磁混凝沉淀工藝在污水處理行業(yè)的應(yīng)用

＊劉志鵬

（藍(lán)深集團(tuán)股份有限公司 江蘇 211500）

1.發(fā)展歷程

隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們對自然資源的需要也日益增長，其中淡水資源是人類生存必不可少的自然資源，更是消耗的十分迅速。僅僅只靠大自然自身的進(jìn)化能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足人們生產(chǎn)生活需求，因此在控制水源污染的同時(shí)也需要加快污水凈化再利用的腳步。

磁混凝分離技術(shù)作為最新型水處理技術(shù)之一，近幾年來，在國內(nèi)外開始發(fā)展并廣泛應(yīng)用于大型的污水處理工程之中。磁分離是一項(xiàng)很早就得到應(yīng)用的物理技術(shù)，主要是運(yùn)用不同物質(zhì)在磁場力的作用下所受引力不同，將導(dǎo)磁性不同的物體區(qū)分開來，最早是蘇聯(lián)利用磁聚凝法處理鋼廠除塵廢水，磁分離技術(shù)才開始應(yīng)用于水處理領(lǐng)域。伴隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，該技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了對含非導(dǎo)磁性污染物水體的凈化處理，還大大加快了污染物分離的速度。

2.磁混凝高效沉淀工藝流程

磁混凝高效沉淀工藝主要包括混合池、加磁混合池、絮凝池、斜管沉淀池、磁粉回收系統(tǒng)、污泥回流系統(tǒng)等組成，詳見圖1。

圖1 磁混凝高效沉淀池工藝流程

在混合池中投加混凝劑，通過快速攪拌方法使污水中的懸浮物質(zhì)迅速混合，通過中和作用，使污泥顆粒表面的負(fù)電荷被中和，污泥顆粒“脫穩(wěn)”，形成細(xì)小絮凝體，與此同時(shí)，加入磁粉與濃縮的回流污泥在混合池中充分混合絮凝。混凝階段產(chǎn)生的細(xì)小絮凝體流入絮凝池，同時(shí)在絮凝池加入絮凝劑，使得細(xì)小的絮凝體在電中和、吸附和架橋作用下形成大的絮凝體，并與磁粉相結(jié)合最終形成密度更大、更重的絮體團(tuán)。

絮凝出水在預(yù)沉區(qū)中，絮體團(tuán)快速沉淀，未來得及沉淀以及不易沉淀的微小絮體會沿著斜板向上流動，較快的上升流速和斜板可以形成一個不斷自刮的過程，使得微小絮體相互之間碰撞結(jié)合，在斜板上堆積增大，最終在重力作用下落下，不會在斜板上長時(shí)間堆積堵塞孔板。污泥會逐漸沉積在池底，然后通過刮泥機(jī)將含磁粉的污泥收集起來，用于回收及回流，而上層清液則由集水槽收集流入下一道工序。

污泥回流系統(tǒng)則將沉淀池中收集的大部分污泥，通過回流磁泥泵送至加磁混合池，作為絮體的種子加快高密度絮體的形成。剩余部分污泥經(jīng)過磁粉回收后進(jìn)入污泥脫水車間，脫水后外送。

磁粉回收系統(tǒng)是通過專業(yè)設(shè)備將磁粉從污泥中分離回收，從而達(dá)到磁粉的循環(huán)利用和更加環(huán)保節(jié)能的作用。

3.系統(tǒng)組成

(1)加藥系統(tǒng)

伴隨著城鎮(zhèn)污水排放標(biāo)準(zhǔn)的要求不斷提高，污水處理廠出水標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)從一級B提高至一級A，為了能夠去除水中的污染物，需要往水中不斷添加藥劑來調(diào)節(jié)水質(zhì)，目前二級處理工藝主要需要處理的污染物為懸浮物（SS）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）和糞大腸桿菌。

加藥系統(tǒng)主要由堿液加藥系統(tǒng)、PAC加藥系統(tǒng)、PAM加藥系統(tǒng)組成。為了營造利于水中微生物生長的環(huán)境，需要在進(jìn)水端設(shè)置堿液投加裝置來調(diào)節(jié)水中pH值；為了能夠加快水中懸浮物的沉淀分離，需要添加2類藥劑：①起混凝和除磷作用的聚合氯化鋁（PAC）、聚合硫酸鐵（PFS）、氯化鐵（FeCl3）等；②起絮凝作用的聚丙烯酰胺PAM（一般為陰離子）。

該系統(tǒng)由隔膜計(jì)量泵2臺、35m3藥劑儲罐2座、攪拌機(jī)2臺和電控系統(tǒng)組成。由于出水水質(zhì)具有不確定性，需要根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)的情況不斷調(diào)節(jié)各個加藥系統(tǒng)的藥劑投加量，因此加藥系統(tǒng)最好采用變頻控制，如此可以根據(jù)進(jìn)水流量、出水水質(zhì)、絮凝效果實(shí)時(shí)控制計(jì)量泵的流量。而磁粉的投加則只需要通過人工添加，因?yàn)榇欧劭梢酝ㄟ^后續(xù)的磁粉回收系統(tǒng)回收再利用，只需要在適當(dāng)時(shí)添加即可。

(2)混合反應(yīng)系統(tǒng)

加藥完成后，系統(tǒng)需要一定的時(shí)間來與水中的污染物發(fā)生反應(yīng)，因此絮凝反應(yīng)池的各個池子需要預(yù)留一定的水力停留時(shí)間。

該系統(tǒng)主要分為4個方面：①pH調(diào)節(jié)池用來調(diào)節(jié)水中pH至偏堿狀態(tài)（pH約7～7.5為佳）；②PAC混合池使得混凝劑與污水初步混合，形成細(xì)小的絮狀體，同時(shí)原水中的磷和混凝劑反應(yīng)形成磷酸鹽從而達(dá)到化學(xué)除磷的目的；③磁種混合池使得磁種與細(xì)小絮狀體充分混合；④PAM混合池使得小的絮狀體充分結(jié)合，形成更大的絮體，以利于在后續(xù)的沉淀池中能夠快速沉淀。

該系統(tǒng)主要應(yīng)用到的設(shè)備是攪拌機(jī)，攪拌機(jī)分為2種：槳式攪拌機(jī)、旋流式攪拌機(jī)。槳式攪拌機(jī)為快速攪拌機(jī)，一般設(shè)置在PAC混合池中，作用是將混凝劑快速分散到水中，與池內(nèi)原水均勻混合，懸浮顆粒表面帶的負(fù)電荷被投加的混凝劑中和，懸浮顆粒脫穩(wěn)，與混凝劑形成小的絮狀體。同時(shí)在磁種混合池也設(shè)置一臺，將回流的含磁污泥與磁粉快速的混合到絮狀體中，加速絮狀體的成型速度與質(zhì)量；旋流式攪拌機(jī)為慢速攪拌機(jī)，一般設(shè)置在PAM混合池中，作用是在不破壞已成形大的絮狀體的前提下，將藥劑與絮狀體充分混合，從而獲得大量高密度均質(zhì)礬花。

圖2 混合反應(yīng)系統(tǒng)

(3)沉淀系統(tǒng)

沉淀系統(tǒng)主要作用就是實(shí)現(xiàn)固液分離，絮凝出水在預(yù)沉區(qū)中快速沉淀，沒有來得及沉淀的微小絮體和小的不溶顆粒會隨著水流向上流入上部清水收集區(qū)域。在上升過程中，小的絮狀體之間會產(chǎn)生一定的碰撞從而會結(jié)合在一起，最后會在重力的作用下沉積于池底，池底沉積的污泥則經(jīng)由刮泥機(jī)收集，一部分用于回流，剩余一部分則進(jìn)入污泥收集池進(jìn)一步處理。

該系統(tǒng)主要由斜管、集水槽以及WNG型懸掛式中心傳動刮泥機(jī)組成。斜管可以增加沉淀的面積，其縮短沉降距離從而提高顆粒的去除率，而且細(xì)小的絮狀體可以在斜管內(nèi)進(jìn)一步增大，從而使得沉淀速度加快以及未來得及沉淀的絮體沉淀。集水槽則是用來收集沉淀過后的上層清液，通過水槽兩邊的堰板可以調(diào)節(jié)出水的水位，從而可以改變水力停留時(shí)間與表面負(fù)荷。刮泥機(jī)的作用是收集池底沉積的污泥，刮泥機(jī)的水下部分材質(zhì)采用304不銹鋼并經(jīng)過鈍化處理，以保證其在污泥含磁粉的狀態(tài)下長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

(4)磁泥系統(tǒng)

為了加快污泥的沉淀速度，需要增設(shè)污泥回流系統(tǒng)，將大部分刮泥機(jī)收集的污泥回流到磁種混合池，回流的污泥則作為種子進(jìn)一步長大。剩下的部分污泥則需要將其中的磁粉先提取回收，既可以減少污泥對環(huán)境的污染，又可以變廢為寶將磁粉循環(huán)利用，節(jié)約成本。

該系統(tǒng)主要的設(shè)備有回流污泥泵、剩余污泥泵、高速剪切機(jī)、磁分離器以及污泥螺桿泵等。磁混凝工藝中最重要的就是磁粉回收的問題，高速剪切機(jī)與磁分器則很好的解決這個問題，將磁粉從絮狀體中提取出來再次利用。剩余的3種泵則起到了污泥輸送的作用。

4.磁混凝技術(shù)原理

磁混凝技術(shù)原理見圖3。在一般的混凝沉淀池中加入磁粉，以磁粉為載體同時(shí)添加PAC、PAM，通過絮凝、吸附、相互間的架橋作用使得污染物有效的聚合在一起。在添加磁粉的過程中，在電中和的作用下，由混凝劑產(chǎn)生的正離子聚集在帶負(fù)電荷的膠體顆粒和磁粉旁邊。當(dāng)靜電磁力慢慢消失，在范德華力的作用下，磁粉和膠體顆粒會聚集增大，從而形成大的絮狀體。因?yàn)橛写欧鄣拇嬖冢黾恿诵躞w的體積和重量，使得絮體的沉降速度加快，有效的降低了澄清池的水力停留時(shí)間，增大了其表面負(fù)荷，使得污染物能夠快速從水體中分離出來。

圖3 磁混凝原理

5.技術(shù)核心

(1)磁粉的種類

磁混凝沉淀池中磁種作為重要的作用因素，主要的種類分為以下幾種：比如鐵粉、磁性氧化鐵等物質(zhì)，不同種類的磁粉由于其顆粒的大小，有效物質(zhì)含量、pH值等性能不同會在一定程度影響混凝效果。磁粉的選擇對設(shè)備的材質(zhì)選用也會有一定的影響，磁粉會對后續(xù)工藝設(shè)備產(chǎn)生一定的磨損，因此磁粉的選擇必須審慎考慮。

(2)磁粉的回收

磁混凝沉淀池中最關(guān)鍵也是最難的一點(diǎn)是關(guān)于磁粉的循環(huán)利用，磁粉回收不僅可以實(shí)現(xiàn)資源再利用，達(dá)到以廢治廢的效果，還能減少后期污泥的污染，使得污泥能夠直接進(jìn)入污泥池進(jìn)行后續(xù)的脫水處理。

目前常用的技術(shù)是將剩余污泥通過磁泥泵送至高速剪切機(jī)，其作用是將絮狀體重新打散分解，高剪機(jī)內(nèi)部獨(dú)特的機(jī)械結(jié)構(gòu)和內(nèi)部流道會產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切力，使得絮狀體中的磁粉恢復(fù)自由形態(tài)，從而便于后續(xù)的回收。被打散的磁粉會隨著污水流入磁分離機(jī)，污水從轉(zhuǎn)鼓一端進(jìn)入磁分離裝置，固定磁極將磁性顆粒吸出并附著在滾筒表面，隨著滾筒的轉(zhuǎn)動，被帶至磁系邊緣的低磁區(qū)，并從磁性物質(zhì)出口卸下，非磁性物質(zhì)則在重力的作用下，沿分離槽流至非磁性物質(zhì)出口排出，從而完成磁粉的分離。

圖4 磁分離原理

6.磁混凝技術(shù)優(yōu)勢

(1)運(yùn)營成本低

磁混凝工藝投加的藥劑量較少，主要有：起調(diào)節(jié)進(jìn)水pH作用的堿液、起混凝和除磷作用的聚合氯化鋁（PAC）、起絮凝作用的聚丙烯酰胺（PAM）以及磁粉。相較于常規(guī)的混凝沉淀工藝可以節(jié)省15%-25%的藥劑投加量，預(yù)計(jì)投加量見下表1。

表1 藥劑預(yù)計(jì)投加量

(2)磁粉損耗低

磁混凝沉淀技術(shù)采用的投加物為磁粉，它比加砂沉淀技術(shù)采用的砂礫要重，磁粉的比重為5.1，而砂礫的比重只在2.6-3.1左右，而且磁粉的目數(shù)更大，會降低對后續(xù)設(shè)備的磨損。通過后續(xù)的磁粉回收系統(tǒng)可將大部分的磁粉回收循環(huán)利用，損耗量較低。

(3)效率高、負(fù)載大

由于磁混凝沉淀池具有高濃度和大密度的絮狀體、較快的沉淀速率以及更為穩(wěn)定的污泥層，其可以承受較高的沖擊負(fù)荷，在大水量或高污染的情況下依然可以穩(wěn)定的運(yùn)作。傳統(tǒng)的混凝沉淀池沉淀時(shí)間在1h左右，而采用磁混凝工藝沉淀的時(shí)間則僅僅需要15min左右，甚至可以在8min內(nèi)完成，且不受自然溫度的影響，處理速度更快。

(4)投資成本低

磁混凝工藝主要是利用絮體與磁粉微粒的結(jié)合，使絮體密度得到提高。相對于密度為2.60g/cm3的磁粉絮體，常規(guī)絮狀體的密度僅為1.15g/cm3，前者的沉淀速率約為后者的4-8倍，從而可以顯著降低水力停留時(shí)間，進(jìn)而達(dá)到減少絮凝反應(yīng)沉淀池的占地面積，采用磁混凝高效沉淀池單位占地面積僅為80-120m2/萬m3。土建工程量大大減少，可以縮短工程的開發(fā)周期，節(jié)省建設(shè)成本。

表2 三種常見沉淀池工藝效果對比

7.主要應(yīng)用場景

目前主要應(yīng)用于以下3個方面：（1）污水處理廠提標(biāo)改造：去除懸浮性顆粒和TP的效率很高，可以作為對進(jìn)水負(fù)荷有要求的工藝預(yù)處理或者深度處理。（2）河道治理：采用體外凈化將河水引入水處理設(shè)備中，再將大量污染物除去后在排放回河道中，從而恢復(fù)水體透明度。（3）農(nóng)村分散式污水處理：通過移動式車載磁混凝污水處理設(shè)備，進(jìn)行多點(diǎn)采集就地處理，可以解決農(nóng)村污水分散、管網(wǎng)不健全的問題。

8.總結(jié)

現(xiàn)如今，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展越來越迅速，環(huán)境保護(hù)也慢慢得到大家的重視，城市污水廠也在不斷的改造與擴(kuò)建，磁混凝高效沉淀工藝非常適用于現(xiàn)階段不斷增長的污水處理需求，不僅在市政污水、含磷廢水等領(lǐng)域有應(yīng)用，在河道治理、農(nóng)村和鄉(xiāng)鎮(zhèn)分散式污水處理等方面也取得了良好的效果。同時(shí)也響應(yīng)著國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，利用現(xiàn)代化的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用,達(dá)到以廢治廢,資源再用的目的。