磁加载混凝澄清系统主要包括磁絮凝反应系统、高效澄清系统、药剂投加系统和磁粉回收系统。主要工艺流程见图1。

　　 与常规混凝沉淀对照, 磁加载混凝澄清技术具有如下特点:①沉淀速度快, 表面负荷高, 占地面积小;②对以胶体和悬浮物存在的污染物质具有更好的去除效果;③对有机磷去除效果更好, 可实现深度除磷;④可明显降低絮凝剂的投加量, 进而节省运行成本, 降低残留化学品对水环境的危害;⑤产生的化学污泥浓度含水率更低, 降低后续污泥处理费用;⑥可通过一体化、集约化设计实现撬装式、移动式或车载式集成装备。

　　 加载磁粉后主要通过以下几个方面强化混凝沉淀效果:①增大了水中固体颗粒的数量和碰撞机会, 具有更高的GT值, 有利于絮体成型;②以磁粉为核心的絮体表面Zeta电位更低, 电中和能力更强, 更有利于去除以胶体形式存在的污染物;③以磁粉为中心形成高密度絮体具有更好的沉淀性能;④磁粉表面的微磁场的存在, 对部分有机物 (如有机磷) 的去除具有催化作用。

　　 颗粒物的粒径决定比表面积的大小, 即磁性颗粒与污染物的接触面积, 直接影响磁粉对污染物的吸附能力;同时过大的粒径会导致其在发挥吸附、絮凝能力之前, 在重力作用下提前沉降, 从而影响助沉效果;粒径太小, 会导致回收率降低, 流失损耗量大。目前工程上常用的磁粉规格为200～400目, 磁粉规格的选择与混合絮凝池的搅拌强度、停留时间有关, 与采用的磁分离设备的形式和效率有关。针对具体的水质和混凝控制参数, 最好通过小试选择最优的颗粒规格。

　　 在一定范围内提高磁粉的投加量, 增大颗粒的比表面积, 同时加大了絮凝剂及污染物与磁粉的碰撞概率, 从而强化了混凝效果;投加量过大时磁粉之间以及磁粉与其他固体颗粒之间碰撞产生的漩涡离心力会破坏絮体结构的形成, 进而弱化混凝效果。一般情况下针对特定的水质, 磁粉在混凝阶段的保有量按照投加絮凝剂以后整体悬浮物浓度的3～5倍考虑。

　　 磁粉的流失量与磁粉的粒径、磁粉纯度和磁分离机的回收率有关, 需要根据流失量确定补充量, 直接影响运行成本。目前磁分离机的回收率一般能够控制在99.5%左右, 在选择磁粉颗粒合适、纯度较高的情况下, 折算到吨水损失量可以控制在8 mg/L以下。

　　 磁混凝澄清池在混合絮凝阶段需要投加混凝剂、助凝剂以及回流液中的磁粉和化学污泥。混凝池一般分为3～4格, 第一格投加混凝剂, 通过高强度搅拌实现混凝剂与污染物的充分接触;混合液在第二格内与外加磁粉、回流磁粉以及回流污泥通过适度搅拌实现高效絮凝;絮凝以后的混合液进入第三格, 投加PAM后形成较大的絮体颗粒, 经第四格强化接触絮凝后进入后续澄清池沉淀。由于磁粉的投加, 混合絮凝时间由原来的20 min左右降至8 min以下, 沉淀池停留时间降低至15 min以下, 大幅度提高了沉淀池的表面负荷, 节省了工程占地。

　　 由于混合絮凝池中的磁粉保有量较大, 混合液的整体密度较大, 需要较大的搅拌功率。搅拌桨叶需要采用较为特殊的流线型设计, 保障含有磁粉的絮凝团处于悬浮状态而不被打散。一般情况下一、二级混凝池搅拌速度控制在200～300 r/min, 三、四级搅拌速度控制在80 r/min左右, 控制转速跟磁粉保有量有关, 可采用手动调频电机控制。

　　 含有磁粉的污泥沉淀速度大幅度提高, 沉淀区底部为磁粉、混凝剂、助凝剂以及污水中的悬浮物和胶体形成的混合物, 粘度高、密度大。底部刮板需要具有独特的布置形式和倾斜角度, 保障污泥全部刮到泥斗中。由于底部污泥与常规混凝沉淀差别较大以及刮板设计的特殊性, 需要配套较大功率的旋转电机, 对旋转部件的扭矩和挠度提出了更高的要求。

　　 磁混凝澄清工艺产生的化学污泥中含有大量的磁粉, 化学污泥首先进入高剪机 (高速剪切解絮机) 将混凝絮体打碎, 通过特殊的流道设计和高速旋转设备产生高强度剪切力, 使磁粉与絮体分离, 然后通过磁分离机实现磁粉的回收和循环利用。一般情况下高剪机采用阿基米德螺旋线刀盘结构, 剪切刀盘和破碎轮均为高强耐磨合金材质, 具有剪切和破碎离散双重作用, 确保磁泥剪碎离散充分。性能良好的剪切机具有低转速、低噪音、寿命长、剪切碎泥能力强的特点。

　　 磁分离机是实现磁粉高效回收的关键设备, 水处理行业常用转鼓式永磁分离器, 磁源多为由铁基、镍基、钴基以及稀有金属基的铁磁质制备而成, 产生的磁场强度为500～5 000 Gs。磁分离机由固定的磁性和转动的非磁性圆筒构成, 含有磁粉的化学污泥经过高剪机解絮后进入分离器, 固定磁极将磁粉吸出并附着在滚筒表面, 通过滚筒旋转实现与非磁性物质的分离。磁粉回收率是衡量磁混凝澄清工艺优劣的关键指标, 形成的磁场强度及其衰减率是影响磁分离机性能的核心技术。

　　 沉淀池底部的化学污泥磁粉含量高、粘度大, 需要采用适合输送粘稠液体和含有硬质颗粒介质的水泵、阀门及配套管路, 对耐磨性能要求较高。

　　 水泵宜采用凸轮转子泵或立式渣浆泵。凸轮泵采用复合耐磨橡胶转子, 具有一定的自吸功能, 无需引流灌泵, 允许短时空转, 耐磨且不易堵塞。渣浆泵广泛应用于矿山、煤炭、冶金等行业, 可输送固态混合物质量浓度达到50%左右的浆液;可采用双泵壳结构, 泵体、泵盖带有可更换的耐磨金属内衬 (包括叶轮、护套、护板等) ;如采用单壳结构, 泵体、泵盖及叶轮需采用高铬耐磨合金材料制造。

　　 磁粉含量较高的回流污泥及回收污泥管路宜选用衬塑管材, 阀门通常为耐磨、耐腐蚀的箍断阀。

　　 由于磁粉密度远大于絮体污泥, 运行过程中容易在管道中沉积、板结, 尤其是污泥泵停止运行时, 需要对配套管路进行高压冲洗, 将残留磁粉冲洗至管道以外, 冲洗水压宜大于0.6 MPa。

　　 澄清池出水设施包括斜板或斜管、出水堰等。投加的磁粉中存在一些极小颗粒会随水流上升至斜管或斜板区域, 在斜向流上升时沉淀在斜管或斜板下部, 对斜板或斜管的强度要求较高, 所需的结构强度 (厚度) 较其他类型的澄清池大;磁混凝澄清池对密度小于水的漂浮物去除能力有限, 用于深度处理时池体表面会有部分碎屑滞留在水流较缓的角落附近, 宜采用三角堰出水, 使表层碎屑进入后续工艺, 从这个角度来看磁混凝澄清工艺后配套简单过滤系统是必要的。

　　 磁混凝工艺用于污水深度处理时, 水中营养物和色度较低、光照深度可以达到1.5 m左右, 澄清池表面水流较缓的死角区域容易出现藻类过度繁殖的情况, 影响视觉效果。在澄清池顶部覆盖拱形遮光盖板, 必要时在进水处投加少量次氯酸钠, 可有效遏制藻类滋生。

　　 浙南某污水处理厂提标扩建工程, 总规模25万m³/d, 出水水质按照一级A标准设计, 为节省占地, 深度处理系统采用磁混凝澄清池+纤维转盘过滤。

　　 该项目采用的磁混凝澄清工艺用于污水深度处理, 主要用于保障出水TP和SS指标达到一级A标准。设计进出水水质如下:进水SS 30 mg/L、出水10 mg/L, 进水TP 4.5 mg/L、出水0.5 mg/L。

　　 磁粉采用的是200～400目的Fe₃O₄颗粒, 池内保有量约为5 000 mg/L;混合区停留时间140 s, 第一反应区停留时间60 s, 第二反应区停留时间135 s;沉淀区最大表面负荷23.5 m³/ (m²·h) , 平均表面负荷18 m³/ (m²·h) ;混凝剂采用液体PAC (含量10%) , 投加量132 mg/L;助凝剂采用阴离子PAM, 投加量1.0 mg/L;磁粉补充量5 mg/L。

　　 为节省工程建设用地, 采用5组磁混凝澄清池, 一字形布置, 单组处理规模5万m³/d, 最高时处理水量2 708 m³/h。总占地面积1 613 m², 长63 m, 宽25.6 m, 池深6.8 m, 单个澄清池直径12 m, 具体布置见图2。

　　 该项目2017年7月底进入调试阶段, 根据实际处理水量, 磁混凝澄清池逐个投入运行, 最终处理规模达到20万m³/d, 4组运行, 1组备用, 单池处理水量达到设计规模。调试期间采用的是300目磁粉, 初次投加量为4 t, 每天补充量为200～300 kg, 折算消耗量为7～8 mg/L;运行期间PAC (10%含量液体) 投加量为45～90 mg/L;PAM投加量0.8～1.5 mg/L;混凝搅拌全部采用变频控制, 一级搅拌控制在50 Hz左右, 二级搅拌控制在40 Hz左右, 三级搅拌控制在30 Hz左右。调试期间重点监测了系统对SS、TP、COD、BOD、NH₃-N、TN等几项常规污染物指标实际处理效果。

　　 10月24日至11月22日, 对磁混凝澄清系统进出水SS指标进行了连续监测, 监测结果如图3所示。

　　 进水SS在10～20 mg/L, 平均值为16.3 mg/L;出水SS控制在4～8 mg/L, 平均值为5.8 mg/L, 稳定达到了GB 18918—2002一级A标准规定的10 mg/L以下, 去除总量10.5 mg/L, 去除率达到了64%。磁混凝澄清系统对悬浮物的去除效果能够满足深度处理要求。

　　 10月24日～11月22日, 对磁混凝澄清系统进出水TP指标进行了连续监测, 监测结果如图4所示。

　　 进水TP在0.8～1.4 mg/L, 平均值为1.1 mg/L;出水TP控制在0.05～0.28 mg/L, 平均值为0.18 mg/L, 去除总量0.92 mg/L, 去除率达到了84%。出水TP指标明显好于一级A标准, 且稳定达到了敏感区域执行的高排标准规定的0.3 mg/L以下。

　　 调试期间系统基本达到满负荷运行的一个月内, 对COD指标进行了5次监测, 时间间隔大约为1周, 监测结果如图5所示。

　　 进水COD在39～65 mg/L, 平均值为52.2 mg/L;出水COD控制在26～41 mg/L, 平均值为33 mg/L, 去除量约19.2 mg/L, 去除率达到了36.8%。出水COD指标能够稳定满足一级A排放标准要求。根据以前的研究结果, 二沉池出水中COD约80%以溶解态存在, 其余以悬浮和胶体形式存在。试验结果显示对溶解性COD去除率明显好于常规混凝沉淀, 可能与水中COD组分、絮凝剂过量投加以及磁粉投加有关, 去除机理有待进一步深入研究。

　　 调试期间对BOD₅指标进行了5次监测, 时间间隔大约为1周, 监测结果如图6所示。

　　 进水BOD₅在15～26 mg/L, 平均值为21 mg/L;出水BOD₅控制在4.4～10 mg/L, 平均值为7 mg/L, BOD₅指标能够满足一级A排放标准要求。BOD₅去除量为14 mg/L左右, 约占COD去除量的60%, 说明前序生物处理还有进一步提升的空间, 与调试期间生物处理工序超负荷运行的实际情况基本吻合。磁混凝澄清工艺对BOD₅的去除效果尚需更多的实践验证。

　　 调试期间对NH₃-N指标进行了5次监测, 时间间隔大约为1周, 监测结果如图7所示。

　　 进出水NH₃-N浓度均小于2.5 mg/L, 能够满足一级A排放标准要求, 说明前续生物处理硝化效果较好, 曝气充分。磁混凝工序对NH₃-N的去除效果不明显, 说明二沉池出水中的氨氮大多数以溶解态形式存在, 采用强化混凝沉淀很难达到进一步去除的效果。

　　 调试期间对TN指标进行了5次监测, 时间间隔大约为1周, 监测结果如图8所示。

　　 系统对TN的基本没有去除效果, 结合进水氨氮的数据, 说明生物系统硝化效果较好, 大部分TN以硝态氮的形式存在, 磁混凝澄清池对以离子形式存在的硝态氮没有去除效果。同时也说明前续生物处理系统反硝化效果较差, 与调试过程中生物处理系统的超负荷运行和没有足量投加商品碳源有关。

　　 调试期间磁混凝澄清系统4组运行, 总处理规模在20万m³/d, 单组处理量基本达到满负荷。通过统计11月消耗的电费和药剂费折算处理成本, 不包含化学污泥脱水费用, 不包含人工成本、设备折旧和大修费用, 直接运行成本统计结果如表1所示。

　　 统计结果显示, 调试期间运行成本约0.11元/m³, 药剂费占绝大部分, 磁粉投加成本约0.015元/m³。

　　 (1) 磁混凝澄清技术用于污水深度处理, 针对SS、TP、COD 3项指标的去除效果较常规混凝沉淀具有明显优势, 特别适用于用地受限的污水提标改造或扩建工程。

　　 (2) 磁混凝澄清技术与粉碳吸附、芬顿及类芬顿系列工艺相结合, 可有效强化对难降解COD、重金属、有机磷和一些微量持久性有机物的去除能力, 是保障工业聚集区污水处理稳定达标排放的备选方案之一。

　　 (3) 磁混凝澄清技术用于城镇污水预处理, 实现碳氮 (磷) 高效分离, 是提高处理能力、降低运行成本的有效手段;与污泥厌氧消化工艺结合, 可大幅度提高污水处理的能源自给率;是推动实现水质永续、资源回收、能量自给、环境友好的污水处理概念厂的有效手段之一。