磁絮凝-水平管沉淀一体化工艺处理疏浚余水：卧龙湖环境修复的创新研究

《Environmental Science: Advances》：Integrated magnetic flocculation-horizontal tube sedimentation process for treating dredging residual water: environmental restoration of Wolong Lake

本文综述了磁絮凝-水平管沉淀一体化工艺在疏浚余水处理中的应用研究，重点探讨了聚合氯化铝（PAC）、磁性粉末和聚丙烯酰胺（PAM）的最佳投加条件及顺序优化。通过单因素实验和响应面法分析，确定了PAC（57 mg L?1）、磁性粉末（102 mg L?1）和PAM（1.0 mg L?1）的最佳配比，实现了悬浮固体（SS）、化学需氧量（COD）和总磷（TP）的高效去除（分别达93.1%、71.2%和91.2%）。计算流体动力学（CFD）模拟验证了设备运行的合理性，为湖泊内源污染治理提供了技术支撑。

　　

引言

疏浚工程是湖泊生态治理的重要措施，但会产生大量富含重金属的疏浚余水，易造成二次污染。传统物理化学处理方法存在占地面积大、效率低等局限性。磁絮凝技术通过引入磁性材料强化絮凝过程，具有效率高、成本低、抗冲击负荷强等优势。水平管沉淀池以其高沉降效率和适应性广的特点，可与磁絮凝技术形成互补。本研究针对卧龙湖湿地疏浚余水的污染特性，开发了磁絮凝-水平管沉淀一体化设备，旨在通过优化药剂投加参数和水力条件，实现余水的高效净化，为湖泊内源污染控制提供技术方案。

材料与方法

实验以卧龙湖环保疏浚区的底泥余水为对象，其基本水质参数为pH 7–8、COD 50–70 mg L^?1、TP 0.2–0.4 mg L^?1、氨氮（NH₃-N）1.1–1.3 mg L^?1、SS 150–170 mg L^?1。选用聚合氯化铝（PAC）、聚合硫酸铁（PFS）、三氯化铁（FeCl₃）和硫酸铝（Al₂(SO₄)₃）四种常用无机絮凝剂进行单因素实验，探究其最佳投加量。磁性粉末主要成分为Fe₃O₄，纯度≥97%。通过单因素实验和正交分析，系统考察磁性粉末投加量、粒径、PAM投加量及水力搅拌条件对污染物去除效果的影响，并采用响应面法优化关键参数。

结果与讨论

不同絮凝剂对疏浚余水的最佳处理效果

对比四种絮凝剂在各自最佳投加量下的处理效果发现，PAC在60 mg L^?1时综合性能最优，对SS、COD、TP和NH₃-N的去除率分别为（81.37 ± 1.66）%、（44.65 ± 2.31）%、（76.48 ± 1.08）%和（17.64 ± 0.85）%。PAC絮凝过程中产生的污泥量较少，有利于降低后续处理成本。

磁絮凝实验优化

磁性粉末的投加显著提升了污染物去除效率。当投加量为100 mg L^?1时，COD去除率从无磁性粉末时的44.56%提升至62.83%，SS去除率达87.25%。磁性粉末粒径为45 μm时，絮凝效果最佳，过小或过大的粒径均会影响絮体稳定性。PAM作为助凝剂，在1 mg L^?1时对COD、SS和TP的去除促进效果最显著，但过量投加会因残留PAM增加水体COD负荷。药剂投加顺序实验表明，"磁性粉末→PAC→PAM"的序列能充分发挥磁性材料的物理吸附和絮凝协同作用，形成结构稳定的磁核絮体。

水力条件优化显示，快速搅拌速度（300 r min^?1）和慢速搅拌时间（4 min）对污染物去除影响最为显著。响应面分析进一步验证了PAC、磁性粉末和PAM三者间的交互作用，最终确定最佳投加量为PAC 57 mg L^?1、磁性粉末102 mg L^?1、PAM 1.0 mg L^?1，此时COD、SS、TP和NH₃-N的去除率分别达到71.2%、93.1%、91.2%和21.2%。

一体化设备实际运行效果

设计的磁絮凝-水平管沉淀一体化装置包括絮凝区和沉淀区，水平管沉淀部分采用菱形管道结构，有效缩短污泥滑移距离。在4 m³h^?1、6 m³h^?1和8 m³h^?1的进水流量下连续运行30天，结果显示：在6 m³h^?1（溢流负荷15.5 m³(m^?2h^?1)）时，设备对SS、TP和COD的去除效果稳定，出水浓度满足《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）限值要求。但当流量增至8 m³h^?1时，因水力停留时间缩短，污染物去除率明显下降。

计算流体动力学模拟验证

通过CFD模拟分析设备内部流场特性，发现进水速度增至0.088 m s^?1时，设备内平均湍动能和湍流耗散率显著升高，流场复杂性增加，不利于杂质沉降。压力分布模拟表明，高进口速度下设备内部出现明显压力梯度，可能影响结构稳定性。杂质分布模拟进一步证实，低流速（0.022 m s^?1）条件下杂质沉降效果更佳。

结论

磁絮凝-水平管沉淀一体化工艺通过优化药剂配比和操作参数，可高效去除卧龙湖疏浚余水中的SS、TP和COD，且设备运行稳定。CFD模拟为设备设计提供了理论依据。该技术为湖泊内源污染治理提供了高效、集约化的解决方案，具有显著的环境效益。未来研究可聚焦磁性粉末回收机制、工艺适应性拓展及智能化控制策略优化，推动该技术在更广泛水域环境工程中的应用。