磁混凝沉淀工艺在污水处理行业的应用

＊刘志鹏

（蓝深集团股份有限公司 江苏 211500）

1.发展历程

随着世界经济的飞速发展，人们对自然资源的需要也日益增长，其中淡水资源是人类生存必不可少的自然资源，更是消耗的十分迅速。仅仅只靠大自然自身的进化能力远远无法满足人们生产生活需求，因此在控制水源污染的同时也需要加快污水净化再利用的脚步。

磁混凝分离技术作为最新型水处理技术之一，近几年来，在国内外开始发展并广泛应用于大型的污水处理工程之中。磁分离是一项很早就得到应用的物理技术，主要是运用不同物质在磁场力的作用下所受引力不同，将导磁性不同的物体区分开来，最早是苏联利用磁聚凝法处理钢厂除尘废水，磁分离技术才开始应用于水处理领域。伴随着技术的不断进步，该技术不仅实现了对含非导磁性污染物水体的净化处理，还大大加快了污染物分离的速度。

2.磁混凝高效沉淀工艺流程

磁混凝高效沉淀工艺主要包括混合池、加磁混合池、絮凝池、斜管沉淀池、磁粉回收系统、污泥回流系统等组成，详见图1。

图1 磁混凝高效沉淀池工艺流程

在混合池中投加混凝剂，通过快速搅拌方法使污水中的悬浮物质迅速混合，通过中和作用，使污泥颗粒表面的负电荷被中和，污泥颗粒“脱稳”，形成细小絮凝体，与此同时，加入磁粉与浓缩的回流污泥在混合池中充分混合絮凝。混凝阶段产生的细小絮凝体流入絮凝池，同时在絮凝池加入絮凝剂，使得细小的絮凝体在电中和、吸附和架桥作用下形成大的絮凝体，并与磁粉相结合最终形成密度更大、更重的絮体团。

絮凝出水在预沉区中，絮体团快速沉淀，未来得及沉淀以及不易沉淀的微小絮体会沿着斜板向上流动，较快的上升流速和斜板可以形成一个不断自刮的过程，使得微小絮体相互之间碰撞结合，在斜板上堆积增大，最终在重力作用下落下，不会在斜板上长时间堆积堵塞孔板。污泥会逐渐沉积在池底，然后通过刮泥机将含磁粉的污泥收集起来，用于回收及回流，而上层清液则由集水槽收集流入下一道工序。

污泥回流系统则将沉淀池中收集的大部分污泥，通过回流磁泥泵送至加磁混合池，作为絮体的种子加快高密度絮体的形成。剩余部分污泥经过磁粉回收后进入污泥脱水车间，脱水后外送。

磁粉回收系统是通过专业设备将磁粉从污泥中分离回收，从而达到磁粉的循环利用和更加环保节能的作用。

3.系统组成

(1)加药系统

伴随着城镇污水排放标准的要求不断提高，污水处理厂出水标准已经从一级B提高至一级A，为了能够去除水中的污染物，需要往水中不断添加药剂来调节水质，目前二级处理工艺主要需要处理的污染物为悬浮物（SS）、氨氮（NH3-N）、总磷（TP）和粪大肠杆菌。

加药系统主要由碱液加药系统、PAC加药系统、PAM加药系统组成。为了营造利于水中微生物生长的环境，需要在进水端设置碱液投加装置来调节水中pH值；为了能够加快水中悬浮物的沉淀分离，需要添加2类药剂：①起混凝和除磷作用的聚合氯化铝（PAC）、聚合硫酸铁（PFS）、氯化铁（FeCl3）等；②起絮凝作用的聚丙烯酰胺PAM（一般为阴离子）。

该系统由隔膜计量泵2台、35m3药剂储罐2座、搅拌机2台和电控系统组成。由于出水水质具有不确定性，需要根据进水水质的情况不断调节各个加药系统的药剂投加量，因此加药系统最好采用变频控制，如此可以根据进水流量、出水水质、絮凝效果实时控制计量泵的流量。而磁粉的投加则只需要通过人工添加，因为磁粉可以通过后续的磁粉回收系统回收再利用，只需要在适当时添加即可。

(2)混合反应系统

加药完成后，系统需要一定的时间来与水中的污染物发生反应，因此絮凝反应池的各个池子需要预留一定的水力停留时间。

该系统主要分为4个方面：①pH调节池用来调节水中pH至偏碱状态（pH约7～7.5为佳）；②PAC混合池使得混凝剂与污水初步混合，形成细小的絮状体，同时原水中的磷和混凝剂反应形成磷酸盐从而达到化学除磷的目的；③磁种混合池使得磁种与细小絮状体充分混合；④PAM混合池使得小的絮状体充分结合，形成更大的絮体，以利于在后续的沉淀池中能够快速沉淀。

该系统主要应用到的设备是搅拌机，搅拌机分为2种：桨式搅拌机、旋流式搅拌机。桨式搅拌机为快速搅拌机，一般设置在PAC混合池中，作用是将混凝剂快速分散到水中，与池内原水均匀混合，悬浮颗粒表面带的负电荷被投加的混凝剂中和，悬浮颗粒脱稳，与混凝剂形成小的絮状体。同时在磁种混合池也设置一台，将回流的含磁污泥与磁粉快速的混合到絮状体中，加速絮状体的成型速度与质量；旋流式搅拌机为慢速搅拌机，一般设置在PAM混合池中，作用是在不破坏已成形大的絮状体的前提下，将药剂与絮状体充分混合，从而获得大量高密度均质矾花。

图2 混合反应系统

(3)沉淀系统

沉淀系统主要作用就是实现固液分离，絮凝出水在预沉区中快速沉淀，没有来得及沉淀的微小絮体和小的不溶颗粒会随着水流向上流入上部清水收集区域。在上升过程中，小的絮状体之间会产生一定的碰撞从而会结合在一起，最后会在重力的作用下沉积于池底，池底沉积的污泥则经由刮泥机收集，一部分用于回流，剩余一部分则进入污泥收集池进一步处理。

该系统主要由斜管、集水槽以及WNG型悬挂式中心传动刮泥机组成。斜管可以增加沉淀的面积，其缩短沉降距离从而提高颗粒的去除率，而且细小的絮状体可以在斜管内进一步增大，从而使得沉淀速度加快以及未来得及沉淀的絮体沉淀。集水槽则是用来收集沉淀过后的上层清液，通过水槽两边的堰板可以调节出水的水位，从而可以改变水力停留时间与表面负荷。刮泥机的作用是收集池底沉积的污泥，刮泥机的水下部分材质采用304不锈钢并经过钝化处理，以保证其在污泥含磁粉的状态下长时间稳定运行。

(4)磁泥系统

为了加快污泥的沉淀速度，需要增设污泥回流系统，将大部分刮泥机收集的污泥回流到磁种混合池，回流的污泥则作为种子进一步长大。剩下的部分污泥则需要将其中的磁粉先提取回收，既可以减少污泥对环境的污染，又可以变废为宝将磁粉循环利用，节约成本。

该系统主要的设备有回流污泥泵、剩余污泥泵、高速剪切机、磁分离器以及污泥螺杆泵等。磁混凝工艺中最重要的就是磁粉回收的问题，高速剪切机与磁分器则很好的解决这个问题，将磁粉从絮状体中提取出来再次利用。剩余的3种泵则起到了污泥输送的作用。

4.磁混凝技术原理

磁混凝技术原理见图3。在一般的混凝沉淀池中加入磁粉，以磁粉为载体同时添加PAC、PAM，通过絮凝、吸附、相互间的架桥作用使得污染物有效的聚合在一起。在添加磁粉的过程中，在电中和的作用下，由混凝剂产生的正离子聚集在带负电荷的胶体颗粒和磁粉旁边。当静电磁力慢慢消失，在范德华力的作用下，磁粉和胶体颗粒会聚集增大，从而形成大的絮状体。因为有磁粉的存在，增加了絮体的体积和重量，使得絮体的沉降速度加快，有效的降低了澄清池的水力停留时间，增大了其表面负荷，使得污染物能够快速从水体中分离出来。

图3 磁混凝原理

5.技术核心

(1)磁粉的种类

磁混凝沉淀池中磁种作为重要的作用因素，主要的种类分为以下几种：比如铁粉、磁性氧化铁等物质，不同种类的磁粉由于其颗粒的大小，有效物质含量、pH值等性能不同会在一定程度影响混凝效果。磁粉的选择对设备的材质选用也会有一定的影响，磁粉会对后续工艺设备产生一定的磨损，因此磁粉的选择必须审慎考虑。

(2)磁粉的回收

磁混凝沉淀池中最关键也是最难的一点是关于磁粉的循环利用，磁粉回收不仅可以实现资源再利用，达到以废治废的效果，还能减少后期污泥的污染，使得污泥能够直接进入污泥池进行后续的脱水处理。

目前常用的技术是将剩余污泥通过磁泥泵送至高速剪切机，其作用是将絮状体重新打散分解，高剪机内部独特的机械结构和内部流道会产生强烈的剪切力，使得絮状体中的磁粉恢复自由形态，从而便于后续的回收。被打散的磁粉会随着污水流入磁分离机，污水从转鼓一端进入磁分离装置，固定磁极将磁性颗粒吸出并附着在滚筒表面，随着滚筒的转动，被带至磁系边缘的低磁区，并从磁性物质出口卸下，非磁性物质则在重力的作用下，沿分离槽流至非磁性物质出口排出，从而完成磁粉的分离。

图4 磁分离原理

6.磁混凝技术优势

(1)运营成本低

磁混凝工艺投加的药剂量较少，主要有：起调节进水pH作用的碱液、起混凝和除磷作用的聚合氯化铝（PAC）、起絮凝作用的聚丙烯酰胺（PAM）以及磁粉。相较于常规的混凝沉淀工艺可以节省15%-25%的药剂投加量，预计投加量见下表1。

表1 药剂预计投加量

(2)磁粉损耗低

磁混凝沉淀技术采用的投加物为磁粉，它比加砂沉淀技术采用的砂砾要重，磁粉的比重为5.1，而砂砾的比重只在2.6-3.1左右，而且磁粉的目数更大，会降低对后续设备的磨损。通过后续的磁粉回收系统可将大部分的磁粉回收循环利用，损耗量较低。

(3)效率高、负载大

由于磁混凝沉淀池具有高浓度和大密度的絮状体、较快的沉淀速率以及更为稳定的污泥层，其可以承受较高的冲击负荷，在大水量或高污染的情况下依然可以稳定的运作。传统的混凝沉淀池沉淀时间在1h左右，而采用磁混凝工艺沉淀的时间则仅仅需要15min左右，甚至可以在8min内完成，且不受自然温度的影响，处理速度更快。

(4)投资成本低

磁混凝工艺主要是利用絮体与磁粉微粒的结合，使絮体密度得到提高。相对于密度为2.60g/cm3的磁粉絮体，常规絮状体的密度仅为1.15g/cm3，前者的沉淀速率约为后者的4-8倍，从而可以显著降低水力停留时间，进而达到减少絮凝反应沉淀池的占地面积，采用磁混凝高效沉淀池单位占地面积仅为80-120m2/万m3。土建工程量大大减少，可以缩短工程的开发周期，节省建设成本。

表2 三种常见沉淀池工艺效果对比

7.主要应用场景

目前主要应用于以下3个方面：（1）污水处理厂提标改造：去除悬浮性颗粒和TP的效率很高，可以作为对进水负荷有要求的工艺预处理或者深度处理。（2）河道治理：采用体外净化将河水引入水处理设备中，再将大量污染物除去后在排放回河道中，从而恢复水体透明度。（3）农村分散式污水处理：通过移动式车载磁混凝污水处理设备，进行多点采集就地处理，可以解决农村污水分散、管网不健全的问题。

8.总结

现如今，我国经济发展越来越迅速，环境保护也慢慢得到大家的重视，城市污水厂也在不断的改造与扩建，磁混凝高效沉淀工艺非常适用于现阶段不断增长的污水处理需求，不仅在市政污水、含磷废水等领域有应用，在河道治理、农村和乡镇分散式污水处理等方面也取得了良好的效果。同时也响应着国家可持续发展战略，利用现代化的技术手段，实现循环使用,达到以废治废,资源再用的目的。