磁加載混凝工藝參數優化試驗研究

黃嘉誠 方茜 隋軍

摘? 要：試驗所用原水取自某市污水應急處理站進水口，考察了混凝劑（PAC）、絮凝劑（PAC）、磁粉的投加量對各類指標去除率的影響。結果表明，PAC最佳投加量為250mg/L，PAM最佳投加量為1.5mg/L，磁粉最佳投加量為200mg/L時，此時原水中濁度去除率達94.63%，COD去除率達55.75%，TP去除率達87.83%，色度去除率達91.62%，總氮去除率達44.02%，氨氮去除率達20.95%。同時還考察了磁粉粒徑以及投加順序對各類指標去除率的影響，結果表明，磁粉最佳粒徑為45μm，最佳投加順序為“磁粉+PAC+PAM”。

關鍵詞：磁加載混凝;磁粉;投加量;磁粉粒徑;投加順序

中圖分類號：X799.3 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）26-0095-04

Abstract： The raw water of this research was taken from the in take of the waste water treatment station in some town. This research investigated the effect of the amount of coagulant （PAC）， flocculant （PAM） and magnetic particles on removal efficiency of each index. The results indicated that the best dosing of PAC was 250mg/L， that of PAM was 1.5mg/L， and that of magnetic particles were 200mg/L. In this condition， the removal rate of turbidity， COD， TP， chromaticity， TN， and NH4+-N were 94.63%， 55.75%， 87.83%， 91.62%， 44.02% and 20.95% respectively. The effect of magnetic particle size and dosing sequence were also studied， which indicated that the best magnetic particle size was 45μm， and the best dosing sequence was "magnetic particle+PAC+PAM".

Keywords： magnetic coagulation; magnetic particle; dosage; magnetic particle size; dosing sequence

引言

隨著我國經濟水平的高速發展，居民的生活用水量也隨之增長，而生活污水的排放種類和數量也隨之增加。在我國經濟發展較為落后的城市或地區，由于污水處理系統與市政管網配套系統建設的滯后或污水處理設施運行的不完善，而在城市的排口處又暫時不具備截污納管的條件，而造成了生活污水直排進水體的現象。因此，必須采取某些應急處理措施來對這部分生活污水進行處理，但考慮到排口處生活污水排水量不連續，且處理空間有限，傳統的污水處理工藝很難施展[1]。在這種情況下，通過磁混凝技術，在短期內對市政生活污水進行應急處理具有重要的現實意義。

常規的混凝技術，通過簡單的混凝+絮凝的化學沉淀法對生活污水進行處理，不僅處理效果一般無法滿足排放要求，出水水質也極不穩定。且常規混凝沉淀一體化設備的沉淀池占地面積大、重量重、運輸難也進一步制約了該技術在實際中的應用[2]。磁混凝技術是在常規混凝技術只投加混凝劑、絮凝劑的基礎上，在水中投加磁種，從而形成一種新的“磁絮體”，由于磁粉顆粒密度極大，能有效地加速磁絮體的沉降，提升了磁絮體的沉降能力，相比常規混凝沉淀，能進一步減少沉淀池占地面積[3]。綜上所述，磁混凝技術具有處理效率高、出水水質穩定、減少占地面積、節約成本等優勢，在市政污水的應急處理領域擁有光明的前景。

本研究以考察磁混凝技術在市政污水應急處理過程中的可行性進行研究，以某市污水應急處理站進水口原水作為研究對象，通過燒杯試驗，考察混凝劑、絮凝劑和磁粉的投加量以及磁粉粒徑與投加順序對原水中各類指標去除率的影響，找出最佳參數，為磁混凝污水處理工藝在實際中的運行提供理論指導。

1 試驗部分

1.1 原水水質指標

試驗原水取自某市污水應急處理站進水口，其水質指標為：COD質量濃度為644mg/L，TP為8.79mg/L，TN為178.25mg/L，NH4+-N為116.52mg/L，濁度為329.7NTU，色度為2364度。

1.2 試驗材料

試驗所用混凝劑采用聚合氯化鋁（PAC），規格為26%氧化鋁含量，絮凝劑采用聚丙烯酰胺（PAM），規格為陰離子1800萬，磁粉選用粒徑分別為18.7μm、25μm、45μm、75μm。

1.3 試驗儀器

試驗攪拌混合裝置采用六聯數顯異步電動攪拌器，稱重裝置采用電子天平，測定儀器采用多參數水質分析儀。

1.4 分析方法

COD測定原理：重鉻酸鉀法;氨氮測定原理：納氏試劑法;總磷測定原理：鉬酸銨法;總氮測定原理：堿性過硫酸鉀法。

1.5 試驗方法

取6組1L水樣于1L燒杯中，置于六聯攪拌器上，先投加一定量的磁粉，在400r/min的轉速下極速攪拌1min，再投加一定量的PAC，在200r/min的轉速下快速攪拌2min，最后投加一定量的PAM，在150r/min的轉速下中速攪拌3min，待混合均勻后，以50r/min的轉速慢速攪拌5min，靜置一定時間后取上清液測定SS等指標，確定磁混凝的最佳工藝參數。

2 結果與討論

2.1 PAC投加量對磁混凝效果的影響

本試驗中，投加PAM1.5mg/L，磁粉200mg/L，考察PAC投加量對市政生活污水磁混凝效果的影響，結果見圖1。

由圖1可知，當不投加PAC僅投加PAM和磁粉時，濁度、COD和TP去除率分別為28.45%、11.18%、52.90%。投加PAC后，當PAC投加量為250mg/L時，此時濁度、COD和TP去除率分別為94.15%、54.66%、88.28%。當PAC投加量到達300mg/L時，此時各指標去除率并無明顯提高。隨著PAC投加量的增加，各指標去除率的趨勢也隨之上升，投加量與去除率呈正相關，當PAC投加量大于300mg/L時，繼續投加PAC，各指標去除率趨勢反而下降，這可能是混凝劑的過量投加導致形成的膠體表面電位變正，又重新恢復穩定[4]。因此，從去除效率與經濟成本考慮，PAC最佳投加量為250mg/L。

2.2 PAM投加量對磁混凝效果的影響

本試驗中，投加PAC250mg/L，磁粉200mg/L，考察PAM投加量對市政生活污水混凝效果的影響，結果見圖2。

由圖2可知，當不投加PAM僅投加PAC與磁粉時，濁度、COD和TP去除率分別為39.88%、33.70%、57.22%。投加PAM后，當PAM投加量為1.5mg/L時，去除效果最好，此時濁度、COD和TP去除率分別為94.87%、58.54%、88.51%。當PAM投加量小于1.5mg/L時，各指標去除率與PAM投加量呈正相關，當PAM投加量大于1.5mg/L時，各指標去除率反而下降，這可能是因為水中脫穩顆粒無法與其他高分子鏈產生有效吸附形成結構良好的絮體，使得出水濃度反而升高[5]，其次PAM的過多投加也會對絮體進行再次包裹，限制了絮體的進一步成長，導致絮凝效果惡化[6]。因此，PAM最佳投加量為1.5mg/L。

2.3 磁粉投加量對磁混凝效果的影響

本試驗中，投加PAC250mg/L，PAM1.5mg/L，考察磁粉投加量對市政生活污水磁混凝效果的影響，結果見圖3。

由圖3可知，當不投加磁粉時，濁度、COD、TP、色度、TN和NH4+-N去除率分別為91.66%、51.09%、86.23%、86.08%、33.70%、19.29%。加載磁粉后，當磁粉投加量為200mg/L時，濁度、COD、TP、色度、TN和NH4+-N去除率分別為94.63%、55.75%、87.83%、91.62%、44.02%、20.95%。當加入磁粉后，各指標的去除率得到了進一步的提升，這是由于所形成的磁絮體粒徑增加，使得磁絮體沉降得更快，沉淀效果更好，當磁粉投加過量，過多的磁粉會相互聚團，未參與反應便沉入底部，而且部分磁種會浮在水面，影響水質[4]，且過多的磁粉對已形成的絮體會有破碎作用，也增加了能耗和成本[7]。值得一提的是，投加磁粉后，TN與

NH4+-N也得到了一定的去除。因此磁粉的最佳投加量為200g/L。

2.4 磁粉粒徑對磁混凝效果的影響

本試驗中，投加磁粉200mg/L，PAC250mg/L，PAM1.5mg/L，考察磁粉粒徑對市政生活污水磁混凝效果的影響，結果見圖4。

由圖4可知，當不投加磁粉時，濁度、COD、TP、色度、TN和NH4+-N去除率分別為88.66%、48.76%、85.55%、83.04%、30.70%、18.25%。加載磁粉后，當磁粉粒徑為45μm時，處理效果最好，濁度、COD、TP、色度、TN和NH4+-N去除率分別為94.39%、54.66%、87.83%、91.50%、43.33%、20.81%。這是由于投加磁粉后，所形成的磁絮體運動路徑后方會形成微小渦旋，渦旋尺度大小正比于磁粉粒徑，反比于其產生的渦旋離心慣性力，慣性力過小不利于絮體成長，慣性力過大則破壞絮體結構[8]，此外粒徑過大的磁粉也會因為重力過大，加入水中后便迅速沉降，未起到磁加載的效果[9]。因此磁粉的最佳粒徑為45μm。

2.5 投加順序對磁混凝效果的影響

本試驗中，分別采用以下投加順序：（1）先投加磁粉，400r/min的轉速極快速攪拌1min，再投加PAC以300r/min的轉速快速攪拌2min，最后加入PAM，在150r/min的轉速下中速攪拌3min，待混合均勻后以50r/min的轉速慢速攪拌5min;（2）先投加PAC，300r/min的轉速快速攪拌2min，再投加磁粉快速攪拌1min，最后加入PAM，在150r/min的轉速下中速攪拌3min，待混合均勻后以50r/min的轉速慢速攪拌5min;（3）先投加PAC，300r/min的轉速快速攪拌2min，加入PAM，在150r/min的轉速下中速攪拌3min，再加入磁粉以50r/min的轉速慢速攪拌5min;（4）同時加入PAC與磁粉，300r/min的轉速快速攪拌2min，之后加入PAM，在150r/min的轉速下中速攪拌3min，待混合均勻后以50r/min的轉速慢速攪拌5min;（5）先加入PAC，300r/min的轉速快速攪拌2min，之后同時加入磁粉與PAM，在150r/min的轉速下中速攪拌3min，待混合均勻后以50r/min的轉速慢速攪拌5min，考察投加順序對市政生活污水磁混凝效果的影響，結果見圖5。

由圖5可知，不同的投加順序對市政生活污水濁度的去除率有明顯不同。當投加順序為磁粉+PAC+PAM時，處理效果最好。這是由于越早投加磁粉，與絮體結合越緊密，沉降速度越快，在絮體形成過程中加入磁粉，形成的絮體易在外磁場作用下分離，絮體形成后再加入磁粉，磁粉則僅貼附在絮體邊緣[10]，而且磁粉具有比表面積大的特性，能在物理作用下先吸附一部分的COD和TP[11]。

3 結論

（1）試驗表明，磁加載混凝工藝PAC、PAM、磁粉的最佳投加量為250、1.5、200mg/L，磁粉的最佳粒徑為45μm，最佳投加順序為磁粉+PAC+PAM。

（2）磁混凝工藝用于市政生活污水的處理，對COD、TP、濁度和色度有明顯的去除效果，且相比與常規混凝沉淀技術，對TN與NH4+-N也有一定的去除效果。證明該工藝不僅可用于污水的應急處理，也適用于污水處理提標或改造。

（3）磁混凝工藝相比常規混凝技術，所形成的磁絮體相比普通絮體，沉降能力和沉降速度得到了大大提升，如此沉淀池的占地面積可進一步縮小，建設成本也隨之降低，這對于占地受限的污水處理工程具有重要的現實意義。且磁粉具有可回收再利用的特性，這對于推動實現污染物削減功能進一步被強化、低碳處理和能源開發、污水處理過程的資源回收提供了新的路徑。

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