MSS系列磁種回收機的研制及其在水處理工業中的應用

王曉明 彭欣苓

(1.北礦機電科技有限責任公司；2.北京礦冶科技集團有限公司)

中國水資源人均占有量少，空間分布不平衡。隨著中國城鎮化、工業化的加速推進，城市污水排放量逐年增加，以生活污水為例，根據相關統計數據，我國城鎮生活污水排放量年均復合增長率為6.2%。隨著我國城鎮化水平的不斷提升，城鎮生活污水排放量將繼續增長，預計2020年將會達到718億t。加快對城市污水的處理刻不容緩，近年來，國家對城市污水問題頒布了一系列政策及技術規定，如2015年國務院印發了《水污染防治行動計劃》，對重點區域、大中城市及城鎮的黑臭水體、工業聚集區水污染、城鎮生活水污染等提出了明確的治理指標[1]。針對現有污水處理技術存在的水力停留時間長、單位面積處理量小、出水指標波動大等問題，磁混凝沉淀技術應運而生[2-5]。磁混凝沉淀技術是在混凝沉淀的基礎上，增加磁性顆粒作為磁種，混凝過程中磁種被絮凝體包裹起來，與絮凝體一并在沉淀池中沉淀，磁種增加絮體重量，從而達到快速沉降的目的，與普通絮凝沉淀技術相比降低了澄清池的水力停留時間。磁混凝沉淀技術用于污水處理的研究較早，但僅在近幾年才得到大規模應用，其中一個重要原因是對于磁種的回收利用率低，對此，本研究開發了專用型磁種回收機。

1 MSS系列磁種回收機整機結構及工作原理

MSS系列磁種回收機的整機結構如圖1所示，該型設備主要由磁筒、給料裝置、槽體、卸料裝置、傳動裝置、機架等主要部件組成。

圖1 磁種回收機結構示意

磁種回收機主要利用了磁選原理對工藝中添加的磁種進行回收作業，在實際工業水處理中多采用磁鐵礦顆粒作為磁種，利用磁鐵礦在磁場中被磁化吸附的特性，克服流體的拖拽力。在磁種回收機中，回收過程是指含有磁種的污泥經給料箱進入槽體，利用槽體的回收空間使固體顆粒在回收區內懸浮，磁種在磁系所產生的磁場力的作用下，克服作用于顆粒上的阻力(與磁力相對抗或競爭的力)，如重力、水流體動力、摩擦力、慣性力等，被吸附于圓筒的表面上，隨著圓筒一起向上移動，在移動過程中，由于磁系的極性沿徑向交替，使成鏈的磁性礦粒進行翻動(磁翻滾)，在翻動過程中，夾在磁性礦粒中的一部分污泥進入尾料。磁種隨著圓筒轉動，離開磁系時，磁力大大降低，在卸料刮板的作用下進入磁種回收槽中，并回流至混凝攪拌槽中；污泥則不受磁力作用，在槽體內水流的作用下，從底板的尾料口排入下段作業流程。由于污泥不斷給入，磁種和剩余污泥不斷排出，形成了一個連續的磁種回收過程。

2 MSS系列磁種回收機重要部件設計

磁系是磁種回收機的核心部件，是磁種回收機設計的關鍵技術。由礦物的回收過程可知，磁場的分布、大小以及回收帶的長度都對回收產生影響，回收工作空間的磁場強度、磁場作用深度和磁場梯度以及磁場的分布形狀都是由磁系的磁路設計、磁極的極性排列和使用的磁性材料確定[6-7]，該類因素決定了磁場力的大小，并影響了磁種回收效果。磁種回收機的開放磁系是指極性相間配置，極性之間無感應鐵磁介質，按照圓柱曲面排列的磁系，磁通是通過較長的空氣路程閉合，磁路中的磁阻較大，具有較大的回收空間，適用于回收強磁性顆粒。

根據磁種回收過程，磁種回收機的磁系采用大包角、高場強的磁路設計方案，磁系包角大，達到240°，根據磁場作用區域可以分為捕收區、運輸區、和卸料區3個區域(圖2)。其中，捕收區主要作用是使給料中的磁種吸附于磁筒表面上，運輸區的作用主要是使磁種離開污水表面，最后通過卸料區從磁筒表面脫離，落至磁種接料斗中，完成磁種的回收作業。

圖2 磁種回收機磁系分區示意

通過實驗室測試，新型磁系全部采用高性能稀土磁鋼，在獲得相同磁場特性的情況下，磁體體積小、磁能利用率高、成本相當、重量大大降低[7]。該類型磁體適宜制作中、高磁場強度(300～700 mT)磁選機，且加工制作方便，磁體加工精度高。最終磁系的設計方案如圖3所示。

圖3 磁系橫剖面及縱剖面

槽體是磁種回收機的重要部件，其結構特點與磁種的回收率密切相關，對于磁種回收類設備，多采用逆流性槽體。為了提高回收效果，本研究對MSS系列磁種回收機的槽體結構參數進行了優化設計，以便與磁系包角相匹配，從而提高液面，延長回收帶長度，減緩污水流速，使污泥在槽體內有足夠的時間和空間進行回收，適應污水流動的波動變化，有利于磁種回收。由于被吸附于筒表面上的磁種在液面下運行距離長，有利于拋出夾雜的污泥，提高物料的回收精度[7]。匹配磁系回收區的槽體范圍是磁種回收的主要工作區域，該工作區域應足夠大，以便使污水能夠順利通過而不產生回流，最大的工作間隙可達90 mm，設備的處理能力也大大提高，一旦超過這一間隙，回收區的平均磁力會下降，工作間隙的設定使磁系的磁能得到了有效利用。

磁種回收機對于磁種的回收率要求高，因此對于給料的軸向均勻性要求嚴格。給料軸向均勻布料是通過給料裝置實現的，給料管水平放置于給料箱內，在給料管下部偏離中心垂直線30°角處加工了寬30 mm的縫隙供出料，由于給料管具有一定的料漿壓力，而出料縫隙較小，使給料管內總是充滿礦漿，在給料管長范圍內都有料漿排出。料漿流到給料箱內，緩沖后經過溢流板，均勻流入磁種回收機的槽體。 給料裝置采用螺栓與槽體連接，鑲嵌進槽體內，能夠與磁系回收區、槽體入料口有效匹配。

3 應用實例

(1)市政污水治理。磁混凝沉淀技術最早在我國成規模應用于市政污水處理是在2008年中國清河污水處理廠，該項目處理規模為5萬m3/d，在藥劑投加量達到最佳水平時，各項污染物指標都會有效降低，COD、總磷、濁度的去除率分別達到85%、97%、99%[8]。在設計建設初期，工程設計方采用了全套國外設備，其中包括了磁種回收機，在實際應用中磁粉流失嚴重，在排出的污泥中存在大量鐵粉，且設備本身存在流通盲點，導致污泥在設備槽體內板結。為實現磁粉流通和高效回收，研制了MSS系列磁種回收機，實踐證明，污泥中的磁粉回收率達到98%以上，達到了設計要求。經過不斷完善和改進，MSS系列磁種回收機已經配合磁混凝沉淀技術在北京、遼寧、浙江、山東、江蘇等地的市政污水處理廠進行了推廣使用，型號覆蓋了MSS606、MSS612、MSS715、MSS1015等，污泥處理能力由1 m3/h提高至100 m3/h。

(2)黑臭水體治理。隨著《水污染防治行動計劃》的實施，磁混凝沉淀技術以其占地面積小、水力停留時間短、出水穩定等優點在黑臭水體治理中大放異彩，特別是一體化的磁混凝沉淀技術設備滿足了水質恢復的高效快捷要求[9]。磁種回收機根據一體化設備空間緊張的特點，調整了污泥給料方式，滿足了低矮空間的安裝要求，并在多處河段的重度黑臭水體治理中得到了應用，其中在北京市大興區某河道黑臭水體治理中實現了SS去除率>80%、COD去除率>50%、TP去除率>50%、磁粉回收達到98%以上的目標，對于該段河道水質整體改善發揮了重要作用。

4 結 論

(1)通過對磁混凝沉淀技術所用鐵粉的性質和具體處理工藝進行分析，在筒式磁選機的基礎上研制了MSS系列磁種回收機，設計了大包角磁系、深液位槽體、均勻給料裝置等，實踐證明，MSS系列的磁種回收機可完全滿足磁混凝沉淀技術中磁種回收的要求。

(2)MSS系列磁種回收機已經配合磁混凝沉淀技術用于處理多種類型的污水和廢水，在磁種回收的過程中，不同黏度、不同濃度的廢水對于磁種回收機的磁場強度要求不同，在對磁種回收機進行選型時，需要根據工程實際情況，對給料、卸料裝置的具體形式進行調整。