新型磁工藝在污水處理中的應(yīng)用

田迎春

（馬鞍山學(xué)院建筑工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243100）

隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，尋找低耗高效的水污染處理工藝刻不容緩。本文研發(fā)了一種磁生物和化學(xué)除磷組合裝置來優(yōu)化污水排放指標(biāo)，達(dá)到水資源回用的目的。磁工藝用于水處理的研究起源于20世紀(jì)40年代，當(dāng)時(shí)比利時(shí)應(yīng)用水的磁化處理鍋爐用水，并且獲得了專利[1]。20世紀(jì)60年代末，蘇聯(lián)開始用磁凝聚法處理鋼鐵廠的除塵污水。20世紀(jì)70年代，美國研究用磁絮凝法處理鋼鐵、食品、化工和造紙等行業(yè)排放的工業(yè)污水。目前，在國內(nèi)，磁工藝主要用于處理生活污水、含油廢水[2-3]，在工業(yè)污水方面的研究還欠缺，所以現(xiàn)在的研究成果還不足以支撐磁技術(shù)在水處理領(lǐng)域的大規(guī)模推廣與應(yīng)用。針對這一缺陷，本研究將以試驗(yàn)為依托，開發(fā)一種新型磁生物反應(yīng)器和化學(xué)除磷裝置，用超磁分離機(jī)代替膜分離磁性活性污泥，達(dá)到減少泥水分離時(shí)間，減少能耗，提高脫氮能力的目的。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)工藝流程

如圖1所示，整個(gè)試驗(yàn)工藝流程包括兩個(gè)單元：一個(gè)是磁生物反應(yīng)器單元，另一個(gè)是化學(xué)除磷（或去除重金屬離子）單元。工業(yè)污水經(jīng)過一級處理后，進(jìn)入膜生物反應(yīng)器（MBR）進(jìn)行生化反應(yīng)。需要注意的是，在進(jìn)入MBR之前，在污水中加入磁粉（粉煤灰中分離出的磁珠），在MBR中投加能吸附磁粉的物質(zhì)（磁性載體）。磁性活性污水進(jìn)入超磁分離機(jī)進(jìn)行泥水分離，此時(shí)分離的污泥中含有磁粉和磁性載體，這些磁粉和磁性載體會流入MBR重復(fù)使用[4]。上清液流入另一超磁分離機(jī)，此時(shí)的污水含有一定的懸浮物，使得出水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)。為了處理這部分污水中的懸浮物，在進(jìn)入超磁分離機(jī)之前再次加入磁粉，使污水中懸浮物濃度增加，提高絮凝效果，并在污水中加入化學(xué)藥劑（聚合氯化鋁），使得懸浮物凝結(jié)，從而形成帶鐵磁性的絮凝體。超磁分離機(jī)把該絮凝體吸附，達(dá)到去除懸浮物的目的，進(jìn)而減少水體中的磷元素和重金屬離子。上清液處理后達(dá)標(biāo)排放。

圖1 試驗(yàn)工藝流程

磁生物反應(yīng)器單元是在MBR傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，超磁分離機(jī)取代膜分離技術(shù)。這樣不僅能夠大大縮短分離泥水的耗時(shí)，減少水力停留時(shí)間，還可以提升脫氮能力。第二個(gè)反應(yīng)單元中，化學(xué)藥劑的投加使水中的磷酸根和重金屬離子反應(yīng)生成難溶性物質(zhì)（沉淀），其與水體中加入的磁種結(jié)合成具有磁性的絮凝體，超磁分離機(jī)把該絮凝體吸附分離，最終去除水體中的磷元素和重金屬。

1.2 試驗(yàn)材料

1.2.1 污泥來源

試驗(yàn)污泥取自安徽長江鋼鐵股份有限公司污水處理廠，經(jīng)檢測，樣本污泥沉降比為32%，污泥濃度為584 g/L。試驗(yàn)準(zhǔn)備階段將該污泥稀釋2倍，一部分通入有磁性載體的工藝流程，一部分通入無磁性載體的工藝流程，經(jīng)過36 h不間歇曝氣，開始連續(xù)進(jìn)水（流量2 L/h），反應(yīng)器內(nèi)溶解氧保持在20 mg/L以上。

1.2.2 磁粉性質(zhì)

經(jīng)過各方面的綜合考慮，試驗(yàn)中投加的磁粉選取四氧化三鐵（Fe3O4）粉末，該粉末帶有很強(qiáng)的磁性，在自然界中比較普通和常見，能大大減少水處理成本。經(jīng)測定，F(xiàn)e3O4具有吸附力強(qiáng)和比表面積大的特性。試驗(yàn)前，磁粉需要進(jìn)行一定的前處理，將Fe3O4粉末放于5 L大燒杯中，加入去離子水與之充分混合，然后將燒杯置于磁石上，靜置60 min，磁粉沉淀于燒杯底部，把上清液去除，如此步驟反復(fù)兩次，取出燒杯底部的沉淀物放入烘箱（105 ℃）中，烘干備用[3]。

試驗(yàn)期間分別對磁性載體反應(yīng)器和非磁性載體反應(yīng)器的出水水質(zhì)進(jìn)行分析比較，結(jié)果表明，加入磁工藝的水處理流程出水水質(zhì)指標(biāo)得到大幅度的優(yōu)化。

2 結(jié)果與討論

2.1 出水COD去除率對比

試驗(yàn)分別對磁性載體反應(yīng)器和非磁性載體反應(yīng)器的出水COD濃度和去除率進(jìn)行測試，如圖2所示。

圖2 反應(yīng)器出水COD濃度及去除率

由圖2可見，前8 d的磁性載體反應(yīng)器與非磁性載體反應(yīng)器內(nèi)出水COD濃度均呈線性下降，磁性載體反應(yīng)器內(nèi)出水COD的去除率與非磁性載體反應(yīng)器內(nèi)出水COD的去除率均呈穩(wěn)步增長趨勢，磁性載體反應(yīng)器內(nèi)出水COD的去除率可超過80%，非磁性載體反應(yīng)器內(nèi)出水COD的去除率一直徘徊在70%左右，這表明加入磁種能提高厭氧微生物的成活率，適當(dāng)添加磁粉對厭氧反應(yīng)有一定的促進(jìn)作用。磁場作用會加快微生物的酶促反應(yīng)和自由基反應(yīng)，能誘導(dǎo)微生物合成與代謝相關(guān)的酶，增強(qiáng)活性，從而提高微生物降解有機(jī)污染物的能力。

2.2 出水NH4+-N去除對比

試驗(yàn)分別對磁性載體反應(yīng)器和非磁性載體反應(yīng)器的出水NH4+-N濃度進(jìn)行測試，如圖3所示。運(yùn)行3 d后，磁性載體反應(yīng)器出水NH4+-N濃度迅速降低，反應(yīng)裝置運(yùn)行6 d后，出水NH4+-N濃度趨于穩(wěn)定；反觀非磁性載體反應(yīng)器，出水NH4+-N濃度一直居高不下。由此可見，弱磁場的存在對硝化有明顯的促進(jìn)作用，從而提高NH4+-N降解效果。

圖3 反應(yīng)器出水NH4+-N濃度

2.3 出水TN去除對比

試驗(yàn)分別對磁性載體反應(yīng)器和非磁性載體反應(yīng)器的出水TN濃度進(jìn)行測試，如圖4所示。

圖4 反應(yīng)器出水TN濃度

由圖4可見，磁性載體反應(yīng)器出水TN濃度一直小于非磁性載體反應(yīng)器，第1天到第2天，磁性載體反應(yīng)器TN去除率的增長速率是非磁性載體反應(yīng)器TN去除率的2倍，第3天非磁性載體反應(yīng)器TN去除率驟降到28.4%，而磁性載體反應(yīng)器TN去除率仍保持在60.4%，其是非磁性載體反應(yīng)器TN去除率的2倍多。40 d內(nèi)，磁性載體反應(yīng)器TN去除率一直大于非磁性載體反應(yīng)器，表明磁性載體反應(yīng)器的掛膜性能優(yōu)于非磁性載體反應(yīng)器，可以更好地去除污水中的TN，從而提高TN降解效果。

2.4 出水污泥濃度對比

試驗(yàn)期間，磁性載體反應(yīng)器和非磁性載體反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行120 d。對排出的污泥進(jìn)行分析，得到污泥濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖5所示。從圖5可以看出，前80 d兩個(gè)反應(yīng)器的污泥濃度都是先快速上升再緩慢下降。反應(yīng)80 d后，污泥濃度趨于平穩(wěn)，基本保持不變。

圖5 反應(yīng)器出水污泥濃度

3 結(jié)論

隨著環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)，研究穩(wěn)定高效的工業(yè)污水處理工藝成為熱點(diǎn)。本文將磁粉與常規(guī)的MBR法結(jié)合處理工業(yè)污水，考察磁工藝強(qiáng)化后的MBR法對工業(yè)污水深度處理的影響。研究表明，磁性載體反應(yīng)器的掛膜性能優(yōu)于非磁性載體反應(yīng)器，其在啟動(dòng)期就具有良好的污染物去除性能。相比非磁性載體反應(yīng)器，磁性載體反應(yīng)器出水COD去除率提高了8%，NH4+-N去除率提高了20%，TN去除率提高了8.4%。