周保安

（上海琸源水生態(tài)環(huán)境工程有限公司，上海 200003）

2018年10月，在財政部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合組織的2018年城市黑臭水體治理示范城市評審活動中， 長治入選20個全國黑臭水體治理示范城市，成為山西省唯一獲此殊榮的城市。入圍城市需按要求制定城市黑臭水體治理3年方案，確保按期完成治理任務(wù)。依據(jù)《長治市黑臭水體治理示范城市建設(shè)實施方案》 長治市黑臭水體治理示范城市建設(shè)第一批任務(wù)清單中對壁頭河陳村斷面的考核要求，在示范城市考核驗收時要達到地表IV類水的標準。依據(jù)長治市地表水功能區(qū)劃中對壁頭河現(xiàn)狀水質(zhì)水文情況的描述及2018—2019年壁頭河水質(zhì)報告看，項目所在壁頭河（馬莊段面）現(xiàn)狀水質(zhì)為劣V類，水質(zhì)無法滿足要求。

1 工程概況

神農(nóng)湖水環(huán)境治理與生態(tài)修復項目工程項目總規(guī)劃面積約82.9hm2，以規(guī)劃的新漳北線為界，分為西部神農(nóng)湖片區(qū)（72.9hm2含新漳北線）和東部壁頭河片區(qū)（10hm2）兩部分，其中東部壁頭河片區(qū)的范圍以現(xiàn)狀岸線向南北各拓展100m為界。兩個片區(qū)統(tǒng)一設(shè)計， 同步竣工。 本期先行實施重點治理范圍約56.54hm2（按招標要求），北至現(xiàn)狀村道，東到長北干線，南鄰基本農(nóng)田，西至神農(nóng)湖大橋。 剩余26.36hm2待二期實施。

本項目建設(shè)內(nèi)容包括水系連通整治工程、 水污染控制工程、水生態(tài)凈化系統(tǒng)構(gòu)建工程、水景觀建設(shè)工程四大方面。 水污染控制工程包括：生態(tài)溪流、調(diào)蓄塘、前置濕地、集配水渠、多級生態(tài)濾床、溢流壩、生態(tài)濾壩、卵石消能區(qū)、一體化水處理設(shè)備、雨水花園、植草溝等。其中一體化水處理設(shè)備采用地埋式磁混凝沉淀工藝設(shè)備。水質(zhì)提升目標為：項目通過清淤截污、凈化濕地的打造和海綿措施的實施，改善水體水質(zhì)、恢復水體自然凈化，在晴天壁頭河上游來水水量穩(wěn)定且主要水質(zhì)指標不低于地表V類 （溶解氧、化學需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總磷）的基礎(chǔ)上，神農(nóng)湖主要水質(zhì)指標近期2020—2025年達到并保持地表水環(huán)境質(zhì)量標準Ⅳ類水 （溶解氧、 化學需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總磷），總氮優(yōu)于上游河道來水，并有較大幅度削減。 遠期2025—2035年，在壁頭河上游來水達到地表Ⅳ類標準、 周邊農(nóng)業(yè)面源污染治理等方面持續(xù)推進基礎(chǔ)上， 濕地水質(zhì)持續(xù)改善，神農(nóng)湖主要水質(zhì)指標（溶解氧、化學需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總磷）基本達到地表水III類水的要求，總氮優(yōu)于IV類水要求。

2 工藝原理與技術(shù)優(yōu)點

磁混凝沉淀是在混凝絮凝過程中投入四氧化三鐵（磁粉）增加凝聚核心，提高脫穩(wěn)微絮體間的引力，進而促進絮體形成。 磁混凝技術(shù)是混凝技術(shù)和磁技術(shù)的強化組合，也是兩者的有機結(jié)合［1］。 磁性載體與脫穩(wěn)膠粒、微絮體結(jié)合，形面高密度的礬花，達到高效除污和快速沉降的目的。 磁混凝技術(shù)是在常規(guī)混凝技術(shù)只投加混凝劑、絮凝劑的基礎(chǔ)上，在水中投加磁種，從而形成一種新的“磁絮體”［2］。 在混凝絮凝過程中投入粒徑小、數(shù)量多的磁粉，使水中顆粒物的數(shù)量增加，使膠粒的有效碰撞次數(shù)增多。同時在混凝攪拌過程中形成的微小渦旋產(chǎn)生了最適宜的離心慣性力，進一步增加膠粒的有效碰撞幾率。根據(jù)混凝動力學可知，當水中懸浮物濃度很低時，顆粒碰撞速率將大大減小，混凝效果差；而擴散在水中的磁粉使水中懸浮顆粒增多，增加了膠體物質(zhì)碰撞的機會，并且磁粉產(chǎn)生的微弱磁場使磁粉周圍帶電膠體受到洛倫茲力的作用而運動，促進了懸浮物和膠體物質(zhì)的碰撞，使水中顆粒形成絮體的幾率更大，強化了絮凝效果。

一般情況下， 絮體粒徑越大， 說明混凝效果越好，水中的絮體粒徑越大，沉降速度也就越快。 磁粉加載為絮體內(nèi)核，增大了絮體的相對密度，使絮體含水量大為降低，提高了沉降速度。 在實際工程中，這一優(yōu)勢可以減少沉淀池有效停留時間、 容積大小和污泥層厚度， 這對降低工程投資和運行成本具有十分重要的意義。

生物磁混凝高效沉淀工藝加入的磁粉比重可達5.0×103kg/m3，絮體快速沉降明顯，速度可達40m/h以上， 整個水處理過程從進水到出水可在10min內(nèi)完成，達到高效除污和快速沉降的目的。具體的工藝優(yōu)點如下：

（1）表面負荷超高：10～20m3/m2·h。

（2） 除磷效果卓越：TP≤0.2mg/L （進水總磷≤0.7mg/L）。

（3）出水水質(zhì)優(yōu)勢：COD、SS、TP（可以達到一級A 標準）。

（4）節(jié)約混凝劑量：20%～35%。

（5）耐高負荷沖擊：可接受25m3/m2·h。

（6）生物磁種損耗量低：磁粉回收率大于99%。

3 工藝設(shè)計與設(shè)備配置

由于東區(qū)壁頭河來水量受季節(jié)、 上游排水影響較大，來水量不穩(wěn)定，因此考慮了來水量較大和來水量較小兩種場景， 場景1取水文站監(jiān)測數(shù)據(jù)極大值10540m3/d，來水量場景2取業(yè)主提供的水文站監(jiān)測數(shù)據(jù)最小值840m3/d。 設(shè)備設(shè)計處理量4600t/d，通過設(shè)備中的混凝劑、除磷劑、磁粉和助凝劑使來水中懸浮物快速絮凝，以利于在沉淀池中快速沉淀、澄清，澄清后的上清液達標后進入景觀水體，污水中的COD、BOD5、SS、TP等污染物幅度消減，滿足后續(xù)生態(tài)處理要求。

來水經(jīng)取水提升設(shè)備進入處理設(shè)備的1#反應(yīng)池，同時向1#反應(yīng)池投加混凝劑（PAC）和除磷劑，兩者充分混合后進入2#反應(yīng)池， 同時向2#反應(yīng)池投加磁粉，兩者充分混合后進入3#反應(yīng)池， 與在此加入的助凝劑（PAM）進行反應(yīng)，生成較大的絮體顆粒，最后進入沉淀池快速沉降，出水進入下一道處理工序。

經(jīng)沉淀池沉淀下來的污泥， 部分通過污泥泵重新回到2#反應(yīng)池參與反應(yīng)， 部分通過高剪切機將磁粉與污泥的混合絮體打散， 打散的混合絮體通過磁分離器回收磁粉， 回收的磁粉再次進入2#反應(yīng)池繼續(xù)參與反應(yīng)，剩余污泥則進入后續(xù)污泥處理系統(tǒng)。污泥回流工藝的設(shè)置一方面優(yōu)化了絮凝條件， 另一方面亦可充分發(fā)揮回流藥劑的效率， 既大幅提高系統(tǒng)沖擊能力，又顯著節(jié)約了運行消耗［3］。 加藥間調(diào)配好的PAC、 除磷劑和PAM溶液由加藥泵輸送至各加藥點。 PAC、除磷劑投加到1#反應(yīng)池，PAM投加到3#反應(yīng)池。 工藝流程如圖1。

圖1 工藝流程圖

反應(yīng)機理說明如下：

（2）除懸浮物機理。 投加聚合氯化鋁（PAC）不僅具有除磷的效果， 而且一部分聚合氯化鋁可以發(fā)生絮凝反應(yīng)，絮凝反應(yīng)主要通過吸附、中和、表面接觸等作用去除懸浮物， 生成的主要化合物分子式為：{［Al（OH）3］m（n-x）Cl}x+xCl。

（3）除COD機理。 由于水體中含有大量的可氧化物質(zhì)（如有機物、硫化物等）以懸浮物形態(tài)或膠體形式存在，用絮凝方式去除懸浮物和膠體的同時，也達到降低水體COD的目的。

（4）除重金屬機理。通過投加堿性物質(zhì)和重金屬發(fā)生反應(yīng)，形成不溶于水的重金屬氫氧化物，通過沉淀方式去除， 同時也可以投加其他化學物質(zhì)或?qū)Ｓ玫闹亟饘俨蹲絼┻M行去除。

由于處理水量大，設(shè)計采用兩套并聯(lián)設(shè)備，每套設(shè)備長15.5m，寬3m，占地面積46.5m2，埋深6m。 設(shè)備為全地埋式磁混凝沉淀設(shè)備， 單臺設(shè)備設(shè)計流量為2300m3/d。壁頭河來水經(jīng)過生態(tài)溪流，調(diào)蓄塘的預沉、調(diào)蓄后，進入預處理設(shè)備，出水進入前置濕地及后續(xù)生態(tài)處理工藝。預處理沉淀設(shè)備采用鋼制結(jié)構(gòu)，設(shè)備整體采用撬塊式組裝，方便設(shè)備安裝。 每套設(shè)備有3個反應(yīng)池，1個沉淀池，同時配套磁粉回收系統(tǒng)、污泥回流等設(shè)施，如圖2。

圖2 設(shè)備示意圖

設(shè)備介紹如下：

（1）混凝反應(yīng)池攪拌機。混凝反應(yīng)池有3個，分別為混合攪拌池、磁粉加載混合池、絮凝攪拌池，每個反應(yīng)池分別設(shè)置1臺攪拌機，混凝反應(yīng)系統(tǒng)配置機械攪拌機3臺。 單個混凝反應(yīng)池反應(yīng)時間約2～3min，在反應(yīng)池中， 藥劑、 回流污泥和生物磁形成密實的絮體，然后進入沉淀池。

（2）沉淀池中心傳動刮泥機。沉淀池采用鋼制池體，采用上方下圓單泥斗形式，方便排泥、刮泥，附設(shè)配套刮泥機， 刮臂采用4刮臂形式， 刮泥機功率約0.37kW/臺。

（3）污泥系統(tǒng)。 污泥系統(tǒng)采用污泥回流裝置，配置回流污泥泵1臺，功率2kW，沉淀池排出的污泥一部分通過回流污泥泵直接回流到混凝反應(yīng)池中。 配置剩余污泥泵1臺，功率2kW，沉淀池排出的另一部分污泥通過剩余污泥泵輸送至生物磁回收裝置。

（4）高剪機。 高剪機直接安裝于管路系統(tǒng)中，為管道法蘭式安裝， 作用是將管道輸送介質(zhì)中磁粉與污泥的混合絮體打散， 便于生物磁回收裝置回收磁粉。 高剪機由驅(qū)動部件、主動軸、葉輪、機械密封、殼體等構(gòu)成。

（5）磁粉回收系統(tǒng)。磁粉回收系統(tǒng)從高剪機打散的混合絮體中分離磁粉并有效回收， 回收的磁粉重新返回進入磁粉加載混合池， 磁粉回收后的剩余污泥至污泥收集系統(tǒng)。 配置生物磁回收裝置1套，變頻控制。

（6）加藥系統(tǒng)。加藥系統(tǒng)分為混凝劑加藥系統(tǒng)和助凝劑加藥系統(tǒng)，除磷劑加藥系統(tǒng)。

（7）自控系統(tǒng)。 自動控制主要有PLC 控制器、變頻器、電磁流量計、液位計等。

4 現(xiàn)場調(diào)試

神農(nóng)湖主要水質(zhì)指標標準限值如表1。

表1 神農(nóng)湖主要水質(zhì)指標標準限值單位：mg/L

由建設(shè)方提供的壁頭河（長北干線斷面）的現(xiàn)場水質(zhì)報告如表2。

表2 壁頭河（長北干線斷面）水質(zhì)報告單位：mg/L

依據(jù)壁頭河（長北干線斷面）的現(xiàn)場來水監(jiān)測報告，調(diào)試期間，PAC投加量10mg/L，PAM投加量2mg/L，總磷去除劑投加量5mg/L，磁粉消耗量4g/m3，磁粉損耗小于1g/m3，磁粉回收率大于99%，磁場強度衰減率小于0.1%/a， 絮凝時間3～6min， 沉淀池停留時間為15～20min。 調(diào)試期間設(shè)備出水指標如表3。

表3 調(diào)試期間設(shè)備出水指標單位：mg/L

出水指標符合GB18918—2002 《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A標準，符合排入GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》地表水類功能Ⅲ類水域的標準。

5 設(shè)備整體運行費用分析

地埋式一體化磁混凝沉淀水處理設(shè)備運行功率統(tǒng)計如表4。

表4 設(shè)備運行功率統(tǒng)計

設(shè)備運行功率69.54kW， 電費按照0.8元/kW·h計算， 每天電費：69.54kW×24h×0.8=1335.16元/d，處理1噸水電費為：1335.16÷4600=0.29元/t。

消耗的水處理藥劑為PAC、PAM、總磷藥劑和磁粉。 PAC投加量10mg/L，PAM投加量2mg/L，總磷去除劑投加量5mg/L， 磁粉消耗量4g/t水。 PAC費用為1.6元/kg，PAM費用9.0元/kg， 總磷去除劑費用2.0元/kg，磁粉價格1.5元/kg。 折算噸水藥劑消耗費用為：PAC=0.016元/t水，PAM=0.018元/t水，總磷去除劑=0.01元/t水，磁粉=0.006元/t水。 藥劑費用合計：0.016+0.018+0.001+0.006=0.05元/t水。

綜合費用為電費+藥劑費=0.29+0.05=0.34元/t水。

6 結(jié)語

地埋式一體化磁混凝沉淀水處理技術(shù)可用于河道雨污混合污水、河道清淤污水、局部河道應(yīng)急冶理等領(lǐng)域。目前，我國很多應(yīng)用磁混凝技術(shù)的污水處理工藝因場地、 經(jīng)濟和技術(shù)等原因無法構(gòu)建大型磁場［4］，磁混凝沉淀整套工藝占地相當于污水處理廠普通初沉池，能夠節(jié)約土地資源，減少基建費用投入；同時其水力負荷高、 藥劑投加量少， 有效減少污水處理成本，經(jīng)濟效益顯著［5］。 地埋式一體化磁混凝沉淀水處理設(shè)備具有占地面積小、投資小、水質(zhì)優(yōu)、見效快等諸多優(yōu)點，必將會受到越來越多的用戶青睞，發(fā)展前景廣闊。