磁混凝沉淀处理技术是新兴的污水处理技术，该技术在常规絮凝剂与助凝剂中投加磁粉，利用磁粉密度大的特性，高效快速地沉淀絮凝团，实现固液分离，将污染物去除，从而达到处理污水的目的。磁混凝沉淀整套工艺占地相当于污水处理厂普通初沉池，能够节约土地资源，减少基建费用投入；同时其水力负荷高、药剂投加量少，有效减少污水处理成本，经济效益显著。因此，在城市污水处理、中水回用、河道水处理及高磷废水处理等领域受到广泛青睐，被认为是一种极具发展前景的污水处理技术。本研究拟利用磁混凝沉淀技术对南京应天大街忠字河微污染河水进行试验研究，探究磁混凝处理技术的最佳运行条件，确定适宜的工艺参数，并分析磁混凝的除污机理，为微污染河道水的治理提供技术参考。
1、材料与方法
1.1 试验水质
试验用水取自南京应天大街忠字河微污染河道水，原水水质指标如表1所示。
1.2 仪器和试剂
仪器：哈希分光光度计(DR3900)、哈希消解器(DRB200)、六联搅拌机(JJ-4)。
试剂：哈希COD、TP配套试剂、聚合氯化铝(PAC，28%，工业级)、聚丙烯酰胺(PAM，阳离子50%离子度，工业级)、磁粉(主要成分Fe3O4，黑色粉末，1#~5#磁粉特性见表2)。
1.3 试验方法
采用六联搅拌机进行磁混凝静态试验，取500mL微污染河水置于1L烧杯中，投加不同种类、不同剂量药剂(磁粉、PAC和PAM)，取上清液测定TP、COD和SS指标。根据各指标检测结果，分析磁粉种类、磁粉投加量、絮凝剂投加量、药剂投加顺序、沉淀时间等因素对磁混凝效果的影响，进而探究磁混凝的去除机理，并确定最佳工艺参数。
1.4 分析方法
TP采用钼锑抗分光光度法测定，COD采用消解法测定，SS采用重量法测定。
2、结果与讨论
2.1 不同磁粉对磁混凝效果影响
在PAC投加量为50mg/L，PAM投加量为1.0mg/L，磁粉投加量为60mg/L的条件下，首先投加不同磁粉快速搅拌(250r/min)2min，再投加PAC快速搅拌(250r/min)2min，最后投加PAM，先快速搅拌(250r/min)1min，再慢速搅拌(80r/min)10min，静沉5min后取上清液检测，探究不同磁粉对污染水中各污染物的去除效果，结果如图1所示。
由图1可知，4#磁粉对TP去除效果最佳，去除率可达70%，处理后水中TP质量浓度为0.37mg/L;同时，还具有较好的SS去除效果，去除率高达93.3%，处理后水中SS质量浓度仅为1mg/L。2#、4#磁粉对污水COD处理效果显著，去除率高达37%。
由于磁混凝过程中包含磁粉与污泥的分离阶段，因此在选择磁粉时，需同步考虑磁粉的磁性强弱以便后续污泥与磁粉分离。饱和磁感应强度与矫顽力是磁粉与污泥分离的重要参数。4#磁粉具有最优的饱和磁感应强度，2#磁粉具有较合理的矫顽力，对比分析，4#磁粉对污染物有较好的去除效果，在污泥分离阶段也具有较好的综合性能，因此，选择4#磁粉作为水处理研究对象。
2.2 磁粉投加量对磁混凝效果影响
在PAC投加量为50mg/L，磁粉投加量为60～300mg/L(以20mg/L为梯度逐级提高磁粉投加量)，PAM投加量为1mg/L的条件下，采用“磁粉+PAC+PAM”投加顺序，静沉5min取上清液测定水质。搅拌条件同2.1节，结果如图2所示。
由图2可知，随着磁粉投加量增加，SS去除率始终保持在90%左右，处理出水水质保持在1～2mg/L范围内。磁粉投加量逐渐增至100mg/L，TP去除率逐渐提升，并达到最大值82.9%，持续增加磁粉投加量，TP去除率开始下降，至60%左右逐渐趋于平稳。COD去除率随着磁粉投加量的增加整体呈逐步提高的趋势，当磁粉投加量为180mg/L时，去除率达到最大值为65%，处理出水COD的质量浓度约为7mg/L，COD去除率趋于稳定。
磁粉投加量对SS去除效果的影响较小，而对COD和TP的去除效果影响显著。COD去除率随着磁粉投加量的增加先快速上升后趋于稳定，主要是因为磁粉比表面积大，可产生物理吸附作用，将有机污染物吸附至磁粉表面，形成沉淀污泥去除，随着磁粉投加量达到饱和，多余的磁粉开始互相吸附团聚，快速沉降至底部，失去除COD功能;且参与吸附的磁粉互相团聚，导致磁粉有效吸附面积减少，使得COD去除率随磁粉投加量增加而减缓，最终趋于稳定。TP去除率随磁粉投加量的增加呈现出先增加后降低的趋势，主要是由于磁粉在溶液中带正电荷，而TP在水中是以有机磷与无机磷的形态存在，无机磷是以磷酸盐的结构存在并带负电荷，随着磁粉投加量的增多，吸附效果明显。当磁粉投加过量时，在PAC、PAM的吸附架桥作用下，磁粉结合污泥颗粒，形成大量小絮凝团，在搅拌作用下，进一步扩大复合絮凝团体积。污水中活性污泥表面带负电荷，随着絮凝团体积扩大，表面负电荷逐渐增强，对带负电荷的无机磷产生排斥作用越大，导致无机磷不易附着到絮凝团上沉淀去除。因此，出现磁粉投加过量时TP去除率下降的现象。最终，综合考虑投加量的经济性与处理效果，选用磁粉投加量为100mg/L。
2.3 PAC投加量对磁混凝效果的影响
控制磁粉与PAM的投加量分别为100mg/L和1.0mg/L，以“磁粉+PAC+PAM”的投药顺序进行试验，静沉完全后取上清液检测，并与未投加磁粉常规混凝处理效果对比，考察PAC投加量对污染物去除效果的影响，结果如图3所示。
由图3可知，当采用常规混凝时，随着PAC投加量的增加，SS的去除率一直保持在90%左右，TP去除率缓慢增加，最高去除率可达80%，COD去除率也随PAC投加量的增加逐渐提高，最高去除率为35.2%。当采用磁混凝处理污水时，SS的去除率稳定在92%以上，TP与COD的去除率呈现先增加后平稳的趋势，最高去除率分别为84.9%与40.7%。当PAC投加量超过60mg/L时，由于PAM的投加量固定，未能满足与PAC的配比絮凝，导致单一超量投加PAC，未能提高出水水质。
通过对比可知，磁混凝对污水SS、TP、COD的处理效果分别比常规混凝提高1%～3%、3%～5%、5%～14%，表明磁混凝工艺未能显著提高去除SS、TP。这是因为磁粉具有较大的比表面积与表面活性能，当吸附一定量未溶解游离态的有机物时，可降低其表面活性能，从而达到稳定状态，在不断吸附与磁性聚合时形成团状沉淀，与PAC、PAM在水中絮凝团可较好地结合，形成复合磁性絮凝团。因此，投加磁粉对COD的去除有显著提高，而污水中SS、TP去除主要是依靠PAC、PAM的絮凝作用，磁粉起到加速絮凝沉淀作用，其对提高去除SS、TP效果不明显。综合分析，当PAC投加量为60mg/L时，经济效益及出水水质均较好。
2.4 药剂投加顺序对磁混凝效果的影响
以60mg/LPAC、100mg/L4#磁粉、1.0mg/LPAM作为投加试剂，探究投加顺序对磁混凝效果的影响，得出最优的磁混凝投加顺序。分别采用4种投加方式，每组均静沉后取上清液测定，探究投药方式对磁混凝处理效果的影响，结果如表3所示。
由表3可知，第③种投加方式对磁混凝处理效果最佳，出水COD浓度明显优于其他试验组，TP处理效果略优于其他组，出水SS处理效果与②、④试验组相近。其中，第①种方式处理水的各项指标皆劣于投加磁粉处理水，且沉淀澄清时间最长。
当先投加磁粉时，磁粉具有比表面积大的特性，能在物理作用下吸附部分COD、TP，在一定范围内，随着磁粉投加量的增加，提高了对COD、TP的去除。再投加PAC，使磁粉聚集絮凝，最后投加PAM，快速、慢速搅拌相结合，通过有机高分子的架桥作用，使磁粉、悬浮物、絮凝剂结合成粒径大、密实的“磁性复合体”，快速沉降。
当后加入磁粉时，磁粉易于先结合PAC，从而失去吸附COD、TP的能力。因此，相比于其他投加方式，先投加磁粉可优先去除出一部分的COD、TP，再与絮凝剂反应去除COD、TP，形成双级处理，进一步提高出水水质效果。而未投加磁粉的水处理中，由于缺少磁粉吸附COD与TP，导致其去除效果不突出;同时，溶液中固体颗粒较少，导致团聚凝结核减少，使胶粒碰撞次数降低，不易形成较大的絮凝团，且处理水中残留部分胶体，最终使得SS去除效果劣于其他试验组，同时沉淀时间比投加磁粉处理要长15min。综合对比，应优先选用③药剂投加方式作为磁混凝处理方案。
2.5 沉淀时间对出水SS的影响
絮凝团沉淀时间对基建投资和出水水质有较大影响，以SS为标准对比探究磁混凝与常规混凝对絮凝团沉淀时间的影响。在PAC投加量为60mg/L，磁粉投加量为100mg/L，PAM投加量为1.0mg/L，采用“磁粉+PAC+PAM”投加顺序，每静沉5min取上清液检测水质，共30min。搅拌条件同2.1节，考察沉淀时间对SS去除效果的影响，结果如图4所示。
由图4可知，磁混凝处理水沉淀5min后，出水SS的质量浓度已经接近1mg/L，去除率在80%以上，处理效果趋于稳定，最终达0.8mg/L。而常规混凝出水在静沉5min后SS的质量浓度为3mg/L，当沉淀时间达20min时，SS去除效果趋于平稳，质量浓度为1.4mg/L，由此表明，磁混凝工艺不仅提高污水处理效果，而且能极大程度地缩短水力停留时间，可在短时间内分离水体所含悬浮颗粒，远超常规混凝效果。
这是因为投加磁粉与常规混凝剂相结合形成磁性复合体，增大絮凝团的密度，使絮凝团沉降速度加快，从而起到助沉效果。序批式运行时可极大限度地缩短沉淀时间，连续式运行时可以大大提高水力负荷，基建占地减小，节省土地资源。采用磁混凝处理污水改善了混凝絮体的沉淀性能，可用于对传统混凝沉淀设施进行扩容升级改造。同时，磁粉具有微磁性能，使含磁絮凝团互相紧密聚集，污泥层体积减少，污泥含水率大大降低，这对方便污泥处理具有非凡的意义。而排出污泥中所含磁粉可通过剪切机、磁分离机回收重复利用，降低磁粉损耗使得运行成本降低。因此，通过投加磁粉与絮凝剂进行磁混凝反应，使非磁性污染物附带磁性得到实现，且操作简便、效果稳定、运行成本低，适用于污水处理工程。
3、结论
(1)饱和磁感应强度和矫顽力的大小对磁粉与污泥分离有重要影响。4#磁粉具有最优的饱和磁感应强度，表现出较优异的综合性能。
(2)磁粉用量、絮凝剂用量与投药顺序对磁混凝处理的出水水质有影响。最佳处理方案是：采用“磁粉+PAC+PAM”投加顺序，当磁粉投加量为100mg/L，PAC投加量为60mg/L，PAM投加量为1.0mg/L时，对SS、TP、COD的去除率分别可达到94.6%、84.9%和40.7%。
(3)磁混凝工艺不仅能提高污水处理效果，而且能极大程度地缩短水力停留时间，将磁混凝技术与其他污水处理工艺相结合，改善了混凝絮体的沉淀性能，操作简便，效果稳定。(>
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