磁絮凝深度處理生活污水

段志輝，李 彥，李光柱，樊林棟，胡培源，李亞男

(1.太原理工大學環境科學與工程學院，太原 030024; 2.中核新能核工業工程有限責任公司，太原 030012)

我國水資源匱乏，且城市水污染嚴重[1]，節能高效地處理生活污水是水處理領域的一個重要課題。目前，常規生活污水工藝主要采用一級物理處理和二級生化處理[2]，然而傳統工藝的處理效果較差[3]。污水的深度處理是新興的水處理技術，也是污水廠提標改造的有效途徑[4]。

磁絮凝技術是一種典型的污水深度處理技術，因其處理成本低、沉降速度快、回收率高、出水水質好而在國內外廣泛應用[5]。磁絮凝是指在混凝劑存在的條件下，通過投加磁種與絮凝劑結合形成磁性絮凝體，利用自重或磁分離技術去除目標污染物的方法[6]。同時，磁種可回收重復利用，操作簡單，經濟適用。

本研究利用磁絮凝技術處理生活污水處理廠二沉池出水，采用單因素和正交實驗，通過對CODcr、SS、NH3-N和TP等指標的考察，確定了磁絮凝技術處理生活污水的最佳工藝參數，探索磁絮凝機理，以期為該技術在生活污水處理領域的廣泛應用提供參考。

1 實驗部分

1.1 原水與試劑

原水采自太原市某污水處理廠二沉池出水，該廠6月份二沉池出水水質指標為：pH為7.23～7.51；CODcr為20.1～58.4 mg/L；NH3-N為0.65～4.77 mg/L；TP為0.5～2.25 mg/L；SS為4.8～8 mg/L。可見，二沉池出水水質基本符合《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)的一級B標準。

試劑：磁粉Fe3O4(優級純，99%)聚合氯化鋁 PAC(分析純，含量以氯化鋁計不少于28%)；聚丙烯酰胺PAM(分析純，90%)；氫氧化鈉。

1.2 實驗方法

取二沉池出水1 L，采用六聯恒溫攪拌機來控制實驗的攪拌溫度、速度和時間。混凝實驗由以下三階段組成：第一階段為快速攪拌階段。向原水中分別依次加入PAC、磁粉、PAM后進行快速攪拌，溶液中首先加入PAC，此時分子粒徑小，碰撞絮凝概率低，需要大的轉速以加快絮凝。加入磁粉后，此時溶液中小分子的有機物已被PAC絮凝起來，粒徑變大，選擇中等轉速即可。相對應的，PAM是把小分子的絮凝物凝聚成大顆粒的絮凝物。此時溶液中均為大粒徑顆粒，選擇較小轉速即可。因此設定PAC、磁粉、PAM對應的攪拌速度為400、350、250 r/min，均攪拌1 min；第二階段為慢速攪拌絮凝階段。攪拌速度和時間為90 r/min和30 min[7]；第三階段為靜置沉淀階段。靜置沉淀時間為1 h。混凝實驗完成后，于液面以下2 cm處取上清液，分別測定上清液的化學需氧量(CODCr)、懸浮固體(SS)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)、污泥含水率等指標。根據以上工藝參數，研究磁絮凝的去除效果，即考察藥劑投加量、藥劑投加順序對出水指標去除率的影響及磁粉對絮體含水率的影響。最后通過正交試驗，確定磁絮凝技術處理生活污水二沉池出水的最佳工藝條件。

1.3 水質指標及分析方法

本實驗中測定的水質指標為：CODcr、SS、TP、NH3-N、pH，分別采用高溫消解-重鉻酸鉀法、重量法、鉬酸銨分光光度法、納氏試劑分光光度法和pH計法進行測定，具體測定方法見《水和廢水監測方法》(第四版)[8]。

2 結果與討論

2.1 磁粉對含水率的影響

混凝過程中，絮凝體含水率低時，更便于回收利用。加入磁粉進行混凝實驗后，磁粉和懸浮物所形成的絮體可作為磁種回收利用。

經測定，常規絮凝的絮凝體(混凝劑和懸浮物形成的絮體)和磁絮凝體的含水率分別為99.56%和56.90%。可見，磁絮凝的含水率比常規絮凝體的至少低43%，磁粉會大大降低絮凝體的含水率。這是因為加入磁粉后，水中懸浮物與磁粉親和[7]，從而產生吸附作用，使得孔隙水降低，形成的磁絮凝體緊密嚴實，因此含水率較低。

2.2 藥劑投加量對磁絮凝的影響

2.1.1 PAM投加量對磁絮凝效果的影響

為研究PAM投加量對出水指標去除率的影響，采用單因素實驗，在控制pH、溫度、PAC投加量和磁粉投加量的情況下，改變PAM投加量，以確定PAM的最佳投加量及其對磁絮凝的影響。查閱參考文獻，可知磁絮凝反應的最佳pH值為8[9]。反應各階段控制pH為8，溫度為20 ℃，PAC加入量為30 mg/L，磁粉投加量為100 mg/L，PAM的投加量分別為0、0.5、1.0、1.5、2.0 mg/L。

PAM投加量對COD、SS、TP、NH3-N的去除效果見圖1。可見，投加PAM對COD、SS、TP、NH3-N均有一定程度的去除效果。隨著PAM投加量的增加，COD、TP、SS的去除率先增加后降低，當PAM投量為1 mg/L時，達到最大。PAM具有長鏈結構，可通過吸附架橋和網捕卷掃作用[10]，使原本細小松散的磁絮凝體變得密實。PAM作為助凝劑，與磁粉結合使用可提高目標污染物的沉降性能[11]。但是，當PAM投加過量時，會因為膠體再穩而使出水指標的去除率降低[12]。因此，PAM最佳投加量可確定為1 mg/L。但是磁絮凝技術對于低濃度NH3-N的去除率較低，效果不顯著[13]。

圖1 PAM投加量對出水指標去除率的影響Fig.1 The impact of PAM dosage on removal rate of effluent index

2.1.2 PAC投加量對磁絮凝效果的影響

為研究PAC投加量對出水指標去除率的影響，采用單因素實驗，在控制pH、溫度、PAM投加量和磁粉投加量的情況下，改變PAC投加量，以確定PAC的最佳投加量及其對磁絮凝的影響。反應各階段控制pH為8，溫度為室溫(20 ℃)。PAM投加量為1.0 mg/L，磁粉投加量為100 mg/L，PAC的投加量分別為10、20、30、40、50 mg/L。

圖2是PAC投加量對COD、SS、TP、NH3-N的去除效果。可見，隨著PAC投加量的增加，COD、TP、NH3-N的去除率逐漸升高后降低，當PAC投量達到40 mg/L時，去除率達到最大。加入PAC后，多核羥基離子增多，促進了膠粒的吸附架橋作用[14]，使得去除率升高。而PAC投加過量時，多核羥基離子過多，會影響電中和效應，同時產生膠體保護和自身纏繞現象[15]，從而降低了磁絮凝效果。因此，PAC最佳投加量是40 mg/L。PAC投加量的改變對SS的去除率的影響不顯著，但去除效果很好，基本穩定在89%左右。

圖2 PAC投加量對出水指標去除率的影響Fig.2 The impact of PAC dosage on removal rate of effluent index

2.1.3 磁粉投加量對磁絮凝效果的影響

為研究磁粉投加量對出水指標去除率的影響，采用單因素實驗，在控制pH、溫度、PAC投加量和PAM投加量的情況下，改變磁粉投加量，以確定磁粉的最佳投加量及其對磁絮凝的影響。反應各階段控制pH為8，溫度為室溫(20 ℃)。PAM投加量為1.0 mg/L，PAC投加量為30 mg/L，磁粉的投加量分別為0、50、100、150、200 mg/L。

磁粉投加量對COD、SS、TP、NH3-N的去除效果見圖3。可見，投加磁粉對二沉池出水中COD和NH3-N的去除效果較好。隨著磁粉投加量的不斷增大，COD、NH3-N的去除率先增加后減小，在100 mg/L時去除率達到最大值。這歸因于以下三個原因：一是磁粉在水中會產生附加電位，即磁吸引力，從而在混凝過程中充當凝結核心[16]。二是磁性顆粒可降低水中污染物的負電荷，形成沉降速度較快的磁絮凝體[17]。三是磁性顆粒之間有適中的渦旋離心慣性力，有助于凝聚成含水率較低的較大磁絮凝體[18]。這與Lohwacharin[19]的研究結果一致，即磁粉和污染物的物理和表面電荷的相互作用改善了出水水質。然而磁粉投加量超過100 mg/L時，磁吸引力表現過強，從而會破壞磁絮凝體的穩定，且其沉降速度達到極限，導致去除率降低[20]。因此，磁粉最佳投加量為100 mg/L。磁粉投加量的改變對TP、SS去除率的影響均不顯著。

每次磁絮凝結束后，將磁粉和懸浮物所形成的絮體作為回收的磁種，可使之再次進入原系統作為磁種進行投加。因此磁粉可以重復回收使用[10]，環保且節約能源資源。

圖3 磁粉投加量對出水指標去除率的影響Fig.3 The impact of magnetic powder dosage on removal rate of effluent index

2.3 藥劑投加順序對磁絮凝效果的影響

為研究藥劑投加順序對出水指標去除率的影響，在控制pH、溫度、PAC投加量、PAM投加量和磁粉投加量的條件下，改變藥劑的投加順序，以確定最優的投加順序及其對磁絮凝的影響。反應各階段控制pH為8，溫度為室溫(20 ℃)，控制PAC(30 mg/L)、磁粉(100 mg/L)、PAM(1 mg/L)為最佳投加量，在混凝實驗的第一階段，改變藥劑投加順序如下：①PAC、磁粉、PAM；②PAC、PAM、磁粉；③磁粉、PAC、PAM；④PAC+磁粉、PAM。實驗確定最優藥劑投加順序及其對磁絮凝的影響。

圖4列出了4種藥劑投加順序對COD、SS、TP、NH3-N的去除效果。由圖4可知，在③的投加順序下各個指標的去除率相對來說最佳，即為磁粉+PAC+PAM。磁粉加入水中后，會形成磁吸引力來吸附水中的膠體或懸浮物，形成緊湊密實的磁絮凝體，從而使得出水指標去除率升高[21]。投加順序①②均是后加入磁粉，此時絮凝體已經形成，混凝接近尾聲，磁粉沒有時間參與反應，反而成為污染源影響出水水質[14]。投加順序④是同時加入PAC和磁粉，再加入PAM，其去除率較低的原因可能是PAC和磁粉同時存在，水中懸浮固體太多，導致粒子間的有效碰撞降低，很難形成磁凝結核心。

圖4 藥劑投加順序對出水指標去除率的影響Fig.4 The impact of dosing sequence on removal rate of effluent index

2.4 磁絮凝最佳工藝參數的確定

本實驗通過采用正交實驗來確定磁絮凝的最佳工藝條件，分析正交實驗結果，可得出影響磁絮凝的主次因素順序。同時根據單因素實驗結果，設計4因素3水平正交實驗，見表3。其中，藥劑投加順序為磁粉+PAC+PAM。

表1 正交實驗因素水平表Tab.1 Factor level table of orthogonal experiments

正交實驗分析結果見表4。采用綜合加權平均法來確定正交實驗的最佳方案，設定各檢測指標COD、NH3-N、SS、TP的權重分別為0.4、0.1、0.25、0.25，可得綜合評分OD[12]。對OD直觀分析可知，最佳實驗方案是A2B3C1D2，即磁絮凝最佳工藝參數是，磁粉投加量為100 mg/L，PAC投加量為40 mg/L，PAM投加量為0.5 mg/L，pH為8，藥劑投加順序為磁粉+PAC+PAM。在最佳條件下，COD、SS、TP的去除率分別達到89%、97%、74%，基本能達到一級A標準。

通過極差分析可得出各因素對磁絮凝影響程度的順序為：磁粉投加量> pH值>PAM投加量>PAC投加量。磁粉的投加量是影響磁絮凝的最主要因素，這說明磁粉的加入提高了生活污水的處理效果。次要影響因素是pH值，這是因為pH的改變會影響顆粒間的靜電斥力[16]，pH過低或過高時，靜電斥力較大，影響了磁絮凝體核心的形成，會降低絮凝效果。

表2 正交實驗結果Tab.2 The results of orthogonal experiments

3 結 語

本研究采集太原市某污水處理廠二沉池出水作為實驗用水，采用實驗室燒杯實驗，主要得出如下結論。

(1)磁絮凝技術的最佳工藝參數是pH為8，PAM、PAC、磁粉投加量分別為0.5、40、100 mg/L。最優藥劑投加順序為磁粉、PAC、PAM。在最佳條件下，COD、SS、TP的去除率分別達到89%、97%、74%。影響磁絮凝的主要因素是磁粉投加量，次要因素是pH值。

(2)相比于常規污水處理，磁絮凝深度處理生活污水投入成本低，磁絮凝體沉降速度快，磁粉重復回收利用率高，出水效果好。經過磁絮凝處理后COD、SS、TP、NH3-N的濃度可實現由一級B標準提高到為一級A標準，為該技術在我國污水處理廠廣泛應用提供理論依據。

(3)磁絮凝處理生活污水效果好的原因在于磁吸引力的形成、磁性顆粒之間的渦旋離心慣性力和磁粉改變水中污染物表面電荷的能力。