景观水体超磁分离处理系统设计

2010年全国给水排水技术信息网年会论文集景观水体超磁分离处理系统设计李志颖张统董春宏（总装备部工程设计研究总院，北京100028）摘要超磁分离技术具有处理效果好、停留时间短、运行费用低、占地面积小等优点；在景观水体水质改善中具有极大的技术优势。文中提出了超磁分离处理景观水体的设计依据，介绍了超磁分离工艺流程，详细分析了超磁分离处理景观水体的技术要求，提供了系统各个单元的设计参数，并提出了系统运行的控制要求，最后探讨了在磁分离净化景观水体中需要继续深入研究的问题。关键词景观水体磁分离磁回收1概述超磁分离技术作为新兴水处理技术，近年来在国内外开始发展并广泛开展研究。该技术是借助外加高梯度磁场以磁力将水中形成的磁性絮团分离出水体的物化处理技术。近年来，广大学者在钢铁废水、屠宰废水、采油废水、纸浆厂废水、食品废水、景观水体等水体处理方面进行了一定的研究，结果表明，超磁分离技术处理高悬浮物、高浊度废水有其独特的优势，并取得了良好的处理效果，与沉淀、过滤等常规方法相比，具有效率高、运行费用低、占地面积小、排污率低等优点。然而，除了钢铁行业，上述多数研究都处于试验阶段，真正将成套设备应用于实际工程中的，在其他水处理行业十分少见。其原因一方面是受原材料价格的影响，单一磁分离设备价格高于传统工艺设备，且磁分离在水处理行业属于新技术，推广需要一定时间；另一方面磁分离成套设备属于非标专利产品，具备该设备生产能力的只有少数几家，而设备生产厂家的研发是从设备本身出发，缺乏系统的水处理知识背景，对行业和废水特点缺乏足够的了解，不具备系统集成的能力，需要专业设计人员根据水体特点选择详细设备参数并对附属构筑物进行设计计算，而磁分离技术目前缺乏设计规范指导，设计人员只能由自身专业背景根据经验进行设计计算，因而目前为止仍没有得到广泛的工程应用。景观水体水质改善是当前研究的热点和难点，目前主要有两种方式，一种是以生态措施为主的原位生态修复技术；另一种是以物化或人工湿地为主的体外循环净化技术。原位生态修复指采用曝气充氧、种植水生植物、生态衬底和护岸、人工填料等置于水体内的技术措施，增强水体的自净能力，逐步降低水体中的污染物浓度，提升水质，其目标主要是去除水体中的营养性污染物，控制水体的污染物浓度在较低水平。生态措施使污染物在水体中发生转化和转移，并没有昀终从系统中去除，需要通过人工收割植物、清淤等措施将污染物从水环境中排出。体外循环净化多采用人工湿地、超磁分离、混凝过滤或加药气浮工艺，将水体从景观水体的一端取出，经过处理后，从多点补入水体的相对端，保持水体流动，在设计的停留时间内完成全部水体净化，其目标主要是去除水体中的悬浮物、藻类、磷酸盐等，兼顾水体清理和水质净化的功能，如图1所示。大型景观水体在无法得到足够清洁水源补充的情况下，基本的生态措施对水体水质的改善作用十分有限，循环净化必不可少。以下我们探讨超磁分离净化技术作为景观水体循环净化措施的设计。2设计依据天然景观水体之所以有相对较好的水质，清洁的补充水源是关键，“问渠哪得清如许，唯有源头活水来”，“流水不腐，户枢不蠹”，山涧小溪经常性清澈透明，皆因清洁水源不断的补充和置换。随着水价上涨及相应节水规范的出台，采用自来水补充景观水体的运行成本逐年提高，而且也逐渐被禁止，运营者大多采用再生水或净化后的雨水补充水体损失，再生水作为景观环境用水不同于天然景观水体（GB3838-2002《地表水环境质量标准》中的Ⅴ类水域），随着时间的推移，水体将逐步被再生水替代；而天然景观水体只接受少量的污水，其污染物本底值很低，水体的稀释自净能力较强。一般情况下，水体的自然损失很少，补水水量相对水体容量来说量很小，不能起到对水体的置换作用，也无法对水质改善起到实质性作用，仅能维持水体水量平衡。因此，要想维持景观水体的良好效果，水体自身循2702010年全国给水排水技术信息网年会论文集N、COD、P藻类、水生植物、底泥景观水体物化措施人工清理死亡生态措施污泥排出系统生物体排出系统N、COD、P藻类、水生植物、底泥景观水体物化措施人工清理死亡生态措施污泥排出系统生物体排出系统图1景观水体改善示意图环净化显得尤为重要，即用源源不断的清洁水体进行置换。景观水体环境条件差异大，土壤状况、气候条件、降雨量、补水水质等条件各不相同，目前没有专门的设计规范，如何确定景观水体循环水量无规范遵循。根据《城市污水再生利用景观环境用水水质标准》（GB/T18921-2002）的相关规定，结合在实际工程设计和运行中的经验，当使用再生水作为景观水系补水或景观水体全部采用再生水时应遵循以下依据。（1）再生水水源宜优先选用优质杂排水或生活污水；（2）当完全使用再生水时，景观河道类水体的水力停留时间宜在5天以内；（3）完全使用再生水景观湖泊类水体，在水温超过25℃时，其水体静止停留时间不宜超过3天；而在水温不超过25℃时，则可适当延长水体静止停留时间，冬季可延长水体静止停留时间至一个月左右；（4）当加设表曝类装置增强水体扰动时，可酌情延长河道类水体水力停留时间和湖泊类水体静止停留时间；（5）流动方式宜采用低进高出；（6）应充分注意水体底泥淤积情况，进行季节性或定期清淤。在景观水体中，COD、N、P等污染物和藻类的转化在水体中是不可避免的，《城市污水再生利用景观环境用水水质标准》（GB/T18921-2002）作为再生水利用的推荐规范，以考虑美学价值及人的感官接受能力为主，在控制措施上以增强水体的自净能力为主导思想，强调的是采用置换的方式保持景观水体功能。循环净化从节水的角度出发，以循环净化出水替代置换水体，关键水质指标优于水体本身，而且有效推动水体流动，水力停留时间可适当延长。3主要设计参数3.1设计进水水质地表水环境质量标准（GB3838-2002）对作为景观功能水体的水质做出了相关规定，主要指标准中的Ⅳ类和Ⅴ类水体。表1地表水环境质量标准Ⅳ类、Ⅴ类水体部分基本项目标准限值（单位：mg/L）序号项目Ⅳ类Ⅴ类1pH值（无量纲）6~92溶解氧≥323高锰酸盐指数≤10154化学需氧量（COD）≤30405生化需氧量（BOD5）≤6106氨氮（NH3-N）≤1.52.07总磷（以P计）≤0.3（湖、库0.1）0.4（湖、库0.2）8总氮（湖、库，以N计）≤1.52.0注：Ⅳ类：主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区；Ⅴ类：主要适用于农业用水区及一般景观要求水域。景观水体相对于地表Ⅴ类水体，由于污染物的积累及藻类的繁殖，具有高藻浓度、高悬浮物、高COD等特点。表2列出了北京某花园别墅景观水体和青年湖公园水体水质，目前某花园别墅水体全部采用市政中水，青年湖公园采用自来水补充，生态措施比较完善，都没有循环净化措施。3.2处理要求藻类的生长是影响水体景观效果的主要因素，2712010年全国给水排水技术信息网年会论文集表2北京部分景观水体水质编号项目pHCOD/mg/LTN/mg/LTP/mg/L藻浓度/104/MLSS/mg/L色度/度监测时间1青年湖公园9.33751.180.1312.5//7.282某花园别墅7.5584.260.20/50509.14注：“/”表示未监测。图2北京某花园别墅景观水体图3北京青年湖公园景观水体景观水体中藻类的生长是一个多因素综合作用的过程，其影响因子主要可分为营养因子、生态因子和地形因子，包括光照、水温、溶解氧、pH值及氮磷营养盐含量等因素。考虑到景观水体一旦建成，水力条件和环境条件很难进行人为干预，营养因子是关键可控因素。研究表明，藻类等水生生物对磷更为敏感，水体中磷的浓度在0.02mg/L以上时，对水体的富营养化就起明显的促进作用，控制磷的浓度，比控制氮的浓度更有实际意义。磷是富营养化的关键因素，这也从客观上说明了要控制水体藻类的生长，必须从控制磷的浓度入手。景观水体中磷有以下几个来源：补充水源、地表径流、底泥释放、生物体转化。但是要想抑制藻类的生长，磷的浓度要求达到0.02mg/L以下（地表水Ⅰ类水体要求），在目前的各类景观水体是难以实现的，因此景观水体要想完全控制藻类生长是不现实的，只能在降低水体中磷的浓度的同时，通过措施将藻类的浓度控制在一定的范围内。磁分离工艺属于物化处理技术，其目的是降低水体中悬浮物、藻类和磷酸盐浓度，消除影响水体景观效果和水质的关键因素，减轻水体发生富营养化的程度。超磁分离出水水质能够有效控制，通常情况下，出水SS浓度能够控制在10mg/L以下；TP浓度控制在0.2mg/L以下；藻类浓度控制在0.2×104个/mL以下。由于影响景观水体水质的因素很多，具有很多不确定性，难以对处理后水体的整体水质定量说明。长期运行条件下，从水体效果上来讲，水体不发生大面积蓝藻爆发，透明度可提高至50cm。3.3工艺设计3.3.1工艺流程图4超磁分离水体净化技术工艺流程图景观水通过水泵提升至混凝反应池，与一定浓度磁粉均匀混合，在混凝剂和助凝剂作用下，完成磁粉与非磁性悬浮物的结合，形成以磁粉为“核”的微磁絮团；混凝反应池出水流入超磁分离设备，在高强度磁场作用下，磁性微絮团吸附在磁盘上，磁盘在旋转过程中絮团被带出水面，通过位于水面之上的刮渣条将吸附的絮团从磁盘上刮离，实现微磁絮团与水体的分离，出水返回景观水体；由磁盘打捞出来的微磁絮团经磁回收系统实现磁粉和非磁性污泥的分离，磁粉循环使用，污泥进入污泥池，处理或外运。3.3.2进出水设计2722010年全国给水排水技术信息网年会论文集景观水体的循环净化措施应与景观园林同时规划、同时建设、同时投入运行，在规划中预留构筑物或设备位置，避免二次建设对整体环境的破坏。现实中往往为了整体效果的协调，需要将循环净化措施建设于自然地坪以下，或者隐蔽于人工假山、瀑布之内，因此需要合理布置进出水设备和构筑物。磁分离净化设备在开放无压的条件下运行，设备进口无压力要求，保证水体能够进入设备即可。进水方式可采用水泵提升或自流，排水一般需要通过水泵提升回流。自流进水流量会随着水体水位的变化出现流量波动，不能准确对应药剂投加量，造成药剂投加不够或投加过量，影响处理效果；如遇到回水泵和前端进水阀门同时故障情况下，存在设备间被水淹的可能。因此，进水方式尽可能采用水泵提升进水，当然弊端是将会增加系统的运行能耗。设备间位于人工假山、瀑布等景观之内，且磁分离设备出水口高度位于景观水体溢流液位之上，能够有足够的高程保证出水自流返回景观水体，则可仅采用一级提升实现循环和净化。设备间位于自然地坪以下的情况，需要在设备间设置缓冲水池，根据相应规范，容积不应小于设计流量5min的储水量，并设置液位计，通过液位控制水泵的运行。由于景观水体的水质变化具有明显的季节性特征，循环净化处理量应考虑能够随季节变化调节处理量，进、出水水泵采用至少两台同时运行，并考虑备用，为维持进出水量平衡，其中至少一台进水泵应考虑设置变频运行。3.3.2混凝反应设计（1）停留时间磁分离设备的分离方式不同于沉淀池，无需形成大颗粒的密实絮体，属于微絮凝技术，其混凝反应停留时间约3min，同时投加混凝剂和助凝剂，前段投加混凝剂，通常为聚合氯化铝（PAC）或硫酸铝，反应时间1min，后段投加助凝剂，通常为聚丙烯酰胺（PAM），反应时间2min。（2）药剂投加设计混凝剂和助凝剂采用隔膜或柱塞计量泵以溶液的形式定比自动投加，不同景观水体药剂投加量需要根据混凝试验确定，在缺乏混凝试验资料时，混凝剂的投加量一般采用10mg/L~15mg/L，助凝剂投加量为1mg/L~2mg/L。混凝剂配置浓度一般为5%~10%，助凝剂配制浓度一般为0.5‰~1‰。混凝剂需要定期配置，溶药池容积保证每天溶药次数不多于两次，储药箱容积至少保证每天24小时连续运行所需的药剂量；助凝剂溶解需要较长的时间，特别是在冬季气温较低的情况下，但不易吸潮，目前大型水处理或污泥处理均采用自动溶解投加一体机，极大的减轻了劳动强度。（3）混凝工艺设计在分析超磁分离设备工艺的基础上，选择机械混合，用电动机驱动搅拌器，使水和药剂混合。机械搅拌机一般采用立式安装，搅拌机轴中心适当偏离混合池的