磁絮凝技術(shù)在水處理中的應用與前景

龐治邦，姚吉倫，劉 波，周 振

(后勤工程學院 a.國防建筑規(guī)劃與環(huán)境工程系;b.國家救災應急裝備工程技術(shù)研究中心，重慶 401331)

磁絮凝技術(shù)是常規(guī)混凝與磁化技術(shù)的有機結(jié)合。該技術(shù)通過磁性接種，即投加磁粉，并投加混凝劑，使污染物與磁粉絮凝結(jié)合成一體，形成帶有磁性的絮凝體，從而使原本沒有磁性的污染物具有磁性，然后通過高梯度磁分離技術(shù)或自身的高效沉降，使具有磁性的絮凝體與水體分離，從而將污染物去除［1］。磁絮凝技術(shù)具有處理效果好、占地面積小、沉降性能好以及沉降污泥密實、含水率低等優(yōu)點。作為近幾年新興的水處理技術(shù)，磁絮凝工藝在給水處理和各類污、廢水處理中得到快速發(fā)展，并在工程實際中得到應用。本文就磁絮凝技術(shù)的作用機理和應用進行了研究，并分析了該技術(shù)的發(fā)展前景。

1 磁絮凝技術(shù)的作用機理

1.1 吸附作用

吸附劑是指能有效地從氣體或液體中吸附其中某些成分的固體物質(zhì)。吸附劑是否有吸附作用，要看“固－液”兩相的接觸角 θ。當0°＜θ＜90°時，吸附劑為親水性;當 90°＜θ＜180°時，吸附劑為親油性。在水中分散性良好的吸附劑對污染物有好的吸附作用。經(jīng)實驗測定:磁粉的接觸角為45.5°時屬于親水性物質(zhì)，對水溶性物質(zhì)具有吸附作用。故磁粉靠其較大的比表面積能吸附水中的懸浮物和膠態(tài)物質(zhì)。

1.2 增加碰撞機會

根據(jù)混凝動力學可知，當水中懸浮物濃度很低時，顆粒碰撞速率將大大減小，混凝效果差［2］，而擴散在水中的磁粉使水中懸浮顆粒增多，增加了膠體物質(zhì)碰撞的機會，并且磁粉產(chǎn)生的微弱磁場使磁粉周圍帶電膠體受到洛倫茲力的作用而運動，促進了懸浮物和膠體物質(zhì)的碰撞。這樣就使水中顆粒形成絮體的幾率更大，強化了絮凝效果［3－4］。

1.3 對ζ電位的影響

ζ電位是顆粒之間的相互排斥和吸引的強度的度量。ζ電位越高，說明水中膠體的分散系越穩(wěn)定。降低或消除膠粒的ζ電位能降低排斥能峰進而使膠體“脫穩(wěn)”。試驗結(jié)果表明:原水的ζ電位為11.7 mV，加入絮凝劑后為9.81 mV，加入磁粉后為8.7 mV。

1.4 “磁核”作用

加入水中的磁粉與水中的懸浮物結(jié)合，形成了以磁粉為核心的“磁性復合體”。這些“磁性復合體”在磁場力的作用下相互吸引，形成粒徑大、密實度高的絮體，且更耐水力剪力，不易破碎［5－6］。而且由于“磁性復合體”以磁粉為核心使絮體密度增大、沉降速度加快，從而使后續(xù)處理單元如沉淀池占地面積減小。

2 磁絮凝在水處理中的應用

2.1 市政污水

市政污水是造成水體污染的重要原因，其處理效果越來越受到人們重視。與傳統(tǒng)生物處理相比，投加混凝劑的化學強化一級處理具有自然條件約束少、占地省、流程短、處理速度快、基建與運行費用低、操作靈活等特點［7］。此外，磁絮凝技術(shù)還有簡單經(jīng)濟、能快速沉降和分離、污泥含水率低等優(yōu)點，故而成為極具競爭力的城市污水處理方法。表1列出了部分文獻中磁絮凝工藝處理市政污水的處理效果。

表1 磁絮凝工藝處理市政污水的處理效果

2.2 含磷廢水

飲用水中的磷主要通過與混凝劑形成沉淀以及與非溶解性的磷形成礬花而被去除［11］。當絮凝效果好時，大部分的磷可由絮凝沉淀去除。但是在常規(guī)絮凝除磷中，絮體一般較為松散，沉降性能差，處理構(gòu)筑物占地面積大且出水效果也不穩(wěn)定［12－14］。而磁絮凝能強化絮凝效果，使形成的絮體粒徑增大，密實度增加，易于沉降，從而加強系統(tǒng)對總磷的去除效果。表2列出了部分文獻中磁絮凝工藝進出水的總磷濃度。

2.3 含油廢水

磁粉本身對廢水中的油類和膠態(tài)物質(zhì)具有良好的吸附能力［15］。而絮凝劑能通過絮凝作用包裹油類物質(zhì)和其他懸浮物形成絮體從而使油水分離。王利平等［1］通過試驗發(fā)現(xiàn)絮凝劑與磁粉聯(lián)用處理含油廢水比單獨采用絮凝劑或磁粉效果要好，去除率提高了30% ～40%。姚曄棟等［16］通過實驗表明，當廢水含油量為120～700 mg/L，COD為2 100 mg/L時，利用高梯度磁分離法處理，可使油和COD的去除率均達到80%左右。

表2 含磷廢水的進出水總磷濃度

2.4 造紙廢水

造紙廢水中含有大量的纖維、色素和無機鹽，有機物濃度和濁度很高，BOD可達5～40 g/L。一般采用絮凝沉淀作為預處理工藝，然后進行生化處理和其他工藝處理，達標后排放。海南某造紙廠采用磁絮凝與磁分離工藝處理造紙廢水，情況見表3［12］。

表3 造紙廢水進出水CODCr情況

目前大多水廠采用常規(guī)混凝沉淀工藝，CODCr去除率僅為10%。由表3可知磁絮凝工藝可使去除率提高到30%左右，優(yōu)勢明顯。

2.5 焦化廢水

焦化廢水中不僅所含有的有機物濃度高，而且焦化廢水中的焦油會附著在菌膠團表面，抑制微生物的氧化作用，進而影響生化處理效果。所以在生化反應前進行預處理對處理焦化廢水是有效的。針對焦化廢水應用磁絮凝技術(shù)進行燒杯試驗，結(jié)果見表4［17］。

常規(guī)混凝對焦化廢水COD、濁度的去除率為55%和85%，磁絮凝技術(shù)能將去除率分別提高到63%和92%。

表4 焦化廢水進出水COD情況

2.6 重金屬廢水

重金屬行業(yè)產(chǎn)生的廢水對環(huán)境的污染極為嚴重，是工業(yè)廢水處理的一大難點。重金屬廢水的常規(guī)處理方法有化學沉淀法、氧化還原法、鐵氧體法、電解法、蒸發(fā)濃縮法、離子交換樹脂法等，但這些方法存在投資大、運行成本高等問題。通過對重金屬廢水的磁絮凝－大梯度磁濾工藝的處理試驗，證明了其處理的可行性與優(yōu)越性，結(jié)果見表5。

表5 重金屬廢水進出水離子濃度

磁絮凝－大梯度磁濾工藝對鐵、銅、鉛離子有較好的去除效果，但對錳、鋅離子去除效果不明顯。

3 發(fā)展前景

1)磁絮凝技術(shù)的應用范圍不斷擴大，其處理對象也由磁性污染物拓展到非磁性污染物。不僅用于處理市政污水、含磷廢水、含油廢水、造紙廢水等，而且近些年來磁絮凝技術(shù)也開始在給水處理領(lǐng)域得到應用。由于其具有工藝簡單、易于操作管理等特點，出現(xiàn)了加載磁絮凝技術(shù)的可移動式一體化凈水裝備，取得了良好的凈水效果。

2)磁絮凝工藝中加載的磁粉的性質(zhì)和價格成為影響該技術(shù)廣泛應用的重要因素之一。小粒徑的磁粉不僅可能具有超順磁性，而且受水力拖曳的力小，在水中分散得更為均勻，更易于與懸浮物發(fā)生有效碰撞。但由于其原料昂貴或加工難度大使其在實際應用中受到限制。此外，廉價磁粉的開發(fā)也成為解決這一問題的重要途徑。鄭學海等采用煉鋼廠排放的煙塵和氣溶膠凝聚物通過靜電除塵后制成“紅土”狀粉末。粉末顆粒以圓球形為主，粒徑大約為0.5 μm。該粉末投加磁粉后具有較好的分散性，價格僅為商品磁粉的1/20。經(jīng)過平行試驗表明廉價磁粉與商品磁粉在COD去除率、SS去除效果、投加量等方面均無差別。另外，磁絮凝反應裝置的開發(fā)和設計也大大強化了磁絮凝效果。這些都為磁絮凝技術(shù)的廣泛應用提供了經(jīng)濟和技術(shù)的保障。

3)在常規(guī)的磁絮凝工藝中，由于絮凝劑和磁粉分別進行投加，使影響因素較多，無法保證處理效果。因此，制備集磁性和絮凝特性于一體的磁性絮凝劑具有重要的意義。以聚丙烯酰胺和殼聚糖、濃硫酸、乙醇一丙酮等為改性劑，通過絮凝劑和磁粉表面復雜的相互作用(如吸附、包裹、化學鍵等作用)制備出磁性絮凝劑。試驗結(jié)果表明，磁性絮凝劑比常規(guī)絮凝劑具有更好的處理效果。

4)磁絮凝技術(shù)在廢水處理中可作為預處理工藝，降低水中膠體和懸浮物的濃度。后續(xù)采用生化工藝和其他系統(tǒng)工藝使廢水達到排放標準，同時也減輕了后續(xù)工藝的負荷。在給水處理領(lǐng)域，磁絮凝技術(shù)與膜過濾工藝的組合取得了很好的效果。尤其是與無機陶瓷膜的組合應用受到人們的重視。由于磁粉對設備的磨損使系統(tǒng)對設備材質(zhì)的選用要求更為嚴格。而無機陶瓷膜具有強度高、耐磨損的特性，可以滿足材質(zhì)的要求，保證了設備的長期穩(wěn)定運行。此外，磁絮凝工藝和膜過濾工藝均可用于高濃度污染物的去除，集成度高，便于自動化管理。

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