【學(xué)員問(wèn)題】磁分離技術(shù)在水處理工程中的應用工藝及發(fā)展趨勢？

　　【解答】摘要：本文介紹了磁分離技術(shù)的主要應用工藝，綜述了各種工藝在處理各種廢水時(shí)的應用現狀。磁分離技術(shù)具有分離效率高、分離速度快、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。磁分離技術(shù)與絮凝技術(shù)、磁種洗選回收技術(shù)、生化技術(shù)的結合，是目前污水處理中磁分離技術(shù)的發(fā)展方向，它大大擴展了磁分離技術(shù)的處理對象和應用領(lǐng)域。

　　關(guān)鍵詞：高梯度磁過(guò)濾器　稀土磁盤(pán)　CoMagTM工藝　BioMagTM工藝　MagBRTM工藝　ReMagdiscTM工藝　磁性生物載體

　　一、引言

　　磁分離技術(shù)是借助磁場(chǎng)力的作用，對磁性不同的物質(zhì)進(jìn)行分離的一種物理分離方法。

　　磁分離技術(shù)可以說(shuō)是一門(mén)比較古老、較成熟的技術(shù)，最早應用于選礦和瓷土工業(yè)。1845年，美國發(fā)表了工業(yè)磁選機的專(zhuān)利。磁分離技術(shù)作為有磁性差異的兩種及多種物質(zhì)的選別手段，在礦石的精選、煤的脫硫、玻璃及水泥等？；？；料的除鐵、高嶺土的提純、生物工程中的細胞分離、石化行業(yè)的催化劑回收等領(lǐng)域得到了廣泛的應用[1-6].

　　磁分離技術(shù)用于水處理工程，它又可以稱(chēng)得上是一門(mén)新興技術(shù)。從上世紀60年代開(kāi)始，蘇聯(lián)用磁凝聚法處理鋼廠(chǎng)除塵廢水，60年代末，美國MIT教授科姆發(fā)明高梯度磁過(guò)濾器，70年代美國應用磁絮凝法和高梯度磁分離法處理鋼鐵、食品、化工、造紙等廢水。1974年瑞典開(kāi)始用磁盤(pán)法處理軋鋼廢水，隨后的75年日本開(kāi)發(fā)盤(pán)式“兩秒分離機”。我國從70年代中期到80年代初，將磁聚凝法、磁盤(pán)法、高梯度磁分離法用于煉鋼、軋鋼廢水的處理。近年來(lái)，磁分離技術(shù)在電鍍廢水、含酚廢水、湖泊水、食品發(fā)酵廢水、市政廢水、鋼鐵廢水、廚房污水、屠宰廢水、石油采出水等處理方面都取得了一定的研究成果，有的已經(jīng)在實(shí)際廢水處理中得到了很好的應用。本文主要介紹水處理工程中磁分離技術(shù)的應用工藝。

　　二、磁分離技術(shù)在水處理中的應用與研究情況

　　一項新技術(shù)、一種新設備的研發(fā)成功，必將帶來(lái)大量的應用研究成果。同時(shí)，人們在設備的分離凈化機理、如何提高設備的分離效率等方面也開(kāi)展了大量的研究工作。

　　對水處理工程而言，由于磁分離技術(shù)僅僅是一種物理性質(zhì)的固液分離手段，在實(shí)際應用時(shí)，很多場(chǎng)合都必須輔以其他相關(guān)技術(shù)，才能發(fā)揮很好的效果。下面，根據磁分離技術(shù)的特點(diǎn)，按照應用工藝的劃分，對磁分離技術(shù)在水處理中的應用研究情況作一介紹。

　　1、處理富含磁性污染物的污水

　　無(wú)論是開(kāi)發(fā)成功的高梯度磁過(guò)濾器還是各種圓盤(pán)式磁分離器，在水處理方面，它們的首選應用領(lǐng)域都是鋼鐵廢水的處理。

　　鋼鐵熱軋/連鑄廢水、冷軋乳化液等，其污染物98%以上都是強磁性物質(zhì)，另外還含有部分油類(lèi)和少量非磁性物質(zhì)，非常適合用磁分離的方式凈化。其工藝簡(jiǎn)單，占地面積小，處理效果好。圖1為一種典型含磁性污染物廢水處理工藝流程。

　　1977年，第一臺工業(yè)性高梯度磁分離器在日本千葉川崎製鉄（株）投入使用，是HGMS在廢水處理中的成功應用例子。處理對象是真空排氣過(guò)程中的洗滌廢水，SS的去除率達到80%，洗滌廢水中的固體顆粒主要成分是氧化鐵和氧化錳，粒徑小于100μm，大部分在20μm以下。之后，日本的鋼鐵企業(yè)開(kāi)始了大規模的應用，初期實(shí)際應用情況見(jiàn)表1.

　　國內鋼鐵行業(yè)開(kāi)展應用和研究的單位主要有寶鋼、上鋼二廠(chǎng)、重鋼六廠(chǎng)、南京鋼廠(chǎng)、武漢鋼院、長(cháng)沙礦冶研究院等。

　　美國、日本及我國應用HGMS技術(shù)處理鋼鐵工業(yè)廢水的報道較多，其應用結果見(jiàn)表2.

　　由于熱軋廢水水量巨大，含油多，用HGMS處理熱軋廢水的實(shí)例不是太多。而高爐、轉爐除塵廢水的磁性稍弱、廢水中顆粒粒度細、不含油，所以HGMS大多應用于此類(lèi)廢水的處理，在實(shí)際運行中，一般還要投加一定量的絮凝劑，真正采用的工藝和處理含弱磁性顆粒的廢水類(lèi)似。

　　圓盤(pán)式磁分離器多用于處理大水量熱軋廢水。Per Hedvall報道用MAGNADISC處理軋鋼廢水，處理水量為45m3/h，當進(jìn)口ss≤400mg/l時(shí)，出口ss<70mg/l；當ss<300mg/l時(shí)，出口ss<50mg/l.當投加1～2mg/l高分子絮凝劑時(shí)，出口ss均能達到小于20mg/l的效果。

　　倪明亮、余大宏、龔健、鐘威等分別報道了采用ReMagdiscTM磁盤(pán)處理軋鋼廢水的情況。處理水量500m3/h～9300m3/h，進(jìn)口ss從150～350mg/l，在不投加任何絮凝劑的情況下，出水ss小于50mg/l；投加絮凝劑時(shí)，出水均達到小于20mg/l.張金陽(yáng)報道了用ReMagdiscTM處理過(guò)濾器反洗水的情況，在ss高達1000～3000mg/l時(shí)，不加絮凝劑其處理效果也都大于90%.楊永樂(lè )報道了用稀土履帶式磁分離器處理軋鋼廢水的結果。處理水量30m3/h時(shí)，ss的去除率可達95%以上。

　　在用HGMS和各種圓盤(pán)式磁分離器（MANADISC．2秒分離機、ReMagdiscTM）處理軋鋼廢水非常成熟的今天，仍有科研工作者在繼續從事這方面的深入研究。張雪峰等近期報道了用高梯度磁場(chǎng)處理實(shí)驗平臺處理熱軋廢水，濁度可從111mg/l降到50mg/l以下，鐵含量從161mg/l降低到20mg/l左右。

　　隨著(zhù)人們對設備和各種富含磁性污染物廢水的深入研究， 用HGMS和各種磁盤(pán)對其處理的技術(shù)會(huì )日臻完善。

　　2、處理非磁性或弱磁性污染物污水

　　利用磁分離技術(shù)處理污水，其前提是污水中的顆粒需具有一定的磁性。對于非磁性或弱磁性污染物污水，一般通過(guò)投加磁種，然后利用絮凝技術(shù)使非磁性物質(zhì)與磁種結合在一起，然后單獨利用磁分離技術(shù)或絮凝沉降聯(lián)合高梯度磁分離技術(shù)分離凈化廢水。這類(lèi)技術(shù)被人們稱(chēng)為“磁種混凝磁分離”或者“磁加載磁分離”技術(shù)。

　　磁種接種技術(shù)在礦物磁選領(lǐng)域得到了深入的研究，用于分離不同磁性的礦物，科技人員合成了大量的可選擇性的磁性載體。在廢水處理領(lǐng)域，磁種沒(méi)有選擇性的要求，一般只要求其：①具有比較強的磁性；②易于回收重復利用。此類(lèi)廢水比較完善的常見(jiàn)的處理工藝流程如圖2、圖3所示。

　　兩個(gè)工藝圖的區別：由于ReMagdisc設備不存在反洗，所以可以去掉澄清池，屬絮凝懸浮磁分離，磁絮凝體不需沉淀直接靠磁分離設備進(jìn)行分離。而圖2中，HGMS需要反洗，負荷不能過(guò)重，否則反洗頻繁，故在前面設置澄清池為宜，工藝實(shí)為磁粉加載絮凝沉降，磁粉起的作用大部分是加速澄清的“配重”作用以及方便磁鼓回收的“磁種”作用，HGMS磁分離僅起保險過(guò)濾作用。工藝中HGMS過(guò)濾的來(lái)水是澄清池的上清液，所含的懸浮物為非磁性或弱磁性，建議用普通快速過(guò)濾器代替。

　　在磁種研制方面，國內鄭學(xué)海等利用煉鋼廠(chǎng)排放的煙塵和氣溶膠凝聚物，研制的廉價(jià)磁種，其效果與商品磁粉相當，但價(jià)格僅為其1/20，用于有機廢水、印染廢水、含油廢水、重金屬廢水等的處理。趙愛(ài)武利用粉煤灰中的“磁珠”作為磁種，采用高梯度磁分離器處理含磷廢水，達到了以廢治廢的目的。

　　對于處理鋼鐵企業(yè)廢水，可不考慮磁種的回收；對于非鋼企業(yè)廢水，可采用選礦行業(yè)的磁鼓回收磁種。

　　在應用方面，利用Fe3O4磁粉，采用2秒分離機和混凝技術(shù)處理玻璃研磨廢水，ss去除率達到99%以上，還能同時(shí)去除Pb、F，COD以及BOD.鄭必勝等將Fe2O3磁粉進(jìn)行硅烷化處理，得到具有特殊吸附功能的磁粉，通過(guò)投加磁種用于強化處理糖蜜酒精廢水。另外，鄭必勝等還根據食品發(fā)酵廢水的特征，采用磁種混凝和高梯度磁分離技術(shù)對其進(jìn)行處理，處理后廢水的濁度、色度和COD都大幅度降低。熊仁軍等采用磁種絮凝￡；？；高梯度磁分離處理城鎮污水，實(shí)驗結果表明，該工藝對去除污水中的磷、重金屬有特效，并能同時(shí)去除其中的COD Cr、BOD5、SS，出水水質(zhì)達到或接近國家一級排放標準。

　　趙紅花等利用磁絮凝法處理城市污水，實(shí)驗表明懸浮顆粒在15min之內，ss去除率達到80%以上，可以顯著(zhù)減少沉淀池體積。青島劍橋水務(wù)公司采用Comag技術(shù)，處理污水廠(chǎng)出水作為再生水原水使用，實(shí)驗結果表明，在ss、TP指標方面都達到了較好效果。北京市政院開(kāi)展的“高梯度磁分離水處理技術(shù)的研究”，通過(guò)在污渠水中投加磁鐵粉和混凝劑，大大提高沉降速度，出水對總磷、色度、濁度、細菌等有明顯改善，比傳統方式有很大優(yōu)勢，目前正在進(jìn)行深入研究。倪明亮等采用ReMagdiscTM工藝，對地下水進(jìn)行處理，實(shí)驗結果表明對水中的Fe2+、SS的去除都具有顯著(zhù)效果。

　　采用磁種混凝磁分離技術(shù)或磁加載混凝沉降技術(shù)，還可以對湖泊水、江河水、廚房含油廢水、含重金屬廢水、電廠(chǎng)冷凝水等進(jìn)行處理，有著(zhù)廣闊的應用前景。

　　3、磁分離技術(shù)與生化技術(shù)的結合應用

　　城市污水中的污染物絕大部分是非磁性的，在其中加入磁種和適當的混凝劑，再通過(guò)高梯度磁分離器，能去除污水中的懸浮物、色度、濁度、磷酸鹽、細菌等。美國麻省理工學(xué)院的研究者對城市污水投加Fe3O4和硫酸鋁，進(jìn)行高梯度磁分離處理，獲得了良好的效果。但是，此種技術(shù)與混凝沉降沒(méi)有實(shí)質(zhì)區別，只不過(guò)是利用了磁分離來(lái)代替了沉降重力分離，對氨氮的去除率低。

　　為了更好地處理污水中的COD．BOD．氨氮、磷等污染物，只有將磁分離技術(shù)與現有的生物處理技術(shù)相結合，才可能達到比較好的效果。

　�。�1）BioMag工藝

　　將CoMagTM工藝與活性污泥法結合，可以達到脫氮除磷的效果。該工藝的實(shí)質(zhì)為生物處理加上加藥化學(xué)除磷。除磷主要靠化學(xué)沉析及混凝磁分離來(lái)實(shí)現。

　　目前國內各設計單位在對城市污水處理選擇處理方案時(shí)一般選擇生物除磷脫氮工藝，對化學(xué)除磷一般不予考慮。因為較普遍的看法是：“生物法”工藝簡(jiǎn)單、運行成本低，污泥量少且易于處理：“化學(xué)法”則工藝復雜、運行成本高、污泥量多且難于處理。就一般的城市污水水質(zhì)，按現在普遍采用的生物除磷脫氮工藝，實(shí)際很難達到GB8978￡；？；1996中的二級標準，更不用說(shuō)一級標準了。所以采用BioMag工藝（加藥化學(xué)除磷強化活性污泥法）處理城市污水有一定的價(jià)值。

　　由于ReMagdiscTM具有超大處理能力，可以用ReMagdisc稀土磁分離機替代圖4中的澄清池和HGMS來(lái)實(shí)現相同的功能。

　　直接用CoMag加上活性污泥法形成的BiMagTM工藝，不宜用來(lái)處理大流量有機廢水。大量的活性污泥用澄清池來(lái)沉淀，將使CoMagTM的技術(shù)優(yōu)勢喪失，導致配重快速沉淀效果變差，澄清池變大，除磷藥劑量增加，HGMS反洗次數增加。所以我們認為BiMagTM工藝只適合較小水量的有機廢水處理。

　�。�2） MagBRTM工藝

　　MagBRTM工藝即磁生物反應器（Magnetic Bio-Reactor），它是以類(lèi)似膜生物反應器（MBR）的？；？；理構造的成套工藝技術(shù)，采用成熟的ReMagdiscTM超大流量稀土磁盤(pán)分離機（相當于MBR中的膜組件）和利用負載微生物磁種來(lái)實(shí)現其功能。磁生物反應器主要由磁組件和膜生物反應器兩部分構成。

　　大量的微生物在生物反應器內與基質(zhì)（廢水中的可降解有機物等）充分接觸，通過(guò)氧化分解作用進(jìn)行新陳代謝以維持自身生長(cháng)、繁殖，同時(shí)使有機污染物降解。磁組件通過(guò)磁分離作用對廢水和污泥混合液進(jìn)行固液分離。

　�、費agBRTM與MBR有如下類(lèi)似的特點(diǎn)：

　　對含碳有機物的去除率高，一般大于90%；

　　污泥（F/M）負荷低；

　　所需水力停留時(shí)間（HRT）短，容積負荷率高；

　　抗沖擊負荷能力強。

　�、贛agBRTM與MBR的不同點(diǎn)：

　　MagBR對SS的去除率略低于MBR；

　　MagBR處理能力超大；

　　MagBR不存在MBR特有的膜污染問(wèn)題；

　　MagBR的能耗低，處理量為1500m3/h（3.6×104m3/d）的設備總功率為4～6.2kW左右；

　　MagBR的生產(chǎn)成本遠低于MBR的生產(chǎn)成本。

　�、跰agBRTM工藝對污染物的去除特點(diǎn)：

　　第一，對含碳有機物的去除率高，一般大于90%；

　　由于磁盤(pán)的高效截留作用，絕大部分活性污泥都被截留在反應器內，使反應器內部的污泥濃度可達到較高水平，最高可達40～50g/l.大大降低了生物反應器內的污泥負荷，提高了MagBR對有機物的去除率。處理生活污水，COD平均去除率在94%以上，BOD的平均去除率在96%以上。

　　第二，對氨氮、TN的去除率高；

　　通過(guò)磁盤(pán)的分離作用，生物反應器中的水力停留時(shí)間（HRT）和污泥停留時(shí)間（SRT）是完全分開(kāi)的，這樣就可以使生長(cháng)緩慢的微生物（如硝化菌）也能夠在反應器中生存下來(lái)，保證了MagBR除具有高效降解有機物的作用外，還具有良好的硝化作用。處理生活污水，氨氮去除率在98%左右，出水氨氮可達低于1mg/l.

　　通過(guò)控制DO，可使MagBR對TN達到理想的去除效果。在DO濃度較低時(shí)，在菌膠團內部存在缺氧或厭氧區，為反硝化創(chuàng )造了條件。反硝化細菌利用硝態(tài)氮，將其還原成N2，完成對TN的去除。

　�、躆agBR的缺點(diǎn)及解決方案

　　MagBR對TP的去除率不高。當采用A/O復合式MagBR時(shí)，對TP的去除率約為70%.

　　其解決方案是：投加化學(xué)除磷劑，在MagBR后續工藝中增加化學(xué)除磷工藝。

　�、莸湫蛻�用工藝

　　圖5中，虛線(xiàn)內為MagBR，后半部分為加藥化學(xué)除磷單元，磁盤(pán)截留部分采用長(cháng)周期排泥方式。一種變異的簡(jiǎn)化工藝如圖6所示。

　　圖5、圖6所示工藝，其生物處理部分為傳統活性污泥（磁性）、生物膜法兩組生物反應器，簡(jiǎn)化工藝在生物處理的后段好氧段出口投加除磷藥劑。

　�、挢撦d微生物磁種（磁性生物載體）

　　在MagBR工藝中，不是直接采用投加磁粉來(lái)作為“磁種”，形成磁性菌膠團，而是采用為工藝研制的一種專(zhuān)門(mén)負載微生物用的磁種，也即磁性生物載體。這種磁性生物載體具有普通生物膜法中載體的性能，如多孔、吸附性能與生物掛膜性能優(yōu)良、耐沖刷、對生物無(wú)毒性、比重略大于1，易于曝氣形成流化態(tài)，同時(shí)還具有順磁性，易于磁分離。使用磁性生物載體的比直接使用磁粉的，其生化處理效果更好。圖7為研制的磁性生物載體，粒徑規格按用途在0.3~0.8mm之間。

　　磁分離技術(shù)與生化技術(shù)的結合應用研究在國際、國內都還處于開(kāi)始階段，相信不久的將來(lái)，會(huì )有越來(lái)越多的成果出現并應用于有機廢水處理領(lǐng)域。

　　三、結語(yǔ)

　　在水處理工程中，磁分離技術(shù)就其本質(zhì)而言，只是一種物理性質(zhì)的固液分離手段。磁分離設備的進(jìn)步帶動(dòng)了相關(guān)的應用研究，磁分離技術(shù)與其他技術(shù)的結合，擴大了其在水處理工程的應用領(lǐng)域。

　�。�1）磁分離設備主要為HGMS和圓盤(pán)式磁分離器兩大類(lèi)。HGMS以高梯度為特征，圓盤(pán)式磁分離器中的ReMagdiscTM以高場(chǎng)強為特征，都已發(fā)展成熟。超導磁分離機兼有二者特點(diǎn)，但實(shí)際應用還不成熟。

　�。�2）ReMagdiscTM具有超大處理量、占地極小等特點(diǎn)，在圓盤(pán)式磁分離器一類(lèi)中處于國際領(lǐng)先水平。

　�。�3）磁種混凝磁分離工藝以及磁加載混凝沉降工藝在各類(lèi)廢水處理中得到了廣泛應用。針對不同廢水特點(diǎn)，研究找出適宜的工藝參數，其適用的廢水種類(lèi)會(huì )不斷增加。

　�。�4）BiMagTM工藝由于有澄清池存在，在接活性污泥法時(shí)，不能處理大水量，否則完全失去磁技術(shù)的優(yōu)勢；ReMagdiscTM工藝接（磁性）活性污泥法時(shí)，再加上磁性生物載體強化，完全可以去掉二沉池，并在生化部分減少污泥量，達到脫氮除磷的效果，可充分發(fā)揮磁技術(shù)的優(yōu)勢。

　�。�5）磁分離技術(shù)與生物處理技術(shù)的結合，是水處理工程中磁技術(shù)應用的一個(gè)發(fā)展方向。

　　以上內容均根據學(xué)員實(shí)際工作中遇到的問(wèn)題整理而成，供參考，如有問(wèn)題請及時(shí)溝通、指正。