地埋式一體化磁混凝沉淀水處理設(shè)備在工程中的應(yīng)用

周保安

（上海琸源水生態(tài)環(huán)境工程有限公司，上海 200003）

2018年10月，在財(cái)政部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合組織的2018年城市黑臭水體治理示范城市評(píng)審活動(dòng)中， 長(zhǎng)治入選20個(gè)全國(guó)黑臭水體治理示范城市，成為山西省唯一獲此殊榮的城市。入圍城市需按要求制定城市黑臭水體治理3年方案，確保按期完成治理任務(wù)。依據(jù)《長(zhǎng)治市黑臭水體治理示范城市建設(shè)實(shí)施方案》 長(zhǎng)治市黑臭水體治理示范城市建設(shè)第一批任務(wù)清單中對(duì)壁頭河陳村斷面的考核要求，在示范城市考核驗(yàn)收時(shí)要達(dá)到地表IV類水的標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)長(zhǎng)治市地表水功能區(qū)劃中對(duì)壁頭河現(xiàn)狀水質(zhì)水文情況的描述及2018—2019年壁頭河水質(zhì)報(bào)告看，項(xiàng)目所在壁頭河（馬莊段面）現(xiàn)狀水質(zhì)為劣V類，水質(zhì)無法滿足要求。

1 工程概況

神農(nóng)湖水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目工程項(xiàng)目總規(guī)劃面積約82.9hm2，以規(guī)劃的新漳北線為界，分為西部神農(nóng)湖片區(qū)（72.9hm2含新漳北線）和東部壁頭河片區(qū)（10hm2）兩部分，其中東部壁頭河片區(qū)的范圍以現(xiàn)狀岸線向南北各拓展100m為界。兩個(gè)片區(qū)統(tǒng)一設(shè)計(jì)， 同步竣工。 本期先行實(shí)施重點(diǎn)治理范圍約56.54hm2（按招標(biāo)要求），北至現(xiàn)狀村道，東到長(zhǎng)北干線，南鄰基本農(nóng)田，西至神農(nóng)湖大橋。 剩余26.36hm2待二期實(shí)施。

本項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容包括水系連通整治工程、 水污染控制工程、水生態(tài)凈化系統(tǒng)構(gòu)建工程、水景觀建設(shè)工程四大方面。 水污染控制工程包括：生態(tài)溪流、調(diào)蓄塘、前置濕地、集配水渠、多級(jí)生態(tài)濾床、溢流壩、生態(tài)濾壩、卵石消能區(qū)、一體化水處理設(shè)備、雨水花園、植草溝等。其中一體化水處理設(shè)備采用地埋式磁混凝沉淀工藝設(shè)備。水質(zhì)提升目標(biāo)為：項(xiàng)目通過清淤截污、凈化濕地的打造和海綿措施的實(shí)施，改善水體水質(zhì)、恢復(fù)水體自然凈化，在晴天壁頭河上游來水水量穩(wěn)定且主要水質(zhì)指標(biāo)不低于地表V類 （溶解氧、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總磷）的基礎(chǔ)上，神農(nóng)湖主要水質(zhì)指標(biāo)近期2020—2025年達(dá)到并保持地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅳ類水 （溶解氧、 化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總磷），總氮優(yōu)于上游河道來水，并有較大幅度削減。 遠(yuǎn)期2025—2035年，在壁頭河上游來水達(dá)到地表Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)、 周邊農(nóng)業(yè)面源污染治理等方面持續(xù)推進(jìn)基礎(chǔ)上， 濕地水質(zhì)持續(xù)改善，神農(nóng)湖主要水質(zhì)指標(biāo)（溶解氧、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總磷）基本達(dá)到地表水III類水的要求，總氮優(yōu)于IV類水要求。

2 工藝原理與技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

磁混凝沉淀是在混凝絮凝過程中投入四氧化三鐵（磁粉）增加凝聚核心，提高脫穩(wěn)微絮體間的引力，進(jìn)而促進(jìn)絮體形成。 磁混凝技術(shù)是混凝技術(shù)和磁技術(shù)的強(qiáng)化組合，也是兩者的有機(jī)結(jié)合［1］。 磁性載體與脫穩(wěn)膠粒、微絮體結(jié)合，形面高密度的礬花，達(dá)到高效除污和快速沉降的目的。 磁混凝技術(shù)是在常規(guī)混凝技術(shù)只投加混凝劑、絮凝劑的基礎(chǔ)上，在水中投加磁種，從而形成一種新的“磁絮體”［2］。 在混凝絮凝過程中投入粒徑小、數(shù)量多的磁粉，使水中顆粒物的數(shù)量增加，使膠粒的有效碰撞次數(shù)增多。同時(shí)在混凝攪拌過程中形成的微小渦旋產(chǎn)生了最適宜的離心慣性力，進(jìn)一步增加膠粒的有效碰撞幾率。根據(jù)混凝動(dòng)力學(xué)可知，當(dāng)水中懸浮物濃度很低時(shí)，顆粒碰撞速率將大大減小，混凝效果差；而擴(kuò)散在水中的磁粉使水中懸浮顆粒增多，增加了膠體物質(zhì)碰撞的機(jī)會(huì)，并且磁粉產(chǎn)生的微弱磁場(chǎng)使磁粉周圍帶電膠體受到洛倫茲力的作用而運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)了懸浮物和膠體物質(zhì)的碰撞，使水中顆粒形成絮體的幾率更大，強(qiáng)化了絮凝效果。

一般情況下， 絮體粒徑越大， 說明混凝效果越好，水中的絮體粒徑越大，沉降速度也就越快。 磁粉加載為絮體內(nèi)核，增大了絮體的相對(duì)密度，使絮體含水量大為降低，提高了沉降速度。 在實(shí)際工程中，這一優(yōu)勢(shì)可以減少沉淀池有效停留時(shí)間、 容積大小和污泥層厚度， 這對(duì)降低工程投資和運(yùn)行成本具有十分重要的意義。

生物磁混凝高效沉淀工藝加入的磁粉比重可達(dá)5.0×103kg/m3，絮體快速沉降明顯，速度可達(dá)40m/h以上， 整個(gè)水處理過程從進(jìn)水到出水可在10min內(nèi)完成，達(dá)到高效除污和快速沉降的目的。具體的工藝優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）表面負(fù)荷超高：10～20m3/m2·h。

（2） 除磷效果卓越：TP≤0.2mg/L （進(jìn)水總磷≤0.7mg/L）。

（3）出水水質(zhì)優(yōu)勢(shì)：COD、SS、TP（可以達(dá)到一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)）。

（4）節(jié)約混凝劑量：20%～35%。

（5）耐高負(fù)荷沖擊：可接受25m3/m2·h。

（6）生物磁種損耗量低：磁粉回收率大于99%。

3 工藝設(shè)計(jì)與設(shè)備配置

由于東區(qū)壁頭河來水量受季節(jié)、 上游排水影響較大，來水量不穩(wěn)定，因此考慮了來水量較大和來水量較小兩種場(chǎng)景， 場(chǎng)景1取水文站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)極大值10540m3/d，來水量場(chǎng)景2取業(yè)主提供的水文站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)最小值840m3/d。 設(shè)備設(shè)計(jì)處理量4600t/d，通過設(shè)備中的混凝劑、除磷劑、磁粉和助凝劑使來水中懸浮物快速絮凝，以利于在沉淀池中快速沉淀、澄清，澄清后的上清液達(dá)標(biāo)后進(jìn)入景觀水體，污水中的COD、BOD5、SS、TP等污染物幅度消減，滿足后續(xù)生態(tài)處理要求。

來水經(jīng)取水提升設(shè)備進(jìn)入處理設(shè)備的1#反應(yīng)池，同時(shí)向1#反應(yīng)池投加混凝劑（PAC）和除磷劑，兩者充分混合后進(jìn)入2#反應(yīng)池， 同時(shí)向2#反應(yīng)池投加磁粉，兩者充分混合后進(jìn)入3#反應(yīng)池， 與在此加入的助凝劑（PAM）進(jìn)行反應(yīng)，生成較大的絮體顆粒，最后進(jìn)入沉淀池快速沉降，出水進(jìn)入下一道處理工序。

經(jīng)沉淀池沉淀下來的污泥， 部分通過污泥泵重新回到2#反應(yīng)池參與反應(yīng)， 部分通過高剪切機(jī)將磁粉與污泥的混合絮體打散， 打散的混合絮體通過磁分離器回收磁粉， 回收的磁粉再次進(jìn)入2#反應(yīng)池繼續(xù)參與反應(yīng)，剩余污泥則進(jìn)入后續(xù)污泥處理系統(tǒng)。污泥回流工藝的設(shè)置一方面優(yōu)化了絮凝條件， 另一方面亦可充分發(fā)揮回流藥劑的效率， 既大幅提高系統(tǒng)沖擊能力，又顯著節(jié)約了運(yùn)行消耗［3］。 加藥間調(diào)配好的PAC、 除磷劑和PAM溶液由加藥泵輸送至各加藥點(diǎn)。 PAC、除磷劑投加到1#反應(yīng)池，PAM投加到3#反應(yīng)池。 工藝流程如圖1。

圖1 工藝流程圖

反應(yīng)機(jī)理說明如下：

（2）除懸浮物機(jī)理。 投加聚合氯化鋁（PAC）不僅具有除磷的效果， 而且一部分聚合氯化鋁可以發(fā)生絮凝反應(yīng)，絮凝反應(yīng)主要通過吸附、中和、表面接觸等作用去除懸浮物， 生成的主要化合物分子式為：{［Al（OH）3］m（n-x）Cl}x+xCl。

（3）除COD機(jī)理。 由于水體中含有大量的可氧化物質(zhì)（如有機(jī)物、硫化物等）以懸浮物形態(tài)或膠體形式存在，用絮凝方式去除懸浮物和膠體的同時(shí)，也達(dá)到降低水體COD的目的。

（4）除重金屬機(jī)理。通過投加堿性物質(zhì)和重金屬發(fā)生反應(yīng)，形成不溶于水的重金屬氫氧化物，通過沉淀方式去除， 同時(shí)也可以投加其他化學(xué)物質(zhì)或?qū)Ｓ玫闹亟饘俨蹲絼┻M(jìn)行去除。

由于處理水量大，設(shè)計(jì)采用兩套并聯(lián)設(shè)備，每套設(shè)備長(zhǎng)15.5m，寬3m，占地面積46.5m2，埋深6m。 設(shè)備為全地埋式磁混凝沉淀設(shè)備， 單臺(tái)設(shè)備設(shè)計(jì)流量為2300m3/d。壁頭河來水經(jīng)過生態(tài)溪流，調(diào)蓄塘的預(yù)沉、調(diào)蓄后，進(jìn)入預(yù)處理設(shè)備，出水進(jìn)入前置濕地及后續(xù)生態(tài)處理工藝。預(yù)處理沉淀設(shè)備采用鋼制結(jié)構(gòu)，設(shè)備整體采用撬塊式組裝，方便設(shè)備安裝。 每套設(shè)備有3個(gè)反應(yīng)池，1個(gè)沉淀池，同時(shí)配套磁粉回收系統(tǒng)、污泥回流等設(shè)施，如圖2。

圖2 設(shè)備示意圖

設(shè)備介紹如下：

（1）混凝反應(yīng)池?cái)嚢铏C(jī)?；炷磻?yīng)池有3個(gè)，分別為混合攪拌池、磁粉加載混合池、絮凝攪拌池，每個(gè)反應(yīng)池分別設(shè)置1臺(tái)攪拌機(jī)，混凝反應(yīng)系統(tǒng)配置機(jī)械攪拌機(jī)3臺(tái)。 單個(gè)混凝反應(yīng)池反應(yīng)時(shí)間約2～3min，在反應(yīng)池中， 藥劑、 回流污泥和生物磁形成密實(shí)的絮體，然后進(jìn)入沉淀池。

（2）沉淀池中心傳動(dòng)刮泥機(jī)。沉淀池采用鋼制池體，采用上方下圓單泥斗形式，方便排泥、刮泥，附設(shè)配套刮泥機(jī)， 刮臂采用4刮臂形式， 刮泥機(jī)功率約0.37kW/臺(tái)。

（3）污泥系統(tǒng)。 污泥系統(tǒng)采用污泥回流裝置，配置回流污泥泵1臺(tái)，功率2kW，沉淀池排出的污泥一部分通過回流污泥泵直接回流到混凝反應(yīng)池中。 配置剩余污泥泵1臺(tái)，功率2kW，沉淀池排出的另一部分污泥通過剩余污泥泵輸送至生物磁回收裝置。

（4）高剪機(jī)。 高剪機(jī)直接安裝于管路系統(tǒng)中，為管道法蘭式安裝， 作用是將管道輸送介質(zhì)中磁粉與污泥的混合絮體打散， 便于生物磁回收裝置回收磁粉。 高剪機(jī)由驅(qū)動(dòng)部件、主動(dòng)軸、葉輪、機(jī)械密封、殼體等構(gòu)成。

（5）磁粉回收系統(tǒng)。磁粉回收系統(tǒng)從高剪機(jī)打散的混合絮體中分離磁粉并有效回收， 回收的磁粉重新返回進(jìn)入磁粉加載混合池， 磁粉回收后的剩余污泥至污泥收集系統(tǒng)。 配置生物磁回收裝置1套，變頻控制。

（6）加藥系統(tǒng)。加藥系統(tǒng)分為混凝劑加藥系統(tǒng)和助凝劑加藥系統(tǒng)，除磷劑加藥系統(tǒng)。

（7）自控系統(tǒng)。 自動(dòng)控制主要有PLC 控制器、變頻器、電磁流量計(jì)、液位計(jì)等。

4 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

神農(nóng)湖主要水質(zhì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)限值如表1。

表1 神農(nóng)湖主要水質(zhì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)限值單位：mg/L

由建設(shè)方提供的壁頭河（長(zhǎng)北干線斷面）的現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)報(bào)告如表2。

表2 壁頭河（長(zhǎng)北干線斷面）水質(zhì)報(bào)告單位：mg/L

依據(jù)壁頭河（長(zhǎng)北干線斷面）的現(xiàn)場(chǎng)來水監(jiān)測(cè)報(bào)告，調(diào)試期間，PAC投加量10mg/L，PAM投加量2mg/L，總磷去除劑投加量5mg/L，磁粉消耗量4g/m3，磁粉損耗小于1g/m3，磁粉回收率大于99%，磁場(chǎng)強(qiáng)度衰減率小于0.1%/a， 絮凝時(shí)間3～6min， 沉淀池停留時(shí)間為15～20min。 調(diào)試期間設(shè)備出水指標(biāo)如表3。

表3 調(diào)試期間設(shè)備出水指標(biāo)單位：mg/L

出水指標(biāo)符合GB18918—2002 《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，符合排入GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》地表水類功能Ⅲ類水域的標(biāo)準(zhǔn)。

5 設(shè)備整體運(yùn)行費(fèi)用分析

地埋式一體化磁混凝沉淀水處理設(shè)備運(yùn)行功率統(tǒng)計(jì)如表4。

表4 設(shè)備運(yùn)行功率統(tǒng)計(jì)

設(shè)備運(yùn)行功率69.54kW， 電費(fèi)按照0.8元/kW·h計(jì)算， 每天電費(fèi)：69.54kW×24h×0.8=1335.16元/d，處理1噸水電費(fèi)為：1335.16÷4600=0.29元/t。

消耗的水處理藥劑為PAC、PAM、總磷藥劑和磁粉。 PAC投加量10mg/L，PAM投加量2mg/L，總磷去除劑投加量5mg/L， 磁粉消耗量4g/t水。 PAC費(fèi)用為1.6元/kg，PAM費(fèi)用9.0元/kg， 總磷去除劑費(fèi)用2.0元/kg，磁粉價(jià)格1.5元/kg。 折算噸水藥劑消耗費(fèi)用為：PAC=0.016元/t水，PAM=0.018元/t水，總磷去除劑=0.01元/t水，磁粉=0.006元/t水。 藥劑費(fèi)用合計(jì)：0.016+0.018+0.001+0.006=0.05元/t水。

綜合費(fèi)用為電費(fèi)+藥劑費(fèi)=0.29+0.05=0.34元/t水。

6 結(jié)語(yǔ)

地埋式一體化磁混凝沉淀水處理技術(shù)可用于河道雨污混合污水、河道清淤污水、局部河道應(yīng)急冶理等領(lǐng)域。目前，我國(guó)很多應(yīng)用磁混凝技術(shù)的污水處理工藝因場(chǎng)地、 經(jīng)濟(jì)和技術(shù)等原因無法構(gòu)建大型磁場(chǎng)［4］，磁混凝沉淀整套工藝占地相當(dāng)于污水處理廠普通初沉池，能夠節(jié)約土地資源，減少基建費(fèi)用投入；同時(shí)其水力負(fù)荷高、 藥劑投加量少， 有效減少污水處理成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著［5］。 地埋式一體化磁混凝沉淀水處理設(shè)備具有占地面積小、投資小、水質(zhì)優(yōu)、見效快等諸多優(yōu)點(diǎn)，必將會(huì)受到越來越多的用戶青睞，發(fā)展前景廣闊。