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時間：2020-05-12 16:16
作者：綠衡環保
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01 工藝原理及特點
磁加載混凝澄清系統主要包括磁絮凝反應系統、高效澄清系統、藥劑投加系統和磁粉回收系統。主要工藝流程見圖1。
與常規混凝沉淀對照，磁加載混凝澄清技術具有如下特點：①沉淀速度快，表面負荷高，占地面積小；②對以膠體和懸浮物存在的污染物質具有更好的去除效果；③對有機磷去除效果更好，可實現深度除磷；④可明顯降低絮凝劑的投加量，進而節省運行成本，降低殘留化學品對水環境的危害；⑤產生的化學污泥濃度含水率更低，降低后續污泥處理費用；⑥可通過一體化、集約化設計實現撬裝式、移動式或車載式集成裝備。
加載磁粉后主要通過以下幾個方面強化混凝沉淀效果：①增大了水中固體顆粒的數量和碰撞機會，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，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磁粉表面的微磁場的存在，對部分有機物（如有機磷）的去除具有催化作用。
02 關鍵技術及裝備
2.1 核心技術參數
2.1.1 磁粉規格
顆粒物的粒徑決定比表面積的大小，即磁性顆粒與污染物的接觸面積，直接影響磁粉對污染物的吸附能力；同時過大的粒徑會導致其在發揮吸附、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，會導致回收率降低，流失損耗量大。目前工程上常用的磁粉規格為200~400目，磁粉規格的選擇與混合絮凝池的攪拌強度、停留時間有關，與采用的磁分離設備的形式和效率有關。針對具體的水質和混凝控制參數，最好通過小試選擇最優的顆粒規格。
2.1.2 磁粉初次投加量
在一定范圍內提高磁粉的投加量，增大顆粒的比表面積，同時加大了絮凝劑及污染物與磁粉的碰撞概率，從而強化了混凝效果；投加量過大時磁粉之間以及磁粉與其他固體顆粒之間碰撞產生的漩渦離心力會破壞絮體結構的形成，進而弱化混凝效果。一般情況下針對特定的水質，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的回收率有關，需要根據流失量確定補充量，直接影響運行成本。目前磁分離機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污泥。混凝池一般分為3~4格，第一格投加混凝劑，通過高強度攪拌實現混凝劑與污染物的充分接觸；混合液在第二格內與外加磁粉、回流磁粉以及回流污泥通過適度攪拌實現高效絮凝；絮凝以后的混合液進入第三格，投加PAM后形成較大的絮體顆粒，經第四格強化接觸絮凝后進入后續澄清池沉淀。由于磁粉的投加，混合絮凝時間由原來的20 min左右降至8 min以下，沉淀池停留時間降低至15 min以下，大幅度提高了沉淀池的表面負荷，節省了工程占地。
2.2 核心裝備
2.2.1 絮凝攪拌設備
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計，保障含有磁粉的絮凝團處于懸浮狀態而不被打散。一般情況下一、二級混凝池攪拌速度控制在200~300 r/min，三、四級攪拌速度控制在80 r/min左右，控制轉速跟磁粉保有量有關，可采用手動調頻電機控制。
2.2.2 中心傳動刮泥設備
含有磁粉的污泥沉淀速度大幅度提高，沉淀區底部為磁粉、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混凝沉淀差別較大以及刮板設計的特殊性，需要配套較大功率的旋轉電機，對旋轉部件的扭矩和撓度提出了更高的要求。
2.2.3 高剪機
磁混凝澄清工藝產生的化學污泥中含有大量的磁粉，化學污泥首先進入高剪機（高速剪切解絮機）將混凝絮體打碎，通過特殊的流道設計和高速旋轉設備產生高強度剪切力，使磁粉與絮體分離，然后通過磁分離機實現磁粉的回收和循環利用。一般情況下高剪機采用阿基米德螺旋線刀盤結構，剪切刀盤和破碎輪均為高強耐磨合金材質，具有剪切和破碎離散雙重作用，確保磁泥剪碎離散充分。性能良好的剪切機具有低轉速、低噪音、壽命長、剪切碎泥能力強的特點。
2.2.4 磁分離機
磁分離機是實現磁粉高效回收的關鍵設備，水處理行業常用轉鼓式永磁分離器，磁源多為由鐵基、鎳基、鈷基以及稀有金屬基的鐵磁質制備而成，產生的磁場強度為500~5 000 Gs。磁分離機由固定的磁性和轉動的非磁性圓筒構成，含有磁粉的化學污泥經過高剪機解絮后進入分離器，固定磁極將磁粉吸出并附著在滾筒表面，通過滾筒旋轉實現與非磁性物質的分離。磁粉回收率是衡量磁混凝澄清工藝優劣的關鍵指標，形成的磁場強度及其衰減率是影響磁分離機性能的核心技術。
2.2.5 配套設施
（1）泵閥及管路。沉淀池底部的化學污泥磁粉含量高、粘度大，需要采用適合輸送粘稠液體和含有硬質顆粒介質的水泵、閥門及配套管路，對耐磨性能要求較高。
水泵宜采用凸輪轉子泵或立式渣漿泵。凸輪泵采用復合耐磨橡膠轉子，具有一定的自吸功能，無需引流灌泵，允許短時空轉，耐磨且不易堵塞。渣漿泵廣泛應用于礦山、煤炭、冶金等行業，可輸送固態混合物質量濃度達到50%左右的漿液；可采用雙泵殼結構，泵體、泵蓋帶有可更換的耐磨金屬內襯（包括葉輪、護套、護板等）；如采用單殼結構，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。由于磁粉密度遠大于絮體污泥，運行過程中容易在管道中沉積、板結，尤其是污泥泵停止運行時，需要對配套管路進行高壓沖洗，將殘留磁粉沖洗至管道以外，沖洗水壓宜大于06 MPa。
（3）澄清池出水設施。澄清池出水設施包括斜板或斜管、出水堰等。投加的磁粉中存在一些極小顆粒會隨水流上升至斜管或斜板區域，在斜向流上升時沉淀在斜管或斜板下部，對斜板或斜管的強度要求較高，所需的結構強度（厚度）較其他類型的澄清池大；磁混凝澄清池對密度小于水的漂浮物去除能力有限，用于深度處理時池體表面會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，使表層碎屑進入后續工藝，從這個角度來看磁混凝澄清工藝后配套簡單過濾系統是必要的。
（4）藻類抑制。磁混凝工藝用于污水深度處理時，水中營養物和色度較低、光照深度可以達到15 m左右，澄清池表面水流較緩的死角區域容易出現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，必要時在進水處投加少量次氯酸鈉，可有效遏制藻類滋生。
03 工程實例
3.1 工程背景
浙南某污水處理廠提標擴建工程，總規模25萬m3/d，出水水質按照一級A標準設計，為節省占地，深度處理系統采用磁混凝澄清池+纖維轉盤過濾。
3.2 主要設計參數
3.2.1 設計進出水水質
該項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指標達到一級A標準。設計進出水水質如下：進水SS 30 mg/L、出水10 mg/L，進水TP 4.5 mg/L、出水0.5 mg/L。
3.2.2 主要設計參數
磁粉采用的是200~400目的Fe3O4顆粒，池內保有量約為5 000 mg/L；混合區停留時間140 s，第一反應區停留時間60 s，第二反應區停留時間135 s；沉淀區最大表面負荷23.5 m3/（m2·h），平均表面負荷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；磁粉補充量5 mg/L。
為節省工程建設用地，采用5組磁混凝澄清池，一字形布置，單組處理規模5萬m3/d，最高時處理水量2 708 m3/h。總占地面積1 613 m2，長63 m，寬25.6 m，池深6.8 m，單個澄清池直徑12 m，具體布置見圖2。
3.3 運行效果分析
該項目2017年7月底進入調試階段，根據實際處理水量，磁混凝澄清池逐個投入運行，最終處理規模達到20萬m3/d，4組運行，1組備用，單池處理水量達到設計規模。調試期間采用的是300目磁粉，初次投加量為4 t，每天補充量為200~300 kg，折算消耗量為7~8 mg/L；運行期間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，一級攪拌控制在50 Hz左右，二級攪拌控制在40 Hz左右，三級攪拌控制在30 Hz左右。調試期間重點監測了系統對SS、TP、COD、BOD、NH3-N、TN等幾項常規污染物指標實際處理效果。
3.3.1 SS運行情況
10月24日至11月22日，對磁混凝澄清系統進出水SS指標進行了連續監測，監測結果如圖3所示。
進水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，穩定達到了GB 18918—2002一級A標準規定的10 mg/L以下，去除總量10.5 mg/L，去除率達到了64%。磁混凝澄清系統對懸浮物的去除效果能夠滿足深度處理要求。
3.3.2 TP運行情況
10月24日~11月22日，對磁混凝澄清系統進出水TP指標進行了連續監測，監測結果如圖4所示。
進水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，去除率達到了84%。出水TP指標明顯好于一級A標準，且穩定達到了敏感區域執行的高排標準規定的0.3 mg/L以下。
3.3.3 COD運行情況
調試期間系統基本達到滿負荷運行的一個月內，對COD指標進行了5次監測，時間間隔大約為1周，監測結果如圖5所示。
進水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，去除率達到了36.8%。出水COD指標能夠穩定滿足一級A排放標準要求。根據以前的研究結果，二沉池出水中COD約80%以溶解態存在，其余以懸浮和膠體形式存在。試驗結果顯示對溶解性COD去除率明顯好于常規混凝沉淀，可能與水中COD組分、絮凝劑過量投加以及磁粉投加有關，去除機理有待進一步深入研究。
3.3.4 BOD5運行情況
調試期間對BOD5指標進行了5次監測，時間間隔大約為1周，監測結果如圖6所示。
進水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指標能夠滿足一級A排放標準要求。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一步提升的空間，與調試期間生物處理工序超負荷運行的實際情況基本吻合。磁混凝澄清工藝對BOD5的去除效果尚需更多的實踐驗證。
3.3.5 NH3-N運行情況
調試期間對NH3-N指標進行了5次監測，時間間隔大約為1周，監測結果如圖7所示。
進出水NH3-N濃度均小于2.5 mg/L，能夠滿足一級A排放標準要求，說明前續生物處理硝化效果較好，曝氣充分。磁混凝工序對NH3-N的去除效果不明顯，說明二沉池出水中的氨氮大多數以溶解態形式存在，采用強化混凝沉淀很難達到進一步去除的效果。
3.3.6 TN運行情況
調試期間對TN指標進行了5次監測，時間間隔大約為1周，監測結果如圖8所示。
系統對TN的基本沒有去除效果，結合進水氨氮的數據，說明生物系統硝化效果較好，大部分TN以硝態氮的形式存在，磁混凝澄清池對以離子形式存在的硝態氮沒有去除效果。同時也說明前續生物處理系統反硝化效果較差，與調試過程中生物處理系統的超負荷運行和沒有足量投加商品碳源有關。
3.3.7 運行成本分析
調試期間磁混凝澄清系統4組運行，總處理規模在20萬m3/d，單組處理量基本達到滿負荷。通過統計11月消耗的電費和藥劑費折算處理成本，不包含化學污泥脫水費用，不包含人工成本、設備折舊和大修費用，直接運行成本統計結果如表1所示。
統計結果顯示，調試期間運行成本約0.11元/m3，藥劑費占絕大部分，磁粉投加成本約0.015元/m3。
04結論及討論
（1）磁混凝澄清技術用于污水深度處理，針對SS、TP、COD 3項指標的去除效果較常規混凝沉淀具有明顯優勢，特別適用于用地受限的污水提標改造或擴建工程。
（2）磁混凝澄清技術與粉碳吸附、芬頓及類芬頓系列工藝相結合，可有效強化對難降解COD、重金屬、有機磷和一些微量持久性有機物的去除能力，是保障工業聚集區污水處理穩定達標排放的備選方案之一。
（3）磁混凝澄清技術用于城鎮污水預處理，實現碳氮（磷）高效分離，是提高處理能力、降低運行成本的有效手段；與污泥厭氧消化工藝結合，可大幅度提高污水處理的能源自給率；是推動實現水質永續、資源回收、能量自給、環境友好的污水處理概念廠的有效手段之一。
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