磁加载磁分离工艺处理地下水效果研究

谭钰

（朝阳市环境监测站，辽宁朝阳 122000）

1 概述

磁加载磁分离方法主要是利用絮凝技术使非磁性杂质与磁种结合在一起，在沉降池中实现大部分杂质加速沉降，然后具有一定磁性的小部分杂质通过高梯度磁场进行分离，保证高精度过滤效果。处理系统主要由混合罐、澄清罐、磁鼓分离器、高梯度磁过滤器和药剂投加装置等设备组成。具体是在混合罐的来水中投放絮凝剂、助凝剂，破坏水中胶体颗粒的稳定状态，通过胶体间以及和其他微粒间的相互碰撞和聚集，从而形成易于从水中分离的絮状物质。这部分悬浮固体首先吸附在投放的磁铁粉加载物上，在锥形底的澄清罐中通过重力作用从水中沉淀分离；然后经过磁过滤器，在外加磁场作用下，磁性介质表面产生高梯度磁场，捕集去除水中的悬浮固体颗粒；沉淀物通过磁鼓分离器将磁粉和污泥分离，磁粉回收到混合池再利用，分离后的污泥外运处理。

肇东一联水质站投产于2004年，设计处理量500m/d，处理工艺为曝气-锰砂除铁-精滤两级，出水指标为“3.2”标准。采用的地下水源处于贫水区域，目前地下水水质与投产初期相比，发生了较大变化，主要表现在铁和悬浮物含量大幅增加，地下水中平均铁含量由投产初期的6.8mg/L增加到现在的33.1mg/L，悬浮物由11.3mg/L增加到182.0mg/L。该处理工艺抗冲击性差，来水进入处理装置后，对滤料和过滤设备污染严重，滤料和滤芯沾有大量黄褐色垢质，加大反冲洗的水量和时间也无法将水垢去除；从而缩短了设备使用寿命，增加了生产运行成本和管理维护强度，影响了常规水质处理工艺的稳定运行。水质情况调查表1所示。

2 油田地下水处理相关技术

目前，油田地下水水质处理基本采用粗滤、精细过滤工艺，分离原理为孔隙截留过滤，此种过滤方式由于工艺特点决定，对需处理水质具有一定要求，在满足条件下，处理效果较好，反之会影响稳定运行。从地下水特性看，其初始悬浮固体含量较低，处理难度较小，两级或三级工艺处理后水质均可达到注入水质要求，技术相对成熟。对于含有较高悬浮杂质的地下水，一般采取多级过滤或混凝沉淀与过滤相结合方式，处理后水质虽然也可达到注入水质要求，但处理工艺较为复杂，现场应用管理点多。总体来看，油田现使用的过滤技术在地下水处理方面可以达到技术指标要求。但对于处理高悬浮杂质地下水时，应研究在技术经济、生产管理方面均适合油田地下水处理技术。

从沉降过滤分离速度来看，能否实现高效率关键在于改变水中杂质的沉降分离特性。具有此特点的磁分离技术显示了较好的效果，磁分离技术有分离效率高、分离速度快、占地面积小、抗冲击性强等优点，以往应用在钢铁行业富含磁性污染物的废水处理领域，技术较为成熟，近年来，在城市污水、湖泊水、油田采出水等非磁性或弱磁性污染物水处理方面也取得了一定的研究成果。磁分离技术主要有磁盘法、高梯度磁分离法。磁盘法是借助磁盘的磁力将水中的磁性悬浮颗粒吸着在缓慢转动的磁盘上，随着磁盘的转动，将泥渣带出水面，经刮泥板除去，盘面又进入水中，重新吸着水中的颗粒，如此周而复始，此技术不存在反洗，在刮泥方面尚需改进，出水精度有待提高。高梯度磁分离器以高饱和磁密不锈钢聚磁钢毛为介质，当水中的污染物对钢毛的磁力作用大于其粘性阻力和重力作用时，污染物被截留在钢毛介质上，在切断磁路后，磁力消失，被钢毛介质捕集到的污染物用水反冲洗下来，从而达到从水中去除污染物的目的。与盘式磁分离器相比，存在反洗，纳污能力低，但分离效率高。在磁分离方式的选用上需要根据处理水质要求，选择适合的磁分离技术。

表1 水质情况调查

表2 测试数据

3 试验方法

3.1 室内实验

（1）磁粉的筛选和用量确定。磁粉有国产和进口两种。国产的磁粉四氧化三铁的含量较进口的含量低，而且颗粒不均匀、含杂质多，在磁鼓的分离中效果差，消耗高，不宜磁过滤系统使用。而进口磁粉虽然价格略高，但颗粒均匀，磁鼓的分离效果好，消耗也比国产磁粉小，因此磁粉消耗而造成的运行成本并不比国产磁粉高。因而，磁过滤系统选用进口磁粉较为适宜。（2）絮凝剂加药量的确定。絮凝剂为聚合氯化铝，加药范围选择在70、60、50、40、30、20ppm，絮凝剂分别以10ppm为一个浓度梯度进行用量调整，比较在各个加药量下的出水浊度，（3）助凝剂加药量的确定助凝剂为聚丙烯酰胺，加药范围选择6、5、4、3、2、1ppm，助凝剂分别以1ppm为一个浓度梯度进行用量调整，比较在各个加药量下的出水浊度，

3.2 现场试验

根据初步确定的磁分离处理工艺和室内实验结果，制作装置并在肇东一联水质站进行现场试验。根据肇东一联水质情况，考虑到地下水中二价铁对水质的影响，试验装置进水为曝气除铁后的地下水，进出水水质：进水悬浮物固体含量≤500mg/L，出水悬浮物固体含量≤3.0mg/L、悬浮物粒径中值≤2.0μm。在室内实验数据基础上，初步确定絮凝剂投加量为30mg/L，助凝剂投加量为2mg/L，磁粉量为4g/L。装置工艺参数为：混合时间3分钟、沉降时间5分钟。另外，现场试验对其他室内实验不能确定的运行参数进行了确定，如磁分离器冲洗时间间隔、冲洗时间、磁性絮团循环量和污泥外排量等。磁过滤器反冲参数的确定：磁过滤器作为一种过滤设备，需要进行定时反冲以避免堵塞，以达到过滤目的。在处理其它领域高悬浮杂质水质时，悬浮固体含量约4000mg/L，为了实现过滤器不堵塞及快速回收磁粉，磁过滤器需要频繁冲洗，通常1小时冲洗一次，每次冲洗时间15秒。由于肇东一联水中悬浮物含量相对低，反冲时间确定延长为3小时，每次冲洗15秒。

4 试验结果及讨论

4.1 磁粉的筛选和用量确定

磁粉有国产和进口两种。国产的磁粉四氧化三铁的含量较进口的含量低，而且颗粒不均匀、含杂质多，在磁鼓的分离中效果差，消耗高，不宜磁过滤系统使用。而进口磁粉虽然价格略高，但颗粒均匀，磁鼓的分离效果好，消耗也比国产磁粉小，因此磁粉消耗而造成的运行成本并不比国产磁粉高。因而，磁过滤系统选用进口磁粉较为适宜。

磁粉的作用主要为加快絮凝团的沉淀速度。磁粉使用量主要是通过在不同磁粉使用量情况下，以絮凝团的沉淀速度来确定。实验在3到8克/升的用量范围进行测试沉降时间。测试数据如表2所示。

从表2中可以看出，磁粉量在3克/升时，沉淀速度最慢。4到5克/升时，速度变化不大，6克/升和8克/升时，沉淀速度有明显提高。但磁粉量高，容易造成污泥管线堵塞和加速设备的磨损。考虑到沉淀池的停留时间5分钟的工艺参数，4到5克/升磁粉量的沉降速度完全可以实现沉降目的，而又不堵塞污泥管线，延长设备使用寿命。为此选择4克/升磁粉量为实际运行参数。

4.2 絮凝剂加药量的确定

絮凝剂为聚合氯化铝，加药范围选择在70、60、50、40、30、20ppm，絮凝剂分别以10ppm为一个浓度梯度进行用量调整，比较在各个加药量下的出水浊度，絮凝剂加药量如表3所示。

通过实验看出，絮凝剂加药量在70到30ppm范围内，出水浊度的变化不大，都在3.0.ONTU左右。而低于30ppm，出水浊度大幅提高。考虑到加药成本，确定30ppm为絮凝剂最佳加药量。

4.3 助凝剂加药量的确定

助凝剂为聚丙烯酰胺，加药范围选择6、5、4、3、2、1ppm，助凝剂分别以1ppm为一个浓度梯度进行用量调整，比较在各个加药量下的出水浊度，助凝剂加药量其结果如表4所示。

通过实验看出，助凝剂加药量在5到2ppm范围内，出水浊度的变化不大，都在2.9NTU左右。而低于2ppm，或者高于5ppm，出水浊度大幅提高。考虑到加药成本，确定2ppm为助凝剂最佳加药量。

5 现场试验情况

根据初步确定的磁分离处理工艺和室内实验结果，制作装置并在肇东一联水质站进行现场试验。根据肇东一联水质情况，考虑到地下水中二价铁对水质的影响，试验装置进水为曝气除铁后的地下水，进出水水质：进水悬浮物固体含量≤500mg/L，出水悬浮物固体含量≤3.0mg/L、悬浮物粒径中值≤2.0μm。在室内实验数据基础上，初步确定絮凝剂投加量为30mg/L，助凝剂投加量为2mg/L，磁粉量为4g/L。装置工艺参数为：混合时间3分钟、沉降时间5分钟。另外，现场试验对其他室内实验不能确定的运行参数进行了确定，如磁分离器冲洗时间间隔、冲洗时间、磁性絮团循环量和污泥外排量等。

表3 絮凝剂加药量

表4 助凝剂加药量

表5 水质化验数据表

磁过滤器反冲参数的确定：磁过滤器作为一种过滤设备，需要进行定时反冲以避免堵塞，以达到过滤目的。在处理其它领域高悬浮杂质水质时，悬浮固体含量约4000mg/L，为了实现过滤器不堵塞及快速回收磁粉，磁过滤器需要频繁冲洗，通常1小时冲洗一次，每次冲洗时间15秒。由于肇东一联水中悬浮物含量相对低，反冲时间确定延长为3小时，每次冲洗15秒。

污泥外排量的确定：处理肇东一联含铁地下水，污泥外排量主要决定于悬浮物含量和含铁量、加入的药剂形成的絮凝剂的量，以及污泥的含水率。外排污泥量主要通过沉淀池的出水水质和沉淀池底部的污泥厚度来决定。借鉴其他领域经验，确定污泥外排量为处理量的1%，实际运行中沉淀池出水水质良好、沉淀池污泥层界面清晰、高度稳定，而且，可以保证污泥管线的流速，不易造成堵塞。

磁性絮团循环量的确定：磁性絮团循环对絮凝速度和絮凝团大小可以起到一定的作用。理论上讲，磁性絮团量越大越好，此时絮体碰撞几率加大，絮凝速度快，絮体体积大，沉降速度快。但磁性絮团循环量过大，会造成混合池和沉淀池的额外负担。在借鉴其他领域经验的基础上，经试验，确定磁性絮团循环量为处理量的3%，实际运行中效果较好。过滤装置工艺设备现场图1所示，水质化验数据表5所示，过滤装置进出口水质变化曲线图2所示，过滤装置进出口水质处理图3所示：

图1 过滤装置工艺设备现场图

图2 过滤装置进出口水质变化曲线图

图3 过滤装置进出口水质处理

由化验数据可以看出，过滤装置进水悬浮物固体含量平均值为115.8mg/L的情况下，出水水质为：悬浮物固体含量平均值为2.1mg/L；悬浮物粒径中值平均值为1.6μm。出水水质较为稳定，达到了油田注水要求的“3.2”指标。

6 结语

（1）磁加载磁分离技术是处理高悬浮杂质地下水的一种有效手段，应用此工艺对地下水处理后，出水指标达到了低渗透油田注入水要求指标，与常规过滤工艺相比，可以简化处理流程，具有占地面积小、运行成本低的优势，较为适合油田注入水处理应用。（2）磁分离技术首次在大庆油田地下水处理中应用，现场试验运行时间较短，其性能稳定性仍需观察验证，在技术上、经济上进一步综合评价。