磁加载混凝工艺参数优化试验研究

黄嘉诚 方茜 隋军

摘  要：试验所用原水取自某市污水应急处理站进水口，考察了混凝剂（PAC）、絮凝剂（PAC）、磁粉的投加量对各类指标去除率的影响。结果表明，PAC最佳投加量为250mg/L，PAM最佳投加量为1.5mg/L，磁粉最佳投加量为200mg/L时，此时原水中浊度去除率达94.63%，COD去除率达55.75%，TP去除率达87.83%，色度去除率达91.62%，总氮去除率达44.02%，氨氮去除率达20.95%。同时还考察了磁粉粒径以及投加顺序对各类指标去除率的影响，结果表明，磁粉最佳粒径为45μm，最佳投加顺序为“磁粉+PAC+PAM”。

关键词：磁加载混凝;磁粉;投加量;磁粉粒径;投加顺序

中图分类号：X799.3 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）26-0095-04

Abstract： The raw water of this research was taken from the in take of the waste water treatment station in some town. This research investigated the effect of the amount of coagulant （PAC）， flocculant （PAM） and magnetic particles on removal efficiency of each index. The results indicated that the best dosing of PAC was 250mg/L， that of PAM was 1.5mg/L， and that of magnetic particles were 200mg/L. In this condition， the removal rate of turbidity， COD， TP， chromaticity， TN， and NH4+-N were 94.63%， 55.75%， 87.83%， 91.62%， 44.02% and 20.95% respectively. The effect of magnetic particle size and dosing sequence were also studied， which indicated that the best magnetic particle size was 45μm， and the best dosing sequence was "magnetic particle+PAC+PAM".

Keywords： magnetic coagulation; magnetic particle; dosage; magnetic particle size; dosing sequence

引言

隨着我国经济水平的高速发展，居民的生活用水量也随之增长，而生活污水的排放种类和数量也随之增加。在我国经济发展较为落后的城市或地区，由于污水处理系统与市政管网配套系统建设的滞后或污水处理设施运行的不完善，而在城市的排口处又暂时不具备截污纳管的条件，而造成了生活污水直排进水体的现象。因此，必须采取某些应急处理措施来对这部分生活污水进行处理，但考虑到排口处生活污水排水量不连续，且处理空间有限，传统的污水处理工艺很难施展[1]。在这种情况下，通过磁混凝技术，在短期内对市政生活污水进行应急处理具有重要的现实意义。

常规的混凝技术，通过简单的混凝+絮凝的化学沉淀法对生活污水进行处理，不仅处理效果一般无法满足排放要求，出水水质也极不稳定。且常规混凝沉淀一体化设备的沉淀池占地面积大、重量重、运输难也进一步制约了该技术在实际中的应用[2]。磁混凝技术是在常规混凝技术只投加混凝剂、絮凝剂的基础上，在水中投加磁种，从而形成一种新的“磁絮体”，由于磁粉颗粒密度极大，能有效地加速磁絮体的沉降，提升了磁絮体的沉降能力，相比常规混凝沉淀，能进一步减少沉淀池占地面积[3]。综上所述，磁混凝技术具有处理效率高、出水水质稳定、减少占地面积、节约成本等优势，在市政污水的应急处理领域拥有光明的前景。

本研究以考察磁混凝技术在市政污水应急处理过程中的可行性进行研究，以某市污水应急处理站进水口原水作为研究对象，通过烧杯试验，考察混凝剂、絮凝剂和磁粉的投加量以及磁粉粒径与投加顺序对原水中各类指标去除率的影响，找出最佳参数，为磁混凝污水处理工艺在实际中的运行提供理论指导。

1 试验部分

1.1 原水水质指标

试验原水取自某市污水应急处理站进水口，其水质指标为：COD质量浓度为644mg/L，TP为8.79mg/L，TN为178.25mg/L，NH4+-N为116.52mg/L，浊度为329.7NTU，色度为2364度。

1.2 试验材料

试验所用混凝剂采用聚合氯化铝（PAC），规格为26%氧化铝含量，絮凝剂采用聚丙烯酰胺（PAM），规格为阴离子1800万，磁粉选用粒径分别为18.7μm、25μm、45μm、75μm。

1.3 试验仪器

试验搅拌混合装置采用六联数显异步电动搅拌器，称重装置采用电子天平，测定仪器采用多参数水质分析仪。

1.4 分析方法

COD测定原理：重铬酸钾法;氨氮测定原理：纳氏试剂法;总磷测定原理：钼酸铵法;总氮测定原理：碱性过硫酸钾法。

1.5 试验方法

取6组1L水样于1L烧杯中，置于六联搅拌器上，先投加一定量的磁粉，在400r/min的转速下极速搅拌1min，再投加一定量的PAC，在200r/min的转速下快速搅拌2min，最后投加一定量的PAM，在150r/min的转速下中速搅拌3min，待混合均匀后，以50r/min的转速慢速搅拌5min，静置一定时间后取上清液测定SS等指标，确定磁混凝的最佳工艺参数。

2 结果与讨论

2.1 PAC投加量对磁混凝效果的影响

本试验中，投加PAM1.5mg/L，磁粉200mg/L，考察PAC投加量对市政生活污水磁混凝效果的影响，结果见图1。

由图1可知，当不投加PAC仅投加PAM和磁粉时，浊度、COD和TP去除率分别为28.45%、11.18%、52.90%。投加PAC后，当PAC投加量为250mg/L时，此时浊度、COD和TP去除率分别为94.15%、54.66%、88.28%。当PAC投加量到达300mg/L时，此时各指标去除率并无明显提高。随着PAC投加量的增加，各指标去除率的趋势也随之上升，投加量与去除率呈正相关，当PAC投加量大于300mg/L时，继续投加PAC，各指标去除率趋势反而下降，这可能是混凝剂的过量投加导致形成的胶体表面电位变正，又重新恢复稳定[4]。因此，从去除效率与经济成本考虑，PAC最佳投加量为250mg/L。

2.2 PAM投加量对磁混凝效果的影响

本试验中，投加PAC250mg/L，磁粉200mg/L，考察PAM投加量对市政生活污水混凝效果的影响，结果见图2。

由图2可知，当不投加PAM仅投加PAC与磁粉时，浊度、COD和TP去除率分别为39.88%、33.70%、57.22%。投加PAM后，当PAM投加量为1.5mg/L时，去除效果最好，此时浊度、COD和TP去除率分别为94.87%、58.54%、88.51%。当PAM投加量小于1.5mg/L时，各指标去除率与PAM投加量呈正相关，当PAM投加量大于1.5mg/L时，各指标去除率反而下降，这可能是因为水中脱稳颗粒无法与其他高分子链产生有效吸附形成结构良好的絮体，使得出水浓度反而升高[5]，其次PAM的过多投加也会对絮体进行再次包裹，限制了絮体的进一步成长，导致絮凝效果恶化[6]。因此，PAM最佳投加量为1.5mg/L。

2.3 磁粉投加量对磁混凝效果的影响

本试验中，投加PAC250mg/L，PAM1.5mg/L，考察磁粉投加量对市政生活污水磁混凝效果的影响，结果见图3。

由图3可知，当不投加磁粉时，浊度、COD、TP、色度、TN和NH4+-N去除率分别为91.66%、51.09%、86.23%、86.08%、33.70%、19.29%。加载磁粉后，当磁粉投加量为200mg/L时，浊度、COD、TP、色度、TN和NH4+-N去除率分别为94.63%、55.75%、87.83%、91.62%、44.02%、20.95%。当加入磁粉后，各指标的去除率得到了进一步的提升，这是由于所形成的磁絮体粒径增加，使得磁絮体沉降得更快，沉淀效果更好，当磁粉投加过量，过多的磁粉会相互聚团，未参与反应便沉入底部，而且部分磁种会浮在水面，影响水质[4]，且过多的磁粉对已形成的絮体会有破碎作用，也增加了能耗和成本[7]。值得一提的是，投加磁粉后，TN与

NH4+-N也得到了一定的去除。因此磁粉的最佳投加量为200g/L。

2.4 磁粉粒径对磁混凝效果的影响

本试验中，投加磁粉200mg/L，PAC250mg/L，PAM1.5mg/L，考察磁粉粒徑对市政生活污水磁混凝效果的影响，结果见图4。

由图4可知，当不投加磁粉时，浊度、COD、TP、色度、TN和NH4+-N去除率分别为88.66%、48.76%、85.55%、83.04%、30.70%、18.25%。加载磁粉后，当磁粉粒径为45μm时，处理效果最好，浊度、COD、TP、色度、TN和NH4+-N去除率分别为94.39%、54.66%、87.83%、91.50%、43.33%、20.81%。这是由于投加磁粉后，所形成的磁絮体运动路径后方会形成微小涡旋，涡旋尺度大小正比于磁粉粒径，反比于其产生的涡旋离心惯性力，惯性力过小不利于絮体成长，惯性力过大则破坏絮体结构[8]，此外粒径过大的磁粉也会因为重力过大，加入水中后便迅速沉降，未起到磁加载的效果[9]。因此磁粉的最佳粒径为45μm。

2.5 投加顺序对磁混凝效果的影响

本试验中，分别采用以下投加顺序：（1）先投加磁粉，400r/min的转速极快速搅拌1min，再投加PAC以300r/min的转速快速搅拌2min，最后加入PAM，在150r/min的转速下中速搅拌3min，待混合均匀后以50r/min的转速慢速搅拌5min;（2）先投加PAC，300r/min的转速快速搅拌2min，再投加磁粉快速搅拌1min，最后加入PAM，在150r/min的转速下中速搅拌3min，待混合均匀后以50r/min的转速慢速搅拌5min;（3）先投加PAC，300r/min的转速快速搅拌2min，加入PAM，在150r/min的转速下中速搅拌3min，再加入磁粉以50r/min的转速慢速搅拌5min;（4）同时加入PAC与磁粉，300r/min的转速快速搅拌2min，之后加入PAM，在150r/min的转速下中速搅拌3min，待混合均匀后以50r/min的转速慢速搅拌5min;（5）先加入PAC，300r/min的转速快速搅拌2min，之后同时加入磁粉与PAM，在150r/min的转速下中速搅拌3min，待混合均匀后以50r/min的转速慢速搅拌5min，考察投加顺序对市政生活污水磁混凝效果的影响，结果见图5。

由图5可知，不同的投加顺序对市政生活污水浊度的去除率有明显不同。当投加顺序为磁粉+PAC+PAM时，处理效果最好。这是由于越早投加磁粉，与絮体结合越紧密，沉降速度越快，在絮体形成过程中加入磁粉，形成的絮体易在外磁场作用下分离，絮体形成后再加入磁粉，磁粉则仅贴附在絮体边缘[10]，而且磁粉具有比表面积大的特性，能在物理作用下先吸附一部分的COD和TP[11]。

3 结论

（1）试验表明，磁加载混凝工艺PAC、PAM、磁粉的最佳投加量为250、1.5、200mg/L，磁粉的最佳粒径为45μm，最佳投加顺序为磁粉+PAC+PAM。

（2）磁混凝工艺用于市政生活污水的处理，对COD、TP、浊度和色度有明显的去除效果，且相比与常规混凝沉淀技术，对TN与NH4+-N也有一定的去除效果。证明该工艺不仅可用于污水的应急处理，也适用于污水处理提标或改造。

（3）磁混凝工藝相比常规混凝技术，所形成的磁絮体相比普通絮体，沉降能力和沉降速度得到了大大提升，如此沉淀池的占地面积可进一步缩小，建设成本也随之降低，这对于占地受限的污水处理工程具有重要的现实意义。且磁粉具有可回收再利用的特性，这对于推动实现污染物削减功能进一步被强化、低碳处理和能源开发、污水处理过程的资源回收提供了新的路径。

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