计算BOD所需氧时，要依靠脱硝过程所提供的氧。
据估计，每还原1g硝酸盐，就可提供大约2.6g氧。
氧化沟中所含的硝酸盐，除了提供氧以外，还可以对高峰需 氧量起缓冲作用。这种缓冲作用可能是不可少的。在3785m3／d的氧化沟中，当NO-3-N的浓度为10mg/L时，它所提供的缓冲作用就足以满足990kg的BOD。
4．6 脱硝动力学在氧化沟设计中的应用
适合于脱硝是氧化沟独有的特性。在设计氧化沟的过程中，首先应保证碳源BOD的去除和氨的硝化，然后只需延长沟的长度来提供一段缺氧区，就可以完成脱硝作用。典型的做法是，把污水由缺氧区的正上游引入，为脱硝提供所需有机基质。图4．3是把氧化沟展开后的各区域示意图。
最好的方法是通过例子来说明动力学在氧化沟中的应用。
【例4．2】仍按本章前面所举例4．1的数据，设计该氧化沟的缺氧区，把NO3--N的浓度降低到10mg/L。
我们仍然要作一些假设：
1．全部的进水总氮都被转化成NO3--N。
2．当出水的NO3--N的浓度为10mg／L时，对硝酸盐浓度而言的脱硝率为零级。 3．仍然忽略用于合成的那一部分氮。
首先，要选择一个设计脱氮率。从表4．1中可以看出，当温度大约20℃时，脱硝率较低，应采用较低的值，因为，在近似完全混合式反应池的氧化沟中，有机成分的含量是低的，大约与出水中的有机成分的含量相当。因此采用20℃时的脱硝率为0.025g/g·d。 把qdn校正到10℃。
（qdn）T＝（qdn）20θ
T-20
假设θ＝1.08
- gNO3-N （qdn）10＝0.025×1.08 10-20＝0.012───── gMLVSS·d 这样，就可以计算出所需水力停留时间： kg(被去除的NO3—N) qdn＝0.012───────── MLVSS·d
3785
被去除的 NO3--N＝（30-10）mg/L×────＝76kg/d 1000 76kgNO3—N 1
0.012＝──────×──────── d kg所需的MLVSWS
３６
所需MLVSS=6333kg
当MLVSS为2500mg／L时，所需池容（V）为： 6350kg
V＝──────── ＝2500m3 2500mg/L ───── 1000
这样，缺氧区中所需水力停留时间（θ）就为： 2500m3 h θ＝─────×24──＝16h
3
3785m/d d
这样，整个反应池（例4．1和例4．2）的水力停留时间为25.5h，MLVSS为2500mg/L，污泥停留时间为17d。
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第五章 需 氧 量 和 传 氧
5．1 传质理论
当系统中有气体和液体密切接触时，它们之间就会发生传质。已经有两种理论来解释这种原理：一种是穿透理论；另一种是薄膜理论。
5．1．1 传质
穿透理论的假说是，起源于紊动液体内的涡流，移到气液界面时，与那里的气体匆匆接触后，就又被移到界面上的其它涡流所取代。反过来，小的气体涡流在溶解之前可能在液体中作短暂停留。当涡流在液中的界面处作短暂停留时，涡流从气体中吸收了气体的分子。当涡流返回到整个液体中时，这些分子就被紊流分散开来。传质率被看作是扩散率、浓度梯度和表面更新率的函数。在描述传质过程方面，特别是有关能够产生不同程度的界面紊流的曝气装置方面，穿透理论是非常有用的。 虽然从理论上说薄膜理论具有较大的可疑性，但是目前它的实用价值却高于穿透理论，薄膜理论是基于一种物理模式，根据这种模式，在气体与液体的界面上存在着两层假想的薄膜：液膜和气膜。这两层薄膜被认为是停滞不动的，并且对一切传质都具有阻力。不论气体和液体中的紊动大小如何，这两层薄膜都被认为是始终存在的，紊动只能减小薄膜的厚度。图5·1所描述的是这种假想的传质机理。
如果气体被传递到液体，而这种液体对于该气体处于非饱和状态的话，那么，气体的分子就会在混合与扩散的综合过程中，首先传到气膜的外缘上，然后从扩散透过静止的气膜，达到气液界面上，并在那里溶解于液膜中，被溶解的气体又从这静止的液膜上扩散到液膜与整个液体的界而上。通过混合，这些气体就遍布到整个液体中。当气体从过饱和的溶液中释放出来时，其作用机理与上述相反。由于扩散传质的速度比混合的速度慢，因此认为两相彼此传递的速率是受到静止薄膜的制约的。另外，在气膜中的扩散速度要比在液膜中高得多，因此，液膜的扩散被看作是传质中控制速度的步骤。
5．1．2 平衡关系式
如果由于一种流体所含的某种成分分布不均匀而导致该液体中存在着浓度梯度的话，那么，传质力的作用方式就会把这种浓度差尽量减小。当气体与液体密切接触时，气体的分子就会传递到溶液中，式者从溶液中传递出来，直到这种传入率与传出率相等时为止。这时气
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体溶质的浓度称为饱和浓度，它是液体温度、其它溶质的浓度以及与液体接触的气相分压的函数。如果气体溶质的量减少，气体传递到液体中的速度，即为饱和浓度与实际溶质浓度之差的函数。从气液传质的动力学观点出发，亨利定律能够把气体的分压与其平衡饱和浓度之间的关系准确地表示出来。
气体在液体中的溶解度（平衡浓度）变化范围很大。对于那些溶解度较低（或居中）而下与溶剂产生化学反应的气体来说，在一定温度下会有一定数量的气体溶解，可用亨利定律计算：
p＝HX （5．1） 式中 p —与液体平衡的气体分压（Pa）； H—亨利定律常数（Pa）； X—与液体平衡的气体摩尔分数。
5．2 传氧模式
氧在水中的可溶性很抵，因此，与其它传质步骤相比，氧分子在静止的液膜中的扩散速度较慢，可将其看作是速度限制步骤。传氧速度与液膜两边的浓度梯度成正比。浓度梯度由两个因素决定：一是液膜厚度（δ），另一个是根据亨利定律所得出的界面上的饱和溶解氧与整个液体中的溶解氧之差。 dC
──＝KLa（C*-C） （5．2） dt 式中 C—氧的浓度（mg/L）； t —时间；
KLa—总传氧系数（1／T）； C*—p的平衡（饱和）氧浓度。
KLa是传质速度（KL）与单位体积溶液中传氧界面面积的乘积。另外，传质速度又与扩散率（由液膜系数DL表示）成正比，与液膜的厚度（δ）成反比。 A
KLa＝KL── （5．3） V 式中 A—发生传质的面积；
V—液体的体积。 DL
KL=── （5．4） δ
需要说明的是，在曝气池中，方程式（5．2）至（5．4）中的各项，会在空间和时间方面出现很大的变化。根据薄膜理论的数学模式和方程式（5．2），从历史上就一直用来预测表面曝气系统和水下曝气系统的性能并分析试验数据。贝劳德（Baillod）等人指出，上述空间和时间方面的变化可以在簿膜理论及其数学模式中得到适应。
３９
在弥散的气液系统中，传氧的一般模式可以表示为：
单位体积液体的传质率＝传质的体积系数×推动力梯度 （5．5） 上述关系式是用总的液相体积传质系数来表示的。该式可写为：
W＝KLa(C*- C) （5．6） 式中 W—单位体积清水的传氧（ML-3T-1）； a—单位体积的界面的面积（L-1）。
式中所使用的脱字符（ ）表示这些量的局部特性。
在把方程式（5．6）应用于传氧系统中时，必须记住：该关系式是应用于一个特定点的。一般来说，人们所重视的是总传氧率，通过把局部传氧率在该体积（V）内积分，可以计算出总传氧率：
WV＝∫WdV＝∫KLa(C*- C)dV （5．7） 显然，KL，a，C*和C可以随着时间而变化。对于这些量的空间和时间变化所进行的不同假设，表明了应用于传氧系统的各种模式之间的主要区别。
在水下式曝气系统中，C*可能随深度变化，这是因为当气泡向上移动时，液体的压力和氧的摩尔数都持续下降。有许多论文是根据下述假设来设计水下式曝气系统的。 1．体积传质系数（KLa）对于曝气池的全池来说是恒定不变的。 2．由于充分混合，氧的浓度（C）在整个曝气池中是均匀。 3．氧是传质的唯一气体。
有了这些假设，就可以使方程式（5．7）对曝气池池容积分：
WV＝KLaV（C*-C） （5．8） 式中 C*—平均有效溶解氧的饱和浓度，它是由下述分式确定的：
*
∫CdV
*
C＝──── （5．9） V
贝劳德指出：虽然大多数曝气系统是由一个曝气区和一个不发生传氧的积蓄区组成的，但是，只要曝气区的平均有效溶解氧与积蓄区的平均有效溶解氧相等，就可以用方程式（5．8）来计算传氧数据。贝劳德进一步指出，饱和浓度（C*）的变化会导致一个“近似的”KLa-K’La，这个值可能比方程式（5．2）中所示真正的KLa值小10～3％。从模拟和数据分析的目的出发，可以把方程式（5．2）改写成： dC
──＝K’La（C*∝-C） （5．10） dt
式中 C*∝—把一种不需要氧的溶液延时曝气后所得到的平均溶解氧的饱和浓度（mg/L）。 要注意，C*∝ 是一个可测的量，而C*则是极难测得的，它在非稳定状态下的曝气试验中有变化，因为在接近C∝*的时候，气泡中氧的平均含量随着增加。采用C∝*和K’La有利于模拟和对曝气系统进行数据分析，并形成大多数常用传氧模式的基础。
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