磁介质混凝沉淀技术的现状及探索_吴震.pdf

净水技术 2023,42(2):23-38Water Purification Technology吴震,陈飞勇,刘汝鹏,等.磁介质混凝沉淀技术的现状及探索J.净水技术,2023,42(2):23-38.WU Z,CHEN F Y,LIU R P,et al.Current situation and exploration of magnetic medium coagulation and sedimentation technologyJ.Water Purifica-tion Technology,2023,42(2):23-38.磁介质混凝沉淀技术的现状及探索吴 震1,陈飞勇2,刘汝鹏2,卢永峰3,孙翠珍1,罗从伟1(1.山东建筑大学市政与环境工程学院,山东济南 250101;2.山东建筑大学资源与环境创新研究院,山东济南 250101;3.日照市沭锦矿业有限公司,山东日照 276800)摘 要 磁介质混凝沉淀技术因具有混凝效果好、污染物去除率高、污泥产量低、流程短等优点备受国内外学者的关注。文章简要介绍了磁介质混凝沉淀技术的工艺流程、优缺点,通过 MEDLVO 理论在微观层面解释了该技术的原理,总结了磁介质混凝沉淀技术混凝剂种类及投加量、磁介质性质及投加量、药剂投加顺序、处理时间及搅拌强度、pH 等工艺参数对混凝效果的影响及其优化。通过对比不同学者的研究结果发现,磁介质之间磁力的相互吸引作用也会促进絮体的聚集沉淀,磁介质混凝沉淀技术各工艺参数会因待处理水样的水质不同而异。同时,文章列举了磁介质混凝沉淀技术的工程应用实例,并展望了该技术可能的发展方向。关键词 污废水处理 磁介质混凝沉淀 MEDLVO 理论 磁性混凝剂 磁介质改进中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:1009-0177(2023)02-0023-16DOI:10.15890/ki.jsjs.2023.02.004收稿日期 2022-03-04基金项目 山东省引进顶尖人才“一事一议”项目:黄河流域(山东)水环境健康关键技术与高端装备研发作者简介 吴震,男,硕士,研究方向为重介质混凝沉淀技术去除氟化物,E-mail:2576551632 。通信作者 刘汝鹏,男,博士,教授,研究方向为市政工程,E-mail:13904 。Current Situation and Exploration of Magnetic Medium Coagulation and Sedimentation TechnologyWU Zhen1,CHEN Feiyong2,LIU Rupeng2,LU Yongfeng3,SUN Cuizhen1,LUO Congwei1(1.School of Municipal and Environmental Engineering,Shandong Jianzhu University,Jinan 250101,China;2.Resources and Environment Innovation Institute,Shandong Jianzhu University,Jinan 250101,China;3.Rizhao Shujin Mining Co.,Ltd.,Rizhao 276800,China)Abstract Magnetic media coagulation and sedimentation technology has attracted the attention of domestic and foreign scholars due to its advantages of good coagulation effect,high pollutant removal rate,low sludge output,and short process.The article briefly introduces the technological process,advantages and disadvantages,explaining the principle of this technology at the microscopic level through MEDLVO theory,summarizing the types and dosage of magnetic medium coagulation and sedimentation technology,the properties and dosage of magnetic medium,and the order of chemical dosage.The influence and optimization of processing time,stirring intensity,pH and other process parameters on the coagulation effect.By comparing the research results of different scholars,it is found that the magnetic attraction between the magnetic medium also promotes the aggregation and sedimentation of flocs,and the process parameters of the magnetic medium coagulation and sedimentation technology varies according to the quality of the water samples to be treated.At the same time,the paper lists the engineering application examples of the magnetic medium coagulation and sedimentation technology and prospects the possible development direction of this technology.Keywords wastewater treatment magnetic medium coagulation and sedimentation MEDLVO theory magnetic coagulant magne-tic medium improvement混凝是通过投加混凝剂和助凝剂,使水中的胶体及悬浮颗粒凝聚,形成较大的絮体,通过沉淀有效地去除水中细小悬浮物和胶体的过程1,其处理效果会影响后续处理。传统混凝工艺存在水力停留时间(HRT)长、池体占地面积大等缺点。若想得到更32高标准的出水,需要过量投加聚合氯化铝(PAC)、聚合硫酸铁(PFS)等药剂,一方面导致成本增加,另一方面碳排放量大幅上升、水中重金属离子浓度增高,与当前碳中和政策相悖,并影响人体健康。近年来,重介质混凝沉淀技术发展较快,根据重介质能否被磁铁吸引,将其划分为加砂混凝沉淀和磁介质混凝沉淀。加砂混凝沉淀技术是在混凝阶段投加非磁性重介质(如石英砂或海砂)、混凝剂和絮凝剂。重介质的加入加重了絮凝作用产生的絮凝物的重量,使其重力增大,加速沉淀,缩短反应时间,同时提高总磷(TP)、悬浮固体(SS)、化学需氧量(COD)去除效果。由于重介质的压缩作用,污泥含水率降低,重介质的回收又减少了污泥总量,方便污泥后续处理。但非磁性重介质回收率过低,且对设备磨损程度较大。磁介质混凝沉淀技术是通过向混合池中投加磁性重介质(如赤铁矿或 Fe3O4),促进絮凝的加速进行,并通过解絮机、磁介质分离机对沉淀污泥中的磁介质进行高效回收利用的一种技术。该技术凭借混凝效果好、沉降速度快、浑浊度去除效果好、占地面积小、可省略过滤池等优点广泛应用于水处理领域。相比于加砂混凝沉淀技术,该技术能够实现高达 99%的磁介质回收率2,提高了磁介质利用率,降低了成本。本文介绍了磁介质混凝沉淀技术发展历程、工艺流程及工作原理,对该技术的主要工艺参数进行优化研究。同时,通过实例分析该技术的应用现状,并展望其应用前景。1 磁介质混凝沉淀技术介绍1.1 发展历程1792 年,William Fullarton 申请了一项专利,其中描述了用磁铁分离铁矿物的磁分离技术3。早期磁分离技术的使用只能依赖于物质本身的磁性。1852 年,一家纽约公司使用磁分离技术将磁铁矿从磷灰石中分离出来,自此,磁分离技术被应用于分离金属铁和磁铁矿4。20 世纪 50 年代,高梯度磁分离系统引入磁分离技术,这意味着磁分离可以更普遍地应用于非强磁性颗粒物质的分离问题,为磁介质混凝沉淀技术的出现奠定基础5。20 世纪 60 年代,前苏联学者将磁介质投加到混凝池中,使污水中的部分非磁性杂质磁化,再利用高梯度磁分离技术回收磁介质,絮体的理化性质及出水水质均取得良好效果,是目前已知最早使用的磁介质混凝沉淀技术6。2000 年前后,磁介质混凝沉淀技术在国外已被大规模使用,然而该技术刚被引入我国7-9,在国内水处理工程方面得以应用,但是推广速度缓慢。近十年来,稀土永磁的使用使得磁介质回收这一技术难题取得突破性进展,目前磁介质回收率可高达99%以上,推动了磁介质混凝沉淀技术在国内污废水处理领域的广泛应用10。但是,磁介质混凝沉淀技术在地表水处理领域尚处于探索阶段。1.2 工艺流程该工艺由混凝、沉淀、磁介质回收和检测控制 4个单元组成11。进水首先进入 3 格设有不同转速机械搅拌的磁介质混凝池,依次投加混凝剂、磁介质、絮凝剂。磁介质混凝池出水进入沉淀池,其沉淀的磁介质污泥一部分回流至磁介质混凝池的第二格中;另一部分磁介质污泥通过解絮机进行处理,之后再通过磁分离器对磁介质进行回收再利用。磁介质混凝沉淀技术工艺流程如图 1 所示。图 1 磁介质混凝沉淀技术工艺流程图Fig.1 Process Diagram of Magnetic Medium Coagulation and Sedimentation1.3 作用原理及 MEDLVO 理论1.3.1 基本作用原理磁介质混凝沉淀技术与传统混凝沉淀技术相比,其作用机理除了双电层压缩、电中和、架桥、网捕卷扫外,磁介质之间磁力的相互吸引作用也会促进絮体的聚集沉淀。如图 2 所示,磁介质可能存在于絮体内部,还可能依附在絮体表面。当带有磁性的杂质颗粒或磁介质颗粒存在于一个磁介质颗粒的微磁场内时,两者之间会相互吸引。杂质颗粒或磁介质颗粒黏附的絮体也会随之聚集,42吴 震,陈飞勇,刘汝鹏,等.磁介质混凝沉淀技术的现状及探索Vol.42,No.2,2023图 2 混凝絮体产生后磁介质的位置示意图Fig.2 Sketch Map of the Magnetic Medium Position after Coagulation Flocs Formation使得形成的絮体体积更大、更紧密。另外,磁介质比重较大,能够大幅增加絮体所受重力,加快絮体的沉降,同时能够压实污泥,降低污泥含水率。此外,国内外学者对磁介质混凝沉淀技术的基本原理进行了探讨。陈啸等11采用磁介质混凝沉淀技术对某赤铁矿尾水进行处理,发现磁介质的加入使得形成的絮体更大、更紧凑,主要归因于磁介质强化了混凝剂对赤铁矿颗粒的吸附作用。陈文松等12通过试验证明磁介质混凝沉淀技术反应与传统混凝沉淀技术没有本质区别,磁介质的加入没有改变混凝剂的双电层压缩、吸附电中和、吸附架桥、网捕卷扫机理,只是形成的磁性絮团增强了污染物的磁性。Wu 等13在研究细粒煤泥的沉淀时发现磁介质混凝沉淀技术的主要作用机制是悬浮颗粒之间的磁性作用。这些学者的研究结果都说明磁介质混凝沉淀技术的作用机理存在磁力的相互吸引作用,这种作用能够促进絮体的凝聚沉淀。因此,磁介质混凝沉淀技术主要利用电荷吸附、物理吸附、杂