奥贝尔氧化沟工艺节能设计计算探讨论文

2021-04-19 论文

　　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。

　　1 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。

　　2 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 < 20 mg /L，符合要求。

　　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 < 9. 84 h，故能够满足硝化的要求。

　　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

　　1 072 = 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。

　　3 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。

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