MSS系列磁种回收机的研制及其在水处理工业中的应用

王晓明 彭欣苓

(1.北矿机电科技有限责任公司；2.北京矿冶科技集团有限公司)

中国水资源人均占有量少，空间分布不平衡。随着中国城镇化、工业化的加速推进，城市污水排放量逐年增加，以生活污水为例，根据相关统计数据，我国城镇生活污水排放量年均复合增长率为6.2%。随着我国城镇化水平的不断提升，城镇生活污水排放量将继续增长，预计2020年将会达到718亿t。加快对城市污水的处理刻不容缓，近年来，国家对城市污水问题颁布了一系列政策及技术规定，如2015年国务院印发了《水污染防治行动计划》，对重点区域、大中城市及城镇的黑臭水体、工业聚集区水污染、城镇生活水污染等提出了明确的治理指标[1]。针对现有污水处理技术存在的水力停留时间长、单位面积处理量小、出水指标波动大等问题，磁混凝沉淀技术应运而生[2-5]。磁混凝沉淀技术是在混凝沉淀的基础上，增加磁性颗粒作为磁种，混凝过程中磁种被絮凝体包裹起来，与絮凝体一并在沉淀池中沉淀，磁种增加絮体重量，从而达到快速沉降的目的，与普通絮凝沉淀技术相比降低了澄清池的水力停留时间。磁混凝沉淀技术用于污水处理的研究较早，但仅在近几年才得到大规模应用，其中一个重要原因是对于磁种的回收利用率低，对此，本研究开发了专用型磁种回收机。

1 MSS系列磁种回收机整机结构及工作原理

MSS系列磁种回收机的整机结构如图1所示，该型设备主要由磁筒、给料装置、槽体、卸料装置、传动装置、机架等主要部件组成。

图1 磁种回收机结构示意

磁种回收机主要利用了磁选原理对工艺中添加的磁种进行回收作业，在实际工业水处理中多采用磁铁矿颗粒作为磁种，利用磁铁矿在磁场中被磁化吸附的特性，克服流体的拖拽力。在磁种回收机中，回收过程是指含有磁种的污泥经给料箱进入槽体，利用槽体的回收空间使固体颗粒在回收区内悬浮，磁种在磁系所产生的磁场力的作用下，克服作用于颗粒上的阻力(与磁力相对抗或竞争的力)，如重力、水流体动力、摩擦力、惯性力等，被吸附于圆筒的表面上，随着圆筒一起向上移动，在移动过程中，由于磁系的极性沿径向交替，使成链的磁性矿粒进行翻动(磁翻滚)，在翻动过程中，夹在磁性矿粒中的一部分污泥进入尾料。磁种随着圆筒转动，离开磁系时，磁力大大降低，在卸料刮板的作用下进入磁种回收槽中，并回流至混凝搅拌槽中；污泥则不受磁力作用，在槽体内水流的作用下，从底板的尾料口排入下段作业流程。由于污泥不断给入，磁种和剩余污泥不断排出，形成了一个连续的磁种回收过程。

2 MSS系列磁种回收机重要部件设计

磁系是磁种回收机的核心部件，是磁种回收机设计的关键技术。由矿物的回收过程可知，磁场的分布、大小以及回收带的长度都对回收产生影响，回收工作空间的磁场强度、磁场作用深度和磁场梯度以及磁场的分布形状都是由磁系的磁路设计、磁极的极性排列和使用的磁性材料确定[6-7]，该类因素决定了磁场力的大小，并影响了磁种回收效果。磁种回收机的开放磁系是指极性相间配置，极性之间无感应铁磁介质，按照圆柱曲面排列的磁系，磁通是通过较长的空气路程闭合，磁路中的磁阻较大，具有较大的回收空间，适用于回收强磁性颗粒。

根据磁种回收过程，磁种回收机的磁系采用大包角、高场强的磁路设计方案，磁系包角大，达到240°，根据磁场作用区域可以分为捕收区、运输区、和卸料区3个区域(图2)。其中，捕收区主要作用是使给料中的磁种吸附于磁筒表面上，运输区的作用主要是使磁种离开污水表面，最后通过卸料区从磁筒表面脱离，落至磁种接料斗中，完成磁种的回收作业。

图2 磁种回收机磁系分区示意

通过实验室测试，新型磁系全部采用高性能稀土磁钢，在获得相同磁场特性的情况下，磁体体积小、磁能利用率高、成本相当、重量大大降低[7]。该类型磁体适宜制作中、高磁场强度(300～700 mT)磁选机，且加工制作方便，磁体加工精度高。最终磁系的设计方案如图3所示。

图3 磁系横剖面及纵剖面

槽体是磁种回收机的重要部件，其结构特点与磁种的回收率密切相关，对于磁种回收类设备，多采用逆流性槽体。为了提高回收效果，本研究对MSS系列磁种回收机的槽体结构参数进行了优化设计，以便与磁系包角相匹配，从而提高液面，延长回收带长度，减缓污水流速，使污泥在槽体内有足够的时间和空间进行回收，适应污水流动的波动变化，有利于磁种回收。由于被吸附于筒表面上的磁种在液面下运行距离长，有利于抛出夹杂的污泥，提高物料的回收精度[7]。匹配磁系回收区的槽体范围是磁种回收的主要工作区域，该工作区域应足够大，以便使污水能够顺利通过而不产生回流，最大的工作间隙可达90 mm，设备的处理能力也大大提高，一旦超过这一间隙，回收区的平均磁力会下降，工作间隙的设定使磁系的磁能得到了有效利用。

磁种回收机对于磁种的回收率要求高，因此对于给料的轴向均匀性要求严格。给料轴向均匀布料是通过给料装置实现的，给料管水平放置于给料箱内，在给料管下部偏离中心垂直线30°角处加工了宽30 mm的缝隙供出料，由于给料管具有一定的料浆压力，而出料缝隙较小，使给料管内总是充满矿浆，在给料管长范围内都有料浆排出。料浆流到给料箱内，缓冲后经过溢流板，均匀流入磁种回收机的槽体。 给料装置采用螺栓与槽体连接，镶嵌进槽体内，能够与磁系回收区、槽体入料口有效匹配。

3 应用实例

(1)市政污水治理。磁混凝沉淀技术最早在我国成规模应用于市政污水处理是在2008年中国清河污水处理厂，该项目处理规模为5万m3/d，在药剂投加量达到最佳水平时，各项污染物指标都会有效降低，COD、总磷、浊度的去除率分别达到85%、97%、99%[8]。在设计建设初期，工程设计方采用了全套国外设备，其中包括了磁种回收机，在实际应用中磁粉流失严重，在排出的污泥中存在大量铁粉，且设备本身存在流通盲点，导致污泥在设备槽体内板结。为实现磁粉流通和高效回收，研制了MSS系列磁种回收机，实践证明，污泥中的磁粉回收率达到98%以上，达到了设计要求。经过不断完善和改进，MSS系列磁种回收机已经配合磁混凝沉淀技术在北京、辽宁、浙江、山东、江苏等地的市政污水处理厂进行了推广使用，型号覆盖了MSS606、MSS612、MSS715、MSS1015等，污泥处理能力由1 m3/h提高至100 m3/h。

(2)黑臭水体治理。随着《水污染防治行动计划》的实施，磁混凝沉淀技术以其占地面积小、水力停留时间短、出水稳定等优点在黑臭水体治理中大放异彩，特别是一体化的磁混凝沉淀技术设备满足了水质恢复的高效快捷要求[9]。磁种回收机根据一体化设备空间紧张的特点，调整了污泥给料方式，满足了低矮空间的安装要求，并在多处河段的重度黑臭水体治理中得到了应用，其中在北京市大兴区某河道黑臭水体治理中实现了SS去除率>80%、COD去除率>50%、TP去除率>50%、磁粉回收达到98%以上的目标，对于该段河道水质整体改善发挥了重要作用。

4 结 论

(1)通过对磁混凝沉淀技术所用铁粉的性质和具体处理工艺进行分析，在筒式磁选机的基础上研制了MSS系列磁种回收机，设计了大包角磁系、深液位槽体、均匀给料装置等，实践证明，MSS系列的磁种回收机可完全满足磁混凝沉淀技术中磁种回收的要求。

(2)MSS系列磁种回收机已经配合磁混凝沉淀技术用于处理多种类型的污水和废水，在磁种回收的过程中，不同黏度、不同浓度的废水对于磁种回收机的磁场强度要求不同，在对磁种回收机进行选型时，需要根据工程实际情况，对给料、卸料装置的具体形式进行调整。