基于光催化和磁混凝的廢水處理設(shè)備研究

應(yīng)英豪，肖立金，施偉紅，陳嗣麟

（1.上海造幣有限公司，上海 201812；2.北京道成維優(yōu)環(huán)境科技有限公司，北京 100101）

1 工藝流程及干擾因素分析

上海造幣有限公司一分廠廠區(qū)在日常生產(chǎn)運(yùn)行中主要產(chǎn)生電鍍廢水和生活污水，廠區(qū)中主要有兩個(gè)廢水站，有機(jī)廢水站用于收集處理電鍍前處理工藝產(chǎn)生的廢水，包括滾字、沖床、拋光等工序產(chǎn)生的廢水；無(wú)機(jī)廢水站用于收集處理電鍍過(guò)程中產(chǎn)生的酸性廢水。 其中兩個(gè)廢水站的工藝流程分別如下：

1）有機(jī)廢水站：綜合調(diào)節(jié)池→化學(xué)反應(yīng)及混凝反應(yīng)池→沉淀池→pH 回調(diào)池→生物接觸氧化池→二沉池→中間水池1→無(wú)閥濾池→中間水池2→離子交換樹(shù)脂→清水池

2）無(wú)機(jī)廢水站：調(diào)節(jié)池→化學(xué)反應(yīng)池→斜板沉淀池→中間水池1→多介質(zhì)過(guò)濾器→pH 回調(diào)池→中間水池2→離子交換樹(shù)脂→清水池

磁分離技術(shù)：1）原理：磁性材料產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)水的偶極子有定向極化作用，同時(shí)產(chǎn)生磁吸附和磁過(guò)濾， 有效達(dá)到了對(duì)水中重金屬離子 （鎳）和COD 的去除。 2）干擾因素：①過(guò)濾流速：越小去除率越好；接觸時(shí)間越久，去除率越好；但流速小，反洗時(shí)間短，易堵塞，考察結(jié)果在濾速8～10m/h 之間，過(guò)濾性價(jià)比高；②磁性材料的分層，在傳統(tǒng)800 ～1200mm 的 濾 料 層 之 間， 考 慮2 ～3 層20mm 左右的磁性材料層，效果較好，直接設(shè)置一層40～60mm 的磁性材料層，效果一般；③鎳去除：進(jìn)水鎳≤0.1ppm 以下，出水可以達(dá)到0.05ppm；超過(guò)，則有風(fēng)險(xiǎn)，適合做末端保障單元；④COD 去除：20%～30%之間，進(jìn)水COD 濃度越高，反洗周期越短。

光催化+永磁生物載體技術(shù)相結(jié)合原理：①永磁生物載體對(duì)微生物附近的污染物有一定的礦化作用，有利于微生物對(duì)污染物的吸收，并且磁化能引起生物膜滲透性的增加，從而改善微生物對(duì)物質(zhì)的吸收。 ②永磁生物載體對(duì)于微生物的篩選作用，能附著在永磁生物載體上的微生物已經(jīng)是經(jīng)過(guò)篩選的（磁場(chǎng)能直接作用于細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的水和酶，使酶鈍化或失活），不僅直接改善生存特性，而且具有新的生物特性（降解特定的有機(jī)物）；③結(jié)合光源照射，能在永磁載體對(duì)生物篩選的基礎(chǔ)上培養(yǎng)優(yōu)勢(shì)菌群。

干擾因素：①光強(qiáng)（選擇短波）；②照射時(shí)間、頻率（單次照射時(shí)間30min，對(duì)微生物的選擇性明顯，超過(guò)30min，大量微生物明顯死亡；頻次為1d4次，每次30min 為宜）；③溶解氧：（跟普通活性污泥法區(qū)別不大）；④水體pH（堿度）：跟普通活性污泥法區(qū)別不大；⑤磁化強(qiáng)度（每根填料上，磁性填料的占比）：以填料區(qū)域體積的3%～5%為宜，過(guò)高成本增加偏大，過(guò)低則磁生物載體效果不明顯。

2 廢水處理設(shè)備及技術(shù)分析

2.1 廢水來(lái)源及設(shè)備參數(shù)

實(shí)驗(yàn)廢水來(lái)源：本實(shí)驗(yàn)所取廢水為上海造幣一分廠有機(jī)廢水站內(nèi)物化處理段的出水。

磁分離技術(shù)裝置： 進(jìn)水提升泵， 磁力泵，Q=16L/min，H =30m，N =0.37kW，1 臺(tái)； 介 質(zhì) 柱，DN100，L=1000mm，2 個(gè)，材質(zhì)為亞克力；介質(zhì)柱架， 配套1 套， 材質(zhì)為不銹鋼； 石英砂濾料，2～4mm，1～2mm 級(jí)配，1 項(xiàng)，材質(zhì)為天然海砂；磁性填料，1 項(xiàng)，材質(zhì)為磁環(huán)+磁瓦；產(chǎn)水箱（反洗時(shí)用作反洗水箱）；500L1 個(gè)，材質(zhì)為PE。

光催化+永磁生物載體：不銹鋼池體，0.6×0.6×0.8m，2 臺(tái)，材質(zhì)為304 不銹鋼；進(jìn)水提升泵，磁力泵，Q=10L/h，H=20m，N=0.37kW，2 臺(tái)；紫外燈管，長(zhǎng)度0.5m，波長(zhǎng)范圍174～365nm，10 只；風(fēng)機(jī)，Q=200L/min，P=0.1MPa，N=0.37kW，2 個(gè)； 曝氣盤，1批；光催化填料，0.2m3，0.4m3；磁性材料，1 批；產(chǎn)水箱，500L，2 個(gè)，材質(zhì)為PE；管道輔材及耗材，1 批。

2.2 技術(shù)分析[1～10]

磁分離技術(shù)：磁分離技術(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)的目的及進(jìn)出水水質(zhì)，結(jié)合公司工程經(jīng)驗(yàn)，提出如下處理工藝： 生化池出水中含有大量SS 和一些難降解的有機(jī)物，用提升泵泵入裝有石英砂濾料和磁性填料的過(guò)濾器內(nèi)，磁性填料采用充磁后的永磁性材料，在過(guò)濾器內(nèi)產(chǎn)生一定范圍的磁場(chǎng)，水流經(jīng)過(guò)時(shí)，一方面，磁場(chǎng)對(duì)水的偶極子的定向極化作用，會(huì)使水結(jié)構(gòu)如極性分子之間聯(lián)結(jié)形式發(fā)生變化，產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化性的羥基自由基，將水中有機(jī)物氧化分解。 另一方面，廢水中溶解態(tài)的鹽分（包含磁性金屬離子）， 以及不溶解的懸浮物，也會(huì)因?yàn)槭艿酱艌?chǎng)力的作用而進(jìn)行定向移動(dòng)，從而使這些污染物從廢水中去除。

1）將石英砂濾料和永磁性填料依次裝入兩個(gè)樹(shù)脂柱內(nèi)，并固定在樹(shù)脂柱架上；

2）通過(guò)UPVC 管道將兩個(gè)樹(shù)脂柱按圖1 方式進(jìn)行連通，可實(shí)現(xiàn)串聯(lián)和并聯(lián)兩個(gè)作用；

3）取生化池出水作為原水，經(jīng)提升泵泵入磁分離柱中， 取濾速10m/h 時(shí)， 串聯(lián)情況下運(yùn)行15min 后取樣，并聯(lián)情況下運(yùn)行15min 后取樣；

4）分別檢測(cè)水樣中COD、SS、總鎳數(shù)據(jù)。

光催化+永磁生物載體技術(shù)：光催化+永磁生物載體技術(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)的目的及進(jìn)出水水質(zhì)，結(jié)合我公司工程經(jīng)驗(yàn)，提出如下處理工藝：取pH 回調(diào)池的出水作為中試試驗(yàn)的原水，經(jīng)泵提升進(jìn)入光催化+永磁生物載體氧化池中，光催化+永磁生物載體氧化池中除設(shè)置光催化反應(yīng)外，還會(huì)對(duì)池體進(jìn)行外加磁場(chǎng)， 在光催化和磁場(chǎng)共同作用下，微生物的某些潛能被激發(fā)，能大大增加其降解有機(jī)物的能力和去除臭味的能力。

1）裝置到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，進(jìn)行設(shè)備與管道之間按照光催化+永磁生物載體池的運(yùn)行流程依次進(jìn)行連接；

2）先取生物接觸氧化池的水在裝置內(nèi)進(jìn)行曝氣， 對(duì)水中的生物菌種進(jìn)行篩選并培養(yǎng)優(yōu)勢(shì)菌種，俗稱掛膜。 此過(guò)程分三個(gè)階段進(jìn)行：第一階段悶曝階段，一次性進(jìn)滿水后開(kāi)始對(duì)裝置進(jìn)行曝氣（5d）；第二階段低流量運(yùn)行階段，流速為5L/h，邊進(jìn)水邊曝氣（7d）；第三階段設(shè)計(jì)流量為10 L/h（7 d）。 每天觀察池中填料的掛膜情況，并根據(jù)填料掛膜情況適時(shí)調(diào)整；

3）掛膜完成后開(kāi)始進(jìn)行連續(xù)試驗(yàn)，每8h 取一次產(chǎn)水箱的水進(jìn)行檢測(cè)。

磁分離技術(shù)、 光催化+永磁生物載體技術(shù)相結(jié)合：在分別研究完每項(xiàng)水處理技術(shù)后，將兩種技術(shù)相結(jié)合。 pH 回調(diào)池出水先經(jīng)泵泵入光催化+永磁生物載體氧化池，經(jīng)生化處理過(guò)后出水進(jìn)入磁分離柱，經(jīng)磁分離柱處理過(guò)后的水進(jìn)入產(chǎn)水箱。

2.3 技術(shù)難點(diǎn)

1）磁性材料吸附水體中的極性分子、帶電離子，并通過(guò)反洗從水體中去除，同時(shí)可定向促進(jìn)微生物生長(zhǎng)的研究由來(lái)已久，但目前工程應(yīng)用仍屬于極少數(shù)，大部分仍處在漫長(zhǎng)的小試和中試階段，而且磁性材料種類繁多，價(jià)格差異較大。 針對(duì)上海造幣廠的廢水特性，如何選擇一種去除效果良好、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的磁性材料有待研究。

2）光催化技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)， 但是目前同樣仍停留在實(shí)驗(yàn)階段，尚無(wú)成功的工程案例，且不同波長(zhǎng)段的紫外光對(duì)微生物的促進(jìn)作用不盡相同，需通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)對(duì)比確定不同波長(zhǎng)的光對(duì)微生物的影響和催進(jìn)作用，進(jìn)而找到一種經(jīng)濟(jì)有效的方式，來(lái)有效降低本項(xiàng)目廢水中產(chǎn)生的COD。

3）在確定適宜的紫外光波長(zhǎng)后，需定向培養(yǎng)優(yōu)勢(shì)菌群，在培養(yǎng)菌群時(shí)如何較好地將光催化和磁性材料結(jié)合起來(lái)有待研究；在培養(yǎng)階段為微生物提供良好的生存環(huán)境，但培養(yǎng)好后的微生物耐沖擊性能仍需要研究；另本次定向培養(yǎng)的微生物是否可以直接應(yīng)用到相同行業(yè)的廢水中有待研究。

3 結(jié)論

3.1 磁分離技術(shù)

預(yù)處理加藥的含鎳廢水，經(jīng)過(guò)磁過(guò)濾，鎳離子穩(wěn)定達(dá)到電鍍污染物最新排放標(biāo)準(zhǔn)的限制，鎳≤0.05ppm（優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的0.1ppm）,且COD 去除率達(dá)到20%～30%。當(dāng)過(guò)濾流速越小，去除率越好；接觸時(shí)間越久，去除率越好；但流速小，反洗時(shí)間短，易堵塞，考察結(jié)果在濾速8～10m/h 之間，過(guò)濾性價(jià)比高；COD 的去除在20%～30%之間， 進(jìn)水COD 濃度越高，反洗周期越短。

3.2 光催化+永磁生物載體技術(shù)相結(jié)合

進(jìn)水COD 小于500ppm 的情況下，出水COD穩(wěn)定小于50ppm，達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)期。 照射時(shí)間、頻率（單次照射時(shí)間30min， 對(duì)微生物的選擇性明顯，超過(guò)30min， 大量微生物明顯死亡； 頻次為1d4次，每次30min 為宜）磁化強(qiáng)度（每根填料上，磁性填料的占比）：以填料區(qū)域體積的3%～5%為宜，過(guò)高成本增加偏大， 過(guò)低則磁生物載體效果不明顯。