磁混凝沉淀技術(shù)處理微污染水體

　　磁混凝沉淀處理技術(shù)是新興的污水處理技術(shù)，該技術(shù)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(tuán)，實(shí)現(xiàn)固液分離，將污染物去除，從而達(dá)到處理污水的目的。磁混凝沉淀整套工藝占地相當(dāng)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(fèi)用投入；同時(shí)其水力負(fù)荷高、藥劑投加量少，有效減少污水處理成本，經(jīng)濟(jì)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(lǐng)域受到廣泛青睞，被認(rèn)為是一種極具發(fā)展前景的污水處理技術(shù)。本研究擬利用磁混凝沉淀技術(shù)對(duì)南京應(yīng)天大街忠字河微污染河水進(jìn)行試驗(yàn)研究，探究磁混凝處理技術(shù)的最佳運(yùn)行條件，確定適宜的工藝參數(shù)，并分析磁混凝的除污機(jī)理，為微污染河道水的治理提供技術(shù)參考。

　　1、材料與方法

　　1.1 試驗(yàn)水質(zhì)

　　試驗(yàn)用水取自南京應(yīng)天大街忠字河微污染河道水，原水水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

　　1.2 儀器和試劑

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

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

　　1.3 試驗(yàn)方法

　　采用六聯(lián)攪拌機(jī)進(jìn)行磁混凝靜態(tài)試驗(yàn)，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(cè)定TP、COD和SS指標(biāo)。根據(jù)各指標(biāo)檢測(cè)結(jié)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(shí)間等因素對(duì)磁混凝效果的影響，進(jìn)而探究磁混凝的去除機(jī)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(cè)定，COD采用消解法測(cè)定，SS采用重量法測(cè)定。

　　2、結(jié)果與討論

　　2.1 不同磁粉對(duì)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(cè)，探究不同磁粉對(duì)污染水中各污染物的去除效果，結(jié)果如圖1所示。

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

　　由于磁混凝過(guò)程中包含磁粉與污泥的分離階段，因此在選擇磁粉時(shí)，需同步考慮磁粉的磁性強(qiáng)弱以便后續(xù)污泥與磁粉分離。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度，2#磁粉具有較合理的矯頑力，對(duì)比分析，4#磁粉對(duì)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(duì)象。

　　2.2 磁粉投加量對(duì)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(jí)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(cè)定水質(zhì)。攪拌條件同2.1節(jié)，結(jié)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(zhì)保持在1～2mg/L范圍內(nèi)。磁粉投加量逐漸增至100mg/L，TP去除率逐漸提升，并達(dá)到最大值82.9%，持續(xù)增加磁粉投加量，TP去除率開(kāi)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(shì)，當(dāng)磁粉投加量為180mg/L時(shí)，去除率達(dá)到最大值為65%，處理出水COD的質(zhì)量濃度約為7mg/L，COD去除率趨于穩(wěn)定。

　　磁粉投加量對(duì)SS去除效果的影響較小，而對(duì)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?yàn)榇欧郾缺砻娣e大，可產(chǎn)生物理吸附作用，將有機(jī)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(dá)到飽和，多余的磁粉開(kāi)始互相吸附團(tuán)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(tuán)聚，導(dǎo)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(shì)，主要是由于磁粉在溶液中帶正電荷，而TP在水中是以有機(jī)磷與無(wú)機(jī)磷的形態(tài)存在，無(wú)機(jī)磷是以磷酸鹽的結(jié)構(gòu)存在并帶負(fù)電荷，隨著磁粉投加量的增多，吸附效果明顯。當(dāng)磁粉投加過(guò)量時(shí)，在PAC、PAM的吸附架橋作用下，磁粉結(jié)合污泥顆粒，形成大量小絮凝團(tuán)，在攪拌作用下，進(jìn)一步擴(kuò)大復(fù)合絮凝團(tuán)體積。污水中活性污泥表面帶負(fù)電荷，隨著絮凝團(tuán)體積擴(kuò)大，表面負(fù)電荷逐漸增強(qiáng)，對(duì)帶負(fù)電荷的無(wú)機(jī)磷產(chǎn)生排斥作用越大，導(dǎo)致無(wú)機(jī)磷不易附著到絮凝團(tuán)上沉淀去除。因此，出現(xiàn)磁粉投加過(guò)量時(shí)TP去除率下降的現(xiàn)象。最終，綜合考慮投加量的經(jīng)濟(jì)性與處理效果，選用磁粉投加量為100mg/L。

　　2.3 PAC投加量對(duì)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(jìn)行試驗(yàn)，靜沉完全后取上清液檢測(cè)，并與未投加磁粉常規(guī)混凝處理效果對(duì)比，考察PAC投加量對(duì)污染物去除效果的影響，結(jié)果如圖3所示。

　　由圖3可知，當(dāng)采用常規(guī)混凝時(shí)，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(dá)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(dāng)采用磁混凝處理污水時(shí)，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(shì)，最高去除率分別為84.9%與40.7%。當(dāng)PAC投加量超過(guò)60mg/L時(shí)，由于PAM的投加量固定，未能滿足與PAC的配比絮凝，導(dǎo)致單一超量投加PAC，未能提高出水水質(zhì)。

　　通過(guò)對(duì)比可知，磁混凝對(duì)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?yàn)榇欧劬哂休^大的比表面積與表面活性能，當(dāng)吸附一定量未溶解游離態(tài)的有機(jī)物時(shí)，可降低其表面活性能，從而達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在不斷吸附與磁性聚合時(shí)形成團(tuán)狀沉淀，與PAC、PAM在水中絮凝團(tuán)可較好地結(jié)合，形成復(fù)合磁性絮凝團(tuán)。因此，投加磁粉對(duì)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(duì)提高去除SS、TP效果不明顯。綜合分析，當(dāng)PAC投加量為60mg/L時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益及出水水質(zhì)均較好。

　　2.4 藥劑投加順序?qū)Υ呕炷Ч挠绊?/p>

　　以60mg/LPAC、100mg/L4#磁粉、1.0mg/LPAM作為投加試劑，探究投加順序?qū)Υ呕炷Ч挠绊懀贸鲎顑?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(cè)定，探究投藥方式對(duì)磁混凝處理效果的影響，結(jié)果如表3所示。

　　由表3可知，第③種投加方式對(duì)磁混凝處理效果最佳，出水COD濃度明顯優(yōu)于其他試驗(yàn)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(yàn)組相近。其中，第①種方式處理水的各項(xiàng)指標(biāo)皆劣于投加磁粉處理水，且沉淀澄清時(shí)間最長(zhǎng)。

　　當(dāng)先投加磁粉時(shí)，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(nèi)，隨著磁粉投加量的增加，提高了對(duì)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(jié)合，通過(guò)有機(jī)高分子的架橋作用，使磁粉、懸浮物、絮凝劑結(jié)合成粒徑大、密實(shí)的“磁性復(fù)合體”，快速沉降。

　　當(dāng)后加入磁粉時(shí)，磁粉易于先結(jié)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(yīng)去除COD、TP，形成雙級(jí)處理，進(jìn)一步提高出水水質(zhì)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(dǎo)致其去除效果不突出;同時(shí)，溶液中固體顆粒較少，導(dǎo)致團(tuán)聚凝結(jié)核減少，使膠粒碰撞次數(shù)降低，不易形成較大的絮凝團(tuán)，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(yàn)組，同時(shí)沉淀時(shí)間比投加磁粉處理要長(zhǎng)15min。綜合對(duì)比，應(yīng)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(shí)間對(duì)出水SS的影響

　　絮凝團(tuán)沉淀時(shí)間對(duì)基建投資和出水水質(zhì)有較大影響，以SS為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比探究磁混凝與常規(guī)混凝對(duì)絮凝團(tuán)沉淀時(shí)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(cè)水質(zhì)，共30min。攪拌條件同2.1節(jié)，考察沉淀時(shí)間對(duì)SS去除效果的影響，結(jié)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(zhì)量濃度已經(jīng)接近1mg/L，去除率在80%以上，處理效果趨于穩(wěn)定，最終達(dá)0.8mg/L。而常規(guī)混凝出水在靜沉5min后SS的質(zhì)量濃度為3mg/L，當(dāng)沉淀時(shí)間達(dá)20min時(shí)，SS去除效果趨于平穩(wěn)，質(zhì)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(shí)間，可在短時(shí)間內(nèi)分離水體所含懸浮顆粒，遠(yuǎn)超常規(guī)混凝效果。

　　這是因?yàn)橥都哟欧叟c常規(guī)混凝劑相結(jié)合形成磁性復(fù)合體，增大絮凝團(tuán)的密度，使絮凝團(tuán)沉降速度加快，從而起到助沉效果。序批式運(yùn)行時(shí)可極大限度地縮短沉淀時(shí)間，連續(xù)式運(yùn)行時(shí)可以大大提高水力負(fù)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(duì)傳統(tǒng)混凝沉淀設(shè)施進(jìn)行擴(kuò)容升級(jí)改造。同時(shí)，磁粉具有微磁性能，使含磁絮凝團(tuán)互相緊密聚集，污泥層體積減少，污泥含水率大大降低，這對(duì)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(guò)剪切機(jī)、磁分離機(jī)回收重復(fù)利用，降低磁粉損耗使得運(yùn)行成本降低。因此，通過(guò)投加磁粉與絮凝劑進(jìn)行磁混凝反應(yīng)，使非磁性污染物附帶磁性得到實(shí)現(xiàn)，且操作簡(jiǎn)便、效果穩(wěn)定、運(yùn)行成本低，適用于污水處理工程。

　　3、結(jié)論

　　(1)飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和矯頑力的大小對(duì)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(yīng)強(qiáng)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?qū)Υ呕炷幚淼某鏊|(zhì)有影響。最佳處理方案是：采用“磁粉+PAC+PAM”投加順序，當(dāng)磁粉投加量為100mg/L，PAC投加量為60mg/L，PAM投加量為1.0mg/L時(shí)，對(duì)SS、TP、COD的去除率分別可達(dá)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(shí)間，將磁混凝技術(shù)與其他污水處理工藝相結(jié)合，改善了混凝絮體的沉淀性能，操作簡(jiǎn)便，效果穩(wěn)定。(來(lái)源：中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司江蘇分院)