磁混凝沉淀技术在污水处理中的应用

刘大伟

（广东新大禹环境科技股份有限公司，广东 广州 510663）

随着水土资源的不断消耗、全球经济的快速发展和人口总量的不断提高，社会经济发展和日常生活所消耗的水资源需求量与日俱增，淡水资源正以惊人的速度消耗，仅凭大自然的生态循环进化系统已经无法满足人类生产生活的需要，因此需要在防治水资源污染的同时，提高污水处理再利用技术的改善进程。磁混凝沉淀技术是目前最新型的污水处理技术之一，在大型污水处理项目中得到了广泛应用。随着磁混凝沉淀技术的不断改进，提高了污染物的分离速率，实现了对含非导磁性污染物污水的净化处理。

1 磁混凝沉淀技术概述

1.1 磁混凝沉淀技术的概念

磁混凝沉淀技术是在传统混凝技术的基础上添加磁介质，使磁介质与污染物和混凝剂等相结合，形成磁性复合体，并利用磁分离装置和磁性复合体自身沉降快、比重大的特点，提高固液分离速率而去除污染物[1]。另外，磁介质通过磁分离回收装置，还可以实现对磁介质的回收和循环使用，因而节约了污水处理成本。

1.2 磁混凝沉淀技术的作用机理

磁介质在絮凝反应中与其他细微悬浮颗粒的作用相同，均起到晶核的作用。磁混凝沉淀技术的作用机理与其他絮凝反应基本相同，磁混凝沉淀技术也是以磁介质为絮体晶核，在污水混合物中添加磁介质、混凝剂和助凝剂，磁介质通过与污水混合物中的物质吸附、絮凝和架桥等作用，在电中和的作用下，使混凝剂所形成的正电离子与胶体粒子和磁性粒子附近的负电荷相吸附。随着静电磁场的逐渐消散，分子间的作用力使胶体粒子和磁性粒子聚集并扩大，形成较大的絮状物，即与污水中胶体颗粒、悬浮物相结合形成磁性复合体。磁介质在污水混合物中经过混凝剂和助凝剂的作用，使絮体的凝结重量和体积得到提高，并提高了磁介质吸附污染物的能力，相对密度和体量较大的絮体会加速沉淀，从而有效缩短了沉淀池的水力滞留时间，提高了污水混合物的沉降速度及固液分离工序的速度，从而实现了迅速将污染物与水体高效分离的目的[2]。

1.3 磁混凝沉淀技术的核心

1.3.1 磁介质的种类

磁介质是磁混凝沉淀技术的重要因素，其主要类型有磁性氧化铁和铁粉等，不同磁介质的有效物质含量、pH值和磁介质的颗粒粒径等因素都会影响污水的絮凝效果。另外，不同类型的磁介质会影响设备材质的选用，由于磁介质在搅拌、分离和回收等环节会对工艺设备造成一定的损耗，因此，技术人员需要根据实际情况审慎选择磁介质种类[3]。

1.3.2 磁介质的分离回收

磁混凝沉淀技术中较为关键的环节之一就是对磁介质的回收再利用环节。对磁介质的分离回收可以实现资源的再利用，在实现以废治废效果的同时，降低了污水处理成本，同时还可以减少磁介质混合物的污染，为污泥进入脱水处理工艺环节提供便利。

现有的磁介质分离回收技术是将剩余的污泥淤渣抽入高速剪切机，将混有磁介质的絮状物进行打散分解，由于高速剪切机特殊的内部机械构造和内部通道产生较大的剪切力，使絮状物中的磁介质还原成单体状态，为后续的磁介质回收提供便利。单体自由状态的磁介质与污水共同流入磁介质分离机中，磁介质分离机中的固定磁极会将磁介质从污水中抽离并吸附在转筒表面，被吸附的磁介质随着转筒的转动通过低磁区，并从磁介质出口卸下，剩余的非磁介质物质在重力作用下，由分离槽流向非磁介质物质出口，从而实现磁介质的分离[4]。

1.4 磁混凝沉淀技术的优势

磁混凝沉淀技术相较于传统的污水处理技术工艺具有污水处理效率高、处理总量大、能耗低、占地面积小、适应范围广、自动化程度高以及操作管理方便等优势。

2 磁混凝沉淀技术的工艺流程

磁混凝沉淀系统由混凝装置、沉淀装置、磁介质分离回收装置以及检测控制装置组成。磁混凝沉淀技术的工艺流程如图1所示。

图1 混凝沉淀技术工艺流程图

2.1 磁混凝沉淀技术工艺介绍

磁混凝装置由T1快速混合反应池、T2磁介质混合反应池和T3絮凝反应池三部分组成。污水经过T1快速混合反应池，反应池中添加了聚丙烯酰胺（PAM）混凝剂，通过快速搅拌使之与污水混合物快速混合后通过T2磁介质混合反应池，在T2反应池中加入磁介质，同样通过快速搅拌使磁介质与T1反应池流出的混合物相混合，污水混合物在T3絮凝反应池中通过助凝剂的添加和搅拌，加快磁介质的絮凝反应。需要注意的是，在T3絮凝反应池中的搅拌速率应相对放缓，避免因搅拌速度过快而使絮凝体被破坏，致使磁介质絮凝失败[5]。

污水混合物在经过混凝装置后进入沉淀池，通常选用上向流斜板（管）沉淀，沉淀装置包括沉淀区、污泥浓缩区、清水区、配水区以及缓冲区等。絮凝团在沉淀区快速沉淀，不易沉淀和沉淀速度较慢的小体量絮体沿着斜板向上流动，斜板与上升的流速形成自刮的过程，小体量絮体在该过程中不断地互相碰撞和结合，使斜板上侧的沉淀物的堆积量不断增加，并受到重力作用影响开始下落。沉淀在沉淀池底的污泥通过刮泥机进行磁介质污泥回收，沉淀池将沉淀磁泥和水分离，分离后的水体由上侧收集并流出，进入水处理的下一个环节。沉淀的磁泥经由解絮机和磁介质分离回收机对磁介质进行分离、回收再利用，并将剩余污泥排出。

2.2 磁混凝沉淀技术的系统组成

2.2.1 药剂添加系统

药剂添加系统主要包括PAM药剂添加系统、PAC药剂添加系统、碱液添加系统。为了给水中的微生物生长提供良好的条件，需要在进水口位置安装碱溶液添加装置，以调节水体的酸碱值。通过添加两类药剂可以提高水中悬浮物的沉淀分离速度，第一类药剂为氯化铁（FeCl3）、聚合硫酸铁（PFS）、聚合氯化铝（PAC）；第二类药剂为聚丙烯酰胺（PAM）。

药剂添加系统包括药剂罐2个、搅拌机2个、隔膜计量泵2个以及电子控制系统1个。由于出水水质的不确定性，药剂添加装置必须根据进水水体的水质随时调整，故宜采用变频调速控制，以便根据出水水质、进水量和絮凝效果对计量泵流量进行实时控制。由于磁介质可以实现后续的分离回收再利用，所以磁介质可以采用人工添加的方式加入至污水混合液中。

2.2.2 混合絮凝系统

污水经过药剂添加系统后需要一定的时间使药剂与水体中的污染物质发生反应，因此混合絮凝系统需要为污水设置水流停滞时间。混合絮凝系统主要分为四个部分：其一是水体酸碱调节池，通过加入碱性溶液调节水体的pH值，并调节至偏碱性状态，pH值约为7～7.5；其二，PAC反应混合池，通过加入PAC药剂使污水与混凝剂初步结合，絮凝成较小的絮状体，与此同时，水体中的混凝剂和磷反应形成磷酸盐，从而实现化学除磷；其三，在磁介质混合池中，磁介质与上个步骤中的较小絮状体混合；其四，在PAM混合池中，PAM与更小的絮状体进行充分混合，絮凝成更大的絮体，从而为后续水体在沉淀池中的快速沉淀提供便利。

混合絮凝系统的关键装置是搅拌机，其搅拌机分为旋流式搅拌机和桨式搅拌机两类，其中桨式搅拌机为快速搅拌机，通常将桨式搅拌机安装在PAC混合池中，其作用是将加入到池中的PAC混凝剂快速搅拌并分散，使其与池内的水体均匀结合，提高悬浮颗粒表面的负电荷与混凝剂的中和速度，保持悬浮颗粒的脱稳，促进其与混凝剂构成较小的絮状体。另外，需要在磁介质混合池中安装一台搅拌机，通过搅拌机将含有磁介质的污泥和磁介质的快速混合，提高絮状体的成型质量和速度。旋流式搅拌机为慢速搅拌机，通常将其安装在PAM混合池中，其作用是在不破坏已结絮状体的同时，实现PAM药剂与絮状体的充分混合，提高矾花的均质密度。

2.2.3 沉淀系统

沉淀系统的主要功能是将絮凝物与液体分离，使絮凝物在预沉区中迅速沉降，细小的絮状物和不可溶的微粒会随水流而上，流向清水收集区。在上升过程中，这些细小的絮状物会相互撞击，最终沉淀到池底。沉淀在池底的淤泥通过刮泥机进行回收，其中的一部分被排出用于回流，另一部分被送到淤泥收集池进行进一步处理。

沉淀系统主要由斜板（管）、WNG型悬挂式中心传动刮泥机和集水槽构成。斜板（管）可以增大沉淀区的面积，缩短沉降距离，提高微粒的脱除率。同时，在斜板（管）中还可以进一步增大絮状体，加速沉淀，使未进行沉淀的絮体沉淀。集水槽是用来收集上层的清质液体，水槽两侧有一个挡板，可以调整出水的高度，这样就能控制水流时间和水流压力。刮泥机主要用于收集沉淀在沉淀池底部的污泥，刮泥机的底部材料选用304不锈钢，并进行钝化处理，使其能够在含有磁性的污泥中长期稳定地工作。

2.2.4 磁介质污泥分离回收系统

磁介质污泥分离回收系统的作用是加速沉淀，并将刮泥机所收集的污泥输送到磁介质混合池中，剩余的含磁介质污泥通过磁介质分离回收装置，实现对磁介质的再次利用，这样不仅能减少含磁介质污泥对环境的污染，还能将磁介质再次回收转化为资源，从而节约污水处理的资金。

磁介质污泥分离回收系统主要包括剩余污泥泵、回流污泥泵、高速剪切机、污泥螺杆泵以及磁分离装置等。磁分离装置和高速剪切机可以实现对磁介质的高效回收，剩余污泥泵、回流污泥泵、污泥螺杆泵则起到输送污泥的作用。

3 磁混凝沉淀技术与电镀废水处理技术的对比实验

3.1 实验目的

探索磁混凝沉淀技术替代电镀废水初沉池的可行性及最佳工艺参数。

3.2 实验方法

通过重量法可以测定电镀废水悬浮物的浓度，并采用控制变量法探索电镀废水磁混凝的工艺参数，从而测定电镀废水磁粉的回收率。

3.3 实验结果

3.3.1 电镀废水悬浮物测量结果和原水自然沉降实验

电镀废水悬浮物浓度测定结果为：SS=5.8 g/L。

原水自然沉降实验：将250 mL的原水放置于500 mL的量筒中，在不添加任何药剂的情况下，进行自然沉降实验。实验结果：原水的自然沉降终点时间为20 min，上清液体积为60 mL，所占比例为24%，在未添加药剂和磁介质的情况下，电镀废水原水的沉降速度慢，沉降时间长，沉淀5 min仅得能到25 mL的上清液；沉淀20 min后污泥上清液的体积维持在60 mL，上清液体积占比仅为24%，说明该电镀废水的原水污泥含量高达76%，很难沉降。

3.3.2 磁混凝对比试验一（PAM定量）

磁混凝对比试验1：取4组250 mL的原水分别置于500 mL的量筒中，分别加入0 g、0.5 g、1 g、2 g的CZ-1磁粉，搅拌，再分别加入4 mL的PAM（1 g/L）药剂，搅拌停止后开始计时，记录上清液的体积与沉降时间。实验结果：在PAM用量为4 mL时，CZ-1磁粉用量越大，沉降时间越短，沉降后的上清液体积越大；磁粉的使用在沉降初期显著提升了沉降速度，缩短了沉降时间，且污泥体积得到压缩。综合来看，最佳的磁粉用量为1 g/250 mL，即4 g/L。

3.3.3 磁混凝对比实验二（磁介质定量）

磁混凝对比实验：取4组250 mL原水分别置于500 mL量筒中，分别加入1 g的CZ-1磁粉，搅拌后再分别加入2 mL、3 mL、4 mL的PAM（1 g/L）药剂，搅拌停止后开始计时，记录上清液的体积与沉降时间。实验结果：在CZ-1磁粉用量为4 g/mL时，PAM用量超过2 mL后，增大PAM用量提升沉降速度的效果不明显，沉降时间仅略有缩短，沉降后的上清液体积增大；综合来看，最佳PAM用量为2 mL/250 mL，即8 mL/L。因此，可以看出4 g/L的CZ-1磁粉+8 mL/L的PAM（1 g/L）的效果和成本较优。

3.3.4 CZ-1磁粉回收率实验

在4 g/L的CZ-1磁粉+8 mL/L的PAM（1 g/L）条件下，将沉淀得到的污泥置于解絮机中解絮60 s，解絮后的污泥通过磁回收装置，磁回收装置吸附的磁性物用清水洗涤（带磁吸力）60 s，再将磁性物用滤纸包裹置于烘箱内，在105 ℃下烘烤2 h后称重。磁粉的回收率为（4.15-3.17）÷1×100%=98%

3.3.5 药剂成本的计算

以4 g/L的CZ-1磁粉+8 mL/L的PAM（1 g/L）的药剂成本计算，在上清液体积量为105 mL，所占比例为42%时，磁粉的消耗成本为0.16元/吨，PAM成本为0.08元/吨，药剂成本总计为0.24元/吨。

4 结语

根据对比实验结果分析可知，磁混凝沉淀技术具有运营成本低、磁粉损耗低的特点，磁混凝沉淀技术的应用适用于现阶段的污水处理需求，而且利用磁混凝沉淀技术还可以实现对磁介质资源的循环利用，从而提高资源的利用率。