【分析】沉砂池在污水處理中的作用以及各種沉砂池的對比
時間：2016-10-31 13:07
來源：北國環(huán)保微信
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沉砂池一般是設(shè)在污水處理廠生化構(gòu)筑物之前的泥水分離的設(shè)施。分離的沉淀物質(zhì)多為顆粒較大的砂子，沉淀物質(zhì)比重較大，無機成分高，含水量低。污水在遷移、流動和匯集過程中不可避免會混入泥砂。污水中的砂如果不預(yù)先沉降分離去除，則會影響后續(xù)處理設(shè)備的運行。最主要的是磨損機泵、堵塞管網(wǎng)，干擾甚至破壞污水處理工藝過程。
一、適用對象
沉砂池去除污水中泥砂等粗大顆粒。
二、沉砂池在污水處理中的作用
池在污水處理廠的投資、占地等方面所占的比例很小，但其作用卻不可忽視。若取消沉砂池，大量砂粒將進(jìn)入后續(xù)各處理單元，給污水廠的正常運行帶來諸多隱患：
(1) 砂粒進(jìn)入初沉池會加速污泥刮板的磨損，縮短使用壽命。
(2) 排泥管道中砂粒的沉積易導(dǎo)致管道的堵塞，進(jìn)入污泥泵后會加劇葉輪磨損。
(3) 對于不設(shè)初沉池的處理工藝(如氧化溝、CASS 等) 或?qū)嶋H運行中由于進(jìn)水負(fù)荷過低而超越初沉池運行的工藝，大量砂粒將直接進(jìn)入生化池沉積，導(dǎo)致生化池有效容積的減少，同時還會對曝氣器產(chǎn)生不利影響。
(4) 砂粒進(jìn)入污泥消化池中，將減少有效容積，縮短清理周期。
(5) 污泥中含砂量的增加會大大影響污泥脫水設(shè)備的運行。砂粒進(jìn)入帶式脫水機會加劇濾布的磨損，縮短更換周期，同時會影響絮凝效果，降低污泥成餅率。近年來臥螺式離心機在城市污水處理廠中的應(yīng)用日益廣泛，由于該設(shè)備采用高速離心分離的方式，砂粒會大大加劇轉(zhuǎn)筒、螺旋等處的磨損。
三、沉砂池一般規(guī)定
(1) 城市污水處理廠一般均應(yīng)設(shè)置沉砂池。
(2) 沉砂池按去除相對密度2.65、粒徑0.2mm以上的砂粒設(shè)計。
(3) 污水流量應(yīng)按分期建設(shè)考慮;當(dāng)污水自留入廠時，按每期最大設(shè)計流量計算;用污水泵提升入場時，按每期工作泵的最大組合流量計算;在合流制處理系統(tǒng)中，按降雨時的設(shè)計流量計算。
(4) 沉砂池個數(shù)或分格數(shù)不應(yīng)少于2個(格)，并按并聯(lián)系列設(shè)計。
(5) 城市污水的沉砂量按(15-30)/(106m3/m3)計算，其含水率為60%，容重為1500kg/m3，合流制污水按實際情況確定。
(6) 砂斗容積按2日的沉砂量計算，斗壁與水平面夾角不小于55°。
(7) 一般應(yīng)采用機械除砂，并設(shè)置貯砂池。排砂管直徑不應(yīng)小于20mm。
(8) 重力排砂時，沉砂池與貯砂池應(yīng)盡可能靠近。
四、平流沉砂池的設(shè)計，應(yīng)符合下列要求：
(1) 最大流速應(yīng)為0.3m/s，最小流速應(yīng)為0.15m/s;
(2) 最高時流量的停留時間不應(yīng)小于30s;
(3) 有效水深不應(yīng)大于1.2m，每格寬度不宜小于0.6m。
五、曝氣沉砂池的設(shè)計，應(yīng)符合下列要求：
(1) 水平流速宜為0.1m/s;
(2) 最高時流量的停留時間應(yīng)大于2min;
(3) 有效水深宜為2.0~3.0m，寬深比宜為1~1.5：
(4) 處理每立方米污水的曝氣量宜為0.1~0.2m3空氣;
(5) 進(jìn)水方向應(yīng)與池中旋流方向一致，出水方向應(yīng)與進(jìn)水方向垂直，并宜設(shè)置擋板。
六、各種沉砂池的比較
平流沉砂池是一個狹長的矩形池，廢水經(jīng)消能或整流后進(jìn)入池中，沿水平方向流至末端經(jīng)堰板流出。結(jié)構(gòu)簡單，處理效果較好。曝氣沉砂池在池側(cè)設(shè)置一排空器擴散器，曝氣產(chǎn)生三個作用：
(1) 水力旋流使砂粒與有機物分離，沉渣不易腐敗;
(2) 氣浮油脂并吹脫2物質(zhì);
(3) 經(jīng)曝氣充氮、氧化部分有機物。優(yōu)點是除砂效果穩(wěn)定，受流量變化影響小。
七、平流沉淀池
運行操作主要是控制污水在池中水平流速v和停留時間t。污水中砂的粒徑大，則可增加水平流速，反之則應(yīng)減小v才能使砂粒充分沉淀下來�？刂埔c是，當(dāng)流量變化時首先應(yīng)調(diào)整溢流堰高度來改變有效水深，而后考慮改變運行池數(shù)。水力停留時間影響沉砂效率。如停留時間不足，則本應(yīng)沉淀下來的砂粒也隨之流走。反之，有機物將沉淀下來。
八、曝氣沉砂池
運行操作主要是控制污水在池中的旋流速度和旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。旋流速度與砂粒粒徑相關(guān)，粒徑越小，需要的旋流速度越大;旋流速度也不能太大，否則沉下的砂粒會重新泛起。旋流速度與沉砂池的幾何尺寸、擴散器的安裝位置和曝氣強度等因素有關(guān)。旋轉(zhuǎn)圈數(shù)則與除砂效率相關(guān)，旋轉(zhuǎn)圈數(shù)越多，除砂效率越高，要去除直徑為0.2mm的砂粒，需要維持0.3m/s旋轉(zhuǎn)速遞，在池中至少旋轉(zhuǎn)3圈。在運行中可通過調(diào)整曝氣強度，改變旋流速度和旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，保證穩(wěn)定的除砂效率。當(dāng)進(jìn)入沉砂池的污水量增加時，水平流速也將加快，此時應(yīng)增大曝氣強度。
沉砂池學(xué)問多 |復(fù)合砂粒對污水廠運行表現(xiàn)的經(jīng)濟影響
除砂技術(shù)的研究目前相對來講還計較少，Scopus數(shù)據(jù)庫的一篇綜述顯示，跟污水處理除砂工藝相關(guān)的文章約60篇，只有不到4成刊登在有索引的期刊上。這60多篇報告中，有25%是關(guān)于水力模型的，60-65%是沉砂池的砂組成鑒定以及除砂表現(xiàn)評估(不少還是具體污水廠的個案)。而且關(guān)于固體顆粒在湍流中的沉淀情況，科學(xué)家研究雖然出了一些理論和半經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃凸剑跋到y(tǒng)的相關(guān)應(yīng)用似乎卻被忽略了。
大部分污水廠的除砂系統(tǒng)的運作都是基于大量懸浮顆粒的沉淀作用。沉砂系統(tǒng)中截留的無機顆粒的粒徑在0.2-4mm之間，密度一般大于1800 kg/ m3 (見表1)。除砂器的作用是要選擇性地去除固體，保護(hù)下游工藝的機器設(shè)備免受磨損，以及防止無機砂在曝氣池和厭氧消化器中的累積。盡管部分有機物的截留在所難免，起碼確保大的無機固體的去除，美國EPA2003年的國家標(biāo)準(zhǔn)是進(jìn)水中粒徑為210um的顆粒去除率要達(dá)95%。這種情況讓運行者在實際運行中經(jīng)常遇難題，比如有污水廠運行人員在近期報告中指出除砂系統(tǒng)出現(xiàn)的有機物夾帶問題給污水廠帶來了挑戰(zhàn)，盡管除砂設(shè)備符合行業(yè)規(guī)格，仍給下游工藝帶來很多負(fù)面影響；在比如盡管大家都知道砂跟有機物（尤其是FOG，即脂肪、油類和油脂）物質(zhì)存在混合現(xiàn)象，但似乎沒有這方面的量化研究，包括兩者的夾帶程度和對除砂效率的可計算影響。
▲ 美國弗吉尼亞州的 Nansemond 污水廠的厭氧消化池積砂清理工作
任職于英國的Cranfield University和中東的卡塔爾大學(xué)的Simon Judd教授，連同幾個在卡塔爾大學(xué)的同事，在近期IWA期刊Water Research中發(fā)表了題為《復(fù)合粒子的形成對除砂工藝的表現(xiàn)和經(jīng)濟情況的影響（Influence of composite particle formation on the performance and economics of grit removal）》的文章。Simon Judd教授有在水處理領(lǐng)域有超過20年的研究經(jīng)驗，并著有不少專業(yè)教材，特別專注于MBR工藝的探索，被不少人認(rèn)為是該領(lǐng)域的頂尖專家之一。這個研究的目的是調(diào)查包括了FOG等有機顆粒的夾帶現(xiàn)象對砂粒的沉降性能以及剩余砂粒在下游污水處理單元的成本的影響。工作內(nèi)容包括了：
1. 實驗測定顆粒固體中的FOG層(FOG coating)對復(fù)合粒子的沉降速度的影響；
2. 模型復(fù)合球狀顆粒的趨勢對比
3. 對實際污水廠的砂樣品進(jìn)行成分鑒定
4. 分析實際經(jīng)濟數(shù)據(jù)測定沉降減慢而增加的成本
▲ 表1 砂粒的粒徑范圍、比重、形狀、來源和估算沉降速度
實際和模擬的同質(zhì)復(fù)合砂樣本有以下形式：
1. 使用美國加州Cospheric制造的標(biāo)準(zhǔn)微球體；
2. 平均密度為2,650kg/m³的砂粒
3. 包有了燭蠟(密度約910kg/m³)的砂粒充當(dāng)FOG類似物
4. 從英國四個不同污水廠提取的厭氧消化器和曝氣池中的固體樣本
研究團隊直接從美國和英國水務(wù)局和市政廳的資產(chǎn)管理部門和其他相關(guān)人員那里獲取12組跟除砂和設(shè)備磨耗相關(guān)的成本信息：
a) 厭氧消化器的清理 (5組數(shù)據(jù))
b) 曝氣池的清理 (3組數(shù)據(jù))
c) 初沉池的清洗翻新 (1組數(shù)據(jù))
d) 機械設(shè)備的磨耗(2組數(shù)據(jù)) 和混凝土管道(1組數(shù)據(jù))
研究人員對不同材料微球體的沉降速度進(jìn)行測定，然后與不同模型公式計算出來的數(shù)值進(jìn)行對比，通過這些對比找出適合砂的表達(dá)模型。
▲ 不同材料顆粒的實測沉降速度與模型計算值得對比
在完成公式適應(yīng)性對比后，再用以下公式計算FOG的比例對沉降阻滯的影響。主要的影響因子是模擬砂石的粒徑和密度。
測試結(jié)果顯示FOG包圍層可以占到固體顆�？傮w積的45%，根據(jù)這個數(shù)值，以FOG 的密度為880kg/m³來計算，沉降速度的減少率為13-14%。但計算結(jié)果顯示顆粒的粒徑對沉降速度比率沒有明顯影響。
▲ 沉降速率阻滯百分比與FOG成分比例的模擬數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)對比
下圖則顯示5個不同污水廠的不同工藝單元的砂樣品的顯著差，平均粒徑和砂有機物比的標(biāo)準(zhǔn)差為48%和61%。其中大部分都是厭氧消化池的取樣，但75%的樣品的尺寸在300-400mm之間。有機物含量在15-74%之間，平均值為43%。之前一個研究數(shù)據(jù)顯示，在超過15個美國污水廠的樣本顯示約半數(shù)的顆粒的粒徑要小于這個數(shù)字，平均值為210mm，這個研究為400mm。
▲ 4個英國污水廠砂樣品的顆粒粒徑和砂粒平均有機物含量百分比值對比
除砂帶來的經(jīng)濟影響量化分析結(jié)果總結(jié)如下表，研究人員假設(shè)出一個標(biāo)準(zhǔn)改善因子(performanceimprovement factor-PIF)，來估算除砂效果的改善與成本降低的關(guān)系。另外的一些假設(shè)包括了平均通貨膨脹率為2.5%、各種來源回收的砂都用相同的處理方式處置等。
經(jīng)計算，他們得到的平均成本值為17.7美元/1,000m³，單個組成的費用貢獻(xiàn)顯示管道磨損導(dǎo)致的維修費用最高，占了50%，曝氣池和厭氧消化池的清理產(chǎn)生的費用次之，而且都約$3/1,000m³。然后報告作者做了個假設(shè)，認(rèn)為管道磨損跟初沉池的翻新費用是很難那避免的，但通過改善除砂設(shè)備，其他成本因素是比較容易去除的，也就是說PIF值設(shè)為50%，除砂的費用可能在8.2美元/1000m³。然后他們做一個粗略估算，假設(shè)除砂效率跟沉降速度線性相關(guān)，之前計算得出的因FOG使得沉降速率減少率約為14%，這相當(dāng)于導(dǎo)致了新增成本為1.1美元/1,000m³。
▲表2 除砂修復(fù)成本總覽
根據(jù)作者的計算方法，對于一個規(guī)模為2.5萬噸/天、資產(chǎn)壽命為25年的污水廠項目，如果PIF表現(xiàn)改善因子設(shè)為50%，那么除砂新增成本約為$0.93 m。如果資產(chǎn)壽命折半，折舊率為4%，這部分費用可降至$0.56 m。作者說這個值代表了投資成本差別閾值，指的是在該項目中選擇傳統(tǒng)經(jīng)典沉砂池和配有先進(jìn)技術(shù)（PIF為50%）的沉砂池的造價差別。如果將PIF提高到90%，也就是相當(dāng)于最樂觀和很理想化的除砂效果，那么這一部分的成本將上升到300萬美元——計算方法也是參照上述的表2，因為單位成本增加至15美元/1,000m³。
通過使用多層水力旋流系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)，可以將去除粒徑尺寸降低至75um，但這又不可避免地增加了夾帶有機物的含量。為了盡量限制有機物在廢砂中的含量，目前比較經(jīng)濟的處理手段是進(jìn)行砂洗和脫水循環(huán)，將有機物從這個廢物流(waste stream)中分離，這部分費用分別會占到整個除砂工藝的CAPEX和OPEX的50%和50-75%。當(dāng)然具體比例要視乎砂和進(jìn)水的特性。盡管這部分費用跟除砂本身相比，費用增加率是很顯著的，但是我們從下圖可以看出，跟整個攤銷的投資費用相比，這部分支出其實很小。
▲ 2.5萬噸/天的污水廠在不同PIF值下的砂累積代價成本和沉砂池投資費用對應(yīng)圖
通過Simon Judd教授的研究，我們可能對沉砂池在污水處理中的作用有了更深的認(rèn)識。沉砂池在中國的污水廠也是常見的工藝設(shè)備，研究中的實驗數(shù)據(jù)可能可以幫助污水廠管理者在新建或者改造項目重視沉砂池的設(shè)計，以及更好地選擇設(shè)備。相關(guān)人士也可以在網(wǎng)上找到一些相關(guān)的計算輔助軟件，例如由Hydro International開發(fā)的一個關(guān)于沉砂池的專題網(wǎng)站，其中包括了砂的行為特性、物化特征和計算器。
http://www.advancedgritmanagement.com/understanding-grit#calculator
另外，今年7月Simon Judd在其主持的MBR專業(yè)網(wǎng)站（www.thembrsite.com）上專門針對MBR工藝的除砂成本寫了一篇博文，有興趣的讀者可以作為拓展資訊進(jìn)行閱讀
http://www.thembrsite.com/blog/degritting-in-mbrs-true-grit-costs/#.WXDaIEOs4ho.twitter
參考資料：
SJ Judd, M Khraisheh, KL Al-Jaml, DM Jarman, T Jahfer, Influence of composite particle formation on the performance and economics of grit removal, Water Research, Volume 108, 1 January 2017, pp 444-450
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