磁混凝技术在水处理中的研究进展

邱敬贤 ，刘君 ，黄献

（1.长沙环保（服务）工业技术研究院，湖南 长沙 410100；2.航天凯天环保科技股份有限公司，湖南 长沙 410100）

我国是水资源短缺国家，是世界上13个贫水国之一，用水问题严重制约着我国经济的发展。近年来，随着我国工业化和城镇化进程的进行，水污染现象日益突出。据2015年环境统计公报显示，全国废水排放总量为735.3亿t，其中工业废水排放量199.5亿t，城镇生活污水排放量535.2亿t，水污染治理已成为亟待解决的重要问题。

混凝技术是工业用水和生活污水处理中应用最基本也是最广泛的处理技术，主要通过向废水中投加混凝剂，使其中的胶体微粒和细小悬浮物发生脱稳，相互吸附结合形成较大颗粒，从而从水中沉淀分离以净化废水的方法。该技术虽然具有操作简单、处理效率高、降低后续负荷显著等优点，但是也存在着出水水质不稳定、混凝剂用量大等缺点。因此，目前混凝技术的研究应主要集中在新型混凝剂的研发以及混凝技术与其他技术的组合强化上。

磁混凝技术是在传统混凝技术的基础上同步加入磁种，使其与混凝剂、污染物等结合成一体，形成磁性复合体，然后利用自身比重大、沉降快的特点或通过磁分离装置，加速固液分离，从而将污染物去除的方法，其中磁种通过磁分离装置实现回收和循环利用，节约成本。目前，磁混凝技术已在城市污水、黑臭水体、城市供水、工业废水等水处理领域得到了应用。

1 磁混凝技术的原理及影响因素

磁混凝技术是混凝技术和磁技术的强化组合，也是两者的有机结合。就反应原理而言，陈文松等[1]认为有磁种参与的磁絮凝反应与没有磁种参与的絮凝反应没有本质区别，投加的磁种与其地的细微悬浮颗粒一样，在混凝中起晶核作用，混凝的作用机理对它同样起作用。磁混凝过程中，以磁种为絮体晶核，投加絮凝剂，通过絮凝、吸附、架桥等作用，将水中的微小悬浮物或胶体颗粒与粒径极小的磁种结合，有利于磁种和胶体微粒或悬浮颗粒物的碰撞脱稳形成絮体，促进絮体的团聚变大和提高捕捉污染物的能力，高相对密度的絮体也大幅度提高了沉降速度，加速了固液分离。

与传统混凝技术相比，磁混凝技术虽然具有处理效率高、沉降时间短、占地面积小、出水水质稳定安全、成本低等优点，但是在实际水处理应用中，仍然受到很多因素的影响。一是投加磁种的影响。磁种对磁混凝技术的影响主要分为三个部分：磁种粒径大小的影响、磁种种类的影响和磁种投加量的影响。磁种粒径大小决定着絮体晶核的大小，影响絮体结构的形成，进而影响沉降速度，不利于固液分离。有研究表明，为保证磁混凝过程中高的絮凝效率，磁粉的粒径不应大于10 μm，主要是由于大粒径的磁种与污染物的接触面积相对减少，使得磁种吸附污染物的能力减弱；其次大粒径的磁种比重较大，沉降速度快。磁种种类有铁粉、磁性氧化铁、粉煤灰磁珠、磁铁矿颗粒等，不同磁种的磁性不同，对胶体微粒和细小悬浮物的作用有很大差异，因此也会影响磁混凝效果。而磁种投加量的不同也会影响磁混凝结果。在一定范围内增加磁粉投加量，相当于增加了参与混凝反应的晶核，会加快反应的进行，缩短反应时间。但当磁种投加量过多时，磁种之间会发生碰撞，使得絮凝率降低，导致磁种的浪费。二是混凝剂的影响。不同的混凝剂产生的混凝效果不同，而同种混凝剂，量的不同产生的效果也会有很大差异。混凝剂投加量的多少则视水质条件而定。三是药剂投加顺序的影响。在磁混凝过程中，磁种与悬浮物或胶体颗粒结合形成磁性絮团的过程与混凝过程中絮体的形成类似，也是通过吸附、架桥凝聚起来的，该过程只发生于絮凝剂加入的瞬间，一旦错过，磁粉便难以与污染物结合成磁性絮团。因此，磁粉要在絮凝剂投加之前投加或同时投加。四是搅拌条件的影响。当搅拌速度过快时，虽有利于磁粉的扩散，但是会使得磁粉之间碰撞几率增多，不利于磁性絮团的形成，同时速度过慢不利于磁粉的扩散，与水中的污染物接触不充分。因此，宜采用适中的搅拌速度，提高磁性絮团形成几率的同时，又能避免将生成的絮团打碎。

2 磁混凝技术在水处理中的应用

2.1 在市政污水中的应用

目前，据数据显示，市政污水的排放量约占全国污水排放总量的70%，是我国水污染中最主要的组成部分，对人体和生态环境造成了重大影响。磁絮凝技术由于操作简单、处理效果好、沉淀时间短等优点，在市政污水处理中得到了广泛应用。目前，美国已采用磁混凝技术用于处理15 000 t/d的市政污水，而我国也于2007年年底在北京清河污水处理厂进行了10 000 t/d的为期2个月的磁混凝沉淀试验，取得了良好的效果，并于2008年建成了处理5万t/d的运用磁混凝技术的市政污水处理厂，已投入运行。蒋海等[2]通过工程实例对磁混凝技术的工艺参数进行了探讨，研究了加料顺序、搅拌条件和混凝剂投加量对系统运行结果的影响。结果发现，当搅拌速度为80 r/min，PAC投加量为25～30 mg/L的情况下，同时加入磁粉和PAC，再加入PAM，磁混凝对市政污水的浊度去除率可以达到99%。王奇等[3]采用磁混凝技术处理城市污水厂处理尾水，并考察了PAC投加量、磁粉投加量和沉淀时间对尾水处理效果的影响，结果表明，当PAC投加量为50 mg/L，磁粉投加量为500 mg/L，沉淀时间为6 min时，磁混凝对尾水的处理效果最好，并且COD、浊度、总磷的去除率分别为92.6%，89.7%，92.3%，说明了磁混凝能够很好地解决污水处理厂的尾水问题，具有极高的实际应用价值。胡家玮等[4]通过响应面分析法建立了影响因素（如药剂投加量）与城市废水磁混凝去除效果之间的Central Composite模型，并确定了工艺的最优值。研究发现，当PAC为319 mg/L，磁粉为414.16 mg/L，PAM为0.44 mg/L时，城市废水的去除率最高，COD和TP的去除率分别达到了51.03%和87.34%，与模型的理论预测值误差小于1%，表明模型稳定性较好，可靠性较高，可以为工程应用提供指导。

2.2 在工业废水中的应用

2.2.1 处理造纸废水

造纸废水成分复杂，含有大量的木质素、半纤维素、无机盐等，若未加处理就排入受纳水体，会大量消耗水中的溶解氧，并且造成废水颜色深、臭味重、泡沫多，从而影响人体感官，对生态环境和人体健康威胁较大，是我国主要的工业污染源之一。随着环保相关法律法规的进一步严格及排放标准的加强，对造纸废水进行治理已成为当务之急。但是由于采用常规混凝法处理造纸废水已无法满足排放要求，所以有些专家学者采用磁混凝法处理造纸废水，并取得了较好的效果。顾时国等[5]采用交流变频磁场预处理后的PFS处理造纸废水，并考察了有无磁化、PFS加入量、磁化强度、磁化时间等因素对造纸废水COD去除率的影响。结果表明：在PFS加入量为1 000 mg/L、磁化强度为6 mT、磁化时间为3 min的条件下，对650 mg/L造纸废水的COD去除率为93.22%，在同等条件下较无磁化的混凝处理提高了10%左右。洪卫等[6]开发了“磁整理—梯级反应混凝—生物炭处理”的组合技术处理制浆造纸综合废水，并在山东某纸厂就该技术的实际应用效果进行了为期5个月的中试试验。结果表明，该技术处理效果稳定，在进水COD为300 mg/L，色度为200倍的情况下，对COD和色度的去除率达到了80%和95%，为磁混凝技术处理造纸废水的工程应用提供了依据。

2.2.2 处理印染废水

近年来，随着染料化工的发展和国内纺织服装自身需求的增长，我国印染行业出现了前所未有的快速发展局面，在创造经济效益的同时，印染行业也对生态环境造成了严重破坏。据统计，2015年印染废水的排放量约为14.6亿t/年，排放量在300～400万t/d，严重危害了人体健康和水体环境。为了解决这些问题，一些专家学者研究用磁混凝技术对印染废水进行预处理，极大地提高了印染废水的去除率。韩虹等[7]利用自主研制的高梯度磁分离装置实现了磁混凝和磁分离协同处理高浊度印染废水，并考察了pH值、磁粉投加量、PAM投加量等因素对印染废水的去除效果。研究发现，当 pH值为 8.5，磁粉为 400 mg/L，PAM为3.5 mg/L时，对印染废水COD、色度、SS的去除率分别为85.8%，94.1%和75.5%，较常规混凝处理均有明显提高。主要是因为磁粉的加入增加了胶体颗粒间的碰撞机率，促进了絮体的形成。同时磁粉因吸附在絮体内而形成了磁性共聚体，强化了混凝效果，使得出水可以达到国家二级排放标准。专利201710225504.7[8]也涉及了一种印染废水预处理方法及装置，其主要步骤为：印染废水经格栅去除大颗粒物质后进入磁混凝池，在聚铁、PAM和铁粉的作用下进行预处理后进入澄清池，之后进行外排。澄清池中的污泥通过磁分离器将污泥和磁粉分离，磁粉可以回收再利用，节约成本。该发明的优点在于：装置运行方便，处理成本低，占地面积小，能更好、更快地去除难降解有机物，并且出水满足国家规定的企业直排标准。

2.2.3 处理含磷废水

磷是引起水体富营养的根源之一，虽然城市污水的磷含量很低，但是其排放水量极大，如未经处理就直接排放水体，将会严重污染水环境。目前常用的除磷方法主要有化学除磷和生物除磷，其中生物除磷的效果有限，稳定性差，而化学除磷效果较为稳定，但成本较高，当磷的排放标准很高时，需要采用化学辅助除磷或磁混凝辅助除磷。其中以磁混凝为核心的CoMag磁混凝澄清池工艺更是被美国环境保护署推荐作为除磷技术和深度处理新技术。我国的一些专家学者也在磁混凝除磷方面进行了一些研究。龚正[9]通过磁混凝工艺，在厦门市集美污水处理厂对磷的去除效果发现，采用磁混凝工艺能够达到TP≤0.3 mg/L，满足污水处理厂的提标改造要求，为工艺落后的污水厂提标改造提供了参考。戴凌云[10]论述了磁混凝技术在高含磷废水处理中的应用，并通过磁混凝技术在贵州开磷集团股份有限公司新建3 000 m3/h的污水处理装置上的应用，实验验证了磁混凝技术处理含磷废水的可行性，同时具有沉降时间短、占地面积小，节约成本等优点。专利201710189098.3[11]提供了一种高浓度有机磷废水的处理方法，其特征在于，首先采用化学氧化与磁粉结合的方法，利用磁粉催化的氧化技术将有机磷转化为无机磷，再采用磁混凝澄清技术去除废水中的无机磷。其中含磁粉的化学污泥通过磁鼓分离机回收磁粉，使磁粉循环利用，节约成本。

2.2.4 处理垃圾渗滤液

垃圾渗滤液是一种成分复杂、水质水量变化大、色度高、危害性极大的高浓度有机废水。随着环保要求的提高，垃圾渗滤液的处理已经刻不容缓。而混凝法对水质要求低，去除效果好，是垃圾渗滤液处理中最常用的方法之一，但是也存在着污泥产生量大，不利于后续处理等问题。因此需要寻找一种高效分离污泥的技术与之联合使用，而磁混凝技术就具有沉降时间短、去除效率高、可以实现泥水的快速有效分离等优点。刘占孟等[12]利用以化学还原法制备的纳米氧化铁和PFS为基体复合制备的磁性聚合硫酸铁（MPFS）混凝剂组合NaClO处理垃圾渗滤液，并确定其最佳运行参数。结果发现，当MPFS投加量为3.5 g/L，pH值为6.5的条件下，混凝25 min时，混凝效果最佳，对垃圾渗滤液COD、色度的去除率分别达到62.7%和64.5%，明显高于PFS对COD的去除率。主要是由于纳米氧化铁比表面积较大，更容易吸附悬浮物，同时带有磁性，能增加磁性粒子间的相互吸引力，达到较好的凝聚效果。郦宜斌等[13]采用磁混凝-磁分离技术对南宁市上林生活垃圾填埋场的垃圾渗滤液进行预处理，并考察了药剂投加量、温度、pH值、磁场强度等因素对垃圾渗滤液COD和氨氮的去除率。结果发现，磁种混凝-磁分离技术能有效去除垃圾渗滤液中的COD和氨氮，当磁种投加量为30 g/L，PFS投加量为16 g/L，PAM投加量为20 mg/L，温度25℃，pH值为10.0，磁场强度为150 mT时，垃圾渗滤液的COD和氨氮去除率分别达到86.8%和75.6%，为磁混凝技术在垃圾渗滤液上的工程应用提供了理论基础。

2.2.5 处理餐饮废水

餐饮废水中含有大量的油脂、COD和悬浮物等物质，如果未经处理直接排放，会造成水体的富营养化，并在水面形成油膜隔绝空气，使水体缺氧腐败变臭，如果进入市政管网，会粘结在管道内壁形成堵塞，影响管网的使用。若放任餐饮废水的任意排放，会对土壤和水体造成重大危害。而目前餐饮废水多采用隔油池+混凝气浮法或生化处理，效果较好，但占地面积较大，且生物处理易受温度等因素影响。因此往往采用磁技术等技术强化混凝处理，降低运行费用，减小占地面积。陈鸯[14]通过磁混凝+SBR工艺处理食品加工废水，验证了该工艺的可行性，并且出水水质稳定，对SS，CODcr，BOD及氨氮均有很好的处理效果。王廷强[15]采用混凝磁分离技术净化经隔油池处理后的餐饮废水，并考察了磁粉和混凝剂的投加量对混凝磁分离处理效果的影响。结果发现，当pH值为6.5，磁粉投加量为200 mg/L，混凝剂投加量为1.25 mg/L，在200 r/min搅拌速度下搅拌10 min时，对餐饮废水含油量和悬浮物的去除率分别为96.1%和77.4，优于单独加混凝剂或加磁粉的处理效果。肖俊绚等[16]采用磁混凝与SBR组合工艺对餐饮废水进行处理，结果发现，磁混凝的处理效果明显优于常规混凝，当磁粉投加量为225 mg/L，PAC投加量为180 mg/L，溶解氧浓度为2.5 mg/L，曝气时间为5 h时，系统对餐饮废水的COD、油脂和氨氮的去除率分别达到97%，94%和87%，出水水质稳定达到《污水综合排放标准》中的二级排放标准，对餐饮废水的处理具有普遍推广意义。

2.2.6 处理其他废水

磁混凝技术除了用来处理以上工业废水之外，还被应用在酒精废水、养殖废水、海水淡化等领域的水处理中，并取得了较好的处理效果。

陈宇等[17]利用纳米磁粉Fe3O4与FeCl3复配的混凝剂强化混凝处理木薯酒精废水，并探讨了磁复配前后混凝剂对酒精废水的去除效果和相关机理。结果发现，复配磁混凝剂对浊度的去除率比常规混凝剂有明显提高，最高可达98.5%，其主要去除机理是依赖于电中和作用，但不排除Fe3+与原水中的某些物质发生络合作用的可能，需进一步进行验证。

崔丽娜等[18]以粉煤灰为磁种进行猪场养殖废水的磁混凝实验研究，并考察了影响磁混凝处理效果的相关因素。结果发现，当磁粉投加量为1.2～1.8 g/L，PAC为0.06～0.08 g/L，PAM为3 mg/L，对猪场养殖废水的处理效果最佳，其对SS，COD和浊度的去除率分别为58.33%，63.52%和78.60%。该研究中以粉煤灰为磁种达到了以废治废的目的，具有较好的经济效益和广泛的前景。

王捷等[19]对磁絮凝技术去除高浊海水淡化预处理中的浊度进行研究，结果表明，磁絮凝技术对高浊海水浊度的去除率较常规混凝的85.9%提高到92.8%，强化效果显著，不仅可以降低混凝剂的投加量，降低成本，而且出水水质更好，减轻了后续处理负荷，因此在海水淡化预处理领域具有较大的应用前景。

2.3 在城市河道水体中的应用

城市河道不仅是城市的命脉，具有防洪排涝、调节城市气候的能力，而且是维持生态平衡和城市可持续发展的保障。但是随着近些年城市化进程的进行和各种污染物的排放，城市河道水体均受到了不同程度的污染，甚至转化为了黑臭水体，不仅破坏了河流的生态系统，而且给居民的健康造成了影响。随着国家生态文明建设的提出和《水污染防治行动计划》的出台，城市河道水体的治理已势在必行。而磁混凝技术由于具有占地面积小、出水水质好、反应时间短、见效快等优点，而被应用到城市河道水体的治理。李继香[20]利用磁混凝技术对微污染河水进行处理，并考察了混凝剂用量、磁种用量、药剂投加顺序等因素对处理效果的影响。结果发现，当投药顺序为“磁种+PAC+PAM”，磁种用量为250 mg/L，PAC用量为50 mg/L，PAM 投加量为0.3 mg/L时，对河水浊度和TP的去除率分别达到99.28%和75.82%，较常规混凝在出水效果更好的同时，减少了一半以上的混凝剂用量，也极大地缩短了反应时间，极具应用价值。吕淼等[21]采用磁介体强化混凝处理城市河道水，并对磁混凝的机理进行了研究，结果发现，磁种的加入对混凝过程中的电中和作用并无影响，其主要是通过磁粉的吸附作用强化对污染物的去除，同时依靠异相成核理论促进絮体生长，加强絮体的紧密度，从而提高磁混凝效果。另外磁混凝技术在黑臭河道水、高浊河道水和低浊河道水3种实际河道水中的实验，也为其工程应用提供了数据支撑。

除了将磁混凝技术应用在工程项目中，也有公司研究将磁混凝技术结合在一体化污水处理设备中，提高对污染物的去除率，缩短反应时间，降低处理成本，如环能科技股份有限公司、上海美湾水务有限公司和青岛洛克环保科技有限公司等。相信随着技术的发展，磁混凝技术会越来越多地应用在设备中。

2.4 在应急饮用水中的应用

磁混凝由于具有处理能力大、处理时间短、出水水质安全可靠等优点，在应急饮用水处理中也有巨大的市场前景。阳旭等[22]以高浊度河水为试验进行常规混凝沉淀和磁加载混凝沉淀研究，考察了磁粉、混凝剂和助凝剂投加量对浊度去除率的影响，并以此为基础，设计了5 m3/h的磁加载混凝沉淀中试装置。结果发现，当磁粉、PAC和PAM的投加量分别为75，10和0.2 mg/L时，200 NTU以下的浊度去除率大于97%，出水浊度符合GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》。

3 展望

混凝技术是水处理领域中应用最基本也是最广泛的技术，其影响因素众多，同时也存在着出水水质不稳定、混凝剂用量大等缺点，需采用磁技术等措施强化混凝过程，不仅可以缩短沉降时间，减小占地面积，而且出水水质稳定安全，操作简单，但是同时也存在着一些不足，如磁种分离困难。因此，在今后的研究中需加大对廉价磁种、混凝剂和磁种分离回收设备的研发，以进一步节约成本，同时加强对磁混凝作用机理的探究，优化反应过程，改善和提高整体混凝效果，另外可利用磁混凝技术研发一体化水处理设备，加强其在水处理领域的实际应用。