磁技术在污废水处理中的作用机理及应用

郎瀛 安徽亚泰环境工程技术有限公司

水体经磁化处理后其物理与化学性质发生改变，磁技术可提高微生物活性，让其具备更强的污染物处理能力与废水降解能力。同时，磁场撤除后，该效果可持续数天，具备一定的记忆效应。传统污废水处理工艺与磁强化技术的融合是近年新兴的水处理技术，具有简单、高效、能耗低、低成本等特点，不会造成二次污染，具有极为广阔的发展前景。

一、磁技术在污废水处理中的作用机理

磁技术在污废水处理的应用主要借助电流及永磁体产生的强磁场与高强度梯度，基于谐振等理论完成污废水降解与净化。永磁体是最为顽强的磁体，如磁铁矿、铁镍钴磁钢等。在污废水处理中应用磁技术，需磁体具备耐腐蚀性、抗氧化性与强稳定性。

（一）电磁场非热生物效应理论

常规条件下带电粒子附着70mv的静电势垒，必须穿透才能压缩双电子层，以此形成絮体沉淀。长期且不间断的电磁波照射可在膜表面形成附加电位，有助降低静电势垒。当穿透磁场时，带电粒子在磁场力的作用下，可增强各粒子之间的沉降性，有效缩短污泥沉淀时间，达到净化水体的效果。由于生物组织体内存在 1010Hz~1012Hz 的相干电振荡。如果振荡频率与生物机体相近，将形成谐振，以此降低生物活性，灭杀水体中有害的微生物。例如，磁场对微生物具有极高的消杀作用，可抑制病原体、线形虫等。

（二）磁场的生物效应理论

通过调查与检索国内外有关磁场对生物的影响的相关研究，结论指向磁场可改变细菌细胞超微结构，磁场内部细菌细胞内的线粒体数目呈上升趋势，可以认为细胞的呼吸与氧化还原与磁场有紧密关联。超微结构的变化诱发细胞能量代谢、物质代谢与物质运输，有助细胞分裂、生长。经过磁化处理的水体可增强内部微生物活性，让其氧化降解有机物的能力随之提升，表明磁技术可增强水体内微生物灭菌的能力。

当外部施加的电磁场对穿过通道的离子施以电场力与洛伦兹力的作用，可改变离子的通透行为，增强水体矿物溶解度与水分子自由基。从水体系统分析，磁技术可增加整体系统的溶氧量，增加好氧系统处理效率。水体中矿物质的溶解度与有机物分解相关，当矿物质溶解度增加时，可促进有机物形成碳、氮等元素，为微生物提供能源，促进微生物在生物反应器中的挂膜生长及降解菌的驯化培养，以此增强微生物吸附能力及提升污染物降解效果，达到净化水质的作用。

二、磁技术在污废水处理中的应用

（一）磁强化活性污泥技术的应用

向活性污泥系统中加入磁粉或施加外部磁场，磁生化效应可有效改善水体污泥性质，达到提高沉淀速率的目的，增强水体净化效果。在活性污泥技术的高度发展下，磁技术的研究愈加深入，污废水处理实现了好氧颗粒污泥、厌氧氨氧化等多项新技术的融合，可促进水体功能菌富集的作用，缓解膜污染，提高污水净化效率。

美国剑桥水务公司的磁生化BioMagTM技术与环能科技公司的MagBr磁介质生物反应技术是工程应用的典型代表。在污废水生物反应池中投放磁粉，磁粉随着污泥在整个水体系统中循环，与水体内各类微生物反应，污废水处理仅需增加磁粉投放与回收设备，便可实现活性污泥工艺（流程见图1）。将CASS、SBR、CAST、A2O、氧化沟等结合，让净化后的水体满足更高的污染物去除标准。例如，某污废水处理厂，日污废水流量2万吨，水质排放标准需满足BOD5<2mg/L、TN<2mg/L、浊度<1.0NTU，同时不可留存氨氮，磁粉回收率需大于98%。本污废水处理厂面临的技术瓶颈是回收设备寿命有限，无法保持长久运作。如果工艺不设有初沉降池与细格栅网，将影响回收剪切设备正常运转，导致其损耗加大甚至发生淤堵，造成磁粉流失。为解决上述问题。结合MagBR技术，实现一体化投料，在污废水中施加磁性悬浮填料，在满足高比表面积、高流化性、高亲水性等基础上，实现一体化填制。该技术具有搭建速度快、地域限制性低、处理及时等优势，已经广泛应用于我国湖北、北京等河道水质改善，适用于污废水处理。

图1 BioMagTM技术流程图

（二）磁强化剩余污泥处理技术

剩余污泥是我国污废水处理的副产物，年剩余污泥量高达4×107t，其中含水量约为80%。污废水处理后的剩余污泥含有重金属、营养元素等，属于高危废物，一旦处理不彻底或处置不当将带来极为严重的后果。由于其构成较为复杂，降解难度大，具有支出高、易浪费的特点。我国颁布的《水污染防治行动计划》中确切表示：污水处理必须对污泥进行稳定与无害化处理。本小节重点阐明磁技术在剩余污泥处理中的应用。

1.磁强化污泥厌氧消化技术

据初步统计，国际现存超百万的污废水处理厂采用厌氧消化技术。磁技术作为可促进厌氧系统间物种电子转移的内驱元素在污废水中施加20mmol/L的磁铁矿可提升水体内甲烷产生率，保持系统整体稳定性。在不补加磁粉的前提下，厌氧消化反应器可持续工作约8个月。

介于磁性物质对剩余污泥厌氧消化的促进效果，国外学者Suanon以质量比0.5%与1%混合脱水剩余污泥与纳米级磁铁矿，结论表明浓度较低的磁铁矿可提高水体中沼气含量与甲烷比率，可稳固污泥中重金属元素与磷元素。反之，当施加高浓度磁铁矿时，水体中沼气产量明显降低。磁技术在污废水剩余污泥处理中为甲烷提供反应条件，并非影响甲烷产出形式。通过归整与分析国内学者的研究得出：在温度的持续升高下，含磁污泥水体的水解速率加快、挥发性脂肪酸产量提升，氮元素排出量提升，结论表明30℃是最合理的磁污泥厌氧水解酸化的情况。

2.剩余磁污泥吸附材料

由于磁粉回收率无法达到百分之百，剩余污泥中势必留存少量磁粉，含磁性的污泥的厌氧消化成为磁技术在污废水处理研究的热点课题。磁性污泥含有酵母、微藻、真菌及灭亡细菌，具有大量氨基、羰基等官能团，可回收植被吸附剂。考虑到剩余污泥水分散失后单位质量物料占有的面积较小与分离回收难度大等问题，其应用具有较大限制。负载磁性物质可有效增强离子吸附位点，借助磁场实现干污泥快速分离。常规的制备方法包括：干污泥与铁盐溶液同步沉淀、Fe3O4和磁性污泥混合反应。各类分离方法均以比表面积与稳定性为基础，结合不同类别污染物的吸附容量与吸附性采用合适的分离措施。

（三）磁强化混凝技术的应用

具有代表性的是青岛洛克环保科技有限公司的SediMagTM技术与中间环能科技股份有限公司的MagCS磁介质混凝土沉淀技术，该技术普适流程图见图2。

图2 磁强化混凝技术工艺流程图

总的来说，磁强化混凝技术共由四部分组成，分别为混凝反应池、沉淀池、加药系统、磁回收装置。反应池分为混凝池、磁性混凝池、絮凝池。污废水处理流程为：城市污水与混凝剂反应——混凝池和添置的磁粉形成以磁种为基础的絮体——基于絮凝剂的吸附架桥作用汇集成絮团——污水与带有磁性的絮团充分结合进入沉淀池——污水在磁性絮团的作用下分离分层——磁种进入回收系统，被剪切机打散，经分离后的污泥被排出，磁粉被磁鼓回收后在预设的基础上形成溶液再次投放在混凝反应池，让磁粉循环利用。部分污废水处理厂设置了污泥回流系统，首次反应中碱度反应无法发挥除磷作用的混凝剂可再次发挥作用，让污泥中的絮凝剂得到反复利用，达到节省药剂的目的。

目前，诸多污废水处理厂借助磁强化混凝技术进行提标改造，排出的水可满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》的A级指标。北京市清河污水处理厂改造中应用磁混凝-沉淀技术，用于净化沉沙池超越废水，整体停留时间为17分钟，进水处均浓度为170、4.5mg/L的SSTP将低至21、0.64mg/L。经净化后的废水借助管道排入清河，具有高效与高稳定性的特点。

在磁分离技术的高度发展下，回收磁粉方面取得突破性进展，同时磁技术逐渐适用于固液分离。目前主流的超磁分离可取替重力沉淀方式，可有效缩短污废水处理时间，一方面节省占比面积，另一方面可提高处理效率，提升污水处理厂效能。例如，北京北小河污水处理厂运用磁混凝-超磁分离技术，采用一级强化处理指标，反应阶段絮体仅需微絮混凝附带磁性，不需要形成絮团，可进一步缩短处理时间。

三、结束语

磁技术在污废水处理的应用具有流程简单、费用低、处理效果良好等特点，磁技术具有充足的发展潜力。基于磁技术的高度发展，磁分离成为有关领域研究的热点课题，在未来城市污废水处理中将占据主导地位。介于磁处理技术可联合多类处理工艺应用，构建协同污废水处理系统可对传统处理工艺进行迭代与优化。目前，关于磁粉与磁场各项指标对微生物影响的研究需进一步深入，掌握温度、水质环境等对微生物活性及降解的影响，探寻系统运行最佳参数。基于此设计出更合理、更高效，并且可普适于污水处理厂的磁反应工艺，推动污废水处理技术的现代化发展。