超磁分離在污水處理中的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

唐 綱 王吉白，2 楊 平

(1.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都，610065；2.四川環(huán)能德美科技股份有限公司，四川成都，610045)

化工與環(huán)保

超磁分離在污水處理中的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

唐 綱1王吉白1，2楊 平1

(1.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都，610065；2.四川環(huán)能德美科技股份有限公司，四川成都，610045)

超磁分離水體凈化工藝是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種物化水處理技術(shù)。通過(guò)近年來(lái)的發(fā)展已成為比較成熟的工藝，它的特點(diǎn)主要是通過(guò)投加磁種與混凝劑改變混凝沉淀特性，加快混凝速度，通過(guò)磁選機(jī)進(jìn)行固液分離，大大增加了污水凈化的效率。超磁分離作為新興的物化處理技術(shù)，具有很高的懸浮物分離效率，較短的工藝流程，投資、運(yùn)行費(fèi)用少，操作簡(jiǎn)便，運(yùn)行速度快，基本在幾分鐘之內(nèi)就能完成一個(gè)周期的運(yùn)行。本文主要介紹了超磁分離技術(shù)的基本原理，磁種選擇以及工程實(shí)際應(yīng)用案例。

污水治理 超磁分離 濁度 物化處理

超磁分離水體凈化工藝作為一種物化處理技術(shù)，越來(lái)越多地應(yīng)用于各種污水處理當(dāng)中，相對(duì)于傳統(tǒng)的混凝沉淀工藝來(lái)說(shuō)，其取消了混凝澄清池，加快了混凝效率，大大地縮短了混凝沉淀的時(shí)間，提高了分離效率，對(duì)于濁度具有良好的去除能力，同時(shí)與磁性生物活性污泥法連用，具有很高的脫氮除磷效果[1]。

1 超磁分離定義

超磁分離水體凈化技術(shù)向水中投加磁種、混凝劑和絮凝劑，通過(guò)其特有的微絮凝過(guò)程磁化水中的絮團(tuán)再經(jīng)過(guò)超磁分離機(jī)實(shí)現(xiàn)了水與絮體的分離，超磁分離機(jī)采用的是永磁強(qiáng)磁性材料，通過(guò)聚磁技術(shù)，磁盤(pán)中可以產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)重力640倍的磁力，在小于0.1s的時(shí)間內(nèi)吸住弱磁性物質(zhì)，平行的磁盤(pán)間，水的流速可達(dá)到300～1000m/h[2-4]。

2 超磁分離反應(yīng)機(jī)理

2.1 感生磁力

超磁分離要求被分離的物質(zhì)必須是導(dǎo)磁性物體，而非導(dǎo)磁性物質(zhì)則通過(guò)微磁絮凝技術(shù)改性后被賦予磁性變?yōu)閷?dǎo)磁性絮團(tuán)，這樣產(chǎn)生的絮團(tuán)的比磁化率是決定感生磁力大小的重要因素之一，感生磁場(chǎng)的決定因素還有外磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)梯度的大小。

2.2 磁分離原理

利用感生磁場(chǎng)(電磁場(chǎng)或者永生磁場(chǎng))將污染廢水當(dāng)中的磁性絮團(tuán)懸浮物打撈分理分離出來(lái)，達(dá)到將水質(zhì)凈化的目的和懸浮物回收的目的。

2.3 超磁分離的效能定律

超磁分離設(shè)備的效能越高，其所具備的磁力也就越大，根據(jù)磁分離的效能定律，超磁分離設(shè)備當(dāng)中的磁力越大，其分離的效能越高，其具有一次線(xiàn)性關(guān)系；同理，磁力作用于顆粒上的有效面積越大，分離效能越高；同一個(gè)設(shè)備當(dāng)中，當(dāng)處理廢水量增加，凈化精度就會(huì)降低，所以要取得較高的凈化精度，可適當(dāng)控制處理廢水流量[5]。

2.4 超磁分離工作原理

2.4.1 微磁絮凝技術(shù)

目前超磁分離技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于市政污水處理當(dāng)中，但是市政污水有別于部分礦山污水及工業(yè)廢水，這些礦山污水及工業(yè)廢水中含有大量的強(qiáng)磁性物質(zhì)，而市政污水當(dāng)中絕大部分是非磁性物質(zhì)，而超磁凈化技術(shù)需賦予非磁性物質(zhì)以磁性。

微磁絮凝技術(shù)是通過(guò)向水中投加磁種、混凝劑和助凝劑，使磁種在混凝劑與助凝劑的作用下與污水中的懸浮物凝聚抱團(tuán)形成絮團(tuán)。一方面，由于新形成的絮團(tuán)是以磁種為“凝核”，加快了絮體顆粒的形成；另一方面，磁種與水中懸浮物形成混合體，因此，新的絮團(tuán)具有磁性。

2.4.2 磁種回收技術(shù)

在微磁絮凝的過(guò)程中，為了使懸浮物絮凝過(guò)后具有磁性，采用了磁種，但是投加磁種過(guò)后會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行費(fèi)用增加。因此，考慮到噸水處理的運(yùn)行成本，超磁凈化技術(shù)采用磁種回收技術(shù)，將投入水中的磁種回收再利用，回收率≥99.4%，磁種投加成本基本產(chǎn)生在水電損耗上，其本身循環(huán)利用率高。

2.5 超磁分離機(jī)工作原理

超磁分離機(jī)的結(jié)構(gòu)及其在如圖1[5]所示。

1-機(jī)架及水槽；2-稀土磁盤(pán)組；3-刮渣裝置；4-刨輪機(jī)構(gòu)；5-螺旋輸送裝置圖1 超磁分離機(jī)工作原理

超磁分離凈化裝置的主體是由一組強(qiáng)磁力稀土磁盤(pán)分離裝置組成的，由于該磁盤(pán)采用圓形，加大了微磁絮團(tuán)與磁盤(pán)的接觸面積，加大了分離效率。當(dāng)污水流經(jīng)超磁分離凈化裝置時(shí)，微絮凝形成的磁性絮團(tuán)受到磁盤(pán)上強(qiáng)磁力的作用，克服水中阻力，被磁盤(pán)表面捕獲，吸附于磁盤(pán)表面。隨著磁盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)逐漸從水體中分離出來(lái)待懸浮物于磁盤(pán)上失去大部分水分，運(yùn)轉(zhuǎn)到刮渣條時(shí)，形成隔磁卸渣帶，由刮渣刨輪將廢渣刮入“螺旋輸送裝置”，產(chǎn)生的廢渣輸入渣池，以備磁種回收利用。被刮去廢渣的磁盤(pán)再次進(jìn)入水中。

3 超磁分離凈化技術(shù)的工藝流程

超磁分離水體凈化技術(shù)一般用于深度處理時(shí)去除水體中的懸浮物，主要在污水處理主體反應(yīng)之后，替代二沉池以減少反應(yīng)時(shí)間，也可做脫氮除磷或去除其他元素的主體反應(yīng)器[1,6]，如圖2所示。

圖2 超磁分離水體凈化技術(shù)流程

3.1 加入特選磁種

在廢水進(jìn)入混凝池之前，根據(jù)處理污水特性配置相應(yīng)磁種，磁種選擇一般注意一下幾個(gè)原則：第一，所選擇利用的磁種必須剩磁較小，剩磁盡量要小于8Gs，這樣磁種才能避免相互吸引成團(tuán)，在水中均勻的分布，有利于微絮凝時(shí)絮團(tuán)的形成。第二，因?yàn)橐欧N與混凝劑等充分接觸，所以對(duì)磁種的粒徑也有較高的要求，如果粒徑太大，磁種難以作為“凝核”與懸浮物形成磁性絮團(tuán)，容易沉淀，且在水中分散時(shí)，所消耗的機(jī)械能較大；如果粒徑太小，比表面積過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致藥劑用量大大增加，且磁種之間容易聚合，不能很好分散。磁種的選擇需根據(jù)水體具體選擇[7]。

3.2 微磁絮凝

在混凝系統(tǒng)中，需要利用藥劑PAC及PAM。PAC與PAM通過(guò)各自的制備裝置分別配制成一定濃度的藥劑。配制完成的PAC通過(guò)計(jì)量泵定量地投加到混凝系統(tǒng)的PAC攪拌箱，配制完畢的PAM經(jīng)過(guò)PAM計(jì)量泵泵組定量地投加到混凝系統(tǒng)的PAM攪拌箱。此時(shí)，水體中已經(jīng)含有一定濃度的磁性物質(zhì)，在助凝劑跟混凝劑的作用下，磁種跟非磁性懸浮物之間完成結(jié)合，形成磁性絮團(tuán)，混凝絮凝時(shí)間約為2～3min。

3.3 快速分離

在上一級(jí)反應(yīng)過(guò)后，出水進(jìn)入超磁分離凈化設(shè)備，在高強(qiáng)度的磁場(chǎng)下，磁性微絮團(tuán)被與進(jìn)水方向相反的緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)的稀土磁盤(pán)打撈出來(lái)，達(dá)到磁性微絮團(tuán)與水體分離的目的。水流速度可達(dá)到300m/h～1000m/h,不能過(guò)快，以保證足夠的水力停留時(shí)間，充分的接觸吸引，分離時(shí)間總得來(lái)說(shuō)基本在30s左右。

3.4 磁種回收

由磁盤(pán)打撈出來(lái)的微磁絮團(tuán)通過(guò)磁鼓回收系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)磁種和非磁性污泥的分離，磁種回收再利用(回收率≥90),污泥進(jìn)人污泥處理系統(tǒng)。

3.5 回收磁種計(jì)量投加

回收的磁種加人一定量的清水，攪拌均勻后通過(guò)計(jì)量泵重新投加到混凝反應(yīng)器，循環(huán)使用。

4 超磁分離凈化技術(shù)的研究現(xiàn)狀與工藝

4.1 國(guó)內(nèi)外研究

中國(guó)科學(xué)院電工研究所研發(fā)制作了高溫超導(dǎo)高梯度磁分離機(jī)，磁體采用Bi-2223線(xiàn)材繞制，內(nèi)外直徑分別為12cm和21.2cm，高11.18cm，當(dāng)其冷卻至10K時(shí)可以產(chǎn)生3.22T的磁場(chǎng)。電工所將其用于鋼鐵廠(chǎng)工業(yè)廢水的處理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其分離效率可達(dá)84.1%[8,9]。

鄭學(xué)海[10]等人在對(duì)超磁分離法處理DZA有機(jī)廢水的研究當(dāng)中，采用了新的材料作為磁種。這種磁種采用的原料是煉鋼產(chǎn)生的煙塵跟氣溶膠的凝聚物，最終形態(tài)為較均勻的細(xì)粉，顏色為棕紅色的“紅土”。其化學(xué)成分含鐵量高，雜質(zhì)少，主晶相為γ-Fe3O4，有少量亞鐵離子以FeO形式存在。

FeO的磁化率在7200×10-6(293℃)，F(xiàn)e2O3磁化率在3586×10-6(103℃)。少量FeO存在不影響磁絮凝過(guò)程與吸著性能。經(jīng)大量試驗(yàn)，使用“紅土”與市售鐵氧體磁粉作磁種，在磁絮凝與磁分離性能方面作平行比較的結(jié)果表明，在COD去除率、SS殘留等與磁粉無(wú)顯著差別。用“紅土”作為磁種，相比較于單獨(dú)研究磁粉而言，節(jié)約了成本，同時(shí)又處理了煙氣廢物，達(dá)到了“以廢制廢”的目的。

王軍等人[6]利用磁鐵礦(Fe3O4)作為磁種，PFS作為絮凝劑，通過(guò)控制磁種、PFS用量、絮凝時(shí)間及助凝劑用量，對(duì)超磁分離與OGMS與HGMS聯(lián)合去污水中的砷做了定量研究，最終在OGMS當(dāng)中采用磁粉20～300mg/L，絮凝時(shí)間0～15min時(shí)，砷的去除率基本在80%以上。

T. Okamoto等人[11]對(duì)如何利用納米磁性吸附劑除去污水中的汞進(jìn)行了深入研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)比較了磁珠(MBS，具有納米尺寸的磁鐵礦顆粒作為核心同時(shí)在表面具有大量的SH基)與納米結(jié)構(gòu)的磁性活性炭(MAC，具有納米孔和磁鐵礦的活性炭，如圖3所示)來(lái)作為吸附劑時(shí)的不同效果。

研究通過(guò)改變溫度條件時(shí)納米結(jié)構(gòu)的磁性活性炭(MAC)的處理效果。在少于1min的時(shí)間里，MBS和MAC的最大吸附量分別可達(dá)6.3mg/g和38.3mg/g。同時(shí)這兩種吸附劑都能通過(guò)脫吸附作用除去汞，并加以回收利用，這樣就實(shí)現(xiàn)了污染物的回收利用與吸附材料的循環(huán)使用。

圖3 磁珠結(jié)構(gòu)示意圖(左)與磁性活性炭顯微結(jié)構(gòu)圖(右)

4.2 與其它工藝聯(lián)用

將磁分離技術(shù)與傳統(tǒng)的活性污泥法相結(jié)合，坎布里奇水務(wù)科技(北京)有限公司以CoMag工藝為基礎(chǔ)而開(kāi)發(fā)創(chuàng)新出一種新的工藝——BioMag工藝。BioMag工藝是是繼CoMag工藝之后推出的一項(xiàng)通過(guò)向曝氣池添加磁種來(lái)充當(dāng)磁性載體，提高比表面積，借此來(lái)提高污水活性污泥處理能力的工藝。經(jīng)BioMag工藝處理過(guò)的水，其懸浮物、生化需氧量、氮和磷的濃度都比較低，且所需的占地面積相對(duì)常規(guī)生化系統(tǒng)較小。

將BioMag工藝與ReCoMag工藝聯(lián)合使用，可以去除BioMag工藝當(dāng)中的二沉池，將極大地縮小占地面積，大大減少了外排污泥，能夠?qū)Υ罅髁康奈鬯M(jìn)行脫氮除磷處理[12]，如圖4所示。

圖4 BioMag-ReCoMag工藝流程圖

除與BioMag、HGMS[13]等工藝聯(lián)用，超磁分離技術(shù)可以作為大多數(shù)污水處理工藝的深度處理環(huán)節(jié)，這不但可以節(jié)約土地使用，同時(shí)也對(duì)深度處理污水的效果有極大的提高。當(dāng)然也可以與其他方法聯(lián)用如董婷婷[14]等將其與氣浮法聯(lián)用來(lái)去除水中的二價(jià)鎘，去除率可達(dá)90%。

4.3 超磁分離的工程應(yīng)用現(xiàn)狀

超磁分離水體凈化技術(shù)由于采用微磁絮凝技術(shù)，處理范圍較之傳統(tǒng)的高梯度磁分離法有了極大地提高。

北京市北小河再生水廠(chǎng)二期工程一級(jí)強(qiáng)化處理設(shè)施采用2套10000m3/d規(guī)模的超磁分離設(shè)備，超磁分離系統(tǒng)COD濃度由進(jìn)水550mg/L，降低到120mg/L以?xún)?nèi)；TP降低到1mg/L以下，懸浮物及TP去除率均能達(dá)到90%以上；出水水質(zhì)能滿(mǎn)足《城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)GB 18918——2002》中的三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

北京市通州區(qū)也采用超磁分離技術(shù)作為景觀(guān)回用水處理系統(tǒng)。景觀(guān)水體相當(dāng)于地表Ⅴ類(lèi)水體，其中有大量的污染物積累，藻類(lèi)的大量繁殖，所以具有較高的藻類(lèi)濃度，大量的懸浮物，以及高COD等特點(diǎn)[15]。對(duì)于景觀(guān)用水及部分湖泊可采用簡(jiǎn)易超磁分離設(shè)備。

對(duì)于四季條件變化變化較大的黃河水，在不同季節(jié)可能具有低溫低濁、高藻、高濁度等特點(diǎn)，為應(yīng)對(duì)其變化較大的水質(zhì)，環(huán)能德美集團(tuán)在污水處理流程前添加超磁分離凈化技術(shù)作為預(yù)處理技術(shù)。出水色度在13度以下，濁度穩(wěn)定在1NTU左右，排放高濃度泥漿含水率約93%[7]，可通過(guò)板框壓濾機(jī)進(jìn)行脫水處理。

福建省福州市羅源縣利用超磁分離技術(shù)對(duì)石板材行業(yè)加工廢水進(jìn)行集中整治。加工廢水中主要是加工過(guò)程中添加的“冷卻劑”，這些冷卻劑中的有機(jī)高分子化合物與石材廢水中的微小顆粒螯合絡(luò)合形成了較穩(wěn)定的膠體溶液，形成一種“牛奶”狀的液體，進(jìn)水濁度約為500NTU～1000NTU。采用該方法過(guò)后出水濁度小于20NTU，總磷小于0.05mg/L。大大節(jié)約了沉淀混凝的成本[16]。

美國(guó)麻省Concord市污水處理廠(chǎng)采用此工藝作為污水深度處理裝置，出水滿(mǎn)足：懸浮物小于5mg/L，TP小于0.2 mg/L，磁種的回收率高達(dá)99.5%[17]。

5 結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，相比較于傳統(tǒng)的沉淀分離工藝來(lái)說(shuō)，超磁分離水體凈化技術(shù)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：流程短，絮凝反應(yīng)和磁分離成套占地??；水頭損失小，從來(lái)水絮凝反應(yīng)開(kāi)始，到磁分離完成，整過(guò)處理過(guò)程需要3分鐘時(shí)間；與HGMS相比沒(méi)有反沖洗，連續(xù)排出泥流量為處理水量的0.6%，污泥濃度達(dá)到7%，好于其它任何工藝；壽命長(zhǎng)，主設(shè)備壽命20年以上；投資節(jié)省，成套設(shè)備噸水/天投資80元左右；運(yùn)行費(fèi)用與傳統(tǒng)方法相當(dāng)，與膜過(guò)濾和盤(pán)式過(guò)濾相比要低；系統(tǒng)簡(jiǎn)單，日常維護(hù)方便，自動(dòng)化程度高,不需人員值守。

[1] 肖波, 王吉白, 潘國(guó)強(qiáng), 等. 超磁分離技術(shù)在污水廠(chǎng)除濁去磷中的應(yīng)用研究[J]. 環(huán)境保護(hù)科學(xué), 2015(06):63-68.

[2] 周建忠, 靳云輝,等. 超磁分離在污水處理中的應(yīng)用[J]. 西南給排水, 2011,6(33):4-6.

[3] 劉孝利, 劉德春, 李云志. 趙官能源礦井水處理超磁分離凈化工藝的應(yīng)用[J]. 山東煤炭科技, 2012(04):42-44.

[4] 王瑤. 高懸浮物高礦化度礦井水處理及資源化[D]. 河北工程大學(xué), 2013.

[5] 國(guó)繼征, 王金和, 趙星. 礦井超磁分離水體凈化技術(shù)與應(yīng)用[J]. 煤礦機(jī)電, 2011(03):87-88.

[6] Li Y, Wang J, Zhao Y, et al. Research on magnetic seeding flocculation for arsenic removal by superconducting magnetic separation[J]. Separation and Purification Technology, 2010,73(2):264-270.

[7] 倪鴻, 周勉. 低溫低濁及高濁高藻黃河水超磁分離凈化技術(shù)[J]. 中國(guó)建設(shè)信息(水工業(yè)市場(chǎng)), 2011(03):76-80.

[8] APPLIE, Wang O. IEEE TRANSACTIONS SUPERCONDUCTIVITY[J]. 2007,2(17):2185-2188.

[9] 段晚晴, 姜向東, 王豫, 等. 超導(dǎo)磁分離技術(shù)綜述[J]. 礦產(chǎn)綜合利用, 2014(01):1-5.

[10] 鄭學(xué)海, 李思明. 磁絮凝法處理DZA有機(jī)廢水的研究[J]. 城市環(huán)境與城市生態(tài), 1999(05):8-10.

[11] Okamoto T, Tachibana S, Miura O, et al. Mercury removal from solution by superconducting magnetic separation with nanostructured magnetic adsorbents[J]. Physica C: Superconductivity, 2011,471(21-22):1516-1519.

[12] 易洋. ReCoMag超磁分離水體凈化系統(tǒng)在城市污水處理中的優(yōu)越性[J]. 水工業(yè)市場(chǎng), 2012(04):55-58.

[13] Zhao Y, Xi B, Li Y, et al. Removal of phosphate from wastewater by using open gradient superconducting magnetic separation as pretreatment for high gradient superconducting magnetic separation[J]. Separation and Purification Technology, 2012,86:255-261.

[14] Dong T, Yang L, Zhu M, et al. Removal of cadmium(II) from wastewater with gas-assisted magnetic separation[J]. Chemical Engineering Journal, 2015,280:426-432.

[15] 李志穎, 張統(tǒng), 董春宏. 景觀(guān)水體超磁分離處理系統(tǒng)設(shè)計(jì): 城鎮(zhèn)供水排水節(jié)能減排專(zhuān)題技術(shù)——2010年全國(guó)給水排水技術(shù)信息網(wǎng)年會(huì), 中國(guó)江蘇蘇州, 2010[C].

[16] 陳巖飛. 超磁分離水體凈化技術(shù)在石板材加工行業(yè)面源污染控制中的應(yīng)用[J]. 化學(xué)工程與裝備, 2013(05):228-231.

[17] Tozer. Study of Five Phosphorus Removal P ocesses Select CoMagTMto MeetConcord,Massachusetts′Stringent New Limits.[J]. Proceedings of the Water Environment Federation, Nutrient Removal, 2007.

Magnetic Separation in the Researchand Application Status of Wastewater Treatment

TangGang1,WangJibai1,2,YangPing1

(1.CollegeofArchitectureandEnvironment,SichuanUniversity,Chengdu610065,Sichuan,China;2.ScimeeSci.&Tech.Co.,Ltd,Chengdu610045,Sichuan,China)

Magnetic separation is a water purification technology, a physical chemistry water treatment technology, developed in recent years. Through the development in recent years has been more mature technology. It is characterized by the addition of magnetic species and coagulant to change the coagulation and precipitation characteristics, accelerating coagulation rate. The Solid-liquid separation is realized by the magnetic separator, which has greatly accelerated the speed of sewage purification. Super magnetic separation, with a high separation efficiency of suspended matter, shorter process flow, investment and operating costs less, easy to operate, fast running, basically in a few minutes will be able to complete a cycle of operation, is a new physical and chemical treatment technology. This paper mainly introduces the basic principle of the technology of the super magnetic separation, the selection of the magnetic field and the practical application case of the project.

water treatment; super magnetic separation; turbidity; physical chemistry

四川省科技廳科技支撐計(jì)劃(2015SZ0009)