磁分離技術在水處理中的研究現狀及開發鋼渣磁種的可行性

汪玉嬌 高國才 郭 華

（北京中冶設備研究設計總院有限公司 北京100029）

1 引言

磁分離技術作為一門新興的水處理技術，已在城市工業廢水和生活污水、廢料、污染的河水、湖水以及飲用水的處理中被成功應用。磁分離技術處理的效率高、設備體積小、結構簡單、占地少，成本低廉，相比傳統的水處理方法，顯示出了很多優點。本文介紹了磁分離技術的原理、研究現狀，并就新型廉價磁種的開發進行了總結和探索分析。

2 磁分離技術的基本原理

磁分離技術是借助外部磁場力的作用，對不同磁性的物質進行選擇性分離的一種技術。

一切宏觀的物體，都具有一定程度的磁性，按其在外磁場作用下的特性，可分為三類：鐵磁性物質、順磁性物質和抗磁性物質。其中鐵磁性物質是通常可利用的磁種。各種物質磁性差異正是磁分離技術的基礎。

利用磁技術處理廢水主要利用污染物的凝聚性和對污染物的加種性。具有鐵磁性或順磁性的污染物，在磁場作用下由于磁力作用凝聚成表面直徑增大的粒子，由于磁場力大于磁性顆粒受到的各種阻力，磁性顆粒在合力作用下產生定向運動，加速沉降過程，完成固液分離，而后除去。弱順磁性或非磁性污染物在外加磁性種子的作用下，受到外加磁場力作用而凝聚成較大團塊，便于用磁分離法除去，或借助外加微生物來吸附廢水中順磁性離子，再用磁分離法除去離子態順磁性污染物。

3 磁分離技術在污水處理中的研究現狀

磁分離技術的手段發展至今，已經有磁凝聚法、磁盤法、高梯度磁分離法、超導磁分離法，在水處理中單獨研究的不是很多，研究人員在磁分離法的基礎上，結合絮凝、混凝沉淀提出了“磁絮凝法”、“磁混凝法”水處理，即在絮凝劑或者混凝劑中加入磁粉，依靠顆粒間的吸附作用，機械攪拌使其強制混合。水處理過程中，磁粉的加入強化了絮凝反應，一方面加載的磁粉增加了絮體的密度，另一方面，在外部磁場的作用下，磁性絮團受到磁場力的作用，加快了沉降速度，從而提高了固液分離的效果。

3.1 含油廢水

含油廢水主要來源于石油、石油化工、鋼鐵、焦化、煤氣發生站、機械加工等工業部門。廢水中油類污染物質，除重焦油的相對密度為1.1以上外，其余的相對密度都小于1。磁分離法是將磁性顆粒與含油廢水混合，油珠被磁性粒子吸附，然后用磁分離裝置將含油磁粒分離，污水便可得到凈化。

姚曄棟、錢學玲等人［1］以化學純的四氧化三鐵為磁粉，以化學純硫酸亞鐵為絮凝劑，對上海交通大學食堂的含油廢水進行了高梯度磁分離法處理，實驗驗證了磁粉的疏水性和親油滴性，研究了磁粉加入量對除油效果的影響，磁感應強度、攪拌時間、添加絮凝劑、調節pH 值對除油效果的影響，廢水處理量、進水含油量與除油效果的關系，高梯度磁分離法對廢水COD 的去除效果，磁粉與油相互吸附的穩定性，實驗表明磁種具有良好的除油效果。

王利平，何又慶等人［2］以四氧化三鐵為磁種，聚合氯化鐵為絮凝劑，聚丙烯酰胺為助凝劑，通過投加磁粉和絮凝劑進行磁絮凝分離反應來處理某煉油廠污水處理站經隔油池后的含油廢水，添加磁種和絮凝劑的處理效果比只加絮凝劑的效果要好，因為磁粉的加入使得絮團形成更快，絮團的質量也會增大，這樣就加快了絮團的沉降分離。

3.2 印染廢水

印染行業是工業廢水排放大戶，據不完全統計，全國印染廢水每天排放量為3×106～4×106m3。印染廢水具有水量大、有機污染物含量高、色度深、堿性大、水質變化大等特點，屬難處理的工業廢水。

韓虹，陳文松等［3］向印染廢水中先后按一定比例投加四氧化三鐵，硫酸亞鐵，聚丙烯酰胺，以利于形成磁性絮團，使用自制的高梯度磁分離器進行磁分離實驗，研究磁性絮團的磁化率、磁場強度、磁場梯度以及流速等因素對廢水處理結果的影響，并得到最佳的工藝參數，實驗中印染廢水經處理后達到國家二級排放標準。

另外，由于印染廢水成分復雜，存在著大量水溶性污染物，陳文松等人［4］通過對印染廢水進行低劑量Fenton氧化，再用磁種混凝－高梯度磁分離技術處理，處理后，色度、COD 的去除率分別達到92.6%和79.5%，出水色度和COD 都達到了國家二級排放標準。對磁種進行回收，回收率為90%以上，再次利用的效果與原磁種相當。

3.3 含重金屬離子廢水

重金屬廢水是指礦冶、機械制造、化工、電子、儀表等工業生產過程中排出的含重金屬的廢水。重金屬（如含鎘、鎳、汞、鋅等）廢水是對一環境污染最嚴重和對人類危害最大的工業廢水之一，其水質水量與生產工藝有關。廢水中的重金屬一般不能分解破壞，只能轉移其存在位置和轉變其物化形態。

湖北省環保研究所的沈曉鯉，李瑞璇等人［5］研究以鐵氧體為磁種，利用高梯度電磁分離處理含銅電鍍廢水、含氰鍍鎘廢水，相比傳統的化學法，加快了處理速度，提高了處理效率。

將化學方法和磁分離技術結合，處理含重金屬離子的廢水，研究證明，處理效果良好，低濃度的廢水經處理后能達到國家的排放標準，高濃度的廢水需進一步處理。

3.4 含磷廢水

王龍貴［6－8］在文章中提出“從粉煤灰中分選、回收磁種，加混凝劑以高梯度磁分離技術，分別用于含磷廢水和多種工業廢水處理的研究”，王龍貴以粉煤灰磁種替代γ－Fe2O3磁粉，對模擬含磷廢水進行高梯度磁分離除磷實驗。磷的去除率可達90%以上，COD 有機物都取得了較好的水質效果，且分離后的磁珠在非磁場中通過反沖水沖洗后可循環使用。

3.5 廉價磁種的開發

磁分離技術在水處理方面的研究和應用已經很多，也越來越受到更多學者的關注，并結合其它技術，研究磁分離的技術在水處理中的應用。

然而，從上述的研究中不難發現，磁種的選擇是磁分離技術應用于水處理中的一大難題，大部分研究所用的磁種都是價格昂貴的四氧化三鐵或者鐵氧體，少部分研究人員利用廢棄物中的磁性物質作為磁種。

開發新型廉價的磁種是磁分離技術廣泛應用的一大技術重點，上面已經提到了用粉煤灰作為新型磁種用于含磷廢水的處理，實驗證明處理效果不亞于四氧化三鐵和鐵氧體，而成本卻大大降低，所以開發新型廉價的磁種是未來的研究方向之一，下文列舉出目前在磁種方面的一些研究進展，并提出了鋼渣磁種的思路。

3.5.1 粉煤灰磁種

上節含磷廢水處理中，王龍貴已經提出了將粉煤灰中的磁珠回收作為磁種。

另外，趙愛武［9－10］采用“粉煤灰磁珠＋堿鋁＋HGMS”的方法對淮河水進行了凈化處理，同時和“磁鐵礦粉＋堿鋁＋HGMS”法進行了對比實驗。兩種方法對水中大腸桿菌和酚類的去除效果相當，前者對于COD 和色度的去除效果較好，而鐵的去除率稍低。該研究證明，粉煤灰磁珠可以較大程度上替代磁鐵礦粉用作磁分離用磁粉。

3.5.2 紅土磁種

鄭學海，劉東方，楊彥濤［11］開發出了“紅土”磁種做磁粉，該“紅土”取自于煉鋼廠排放的煙塵和氣溶膠凝聚物，對DZA 廢水、印染廢水、含油廢水、重金屬廢水等都進行了磁分離處理研究。在對DZA 廢水的處理中，磁種需要微量MgSO4（調節硬度）做添加劑、PAM 助凝。該方案對DZA 廢水的COD 去除率可達96%以上，同時還兼有工藝上的優勢：占地面積為沉降分離的1／3到1／5。“紅土”磁種的處理效果與商品磁粉相當，價格卻為常規磁粉的1／60到1／100，大幅降低了運行費用，提高了磁分離處理的應用性。

3.5.3 其他

宋明在論文［12］中曾采用軸承廠車磨軸承后廢棄的細粉來代替四氧化三鐵作為磁分離技術研究用磁種。

而專利《一種磁性生物載體及其制備方法》［13］中將一種骨料、鐵氧化物和還原劑混合，在低溫下還原焙燒制得磁性載體。

4 開發鋼渣磁種的可行性

上面是一些已經被研究的新型廉價磁種，而除了這些廢棄物，在冶金行業產生的鋼渣中，由于含有殘留的鐵元素含量達到15%～30%左右，目前鋼渣作為水泥的摻雜料，只能得到很少的利用，能否利用鋼渣的磁性質來開發新型磁種呢？

物質的磁導率表征了物質的磁性質，鋼渣中大部分是CaO·SiO2、2CaO·SiO2、Fe2O3等弱磁性的物質，但是磁性介質（氧化鐵、鐵）具有較高的磁導率。

有資料報道鐵酸鹽磁性比較強，并且硅酸鹽中普遍包裹微細粒的鐵酸鹽，因而包裹鐵酸鹽的硅酸鹽顆粒在弱磁選時容易磁選出。

鐵酸鹽的磁性強弱與Mg2＋、Ca2＋、Mn2＋取代Fe2＋的量有關；浮氏體（FeO）無磁性，硅酸鹽常含Fe、Ca、Mg等。

就精礦中主要物相組成來看，無磁性相應為硅酸鹽脈石和浮氏體，有磁性相為鐵酸鹽和金屬鐵。從鐵在硅酸鹽相的賦存狀態看，多數硅酸鹽脈石中普遍含鐵，同時硅酸鹽相內也普遍含有鐵酸鹽的析出物，從而導致硅酸鹽脈石具有磁性。［14］

鋼渣的成分和粉煤灰的相似，并且鋼渣中磁性物質含量比粉煤灰高，從已有的研究來看，利用冶金廢棄物鋼渣開發新型廉價的磁種，結合磁分離技術應用于水處理，是一個可行的方向。

5 結語

1）磁分離技術在污水處理方面研究有了很多成功的應用，主要有含油廢水、印染廢水、含重金屬離子廢水、含磷廢水等方面，相對于傳統污水處理，磁分離技術的效率高、設備體積小、結構簡單、占地少，成本低廉；

2）磁分離技術處理污水后磁種的回收是一大技術難點，且磁種的價格昂貴，不利于廣泛應用；

3）新型廉價磁種的開發是未來磁分離技術發展的一個重要研究方向，目前已有的研究中包含了粉煤灰磁種，紅土磁種等；

4）鋼渣的產量大，利用率低，但是其具有良好的磁性質，所以開發鋼渣磁種理論是可行的，這樣既可以大大降低磁分離技術處理污水的成本，又能充分利用大量堆砌的鋼渣，實現以廢治廢，一舉兩得。

［1］姚曄棟，錢學玲，李道堂等.高梯度磁分離法處理含油廢水［J］.上海交通大學學報，2003，Vol.37（11）：1791－1794.

［2］王利平，何又慶，范洪波等.磁絮凝分離法處理含油廢水的試驗［J］.環境工程，2007，Vol.25（3）：12－15.

［3］韓虹，陳文松，韋朝海.印染廢水處理的磁混凝－高梯度磁分離協同作用［J］.環境工程學報，2007，Vol.1（1）：64－67.

［4］陳文松，韋朝海.磁種混凝－高梯度磁分離技術的印染廢水處理［J］.水處理技術，2006，Vol.32（11）58－65.

［5］沈曉鯉，李瑞璇，倪正珊等.高磁分離技術在重金屬離子廢水處理中的應用［J］.環境科學叢刊，1983（7）：59－61.

［6］王龍貴.粉煤灰中磁珠的回收及用于含磷廢水的處理［J］.粉煤灰綜合利用，1999（1）：21－22.

［7］王龍貴.回收粉煤灰中磁珠處理含磷廢水［J］.煤炭科學技術，2003，Vol.31（1）：54－55.

［8］王龍貴.回收粉煤灰磁珠在廢水處理中的應用［J］.環境污染治理技術與設備，2004，Vol.5（3）：88－89.

［9］趙愛武.粉煤灰磁珠在水處理技術中的應用［J］.煤炭科學技術，1997，Vol.25（5）：35－37.

［10］趙愛武.粉煤灰磁珠在含磷廢水處理中的應用［J］.煤炭加工與綜合利用，1997（3）：51－53.

［11］鄭學海，劉東方，楊彥濤.廉價磁種及磁絮凝分離裝置的開發與應用［J］.中國給水排水，2000，Vol.11（16）：33－35.

［12］宋明.磁化與混凝組合工藝設備研究［D］.碩士.大連交通大學，2008.

［13］謝晶晶，陳天虎，謝巧勤等.一種磁性生物載體及其制備方法［P］.專利201110134950.X.2011－05－24.

［14］范永平，王申，王延丙.鋼渣中磁性礦物的賦存特性對分選效果的影響研究［J］.環境工程，2012，Vol.30（2）：82－84.