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01 工藝原理及特點(diǎn)

磁加載混凝澄清系統(tǒng)主要包括磁絮凝反應(yīng)系統(tǒng)、高效澄清系統(tǒng)、藥劑投加系統(tǒng)和磁粉回收系統(tǒng)。主要工藝流程見圖1。

與常規(guī)混凝沉淀對(duì)照，磁加載混凝澄清技術(shù)具有如下特點(diǎn)：①沉淀速度快，表面負(fù)荷高，占地面積??；②對(duì)以膠體和懸浮物存在的污染物質(zhì)具有更好的去除效果；③對(duì)有機(jī)磷去除效果更好，可實(shí)現(xiàn)深度除磷；④可明顯降低絮凝劑的投加量，進(jìn)而節(jié)省運(yùn)行成本，降低殘留化學(xué)品對(duì)水環(huán)境的危害；⑤產(chǎn)生的化學(xué)污泥濃度含水率更低，降低后續(xù)污泥處理費(fèi)用；⑥可通過一體化、集約化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)撬裝式、移動(dòng)式或車載式集成裝備。

加載磁粉后主要通過以下幾個(gè)方面強(qiáng)化混凝沉淀效果：①增大了水中固體顆粒的數(shù)量和碰撞機(jī)會(huì)，具有更高的GT值，有利于絮體成型；②以磁粉為核心的絮體表面Zeta電位更低，電中和能力更強(qiáng)，更有利于去除以膠體形式存在的污染物；③以磁粉為中心形成高密度絮體具有更好的沉淀性能；④磁粉表面的微磁場(chǎng)的存在，對(duì)部分有機(jī)物（如有機(jī)磷）的去除具有催化作用。

02 關(guān)鍵技術(shù)及裝備

2.1 核心技術(shù)參數(shù)

2.1.1 磁粉規(guī)格

顆粒物的粒徑?jīng)Q定比表面積的大小，即磁性顆粒與污染物的接觸面積，直接影響磁粉對(duì)污染物的吸附能力；同時(shí)過大的粒徑會(huì)導(dǎo)致其在發(fā)揮吸附、絮凝能力之前，在重力作用下提前沉降，從而影響助沉效果；粒徑太小，會(huì)導(dǎo)致回收率降低，流失損耗量大。目前工程上常用的磁粉規(guī)格為200~400目，磁粉規(guī)格的選擇與混合絮凝池的攪拌強(qiáng)度、停留時(shí)間有關(guān)，與采用的磁分離設(shè)備的形式和效率有關(guān)。針對(duì)具體的水質(zhì)和混凝控制參數(shù)，最好通過小試選擇最優(yōu)的顆粒規(guī)格。

2.1.2 磁粉初次投加量

在一定范圍內(nèi)提高磁粉的投加量，增大顆粒的比表面積，同時(shí)加大了絮凝劑及污染物與磁粉的碰撞概率，從而強(qiáng)化了混凝效果；投加量過大時(shí)磁粉之間以及磁粉與其他固體顆粒之間碰撞產(chǎn)生的漩渦離心力會(huì)破壞絮體結(jié)構(gòu)的形成，進(jìn)而弱化混凝效果。一般情況下針對(duì)特定的水質(zhì)，磁粉在混凝階段的保有量按照投加絮凝劑以后整體懸浮物濃度的3~5倍考慮。

2.1.3 磁粉流失量

磁粉的流失量與磁粉的粒徑、磁粉純度和磁分離機(jī)的回收率有關(guān)，需要根據(jù)流失量確定補(bǔ)充量，直接影響運(yùn)行成本。目前磁分離機(jī)的回收率一般能夠控制在99.5%左右，在選擇磁粉顆粒合適、純度較高的情況下，折算到噸水損失量可以控制在8 mg/L以下。

2.1.4 磁粉、混凝劑及助凝劑投配

磁混凝澄清池在混合絮凝階段需要投加混凝劑、助凝劑以及回流液中的磁粉和化學(xué)污泥?；炷匾话惴譃?~4格，第一格投加混凝劑，通過高強(qiáng)度攪拌實(shí)現(xiàn)混凝劑與污染物的充分接觸；混合液在第二格內(nèi)與外加磁粉、回流磁粉以及回流污泥通過適度攪拌實(shí)現(xiàn)高效絮凝；絮凝以后的混合液進(jìn)入第三格，投加PAM后形成較大的絮體顆粒，經(jīng)第四格強(qiáng)化接觸絮凝后進(jìn)入后續(xù)澄清池沉淀。由于磁粉的投加，混合絮凝時(shí)間由原來的20 min左右降至8 min以下，沉淀池停留時(shí)間降低至15 min以下，大幅度提高了沉淀池的表面負(fù)荷，節(jié)省了工程占地。

2.2 核心裝備

2.2.1 絮凝攪拌設(shè)備

由于混合絮凝池中的磁粉保有量較大，混合液的整體密度較大，需要較大的攪拌功率。攪拌槳葉需要采用較為特殊的流線型設(shè)計(jì)，保障含有磁粉的絮凝團(tuán)處于懸浮狀態(tài)而不被打散。一般情況下一、二級(jí)混凝池?cái)嚢杷俣瓤刂圃?00~300 r/min，三、四級(jí)攪拌速度控制在80 r/min左右，控制轉(zhuǎn)速跟磁粉保有量有關(guān)，可采用手動(dòng)調(diào)頻電機(jī)控制。

2.2.2 中心傳動(dòng)刮泥設(shè)備

含有磁粉的污泥沉淀速度大幅度提高，沉淀區(qū)底部為磁粉、混凝劑、助凝劑以及污水中的懸浮物和膠體形成的混合物，粘度高、密度大。底部刮板需要具有獨(dú)特的布置形式和傾斜角度，保障污泥全部刮到泥斗中。由于底部污泥與常規(guī)混凝沉淀差別較大以及刮板設(shè)計(jì)的特殊性，需要配套較大功率的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，對(duì)旋轉(zhuǎn)部件的扭矩和撓度提出了更高的要求。

2.2.3 高剪機(jī)

磁混凝澄清工藝產(chǎn)生的化學(xué)污泥中含有大量的磁粉，化學(xué)污泥首先進(jìn)入高剪機(jī)（高速剪切解絮機(jī)）將混凝絮體打碎，通過特殊的流道設(shè)計(jì)和高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備產(chǎn)生高強(qiáng)度剪切力，使磁粉與絮體分離，然后通過磁分離機(jī)實(shí)現(xiàn)磁粉的回收和循環(huán)利用。一般情況下高剪機(jī)采用阿基米德螺旋線刀盤結(jié)構(gòu)，剪切刀盤和破碎輪均為高強(qiáng)耐磨合金材質(zhì)，具有剪切和破碎離散雙重作用，確保磁泥剪碎離散充分。性能良好的剪切機(jī)具有低轉(zhuǎn)速、低噪音、壽命長(zhǎng)、剪切碎泥能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

2.2.4 磁分離機(jī)

磁分離機(jī)是實(shí)現(xiàn)磁粉高效回收的關(guān)鍵設(shè)備，水處理行業(yè)常用轉(zhuǎn)鼓式永磁分離器，磁源多為由鐵基、鎳基、鈷基以及稀有金屬基的鐵磁質(zhì)制備而成，產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為500~5 000 Gs。磁分離機(jī)由固定的磁性和轉(zhuǎn)動(dòng)的非磁性圓筒構(gòu)成，含有磁粉的化學(xué)污泥經(jīng)過高剪機(jī)解絮后進(jìn)入分離器，固定磁極將磁粉吸出并附著在滾筒表面，通過滾筒旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)與非磁性物質(zhì)的分離。磁粉回收率是衡量磁混凝澄清工藝優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)，形成的磁場(chǎng)強(qiáng)度及其衰減率是影響磁分離機(jī)性能的核心技術(shù)。

2.2.5 配套設(shè)施

（1）泵閥及管路。沉淀池底部的化學(xué)污泥磁粉含量高、粘度大，需要采用適合輸送粘稠液體和含有硬質(zhì)顆粒介質(zhì)的水泵、閥門及配套管路，對(duì)耐磨性能要求較高。

水泵宜采用凸輪轉(zhuǎn)子泵或立式渣漿泵。凸輪泵采用復(fù)合耐磨橡膠轉(zhuǎn)子，具有一定的自吸功能，無需引流灌泵，允許短時(shí)空轉(zhuǎn)，耐磨且不易堵塞。渣漿泵廣泛應(yīng)用于礦山、煤炭、冶金等行業(yè)，可輸送固態(tài)混合物質(zhì)量濃度達(dá)到50%左右的漿液；可采用雙泵殼結(jié)構(gòu)，泵體、泵蓋帶有可更換的耐磨金屬內(nèi)襯（包括葉輪、護(hù)套、護(hù)板等）；如采用單殼結(jié)構(gòu)，泵體、泵蓋及葉輪需采用高鉻耐磨合金材料制造。

磁粉含量較高的回流污泥及回收污泥管路宜選用襯塑管材，閥門通常為耐磨、耐腐蝕的箍斷閥。

（2）高壓清洗系統(tǒng)。由于磁粉密度遠(yuǎn)大于絮體污泥，運(yùn)行過程中容易在管道中沉積、板結(jié)，尤其是污泥泵停止運(yùn)行時(shí)，需要對(duì)配套管路進(jìn)行高壓沖洗，將殘留磁粉沖洗至管道以外，沖洗水壓宜大于06 MPa。

（3）澄清池出水設(shè)施。澄清池出水設(shè)施包括斜板或斜管、出水堰等。投加的磁粉中存在一些極小顆粒會(huì)隨水流上升至斜管或斜板區(qū)域，在斜向流上升時(shí)沉淀在斜管或斜板下部，對(duì)斜板或斜管的強(qiáng)度要求較高，所需的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（厚度）較其他類型的澄清池大；磁混凝澄清池對(duì)密度小于水的漂浮物去除能力有限，用于深度處理時(shí)池體表面會(huì)有部分碎屑滯留在水流較緩的角落附近，宜采用三角堰出水，使表層碎屑進(jìn)入后續(xù)工藝，從這個(gè)角度來看磁混凝澄清工藝后配套簡(jiǎn)單過濾系統(tǒng)是必要的。

（4）藻類抑制。磁混凝工藝用于污水深度處理時(shí)，水中營養(yǎng)物和色度較低、光照深度可以達(dá)到15 m左右，澄清池表面水流較緩的死角區(qū)域容易出現(xiàn)藻類過度繁殖的情況，影響視覺效果。在澄清池頂部覆蓋拱形遮光蓋板，必要時(shí)在進(jìn)水處投加少量次氯酸鈉，可有效遏制藻類滋生。

03 工程實(shí)例

3.1 工程背景

浙南某污水處理廠提標(biāo)擴(kuò)建工程，總規(guī)模25萬m3/d，出水水質(zhì)按照一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，為節(jié)省占地，深度處理系統(tǒng)采用磁混凝澄清池+纖維轉(zhuǎn)盤過濾。

3.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2.1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

該項(xiàng)目采用的磁混凝澄清工藝用于污水深度處理，主要用于保障出水TP和SS指標(biāo)達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)如下：進(jìn)水SS 30 mg/L、出水10 mg/L，進(jìn)水TP 4.5 mg/L、出水0.5 mg/L。

3.2.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

磁粉采用的是200~400目的Fe3O4顆粒，池內(nèi)保有量約為5 000 mg/L；混合區(qū)停留時(shí)間140 s，第一反應(yīng)區(qū)停留時(shí)間60 s，第二反應(yīng)區(qū)停留時(shí)間135 s；沉淀區(qū)最大表面負(fù)荷23.5 m3/（m2·h），平均表面負(fù)荷18 m3/（m2·h）；混凝劑采用液體PAC（含量10%），投加量132 mg/L；助凝劑采用陰離子PAM，投加量1.0 mg/L；磁粉補(bǔ)充量5 mg/L。

為節(jié)省工程建設(shè)用地，采用5組磁混凝澄清池，一字形布置，單組處理規(guī)模5萬m3/d，最高時(shí)處理水量2 708 m3/h?？傉嫉孛娣e1 613 m2，長(zhǎng)63 m，寬25.6 m，池深6.8 m，單個(gè)澄清池直徑12 m，具體布置見圖2。

3.3 運(yùn)行效果分析

該項(xiàng)目2017年7月底進(jìn)入調(diào)試階段，根據(jù)實(shí)際處理水量，磁混凝澄清池逐個(gè)投入運(yùn)行，最終處理規(guī)模達(dá)到20萬m3/d，4組運(yùn)行，1組備用，單池處理水量達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)模。調(diào)試期間采用的是300目磁粉，初次投加量為4 t，每天補(bǔ)充量為200~300 kg，折算消耗量為7~8 mg/L；運(yùn)行期間PAC（10%含量液體）投加量為45~90 mg/L；PAM投加量0.8~1.5 mg/L；混凝攪拌全部采用變頻控制，一級(jí)攪拌控制在50 Hz左右，二級(jí)攪拌控制在40 Hz左右，三級(jí)攪拌控制在30 Hz左右。調(diào)試期間重點(diǎn)監(jiān)測(cè)了系統(tǒng)對(duì)SS、TP、COD、BOD、NH3-N、TN等幾項(xiàng)常規(guī)污染物指標(biāo)實(shí)際處理效果。

3.3.1 SS運(yùn)行情況

10月24日至11月22日，對(duì)磁混凝澄清系統(tǒng)進(jìn)出水SS指標(biāo)進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

進(jìn)水SS在10~20 mg/L，平均值為16.3 mg/L；出水SS控制在4~8 mg/L，平均值為5.8 mg/L，穩(wěn)定達(dá)到了GB 18918—2002一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的10 mg/L以下，去除總量10.5 mg/L，去除率達(dá)到了64%。磁混凝澄清系統(tǒng)對(duì)懸浮物的去除效果能夠滿足深度處理要求。

3.3.2 TP運(yùn)行情況

10月24日~11月22日，對(duì)磁混凝澄清系統(tǒng)進(jìn)出水TP指標(biāo)進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

進(jìn)水TP在0.8~1.4 mg/L，平均值為1.1 mg/L；出水TP控制在0.05~0.28 mg/L，平均值為0.18 mg/L，去除總量0.92 mg/L，去除率達(dá)到了84%。出水TP指標(biāo)明顯好于一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，且穩(wěn)定達(dá)到了敏感區(qū)域執(zhí)行的高排標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.3 mg/L以下。

3.3.3 COD運(yùn)行情況

調(diào)試期間系統(tǒng)基本達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行的一個(gè)月內(nèi)，對(duì)COD指標(biāo)進(jìn)行了5次監(jiān)測(cè)，時(shí)間間隔大約為1周，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

進(jìn)水COD在39~65 mg/L，平均值為52.2 mg/L；出水COD控制在26~41 mg/L，平均值為33 mg/L，去除量約19.2 mg/L，去除率達(dá)到了36.8%。出水COD指標(biāo)能夠穩(wěn)定滿足一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)以前的研究結(jié)果，二沉池出水中COD約80%以溶解態(tài)存在，其余以懸浮和膠體形式存在。試驗(yàn)結(jié)果顯示對(duì)溶解性COD去除率明顯好于常規(guī)混凝沉淀，可能與水中COD組分、絮凝劑過量投加以及磁粉投加有關(guān)，去除機(jī)理有待進(jìn)一步深入研究。

3.3.4 BOD5運(yùn)行情況

調(diào)試期間對(duì)BOD5指標(biāo)進(jìn)行了5次監(jiān)測(cè)，時(shí)間間隔大約為1周，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示。

進(jìn)水BOD5在15~26 mg/L，平均值為21 mg/L；出水BOD5控制在4.4~10 mg/L，平均值為7 mg/L，BOD5指標(biāo)能夠滿足一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)要求。BOD5去除量為14 mg/L左右，約占COD去除量的60%，說明前序生物處理還有進(jìn)一步提升的空間，與調(diào)試期間生物處理工序超負(fù)荷運(yùn)行的實(shí)際情況基本吻合。磁混凝澄清工藝對(duì)BOD5的去除效果尚需更多的實(shí)踐驗(yàn)證。

3.3.5 NH3-N運(yùn)行情況

調(diào)試期間對(duì)NH3-N指標(biāo)進(jìn)行了5次監(jiān)測(cè)，時(shí)間間隔大約為1周，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示。

進(jìn)出水NH3-N濃度均小于2.5 mg/L，能夠滿足一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)要求，說明前續(xù)生物處理硝化效果較好，曝氣充分。磁混凝工序?qū)H3-N的去除效果不明顯，說明二沉池出水中的氨氮大多數(shù)以溶解態(tài)形式存在，采用強(qiáng)化混凝沉淀很難達(dá)到進(jìn)一步去除的效果。

3.3.6 TN運(yùn)行情況

調(diào)試期間對(duì)TN指標(biāo)進(jìn)行了5次監(jiān)測(cè)，時(shí)間間隔大約為1周，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8所示。

系統(tǒng)對(duì)TN的基本沒有去除效果，結(jié)合進(jìn)水氨氮的數(shù)據(jù)，說明生物系統(tǒng)硝化效果較好，大部分TN以硝態(tài)氮的形式存在，磁混凝澄清池對(duì)以離子形式存在的硝態(tài)氮沒有去除效果。同時(shí)也說明前續(xù)生物處理系統(tǒng)反硝化效果較差，與調(diào)試過程中生物處理系統(tǒng)的超負(fù)荷運(yùn)行和沒有足量投加商品碳源有關(guān)。

3.3.7 運(yùn)行成本分析

調(diào)試期間磁混凝澄清系統(tǒng)4組運(yùn)行，總處理規(guī)模在20萬m3/d，單組處理量基本達(dá)到滿負(fù)荷。通過統(tǒng)計(jì)11月消耗的電費(fèi)和藥劑費(fèi)折算處理成本，不包含化學(xué)污泥脫水費(fèi)用，不包含人工成本、設(shè)備折舊和大修費(fèi)用，直接運(yùn)行成本統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，調(diào)試期間運(yùn)行成本約0.11元/m3，藥劑費(fèi)占絕大部分，磁粉投加成本約0.015元/m3。

04結(jié)論及討論

（1）磁混凝澄清技術(shù)用于污水深度處理，針對(duì)SS、TP、COD 3項(xiàng)指標(biāo)的去除效果較常規(guī)混凝沉淀具有明顯優(yōu)勢(shì)，特別適用于用地受限的污水提標(biāo)改造或擴(kuò)建工程。

（2）磁混凝澄清技術(shù)與粉碳吸附、芬頓及類芬頓系列工藝相結(jié)合，可有效強(qiáng)化對(duì)難降解COD、重金屬、有機(jī)磷和一些微量持久性有機(jī)物的去除能力，是保障工業(yè)聚集區(qū)污水處理穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放的備選方案之一。

（3）磁混凝澄清技術(shù)用于城鎮(zhèn)污水預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)碳氮（磷）高效分離，是提高處理能力、降低運(yùn)行成本的有效手段；與污泥厭氧消化工藝結(jié)合，可大幅度提高污水處理的能源自給率；是推動(dòng)實(shí)現(xiàn)水質(zhì)永續(xù)、資源回收、能量自給、環(huán)境友好的污水處理概念廠的有效手段之一。