1 項目背景

聊城市某污水處理廠位于山東省聊城市，一期規(guī)模3.5×104 m3/d，已于2016年完成建設投產(chǎn)運行。項目采用“預處理+AAO+二沉池+絮凝沉淀+纖維轉盤濾池+接出消毒”處理工藝，絮凝沉淀工藝段采用2組高效沉淀池，出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）中的一級A標準。

項目自2016年投產(chǎn)運行以來，處理效果穩(wěn)定達標。為進一步消減污染物排放量，該污水處理廠于2018年進行提標改造，出水水質執(zhí)行《地表水環(huán)境質量標準》（GB3838-2002）中IV類標準。其中SS和TP在深度處理工藝段的設計進出水水質如表1所示，需對深度處理工藝段進行提標改造。

表1  深度處理工藝段設計進出水水質表   

項目	SS (mg/L)	TP (mg/L)
設計進水水質	50	1.5
出水水質要求	5	0.3
去除率	90%	80%

2 原有工藝運行評價

原工藝深度處理段為“高效沉淀池+纖維轉盤濾池”組合工藝，用以進一步去除SS和TP。高效沉淀池改造前平面布置如圖1所示。高效沉淀池與中間提升泵房結合，二沉池出水經(jīng)提升后分別進入到2組高效沉淀池內(nèi)。將混凝劑投加至二沉池出水管中，如此中間提升泵房兼顧混凝反應池的作用，在這個階段使藥劑與進水充分混合。后續(xù)進入到絮凝反應區(qū)及沉淀區(qū)，在混凝沉淀的作用下完成污染物的去除。高效沉淀池主要設計參數(shù)如表2所示。

表2 高效沉淀池主要設計參數(shù)

項目	設計參數(shù)
處理規(guī)模	35000 m3/d
1、混凝反應區(qū)	利用軸流泵及水力混合
2、絮凝反應區(qū)
數(shù)量	2格
有效尺寸（單格）	6.5 m×6.5 m×5.95 m
平均停留時間	20.68 min
3、高效沉淀區(qū)
數(shù)量	2格
直徑	11.7 m
斜管面積	83.65 m2
斜管斜長	1 m
斜管間距	80 mm
傾斜角度	60°
平均有效表面負荷	8.72 m3/(m2·h)

 

圖1 高效沉淀池平面布置圖

原深度處理工藝段整體運行情況良好，可以滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）中的一級A標準。項目改造前深度處理工藝段平均進出水水質如表3所示。原深度處理工藝無法穩(wěn)定達標新的出水要求，需要進一步提高對SS和TP的去除效率。

表3 改造前深度處理工藝段平均進出水水質

項目	SS (mg/L)	TP (mg/L)
進水水質（平均）	50	1.5
出水水質（平均）	8.6	0.39
去除率（平均）	82.8%	74%
一級A標準	10	0.5
提標改造水質要求	5	0.3

3 工程改造方案

受污水廠用地限制，本工程不具備新建構筑物的條件，應充分利用現(xiàn)有設施。同時，提標改造方案應節(jié)省工程投資，并易于實施，節(jié)省施工時間。

SediMag®磁混凝沉淀池是在高效沉淀池的原理之上通過投加高效可回收的磁粉（比重4.8~5.1），使得絮凝體和磁粉進行結合，從而提高絮團的整體比重，來進一步強化整個系統(tǒng)的絮凝效果和沉淀速度，并大大增強了整個系統(tǒng)污泥的沉淀濃縮效率。系統(tǒng)內(nèi)增設磁粉加載池來進行磁粉的加載絮凝，并增加磁粉回收系統(tǒng)對投入的磁粉進行回收循環(huán)使用。SediMag®磁混凝沉淀池的工藝流程如圖2所示。

SediMag®磁混凝沉淀池作為更先進的高效沉淀池，其具有比傳統(tǒng)高效沉淀池更快的沉淀速度，更小的占地面積、更好的出水效果和更高的剩余污泥濃度等優(yōu)勢[1]。

 

圖2 磁混凝沉淀池工藝流程圖

本工程將其中1組高效沉淀池改造為1組SediMag®磁混凝沉淀系統(tǒng)，設計處理規(guī)模為3.5×104 m3/d。升級完成后，單獨運行SediMag®磁混凝沉淀池，承擔全部的深度處理功能。未升級的1組高效沉淀系統(tǒng)和纖維轉盤濾池作為應急備用。

4 工程改造措施

4.1 磁混凝技術改造難點

由于磁混凝沉淀池內(nèi)投加了高比重的磁粉，很多技術細節(jié)和高效沉淀池存在非常大的區(qū)別，主要有以下幾點原因：

1）易沉積性：磁粉投加后導致絮體密度大，易產(chǎn)生沉積和淤積，可能會導致設計不合理的池體內(nèi)死角、管道甚至泵腔中沉積磁粉，進而使系統(tǒng)運行紊亂。

2）高磨損性：由于磁粉的硬度較大，在輸送過程中對設備、管道具有高磨損性，易導致系統(tǒng)設備、管道等發(fā)生磨損。

因此，在磁混凝沉淀池改造工程中，應在池體設計、設備選型等方面進行針對性的合理設計。

4.2 高效沉淀池池體改造方案

本工程在原有高效沉淀池的土建基礎上進行改造，不增設新的構筑物。應盡量減少對現(xiàn)狀池體的破壞，合理利用現(xiàn)有設備，并應結合廠區(qū)整體工藝流程進行合理改造。

4.2.1 原絮凝反應池改造

原高效沉淀池分為1座2組，本工程改造其中1組。高效沉淀池的絮凝反應池改造應著重解決以下幾個問題：

1）進水管由池底向上垂直接入，易發(fā)生磁粉堵塞；

2）導流筒外流速較低，磁粉易沉積；

3）絮凝池至沉淀池的出口區(qū)靠水力推流上翻進入沉淀區(qū)，含有磁粉的磁性絮團比重較大無法順利進入沉淀區(qū)，會導致磁粉在過流區(qū)堆積。

針對以上主要問題，本工程進行了針對性的改造設計：

1）將進水區(qū)單獨隔離開，作為進水過渡區(qū)，避免磁粉進入進水過渡區(qū)引起堵塞的發(fā)生；

2）拆除導流筒，保證磁粉在加載區(qū)內(nèi)能夠得到充分提升和混合。

3）將絮凝反應池和過流區(qū)的擋墻拆除，部分過流區(qū)作為加載反應池和絮凝反應池的部分空間。絮凝反應池內(nèi)的攪拌機改為磁混凝專用攪拌機，經(jīng)機械攪拌絮凝后，將帶有磁粉的絮團提升至沉淀池內(nèi)。改造示意如圖3所示。

 

圖3 絮凝區(qū)改造示意圖

4）此外，在磁混凝沉淀池的排泥系統(tǒng)中，剩余污泥泵將污泥送至池頂?shù)拇欧蛛x器進行磁粉回收，分離后的剩余污泥通過重力排放。在本工程中無法通過重力流入廠區(qū)現(xiàn)狀污泥濃縮池內(nèi)，因而需要增設污泥暫存池，由暫存池內(nèi)的污泥泵將污泥輸送至污泥濃縮池。

如上所述，本工程需將原絮凝反應區(qū)重新劃分為進水過渡區(qū)、混凝反應池（T1）、加載反應池（T2）、絮凝反應池（T3）、以及污泥暫存池5格區(qū)域。各分區(qū)均采用搭建鋼結構的形式在池體內(nèi)改造，盡量減少對現(xiàn)狀池體的改動。在3.5×104 m3/d的處理能力下，各分區(qū)的停留時間及有效容積如表4所示：

表4 原絮凝反應區(qū)改造主要設計參數(shù)

項目	設計參數(shù)
處理規(guī)模	35000 m3/d
1、進水過渡區(qū)
有效尺寸	2.5 m×3.8 m×5.95 m
平均停留時間	2.33 min
2、混凝反應池（T1）
有效尺寸	2.7 m×2.5 m×5.95 m
平均停留時間	1.65 min
3、加載反應池（T2）
有效尺寸	3 m×3.5 m×5.95 m
平均停留時間	2.57 min
4、絮凝反應池（T3）
有效尺寸	3.5 m×3.5 m×5.95 m
平均停留時間	3.00 min
5、污泥暫存池
有效尺寸	2.65m×6.5m×5.95m

4.2.2 沉淀池改造

沉淀池整體狀況良好，需按3.5×104 m3/d處理能力重新核算主要設計參數(shù)。

沉淀池有效斜管面積83.65m2，經(jīng)核算有效表面負荷17.43 m3/(m2·h)，可滿足磁混凝系統(tǒng)要求。本工程利用原有沉淀池池體以及斜管。

原集水槽共12條，出水堰總長度120m。經(jīng)核算過堰負荷為3.37L/m·s，堰上水頭36mm，滿足設計要求；槽內(nèi)起端水深0.17m，低于集水槽0.4m，滿足設計要求，可以利舊。

因此，沉淀池池體基本無改造，充分利舊，主要設計參數(shù)如表5所示。

表5  沉淀區(qū)主要設計參數(shù)

項目	設計參數(shù)
直徑	11.7 m
斜管面積	83.65 m2
斜管斜長	1 m
斜管間距	80 mm
傾斜角度	60°
平均有效表面負荷	17.43 m3/(m2·h)

4.2.3 污泥泵房改造

原有污泥管道從沉淀區(qū)污泥斗引出后向上連接90°彎頭進入原螺桿泵。投加磁粉后，這種連接形式會導致磁粉淤積，阻塞管道。所以泵房必須與沉淀池底部齊平或者更低，以保障污泥斗通過水平管道直接進入污泥泵。

本工程將原污泥泵的平臺降低，使污泥管道水平進入磁混凝系統(tǒng)配套污泥泵。

綜上所述，本工程改造了原絮凝反應區(qū)及污泥泵房，沉淀池基本保留，改造后SediMag®磁混凝沉淀池平面布置如圖4所示。

 

圖4 SediMag®磁混凝沉淀池改造平面圖

4.3 主要設備改造方案

由于磁混凝技術加載了磁粉，對于設備材質選用的要求更為嚴格，以避免機具不必要的磨損與損壞[2]。本工程的配套攪拌機、刮泥機、污泥泵、管材等設備材料均需要進行有針對性的設計和更換。

4.3.1 攪拌機改造

由于系統(tǒng)內(nèi)的磁粉比重較大，對于攪拌的要求很高，需要攪拌具有較大的攪拌強度且不破壞已形成的絮凝，需要改造為SediMag®磁混凝沉淀池專用HR-3槳葉。攪拌機設計部分參數(shù)如表6所示。

表6 磁混凝HR-3 槳葉主要設計參數(shù)

參數(shù)與指標	混凝 反應池	加載 反應池	絮凝 反應池
混合狀態(tài)	完全混合	完全混合	完全混合
流態(tài)	軸向流	軸向流	軸向流
D/T值 （槳葉直徑/池體直徑）	0.35~0.5	0.45~0.6	0.45~0.7
軸向流速(m/s)	0.2~0.3	0.3~0.4	0.3~0.4
平均吸收功率(W/m3)	60~100	50~80	50~80

4.3.2 刮泥機改造

由于污泥密度很高，要求刮泥機的力矩很大，傳統(tǒng)刮泥機無法滿足要求。本工程將刮泥機更換為四臂重型刮泥機，力矩按照傳統(tǒng)刮泥機6倍以上計算。 

一般的，需要對改造項目的刮泥機力矩進行核算，核算滿足磁混凝系統(tǒng)要求的，可以予以保留。

    

圖5 磁混凝系統(tǒng)攪拌機槳葉及刮泥機

4.3.3 污泥泵改造

磁混凝沉淀池的污泥一部分通過污泥回流泵輸送至加載池，另一部分通過磁粉回收泵輸送至磁粉回收系統(tǒng)。污泥中的磁粉會磨損污泥泵，若采用普通離心泵或螺桿泵，經(jīng)過約6個月的連續(xù)磨損就會造成污泥泵損壞。

本工程通過優(yōu)化選型采用渣漿泵進行設計，泵采用雙層泵殼，徑向中開式泵殼，方便維修、維護，外層合金鋼，內(nèi)層專利硫化天然橡膠，以保證污泥泵的使用壽命，保障污泥系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

4.3.4 污泥管道改造

污泥管道用于輸送含有磁粉的污泥，該污泥磨損性非常大，所以管道材質的選型關系到整個系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。為保證磁混凝沉淀系統(tǒng)的穩(wěn)定性，污泥管道易采用HDPE，PP或鋼襯塑等材質。本工程采用HDPE進行設計，保證在污泥管道的耐磨性。

4.3.5 增設磁粉回收設備

磁分離器和高剪切機等磁粉回收設備是磁混凝沉淀系統(tǒng)的核心設備。可靠的磁分離器是保障磁粉回收率的核心，可有效降低磁粉補充率及運行成本。

在現(xiàn)有磁分離技術市場中，除了較為知名的磁混凝技術供應商采用5000Gs以上的稀土永磁材質外，大部分供應商采用的是低于3800Gs的稀土永磁和鍶鐵氧體的復合材質，無法達到有效的磁粉回收率。

本工程采用洛克環(huán)保第5代的高強磁場磁分離器，磁場高達5600Gs。在保證了磁粉的回收率的同時，還通過專業(yè)的排磁，磁流通道設計以及過流速度和磁鏈的分析，達到99.5%以上的磁粉回收率，有效的降低了運行費用。

5 改造后運行效果與評價

本工程于2018年3月完成調(diào)試并達標排放，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，工程總投資約300萬元。在調(diào)試期間，測試了系統(tǒng)的抗沖擊負荷能力，當進水量達到4×104 m3/d處理水量時，系統(tǒng)仍能穩(wěn)定運行，保證水質達標。調(diào)試期間系統(tǒng)實際進出水水質如表7所示，各類藥劑使用量如表8所示。

表7  調(diào)試期間系統(tǒng)實際進出水水質

項目	SS（mg/L）	TP（mg/L）
實際進水水質	8~36	0.22~1.29
實際出水水質	1~4.4	0.01~0.24
設計出水水質	5	0.3

表8 調(diào)試期間各類藥劑使用量

藥劑種類	藥耗
PAC（10%溶液）(mg/L)	80-100
陰離子PAM (mg/L)	0.5~0.8
初次投加磁粉 (t)	5
補充磁粉 (mg/L)	1.2

由此可見，該改造完成的SediMag®磁混凝沉淀系統(tǒng)可以保證出水穩(wěn)定達標，工程投資省，并提高了系統(tǒng)的抗沖擊負荷能力。

6 結語

1）本工程將原有1組處理規(guī)模1.75×104 m3/d的高效沉淀池改造為1組處理規(guī)模3.5×104 m3/d的SediMag®磁混凝沉淀池，沒有新增建設用地。一般的，改造后的磁混凝沉淀池均能使處理能力提高約一倍[3]。

2）改造完成后的系統(tǒng)可以穩(wěn)定達到地表IV類水中對TP<0.3mg/L的要求，同時SS可以控制在5mg/L以下。

3）本工程是SediMag®磁混凝提標改造滿足地表水IV類的典型案例，該技術已在浙江金華秋濱污水處理廠16×104 m3/d改造工程和深圳沙井三期35×104 m3/d改造工程等項目中推廣應用。

磁混凝沉淀技術近年來來在國內(nèi)各大污水處理廠得到廣泛應用。特別的，針對于現(xiàn)有老廠的提標改造工程，采用磁混凝工藝可以解決廠區(qū)用地限制的問題，不但可以充分利舊，還可以提高處理能力，具有非常好的經(jīng)濟效益和社會效益。

 

參考文獻：

[1]韋朝海, 謝波, 徐雪青, 等.廢水處理中磁分離技術的發(fā)展趨勢.廣州環(huán)境科學, 2000 , 15(2):25~28

[2]黃啟榮 霍槐槐. 磁絮凝與磁分離技術的應用現(xiàn)狀與前景.給水排水,2010,36(7):150-152

[3] Tozer H. Study of Five Phosphorus Removal Processes Select CoMag TM to Meet Concord, Massachusetts ' Stringent New Limits. Proceedings of the Water Environment Federation Nutrient Removal 2007 Conference .2007