磁混凝沉淀技術在污水處理中的應用

劉大偉

（廣東新大禹環(huán)境科技股份有限公司，廣東 廣州 510663）

隨著水土資源的不斷消耗、全球經(jīng)濟的快速發(fā)展和人口總量的不斷提高，社會經(jīng)濟發(fā)展和日常生活所消耗的水資源需求量與日俱增，淡水資源正以驚人的速度消耗，僅憑大自然的生態(tài)循環(huán)進化系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足人類生產(chǎn)生活的需要，因此需要在防治水資源污染的同時，提高污水處理再利用技術的改善進程。磁混凝沉淀技術是目前最新型的污水處理技術之一，在大型污水處理項目中得到了廣泛應用。隨著磁混凝沉淀技術的不斷改進，提高了污染物的分離速率，實現(xiàn)了對含非導磁性污染物污水的凈化處理。

1 磁混凝沉淀技術概述

1.1 磁混凝沉淀技術的概念

磁混凝沉淀技術是在傳統(tǒng)混凝技術的基礎上添加磁介質，使磁介質與污染物和混凝劑等相結合，形成磁性復合體，并利用磁分離裝置和磁性復合體自身沉降快、比重大的特點，提高固液分離速率而去除污染物[1]。另外，磁介質通過磁分離回收裝置，還可以實現(xiàn)對磁介質的回收和循環(huán)使用，因而節(jié)約了污水處理成本。

1.2 磁混凝沉淀技術的作用機理

磁介質在絮凝反應中與其他細微懸浮顆粒的作用相同，均起到晶核的作用。磁混凝沉淀技術的作用機理與其他絮凝反應基本相同，磁混凝沉淀技術也是以磁介質為絮體晶核，在污水混合物中添加磁介質、混凝劑和助凝劑，磁介質通過與污水混合物中的物質吸附、絮凝和架橋等作用，在電中和的作用下，使混凝劑所形成的正電離子與膠體粒子和磁性粒子附近的負電荷相吸附。隨著靜電磁場的逐漸消散，分子間的作用力使膠體粒子和磁性粒子聚集并擴大，形成較大的絮狀物，即與污水中膠體顆粒、懸浮物相結合形成磁性復合體。磁介質在污水混合物中經(jīng)過混凝劑和助凝劑的作用，使絮體的凝結重量和體積得到提高，并提高了磁介質吸附污染物的能力，相對密度和體量較大的絮體會加速沉淀，從而有效縮短了沉淀池的水力滯留時間，提高了污水混合物的沉降速度及固液分離工序的速度，從而實現(xiàn)了迅速將污染物與水體高效分離的目的[2]。

1.3 磁混凝沉淀技術的核心

1.3.1 磁介質的種類

磁介質是磁混凝沉淀技術的重要因素，其主要類型有磁性氧化鐵和鐵粉等，不同磁介質的有效物質含量、pH值和磁介質的顆粒粒徑等因素都會影響污水的絮凝效果。另外，不同類型的磁介質會影響設備材質的選用，由于磁介質在攪拌、分離和回收等環(huán)節(jié)會對工藝設備造成一定的損耗，因此，技術人員需要根據(jù)實際情況審慎選擇磁介質種類[3]。

1.3.2 磁介質的分離回收

磁混凝沉淀技術中較為關鍵的環(huán)節(jié)之一就是對磁介質的回收再利用環(huán)節(jié)。對磁介質的分離回收可以實現(xiàn)資源的再利用，在實現(xiàn)以廢治廢效果的同時，降低了污水處理成本，同時還可以減少磁介質混合物的污染，為污泥進入脫水處理工藝環(huán)節(jié)提供便利。

現(xiàn)有的磁介質分離回收技術是將剩余的污泥淤渣抽入高速剪切機，將混有磁介質的絮狀物進行打散分解，由于高速剪切機特殊的內部機械構造和內部通道產(chǎn)生較大的剪切力，使絮狀物中的磁介質還原成單體狀態(tài)，為后續(xù)的磁介質回收提供便利。單體自由狀態(tài)的磁介質與污水共同流入磁介質分離機中，磁介質分離機中的固定磁極會將磁介質從污水中抽離并吸附在轉筒表面，被吸附的磁介質隨著轉筒的轉動通過低磁區(qū)，并從磁介質出口卸下，剩余的非磁介質物質在重力作用下，由分離槽流向非磁介質物質出口，從而實現(xiàn)磁介質的分離[4]。

1.4 磁混凝沉淀技術的優(yōu)勢

磁混凝沉淀技術相較于傳統(tǒng)的污水處理技術工藝具有污水處理效率高、處理總量大、能耗低、占地面積小、適應范圍廣、自動化程度高以及操作管理方便等優(yōu)勢。

2 磁混凝沉淀技術的工藝流程

磁混凝沉淀系統(tǒng)由混凝裝置、沉淀裝置、磁介質分離回收裝置以及檢測控制裝置組成。磁混凝沉淀技術的工藝流程如圖1所示。

圖1 混凝沉淀技術工藝流程圖

2.1 磁混凝沉淀技術工藝介紹

磁混凝裝置由T1快速混合反應池、T2磁介質混合反應池和T3絮凝反應池三部分組成。污水經(jīng)過T1快速混合反應池，反應池中添加了聚丙烯酰胺（PAM）混凝劑，通過快速攪拌使之與污水混合物快速混合后通過T2磁介質混合反應池，在T2反應池中加入磁介質，同樣通過快速攪拌使磁介質與T1反應池流出的混合物相混合，污水混合物在T3絮凝反應池中通過助凝劑的添加和攪拌，加快磁介質的絮凝反應。需要注意的是，在T3絮凝反應池中的攪拌速率應相對放緩，避免因攪拌速度過快而使絮凝體被破壞，致使磁介質絮凝失敗[5]。

污水混合物在經(jīng)過混凝裝置后進入沉淀池，通常選用上向流斜板（管）沉淀，沉淀裝置包括沉淀區(qū)、污泥濃縮區(qū)、清水區(qū)、配水區(qū)以及緩沖區(qū)等。絮凝團在沉淀區(qū)快速沉淀，不易沉淀和沉淀速度較慢的小體量絮體沿著斜板向上流動，斜板與上升的流速形成自刮的過程，小體量絮體在該過程中不斷地互相碰撞和結合，使斜板上側的沉淀物的堆積量不斷增加，并受到重力作用影響開始下落。沉淀在沉淀池底的污泥通過刮泥機進行磁介質污泥回收，沉淀池將沉淀磁泥和水分離，分離后的水體由上側收集并流出，進入水處理的下一個環(huán)節(jié)。沉淀的磁泥經(jīng)由解絮機和磁介質分離回收機對磁介質進行分離、回收再利用，并將剩余污泥排出。

2.2 磁混凝沉淀技術的系統(tǒng)組成

2.2.1 藥劑添加系統(tǒng)

藥劑添加系統(tǒng)主要包括PAM藥劑添加系統(tǒng)、PAC藥劑添加系統(tǒng)、堿液添加系統(tǒng)。為了給水中的微生物生長提供良好的條件，需要在進水口位置安裝堿溶液添加裝置，以調節(jié)水體的酸堿值。通過添加兩類藥劑可以提高水中懸浮物的沉淀分離速度，第一類藥劑為氯化鐵（FeCl3）、聚合硫酸鐵（PFS）、聚合氯化鋁（PAC）；第二類藥劑為聚丙烯酰胺（PAM）。

藥劑添加系統(tǒng)包括藥劑罐2個、攪拌機2個、隔膜計量泵2個以及電子控制系統(tǒng)1個。由于出水水質的不確定性，藥劑添加裝置必須根據(jù)進水水體的水質隨時調整，故宜采用變頻調速控制，以便根據(jù)出水水質、進水量和絮凝效果對計量泵流量進行實時控制。由于磁介質可以實現(xiàn)后續(xù)的分離回收再利用，所以磁介質可以采用人工添加的方式加入至污水混合液中。

2.2.2 混合絮凝系統(tǒng)

污水經(jīng)過藥劑添加系統(tǒng)后需要一定的時間使藥劑與水體中的污染物質發(fā)生反應，因此混合絮凝系統(tǒng)需要為污水設置水流停滯時間?；旌闲跄到y(tǒng)主要分為四個部分：其一是水體酸堿調節(jié)池，通過加入堿性溶液調節(jié)水體的pH值，并調節(jié)至偏堿性狀態(tài)，pH值約為7～7.5；其二，PAC反應混合池，通過加入PAC藥劑使污水與混凝劑初步結合，絮凝成較小的絮狀體，與此同時，水體中的混凝劑和磷反應形成磷酸鹽，從而實現(xiàn)化學除磷；其三，在磁介質混合池中，磁介質與上個步驟中的較小絮狀體混合；其四，在PAM混合池中，PAM與更小的絮狀體進行充分混合，絮凝成更大的絮體，從而為后續(xù)水體在沉淀池中的快速沉淀提供便利。

混合絮凝系統(tǒng)的關鍵裝置是攪拌機，其攪拌機分為旋流式攪拌機和槳式攪拌機兩類，其中槳式攪拌機為快速攪拌機，通常將槳式攪拌機安裝在PAC混合池中，其作用是將加入到池中的PAC混凝劑快速攪拌并分散，使其與池內的水體均勻結合，提高懸浮顆粒表面的負電荷與混凝劑的中和速度，保持懸浮顆粒的脫穩(wěn)，促進其與混凝劑構成較小的絮狀體。另外，需要在磁介質混合池中安裝一臺攪拌機，通過攪拌機將含有磁介質的污泥和磁介質的快速混合，提高絮狀體的成型質量和速度。旋流式攪拌機為慢速攪拌機，通常將其安裝在PAM混合池中，其作用是在不破壞已結絮狀體的同時，實現(xiàn)PAM藥劑與絮狀體的充分混合，提高礬花的均質密度。

2.2.3 沉淀系統(tǒng)

沉淀系統(tǒng)的主要功能是將絮凝物與液體分離，使絮凝物在預沉區(qū)中迅速沉降，細小的絮狀物和不可溶的微粒會隨水流而上，流向清水收集區(qū)。在上升過程中，這些細小的絮狀物會相互撞擊，最終沉淀到池底。沉淀在池底的淤泥通過刮泥機進行回收，其中的一部分被排出用于回流，另一部分被送到淤泥收集池進行進一步處理。

沉淀系統(tǒng)主要由斜板（管）、WNG型懸掛式中心傳動刮泥機和集水槽構成。斜板（管）可以增大沉淀區(qū)的面積，縮短沉降距離，提高微粒的脫除率。同時，在斜板（管）中還可以進一步增大絮狀體，加速沉淀，使未進行沉淀的絮體沉淀。集水槽是用來收集上層的清質液體，水槽兩側有一個擋板，可以調整出水的高度，這樣就能控制水流時間和水流壓力。刮泥機主要用于收集沉淀在沉淀池底部的污泥，刮泥機的底部材料選用304不銹鋼，并進行鈍化處理，使其能夠在含有磁性的污泥中長期穩(wěn)定地工作。

2.2.4 磁介質污泥分離回收系統(tǒng)

磁介質污泥分離回收系統(tǒng)的作用是加速沉淀，并將刮泥機所收集的污泥輸送到磁介質混合池中，剩余的含磁介質污泥通過磁介質分離回收裝置，實現(xiàn)對磁介質的再次利用，這樣不僅能減少含磁介質污泥對環(huán)境的污染，還能將磁介質再次回收轉化為資源，從而節(jié)約污水處理的資金。

磁介質污泥分離回收系統(tǒng)主要包括剩余污泥泵、回流污泥泵、高速剪切機、污泥螺桿泵以及磁分離裝置等。磁分離裝置和高速剪切機可以實現(xiàn)對磁介質的高效回收，剩余污泥泵、回流污泥泵、污泥螺桿泵則起到輸送污泥的作用。

3 磁混凝沉淀技術與電鍍廢水處理技術的對比實驗

3.1 實驗目的

探索磁混凝沉淀技術替代電鍍廢水初沉池的可行性及最佳工藝參數(shù)。

3.2 實驗方法

通過重量法可以測定電鍍廢水懸浮物的濃度，并采用控制變量法探索電鍍廢水磁混凝的工藝參數(shù)，從而測定電鍍廢水磁粉的回收率。

3.3 實驗結果

3.3.1 電鍍廢水懸浮物測量結果和原水自然沉降實驗

電鍍廢水懸浮物濃度測定結果為：SS=5.8 g/L。

原水自然沉降實驗：將250 mL的原水放置于500 mL的量筒中，在不添加任何藥劑的情況下，進行自然沉降實驗。實驗結果：原水的自然沉降終點時間為20 min，上清液體積為60 mL，所占比例為24%，在未添加藥劑和磁介質的情況下，電鍍廢水原水的沉降速度慢，沉降時間長，沉淀5 min僅得能到25 mL的上清液；沉淀20 min后污泥上清液的體積維持在60 mL，上清液體積占比僅為24%，說明該電鍍廢水的原水污泥含量高達76%，很難沉降。

3.3.2 磁混凝對比試驗一（PAM定量）

磁混凝對比試驗1：取4組250 mL的原水分別置于500 mL的量筒中，分別加入0 g、0.5 g、1 g、2 g的CZ-1磁粉，攪拌，再分別加入4 mL的PAM（1 g/L）藥劑，攪拌停止后開始計時，記錄上清液的體積與沉降時間。實驗結果：在PAM用量為4 mL時，CZ-1磁粉用量越大，沉降時間越短，沉降后的上清液體積越大；磁粉的使用在沉降初期顯著提升了沉降速度，縮短了沉降時間，且污泥體積得到壓縮。綜合來看，最佳的磁粉用量為1 g/250 mL，即4 g/L。

3.3.3 磁混凝對比實驗二（磁介質定量）

磁混凝對比實驗：取4組250 mL原水分別置于500 mL量筒中，分別加入1 g的CZ-1磁粉，攪拌后再分別加入2 mL、3 mL、4 mL的PAM（1 g/L）藥劑，攪拌停止后開始計時，記錄上清液的體積與沉降時間。實驗結果：在CZ-1磁粉用量為4 g/mL時，PAM用量超過2 mL后，增大PAM用量提升沉降速度的效果不明顯，沉降時間僅略有縮短，沉降后的上清液體積增大；綜合來看，最佳PAM用量為2 mL/250 mL，即8 mL/L。因此，可以看出4 g/L的CZ-1磁粉+8 mL/L的PAM（1 g/L）的效果和成本較優(yōu)。

3.3.4 CZ-1磁粉回收率實驗

在4 g/L的CZ-1磁粉+8 mL/L的PAM（1 g/L）條件下，將沉淀得到的污泥置于解絮機中解絮60 s，解絮后的污泥通過磁回收裝置，磁回收裝置吸附的磁性物用清水洗滌（帶磁吸力）60 s，再將磁性物用濾紙包裹置于烘箱內，在105 ℃下烘烤2 h后稱重。磁粉的回收率為（4.15-3.17）÷1×100%=98%

3.3.5 藥劑成本的計算

以4 g/L的CZ-1磁粉+8 mL/L的PAM（1 g/L）的藥劑成本計算，在上清液體積量為105 mL，所占比例為42%時，磁粉的消耗成本為0.16元/噸，PAM成本為0.08元/噸，藥劑成本總計為0.24元/噸。

4 結語

根據(jù)對比實驗結果分析可知，磁混凝沉淀技術具有運營成本低、磁粉損耗低的特點，磁混凝沉淀技術的應用適用于現(xiàn)階段的污水處理需求，而且利用磁混凝沉淀技術還可以實現(xiàn)對磁介質資源的循環(huán)利用，從而提高資源的利用率。