关于奥贝尔氧化沟工艺节能设计计算探讨论文_奥贝尔氧化沟设计计算
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0 引言
奥贝尔氧化沟污水处理工艺最初由南非的Huisman 公司设想提出，沟体通常由三个同心椭圆形沟道组成，三个沟道内均设置有曝气转碟，具有推流式和完全混合式两种流态的优点，其形状如图1 所示。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，在污水处理领域得到广泛应用。氧化沟主要设计
1.1 容积设计
奥贝尔氧化沟容积一般包括好氧区和缺氧区两部分。其中好氧区容积的计算方法可以参照曝气池容积的计算方法，一般有BOD5—污泥负荷率(Us)法、容积负荷(Uv)法和污泥龄(θc)法，笔者倾向于采用污泥龄法来计算;因为有脱氮要求，当采用硝化、反硝化动力学计算时，还需考虑反硝化所需缺氧区的容积。好氧区和缺氧区容积计算参见《室外排水设计规范》公式。
1.2 需氧量的计算
分为需氧量计算及折算标准需氧量两个步骤，奥贝尔氧化沟需对三条沟道分别计算。总需氧量包括碳化需氧量和硝化需氧量，还应该扣除反硝化过程所补充的氧量。
1.3 水下推进器的计算
合理减小氧化沟占地，必须加大有效水深，但使用机械表面曝气不能达到深水推流要求，沟深的氧化沟就必须加设水下推流器。关于水下推流器的设计及选型，国内还缺乏相关的经验，笔者采用国外飞力公司水力计算方法，飞力公司水下推力器的推力计算式如下:T = 12ρAU2 k(1)其中，U 为氧化沟的平均流速，m/s;A 为过水断面面积，m2;ρ为液体密度，kg /m3;k 为沿程和局部总阻力系数(其中局部阻力系数包括弯道处阻力系数和曝气阻力);T 为推动力，N。工程实例
结合合肥市某实际工程为例，给出处理规模为20 000 m3 /d的奥贝尔氧化沟节能计算方法。
2.1 基础资料
处理规模: Q = 20 000 m3 /d(不考虑变化系数)。
2.2 设计参数
考虑污水处理厂脱氮除磷的要求，设计污泥龄(SRT)取15 d。为提高系统抗负荷变化能力，选择混合液污泥浓度(X)MLSS =3 000 mg /L，考虑所选污水处理工艺不设初沉池，取f = 0.6，溶解氧浓度好氧区取2.0 mg /L，缺氧区取0.2 mg /L，根据设计经验值，取污泥产率系数Y = 0.6 kg VSS /kg BOD5，衰减系数Kd =0.05 d-1，K = k' = 0.03 平行设置两条氧化沟，每组设计流量10 000 m3 /d。
2.3 设计计算
设计计算仅从下面三大方面进行计算，其他计算从略。
2.3.1 氧化沟容积的计算
1)出水中溶解性BOD5的确定(Se):
Se = 1k'Y1θc(+ K)d = 10.03 × 0.6 × 1(15 + 0.05)= 6.48 mg /L。该工艺未设置初沉池，故取f = VSS /SS = 0.6，一般计算都是假设出水中不带沉淀，所有的污泥都沉淀下来或是回流到曝气池。实际中固液分离不可能彻底，出水中总带有污泥悬浮固体，这部分污泥悬浮固体的BOD5应加入到出水总BOD5计算中去。因此，最终出水的BOD5应该是:出水总BOD5(mg /L)=[出水中溶解性BOD5(mg /L)]+[出水中VSS 的BOD5(mg /L)]。实际值中，VSS 只有77% 是可生物降解的，故1 mg VSS 只有0.77 mg BOD5。出水中VSS 的BOD5(mg /L)= 出水SS × f × 0.77 = 20 × 0.6 ×0.77 = 9.24 mg /L;出水总BOD5(mg /L)= Se + 出水中VSS 的BOD5 = 6.48 + 9.24 = 15.72 mg /L
2)好氧区容积的确定(根据劳麦方程可得):
V1 = QYθc(S0-Se)Xv(1 + Kdθc)= 4 100.57 m3。
3)水力停留时间(硝化):
HRT = V/Q = 4 100.57 /10 000 = 0.410 057 d = 9.84 h。
4)污泥负荷:
F/M = Q(S0-Se)XvV = 0.194 kg BOD5 /(kg MLSS·d)，满足F/M值在(0.1 ～ 0.2)kg BOD5 /(kg MLSS·d)(按温带情况来考虑)，符合脱氮除磷的要求。
5)剩余污泥量:
Xw = XV/θc = YQ(S0-Se)(1 + Kdθc)= 492 kg /d(干污泥量)。
6)硝化校核
。根据实际硝化速率rn = fn·qn，原污水BOD5 /TKN = 3.75，故取fn =0.07;qn为单位质量的硝化菌降解氨氮的速率，因污泥龄为15 d，计算得qn = 0.67，得到实际硝化速率rn = 0.046 9 d-1，又因为rn = N0-NeXvHRTn，得HRTn = 0.363 d = 8.72 h
7)缺氧区设计计算采用负荷法。
系统每日脱氮量:W =Q[TN0-(NH-4-Ne)-(NO-3-Ne)]1 000-0.124Xw =208.9 kg/d。反硝化速率: qdn = 0.06 kg NO-3-N/(kg VSS·d)。反硝化容积为: V2 = WqdnXv= 208.90.06 × 1 800 × 103 = 1 934.2 m3。水力停留时间: HRT = V/Q = 1 934.2 /10 000 = 0.193 d = 4.6 h。TN 去除率: ηtn = TN0-TNeTN0× 100% = 40-2040 = 50%。混合液回流比: Rn = ηtn1-ηtn× 100% = 100%。氧化沟总容积: V总= V1 + V2 =4 100.57 +1 934.2 =6 034.77 m3。
8)氧化沟工艺尺寸的确定。
设置两组奥贝尔氧化沟，则单组氧化沟容积为6 034.77 m3。氧化沟弯道部分按照80%，直道部分按照20%计算，则V弯= 0.8 ×6 034.77 = 4 828 m3，V直= 0.2 × 6 034.77 = 1 207 m3。为减小氧化沟占地，取其有效水深4.5 m，超高取0.5 m;则A弯= V弯/h = 1 072 m2，A直= V直/h = 269 m2。
a.直线段长度: 取内，中，外沟的宽度分别为5 m，5 m，6 m。则:
L = A直2(B外+ B中+ B内)= 2692 ×(6 + 5 + 5)= 8.4 m。
b.中心岛半径r: A弯= A外+ A中+ A内(A 指各弯道面积)，则072 = π[(r + 5 + 0.25 +50.25 +6)2-(r +5 +0.25 +5 +0.25)2]+π[(r + 5 + 0.25 + 5)2-(r + 5 + 0.25)2]+ π[(r + 5)2-r2 ]。解得r = 2.42，故取r = 2.5 m。
c.校核各沟道比例: 外沟面积= 738 m2，中沟面积= 430 m2，内沟面积= 255 m2，外沟道容积∶ 中沟容积∶ 内沟容积= 55∶ 32∶ 19，基本符合奥贝尔氧化沟各沟道容积比(一般为55∶ 33∶ 17)。
2.3.2 氧化沟需氧量的计算
每组氧化沟需氧量的确定，由于本设计考虑了脱氮除磷，在需氧量的设计计算时宜考虑氨氮和硝态氮对氧的供需。根据总需氧量的计算公式可知:O2 =1.47QSr-1.42Xw + 4.6QNr-0.124 × 4.6Xw-2.86[TN0-(NH4-Ne)-(NO3-Ne)]。依上式计算得2 533.6 kg O2 /d。取水质修正系数α = 0.82，β = 0.95，压力修正系数ρ = 1.0，C20 = 9.17 mg /L，C28 = 7.92 mg /L，则标准状态需氧量根据公式得: R0 = 5 122.8 mg /d，考虑安全系数R0 = 1.2 × 5 122.8 = 6 147.4 mg /d。奥贝尔氧化沟采用三沟道系统，分配按外沟∶ 中沟∶ 内沟= 65 ∶ 25 ∶ 10 考虑，则外沟需氧量=6 147.4 × 0.65 = 3 995.7 kg O2 /d;中沟需氧量= 6 147.4 × 0.25 =1 536.8 kg O2 /d;内沟需氧量= 6 147.4 × 0.10 = 614.7 kg O2 /d。
2.3.3 氧化沟的水力计算[3]
水深较大氧化沟另需安装水下推流器，从而达到混合推流，由于国内氧化沟曝气设备除了曝气转刷外，其他设备都没有混合推动力参考，本工程参考国外飞力公司计算并选型。
1)外沟推力计算。依据上面公式取外沟的转角k = 1.5，墙摩擦k = 0.87，曝气头k = 0.55，水流为0.3 m/s。因外沟宽度为6 m，水深4.5 m，则A = 6 × 4.5 = 27 m2;总k =(1.5 ×2 +0.87 +0.55)=4.42。则T = 12ρAU2 k = 1 /2 × 1 000 × 27 × 0.32 × 4.42 = 5 370.3 N。依据飞力公式的水下推流器的性能参数，选用大直径的推流器，型号为4430，直径2.5 m，转速32 r /min，单台推力为2 390 N，单台轴功率为2.7 kW，使用3 台，总轴功率为8.1 kW。
2)中沟推力计算。同外沟计算一样，因中沟宽度为5 m，水深4.5 m，则A = 5 × 4.5 = 22.5 m2;取中沟的转角k = 1.2，墙摩擦k =0.77，曝气头k = 0.55，总k =(1.2 × 2 + 0.77 + 0.55)= 3.72。则T = 12ρAU2 k = 1 /2 × 1 000 × 22.5 × 3.72 × 0.32 = 3 766.5 N。依据飞力公式的水下推流器的性能参数，选用大直径的推流器，型号为4410，直径2.5 m，转速17 r /min，单台推力为2 200 N，单台轴功率为2.3 kW，使用2 台，总轴功率为4.6 kW。
3)内沟推力计算。因内沟宽度为5 m，水深4.5 m，则A = 5 ×4.5 = 22.5 m2;取内沟的转角k = 1.0，墙摩擦k = 0.50，曝气头k =0.55，总k =(1.0 × 2 + 0.50 + 0.55)= 3.05。则T = 12ρAU2 k =1 /2 × 1 000 × 22.5 × 3.05 × 0.32 = 3 088.1 N。依据飞力公式的水下推流器的性能参数，选用小直径的推流器，型号为4670，直径0.766 m，转速360 r /min，单台推力为3 800 N，单台轴功率为13 kW，使用1 台，总轴功率为13 kW。结语
通过合理计算，使其外、中和内三沟容积比达到55∶ 33∶ 17 左右，各沟的充氧浓度比为65∶ 25∶ 10 左右为宜，力求工艺最优化下，减少构筑物尺寸，节约用地;通过国外飞力公司的水力计算公式，选择恰当的水下推流器，利于节能。目前奥贝尔氧化沟工艺的稳定性及节能性已被充分认识，但对于奥贝尔氧化沟充氧量及水下推流计算，国内仍缺少成熟统一的计算方法。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，一定能促进该工艺更低碳环保节能，以充分发挥其潜能。
