磁混凝沉淀技術處理微污染水體

　　磁混凝沉淀處理技術是新興的污水處理技術，該技術在常規(guī)絮凝劑與助凝劑中投加磁粉，利用磁粉密度大的特性，高效快速地沉淀絮凝團，實現(xiàn)固液分離，將污染物去除，從而達到處理污水的目的。磁混凝沉淀整套工藝占地相當于污水處理廠普通初沉池，能夠節(jié)約土地資源，減少基建費用投入；同時其水力負荷高、藥劑投加量少，有效減少污水處理成本，經濟效益顯著。因此，在城市污水處理、中水回用、河道水處理及高磷廢水處理等領域受到廣泛青睞，被認為是一種極具發(fā)展前景的污水處理技術。本研究擬利用磁混凝沉淀技術對南京應天大街忠字河微污染河水進行試驗研究，探究磁混凝處理技術的最佳運行條件，確定適宜的工藝參數(shù)，并分析磁混凝的除污機理，為微污染河道水的治理提供技術參考。

　　1、材料與方法

　　1.1 試驗水質

　　試驗用水取自南京應天大街忠字河微污染河道水，原水水質指標如表1所示。

　　1.2 儀器和試劑

　　儀器：哈希分光光度計(DR3900)、哈希消解器(DRB200)、六聯(lián)攪拌機(JJ-4)。

　　試劑：哈希COD、TP配套試劑、聚合氯化鋁(PAC，28%，工業(yè)級)、聚丙烯酰胺(PAM，陽離子50%離子度，工業(yè)級)、磁粉(主要成分Fe3O4，黑色粉末，1#~5#磁粉特性見表2)。

　　1.3 試驗方法

　　采用六聯(lián)攪拌機進行磁混凝靜態(tài)試驗，取500mL微污染河水置于1L燒杯中，投加不同種類、不同劑量藥劑(磁粉、PAC和PAM)，取上清液測定TP、COD和SS指標。根據各指標檢測結果，分析磁粉種類、磁粉投加量、絮凝劑投加量、藥劑投加順序、沉淀時間等因素對磁混凝效果的影響，進而探究磁混凝的去除機理，并確定最佳工藝參數(shù)。

　　1.4 分析方法

　　TP采用鉬銻抗分光光度法測定，COD采用消解法測定，SS采用重量法測定。

　　2、結果與討論

　　2.1 不同磁粉對磁混凝效果影響

　　在PAC投加量為50mg/L，PAM投加量為1.0mg/L，磁粉投加量為60mg/L的條件下，首先投加不同磁粉快速攪拌(250r/min)2min，再投加PAC快速攪拌(250r/min)2min，最后投加PAM，先快速攪拌(250r/min)1min，再慢速攪拌(80r/min)10min，靜沉5min后取上清液檢測，探究不同磁粉對污染水中各污染物的去除效果，結果如圖1所示。

　　由圖1可知，4#磁粉對TP去除效果最佳，去除率可達70%，處理后水中TP質量濃度為0.37mg/L;同時，還具有較好的SS去除效果，去除率高達93.3%，處理后水中SS質量濃度僅為1mg/L。2#、4#磁粉對污水COD處理效果顯著，去除率高達37%。

　　由于磁混凝過程中包含磁粉與污泥的分離階段，因此在選擇磁粉時，需同步考慮磁粉的磁性強弱以便后續(xù)污泥與磁粉分離。飽和磁感應強度與矯頑力是磁粉與污泥分離的重要參數(shù)。4#磁粉具有最優(yōu)的飽和磁感應強度，2#磁粉具有較合理的矯頑力，對比分析，4#磁粉對污染物有較好的去除效果，在污泥分離階段也具有較好的綜合性能，因此，選擇4#磁粉作為水處理研究對象。

　　2.2 磁粉投加量對磁混凝效果影響

　　在PAC投加量為50mg/L，磁粉投加量為60～300mg/L(以20mg/L為梯度逐級提高磁粉投加量)，PAM投加量為1mg/L的條件下，采用“磁粉+PAC+PAM”投加順序，靜沉5min取上清液測定水質。攪拌條件同2.1節(jié)，結果如圖2所示。

　　由圖2可知，隨著磁粉投加量增加，SS去除率始終保持在90%左右，處理出水水質保持在1～2mg/L范圍內。磁粉投加量逐漸增至100mg/L，TP去除率逐漸提升，并達到最大值82.9%，持續(xù)增加磁粉投加量，TP去除率開始下降，至60%左右逐漸趨于平穩(wěn)。COD去除率隨著磁粉投加量的增加整體呈逐步提高的趨勢，當磁粉投加量為180mg/L時，去除率達到最大值為65%，處理出水COD的質量濃度約為7mg/L，COD去除率趨于穩(wěn)定。

　　磁粉投加量對SS去除效果的影響較小，而對COD和TP的去除效果影響顯著。COD去除率隨著磁粉投加量的增加先快速上升后趨于穩(wěn)定，主要是因為磁粉比表面積大，可產生物理吸附作用，將有機污染物吸附至磁粉表面，形成沉淀污泥去除，隨著磁粉投加量達到飽和，多余的磁粉開始互相吸附團聚，快速沉降至底部，失去除COD功能;且參與吸附的磁粉互相團聚，導致磁粉有效吸附面積減少，使得COD去除率隨磁粉投加量增加而減緩，最終趨于穩(wěn)定。TP去除率隨磁粉投加量的增加呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，主要是由于磁粉在溶液中帶正電荷，而TP在水中是以有機磷與無機磷的形態(tài)存在，無機磷是以磷酸鹽的結構存在并帶負電荷，隨著磁粉投加量的增多，吸附效果明顯。當磁粉投加過量時，在PAC、PAM的吸附架橋作用下，磁粉結合污泥顆粒，形成大量小絮凝團，在攪拌作用下，進一步擴大復合絮凝團體積。污水中活性污泥表面帶負電荷，隨著絮凝團體積擴大，表面負電荷逐漸增強，對帶負電荷的無機磷產生排斥作用越大，導致無機磷不易附著到絮凝團上沉淀去除。因此，出現(xiàn)磁粉投加過量時TP去除率下降的現(xiàn)象。最終，綜合考慮投加量的經濟性與處理效果，選用磁粉投加量為100mg/L。

　　2.3 PAC投加量對磁混凝效果的影響

　　控制磁粉與PAM的投加量分別為100mg/L和1.0mg/L，以“磁粉+PAC+PAM”的投藥順序進行試驗，靜沉完全后取上清液檢測，并與未投加磁粉常規(guī)混凝處理效果對比，考察PAC投加量對污染物去除效果的影響，結果如圖3所示。

　　由圖3可知，當采用常規(guī)混凝時，隨著PAC投加量的增加，SS的去除率一直保持在90%左右，TP去除率緩慢增加，最高去除率可達80%，COD去除率也隨PAC投加量的增加逐漸提高，最高去除率為35.2%。當采用磁混凝處理污水時，SS的去除率穩(wěn)定在92%以上，TP與COD的去除率呈現(xiàn)先增加后平穩(wěn)的趨勢，最高去除率分別為84.9%與40.7%。當PAC投加量超過60mg/L時，由于PAM的投加量固定，未能滿足與PAC的配比絮凝，導致單一超量投加PAC，未能提高出水水質。

　　通過對比可知，磁混凝對污水SS、TP、COD的處理效果分別比常規(guī)混凝提高1%～3%、3%～5%、5%～14%，表明磁混凝工藝未能顯著提高去除SS、TP。這是因為磁粉具有較大的比表面積與表面活性能，當吸附一定量未溶解游離態(tài)的有機物時，可降低其表面活性能，從而達到穩(wěn)定狀態(tài)，在不斷吸附與磁性聚合時形成團狀沉淀，與PAC、PAM在水中絮凝團可較好地結合，形成復合磁性絮凝團。因此，投加磁粉對COD的去除有顯著提高，而污水中SS、TP去除主要是依靠PAC、PAM的絮凝作用，磁粉起到加速絮凝沉淀作用，其對提高去除SS、TP效果不明顯。綜合分析，當PAC投加量為60mg/L時，經濟效益及出水水質均較好。

　　2.4 藥劑投加順序對磁混凝效果的影響

　　以60mg/LPAC、100mg/L4#磁粉、1.0mg/LPAM作為投加試劑，探究投加順序對磁混凝效果的影響，得出最優(yōu)的磁混凝投加順序。分別采用4種投加方式，每組均靜沉后取上清液測定，探究投藥方式對磁混凝處理效果的影響，結果如表3所示。

　　由表3可知，第③種投加方式對磁混凝處理效果最佳，出水COD濃度明顯優(yōu)于其他試驗組，TP處理效果略優(yōu)于其他組，出水SS處理效果與②、④試驗組相近。其中，第①種方式處理水的各項指標皆劣于投加磁粉處理水，且沉淀澄清時間最長。

　　當先投加磁粉時，磁粉具有比表面積大的特性，能在物理作用下吸附部分COD、TP，在一定范圍內，隨著磁粉投加量的增加，提高了對COD、TP的去除。再投加PAC，使磁粉聚集絮凝，最后投加PAM，快速、慢速攪拌相結合，通過有機高分子的架橋作用，使磁粉、懸浮物、絮凝劑結合成粒徑大、密實的“磁性復合體”，快速沉降。

　　當后加入磁粉時，磁粉易于先結合PAC，從而失去吸附COD、TP的能力。因此，相比于其他投加方式，先投加磁粉可優(yōu)先去除出一部分的COD、TP，再與絮凝劑反應去除COD、TP，形成雙級處理，進一步提高出水水質效果。而未投加磁粉的水處理中，由于缺少磁粉吸附COD與TP，導致其去除效果不突出;同時，溶液中固體顆粒較少，導致團聚凝結核減少，使膠粒碰撞次數(shù)降低，不易形成較大的絮凝團，且處理水中殘留部分膠體，最終使得SS去除效果劣于其他試驗組，同時沉淀時間比投加磁粉處理要長15min。綜合對比，應優(yōu)先選用③藥劑投加方式作為磁混凝處理方案。

　　2.5 沉淀時間對出水SS的影響

　　絮凝團沉淀時間對基建投資和出水水質有較大影響，以SS為標準對比探究磁混凝與常規(guī)混凝對絮凝團沉淀時間的影響。在PAC投加量為60mg/L，磁粉投加量為100mg/L，PAM投加量為1.0mg/L，采用“磁粉+PAC+PAM”投加順序，每靜沉5min取上清液檢測水質，共30min。攪拌條件同2.1節(jié)，考察沉淀時間對SS去除效果的影響，結果如圖4所示。

　　由圖4可知，磁混凝處理水沉淀5min后，出水SS的質量濃度已經接近1mg/L，去除率在80%以上，處理效果趨于穩(wěn)定，最終達0.8mg/L。而常規(guī)混凝出水在靜沉5min后SS的質量濃度為3mg/L，當沉淀時間達20min時，SS去除效果趨于平穩(wěn)，質量濃度為1.4mg/L，由此表明，磁混凝工藝不僅提高污水處理效果，而且能極大程度地縮短水力停留時間，可在短時間內分離水體所含懸浮顆粒，遠超常規(guī)混凝效果。

　　這是因為投加磁粉與常規(guī)混凝劑相結合形成磁性復合體，增大絮凝團的密度，使絮凝團沉降速度加快，從而起到助沉效果。序批式運行時可極大限度地縮短沉淀時間，連續(xù)式運行時可以大大提高水力負荷，基建占地減小，節(jié)省土地資源。采用磁混凝處理污水改善了混凝絮體的沉淀性能，可用于對傳統(tǒng)混凝沉淀設施進行擴容升級改造。同時，磁粉具有微磁性能，使含磁絮凝團互相緊密聚集，污泥層體積減少，污泥含水率大大降低，這對方便污泥處理具有非凡的意義。而排出污泥中所含磁粉可通過剪切機、磁分離機回收重復利用，降低磁粉損耗使得運行成本降低。因此，通過投加磁粉與絮凝劑進行磁混凝反應，使非磁性污染物附帶磁性得到實現(xiàn)，且操作簡便、效果穩(wěn)定、運行成本低，適用于污水處理工程。

　　3、結論

　　(1)飽和磁感應強度和矯頑力的大小對磁粉與污泥分離有重要影響。4#磁粉具有最優(yōu)的飽和磁感應強度，表現(xiàn)出較優(yōu)異的綜合性能。

　　(2)磁粉用量、絮凝劑用量與投藥順序對磁混凝處理的出水水質有影響。最佳處理方案是：采用“磁粉+PAC+PAM”投加順序，當磁粉投加量為100mg/L，PAC投加量為60mg/L，PAM投加量為1.0mg/L時，對SS、TP、COD的去除率分別可達到94.6%、84.9%和40.7%。

　　(3)磁混凝工藝不僅能提高污水處理效果，而且能極大程度地縮短水力停留時間，將磁混凝技術與其他污水處理工藝相結合，改善了混凝絮體的沉淀性能，操作簡便，效果穩(wěn)定。(來源：中國市政工程西北設計研究院有限公司江蘇分院)