磁技術(shù)在污廢水處理中的作用機(jī)理及應(yīng)用

郎瀛 安徽亞泰環(huán)境工程技術(shù)有限公司

水體經(jīng)磁化處理后其物理與化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，磁技術(shù)可提高微生物活性，讓其具備更強(qiáng)的污染物處理能力與廢水降解能力。同時(shí)，磁場(chǎng)撤除后，該效果可持續(xù)數(shù)天，具備一定的記憶效應(yīng)。傳統(tǒng)污廢水處理工藝與磁強(qiáng)化技術(shù)的融合是近年新興的水處理技術(shù)，具有簡(jiǎn)單、高效、能耗低、低成本等特點(diǎn)，不會(huì)造成二次污染，具有極為廣闊的發(fā)展前景。

一、磁技術(shù)在污廢水處理中的作用機(jī)理

磁技術(shù)在污廢水處理的應(yīng)用主要借助電流及永磁體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)與高強(qiáng)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(qiáng)的磁體，如磁鐵礦、鐵鎳鈷磁鋼等。在污廢水處理中應(yīng)用磁技術(shù)，需磁體具備耐腐蝕性、抗氧化性與強(qiáng)穩(wěn)定性。

（一）電磁場(chǎng)非熱生物效應(yīng)理論

常規(guī)條件下帶電粒子附著70mv的靜電勢(shì)壘，必須穿透才能壓縮雙電子層，以此形成絮體沉淀。長(zhǎng)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(shì)壘。當(dāng)穿透磁場(chǎng)時(shí)，帶電粒子在磁場(chǎng)力的作用下，可增強(qiáng)各粒子之間的沉降性，有效縮短污泥沉淀時(shí)間，達(dá)到凈化水體的效果。由于生物組織體內(nèi)存在 1010Hz~1012Hz 的相干電振蕩。如果振蕩頻率與生物機(jī)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(chǎng)對(duì)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(chǎng)的生物效應(yīng)理論

通過(guò)調(diào)查與檢索國(guó)內(nèi)外有關(guān)磁場(chǎng)對(duì)生物的影響的相關(guān)研究，結(jié)論指向磁場(chǎng)可改變細(xì)菌細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)，磁場(chǎng)內(nèi)部細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的線粒體數(shù)目呈上升趨勢(shì)，可以認(rèn)為細(xì)胞的呼吸與氧化還原與磁場(chǎng)有緊密關(guān)聯(lián)。超微結(jié)構(gòu)的變化誘發(fā)細(xì)胞能量代謝、物質(zhì)代謝與物質(zhì)運(yùn)輸，有助細(xì)胞分裂、生長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)磁化處理的水體可增強(qiáng)內(nèi)部微生物活性，讓其氧化降解有機(jī)物的能力隨之提升，表明磁技術(shù)可增強(qiáng)水體內(nèi)微生物滅菌的能力。

當(dāng)外部施加的電磁場(chǎng)對(duì)穿過(guò)通道的離子施以電場(chǎng)力與洛倫茲力的作用，可改變離子的通透行為，增強(qiáng)水體礦物溶解度與水分子自由基。從水體系統(tǒng)分析，磁技術(shù)可增加整體系統(tǒng)的溶氧量，增加好氧系統(tǒng)處理效率。水體中礦物質(zhì)的溶解度與有機(jī)物分解相關(guān)，當(dāng)?shù)V物質(zhì)溶解度增加時(shí)，可促進(jìn)有機(jī)物形成碳、氮等元素，為微生物提供能源，促進(jìn)微生物在生物反應(yīng)器中的掛膜生長(zhǎng)及降解菌的馴化培養(yǎng)，以此增強(qiáng)微生物吸附能力及提升污染物降解效果，達(dá)到凈化水質(zhì)的作用。

二、磁技術(shù)在污廢水處理中的應(yīng)用

（一）磁強(qiáng)化活性污泥技術(shù)的應(yīng)用

向活性污泥系統(tǒng)中加入磁粉或施加外部磁場(chǎng)，磁生化效應(yīng)可有效改善水體污泥性質(zhì)，達(dá)到提高沉淀速率的目的，增強(qiáng)水體凈化效果。在活性污泥技術(shù)的高度發(fā)展下，磁技術(shù)的研究愈加深入，污廢水處理實(shí)現(xiàn)了好氧顆粒污泥、厭氧氨氧化等多項(xiàng)新技術(shù)的融合，可促進(jìn)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(guó)劍橋水務(wù)公司的磁生化BioMagTM技術(shù)與環(huán)能科技公司的MagBr磁介質(zhì)生物反應(yīng)技術(shù)是工程應(yīng)用的典型代表。在污廢水生物反應(yīng)池中投放磁粉，磁粉隨著污泥在整個(gè)水體系統(tǒng)中循環(huán)，與水體內(nèi)各類微生物反應(yīng)，污廢水處理僅需增加磁粉投放與回收設(shè)備，便可實(shí)現(xiàn)活性污泥工藝（流程見圖1）。將CASS、SBR、CAST、A2O、氧化溝等結(jié)合，讓凈化后的水體滿足更高的污染物去除標(biāo)準(zhǔn)。例如，某污廢水處理廠，日污廢水流量2萬(wàn)噸，水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)需滿足BOD5<2mg/L、TN<2mg/L、濁度<1.0NTU，同時(shí)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(shù)瓶頸是回收設(shè)備壽命有限，無(wú)法保持長(zhǎng)久運(yùn)作。如果工藝不設(shè)有初沉降池與細(xì)格柵網(wǎng)，將影響回收剪切設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致其損耗加大甚至發(fā)生淤堵，造成磁粉流失。為解決上述問題。結(jié)合MagBR技術(shù)，實(shí)現(xiàn)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(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)一體化填制。該技術(shù)具有搭建速度快、地域限制性低、處理及時(shí)等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我國(guó)湖北、北京等河道水質(zhì)改善，適用于污廢水處理。

圖1 BioMagTM技術(shù)流程圖

（二）磁強(qiáng)化剩余污泥處理技術(shù)

剩余污泥是我國(guó)污廢水處理的副產(chǎn)物，年剩余污泥量高達(dá)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(yíng)養(yǎng)元素等，屬于高危廢物，一旦處理不徹底或處置不當(dāng)將帶來(lái)極為嚴(yán)重的后果。由于其構(gòu)成較為復(fù)雜，降解難度大，具有支出高、易浪費(fèi)的特點(diǎn)。我國(guó)頒布的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》中確切表示：污水處理必須對(duì)污泥進(jìn)行穩(wěn)定與無(wú)害化處理。本小節(jié)重點(diǎn)闡明磁技術(shù)在剩余污泥處理中的應(yīng)用。

1.磁強(qiáng)化污泥厭氧消化技術(shù)

據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，國(guó)際現(xiàn)存超百萬(wàn)的污廢水處理廠采用厭氧消化技術(shù)。磁技術(shù)作為可促進(jìn)厭氧系統(tǒng)間物種電子轉(zhuǎn)移的內(nèi)驅(qū)元素在污廢水中施加20mmol/L的磁鐵礦可提升水體內(nèi)甲烷產(chǎn)生率，保持系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。在不補(bǔ)加磁粉的前提下，厭氧消化反應(yīng)器可持續(xù)工作約8個(gè)月。

介于磁性物質(zhì)對(duì)剩余污泥厭氧消化的促進(jìn)效果，國(guó)外學(xué)者Suanon以質(zhì)量比0.5%與1%混合脫水剩余污泥與納米級(jí)磁鐵礦，結(jié)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(wěn)固污泥中重金屬元素與磷元素。反之，當(dāng)施加高濃度磁鐵礦時(shí)，水體中沼氣產(chǎn)量明顯降低。磁技術(shù)在污廢水剩余污泥處理中為甲烷提供反應(yīng)條件，并非影響甲烷產(chǎn)出形式。通過(guò)歸整與分析國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究得出：在溫度的持續(xù)升高下，含磁污泥水體的水解速率加快、揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)量提升，氮元素排出量提升，結(jié)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(wú)法達(dá)到百分之百，剩余污泥中勢(shì)必留存少量磁粉，含磁性的污泥的厭氧消化成為磁技術(shù)在污廢水處理研究的熱點(diǎn)課題。磁性污泥含有酵母、微藻、真菌及滅亡細(xì)菌，具有大量氨基、羰基等官能團(tuán)，可回收植被吸附劑。考慮到剩余污泥水分散失后單位質(zhì)量物料占有的面積較小與分離回收難度大等問題，其應(yīng)用具有較大限制。負(fù)載磁性物質(zhì)可有效增強(qiáng)離子吸附位點(diǎn)，借助磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)干污泥快速分離。常規(guī)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(yīng)。各類分離方法均以比表面積與穩(wěn)定性為基礎(chǔ)，結(jié)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(qiáng)化混凝技術(shù)的應(yīng)用

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

圖2 磁強(qiáng)化混凝技術(shù)工藝流程圖

總的來(lái)說(shuō)，磁強(qiáng)化混凝技術(shù)共由四部分組成，分別為混凝反應(yīng)池、沉淀池、加藥系統(tǒng)、磁回收裝置。反應(yīng)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(yīng)——混凝池和添置的磁粉形成以磁種為基礎(chǔ)的絮體——基于絮凝劑的吸附架橋作用匯集成絮團(tuán)——污水與帶有磁性的絮團(tuán)充分結(jié)合進(jìn)入沉淀池——污水在磁性絮團(tuán)的作用下分離分層——磁種進(jìn)入回收系統(tǒng)，被剪切機(jī)打散，經(jīng)分離后的污泥被排出，磁粉被磁鼓回收后在預(yù)設(shè)的基礎(chǔ)上形成溶液再次投放在混凝反應(yīng)池，讓磁粉循環(huán)利用。部分污廢水處理廠設(shè)置了污泥回流系統(tǒng)，首次反應(yīng)中堿度反應(yīng)無(wú)法發(fā)揮除磷作用的混凝劑可再次發(fā)揮作用，讓污泥中的絮凝劑得到反復(fù)利用，達(dá)到節(jié)省藥劑的目的。

目前，諸多污廢水處理廠借助磁強(qiáng)化混凝技術(shù)進(jìn)行提標(biāo)改造，排出的水可滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的A級(jí)指標(biāo)。北京市清河污水處理廠改造中應(yīng)用磁混凝-沉淀技術(shù)，用于凈化沉沙池超越廢水，整體停留時(shí)間為17分鐘，進(jìn)水處均濃度為170、4.5mg/L的SSTP將低至21、0.64mg/L。經(jīng)凈化后的廢水借助管道排入清河，具有高效與高穩(wěn)定性的特點(diǎn)。

在磁分離技術(shù)的高度發(fā)展下，回收磁粉方面取得突破性進(jìn)展，同時(shí)磁技術(shù)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(shí)間，一方面節(jié)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(yùn)用磁混凝-超磁分離技術(shù)，采用一級(jí)強(qiáng)化處理指標(biāo)，反應(yīng)階段絮體僅需微絮混凝附帶磁性，不需要形成絮團(tuán)，可進(jìn)一步縮短處理時(shí)間。

三、結(jié)束語(yǔ)

磁技術(shù)在污廢水處理的應(yīng)用具有流程簡(jiǎn)單、費(fèi)用低、處理效果良好等特點(diǎn)，磁技術(shù)具有充足的發(fā)展?jié)摿Α；诖偶夹g(shù)的高度發(fā)展，磁分離成為有關(guān)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)課題，在未來(lái)城市污廢水處理中將占據(jù)主導(dǎo)地位。介于磁處理技術(shù)可聯(lián)合多類處理工藝應(yīng)用，構(gòu)建協(xié)同污廢水處理系統(tǒng)可對(duì)傳統(tǒng)處理工藝進(jìn)行迭代與優(yōu)化。目前，關(guān)于磁粉與磁場(chǎng)各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)微生物影響的研究需進(jìn)一步深入，掌握溫度、水質(zhì)環(huán)境等對(duì)微生物活性及降解的影響，探尋系統(tǒng)運(yùn)行最佳參數(shù)。基于此設(shè)計(jì)出更合理、更高效，并且可普適于污水處理廠的磁反應(yīng)工藝，推動(dòng)污廢水處理技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展。