磁加載磁分離工藝處理地下水效果研究

譚鈺

（朝陽市環境監測站，遼寧朝陽 122000）

1 概述

磁加載磁分離方法主要是利用絮凝技術使非磁性雜質與磁種結合在一起，在沉降池中實現大部分雜質加速沉降，然后具有一定磁性的小部分雜質通過高梯度磁場進行分離，保證高精度過濾效果。處理系統主要由混合罐、澄清罐、磁鼓分離器、高梯度磁過濾器和藥劑投加裝置等設備組成。具體是在混合罐的來水中投放絮凝劑、助凝劑，破壞水中膠體顆粒的穩定狀態，通過膠體間以及和其他微粒間的相互碰撞和聚集，從而形成易于從水中分離的絮狀物質。這部分懸浮固體首先吸附在投放的磁鐵粉加載物上，在錐形底的澄清罐中通過重力作用從水中沉淀分離；然后經過磁過濾器，在外加磁場作用下，磁性介質表面產生高梯度磁場，捕集去除水中的懸浮固體顆粒；沉淀物通過磁鼓分離器將磁粉和污泥分離，磁粉回收到混合池再利用，分離后的污泥外運處理。

肇東一聯水質站投產于2004年，設計處理量500m/d，處理工藝為曝氣-錳砂除鐵-精濾兩級，出水指標為“3.2”標準。采用的地下水源處于貧水區域，目前地下水水質與投產初期相比，發生了較大變化，主要表現在鐵和懸浮物含量大幅增加，地下水中平均鐵含量由投產初期的6.8mg/L增加到現在的33.1mg/L，懸浮物由11.3mg/L增加到182.0mg/L。該處理工藝抗沖擊性差，來水進入處理裝置后，對濾料和過濾設備污染嚴重，濾料和濾芯沾有大量黃褐色垢質，加大反沖洗的水量和時間也無法將水垢去除；從而縮短了設備使用壽命，增加了生產運行成本和管理維護強度，影響了常規水質處理工藝的穩定運行。水質情況調查表1所示。

2 油田地下水處理相關技術

目前，油田地下水水質處理基本采用粗濾、精細過濾工藝，分離原理為孔隙截留過濾，此種過濾方式由于工藝特點決定，對需處理水質具有一定要求，在滿足條件下，處理效果較好，反之會影響穩定運行。從地下水特性看，其初始懸浮固體含量較低，處理難度較小，兩級或三級工藝處理后水質均可達到注入水質要求，技術相對成熟。對于含有較高懸浮雜質的地下水，一般采取多級過濾或混凝沉淀與過濾相結合方式，處理后水質雖然也可達到注入水質要求，但處理工藝較為復雜，現場應用管理點多。總體來看，油田現使用的過濾技術在地下水處理方面可以達到技術指標要求。但對于處理高懸浮雜質地下水時，應研究在技術經濟、生產管理方面均適合油田地下水處理技術。

從沉降過濾分離速度來看，能否實現高效率關鍵在于改變水中雜質的沉降分離特性。具有此特點的磁分離技術顯示了較好的效果，磁分離技術有分離效率高、分離速度快、占地面積小、抗沖擊性強等優點，以往應用在鋼鐵行業富含磁性污染物的廢水處理領域，技術較為成熟，近年來，在城市污水、湖泊水、油田采出水等非磁性或弱磁性污染物水處理方面也取得了一定的研究成果。磁分離技術主要有磁盤法、高梯度磁分離法。磁盤法是借助磁盤的磁力將水中的磁性懸浮顆粒吸著在緩慢轉動的磁盤上，隨著磁盤的轉動，將泥渣帶出水面，經刮泥板除去，盤面又進入水中，重新吸著水中的顆粒，如此周而復始，此技術不存在反洗，在刮泥方面尚需改進，出水精度有待提高。高梯度磁分離器以高飽和磁密不銹鋼聚磁鋼毛為介質，當水中的污染物對鋼毛的磁力作用大于其粘性阻力和重力作用時，污染物被截留在鋼毛介質上，在切斷磁路后，磁力消失，被鋼毛介質捕集到的污染物用水反沖洗下來，從而達到從水中去除污染物的目的。與盤式磁分離器相比，存在反洗，納污能力低，但分離效率高。在磁分離方式的選用上需要根據處理水質要求，選擇適合的磁分離技術。

表1 水質情況調查

表2 測試數據

3 試驗方法

3.1 室內實驗

（1）磁粉的篩選和用量確定。磁粉有國產和進口兩種。國產的磁粉四氧化三鐵的含量較進口的含量低，而且顆粒不均勻、含雜質多，在磁鼓的分離中效果差，消耗高，不宜磁過濾系統使用。而進口磁粉雖然價格略高，但顆粒均勻，磁鼓的分離效果好，消耗也比國產磁粉小，因此磁粉消耗而造成的運行成本并不比國產磁粉高。因而，磁過濾系統選用進口磁粉較為適宜。（2）絮凝劑加藥量的確定。絮凝劑為聚合氯化鋁，加藥范圍選擇在70、60、50、40、30、20ppm，絮凝劑分別以10ppm為一個濃度梯度進行用量調整，比較在各個加藥量下的出水濁度，（3）助凝劑加藥量的確定助凝劑為聚丙烯酰胺，加藥范圍選擇6、5、4、3、2、1ppm，助凝劑分別以1ppm為一個濃度梯度進行用量調整，比較在各個加藥量下的出水濁度，

3.2 現場試驗

根據初步確定的磁分離處理工藝和室內實驗結果，制作裝置并在肇東一聯水質站進行現場試驗。根據肇東一聯水質情況，考慮到地下水中二價鐵對水質的影響，試驗裝置進水為曝氣除鐵后的地下水，進出水水質：進水懸浮物固體含量≤500mg/L，出水懸浮物固體含量≤3.0mg/L、懸浮物粒徑中值≤2.0μm。在室內實驗數據基礎上，初步確定絮凝劑投加量為30mg/L，助凝劑投加量為2mg/L，磁粉量為4g/L。裝置工藝參數為：混合時間3分鐘、沉降時間5分鐘。另外，現場試驗對其他室內實驗不能確定的運行參數進行了確定，如磁分離器沖洗時間間隔、沖洗時間、磁性絮團循環量和污泥外排量等。磁過濾器反沖參數的確定：磁過濾器作為一種過濾設備，需要進行定時反沖以避免堵塞，以達到過濾目的。在處理其它領域高懸浮雜質水質時，懸浮固體含量約4000mg/L，為了實現過濾器不堵塞及快速回收磁粉，磁過濾器需要頻繁沖洗，通常1小時沖洗一次，每次沖洗時間15秒。由于肇東一聯水中懸浮物含量相對低，反沖時間確定延長為3小時，每次沖洗15秒。

4 試驗結果及討論

4.1 磁粉的篩選和用量確定

磁粉有國產和進口兩種。國產的磁粉四氧化三鐵的含量較進口的含量低，而且顆粒不均勻、含雜質多，在磁鼓的分離中效果差，消耗高，不宜磁過濾系統使用。而進口磁粉雖然價格略高，但顆粒均勻，磁鼓的分離效果好，消耗也比國產磁粉小，因此磁粉消耗而造成的運行成本并不比國產磁粉高。因而，磁過濾系統選用進口磁粉較為適宜。

磁粉的作用主要為加快絮凝團的沉淀速度。磁粉使用量主要是通過在不同磁粉使用量情況下，以絮凝團的沉淀速度來確定。實驗在3到8克/升的用量范圍進行測試沉降時間。測試數據如表2所示。

從表2中可以看出，磁粉量在3克/升時，沉淀速度最慢。4到5克/升時，速度變化不大，6克/升和8克/升時，沉淀速度有明顯提高。但磁粉量高，容易造成污泥管線堵塞和加速設備的磨損。考慮到沉淀池的停留時間5分鐘的工藝參數，4到5克/升磁粉量的沉降速度完全可以實現沉降目的，而又不堵塞污泥管線，延長設備使用壽命。為此選擇4克/升磁粉量為實際運行參數。

4.2 絮凝劑加藥量的確定

絮凝劑為聚合氯化鋁，加藥范圍選擇在70、60、50、40、30、20ppm，絮凝劑分別以10ppm為一個濃度梯度進行用量調整，比較在各個加藥量下的出水濁度，絮凝劑加藥量如表3所示。

通過實驗看出，絮凝劑加藥量在70到30ppm范圍內，出水濁度的變化不大，都在3.0.ONTU左右。而低于30ppm，出水濁度大幅提高。考慮到加藥成本，確定30ppm為絮凝劑最佳加藥量。

4.3 助凝劑加藥量的確定

助凝劑為聚丙烯酰胺，加藥范圍選擇6、5、4、3、2、1ppm，助凝劑分別以1ppm為一個濃度梯度進行用量調整，比較在各個加藥量下的出水濁度，助凝劑加藥量其結果如表4所示。

通過實驗看出，助凝劑加藥量在5到2ppm范圍內，出水濁度的變化不大，都在2.9NTU左右。而低于2ppm，或者高于5ppm，出水濁度大幅提高。考慮到加藥成本，確定2ppm為助凝劑最佳加藥量。

5 現場試驗情況

根據初步確定的磁分離處理工藝和室內實驗結果，制作裝置并在肇東一聯水質站進行現場試驗。根據肇東一聯水質情況，考慮到地下水中二價鐵對水質的影響，試驗裝置進水為曝氣除鐵后的地下水，進出水水質：進水懸浮物固體含量≤500mg/L，出水懸浮物固體含量≤3.0mg/L、懸浮物粒徑中值≤2.0μm。在室內實驗數據基礎上，初步確定絮凝劑投加量為30mg/L，助凝劑投加量為2mg/L，磁粉量為4g/L。裝置工藝參數為：混合時間3分鐘、沉降時間5分鐘。另外，現場試驗對其他室內實驗不能確定的運行參數進行了確定，如磁分離器沖洗時間間隔、沖洗時間、磁性絮團循環量和污泥外排量等。

表3 絮凝劑加藥量

表4 助凝劑加藥量

表5 水質化驗數據表

磁過濾器反沖參數的確定：磁過濾器作為一種過濾設備，需要進行定時反沖以避免堵塞，以達到過濾目的。在處理其它領域高懸浮雜質水質時，懸浮固體含量約4000mg/L，為了實現過濾器不堵塞及快速回收磁粉，磁過濾器需要頻繁沖洗，通常1小時沖洗一次，每次沖洗時間15秒。由于肇東一聯水中懸浮物含量相對低，反沖時間確定延長為3小時，每次沖洗15秒。

污泥外排量的確定：處理肇東一聯含鐵地下水，污泥外排量主要決定于懸浮物含量和含鐵量、加入的藥劑形成的絮凝劑的量，以及污泥的含水率。外排污泥量主要通過沉淀池的出水水質和沉淀池底部的污泥厚度來決定。借鑒其他領域經驗，確定污泥外排量為處理量的1%，實際運行中沉淀池出水水質良好、沉淀池污泥層界面清晰、高度穩定，而且，可以保證污泥管線的流速，不易造成堵塞。

磁性絮團循環量的確定：磁性絮團循環對絮凝速度和絮凝團大小可以起到一定的作用。理論上講，磁性絮團量越大越好，此時絮體碰撞幾率加大，絮凝速度快，絮體體積大，沉降速度快。但磁性絮團循環量過大，會造成混合池和沉淀池的額外負擔。在借鑒其他領域經驗的基礎上，經試驗，確定磁性絮團循環量為處理量的3%，實際運行中效果較好。過濾裝置工藝設備現場圖1所示，水質化驗數據表5所示，過濾裝置進出口水質變化曲線圖2所示，過濾裝置進出口水質處理圖3所示：

圖1 過濾裝置工藝設備現場圖

圖2 過濾裝置進出口水質變化曲線圖

圖3 過濾裝置進出口水質處理

由化驗數據可以看出，過濾裝置進水懸浮物固體含量平均值為115.8mg/L的情況下，出水水質為：懸浮物固體含量平均值為2.1mg/L；懸浮物粒徑中值平均值為1.6μm。出水水質較為穩定，達到了油田注水要求的“3.2”指標。

6 結語

（1）磁加載磁分離技術是處理高懸浮雜質地下水的一種有效手段，應用此工藝對地下水處理后，出水指標達到了低滲透油田注入水要求指標，與常規過濾工藝相比，可以簡化處理流程，具有占地面積小、運行成本低的優勢，較為適合油田注入水處理應用。（2）磁分離技術首次在大慶油田地下水處理中應用，現場試驗運行時間較短，其性能穩定性仍需觀察驗證，在技術上、經濟上進一步綜合評價。