沉砂池学问多 |复合砂粒对污水厂运行表现的经济影响
除砂技术的研究目前相对来讲还计较少，Scopus数据库的一篇综述显示，跟污水处理除砂工艺相关的文章约60篇，只有不到4成刊登在有索引的期刊上。这60多篇报告中，有25%是关于水力模型的，60-65%是沉砂池的砂组成鉴定以及除砂表现评估(不少还是具体污水厂的个案)。而且关于固体颗粒在湍流中的沉淀情况，科学家研究虽然出了一些理论和半经验模型和公式，但跟除砂系统的相关应用似乎却被忽略了。
大部分污水厂的除砂系统的运作都是基于大量悬浮颗粒的沉淀作用。沉砂系统中截留的无机颗粒的粒径在0.2-4mm之间，密度一般大于1800 kg/ m3 (见表1)。除砂器的作用是要选择性地去除固体，保护下游工艺的机器设备免受磨损，以及防止无机砂在曝气池和厌氧消化器中的累积。尽管部分有机物的截留在所难免，起码确保大的无机固体的去除，美国EPA2003年的国家标准是进水中粒径为210um的颗粒去除率要达95%。这种情况让运行者在实际运行中经常遇难题，比如有污水厂运行人员在近期报告中指出除砂系统出现的有机物夹带问题给污水厂带来了挑战，尽管除砂设备符合行业规格，仍给下游工艺带来很多负面影响；在比如尽管大家都知道砂跟有机物（尤其是FOG，即脂肪、油类和油脂）物质存在混合现象，但似乎没有这方面的量化研究，包括两者的夹带程度和对除砂效率的可计算影响。
▲ 美国弗吉尼亚州的 Nansemond 污水厂的厌氧消化池积砂清理工作
任职于英国的Cranfield University和中东的卡塔尔大学的Simon Judd教授，连同几个在卡塔尔大学的同事，在近期IWA期刊Water Research中发表了题为《复合粒子的形成对除砂工艺的表现和经济情况的影响（Influence of composite particle formation on the performance and economics of grit removal）》的文章。Simon Judd教授有在水处理领域有超过20年的研究经验，并著有不少专业教材，特别专注于MBR工艺的探索，被不少人认为是该领域的顶尖专家之一。这个研究的目的是调查包括了FOG等有机颗粒的夹带现象对砂粒的沉降性能以及剩余砂粒在下游污水处理单元的成本的影响。工作内容包括了：
1. 实验测定颗粒固体中的FOG层(FOG coating)对复合粒子的沉降速度的影响；
2. 模型复合球状颗粒的趋势对比
3. 对实际污水厂的砂样品进行成分鉴定
4. 分析实际经济数据测定沉降减慢而增加的成本
▲ 表1 砂粒的粒径范围、比重、形状、来源和估算沉降速度
实际和模拟的同质复合砂样本有以下形式：
1. 使用美国加州Cospheric制造的标准微球体；
2. 平均密度为2,650kg/m³的砂粒
3. 包有了烛蜡(密度约910kg/m³)的砂粒充当FOG类似物
4. 从英国四个不同污水厂提取的厌氧消化器和曝气池中的固体样本
研究团队直接从美国和英国水务局和市政厅的资产管理部门和其他相关人员那里获取12组跟除砂和设备磨耗相关的成本信息：
a) 厌氧消化器的清理 (5组数据)
b) 曝气池的清理 (3组数据)
c) 初沉池的清洗翻新 (1组数据)
d) 机械设备的磨耗(2组数据) 和混凝土管道(1组数据)
研究人员对不同材料微球体的沉降速度进行测定，然后与不同模型公式计算出来的数值进行对比，通过这些对比找出适合砂的表达模型。
▲ 不同材料颗粒的实测沉降速度与模型计算值得对比
在完成公式适应性对比后，再用以下公式计算FOG的比例对沉降阻滞的影响。主要的影响因子是模拟砂石的粒径和密度。
测试结果显示FOG包围层可以占到固体颗粒总体积的45%，根据这个数值，以FOG 的密度为880kg/m³来计算，沉降速度的减少率为13-14%。但计算结果显示颗粒的粒径对沉降速度比率没有明显影响。
▲ 沉降速率阻滞百分比与FOG成分比例的模拟数据和实测数据对比
下图则显示5个不同污水厂的不同工艺单元的砂样品的显著差，平均粒径和砂有机物比的标准差为48%和61%。其中大部分都是厌氧消化池的取样，但75%的样品的尺寸在300-400mm之间。有机物含量在15-74%之间，平均值为43%。之前一个研究数据显示，在超过15个美国污水厂的样本显示约半数的颗粒的粒径要小于这个数字，平均值为210mm，这个研究为400mm。
▲ 4个英国污水厂砂样品的颗粒粒径和砂粒平均有机物含量百分比值对比
除砂带来的经济影响量化分析结果总结如下表，研究人员假设出一个标准改善因子(performanceimprovement factor-PIF)，来估算除砂效果的改善与成本降低的关系。另外的一些假设包括了平均通货膨胀率为2.5%、各种来源回收的砂都用相同的处理方式处置等。
经计算，他们得到的平均成本值为17.7美元/1,000m³，单个组成的费用贡献显示管道磨损导致的维修费用最高，占了50%，曝气池和厌氧消化池的清理产生的费用次之，而且都约$3/1,000m³。然后报告作者做了个假设，认为管道磨损跟初沉池的翻新费用是很难那避免的，但通过改善除砂设备，其他成本因素是比较容易去除的，也就是说PIF值设为50%，除砂的费用可能在8.2美元/1000m³。然后他们做一个粗略估算，假设除砂效率跟沉降速度线性相关，之前计算得出的因FOG使得沉降速率减少率约为14%，这相当于导致了新增成本为1.1美元/1,000m³。
▲表2 除砂修复成本总览
根据作者的计算方法，对于一个规模为2.5万吨/天、资产寿命为25年的污水厂项目，如果PIF表现改善因子设为50%，那么除砂新增成本约为$0.93 m。如果资产寿命折半，折旧率为4%，这部分费用可降至$0.56 m。作者说这个值代表了投资成本差别阈值，指的是在该项目中选择传统经典沉砂池和配有先进技术（PIF为50%）的沉砂池的造价差别。如果将PIF提高到90%，也就是相当于最乐观和很理想化的除砂效果，那么这一部分的成本将上升到300万美元——计算方法也是参照上述的表2，因为单位成本增加至15美元/1,000m³。
通过使用多层水力旋流系统等先进技术，可以将去除粒径尺寸降低至75um，但这又不可避免地增加了夹带有机物的含量。为了尽量限制有机物在废砂中的含量，目前比较经济的处理手段是进行砂洗和脱水循环，将有机物从这个废物流(waste stream)中分离，这部分费用分别会占到整个除砂工艺的CAPEX和OPEX的50%和50-75%。当然具体比例要视乎砂和进水的特性。尽管这部分费用跟除砂本身相比，费用增加率是很显著的，但是我们从下图可以看出，跟整个摊销的投资费用相比，这部分支出其实很小。
▲ 2.5万吨/天的污水厂在不同PIF值下的砂累积代价成本和沉砂池投资费用对应图
通过Simon Judd教授的研究，我们可能对沉砂池在污水处理中的作用有了更深的认识。沉砂池在中国的污水厂也是常见的工艺设备，研究中的实验数据可能可以帮助污水厂管理者在新建或者改造项目重视沉砂池的设计，以及更好地选择设备。相关人士也可以在网上找到一些相关的计算辅助软件，例如由Hydro International开发的一个关于沉砂池的专题网站，其中包括了砂的行为特性、物化特征和计算器。
http://www.advancedgritmanagement.com/understanding-grit#calculator
另外，今年7月Simon Judd在其主持的MBR专业网站（www.thembrsite.com）上专门针对MBR工艺的除砂成本写了一篇博文，有兴趣的读者可以作为拓展资讯进行阅读
http://www.thembrsite.com/blog/degritting-in-mbrs-true-grit-costs/#.WXDaIEOs4ho.twitter
参考资料：
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