王曉明 彭欣苓

(1.北礦機電科技有限責(zé)任公司；2.北京礦冶科技集團有限公司)

中國水資源人均占有量少，空間分布不平衡。隨著中國城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的加速推進，城市污水排放量逐年增加，以生活污水為例，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國城鎮(zhèn)生活污水排放量年均復(fù)合增長率為6.2%。隨著我國城鎮(zhèn)化水平的不斷提升，城鎮(zhèn)生活污水排放量將繼續(xù)增長，預(yù)計2020年將會達(dá)到718億t。加快對城市污水的處理刻不容緩，近年來，國家對城市污水問題頒布了一系列政策及技術(shù)規(guī)定，如2015年國務(wù)院印發(fā)了《水污染防治行動計劃》，對重點區(qū)域、大中城市及城鎮(zhèn)的黑臭水體、工業(yè)聚集區(qū)水污染、城鎮(zhèn)生活水污染等提出了明確的治理指標(biāo)[1]。針對現(xiàn)有污水處理技術(shù)存在的水力停留時間長、單位面積處理量小、出水指標(biāo)波動大等問題，磁混凝沉淀技術(shù)應(yīng)運而生[2-5]。磁混凝沉淀技術(shù)是在混凝沉淀的基礎(chǔ)上，增加磁性顆粒作為磁種，混凝過程中磁種被絮凝體包裹起來，與絮凝體一并在沉淀池中沉淀，磁種增加絮體重量，從而達(dá)到快速沉降的目的，與普通絮凝沉淀技術(shù)相比降低了澄清池的水力停留時間。磁混凝沉淀技術(shù)用于污水處理的研究較早，但僅在近幾年才得到大規(guī)模應(yīng)用，其中一個重要原因是對于磁種的回收利用率低，對此，本研究開發(fā)了專用型磁種回收機。

1 MSS系列磁種回收機整機結(jié)構(gòu)及工作原理

MSS系列磁種回收機的整機結(jié)構(gòu)如圖1所示，該型設(shè)備主要由磁筒、給料裝置、槽體、卸料裝置、傳動裝置、機架等主要部件組成。

圖1 磁種回收機結(jié)構(gòu)示意

磁種回收機主要利用了磁選原理對工藝中添加的磁種進行回收作業(yè)，在實際工業(yè)水處理中多采用磁鐵礦顆粒作為磁種，利用磁鐵礦在磁場中被磁化吸附的特性，克服流體的拖拽力。在磁種回收機中，回收過程是指含有磁種的污泥經(jīng)給料箱進入槽體，利用槽體的回收空間使固體顆粒在回收區(qū)內(nèi)懸浮，磁種在磁系所產(chǎn)生的磁場力的作用下，克服作用于顆粒上的阻力(與磁力相對抗或競爭的力)，如重力、水流體動力、摩擦力、慣性力等，被吸附于圓筒的表面上，隨著圓筒一起向上移動，在移動過程中，由于磁系的極性沿徑向交替，使成鏈的磁性礦粒進行翻動(磁翻滾)，在翻動過程中，夾在磁性礦粒中的一部分污泥進入尾料。磁種隨著圓筒轉(zhuǎn)動，離開磁系時，磁力大大降低，在卸料刮板的作用下進入磁種回收槽中，并回流至混凝攪拌槽中；污泥則不受磁力作用，在槽體內(nèi)水流的作用下，從底板的尾料口排入下段作業(yè)流程。由于污泥不斷給入，磁種和剩余污泥不斷排出，形成了一個連續(xù)的磁種回收過程。

2 MSS系列磁種回收機重要部件設(shè)計

磁系是磁種回收機的核心部件，是磁種回收機設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。由礦物的回收過程可知，磁場的分布、大小以及回收帶的長度都對回收產(chǎn)生影響，回收工作空間的磁場強度、磁場作用深度和磁場梯度以及磁場的分布形狀都是由磁系的磁路設(shè)計、磁極的極性排列和使用的磁性材料確定[6-7]，該類因素決定了磁場力的大小，并影響了磁種回收效果。磁種回收機的開放磁系是指極性相間配置，極性之間無感應(yīng)鐵磁介質(zhì)，按照圓柱曲面排列的磁系，磁通是通過較長的空氣路程閉合，磁路中的磁阻較大，具有較大的回收空間，適用于回收強磁性顆粒。

根據(jù)磁種回收過程，磁種回收機的磁系采用大包角、高場強的磁路設(shè)計方案，磁系包角大，達(dá)到240°，根據(jù)磁場作用區(qū)域可以分為捕收區(qū)、運輸區(qū)、和卸料區(qū)3個區(qū)域(圖2)。其中，捕收區(qū)主要作用是使給料中的磁種吸附于磁筒表面上，運輸區(qū)的作用主要是使磁種離開污水表面，最后通過卸料區(qū)從磁筒表面脫離，落至磁種接料斗中，完成磁種的回收作業(yè)。

圖2 磁種回收機磁系分區(qū)示意

通過實驗室測試，新型磁系全部采用高性能稀土磁鋼，在獲得相同磁場特性的情況下，磁體體積小、磁能利用率高、成本相當(dāng)、重量大大降低[7]。該類型磁體適宜制作中、高磁場強度(300～700 mT)磁選機，且加工制作方便，磁體加工精度高。最終磁系的設(shè)計方案如圖3所示。

圖3 磁系橫剖面及縱剖面

槽體是磁種回收機的重要部件，其結(jié)構(gòu)特點與磁種的回收率密切相關(guān)，對于磁種回收類設(shè)備，多采用逆流性槽體。為了提高回收效果，本研究對MSS系列磁種回收機的槽體結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計，以便與磁系包角相匹配，從而提高液面，延長回收帶長度，減緩污水流速，使污泥在槽體內(nèi)有足夠的時間和空間進行回收，適應(yīng)污水流動的波動變化，有利于磁種回收。由于被吸附于筒表面上的磁種在液面下運行距離長，有利于拋出夾雜的污泥，提高物料的回收精度[7]。匹配磁系回收區(qū)的槽體范圍是磁種回收的主要工作區(qū)域，該工作區(qū)域應(yīng)足夠大，以便使污水能夠順利通過而不產(chǎn)生回流，最大的工作間隙可達(dá)90 mm，設(shè)備的處理能力也大大提高，一旦超過這一間隙，回收區(qū)的平均磁力會下降，工作間隙的設(shè)定使磁系的磁能得到了有效利用。

磁種回收機對于磁種的回收率要求高，因此對于給料的軸向均勻性要求嚴(yán)格。給料軸向均勻布料是通過給料裝置實現(xiàn)的，給料管水平放置于給料箱內(nèi)，在給料管下部偏離中心垂直線30°角處加工了寬30 mm的縫隙供出料，由于給料管具有一定的料漿壓力，而出料縫隙較小，使給料管內(nèi)總是充滿礦漿，在給料管長范圍內(nèi)都有料漿排出。料漿流到給料箱內(nèi)，緩沖后經(jīng)過溢流板，均勻流入磁種回收機的槽體。 給料裝置采用螺栓與槽體連接，鑲嵌進槽體內(nèi)，能夠與磁系回收區(qū)、槽體入料口有效匹配。

3 應(yīng)用實例

(1)市政污水治理。磁混凝沉淀技術(shù)最早在我國成規(guī)模應(yīng)用于市政污水處理是在2008年中國清河污水處理廠，該項目處理規(guī)模為5萬m3/d，在藥劑投加量達(dá)到最佳水平時，各項污染物指標(biāo)都會有效降低，COD、總磷、濁度的去除率分別達(dá)到85%、97%、99%[8]。在設(shè)計建設(shè)初期，工程設(shè)計方采用了全套國外設(shè)備，其中包括了磁種回收機，在實際應(yīng)用中磁粉流失嚴(yán)重，在排出的污泥中存在大量鐵粉，且設(shè)備本身存在流通盲點，導(dǎo)致污泥在設(shè)備槽體內(nèi)板結(jié)。為實現(xiàn)磁粉流通和高效回收，研制了MSS系列磁種回收機，實踐證明，污泥中的磁粉回收率達(dá)到98%以上，達(dá)到了設(shè)計要求。經(jīng)過不斷完善和改進，MSS系列磁種回收機已經(jīng)配合磁混凝沉淀技術(shù)在北京、遼寧、浙江、山東、江蘇等地的市政污水處理廠進行了推廣使用，型號覆蓋了MSS606、MSS612、MSS715、MSS1015等，污泥處理能力由1 m3/h提高至100 m3/h。

(2)黑臭水體治理。隨著《水污染防治行動計劃》的實施，磁混凝沉淀技術(shù)以其占地面積小、水力停留時間短、出水穩(wěn)定等優(yōu)點在黑臭水體治理中大放異彩，特別是一體化的磁混凝沉淀技術(shù)設(shè)備滿足了水質(zhì)恢復(fù)的高效快捷要求[9]。磁種回收機根據(jù)一體化設(shè)備空間緊張的特點，調(diào)整了污泥給料方式，滿足了低矮空間的安裝要求，并在多處河段的重度黑臭水體治理中得到了應(yīng)用，其中在北京市大興區(qū)某河道黑臭水體治理中實現(xiàn)了SS去除率>80%、COD去除率>50%、TP去除率>50%、磁粉回收達(dá)到98%以上的目標(biāo)，對于該段河道水質(zhì)整體改善發(fā)揮了重要作用。

4 結(jié) 論

(1)通過對磁混凝沉淀技術(shù)所用鐵粉的性質(zhì)和具體處理工藝進行分析，在筒式磁選機的基礎(chǔ)上研制了MSS系列磁種回收機，設(shè)計了大包角磁系、深液位槽體、均勻給料裝置等，實踐證明，MSS系列的磁種回收機可完全滿足磁混凝沉淀技術(shù)中磁種回收的要求。

(2)MSS系列磁種回收機已經(jīng)配合磁混凝沉淀技術(shù)用于處理多種類型的污水和廢水，在磁種回收的過程中，不同黏度、不同濃度的廢水對于磁種回收機的磁場強度要求不同，在對磁種回收機進行選型時，需要根據(jù)工程實際情況，對給料、卸料裝置的具體形式進行調(diào)整。