SediMag®磁混凝技术在高效沉淀池改造中的工程应用
霍槐槐
（青岛洛克环保科技有限公司，青岛 266071）
摘要 聊城市某污水处理厂设计规模3.5×104 m3/d，出水执行一级A标准。为进一步消减污染物排放量，该污水处理厂进行提标改造，执行准地表水IV类标准，其中SS限值为5mg/L,TP限值为0.3mg/L。本文介绍了磁混凝沉淀池提标改造的主要设计参数，阐述了针对高效沉淀池的池体及设备改造措施。原深度处理段为“2组高效沉淀池+纤维转盘滤池”组合工艺，提标完成后由1组磁混凝沉淀池承担3.5×104 m3/d规模全部深度处理功能，稳定满足新的出水要求。
关键词 混凝凝沉淀池；高效沉淀池改造；污水厂提标改造；地表水准IV类；
Application of Upgrading High-efficiency Sedimentation Process to
SediMag® Magnetic Coagulation & Sedimentation Process
Huo, Huai huai
（Qingdao Low-carbon Environmental Technology Co.,Ltd, Qingdao 266071)
Abstract A 35,000 m3/d wastewater treatment plant in Liaocheng City, which effluent Level 1 Standard is implemented. In order to further reduce the emission of pollutants, the wastewater treatment plant has been upgraded and reconstructed with Class IV surface water standard, which the SS limit is 5 mg / L and the TP limit is 0.3 mg / L. This paper introduces the main design parameters of the magnetic coagulation sedimentation tank, and describes the improvement measures for the high-efficiency sedimentation tank body and equipment modification.The original deep treatment section is combined by 2 sets of high-efficiency sedimentation tank and fiber rotary disc filter. After the completion of the standard upgradation, the 1 group of magnetic coagulation sedimentation tanks will undertake all the deep-processing functions of 35,000 m3 / d, stably meeting the new water effluent requirements.
Keywords: magnetic sedimentation tank, high-efficiency sedimentation tank upgrading， wastewater treatment plant upgrading and construction, Class IV surface water standard
1 项目背景
聊城市某污水处理厂位于山东省聊城市，一期规模3.5×104 m3/d，已于2016年完成建设投产运行。项目采用“预处理+AAO+二沉池+絮凝沉淀+纤维转盘滤池+接出消毒”处理工艺，絮凝沉淀工艺段采用2组高效沉淀池，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中的一级A标准。
项目自2016年投产运行以来，处理效果稳定达标。为进一步消减污染物排放量，该污水处理厂于2018年进行提标改造，出水水质执行《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中IV类标准。其中SS和TP在深度处理工艺段的设计进出水水质如表1所示，需对深度处理工艺段进行提标改造。
表1 深度处理工艺段设计进出水水质表
|
项目 |
SS (mg/L) |
TP (mg/L) |
|
设计进水水质 |
50 |
1.5 |
|
出水水质要求 |
5 |
0.3 |
|
去除率 |
90% |
80% |
2 原有工艺运行评价
原工艺深度处理段为“高效沉淀池+纤维转盘滤池”组合工艺，用以进一步去除SS和TP。高效沉淀池改造前平面布置如图1所示。高效沉淀池与中间提升泵房结合，二沉池出水经提升后分别进入到2组高效沉淀池内。将混凝剂投加至二沉池出水管中，如此中间提升泵房兼顾混凝反应池的作用，在这个阶段使药剂与进水充分混合。后续进入到絮凝反应区及沉淀区，在混凝沉淀的作用下完成污染物的去除。高效沉淀池主要设计参数如表2所示。
表2 高效沉淀池主要设计参数
|
项目 |
设计参数 |
|
处理规模 |
35000 m3/d |
|
1、混凝反应区 |
利用轴流泵及水力混合 |
|
2、絮凝反应区 |
|
|
数量 |
2格 |
|
有效尺寸（单格） |
6.5 m×6.5 m×5.95 m |
|
平均停留时间 |
20.68 min |
|
3、高效沉淀区 |
|
|
数量 |
2格 |
|
直径 |
11.7 m |
|
斜管面积 |
83.65 m2 |
|
斜管斜长 |
1 m |
|
斜管间距 |
80 mm |
|
倾斜角度 |
60° |
|
平均有效表面负荷 |
8.72 m3/(m2·h) |
图1 高效沉淀池平面布置图
原深度处理工艺段整体运行情况良好，可以满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中的一级A标准。项目改造前深度处理工艺段平均进出水水质如表3所示。原深度处理工艺无法稳定达标新的出水要求，需要进一步提高对SS和TP的去除效率。
表3 改造前深度处理工艺段平均进出水水质
|
项目 |
SS (mg/L) |
TP (mg/L) |
|
进水水质（平均） |
50 |
1.5 |
|
出水水质（平均） |
8.6 |
0.39 |
|
去除率（平均） |
82.8% |
74% |
|
一级A标准 |
10 |
0.5 |
|
提标改造水质要求 |
5 |
0.3 |
3 工程改造方案
受污水厂用地限制，本工程不具备新建构筑物的条件，应充分利用现有设施。同时，提标改造方案应节省工程投资，并易于实施，节省施工时间。
SediMag®磁混凝沉淀池是在高效沉淀池的原理之上通过投加高效可回收的磁粉（比重4.8~5.1），使得絮凝体和磁粉进行结合，从而提高絮团的整体比重，来进一步强化整个系统的絮凝效果和沉淀速度，并大大增强了整个系统污泥的沉淀浓缩效率。系统内增设磁粉加载池来进行磁粉的加载絮凝，并增加磁粉回收系统对投入的磁粉进行回收循环使用。SediMag®磁混凝沉淀池的工艺流程如图2所示。
SediMag®磁混凝沉淀池作为更先进的高效沉淀池，其具有比传统高效沉淀池更快的沉淀速度，更小的占地面积、更好的出水效果和更高的剩余污泥浓度等优势[1]。
图2 磁混凝沉淀池工艺流程图
本工程将其中1组高效沉淀池改造为1组SediMag®磁混凝沉淀系统，设计处理规模为3.5×104 m3/d。升级完成后，单独运行SediMag®磁混凝沉淀池，承担全部的深度处理功能。未升级的1组高效沉淀系统和纤维转盘滤池作为应急备用。
4 工程改造措施
4.1 磁混凝技术改造难点
由于磁混凝沉淀池内投加了高比重的磁粉，很多技术细节和高效沉淀池存在非常大的区别，主要有以下几点原因：
1）易沉积性：磁粉投加后导致絮体密度大，易产生沉积和淤积，可能会导致设计不合理的池体内死角、管道甚至泵腔中沉积磁粉，进而使系统运行紊乱。
2）高磨损性：由于磁粉的硬度较大，在输送过程中对设备、管道具有高磨损性，易导致系统设备、管道等发生磨损。
因此，在磁混凝沉淀池改造工程中，应在池体设计、设备选型等方面进行针对性的合理设计。
4.2 高效沉淀池池体改造方案
本工程在原有高效沉淀池的土建基础上进行改造，不增设新的构筑物。应尽量减少对现状池体的破坏，合理利用现有设备，并应结合厂区整体工艺流程进行合理改造。
4.2.1 原絮凝反应池改造
原高效沉淀池分为1座2组，本工程改造其中1组。高效沉淀池的絮凝反应池改造应着重解决以下几个问题：
1）进水管由池底向上垂直接入，易发生磁粉堵塞；
2）导流筒外流速较低，磁粉易沉积；
3）絮凝池至沉淀池的出口区靠水力推流上翻进入沉淀区，含有磁粉的磁性絮团比重较大无法顺利进入沉淀区，会导致磁粉在过流区堆积。
针对以上主要问题，本工程进行了针对性的改造设计：
1）将进水区单独隔离开，作为进水过渡区，避免磁粉进入进水过渡区引起堵塞的发生；
2）拆除导流筒，保证磁粉在加载区内能够得到充分提升和混合。
3）将絮凝反应池和过流区的挡墙拆除，部分过流区作为加载反应池和絮凝反应池的部分空间。絮凝反应池内的搅拌机改为磁混凝专用搅拌机，经机械搅拌絮凝后，将带有磁粉的絮团提升至沉淀池内。改造示意如图3所示。
图3 絮凝区改造示意图
4）此外，在磁混凝沉淀池的排泥系统中，剩余污泥泵将污泥送至池顶的磁分离器进行磁粉回收，分离后的剩余污泥通过重力排放。在本工程中无法通过重力流入厂区现状污泥浓缩池内，因而需要增设污泥暂存池，由暂存池内的污泥泵将污泥输送至污泥浓缩池。
如上所述，本工程需将原絮凝反应区重新划分为进水过渡区、混凝反应池（T1）、加载反应池（T2）、絮凝反应池（T3）、以及污泥暂存池5格区域。各分区均采用搭建钢结构的形式在池体内改造，尽量减少对现状池体的改动。在3.5×104 m3/d的处理能力下，各分区的停留时间及有效容积如表4所示：
表4 原絮凝反应区改造主要设计参数
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项目 |
设计参数 |
|
处理规模 |
35000 m3/d |
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1、进水过渡区 |
|
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有效尺寸 |
2.5 m×3.8 m×5.95 m |
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平均停留时间 |
2.33 min |
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2、混凝反应池（T1） |
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有效尺寸 |
2.7 m×2.5 m×5.95 m |
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平均停留时间 |
1.65 min |
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3、加载反应池（T2） |
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有效尺寸 |
3 m×3.5 m×5.95 m |
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平均停留时间 |
2.57 min |
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4、絮凝反应池（T3） |
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有效尺寸 |
3.5 m×3.5 m×5.95 m |
|
平均停留时间 |
3.00 min |
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5、污泥暂存池 |
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|
有效尺寸 |
2.65m×6.5m×5.95m |
4.2.2 沉淀池改造
沉淀池整体状况良好，需按3.5×104 m3/d处理能力重新核算主要设计参数。
沉淀池有效斜管面积83.65m2，经核算有效表面负荷17.43 m3/(m2·h)，可满足磁混凝系统要求。本工程利用原有沉淀池池体以及斜管。
原集水槽共12条，出水堰总长度120m。经核算过堰负荷为3.37L/m·s，堰上水头36mm，满足设计要求；槽内起端水深0.17m，低于集水槽0.4m，满足设计要求，可以利旧。
因此，沉淀池池体基本无改造，充分利旧，主要设计参数如表5所示。
表5 沉淀区主要设计参数
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项目 |
设计参数 |
|
直径 |
11.7 m |
|
斜管面积 |
83.65 m2 |
|
斜管斜长 |
1 m |
|
斜管间距 |
80 mm |
|
倾斜角度 |
60° |
|
平均有效表面负荷 |
17.43 m3/(m2·h) |
4.2.3 污泥泵房改造
原有污泥管道从沉淀区污泥斗引出后向上连接90°弯头进入原螺杆泵。投加磁粉后，这种连接形式会导致磁粉淤积，阻塞管道。所以泵房必须与沉淀池底部齐平或者更低，以保障污泥斗通过水平管道直接进入污泥泵。
本工程将原污泥泵的平台降低，使污泥管道水平进入磁混凝系统配套污泥泵。
综上所述，本工程改造了原絮凝反应区及污泥泵房，沉淀池基本保留，改造后SediMag®磁混凝沉淀池平面布置如图4所示。
图4 SediMag®磁混凝沉淀池改造平面图
4.3 主要设备改造方案
由于磁混凝技术加载了磁粉，对于设备材质选用的要求更为严格，以避免机具不必要的磨损与损坏[2]。本工程的配套搅拌机、刮泥机、污泥泵、管材等设备材料均需要进行有针对性的设计和更换。
4.3.1 搅拌机改造
由于系统内的磁粉比重较大，对于搅拌的要求很高，需要搅拌具有较大的搅拌强度且不破坏已形成的絮凝，需要改造为SediMag®磁混凝沉淀池专用HR-3桨叶。搅拌机设计部分参数如表6所示。
表6 磁混凝HR-3 桨叶主要设计参数
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参数与指标 |
混凝 反应池 |
加载 反应池 |
絮凝 反应池 |
|
混合状态 |
完全混合 |
完全混合 |
完全混合 |
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流态 |
轴向流 |
轴向流 |
轴向流 |
|
D/T值 （桨叶直径/池体直径） |
0.35~0.5 |
0.45~0.6 |
0.45~0.7 |
|
轴向流速(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 刮泥机改造
由于污泥密度很高，要求刮泥机的力矩很大，传统刮泥机无法满足要求。本工程将刮泥机更换为四臂重型刮泥机，力矩按照传统刮泥机6倍以上计算。
一般的，需要对改造项目的刮泥机力矩进行核算，核算满足磁混凝系统要求的，可以予以保留。
图5 磁混凝系统搅拌机桨叶及刮泥机
4.3.3 污泥泵改造
磁混凝沉淀池的污泥一部分通过污泥回流泵输送至加载池，另一部分通过磁粉回收泵输送至磁粉回收系统。污泥中的磁粉会磨损污泥泵，若采用普通离心泵或螺杆泵，经过约6个月的连续磨损就会造成污泥泵损坏。
本工程通过优化选型采用渣浆泵进行设计，泵采用双层泵壳，径向中开式泵壳，方便维修、维护，外层合金钢，内层专利硫化天然橡胶，以保证污泥泵的使用寿命，保障污泥系统的稳定运行。
4.3.4 污泥管道改造
污泥管道用于输送含有磁粉的污泥，该污泥磨损性非常大，所以管道材质的选型关系到整个系统运行的稳定性。为保证磁混凝沉淀系统的稳定性，污泥管道易采用HDPE，PP或钢衬塑等材质。本工程采用HDPE进行设计，保证在污泥管道的耐磨性。
4.3.5 增设磁粉回收设备
磁分离器和高剪切机等磁粉回收设备是磁混凝沉淀系统的核心设备。可靠的磁分离器是保障磁粉回收率的核心，可有效降低磁粉补充率及运行成本。
在现有磁分离技术市场中，除了较为知名的磁混凝技术供应商采用5000Gs以上的稀土永磁材质外，大部分供应商采用的是低于3800Gs的稀土永磁和锶铁氧体的复合材质，无法达到有效的磁粉回收率。
本工程采用洛克环保第5代的高强磁场磁分离器，磁场高达5600Gs。在保证了磁粉的回收率的同时，还通过专业的排磁，磁流通道设计以及过流速度和磁链的分析，达到99.5%以上的磁粉回收率，有效的降低了运行费用。
5 改造后运行效果与评价
本工程于2018年3月完成调试并达标排放，系统运行稳定，工程总投资约300万元。在调试期间，测试了系统的抗冲击负荷能力，当进水量达到4×104 m3/d处理水量时，系统仍能稳定运行，保证水质达标。调试期间系统实际进出水水质如表7所示，各类药剂使用量如表8所示。
表7 调试期间系统实际进出水水质
|
项目 |
SS（mg/L） |
TP（mg/L） |
|
实际进水水质 |
8~36 |
0.22~1.29 |
|
实际出水水质 |
1~4.4 |
0.01~0.24 |
|
设计出水水质 |
5 |
0.3 |
表8 调试期间各类药剂使用量
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药剂种类 |
药耗 |
|
PAC（10%溶液）(mg/L) |
80-100 |
|
阴离子PAM (mg/L) |
0.5~0.8 |
|
初次投加磁粉 (t) |
5 |
|
补充磁粉 (mg/L) |
1.2 |
由此可见，该改造完成的SediMag®磁混凝沉淀系统可以保证出水稳定达标，工程投资省，并提高了系统的抗冲击负荷能力。
6 结语
1）本工程将原有1组处理规模1.75×104 m3/d的高效沉淀池改造为1组处理规模3.5×104 m3/d的SediMag®磁混凝沉淀池，没有新增建设用地。一般的，改造后的磁混凝沉淀池均能使处理能力提高约一倍[3]。
2）改造完成后的系统可以稳定达到地表IV类水中对TP<0.3mg/L的要求，同时SS可以控制在5mg/L以下。
3）本工程是SediMag®磁混凝提标改造满足地表水IV类的典型案例，该技术已在浙江金华秋滨污水处理厂16×104 m3/d改造工程和深圳沙井三期35×104 m3/d改造工程等项目中推广应用。
磁混凝沉淀技术近年来来在国内各大污水处理厂得到广泛应用。特别的，针对于现有老厂的提标改造工程，采用磁混凝工艺可以解决厂区用地限制的问题，不但可以充分利旧，还可以提高处理能力，具有非常好的经济效益和社会效益。
参考文献：
[1]韦朝海, 谢波, 徐雪青, 等.废水处理中磁分离技术的发展趋势.广州环境科学, 2000 , 15(2):25~28
[2]黄启荣 霍槐槐. 磁絮凝与磁分离技术的应用现状与前景.给水排水,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
