超磁分离在污水处理中的研究及应用现状

唐 纲 王吉白，2 杨 平

(1.四川大学建筑与环境学院，四川成都，610065；2.四川环能德美科技股份有限公司，四川成都，610045)

化工与环保

超磁分离在污水处理中的研究及应用现状

唐 纲1王吉白1，2杨 平1

(1.四川大学建筑与环境学院，四川成都，610065；2.四川环能德美科技股份有限公司，四川成都，610045)

超磁分离水体净化工艺是近年来发展起来的一种物化水处理技术。通过近年来的发展已成为比较成熟的工艺，它的特点主要是通过投加磁种与混凝剂改变混凝沉淀特性，加快混凝速度，通过磁选机进行固液分离，大大增加了污水净化的效率。超磁分离作为新兴的物化处理技术，具有很高的悬浮物分离效率，较短的工艺流程，投资、运行费用少，操作简便，运行速度快，基本在几分钟之内就能完成一个周期的运行。本文主要介绍了超磁分离技术的基本原理，磁种选择以及工程实际应用案例。

污水治理 超磁分离 浊度 物化处理

超磁分离水体净化工艺作为一种物化处理技术，越来越多地应用于各种污水处理当中，相对于传统的混凝沉淀工艺来说，其取消了混凝澄清池，加快了混凝效率，大大地缩短了混凝沉淀的时间，提高了分离效率，对于浊度具有良好的去除能力，同时与磁性生物活性污泥法连用，具有很高的脱氮除磷效果[1]。

1 超磁分离定义

超磁分离水体净化技术向水中投加磁种、混凝剂和絮凝剂，通过其特有的微絮凝过程磁化水中的絮团再经过超磁分离机实现了水与絮体的分离，超磁分离机采用的是永磁强磁性材料，通过聚磁技术，磁盘中可以产生远远超过重力640倍的磁力，在小于0.1s的时间内吸住弱磁性物质，平行的磁盘间，水的流速可达到300～1000m/h[2-4]。

2 超磁分离反应机理

2.1 感生磁力

超磁分离要求被分离的物质必须是导磁性物体，而非导磁性物质则通过微磁絮凝技术改性后被赋予磁性变为导磁性絮团，这样产生的絮团的比磁化率是决定感生磁力大小的重要因素之一，感生磁场的决定因素还有外磁场强度和磁场梯度的大小。

2.2 磁分离原理

利用感生磁场(电磁场或者永生磁场)将污染废水当中的磁性絮团悬浮物打捞分理分离出来，达到将水质净化的目的和悬浮物回收的目的。

2.3 超磁分离的效能定律

超磁分离设备的效能越高，其所具备的磁力也就越大，根据磁分离的效能定律，超磁分离设备当中的磁力越大，其分离的效能越高，其具有一次线性关系；同理，磁力作用于颗粒上的有效面积越大，分离效能越高；同一个设备当中，当处理废水量增加，净化精度就会降低，所以要取得较高的净化精度，可适当控制处理废水流量[5]。

2.4 超磁分离工作原理

2.4.1 微磁絮凝技术

目前超磁分离技术越来越多地应用于市政污水处理当中，但是市政污水有别于部分矿山污水及工业废水，这些矿山污水及工业废水中含有大量的强磁性物质，而市政污水当中绝大部分是非磁性物质，而超磁净化技术需赋予非磁性物质以磁性。

微磁絮凝技术是通过向水中投加磁种、混凝剂和助凝剂，使磁种在混凝剂与助凝剂的作用下与污水中的悬浮物凝聚抱团形成絮团。一方面，由于新形成的絮团是以磁种为“凝核”，加快了絮体颗粒的形成；另一方面，磁种与水中悬浮物形成混合体，因此，新的絮团具有磁性。

2.4.2 磁种回收技术

在微磁絮凝的过程中，为了使悬浮物絮凝过后具有磁性，采用了磁种，但是投加磁种过后会导致运行费用增加。因此，考虑到吨水处理的运行成本，超磁净化技术采用磁种回收技术，将投入水中的磁种回收再利用，回收率≥99.4%，磁种投加成本基本产生在水电损耗上，其本身循环利用率高。

2.5 超磁分离机工作原理

超磁分离机的结构及其在如图1[5]所示。

1-机架及水槽；2-稀土磁盘组；3-刮渣装置；4-刨轮机构；5-螺旋输送装置图1 超磁分离机工作原理

超磁分离净化装置的主体是由一组强磁力稀土磁盘分离装置组成的，由于该磁盘采用圆形，加大了微磁絮团与磁盘的接触面积，加大了分离效率。当污水流经超磁分离净化装置时，微絮凝形成的磁性絮团受到磁盘上强磁力的作用，克服水中阻力，被磁盘表面捕获，吸附于磁盘表面。随着磁盘的转动逐渐从水体中分离出来待悬浮物于磁盘上失去大部分水分，运转到刮渣条时，形成隔磁卸渣带，由刮渣刨轮将废渣刮入“螺旋输送装置”，产生的废渣输入渣池，以备磁种回收利用。被刮去废渣的磁盘再次进入水中。

3 超磁分离净化技术的工艺流程

超磁分离水体净化技术一般用于深度处理时去除水体中的悬浮物，主要在污水处理主体反应之后，替代二沉池以减少反应时间，也可做脱氮除磷或去除其他元素的主体反应器[1,6]，如图2所示。

图2 超磁分离水体净化技术流程

3.1 加入特选磁种

在废水进入混凝池之前，根据处理污水特性配置相应磁种，磁种选择一般注意一下几个原则：第一，所选择利用的磁种必须剩磁较小，剩磁尽量要小于8Gs，这样磁种才能避免相互吸引成团，在水中均匀的分布，有利于微絮凝时絮团的形成。第二，因为要磁种与混凝剂等充分接触，所以对磁种的粒径也有较高的要求，如果粒径太大，磁种难以作为“凝核”与悬浮物形成磁性絮团，容易沉淀，且在水中分散时，所消耗的机械能较大；如果粒径太小，比表面积过大，会导致药剂用量大大增加，且磁种之间容易聚合，不能很好分散。磁种的选择需根据水体具体选择[7]。

3.2 微磁絮凝

在混凝系统中，需要利用药剂PAC及PAM。PAC与PAM通过各自的制备装置分别配制成一定浓度的药剂。配制完成的PAC通过计量泵定量地投加到混凝系统的PAC搅拌箱，配制完毕的PAM经过PAM计量泵泵组定量地投加到混凝系统的PAM搅拌箱。此时，水体中已经含有一定浓度的磁性物质，在助凝剂跟混凝剂的作用下，磁种跟非磁性悬浮物之间完成结合，形成磁性絮团，混凝絮凝时间约为2～3min。

3.3 快速分离

在上一级反应过后，出水进入超磁分离净化设备，在高强度的磁场下，磁性微絮团被与进水方向相反的缓慢转动的稀土磁盘打捞出来，达到磁性微絮团与水体分离的目的。水流速度可达到300m/h～1000m/h,不能过快，以保证足够的水力停留时间，充分的接触吸引，分离时间总得来说基本在30s左右。

3.4 磁种回收

由磁盘打捞出来的微磁絮团通过磁鼓回收系统，实现磁种和非磁性污泥的分离，磁种回收再利用(回收率≥90),污泥进人污泥处理系统。

3.5 回收磁种计量投加

回收的磁种加人一定量的清水，搅拌均匀后通过计量泵重新投加到混凝反应器，循环使用。

4 超磁分离净化技术的研究现状与工艺

4.1 国内外研究

中国科学院电工研究所研发制作了高温超导高梯度磁分离机，磁体采用Bi-2223线材绕制，内外直径分别为12cm和21.2cm，高11.18cm，当其冷却至10K时可以产生3.22T的磁场。电工所将其用于钢铁厂工业废水的处理的实验结果表明，其分离效率可达84.1%[8,9]。

郑学海[10]等人在对超磁分离法处理DZA有机废水的研究当中，采用了新的材料作为磁种。这种磁种采用的原料是炼钢产生的烟尘跟气溶胶的凝聚物，最终形态为较均匀的细粉，颜色为棕红色的“红土”。其化学成分含铁量高，杂质少，主晶相为γ-Fe3O4，有少量亚铁离子以FeO形式存在。

FeO的磁化率在7200×10-6(293℃)，Fe2O3磁化率在3586×10-6(103℃)。少量FeO存在不影响磁絮凝过程与吸着性能。经大量试验，使用“红土”与市售铁氧体磁粉作磁种，在磁絮凝与磁分离性能方面作平行比较的结果表明，在COD去除率、SS残留等与磁粉无显著差别。用“红土”作为磁种，相比较于单独研究磁粉而言，节约了成本，同时又处理了烟气废物，达到了“以废制废”的目的。

王军等人[6]利用磁铁矿(Fe3O4)作为磁种，PFS作为絮凝剂，通过控制磁种、PFS用量、絮凝时间及助凝剂用量，对超磁分离与OGMS与HGMS联合去污水中的砷做了定量研究，最终在OGMS当中采用磁粉20～300mg/L，絮凝时间0～15min时，砷的去除率基本在80%以上。

T. Okamoto等人[11]对如何利用纳米磁性吸附剂除去污水中的汞进行了深入研究。通过实验来比较了磁珠(MBS，具有纳米尺寸的磁铁矿颗粒作为核心同时在表面具有大量的SH基)与纳米结构的磁性活性炭(MAC，具有纳米孔和磁铁矿的活性炭，如图3所示)来作为吸附剂时的不同效果。

研究通过改变温度条件时纳米结构的磁性活性炭(MAC)的处理效果。在少于1min的时间里，MBS和MAC的最大吸附量分别可达6.3mg/g和38.3mg/g。同时这两种吸附剂都能通过脱吸附作用除去汞，并加以回收利用，这样就实现了污染物的回收利用与吸附材料的循环使用。

图3 磁珠结构示意图(左)与磁性活性炭显微结构图(右)

4.2 与其它工艺联用

将磁分离技术与传统的活性污泥法相结合，坎布里奇水务科技(北京)有限公司以CoMag工艺为基础而开发创新出一种新的工艺——BioMag工艺。BioMag工艺是是继CoMag工艺之后推出的一项通过向曝气池添加磁种来充当磁性载体，提高比表面积，借此来提高污水活性污泥处理能力的工艺。经BioMag工艺处理过的水，其悬浮物、生化需氧量、氮和磷的浓度都比较低，且所需的占地面积相对常规生化系统较小。

将BioMag工艺与ReCoMag工艺联合使用，可以去除BioMag工艺当中的二沉池，将极大地缩小占地面积，大大减少了外排污泥，能够对大流量的污水进行脱氮除磷处理[12]，如图4所示。

图4 BioMag-ReCoMag工艺流程图

除与BioMag、HGMS[13]等工艺联用，超磁分离技术可以作为大多数污水处理工艺的深度处理环节，这不但可以节约土地使用，同时也对深度处理污水的效果有极大的提高。当然也可以与其他方法联用如董婷婷[14]等将其与气浮法联用来去除水中的二价镉，去除率可达90%。

4.3 超磁分离的工程应用现状

超磁分离水体净化技术由于采用微磁絮凝技术，处理范围较之传统的高梯度磁分离法有了极大地提高。

北京市北小河再生水厂二期工程一级强化处理设施采用2套10000m3/d规模的超磁分离设备，超磁分离系统COD浓度由进水550mg/L，降低到120mg/L以内；TP降低到1mg/L以下，悬浮物及TP去除率均能达到90%以上；出水水质能满足《城镇污水处理厂污染物排放标准GB 18918——2002》中的三级标准。

北京市通州区也采用超磁分离技术作为景观回用水处理系统。景观水体相当于地表Ⅴ类水体，其中有大量的污染物积累，藻类的大量繁殖，所以具有较高的藻类浓度，大量的悬浮物，以及高COD等特点[15]。对于景观用水及部分湖泊可采用简易超磁分离设备。

对于四季条件变化变化较大的黄河水，在不同季节可能具有低温低浊、高藻、高浊度等特点，为应对其变化较大的水质，环能德美集团在污水处理流程前添加超磁分离净化技术作为预处理技术。出水色度在13度以下，浊度稳定在1NTU左右，排放高浓度泥浆含水率约93%[7]，可通过板框压滤机进行脱水处理。

福建省福州市罗源县利用超磁分离技术对石板材行业加工废水进行集中整治。加工废水中主要是加工过程中添加的“冷却剂”，这些冷却剂中的有机高分子化合物与石材废水中的微小颗粒螯合络合形成了较稳定的胶体溶液，形成一种“牛奶”状的液体，进水浊度约为500NTU～1000NTU。采用该方法过后出水浊度小于20NTU，总磷小于0.05mg/L。大大节约了沉淀混凝的成本[16]。

美国麻省Concord市污水处理厂采用此工艺作为污水深度处理装置，出水满足：悬浮物小于5mg/L，TP小于0.2 mg/L，磁种的回收率高达99.5%[17]。

5 结语

总的来说，相比较于传统的沉淀分离工艺来说，超磁分离水体净化技术具有以下几个优点：流程短，絮凝反应和磁分离成套占地小；水头损失小，从来水絮凝反应开始，到磁分离完成，整过处理过程需要3分钟时间；与HGMS相比没有反冲洗，连续排出泥流量为处理水量的0.6%，污泥浓度达到7%，好于其它任何工艺；寿命长，主设备寿命20年以上；投资节省，成套设备吨水/天投资80元左右；运行费用与传统方法相当，与膜过滤和盘式过滤相比要低；系统简单，日常维护方便，自动化程度高,不需人员值守。

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Magnetic Separation in the Researchand Application Status of Wastewater Treatment

TangGang1,WangJibai1,2,YangPing1

(1.CollegeofArchitectureandEnvironment,SichuanUniversity,Chengdu610065,Sichuan,China;2.ScimeeSci.&Tech.Co.,Ltd,Chengdu610045,Sichuan,China)

Magnetic separation is a water purification technology, a physical chemistry water treatment technology, developed in recent years. Through the development in recent years has been more mature technology. It is characterized by the addition of magnetic species and coagulant to change the coagulation and precipitation characteristics, accelerating coagulation rate. The Solid-liquid separation is realized by the magnetic separator, which has greatly accelerated the speed of sewage purification. Super magnetic separation, with a high separation efficiency of suspended matter, shorter process flow, investment and operating costs less, easy to operate, fast running, basically in a few minutes will be able to complete a cycle of operation, is a new physical and chemical treatment technology. This paper mainly introduces the basic principle of the technology of the super magnetic separation, the selection of the magnetic field and the practical application case of the project.

water treatment; super magnetic separation; turbidity; physical chemistry

四川省科技厅科技支撑计划(2015SZ0009)