1 氧化沟的设计方法
1.1 BOD的去除
氧化沟中碳源基质去除动力学与活性污泥法动力学是完全一致的。对于完全混合系统在稳定状态下有以下公式［1］：
式中 （XV）——参与反应的污泥量
Q——处理污水量
V——参与反应的好氧区体积
S——出水基质BOD5浓度
Y——污泥产率系数
X——污泥浓度
θc——污泥龄
S0——进水基质BOD5浓度
Ks——半饱和常数
Kd——内源代谢常数
μmax——比基质利用率
1.2 硝化反应
氨氮的硝化反应涉及到亚硝化毛杆菌和硝化杆菌两种不同的硝化细菌。
在水的作用下：2NH3NH+4
在亚硝化毛杆菌作用下：
2NH+4+3O22NO-2+2H2O+8H+
在硝化杆菌作用下：
2NO-2+O22NO-3
总的反应：
NH4++2O2NO3-+2H+＋H2O
因此从化学计量学角度，1.0 kg氮需要4.6 kg的氧，实际生产中的数据较小，为3.9～4.3 kgO2/kgN。这是因为一部分氮用于细菌合成，并且硝化细菌可以从污水中二氧化碳和重碳酸盐获得一部分氧。由于上述反应产生氢离子，所以会消耗碱度，每氧化1 mg NH3-N消耗7.14 mg/L的碱度。另外从文献可知氧化1 mg BOD产生0.3 mg/L的碱度［2］。
据报道硝化反应的温度范围是(5～45) ℃,但是(25～32) ℃是最佳温度范围。最佳的pH范围是7.8～9.2。虽然硝化过程也可在低溶解氧的条件下发生，但是硝化菌的生长速率较低。为了避免氧的限制，反应池中的溶解氧最好控制在3～4 mg/L。温度对生长速度的影响公式可以用阿伦缪斯公式表示，其中温度常数θ=1.12(5 ℃～20 ℃)。对于城市污水可以采用表1中污泥龄θc［2］
表1 硝化工艺在不同温度下采用的污泥龄
|
污水温度(℃) |
完全硝化的θc(d) |
|
5 |
12 |
|
10 |
9.5 |
|
15 |
6.5 |
|
20 |
3.5 |
在冬季水温低于10 ℃，如果θc＜10 d，硝化反应一般进行较差。若θc>10 d，只要氧化沟的曝气能力可满足总的氧化需求，并且保持较高的溶解氧，即可取得很好的硝化率。在北欧国家，硝化负荷阶段一般选在0.05～0.10 kgBOD5/kgMLSS，硝化速率大约为1.6 mgNH3-N/(gVSS*d)(10 ℃)。
1.3 污泥稳定性
在氧化沟设计中考虑的第二个因素是污泥的稳定性问题。理论上讲氧化沟污泥龄的选取应该使得所有的挥发性固体通过内源呼吸全部被降解，无论是厌氧消化还是好氧消化。如果反应时间足够长，细胞降解过程中有23%的残余物为不可生物降解。因为每天VSS产量为YQ(S0－S)，其中可生物降解部分是0.77YQ(S0－S)。如果系统中可以生物降解部分的固体物质是fbX(fb为VSS可生物降解系数)，则在稳定状态：
0.77YQ(S0－S)=Kdfb(XV) (5)
从而按照污泥龄的定义：
Adams和Eckenfelder给出了混合液VSS可以生物降解部分的比值fb的计算公式［3］：
也可推算出污泥负荷(F/M)的比值：
方程(6)和(8)是考虑污泥稳定性问题时污泥龄和有机负荷计算公式。无疑温度对于上述公式中参数Y、Kd的影响是十分重要的。对于延时曝气氧化沟温度常数(θ=1.01～1.03)数值较小，因此对温度的影响不大。污泥稳定化要求的有机负荷和污泥龄一般远远超过完全硝化所要求的数值。
1.4 脱氮反应
在没有溶解氧(缺氧)条件下，虽然在氧化沟的主体溶液中存在溶解氧，但缺氧条件事实上是指微生物生长的微环境(即生物絮体中或生物膜中)。除碳的异养微生物可以利用硝酸盐和亚硝酸盐作为电子受体，将其还原成氮。还原1.0 mg N2产生2.86 kgO2。污水如需脱氮，需要去除的氮量 ΔN(kg/d)为：
ΔN=Q(N0－N)－ΔX×fN (9)
式中 N0、N——进、出水总氮浓度
ΔX——剩余污泥量
fN——剩余污泥的含氮量，一般为0.07 kgN/kgMLVSS
脱氮需要考虑排放污泥中细胞的氮含量。按照细胞合成的碳氮磷的比例为C∶N∶P=106∶16∶1，即污泥中最多包含12.3％的N和2.6％的P。一般在内源呼吸阶段，不可生物降解部分仅仅包含7％的N和1％的P，剩余污泥中的其他N、P回到主体溶液中。因此污泥中的含氮量依赖于污泥龄(θc)，污泥龄越长，污泥中的含氮量越小。由需要去除的氮量，确定反硝化的污泥量：
(VX)dn=ΔN/Kdn (10)
式中 (VX)dn——参与脱氮反应的污泥量，kg
Kdn——污泥脱氮负荷，kgNO-3-N/(kgMLSS.d)
1.5 氧化沟的总污泥量
氧化沟的总污泥量(VX)T和总容积计算如下：
(VX)T=［(XV)＋(VX)dn］/fa (11)
VT=(XV)T/(fa.X) (12)
对于不同类型的氧化沟，需要引入有效性系数fa，其中带有体外沉淀池的氧化沟fa=1.0，而其他类型的氧化沟fa是不同的。以三沟式氧化沟为例，如果假设三沟是等体积的，则fa如下计算：
式中 XS1,2——边沟MLSS浓度
Xm——中沟MLSS浓度
tS——边沟一个周期的时间
tS1，2——边沟一个周期内的工作时间
tm——中沟在一个周期内的工作时间
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