（环境工程专业论文）磁絮凝反应器开发与应用研究.pdf

学位论文版权使用授权书 j i l ll lii ll l lll l l l 1u i 17 4 8 7 3 9 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名： 瑚年e 只e | b 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密a 。 现謦 指导教师签名： 2 勿年月夕日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：副妥 日期：衫年月 江苏大学硕士学位论文 摘要 混凝絮凝工艺是一种重要的环保技术，在水和废水处理中应用广泛。然 而其在应用过程中还存在处理效果不稳定、难以回收利用、絮凝剂用量大、 化学污泥产量大等缺点。因此，开发新型絮凝技术，研究如何把絮凝阶段高 速化、高效化一直是人们关注的课题。随着科学技术的发展和跨学科的综合 利用，将磁场应用于废水处理已成为一项新型的水处理技术，它可以单独使 用也可以与其它水处理技术联合使用，其具有能耗低、易于操作、无二次污 染且成本低。可见，将磁絮凝技术应用于废水处理具有广阔的前景。 在上述背景下，设计开发了一种新型磁絮凝反应器。以亥姆霍兹线圈为 技术思路提出了5 对圆形线圈组构的技术方案，实现由l n t 至u 1 0 0 m t 磁场强度 的连续可调，集经济性和实用性于一体，同时利用m a t l a b 软件模拟了亥姆 霍兹线圈之间的磁场分布，结果显示在亥姆霍兹线圈内部可近似看作匀强磁 场。采用改进的k 一双方程模型对反应器内速度场进行了数值模拟，研究发现， 在反应器反应区存在较大范围的死水区，影响了絮凝效果。根据模拟结果， 对反应器进行了改进，通过在反应器中加设两道折流板，使颗粒运动的紊乱 程度得到加强，使颗粒间碰撞机会增多，优化了死区对絮凝效果的不利影响。 同时，研究了磁场强度、絮凝剂投加量、磁种投加量、废水p h 对絮凝效 果的影响。在单因素分析的基础上，采用正交试验方法对絮凝工艺做了研究， 利用m a t l a b 软件建立了t s s , 币i j t p 去除率的二次多项回归模拟方程并进行了 响应曲面分析。实验结果表明，在场强为6 0 m t ，磁种投加量为1 5 0 m g l ，絮 凝剂投加量为4 m l l ，废水p h 值为6 条件下，对模拟废水中的t s s 、浊度、c o d 、 t p 不f l n h 3 一n 的去除率分别为9 8 4 、9 8 6 、6 3 9 、9 3 2 和3 6 6 ，取得了较 好的净水效果。 江苏大学硕士学位论文 最后，在试验研究的基础上，采用磁絮凝反应器对溢流污水，生活污水 和印染废水进行处理。取得了良好的处理效果，为该技术的工程化应用提供 依据。 关键词：磁絮凝，磁絮凝反应器，设计开发，优化，废水处理 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o a g u l a t i o np r o c e s si sac o r ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nt e c h n o l o g y , w h i c h w a sf o u n dt ob ew i d e l yu s e di nw a t e ro rw a s t e w a t e rt r e a t m e n t h o w e v e r , t h e r e w e r em a n ys h o r t a g e si ni t sa p p l i c a t i o n ，s u c ha si n s t a b i l i t yt r e a t m e n te f f e c t ，l a r g e r f l o c c u l a n td o s a g ea n dc h e m i c a ls l u d g ee t c s ot h ee x p l o i t i n gf o rah i g he f f i c i e n c y f l o c c u l a t i o nt e c h n o l o g ya n dh o wt oi m p r o v ef l o c c u l a t i o np r o c e s sw a sc o n c e r n e d b ys p e c i a l i s t sa n ds c h o l a r s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g ya n dt h ec o m p l e x u t i l i z a t i o no fi n t e r d i s c i p l i n a r y ，m a g n e t i cw a su s e di nw a s t ew a t e rt r e a t m e n tf i e l d a n di th a db e c o m ean e ww a t e rt r e a t i n gt e c h n o l o g y i tc o u l db eu s e da l o n eo r c o m b i n e dw i t ho t h e rt e c h n o l o g y i th a dm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sl o wd i s s i p a t i o n o fe n e r g y ，e a s yo p e r a t i o n ，w i t h o u ts e c o n d a r yp o l l u t i o ns e c o n d a r yp o l l u t i o na n d l o wc o s t s om a g n e t i cf l o c c u l a t i o nt e c h n o l o g yw o u l dh a v ea ne x t e n s i v ef o r e g r o u n d i nw a s t ew a t e rt r e a t m e n t t h e r e b y , a ni n n o v a t o r ym a g n e t i cf l o c c u l a t i o nr e a c t o rw a sd e s i g n e db a s e do n t h ee f f e c to f m a g n e t i c f i v ep a i r so f c i r c u l a rm a g n e t i cc o i l sw e r eu s e dt oc o n s t i t u t e al a r g em e a s u r i n gr a n g em a g n e t i cf i e l dg e n e r a t o rb yu t i l i z i n gh e l m h o l t z ，a n dt h e r e a c t o rc o u l db ea d j u s t e dc o n t i n u o u s l yf r o mln tt o10 0 m t t h e nt h em a g n e t i c f i e l dd i s t r i b u t i o ni nh e l m h o l t zc o i lw a ss i m u l a t e db ym a t l a b r e s u l t ss h o w e dt h a t i tc o u l db er e g a r d e da su n i f o r mm a g n e t i cf i e l di nt h eh e l m h o l t z t h ei m p r o v e dk - e m o d e lw a su s e dt os i m u l a t et h ew a s t e w a t e rv e l o c i t yd i s t r i b u t i o ni nt h er e a c t o r r e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r ew a sd e a dw a t e rr e g i o ni nt h er e a c t o r , w h i c hh a dn e g a t i v e e f f e c to nf l o c c u l a t i o n a n dt h e nt h er e a c t o rw a so p t i m i z e da c c o r d i n gt os i m u l a t i o n r e s u l t t w of o l d e dp l a t e sw e r ef i x e di nt h er e a c t o r ，w h i c hc o u l do p t i m i z et h e d e t r i m e n t a le f f e c to f d e a dr e g i o n ，a n dt h eg r a n u l ec o l l i s i o nw a ss t r e n g t h e n e d 1 l i 江苏大学硕士学位论文 i nt h em e a n w h i l e ，t h ep a r a m e t e r ss u c ha sm a g n e t i cf i e l d 、t h ed o s a g eo f f l o c c u l a t i o na n dm a g n e t i cp a r t i c l e ，p hv a l u ew e r ei n v e s t i g a t e d o nt h eb a s i so f s i n g l e f a c t o r a n a l y s i s ，t h e t e c h n i c a lp a r a m e t e r sw e r ei n v e s t i g a t e dt h r o u g h o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，b a s e do nw h i c ht h em a t l a bs o f t w a r ew a s u s e dt op r e s e n ta m a t h e m a t i c a lr e g r e s s i o nm o d e la n df i tt h er e s p o n s ec u r v ea n dr e g r e s s i o na n a l y s i s f o rt h er e m o v a lr a t eo ft s sa n dt er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e m o v a lr a t eo ft s s ， t u r b i d i t y ，c o d ，t pa n dn h 3 - nw a su pt o9 8 4 、9 8 6 、6 3 9 、9 3 2 a n d 3 6 6 r e s p e c t i v e l yu n d e rt h eo p t i m u mt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s ：m a g n e t i cf i e l d i n t e n s i t y = 6 0 m t ， p f s s = 4 m l l ，p h = 6 ，d o s a g eo fm a g n e t i cp a r t i c l e15 0 m g l f i n a l l y , r u n o f fs e w a g e ，d o m e s t i cs e w a g ea n dd y e i n gw a s t e w a t e rw e r et r e a t e d b ym a g n e t i cf l o c c u l a t i o nr e a c t o rb a s e do nt h ef o r m e r l yl a b o r a t o r yi n v e s t i g a t i o n a n daf a v o r a b l et r e a t m e n te f f e c tw a sa c q u i r e d at h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nw a so f f e r e d f o rt h ea p p l i c a t i o na n dr e s e a r c ho fm a g n e t i cf l o c c u l a t i o ni nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：m a g n e t i cf l o c c u l a t i o n ，m a g n e t i cf l o c c u l a t i o nr e a c t o r , d e s i g na n dd e v e l o p m e n t ，o p t i m i z a t i o n ，w a s t e w a t e rt r e a t m e n t i v 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章引言1 1 1 概j j 睦1 1 2 磁絮凝技术研究现状。2 1 2 1 磁絮凝技术机理研究现状2 1 2 2 影响磁絮凝处理废水的因素研究现状5 1 2 3 磁絮凝工艺及设备研究现状7 1 2 4 磁絮凝技术在废水处理中的应用1o 1 3 磁絮凝技术发展趋势1 1 1 3 1 工艺特点及存在问题1 1 l - 3 2 发展趋势1 2 1 4 研究内容及研究意义1 2 1 4 1 研究内容1 2 1 4 2 研究意义1 3 1 4 4 创新性1 4 1 4 5 研究技术路线1 4 第二章磁絮凝反应器设计与模拟1 6 2 1 磁絮凝反应器设计1 6 2 1 1 磁絮凝反应器设计原理1 6 2 1 2 磁絮凝反应器器体设计1 7 2 1 3 磁絮凝反应器磁路设计1 9 2 2 磁絮凝反应器模拟与优化一2 2 2 2 1 模拟软件简介2 2 2 2 2 磁絮凝反应器内磁场模拟2 4 2 2 3 反应器内部流场模拟2 5 2 2 4 磁絮凝反应器优化分析一2 9 2 3 反应器处理效果研究3 0 2 4 本章小结3l 第三章磁絮凝反应器工艺参数研究3 2 3 1 试验部分3 2 3 1 1 试剂及仪器3 2 3 1 2 絮凝试验及分析方法3 3 3 2 工艺参数研究3 4 3 2 1 工艺参数选取一3 4 3 3 工艺参数优化3 6 3 3 1j 下交实验分析3 6 3 3 2 响应曲面分析3 9 v 江苏大学硕士学位论文 3 4 磁场对絮凝效果的影响4 1 3 4 1 磁场条件下絮凝效果分析4 l 3 4 2 不同磁场下絮凝效果分析4 2 3 5 本章小结4 3 第四章磁絮凝反应器的应用效果研究4 4 4 1 试验部分。4 4 4 1 1 试剂及仪器4 4 4 1 2 试验用水4 4 4 1 3 试验测试项目与方法4 5 4 1 4 试验方法4 5 4 2 实验结果与讨论4 6 4 2 1 磁絮凝处理溢流污水4 6 4 2 2 磁絮凝处理生活废水4 6 4 2 3 磁絮凝处理印染废水4 7 4 3 工艺应用分析4 8 4 4 本章小结4 8 第五章结论及展望5 0 5 1 结论5 0 5 2 建议5 1 参考文献5 2 致谢5 6 在读期间发表的学术论文与研究成果5 7 v i 江苏大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 概述 目前世界水污染问题日趋严重，水处理问题也变得越来越严峻，尤其是对于我们这个 人均水资源缺乏的发展中大国。随着经济的发展和人民生活水平的提高，国民用水量和用 水水质要求都在不断提高，这就对一些大型耗水和产生污染水体的企业提出了更高的水质 净化要求。因此，提出一种经济可行，高效的水处理方法一直是水处理行业研究的主要方 向。 目前，国内外主要采用的水处理技术主要以生化法为主，随着科技的发展，各专业技 术领域间相互融合，也为水处理技术的发展提供了新的方向。在水处理方法中，絮凝沉淀 法作为一种有效且成本较低的水处理方法被广泛采用【l 】。用于将水溶液中的溶质、胶体或 悬浮物颗粒产生絮状物沉淀的物质为絮凝剂。絮凝剂重要应用是在各种用水和废水处理 中，除去水中的悬浮物、胶体粒子，降低c o d ，还可除去水中的细菌、病毒，并兼有除磷、 脱色、除臭，减轻水体富营养化，保护水资源，确保生物体健康，促进国民持续发展【2 1 。然而， 在絮凝工艺应用过程中还存在处理效果不稳定、难以回收利用、絮凝剂用量大、化学污泥 产量大、巨额工程投资和高昂运转费用等缺点，造成絮凝剂的浪费严重。因此，开发新型 高效絮凝剂，研究如何把絮凝阶段高速化、高效化一直是人们关注的课题。 随着科学技术的发展和跨学科的综合利用，将磁场引入环境领域，尤其是在废水处理 方面已成为一项新型的水处理技术。磁场本身是一种具有特殊能量的场，经磁场处理过的 水或水溶液，其光学性质、导电率、介电常数、粘度、化学反应及表面张力和吸附、凝聚 作用及电化学效应等方面的特性都产生了可测量的变化【3 】，并且当撤掉磁场后，这种变化 能保持数小时或数天，具有记忆效应【4 1 。另外，相关研究表明，磁场对物质的理化性质具 有定影响【5 1 ，在外加磁场条件下，物质的萃取过程【6 1 、吸附效剁7 1 、絮凝沉淀3 1 等效果起 到加强作用。由于这些现象的存在，多年来磁技术一直是研究热点。 目前，磁技术已在多种废水中得到应用，它可以单独使用也可以与其它水处理技术联 l 江苏大学硕士学位论文 合使用，其具有能耗低、易于操作、无二次污染且成本低等优点【引。 因此，考虑将磁场同絮凝技术联用，以强化絮凝工艺的处理效果。在加入絮凝剂的同 时，向污水中投加磁种，再利用磁场对絮凝剂进行分离回收等技术成为学者研究的重点。 磁絮凝技术虽已经在多种废水处理中得到应用，但是此技术要想在水处理中广泛应用还具 有一定距离，我们仍需要进行以下几方面的研究：( 1 ) 进一步研究磁场对絮凝剂理化性质 和絮凝沉淀动力学的影响，考察不同磁场强度下的絮凝沉淀规律并进行理论分析；( 2 ) 寻 找多种复杂有机物在磁场作用下的降解规律，研究降解过程中各种有机物的相互抑制和促 进作用；( 3 ) 设计新型合理的磁反应器，对整个污水处理过程实现优化操作。 1 2 磁絮凝技术研究现状 1 2 1 磁絮凝技术机理研究现状 自2 0 世纪5 0 年代以来，人们对絮凝机理做了大量深入的研究。目前，比较合理的絮 凝机理有：胶体的双电层结构、压缩双电层机理、吸附电中和作用、吸附架桥作用和絮 体的卷扫网捕作用等。而这些作用在水处理中常不是单独孤立的现象，而往往是同时存在 的，只是在一定情况下以某种现象为主而已，可以用来解释水处理中的絮凝现象。磁场的 介入，也是通过改善水质以及絮体的理化性质从而强化絮凝效果。 磁场对物质理化性质影响的研究，已有几十年的历史，但由于影响因素太多，过程复 杂，实验的重复性和可靠性都较差。因实验上的困难，致使磁场对物质理化性质影响的机 理问题一直没有搞清楚。多年来国内外许多学者在机理研究方面进行了不懈的努力，做了 大量的实验，取得了许多宝贵实验数据，也提出了一些见解和看法，然而到目前为止，还 没有一种理论能比较圆满地解释磁场对物质理化性质影响的作用机理。对机理深入地、细 致地、广泛地进行研究，必将提高人类对磁现象的认识，进一步促进磁技术的蓬勃发展【9 1 。 相关实验结果表明，磁处理对水的许多物理化学性质( 如折射率、电导率、介电常数、 表面张力、粘度、紫外吸收光谱、激光拉曼光谱、红外吸收光谱等) 都有影响【3 】；磁处理对 溶解、结晶、湿润、凝聚及凝固也有影响【j o 】；磁处理可使水系统显著活化，并能影响化学 反应的动力学过程】；磁场能强化离子交换，强化吸附和强化絮凝等【12 1 。本研究表明，在 2 江苏大学硕士学位论文 磁场作用下能提高絮凝效果，通过在絮凝过程中投加磁种，使形成的絮体体积明显增大， 能显著提高絮体沉降速度，提高絮凝效果。目前，关于磁场强化絮凝的理论主要有以下几 点： 1 ) 磁场对水体的絮凝吸附等物理化学过程的强化作用机理 水中粒径小的悬浮物以及胶体物质，由于微粒的布朗运动，胶体颗粒间的静电斥力 和胶体表面的水化作用，致使水中这种含浊状态稳定。向水中投加絮凝剂后，由于如下原 因：能降低颗粒间的排斥能峰，降低胶粒的6 电位，实现胶粒“脱稳”；发生高聚物式 高分子混凝剂的吸附架桥作用；网捕作用等从而达到颗粒的凝聚。 在外加磁场作用下，溶液中运动颗粒由于本身具有电荷，在磁场中会受到洛伦兹力的 作用，这种力可以表示为【1 3 - 1 5 1 ： f = q v b( 1 1 ) 其中，f 一洛仑兹力，n q 一粒子带电量，c v 一流经磁场速度，m s 删感应强度，t 。 洛仑兹力是磁场与以一定流速流经磁场的各种带电粒子之间的相互作用产生的。这种 力能够影响粒子间的碰撞，改善各种离子之间以及粒子之间的作用方式，改变离解和化合， 影响沉淀颗粒问的平衡，改善离合与凝聚效果。 另外，水是一个极性分子，当水流过磁场时，较大的水分子集团链中的氢键会发生弯 曲和局部断裂，使处于近中性的水变成极性较强的单分子或双分子水，使这些水分子具有 了较强的活性，能使水中的固体粒子进一步被水分子细化，使水中溶解度增大【1 6 】。磁化处 理可使水系统显著活化，并能影响化学反应的动力学过型17 1 ，s v o b o d aj 【1 8 1 等在研究磁性微 粒( 包括弱磁粒子) 的絮凝时得出磁效应能改变物质的特性，改善悬浮物的絮凝效果，提高 其沉淀速率。他假设固体颗粒是两个等同的半径为a 的球体，由此可以推得两个颗粒问附加 的磁性作用v m 为： 3 江苏大学硕士学位论文 为： v m 一( 3 2 7 r 2 口3 x 2 8 2 ) ( 9 r 3 ) ( 1 2 ) 上式中，一真空磁导率，f i m x 一颗粒的磁化率，h m b 磁感应强度，t a 一颗粒半径，m r 一两颗粒中心间距，m 根据胶体稳定性的d l v o f l 9 之o 】理论，在外磁场中絮体间相互作用的总能量v 。可以表示 以= v o + 圪+ 圪+ 匕+ ( 1 3 ) 其中，v 广范德华作用，n v 广双电层作用，n v b _ 架桥作用，n v r 吸附作用，n v ，。广附加的磁作用，n v 广外磁场中絮体问相互作用的总能量，n 由( 1 ) 可知，v m 与x 的符号无关，即在外磁场作用下，无论是抗磁性还是顺磁性颗粒， 其v m 值恒为负值。这样就使得各种颖粒在磁场中的v 值有所下降，从而增进了颗粒间的互 相吸引，促进了颗粒之间的凝聚。 庄杰，张玉龙等认为磁场能够使( o h ) 基团的活性和对金属离子的亲和力增加，促 使其更多的络合反应。同时也可能是磁场效应使胶体双电层变薄而强化了吸附过程，结果 使絮体的体积增大。l c l i p u s 2 2 】等在研究中发现，磁化处理后细小的非磁性颗粒的扩散不 稳定性有所增加，溶液中的离子大量地向固体颗粒表面移动，从而使得加速凝聚和沉淀生 成在理论上成为可能。 2 ) 磁场作用下絮体沉降速度提高机理分析 在磁场作用下，絮体体积极大，密度增加，从而使絮凝过程中絮体沉降速度提高。固 4 江苏大学硕士学位论文 体颗粒的沉降速度可用式( 1 3 ) 表示： 移= 陋呻j ，印 ( 1 4 ) 其中，湖粒密度，k g m 3 ；p _ 液体粘度，p a s ；卜液体密度，k g m 3 g _ 自由加速度，一般取9 8 1 1 1 8 2 ；蝴粒直径，m 在磁化作用下絮团粒度增大，另外磁化后的剩磁作用也使絮凝体进一步致密化。由于 1 ) o c d 2 ， 且1 ，o c 6 ，这样就使得污泥絮团的沉降速度有所增加。 3 ) 磁场改善污泥过滤性能机理分析 许多学者认为【2 3 1 溶液中的众多水分子在一般情况下可以通过氢键形成以四面体结构 互相联结而成的比较大的分子集团，但是在外磁场作用下水分子的内聚能减小，即外磁场 作用后，水系统局部能量下降，使得大分子集团拆散，单个水分子增加，从而使水系统的 粘度和表面张力降低，污泥的渗透性能得以改善。类似的，a b b o n af 【2 4 1 等学者也指出，磁 场能够降低水分子间的约束，使水的粘度减小，渗透性增强，滤渣含水量减少，从而提高 了过滤速度，改善沉渣的脱水性能。 1 2 2 影响磁絮凝处理废水的因素研究现状 磁絮凝过程是一个复杂的物理和化学过程，磁场强度、絮凝剂投加量、磁粉投加量、 搅拌时间和强度、p h 等都直接影响絮凝凝的效果。 1 ) 磁场强度的影响废水处理效果一般会随着磁场强度的增大而提高，如磁絮凝去 除淡水藻华的研究中【2 5 1 ，在外加磁场条件下，利用壳聚糖和f e 3 0 4 负载除藻，在0 - 0 5 t 的 磁场强度下，磁场强度越大，磁铁对藻细胞的富集时问越短，外加磁场的选择直接影响了 壳聚糖与f e 3 0 4 复配除藻的效率。但如果磁场超过一定范围，其磁场起的作用下降。尹春 艳1 2 6 1 做的磁场协助改性p a c 处理含c ，废水试验中，随着磁场强度的增大，c r 6 + 去除率逐 渐增加，当磁场强度大于5 0 0 r o t 后，c ，去除率趋于平稳。这是因为，刚开始随着磁场强 度的增大，有利于絮凝剂的定向排列及与水样中污染物的接触，沉淀逐渐增多、增大、密 实、容易沉降、螫合作用增强，所以去除的重会属离子也逐渐增多。但当磁场强度增加到 一定程度后，磁场使絮凝剂和水样中的污染物有效碰撞的几率不再增加，螫合作用也达到 气 江苏大学硕士学位论文 极限，因此c r 6 + 去除率也就趋于平稳。 2 ) 絮凝剂投加量的影响相关研究表明，絮凝剂与水中胶体微粒浓度的关系是随着 加药量的变化出现四种不同情况。加药不足，无絮凝效果为稳定区；加药量较前区增大， 产生脱稳并快速絮凝效果为脱稳区；进一步增加投药量后出现分散、产生再稳，此现象认 为是因微粒表面覆盖面过高或引起电荷改变符号而使絮凝效果恶化为再稳区；絮凝剂量过 高，大大超过氢氧化铁或氢氧化铝的饱和状态，这些大量的氢氧化物所形成的絮凝体产生 快速沉淀将水中的杂质微粒一起卷扫而下。 而在磁絮凝工艺中，往往通过絮凝剂同磁性物质复合，形成具有磁性核心的磁性絮体， 同时利用磁场效应提高絮凝效果。同样，絮凝剂以及磁性负载物的用量往往对絮凝效果也 具有很大影响。柳丹、王相勤【2 7 】等利用磁聚复配物絮凝预处理维生素c 废水，其复配物浓 度对絮凝效果的影响很大。实验表明絮凝剂浓度的增加有助于架桥的充分，但过多的加入 反而会引起吸附饱和，在每个胶粒上形成覆盖层，从而使胶粒产生再次稳定现象。所以体 系中絮凝剂浓度过高和过低都达不到好的处理效果。另一方面，复配物中f e 3 0 4 的含量越 高，形成的絮体在外磁场下的磁响应性越强，故沉降速度越快，但要考虑成本和固液分离 速度来确定f e 3 0 4 的最佳投加量。 3 ) 磁粉投加量的影响目前磁絮凝技术多用向絮凝剂中投加磁种的方式来净化污水， 因此磁种的用量对污染污的去除效果和污泥沉降速率都有很大影响。磁粉与絮凝剂、有机 污染物之间能产生较强的吸附力，它们之间进行磁絮凝反应后能形成粒径和相对密度较大 的复合磁絮凝体，增强絮凝效果，加快分离速度，从而大大缩短沉降时间【2 8 1 。 4 ) 搅拌速度和搅拌时间的影响絮凝是一个复杂的化学动力学过程，如果搅拌不充 分，则絮凝剂和污水中的悬浮颗粒不能充分混合，从而影响絮凝效果；如果在絮团形成以 后继续剧烈搅拌，则会使已形成的絮团破碎，使体系重新达到平衡，影响絮凝效果【2 9 1 。 5 ) p h 值的影响在采用絮凝工艺对废水进行处理工程中，p h 值是影响絮凝效果的主 要因素之一。以铝盐为例：铝盐在水解过程中所生成的氢氧化铝胶体物质属于两性化合物。 当其离解时能生成带正电的阳离子，也能生成带负电的阴离子，这主要取决于水的p h 值， 6 江苏大学硕士学位论文 如p h 值 8 5 ，氢氧化铝离解成带负电、溶于水的铝酸盐。化学反应式是：a 1 ( o h ) 3 = a 1 0 2 - + h 2 0 + h + 。如果水中碱度大，则此反应式即向右进行。如果p h 值 1 2 或p h 2 时，改性p a c 更能使带正电的重金属氢氧化物沉淀起到絮凝作用，使小颗粒沉淀物 形成较大颗粒，从而又增加了它对重金属离子的吸附，此时，螯合作用非常明显，所以c ， 去除率有所增加。 1 2 3 磁絮凝工艺及设备研究现状 目前，国内外对于磁絮凝技术的研究与应用，主要放在磁絮凝分离技术上。通过向絮 凝剂中添加磁种，可在后续磁分离系统中对带有磁性的絮凝剂进行有效回收，通过一定处 理后重复利用。另外，通过磁分离，对污水还起到很好的净化作用，又可单独作为一个反 应单元，因此，磁分离系统也是磁絮凝技术的一个重要组成部分。高梯度磁选分离技术 ( h g m s _ _ h i g h g r a d i e n tm a g n e t i cs e p a r a t i o n ) 是一种物理过程，物料在磁场中受到不同的 磁力、重力、流体粘滞力的作用而达到分离之目的。通过在磁场中置入铁磁性钢毛等聚磁 物，就会形成具有梯度的磁场，产生对磁性颗粒捕获力。目前研究的还有超导磁分离技术， 它能在较大的空间范围内提供强磁场及高梯度磁场，而使废水中悬浮弱磁性颗粒充分极 化，提高分离效果，提高废水处理型3 0 1 。 1 ) 磁絮凝工艺研究现状 目前，c o m a g m t 工掣3 u 是应用较多的一种磁絮凝技术。上世纪六十年代术，麻省理工 研究所研制出了第一套高梯度磁分离工艺并将其应用于水处理领域，从1 9 9 9 年开始，该 工艺又经历了长达八年的实验性研究、生产性实验以及工程化，目前该工艺在各种污水处 理中都有应用，尤其是在市政污水处理方面。图1 1 为该工艺的工艺流程图。 7 江苏大学硕士学位论文 工乏冱攫 图1 1g 观酸蹬艺渣程图一 j f i g1 1q 热籍琶p r o c s sc h a r t j c o m a g m t 工艺是利用外加磁加载物的作用强化絮凝以达到高效沉淀和过滤的目的。通 过向污水中投加絮凝剂、磁种等，可以强化絮凝效果，增大絮体密度，然后通过高效沉淀 和磁过滤将水中污染物去除，磁种通过磁鼓分离器回收循环使用。其中磁过滤是在外加磁 场作用下，磁性介质表面形成高梯度磁场，从而吸附通过它的磁性物质。 目前，c o m 电刑技术用于工业污水和市政污水的初级应用包括污水的三级处理、磷及 营养元素的去除、再生水和工艺用水的生产、合流式排污管理、b o d 和c o d 的降低、固体 杂质以及颗粒污染物的去除等。具有可靠、快速、简单、紧凑的特点。武汉理工大学的熊 任军【3 2 】等采用磁种絮凝一高梯度磁分离净化工艺对城市污水进行处理，其工艺流程图如图 1 2 所示。 加沉淀剂加p h 调节剂 加磁种加p a m 含磷废水分析检测 图1 2 磁絮凝一两梯腰磁分离净化。l ：艺 f i g1 2m a g n e t i s mf l o c c u l a t i o n - h i g hg r a d i e n tm a g n e t i cs e p a r a t i o np u r if ie ra r t 通过实验室试验得出在磁种絮凝一高梯度磁分离净化污水中，磁种主要起两方面的作 用：( 1 ) 作为磷酸铝沉淀及有机污染物絮凝的载体，强化其絮凝沉降行为；( 2 ) 赋予沉淀 絮凝物强磁性，提高其在高梯度磁分离过程中的分离效果。磁种絮凝高梯度磁分离净化 上艺能显著降低城市污水中的c o d g ，b o d 及s s 含量，并对磷、重金属等污染物去除有 江苏大学硕士学位论文 特效，同时又具有很强的杀菌作用。 城市污水磁种絮凝一高梯度磁分离净化新工艺具有处理速度快、占地面积少、对除磷 及重金属元素有特效，设备简单，易于实现净化一体化、自动化等特点。 赵红花，王九剧3 3 1 等采用磁絮凝法处理城市污水，其工艺流程图1 3 。 加璐娥暇臻琵p 絮凝剂一 加磁种一搅拌磁场p污泥一 水 图1 3 磁絮凝工艺处理城市污水流程图j f i g1 _ 3m a g n e t i cf l o c c u l a t i o nc r a f tf o rm u n i c i p a ls e w a g et r e a t m e n t o 析雠 该工艺以两项化学特性为基础：其一为磁铁粉( 主要成分：f e 3 0 4 ) 的表面电荷取决于其周 围溶液的p h 值，在p h 为6 以下呈阳性，6 以上则为阴性；其次是废水中的有机物通常含 羧基长链分子，带负电荷。污水调制后与磁铁粉混合搅拌并加入硫酸铝，然后在磁场条件 下使磁铁粉磁化。由于污水的自然p h 值较低，故磁铁粉呈阳性，致使污水中荷阴性的羧基 分子粘附于它：而临时磁化的磁铁粉使羧基分子成为长链，因而结块增大，很快沉降到底部。 此外，淤泥与苛性钠混合后成为碱性，使磁铁粉表面呈阴性，释放掉有机物颗粒，淤泥在另外 磁体上进行冲洗，可回收磁铁粉以便重复使用。该工艺可减轻后续处理构筑物的负荷，缩 短沉淀时间，从而减少沉淀池体积，减少占地面积，节省基建投资。 2 ) 磁絮凝反应器研究现状 一个稳定的磁场发生装置对磁絮凝工艺的处理效果起到至关重要的作用。现有的永 磁系列浊水絮凝器【3 4 1 ，结构简图见图1 4 ，采用钕铁硼等稀土永磁材料作背景磁场，含铁磁 性物质的污水通过装置时，与具有一定磁通量的永磁磁场正交，铁磁性颗粒被磁化，具有 剩磁的铁磁性颗粒之间，以及铁磁性颗粒与悬浮粒子之问，相互吸引，磁凝聚成较大的颗 料，具有较快的沉降速度，净化效率大大提高。除减小后续沉淀池容积或节省絮凝剂外， 还可沉渣改善沉淀泥浆的脱水性能。 但是，目前国内外对磁絮凝反应器的研制主要集中在磁分离装置上。郑学海3 5 1 等，将 永久磁铁按一定方式排列形成磁回路，污水在磁圆盘的梯度磁场中通过时包裹磁种的悬浮 9 江苏大学硕士学位论文 絮绒体被吸着在缓慢转动的盘表面，随着转动将污泥带出水面，同时开始沥水，转至刮泥 板口，污泥被刮除后，盘面又进入水中，重新吸着周而复始，以此对磁性物质进行回收。 其装置图如图1 5 。实验室小试结构显示，分离机可实行无级调速，连续运行。污水在磁 盘梯度磁场小区的停留时间为数秒钟，全程需几分钟，s s 的去除率可达9 0 9 9 5 。磁 分离机的污泥含水率为8 5 9 0 ，且污泥容易脱水。 & 、 么 篱 l 蕊 ! 夕 i 忑 、! 鬈；，j ，趸 i 矿 、i l i j 刁i 图l a 永磁浊水絮凝器 f i g1 4p e r m a n e n tm a g n e t i s mm u d d y w a t e r f l o c c u l a t o r 1 2 4 磁絮凝技术在废水处理中的应用 图1 5 磁分离装置图 f i g i 5m a g n e t i cs e p a r a t i o nd e v i c e 目前，磁絮凝在印染废水、生活污水、含油废水等中已经得到应用，以下就对磁絮凝 技术的应用情况做下简述： 1 ) 磁絮凝处理印染废水 印染废水处理中普遍采用混凝法作为预处理方法，往往存在处理速度慢、分离困难、构 筑物占地面积大、污泥压缩时需要投加大量药剂等缺点。韩虹【3 6 1 以高浊度的印染废水作为 试验废水，以色度、c o d 及s s 作为考核指标，考察了磁混凝反应及磁分离的影响因素。当 印染废水的色度约为9 0 0 倍、c o d 约为5 9 5 m g l 、s s 约为5 0 0 m g l 时，在p h = 8 5 、 f e s 0 4 5 0 0 m g l 、p a m 3 15m g l 、磁粉4 0 0 m g l 的适宜磁混凝反应条件下，相应指标去除率 比传统混凝法分别高出1 7 3 、2 1 7 及2 4 2 ，此时絮团沉降速度增大y 6 4 3 ，污泥体积 减少了6 ，污泥压缩比为o 3 9 。陈文松等选用低剂量f e n t o n 氧化磁种混凝高梯度磁分 l n 江苏大学硕士学位论文 离技术处理色度为8 0 0 倍、c o d 为5 6 5 o m g l 的成分复杂印染废水效果良好，色度、c o d 的 去除率分别达到9 2 6 和7 9 5 ，符合国家二级排放标准。 2 ) 磁絮凝处理含油废水 磁分离技术是吸附除油脂方面的最新研究成果。借助于磁性物质作为载体，利用油珠 的磁化效应，将磁性颗粒与含脂类废水相结合，使废水中的油脂等分散在磁性颗粒上被吸 附，再通过分离装置，将磁性物质及其吸附的脂类留在磁场，从而达到分离的目的【3 龃。朱又 春【3 9 】等采用磁分离法连续处理含油量为1 9 4 m l 的餐饮污水，仅投加混凝剂时出水含油量 为2 0 m g l ，而加入磁粉后可使出水含油量降至7 m g l 。又通过电泳试验证明污水中的磁粉 颗粒带正电，乳化油带负电。磁粉对含有乳化油的污水具有良好的破乳作用。 3 ) 磁絮凝处理生活污水 刘吉生等【删采用磁化絮凝一高梯度磁分离方法处理城市污水，研究了磁种用量、磁场强 度、混凝剂用量、污水p h 值和流速等工艺参数对废水净化效果的影响。在磁场强度为 5 0 0 k a m ，磁种用量为0 3 9 l ，混凝剂硫酸铝用量为2 0 0 m l ，助凝剂p a m 用量为2 m g l ，污 水p h 值为6 ，流速为3 1 4 c m s 时，磷和c o