磁技術在污廢水處理中的作用機理及應用

郎瀛 安徽亞泰環境工程技術有限公司

水體經磁化處理后其物理與化學性質發生改變，磁技術可提高微生物活性，讓其具備更強的污染物處理能力與廢水降解能力。同時，磁場撤除后，該效果可持續數天，具備一定的記憶效應。傳統污廢水處理工藝與磁強化技術的融合是近年新興的水處理技術，具有簡單、高效、能耗低、低成本等特點，不會造成二次污染，具有極為廣闊的發展前景。

一、磁技術在污廢水處理中的作用機理

磁技術在污廢水處理的應用主要借助電流及永磁體產生的強磁場與高強度梯度，基于諧振等理論完成污廢水降解與凈化。永磁體是最為頑強的磁體，如磁鐵礦、鐵鎳鈷磁鋼等。在污廢水處理中應用磁技術，需磁體具備耐腐蝕性、抗氧化性與強穩定性。

（一）電磁場非熱生物效應理論

常規條件下帶電粒子附著70mv的靜電勢壘，必須穿透才能壓縮雙電子層，以此形成絮體沉淀。長期且不間斷的電磁波照射可在膜表面形成附加電位，有助降低靜電勢壘。當穿透磁場時，帶電粒子在磁場力的作用下，可增強各粒子之間的沉降性，有效縮短污泥沉淀時間，達到凈化水體的效果。由于生物組織體內存在 1010Hz~1012Hz 的相干電振蕩。如果振蕩頻率與生物機體相近，將形成諧振，以此降低生物活性，滅殺水體中有害的微生物。例如，磁場對微生物具有極高的消殺作用，可抑制病原體、線形蟲等。

（二）磁場的生物效應理論

通過調查與檢索國內外有關磁場對生物的影響的相關研究，結論指向磁場可改變細菌細胞超微結構，磁場內部細菌細胞內的線粒體數目呈上升趨勢，可以認為細胞的呼吸與氧化還原與磁場有緊密關聯。超微結構的變化誘發細胞能量代謝、物質代謝與物質運輸，有助細胞分裂、生長。經過磁化處理的水體可增強內部微生物活性，讓其氧化降解有機物的能力隨之提升，表明磁技術可增強水體內微生物滅菌的能力。

當外部施加的電磁場對穿過通道的離子施以電場力與洛倫茲力的作用，可改變離子的通透行為，增強水體礦物溶解度與水分子自由基。從水體系統分析，磁技術可增加整體系統的溶氧量，增加好氧系統處理效率。水體中礦物質的溶解度與有機物分解相關，當礦物質溶解度增加時，可促進有機物形成碳、氮等元素，為微生物提供能源，促進微生物在生物反應器中的掛膜生長及降解菌的馴化培養，以此增強微生物吸附能力及提升污染物降解效果，達到凈化水質的作用。

二、磁技術在污廢水處理中的應用

（一）磁強化活性污泥技術的應用

向活性污泥系統中加入磁粉或施加外部磁場，磁生化效應可有效改善水體污泥性質，達到提高沉淀速率的目的，增強水體凈化效果。在活性污泥技術的高度發展下，磁技術的研究愈加深入，污廢水處理實現了好氧顆粒污泥、厭氧氨氧化等多項新技術的融合，可促進水體功能菌富集的作用，緩解膜污染，提高污水凈化效率。

美國劍橋水務公司的磁生化BioMagTM技術與環能科技公司的MagBr磁介質生物反應技術是工程應用的典型代表。在污廢水生物反應池中投放磁粉，磁粉隨著污泥在整個水體系統中循環，與水體內各類微生物反應，污廢水處理僅需增加磁粉投放與回收設備，便可實現活性污泥工藝（流程見圖1）。將CASS、SBR、CAST、A2O、氧化溝等結合，讓凈化后的水體滿足更高的污染物去除標準。例如，某污廢水處理廠，日污廢水流量2萬噸，水質排放標準需滿足BOD5<2mg/L、TN<2mg/L、濁度<1.0NTU，同時不可留存氨氮，磁粉回收率需大于98%。本污廢水處理廠面臨的技術瓶頸是回收設備壽命有限，無法保持長久運作。如果工藝不設有初沉降池與細格柵網，將影響回收剪切設備正常運轉，導致其損耗加大甚至發生淤堵，造成磁粉流失。為解決上述問題。結合MagBR技術，實現一體化投料，在污廢水中施加磁性懸浮填料，在滿足高比表面積、高流化性、高親水性等基礎上，實現一體化填制。該技術具有搭建速度快、地域限制性低、處理及時等優勢，已經廣泛應用于我國湖北、北京等河道水質改善，適用于污廢水處理。

圖1 BioMagTM技術流程圖

（二）磁強化剩余污泥處理技術

剩余污泥是我國污廢水處理的副產物，年剩余污泥量高達4×107t，其中含水量約為80%。污廢水處理后的剩余污泥含有重金屬、營養元素等，屬于高危廢物，一旦處理不徹底或處置不當將帶來極為嚴重的后果。由于其構成較為復雜，降解難度大，具有支出高、易浪費的特點。我國頒布的《水污染防治行動計劃》中確切表示：污水處理必須對污泥進行穩定與無害化處理。本小節重點闡明磁技術在剩余污泥處理中的應用。

1.磁強化污泥厭氧消化技術

據初步統計，國際現存超百萬的污廢水處理廠采用厭氧消化技術。磁技術作為可促進厭氧系統間物種電子轉移的內驅元素在污廢水中施加20mmol/L的磁鐵礦可提升水體內甲烷產生率，保持系統整體穩定性。在不補加磁粉的前提下，厭氧消化反應器可持續工作約8個月。

介于磁性物質對剩余污泥厭氧消化的促進效果，國外學者Suanon以質量比0.5%與1%混合脫水剩余污泥與納米級磁鐵礦，結論表明濃度較低的磁鐵礦可提高水體中沼氣含量與甲烷比率，可穩固污泥中重金屬元素與磷元素。反之，當施加高濃度磁鐵礦時，水體中沼氣產量明顯降低。磁技術在污廢水剩余污泥處理中為甲烷提供反應條件，并非影響甲烷產出形式。通過歸整與分析國內學者的研究得出：在溫度的持續升高下，含磁污泥水體的水解速率加快、揮發性脂肪酸產量提升，氮元素排出量提升，結論表明30℃是最合理的磁污泥厭氧水解酸化的情況。

2.剩余磁污泥吸附材料

由于磁粉回收率無法達到百分之百，剩余污泥中勢必留存少量磁粉，含磁性的污泥的厭氧消化成為磁技術在污廢水處理研究的熱點課題。磁性污泥含有酵母、微藻、真菌及滅亡細菌，具有大量氨基、羰基等官能團，可回收植被吸附劑。考慮到剩余污泥水分散失后單位質量物料占有的面積較小與分離回收難度大等問題，其應用具有較大限制。負載磁性物質可有效增強離子吸附位點，借助磁場實現干污泥快速分離。常規的制備方法包括：干污泥與鐵鹽溶液同步沉淀、Fe3O4和磁性污泥混合反應。各類分離方法均以比表面積與穩定性為基礎，結合不同類別污染物的吸附容量與吸附性采用合適的分離措施。

（三）磁強化混凝技術的應用

具有代表性的是青島洛克環保科技有限公司的SediMagTM技術與中間環能科技股份有限公司的MagCS磁介質混凝土沉淀技術，該技術普適流程圖見圖2。

圖2 磁強化混凝技術工藝流程圖

總的來說，磁強化混凝技術共由四部分組成，分別為混凝反應池、沉淀池、加藥系統、磁回收裝置。反應池分為混凝池、磁性混凝池、絮凝池。污廢水處理流程為：城市污水與混凝劑反應——混凝池和添置的磁粉形成以磁種為基礎的絮體——基于絮凝劑的吸附架橋作用匯集成絮團——污水與帶有磁性的絮團充分結合進入沉淀池——污水在磁性絮團的作用下分離分層——磁種進入回收系統，被剪切機打散，經分離后的污泥被排出，磁粉被磁鼓回收后在預設的基礎上形成溶液再次投放在混凝反應池，讓磁粉循環利用。部分污廢水處理廠設置了污泥回流系統，首次反應中堿度反應無法發揮除磷作用的混凝劑可再次發揮作用，讓污泥中的絮凝劑得到反復利用，達到節省藥劑的目的。

目前，諸多污廢水處理廠借助磁強化混凝技術進行提標改造，排出的水可滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》的A級指標。北京市清河污水處理廠改造中應用磁混凝-沉淀技術，用于凈化沉沙池超越廢水，整體停留時間為17分鐘，進水處均濃度為170、4.5mg/L的SSTP將低至21、0.64mg/L。經凈化后的廢水借助管道排入清河，具有高效與高穩定性的特點。

在磁分離技術的高度發展下，回收磁粉方面取得突破性進展，同時磁技術逐漸適用于固液分離。目前主流的超磁分離可取替重力沉淀方式，可有效縮短污廢水處理時間，一方面節省占比面積，另一方面可提高處理效率，提升污水處理廠效能。例如，北京北小河污水處理廠運用磁混凝-超磁分離技術，采用一級強化處理指標，反應階段絮體僅需微絮混凝附帶磁性，不需要形成絮團，可進一步縮短處理時間。

三、結束語

磁技術在污廢水處理的應用具有流程簡單、費用低、處理效果良好等特點，磁技術具有充足的發展潛力。基于磁技術的高度發展，磁分離成為有關領域研究的熱點課題，在未來城市污廢水處理中將占據主導地位。介于磁處理技術可聯合多類處理工藝應用，構建協同污廢水處理系統可對傳統處理工藝進行迭代與優化。目前，關于磁粉與磁場各項指標對微生物影響的研究需進一步深入，掌握溫度、水質環境等對微生物活性及降解的影響，探尋系統運行最佳參數。基于此設計出更合理、更高效，并且可普適于污水處理廠的磁反應工藝，推動污廢水處理技術的現代化發展。