摘要：废水的量和质是影响废水处理费用的两个主要因素，废水处理费用与处理量成正比关系，而与质呈反比关系。水夹点分析技术从废水量的角度解决了废水处理费用最小化的问题，却没有考虑废水质对于处理费用的影响。本文结合氧夹点方法的特点，结合废水生化处理中废水的质对于生化处理单元的杂质去除率、微生物的生长曲线等因素的影响，着眼于从改善和优化废水的质来提高废水生化处理的效率，减低废水处理费用。
关键词：氧夹点；技术分析；废水系统
中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：
1．氧夹点的意义
Zhelev和Bhaw[1]在2000年的时候指出废水量的最小化将会导致废水质的恶化，废水质的恶化将导致废水处理费用的增加。水夹点分析法只从废水处理量最小化的角度考虑废水处理费用的最小化，氧夹点分析则从废水质的角度考虑废水处理费用的最小化。因为量的最小化产生的二次污染，必须通过生化处理（二级处理）来使最终排放废水达标。氧夹点分析解决的二级处理中的耗氧量最小化问题。
氧夹点分析的参数是废水以O2为标准的水质指标，常用的以O2为标准的废水质的衡量指标包括：ThOD（理论需氧量）、COD（化学需氧量）、BOD（生物需氧量）等。本文采用COD指标，废水COD的多少与废水的质呈反比关系，废水COD也可直接反映了废水降解微生物的健康状况，微生物的健康状况与活动微生物的数量成正比。废水水处理费用与废水处理的COD负荷成正比关系，可以得出处理费用与COD负荷之间的模拟关系式4.7：
（4.7）
式4.7中为微生物降解的废水COD负荷，为正实数。当4.7式中的最小时，从废水量和质两个方面保证废水处理费用最小。氧夹点分析的主要目的是在水夹点分析的基础上，确定生化处理的最小耗氧量，来确保废水生化处理的处理效率最高，处理费用最省。
氧夹点分析的意义主要两点：
（1）确定废水处理的过程中废水杂质生化降解的最小需氧量。
（2）反映微生物生长速率、活动微生物数量和底物浓度之间的关系。
2. 氧夹点分析的步骤
氧夹点分析与废水处理网络水夹点的步骤相类似，单杂质废水与多杂质废水的氧夹点分析过程大致相同，主要包括以下几个步骤：
步骤一：将各废水流股进出口浓度转化为生化降解所需的化学需氧量COD，并计算出各流股的进出口总COD值。在以COD为纵坐标，溶解速率D为横坐标得到流股曲线如图4.5b所示，在生化处理中可降解的COD浓度经常被看作底物浓度S，并对其取倒数的1/S，对D取倒数（1/D污水净化中称之为平均残留期）得到4.5c所示的流股定义图。
步骤二：将坐标系中每个1/S区间上的废水流股的平均残留期进行加和，做出过程流股的组合曲线图。
步骤三：以原点为中心旋转供氧曲线，当供氧曲线与组合曲线相切时，得到的供养线就是极限供氧曲线，其斜率就是生化处理的最小需氧量。采用图4.5c的流股定义曲线的氧夹点分析步骤如图4.6所示。
极限供氧曲线的斜率还可以表示微生物的生长率、底物中氧的溶解度、污染物在处理单元的停留时间等，它的大小反映的是废水质的好坏。斜率较大时，说明同等稀释速率下要稀释的废水COD负荷较大，废水水质较差，废水中溶解氧较少，生化处理的耗氧量较大。
处理单元内的停留时间较短。
3.氧夹点技术在废水处理系统的应用方法
氧夹点分析可以分步进行，也可以同步进行。分步分析即先用水夹点分析，再用氧夹点分析的设计方法。分步分析设计废水处理网络的工作量较大，优化求解过程也较复杂。本文采用水—氧夹点同步分析与数学规划法结合的设计方法。尝试从另一个角度协调废水处理中水质和水量对处理费用的影响，设计最优的废水处理网络。
3.1水—氧夹点分析的步骤及意义
水—氧夹点分析的步骤与水夹点分析的步骤完全类似，具体分析入如图1所示：
水—氧夹点分析的意义主要在于为数学规划法建模提供必要基础，具体内容如下：
（1）确定废水生化处理的最佳底物浓度范围，进而确定废水生化处理的最佳COD负荷范围。
（2）简化以COD为过程参数的废水处理网络的数学规划法模型的求解过程，为其提供有效的优化信息。
3.2运用水—氧夹点技术的废水处理网络设计步骤
在运用水夹点分析的废水处理网络的设计步骤的基础上，对其作进一步的修改，即得到运用水—氧夹点技术的废水处理网络设计步骤如下：
步骤一：建立包括所有可能流股的超结构，可能流股包括：分离器流入混合器的流股，混合器流入其后续处理单元的流股，处理单元流入其后续分离器的流股，排放前的混合器流向外界环境的流股。含有三个处理单元的废水处理网络超结构如图2所示。
步骤二：运用水—氧夹点分析技术对过程进行水—氧夹点分析，并利用水—氧夹点分析的结论简化图2所示的超结构。
步骤三：对图2所示的超结构，以水—氧夹点分析的结论作为设备约束条件和附加约束条件，建立以COD为标准的数学规划法模型如下：
目标函数： min. Cost（1）
约束条件：
去除率计算式：
（2）
—废水处理单元t的COD去除率
COD流率平衡式：
（3）
—过程单元i到处理单元t的COD流率
—处理单元t到过程单元j的COD流率
（4）
—过程单元i流入单元p（p≠t）的COD流率
—过程单元p（p≠t）流入单元j的COD流率
COD质量平衡式：
处理单元：
（5）
，—过程单元t进出口COD浓度
其他单元：
（6）
，—过程单元p（p≠t）进出口COD浓度
设备约束条件：
（7）
—生化处理单元t允许的最小COD负荷
—生化处理单元t允许的最大COD负荷
—生化处理单元t的进口COD负荷
排放约束条件：
（8）
—最终排放COD浓度
—环境允许排放COD浓度
步骤四：对步骤三中建立的数学规划法模型进行计算机编程，采用模型优化软件（本文采用GAMS）中的MINLP模型进行优化，求解得到最小需氧量和最小废水处理量为前提的最小废水处理费用和最优废水处理网络。
4. 结论
总的来说，废水处理费用最小化，是通过水—氧夹点分析共同保证的，水—氧夹点分析可以分步分析，分析时一定要保证先使用水夹点分析后使用氧夹点分析，Zhelev采用这样的方法，但是分步分析的工作量较大，协调较困难。本文采用同步分析的方法，并与数学规划法结合探索设计最优的废水处理网络，不仅简化了分步设计的设计步骤同时有效降低了MINLP问题的维数，使得求解更加容易。最后需要指出的是，运用水—氧夹点分步分析时，必须同时给出待处理废水的以杂质质量为基准的水质参数，和COD为基准的水质参数，以往的废水处理网络设计中只是考虑以杂质质量为基准参数，只能从量的角度考虑废水处理费用的最小化而忽略了废水质对于处理费用的影响。
参考文献
[1]T.K.Zhelev*，N.Bhaw.Combined water—oxygen pinch analysis for better wastewater treatment management.Waste management 20（2000）:665-670．