磁混凝沉淀技术工艺应用参数及磁介质物理特性的确定

易 洋，陈立（通信作者），唐珍建，任成全

（中建环能科技股份有限公司 四川 成都 610045）

0 引言

磁混凝沉淀技术与高密沉淀技术的基本原理相同，磁混凝沉淀技术相对高密沉淀的差异和优势均在于“加入比重大的磁介质作为载体，极大加强其重力沉降性”，那么磁介质作为磁混凝技术实施的重要载体［1］，其特性参数就直接决定了该工艺的技术可行性。 磁混凝沉淀技术工程化应用至今，其工艺应用参数和磁介质粒径特性都处于定性阶段，只能通过现象解释问题。 鉴于此，研究人员基于对磁混凝沉淀技术近10 年的研究和工程化应用的经验，对该技术包括磁泥比和系统含固量等工艺应用参数以及磁介质粒径特性进行定量化。

1 磁混凝工艺应用参数

1.1 磁泥比

磁泥比是指系统中磁介质与污泥之间的质量比例，理论上磁泥比越大越好，因为磁泥比越大，絮团密度越大，沉降速度就越高，但是磁泥比过高，排出相同的尾泥对应需要提供更大流量的剩余磁泥，增加了磁回收机的工作负荷，同时降低了系统抗冲击能力。

1.1.1 研究方法

将系统含固量控制在4 000 mg/L 左右，在最佳搅拌条件下，采用直接观测沉降界面法考察磁泥比分别为0 ∶1、0.5 ∶1、1.0 ∶1、1.5 ∶1、2.0 ∶1、2.5 ∶1、3.0 ∶1、3.5 ∶1、4.0 ∶1、4.5 ∶1 时的沉降速度。 其测试方法为：取容量为1 L 的透明玻璃量筒，清洗干净后烤干，取1 L 不同磁泥比的系统浆料，直接倒入量筒，观测量筒内物料群的沉降高度，记录不同沉降时间点的物料群沉降高度，并计算出沉降速度。

1.1.2 最佳磁泥比范围的确定

磁泥比与沉降速度关系曲线如图1 所示。

图1 不同磁泥比条件下的沉降速度

由图1 可以看出：随着磁泥比增加，沉淀速度随着增加，但高于2.0 ∶1 时，沉降速度增加明显减弱，尤其是高于3.5 ∶1 之后，增速更加放缓，如果继续提高磁泥比，不但会降低污泥的回流量，影响药剂的再利用，增加药剂耗量，还会增加磁介质的耗量，从而增加运行成本。

1.2 系统含固量

系统含固量对于磁混凝水处理技术而言，是一个至关重要的影响因素，可以直接决定该工艺混絮凝效果和运行成本。 调节系统含固量的方法主要是通过调节回流磁泥和剩余磁泥的流量来实现：系统含固量偏高时，可以通过降低回流磁泥的流量，提高剩余磁泥的流量，来降低系统含固量；系统含固量偏低时，可以通过提高回流磁泥的流量，降低剩余磁泥的流量，来提高系统含固量。

1.3 研究方法

以相同磁泥比为基准值，分别设置不同的磁泥比下回流磁泥流量为：1 000 mL/h、1 500 mL/h、2 000 mL/h、2 500 mL/h、3 000 mL/h、3 500 mL/h、4 000 mL/h、4 500 mL/h、5 000 mL/h、6 000 mL/h、7 500 mL/h，测量系统的含固量变化情况。 从实验结果可知：当磁泥比小于2.0 ∶1 时，回流磁泥流量对系统含固量有较大的影响；当磁泥比大于3.5 ∶1 时，回流磁泥流量对系统含固量的影响较小。 因此，最佳磁泥比区间应设定在2.0 ∶1 ～3.5 ∶1。 磁泥浓度是衡量磁泥回收率的重要指标之一，也是评价磁泥回收效率的一个重要参数。 磁泥浓度越高，磁泥回收率越低。 磁泥浓度通常被表示为单位体积内的磁泥含量，即g/L 或mg/L。 磁泥回收率是指系统中磁泥的总重量占磁泥总量的比例，反映着磁泥回收的效果。 磁泥回收率越高，说明磁泥回收效果越好。 磁泥回收率通常被表示为百分之几［2-3］。 因此，研究磁混凝工艺应用参数时，仅以G值与GT 值作为混凝搅拌控制指标，而引入包含絮凝体的大小、密度等信息的“分形维数”（df）［4］这一概念，作为混凝效果控制指标，其变化可以反映絮凝体的在一定搅拌条件下的形成过程及规律。 分形维数通过计算絮凝体的投影面积与最大周长之间的函数关系来确定：

式（1）中：A—为絮凝体的投影面；

L—为投影的最大周长；

α—为比例常数；

df—为絮凝体的二维分形维数。

用大肚移液管取出少量按特定条件混凝后的悬浊液，置于载玻片上（取样不宜过多，以便清晰观测絮体图像），在显微镜下观测，并在连接于电子显微镜摄像镜头及视频影像捕捉器的电子计算机上进行图像处理，测量出不同絮体的A和L，再根据lnA和lnL的直线关系作图，就可以得到分形维数。 一个样本（一张载玻片）上可以采集若干絮团的图像，每一个絮团有一个对应的A和L值，进而可得到lnA和lnL，因此一个样本可以得到若干个对应的数值点，通过Excel 处理数据，可得到拟合直线，其斜率就是分形维数df。 每组平行试验得到的dfA和dfB就是两个分形维数，求其均值作为该组试验的分形维数df。

2 实验结果分析

从实验结果来看，当磁泥比小于2.0 ∶1 时，系统的含固量较低，絮团较小且分散性强；当磁泥比大于3.5 ∶1时，系统的含固量较高，絮团较大且聚集性较强。 这说明磁泥比对系统的含固量具有明显的调控作用。 此外，在相同磁泥比下，加入不同的磁粒径，也会改变絮团形态。

2.1 磁泥比与絮团形态的关系

磁泥比是磁混合物中磁颗粒数量与非磁颗粒数量的比例，它决定了磁混合物中的磁化强度和磁化方向。 由于磁泥比的不同，所以磁混合物中磁粒子间的距离也会有所不同，这会影响到磁混合物内部的磁场分布情况。 在磁泥比较大的情况下，磁粒子间距较远，磁化力相对较弱；而在磁泥比较小时，磁粒子间距越近，磁化力越大。 因此，磁泥比越高，絮团的凝聚度越差，形状越扁平；反之则相反。

2.2 最佳系统含固量范围的确定

为寻求磁混凝工艺最佳的系统含固量，以合流制市政污水治理工程为具体研究对象，在最优工艺条件下，采取絮凝池中水样代表系统含固量，检测和计算其中絮团的分形维数，从而建立系统含固量-df 曲线，加以确定系统含固量的最佳范围。 在最佳工艺条件下，絮凝池中含固量-df 曲线如图2 所示。

由图2 可以看出：系统中含固量逐步由1 000 mg/L增加到3 000 mg/L，df 值呈增大趋势，混凝效果逐渐提高，究其原因，主要体现在4 个方面：（1）随着含固量增加，絮体体积增大，絮体内部的空隙度减小；（2）随着含固量增加，絮体表面积减少，絮体对流场的干扰作用增强；（3）随着含固量增加，絮体的运动受阻程度加大，絮体的运动速率减慢。 （4）磁泥比。 磁泥比是指磁化材料的含量与磁化介质的比例，它决定了磁化材料在水中的分布情况以及磁化介质的使用寿命，磁泥比越高，磁化物质在水中分散得越多，磁化介质的使用寿命也就更短；反之则相反。 磁泥比的选择应考虑以下5 个方面的问题：（1）磁化材料的性质；（2）磁化介质的性能；（3）磁化材料的成本；（4）磁化介质的耐久性；（5）磁化材料的使用方式。 磁泥比的最佳选择，由于磁泥比的影响较大，需要根据实际情况进行调整，一般来说，磁泥比应该保持在2.5 ∶1 左右，这样既能够保证絮体的良好形成，又不会使磁化介质的使用寿命缩短。 此外，磁泥比过高会导致絮体过于细小，难以被分离；磁泥比过低会影响絮体的形成质量。 因此，磁泥比的选择要结合具体情况进行判断。

而当系统含固量高于6 000 mg/L 时，df 值反而呈下降趋势，且系统含固量增加越多，df 值下降越厉害，混凝效果逐渐变差，且会导致沉淀池含固量偏高，沉淀池出水“跑絮”，影响出水水质，且降低系统的抗冲击能力。

2.3 磁混凝工艺应用参数的确认

通过上述研究，磁介质混凝沉淀水处理技术水处理系统最佳系统含固量为3 000～6 000 mg/L；最佳系统磁泥比为2.0 ∶1～3.5 ∶1，在此条件下，可提高药剂的利用率和系统抗冲击能力，实现系统运行条件“定量化”和智能化。

3 磁介质物理特性

磁介质作为磁介质混凝沉淀水处理技术实施的重要载体，其物理特性就直接决定了该工艺的技术经济可行性。 磁介质为四氧化三铁（Fe3O4），是一种具有铁磁性的黑色晶体，又被称为磁铁、磁石、吸铁石等［5］，在磁场中向两级定向移动，同时具有能量。 磁介质物理特性主要包括粒径分布、磁性物含量和水分含量。 很显然，磁介质的磁性物含量越高越好，水分越低越好，那么磁介质粒径就是关键：一方面，如果仅仅根据混絮凝原理，磁介质的粒径越小越好，这样磁介质具有足够大的比表面积，以便与药剂充分反应。 另一方面，前面确定的混凝方式和常用加载沉淀混凝搅拌强度条件下，磁介质过粗，容易沉积甚至板结于反应池池底中，影响磁介质的使用效率。

3.1 研究方法

由于采取的试样为浆料，包含有絮凝剂，所以所采用的筛分方法为湿法筛分。 筛分时先在盆内盛放适量的清水（至少能够淹没筛面），将安装有振动装置的0.25 mm的筛子放入盆内，再把浆料试样倒入细筛，打开振动装置的开关，筛子的振动使液体来回通过孔筛，以松散物料层，打碎团聚的颗粒，并使小于0.25 mm 的颗粒进入水溶液中。 经过一段时间后将筛子连同筛上物料移到另一个清水盆内，继续筛分，如此反复进行，直到通过筛孔的颗粒数减少到与颗粒总数相比可以忽略不计的程度为止。 筛分结束后将筛下物（-0.25 mm）烘干称重。

取一定质量-0.25 mm 物质，配置成浓度为15%的浆料，先经过实验室XCRS-74 型滚筒磁选机（激磁电流为3.5 A）粗选得到粗磁介质，再采用CXG-90A 型磁选管提纯，磁选管的激磁电流为2.5 A，得到纯磁介质。

3.2 磁介质粒径上限的确认

以絮凝池池底沉积的磁介质粒径为上限，取自絮凝反应池池底沉积物试样进行磁性物提纯。 所得纯磁介质筛析结果如图3 所示。

图3 絮凝反应池池底沉积物筛析结果

如图3 所示各试样粒度分析结果可以看出，沉积于反应池池底的磁介质绝大部分（92.79%）集中在＋100 目粒径范围内，这部分磁介质含量过高严重影响磁介质的使用效率和磁介质混凝沉淀水处理技术使用的经济性。

3.3 磁介质粒径下限的确认

以磁回收机尾泥中流失的磁介质粒径为下限，取磁回收机尾泥试样进行磁性物提纯，所得纯磁介质筛析结果如图4 所示。

图4 磁回收机尾泥筛析结果

如图4 所示各试样粒度分析结果可以看出，磁回收机尾泥中带出的磁介质绝大部分（88.99%）集中在-500 目范围内，这部分磁介质含量过高同样会严重影响磁介质的使用效率和磁介质混凝沉淀水处理技术使用的经济性。

3.4 磁介质粒径范围的确认

通过上述磁介质粒径上限和磁介质粒径下限的研究，确定磁介质混凝沉淀水处理技术用磁介质适用粒径范围为100～500 目之间。 在此粒径范围内，磁介质回收率和循环利用率均处于最优状态。 同时结合磁介质生产用棒磨机出料粒径呈正态分布的特点，研究人员筛析不同粒径组成的棒磨磁介质，确定＋100 目和-500 目两种粒级颗粒质量之和最小的磁介质为磁介质混凝沉淀水处理技术用磁介质最佳粒径范围。 筛析结果如图5 所示。

图5 不同粒径组成的棒磨磁介质筛析结果

结合市场调研，确定磁介质物理特性为：粒径范围为-150 目占70%～80%，水分含量＜3%，磁性物含量≥98%。工程应用证明，在此物理特性条件下的磁介质，回收率可达99.2%，可有效减少非磁性物质的含量，降低运行成本。

4 结论与建议

（1）磁介质混凝沉淀水处理技术工程化应用至今，其工艺应用参数和磁介质粒径特性都处于定性阶段，尚未实现运行参数定量化，只能通过现象解释问题。

（2）磁介质混凝沉淀水处理系统最佳系统磁泥比为2.0 ∶1～3.5 ∶1；最佳系统含固量为3 000 ～6 000 mg/L，在此条件下，可提高药剂的利用率和系统抗冲击能力，实现系统运行条件“定量化”和智能化。

（3）确定磁介质最佳粒径范围为-150 目占70%～80%。 工程应用证明，在此粒径范围的磁介质，正常运行状态下磁介质回收率可达99.2%，有效降低运行成本。