磁混凝沉淀技術處理污水

水是生命之源，它孕育和滋養了地球上的一切生命，并從各個方面為人類社會服務。水資源的短缺和水環境污染已經嚴重威脅著人類的健康和安全，制約著經濟的進一步發展。水資源保護和水污染防治已成為人類能否實施可持續發展戰略的關鍵問題，引起全世界的普遍關注，污水處理技術得到不斷發展。
現代污水處理技術，按原理可分為物理處理法、化學處理法和生物化學處理法3 大類。物理處理法是利用物理作用分離污水中呈懸浮固體狀態的污染物質，方法有篩濾法、沉淀法、上浮法、氣浮法、過濾法和反滲透法等。化學處理法是利用化學反應的作用，分離回收污水中處于各種形態的污染物質，包括懸浮的、溶解的和膠體的。主要方法有中和、混凝、電解、氧化還原、汽提、萃取、吸附、離子交換和電滲析等。生物化學處理法是利用微生物的代謝作用，使污水中呈溶解、膠體狀態的有機污染物轉化為穩定的無害物質。主要方法可分為2 大類，即利用好氧微生物作用的好氧法和利用厭氧微生物作用的厭氧法。
縱觀以上處理方法可見，污水處理的實質是對水中污染物進行分離和轉化，而轉化的最終產物大多需經分離予以除去，所以，分離是污水處理過程非常重要的一環，直接影響到處理的效果和成本，顯然，強化分離過程對污水處理技術水平的提高具有重要意義。借助外加磁粉加強絮凝效果，提高沉淀效率，無疑是強化分離過程的有效手段。因此，筆者對磁性絮團的形成機理和形成規律進行了初步探討，通過試驗，取得了磁混凝沉淀工藝的最佳參數，從而為磁混凝沉淀技術在水處理中的應用創造了條件。
1 磁混凝沉淀技術簡介
所謂磁混凝沉淀技術就是在普通的混凝沉淀工藝中同步加入磁粉，使之與污染物絮凝結合成一體，以加強混凝、絮凝的效果，使生成的絮體密度更大、更結實，從而達到高速沉降的目的。磁粉可以通過磁鼓回收循環使用。
整個工藝的停留時間很短，因此對包括TP 在內的大部分污染物，出現反溶解過程的機率非常小，另外系統中投加的磁粉和絮凝劑對細菌、病毒、油及多種微小粒子都有很好的吸附作用，因此對該類污染物的去除效果比傳統工藝要好。同時由于其高速沉淀的性能，使其與傳統工藝相比，具有速度快、效率高、占地面積小、投資小等諸多優點。
以前，磁混凝沉淀技術在水處理工程中實際應用極少，原因是磁粉的回收問題一直沒有得到很好地解決。現在這一技術難題已被成功解決，磁粉回收率可達99 ％以上，這樣，磁混凝沉淀工藝的技術優勢和經濟優勢就得到了充分體現，在國內外得到了越來越廣泛地應用。目前，美國有15 000 t/d 的市政污水處理項目采用了磁混凝沉淀技術。我國在城市污水處理、中水回用、自來水處理、河道水處理、高磷廢水處理、造紙廢水處理、油田廢水處理等方面對該技術的中試已經完成，均取得了較好的結果。該技術的應用已在油田廢水東營勝利油田的一期工程（5 000 t/d）中開始實施，在北京清河處理廠，日處理量5 萬t 的磁處理工廠已建成并投入使用。
2 磁絮凝作用機理初探
根據混凝機理，加入混凝劑主要是通過改變膠體或懸浮顆粒的表面性質，使膠體或絮團的吸引能大于排斥能而促進凝聚，而加入絮凝劑的作用主要是通過架橋作用使顆粒聚集增大的。
陳文松在他的論文中對磁絮凝的作用機理進行了闡述，他認為，含磁絮團的形成與不含磁絮團的形成過程一樣，都是在混凝劑的作用下完成的。對磁粉的ζ電位的測試結果表明，磁粉表面呈負電性（ζ=-10.5 mV）。由此可以推斷，含磁絮團的形成經歷如下：首先，混凝劑水解產生的正離子由于吸附電中和作用聚集于帶負電荷的膠體顆粒和磁粉顆粒周圍；然后，由于靜電斥力的消失，膠體顆粒與磁粉顆粒之間以及它們自身之間通過范得華引力長大；最后，通過絮凝劑的架橋作用，進一步將凝聚體絮凝成大絮團而沉淀。由此可見，有磁粉參與的磁絮凝反應與沒有磁粉參與的絮凝反應沒有本質區別，磁粉與其他的細微懸浮顆粒一樣，混凝劑的作用機理對它同樣起作用，已有的混凝理論對磁絮凝反應同樣具有指導意義，所有的強化混凝措施都將促進磁絮凝反應的進行。
3 磁粉的回收
傳統的磁粉回收裝置有格柵型、鼓型、帶型等，最常用的為轉鼓式。它的主要部分由固定的磁系和在磁系外面轉動的非磁性圓筒構成。磁系的磁極極性沿圓周方向交替排列，沿軸向極性單一，磁系包角106～135 °[3]，圓桶是用來運載黏附在其表面上的磁性物質，其工作原理如圖1 所示。

圖1 轉鼓式磁粉回收裝置工作原理圖
含有磁粉和污泥的污水從轉鼓的一端進入分離裝置，固定磁極將磁性顆粒吸出并附著在滾筒表面，隨著滾筒的轉動，被帶至磁系邊緣的低磁區，并從磁性物質出口卸下，非磁性物質則在重力的作用下，沿分離槽流至非磁性物質出口排出，完成磁性物質和非磁性物質的分離過程。
4 磁混凝沉淀技術的工藝流程及工藝參數
2007 年年底，10 000 t/d 的磁混凝沉淀試驗裝置在北京清河污水處理廠進行了為期2 個月的試驗，取得了良好的效果。第2 年，運用該項技術的5 萬t/d 的市政污水處理項目在該廠建成并投入運行。筆者將以該工程為例，介紹磁混凝沉淀技術的工藝流程及最佳工藝參數的確定。
4. 1 工藝流程
磁混凝沉淀工藝流程見圖2。

圖2 磁混凝沉淀工藝流程圖
污水經格柵初步分離后，進入處理裝置的1 級混合池，同時向1 級混合池投加混凝劑PAC，二者充分混合后進入2 級混合池，在此與回收的磁粉和回流污泥混合絮凝，然后進入3 級混合池，與在此加入的助凝劑PAM 進行反應，生成較大的絮體顆粒，最后進入沉淀池快速沉降，出水進入下一道處理工序。
經沉淀池沉淀下來的污泥，部分經污泥回流泵回流到2 級混合池繼續參與反應，另一部分則經高剪切機進行污泥剝離，并進入磁鼓進行磁粉回收，回收的磁粉再次進入2 級混合池繼續參與反應，剩余污泥則進入后續污泥處理系統。加藥間調配好的PAC 和PAM 溶液由加藥泵輸送至各加藥點。PAC 投加到1 級混合池。PAM 投加到3 級混合池。
4. 2 最佳工藝參數的確定
在污水處理中，COD、總磷、濁度是幾項最常用的指標，下面我們通過對這幾項指標的測定，分析磁混凝沉淀工藝的最佳運行參數。試驗中，源水為清河污水處理廠總進水。現將基本工藝條件及參數列于表1。
表1 基本工藝條件及參數

4. 2. 1加料順序對系統運行的影響
保持其他工況不變分別試驗以下3 種加料順序對磁絮凝反應的影響。①先加PAC，再加入磁粉，然后加PAM；②同時加入磁粉和PAC，然后加PAM；③先加PAC，再加PAM，最后加磁粉。其中每種物料的投加間隔時間為2 min。針對以上3 種加料順序分別測試上清液的濁度，結果列于表2。
表2 上清液測試結果

從以上數據中可以看出，前兩種加料順序的效果基本相同，第3 種顯然不可取。究其原因，應該是磁粉加入太晚，趕不上參加混凝反應，未能形成磁性絮團。
4. 2. 2攪拌條件對系統運行的影響
保持其他參數不變，分別調節3 個混合池中攪拌機的運行頻率，記錄下各種組合下葉輪的轉數和相應的污水水質指標，得出如下結論：在1 級混合池和2 級混合池需要快速攪拌，以增加混凝劑、磁粉與污物的碰撞機會，但是，攪拌速度并非越快越好，當攪拌速度達到500 r/min 時，與250 r/min 的效果相差不大，因此，在1 級和2 級混合池宜采用250 r/min 的攪拌速度。在3 級混合池，宜采用較慢的攪拌速度，以免將生成的礬花打碎。該工藝條件下推薦80 r/min 的攪拌速度。
4. 2. 3混凝劑投加量對系統運行的影響
保持其他參數不變，將PAM 投加質量濃度恒定，調節PAC 的投加量（以Al2O3計），分別測試各種加藥量下的COD、總磷及濁度指標，并計算出各項污染物的去除率，將試驗結果繪于圖3 中。
從圖3 中可以看出，系統對COD 的去除率保持在75 %以上，當加藥量在25～30 mg/L 之間時，COD 的去除率在85 %左右，隨著PAC 投加質量濃度的提高，COD 去除率沒有明顯提高。

圖3 COD、總磷及濁度去除率隨PAC 投加量的變化曲線
當PAC 投加量在30 mg/L 以內時，系統對總磷的去除率隨著投加量的增加有顯著提高，去除率可以達到97 %，當投藥量超過30 mg/L 后，總磷去除率仍可隨加藥量的增加而提高，但趨勢放緩，維持在98 %～99 %之間，最高達99.3 %。具體參見更多相關技術文檔。
系統對濁度的去除率基本都可以維持在95 %以上，當投藥量在25 mg/L 以內時，隨著投藥量的增加，濁度的去除率有明顯提高，可以達到99 %，當投藥量繼續增大，濁度去除率提高不明顯。
綜上，在PAM 投加質量濃度恒定的條件下，當PAC的投加質量濃度（以Al2O3計）在25～30 mg/L 之間時，各項污染物指標都有較好的降低，隨著PAC 投加質量濃度的繼續增大，各項污染物去除率均沒有明顯提高，因此，最佳的PAC 投加質量濃度為25～30 mg/L，此時，COD、總磷、濁度的去除率分別為85%、97%、99%左右。
5 總結
通過以上分析可以知道，磁混凝沉淀技術用于市政污水處理是非常有效和經濟的。從污染物的去除效果上來講，因為有磁性物質參與混凝反應，形成的絮團更緊密、結實，且能吸附更多的污染物，因此，它比普通混凝沉淀工藝具有更好的污染物去除效果，尤其是對水中的油脂類污染物、總磷等的去除更是有著讓人滿意的效果。
由于有磁粉參與的混凝反應生成的絮團比普通混凝反應生成的絮團在密度上要大很多，所以其沉降速度要快很多，這樣，就可以大大縮短沉降時間，使池容大大減小，以清河污水處理廠磁處理設備為例，5 萬t/d的處理量，全部設施占地只有1 000 m2 左右。我們知道，同樣的處理能力，如果采用普通混凝沉淀工藝，光沉淀池占地就需2 000 m2 以上，因此，采用磁混凝沉淀工藝可以大大節省占地面積，減少基建投資。
由于其較小的池容，因此可以采用鋼結構或其他材料作為設備的主體結構，可以采用工廠預制，現場安裝的方式，可大大加快施工進度。以清河污水處理廠磁處理設備為例，5 萬t/d 的處理設備從開始定貨到安裝、調試到投入運行共歷時5 個多月，如果采用普通工藝是不可能做到的。
綜上，磁混凝沉淀技術與傳統工藝相比，具有較好的污染物去除效果，較小的建設投入和較快的建設周期，同時，其運行管理簡便、啟動快捷，值得在水處理行業推廣應用。

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