1 項(xiàng)目背景

聊城市某污水處理廠(chǎng)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(shè)投產(chǎn)運(yùn)行。項(xiàng)目采用“預(yù)處理+AAO+二沉池+絮凝沉淀+纖維轉(zhuǎn)盤(pán)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(chǎng)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）中的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

項(xiàng)目自2016年投產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)，處理效果穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。為進(jìn)一步消減污染物排放量，該污水處理廠(chǎng)于2018年進(jìn)行提標(biāo)改造，出水水質(zhì)執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）中IV類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。其中SS和TP在深度處理工藝段的設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)如表1所示，需對(duì)深度處理工藝段進(jìn)行提標(biāo)改造。

表1  深度處理工藝段設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)表   

項(xiàng)目	SS (mg/L)	TP (mg/L)
設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)	50	1.5
出水水質(zhì)要求	5	0.3
去除率	90%	80%

2 原有工藝運(yùn)行評(píng)價(jià)

原工藝深度處理段為“高效沉淀池+纖維轉(zhuǎn)盤(pán)濾池”組合工藝，用以進(jìn)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(jié)合，二沉池出水經(jīng)提升后分別進(jìn)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(yīng)池的作用，在這個(gè)階段使藥劑與進(jìn)水充分混合。后續(xù)進(jìn)入到絮凝反應(yīng)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(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 高效沉淀池主要設(shè)計(jì)參數(shù)

項(xiàng)目	設(shè)計(jì)參數(shù)
處理規(guī)模	35000 m3/d
1、混凝反應(yīng)區(qū)	利用軸流泵及水力混合
2、絮凝反應(yīng)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(shí)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(zhǎng)	1 m
斜管間距	80 mm
傾斜角度	60°
平均有效表面負(fù)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(yùn)行情況良好，可以滿(mǎn)足《城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）中的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。項(xiàng)目改造前深度處理工藝段平均進(jìn)出水水質(zhì)如表3所示。原深度處理工藝無(wú)法穩(wěn)定達(dá)標(biāo)新的出水要求，需要進(jìn)一步提高對(duì)SS和TP的去除效率。

表3 改造前深度處理工藝段平均進(jìn)出水水質(zhì)

項(xiàng)目	SS (mg/L)	TP (mg/L)
進(jìn)水水質(zhì)（平均）	50	1.5
出水水質(zhì)（平均）	8.6	0.39
去除率（平均）	82.8%	74%
一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)	10	0.5
提標(biāo)改造水質(zhì)要求	5	0.3

3 工程改造方案

受污水廠(chǎng)用地限制，本工程不具備新建構(gòu)筑物的條件，應(yīng)充分利用現(xiàn)有設(shè)施。同時(shí)，提標(biāo)改造方案應(yīng)節(jié)省工程投資，并易于實(shí)施，節(jié)省施工時(shí)間。

SediMag®磁混凝沉淀池是在高效沉淀池的原理之上通過(guò)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(jìn)行結(jié)合，從而提高絮團(tuán)的整體比重，來(lái)進(jìn)一步強(qiáng)化整個(gè)系統(tǒng)的絮凝效果和沉淀速度，并大大增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)污泥的沉淀濃縮效率。系統(tǒng)內(nèi)增設(shè)磁粉加載池來(lái)進(jìn)行磁粉的加載絮凝，并增加磁粉回收系統(tǒng)對(duì)投入的磁粉進(jìn)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(jìn)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(shì)[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(shè)計(jì)處理規(guī)模為3.5×104 m3/d。升級(jí)完成后，單獨(dú)運(yùn)行SediMag®磁混凝沉淀池，承擔(dān)全部的深度處理功能。未升級(jí)的1組高效沉淀系統(tǒng)和纖維轉(zhuǎn)盤(pán)濾池作為應(yīng)急備用。

4 工程改造措施

4.1 磁混凝技術(shù)改造難點(diǎn)

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

1）易沉積性：磁粉投加后導(dǎo)致絮體密度大，易產(chǎn)生沉積和淤積，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)不合理的池體內(nèi)死角、管道甚至泵腔中沉積磁粉，進(jìn)而使系統(tǒng)運(yùn)行紊亂。

2）高磨損性：由于磁粉的硬度較大，在輸送過(guò)程中對(duì)設(shè)備、管道具有高磨損性，易導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)備、管道等發(fā)生磨損。

因此，在磁混凝沉淀池改造工程中，應(yīng)在池體設(shè)計(jì)、設(shè)備選型等方面進(jìn)行針對(duì)性的合理設(shè)計(jì)。

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(chǔ)上進(jìn)行改造，不增設(shè)新的構(gòu)筑物。應(yīng)盡量減少對(duì)現(xiàn)狀池體的破壞，合理利用現(xiàn)有設(shè)備，并應(yīng)結(jié)合廠(chǎng)區(qū)整體工藝流程進(jìn)行合理改造。

4.2.1 原絮凝反應(yīng)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(yīng)池改造應(yīng)著重解決以下幾個(gè)問(wèn)題：

1）進(jìn)水管由池底向上垂直接入，易發(fā)生磁粉堵塞；

2）導(dǎo)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(jìn)入沉淀區(qū)，含有磁粉的磁性絮團(tuán)比重較大無(wú)法順利進(jìn)入沉淀區(qū)，會(huì)導(dǎo)致磁粉在過(guò)流區(qū)堆積。

針對(duì)以上主要問(wèn)題，本工程進(jìn)行了針對(duì)性的改造設(shè)計(jì)：

1）將進(jìn)水區(qū)單獨(dú)隔離開(kāi)，作為進(jìn)水過(guò)渡區(qū)，避免磁粉進(jìn)入進(jìn)水過(guò)渡區(qū)引起堵塞的發(fā)生；

2）拆除導(dǎo)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(yīng)池和過(guò)流區(qū)的擋墻拆除，部分過(guò)流區(qū)作為加載反應(yīng)池和絮凝反應(yīng)池的部分空間。絮凝反應(yīng)池內(nèi)的攪拌機(jī)改為磁混凝專(zhuān)用攪拌機(jī)，經(jīng)機(jī)械攪拌絮凝后，將帶有磁粉的絮團(tuán)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(jìn)行磁粉回收，分離后的剩余污泥通過(guò)重力排放。在本工程中無(wú)法通過(guò)重力流入廠(chǎng)區(qū)現(xiàn)狀污泥濃縮池內(nèi)，因而需要增設(shè)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(yīng)區(qū)重新劃分為進(jìn)水過(guò)渡區(qū)、混凝反應(yīng)池（T1）、加載反應(yīng)池（T2）、絮凝反應(yīng)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(jié)構(gòu)的形式在池體內(nèi)改造，盡量減少對(duì)現(xiàn)狀池體的改動(dòng)。在3.5×104 m3/d的處理能力下，各分區(qū)的停留時(shí)間及有效容積如表4所示：

表4 原絮凝反應(yīng)區(qū)改造主要設(shè)計(jì)參數(shù)

項(xiàng)目	設(shè)計(jì)參數(shù)
處理規(guī)模	35000 m3/d
1、進(jìn)水過(guò)渡區(qū)
有效尺寸	2.5 m×3.8 m×5.95 m
平均停留時(shí)間	2.33 min
2、混凝反應(yīng)池（T1）
有效尺寸	2.7 m×2.5 m×5.95 m
平均停留時(shí)間	1.65 min
3、加載反應(yīng)池（T2）
有效尺寸	3 m×3.5 m×5.95 m
平均停留時(shí)間	2.57 min
4、絮凝反應(yīng)池（T3）
有效尺寸	3.5 m×3.5 m×5.95 m
平均停留時(shí)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(shè)計(jì)參數(shù)。

沉淀池有效斜管面積83.65m2，經(jīng)核算有效表面負(fù)荷17.43 m3/(m2·h)，可滿(mǎn)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(zhǎng)度120m。經(jīng)核算過(guò)堰負(fù)荷為3.37L/m·s，堰上水頭36mm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；槽內(nèi)起端水深0.17m，低于集水槽0.4m，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，可以利舊。

因此，沉淀池池體基本無(wú)改造，充分利舊，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表5所示。

表5  沉淀區(qū)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

項(xiàng)目	設(shè)計(jì)參數(shù)
直徑	11.7 m
斜管面積	83.65 m2
斜管斜長(zhǎng)	1 m
斜管間距	80 mm
傾斜角度	60°
平均有效表面負(fù)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(jìn)入原螺桿泵。投加磁粉后，這種連接形式會(huì)導(dǎo)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(guò)水平管道直接進(jìn)入污泥泵。

本工程將原污泥泵的平臺(tái)降低，使污泥管道水平進(jìn)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(yīng)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(shè)備改造方案

由于磁混凝技術(shù)加載了磁粉，對(duì)于設(shè)備材質(zhì)選用的要求更為嚴(yán)格，以避免機(jī)具不必要的磨損與損壞[2]。本工程的配套攪拌機(jī)、刮泥機(jī)、污泥泵、管材等設(shè)備材料均需要進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)和更換。

4.3.1 攪拌機(jī)改造

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

表6 磁混凝HR-3 槳葉主要設(shè)計(jì)參數(shù)

參數(shù)與指標(biāo)	混凝 反應(yīng)池	加載 反應(yīng)池	絮凝 反應(yīng)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(jī)改造

由于污泥密度很高，要求刮泥機(jī)的力矩很大，傳統(tǒng)刮泥機(jī)無(wú)法滿(mǎn)足要求。本工程將刮泥機(jī)更換為四臂重型刮泥機(jī)，力矩按照傳統(tǒng)刮泥機(jī)6倍以上計(jì)算。 

一般的，需要對(duì)改造項(xiàng)目的刮泥機(jī)力矩進(jìn)行核算，核算滿(mǎn)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(jī)槳葉及刮泥機(jī)

4.3.3 污泥泵改造

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

本工程通過(guò)優(yōu)化選型采用渣漿泵進(jìn)行設(shè)計(jì)，泵采用雙層泵殼，徑向中開(kāi)式泵殼，方便維修、維護(hù)，外層合金鋼，內(nèi)層專(zhuān)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(yùn)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(zhì)的選型關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)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(zhì)。本工程采用HDPE進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證在污泥管道的耐磨性。

4.3.5 增設(shè)磁粉回收設(shè)備

磁分離器和高剪切機(jī)等磁粉回收設(shè)備是磁混凝沉淀系統(tǒng)的核心設(shè)備�？煽康拇欧蛛x器是保障磁粉回收率的核心，可有效降低磁粉補(bǔ)充率及運(yùn)行成本。

在現(xiàn)有磁分離技術(shù)市場(chǎng)中，除了較為知名的磁混凝技術(shù)供應(yīng)商采用5000Gs以上的稀土永磁材質(zhì)外，大部分供應(yīng)商采用的是低于3800Gs的稀土永磁和鍶鐵氧體的復(fù)合材質(zhì)，無(wú)法達(dá)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(qiáng)磁場(chǎng)磁分離器，磁場(chǎng)高達(dá)5600Gs。在保證了磁粉的回收率的同時(shí)，還通過(guò)專(zhuān)業(yè)的排磁，磁流通道設(shè)計(jì)以及過(guò)流速度和磁鏈的分析，達(dá)到99.5%以上的磁粉回收率，有效的降低了運(yùn)行費(fèi)用。

5 改造后運(yùn)行效果與評(píng)價(jià)

本工程于2018年3月完成調(diào)試并達(dá)標(biāo)排放，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，工程總投資約300萬(wàn)元。在調(diào)試期間，測(cè)試了系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷能力，當(dāng)進(jìn)水量達(dá)到4×104 m3/d處理水量時(shí)，系統(tǒng)仍能穩(wěn)定運(yùn)行，保證水質(zhì)達(dá)標(biāo)。調(diào)試期間系統(tǒng)實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)如表7所示，各類(lèi)藥劑使用量如表8所示。

表7  調(diào)試期間系統(tǒng)實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)

項(xiàng)目	SS（mg/L）	TP（mg/L）
實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)	8~36	0.22~1.29
實(shí)際出水水質(zhì)	1~4.4	0.01~0.24
設(shè)計(jì)出水水質(zhì)	5	0.3

表8 調(diào)試期間各類(lèi)藥劑使用量

藥劑種類(lèi)	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(bǔ)充磁粉 (mg/L)	1.2

由此可見(jiàn)，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(dá)標(biāo)，工程投資省，并提高了系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷能力。

6 結(jié)語(yǔ)

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(méi)有新增建設(shè)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(dá)到地表IV類(lèi)水中對(duì)TP<0.3mg/L的要求，同時(shí)SS可以控制在5mg/L以下。

3）本工程是SediMag®磁混凝提標(biāo)改造滿(mǎn)足地表水IV類(lèi)的典型案例，該技術(shù)已在浙江金華秋濱污水處理廠(chǎng)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(xiàng)目中推廣應(yīng)用。

磁混凝沉淀技術(shù)近年來(lái)來(lái)在國(guó)內(nèi)各大污水處理廠(chǎng)得到廣泛應(yīng)用。特別的，針對(duì)于現(xiàn)有老廠(chǎng)的提標(biāo)改造工程，采用磁混凝工藝可以解決廠(chǎng)區(qū)用地限制的問(wèn)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(jì)效益和社會(huì)效益。

 

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