北京某高含磷混合市政污水处理厂工程规模为1万m³/d, 高峰时能满足625 m³/h的处理能力。该污水处理厂服务范围内有一家大型电子加工企业, 其废水中磷酸盐浓度高, 污水处理厂二级出水的TP还高达5～20mg/L, 比普通市政污水处理厂二级出水TP指标1～2mg/L高出数倍。深度处理进水水质及出水要求如表1所示。由于进水TP高, 出水对TP、SS要求较高, 同时对浊度有一定的要求, 选择磁加载沉淀-磁过滤工艺作为本深度处理工程的主体工艺。

磁加载沉淀-磁过滤工艺是将磁加载沉淀和高梯度磁过滤工艺两者的优势联合串联而成, 又将两者的不足互相弥补。磁加载沉淀负荷高, 但因沉降速度快, 出水含部分以磁种为核心的絮体;高梯度磁过滤去除精度高, 但滤速快、过滤面积小, 易堵塞, 吸着的磁絮体从滤料上清除较困难。将两者组合, 既减轻进入高梯度磁过滤的负荷, 避免高梯度磁过滤堵塞, 又能进一步去除水中残存磁种和悬浮颗粒, 提高出水水质和磁种回收率。磁加载沉淀-磁过滤工艺与传统的混凝沉淀过滤水处理技术相比有许多独特之处, 对TP、油、SS以及部分特殊有机物等有比常规工艺较好的处理效果;耐水量、水质负荷冲击;处理效率高、占地小, 反应速度、沉淀速度以及过滤速度都比常规工艺快数倍;流程简单, 设备数量少, 启动快捷、管理简便、容易实现自动化控制;建设周期短、应用广泛, 而且系统可以实现车载移动处理。

(1) 高效沉淀池池型选择:磁加载沉淀工艺的沉淀池常用池型有竖流式、平流式和高密度式等。竖流式常用于处理约3 000m³/d及以下小规模水量工程, 无磁泥收集设备, 但泥斗高度较高 (本工程需4.33m) 使系统高程布置受限。平流式高程布置不受限, 但底部需设置刮泥机, 磁泥易磨损水下轴承等关键设备件, 磁泥易堆积在平流沉淀池的布水端, 需设置延伸布水, 避免沉淀池末端易闲置。高密度式一般用于大规模工程, 底部需设置刮泥机, 因磁泥密度比普通污泥高出3～5倍, 底部集泥区需设置一定坡度, 避免大量磁泥堆积在沉淀池底部, 刮泥机功率增大, 磁泥泵易因磁种量大、比重大而堵塞导致系统死机。因此直接选用以上某种都不合适, 这里采用四格竖流式沉淀池并联且去掉隔板的方式, 降低泥斗高度2.23m (本工程实际2.1m) ;考虑布水均匀配套4套延伸布水中心筒, 考虑排泥均匀4个泥斗各设置1台磁泥泵;同时利用节省的高度增加沉淀池的堰口水位以上超高0.5m, 此空间作为磁过滤器冲洗高位水箱, 由阀门自动控制沉淀池液位和磁过滤器的冲洗。

(2) 磁过滤器选用:目前因大型号高梯度磁过滤器在加工大直径磁场线圈方面还有一定的技术难度, 因此对大规模工程一般不选用磁过滤单元, 单独选用磁加载沉淀, 对其出水挟带的磁絮体, 一般采取降低表面负荷和堰口流速措施, 达到提高出水水质和磁种回收率的目标, 但是磁过滤器对污水中部分有很强的磁力吸着作用的有机物和颗粒没有效果。本工程规模较小, 磁过滤器技术成熟, 占地紧凑, 另外对出水水质要求较高, 选用高梯度磁过滤器作为对出水质和磁种回收的保障。

(3) 磁种规格选择:磁种的回收率除与沉淀池的表面负荷、堰口负荷、污泥剥离器的性能、磁鼓的性能、磁过滤器的性能有关外, 还与磁种的品质、粒径级配有关。磁种品质主要体现在含Fe量, 品质好含Fe量高, 其中含非磁性物质量低, 磁种回收率相应高, 选用磁种含Fe量>70%, 否则就会影响磁种的回收率。磁种粒径级配经中试需多种粒径结合目数60～100占比过大, 影响絮凝效果, 目数200及以上占比过大, 影响回收率, 目前选用较好磁种粒径级配见表2。

磁加载沉淀-磁过滤系统工艺流程和水力高程见图1。

(1) 一、二级反应池的HRT均为2.8 min;封闭反应池底部方形死角, 避免大量的磁种沉积在死角区;FeCl₃投加量70～100mg/L;PAM投加量为1mg/L。

(2) 高效沉淀池表面负荷17.8m³/ (m²·h) , 高峰时25.5m³/ (m²·h) , 集水堰的堰口负荷≤5L/ (m·s) ;磁泥回流比15%;作为磁过滤器冲洗水箱的超高为0.5m。

(3) 磁过滤器过流直径1.75 m, 运行功率8.6kW, 磁场强度≥1 000 GS, 两相直流, 电压60V, 第三相380V用于线圈降温风机, 磁过滤器的反冲洗频率为3～4次/h, 单次冲洗时间5～10s, 单次冲洗水量13.5m³。

(4) 磁鼓磁场强度3 500～5 000Gs;磁种投加量按照设备总水容量计约5～8kg/m³, 按照运行进水量计约3kg/m³, 磁种的回收率>99.5%。

磁加载沉淀-磁过滤系统的主要加工池体和设备选型见表3和表4。

通过单日多时段和多日定时段2种运行数据进行统计, 分析磁加载沉淀-磁过滤在混合市政污水深度处理中的运行效果。

单日多时段进出水水质数据见表5。

从表5可见, 磁加载沉淀-磁过滤系统对混合市政污水处理厂二级出水的高磷指标有良好的去除效果, 单日平均进水TP 8.67mg/L, 平均出水TP 0.19mg/L, 平均去除率97.90%;在进水TP上下波动幅度达4.26mg/L时, 出水TP上下波动幅度却保持在0.34mg/L范围以内, 并且全部在0.5mg/L以得下, 满足GB 18918-2002一级A的标准。

从表5可见, 磁加载沉淀-磁过滤系统可有效去除混合市政污水处理厂二级出水的COD, 单日平均进水COD 16.95mg/L, 平均出水COD 8.28mg/L, 平均去除率49.61%;在进水COD上下波动幅度达25.87mg/L时, 出水COD上下波动幅度却保持在9.35mg/L范围以内, 且全天出水COD均小于20mg/L。

磁加载沉淀-磁过滤系统对混合市政污水处理厂二级出水的SS有良好的去除效果, 单日平均进水SS为19.75mg/L, 平均出水SS 4.70mg/L, 平均去除率76.49%;在进水SS上下波动幅度达10.31mg/L时, 出水SS上下波动幅度保持在5.02mg/L范围以内, 并且全部在除5:00数据外, 均小于5mg/L以下。

磁加载沉淀-磁过滤系统可大幅度去除混合市政污水处理厂二级出水的浊度, 平均进水浊度3.14NTU, 日均出水浊度0.79NTU, 日均去除率72.67%;在进水浊度波动幅度达2.26NTU时, 出水浊度波动幅度却保持在0.73NTU以内。

多日定时段进出水水质数据见表6。

从表6可见, 磁加载沉淀-磁过滤系统对混合市政污水处理厂二级出水的高磷指标有良好的去除效果, 日进水平均值TP 12.69 mg/L, 日均出水平均值TP 0.37mg/L, 去除率平均值为97.22%;9天内进水TP上下波动幅度达9.67mg/L, 出水TP上下波动幅度在0.92mg/L以内, 仅有1天出水TP高于0.5mg/L, 其余全部在0.5 mg/L以下, 满足GB 18918-2002一级A的标准。

磁加载沉淀-磁过滤系统可有效去除混合市政污水处理厂二级出水的COD, 日进水平均值COD22.61 mg/L, 日出水平均值COD 10.53 mg/L, 去除率平均值为49.88%;9天内进水COD上下波动幅度达41.9 mg/L, 出水COD上下波动幅度在14.58 mg/L以内, 且全天出水COD均小于20mg/L。

磁加载沉淀-磁过滤系统对混合市政污水处理厂二级出水的SS有良好的去除效果, 日进水平均值SS 21.41mg/L, 日出水平均值SS 4.98mg/L, 去除率平均值为76.31%;9天内进水SS上下波动幅度达14.46mg/L, 出水SS上下波动幅度在2.03mg/L以内, 出水SS均值小于5mg/L。

磁加载沉淀-磁过滤系统可大幅度去除混合市政污水处理厂二级出水的浊度, 日进水平均值浊度3.51NTU, 日出水平均值浊度0.62NTU, 去除率平均值为81.75%;9d内进水浊度波动幅度达1.26NTU, 出水浊度波动幅度在0.92NTU以内。

(1) 磁加载沉淀-磁过滤工艺在北京某高磷混合市政污水深度处理工程中应用成功, 混合市政污水特殊指标TP<0.5mg/L, 满足GB 18918-2002一级A的排放和回用标准, 市政污水深度处理主要指标COD<20mg/L、SS均值<5mg/L, 再生水回用重要指标浊度<1NTU, 达到了《生活饮用水卫生标准》浊度限值。

(2) 采用四格并联去掉隔板, 且增加超高空间作为磁过滤器冲洗高位水箱的竖流式高效沉淀池, 实际运行效果良好。

(3) 选用磁过滤器, 既提高沉淀池的表面负荷和出水TP、SS水质, 又保障磁种的回收率, 据一个周统计, 从磁过滤器冲洗水回流到反应池的磁种平均约2～2.5kg/d, 实际运行效果良好。

(4) 采用高品质磁种运行, 系统回收磁种效果良好, 据1个月统计, 系统补充磁种平均约4～5kg/d, 达到磁种回收率>99.5%的目标。

(5) 该项目运行2年多后因进一步提高水质后续增加双膜过滤工艺而暂时停运, 原因是磁加载沉淀-磁过滤系统投加絮凝剂FeCl₃量较大, 出水铁略高于深度处理进水, 估计会对膜造成一定程度的污染;磁加载沉淀-磁过滤系统出水残存微量的多棱角磁种, 预计会对膜造成伤害;另外流失于污泥中磁种对离心脱水机、污泥泵等有一定的磨损。因此在成功应用磁加载沉淀-磁过滤工艺的同时, 需进一步探讨流失磁种以及其他物质对后续工艺和污泥处理造成的负面影响。