磁混凝沉淀技術(shù)處理污水

水是生命之源，它孕育和滋養(yǎng)了地球上的一切生命，并從各個方面為人類社會服務(wù)。水資源的短缺和水環(huán)境污染已經(jīng)嚴(yán)重威脅著人類的健康和安全，制約著經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展。水資源保護(hù)和水污染防治已成為人類能否實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵問題，引起全世界的普遍關(guān)注，污水處理技術(shù)得到不斷發(fā)展。
現(xiàn)代污水處理技術(shù)，按原理可分為物理處理法、化學(xué)處理法和生物化學(xué)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(tài)的污染物質(zhì)，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(xué)處理法是利用化學(xué)反應(yīng)的作用，分離回收污水中處于各種形態(tài)的污染物質(zhì)，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(xué)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(tài)的有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的無害物質(zhì)。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(shí)質(zhì)是對水中污染物進(jìn)行分離和轉(zhuǎn)化，而轉(zhuǎn)化的最終產(chǎn)物大多需經(jīng)分離予以除去，所以，分離是污水處理過程非常重要的一環(huán)，直接影響到處理的效果和成本，顯然，強(qiáng)化分離過程對污水處理技術(shù)水平的提高具有重要意義。借助外加磁粉加強(qiáng)絮凝效果，提高沉淀效率，無疑是強(qiáng)化分離過程的有效手段。因此，筆者對磁性絮團(tuán)的形成機(jī)理和形成規(guī)律進(jìn)行了初步探討，通過試驗(yàn)，取得了磁混凝沉淀工藝的最佳參數(shù)，從而為磁混凝沉淀技術(shù)在水處理中的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。
1 磁混凝沉淀技術(shù)簡介
所謂磁混凝沉淀技術(shù)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(jié)合成一體，以加強(qiáng)混凝、絮凝的效果，使生成的絮體密度更大、更結(jié)實(shí)，從而達(dá)到高速沉降的目的。磁粉可以通過磁鼓回收循環(huán)使用。
整個工藝的停留時間很短，因此對包括TP 在內(nèi)的大部分污染物，出現(xiàn)反溶解過程的機(jī)率非常小，另外系統(tǒng)中投加的磁粉和絮凝劑對細(xì)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(tǒng)工藝要好。同時由于其高速沉淀的性能，使其與傳統(tǒng)工藝相比，具有速度快、效率高、占地面積小、投資小等諸多優(yōu)點(diǎn)。
以前，磁混凝沉淀技術(shù)在水處理工程中實(shí)際應(yīng)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(xiàn)在這一技術(shù)難題已被成功解決，磁粉回收率可達(dá)99 ％以上，這樣，磁混凝沉淀工藝的技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢就得到了充分體現(xiàn)，在國內(nèi)外得到了越來越廣泛地應(yīng)用。目前，美國有15 000 t/d 的市政污水處理項(xiàng)目采用了磁混凝沉淀技術(shù)。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(shù)的中試已經(jīng)完成，均取得了較好的結(jié)果。該技術(shù)的應(yīng)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(shí)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(jī)理初探
根據(jù)混凝機(jī)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(zhì)，使膠體或絮團(tuán)的吸引能大于排斥能而促進(jìn)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(jī)理進(jìn)行了闡述，他認(rèn)為，含磁絮團(tuán)的形成與不含磁絮團(tuán)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(jié)果表明，磁粉表面呈負(fù)電性（ζ=-10.5 mV）。由此可以推斷，含磁絮團(tuán)的形成經(jīng)歷如下：首先，混凝劑水解產(chǎn)生的正離子由于吸附電中和作用聚集于帶負(fù)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(jìn)一步將凝聚體絮凝成大絮團(tuán)而沉淀。由此可見，有磁粉參與的磁絮凝反應(yīng)與沒有磁粉參與的絮凝反應(yīng)沒有本質(zhì)區(qū)別，磁粉與其他的細(xì)微懸浮顆粒一樣，混凝劑的作用機(jī)理對它同樣起作用，已有的混凝理論對磁絮凝反應(yīng)同樣具有指導(dǎo)意義，所有的強(qiáng)化混凝措施都將促進(jìn)磁絮凝反應(yīng)的進(jìn)行。
3 磁粉的回收
傳統(tǒng)的磁粉回收裝置有格柵型、鼓型、帶型等，最常用的為轉(zhuǎn)鼓式。它的主要部分由固定的磁系和在磁系外面轉(zhuǎn)動的非磁性圓筒構(gòu)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(yùn)載黏附在其表面上的磁性物質(zhì)，其工作原理如圖1 所示。

圖1 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)鼓的一端進(jìn)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(zhuǎn)動，被帶至磁系邊緣的低磁區(qū)，并從磁性物質(zhì)出口卸下，非磁性物質(zhì)則在重力的作用下，沿分離槽流至非磁性物質(zhì)出口排出，完成磁性物質(zhì)和非磁性物質(zhì)的分離過程。
4 磁混凝沉淀技術(shù)的工藝流程及工藝參數(shù)
2007 年年底，10 000 t/d 的磁混凝沉淀試驗(yàn)裝置在北京清河污水處理廠進(jìn)行了為期2 個月的試驗(yàn)，取得了良好的效果。第2 年，運(yùn)用該項(xiàng)技術(shù)的5 萬t/d 的市政污水處理項(xiàng)目在該廠建成并投入運(yùn)行。筆者將以該工程為例，介紹磁混凝沉淀技術(shù)的工藝流程及最佳工藝參數(shù)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(jīng)格柵初步分離后，進(jìn)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(jìn)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(jìn)入3 級混合池，與在此加入的助凝劑PAM 進(jìn)行反應(yīng)，生成較大的絮體顆粒，最后進(jìn)入沉淀池快速沉降，出水進(jìn)入下一道處理工序。
經(jīng)沉淀池沉淀下來的污泥，部分經(jīng)污泥回流泵回流到2 級混合池繼續(xù)參與反應(yīng)，另一部分則經(jīng)高剪切機(jī)進(jìn)行污泥剝離，并進(jìn)入磁鼓進(jìn)行磁粉回收，回收的磁粉再次進(jìn)入2 級混合池繼續(xù)參與反應(yīng)，剩余污泥則進(jìn)入后續(xù)污泥處理系統(tǒng)。加藥間調(diào)配好的PAC 和PAM 溶液由加藥泵輸送至各加藥點(diǎn)。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(shù)的確定
在污水處理中，COD、總磷、濁度是幾項(xiàng)最常用的指標(biāo)，下面我們通過對這幾項(xiàng)指標(biāo)的測定，分析磁混凝沉淀工藝的最佳運(yùn)行參數(shù)。試驗(yàn)中，源水為清河污水處理廠總進(jìn)水。現(xiàn)將基本工藝條件及參數(shù)列于表1。
表1 基本工藝條件及參數(shù)

4. 2. 1加料順序?qū)ο到y(tǒng)運(yùn)行的影響
保持其他工況不變分別試驗(yàn)以下3 種加料順序?qū)Υ判跄磻?yīng)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(jié)果列于表2。
表2 上清液測試結(jié)果

從以上數(shù)據(jù)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(yīng)該是磁粉加入太晚，趕不上參加混凝反應(yīng)，未能形成磁性絮團(tuán)。
4. 2. 2攪拌條件對系統(tǒng)運(yùn)行的影響
保持其他參數(shù)不變，分別調(diào)節(jié)3 個混合池中攪拌機(jī)的運(yùn)行頻率，記錄下各種組合下葉輪的轉(zhuǎn)數(shù)和相應(yīng)的污水水質(zhì)指標(biāo)，得出如下結(jié)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(jī)會，但是，攪拌速度并非越快越好，當(dāng)攪拌速度達(dá)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(tǒng)運(yùn)行的影響
保持其他參數(shù)不變，將PAM 投加質(zhì)量濃度恒定，調(diào)節(jié)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(biāo)，并計算出各項(xiàng)污染物的去除率，將試驗(yàn)結(jié)果繪于圖3 中。
從圖3 中可以看出，系統(tǒng)對COD 的去除率保持在75 %以上，當(dāng)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(zhì)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(dāng)PAC 投加量在30 mg/L 以內(nèi)時，系統(tǒng)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(dá)到97 %，當(dāng)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(dá)99.3 %。具體參見更多相關(guān)技術(shù)文檔。
系統(tǒng)對濁度的去除率基本都可以維持在95 %以上，當(dāng)投藥量在25 mg/L 以內(nèi)時，隨著投藥量的增加，濁度的去除率有明顯提高，可以達(dá)到99 %，當(dāng)投藥量繼續(xù)增大，濁度去除率提高不明顯。
綜上，在PAM 投加質(zhì)量濃度恒定的條件下，當(dāng)PAC的投加質(zhì)量濃度（以Al2O3計）在25～30 mg/L 之間時，各項(xiàng)污染物指標(biāo)都有較好的降低，隨著PAC 投加質(zhì)量濃度的繼續(xù)增大，各項(xiàng)污染物去除率均沒有明顯提高，因此，最佳的PAC 投加質(zhì)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(jié)
通過以上分析可以知道，磁混凝沉淀技術(shù)用于市政污水處理是非常有效和經(jīng)濟(jì)的。從污染物的去除效果上來講，因?yàn)橛写判晕镔|(zhì)參與混凝反應(yīng)，形成的絮團(tuán)更緊密、結(jié)實(shí)，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(yīng)生成的絮團(tuán)比普通混凝反應(yīng)生成的絮團(tuán)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(shè)備為例，5 萬t/d的處理量，全部設(shè)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(jié)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(jié)構(gòu)或其他材料作為設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)，可以采用工廠預(yù)制，現(xiàn)場安裝的方式，可大大加快施工進(jìn)度。以清河污水處理廠磁處理設(shè)備為例，5 萬t/d 的處理設(shè)備從開始定貨到安裝、調(diào)試到投入運(yùn)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(shù)與傳統(tǒng)工藝相比，具有較好的污染物去除效果，較小的建設(shè)投入和較快的建設(shè)周期，同時，其運(yùn)行管理簡便、啟動快捷，值得在水處理行業(yè)推廣應(yīng)用。

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