基于光催化和磁混凝的废水处理设备研究

应英豪，肖立金，施伟红，陈嗣麟

（1.上海造币有限公司，上海 201812；2.北京道成维优环境科技有限公司，北京 100101）

1 工艺流程及干扰因素分析

上海造币有限公司一分厂厂区在日常生产运行中主要产生电镀废水和生活污水，厂区中主要有两个废水站，有机废水站用于收集处理电镀前处理工艺产生的废水，包括滚字、冲床、抛光等工序产生的废水；无机废水站用于收集处理电镀过程中产生的酸性废水。 其中两个废水站的工艺流程分别如下：

1）有机废水站：综合调节池→化学反应及混凝反应池→沉淀池→pH 回调池→生物接触氧化池→二沉池→中间水池1→无阀滤池→中间水池2→离子交换树脂→清水池

2）无机废水站：调节池→化学反应池→斜板沉淀池→中间水池1→多介质过滤器→pH 回调池→中间水池2→离子交换树脂→清水池

磁分离技术：1）原理：磁性材料产生的磁场对水的偶极子有定向极化作用，同时产生磁吸附和磁过滤， 有效达到了对水中重金属离子 （镍）和COD 的去除。 2）干扰因素：①过滤流速：越小去除率越好；接触时间越久，去除率越好；但流速小，反洗时间短，易堵塞，考察结果在滤速8～10m/h 之间，过滤性价比高；②磁性材料的分层，在传统800 ～1200mm 的 滤 料 层 之 间， 考 虑2 ～3 层20mm 左右的磁性材料层，效果较好，直接设置一层40～60mm 的磁性材料层，效果一般；③镍去除：进水镍≤0.1ppm 以下，出水可以达到0.05ppm；超过，则有风险，适合做末端保障单元；④COD 去除：20%～30%之间，进水COD 浓度越高，反洗周期越短。

光催化+永磁生物载体技术相结合原理：①永磁生物载体对微生物附近的污染物有一定的矿化作用，有利于微生物对污染物的吸收，并且磁化能引起生物膜渗透性的增加，从而改善微生物对物质的吸收。 ②永磁生物载体对于微生物的筛选作用，能附着在永磁生物载体上的微生物已经是经过筛选的（磁场能直接作用于细菌细胞内的水和酶，使酶钝化或失活），不仅直接改善生存特性，而且具有新的生物特性（降解特定的有机物）；③结合光源照射，能在永磁载体对生物筛选的基础上培养优势菌群。

干扰因素：①光强（选择短波）；②照射时间、频率（单次照射时间30min，对微生物的选择性明显，超过30min，大量微生物明显死亡；频次为1d4次，每次30min 为宜）；③溶解氧：（跟普通活性污泥法区别不大）；④水体pH（碱度）：跟普通活性污泥法区别不大；⑤磁化强度（每根填料上，磁性填料的占比）：以填料区域体积的3%～5%为宜，过高成本增加偏大，过低则磁生物载体效果不明显。

2 废水处理设备及技术分析

2.1 废水来源及设备参数

实验废水来源：本实验所取废水为上海造币一分厂有机废水站内物化处理段的出水。

磁分离技术装置： 进水提升泵， 磁力泵，Q=16L/min，H =30m，N =0.37kW，1 台； 介 质 柱，DN100，L=1000mm，2 个，材质为亚克力；介质柱架， 配套1 套， 材质为不锈钢； 石英砂滤料，2～4mm，1～2mm 级配，1 项，材质为天然海砂；磁性填料，1 项，材质为磁环+磁瓦；产水箱（反洗时用作反洗水箱）；500L1 个，材质为PE。

光催化+永磁生物载体：不锈钢池体，0.6×0.6×0.8m，2 台，材质为304 不锈钢；进水提升泵，磁力泵，Q=10L/h，H=20m，N=0.37kW，2 台；紫外灯管，长度0.5m，波长范围174～365nm，10 只；风机，Q=200L/min，P=0.1MPa，N=0.37kW，2 个； 曝气盘，1批；光催化填料，0.2m3，0.4m3；磁性材料，1 批；产水箱，500L，2 个，材质为PE；管道辅材及耗材，1 批。

2.2 技术分析[1～10]

磁分离技术：磁分离技术根据实验的目的及进出水水质，结合公司工程经验，提出如下处理工艺： 生化池出水中含有大量SS 和一些难降解的有机物，用提升泵泵入装有石英砂滤料和磁性填料的过滤器内，磁性填料采用充磁后的永磁性材料，在过滤器内产生一定范围的磁场，水流经过时，一方面，磁场对水的偶极子的定向极化作用，会使水结构如极性分子之间联结形式发生变化，产生具有强氧化性的羟基自由基，将水中有机物氧化分解。 另一方面，废水中溶解态的盐分（包含磁性金属离子）， 以及不溶解的悬浮物，也会因为受到磁场力的作用而进行定向移动，从而使这些污染物从废水中去除。

1）将石英砂滤料和永磁性填料依次装入两个树脂柱内，并固定在树脂柱架上；

2）通过UPVC 管道将两个树脂柱按图1 方式进行连通，可实现串联和并联两个作用；

3）取生化池出水作为原水，经提升泵泵入磁分离柱中， 取滤速10m/h 时， 串联情况下运行15min 后取样，并联情况下运行15min 后取样；

4）分别检测水样中COD、SS、总镍数据。

光催化+永磁生物载体技术：光催化+永磁生物载体技术根据实验的目的及进出水水质，结合我公司工程经验，提出如下处理工艺：取pH 回调池的出水作为中试试验的原水，经泵提升进入光催化+永磁生物载体氧化池中，光催化+永磁生物载体氧化池中除设置光催化反应外，还会对池体进行外加磁场， 在光催化和磁场共同作用下，微生物的某些潜能被激发，能大大增加其降解有机物的能力和去除臭味的能力。

1）装置到达现场后，进行设备与管道之间按照光催化+永磁生物载体池的运行流程依次进行连接；

2）先取生物接触氧化池的水在装置内进行曝气， 对水中的生物菌种进行筛选并培养优势菌种，俗称挂膜。 此过程分三个阶段进行：第一阶段闷曝阶段，一次性进满水后开始对装置进行曝气（5d）；第二阶段低流量运行阶段，流速为5L/h，边进水边曝气（7d）；第三阶段设计流量为10 L/h（7 d）。 每天观察池中填料的挂膜情况，并根据填料挂膜情况适时调整；

3）挂膜完成后开始进行连续试验，每8h 取一次产水箱的水进行检测。

磁分离技术、 光催化+永磁生物载体技术相结合：在分别研究完每项水处理技术后，将两种技术相结合。 pH 回调池出水先经泵泵入光催化+永磁生物载体氧化池，经生化处理过后出水进入磁分离柱，经磁分离柱处理过后的水进入产水箱。

2.3 技术难点

1）磁性材料吸附水体中的极性分子、带电离子，并通过反洗从水体中去除，同时可定向促进微生物生长的研究由来已久，但目前工程应用仍属于极少数，大部分仍处在漫长的小试和中试阶段，而且磁性材料种类繁多，价格差异较大。 针对上海造币厂的废水特性，如何选择一种去除效果良好、稳定、经济的磁性材料有待研究。

2）光催化技术在废水处理中的应用是近年来的研究热点， 但是目前同样仍停留在实验阶段，尚无成功的工程案例，且不同波长段的紫外光对微生物的促进作用不尽相同，需通过多次实验对比确定不同波长的光对微生物的影响和催进作用，进而找到一种经济有效的方式，来有效降低本项目废水中产生的COD。

3）在确定适宜的紫外光波长后，需定向培养优势菌群，在培养菌群时如何较好地将光催化和磁性材料结合起来有待研究；在培养阶段为微生物提供良好的生存环境，但培养好后的微生物耐冲击性能仍需要研究；另本次定向培养的微生物是否可以直接应用到相同行业的废水中有待研究。

3 结论

3.1 磁分离技术

预处理加药的含镍废水，经过磁过滤，镍离子稳定达到电镀污染物最新排放标准的限制，镍≤0.05ppm（优于标准的0.1ppm）,且COD 去除率达到20%～30%。当过滤流速越小，去除率越好；接触时间越久，去除率越好；但流速小，反洗时间短，易堵塞，考察结果在滤速8～10m/h 之间，过滤性价比高；COD 的去除在20%～30%之间， 进水COD 浓度越高，反洗周期越短。

3.2 光催化+永磁生物载体技术相结合

进水COD 小于500ppm 的情况下，出水COD稳定小于50ppm，达到实验预期。 照射时间、频率（单次照射时间30min， 对微生物的选择性明显，超过30min， 大量微生物明显死亡； 频次为1d4次，每次30min 为宜）磁化强度（每根填料上，磁性填料的占比）：以填料区域体积的3%～5%为宜，过高成本增加偏大， 过低则磁生物载体效果不明显。