【分析】沉砂池在污水處理中的作用以及各種沉砂池的對(duì)比
時(shí)間：2016-10-31 13:07
來(lái)源：北國(guó)環(huán)保微信
評(píng)論（0）
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(wú)機(jī)成分高，含水量低。污水在遷移、流動(dòng)和匯集過(guò)程中不可避免會(huì)混入泥砂。污水中的砂如果不預(yù)先沉降分離去除，則會(huì)影響后續(xù)處理設(shè)備的運(yùn)行。最主要的是磨損機(jī)泵、堵塞管網(wǎng)，干擾甚至破壞污水處理工藝過(guò)程。
一、適用對(duì)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(yùn)行帶來(lái)諸多隱患：
(1) 砂粒進(jìn)入初沉池會(huì)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(huì)加劇葉輪磨損。
(3) 對(duì)于不設(shè)初沉池的處理工藝(如氧化溝、CASS 等) 或?qū)嶋H運(yùn)行中由于進(jìn)水負(fù)荷過(guò)低而超越初沉池運(yùn)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(shí)還會(huì)對(duì)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(huì)大大影響污泥脫水設(shè)備的運(yùn)行。砂粒進(jìn)入帶式脫水機(jī)會(huì)加劇濾布的磨損，縮短更換周期，同時(shí)會(huì)影響絮凝效果，降低污泥成餅率。近年來(lái)臥螺式離心機(jī)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(huì)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(duì)密度2.65、粒徑0.2mm以上的砂粒設(shè)計(jì)。
(3) 污水流量應(yīng)按分期建設(shè)考慮;當(dāng)污水自留入廠時(shí)，按每期最大設(shè)計(jì)流量計(jì)算;用污水泵提升入場(chǎng)時(shí)，按每期工作泵的最大組合流量計(jì)算;在合流制處理系統(tǒng)中，按降雨時(shí)的設(shè)計(jì)流量計(jì)算。
(4) 沉砂池個(gè)數(shù)或分格數(shù)不應(yīng)少于2個(gè)(格)，并按并聯(lián)系列設(shè)計(jì)。
(5) 城市污水的沉砂量按(15-30)/(106m3/m3)計(jì)算，其含水率為60%，容重為1500kg/m3，合流制污水按實(shí)際情況確定。
(6) 砂斗容積按2日的沉砂量計(jì)算，斗壁與水平面夾角不小于55°。
(7) 一般應(yīng)采用機(jī)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(shí)，沉砂池與貯砂池應(yīng)盡可能靠近。
四、平流沉砂池的設(shè)計(jì)，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(shí)流量的停留時(shí)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(jì)，應(yīng)符合下列要求：
(1) 水平流速宜為0.1m/s;
(2) 最高時(shí)流量的停留時(shí)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(gè)狹長(zhǎng)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(jiǎn)單，處理效果較好。曝氣沉砂池在池側(cè)設(shè)置一排空器擴(kuò)散器，曝氣產(chǎn)生三個(gè)作用：
(1) 水力旋流使砂粒與有機(jī)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(jī)物。優(yōu)點(diǎn)是除砂效果穩(wěn)定，受流量變化影響小。
七、平流沉淀池
運(yùn)行操作主要是控制污水在池中水平流速v和停留時(shí)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(lái)。控制要點(diǎn)是，當(dāng)流量變化時(shí)首先應(yīng)調(diào)整溢流堰高度來(lái)改變有效水深，而后考慮改變運(yùn)行池?cái)?shù)。水力停留時(shí)間影響沉砂效率。如停留時(shí)間不足，則本應(yīng)沉淀下來(lái)的砂粒也隨之流走。反之，有機(jī)物將沉淀下來(lái)。
八、曝氣沉砂池
運(yùn)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(huì)重新泛起。旋流速度與沉砂池的幾何尺寸、擴(kuò)散器的安裝位置和曝氣強(qiáng)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(yùn)行中可通過(guò)調(diào)整曝氣強(qiáng)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(shí)，水平流速也將加快，此時(shí)應(yīng)增大曝氣強(qiáng)度。
沉砂池學(xué)問(wèn)多 |復(fù)合砂粒對(duì)污水廠運(yùn)行表現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)影響
除砂技術(shù)的研究目前相對(duì)來(lái)講還計(jì)較少，Scopus數(shù)據(jù)庫(kù)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(bào)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(píng)估(不少還是具體污水廠的個(gè)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(yàn)?zāi)Ｐ秃凸�，但跟除砂系統(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(yùn)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(wú)機(jī)顆粒的粒徑在0.2-4mm之間，密度一般大于1800 kg/ m3 (見(jiàn)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(jī)器設(shè)備免受磨損，以及防止無(wú)機(jī)砂在曝氣池和厭氧消化器中的累積。盡管部分有機(jī)物的截留在所難免，起碼確保大的無(wú)機(jī)固體的去除，美國(guó)EPA2003年的國(guó)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(yùn)行者在實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常遇難題，比如有污水廠運(yùn)行人員在近期報(bào)告中指出除砂系統(tǒng)出現(xiàn)的有機(jī)物夾帶問(wèn)題給污水廠帶來(lái)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(lái)很多負(fù)面影響；在比如盡管大家都知道砂跟有機(jī)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(méi)有這方面的量化研究，包括兩者的夾帶程度和對(duì)除砂效率的可計(jì)算影響。
▲ 美國(guó)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(guó)的Cranfield University和中東的卡塔爾大學(xué)的Simon Judd教授，連同幾個(gè)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(duì)除砂工藝的表現(xiàn)和經(jīng)濟(jì)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(guò)20年的研究經(jīng)驗(yàn)，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(gè)研究的目的是調(diào)查包括了FOG等有機(jī)顆粒的夾帶現(xiàn)象對(duì)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(shí)驗(yàn)測(cè)定顆粒固體中的FOG層(FOG coating)對(duì)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(shì)對(duì)比
3. 對(duì)實(shí)際污水廠的砂樣品進(jìn)行成分鑒定
4. 分析實(shí)際經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)測(cè)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(lái)源和估算沉降速度
實(shí)際和模擬的同質(zhì)復(fù)合砂樣本有以下形式：
1. 使用美國(guó)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(guó)四個(gè)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(tuán)隊(duì)直接從美國(guó)和英國(guó)水務(wù)局和市政廳的資產(chǎn)管理部門(mén)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(jī)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(duì)不同材料微球體的沉降速度進(jìn)行測(cè)定，然后與不同模型公式計(jì)算出來(lái)的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)這些對(duì)比找出適合砂的表達(dá)模型。
▲ 不同材料顆粒的實(shí)測(cè)沉降速度與模型計(jì)算值得對(duì)比
在完成公式適應(yīng)性對(duì)比后，再用以下公式計(jì)算FOG的比例對(duì)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(cè)試結(jié)果顯示FOG包圍層可以占到固體顆粒總體積的45%，根據(jù)這個(gè)數(shù)值，以FOG 的密度為880kg/m³來(lái)計(jì)算，沉降速度的減少率為13-14%。但計(jì)算結(jié)果顯示顆粒的粒徑對(duì)沉降速度比率沒(méi)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比
下圖則顯示5個(gè)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(jī)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(jī)物含量在15-74%之間，平均值為43%。之前一個(gè)研究數(shù)據(jù)顯示，在超過(guò)15個(gè)美國(guó)污水廠的樣本顯示約半數(shù)的顆粒的粒徑要小于這個(gè)數(shù)字，平均值為210mm，這個(gè)研究為400mm。
▲ 4個(gè)英國(guó)污水廠砂樣品的顆粒粒徑和砂粒平均有機(jī)物含量百分比值對(duì)比
除砂帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)改善因子(performanceimprovement factor-PIF)，來(lái)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(lái)源回收的砂都用相同的處理方式處置等。
經(jīng)計(jì)算，他們得到的平均成本值為17.7美元/1,000m³，單個(gè)組成的費(fèi)用貢獻(xiàn)顯示管道磨損導(dǎo)致的維修費(fèi)用最高，占了50%，曝氣池和厭氧消化池的清理產(chǎn)生的費(fèi)用次之，而且都約$3/1,000m³。然后報(bào)告作者做了個(gè)假設(shè)，認(rèn)為管道磨損跟初沉池的翻新費(fèi)用是很難那避免的，但通過(guò)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(shuō)PIF值設(shè)為50%，除砂的費(fèi)用可能在8.2美元/1000m³。然后他們做一個(gè)粗略估算，假設(shè)除砂效率跟沉降速度線性相關(guān)，之前計(jì)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(jì)算方法，對(duì)于一個(gè)規(guī)模為2.5萬(wàn)噸/天、資產(chǎn)壽命為25年的污水廠項(xiàng)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(fèi)用可降至$0.56 m。作者說(shuō)這個(gè)值代表了投資成本差別閾值，指的是在該項(xiàng)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(jià)差別。如果將PIF提高到90%，也就是相當(dāng)于最樂(lè)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(wàn)美元——計(jì)算方法也是參照上述的表2，因?yàn)閱挝怀杀驹黾又?5美元/1,000m³。
通過(guò)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(jī)物的含量。為了盡量限制有機(jī)物在廢砂中的含量，目前比較經(jīng)濟(jì)的處理手段是進(jìn)行砂洗和脫水循環(huán)，將有機(jī)物從這個(gè)廢物流(waste stream)中分離，這部分費(fèi)用分別會(huì)占到整個(gè)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(fèi)用跟除砂本身相比，費(fèi)用增加率是很顯著的，但是我們從下圖可以看出，跟整個(gè)攤銷的投資費(fèi)用相比，這部分支出其實(shí)很小。
▲ 2.5萬(wàn)噸/天的污水廠在不同PIF值下的砂累積代價(jià)成本和沉砂池投資費(fèi)用對(duì)應(yīng)圖
通過(guò)Simon Judd教授的研究，我們可能對(duì)沉砂池在污水處理中的作用有了更深的認(rèn)識(shí)。沉砂池在中國(guó)的污水廠也是常見(jiàn)的工藝設(shè)備，研究中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可能可以幫助污水廠管理者在新建或者改造項(xiàng)目重視沉砂池的設(shè)計(jì)，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(jì)算輔助軟件，例如由Hydro International開(kāi)發(fā)的一個(gè)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(jì)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(mén)針對(duì)MBR工藝的除砂成本寫(xiě)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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