孫從軍，張明旭
(上海市環境科學研究院， 上海 200233)

　　摘　要：建立了簡便的組合推流反應器模型，它可用于上海蘇州河的曝氣需氧量計算和充氧后的水質預測。利用該模型可計算出在調水情況下，為確保各河段的溶解氧達到2mg/L的預期目標，蘇州河的北新涇—河口段水體的總需氧量為24.72tO₂/d。
　　關鍵詞：河道曝氣；組合推流反應器；需氧量；計算方法
　　中圖分類號：X505
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：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 組合推流反應器模型

　　該模型是根據推流反應器的作用原理，在充分利用蘇州河現有水質、水力資料的基礎上，對相關邊界條件做了合理的簡化和假設并綜合考慮了多種耗氧和復氧作用而建立起來的。?
1.1 計算原理及假設
　　將蘇州河的河道曝氣復氧工程近似看成多個推流式反應器^[1]的串聯組合，其計算原理用圖1表示。

　　為簡化計算而作如下假設：
　?、?各污染源只是在各反應器首端集中進入；
　?、?入流污染源的水質、水量不隨時間變化；
　?、?入流污染源與反應器進水立即混合均勻。
1.2 模型構成
1.2.1 水力計算公式
　　模型中任意一個(第n個，n≥2)反應器的水力計算公式如下：
?　　　　Qn=Q_n-1+Q_p-n?　　　　　　?(1)
?　　　　un=Qn／（Sn′×86400）　　　(2)
?　　　　tn=Ln／（un×86400）　　　　(3)?
　　式中 ?Qn——第n個反應器的流量，m³/d
?　　　　Q_n-1——第n-1個反應器的流量，m³/d
?　　　　Q_p-n——第n個污染源的流量，m³/d
?　　　　un——第n個反應器的平均流速，m/s
?　　　　Sn′——第n個反應器的過水斷面積，m²
?　　　　tn——第n個反應器的水力停留時間，d
?　　　　Ln——第n個反應器的長度，m
1.2.2 耗氧和復氧因子計算公式
　　模型中任意一個(第n個，n≥2)反應器的耗、復氧因子計算公式如下：
?　　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個反應器出口的還原物質濃度，mg/L
?　　　　 C′_0-n——第n個反應器進口的還原物質濃度，mg/L
?　　　　 k₀——無機還原物質的耗氧速率，mg/(L·d)
?　　　　　kc——生化反應速率常數，d^-1
?　　　　　C_1-n——第n個反應器出口的BOD₅濃度，mg/L
?　　　　　kN——硝化反應速率常數，d^-1?
?　　　　　C_2-n——第n個反應器出口的氨氮濃度，mg/L
?　　　　　C_3-n——大氣復氧量，mg/L
?　　　　　C_0-n——第n個反應器水體的溶解氧濃度，mg/L
?　　　　　C_s-n——第n個反應器在計算水溫下的飽和溶解氧，mg/L
?　　　　　C′_1-n——第n個反應器進口的BOD₅濃度，mg/L， 可用下式計算：
?　　　　　C′_1-n=[Q_n-1C_1-(n-1)+Qp-nCp-C-n]／Qn　　　　　(10)?
　　式中
?　　　　C_1-(n-1)——第n-1個反應器出口的BOD₅濃度，mg/L
?　　　　C_p-C-n——第n個污染源的BOD₅濃度，mg/L
?　　　　C′_2-n——第n個反應器進口的氨氮濃度，mg/L，可用下式計算：
?　　　　C′_2-n?=Qn-1C′2-(n-1)+Qp-nCp-N-nQn　　　　(11)?
?　　　　C_2-(n-1)——第n-1個反應器出口的氨氮濃度，mg/L
?　　　　C_p-N-n——第n個污染源的氨氮濃度，mg/L
?　　　　kLa——復氧系數，d-1，可用O′Connor—Dobbins公式^[2]計算：
?　　　　KLa=（128(DMun)0.5）／h_n^1.5?　　　12)?
　　式中　hn——第n個反應器的平均水深，m
?　　　　D——氧在水體中的擴散系數，m²/d，當水溫為20℃時，DM(20)=2.036×10^-9m²/d。各種水溫下的DM值可用下式計算：
?　　　　D?M=1.76×10^-4×1.037T-20　　　(13)?
　　式中　T——設計水溫，℃
?　　　　Os-n——第n個反應器的底泥耗氧量，kg/d，可用下式計算：
?　　　　Os-n=Snαn/1000　　　(14)?
　　式中?Sn——第n個反應器的底面積，m²
?　　　　αn——第n個反應器的底泥耗氧強度，g/(m²·d)
?　　　　Oa-n——第n個反應器的藻類復氧量，kg/d，可用下式計算：
?　　　　Oa-n=Snβn／10000　　　(15)?
　　式中?βn——第n個反應器的藻類復氧強度，kg/(hm²·d)
1.2.3 需氧量計算公式 ?
　　模型中任意一個(第n個)反應器的需氧量可用下式計算：
?　　　　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個反應器的需氧量，kg/d
?　　　　 C0-(n-1)——第n-1個反應器出口的溶解氧濃度，mg/L
　　組合推流反應器模型近似于一維穩態水質模型，兩者的不同之處在于一維穩態模型的溶解氧計算中考慮了各耗氧、復氧因子對水體溶解氧的瞬時影響，在時間坐標或沿河流方向上是連續的。此種方法的溶解氧濃度或需氧量計算是反應器中各項耗、復氧量的簡單代數和，是一種近似的計算方法，而將河段分成多個反應器是提高其計算精度的主要手段。
　　另外，組合推流反應器模型未考慮黃浦江潮汐對蘇州河最下游河段水質的稀釋作用，計算結果比較接近于落潮和采用閘門調控時(單向流時)的實際水質。

2 模型的應用

　　1999年7月28日—8月28日，有關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行了蘇州河調水試驗，同時得到了有關蘇州河及其支流的水質、水量和其他污染源的大量監測數據和資料。計算中使用的基礎數據是在此次調水相對穩定期(8月17日—8月21日)內取得的數據(取5d平均值)，這樣便于將模型計算的結果與實測數據相比較，并在此基礎上進行需氧量的計算。
2.1 計算參數
　　將蘇州河位于上海市內的河道分為10個不同長度的設計河段(反應器)，其計算參數及其來源見表1。

表1 模型計算參數及其來源 項 目 取 值 來 源 設計水溫(℃) 25 蘇州河夏季平均水溫 生化反應速率常數(d^-1) 0.25 研究結果 硝化反應速率常數(d-1) 0.08 研究結果 還原物質耗氧速率[mg/(L·d)] 4.8 研究結果 底泥耗氧強度[g/(m²·d)] 1(黃渡以上河段)；2(黃渡—紀王河段)；6(華漕以下河段)。 研究結果 藻類復氧強度[kg/(hm²·d)] 40(華漕以上河段) 參考文獻[ 3] 河道水深(m) 3(華漕以上河段)；3.5(華漕以下河段)。 研究結果 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)。 研究結果 氧分子擴散系數(m²/d) 2.11×10^-4 由文獻[2]計算而 得 注：研究結果見《蘇州河河道曝氣復氧工程方案研究 》(上海市環境科學研究院，1999年5月)。

2.2 計算結果
2.2.1 水質
　　在調水情況下應用組合推流反應器模型對蘇州河水質進行了測算，結果見表2。同期各實測斷面的水質見表3。

表2 調水情況下蘇州河水質計算結果 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 蘇州河各監測斷面的實測水質 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：表中數據見《蘇州河第三次調水試驗第二階段總結報告》(蘇州河第三次調水試驗技術小組 ，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蘇州河最下游河段的稀釋作用而使計算得到的河口處的水質 均較實測數據高外，其他計算結果與實測數據之間均呈較好的相關性(尤其是在華漕和北新涇這兩個斷面，模型計算結果能較準確地反映這兩處水體的實際水質狀況)，這意味著利用該模型計算得到的結果能夠較好地反映實際狀態下蘇州河水質的變化情況，在此基礎上計算 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，必須適當提高蘇州河水體的溶解氧水平。這里將蘇州河曝氣復氧工程的近期目標設定為DO≥2mg/L，即滿足《地面水環境質量標準》(GB3838—88)中的V類水體標準。而同在調水情況下，應用組合推流反應器模型對蘇州河(北新涇—河口)曝氣復氧工程的需氧量進行計算，結果見表4。

表4 調水情況下需氧量計算結果 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 　 　 　 　 　 24270

　　由表4可知，在調水情況下為確保蘇州河各河段的DO達到2mg/L的預期目標，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負荷，而且能使蘇州河水體具有一定的抗沖擊污染負荷(暴雨徑流、泵站排水、污染事故等)能力，對于水體生態系統的重建和恢復具有非常重要的意義。

3 結論

　　將組合式推流反應器模型用于蘇州河的曝氣復氧工程的水質預測及需氧量計算，通過計算得到在調水情況下為確保達到各河段的溶解氧≥2mg/L的預期目標，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：
　　[1]秦麟源.廢水生物處理[M].上海：同濟大學出版社，1989.
　　[2]顧夏聲.廢水生物處理數學模式[M].北京：清華大學出版社，1993.
　　[3]傅國偉.河流水質數學模型及其模擬計算[M].北京：中國環境科學出版社，1987.

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　　作者簡介： 孫從軍(1972-)，男，安徽蚌埠人，上海市環境科學研究院水環境研究所工程師，碩士，主要從事水環境污染控制方面的科研、設計工作。
　　電　話：(021)64085119×2320 13501796369
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　　收稿日期：2002-03-05