磁混凝沉淀技術(shù)工藝應(yīng)用參數(shù)及磁介質(zhì)物理特性的確定

易 洋，陳立（通信作者），唐珍建，任成全

（中建環(huán)能科技股份有限公司 四川 成都 610045）

0 引言

磁混凝沉淀技術(shù)與高密沉淀技術(shù)的基本原理相同，磁混凝沉淀技術(shù)相對(duì)高密沉淀的差異和優(yōu)勢(shì)均在于“加入比重大的磁介質(zhì)作為載體，極大加強(qiáng)其重力沉降性”，那么磁介質(zhì)作為磁混凝技術(shù)實(shí)施的重要載體［1］，其特性參數(shù)就直接決定了該工藝的技術(shù)可行性。 磁混凝沉淀技術(shù)工程化應(yīng)用至今，其工藝應(yīng)用參數(shù)和磁介質(zhì)粒徑特性都處于定性階段，只能通過現(xiàn)象解釋問題。 鑒于此，研究人員基于對(duì)磁混凝沉淀技術(shù)近10 年的研究和工程化應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該技術(shù)包括磁泥比和系統(tǒng)含固量等工藝應(yīng)用參數(shù)以及磁介質(zhì)粒徑特性進(jìn)行定量化。

1 磁混凝工藝應(yīng)用參數(shù)

1.1 磁泥比

磁泥比是指系統(tǒng)中磁介質(zhì)與污泥之間的質(zhì)量比例，理論上磁泥比越大越好，因?yàn)榇拍啾仍酱?，絮團(tuán)密度越大，沉降速度就越高，但是磁泥比過高，排出相同的尾泥對(duì)應(yīng)需要提供更大流量的剩余磁泥，增加了磁回收機(jī)的工作負(fù)荷，同時(shí)降低了系統(tǒng)抗沖擊能力。

1.1.1 研究方法

將系統(tǒng)含固量控制在4 000 mg/L 左右，在最佳攪拌條件下，采用直接觀測(cè)沉降界面法考察磁泥比分別為0 ∶1、0.5 ∶1、1.0 ∶1、1.5 ∶1、2.0 ∶1、2.5 ∶1、3.0 ∶1、3.5 ∶1、4.0 ∶1、4.5 ∶1 時(shí)的沉降速度。 其測(cè)試方法為：取容量為1 L 的透明玻璃量筒，清洗干凈后烤干，取1 L 不同磁泥比的系統(tǒng)漿料，直接倒入量筒，觀測(cè)量筒內(nèi)物料群的沉降高度，記錄不同沉降時(shí)間點(diǎn)的物料群沉降高度，并計(jì)算出沉降速度。

1.1.2 最佳磁泥比范圍的確定

磁泥比與沉降速度關(guān)系曲線如圖1 所示。

圖1 不同磁泥比條件下的沉降速度

由圖1 可以看出：隨著磁泥比增加，沉淀速度隨著增加，但高于2.0 ∶1 時(shí)，沉降速度增加明顯減弱，尤其是高于3.5 ∶1 之后，增速更加放緩，如果繼續(xù)提高磁泥比，不但會(huì)降低污泥的回流量，影響藥劑的再利用，增加藥劑耗量，還會(huì)增加磁介質(zhì)的耗量，從而增加運(yùn)行成本。

1.2 系統(tǒng)含固量

系統(tǒng)含固量對(duì)于磁混凝水處理技術(shù)而言，是一個(gè)至關(guān)重要的影響因素，可以直接決定該工藝混絮凝效果和運(yùn)行成本。 調(diào)節(jié)系統(tǒng)含固量的方法主要是通過調(diào)節(jié)回流磁泥和剩余磁泥的流量來實(shí)現(xiàn)：系統(tǒng)含固量偏高時(shí)，可以通過降低回流磁泥的流量，提高剩余磁泥的流量，來降低系統(tǒng)含固量；系統(tǒng)含固量偏低時(shí)，可以通過提高回流磁泥的流量，降低剩余磁泥的流量，來提高系統(tǒng)含固量。

1.3 研究方法

以相同磁泥比為基準(zhǔn)值，分別設(shè)置不同的磁泥比下回流磁泥流量為：1 000 mL/h、1 500 mL/h、2 000 mL/h、2 500 mL/h、3 000 mL/h、3 500 mL/h、4 000 mL/h、4 500 mL/h、5 000 mL/h、6 000 mL/h、7 500 mL/h，測(cè)量系統(tǒng)的含固量變化情況。 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：當(dāng)磁泥比小于2.0 ∶1 時(shí)，回流磁泥流量對(duì)系統(tǒng)含固量有較大的影響；當(dāng)磁泥比大于3.5 ∶1 時(shí)，回流磁泥流量對(duì)系統(tǒng)含固量的影響較小。 因此，最佳磁泥比區(qū)間應(yīng)設(shè)定在2.0 ∶1 ～3.5 ∶1。 磁泥濃度是衡量磁泥回收率的重要指標(biāo)之一，也是評(píng)價(jià)磁泥回收效率的一個(gè)重要參數(shù)。 磁泥濃度越高，磁泥回收率越低。 磁泥濃度通常被表示為單位體積內(nèi)的磁泥含量，即g/L 或mg/L。 磁泥回收率是指系統(tǒng)中磁泥的總重量占磁泥總量的比例，反映著磁泥回收的效果。 磁泥回收率越高，說明磁泥回收效果越好。 磁泥回收率通常被表示為百分之幾［2-3］。 因此，研究磁混凝工藝應(yīng)用參數(shù)時(shí)，僅以G值與GT 值作為混凝攪拌控制指標(biāo)，而引入包含絮凝體的大小、密度等信息的“分形維數(shù)”（df）［4］這一概念，作為混凝效果控制指標(biāo)，其變化可以反映絮凝體的在一定攪拌條件下的形成過程及規(guī)律。 分形維數(shù)通過計(jì)算絮凝體的投影面積與最大周長(zhǎng)之間的函數(shù)關(guān)系來確定：

式（1）中：A—為絮凝體的投影面；

L—為投影的最大周長(zhǎng)；

α—為比例常數(shù)；

df—為絮凝體的二維分形維數(shù)。

用大肚移液管取出少量按特定條件混凝后的懸濁液，置于載玻片上（取樣不宜過多，以便清晰觀測(cè)絮體圖像），在顯微鏡下觀測(cè)，并在連接于電子顯微鏡攝像鏡頭及視頻影像捕捉器的電子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行圖像處理，測(cè)量出不同絮體的A和L，再根據(jù)lnA和lnL的直線關(guān)系作圖，就可以得到分形維數(shù)。 一個(gè)樣本（一張載玻片）上可以采集若干絮團(tuán)的圖像，每一個(gè)絮團(tuán)有一個(gè)對(duì)應(yīng)的A和L值，進(jìn)而可得到lnA和lnL，因此一個(gè)樣本可以得到若干個(gè)對(duì)應(yīng)的數(shù)值點(diǎn)，通過Excel 處理數(shù)據(jù)，可得到擬合直線，其斜率就是分形維數(shù)df。 每組平行試驗(yàn)得到的dfA和dfB就是兩個(gè)分形維數(shù)，求其均值作為該組試驗(yàn)的分形維數(shù)df。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，當(dāng)磁泥比小于2.0 ∶1 時(shí)，系統(tǒng)的含固量較低，絮團(tuán)較小且分散性強(qiáng)；當(dāng)磁泥比大于3.5 ∶1時(shí)，系統(tǒng)的含固量較高，絮團(tuán)較大且聚集性較強(qiáng)。 這說明磁泥比對(duì)系統(tǒng)的含固量具有明顯的調(diào)控作用。 此外，在相同磁泥比下，加入不同的磁粒徑，也會(huì)改變絮團(tuán)形態(tài)。

2.1 磁泥比與絮團(tuán)形態(tài)的關(guān)系

磁泥比是磁混合物中磁顆粒數(shù)量與非磁顆粒數(shù)量的比例，它決定了磁混合物中的磁化強(qiáng)度和磁化方向。 由于磁泥比的不同，所以磁混合物中磁粒子間的距離也會(huì)有所不同，這會(huì)影響到磁混合物內(nèi)部的磁場(chǎng)分布情況。 在磁泥比較大的情況下，磁粒子間距較遠(yuǎn)，磁化力相對(duì)較弱；而在磁泥比較小時(shí)，磁粒子間距越近，磁化力越大。 因此，磁泥比越高，絮團(tuán)的凝聚度越差，形狀越扁平；反之則相反。

2.2 最佳系統(tǒng)含固量范圍的確定

為尋求磁混凝工藝最佳的系統(tǒng)含固量，以合流制市政污水治理工程為具體研究對(duì)象，在最優(yōu)工藝條件下，采取絮凝池中水樣代表系統(tǒng)含固量，檢測(cè)和計(jì)算其中絮團(tuán)的分形維數(shù)，從而建立系統(tǒng)含固量-df 曲線，加以確定系統(tǒng)含固量的最佳范圍。 在最佳工藝條件下，絮凝池中含固量-df 曲線如圖2 所示。

由圖2 可以看出：系統(tǒng)中含固量逐步由1 000 mg/L增加到3 000 mg/L，df 值呈增大趨勢(shì)，混凝效果逐漸提高，究其原因，主要體現(xiàn)在4 個(gè)方面：（1）隨著含固量增加，絮體體積增大，絮體內(nèi)部的空隙度減??；（2）隨著含固量增加，絮體表面積減少，絮體對(duì)流場(chǎng)的干擾作用增強(qiáng)；（3）隨著含固量增加，絮體的運(yùn)動(dòng)受阻程度加大，絮體的運(yùn)動(dòng)速率減慢。 （4）磁泥比。 磁泥比是指磁化材料的含量與磁化介質(zhì)的比例，它決定了磁化材料在水中的分布情況以及磁化介質(zhì)的使用壽命，磁泥比越高，磁化物質(zhì)在水中分散得越多，磁化介質(zhì)的使用壽命也就更短；反之則相反。 磁泥比的選擇應(yīng)考慮以下5 個(gè)方面的問題：（1）磁化材料的性質(zhì)；（2）磁化介質(zhì)的性能；（3）磁化材料的成本；（4）磁化介質(zhì)的耐久性；（5）磁化材料的使用方式。 磁泥比的最佳選擇，由于磁泥比的影響較大，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，一般來說，磁泥比應(yīng)該保持在2.5 ∶1 左右，這樣既能夠保證絮體的良好形成，又不會(huì)使磁化介質(zhì)的使用壽命縮短。 此外，磁泥比過高會(huì)導(dǎo)致絮體過于細(xì)小，難以被分離；磁泥比過低會(huì)影響絮體的形成質(zhì)量。 因此，磁泥比的選擇要結(jié)合具體情況進(jìn)行判斷。

而當(dāng)系統(tǒng)含固量高于6 000 mg/L 時(shí)，df 值反而呈下降趨勢(shì)，且系統(tǒng)含固量增加越多，df 值下降越厲害，混凝效果逐漸變差，且會(huì)導(dǎo)致沉淀池含固量偏高，沉淀池出水“跑絮”，影響出水水質(zhì)，且降低系統(tǒng)的抗沖擊能力。

2.3 磁混凝工藝應(yīng)用參數(shù)的確認(rèn)

通過上述研究，磁介質(zhì)混凝沉淀水處理技術(shù)水處理系統(tǒng)最佳系統(tǒng)含固量為3 000～6 000 mg/L；最佳系統(tǒng)磁泥比為2.0 ∶1～3.5 ∶1，在此條件下，可提高藥劑的利用率和系統(tǒng)抗沖擊能力，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行條件“定量化”和智能化。

3 磁介質(zhì)物理特性

磁介質(zhì)作為磁介質(zhì)混凝沉淀水處理技術(shù)實(shí)施的重要載體，其物理特性就直接決定了該工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性。 磁介質(zhì)為四氧化三鐵（Fe3O4），是一種具有鐵磁性的黑色晶體，又被稱為磁鐵、磁石、吸鐵石等［5］，在磁場(chǎng)中向兩級(jí)定向移動(dòng)，同時(shí)具有能量。 磁介質(zhì)物理特性主要包括粒徑分布、磁性物含量和水分含量。 很顯然，磁介質(zhì)的磁性物含量越高越好，水分越低越好，那么磁介質(zhì)粒徑就是關(guān)鍵：一方面，如果僅僅根據(jù)混絮凝原理，磁介質(zhì)的粒徑越小越好，這樣磁介質(zhì)具有足夠大的比表面積，以便與藥劑充分反應(yīng)。 另一方面，前面確定的混凝方式和常用加載沉淀混凝攪拌強(qiáng)度條件下，磁介質(zhì)過粗，容易沉積甚至板結(jié)于反應(yīng)池池底中，影響磁介質(zhì)的使用效率。

3.1 研究方法

由于采取的試樣為漿料，包含有絮凝劑，所以所采用的篩分方法為濕法篩分。 篩分時(shí)先在盆內(nèi)盛放適量的清水（至少能夠淹沒篩面），將安裝有振動(dòng)裝置的0.25 mm的篩子放入盆內(nèi)，再把漿料試樣倒入細(xì)篩，打開振動(dòng)裝置的開關(guān)，篩子的振動(dòng)使液體來回通過孔篩，以松散物料層，打碎團(tuán)聚的顆粒，并使小于0.25 mm 的顆粒進(jìn)入水溶液中。 經(jīng)過一段時(shí)間后將篩子連同篩上物料移到另一個(gè)清水盆內(nèi)，繼續(xù)篩分，如此反復(fù)進(jìn)行，直到通過篩孔的顆粒數(shù)減少到與顆?？倲?shù)相比可以忽略不計(jì)的程度為止。 篩分結(jié)束后將篩下物（-0.25 mm）烘干稱重。

取一定質(zhì)量-0.25 mm 物質(zhì)，配置成濃度為15%的漿料，先經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室XCRS-74 型滾筒磁選機(jī)（激磁電流為3.5 A）粗選得到粗磁介質(zhì)，再采用CXG-90A 型磁選管提純，磁選管的激磁電流為2.5 A，得到純磁介質(zhì)。

3.2 磁介質(zhì)粒徑上限的確認(rèn)

以絮凝池池底沉積的磁介質(zhì)粒徑為上限，取自絮凝反應(yīng)池池底沉積物試樣進(jìn)行磁性物提純。 所得純磁介質(zhì)篩析結(jié)果如圖3 所示。

圖3 絮凝反應(yīng)池池底沉積物篩析結(jié)果

如圖3 所示各試樣粒度分析結(jié)果可以看出，沉積于反應(yīng)池池底的磁介質(zhì)絕大部分（92.79%）集中在＋100 目粒徑范圍內(nèi)，這部分磁介質(zhì)含量過高嚴(yán)重影響磁介質(zhì)的使用效率和磁介質(zhì)混凝沉淀水處理技術(shù)使用的經(jīng)濟(jì)性。

3.3 磁介質(zhì)粒徑下限的確認(rèn)

以磁回收機(jī)尾泥中流失的磁介質(zhì)粒徑為下限，取磁回收機(jī)尾泥試樣進(jìn)行磁性物提純，所得純磁介質(zhì)篩析結(jié)果如圖4 所示。

圖4 磁回收機(jī)尾泥篩析結(jié)果

如圖4 所示各試樣粒度分析結(jié)果可以看出，磁回收機(jī)尾泥中帶出的磁介質(zhì)絕大部分（88.99%）集中在-500 目范圍內(nèi)，這部分磁介質(zhì)含量過高同樣會(huì)嚴(yán)重影響磁介質(zhì)的使用效率和磁介質(zhì)混凝沉淀水處理技術(shù)使用的經(jīng)濟(jì)性。

3.4 磁介質(zhì)粒徑范圍的確認(rèn)

通過上述磁介質(zhì)粒徑上限和磁介質(zhì)粒徑下限的研究，確定磁介質(zhì)混凝沉淀水處理技術(shù)用磁介質(zhì)適用粒徑范圍為100～500 目之間。 在此粒徑范圍內(nèi)，磁介質(zhì)回收率和循環(huán)利用率均處于最優(yōu)狀態(tài)。 同時(shí)結(jié)合磁介質(zhì)生產(chǎn)用棒磨機(jī)出料粒徑呈正態(tài)分布的特點(diǎn)，研究人員篩析不同粒徑組成的棒磨磁介質(zhì)，確定＋100 目和-500 目?jī)煞N粒級(jí)顆粒質(zhì)量之和最小的磁介質(zhì)為磁介質(zhì)混凝沉淀水處理技術(shù)用磁介質(zhì)最佳粒徑范圍。 篩析結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同粒徑組成的棒磨磁介質(zhì)篩析結(jié)果

結(jié)合市場(chǎng)調(diào)研，確定磁介質(zhì)物理特性為：粒徑范圍為-150 目占70%～80%，水分含量＜3%，磁性物含量≥98%。工程應(yīng)用證明，在此物理特性條件下的磁介質(zhì)，回收率可達(dá)99.2%，可有效減少非磁性物質(zhì)的含量，降低運(yùn)行成本。

4 結(jié)論與建議

（1）磁介質(zhì)混凝沉淀水處理技術(shù)工程化應(yīng)用至今，其工藝應(yīng)用參數(shù)和磁介質(zhì)粒徑特性都處于定性階段，尚未實(shí)現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)定量化，只能通過現(xiàn)象解釋問題。

（2）磁介質(zhì)混凝沉淀水處理系統(tǒng)最佳系統(tǒng)磁泥比為2.0 ∶1～3.5 ∶1；最佳系統(tǒng)含固量為3 000 ～6 000 mg/L，在此條件下，可提高藥劑的利用率和系統(tǒng)抗沖擊能力，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行條件“定量化”和智能化。

（3）確定磁介質(zhì)最佳粒徑范圍為-150 目占70%～80%。 工程應(yīng)用證明，在此粒徑范圍的磁介質(zhì)，正常運(yùn)行狀態(tài)下磁介質(zhì)回收率可達(dá)99.2%，有效降低運(yùn)行成本。