硝化需氧两部分，并考虑扣除剩余活性污泥排放减少的有机物耗氧及反硝化过程可利用的氧量。具体为：

　　（1）碳源氧化需氧量

　　碳源氧化需氧量以降解的BOD值来计算，根据BOD的定义，降解1kgBOD需消耗1kgO2。通常情况下，污水中有机物浓度是以BOD5来表示的，在20℃时，BOD与BOD5的比值为1.47，故碳源氧化需氧量为1.47QSBOD5，其中Q为设计进水流量（m3/d），SBOD5为设计BOD5去除浓度（kg/m3）。

　　（2）剩余活性污泥排放减少的有机物耗氧

　　如果系统中每日排放的剩余活性污泥为ΔXVSS（kg/d），那么该部分有机物不参与耗氧，则减少的需氧量为1.42ΔXVSS（kg/d）。

　　（3）硝化需氧量

　　从硝化反应的反应式可知，每硝化1g氨氮需4.57gO2，若每日所需硝化的氨氮量为ΔNNH4（kg/d），则硝化需氧量为4.57ΔNNH4（kg/d）。

　　（4）反硝化过程可利用的氧量

　　在脱硝过程中，每还原1gNO3-可提供2.86gO2，若每日所进行反硝化的硝态氮量为ΔNNO3（kg/d），则反硝化过程可利用的氧量为2.86ΔNNO3（kg/d）。

　　（5）总需氧量

　　对上面4项求和，则总需氧量为：

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

　　如果认为奥贝尔氧化沟中挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）及污泥龄（θc）在三条沟道一致，氧化沟总容积为V，则公式1可改写为：

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

　　前面已经论述，奥贝尔氧化沟可看作是由外沟、中沟和内沟串联的多级氧化沟，三条沟道功能不同，进行碳源氧化、硝化、反硝化的程度不同，设定在外、中、内三条沟道中：

　　对BOD的去除比例为a1、a2、a3；

　　三沟容积比为b1、b2、b3；

　　硝化反应的发生比例为c1、c2、c3；

　　反硝化反应的发生比例为d1、d2、d3，则公式2可改写为：

　　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）各沟需氧量

　　拆分公式3，可得各沟需氧量，分别为：

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

　　2. 折算标准需氧量（SOR）

　　由于氧转移速率受水质、水温、大气压力、水中溶解氧浓度等因素的影响，因此对前面计算的需氧量（AOR）应乘以一个系数进行修正，折算为标准需氧量（SOR）。对于表曝系统，计算公式为：

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

　　式中：

　　Tmax为设计最高水温，℃；

　　Cs20　 为标准大气压下水温20℃时饱和溶解氧浓度，9.17mg/L；

　　CsTmax为设计最高水温时饱和溶解氧浓度，mg/L；

　　α　 为污水中氧转移系数的修正系数，一般取0.8～0.85；

　　β　 为污水中饱和溶解氧浓度的修正系数，一般取0.9～0.97；

　　ρ　 为气压修正系数，一般取1；

　　Cl　　 为混合液溶解氧浓度，mg/L。

　　根据公式7，可分别计算各沟的标准需氧量SOR外、SOR中、SOR内。

　　3. 计算实例

　　下面以1座处理规模1.25万m3/d的奥贝尔氧化沟为例，计算所需充氧量。

　　基础条件如下：

　　SBOD5=194mg/l,氧化沟容积V=8360m3，外、中、内三沟容积比b1、b2、b3分别为51%、31%、18%，每日所需硝化的氨氮量ΔNNO3=296kg/d，反硝化的硝态氮量ΔNNO3=171kg/d。

　　相关参数选择分别为MLVSS=3000mg/l,θc=30d，α＝0.85，β＝0.90，ρ＝1，设计最高水温Tmax=25℃，混合液溶解氧浓度分别为0、1、2mg/L。

　　结合奥贝尔氧化沟的工艺特点，我们可以认为：所有的反硝化反应发生在缺氧段，即外沟，则三沟中反硝化反应的发生比例d1、d2、d3分别为100%、0、0；根据本例出水氨氮及总氮要求，三沟中硝化反应的发生比例c1、c2、c3可确定为60%、30%、10%；对于BOD的去除，参照AB法，外沟与AB法A段较类似，外沟有机物去除率约70%，结合三沟的功能特点，a1、a2、a3可设定为70%、20%、10%。

　　根据上述条件计算，外沟、中沟、内沟的需氧量分别为：

　　AOR外＝2213kg/d

　　AOR中＝751kg/d

　　AOR内＝278kg/d

　　根据公式7，计算外沟、中沟、内沟的标准需氧量分别为：

　　SOR外＝2988kg/d

　　SOR中＝1172kg/d

　　SOR内＝512kg/d

　　三条沟道的充氧比例大致为64%、25%、11%，与典型奥贝尔氧化沟要求的设计充氧比（65%、25%、10%）基本一致。

　　以上述计算的各沟标准需氧量，换算成小时需氧量，再乘以一定的安全系数，进行曝气设备选型。

　　按本例的处理要求，若采用普通氧化沟工艺，总标准需氧量约为5965kg/d，而本例奥贝尔氧化沟总标准需氧量仅为4672kg/d，比普通氧化沟约减少22%。

　　四、结语

　　目前奥贝尔氧化沟工艺的节能性已被充分认识，但对于奥贝尔氧化沟充氧量计算，国内仍缺少成熟与统一的计算方法，本文提供的计算方法还有待在工程实际中进一步加以验证。相信随着国内更多奥贝尔氧化沟的成功运行，一定能促进该工艺的设计更为科学合理，以充分发挥奥贝尔氧化沟的潜能。

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