新型磁工艺在污水处理中的应用

田迎春

（马鞍山学院建筑工程学院，安徽 马鞍山 243100）

随着社会的发展和科技的进步，寻找低耗高效的水污染处理工艺刻不容缓。本文研发了一种磁生物和化学除磷组合装置来优化污水排放指标，达到水资源回用的目的。磁工艺用于水处理的研究起源于20世纪40年代，当时比利时应用水的磁化处理锅炉用水，并且获得了专利[1]。20世纪60年代末，苏联开始用磁凝聚法处理钢铁厂的除尘污水。20世纪70年代，美国研究用磁絮凝法处理钢铁、食品、化工和造纸等行业排放的工业污水。目前，在国内，磁工艺主要用于处理生活污水、含油废水[2-3]，在工业污水方面的研究还欠缺，所以现在的研究成果还不足以支撑磁技术在水处理领域的大规模推广与应用。针对这一缺陷，本研究将以试验为依托，开发一种新型磁生物反应器和化学除磷装置，用超磁分离机代替膜分离磁性活性污泥，达到减少泥水分离时间，减少能耗，提高脱氮能力的目的。

1 试验材料及方法

1.1 试验工艺流程

如图1所示，整个试验工艺流程包括两个单元：一个是磁生物反应器单元，另一个是化学除磷（或去除重金属离子）单元。工业污水经过一级处理后，进入膜生物反应器（MBR）进行生化反应。需要注意的是，在进入MBR之前，在污水中加入磁粉（粉煤灰中分离出的磁珠），在MBR中投加能吸附磁粉的物质（磁性载体）。磁性活性污水进入超磁分离机进行泥水分离，此时分离的污泥中含有磁粉和磁性载体，这些磁粉和磁性载体会流入MBR重复使用[4]。上清液流入另一超磁分离机，此时的污水含有一定的悬浮物，使得出水水质不达标。为了处理这部分污水中的悬浮物，在进入超磁分离机之前再次加入磁粉，使污水中悬浮物浓度增加，提高絮凝效果，并在污水中加入化学药剂（聚合氯化铝），使得悬浮物凝结，从而形成带铁磁性的絮凝体。超磁分离机把该絮凝体吸附，达到去除悬浮物的目的，进而减少水体中的磷元素和重金属离子。上清液处理后达标排放。

图1 试验工艺流程

磁生物反应器单元是在MBR传统工艺的基础上进行改造，超磁分离机取代膜分离技术。这样不仅能够大大缩短分离泥水的耗时，减少水力停留时间，还可以提升脱氮能力。第二个反应单元中，化学药剂的投加使水中的磷酸根和重金属离子反应生成难溶性物质（沉淀），其与水体中加入的磁种结合成具有磁性的絮凝体，超磁分离机把该絮凝体吸附分离，最终去除水体中的磷元素和重金属。

1.2 试验材料

1.2.1 污泥来源

试验污泥取自安徽长江钢铁股份有限公司污水处理厂，经检测，样本污泥沉降比为32%，污泥浓度为584 g/L。试验准备阶段将该污泥稀释2倍，一部分通入有磁性载体的工艺流程，一部分通入无磁性载体的工艺流程，经过36 h不间歇曝气，开始连续进水（流量2 L/h），反应器内溶解氧保持在20 mg/L以上。

1.2.2 磁粉性质

经过各方面的综合考虑，试验中投加的磁粉选取四氧化三铁（Fe3O4）粉末，该粉末带有很强的磁性，在自然界中比较普通和常见，能大大减少水处理成本。经测定，Fe3O4具有吸附力强和比表面积大的特性。试验前，磁粉需要进行一定的前处理，将Fe3O4粉末放于5 L大烧杯中，加入去离子水与之充分混合，然后将烧杯置于磁石上，静置60 min，磁粉沉淀于烧杯底部，把上清液去除，如此步骤反复两次，取出烧杯底部的沉淀物放入烘箱（105 ℃）中，烘干备用[3]。

试验期间分别对磁性载体反应器和非磁性载体反应器的出水水质进行分析比较，结果表明，加入磁工艺的水处理流程出水水质指标得到大幅度的优化。

2 结果与讨论

2.1 出水COD去除率对比

试验分别对磁性载体反应器和非磁性载体反应器的出水COD浓度和去除率进行测试，如图2所示。

图2 反应器出水COD浓度及去除率

由图2可见，前8 d的磁性载体反应器与非磁性载体反应器内出水COD浓度均呈线性下降，磁性载体反应器内出水COD的去除率与非磁性载体反应器内出水COD的去除率均呈稳步增长趋势，磁性载体反应器内出水COD的去除率可超过80%，非磁性载体反应器内出水COD的去除率一直徘徊在70%左右，这表明加入磁种能提高厌氧微生物的成活率，适当添加磁粉对厌氧反应有一定的促进作用。磁场作用会加快微生物的酶促反应和自由基反应，能诱导微生物合成与代谢相关的酶，增强活性，从而提高微生物降解有机污染物的能力。

2.2 出水NH4+-N去除对比

试验分别对磁性载体反应器和非磁性载体反应器的出水NH4+-N浓度进行测试，如图3所示。运行3 d后，磁性载体反应器出水NH4+-N浓度迅速降低，反应装置运行6 d后，出水NH4+-N浓度趋于稳定；反观非磁性载体反应器，出水NH4+-N浓度一直居高不下。由此可见，弱磁场的存在对硝化有明显的促进作用，从而提高NH4+-N降解效果。

图3 反应器出水NH4+-N浓度

2.3 出水TN去除对比

试验分别对磁性载体反应器和非磁性载体反应器的出水TN浓度进行测试，如图4所示。

图4 反应器出水TN浓度

由图4可见，磁性载体反应器出水TN浓度一直小于非磁性载体反应器，第1天到第2天，磁性载体反应器TN去除率的增长速率是非磁性载体反应器TN去除率的2倍，第3天非磁性载体反应器TN去除率骤降到28.4%，而磁性载体反应器TN去除率仍保持在60.4%，其是非磁性载体反应器TN去除率的2倍多。40 d内，磁性载体反应器TN去除率一直大于非磁性载体反应器，表明磁性载体反应器的挂膜性能优于非磁性载体反应器，可以更好地去除污水中的TN，从而提高TN降解效果。

2.4 出水污泥浓度对比

试验期间，磁性载体反应器和非磁性载体反应器稳定运行120 d。对排出的污泥进行分析，得到污泥浓度随时间的变化规律，如图5所示。从图5可以看出，前80 d两个反应器的污泥浓度都是先快速上升再缓慢下降。反应80 d后，污泥浓度趋于平稳，基本保持不变。

图5 反应器出水污泥浓度

3 结论

随着环境保护意识的增强，研究稳定高效的工业污水处理工艺成为热点。本文将磁粉与常规的MBR法结合处理工业污水，考察磁工艺强化后的MBR法对工业污水深度处理的影响。研究表明，磁性载体反应器的挂膜性能优于非磁性载体反应器，其在启动期就具有良好的污染物去除性能。相比非磁性载体反应器，磁性载体反应器出水COD去除率提高了8%，NH4+-N去除率提高了20%，TN去除率提高了8.4%。