磁絮凝深度处理生活污水

段志辉，李 彦，李光柱，樊林栋，胡培源，李亚男

(1.太原理工大学环境科学与工程学院，太原 030024; 2.中核新能核工业工程有限责任公司，太原 030012)

我国水资源匮乏，且城市水污染严重[1]，节能高效地处理生活污水是水处理领域的一个重要课题。目前，常规生活污水工艺主要采用一级物理处理和二级生化处理[2]，然而传统工艺的处理效果较差[3]。污水的深度处理是新兴的水处理技术，也是污水厂提标改造的有效途径[4]。

磁絮凝技术是一种典型的污水深度处理技术，因其处理成本低、沉降速度快、回收率高、出水水质好而在国内外广泛应用[5]。磁絮凝是指在混凝剂存在的条件下，通过投加磁种与絮凝剂结合形成磁性絮凝体，利用自重或磁分离技术去除目标污染物的方法[6]。同时，磁种可回收重复利用，操作简单，经济适用。

本研究利用磁絮凝技术处理生活污水处理厂二沉池出水，采用单因素和正交实验，通过对CODcr、SS、NH3-N和TP等指标的考察，确定了磁絮凝技术处理生活污水的最佳工艺参数，探索磁絮凝机理，以期为该技术在生活污水处理领域的广泛应用提供参考。

1 实验部分

1.1 原水与试剂

原水采自太原市某污水处理厂二沉池出水，该厂6月份二沉池出水水质指标为：pH为7.23～7.51；CODcr为20.1～58.4 mg/L；NH3-N为0.65～4.77 mg/L；TP为0.5～2.25 mg/L；SS为4.8～8 mg/L。可见，二沉池出水水质基本符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)的一级B标准。

试剂：磁粉Fe3O4(优级纯，99%)聚合氯化铝 PAC(分析纯，含量以氯化铝计不少于28%)；聚丙烯酰胺PAM(分析纯，90%)；氢氧化钠。

1.2 实验方法

取二沉池出水1 L，采用六联恒温搅拌机来控制实验的搅拌温度、速度和时间。混凝实验由以下三阶段组成：第一阶段为快速搅拌阶段。向原水中分别依次加入PAC、磁粉、PAM后进行快速搅拌，溶液中首先加入PAC，此时分子粒径小，碰撞絮凝概率低，需要大的转速以加快絮凝。加入磁粉后，此时溶液中小分子的有机物已被PAC絮凝起来，粒径变大，选择中等转速即可。相对应的，PAM是把小分子的絮凝物凝聚成大颗粒的絮凝物。此时溶液中均为大粒径颗粒，选择较小转速即可。因此设定PAC、磁粉、PAM对应的搅拌速度为400、350、250 r/min，均搅拌1 min；第二阶段为慢速搅拌絮凝阶段。搅拌速度和时间为90 r/min和30 min[7]；第三阶段为静置沉淀阶段。静置沉淀时间为1 h。混凝实验完成后，于液面以下2 cm处取上清液，分别测定上清液的化学需氧量(CODCr)、悬浮固体(SS)、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)、污泥含水率等指标。根据以上工艺参数，研究磁絮凝的去除效果，即考察药剂投加量、药剂投加顺序对出水指标去除率的影响及磁粉对絮体含水率的影响。最后通过正交试验，确定磁絮凝技术处理生活污水二沉池出水的最佳工艺条件。

1.3 水质指标及分析方法

本实验中测定的水质指标为：CODcr、SS、TP、NH3-N、pH，分别采用高温消解-重铬酸钾法、重量法、钼酸铵分光光度法、纳氏试剂分光光度法和pH计法进行测定，具体测定方法见《水和废水监测方法》(第四版)[8]。

2 结果与讨论

2.1 磁粉对含水率的影响

混凝过程中，絮凝体含水率低时，更便于回收利用。加入磁粉进行混凝实验后，磁粉和悬浮物所形成的絮体可作为磁种回收利用。

经测定，常规絮凝的絮凝体(混凝剂和悬浮物形成的絮体)和磁絮凝体的含水率分别为99.56%和56.90%。可见，磁絮凝的含水率比常规絮凝体的至少低43%，磁粉会大大降低絮凝体的含水率。这是因为加入磁粉后，水中悬浮物与磁粉亲和[7]，从而产生吸附作用，使得孔隙水降低，形成的磁絮凝体紧密严实，因此含水率较低。

2.2 药剂投加量对磁絮凝的影响

2.1.1 PAM投加量对磁絮凝效果的影响

为研究PAM投加量对出水指标去除率的影响，采用单因素实验，在控制pH、温度、PAC投加量和磁粉投加量的情况下，改变PAM投加量，以确定PAM的最佳投加量及其对磁絮凝的影响。查阅参考文献，可知磁絮凝反应的最佳pH值为8[9]。反应各阶段控制pH为8，温度为20 ℃，PAC加入量为30 mg/L，磁粉投加量为100 mg/L，PAM的投加量分别为0、0.5、1.0、1.5、2.0 mg/L。

PAM投加量对COD、SS、TP、NH3-N的去除效果见图1。可见，投加PAM对COD、SS、TP、NH3-N均有一定程度的去除效果。随着PAM投加量的增加，COD、TP、SS的去除率先增加后降低，当PAM投量为1 mg/L时，达到最大。PAM具有长链结构，可通过吸附架桥和网捕卷扫作用[10]，使原本细小松散的磁絮凝体变得密实。PAM作为助凝剂，与磁粉结合使用可提高目标污染物的沉降性能[11]。但是，当PAM投加过量时，会因为胶体再稳而使出水指标的去除率降低[12]。因此，PAM最佳投加量可确定为1 mg/L。但是磁絮凝技术对于低浓度NH3-N的去除率较低，效果不显著[13]。

图1 PAM投加量对出水指标去除率的影响Fig.1 The impact of PAM dosage on removal rate of effluent index

2.1.2 PAC投加量对磁絮凝效果的影响

为研究PAC投加量对出水指标去除率的影响，采用单因素实验，在控制pH、温度、PAM投加量和磁粉投加量的情况下，改变PAC投加量，以确定PAC的最佳投加量及其对磁絮凝的影响。反应各阶段控制pH为8，温度为室温(20 ℃)。PAM投加量为1.0 mg/L，磁粉投加量为100 mg/L，PAC的投加量分别为10、20、30、40、50 mg/L。

图2是PAC投加量对COD、SS、TP、NH3-N的去除效果。可见，随着PAC投加量的增加，COD、TP、NH3-N的去除率逐渐升高后降低，当PAC投量达到40 mg/L时，去除率达到最大。加入PAC后，多核羟基离子增多，促进了胶粒的吸附架桥作用[14]，使得去除率升高。而PAC投加过量时，多核羟基离子过多，会影响电中和效应，同时产生胶体保护和自身缠绕现象[15]，从而降低了磁絮凝效果。因此，PAC最佳投加量是40 mg/L。PAC投加量的改变对SS的去除率的影响不显著，但去除效果很好，基本稳定在89%左右。

图2 PAC投加量对出水指标去除率的影响Fig.2 The impact of PAC dosage on removal rate of effluent index

2.1.3 磁粉投加量对磁絮凝效果的影响

为研究磁粉投加量对出水指标去除率的影响，采用单因素实验，在控制pH、温度、PAC投加量和PAM投加量的情况下，改变磁粉投加量，以确定磁粉的最佳投加量及其对磁絮凝的影响。反应各阶段控制pH为8，温度为室温(20 ℃)。PAM投加量为1.0 mg/L，PAC投加量为30 mg/L，磁粉的投加量分别为0、50、100、150、200 mg/L。

磁粉投加量对COD、SS、TP、NH3-N的去除效果见图3。可见，投加磁粉对二沉池出水中COD和NH3-N的去除效果较好。随着磁粉投加量的不断增大，COD、NH3-N的去除率先增加后减小，在100 mg/L时去除率达到最大值。这归因于以下三个原因：一是磁粉在水中会产生附加电位，即磁吸引力，从而在混凝过程中充当凝结核心[16]。二是磁性颗粒可降低水中污染物的负电荷，形成沉降速度较快的磁絮凝体[17]。三是磁性颗粒之间有适中的涡旋离心惯性力，有助于凝聚成含水率较低的较大磁絮凝体[18]。这与Lohwacharin[19]的研究结果一致，即磁粉和污染物的物理和表面电荷的相互作用改善了出水水质。然而磁粉投加量超过100 mg/L时，磁吸引力表现过强，从而会破坏磁絮凝体的稳定，且其沉降速度达到极限，导致去除率降低[20]。因此，磁粉最佳投加量为100 mg/L。磁粉投加量的改变对TP、SS去除率的影响均不显著。

每次磁絮凝结束后，将磁粉和悬浮物所形成的絮体作为回收的磁种，可使之再次进入原系统作为磁种进行投加。因此磁粉可以重复回收使用[10]，环保且节约能源资源。

图3 磁粉投加量对出水指标去除率的影响Fig.3 The impact of magnetic powder dosage on removal rate of effluent index

2.3 药剂投加顺序对磁絮凝效果的影响

为研究药剂投加顺序对出水指标去除率的影响，在控制pH、温度、PAC投加量、PAM投加量和磁粉投加量的条件下，改变药剂的投加顺序，以确定最优的投加顺序及其对磁絮凝的影响。反应各阶段控制pH为8，温度为室温(20 ℃)，控制PAC(30 mg/L)、磁粉(100 mg/L)、PAM(1 mg/L)为最佳投加量，在混凝实验的第一阶段，改变药剂投加顺序如下：①PAC、磁粉、PAM；②PAC、PAM、磁粉；③磁粉、PAC、PAM；④PAC+磁粉、PAM。实验确定最优药剂投加顺序及其对磁絮凝的影响。

图4列出了4种药剂投加顺序对COD、SS、TP、NH3-N的去除效果。由图4可知，在③的投加顺序下各个指标的去除率相对来说最佳，即为磁粉+PAC+PAM。磁粉加入水中后，会形成磁吸引力来吸附水中的胶体或悬浮物，形成紧凑密实的磁絮凝体，从而使得出水指标去除率升高[21]。投加顺序①②均是后加入磁粉，此时絮凝体已经形成，混凝接近尾声，磁粉没有时间参与反应，反而成为污染源影响出水水质[14]。投加顺序④是同时加入PAC和磁粉，再加入PAM，其去除率较低的原因可能是PAC和磁粉同时存在，水中悬浮固体太多，导致粒子间的有效碰撞降低，很难形成磁凝结核心。

图4 药剂投加顺序对出水指标去除率的影响Fig.4 The impact of dosing sequence on removal rate of effluent index

2.4 磁絮凝最佳工艺参数的确定

本实验通过采用正交实验来确定磁絮凝的最佳工艺条件，分析正交实验结果，可得出影响磁絮凝的主次因素顺序。同时根据单因素实验结果，设计4因素3水平正交实验，见表3。其中，药剂投加顺序为磁粉+PAC+PAM。

表1 正交实验因素水平表Tab.1 Factor level table of orthogonal experiments

正交实验分析结果见表4。采用综合加权平均法来确定正交实验的最佳方案，设定各检测指标COD、NH3-N、SS、TP的权重分别为0.4、0.1、0.25、0.25，可得综合评分OD[12]。对OD直观分析可知，最佳实验方案是A2B3C1D2，即磁絮凝最佳工艺参数是，磁粉投加量为100 mg/L，PAC投加量为40 mg/L，PAM投加量为0.5 mg/L，pH为8，药剂投加顺序为磁粉+PAC+PAM。在最佳条件下，COD、SS、TP的去除率分别达到89%、97%、74%，基本能达到一级A标准。

通过极差分析可得出各因素对磁絮凝影响程度的顺序为：磁粉投加量> pH值>PAM投加量>PAC投加量。磁粉的投加量是影响磁絮凝的最主要因素，这说明磁粉的加入提高了生活污水的处理效果。次要影响因素是pH值，这是因为pH的改变会影响颗粒间的静电斥力[16]，pH过低或过高时，静电斥力较大，影响了磁絮凝体核心的形成，会降低絮凝效果。

表2 正交实验结果Tab.2 The results of orthogonal experiments

3 结 语

本研究采集太原市某污水处理厂二沉池出水作为实验用水，采用实验室烧杯实验，主要得出如下结论。

(1)磁絮凝技术的最佳工艺参数是pH为8，PAM、PAC、磁粉投加量分别为0.5、40、100 mg/L。最优药剂投加顺序为磁粉、PAC、PAM。在最佳条件下，COD、SS、TP的去除率分别达到89%、97%、74%。影响磁絮凝的主要因素是磁粉投加量，次要因素是pH值。

(2)相比于常规污水处理，磁絮凝深度处理生活污水投入成本低，磁絮凝体沉降速度快，磁粉重复回收利用率高，出水效果好。经过磁絮凝处理后COD、SS、TP、NH3-N的浓度可实现由一级B标准提高到为一级A标准，为该技术在我国污水处理厂广泛应用提供理论依据。

(3)磁絮凝处理生活污水效果好的原因在于磁吸引力的形成、磁性颗粒之间的涡旋离心惯性力和磁粉改变水中污染物表面电荷的能力。