沉淀池出水中重介质粉残余量检测的创新实践

贾伯林　杨志宏

【摘 要】在水处理的混凝沉淀过程中加入惰性重介质粉微粒以加速混凝和沉淀过程的重介质混凝沉淀新技术正被越来越多的技术人员所接受，并开始应用于一些污水处理工程，特别是提标改造工程。重介质微粒具有粒径小、密度高、流动性差等特性，使得该技术应用之初不可避免地遇到了一些问题。对沉淀池出水中重介质粉残余量进行监测，可以有效指导重介质混凝沉淀系统的工艺运行（加藥量控制、运行负荷控制），并避免对后道工序的不良影响。文章介绍了实际应用时对沉淀池出水中重介质粉残余量检测的创新解决方案。

【关键词】重介质；磁铁矿粉；混凝沉淀；磁混凝；总磷；深度处理；残余；检测

1 重介质混凝沉淀技术背景

传统的混凝沉淀过程，是指水处理过程中在混凝剂（PAC、PAM）的作用下，水中不易沉淀的胶体和细微悬浮物凝聚成絮凝体，然后沉淀下来以分离除去的水处理方法。重介质混凝沉淀技术是指近年来正迅速得到发展的一种快速混凝沉淀新技术，这种技术由于其较小的土地占用面积、高效的除磷除SS和除COD效果，正逐步被越来越多的设计院、用户所接受。该技术在一定水力学条件下在常规投加混凝剂的同时投加微米级的惰性高密度软磁性微颗粒（即重介质粉）作为絮凝体的核以强化混凝沉淀效果，这样一方面可以使絮体更容易形成，另一方面使得在混凝沉淀池中形成的絮体浓度更大、密度更大而沉降更快。为了减少水处理过程中产生的污泥量，并尽量降低生产运行成本，重介质絮体在沉淀池中沉淀下来后，经过污泥回流泵输送到解絮机，再通过重介质粉回收机对解絮后的重介质粉进行回收，并循环使用。图1为PWT-DLCSTM重介质混凝沉淀技术示意图。

重介质混凝沉淀技术比传统的混凝沉淀技术拥有突出的优点，研究和运行数据表明：该水处理技术沉降速度快，抗负荷冲击能力强，处理效果好，总停留时间为20～30min，沉淀池表面负荷率可达20～60m3/m2h， SS、TP去除率可达85～99%，对COD去除率视其亲疏水性差异可达20～80%，土地占地面积比传统混凝沉淀工艺节省达20%以上，混凝剂投加量降低20%以上。目前，国内重介质混凝沉淀技术设备、材料、工艺等方面的专利已数以百计；正在设计、建设或已经建成且处理规模超过10000m3/d的重介质混凝沉淀水处理项目也已超过20个，如淮安某污水处理厂（上海市政院设计，80000m3/d）等，由华北市政院作为主编的工程建设行业标准《重介质混凝沉淀水处理技术规程》也已正式立项，并在紧锣密鼓地编写之中。

由于重介质粉的投加，重介质混凝沉淀技术在实际应用中拥有众多优点的同时也带来了大量的技术难点、问题。比如，重介质粉在大规模工业化生产过程中很难保证其粒径分布完全满足水处理工艺的要求，水处理过程中，重介质粉的粒径不能过大或过小，过小粒径的重介质粉极容易随水漂到后道工序，长期积累会严重影响后道工序设备的正常运转，而过大粒径的重介质粉则沉降速度过快，很容易堆积在混凝池底且增加搅拌机的负荷、增加回流泵和管路的磨损。目前，市场上鲜有相应的设备和技术来经济、有效地检测沉淀池出水中残余的重介质粉的含量情况，无法准确表征重介质粉微粒随水流漂到后道工序的程度和状况以便指导工艺设备的运行。

2 沉淀池出水中残余重介质粉的检测难点

所谓重介质，指的是密度大于水。目前重介质混凝沉淀技术的研究学者和污水处理厂用户正广泛采用的重介质粉其主要成分是磁铁矿粉（四氧化三铁，Fe3O4），真密度5.0g/cm3左右，黑色，粒径5～250微米。因此，该技术有时候也被称为磁混凝沉淀技术，所用的重介质粉也常被称作磁粉或磁种。

实际应用中，重介质混凝沉淀技术已经相对成熟，通过工艺控制，绝大多数重介质絮体都在沉淀池底部沉淀了下来，能够随水流上升到沉淀池上表面出水堰板的位置并漂流到后道工序的重介质粉相对而言是细之又细、少之又少。但该技术毕竟是刚刚开始推广的新技术，此前很少有人关注到沉淀池出水中残余重介质粉对后道工序的影响，更没有专门的、有效的测量仪器、设备或手段对其进行检测和表征。

重介质粉在被投加到反应池后，在混凝剂的作用下，正常情况下会与水中的胶体和细微悬浮物（污泥等）凝聚成絮凝体，而重介质粉是该絮体的核。

在实验室烧杯试验中，重介质粉絮体会在极短的时间内迅速沉淀下来，但是，在实际应用中，由于沉淀池都是上向流设计，向上的水流会对下降中的重介质粉絮体产生比烧杯试验中大得多的浮力，从而一方面会延长重介质粉絮体的沉淀速度，另一方面，当水流速度足够大时，絮体的重力小于水对絮体的浮力，重介质粉絮体就会不但无法沉降，反而会随水漂流向沉淀池的后道工序。当重介质粉粒径分布过宽时，过小粒径的重介质粉形成的絮体更容易随水漂走。

另一种情形则是，当水体中与重介质粉一同加入的混凝剂药量不足，抑或重介质粉被过量投加，抑或絮凝反应时间因各种原因而不足，使部分重介质粉在进入沉淀池时没有充分形成或根本就没有形成絮体，而上向水流速度又足够大时，重介质粉的重力小于水流对其的浮力，重介质粉也会像絮体一样漂流向沉淀池的后道工序。

不管是否形成了絮体，沉淀池出水中残余的、漂向后道工序的重介质粉（或其絮体）在日积月累之下都会对后道工序（如反硝化深床滤池、滤布滤池及相关管道、阀门等）产生一定程度的不利影响，并可能会给后道工序带来磨损、堵塞等一系列的问题，因此，必须采取措施对沉淀池出水中残留的重介质粉含量进行有效检测，以便指导重介质粉和混凝剂的投加（投加量）、控制系统运行负荷（进水流量等）等工作。

基于上述情形，可见，沉淀池的末端出水中残余重介质粉的检测难点在于：重介质粉及其絮体密度大、粒径极小且粒径分布范围宽、颗粒外形不一致、流动性差、在水中处于紊流状态且分布不均匀、水中含量较低、重介质粉与重介质粉絮体混杂存在等。

在线颗粒计数仪，可以实时检测水中颗粒粒径为1～750微米的固体颗粒，是最接近对沉淀池出水中残余重介质粉进行检测需求的仪器，但基于下列原因，该仪器很难在重介质混凝沉淀技术中推广使用：（1）颗粒计数仪的设计是用于清水环境，而目前为止，重介质混凝沉淀技术大多数用于污水处理厂，沉淀池的出水水质难以满足仪器的要求；（2）颗粒计数仪一般是光学分析原理，检测到的其实是通过光学传感器瞬时的、近似的颗粒外形尺寸和数量，而重介质微粒是不规则的固体颗粒，不是单一外形的固体颗粒，仅仅有各个粒径区间的颗粒数量还不足以充分表征重介质粉的残余量；（3）颗粒计数仪不能区分颗粒是重介质粉固体颗粒还是重介质粉絮体颗粒，不同性质的颗粒其质量差异较大；（4）颗粒计数仪的水样流速较低，通常设置为100～300ml/min，由于密度大、粒径小、流动性差的固有特点，重介质粉或其絮体在取样管路中极容易堵塞，仪器无法稳定运行；（5）重介质粉在工业化生产过程中粒径的分布较宽，颗粒计数仪提供的粒径分布区间通道数量有限，无法充分满足重介质粉粒径的不同分布区间和同一区间的数量范围。endprint

3 重介质粉检测的创新方法

实际上，作为重介质粉主要成分的磁铁矿粉这种材料本身并不具有磁性，只是在外加磁场的作用下才会被吸引才会有磁性，外加磁场一旦被撤去，磁铁矿粉随之又失去磁性，因此，重介质粉是一种软磁性材料，实际应用中重介质混凝沉淀技术也正是利用重介质粉的这一软磁特性通过外加强磁场的方式（永磁场、电磁场）对重介质粉进行回收、循环使用的。

同样，对沉淀池出水中残余的重介质粉进行检测，也可以创新地利用重介质粉这一软磁特性。

如图2所示是一种检测水中重介质粉含量的取样器的示意图，该取样器利用永磁铁对重介质粉的吸附作用来获取固定容积内水中的重介质粉，原理和结构简单，制作方便，成本低廉，可以非常轻松、经济地实现对沉淀池出水中残余的重介质粉含量情况进行取样，并根据取样结果方便地计算出重介质粉残余量的情况。该取样器的主要部件包括：取样舱、滑柱、永磁铁块、止滑块、减震块、把手等，取样舱为底端敞口的圆柱状壳体，壳体的上端均匀开设有若干排气孔，滑柱中空且内置可上下滑动的永磁铁块，滑柱上下端各设置减震塊，永磁铁块上下滑动时可以得到缓冲保护；滑柱上端的外侧套接铁质止滑块，用于临时阻止永磁铁块在滑柱内滑动；滑柱的上端设置有把手，以方便携带、操作和取样。永磁铁块在滑柱的空腔内滑行的最低点为取样舱的中间位置。

使用该取样器进行检测的方法包括以下步骤：（1）将取样器放入沉淀池内，使取样舱上端与沉淀池内的水面在同一水平面上（或水平面下某段距离），（2）快速晃动止滑块，使永磁铁块滑到滑柱的底部，取样舱内的重介质粉被永磁铁吸引，取样开始，取样时间为3～30s；（3）将取样器从沉淀池中取出，将取样器倒置或侧向晃动，使永磁铁块滑动到滑柱的上端位置，止滑块将永磁铁块吸住；（4）用清水将被吸附在滑柱表面的重介质粉及其絮体从滑柱上冲落到烧杯中；（5）将烧杯中的重介质粉收集起来，并用烘干机烘干，烘干温度为80～110℃；（6）称量烘干后的重介质粉；（7）计算水中重介质粉含量：取样获得的重介质粉的质量为m，取样舱的体积为v，则沉淀池出水中残余的重介质粉的含量为p=m/v。

重复上述方法，可以取样分析水面至水下任意深度重介质粉的含量情况。

4 结论

随着技术的进步，新工艺、新设备不断快速涌现，根据被检测对象的特性和工艺条件，检测方法和手段也应该不断创新，这样才能更好地为工艺服务，促进技术的进一步发展。

【参考文献】

[1]蒋海，安琳，欧芳.磁混凝沉淀技术在城市污水处理中的应用[J].市政技术，2012，1：108-113.endprint