生產運行視角下某城鎮污水處理廠磁混凝沉淀單元設計優化

曾 磊，熊 珍，黃 凱，徐海飛，李 進，劉 暢

(中建三局綠色產業投資有限公司，湖北武漢 430010)

磁混凝沉淀技術主要通過向污水中投加磁介質、混凝劑，使得混凝劑、污染物和磁介質絮凝結合在一起，形成密度更大的絮體，進而強化混凝沉淀效果，提高污染物去除效率[1]。目前，國內外均對磁混凝沉淀技術開展了廣泛研究。Dan等[2]利用自制的磁性混凝劑處理含藻水時，發現對微藻的去除率超過99%。高翔等[3]研究某污水處理廠采用反應沉淀一體式矩形環流生物反應器和磁混凝澄清池工藝，有效解決了污水處理廠用地緊張的問題，出水穩定達標。王少軍等[4]研究磁混凝沉淀技術處理微污染河道水時，發現污水中SS、TP、CODCr的去除率最高可達到94.6%、84.9%、40.7%。磁混凝沉淀技術由于占地面積小、運行維護成本低等優勢，已被廣泛應用于市政污水、初期雨水、采礦廢水等污水處理領域，取得了不錯的工程應用效果[5-7]。然而，關于磁混凝沉淀的工藝設計，行業可供參考的標準規范不多，相關設計研究多以單一工程設計案例報道為主。工藝設計對比分析，特別是基于生產運行視角下的工藝設計優化研究開展不足。本研究以武漢市某市政污水處理廠為例，通過對其磁混凝沉淀工藝的設計參數、工藝控制參數、設備運行狀況進行總結，結合技術規程及類似案例對比分析，提出工藝設計出現的問題并給出優化建議，為后續項目的磁混凝沉淀工藝設計提供參考。

1 項目概況

1.1 項目背景

武漢市為解決某污水處理廠長期超負荷運行問題，新建了1座臨時污水處理設施用來處理超量污水。該廠設計規模為10.0萬m3/d，變化系數為1.2。由于用地受限，采用“缺氧/耦合沉淀矩形氣升環流反應器(A/RPIR)+磁混凝沉淀”工藝，出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的一級A標準。

1.2 設計進出水水質

該廠設計出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的一級A標準，設計進出水水質如表1所示。

表1 設計進出水水質Tab.1 Designed Water Quality of Influent and Effluent

注：PAM為聚丙烯酰胺；PAC為聚合氯化鋁圖1 設計工藝流程Fig.1 Designed Process Flow

1.3 設計工藝流程

該廠設計工藝流程如圖1所示，污水首先經提升后依次進入轉鼓格柵和旋流沉砂池，然后進入A/RPIR工藝單元進行生物處理，出水進入磁混凝沉淀單元進行深度處理后，再經紫外消毒池消毒、巴氏計量槽計量后排出。剩余污泥則經重力濃縮和帶式脫水機脫水后(含水率為80%)外運處置。

1.4 磁混凝沉淀單元

1.4.1 工藝流程

混凝單元共設計4座反應沉淀池，單座處理能力為2.5萬m3/d，設計處理總量為10.0萬m3/d，變化系數為1.2。單座磁混凝沉淀池主要由混凝單元(快速混合反應池T1、磁介質混合反應池T2、絮凝反應池T3)、沉淀單元及配套加藥、攪拌、磁介質回收、污泥回流等設備構成。生化池出水依次進入混凝單元的T1(加絮凝劑)、T2(加磁粉)、T3(加助凝劑)反應池后，再進入沉淀單元進行泥水分離，上清水經溢流槽溢流后排出，下層污泥一部分回流到T2反應區，另一部分則經過磁回收機回收磁粉后排出。具體工藝流程如圖2所示。

圖2 磁混凝沉淀單元示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Magnetic Coagulation Sedimentation Unit

1.4.2 設計參數

(1)混凝單元：T1尺寸為2.8 m×2.8 m×4.5 m，水力停留時間為2 min；T2尺寸為2.8 m×2.8 m×4.5 m，水力停留時間為2 min；T3尺寸為3.6 m×3.6 m×4.5 m，水力停留時間為3.4 min。

(2)沉淀單元：尺寸為9.6 m×9.6 m×4.9 m，表面水力負荷為11.4 m3/(m2·h)。

(3)藥劑投加：PAC(液)投加量為120 mg/L，PAM投加量為2 mg/L，磁粉投加量為3 mg/L。

1.4.3 工藝設備

磁混凝沉淀單元主要設備如表2所示。

表2 磁混凝沉淀單元主要設備Tab.2 Main Equipments of Magnetic Coagulation Sedimentation Unit

2 磁混凝沉淀單元生產運行

2.1 進出水水質

2.1.1 CODCr月度變化

污水處理廠總進水及磁混凝沉淀單元進出水的CODCr月度變化如圖3所示。磁混凝沉淀單元進水CODCr在1月—10月均已達到設計出水標準，平均質量濃度為(24.30±9.85)mg/L。磁混凝沉淀單元在1月—6月對CODCr有一定去除作用，平均去除率為34.5%，CODCr去除貢獻率為7.4%(磁混凝沉淀單元對CODCr去除量占污水處理廠進水CODCr的比例，下同)。但在7月—10月單元進出水CODCr基本一致，平均去除率僅為10.7%，CODCr去除貢獻率為1.6%。說明污水處理系統對CODCr的去除主要發生在生化單元，磁混凝沉淀作為系統深度處理單元，對CODCr達標排放起著安全保障作用。

圖3 污水處理廠進水及磁混凝沉淀單元進出水CODCr月度變化Fig.3 Monthly Variation of CODCr in Influent of WWTP and Influent and Effluent of Magnetic Coagulation Sedimentation Unit

2.1.2 TP月度變化

污水廠總進水及磁混凝沉淀單元進出水的TP月度變化如圖4所示。磁混凝沉淀單元進水TP在1月—10月的平均質量濃度為(1.230±0.250)mg/L，出水TP穩定達標，平均質量濃度為(0.250±0.036)mg/L，平均去除率為79.4%，TP去除貢獻率為44.9%。

圖4 污水處理廠進水及磁混凝沉淀單元進出水TP月度變化Fig.4 Monthly Variation of TP in Influent of WWTP and Influent and Effluent of Magnetic Coagulation Sedimentation Unit

2.1.3 SS月度變化

污水廠總進水及磁混凝沉淀單元進出水的SS月度變化如圖5所示。磁混凝沉淀單元進水SS在1月—10月波動較大，在1月—2月受生化系統污泥膨脹影響，SS質量濃度較高，分別為81.60 mg/L和80.00 mg/L。3月—10月逐漸穩定，平均質量濃度為(21.60±6.33)mg/L。磁混凝沉淀單元出水SS穩定達標，平均質量濃度為(4.80±0.77)mg/L，平均去除率為79.4%，SS去除貢獻率為33.3%。

圖5 污水處理廠進水及磁混凝沉淀單元進出水SS月度變化Fig.5 Monthly Variation of SS in Influent of WWTP and Influent and Effluent of Magnetic Coagulation Sedimentation Unit

2.2 工藝控制

2.2.1 水力停留時間

混凝單元T1、T2、T3的水力停留時間月度變化如圖6所示。T1和T2的設計尺寸相同，故其水力停留時間也相同。在1月—2月，受處理水量波動影響，T1、T2和T3的水力停留時間高于設計值，1月分別為2.770 min和4.580 min，2月分別為2.165 min和3.580 min。3月—10月時，T1、T2和T3的水力停留時間均平穩波動，平均水力停留時間分別為(1.770±0.033)min和(2.930±0.054)min。

圖6 T1、T2、T3水力停留時間月度變化Fig.6 Monthly Variation of Hydraulic Retention Time of T1, T2 and T3

2.2.2 表面水力負荷

沉淀單元的表面水力負荷在1月—2月受處理水量波動影響，均低于設計值，分別為8.70 m3/(m2·h)和10.98 m3/(m2·h)，在3月—10月變化平穩，平均值為(13.16±0.22) m3/(m2·h)。

2.2.3 藥劑投加

磁混凝沉淀單元噸水藥劑投加量月度變化如圖7所示。PAC噸水投加量在1月—2月高于設計標準(120.00 mg/L)，為138.00 mg/L，3月—4月下降，5月—10月基本趨于穩定，平均投加量為(87.50±7.07)mg/L。磁粉的噸水投加量在1月—4月同樣高于設計標準(3.00 mg/L)且逐漸下降，5月—10月投加量趨于穩定且略低于設計標準，平均投加量為(2.68±0.13)mg/L。PAM(陰離子)噸水投加量在1月—10月變化平穩，均低于設計標準(2.00 mg/L)，平均質量濃度為(1.39±0.09) mg/L。

圖7 磁混凝沉淀單元單位藥劑投加量月度變化Fig.7 Monthly Variation of Unit Chemical Dosage in Magnetic Coagulation Sedimentation Unit

2.3 設備情況

磁混凝沉淀單元相關設備在1月—10月共發生90次故障。其中T2故障占比最多，達63%，主要以磁解絮機、回收機、攪拌機的異響堵塞為主；沉淀單元故障占比為34%，主要為回流泵、剩余污泥泵的異響堵塞以及刮泥機異響；T1故障占比最小，為3%，主要是攪拌機異響；T3暫無故障發生。此外，在3月由于剩余污泥泵選型問題需進行設備更換，在設備更換過程中對回流及剩余污泥管路進行改造，將原來兩個獨立平行管路進行并聯，分別在兩管上設置球閥調節流量，并由回流泵統一為兩管供能。后續剩余污泥泵完成更換后，并未對管路進行調整，泵處于閑置狀態。目前污泥回流及排出正常，可滿足生產需要。

3 問題分析與設計優化建議

3.1 設計參數

磁混凝沉淀單元的核心工藝設計參數是混凝池的水力停留時間及沉淀池的表面水力負荷。結合《磁介質混凝沉淀污水處理技術規程》(T/CECS 636—2019)(以下簡稱《規程》)中相關參數設計推薦取值及類似項目案例設計值，對比分析結果如表3所示。

表3 磁混凝沉淀設計參數對比分析Tab.3 Comparative Analysis of Designed Parameters of Magnetic Coagulation Sedimentation Unit

由表3可知，本項目與大部分類似項目T1和T2的水力停留時間取值相同，而與規程中取值時間不一致，主要是因為磁混凝沉淀單元在實際工程應用中占地面積較小，通常采用鋼結構或其他材料作為設備的主體結構，為了便于工廠預制，現場組裝，T1和T2的尺寸通常相同，進而水力停留時間一樣。本項目與類似項目的T1和T2水力停留時間在1.45～4.20 min，本項目的實際值為1.77 min，低于設計值(2.0 min)，處于較低水平。本項目與類似項目的T3水力停留時間取值均在規程的推薦取值范圍之內，且均低于3.0 min。本項目與類似項目的沉淀單元表面水力負荷取值偏低，在12.00～18.08 m3/(m2·h)，與規程推薦取值相比，處于低值附近，整體取值保守，原因可能是實際工程項目在設計沉淀單元時，出于設計安全角度考慮，取值偏小。但從工程投資角度，較小的表面水力負荷，意味著更大的構筑物面積、更高的項目投資。

因此，綜合規程及實際項目案例，在對磁混凝沉淀單元進行參數設計時，T1和T2可設計成相同尺寸，水力停留時間宜進行綜合考慮，宜在1.50～2.00 min，T3的水力停留時間宜在2.00～3.00 min。沉淀單元的表面水力負荷在實際設計時還應考慮某組混凝沉淀設施突發故障檢修，剩下單元需處理全部水量問題。對于設計4組及以上的沉淀單元時，表面水力負荷可適度提高，因為即使單組工藝單元故障，由剩下3組處理全部水量，表面水力負荷提高不明顯，也在規程設計參考范圍值以內。而對于設計只有2組沉淀單元時，表面水力負荷不宜超過20 m3/(m2·h)，避免突發情況單組處理全部水量，負荷超過40 m3/(m2·h)的上限。

3.2 工藝控制方面

磁混凝沉淀單元的工藝控制參數主要是混凝池的藥劑投加及沉淀池的污泥排放。結合《規程》中相關工藝參數設計推薦取值及本項目工藝參數設計與實際控制值，進行對比分析如表4所示。

表4 磁混凝沉淀工藝控制參數對比分析Tab.4 Comparative Analysis of Process Control Parameters of Magnetic Coagulation Sedimentation Unit

《規程》中對PAC、磁粉、PAM投加量及污泥回流量、排放量均有推薦取值，但范圍較大，參考意義偏低。實際工程應用中，磁混凝沉淀工藝既可用作一級處理單元，又可用作深度處理單元，工藝控制參數宜以具體項目實際運行數據最具參考意義。然而，目前關于磁混凝沉淀工藝的相關研究文章在實際工藝參數控制方面暫無有價值數據參考。

本研究中的PAC、磁粉、PAM投加量及污泥回流量、排放量，均是根據設計值在實際生產運行中探索而來，均低于設計值，項目實際生產運行長時間保持穩定，分析原因主要是以下3個方面：一是磁混凝沉淀單元主要進水水質指標實際值(TP質量濃度為1.230 mg/L，SS質量濃度為33.40 mg/L)較設計值(TP質量濃度為1.5 mg/L，SS質量濃度為40 mg/L)偏低，導致生產運行過程中實際耗藥量(PAC投加量為87.50 mg/L，磁粉投加量為2.68 mg/L，PAM投加量為1.39 mg/L)較理論計算值(PAC投加量為120 mg/L，磁粉投加量為3 mg/L，PAM投加量為2 mg/L)低；二是水廠的設計進水規模為10.0萬m3/d，而實際進水量為10.9萬m3/d，較設計規模高9%，根據污水處理規模效應理論[10]，對于污水處理規模適度擴大，污水處理成本要素會呈現下降趨勢，實際生產過程中藥劑的噸水耗用量會降低；三是污水廠工程設計時，設計人員出于項目運營期安全穩定生產考慮，通常會對工藝參數進行安全設計，導致設計藥劑投加量高于實際生產的藥劑耗用量。因此，將磁混凝沉淀工藝作為城鎮污水廠深度處理單元時，單元的工藝參數設計及后期運行控制，除了參考行業技術標準、規范外，還應借鑒類似項目設計及運行經驗數據，避免過度設計，力爭實現節省工程投資及安全穩定運行間的平衡。

3.3 設備方面

跟蹤磁混凝沉淀單元設備運行狀況，對近一年中出現的故障類型、次數進行分析發現，T2的磁解絮、回收設備及沉淀單元的回流泵、剩余污泥泵故障占比最高，故障的主要類型又以堵塞最多，由此增加大量維修清理工作，處理不及時可能影響項目生產?？紤]更換防堵型回流泵和剩余污泥泵可能導致成本超支及影響生產，本項目實際生產過程中主要通過增加對泵的排查及清理頻次來應對泵的頻繁堵塞。在對新建污水廠磁混凝沉淀單元進行污泥泵設計選型時，建議選用防堵型回流泵，葉輪采用耐磨損材質，減少運行時泵的堵塞及磨損。

項目在3月生產運行中，由于剩余污泥泵選型問題，剩余污泥排放不暢，影響沉淀單元的沉淀效果及出水水質。因此，在對剩余污泥泵進行更換前，對剩余污泥排放管路及污泥回流管路進行并聯改造，將剩余污泥泵進行短接，由回流泵供能，改造后生產運行正常，剩余污泥泵處于閑置狀態。建議在對后續項目磁混凝沉淀單元的污泥回流及排放進行設計時，可不設置剩余污泥泵，由回流泵負責剩余污泥的排出與回流，可減少投資及運行成本。

4 結論與建議

(1)沉淀單元表面水力負荷取值保守，在后續項目工藝設計時有進一步優化空間。建議當設計磁沉淀系統的平行單元≥4組時，表面水力負荷可適度提高。當只有2組時，表面水力負荷不宜超過20 m3/(m2·h)，避免突發情況下單組處理全部水量，負荷超過40 m3/(m2·h)。

(2)PAC、磁粉、PAM的實際投加量均低于設計值，在后續類似項目的磁混凝沉淀工藝控制參數設計、藥劑投加設備選型時，可進行適當調整。

(3)項目實際生產過程中，設備運行故障主要以磁解絮機的堵塞、回流泵堵塞及葉輪磨損為主，在設備設計選型時應給予重點關注，并采取針對性設計優化措施。