孫從軍，張明旭
(上海市環(huán)境科學(xué)研究院， 上海 200233)

　　摘　要：建立了簡(jiǎn)便的組合推流反應(yīng)器模型，它可用于上海蘇州河的曝氣需氧量計(jì)算和充氧后的水質(zhì)預(yù)測(cè)。利用該模型可計(jì)算出在調(diào)水情況下，為確保各河段的溶解氧達(dá)到2mg/L的預(yù)期目標(biāo)，蘇州河的北新涇—河口段水體的總需氧量為24.72tO₂/d。
　　關(guān)鍵詞：河道曝氣；組合推流反應(yīng)器；需氧量；計(jì)算方法
　　中圖分類號(hào)：X505
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：1000-4602(2002)09-0016-04

Use of combined Plug-flow Reactor Model for Calculating Oxygen Demand of River Reach
SUN Cong-jun, ZHANG Ming-xu
(Shanghai Academy of Environmental Science,Shanghai 200233,China)

　　Abstract：A simple model—combined plug-flow reactor model was set up to calculate the
aeration requirement in Suzhou Creek and predict the water quality after aeration.Based on the calculation made by the model,total oxygen demand for the secti on from Beixinjing to estuary is calculated to be 24.72 to?2/d under flow regulation condition,so as to ensure that all river sections may reach expected targe t,i.e.,DO=2mg/L.
　　Keywords:aeration; integrated plug-flow reactor; oxygen demand; calculation method

1 組合推流反應(yīng)器模型

　　該模型是根據(jù)推流反應(yīng)器的作用原理，在充分利用蘇州河現(xiàn)有水質(zhì)、水力資料的基礎(chǔ)上，對(duì)相關(guān)邊界條件做了合理的簡(jiǎn)化和假設(shè)并綜合考慮了多種耗氧和復(fù)氧作用而建立起來的。?
1.1 計(jì)算原理及假設(shè)
　　將蘇州河的河道曝氣復(fù)氧工程近似看成多個(gè)推流式反應(yīng)器^[1]的串聯(lián)組合，其計(jì)算原理用圖1表示。

　　為簡(jiǎn)化計(jì)算而作如下假設(shè)：
　　① 各污染源只是在各反應(yīng)器首端集中進(jìn)入；
　　② 入流污染源的水質(zhì)、水量不隨時(shí)間變化；
　　③ 入流污染源與反應(yīng)器進(jìn)水立即混合均勻。
1.2 模型構(gòu)成
1.2.1 水力計(jì)算公式
　　模型中任意一個(gè)(第n個(gè)，n≥2)反應(yīng)器的水力計(jì)算公式如下：
?　　　　Qn=Q_n-1+Q_p-n?　　　　　　?(1)
?　　　　un=Qn／（Sn′×86400）　　　(2)
?　　　　tn=Ln／（un×86400）　　　　(3)?
　　式中 ?Qn——第n個(gè)反應(yīng)器的流量，m³/d
?　　　　Q_n-1——第n-1個(gè)反應(yīng)器的流量，m³/d
?　　　　Q_p-n——第n個(gè)污染源的流量，m³/d
?　　　　un——第n個(gè)反應(yīng)器的平均流速，m/s
?　　　　Sn′——第n個(gè)反應(yīng)器的過水?dāng)嗝娣e，m²
?　　　　tn——第n個(gè)反應(yīng)器的水力停留時(shí)間，d
?　　　　Ln——第n個(gè)反應(yīng)器的長(zhǎng)度，m
1.2.2 耗氧和復(fù)氧因子計(jì)算公式
　　模型中任意一個(gè)(第n個(gè)，n≥2)反應(yīng)器的耗、復(fù)氧因子計(jì)算公式如下：
?　　C_0-n=C′_0-n-k₀t_n　　　　　　(4)
?　　C1-n=C′_1-nexp(-kctn)?　　(5)
?　　C_2-n=C′2-nexp(-kNtn)?　　(6)
?　　C_3-n=(C_s-n-C_0-n)[1-exp(-kLatn)]?(7)
?　　O_s-n=Snαn?　　(8)
?　　Oa-n=Snβn?　　(9)?
　　式中 ?C_0-n——第n個(gè)反應(yīng)器出口的還原物質(zhì)濃度，mg/L
?　　　　 C′_0-n——第n個(gè)反應(yīng)器進(jìn)口的還原物質(zhì)濃度，mg/L
?　　　　 k₀——無機(jī)還原物質(zhì)的耗氧速率，mg/(L·d)
?　　　　　kc——生化反應(yīng)速率常數(shù)，d^-1
?　　　　　C_1-n——第n個(gè)反應(yīng)器出口的BOD₅濃度，mg/L
?　　　　　kN——硝化反應(yīng)速率常數(shù)，d^-1?
?　　　　　C_2-n——第n個(gè)反應(yīng)器出口的氨氮濃度，mg/L
?　　　　　C_3-n——大氣復(fù)氧量，mg/L
?　　　　　C_0-n——第n個(gè)反應(yīng)器水體的溶解氧濃度，mg/L
?　　　　　C_s-n——第n個(gè)反應(yīng)器在計(jì)算水溫下的飽和溶解氧，mg/L
?　　　　　C′_1-n——第n個(gè)反應(yīng)器進(jìn)口的BOD₅濃度，mg/L， 可用下式計(jì)算：
?　　　　　C′_1-n=[Q_n-1C_1-(n-1)+Qp-nCp-C-n]／Qn　　　　　(10)?
　　式中
?　　　　C_1-(n-1)——第n-1個(gè)反應(yīng)器出口的BOD₅濃度，mg/L
?　　　　C_p-C-n——第n個(gè)污染源的BOD₅濃度，mg/L
?　　　　C′_2-n——第n個(gè)反應(yīng)器進(jìn)口的氨氮濃度，mg/L，可用下式計(jì)算：
?　　　　C′_2-n?=Qn-1C′2-(n-1)+Qp-nCp-N-nQn　　　　(11)?
?　　　　C_2-(n-1)——第n-1個(gè)反應(yīng)器出口的氨氮濃度，mg/L
?　　　　C_p-N-n——第n個(gè)污染源的氨氮濃度，mg/L
?　　　　kLa——復(fù)氧系數(shù)，d-1，可用O′Connor—Dobbins公式^[2]計(jì)算：
?　　　　KLa=（128(DMun)0.5）／h_n^1.5?　　　12)?
　　式中　hn——第n個(gè)反應(yīng)器的平均水深，m
?　　　　D——氧在水體中的擴(kuò)散系數(shù)，m²/d，當(dāng)水溫為20℃時(shí)，DM(20)=2.036×10^-9m²/d。各種水溫下的DM值可用下式計(jì)算：
?　　　　D?M=1.76×10^-4×1.037T-20　　　(13)?
　　式中　T——設(shè)計(jì)水溫，℃
?　　　　Os-n——第n個(gè)反應(yīng)器的底泥耗氧量，kg/d，可用下式計(jì)算：
?　　　　Os-n=Snαn/1000　　　(14)?
　　式中?Sn——第n個(gè)反應(yīng)器的底面積，m²
?　　　　αn——第n個(gè)反應(yīng)器的底泥耗氧強(qiáng)度，g/(m²·d)
?　　　　Oa-n——第n個(gè)反應(yīng)器的藻類復(fù)氧量，kg/d，可用下式計(jì)算：
?　　　　Oa-n=Snβn／10000　　　(15)?
　　式中?βn——第n個(gè)反應(yīng)器的藻類復(fù)氧強(qiáng)度，kg/(hm²·d)
1.2.3 需氧量計(jì)算公式 ?
　　模型中任意一個(gè)(第n個(gè))反應(yīng)器的需氧量可用下式計(jì)算：
?　　　　On=[Qn(C′0-n-k0tn)／1000+[1.4QnC′1-n(1-exp(-kctn))／1000]+[4.7QnC′2-n(1-exp(-kNtn))／1000+Os-n]-[Qn-1C0-(n-1)／1000]+Oa-n+[Qn-1C3-n／1000]　　　　　　　(16)?
　　式中 ?On——第n個(gè)反應(yīng)器的需氧量，kg/d
?　　　　 C0-(n-1)——第n-1個(gè)反應(yīng)器出口的溶解氧濃度，mg/L
　　組合推流反應(yīng)器模型近似于一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型，兩者的不同之處在于一維穩(wěn)態(tài)模型的溶解氧計(jì)算中考慮了各耗氧、復(fù)氧因子對(duì)水體溶解氧的瞬時(shí)影響，在時(shí)間坐標(biāo)或沿河流方向上是連續(xù)的。此種方法的溶解氧濃度或需氧量計(jì)算是反應(yīng)器中各項(xiàng)耗、復(fù)氧量的簡(jiǎn)單代數(shù)和，是一種近似的計(jì)算方法，而將河段分成多個(gè)反應(yīng)器是提高其計(jì)算精度的主要手段。
　　另外，組合推流反應(yīng)器模型未考慮黃浦江潮汐對(duì)蘇州河最下游河段水質(zhì)的稀釋作用，計(jì)算結(jié)果比較接近于落潮和采用閘門調(diào)控時(shí)(單向流時(shí))的實(shí)際水質(zhì)。

2 模型的應(yīng)用

　　1999年7月28日—8月28日，有關(guān)部門采用控制蘇州河沿線的干、支流閘門啟閉的方式成功地進(jìn)行了蘇州河調(diào)水試驗(yàn)，同時(shí)得到了有關(guān)蘇州河及其支流的水質(zhì)、水量和其他污染源的大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和資料。計(jì)算中使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是在此次調(diào)水相對(duì)穩(wěn)定期(8月17日—8月21日)內(nèi)取得的數(shù)據(jù)(取5d平均值)，這樣便于將模型計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比較，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行需氧量的計(jì)算。
2.1 計(jì)算參數(shù)
　　將蘇州河位于上海市內(nèi)的河道分為10個(gè)不同長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)河段(反應(yīng)器)，其計(jì)算參數(shù)及其來源見表1。

表1 模型計(jì)算參數(shù)及其來源 項(xiàng) 目 取 值 來 源 設(shè)計(jì)水溫(℃) 25 蘇州河夏季平均水溫 生化反應(yīng)速率常數(shù)(d^-1) 0.25 研究結(jié)果 硝化反應(yīng)速率常數(shù)(d-1) 0.08 研究結(jié)果 還原物質(zhì)耗氧速率[mg/(L·d)] 4.8 研究結(jié)果 底泥耗氧強(qiáng)度[g/(m²·d)] 1(黃渡以上河段)；2(黃渡—紀(jì)王河段)；6(華漕以下河段)。 研究結(jié)果 藻類復(fù)氧強(qiáng)度[kg/(hm²·d)] 40(華漕以上河段) 參考文獻(xiàn)[ 3] 河道水深(m) 3(華漕以上河段)；3.5(華漕以下河段)。 研究結(jié)果 河寬(m) 40(武寧路橋以上河段)；45(武寧路橋—江寧路橋河段)；50(江寧路橋—新昌路橋河段)；55(新昌路橋—河口河段)。 研究結(jié)果 氧分子擴(kuò)散系數(shù)(m²/d) 2.11×10^-4 由文獻(xiàn)[2]計(jì)算而 得 注：研究結(jié)果見《蘇州河河道曝氣復(fù)氧工程方案研究 》(上海市環(huán)境科學(xué)研究院，1999年5月)。

2.2 計(jì)算結(jié)果
2.2.1 水質(zhì)
　　在調(diào)水情況下應(yīng)用組合推流反應(yīng)器模型對(duì)蘇州河水質(zhì)進(jìn)行了測(cè)算，結(jié)果見表2。同期各實(shí)測(cè)斷面的水質(zhì)見表3。

表2 調(diào)水情況下蘇州河水質(zhì)計(jì)算結(jié)果 斷面名稱 距離(km) COD(mg/L) BOD₅(mg/L) NH₃-N(mg/ L) DO(mg/L) 趙屯 53 21.6 5.7 1.0 1.95 白鶴 41 21.4 5.4 2.6 1.99 黃渡 33 22.4 5.6 1.3 2.08 紀(jì)王 27.5 24.8 6.0 1.6 2.12 華漕 22 24.3 7.0 2.1 1.83 北新涇 17 29.8 10.6 4.5 0.31 冕寧路 13.8 29.8 10.4 4.6 0.00 武寧路橋 10.3 29.5 10.0 4.6 0.00 江寧路橋 7.6 29.0 9.7 4.6 0.00 長(zhǎng)壽路橋 5.2 28.6 9.4 4.6 0.00 新昌路橋 3.2 28.4 9.1 4.6 0.00 河口 0 28.0 8.7 4.6 0.00

表3 蘇州河各監(jiān)測(cè)斷面的實(shí)測(cè)水質(zhì) 斷面名稱 距離(km) DO(mg/L) COD(mg/L) BOD₅(mg/L ) NH₃-N(mg/L) 趙屯 53 1.95 21.6 5.7 0.95 黃渡 33 2.07 22.4 5.6 1.3 華漕 22 1.92 26.7 7.6 2.05 北新涇 17 0.34 32.8 8.6 4.15 冕寧路 13.8 0.16 35.3 9.7 4.16 武寧路橋 10.3 0.23 31.6 8.2 4.77 新昌路橋 3.2 0.37 34.7 9.1 4.45 河口 0 0.53 27.6 6.5 2.65 注：表中數(shù)據(jù)見《蘇州河第三次調(diào)水試驗(yàn)第二階段總結(jié)報(bào)告》(蘇州河第三次調(diào)水試驗(yàn)技術(shù)小組 ，1999年9月)。

　　由表2、3可以看出，除由于模型未考慮黃浦江水對(duì)蘇州河最下游河段的稀釋作用而使計(jì)算得到的河口處的水質(zhì) 均較實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)高外，其他計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間均呈較好的相關(guān)性(尤其是在華漕和北新涇這兩個(gè)斷面，模型計(jì)算結(jié)果能較準(zhǔn)確地反映這兩處水體的實(shí)際水質(zhì)狀況)，這意味著利用該模型計(jì)算得到的結(jié)果能夠較好地反映實(shí)際狀態(tài)下蘇州河水質(zhì)的變化情況，在此基礎(chǔ)上計(jì)算 得到的需氧量能夠較好地滿足蘇州河水體的耗氧需求。
2.2.2 需氧量
　　由表3可知，在調(diào)水情況下北新涇斷面下游至河口一段溶解氧仍然偏低(DO＜0.5mg/L)，故為徹底消除蘇州河的黑臭狀態(tài)，必須適當(dāng)提高蘇州河水體的溶解氧水平。這里將蘇州河曝氣復(fù)氧工程的近期目標(biāo)設(shè)定為DO≥2mg/L，即滿足《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—88)中的V類水體標(biāo)準(zhǔn)。而同在調(diào)水情況下，應(yīng)用組合推流反應(yīng)器模型對(duì)蘇州河(北新涇—河口)曝氣復(fù)氧工程的需氧量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表4。

表4 調(diào)水情況下需氧量計(jì)算結(jié)果 斷面名稱 距離(km) COD(mg/L) BOD₅(mg/L) NH₃-N(mg/ L) DO(mg/L) 需氧量(kg/d) 趙屯 53 21.6 5.7 1.0 1.95 0 白鶴 41 21.4 5.4 2.6 1.99 0 黃渡 33 22.4 5.6 1.3 2.08 0 紀(jì)王 27.5 24.8 6.0 1.6 2.12 0 華漕 22 24.3 7.0 2.1 1.83 4060 北新涇 17 29.6 10.6 4.5 2.00 5720 冕寧路 13.8 27.9 10.0 4.5 2.00 4280 武寧路橋 10.3 26.3 9.3 4.4 2.00 3240 江寧路橋 7.6 24.8 8.6 4.4 2.00 3150 長(zhǎng)壽路橋 5.2 23.6 8.1 4.3 2.00 2570 新昌路橋 3.2 22.6 7.6 4.3 2.00 1700 河口 0 21.8 6.9 4.2 2.00 0 合計(jì) 　 　 　 　 　 24270

　　由表4可知，在調(diào)水情況下為確保蘇州河各河段的DO達(dá)到2mg/L的預(yù)期目標(biāo)，蘇州河北新涇—河口段水體的總需氧量為24.72 tO₂/d，充氧后蘇州河的水質(zhì)可得到一定程度的改善。
　　需要指出的是，在蘇州河水體中維持一定濃度的溶解氧的意義不僅在于能夠消除黑臭和去除COD負(fù)荷，而且能使蘇州河水體具有一定的抗沖擊污染負(fù)荷(暴雨徑流、泵站排水、污染事故等)能力，對(duì)于水體生態(tài)系統(tǒng)的重建和恢復(fù)具有非常重要的意義。

3 結(jié)論

　　將組合式推流反應(yīng)器模型用于蘇州河的曝氣復(fù)氧工程的水質(zhì)預(yù)測(cè)及需氧量計(jì)算，通過計(jì)算得到在調(diào)水情況下為確保達(dá)到各河段的溶解氧≥2mg/L的預(yù)期目標(biāo)，蘇州河的北新涇—河口段水體的總需氧量為24.72tO₂/d。

參考文獻(xiàn)：
　　[1]秦麟源.廢水生物處理[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1989.
　　[2]顧夏聲.廢水生物處理數(shù)學(xué)模式[M].北京：清華大學(xué)出版社，1993.
　　[3]傅國(guó)偉.河流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型及其模擬計(jì)算[M].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1987.

---

　　作者簡(jiǎn)介： 孫從軍(1972-)，男，安徽蚌埠人，上海市環(huán)境科學(xué)研究院水環(huán)境研究所工程師，碩士，主要從事水環(huán)境污染控制方面的科研、設(shè)計(jì)工作。
　　電　話：(021)64085119×2320 13501796369
　　E-mail:suncj@sina.com.cn
　　收稿日期：2002-03-05