磁絮凝技术在水处理中的应用与前景

庞治邦，姚吉伦，刘 波，周 振

(后勤工程学院 a.国防建筑规划与环境工程系;b.国家救灾应急装备工程技术研究中心，重庆 401331)

磁絮凝技术是常规混凝与磁化技术的有机结合。该技术通过磁性接种，即投加磁粉，并投加混凝剂，使污染物与磁粉絮凝结合成一体，形成带有磁性的絮凝体，从而使原本没有磁性的污染物具有磁性，然后通过高梯度磁分离技术或自身的高效沉降，使具有磁性的絮凝体与水体分离，从而将污染物去除［1］。磁絮凝技术具有处理效果好、占地面积小、沉降性能好以及沉降污泥密实、含水率低等优点。作为近几年新兴的水处理技术，磁絮凝工艺在给水处理和各类污、废水处理中得到快速发展，并在工程实际中得到应用。本文就磁絮凝技术的作用机理和应用进行了研究，并分析了该技术的发展前景。

1 磁絮凝技术的作用机理

1.1 吸附作用

吸附剂是指能有效地从气体或液体中吸附其中某些成分的固体物质。吸附剂是否有吸附作用，要看“固－液”两相的接触角 θ。当0°＜θ＜90°时，吸附剂为亲水性;当 90°＜θ＜180°时，吸附剂为亲油性。在水中分散性良好的吸附剂对污染物有好的吸附作用。经实验测定:磁粉的接触角为45.5°时属于亲水性物质，对水溶性物质具有吸附作用。故磁粉靠其较大的比表面积能吸附水中的悬浮物和胶态物质。

1.2 增加碰撞机会

根据混凝动力学可知，当水中悬浮物浓度很低时，颗粒碰撞速率将大大减小，混凝效果差［2］，而扩散在水中的磁粉使水中悬浮颗粒增多，增加了胶体物质碰撞的机会，并且磁粉产生的微弱磁场使磁粉周围带电胶体受到洛伦兹力的作用而运动，促进了悬浮物和胶体物质的碰撞。这样就使水中颗粒形成絮体的几率更大，强化了絮凝效果［3－4］。

1.3 对ζ电位的影响

ζ电位是颗粒之间的相互排斥和吸引的强度的度量。ζ电位越高，说明水中胶体的分散系越稳定。降低或消除胶粒的ζ电位能降低排斥能峰进而使胶体“脱稳”。试验结果表明:原水的ζ电位为11.7 mV，加入絮凝剂后为9.81 mV，加入磁粉后为8.7 mV。

1.4 “磁核”作用

加入水中的磁粉与水中的悬浮物结合，形成了以磁粉为核心的“磁性复合体”。这些“磁性复合体”在磁场力的作用下相互吸引，形成粒径大、密实度高的絮体，且更耐水力剪力，不易破碎［5－6］。而且由于“磁性复合体”以磁粉为核心使絮体密度增大、沉降速度加快，从而使后续处理单元如沉淀池占地面积减小。

2 磁絮凝在水处理中的应用

2.1 市政污水

市政污水是造成水体污染的重要原因，其处理效果越来越受到人们重视。与传统生物处理相比，投加混凝剂的化学强化一级处理具有自然条件约束少、占地省、流程短、处理速度快、基建与运行费用低、操作灵活等特点［7］。此外，磁絮凝技术还有简单经济、能快速沉降和分离、污泥含水率低等优点，故而成为极具竞争力的城市污水处理方法。表1列出了部分文献中磁絮凝工艺处理市政污水的处理效果。

表1 磁絮凝工艺处理市政污水的处理效果

2.2 含磷废水

饮用水中的磷主要通过与混凝剂形成沉淀以及与非溶解性的磷形成矾花而被去除［11］。当絮凝效果好时，大部分的磷可由絮凝沉淀去除。但是在常规絮凝除磷中，絮体一般较为松散，沉降性能差，处理构筑物占地面积大且出水效果也不稳定［12－14］。而磁絮凝能强化絮凝效果，使形成的絮体粒径增大，密实度增加，易于沉降，从而加强系统对总磷的去除效果。表2列出了部分文献中磁絮凝工艺进出水的总磷浓度。

2.3 含油废水

磁粉本身对废水中的油类和胶态物质具有良好的吸附能力［15］。而絮凝剂能通过絮凝作用包裹油类物质和其他悬浮物形成絮体从而使油水分离。王利平等［1］通过试验发现絮凝剂与磁粉联用处理含油废水比单独采用絮凝剂或磁粉效果要好，去除率提高了30% ～40%。姚晔栋等［16］通过实验表明，当废水含油量为120～700 mg/L，COD为2 100 mg/L时，利用高梯度磁分离法处理，可使油和COD的去除率均达到80%左右。

表2 含磷废水的进出水总磷浓度

2.4 造纸废水

造纸废水中含有大量的纤维、色素和无机盐，有机物浓度和浊度很高，BOD可达5～40 g/L。一般采用絮凝沉淀作为预处理工艺，然后进行生化处理和其他工艺处理，达标后排放。海南某造纸厂采用磁絮凝与磁分离工艺处理造纸废水，情况见表3［12］。

表3 造纸废水进出水CODCr情况

目前大多水厂采用常规混凝沉淀工艺，CODCr去除率仅为10%。由表3可知磁絮凝工艺可使去除率提高到30%左右，优势明显。

2.5 焦化废水

焦化废水中不仅所含有的有机物浓度高，而且焦化废水中的焦油会附着在菌胶团表面，抑制微生物的氧化作用，进而影响生化处理效果。所以在生化反应前进行预处理对处理焦化废水是有效的。针对焦化废水应用磁絮凝技术进行烧杯试验，结果见表4［17］。

常规混凝对焦化废水COD、浊度的去除率为55%和85%，磁絮凝技术能将去除率分别提高到63%和92%。

表4 焦化废水进出水COD情况

2.6 重金属废水

重金属行业产生的废水对环境的污染极为严重，是工业废水处理的一大难点。重金属废水的常规处理方法有化学沉淀法、氧化还原法、铁氧体法、电解法、蒸发浓缩法、离子交换树脂法等，但这些方法存在投资大、运行成本高等问题。通过对重金属废水的磁絮凝－大梯度磁滤工艺的处理试验，证明了其处理的可行性与优越性，结果见表5。

表5 重金属废水进出水离子浓度

磁絮凝－大梯度磁滤工艺对铁、铜、铅离子有较好的去除效果，但对锰、锌离子去除效果不明显。

3 发展前景

1)磁絮凝技术的应用范围不断扩大，其处理对象也由磁性污染物拓展到非磁性污染物。不仅用于处理市政污水、含磷废水、含油废水、造纸废水等，而且近些年来磁絮凝技术也开始在给水处理领域得到应用。由于其具有工艺简单、易于操作管理等特点，出现了加载磁絮凝技术的可移动式一体化净水装备，取得了良好的净水效果。

2)磁絮凝工艺中加载的磁粉的性质和价格成为影响该技术广泛应用的重要因素之一。小粒径的磁粉不仅可能具有超顺磁性，而且受水力拖曳的力小，在水中分散得更为均匀，更易于与悬浮物发生有效碰撞。但由于其原料昂贵或加工难度大使其在实际应用中受到限制。此外，廉价磁粉的开发也成为解决这一问题的重要途径。郑学海等采用炼钢厂排放的烟尘和气溶胶凝聚物通过静电除尘后制成“红土”状粉末。粉末颗粒以圆球形为主，粒径大约为0.5 μm。该粉末投加磁粉后具有较好的分散性，价格仅为商品磁粉的1/20。经过平行试验表明廉价磁粉与商品磁粉在COD去除率、SS去除效果、投加量等方面均无差别。另外，磁絮凝反应装置的开发和设计也大大强化了磁絮凝效果。这些都为磁絮凝技术的广泛应用提供了经济和技术的保障。

3)在常规的磁絮凝工艺中，由于絮凝剂和磁粉分别进行投加，使影响因素较多，无法保证处理效果。因此，制备集磁性和絮凝特性于一体的磁性絮凝剂具有重要的意义。以聚丙烯酰胺和壳聚糖、浓硫酸、乙醇一丙酮等为改性剂，通过絮凝剂和磁粉表面复杂的相互作用(如吸附、包裹、化学键等作用)制备出磁性絮凝剂。试验结果表明，磁性絮凝剂比常规絮凝剂具有更好的处理效果。

4)磁絮凝技术在废水处理中可作为预处理工艺，降低水中胶体和悬浮物的浓度。后续采用生化工艺和其他系统工艺使废水达到排放标准，同时也减轻了后续工艺的负荷。在给水处理领域，磁絮凝技术与膜过滤工艺的组合取得了很好的效果。尤其是与无机陶瓷膜的组合应用受到人们的重视。由于磁粉对设备的磨损使系统对设备材质的选用要求更为严格。而无机陶瓷膜具有强度高、耐磨损的特性，可以满足材质的要求，保证了设备的长期稳定运行。此外，磁絮凝工艺和膜过滤工艺均可用于高浓度污染物的去除，集成度高，便于自动化管理。

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