關於奧貝爾氧化溝工藝節能設計計算探討論文
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0 引言
奧貝爾氧化溝汙水處理工藝最初由南非的Huisman 公司設想提出，溝體通常由三個同心橢圓形溝道組成，三個溝道內均設定有曝氣轉碟，具有推流式和完全混合式兩種流態的優點，其形狀如圖1 所示。該工藝除具有普通氧化溝流程簡單、管理方便、出水水質穩定、耐衝擊負荷等優點外，更憑藉其良好的節能效果，在汙水處理領域得到廣泛應用。
1 氧化溝主要設計
1. 1 容積設計
奧貝爾氧化溝容積一般包括好氧區和缺氧區兩部分。其中好氧區容積的計算方法可以參照曝氣池容積的計算方法，一般有BOD5—汙泥負荷率( Us) 法、容積負荷( Uv) 法和汙泥齡( θc) 法，筆者傾向於採用汙泥齡法來計算; 因為有脫氮要求，當採用硝化、反硝化動力學計算時，還需考慮反硝化所需缺氧區的容積。好氧區和缺氧區容積計算參見《室外排水設計規範》公式。
1. 2 需氧量的計算
分為需氧量計算及折算標準需氧量兩個步驟，奧貝爾氧化溝需對三條溝道分別計算。總需氧量包括碳化需氧量和硝化需氧量，還應該扣除反硝化過程所補充的氧量。
1. 3 水下推進器的計算
合理減小氧化溝佔地，必須加大有效水深，但使用機械錶面曝氣不能達到深水推流要求，溝深的氧化溝就必須加設水下推流器。關於水下推流器的設計及選型，國內還缺乏相關的經驗，筆者採用國外飛力公司水力計算方法，飛力公司水下推力器的推力計算式如下:T = 12ρAU2 k ( 1)其中，U 為氧化溝的平均流速，m/s; A 為過水斷面面積，m2 ; ρ為液體密度，kg /m3 ; k 為沿程和區域性總阻力系數( 其中區域性阻力系數包括彎道處阻力系數和曝氣阻力) ; T 為推動力，N。
2 工程例項
結合合肥市某實際工程為例，給出處理規模為20 000 m3 /d的奧貝爾氧化溝節能計算方法。
2. 1 基礎資料
處理規模: Q = 20 000 m3 /d( 不考慮變化係數)。
2. 2 設計引數
考慮汙水處理廠脫氮除磷的要求，設計汙泥齡( SRT) 取15 d。為提高系統抗負荷變化能力，選擇混合液汙泥濃度( X) MLSS =3 000 mg /L，考慮所選汙水處理工藝不設初沉池，取f = 0. 6，溶解氧濃度好氧區取2. 0 mg /L，缺氧區取0. 2 mg /L，根據設計經驗值，取汙泥產率係數Y = 0. 6 kg VSS /kg BOD5，衰減係數Kd =0. 05 d - 1 ，K = k' = 0. 03 平行設定兩條氧化溝，每組設計流量10 000 m3 /d。
2. 3 設計計算
設計計算僅從下面三大方面進行計算，其他計算從略。
2. 3. 1 氧化溝容積的計算
1) 出水中溶解性BOD5的確定( Se) :
Se = 1k'Y1θc( + K ) d = 10. 03 × 0. 6 × 1( 15 + 0. 05) = 6. 48 mg /L。該工藝未設定初沉池，故取f = VSS /SS = 0. 6，一般計算都是假設出水中不帶沉澱，所有的汙泥都沉澱下來或是迴流到曝氣池。實際中固液分離不可能徹底，出水中總帶有汙泥懸浮固體，這部分汙泥懸浮固體的BOD5應加入到出水總BOD5計算中去。因此，最終出水的BOD5應該是:出水總BOD5( mg /L) =[出水中溶解性BOD5( mg /L) ]+[出水中VSS 的BOD5( mg /L) ]。實際值中，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; 出水總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) 好氧區容積的確定( 根據勞麥方程可得) :
V1 = QYθc( S0 - Se)Xv( 1 + Kdθc) = 4 100. 57 m3。
3) 水力停留時間( 硝化) :
HRT = V/Q = 4 100. 57 /10 000 = 0. 410 057 d = 9. 84 h。
4) 汙泥負荷:
F/M = Q( S0 - Se)XvV = 0. 194 kg BOD5 /( kg MLSS·d) ，滿足F/M值在( 0. 1 ～ 0. 2) kg BOD5 /( kg MLSS·d) ( 按溫帶情況來考慮) ，符合脫氮除磷的要求。
5) 剩餘汙泥量:
Xw = XV/θc = YQ( S0 - Se)( 1 + Kdθc) = 492 kg /d( 幹汙泥量) 。
6) 硝化校核
。根據實際硝化速率rn = fn·qn，原汙水BOD5 /TKN = 3. 75，故取fn =0. 07; qn為單位質量的硝化菌降解氨氮的速率，因汙泥齡為15 d，計算得qn = 0. 67，得到實際硝化速率rn = 0. 046 9 d -1，又因為rn = N0 - NeXvHRTn，得HRTn = 0. 363 d = 8. 72 h < 9. 84 h，故能夠滿足硝化的要求。
7) 缺氧區設計計算採用負荷法。
系統每日脫氮量: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) 。反硝化容積為: V2 = WqdnXv= 208. 90. 06 × 1 800 × 103 = 1 934. 2 m3。水力停留時間: 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%。混合液迴流比: Rn = ηtn1 - ηtn× 100% = 100%。氧化溝總容積: V總= V1 + V2 =4 100. 57 +1 934. 2 =6 034. 77 m3。
8) 氧化溝工藝尺寸的確定。
設定兩組奧貝爾氧化溝，則單組氧化溝容積為6 034. 77 m3。氧化溝彎道部分按照80%，直道部分按照20%計算，則V彎= 0. 8 ×6 034. 77 = 4 828 m3 ，V直= 0. 2 × 6 034. 77 = 1 207 m3。為減小氧化溝佔地，取其有效水深4. 5 m，超高取0. 5 m; 則A彎= V彎/h = 1 072 m2 ，A直= V直/h = 269 m2。
a. 直線段長度: 取內，中，外溝的寬度分別為5 m，5 m，6 m。則:
L = A直2( B外+ B中+ B內) = 2692 × ( 6 + 5 + 5) = 8. 4 m。
b. 中心島半徑r: A彎= A外+ A中+ A內( A 指各彎道面積) ，則
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. 校核各溝道比例: 外溝面積= 738 m2 ，中溝面積= 430 m2 ，內溝面積= 255 m2 ，外溝道容積∶ 中溝容積∶ 內溝容積= 55∶ 32∶ 19，基本符合奧貝爾氧化溝各溝道容積比( 一般為55∶ 33∶ 17) 。
2. 3. 2 氧化溝需氧量的計算
每組氧化溝需氧量的確定，由於本設計考慮了脫氮除磷，在需氧量的設計計算時宜考慮氨氮和硝態氮對氧的供需。根據總需氧量的計算公式可知:O2 =1. 47QSr - 1. 42Xw + 4. 6QNr - 0. 124 × 4. 6Xw - 2. 86[TN0 -( NH4 - Ne) - ( NO3 - Ne) ]。依上式計算得2 533. 6 kg O2 /d。取水質修正係數α = 0. 82，β = 0. 95，壓力修正係數ρ = 1. 0，C20 = 9. 17 mg /L，C28 = 7. 92 mg /L，則標準狀態需氧量根據公式得: R0 = 5 122. 8 mg /d，考慮安全係數R0 = 1. 2 × 5 122. 8 = 6 147. 4 mg /d。奧貝爾氧化溝採用三溝道系統，分配按外溝∶ 中溝∶ 內溝= 65 ∶ 25 ∶ 10 考慮，則外溝需氧量=6 147. 4 × 0. 65 = 3 995. 7 kg O2 /d; 中溝需氧量= 6 147. 4 × 0. 25 =1 536. 8 kg O2 /d; 內溝需氧量= 6 147. 4 × 0. 10 = 614. 7 kg O2 /d。
2. 3. 3 氧化溝的水力計算[3]
水深較大氧化溝另需安裝水下推流器，從而達到混合推流，由於國內氧化溝曝氣裝置除了曝氣轉刷外，其他裝置都沒有混合推動力參考，本工程參考國外飛力公司計算並選型。
1) 外溝推力計算。依據上面公式取外溝的轉角k = 1. 5，牆摩擦k = 0. 87，曝氣頭k = 0. 55，水流為0. 3 m/s。因外溝寬度為6 m，水深4. 5 m，則A = 6 × 4. 5 = 27 m2 ; 總k = ( 1. 5 ×2 +0. 87 +0. 55) =4. 42。則T = 12ρAU2 k = 1 /2 × 1 000 × 27 × 0. 32 × 4. 42 = 5 370. 3 N。依據飛力公式的水下推流器的效能引數，選用大直徑的推流器，型號為4430，直徑2. 5 m，轉速32 r /min，單臺推力為2 390 N，單臺軸功率為2. 7 kW，使用3 臺，總軸功率為8. 1 kW。
2) 中溝推力計算。同外溝計算一樣，因中溝寬度為5 m，水深4. 5 m，則A = 5 × 4. 5 = 22. 5 m2 ; 取中溝的轉角k = 1. 2，牆摩擦k =0. 77，曝氣頭k = 0. 55，總k = ( 1. 2 × 2 + 0. 77 + 0. 55) = 3. 72。則T = 12ρAU2 k = 1 /2 × 1 000 × 22. 5 × 3. 72 × 0. 32 = 3 766. 5 N。依據飛力公式的水下推流器的效能引數，選用大直徑的推流器，型號為4410，直徑2. 5 m，轉速17 r /min，單臺推力為2 200 N，單臺軸功率為2. 3 kW，使用2 臺，總軸功率為4. 6 kW。
3) 內溝推力計算。因內溝寬度為5 m，水深4. 5 m，則A = 5 ×4. 5 = 22. 5 m2 ; 取內溝的轉角k = 1. 0，牆摩擦k = 0. 50，曝氣頭k =0. 55，總k = ( 1. 0 × 2 + 0. 50 + 0. 55) = 3. 05。則T = 12ρAU2 k =1 /2 × 1 000 × 22. 5 × 3. 05 × 0. 32 = 3 088. 1 N。依據飛力公式的水下推流器的效能引數，選用小直徑的推流器，型號為4670，直徑0. 766 m，轉速360 r /min，單臺推力為3 800 N，單臺軸功率為13 kW，使用1 臺，總軸功率為13 kW。
3 結語
透過合理計算，使其外、中和內三溝容積比達到55∶ 33∶ 17 左右，各溝的充氧濃度比為65∶ 25∶ 10 左右為宜，力求工藝最最佳化下，減少構築物尺寸，節約用地; 透過國外飛力公司的水力計算公式，選擇恰當的水下推流器，利於節能。目前奧貝爾氧化溝工藝的穩定性及節能性已被充分認識，但對於奧貝爾氧化溝充氧量及水下推流計算，國內仍缺少成熟統一的計算方法。本文提供的計算方法還有待在工程實際中進一步加以驗證。相信隨著國內更多奧貝爾氧化溝的成功執行，一定能促進該工藝更低碳環保節能，以充分發揮其潛能。