磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)的現(xiàn)狀及探索

吳 震，陳飛勇，劉汝鵬,*，盧永峰，孫翠珍，羅從偉

(1.山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250101；2.山東建筑大學(xué)資源與環(huán)境創(chuàng)新研究院，山東濟(jì)南 250101；3.日照市沭錦礦業(yè)有限公司，山東日照 276800)

混凝是通過(guò)投加混凝劑和助凝劑，使水中的膠體及懸浮顆粒凝聚，形成較大的絮體，通過(guò)沉淀有效地去除水中細(xì)小懸浮物和膠體的過(guò)程[1]，其處理效果會(huì)影響后續(xù)處理。傳統(tǒng)混凝工藝存在水力停留時(shí)間(HRT)長(zhǎng)、池體占地面積大等缺點(diǎn)。若想得到更高標(biāo)準(zhǔn)的出水，需要過(guò)量投加聚合氯化鋁(PAC)、聚合硫酸鐵(PFS)等藥劑，一方面導(dǎo)致成本增加，另一方面碳排放量大幅上升、水中重金屬離子濃度增高，與當(dāng)前碳中和政策相悖，并影響人體健康。

近年來(lái)，重介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)發(fā)展較快，根據(jù)重介質(zhì)能否被磁鐵吸引，將其劃分為加砂混凝沉淀和磁介質(zhì)混凝沉淀。加砂混凝沉淀技術(shù)是在混凝階段投加非磁性重介質(zhì)(如石英砂或海砂)、混凝劑和絮凝劑。重介質(zhì)的加入加重了絮凝作用產(chǎn)生的絮凝物的重量，使其重力增大，加速沉淀，縮短反應(yīng)時(shí)間，同時(shí)提高總磷(TP)、懸浮固體(SS)、化學(xué)需氧量(COD)去除效果。由于重介質(zhì)的壓縮作用，污泥含水率降低，重介質(zhì)的回收又減少了污泥總量，方便污泥后續(xù)處理。但非磁性重介質(zhì)回收率過(guò)低，且對(duì)設(shè)備磨損程度較大。磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)是通過(guò)向混合池中投加磁性重介質(zhì)(如赤鐵礦或Fe3O4)，促進(jìn)絮凝的加速進(jìn)行，并通過(guò)解絮機(jī)、磁介質(zhì)分離機(jī)對(duì)沉淀污泥中的磁介質(zhì)進(jìn)行高效回收利用的一種技術(shù)。該技術(shù)憑借混凝效果好、沉降速度快、渾濁度去除效果好、占地面積小、可省略過(guò)濾池等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于水處理領(lǐng)域。相比于加砂混凝沉淀技術(shù)，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)99%的磁介質(zhì)回收率[2]，提高了磁介質(zhì)利用率，降低了成本。

本文介紹了磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)發(fā)展歷程、工藝流程及工作原理，對(duì)該技術(shù)的主要工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究。同時(shí)，通過(guò)實(shí)例分析該技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，并展望其應(yīng)用前景。

1 磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)介紹

1.1 發(fā)展歷程

1792年，William Fullarton申請(qǐng)了一項(xiàng)專(zhuān)利，其中描述了用磁鐵分離鐵礦物的磁分離技術(shù)[3]。早期磁分離技術(shù)的使用只能依賴(lài)于物質(zhì)本身的磁性。1852年，一家紐約公司使用磁分離技術(shù)將磁鐵礦從磷灰石中分離出來(lái)，自此，磁分離技術(shù)被應(yīng)用于分離金屬鐵和磁鐵礦[4]。20世紀(jì)50年代，高梯度磁分離系統(tǒng)引入磁分離技術(shù)，這意味著磁分離可以更普遍地應(yīng)用于非強(qiáng)磁性顆粒物質(zhì)的分離問(wèn)題，為磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)的出現(xiàn)奠定基礎(chǔ)[5]。20世紀(jì)60年代，前蘇聯(lián)學(xué)者將磁介質(zhì)投加到混凝池中，使污水中的部分非磁性雜質(zhì)磁化，再利用高梯度磁分離技術(shù)回收磁介質(zhì)，絮體的理化性質(zhì)及出水水質(zhì)均取得良好效果，是目前已知最早使用的磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)[6]。2000年前后，磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)在國(guó)外已被大規(guī)模使用，然而該技術(shù)剛被引入我國(guó)[7-9]，在國(guó)內(nèi)水處理工程方面得以應(yīng)用，但是推廣速度緩慢。近十年來(lái)，稀土永磁的使用使得磁介質(zhì)回收這一技術(shù)難題取得突破性進(jìn)展，目前磁介質(zhì)回收率可高達(dá)99%以上，推動(dòng)了磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)在國(guó)內(nèi)污廢水處理領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[10]。但是，磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)在地表水處理領(lǐng)域尚處于探索階段。

1.2 工藝流程

該工藝由混凝、沉淀、磁介質(zhì)回收和檢測(cè)控制4個(gè)單元組成[11]。進(jìn)水首先進(jìn)入3格設(shè)有不同轉(zhuǎn)速機(jī)械攪拌的磁介質(zhì)混凝池，依次投加混凝劑、磁介質(zhì)、絮凝劑。磁介質(zhì)混凝池出水進(jìn)入沉淀池，其沉淀的磁介質(zhì)污泥一部分回流至磁介質(zhì)混凝池的第二格中；另一部分磁介質(zhì)污泥通過(guò)解絮機(jī)進(jìn)行處理，之后再通過(guò)磁分離器對(duì)磁介質(zhì)進(jìn)行回收再利用。磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)工藝流程如圖1所示。

圖1 磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)工藝流程圖Fig.1 Process Diagram of Magnetic Medium Coagulation and Sedimentation

1.3 作用原理及MEDLVO理論

1.3.1 基本作用原理

磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)與傳統(tǒng)混凝沉淀技術(shù)相比，其作用機(jī)理除了雙電層壓縮、電中和、架橋、網(wǎng)捕卷掃外，磁介質(zhì)之間磁力的相互吸引作用也會(huì)促進(jìn)絮體的聚集沉淀。如圖2所示，磁介質(zhì)可能存在于絮體內(nèi)部，還可能依附在絮體表面。

圖2 混凝絮體產(chǎn)生后磁介質(zhì)的位置示意圖Fig.2 Sketch Map of the Magnetic Medium Position after Coagulation Flocs Formation

當(dāng)帶有磁性的雜質(zhì)顆粒或磁介質(zhì)顆粒存在于一個(gè)磁介質(zhì)顆粒的微磁場(chǎng)內(nèi)時(shí)，兩者之間會(huì)相互吸引。雜質(zhì)顆粒或磁介質(zhì)顆粒黏附的絮體也會(huì)隨之聚集，使得形成的絮體體積更大、更緊密。另外，磁介質(zhì)比重較大，能夠大幅增加絮體所受重力，加快絮體的沉降，同時(shí)能夠壓實(shí)污泥，降低污泥含水率。

此外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)的基本原理進(jìn)行了探討。陳嘯等[11]采用磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)對(duì)某赤鐵礦尾水進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)磁介質(zhì)的加入使得形成的絮體更大、更緊湊，主要?dú)w因于磁介質(zhì)強(qiáng)化了混凝劑對(duì)赤鐵礦顆粒的吸附作用。陳文松等[12]通過(guò)試驗(yàn)證明磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)反應(yīng)與傳統(tǒng)混凝沉淀技術(shù)沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，磁介質(zhì)的加入沒(méi)有改變混凝劑的雙電層壓縮、吸附電中和、吸附架橋、網(wǎng)捕卷掃機(jī)理，只是形成的磁性絮團(tuán)增強(qiáng)了污染物的磁性。Wu等[13]在研究細(xì)粒煤泥的沉淀時(shí)發(fā)現(xiàn)磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)的主要作用機(jī)制是懸浮顆粒之間的磁性作用。這些學(xué)者的研究結(jié)果都說(shuō)明磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)的作用機(jī)理存在磁力的相互吸引作用，這種作用能夠促進(jìn)絮體的凝聚沉淀。

因此，磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)主要利用電荷吸附、物理吸附、雜質(zhì)磁化以及磁化后的雜質(zhì)與磁介質(zhì)的相互吸引等作用，強(qiáng)化混凝效果，提高出水水質(zhì)。

1.3.2 MEDLVO理論

對(duì)于傳統(tǒng)混凝，DLVO和Extended-DLVO(EDLVO)理論被用于描述傳統(tǒng)混凝過(guò)程中的顆粒碰撞和聚集程度。DLVO理論認(rèn)為相距dm的兩顆粒間作用勢(shì)能由范德華作用能、雙電層靜電能及潛在生成勢(shì)能組成[14]。EDLVO理論認(rèn)為相距dm的兩顆粒間作用勢(shì)能包括DLVO理論中的全部勢(shì)能和Lewis酸堿相互作用能[15]。

磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)中，雜質(zhì)顆粒有機(jī)率被磁介質(zhì)磁化，當(dāng)顆粒具有磁性時(shí)，DLVO和EDLVO理論不能全部涵蓋相距dm的兩顆粒間作用勢(shì)能，這就需要對(duì)EDLVO理論進(jìn)行改進(jìn)，即在原有EDLVO理論中的全部勢(shì)能的基礎(chǔ)上增加磁作用能[16]，將這種修改后的理論命名為Magnetic-Extended-DLVO(MEDLVO)理論。

根據(jù)顆粒間總勢(shì)能Φ的大小，可以將顆粒在懸浮體系中的存在狀態(tài)分為3類(lèi)：若Φ> 0，顆粒為分散狀態(tài)；若Φ< 0，顆粒為凝聚狀態(tài)；若Φ=0，顆粒為分散凝聚的臨界狀態(tài)[17]，對(duì)應(yīng)的懸浮液體系的Zeta電位值稱(chēng)之為臨界聚沉電位值。在磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)中，范德華作用能減小(吸引力增強(qiáng))、雙電層靜電能減小(排斥力減弱)、潛在生成勢(shì)能增大(排斥力增強(qiáng))、Lewis酸堿相互作用能減小(吸引力增強(qiáng))、磁作用能產(chǎn)生(產(chǎn)生吸引力)。由此可見(jiàn)，相比于傳統(tǒng)混凝沉淀技術(shù)，磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)的總勢(shì)能增大，顆粒表現(xiàn)為吸引力增強(qiáng)。因此，磁絮體更為緊密、體積更小，混凝處理效果增強(qiáng)。

1.4 優(yōu)勢(shì)及問(wèn)題

磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)的實(shí)質(zhì)是一種強(qiáng)化混凝沉淀技術(shù)。相比于傳統(tǒng)混凝沉淀技術(shù)，磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)形成的絮體體積更大、更緊實(shí)，沉降速度更快；常規(guī)沉淀池的表面負(fù)荷為1～3 m3/(m2·h)，磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)的沉淀表面負(fù)荷可達(dá)20～40 m3/(m2·h)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)混凝沉淀技術(shù)；傳統(tǒng)混凝沉淀技術(shù)HRT一般為40～60 min，而磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)HRT可小于20 min，大幅縮短了HRT，減少占地面積，增強(qiáng)抗沖擊負(fù)荷能力；沉淀出水水質(zhì)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)混凝沉淀技術(shù)，同時(shí)還具有明顯的除磷效果；磁介質(zhì)還可以回收使用，損耗率極低[18]；磁介質(zhì)的使用可以大幅降低PAC等混凝劑的投加量[19-21]。

但是，磁介質(zhì)過(guò)高的密度可能會(huì)導(dǎo)致淤積的發(fā)生，加上對(duì)設(shè)備、管道磨損程度大，增高了該技術(shù)的應(yīng)用難度。

2 磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)的主要工藝參數(shù)

磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)的出水水質(zhì)受混凝劑種類(lèi)及投加量、聚丙烯酰胺(PAM)投加量、磁介質(zhì)性質(zhì)及投加量、藥劑投加順序、處理時(shí)間、攪拌強(qiáng)度、pH和溫度等工藝參數(shù)的影響很大。工藝參數(shù)的差異會(huì)影響產(chǎn)生絮體的大小及緊密程度，進(jìn)而影響沉淀效果，產(chǎn)生不同的出水水質(zhì)。目前，已有很多學(xué)者[10,12,22-29]對(duì)多個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)分析研究，如表1所示。

表1 磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)工藝參數(shù)優(yōu)化Tab.1 Optimization of Technological Process Parameters of Magnetic Medium Coagulation and Sedimentation Technology

2.1 混凝劑

2.1.1 混凝劑的種類(lèi)及投加量

常規(guī)的混凝劑如PAC、PFC、PFS、硫酸鋁等，不同混凝劑都能夠產(chǎn)生帶正電荷的水解產(chǎn)物，并與體系中帶負(fù)電荷的膠體顆粒結(jié)合使其脫穩(wěn)，進(jìn)而聚集在一起形成較大的絮體并沉淀。相比于傳統(tǒng)混凝，磁介質(zhì)混凝形成了磁性絮體，并且在磁力的影響下，磁性絮體更緊密、體積更大，沉淀速度更快。

另外，混凝劑投加量的多少也會(huì)影響混凝效果。投加一定量的混凝劑時(shí)，混凝效果會(huì)隨著混凝劑投加量的增加逐漸達(dá)到最佳。但是，混凝劑投加不足或過(guò)量都會(huì)對(duì)混凝效果產(chǎn)生影響。當(dāng)混凝劑投加不足，混凝不充分，出水水質(zhì)差；當(dāng)混凝劑投加過(guò)量，形成的帶正電荷的水解產(chǎn)物就會(huì)過(guò)量，過(guò)高的正電荷導(dǎo)致膠體顆粒復(fù)穩(wěn)，混凝效果變差[30-31]。

對(duì)于不同水質(zhì)，可通過(guò)試驗(yàn)確定最佳混凝劑種類(lèi)及其投加量，控制水處理成本的同時(shí)提高出水水質(zhì)。

2.1.2 磁性混凝劑

近年來(lái)，由于天然混凝劑具有可再生、成本相對(duì)較低、產(chǎn)生生物可降解污泥較少等優(yōu)點(diǎn)，其在水處理行業(yè)得到廣泛關(guān)注。然而，即使使用粗植物萃取物作為混凝劑，其沉淀時(shí)間也較長(zhǎng)，同時(shí)有機(jī)物含量增加。為應(yīng)對(duì)這一缺陷，可引入磁性納米氧化鐵粒子，與天然混凝劑結(jié)合，進(jìn)而提高混凝性能。因此，當(dāng)下國(guó)內(nèi)外較多學(xué)者將磁性天然混凝劑作為研究重點(diǎn)，多數(shù)采用豆科植物提取液作為天然混凝劑，使用分散法和吸附法兩種方法引入磁性納米氧化鐵粒子。分散法是將提取物使用磁性納米氧化鐵粒子功能化，吸附法是將蛋白質(zhì)固定在改性或未改性的磁性納米氧化鐵粒子表面。同時(shí)，也有部分學(xué)者將磁性納米氧化鐵粒子與常規(guī)混凝劑結(jié)合使用，同樣可以達(dá)到較好的處理效果。基于MEDLVO理論，磁性混凝劑具有磁性，且可使部分雜質(zhì)具有磁性，兩磁性顆粒間磁作用能的存在可以促進(jìn)較大膠體顆粒的形成。

Okoli等[32]首次成功利用磁性納米氧化鐵與辣木蛋白合成磁性天然混凝劑，之后許多學(xué)者開(kāi)始研究天然混凝劑的制備方法和來(lái)源、磁性天然混凝劑的合成、混凝變量的控制(如混凝劑投加量、攪拌時(shí)間等)以及磁性天然混凝劑混凝機(jī)制。Reck等[33]利用基于辣木分餾蛋白的新型磁性混凝劑處理含合成染料的廢水，磁場(chǎng)的存在大大加速了分離，并且提高了染料去除效率。Santos等[34]采用改性溶膠-凝膠法合成γ-Fe2O3納米顆粒，隨后使用辣木整體種子提取物和無(wú)乙醇提取油(Mo-et)，產(chǎn)生具有抗菌活性的新型混凝劑[γ-Fe2O3-Mo和γ-Fe2O3-Mo(et)]，在外部磁場(chǎng)的影響下，進(jìn)行絮凝試驗(yàn)，可完全滅活原水中的大腸桿菌。

天然混凝劑提取后若未能規(guī)范儲(chǔ)存，容易降解，因此，天然混凝劑需現(xiàn)用現(xiàn)制。這一缺點(diǎn)嚴(yán)重限制了天然混凝劑的試驗(yàn)及商用規(guī)模，同時(shí)也妨礙了磁性天然混凝劑的進(jìn)一步研究。目前已經(jīng)探索了幾種儲(chǔ)存方法，如冷凍干燥[35-36]和噴霧干燥[37-38]。就磁性天然混凝劑的合成方法而言，常用的方法有分散法和吸附法兩種。分散法制備簡(jiǎn)單，且合成物應(yīng)對(duì)不同水質(zhì)的原水混凝效果均較好。但使用粗提取物時(shí)，水中有機(jī)物的含量可能會(huì)增加，且只有磁性納米氧化鐵粒子能夠回收利用。吸附法合成的磁性天然混凝劑可以在污泥中提取出來(lái)重復(fù)利用，但是這一方法的研究相對(duì)有限。由于磁性納米氧化鐵粒子的存在，磁性天然混凝劑的沉降時(shí)間更快。因此，磁性天然混凝劑作為一種綠色、可持續(xù)的水處理解決方案具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.2 磁介質(zhì)

2.2.1 磁介質(zhì)的性質(zhì)及投加量

磁介質(zhì)的投加是該技術(shù)區(qū)別于其他技術(shù)的要素之一，磁介質(zhì)粒徑、磁性、投加量的不同均會(huì)產(chǎn)生不同的混凝效果。

磁介質(zhì)粒徑過(guò)大時(shí)，對(duì)設(shè)備和管道的磨損較大，再增大粒徑時(shí)混凝效果變化不明顯，反而會(huì)徒增運(yùn)營(yíng)成本、加大對(duì)設(shè)備和管道的磨損；磁介質(zhì)粒徑過(guò)小時(shí)，磁介質(zhì)磁性較弱、碰撞效率低，吸附作用會(huì)相對(duì)較弱，沉淀時(shí)間相對(duì)粒徑較大時(shí)有所增加，混凝效果較差[39]。Ha等[40]以磁鐵礦作為磁介質(zhì)、硫酸鋁作為混凝劑處理造紙廢水，研究發(fā)現(xiàn)隨著廢水流量、渾濁度的增加，較大的磁鐵礦顆粒(10 μm)性能優(yōu)于較小的顆粒(5 μm)。磁介質(zhì)的投加并不是簡(jiǎn)單的單一粒徑投加，而應(yīng)該是多種粒徑投加。

不同粒徑的磁介質(zhì)在磁性大小上也存在著差異，粒徑較小的磁介質(zhì)磁性也相對(duì)較小。磁介質(zhì)在多次回收利用后，其磁性會(huì)相對(duì)減弱，甚至?xí)](méi)有磁性，這就會(huì)影響磁介質(zhì)回收的效率。磁性大小還會(huì)影響形成的絮體之間的相互吸附作用。磁性小時(shí)，絮體吸附能力就會(huì)變?nèi)酰^新的磁介質(zhì)而言形成的絮體相對(duì)較小，這就需要通過(guò)投加新的磁介質(zhì)來(lái)解決這一問(wèn)題。

磁介質(zhì)顆粒表面電荷也會(huì)影響混凝效果，但是關(guān)于其表面所帶電荷的正負(fù)并沒(méi)有確切的研究。有學(xué)者[41]認(rèn)為磁介質(zhì)顆粒表面帶負(fù)電荷，有學(xué)者[42]認(rèn)為磁介質(zhì)顆粒表面不帶電荷，還有學(xué)者[24]認(rèn)為磁介質(zhì)顆粒表面正負(fù)電荷都存在。當(dāng)磁介質(zhì)顆粒帶正電荷時(shí)，能夠與混凝劑結(jié)合，吸附更多的帶負(fù)電荷的雜質(zhì)顆粒，促進(jìn)更大絮體的形成；當(dāng)磁介質(zhì)顆粒不帶電荷時(shí)，吸附帶負(fù)電荷的雜質(zhì)顆粒并作為絮體核心，促進(jìn)混凝進(jìn)行；當(dāng)磁介質(zhì)顆粒帶負(fù)電荷時(shí)，由于雜質(zhì)顆粒主要帶負(fù)電荷，會(huì)抑制混凝的進(jìn)行。

磁介質(zhì)投加量不同，混凝效果也會(huì)有所不同。磁介質(zhì)投加量過(guò)小時(shí)，混凝不充分；投加過(guò)量時(shí)，混凝效果變化不明顯。張曉彩等[43]處理油田廢液時(shí)發(fā)現(xiàn)磁介質(zhì)投加量為14 g/L時(shí)，其平均粒徑為45 μm時(shí)，沉降時(shí)間可降至10 min以?xún)?nèi)，然而磁介質(zhì)投加量大于14 g/L時(shí)，沉降時(shí)間變化不大。Li等[44]采用磁鐵礦(Fe3O4)和PFS去除砷，發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁鐵礦劑量從25 mg/L增加到300 mg/L時(shí)，砷去除量從72.5%增加到90.9%，增加磁介質(zhì)的投加量可以提高砷的去除率。Zeng等[45]通過(guò)對(duì)模擬的渾濁水進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)隨著Fe3O4劑量從0增加到30 mg/L，渾濁度去除效率從70%增加到96%，繼續(xù)增加磁介質(zhì)，渾濁度去除效率差異很少，這表明在一定范圍內(nèi)增加Fe3O4投加量可以明顯提高渾濁度的去除率。

總之，磁介質(zhì)粒徑、磁性及投加量與沉淀時(shí)間及污染物去除率之間不是簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系，需要經(jīng)過(guò)各種試驗(yàn)研究建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

2.2.2 磁介質(zhì)的改進(jìn)

若要達(dá)到預(yù)期處理效果，需要投加大量磁介質(zhì)。磁介質(zhì)的使用效率較低，這在一定程度上限制了磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)的實(shí)際適用性。為克服這一局限性，同時(shí)提高磁介質(zhì)的分散性、化學(xué)穩(wěn)定性及其混凝效果，近年來(lái)提出了一種磁介質(zhì)的改進(jìn)方案。即在磁介質(zhì)表面功能化或涂以化學(xué)層，形成磁性復(fù)合材料[46]，再將磁性復(fù)合材料作為磁介質(zhì)引入到磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)中使用。

目前，用于磁介質(zhì)改進(jìn)的表面功能化涂層有無(wú)機(jī)材料(如石墨烯、SiO2、聚乙烯亞胺、殼聚糖、陽(yáng)離子淀粉、植物多酚等)、人工合成有機(jī)聚合物和天然提取物[46-48]。用于表面功能化的化合物一方面提高了磁性復(fù)合材料的電泳遷移率和等電點(diǎn)，增強(qiáng)混凝效果，另一方面使其更容易回收再利用，提高回收率。然而，這一工藝復(fù)雜，且涂層容易分離，回收后需要重復(fù)涂層工藝[49]，這就需要找尋一種穩(wěn)定性較強(qiáng)的表面功能化的化合物。

SiO2作為涂層時(shí)，在酸性和堿性環(huán)境中都表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，可以拓寬位于內(nèi)核的磁介質(zhì)對(duì)pH的適用范圍，降低pH對(duì)絮凝的影響[50]。SiO2涂層還可以克服其他作用力對(duì)范德華力的影響，從而改善了磁介質(zhì)的分散性[51-52]。此外，SiO2涂層中大量的硅醇基團(tuán)可以與多種化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，有助于與特定的配體結(jié)合[53-54]，促進(jìn)混凝進(jìn)行。Liu等[55]首次通過(guò)SiO2對(duì)Fe3O4進(jìn)行功能化處理，合成核-殼結(jié)構(gòu)的磁性復(fù)合材料Fe3O4/SiO2并用以混凝處理。在初始渾濁度為200 NTU、pH值為7.0、Fe3O4/SiO2投加量為1.0 g/L、Ca2+摩爾濃度為4.5 mmol/L時(shí)，高嶺土的去除率可達(dá)93.8%。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e3O4/SiO2在pH值為2.0～12.0均能得到較高的去除率，超聲處理可使Fe3O4/SiO2有效地從磁介質(zhì)絮體中分離出來(lái)，回收Fe3O4/SiO2顆粒由于其穩(wěn)定的表面性質(zhì)，對(duì)高嶺土的去除率仍處于較高水平。

目前，磁介質(zhì)的改進(jìn)仍處于試驗(yàn)階段，并未大規(guī)模推廣使用，未來(lái)這將成為磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)的研究重點(diǎn)之一。通過(guò)對(duì)磁介質(zhì)進(jìn)行改進(jìn)，增強(qiáng)磁介質(zhì)的分散性、穩(wěn)定性，加強(qiáng)其混凝效果，提高出水水質(zhì)同時(shí)減少磁介質(zhì)的投加，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，降低成本。

2.3 藥劑投加順序

在快速攪拌階段投加磁介質(zhì)，可以使水中能被磁化的雜質(zhì)具有磁性，便于發(fā)揮磁介質(zhì)的相互吸引作用，使得形成的絮體更大。若磁介質(zhì)投加過(guò)晚便會(huì)錯(cuò)過(guò)混凝的最佳時(shí)間，混凝效果無(wú)法達(dá)到最佳，因此，磁介質(zhì)需要在快速攪拌階段完成投加。對(duì)于混凝劑，有學(xué)者[56]認(rèn)為需要與磁介質(zhì)同時(shí)投加，也有學(xué)者[57]認(rèn)為要在磁介質(zhì)之前或之后投加。PAM等絮凝劑在快速攪拌階段投加時(shí)，會(huì)導(dǎo)致形成的較大絮體在剪切力的作用下被破壞，影響混凝效果，因此，絮凝劑需要在慢速攪拌過(guò)程中投加。

磁介質(zhì)、混凝劑和絮凝劑的投加順序并沒(méi)有一個(gè)定論，投加順序不同，處理效果也會(huì)有所不同。無(wú)論哪種投加順序，絮凝劑都需要在最后投加，即在慢速攪拌過(guò)程中投加。

2.4 處理時(shí)間及攪拌強(qiáng)度

磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)的處理時(shí)間由反應(yīng)時(shí)間和沉淀時(shí)間兩部分組成，其中，反應(yīng)時(shí)間又分為快速攪拌時(shí)間和慢速攪拌時(shí)間。反應(yīng)時(shí)間應(yīng)該做到合理分配，快速攪拌時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、慢速攪拌時(shí)間不足均不利于絮體的穩(wěn)定形成，進(jìn)而影響沉淀效果。由于對(duì)絮體大小要求的降低，反應(yīng)時(shí)間能夠縮短至常規(guī)混凝時(shí)間的1/2以下。另外，磁介質(zhì)的投加增強(qiáng)了絮體的沉淀性能，大大縮短了沉淀時(shí)間。

攪拌強(qiáng)度的不同也會(huì)產(chǎn)生不同的混凝效果。當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速過(guò)慢時(shí)，混凝不充分，形成絮體較小，雜質(zhì)去除效果較差；當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速過(guò)快時(shí)，混凝形成的較大絮體受攪拌影響而破碎，影響混凝效果。總之，在快速攪拌和慢速攪拌兩個(gè)階段分別尋求一個(gè)最佳的攪拌速度尤為重要。

2.5 pH

不同酸堿度的環(huán)境下，會(huì)發(fā)生不同的反應(yīng)，反應(yīng)的程度也會(huì)有所不同。混凝劑的水解能夠產(chǎn)生羥基離子，不同pH環(huán)境下混凝劑的水解程度不同。在一定范圍內(nèi)，隨著pH的增加，混凝劑水解程度高，促進(jìn)了膠體顆粒與羥基離子的結(jié)合，混凝效果較好。但是，pH過(guò)高時(shí)，混凝劑的水解受到抑制，抑制了羥基離子的產(chǎn)生，混凝效果變化不明顯。郭玥等[31]通過(guò)對(duì)比不同pH環(huán)境對(duì)混凝效果的影響，研究發(fā)現(xiàn)pH值處于6.0～9.0時(shí)混凝效果較好。Chen等[24]對(duì)合成的微蝕刻銅廢料處理，研究發(fā)現(xiàn)，廢水初始pH值為9.5時(shí)處理效果最好。Zhang等[58]利用反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BPNN)和一般回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GRNN)，研究發(fā)現(xiàn)中性和堿性環(huán)境有利于磁介質(zhì)混凝過(guò)程，但較高的pH影響效果不顯著。

可見(jiàn)，磁介質(zhì)、混凝劑、絮凝劑的作用環(huán)境對(duì)pH有一定的要求，可調(diào)控pH達(dá)到3種藥劑都能發(fā)揮較好作用的范圍，也可對(duì)磁介質(zhì)、混凝劑、絮凝劑進(jìn)行改進(jìn)以增強(qiáng)其化學(xué)穩(wěn)定性。

2.6 工藝參數(shù)的重要度及其確定

影響磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)混凝效果的工藝參數(shù)較多，但是不同工藝參數(shù)的影響程度會(huì)有所不同。學(xué)者們通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)工藝參數(shù)的重要性做了研究。趙紅花等[29]研究磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)對(duì)CODCr、SS的去除，發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)的重要性排序?yàn)榛炷齽┩都恿?反應(yīng)時(shí)間>攪拌強(qiáng)度>磁介質(zhì)投加量>溫度>pH。段志輝等[57]通過(guò)對(duì)目標(biāo)污染物CODCr、SS、TP處理，發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)的重要性排序?yàn)榇沤橘|(zhì)投加量>pH>PAM投加量>混凝劑投加量。這說(shuō)明對(duì)于不同的水質(zhì)條件，工藝參數(shù)的重要性不同，這就需要學(xué)者在研究時(shí)建立系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)以供設(shè)計(jì)時(shí)參考。

應(yīng)對(duì)不同水質(zhì)，其工藝參數(shù)的確定也有所不同，可以通過(guò)響應(yīng)面和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合等方法對(duì)各個(gè)最佳工藝參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。針對(duì)TP、渾濁度較高的原水，通過(guò)上述方法預(yù)測(cè)出PAC、磁介質(zhì)、PAM投加量分別為28.42、623、0.18 mg/L時(shí)TP和渾濁度的去除率最高[59]。

3 磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)的應(yīng)用

當(dāng)下，磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)在市政污水、工業(yè)廢水處理方面均有所應(yīng)用，如表2[60-74]所示。此外，也有學(xué)者在地表水處理方面應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行探索。

表2 磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)工程應(yīng)用實(shí)例Tab.2 Engineering Application Examples of Magnetic Medium Coagulation and Sedimentation

3.1 市政污水處理

隨著城市的發(fā)展，人口的急劇增加導(dǎo)致生活污水總量增加。目前，我國(guó)大部分的城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，但是對(duì)于水環(huán)境敏感地區(qū)來(lái)說(shuō)，出水污染物濃度仍無(wú)法滿(mǎn)足水環(huán)境整體質(zhì)量要求[75]。因此，我國(guó)一些區(qū)域頒布了地方性的標(biāo)準(zhǔn)，部分污水處理廠(chǎng)出廠(chǎng)水中CODCr、總氮(TN)、TP、SS指標(biāo)要求達(dá)到地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中“準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)”(部分指標(biāo)滿(mǎn)足Ⅳ類(lèi)要求)[76]或Ⅲ類(lèi)水質(zhì)指標(biāo)。各大污水處理廠(chǎng)需要處理的污水總量增加，加上國(guó)家對(duì)污水處理廠(chǎng)出水指標(biāo)的嚴(yán)格要求，部分污水處理廠(chǎng)不得不進(jìn)行提標(biāo)改造。

上海市某污水處理廠(chǎng)將處理規(guī)模由原先的3.0萬(wàn)m3/d擴(kuò)建為6.0萬(wàn)m3/d，對(duì)氧化溝進(jìn)行改造，并增加磁介質(zhì)混凝沉淀池和精密過(guò)濾器等深度處理措施，出水水質(zhì)由原來(lái)的《城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)提高為一級(jí)A+標(biāo)準(zhǔn)(其中氨氮和TP執(zhí)行地表水Ⅳ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn))[72]。山東省廣饒縣污水處理廠(chǎng)使用磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)，對(duì)SS、TP和CODCr的去除率分別達(dá)到了91.1%、96.5%和32.5%，降低了處理成本，出水水質(zhì)穩(wěn)定[77]。鄭利兵等[78]使用磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)對(duì)市政廢水進(jìn)行處理，兩個(gè)磁混凝處理站點(diǎn)的總化學(xué)需氧量(TCODCr)去除效果為52.53%和64.41%、TP的去除率分別為76.78%和81.59%，但氨氮、鹽類(lèi)基本無(wú)去除效果，結(jié)果表明該技術(shù)對(duì)廢水中各類(lèi)溶解性有機(jī)物都有削減作用，并能有效去除SS、非溶解態(tài)的有機(jī)物、磷和高芳香性、疏水性、腐殖化程度的大分子有機(jī)物。劉興等[79]利用磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)處理城市溢流雨水，TSS、渾濁度、CODCr、TP、氨氮的去除率分別為98.4%、98.6%、63.9%、93.2%、36.3%，對(duì)TSS、渾濁度和TP的去除效果較好。

目前，較多的污水處理廠(chǎng)進(jìn)行提標(biāo)改造，將原有的傳統(tǒng)混凝沉淀工藝改造為磁介質(zhì)混凝沉淀工藝，提高了出水水質(zhì)。該技術(shù)在市政污水處理方面的應(yīng)用較為成熟。

3.2 工業(yè)廢水處理

在國(guó)內(nèi)，使用磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)處理油田廢水、焦化廢水、印染廢水、木材加工行業(yè)廢水、鋼鐵行業(yè)廢水等工業(yè)廢水處理效果都較好[80]。油田廢水的處理主要是降低水體中的含油量和懸浮顆粒數(shù)[81]，由于污染物種類(lèi)復(fù)雜、大分子有機(jī)物含量過(guò)高、BOD5含量過(guò)低等因素，傳統(tǒng)的物理法、化學(xué)法和生物法處理時(shí)效率低、能耗高[82]。目前，大多出油田廢水按照《碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標(biāo)及分析方法》(SY/T 5329—2012)中的指標(biāo)處理后回注。磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)相比于傳統(tǒng)混凝沉淀技術(shù)除油量更高[83]。吳春輝等[84]研究發(fā)現(xiàn)，投加磁介質(zhì)對(duì)油田廢水中含油量、CODCr和SS的去除效果明顯，處理時(shí)間明顯縮短，但磁粉的回收率較低，為75%左右。

近年來(lái)，我國(guó)焦化行業(yè)快速發(fā)展，焦化廢水的排放量大幅增加。2011年—2019年，我國(guó)年平均焦炭產(chǎn)量為4.5億t，產(chǎn)生的焦化廢水可高達(dá)3.1億t(按每噸焦炭產(chǎn)生0.7 t廢水計(jì)算)[85]。焦化廢水中含有大量有機(jī)物，成分復(fù)雜、可生化性差、難降解，導(dǎo)致焦化廢水的處理成本增加。將磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)應(yīng)用到焦化廢水的處理，取得了良好的處理效果。敬雙怡等[86]采用磁化后的PFS處理焦化廢水，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的絮體含水率低、密度更大、沉降速度更快，出水水質(zhì)明顯提高。張哲等[87]研究發(fā)現(xiàn)在磁介質(zhì)、PFS、PAM投加量分別是400、800、8 mg/L時(shí)，依次投加磁介質(zhì)、PFS和PAM處理焦化廢水效果最佳，CODCr、渾濁度、氨氮的去除率分別可達(dá)62.5%、22.3%、92.2%，沉淀時(shí)間為20 min，縮短了沉淀時(shí)間并提高了混凝效果。

印染廢水、造紙廢水中含有較多的溶解性有機(jī)物，成分復(fù)雜，直接使用磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)處理時(shí)效果并不是很好，需要先對(duì)印染廢水、造紙廢水進(jìn)行預(yù)處理后再投加混凝劑、磁介質(zhì)、絮凝劑，進(jìn)而達(dá)到處理印染廢水、造紙廢水的目的。韓虹等[88]利用磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)處理印染廢水，色度、CODCr、SS去除率比傳統(tǒng)混凝法分別高出17.3%、21.7%、24.2%，此時(shí)絮體較大，沉降速度大幅加快，污泥壓縮，體積減小了61%。

另外，將磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)與其他技術(shù)耦合后處理污廢水，也可以得到較好的處理效果。Tian等[89]利用“臭氧預(yù)處理-MABR工藝-磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)”處理醫(yī)藥廢水，CODCr去除率為97.7%～98.0%、氨氮去除率為98.8%～99.2%、TN去除率為90.1%～90.7%、SS去除率為100%、色度去除率為93.8%，處理效果較好。

總之，應(yīng)用磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)處理各種工業(yè)廢水都得到了較好的處理效果，使得該技術(shù)的應(yīng)用范圍拓展到了各種工業(yè)廢水的處理，而不是只局限于市政污水的處理。

3.3 地表水處理

磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)主要應(yīng)用于市政污水和工業(yè)廢水的處理，在其他水處理領(lǐng)域幾乎沒(méi)有應(yīng)用。Lü等[90]通過(guò)廣口瓶試驗(yàn)評(píng)估了磁介質(zhì)混凝工藝對(duì)地表水的處理效果，結(jié)果表明磁性顆粒的加入可以顯著加速絮凝物的沉降并提高污染物的去除率。

這一研究結(jié)果表明，磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)能夠應(yīng)用于地表水處理。該技術(shù)在地表水處理，甚至飲用水處理方面，都有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＶ挥兴巹┻_(dá)到食品級(jí)要求，并且各項(xiàng)出水指標(biāo)能夠達(dá)標(biāo)，才能將該技術(shù)應(yīng)用到飲用水處理領(lǐng)域。

4 磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)應(yīng)用拓展

4.1 與其他技術(shù)組合使用

磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)去除的對(duì)象主要是非溶解性污染物和膠體，對(duì)于溶解性污染物的去除受限。將磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)與能夠去除溶解性污染物的工藝組合使用，可以達(dá)到更深層度對(duì)雜質(zhì)的去除。

紹興柯橋江濱水處理有限公司針對(duì)紡織廢水去除CODCr工藝設(shè)計(jì)時(shí)選用“活性炭吸附+磁介質(zhì)混凝沉淀”聯(lián)合工藝，處理規(guī)模為20.0萬(wàn)m3/d，出水CODCr、色度、SS等各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于《紡織染整工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 4287—2012)標(biāo)準(zhǔn)要求，且項(xiàng)目各系統(tǒng)、設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行[91]。丁靜等[92]選用“混凝+AO+氣浮+臭氧+磁介質(zhì)混凝”工藝處理印染廢水，處理規(guī)模為20.0萬(wàn)m3/d，對(duì)CODCr、SS、TN、色度的去除率分別達(dá)到95.9%、98.7%、81.7%、99.5%，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，出水滿(mǎn)足排放標(biāo)準(zhǔn)。陳斌等[93]選用“改良型AAO+磁介質(zhì)混凝沉淀+臭氧+活性炭”工藝處理重金屬離子高、有機(jī)物濃度高、可生化性低的工業(yè)廢水，出水CODCr、氨氮、TN、TP、SS去除率分別達(dá)到89.7%、88.3%、74.8%、92.4%、96.1%，且出水穩(wěn)定達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。陳鴦[94]采用“磁介質(zhì)混凝沉淀+SBR”工藝路線(xiàn)，對(duì)食品加工廢水進(jìn)行處理，出水水質(zhì)穩(wěn)定，達(dá)到國(guó)家安全排放標(biāo)準(zhǔn)。朱濤等[95]對(duì)山東某工業(yè)園區(qū)污水處理廠(chǎng)進(jìn)行提標(biāo)改造至一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，采用“芬頓高級(jí)氧化+磁介質(zhì)混凝沉淀+濾布濾池”組合工藝深度處理難降解有機(jī)廢水，升級(jí)改造完成后，處理規(guī)模為7.5萬(wàn) m3/d，出水各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定滿(mǎn)足排放要求。郴州某縣城污水廠(chǎng)采用“MBBR+磁介質(zhì)混凝沉淀”工藝作為核心工藝進(jìn)行提標(biāo)改造，改造后處理水量提高至2.0萬(wàn) m3/d，污水廠(chǎng)穩(wěn)定運(yùn)行且出水水質(zhì)達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)[96]。

另外，還有學(xué)者在磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)實(shí)現(xiàn)短流程處理方面做出研究。高翔等[97]選用“反應(yīng)沉淀一體式矩形環(huán)流生物反應(yīng)器+磁介質(zhì)混凝沉淀”工藝實(shí)現(xiàn)短流程處理遠(yuǎn)期規(guī)模為3.0萬(wàn)m3/d的生活污水，成功解決污水廠(chǎng)用地緊張的問(wèn)題，且出水穩(wěn)定滿(mǎn)足一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。羅浩等[98]使用“RPIR+磁介質(zhì)混凝沉淀”組合工藝，實(shí)現(xiàn)污水處理的快速生化、高效沉淀。吳明明等[99]使用“A/RPIR+磁介質(zhì)混凝沉淀”作為核心工藝新建污水處理廠(chǎng)，實(shí)現(xiàn)短流程處理生活污水，減少占地面積，有效降低能耗。

磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)通過(guò)與其他工藝的組合聯(lián)用，成功攻克各大項(xiàng)目技術(shù)方面的難關(guān)，出水均能滿(mǎn)足各類(lèi)水處理標(biāo)準(zhǔn)，拓寬該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，促使該技術(shù)朝著短流程應(yīng)用方向發(fā)展。

4.2 作為某項(xiàng)污染物的專(zhuān)項(xiàng)去除技術(shù)

磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)目前在水處理領(lǐng)域已經(jīng)較為成熟，特別是在污廢水處理方面。其中，這一技術(shù)作為針對(duì)重金屬離子、磷的專(zhuān)項(xiàng)去除技術(shù)已被眾多工程應(yīng)用。另外，還有學(xué)者利用該技術(shù)對(duì)抗生素的處理做出相應(yīng)研究。

(1)去除重金屬離子

磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)最早便應(yīng)用于含鐵廢水的處理，且去除率較高，沉淀速度較快。另外，存在于廢水中的重金屬離子，如Cr6+、Cu2+、Zn2+、Ni2+等，也可用磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)進(jìn)行高效去除。林峰等[100]利用該技術(shù)對(duì)電鍍廢水進(jìn)行處理，其中Cr6+、Cu2+、Zn2+的去除率均大于99%，相比于常規(guī)混凝沉淀工藝，整體占地面積減小，HRT縮短，僅需10～20 min。康小紅等[101]通過(guò)靜態(tài)燒杯試驗(yàn)處理含銅廢水，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁介質(zhì)和PFS投加量分別為400 mg/L和100 mg/L、pH值為8.0、沉淀時(shí)間為20 min時(shí)，Cu2+的去除效果最好，同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)影響Cu2+去除效果的因素主次順序?yàn)榇沤橘|(zhì)投加量>pH>PFS投加量>沉淀時(shí)間。孫水裕等[102]利用該技術(shù)處理含Ni2+電鍍廢水，出水中Ni2+質(zhì)量濃度為0.42 mg/L，Ni2+去除率為99%，達(dá)到了國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。何磊[103]利用該技術(shù)對(duì)重金屬?gòu)U水進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)果表明重金屬離子污染物的去除率大于99%，較常規(guī)混凝去除率提高4%～14%，且HRT縮短50%，較常規(guī)混凝縮短5～22 min。

可見(jiàn)，針對(duì)重金屬離子，磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)可以作為其專(zhuān)項(xiàng)去除技術(shù)之一。

(2)去除磷

含磷廢水的處理分為化學(xué)法和生物法兩種，當(dāng)含磷量較高時(shí)，生物法已經(jīng)無(wú)法將含磷量降到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)以下。化學(xué)除磷中，磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)能夠?qū)⒏吆孜鬯暮琢刻幚淼綐?biāo)準(zhǔn)以下，去除率優(yōu)于常規(guī)混凝沉淀技術(shù)。廈門(mén)市環(huán)保局要求當(dāng)?shù)爻鏊畧?zhí)行地表Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，其中TP質(zhì)量濃度≤0.3 mg/L。廈門(mén)市集美污水處理廠(chǎng)出水執(zhí)行一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，為提高出水指標(biāo)進(jìn)行磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)改造，當(dāng)進(jìn)水TP質(zhì)量濃度為2 mg/L時(shí)，出水TP質(zhì)量濃度為0.26 mg/L，TP去除率可達(dá)87%，且出水TP滿(mǎn)足當(dāng)?shù)匾?guī)定[104]。戴凌云[105]利用磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)對(duì)高含磷污水進(jìn)行處理，結(jié)果表現(xiàn)該技術(shù)大幅縮短絮體的沉降時(shí)間，減少占地面積，在高含磷污水處理中具有可行性。周傳庭等[106]利用該技術(shù)處理高磷廢水，當(dāng)進(jìn)水TP質(zhì)量濃度在20 mg/L左右時(shí)，出水TP質(zhì)量濃度可穩(wěn)定控制在0.3 mg/L以下，研究證實(shí)磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)在高磷廢水化學(xué)除磷中更具優(yōu)勢(shì)。磁介質(zhì)的投加使形成的絮體更大，吸附效果更好，沉降更快，對(duì)水中懸浮性磷的去除效果優(yōu)于常規(guī)混凝沉淀技術(shù)，因此，磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)對(duì)TP的去除較常規(guī)混凝有明顯提升[25]。

5 展望

磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)的推廣及應(yīng)用仍面臨著很多難題，接下來(lái)可以從磁介質(zhì)改進(jìn)及其與磁性天然混凝劑聯(lián)合使用、磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)與其他技術(shù)耦合、磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)作為某項(xiàng)污染物的去除技術(shù)3個(gè)方向加強(qiáng)研究。

(1)磁介質(zhì)改進(jìn)及其與磁性天然混凝劑聯(lián)合使用

將磁介質(zhì)作為內(nèi)核，外涂以SiO2等化學(xué)層合成磁性復(fù)合材料，增強(qiáng)磁介質(zhì)的分散性、穩(wěn)定性，且提高其混凝效果。然而，這一工藝復(fù)雜，且應(yīng)用于磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)的試驗(yàn)較少。深化磁介質(zhì)改進(jìn)技術(shù)、完善各種參數(shù)控制將作為磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)的重點(diǎn)研究方向之一。

目前，有較多學(xué)者都在研究磁性天然混凝劑，其中天然混凝劑的制備復(fù)雜且存儲(chǔ)時(shí)間有待延長(zhǎng)，局限了磁性天然混凝劑的合成及商用規(guī)模。用分散法合成的磁性天然混凝劑時(shí)使用粗提取物，可能會(huì)導(dǎo)致水中有機(jī)物的含量增加，增加處理難度，且只有磁性納米氧化鐵粒子能夠回收利用。吸附法合成的磁性天然混凝劑可以在污泥中提取出來(lái)重復(fù)利用，但是這一方法的研究相對(duì)有限。下一步，應(yīng)深入研究蛋白質(zhì)固定在磁性納米氧化鐵粒子表面的固定方法及其固定穩(wěn)定性，并研究利用這一方法制成的磁性天然混凝劑的各種性能參數(shù)。

未來(lái)，通過(guò)研究磁性天然混凝劑和磁介質(zhì)多次回收利用時(shí)污染物的去除效果，確定其可以回收利用的次數(shù)，并為其補(bǔ)充投加量的確定提供參考依據(jù)。將改進(jìn)的磁介質(zhì)與吸附法合成的磁性天然混合劑引入到磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)中，可將磁介質(zhì)與磁性天然混合劑同步回收利用，一方面減少磁介質(zhì)的投加，降低成本，另一方面通過(guò)投加少量磁性天然混合劑與磁介質(zhì)達(dá)到處理水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)能減排，逐步實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化綠色水廠(chǎng)建設(shè)。

(2)磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)與其他技術(shù)耦合

當(dāng)前只是存在磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)與其他工藝的組合聯(lián)用，從本質(zhì)上將磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)與其他工藝耦合的應(yīng)用較少。活性炭能夠吸附水中的數(shù)百種物質(zhì)，包括非溶解性和溶解性的污染物及其他化學(xué)物質(zhì)。芬頓工藝可以氧化去除大分子有機(jī)物，將其氧化成無(wú)機(jī)態(tài)，從而降低CODCr濃度。因此，可以將磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)與活性炭工藝、芬頓工藝分別耦合，利用各自?xún)?yōu)勢(shì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，以提高處理效果。未來(lái)實(shí)現(xiàn)該技術(shù)與能夠去除溶解性污染物的工藝耦合，可以達(dá)到更深層度對(duì)雜質(zhì)的去除，處理效果更佳。另外，結(jié)合RPIP等新型裝備，探索結(jié)合磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)實(shí)現(xiàn)短流程處理的組合工藝，在基建面積有限的條件下占據(jù)主導(dǎo)地位，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

(3)磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)作為某項(xiàng)污染物的去除技術(shù)

磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)已作為針對(duì)重金屬離子、磷的專(zhuān)項(xiàng)去除技術(shù)研究，下一步，可以將該技術(shù)稍加改進(jìn)后作為其他污染物的專(zhuān)項(xiàng)去除技術(shù)。如對(duì)于氟化物的去除，可以在磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)的基礎(chǔ)上投加氯化鈣等物質(zhì)，促進(jìn)氟化鈣沉淀的形成，進(jìn)而達(dá)到除氟效果。將該技術(shù)對(duì)其他污染物對(duì)象做出針對(duì)性改進(jìn)，拓寬該技術(shù)去除對(duì)象的同時(shí)，使該技術(shù)發(fā)展成一種低成本、高去除率的綜合去除工藝。