磁分離技術(shù)在水處理工程中的應(yīng)用工藝及發(fā)展趨勢
摘要：本文介紹了磁分離技術(shù)的主要應(yīng)用工藝，綜述了各種工藝在處理各種廢水時(shí)的應(yīng)用現(xiàn)狀。磁分離技術(shù)具有分離效率高、分離速度快、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。磁分離技術(shù)與絮凝技術(shù)、磁種洗選回收技術(shù)、生化技術(shù)的結(jié)合，是目前污水處理中磁分離技術(shù)的發(fā)展方向，它大大擴(kuò)展了磁分離技術(shù)的處理對象和應(yīng)用領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞：高梯度磁過濾器 稀土磁盤 CoMagTM工藝 BioMagTM工藝 MagBRTM工藝 ReMagdiscTM工藝 磁性生物載體
一、引言
磁分離技術(shù)是借助磁場力的作用，對磁性不同的物質(zhì)進(jìn)行分離的一種物理分離方法。
磁分離技術(shù)可以說是一門比較古老、較成熟的技術(shù)，最早應(yīng)用于選礦和瓷土工業(yè)。1845年，美國發(fā)表了工業(yè)磁選機(jī)的專利。磁分離技術(shù)作為有磁性差異的兩種及多種物質(zhì)的選別手段，在礦石的精選、煤的脫硫、玻璃及水泥等Ô;¬;料的除鐵、高嶺土的提純、生物工程中的細(xì)胞分離、石化行業(yè)的催化劑回收等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-6]。
磁分離技術(shù)用于水處理工程，它又可以稱得上是一門新興技術(shù)。從上世紀(jì)60年代開始，蘇聯(lián)用磁凝聚法處理鋼廠除塵廢水，60年代末，美國MIT教授科姆發(fā)明高梯度磁過濾器，70年代美國應(yīng)用磁絮凝法和高梯度磁分離法處理鋼鐵、食品、化工、造紙等廢水。1974年瑞典開始用磁盤法處理軋鋼廢水，隨后的75年日本開發(fā)盤式“兩秒分離機(jī)”。我國從70年代中期到80年代初，將磁聚凝法、磁盤法、高梯度磁分離法用于煉鋼、軋鋼廢水的處理。近年來，磁分離技術(shù)在電鍍廢水、含酚廢水、湖泊水、食品發(fā)酵廢水、市政廢水、鋼鐵廢水、廚房污水、屠宰廢水、石油采出水等處理方面都取得了一定的研究成果，有的已經(jīng)在實(shí)際廢水處理中得到了很好的應(yīng)用。本文主要介紹水處理工程中磁分離技術(shù)的應(yīng)用工藝。
二、磁分離技術(shù)在水處理中的應(yīng)用與研究情況
一項(xiàng)新技術(shù)、一種新設(shè)備的研發(fā)成功，必將帶來大量的應(yīng)用研究成果。同時(shí)，人們在設(shè)備的分離凈化機(jī)理、如何提高設(shè)備的分離效率等方面也開展了大量的研究工作。
對水處理工程而言，由于磁分離技術(shù)僅僅是一種物理性質(zhì)的固液分離手段，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，很多場合都必須輔以其他相關(guān)技術(shù)，才能發(fā)揮很好的效果。下面，根據(jù)磁分離技術(shù)的特點(diǎn)，按照應(yīng)用工藝的劃分，對磁分離技術(shù)在水處理中的應(yīng)用研究情況作一介紹。
1、處理富含磁性污染物的污水
無論是開發(fā)成功的高梯度磁過濾器還是各種圓盤式磁分離器，在水處理方面，它們的首選應(yīng)用領(lǐng)域都是鋼鐵廢水的處理。
鋼鐵熱軋/連鑄廢水、冷軋乳化液等，其污染物98%以上都是強(qiáng)磁性物質(zhì)，另外還含有部分油類和少量非磁性物質(zhì)，非常適合用磁分離的方式凈化。其工藝簡單，占地面積小，處理效果好。圖1為一種典型含磁性污染物廢水處理工藝流程。
1977年，第一臺工業(yè)性高梯度磁分離器在日本千葉川崎製鉄（株）投入使用，是HGMS在廢水處理中的成功應(yīng)用例子。處理對象是真空排氣過程中的洗滌廢水，SS的去除率達(dá)到80%，洗滌廢水中的固體顆粒主要成分是氧化鐵和氧化錳，粒徑小于100μm，大部分在20μm以下。之后,日本的鋼鐵企業(yè)開始了大規(guī)模的應(yīng)用,初期實(shí)際應(yīng)用情況見表1。
國內(nèi)鋼鐵行業(yè)開展應(yīng)用和研究的單位主要有寶鋼、上鋼二廠、重鋼六廠、南京鋼廠、武漢鋼院、長沙礦冶研究院等。
美國、日本及我國應(yīng)用HGMS技術(shù)處理鋼鐵工業(yè)廢水的報(bào)道較多，其應(yīng)用結(jié)果見表2。
由于熱軋廢水水量巨大，含油多，用HGMS處理熱軋廢水的實(shí)例不是太多。而高爐、轉(zhuǎn)爐除塵廢水的磁性稍弱、廢水中顆粒粒度細(xì)、不含油，所以HGMS大多應(yīng)用于此類廢水的處理，在實(shí)際運(yùn)行中，一般還要投加一定量的絮凝劑，真正采用的工藝和處理含弱磁性顆粒的廢水類似。
圓盤式磁分離器多用于處理大水量熱軋廢水。Per Hedvall報(bào)道用MAGNADISC處理軋鋼廢水，處理水量為45m3/h，當(dāng)進(jìn)口ss≤400mg/l時(shí)，出口ss＜70mg/l；當(dāng)ss＜300mg/l時(shí)，出口ss＜50mg/l。當(dāng)投加1～2mg/l高分子絮凝劑時(shí)，出口ss均能達(dá)到小于20mg/l的效果。
倪明亮、余大宏、龔健、鐘威等分別報(bào)道了采用ReMagdiscTM磁盤處理軋鋼廢水的情況。處理水量500m3/h～9300m3/h，進(jìn)口ss從150～350mg/l，在不投加任何絮凝劑的情況下，出水ss小于50mg/l；投加絮凝劑時(shí)，出水均達(dá)到小于20mg/l。張金陽報(bào)道了用ReMagdiscTM處理過濾器反洗水的情況，在ss高達(dá)1000～3000mg/l時(shí)，不加絮凝劑其處理效果也都大于90%。楊永樂報(bào)道了用稀土履帶式磁分離器處理軋鋼廢水的結(jié)果。處理水量30m3/h時(shí)，ss的去除率可達(dá)95%以上。
在用HGMS和各種圓盤式磁分離器（MANADISC、2秒分離機(jī)、ReMagdiscTM）處理軋鋼廢水非常成熟的今天，仍有科研工作者在繼續(xù)從事這方面的深入研究。張雪峰等近期報(bào)道了用高梯度磁場處理實(shí)驗(yàn)平臺處理熱軋廢水，濁度可從111mg/l降到50mg/l以下，鐵含量從161mg/l降低到20mg/l左右。
隨著人們對設(shè)備和各種富含磁性污染物廢水的深入研究， 用HGMS和各種磁盤對其處理的技術(shù)會日臻完善。
2、處理非磁性或弱磁性污染物污水
利用磁分離技術(shù)處理污水，其前提是污水中的顆粒需具有一定的磁性。對于非磁性或弱磁性污染物污水，一般通過投加磁種，然后利用絮凝技術(shù)使非磁性物質(zhì)與磁種結(jié)合在一起，然后單獨(dú)利用磁分離技術(shù)或絮凝沉降聯(lián)合高梯度磁分離技術(shù)分離凈化廢水。這類技術(shù)被人們稱為“磁種混凝磁分離”或者“磁加載磁分離”技術(shù)。
磁種接種技術(shù)在礦物磁選領(lǐng)域得到了深入的研究，用于分離不同磁性的礦物，科技人員合成了大量的可選擇性的磁性載體。在廢水處理領(lǐng)域，磁種沒有選擇性的要求，一般只要求其：①具有比較強(qiáng)的磁性；②易于回收重復(fù)利用。此類廢水比較完善的常見的處理工藝流程如圖2、圖3所示。
兩個工藝圖的區(qū)別：由于ReMagdisc設(shè)備不存在反洗，所以可以去掉澄清池，屬絮凝懸浮磁分離，磁絮凝體不需沉淀直接靠磁分離設(shè)備進(jìn)行分離。而圖2中，HGMS需要反洗，負(fù)荷不能過重，否則反洗頻繁，故在前面設(shè)置澄清池為宜，工藝實(shí)為磁粉加載絮凝沉降，磁粉起的作用大部分是加速澄清的“配重”作用以及方便磁鼓回收的“磁種”作用，HGMS磁分離僅起保險(xiǎn)過濾作用。工藝中HGMS過濾的來水是澄清池的上清液，所含的懸浮物為非磁性或弱磁性，建議用普通快速過濾器代替。
在磁種研制方面，國內(nèi)鄭學(xué)海等利用煉鋼廠排放的煙塵和氣溶膠凝聚物，研制的廉價(jià)磁種，其效果與商品磁粉相當(dāng)，但價(jià)格僅為其1/20，用于有機(jī)廢水、印染廢水、含油廢水、重金屬廢水等的處理。趙愛武利用粉煤灰中的“磁珠”作為磁種，采用高梯度磁分離器處理含磷廢水，達(dá)到了以廢治廢的目的。
對于處理鋼鐵企業(yè)廢水，可不考慮磁種的回收；對于非鋼企業(yè)廢水，可采用選礦行業(yè)的磁鼓回收磁種。
在應(yīng)用方面，利用Fe3O4磁粉，采用2秒分離機(jī)和混凝技術(shù)處理玻璃研磨廢水，ss去除率達(dá)到99%以上，還能同時(shí)去除Pb、F，COD以及BOD。鄭必勝等將Fe2O3磁粉進(jìn)行硅烷化處理，得到具有特殊吸附功能的磁粉，通過投加磁種用于強(qiáng)化處理糖蜜酒精廢水。另外，鄭必勝等還根據(jù)食品發(fā)酵廢水的特征，采用磁種混凝和高梯度磁分離技術(shù)對其進(jìn)行處理，處理后廢水的濁度、色度和COD都大幅度降低。熊仁軍等采用磁種絮凝£;¬;高梯度磁分離處理城鎮(zhèn)污水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該工藝對去除污水中的磷、重金屬有特效，并能同時(shí)去除其中的COD Cr、BOD5、SS,出水水質(zhì)達(dá)到或接近國家一級排放標(biāo)準(zhǔn)。
趙紅花等利用磁絮凝法處理城市污水，實(shí)驗(yàn)表明懸浮顆粒在15min之內(nèi)，ss去除率達(dá)到80%以上，可以顯著減少沉淀池體積。青島劍橋水務(wù)公司采用Comag技術(shù)，處理污水廠出水作為再生水原水使用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在ss、TP指標(biāo)方面都達(dá)到了較好效果。北京市政院開展的“高梯度磁分離水處理技術(shù)的研究”，通過在污渠水中投加磁鐵粉和混凝劑，大大提高沉降速度，出水對總磷、色度、濁度、細(xì)菌等有明顯改善，比傳統(tǒng)方式有很大優(yōu)勢，目前正在進(jìn)行深入研究。倪明亮等采用ReMagdiscTM工藝，對地下水進(jìn)行處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對水中的Fe2＋、SS的去除都具有顯著效果。
采用磁種混凝磁分離技術(shù)或磁加載混凝沉降技術(shù)，還可以對湖泊水、江河水、廚房含油廢水、含重金屬廢水、電廠冷凝水等進(jìn)行處理，有著廣闊的應(yīng)用前景。
3、磁分離技術(shù)與生化技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用
城市污水中的污染物絕大部分是非磁性的，在其中加入磁種和適當(dāng)?shù)幕炷齽，再通過高梯度磁分離器，能去除污水中的懸浮物、色度、濁度、磷酸鹽、細(xì)菌等。美國麻省理工學(xué)院的研究者對城市污水投加Fe3O4和硫酸鋁，進(jìn)行高梯度磁分離處理，獲得了良好的效果。但是，此種技術(shù)與混凝沉降沒有實(shí)質(zhì)區(qū)別，只不過是利用了磁分離來代替了沉降重力分離，對氨氮的去除率低。
為了更好地處理污水中的COD、BOD、氨氮、磷等污染物，只有將磁分離技術(shù)與現(xiàn)有的生物處理技術(shù)相結(jié)合，才可能達(dá)到比較好的效果。
（1）BioMag工藝
將CoMagTM工藝與活性污泥法結(jié)合，可以達(dá)到脫氮除磷的效果。該工藝的實(shí)質(zhì)為生物處理加上加藥化學(xué)除磷。除磷主要靠化學(xué)沉析及混凝磁分離來實(shí)現(xiàn)。
目前國內(nèi)各設(shè)計(jì)單位在對城市污水處理選擇處理方案時(shí)一般選擇生物除磷脫氮工藝，對化學(xué)除磷一般不予考慮。因?yàn)檩^普遍的看法是：“生物法”工藝簡單、運(yùn)行成本低，污泥量少且易于處理；“化學(xué)法”則工藝復(fù)雜、運(yùn)行成本高、污泥量多且難于處理。就一般的城市污水水質(zhì)，按現(xiàn)在普遍采用的生物除磷脫氮工藝，實(shí)際很難達(dá)到GB8978£;¬;1996中的二級標(biāo)準(zhǔn)，更不用說一級標(biāo)準(zhǔn)了。所以采用BioMag工藝（加藥化學(xué)除磷強(qiáng)化活性污泥法）處理城市污水有一定的價(jià)值。
由于ReMagdiscTM具有超大處理能力，可以用ReMagdisc稀土磁分離機(jī)替代圖4中的澄清池和HGMS來實(shí)現(xiàn)相同的功能。
直接用CoMag加上活性污泥法形成的BiMagTM工藝，不宜用來處理大流量有機(jī)廢水。大量的活性污泥用澄清池來沉淀，將使CoMagTM的技術(shù)優(yōu)勢喪失，導(dǎo)致配重快速沉淀效果變差，澄清池變大，除磷藥劑量增加，HGMS反洗次數(shù)增加。所以我們認(rèn)為BiMagTM工藝只適合較小水量的有機(jī)廢水處理。
（2） MagBRTM工藝
MagBRTM工藝即磁生物反應(yīng)器（Magnetic Bio-Reactor），它是以類似膜生物反應(yīng)器（MBR）的Ô;¬;理構(gòu)造的成套工藝技術(shù)，采用成熟的ReMagdiscTM超大流量稀土磁盤分離機(jī)（相當(dāng)于MBR中的膜組件）和利用負(fù)載微生物磁種來實(shí)現(xiàn)其功能。磁生物反應(yīng)器主要由磁組件和膜生物反應(yīng)器兩部分構(gòu)成。
大量的微生物在生物反應(yīng)器內(nèi)與基質(zhì)（廢水中的可降解有機(jī)物等）充分接觸，通過氧化分解作用進(jìn)行新陳代謝以維持自身生長、繁殖，同時(shí)使有機(jī)污染物降解。磁組件通過磁分離作用對廢水和污泥混合液進(jìn)行固液分離。
①M(fèi)agBRTM與MBR有如下類似的特點(diǎn)：
對含碳有機(jī)物的去除率高，一般大于90%；
污泥（F/M）負(fù)荷低；
所需水力停留時(shí)間（HRT）短，容積負(fù)荷率高；
抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)。
②MagBRTM與MBR的不同點(diǎn)：
MagBR對SS的去除率略低于MBR；
MagBR處理能力超大；
MagBR不存在MBR特有的膜污染問題；
MagBR的能耗低，處理量為1500m3/h（3.6×104m3/d)的設(shè)備總功率為4～6.2kW左右；
MagBR的生產(chǎn)成本遠(yuǎn)低于MBR的生產(chǎn)成本。
③MagBRTM工藝對污染物的去除特點(diǎn)：
第一，對含碳有機(jī)物的去除率高，一般大于90%；
由于磁盤的高效截留作用，絕大部分活性污泥都被截留在反應(yīng)器內(nèi)，使反應(yīng)器內(nèi)部的污泥濃度可達(dá)到較高水平，最高可達(dá)40～50g/l。大大降低了生物反應(yīng)器內(nèi)的污泥負(fù)荷，提高了MagBR對有機(jī)物的去除率。處理生活污水，COD平均去除率在94％以上，BOD的平均去除率在96%以上。
第二，對氨氮、TN的去除率高；
通過磁盤的分離作用，生物反應(yīng)器中的水力停留時(shí)間（HRT）和污泥停留時(shí)間（SRT）是完全分開的，這樣就可以使生長緩慢的微生物（如硝化菌）也能夠在反應(yīng)器中生存下來，保證了MagBR除具有高效降解有機(jī)物的作用外，還具有良好的硝化作用。處理生活污水，氨氮去除率在98%左右，出水氨氮可達(dá)低于1mg/l。
通過控制DO，可使MagBR對TN達(dá)到理想的去除效果。在DO濃度較低時(shí)，在菌膠團(tuán)內(nèi)部存在缺氧或厭氧區(qū)，為反硝化創(chuàng)造了條件。反硝化細(xì)菌利用硝態(tài)氮，將其還原成N2，完成對TN的去除。
④MagBR的缺點(diǎn)及解決方案
MagBR對TP的去除率不高。當(dāng)采用A/O復(fù)合式MagBR時(shí)，對TP的去除率約為70%。
其解決方案是：投加化學(xué)除磷劑，在MagBR后續(xù)工藝中增加化學(xué)除磷工藝。
⑤典型應(yīng)用工藝
圖5中，虛線內(nèi)為MagBR，后半部分為加藥化學(xué)除磷單元，磁盤截留部分采用長周期排泥方式。一種變異的簡化工藝如圖6所示。
圖5、圖6所示工藝，其生物處理部分為傳統(tǒng)活性污泥（磁性）、生物膜法兩組生物反應(yīng)器，簡化工藝在生物處理的后段好氧段出口投加除磷藥劑。
⑥負(fù)載微生物磁種（磁性生物載體）
在MagBR工藝中，不是直接采用投加磁粉來作為“磁種”，形成磁性菌膠團(tuán)，而是采用為工藝研制的一種專門負(fù)載微生物用的磁種，也即磁性生物載體。這種磁性生物載體具有普通生物膜法中載體的性能，如多孔、吸附性能與生物掛膜性能優(yōu)良、耐沖刷、對生物無毒性、比重略大于1，易于曝氣形成流化態(tài)，同時(shí)還具有順磁性，易于磁分離。使用磁性生物載體的比直接使用磁粉的，其生化處理效果更好。圖7為研制的磁性生物載體，粒徑規(guī)格按用途在0.3~0.8mm之間。
磁分離技術(shù)與生化技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用研究在國際、國內(nèi)都還處于開始階段，相信不久的將來，會有越來越多的成果出現(xiàn)并應(yīng)用于有機(jī)廢水處理領(lǐng)域。
三、結(jié)語
在水處理工程中，磁分離技術(shù)就其本質(zhì)而言，只是一種物理性質(zhì)的固液分離手段。磁分離設(shè)備的進(jìn)步帶動了相關(guān)的應(yīng)用研究，磁分離技術(shù)與其他技術(shù)的結(jié)合，擴(kuò)大了其在水處理工程的應(yīng)用領(lǐng)域。
（1）磁分離設(shè)備主要為HGMS和圓盤式磁分離器兩大類。HGMS以高梯度為特征，圓盤式磁分離器中的ReMagdiscTM以高場強(qiáng)為特征，都已發(fā)展成熟。超導(dǎo)磁分離機(jī)兼有二者特點(diǎn)，但實(shí)際應(yīng)用還不成熟。
（2）ReMagdiscTM具有超大處理量、占地極小等特點(diǎn)，在圓盤式磁分離器一類中處于國際領(lǐng)先水平。
（3）磁種混凝磁分離工藝以及磁加載混凝沉降工藝在各類廢水處理中得到了廣泛應(yīng)用。針對不同廢水特點(diǎn)，研究找出適宜的工藝參數(shù)，其適用的廢水種類會不斷增加。
（4）BiMagTM工藝由于有澄清池存在，在接活性污泥法時(shí)，不能處理大水量，否則完全失去磁技術(shù)的優(yōu)勢；ReMagdiscTM工藝接（磁性）活性污泥法時(shí)，再加上磁性生物載體強(qiáng)化，完全可以去掉二沉池，并在生化部分減少污泥量，達(dá)到脫氮除磷的效果，可充分發(fā)揮磁技術(shù)的優(yōu)勢。
（5）磁分離技術(shù)與生物處理技術(shù)的結(jié)合，是水處理工程中磁技術(shù)應(yīng)用的一個發(fā)展方向。
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