去除污水中的栅渣是城市污水处理的第一道工序,该工序的正常运转对保护机械设备、管道,保证后续工艺正常运行起到重要作用^[1]。近年来随着对水质要求的不断提高,MBR工艺得到大量的应用,但该工艺对配套的预处理设备有很高的技术要求,通常需要采用过滤精度0.5~1.0 mm的精细格栅以去除毛发等细小纤维物质,避免其进入膜系统后在膜表面聚集而使膜组件内发生板结,导致膜组件处理效果降低。本文对采用MBR工艺的北京市延庆污水处理厂预处理系统中细格栅和转鼓格栅在运行中存在的问题进行了分析,并介绍了采用孔板细格栅对原有预处理系统进行改造的思路,总结了改造后孔板细格栅的实际运行效果,以期为MBR工艺预处理系统的设计改造提供借鉴。

　　 延庆污水处理厂始建于1999年,最初设计采用SBR处理工艺,设计处理能力3万m³/d,主要处理生活污水。2009年,为了加快推进区域生态环境建设,对该污水处理厂进行了升级改造,实施再生水工程,在原有SBR处理工艺的基础上改建为A²/O+MBR工艺,设计处理能力仍为3万m³/d,工艺流程如图1所示。

　　 污水在进入主体构筑物之前一般需要先进行预处理,延庆污水处理厂的预处理只是在原有SBR工艺粗格栅、细格栅及旋流沉砂池的基础上,增加一道转鼓格栅,该预处理模式投入运行后,出现了许多的问题,影响了整个工艺的处理效果,预处理系统主要在细格栅和转鼓格栅两个环节出现问题。

　　 细格栅部分为10mm回转细格栅,属于单维栅网结构,即栅条长度比栅条宽度大许多倍的栅网结构^[2],栅隙均一性较差,细长扁平杂物较易穿透,格栅过滤效率低。

　　 转鼓格栅采用国产设备,间隙1mm,设计2台,1用1备,单台过水量1 250m³/h以上,反冲洗水泵2台,1用1备,设计反冲洗压力0.6 MPa。投入运行后转鼓格栅过水量一直无法达到设计要求,运行效果差,在2 台全开的情况下勉强满足运行需求。运行半年后转鼓格栅开始出现堵塞现象,过水量不断下降,运行1年后,开始出现开网、断轴等严重的机械故障,如图2所示。

　　 针对转鼓格栅的运行问题,运行管理人员对转鼓格栅的运行故障进行了细致的分析,发现存在如下问题:1该再生水工程是改造工程,对原有预处理设备没有进行升级改造,只在生化池前端增加了一道转鼓格栅用于对膜的保护,实际运行中,前端原有预处理设备尤其是细格栅对来水无机物拦截效率较低,导致转鼓格栅运行负荷过大;2工程中采用的转鼓格栅栅网是十字编织网,实际运行中极易挂毛发等纤维物质,且易在编织网中穿插卡死,反冲洗较难将其冲洗掉,随着运行时间的积累,来水中杂物的不断积聚,导致栅网有效过滤面积下降,从而致使反冲洗效率降低;3转鼓格栅只有中压冲洗,没有配套高压反冲洗设备,实际运行中无法保证有效清洗栅网拦截物,有些反冲物质进入U型槽后,由于杂物较大,极易堵塞后端泄水孔,从而导致杂物在U型槽中随水溢出,无法有效将拦截的杂物提升到格栅外部。

　　 为了缓解转鼓格栅的污堵,满足工艺运行的要求,水厂前期采取了如下措施:1运行人员定时清掏U型槽底部泄水孔;2增加16 MPa高压冲洗机,运行人员定时进行人工冲洗栅网;3根据格栅实际污堵状况和过水能力,每隔1~2个月进行人工清刷栅网。采取上述措施后转鼓格栅运行情况有了一定好转,但转鼓格栅过水量仍然无法满足运行要求,长期处于高液位运转状态,导致运行负载过大,频繁跳闸,运行十分困难,为从根本上解决这一问题,需要对格栅进行改造。

　　 为了保障MBR工艺的良好运行,必须对污水进行充分的机械预处理,机械预处理系统的确定要考虑排水体制、进水水质、膜组件结构要求等三个方面。如排水系统为合流制,则需快速可靠地将大量粗大物质分离出来;如进水中细小纤维含量较高时,则需合理选择格栅系统的级差组合^[2]。从运行需求上来看,精细格栅是整个机械预处理系统的核心,需要选择安全可靠的设备,但是要保证精细格栅的良好运行,也必须依靠前面各级预处理格栅的准确选型和良好运转。

　　 通过对转鼓格栅的细致研究与分析后,改造需满足以下要求:1需要考虑将整个预处理工艺分段去除进水杂质,不能将过多杂质放到最后的转鼓格栅来去除;2现有转鼓格栅不适应实际运行需求,需寻找效率更高的新精细格栅进行替代;3针对该厂外部污水管网是合流制排水系统的特点,污水的栅渣中含有较多毛发、塑料袋、辣椒、烟头等杂质,新选格栅应能确保对此类栅渣的有效拦截,避免对后续单元设备运行产生影响;4工程改造期间不能影响正常的生产运行,需在不停水状态下完成改造工作。

　　 一般来说MBR工艺预处理阶段必须采用四级以上的机械性预处理设备:粗格栅(栅距10~20mm);细格栅(栅距3~6mm);沉砂除油装置;精细格栅(栅条间隙0.5~2mm)^[2]。其中精细格栅是MBR工艺预处理系统的核心设备,从国内已经建成的较大规模的膜处理工程来看,精细格栅实践应用主流产品主要包括转鼓格栅、孔板格栅和滚筒格栅这三种形式,三种形式的格栅比较如表1所示。

　　 通过表1对比及对厂家实际使用的调研,结合现场情况,最终选定孔板格栅替代原有转鼓格栅,考虑到栅渣的分级去除及精细格栅的良好运转要求,改造方案确定为用3.0 mm孔板格栅替代原有10.0mm传统回转细格栅,用1.0 mm孔板格栅替代原有1.0mm转鼓格栅。主要理由如下:

　　 (1)与转鼓格栅、滚筒格栅相比,孔板格栅清污范围广、能力强、适合各种水质,尤其是对纤维和毛发等絮状物有明显效果,分离效率可高达95% 以上,通过对厂家实际使用的调研,肯定了其去除效率高的特点。孔板格栅在设计中表现出较其他网格型精细格栅更多的优势,以栅隙1.0 mm为例,直径1.0mm的圆形孔眼实际孔眼面积为边长1.0mm的方形格网孔眼面积的78.5%^[3],因此截留能力更为优越;另外,由于网板型为刚性板式结构,格网型为柔性的网状结构,在运行过程中,网板型较格网型抗变型能力强,不易发生破损,比较适合污水栅渣中含有较多头发丝、塑料袋、辣椒、烟头等特点的进水水质。

　　 (2)孔板格栅对比其他两种格栅反清洗方式更加精细与可靠,孔板格栅反冲洗采用中压和高压两种冲洗方式,中压冲洗水要求大于0.6MPa,高压冲洗水要求大于12.0MPa,格栅冲洗系统在启动时采用中压水进行冲洗,但经中压水冲洗后仍会有少量纤维物缠绕在栅板上,因此格栅在运行时一般每隔4~6h用高压扫描冲洗1次,每次5min,由于水压大于12.0 MPa可以形成强力水刀,把缠绕在栅板上的纤维物质进行有效切割,其清洗的彻底性能使格栅长期处于安全稳定运行状态。

　　 (3)孔板格栅对土建工程要求不高,设备安装简单,设备与渠道墙壁的固定件均采用膨胀螺栓,无需预埋件,此种情况特别适合污水处理厂的改造,可以直接利用现有格栅渠道进行安装,而且其采用的框架结构,垂直渠道的安装方式大大方便了安装、调试、维护和保养,排渣及栅渣冲洗部分为全封闭结构,现场操作环境良好^[4]。

　　 (4)考虑到栅渣的分级处理,为了保障精细格栅的良好运转,从国内已经建成的较大规模的膜处理工程来看,必须在精细格栅之前安装去除效率较高的细格栅,而细格栅的栅距一般选择3~6 mm,考虑到常见传统细格栅效率较低的实际现状,因此在1mm精细格栅之前安装去除效率更高的3mm孔板格栅,从而可充分保障实际运行的安全与可靠。

　　 为了在不影响运行的情况下进行格栅改造,改造时间选择在全年来水量最低的4月进行,具体改造情况如下:首先暂停1台1.0mm转鼓格栅,拆除后直接利用原有渠道安装1.0mm孔板格栅,调试完成正常使用后,再改造另外1台1.0 mm孔板格栅,安装完成后两台1.0 mm孔板格栅联动调试运行;然后用1 台3.0 mm孔板格栅替代原有2 台10.0mm传统回转细格栅,改造前先施工一根DN700约10m长的临时过水管段用于施工期间的超越进水,然后将原有2条传统回转细格栅渠道直接连通使用,作为新3.0mm孔板格栅渠道。

　　 孔板格栅投入运行后,在正常运行条件下,效果良好,但是由于延庆污水处理厂外部污水管网是合流制排水系统,在每年春季头几场降雨时,来水中含有大量杂质,尤其是管道沉积物含有大量油脂块状物,降雨量较大时全部被水流冲刷带入污水处理厂,短时间内预处理需及时拦截大量栅渣,给孔板格栅运行带来巨大的压力。针对此种极端来水情况,经与厂家充分沟通讨论,对孔板格栅的运行进行了如下优化:

　　 (1)格栅启动条件采用双重控制,一是以时间继电器进行控制,以正常情况下1个运行周期作为时间分割,将格栅时间设定为暂停2.5min,中压反冲洗1min,高压反冲洗每6h扫描冲洗1 次,每次5min;二是以栅前液位进行控制,只要栅前液位达到设定值就进行中压反冲洗。

　　 (2)优化格栅反冲洗控制,一是单次反冲洗栅前液位不下降,中压冲洗持续运行,直至栅前液位下降至正常值;二是中压反冲洗连续运行3min栅前液位仍不下降,启动高压反冲洗,进行中压和高压联合反冲洗,直至栅前液位下降至正常值。

　　 (3)在格栅与渠道之间的侧面挡水板上开应急窗口,避免极端情况下污水从栅渠翻越外流进入车间。

　　 格栅改造完成后,彻底解决了困扰MBR工艺运行的预处理难题,单台3.0 mm孔板格栅设计处理水量为1 250m³/h,单台1.0mm孔板格栅设计处理水量为1 042m³/h,正常运行条件下能够轻松处理来水量,短时间高峰处理量能够达到1 600m³/h。且在极端来水情况下也能够稳定运行,对进水栅渣具有较强的抗冲击负荷能力。通过对格栅过滤前后污水感官观察及SS的检测发现,孔板格栅过滤效率极高,如图3所示。

　　 孔板格栅固液分离能力较强,能够将来水中的杂质、纤维、毛发较为彻底地拦截下来,尤其是其格栅的运转方式,暂停2.5min反冲洗1min,能够截留比孔径小很多的杂质,来水中较小的沙砾等无机物都可以被反冲出来,其栅渣量比传统格栅至少高出1倍。由于有高达12 MPa的高压水刀每6h进行1次扫描冲洗,能够彻底解决膜工艺运行中的纤维毛发问题,对缓解膜污染具有非常重要的作用。

　　 传统格栅拦截不彻底,在生化池中容易积聚形成细小漂浮物,如辣椒、下水道沉积小油块、小树叶、塑料袋等各类细小漂浮物,大大影响生化池感官,有时甚至需要进行人工清捞。安装孔板格栅后彻底改变了这种情况,由于拦截效率较高,绝大部分细小漂浮物都被截留,极少量进入生化池的漂浮物也随着剩余污泥进入污泥脱水单元进行处理,孔板格栅大大改变了污水处理厂生化池的感官。

　　 由于孔板格栅对来水杂质拦截较为彻底,对后续膜组件起到很好的保护作用。通过膜组器的离线清洗发现,膜丝间纤维、毛发缠绕物急剧减少,膜丝间污泥板结现象大为改观,膜池沉积的沙砾类无机物也大量减少,缓解了膜污染,保护了膜丝,一定程度上延长了膜的使用寿命和运行周期。改造前后膜片离线时堵塞情况见图4。

　　 由于孔板格栅较高的拦截效率,来水中纤维、毛发、沙砾得到大量去除,在实际运行中对后续生化处理、污泥处理设备的阀门、水泵的磨损、堵塞大为改善。如以污泥处理的螺杆泵为例,改造前螺杆泵泵轴与泵套正常运行6个月左右就会出现渗漏,孔板格栅改造完成后近两年没有出现此问题,大大减少了螺杆泵的磨损;膜池排放剩余污泥的排泥阀,改造前正常运行1年左右就会出现纤维、毛发的缠绕堵塞现象,孔板格栅改造完成后近两年也没有出现此问题,大大减少了阀门堵塞现象。

　　 通过近两年的运行,孔板格栅在实际运行中也存在一些问题。

　　 (1)栅前液位计问题。孔板格栅相对来说使用环境较为恶劣,尤其是在雨季和冬季,由于北方地区的气候特点容易在使用环境中产生水气,从而造成超声波液位计偶尔有失灵现象,在实际运行中一般通过运行人员定期擦拭液位计即可解决,但从长期运行来看,此问题可以进一步加以改进。

　　 (2)高排水型螺旋压榨机毛刷磨损问题。高排水型螺旋压榨机是配合孔板格栅使用的关键设备,孔板格栅拦截反冲的栅渣通过U型流槽进入高排水型螺旋压榨机,在此栅渣进行压榨外排,毛刷是压榨机的易损件,通过运行发现,此毛刷正常运行6个月就需更换,虽然毛刷更换对格栅运行影响很小,但是从毛刷的使用寿命上需要进一步加以改进。

　　 (1)孔板格栅可以高效去除污水中的纤维、毛发,附带可以去除一部分沙砾,减轻了对后续污水处理设备的缠绕和构筑物、阀门等的堵塞,是一种更加高效的格栅,特别是作为MBR工艺的预处理系统时,具有更强的应用优越性。

　　 (2)运行管理过程中应根据实际运行情况合理优化孔板格栅运行模式。孔板格栅采用时间控制、辅助设定栅前液位优先的运行模式较好,运行暂停的时间值要根据现场经验设定,在确保过水量的前提下,适当延长格栅的暂停时间,合理缩短格栅的运行时间,既保证了栅渣的积累,避免无效运行,又减轻设备的磨损和节约能耗。