周保安

（上海琸源水生态环境工程有限公司，上海 200003）

2018年10月，在财政部、住房城乡建设部、生态环境部联合组织的2018年城市黑臭水体治理示范城市评审活动中， 长治入选20个全国黑臭水体治理示范城市，成为山西省唯一获此殊荣的城市。入围城市需按要求制定城市黑臭水体治理3年方案，确保按期完成治理任务。依据《长治市黑臭水体治理示范城市建设实施方案》 长治市黑臭水体治理示范城市建设第一批任务清单中对壁头河陈村断面的考核要求，在示范城市考核验收时要达到地表IV类水的标准。依据长治市地表水功能区划中对壁头河现状水质水文情况的描述及2018—2019年壁头河水质报告看，项目所在壁头河（马庄段面）现状水质为劣V类，水质无法满足要求。

1 工程概况

神农湖水环境治理与生态修复项目工程项目总规划面积约82.9hm2，以规划的新漳北线为界，分为西部神农湖片区（72.9hm2含新漳北线）和东部壁头河片区（10hm2）两部分，其中东部壁头河片区的范围以现状岸线向南北各拓展100m为界。两个片区统一设计， 同步竣工。 本期先行实施重点治理范围约56.54hm2（按招标要求），北至现状村道，东到长北干线，南邻基本农田，西至神农湖大桥。 剩余26.36hm2待二期实施。

本项目建设内容包括水系连通整治工程、 水污染控制工程、水生态净化系统构建工程、水景观建设工程四大方面。 水污染控制工程包括：生态溪流、调蓄塘、前置湿地、集配水渠、多级生态滤床、溢流坝、生态滤坝、卵石消能区、一体化水处理设备、雨水花园、植草沟等。其中一体化水处理设备采用地埋式磁混凝沉淀工艺设备。水质提升目标为：项目通过清淤截污、净化湿地的打造和海绵措施的实施，改善水体水质、恢复水体自然净化，在晴天壁头河上游来水水量稳定且主要水质指标不低于地表V类 （溶解氧、化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、总磷）的基础上，神农湖主要水质指标近期2020—2025年达到并保持地表水环境质量标准Ⅳ类水 （溶解氧、 化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、总磷），总氮优于上游河道来水，并有较大幅度削减。 远期2025—2035年，在壁头河上游来水达到地表Ⅳ类标准、 周边农业面源污染治理等方面持续推进基础上， 湿地水质持续改善，神农湖主要水质指标（溶解氧、化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、总磷）基本达到地表水III类水的要求，总氮优于IV类水要求。

2 工艺原理与技术优点

磁混凝沉淀是在混凝絮凝过程中投入四氧化三铁（磁粉）增加凝聚核心，提高脱稳微絮体间的引力，进而促进絮体形成。 磁混凝技术是混凝技术和磁技术的强化组合，也是两者的有机结合［1］。 磁性载体与脱稳胶粒、微絮体结合，形面高密度的矾花，达到高效除污和快速沉降的目的。 磁混凝技术是在常规混凝技术只投加混凝剂、絮凝剂的基础上，在水中投加磁种，从而形成一种新的“磁絮体”［2］。 在混凝絮凝过程中投入粒径小、数量多的磁粉，使水中颗粒物的数量增加，使胶粒的有效碰撞次数增多。同时在混凝搅拌过程中形成的微小涡旋产生了最适宜的离心惯性力，进一步增加胶粒的有效碰撞几率。根据混凝动力学可知，当水中悬浮物浓度很低时，颗粒碰撞速率将大大减小，混凝效果差；而扩散在水中的磁粉使水中悬浮颗粒增多，增加了胶体物质碰撞的机会，并且磁粉产生的微弱磁场使磁粉周围带电胶体受到洛伦兹力的作用而运动，促进了悬浮物和胶体物质的碰撞，使水中颗粒形成絮体的几率更大，强化了絮凝效果。

一般情况下， 絮体粒径越大， 说明混凝效果越好，水中的絮体粒径越大，沉降速度也就越快。 磁粉加载为絮体内核，增大了絮体的相对密度，使絮体含水量大为降低，提高了沉降速度。 在实际工程中，这一优势可以减少沉淀池有效停留时间、 容积大小和污泥层厚度， 这对降低工程投资和运行成本具有十分重要的意义。

生物磁混凝高效沉淀工艺加入的磁粉比重可达5.0×103kg/m3，絮体快速沉降明显，速度可达40m/h以上， 整个水处理过程从进水到出水可在10min内完成，达到高效除污和快速沉降的目的。具体的工艺优点如下：

（1）表面负荷超高：10～20m3/m2·h。

（2） 除磷效果卓越：TP≤0.2mg/L （进水总磷≤0.7mg/L）。

（3）出水水质优势：COD、SS、TP（可以达到一级A 标准）。

（4）节约混凝剂量：20%～35%。

（5）耐高负荷冲击：可接受25m3/m2·h。

（6）生物磁种损耗量低：磁粉回收率大于99%。

3 工艺设计与设备配置

由于东区壁头河来水量受季节、 上游排水影响较大，来水量不稳定，因此考虑了来水量较大和来水量较小两种场景， 场景1取水文站监测数据极大值10540m3/d，来水量场景2取业主提供的水文站监测数据最小值840m3/d。 设备设计处理量4600t/d，通过设备中的混凝剂、除磷剂、磁粉和助凝剂使来水中悬浮物快速絮凝，以利于在沉淀池中快速沉淀、澄清，澄清后的上清液达标后进入景观水体，污水中的COD、BOD5、SS、TP等污染物幅度消减，满足后续生态处理要求。

来水经取水提升设备进入处理设备的1#反应池，同时向1#反应池投加混凝剂（PAC）和除磷剂，两者充分混合后进入2#反应池， 同时向2#反应池投加磁粉，两者充分混合后进入3#反应池， 与在此加入的助凝剂（PAM）进行反应，生成较大的絮体颗粒，最后进入沉淀池快速沉降，出水进入下一道处理工序。

经沉淀池沉淀下来的污泥， 部分通过污泥泵重新回到2#反应池参与反应， 部分通过高剪切机将磁粉与污泥的混合絮体打散， 打散的混合絮体通过磁分离器回收磁粉， 回收的磁粉再次进入2#反应池继续参与反应，剩余污泥则进入后续污泥处理系统。污泥回流工艺的设置一方面优化了絮凝条件， 另一方面亦可充分发挥回流药剂的效率， 既大幅提高系统冲击能力，又显著节约了运行消耗［3］。 加药间调配好的PAC、 除磷剂和PAM溶液由加药泵输送至各加药点。 PAC、除磷剂投加到1#反应池，PAM投加到3#反应池。 工艺流程如图1。

图1 工艺流程图

反应机理说明如下：

（2）除悬浮物机理。 投加聚合氯化铝（PAC）不仅具有除磷的效果， 而且一部分聚合氯化铝可以发生絮凝反应，絮凝反应主要通过吸附、中和、表面接触等作用去除悬浮物， 生成的主要化合物分子式为：{［Al（OH）3］m（n-x）Cl}x+xCl。

（3）除COD机理。 由于水体中含有大量的可氧化物质（如有机物、硫化物等）以悬浮物形态或胶体形式存在，用絮凝方式去除悬浮物和胶体的同时，也达到降低水体COD的目的。

（4）除重金属机理。通过投加碱性物质和重金属发生反应，形成不溶于水的重金属氢氧化物，通过沉淀方式去除， 同时也可以投加其他化学物质或专用的重金属捕捉剂进行去除。

由于处理水量大，设计采用两套并联设备，每套设备长15.5m，宽3m，占地面积46.5m2，埋深6m。 设备为全地埋式磁混凝沉淀设备， 单台设备设计流量为2300m3/d。壁头河来水经过生态溪流，调蓄塘的预沉、调蓄后，进入预处理设备，出水进入前置湿地及后续生态处理工艺。预处理沉淀设备采用钢制结构，设备整体采用撬块式组装，方便设备安装。 每套设备有3个反应池，1个沉淀池，同时配套磁粉回收系统、污泥回流等设施，如图2。

图2 设备示意图

设备介绍如下：

（1）混凝反应池搅拌机。混凝反应池有3个，分别为混合搅拌池、磁粉加载混合池、絮凝搅拌池，每个反应池分别设置1台搅拌机，混凝反应系统配置机械搅拌机3台。 单个混凝反应池反应时间约2～3min，在反应池中， 药剂、 回流污泥和生物磁形成密实的絮体，然后进入沉淀池。

（2）沉淀池中心传动刮泥机。沉淀池采用钢制池体，采用上方下圆单泥斗形式，方便排泥、刮泥，附设配套刮泥机， 刮臂采用4刮臂形式， 刮泥机功率约0.37kW/台。

（3）污泥系统。 污泥系统采用污泥回流装置，配置回流污泥泵1台，功率2kW，沉淀池排出的污泥一部分通过回流污泥泵直接回流到混凝反应池中。 配置剩余污泥泵1台，功率2kW，沉淀池排出的另一部分污泥通过剩余污泥泵输送至生物磁回收装置。

（4）高剪机。 高剪机直接安装于管路系统中，为管道法兰式安装， 作用是将管道输送介质中磁粉与污泥的混合絮体打散， 便于生物磁回收装置回收磁粉。 高剪机由驱动部件、主动轴、叶轮、机械密封、壳体等构成。

（5）磁粉回收系统。磁粉回收系统从高剪机打散的混合絮体中分离磁粉并有效回收， 回收的磁粉重新返回进入磁粉加载混合池， 磁粉回收后的剩余污泥至污泥收集系统。 配置生物磁回收装置1套，变频控制。

（6）加药系统。加药系统分为混凝剂加药系统和助凝剂加药系统，除磷剂加药系统。

（7）自控系统。 自动控制主要有PLC 控制器、变频器、电磁流量计、液位计等。

4 现场调试

神农湖主要水质指标标准限值如表1。

表1 神农湖主要水质指标标准限值单位：mg/L

由建设方提供的壁头河（长北干线断面）的现场水质报告如表2。

表2 壁头河（长北干线断面）水质报告单位：mg/L

依据壁头河（长北干线断面）的现场来水监测报告，调试期间，PAC投加量10mg/L，PAM投加量2mg/L，总磷去除剂投加量5mg/L，磁粉消耗量4g/m3，磁粉损耗小于1g/m3，磁粉回收率大于99%，磁场强度衰减率小于0.1%/a， 絮凝时间3～6min， 沉淀池停留时间为15～20min。 调试期间设备出水指标如表3。

表3 调试期间设备出水指标单位：mg/L

出水指标符合GB18918—2002 《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准，符合排入GB3838—2002《地表水环境质量标准》地表水类功能Ⅲ类水域的标准。

5 设备整体运行费用分析

地埋式一体化磁混凝沉淀水处理设备运行功率统计如表4。

表4 设备运行功率统计

设备运行功率69.54kW， 电费按照0.8元/kW·h计算， 每天电费：69.54kW×24h×0.8=1335.16元/d，处理1吨水电费为：1335.16÷4600=0.29元/t。

消耗的水处理药剂为PAC、PAM、总磷药剂和磁粉。 PAC投加量10mg/L，PAM投加量2mg/L，总磷去除剂投加量5mg/L， 磁粉消耗量4g/t水。 PAC费用为1.6元/kg，PAM费用9.0元/kg， 总磷去除剂费用2.0元/kg，磁粉价格1.5元/kg。 折算吨水药剂消耗费用为：PAC=0.016元/t水，PAM=0.018元/t水，总磷去除剂=0.01元/t水，磁粉=0.006元/t水。 药剂费用合计：0.016+0.018+0.001+0.006=0.05元/t水。

综合费用为电费+药剂费=0.29+0.05=0.34元/t水。

6 结语

地埋式一体化磁混凝沉淀水处理技术可用于河道雨污混合污水、河道清淤污水、局部河道应急冶理等领域。目前，我国很多应用磁混凝技术的污水处理工艺因场地、 经济和技术等原因无法构建大型磁场［4］，磁混凝沉淀整套工艺占地相当于污水处理厂普通初沉池，能够节约土地资源，减少基建费用投入；同时其水力负荷高、 药剂投加量少， 有效减少污水处理成本，经济效益显著［5］。 地埋式一体化磁混凝沉淀水处理设备具有占地面积小、投资小、水质优、见效快等诸多优点，必将会受到越来越多的用户青睐，发展前景广阔。