（模式识别与智能系统专业论文）磁加载混凝试验研究.pdf

摘要 摘要 本论文以某污水处理厂的曝气沉砂池出水为研究对象，采用磁加载混凝试验 的方式，研究磁粉投加前后其对污水的处理效果。 混凝试验的搅拌条件设为三个阶段，其中，快速搅拌阶段的主要作用是使 p a c 和污水充分混合，此时确定的p a c 的投药量为1 5 0 m g l ；在慢速搅拌阶段， 以磷的有效去除为主要目标；最后为p a m 投加阶段，此阶段以s s 和c o d 去除 率的提高为主要目标，p a m 投药量定为2 m g l ；在未投加磁粉时，三个阶段的 搅拌条件分别为3 0 0 r i m x6 0 s ，1 5 0 r i m x2 1 0 s 和1 0 0 r m x2 7 0 s ，相应的p 、c o d 和s s 的去除率分别为9 4 、7 8 和9 3 左右。本试验在投加磁粉以后重新确定 了适宜的搅拌条件，三个阶段的搅拌条件分别为3 0 0 r m 6 0 s ，2 0 0 r m x1 8 0 s 和 2 0 0 r m 2 1 0 s 。此时p 、c o d 和s s 的去除率分别在9 5 、8 0 和9 3 左右。 磁粉的单独投加对于污水p h 的影响几乎可以忽略，其对污水各指标的去除 效果也比较有限；在联合投加磁粉以后，通过对p 、c o d 、s s 去除率的比较， 把磁粉投加量定为0 5 9 l ；另外，磁粉的投加对于沉淀时间影响非常明显，在把 沉淀时间从2 0 m i n 缩短至1 0 r a i n 时依然可以保持较好的去除效果。 本论文还考察了单独投加磁粉对金属离子的去除效果，结果表明去除效果比 较有限。同时本论文还考察了硅藻精土联合投加磁粉以及p a c ( 1 5 0 r a g l ) + 磁粉 ( 0 5 9 l ) + p a m ( 2 m g l ) 联合投加对金属离子以及污水中p 、c o d 和s s 的去除效 果。研究结果表明，当硅藻精土投加量为6 0 0 m g l 时，各金属离子溶液的出水 都满足城镇污水处理厂污染物排放标准项目限值要求，且此时去除率基本都 达到了9 9 以上；p a c ( 1 5 0 r a g l ) + 磁粉( 0 5 9 l ) + p a m ( 2 m g l ) 的联合投加也可 以保证其出水水质满足城镇污水处理厂污染物排放标准项目限值要求。而对 p 、c o d 和s s 的去除效果，硅藻精土相比于p a c + 磁粉+ p a m 的联合投加方式， 其效果较差。 在生产规模试验中，本论文以某污水处理厂的磁分离应急工程为研究对象， 考察了该工艺在连续运行期间的进出水水质的变化情况，在设备稳定运行期间 c o d 、b o d 5 、s s 和t p 的出水平均浓度为1 2 6 5 m g l 、5 2 9 m g l 、2 2 2 m g l 和 0 3 9 m g l ，平均去除率分别为6 5 o 、6 7 5 、8 6 5 和9 1 5 。 关键词：p a c ；p a m ；磁粉；混凝 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e l d o e sr e s e a r c ho nt h eo u t p o u rw a t e rf r o ma e r a t e dg r i tc h a m b e rt o s t u d yt h ec h a n g e so ft h et r e a t m e n te f f e c tb e f o r ea n da f t e ra d d i n gt h em a g n e t i cp o w d e r t h ee x p e r i m e n ti sd o n eu s i n gt h em e t h o do fl o a d i n gt h em a g n e t i cp o w d e ri n t oc u p so f c o a g u l a t i o n c o a g u l a t i o nt e s ti sd i v i d e di n t ot h r e em a i ns t a g e s t h em a i nf u n c t i o no ft h ef i r s t p h a s ei s t oe n a b l et h ep a ca n ds e w a g ef u l l ym i x e d , t h ep a ca tt h i st i m ei s d e t e r m i n e dt h ed o s a g eo f15 0 r a g l ；t h es e c o n dp h a s eo fs l o wm i x i n gt a r g e tf o rt h e t h ee f f e c t i v er e m o v a lo fp ；t h el a s tp h a s eo fp a m ，i nt h i ss t a g et h es sa n dc o d r e m o v a lr a t et oi n c r e a s ea sa m a j o ro b j e c t i v e , p a md o s a g e 鹬2 m g l b e f o r ea d d i n g m a g n e t i cp o w d e r , t h em i x i n gc o n d i t i o n sa r e3 0 0 r m 6 0 s ，1 5 0 r i m 2 1 0 sa n dl o o r m x 2 7 0 s ，t h er e m o v a lr a t eo fp 、c o da n ds sa r e9 4 、7 8 a n d9 3 a f t e ra d d i n g m a g n e t i cp o w d e r , t h em i x i n gc o n d i t i o n sa r e3 0 0 r mx 6 0 s ，2 0 0 r mx18 0 sa n d2 0 0 r m x 2 1 0 s ，t h e r e m o v a lr a t eo f p 、c o da n ds sa l e9 5 、8 0 a n d9 3 t h ee f f e c tt op ho ft h er a ww a t e ra f t e ra d d i n gt h ep o w d e ro n l yi sa l m o s t n e g l i g i b l e , a n do t h e rp a r a m e t e r st h es a m e w h i l ea d d i n gt h em a g n e t i cp o w d e ri nt h e j o i n t ，t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no f p 、c o da n ds s ，t od e c i d et h ed o s a g eo f t h ep o w d e r 0 5 9 l t h ee f f e c to ft h ep o w d e rt ot h es e d i m e n t a t i o nt i m ei s0 b v i o n s a f t e rr e d u c i n g t h et i m ef r o m2 0m i n u t e st o10m i n u t e s ，i tc 趾s t i l lm a i n t a i nag o o dr e m o v a l e f f i c i e n c ya sb e f o r e t h i sp a p e ra l s od o e ss o m er e s e a r c ho nt h er e m o v a le f f e c to fm e t a li o n sw h e n a d d i n gt h ep o w d e ro n l ya n dt h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ee f f e c ti sn e g l i g i b l e a tt h e s a m et i m e ，t h i sp a p e rd o e ss o m er e s e a r c ho nt h er e m o v a le f f e c to fm e t a li o n sa n dp 、 c o da n ds sw h e na d d i n gp o w d e rw i t l ld i a t o m i t ea n dw i t hp a c + p a m t h er e s u l e i n d i c a t e st h a tw h e nt h ed o s a g eo fd i a t o m i t ei su pt o6 0 0 m g l ，a l lt h em e t a li o n sa r e s u i tf o rt h en o r mo fu r b a ns e w a g et r e a t m e n tp l a n tp o l l u t a n te m i s s i o ns t a n d a r d s ，a n d t h er e m o v a lr a t ei s u p t o9 9 ；p a c ( 1 5 0 m g l ) + m a g n e t i cp o w d e r ( 0 5 9 l ) + p a m ( 2 m g l ) c a na l s op r o m i s et h ew a t e rq u a l i t ys u i t i n gf o rt h eu r b a ns e w a g e t r e a t m e n tp l a n tp o l l u t a n te m i s s i o ns t a n d a r d s h o w e v e rc o m p a r i s i n gw i mp a c ( 15 0 m g l ) + m a g n e t i cp o w d e r ( o 5 9 l ) + p a m ( 2 m g l ) ，t h ed i a t o m i t eh a sal o w e r r e m o v a lr a t ew i t hp 、c o da n ds s w h e nc o m e st ot h ep a r c t i c a le n g i n e e r i n gt e s t ，t h i sp a p e rd o e ss o m er e s e a r c ho n m a g n e t i cs e p a r a t i o no fe m e r g e n c yw o r k so fs o m es e w a g ep l a n t ，s t u d yo nt h eq u a l i t y o ft h er a ww a t e ri na n do u td u r i n gt h ec o n t i n u o u sp r o c e s s ，a n dt h er e s u l to ft h e a v e r a g ec o n c e n t r a t i o no f w a t e ro fc o d 、b e d 5 、s sa n dt pa l e1 2 6 5 m g l 、5 2 9 m g l 、 北京t 业大学t 学硕士学位论文 2 2 2 m g la n do 3 9 m g l ，t h ea v e r a g eo ft h er e m o v a lr a t ea r e6 5 o 、6 7 5 、8 6 5 a n d9 1 5 k e yw o r d s ：p a c ，p a m ，m a g n e t i c p a r t i c l e s ，c o a g u l a t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：z 垦丛盘日期：塑望：鱼：星 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 年 日期：塑望： 芝 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 城市污水强化一级处理工艺探源 随着工业化进程和城市化水平的不断提高，水资源的过度开发和污染物质的 大量排放，导致了全球水资源的严重缺乏和水环境的不断恶化。水污染问题成为 当今世界面临的主要环境问题之一【1 1 。 我国人均水资源占有量仅为2 4 0 0 m 3 ，只有世界人均占有量的1 4 ，属于世界 十二个贫水国之一【2 】。而这些有限的水资源正遭受着来自绝大多数未经处理的城 市污水的污染。据统计【2 】，我国1 9 9 0 年全国污水排放量为3 5 4 亿吨，1 9 9 9 年为 4 0 1 亿吨，到2 0 0 4 年达4 8 2 4 亿吨，平均年增长率为1 4 ，其中2 0 0 4 年生活污 水排放量达2 6 1 3 亿吨，超过了工业污水2 2 1 1 亿吨的排放量，成为水污染的主 要来源。大量废水未经处理就直接排入天然水体，造成了城市附近水体的严重污 染。在七大水系的4 1 2 个水质监测断面中，4 1 8 的城市河段为i 至i 类水质， 其余的5 8 2 全部为至v 类水质。据估计，我国每年因水污染所造成的经济损 失达4 0 0 亿元。水环境的污染，严重地影响了人民的身体健康和生活水平的提高， 限制了工农业及城市的可持续发展。 而由于经济能力不足，对污水处理设施的投入滞后，我国目前的城市污水处 理率又相对较低。2 0 0 4 年，全国4 7 个环保重点城市的污水处理率仅为4 5 6 ， 其他城市的污水处理率更低【2 】。因此，提高城市污水处理率已经刻不容缓。 我国国家环境保护“十五”计划中提出【3 】，城市环境保护需新增污水集中 处理能力1 5 0 0 万讹，5 0 万人口城市都要建设污水处理厂，国家建设部、国家环 保总局、科技部2 0 0 0 年5 月发布的城市污水处理及污染防治技术政策中规 定，到2 0 1 0 年，全国设市城市和建制镇的污水平均处理率不低于5 0 ，设市城 市的污水处理率不低于6 0 ，重点城市污水处理率不低于7 0 【4 1 。而我国目前的 污水处理现状与这一要求还有很大差距。因此，兴建污水处理厂、提高城市污水 的处理率已成为当务之急。 但是我国中小城镇多，分布面广，污水排放量很大( 约占城市污水总量的 7 0 ) ，资金短缺，污水处理任务十分艰斟5 1 。如果按城市污水二级处理工艺考虑， 不但要投入巨额基建费用，而且即使建成投产，届时高昂的运行费用也会使污水 厂难以维持正常的运行。以一座2 0 万人口的中小城市为例，每天排放生活污水 量约为4 万t ，若兴建一座传统活性污泥法二级处理厂，其建设费用近亿元，其 北京t 业大学t 学硕十学位论文 中还不包括兴建和完善城市下水道设施的费用；每年的运行电耗为3 8 4 万度，仅 电费就高达2 3 2 万元，再加上药剂费、人工费等，每年的运行费用至少高达3 5 0 万元左右【6 】。按照现有的经济发展水平，如此高昂的污水处理建设和运行费用显 然是这些中小城市所无法承受的。此外，中低浓度和超低浓度的城市污水在我国 南方城市中大量存在【_ 7 】( 见表1 1 ) ，这种低浓度的城市污水只需经一级或强化一 级处理即可达标排放，而在我国已建成的污水处理厂中，大多数为二级污水处理 厂，用二级污水处理厂来处理低浓度城市污水，不仅不能充分地发挥投资效益， 而且还会因为二级处理构筑物中细菌养料不足，造成处理效果无法保证的问题。 由于处理工艺不能按设计水质运行，还使得污水处理厂运行和管理困难，而能耗 和运行费用并未减少。实际上，我国约有1 3 的已建二级污水处理厂由于能耗大、 运行费用高而不能正常运行，从而限制了污水处理率的提高【s 】。 表1 1 南方部分城市污水处理厂实际运行水质现状 t a b l el 一1t h ew a t e rq u a l i t yo f s e w a g ew a t e rt r e a t m e n tp l a n ti ns o u t h e r np a r to f c h i n a 污水处理厂名称 年实际运行平均值设计值统计年份 b o d s ( m g l )s s ( m g l )b o d s ( m g l )s s ( m g l ) 武汉水质净化厂 6 0 8 01 5 0 2 0 01 9 9 7 广州大坦沙污水厂 7 51 0 02 0 02 5 01 9 9 4 珠海香洲水质净化厂5 4 42 1 51 0 01 5 01 9 9 4 珠海吉大水质净化厂 6 7 9 91 3 01 8 02 5 01 9 9 6 桂林北冲污水厂3 46 l1 5 02 0 01 9 9 7 桂林第四污水厂 7 09 91 5 02 0 01 9 9 7 长沙第一污水厂6 0 41 6 5 11 5 02 0 01 9 9 6 昆明第一污水处理厂 6 4 0 l5 5 1 31 8 02 0 01 9 9 5 所以，一方面由于我国不少经济欠发达地区和中小城市由于资金短缺，无力 修建污水处理厂，难以对水环境污染进行控制，另一方面，我国不少二级污水处 理厂实际运行水质远小于设计水质，且由于能耗大、运行费用高而不能正常运行， 鉴于这样的现状，不少排水工作者提出污水厂建设分期分批实施的方案，近期内 大力发展并普及投资少、运行费用低、操作简单的一级处理或强化一级处理，以 较小的投资获得较大的环境效益，当条件具备时再实施二级处理【9 】。这一分阶段 实施方案对于我国这样经济尚不发达、环境污染又较严重的国家来说，具有十分 重要的现实意义。例如化学强化一级处理法( c h e m i c a l l ye n h a n c e d p r i m a r y t r e a t m e n t ，简称c e p t ) 是近1 0 年来开发的污水处理工艺。该方法能有效 地处理污水，产生的污泥量较少，污水经一定处理后可用作非饮用水。此法不仅 第1 章绪论 在水资源保持方面起着较大的作用，还能提高s s 、b o d 的去除率，通过沉降去 除大量磷及寄生虫，而且由于快速沉降进一步提高了处理能力【1 0 1 。很多研究表明， c e p t 工艺用途广泛，尤其适合于发展中国家快速发展的城市。 因此，强化一级处理技术近年来已成为国内外研究的热点，引起了水处理工 程界的关注和重视。 1 2 城市污水强化一级处理工艺的研究进展及国内外发展动态 城市污水强化一级处理工艺共分为物化法强化一级处理工艺，生物法强化一 级处理工艺，改善反应器性能强化一级处理工艺和其他强化一级处理工艺【1 1 1 。 1 2 1 物化法强化一级处理 化学絮凝工艺用于污水处理始于1 9 世纪后期，但由于污水量大，投加絮凝 剂运行费用昂贵，不久即被生物处理所取代。近年来，随着新型、高效、廉价絮 凝剂的不断出现，化学絮凝工艺又重新得到了重视【1 2 1 。通过投加絮凝剂，强化对 城市污水中磷和固体的去除效果，即为物化法强化一级处理工艺。 o 化匙泥 化学法的优点是设备简单，维护操作易于掌握，处理效果好，耐冲击负荷能 力较强，间歇或连续运行均可；缺点是对氨的作用不明显，低温时出水水质下降， 沉渣量大，且脱水较难。近年来，由于新型、高效、廉价的絮凝剂的不断出现， 在污水处理中有广泛的前景。 化学法对污水除磷有很好的效果，而且出水比较稳定，受季节温度影响变化 不大。其除磷效率高于生物除磷，一般情况下，出水1 1 p 浓度可满足l m g l 的排 放要求。但是较之生物二级处理工艺，化学法除磷所需的药剂费用加上化学污泥 处置和其它费用很大，所需的经营成本将会很高。 投加化学絮凝剂是物化法强化一级处理工艺的固有特点，它对悬浮固体、胶 北京t 业大学t 学硕七学位论文 体物质、非溶解性有机物和磷的去除有明显效果，但对溶解性有机物去除率低【1 2 1 。 在生物处理单元前的化学强化一级处理，能有效降低后继生物处理的负荷和电 耗，从而节省用地和造价，近期投资环境效益较好。但是由于城市污水量大，投 0 1 絮凝剂成本昂贵，运行费用较高，而且化学药剂的投加会增大污泥产量和污泥 的处置难度，易造成二次污染，因此化学强化方法多用于处理低浓度城市污水。 1 2 2 生物法强化一级处理 利用微生物的絮凝吸附作用强化一级处理，与二级生物处理的本质区别在于 二级生物处理主要利用生物氧化作用，将有机物矿化；而生物法强化一级处理则 主要利用微生物的絮凝吸附作用快速去除污染物质，同时伴有少量的生物氧化。 这就决定了它必然要比二级生物处理产生更多的污泥，但由于不投加任何药剂， 其产泥量比物化处理产泥量岁1 3 】。 二级生物处理也利用生物絮凝吸附作用，在曝气池中形成絮体，并在二沉池 中实现固液分离。为了维持絮体悬浮和满足供氧的要求，曝气池中水流的速度梯 度g 般在1 0 0 2 0 0 s 1 左右，而絮凝反应的最佳g 值应在l o - l o o s 。1 【1 4 】。过度 强烈地混合，使得生物絮体的破碎过程远强于絮体的形成过程，难于沉降的细碎 颗粒数目增加，固液分离效果不好【1 4 1 。因而，二级生物处理没有提供合适的絮凝 条件。将一级处理中沉淀污泥回流，活化后与进水充分混合，经絮凝吸附反应后， 大量污染物质被絮凝吸附而进入污泥絮体，出水进入沉淀池，实现固液分离。较 大粒径的回流污泥颗粒能够增加絮体的沉降速度，同时，污泥中生物絮体的絮凝 吸附作用能够较大程度的提高污染物的去除效率，起到强化一级处理的效果。 污三一 出水 剩余污泥 图1 2 生物絮凝吸附强化一级处理的主要工艺流程为 f i g1 - 2e n h a n c e dp r i m a r yt r e a t m e n t 眦e s sb yb i o f l o c c u l a t i o na d s o r p t i o n 生物絮体不仅具有一般大颗粒的强化沉淀效果，还有生物絮凝吸附作用。其 去除机理既有污染物质的物理吸附、化学吸附和生物吸附吸收作用，又有吸附架 桥、沉淀物网捕等絮凝作用，作用非常复杂【1 6 】。 1 2 3 改善反应器性能强化一级处理 近年来，对沉淀池的技术理论没有大的突破，其主要发展是机械化和自动化 第1 章绪论 程度的提高，同时也有一些局部的技术革新。 如法国人研究一种l ed e n s e d e g 新型高效澄清池，利用斜板沉降，通过直接脱 水使污泥浓缩，沉降速度可达2 0 - - - - 4 0 m h ，出水水质好，已在城市污水沉淀中有 所应用f 1 7 】。j c o m a 掣1 8 】( 1 9 9 1 ) 利用细砂填料流化床强化一级沉淀，停留时间1 5 分钟即可去除6 0 的s s 。若投7 ) 1 8 0 m g l 的f e c l 3 絮凝剂，s s 的去除率可以提高到 9 5 。波兰的j k u r b i e l 等【1 9 1 ( 1 9 9 1 ) 研究了管式絮凝器的应用，以之代替传统的 絮凝池和搅拌装置，利用管中的涡流保证适宜的混合条件，絮凝时间5 0 1 0 0 s ， 比传统絮凝时间短得多，絮凝效果也很好，工程投资和运行费用得以有效降低。 1 2 4 其它强化一级处理 郑兴灿等 2 0 l ( 2 0 0 0 ) 在化学絮凝沉淀处理技术和生物絮凝吸附处理技术集成 研究的基础上，提出了化学一生物联合絮凝的污水强化一级处理工艺；我国哈尔 滨市马家沟采用当地电厂的废物粉煤灰处理城市污水，能够去除c o d c r 3 0 一- - 4 0 ，色度9 0 - - 9 8 ，重金属3 0 - - 一8 0 。其基建投资和运行费用分别约为二 级污水处理厂的l 3 和1 5 2 1 1 。还有以粘土、膨润土、沸石、泥炭、松树皮、木 屑、磁化处理等强化一级处理的研究，均取得了较好的处理效果，但也存在一定 的局限性。 美国有人以粘土、聚炳烯酸和铝共同作用，三种物质的投加量分别为 6 5 0 m g l 、1 m l 和1 5 m g l ，沉淀时间3 0 m i n ，b o d 去除8 2 ，s s 去除8 5 ， t p 去除9 0 ，t n 去除4 5 ，产生的污泥含粘土7 0 ，污水固体2 0 ，铝化合 物1 0 ，污泥易于脱水而成为含水率6 0 左右的建材原料，用于生产一种轻质粒 料l w a 。 比利时的l e n sp n 等【2 5 】( 1 9 9 4 ) 以泥炭、松树皮、木屑等多孔物质做成渗滤 柱处理生活污水，结果泥炭滤柱能去除9 1 左右的s s 、5 0 左右的c o d 、9 9 的b o d 5 、9 3 的n h 4 + - n 和3 8 的t n ，但出水p h 较低，为4 5 ；松树皮滤柱则 能去除7 2 的s s 、6 3 的c o d 、9 7 的b o d 5 、6 4 的n h 4 + n 和3 5 的t n ， 出水p h 中性；而木屑滤柱的去除能力较低，达不到应用要求。 此外，对城市污水进行磁化处理的试验研究，可以使c o d 、b o d 5 等降低4 0 左右【2 6 1 。 h h o w a r d 等【2 2 】( 1 9 9 1 ) 以高岭土、蒙脱土、埃洛石、膨润土、发光沸石、 八面沸石、硅质岩和人造沸石处理城市污水，发现膨润土和硅质岩对有机碳的去 除率最高，但除浊效果都不好。 总之，不论是发达国家还是发展中国家，对城市污水强化一级处理工艺的研 究都十分重视，并取得了一定的成果，但多数研究还不完善，工艺技术很不成熟。 北京t 业大学t 学硕七学位论文 1 3 城市污水强化一级处理工艺的发展趋势分析 环境污染的加剧和经济发展的水平决定了在相当长的一段时间内，一级处理 应该是我国中、小城市污水处理的重要方式。强化一级处理，提高污染物的去除 率，也将是污水处理的重要研究内容之一。 虽然生物絮凝吸附不必投加任何外部药剂，污泥产量相对较少，但在对其运 行机理、影响因素、控制参数等也缺乏系统深入的研究，特别是对厌氧生物絮凝 吸附研究更少的情况下，从某种程度上说，它仍然属于二级生物处理法的范畴， 不但投资较大，运行费也较高，效果也不及二级处理和化学絮凝法稳定可靠。考 虑到一级处理h r t 短，s s 浓度大，而厌氧微生物代谢期较长，能否经受长期运 行特别是在冬季低温条件下的考验还有待证实。因而，应进一步研究生物絮凝吸 附的机理，探索适宜的处理工艺和运行参数，为工程应用提供坚实的理论和技术 基础。 化学絮凝法不但运行稳定可靠，而且具有很强的除磷能力，在城市污水一级 强化处理技术中具有较强的生命力。其中无机絮凝剂因其投药量大、产泥量多、 运行费用高而缺乏竞争力，有机絮凝剂和微生物絮凝剂投加量一般较少，但由于 产品价格较高，大量应用仍有一定困难。但若将各种絮凝剂复配使用则可以发挥 协同作用，达到较好的处理效果【2 3 1 。因此，优选廉价、高效絮凝剂或复合絮凝剂 应是目前最迫切的任务。目前强化一级处理技术研究的主要方向有： ( 1 ) 优选廉价、高效的絮凝剂，尤其是有机絮凝剂和微生物絮凝剂； ( 2 ) 无机絮凝剂与有机絮凝剂的复配使用及其优化； ( 3 ) 回流部分活性污泥至絮凝池的生物絮凝吸附强化一级处理； ( 4 ) 化学生物联合絮凝强化一级处理； ( 5 ) 如何改善絮凝剂与废水的混合方式及状态，提高絮凝效率； ( 6 ) 化学法强化一级处理与一级出水过滤或与生物膜联合使用的处理效率； 其中，在强化一级水处理技术中，磁技术以其高效性，节能性和省地性的优 势，目前已成为国内外水处理领域的研究热点。 1 3 1 磁分离技术简介 磁技术从上世纪7 0 一8 0 年代被国内外专家学者开始研究以来，在电镀废水、 含酚废水、湖水、食品发酵废水、含油废水、钢铁废水和厨房污水处理方面取得 相当的成果，对于重金属、油类、极细悬浮物，特别是病原微生物、细菌、藻类 去除有相当好的效果，有的已应用于实际废水处理【2 7 1 。经过2 0 多年的发展，磁 技术已囊括磁分离、磁回收、磁生物等多个技术分支。磁技术的处理对象已从处 第1 章绪论 理磁性污染物废水扩大到处理非磁性污染物废水，并逐步扩展到水环境污染治理 的各个领域，形成了较完整的工艺技术及磁技术理论体系。磁场的引入使混凝工 艺的分离速度较常用的斜管沉降法提高l o 一5 0 倍，可极大地提高污水处理效能 并大大减少占地面积，易于实现自动化控制及移动式设备，在给排水及废水处理 等领域均有诱人的发展前途【2 引。 磁分离污水处理技术是利用外加磁加载物的作用增强絮凝以达到高效沉降 和过滤的目的，其原理是向污水中投加少量混凝剂、磁种等与污染物絮凝结合成 一体，然后通过高效沉淀和磁过滤将水中的污染物去除，磁种通过磁鼓分离器回 收循环使用。磁过滤基本工作原理是在外加磁场下，磁性介质表面产生高梯度 磁场，捕集经过它的磁性颗划2 9 1 。 1 3 2 磁分离技术特点 1 3 2 1 高效性 众所周知，环保方面的一个技术难题，就是如何缩短污水处理过程中生化反 应池中的停留曝气时间，以提高污水处理速度。解决方法之一是寻找活性污泥中 更合适的微生物；另外一种方法，则是在污泥中加入一种酶，以加快反应速度， 酶在生化反应中起到相当于化学反应中催化剂的作用，本身不会减少。但从生物 制品、污泥中回收酶却是一个难题。磁分离技术在此又可派上用场；利用酶和污 泥的磁化率的差异，用高梯度磁分离器可将之分离【3 。另外，一定强度的磁场可 以对一些微生物起到促进生长和繁殖的作用，从而使污泥中的微生物增大反应速 度，加快污水的处理。另外还有一种磁分离方法，就是在水中加入强磁性磁粉， 利用磁粉吸附水中的有害物质，然后通过磁分离器将它们吸住后清除。为了提高 吸附效率，还可以加入氢氧化铝等絮凝剂，利用这种分离方法，可以分离出污水 尤其是工业废水中的细菌、病毒、合成洗涤剂及重金属( 如水银、铅、铬等) 有 害物质】。尤其是对生物危害最大又极难去除的重金属，用生物法无法处理，而 且对微生物还有毒害作用；用化学法又极难去除干净( 极微量的重金属对生物就 具有较大的危害) ，如大家熟知的甲基汞、铅及砒霜等均是剧毒。而磁分离方法 却利用物理作用将之去除。由于外加磁场的作用，使得污泥或者污泥与磁种的凝 聚体能够以更快的速度沉降或者被捕捉进而被去除，所以该技术相对于传统工 艺，处理废水速度更快、相同时间内处理能力更大，且不受自然温度的影响，对 其他分离方法难以除去的极细悬浮物及低浓度的废水具有很强的分离能力【l 丌。可 见，磁分离在污水处理领域有着传统工艺不可比拟的高效性。 北京t 业大学t 学硕十学位论文 1 3 2 2 节能性 相对于传统水处理工艺的主要消耗一用于曝气的电能消耗，磁分离技术的耗 电量仅相当于其用电量的5 左右。当生产达到一定规模后( 4 0 0 0 0 m 3 d ) 后，利 用高梯度磁分离还能节省比普通磁分离更多的消耗在磁体上的电能。虽然磁种费 用是该技术不可避免的一项开支，但磁种可重复使用，其周期损耗不到1 。而 且目前可开发利用的磁种品种繁多，其中有许多的价格低廉，储量丰富，并且易 于收集【3 2 1 。 同时，对于中小型水厂而言，采用磁滤处理装置( 过滤部分) 与传统工艺( 滤池 部分) 相比，增加的运行费用( 运行时按投加铁粉考虑，回收率按8 0 计算) 为 o 4 9 元m 3 ( 试验设备按单独定制，造价比要高得多) ，但磁滤器对水中有机物的 去除效果远高于传统工艺，且能去除藻类，出水水质优于砂滤池出水 3 3 1 。 此外，由于其处理速度快，产生的污泥相对较少，可以为后续的污泥处理减 轻压力，也就意味着降低了污泥总的处理费用。并且，因为在该技术处理城市污 废水的过程中主要是利用物理作用而不是传统的生物氧化作用，所以除了可以减 少上述用于曝气的电能消耗，还省去了一定量的碳源消耗【3 4 1 。在这个过程中，微 生物的呼吸作用不是处理过程的主要部分，所以c 0 2 的排出量也会减少，既而可 以减少对大气的污染。 可见，磁分离技术在节能性上也有其巨大的优势。 1 3 2 3 省地性 由于磁分离技术在水处理中的高效性，使其在相同时间内处理的污水量大于 传统的水处理工艺，所以可以使用相对更小的水处理单元进行处理。 如高梯度磁分离设备，容易实现自动化；工作高度可靠，维修量适中；占地 少，以普通快滤池为例，磁滤器占地面积仅为其1 6 ，土建量也很少，可以大大缩 短建设周期【”】。 另外，磁分离技术应用于水处理工艺中，还有一个可取之处，就是净水装置 不但可以小型化，还可以灵活化，可以最大程度的发挥其省地的优势。例如，一 套每小时可净水8 立方米左右，磁体过水断面直径为2 0 厘米的高磁处理流程， 一辆解放牌汽车即可全部装下。这种处理车，车走家搬，极便于为野外作业的流 动单位，远离城市给水管网的散居单位或井水污染的农村乡镇等巡回提供引用水 【2 0 】。所以，磁分离技术还兼具省地上的优势。 第1 章绪论 1 3 3 磁技术在水处理领域的应用现状 1 3 3 1 国内部分 郑必胜【3 6 】等人对磁分离技术的基础理论问题进行了比较系统地研究。探讨了 高梯度磁分离器的分离效果在整个分离过程中的变化特征、规律以及磁分离效率 与处理周期、处理能力之间的关系，并且发现溶液( 水及糖液等) 经过磁场处理 后其传热特性发生了变化。试验结果表明，随着分离过程的进行或处理量增大， 分离效率逐渐降低，一个磁分离器的生产能力和运行周期主要由所要求的分离指 标来确定，但同时受到操作条件的影响；通过研究磁分离器中颗粒的捕集行为， 得出颗粒在过滤芯磁性不锈钢丝绒上的吸附为“多层吸附”。并且他们还发现随着 磁场强度的增大，磁分离效率提高；在相同的磁场强度下，磁性强弱不同的粒子 分离效率具有显著的差异。弱磁性的粒子要在很强的磁场下才能得到分离；对于 同种特质，颗粒大的粒子比颗粒小的粒子更易分离，含有铁、铜等金属氧化物的废 水可通过高梯度磁分离器直接过滤进行处理，而通过加入“磁性种子”进行强化， 高梯度磁分离技术可以有效地处理有机工业废水。过滤器填料影响磁场强度，进 而对分离效果产生影响。选用磁性较强的材料作过滤填料对分离更为有效，但实 际应用中以磁性不锈钢为宜，填料越细、填充度越高，分离效率越好。 熊德琪【3 7 】等把磁化技术与含酚废水的絮凝氧化技术相结合，使含酚废水经 过微弱磁场的磁化后，研究絮凝氧化法进行处理的新途径，并探讨了磁化效应在 不同条件下对含酚废水处理效果的影响规律。研究结果表明：应用磁化技术能够 明显地改善絮凝氧化法处理含酚废水的效果。 曾胜【3 8 】等采用混凝土磁分离法处理厨房污水，研究了适宜的磁粉和混凝剂 搭配量及加料次序的影响，并进行了磁混凝与普通混凝的对比试验。采用自行研 制的设备连续处理含油量和悬浮物分别为1 4 9 m g l 和2 8 5 m g l 的厨房污水，其 出水含油量及悬浮物可分别减少至t j 5 1 2 m g l 和6 8 m g l ，占地面积则仅为混凝气 浮池的一半。 1 3 3 2 国外部分 国外对过滤介质材料的研究十分活跃。p e t r a i s 和a l m e r t 3 9 j 用h g m s 处理炼油厂 的重力式油分水器出水，直接经过h g m s ，即使不加磁种和混凝剂，处理效果仍 然很好。有人用场强约l 埏的永磁式磁盘分离机处理炼油厂隔油池出水，在磁种 投加量为5 0 0 m e c l ，絮凝剂p a c 5 0 m g l 署t l 助凝剂p a m l 0 m g l 下，可使含油量有 1 7 7 0 0 吼g l 降到4 5 , - - - , 6 8 m g l ，远低于我国现行排放标准1 2 。 p e r a k i s 和甜m d 删的实验还表明，磁场强度在1 2 5 k g 范围内对去除率的影 北京t 业大学工学硕士学位论文 响似乎很小。硫酸铝的投加量为2 5 m g l 时即可得到油和s s 的最佳去除率。 在处理城市污水方面，一般的城市污水的成分不仅复杂，而且绝大部分物质 是非磁性的，不能用h g m s 直接进行分离，必须先投加磁种和混凝剂【4 2 1 。 d el a t o u r t 】用h g m s 处理了添加1 0 0 0 m g l fe ：1 0 4 和硫酸铝的城市污水，结果 表明，通过适当化学处理可以使污水中细菌，产色物质以及各种悬浮物与磁种结 合在一起，然后通过磁分离器分离。b i t t o n ：等人在进行影响磁铁矿吸附病毒的因 素的研究时发现，当a l ”离子超过1 0 0 m l 时会因溶液p h 值降低而使吸附病毒的 量减少【4 3 】。 在处理地表面水磷之类的营养元素中，h g m s 更能显示其优越性。据资料介 绍m 】，加入磁种和混凝剂后仅需几分钟时间即可进行磁分离，去除率：鹿岛城市 污水9 0 ( 不加粘土) 9 6 7 ( j j h 膨闰土) 。 1 4 课题提出的目的和意义 近十几年来，我国的城市污水处理事业迅速发展，兴建了大批的二级污水处 理厂，对缓解本地区日益严重的水污染问题起到了积极的作用，但也存在着如下 诸多问题： ( 1 ) 实际运行水质远小于设计值】。由于南方城市污水浓度普遍偏低以及工 艺本身的缺陷，致使大多数污水厂在实际运行中长期进水浓度偏低，如武汉水质 净化厂，而实际工艺却按设计水质运行，沉砂池未设不经初沉池的超越管。结果 造成曝气池污泥负荷偏低，充氧量过大，活性污泥生长不良，不仅给运行管理带 来不便，而且运行费用并未减少。事实上，如此低负荷的污水只要经过一级或强 化一级处理后就可达标排放。 ( 2 ) 部分地区污水处理厂存在处理能力不足的问题，尤其是在雨季时该矛盾 更加突出。以北京市某污水处理厂为例，一、二期总规模4 0 万m 3 d ，投产运行 至今虽然短短几年，但现有流域范围内的实际进厂平均污水量已达到4 7 万m 3 d ， 在雨季时水量超过5 5 万m 3 d ，且进水水质指标远高于原设计值，使现有污水处 理工艺设施和设备均处于超负荷运行状态，导致设备电耗增加，全厂用电负荷超 过设计值，存在供电安全隐患；设备损坏和故障增多，检修频率增加、维护量增 大。污水处理厂进水水质的严重超标，导致处理厂t n 和n h 3 - n 出水指标不稳定， 继而影响后续再生水厂的出水水质。因此，既有的污水处理厂扩容改造迫切需要 较为成熟的水污染控制技术。 ( 3 ) 污水处理厂的除磷效率普遍偏低。一方面国家对于城镇污水处理厂的磷 的出水浓度要求越来越高，根据城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 - - 2 0 0 2 ) ，在2 0 0 6 年1 月1 日以后建设的污水处理厂的磷的出水标准，由原来的 一】0 一 第1 章绪论 一级a 标准l m g l 调整为0 5 m g l ，一级b 标准则由1 5 m g l 调整为1 0 m g l ； 另一方面，我国的城市污水中碳氮比普遍偏低，对于中高浓度城市污水( b o d 5 在2 0 0 m g l 左右及以上) ，采用生物除磷脱氮工艺是比较合适的选择，但对于低 浓度( b o d 5 在1 2 0 m g l 左右) 和超低浓度( b o d 5 在6 0 m g l 左右) 污水，生物 除磷往往难以满足处理要求，必需增加化学除磷处理【拥。 ( 4 ) 水污染应急处理方面需要新技术的支撑，例如高藻高磷受污染水源水应 急预处理、强化一级处理、事故管道污水等方面。 ( 5 ) 再生水回用时，随着对水体富营养化问题的日益重视，对再生水的含磷 量有着越来越高的要求。 ( 6 ) 目前我国还缺少有效的村镇污水处理技术与装置，急需研发适合村镇污 水量小、水质变化大、分散、间歇性和季节性特点的移动式村镇污水处理磁技术 装置，确立适合的运营模式和优化的管理模式，以便实现我国节能减排的水环境 改善目标。 ( 7 ) 我国污水处理厂正面临着技术改造和升级问题，缺水地区需要污水再生 利用，实现水资源重复利用，为经济可持续稳定地增长提供水资源的保障。 上述实际的需求，实实在在地说明了我国急需研发高效节能省地的水处理新 技术，以科技手段解决急迫的当前环境问题，而磁分离技术以其适应性强，机动 灵活，以及高效，省地，节能的特点成为了解决上述问题的最佳选择。 2 0 0 8 年7 月份某污水处理厂的磁分离应急工程开始调试运行。本试验以该污 水处理厂的曝气沉砂池出水为研究对象，采用磁加载混凝试验的方式，研究磁粉 投加前后对污水的处理效果，以期寻找到适合该污水处理厂磁分离应急工程进水 水质特点的搅拌条件，磁粉投加量和水力停留时间等参数，希望能够为实际工程 提供数据支持和参考。 第2 章试验内容与方法 2 1 试验内容 第2 章试验内容与方法 本试验以某污水处理厂的曝气沉砂池出水为研究对象，采用磁加载混凝试验 的方式，研究磁粉投加前后对污水的处理效果。 混凝试验主要分为三部分，第一部分主要研究在未投加磁粉时，在一定的投 药量的条件下，改变g ( 速度梯度) t 值( 搅拌时间) 对污水处理效果的影响，以