奧貝爾（Orbal）氧化溝充氧量的計算
一、前言
奧貝爾氧化溝污水處理工藝由南非的Huisman設想開發，后轉讓給美國的Envirex公司。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、耐沖擊負荷等優點外，更憑借其良好的節能效果，在污水處理界得到廣泛應用，目前世界上已有500多座奧貝爾氧化溝在正常運行。我國于八十年代引進該工藝，近年來，隨著北京大興污水處理廠、山東萊西污水處理廠、溫州市污水處理廠、廊坊市東方污水處理廠、臺州市污水處理廠、無錫市城北污水處理廠等的建成運行，充分顯現了該工藝良好的技術性能。
二、奧貝爾氧化溝工藝特點
奧貝爾氧化溝屬活性污泥法中的延時曝氣法，溝體通常由三個同心橢圓形溝道組成，污水與回流污泥混合后，由外溝道進入，再依次進入中溝和內溝，在各溝道內循環數十到數百次，最終出水至二沉池。各溝道內安裝有數量不等的轉碟曝氣機，以進行充氧及推流攪拌作用。
與普通氧化溝相比，奧貝爾氧化溝可看作是由外溝、中溝和內溝串聯的一種多級氧化溝：
外溝道的功能主要是高效完成碳源氧化、反硝化及大部分硝化，容積通常占氧化溝容積的50%～55%，可去除80%左右的有機物，溶解氧濃度一般在0mg/l～0.5mg/l之間，在溝道內形成交替耗氧和大區域的缺氧環境，可較高程度地同時進行“硝化和反硝化”，脫氮效果明顯，氨氮的去除率可高達 90%；同時，由于溝道中大部分區域溶解氧在0mg/l～0.5mg/l之間，氧傳遞作用是在氧虧條件下進行的，氧的轉移速率有所提高，節能效果明顯。
中溝道是聯系外溝與內溝的過渡段，進行互補調節，進一步去除剩余的有機物及繼續完成氨氮硝化，并可充分發揮外溝道或內溝道的強化作用，有利于保證系統運行的可靠性，中溝道容積一般占25%～30%，溶解氧濃度控制在1.0mg/l左右。
內溝道主要是為了確保氧化溝出水水質，溶解氧濃度約在2.0mg/l左右，以保證有機物和氨氮較高的去除率，同時保證出水帶有足夠的溶解氧進入二沉池，抑制磷的釋放。內溝道容積約占氧化溝總容積的15%～20%。
從奧貝爾氧化溝三個溝的溶解氧分布來看，外溝、中溝、內溝的溶解氧呈0—1—2mg/L的梯度分布，其中，僅內溝道的溶解氧值要求較高，與普通氧化溝要求（2mg/L）一致，外溝及中溝的溶解氧均低于普通氧化溝要求。由于氧的轉移速率隨混合液溶解氧濃度的降低而提高，故在奧貝爾氧化溝的外溝及中溝中，氧的轉移速率將高于普通氧化溝，這樣充氧量可相應減少，這就決定了奧貝爾氧化溝較普通氧化溝更為節能，一般約節省能耗15%～20%。因此，在設計奧貝爾氧化溝時，應充分結合工藝特點，科學合理地計算充氧量。
三、充氧量計算
奧貝爾氧化溝充氧量的計算方法與普通氧化溝一樣，可分為需氧量計算及折算標準需氧量兩個步驟，結合奧貝爾氧化溝的工藝特點，應對三條溝道分別計算。
1. 需氧量（AOR）計算
對于硝化/反硝化完全的氧化溝系統，需氧量（AOR）包括碳源氧化需氧及硝化需氧兩部分，并考慮扣除剩余活性污泥排放減少的有機物耗氧及反硝化過程可利用的氧量。具體為：
（1）碳源氧化需氧量
碳源氧化需氧量以降解的BOD值來計算，根據BOD的定義，降解1kgBOD需消耗1kgO2。通常情況下，污水中有機物濃度是以BOD5來表示的，在20℃時，BOD與BOD5的比值為1.47，故碳源氧化需氧量為1.47QSBOD5，其中Q為設計進水流量（m3/d），SBOD5為設計BOD5去除濃度（kg/m3）。
（2）剩余活性污泥排放減少的有機物耗氧
如果系統中每日排放的剩余活性污泥為ΔXVSS（kg/d），那么該部分有機物不參與耗氧，則減少的需氧量為1.42ΔXVSS（kg/d）。
（3）硝化需氧量
從硝化反應的反應式可知，每硝化1g氨氮需4.57gO2，若每日所需硝化的氨氮量為ΔNNH4（kg/d），則硝化需氧量為4.57ΔNNH4（kg/d）。
（4）反硝化過程可利用的氧量
在脫硝過程中，每還原1gNO3-可提供2.86gO2，若每日所進行反硝化的硝態氮量為ΔNNO3（kg/d），則反硝化過程可利用的氧量為2.86ΔNNO3（kg/d）。
（5）總需氧量
對上面4項求和，則總需氧量為：
AOR＝1.47QSBOD5-1.42ΔXVSS+4.57ΔNNH4-2.86ΔNNO3 （公式1）
如果認為奧貝爾氧化溝中揮發性懸浮固體濃度（MLVSS）及污泥齡（θc）在三條溝道一致，氧化溝總容積為V，則公式1可改寫為：
AOR＝1.47QSBOD5-1.42V•MLVSS/θc +4.57ΔNNH4-2.86ΔNNO3 （公式2）
前面已經論述，奧貝爾氧化溝可看作是由外溝、中溝和內溝串聯的多級氧化溝，三條溝道功能不同，進行碳源氧化、硝化、反硝化的程度不同，設定在外、中、內三條溝道中：
對BOD的去除比例為a1、a2、a3；
三溝容積比為b1、b2、b3；
硝化反應的發生比例為c1、c2、c3；
反硝化反應的發生比例為d1、d2、d3，則公式2可改寫為：
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）各溝需氧量
拆分公式3，可得各溝需氧量，分別為：
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內＝1.47a3QSBOD5-1.42b3V•MLVSS/θc+4.57c3ΔNNH4-2.86d3ΔNNO3 （公式6）
2. 折算標準需氧量（SOR）
由于氧轉移速率受水質、水溫、大氣壓力、水中溶解氧濃度等因素的影響，因此對前面計算的需氧量（AOR）應乘以一個系數進行修正，折算為標準需氧量（SOR）。對于表曝系統，計算公式為：
SOR=AOR•Cs20/α·1.024(t-20)（βρCsTmax-Cl） （公式7）
式中：
Tmax為設計最高水溫，℃；
Cs20 為標準大氣壓下水溫20℃時飽和溶解氧濃度，9.17mg/L；
CsTmax為設計最高水溫時飽和溶解氧濃度，mg/L；
α 為污水中氧轉移系數的修正系數，一般取0.8～0.85；
β 為污水中飽和溶解氧濃度的修正系數，一般取0.9～0.97；
ρ 為氣壓修正系數，一般取1；
Cl 為混合液溶解氧濃度，mg/L。
根據公式7，可分別計算各溝的標準需氧量SOR外、SOR中、SOR內。
3. 計算實例
下面以1座處理規模1.25萬m3/d的奧貝爾氧化溝為例，計算所需充氧量。
基礎條件如下：
SBOD5=194mg/l,氧化溝容積V=8360m3，外、中、內三溝容積比b1、b2、b3分別為51%、31%、18%，每日所需硝化的氨氮量ΔNNO3=296kg/d，反硝化的硝態氮量ΔNNO3=171kg/d。
相關參數選擇分別為MLVSS=3000mg/l,θc=30d，α＝0.85，β＝0.90，ρ＝1，設計最高水溫Tmax=25℃，混合液溶解氧濃度分別為0、1、2mg/L。
結合奧貝爾氧化溝的工藝特點，我們可以認為：所有的反硝化反應發生在缺氧段，即外溝，則三溝中反硝化反應的發生比例d1、d2、d3分別為100%、0、0；根據本例出水氨氮及總氮要求，三溝中硝化反應的發生比例c1、c2、c3可確定為60%、30%、10%；對于BOD的去除，參照AB法，外溝與AB法A段較類似，外溝有機物去除率約70%，結合三溝的功能特點，a1、a2、a3可設定為70%、20%、10%。
根據上述條件計算，外溝、中溝、內溝的需氧量分別為：
AOR外＝2213kg/d
AOR中＝751kg/d
AOR內＝278kg/d
根據公式7，計算外溝、中溝、內溝的標準需氧量分別為：
SOR外＝2988kg/d
SOR中＝1172kg/d
SOR內＝512kg/d
三條溝道的充氧比例大致為64%、25%、11%，與典型奧貝爾氧化溝要求的設計充氧比（65%、25%、10%）基本一致。
以上述計算的各溝標準需氧量，換算成小時需氧量，再乘以一定的安全系數，進行曝氣設備選型。
按本例的處理要求，若采用普通氧化溝工藝，總標準需氧量約為5965kg/d，而本例奧貝爾氧化溝總標準需氧量僅為4672kg/d，比普通氧化溝約減少22%。
四、結語
目前奧貝爾氧化溝工藝的節能性已被充分認識，但對于奧貝爾氧化溝充氧量計算，國內仍缺少成熟與統一的計算方法，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運行，一定能促進該工藝的設計更為科學合理，以充分發揮奧貝爾氧化溝的潛能。
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