基于光催化和磁混凝的廢水處理設備研究

應英豪，肖立金，施偉紅，陳嗣麟

（1.上海造幣有限公司，上海 201812；2.北京道成維優環境科技有限公司，北京 100101）

1 工藝流程及干擾因素分析

上海造幣有限公司一分廠廠區在日常生產運行中主要產生電鍍廢水和生活污水，廠區中主要有兩個廢水站，有機廢水站用于收集處理電鍍前處理工藝產生的廢水，包括滾字、沖床、拋光等工序產生的廢水；無機廢水站用于收集處理電鍍過程中產生的酸性廢水。 其中兩個廢水站的工藝流程分別如下：

1）有機廢水站：綜合調節池→化學反應及混凝反應池→沉淀池→pH 回調池→生物接觸氧化池→二沉池→中間水池1→無閥濾池→中間水池2→離子交換樹脂→清水池

2）無機廢水站：調節池→化學反應池→斜板沉淀池→中間水池1→多介質過濾器→pH 回調池→中間水池2→離子交換樹脂→清水池

磁分離技術：1）原理：磁性材料產生的磁場對水的偶極子有定向極化作用，同時產生磁吸附和磁過濾， 有效達到了對水中重金屬離子 （鎳）和COD 的去除。 2）干擾因素：①過濾流速：越小去除率越好；接觸時間越久，去除率越好；但流速小，反洗時間短，易堵塞，考察結果在濾速8～10m/h 之間，過濾性價比高；②磁性材料的分層，在傳統800 ～1200mm 的 濾 料 層 之 間， 考 慮2 ～3 層20mm 左右的磁性材料層，效果較好，直接設置一層40～60mm 的磁性材料層，效果一般；③鎳去除：進水鎳≤0.1ppm 以下，出水可以達到0.05ppm；超過，則有風險，適合做末端保障單元；④COD 去除：20%～30%之間，進水COD 濃度越高，反洗周期越短。

光催化+永磁生物載體技術相結合原理：①永磁生物載體對微生物附近的污染物有一定的礦化作用，有利于微生物對污染物的吸收，并且磁化能引起生物膜滲透性的增加，從而改善微生物對物質的吸收。 ②永磁生物載體對于微生物的篩選作用，能附著在永磁生物載體上的微生物已經是經過篩選的（磁場能直接作用于細菌細胞內的水和酶，使酶鈍化或失活），不僅直接改善生存特性，而且具有新的生物特性（降解特定的有機物）；③結合光源照射，能在永磁載體對生物篩選的基礎上培養優勢菌群。

干擾因素：①光強（選擇短波）；②照射時間、頻率（單次照射時間30min，對微生物的選擇性明顯，超過30min，大量微生物明顯死亡；頻次為1d4次，每次30min 為宜）；③溶解氧：（跟普通活性污泥法區別不大）；④水體pH（堿度）：跟普通活性污泥法區別不大；⑤磁化強度（每根填料上，磁性填料的占比）：以填料區域體積的3%～5%為宜，過高成本增加偏大，過低則磁生物載體效果不明顯。

2 廢水處理設備及技術分析

2.1 廢水來源及設備參數

實驗廢水來源：本實驗所取廢水為上海造幣一分廠有機廢水站內物化處理段的出水。

磁分離技術裝置： 進水提升泵， 磁力泵，Q=16L/min，H =30m，N =0.37kW，1 臺； 介 質 柱，DN100，L=1000mm，2 個，材質為亞克力；介質柱架， 配套1 套， 材質為不銹鋼； 石英砂濾料，2～4mm，1～2mm 級配，1 項，材質為天然海砂；磁性填料，1 項，材質為磁環+磁瓦；產水箱（反洗時用作反洗水箱）；500L1 個，材質為PE。

光催化+永磁生物載體：不銹鋼池體，0.6×0.6×0.8m，2 臺，材質為304 不銹鋼；進水提升泵，磁力泵，Q=10L/h，H=20m，N=0.37kW，2 臺；紫外燈管，長度0.5m，波長范圍174～365nm，10 只；風機，Q=200L/min，P=0.1MPa，N=0.37kW，2 個； 曝氣盤，1批；光催化填料，0.2m3，0.4m3；磁性材料，1 批；產水箱，500L，2 個，材質為PE；管道輔材及耗材，1 批。

2.2 技術分析[1～10]

磁分離技術：磁分離技術根據實驗的目的及進出水水質，結合公司工程經驗，提出如下處理工藝： 生化池出水中含有大量SS 和一些難降解的有機物，用提升泵泵入裝有石英砂濾料和磁性填料的過濾器內，磁性填料采用充磁后的永磁性材料，在過濾器內產生一定范圍的磁場，水流經過時，一方面，磁場對水的偶極子的定向極化作用，會使水結構如極性分子之間聯結形式發生變化，產生具有強氧化性的羥基自由基，將水中有機物氧化分解。 另一方面，廢水中溶解態的鹽分（包含磁性金屬離子）， 以及不溶解的懸浮物，也會因為受到磁場力的作用而進行定向移動，從而使這些污染物從廢水中去除。

1）將石英砂濾料和永磁性填料依次裝入兩個樹脂柱內，并固定在樹脂柱架上；

2）通過UPVC 管道將兩個樹脂柱按圖1 方式進行連通，可實現串聯和并聯兩個作用；

3）取生化池出水作為原水，經提升泵泵入磁分離柱中， 取濾速10m/h 時， 串聯情況下運行15min 后取樣，并聯情況下運行15min 后取樣；

4）分別檢測水樣中COD、SS、總鎳數據。

光催化+永磁生物載體技術：光催化+永磁生物載體技術根據實驗的目的及進出水水質，結合我公司工程經驗，提出如下處理工藝：取pH 回調池的出水作為中試試驗的原水，經泵提升進入光催化+永磁生物載體氧化池中，光催化+永磁生物載體氧化池中除設置光催化反應外，還會對池體進行外加磁場， 在光催化和磁場共同作用下，微生物的某些潛能被激發，能大大增加其降解有機物的能力和去除臭味的能力。

1）裝置到達現場后，進行設備與管道之間按照光催化+永磁生物載體池的運行流程依次進行連接；

2）先取生物接觸氧化池的水在裝置內進行曝氣， 對水中的生物菌種進行篩選并培養優勢菌種，俗稱掛膜。 此過程分三個階段進行：第一階段悶曝階段，一次性進滿水后開始對裝置進行曝氣（5d）；第二階段低流量運行階段，流速為5L/h，邊進水邊曝氣（7d）；第三階段設計流量為10 L/h（7 d）。 每天觀察池中填料的掛膜情況，并根據填料掛膜情況適時調整；

3）掛膜完成后開始進行連續試驗，每8h 取一次產水箱的水進行檢測。

磁分離技術、 光催化+永磁生物載體技術相結合：在分別研究完每項水處理技術后，將兩種技術相結合。 pH 回調池出水先經泵泵入光催化+永磁生物載體氧化池，經生化處理過后出水進入磁分離柱，經磁分離柱處理過后的水進入產水箱。

2.3 技術難點

1）磁性材料吸附水體中的極性分子、帶電離子，并通過反洗從水體中去除，同時可定向促進微生物生長的研究由來已久，但目前工程應用仍屬于極少數，大部分仍處在漫長的小試和中試階段，而且磁性材料種類繁多，價格差異較大。 針對上海造幣廠的廢水特性，如何選擇一種去除效果良好、穩定、經濟的磁性材料有待研究。

2）光催化技術在廢水處理中的應用是近年來的研究熱點， 但是目前同樣仍停留在實驗階段，尚無成功的工程案例，且不同波長段的紫外光對微生物的促進作用不盡相同，需通過多次實驗對比確定不同波長的光對微生物的影響和催進作用，進而找到一種經濟有效的方式，來有效降低本項目廢水中產生的COD。

3）在確定適宜的紫外光波長后，需定向培養優勢菌群，在培養菌群時如何較好地將光催化和磁性材料結合起來有待研究；在培養階段為微生物提供良好的生存環境，但培養好后的微生物耐沖擊性能仍需要研究；另本次定向培養的微生物是否可以直接應用到相同行業的廢水中有待研究。

3 結論

3.1 磁分離技術

預處理加藥的含鎳廢水，經過磁過濾，鎳離子穩定達到電鍍污染物最新排放標準的限制，鎳≤0.05ppm（優于標準的0.1ppm）,且COD 去除率達到20%～30%。當過濾流速越小，去除率越好；接觸時間越久，去除率越好；但流速小，反洗時間短，易堵塞，考察結果在濾速8～10m/h 之間，過濾性價比高；COD 的去除在20%～30%之間， 進水COD 濃度越高，反洗周期越短。

3.2 光催化+永磁生物載體技術相結合

進水COD 小于500ppm 的情況下，出水COD穩定小于50ppm，達到實驗預期。 照射時間、頻率（單次照射時間30min， 對微生物的選擇性明顯，超過30min， 大量微生物明顯死亡； 頻次為1d4次，每次30min 為宜）磁化強度（每根填料上，磁性填料的占比）：以填料區域體積的3%～5%為宜，過高成本增加偏大， 過低則磁生物載體效果不明顯。