（环境工程专业论文）城市污水磁种絮凝—高梯度磁分离净化工艺及其理论机理研究.pdf

摘要 目前，城i i j i l ? 水处理及其资源化再生利用已成为当前我国迫切需要解 决的重要问题之一。似是以活性污泥法为代表的生化传统工艺以去除 c o d 、b o d 50 7s s 为j 三，存在以下缺点：( 1 ) 工岂流程长，污水停留时 间长，单位i f l 积处理能力小，占地f | 1 积较大。( 2 ) 氮磷等无机离子去除效 率低，水顷不能【几j 川。以磷为例，即使生物除磷系统效率达到最高，处理 后出水中的总磷浓度也难以达到国家一级排放标准。如要达到总磷浓度 9 5 ) 磷。当进水水质为s s6 4 4 m g l 、c o d c r 1 5 46 m g l 、b o d 54 64 m g l 、p05 8 m g l 的污水经处理j 厅，s s 降至 2 52 m g l 、c o d e ，降至5 82 m g l 、b o d 5 降垒1 6 3 m g l 、p 降垒0 0 3 m g l 以卜j ，其i ，c o d c ，、b o d 5 、p 都达到闷家一级排放标准( c o d 州6 0m g l 、 b o d 5 ：2 0n 1 l 、p ：o5 m g l ) ，s s 接近国家一级+ 排放标准( s s ：2 0m g l ) ， 其它污染物指标也得到不同程度的降低。而当进水水质为c o d c ，8 0 m g l 、 p2 0 5 m g l 时，出水c o d o 降至4 5 m g l 、p 降全0 0 3 m g l ，去除率分别 可达4 3 与9 8 。 磁种絮凝一高梯度磁分离工艺将化学除磷的彻底性与高梯度磁分离 的快速性、高效忡巧妙地结合起来。该工艺用j ：城市污水处理具有处理速 度快、占地面积少，设备简单，易于实现净化一体化、自动化，适用范围 广等优点，尤其划污水中的磷具有非常好的去除效果。因此，这一工岂非 常适宜于我国城市小区、小城镇污水处理厂，以及城市大中型污水处理厂 的增能扩容及其出水叫用强化处理t 艺，在我国有j 阔的应刚推广前景。 关键词：城市污水磁种絮凝 高梯度磁分离 a b s t r a c t n o w a d a y s ，m u n i c i p a ls e w a g et r e a t m e n ta n di t so u t f l o wr e c y c l i n gh a v e b e c o m eoneo ft h em o s tu r g e n tu n s e t t l e dp r o b l e m sb u tt h et w o s t a g eb i o l o g y p r o c e s sw h i c hi sm a i n l yu s e di nm u n i c i p a ls e l v a g et r e a t m e n ti no u rc o u n t r y , h a ss o m es h o r t c o m i n g sa sf o l l o w ：( 1 ) l o n gf l o w 、s m a l lf l u xa n dt o om u c h r o o mo c c u p a t i o n ( 2 ) i t so u t f l o wc a n ta t t a i nt ot h ef i r s td e g r e ed i s c h a r g e s t a n d a r do fp o l l u t a n t sf o rm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n to ft h e n a t i o n a l ( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) i ft h ep h o s p h o r u si nt h eo u t f l o ws h o u l d 9 5 p h o s p h o r u sc a nb er e m o v e d i nt h eb e s t p a r a m e t e r ( f e 3 0 4o3 9 l ，m a g n e t i cf i e l do2 t , a 1 2 ( 5 0 4 ) 32 0 0 m g l ，p a m 2 m 夸l ，v e l o c i t yo ff l o w6 0 - 1 0 0 m h ) a n dt h eo u t f l o wc a na t t a i nt ot h ef i r s t d e g r e ed i s c h a r g es t a n d a r do fp o l l u t a n t sf o rm u n i c i p a lw a s t ew a t e rt r e a t m e n t p l a n t o f t h en a t i o n a l f g b l 8 9 7 8 - 2 0 0 2 ) ( t h e i n f l o w ：c o d e r l 5 46 m g l 、b o d 5 4 64 m g l 、s s6 44 m e d l 、po5 8 m g l ，t h eo u t f l o w ：c o d c ，5 82 m g l 、b o d 5 1 63 m g l 、s s2 52 m g l 、p o0 3 n 1 l ，t h ef i r s td e g r e eo f g b l8 9 7 8 2 0 0 2 ： c o d c ，6 0m g l 、b o d 52 0m g l 、s s2 0m g a 、po5 m g l ) w h e nt h ei n f l o w c o d c r8 0 m g l 、p20 5 m g l ，t h eo u t f l o wc o d e ，c a na t t a i nt o4 5 m g l ，pc a n a t t a i nt oo0 3 m g l t h ed e c o n t a m i n a t i o ne f f i c i e n c ye a l lr e a c h4 3 a n d9 8 c o m b i n i n gt h eh i g he f f i c i e n c yo ft h ec h e m i c a lr e m o v a lo fp h o s p h o r u s a n dl a r g ei n f l o wo fh g m s ，t h em a g n e t i cf l o c c u l a t i o na n dh i g h g r a d i e n t m a g n e t i cs e p a r a t i o np r o c e s sh a v es o m es p e c i a la d v a n t a g e si nt r e a t i n g m u n i c i p a ls e w a g e ：l a r g ef l u x 、s m a l lr o o mo c c u p a t i o n 、s i m p l ef a c i l i t y 、e a s yt o r e a l i z ei n c o r p o r a t i o na n da u t o m a t i o n ，e s p e c i a l l yi np h o s p h o r u sr e m o v a lt h e p r o c e s sw h i c hc a nb ew i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s ，e s p e c i a l l yi nf o l l o w i n gt h r e e a s p e c t s ：c o m m u n i t yo rm i n o rc i t ys e w a g et r e a t m e n t e n l a r g e m e n to f m a j o rc i t y s e w a g et r e a t m e n tp l a n ta n dt h ed e e pt r e a t m e n to fo u t f l o wf r o ms e w a g e t r e a t m e n tp l a n tw i l lh a v ea p r o m i s i n gp r o s p e c ti ns e w a g et r e a t m e n t k e y w o r d s ：m u n i c i p a ls e w a g e ；m a g n e t i cf l o c e n l a t i o n ；h i g h g r a d i e n t m a g n e t i cs e p a r a t i o n ( h g m s ) 第一章城市污水处理技术现状及研究设想 1 1 城市污水产生及其处理现状 1 1 1 城市污水的产生及其污染特征。 城市污水( m u n i c i p a ls e w a g e ) ，指城镇居民生活污水，机关、学校、 医院、商业服务机构及各种公共设施排水，以及允许排入城镇污水收集系 统的工业废水和初期雨水等f jj 。由j ：城市污水系生活污水、公共设施排水 以及工业废水的混合物，污染物成分复杂，2 0 世纪6 0 年代，美国学者 曾把污水中的污染物大体划分为如f 几类： ( 1 1 耗氧污染物：系能够较快被微生物降解成为二氧化碳和水的有机 物，它在分解的过程中需要消耗大量的氧，因而称为耗氧污染物。具体包 括碳水化合物、蛋白质、脂肪等，是水体产牛黑臭的主要因素之一。实际 工作中一一般采用生化需氧量( b o d ) 、化学需氧量( c o d ) 等指标表示。 ( 2 ) 致病污染物：主要是一些病原微生物与细菌。如不加以杀灭，可 使人类和动物患上如痢疾、伤寒、霍乱等严重的传染疾病。 ( 3 ) 油类污染物：主要包括石油类和动植物油脂两种。油类污染物进 入水体后将影响水生生物的生长，降低水体的资源价值，而且石油类对幼 鱼和鱼卵的危害很大，还使鱼虾产生石油臭昧，降低水产品的食用价值。 ( 4 ) 酚类污染物：它属于有毒有害的污染物。水体受酚类化合物污 染后，严重影响水产品的产量和质最。浓度高时，甚至可引起鱼类人量死 亡，乃至灭绝。 f 5 ) 金属污染物：主要是指汞、镉、铅、铬、镍，以及类金属砷等生 物毒性显著的元素，也包括具有一定毒害性的一般重金属，如锌、铜、钴、 锡等。通过各种途径进入水体中的金属，绝大部分将迅速转入沉积物或悬 浮物内，进行迁移转化，从而刈人类的健康构成潜在威胁。 ( 6 ) 植物营养物：系指污水中的氮、磷，它们是植物生长的营养元 素，但是过多的氮、磷进入天然水体，极易导致水体富营养化，从而促使 水生植物的大量繁殖、生长、腐败，进而大吊消耗水中氧气，导致鱼虾等 水牛牛物大铸窜息死r ，水质恶化。， 1 1 2 我国城市污水的排放及处理要求 表1 1 给出厂近五年全国污水及其c o d 排放情况i ”。从衷中u 以发 现：从】9 9 9 年起，我国生活污水及其c o d 排放量全面超过j i , l k 废水及其 c o d 排放量，1 9 9 8 2 0 0 2 年问，生活污水及其c o d 排放总壁逐年上升， 与之相比，业废水排放量呈窄幅上下波动状态，与之相应，城l 仃污水总 量则呈小幅上涨状态。 袤1 11 9 9 8 2 0 0 2 年全国污水及其c 0 1 ) 排放状况 废水排放量( 亿吨) c o d 排放量( 万吨) 年度 生活工业总值生活工业总值 1 9 9 81 9 482 0 0 53 9 536 9 5 08 0 l1 4 9 6 1 9 9 92 0 381 9 734 0 ll6 9 726 9 l71 3 8 89 2 0 0 02 2 l1 9 4 4 1 5 7 4 0 7 0 5 1 4 4 5 2 0 0 l2 2 772 0 074 2 847 9 96 0 751 4 0 6 2 0 0 22 3 232 0 7 24 3 9 57 8 2 95 8 41 3 6 6 9 根据我国城市污水处理及污染防治技术政策1 3 l ，全国设市城市和建制 镇均应规划建设城r 丁污水集中处理设施。达标排放的一：业废水应纳入城市 污水收集系统和生活污水合并处理。对不能纳入城市污水收集系统的居民 区、旅游风景点、度假村、疗养院、机场、铁路车站、经济丌发小区等分 散的人群聚居地排放的污水和独立工矿区的工业废水应进行就地处理达 标排放。根据国家环境保护“十五”计划【4 j 、城市污水处理及污染防治技 术政策( 建城 2 0 0 0 1 1 2 4 号) 等要求，2 0 0 5 年伞闰城市污水处理率要达到 4 5 ，5 0 万以上人口城市的污水处理率要达到6 0 以上，2 叭。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 。 关寸二城市污水处理技术要求，以前，我国城市污水处理厂一般根据当 地的具体情况，依据污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 - - 1 9 9 6 ) 和地表 水环境质量标准( g h z b1 1 9 9 9 ) 等国家和地乃的有关水质标准和接 2 纳水体的等级划分( 水质h 标) ，楣m 确定污水处理程度和水质指标。2 0 0 3 年7j j1 日开始实施的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 ) 则进步规定了城镇污水处理厂水污染物、大气污染 物的排放和污泥的控制要求。其中水污染物控制项| 1 根掘污染物的来源及 性质，分为基本控制项目和选择控制项目两类，基本控制项| _ _ 主要包括影 响水环境和城镇污水处理厂一般处理1 艺可以去除的常规污染物以及部 分一类污染物，即化学需氧量( c o d ) 、乍化需氧量( b o d 5 ) 、悬浮物 ( s s ) 、动植物油、石油类、阴离子去污活性剂、总氮、氨氮、总磷、色 度、p h 、粪大肠杆菌数、总汞、烷基汞、总镉、总铬、六价铬、总砷、 总铅共1 9 项，选择项目包括对环境有较长期影响或毒性较大的污染物共 4 3 项。根据城镇污水处理厂排入地表水域环境功能和保护目标，以及污 水处理厂的处理工艺，基本控制项目具体执行标准进一步分为一级、二级、 _ 二级，其中一级又分为a 标准和b 标准，a 标准是城镇污水处理厂出水 作为同用水的基本要求，一类重金属污染物和选择控制项目不分级，基本 控制项目必须执行，选择控制项目刊根据各地条件选择执行。与以前要求 相比，新标准要求更加系统完整，例如在保留污水综合排放标准 ( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 严格一级标准b o d 5 一 2 0 m g l ，s s 一 2 0 m g l ， c o d 6 0 m g l 基础上，增加r 出水回用的一级标准，同时纣目前暂时难 以达到的总磷允许排放标准值( o5m g l ) 予以适当放宽。此外，还增加 ，粪大肠菌数指标。根据该标准，今后绝大多数城镇污水处理厂不仅要考 虑c o d 、b o d 、悬浮物去除，而且要进行脱氮除磷乃至消毒杀菌处理。 但是具体可以根据出水去向要求、当地经济条件和水污染控制要求，分阶 段达到相应标准。 1 1 3 我国城市污水处理现状 我国从7 0 年代提出“环境保护是我国的基本国策”后，开始在城市 兴建一一批污水处理设施和城市污水处理j 。，据1 9 9 5 年统计，全国建成了 大中型城市污水处理厂1 6 7 座，其中包括天津市纪庄子污水处理厂、天津 市乐郊污水处i 嘤j 、北京i “高碑店 o 水处理j 、j i 海市券州* ，f 污水截流 程等幽内外知名的特人， ! 城i 融_ 水治理项m 图l1 给山了1 9 8 81 9 9 8 年，伞闷城市污水处理能力变化情况【5 。 从陶中可以看出我国城市污水处理能力稳步上升，1 9 9 8 年我国城市污水 处理能力达到1 5 8 33 万吨r 1 ，但城市生活污水集l l 处理率仍仅1 03 ； 其中北京生活污水集中处理率最高，为4 03 ，天津、云南次之，分别为 3 72 年f i3 43 。 年度 图1 11 9 8 8 - - 1 9 9 8 年中国城市污水处理能力 自九五计划以来，国家先后推出了针对“三湖、三河、两区、一市、 一海”等重点地区污染治理的专项计划，建设了一系列污水处理厂，据权 威报道，目前我国共建成城市污水处理厂4 5 2 座，其中二、三级污水处理 厂3 0 7 座，城市排水管道约1 58 万公里，城市污水处理率达到3 65 。湖 南省目前污水年排放量为1 65 9 亿吨，污水处理率仅为约2 73 ，低于全 国平均水平，大大低于国家i 五标准( 6 0 ) 。目前，全省在长沙、株洲、 常德等城市已建成运转污水处理j 一2 1 座，但其中1 5 座污水处理厂因资金 困难无法完工运行。 1 五以来，国家在九五计划基础上进步加大了城市污水处理厂投资 建设力度，其中十五重点水污染治理工程二三峡库区、南水北调东线、渤海 碧海行动、“_ ；= ：湖”、“_ 三河”污水处碑厂将投资5 2 7 亿兀，建成污水处州 j3 5 3 个，处理污水总能力将达1 9 9 0 万吨日，具体情况见表i2 l “。 表1 2i 矗重点水污染治理工程污水处理j _ 投资建设计划表 新建、扩建污水处处理能力( 万兀 项目名称投资( 亿元) 理厂( 座)口) 峡库区1 0 68 8 1 8 7 南水北调东线 8 87 33 8 3 渤海碧海行动1 6l l9 3 “三湖” 9 6 2 9 2 6 3 “河”2 2 l1 5 21 0 6 4 1 1 4 我国城市污水再生利用现状与发展”。8 从2 0 世纪8 0 年代开始，我国就开始实施城市污水再生利用，最先采 用污水回用的是大楼污水的再利用，例如北京市在1 9 8 7 年出台的北京 市中水设施建设管理试行办法巾明确规定：凡建筑而积超过2 1 0 4 m 2 的旅馆、饭店和公寓以及建筑面积超过3 1 0 4 m 2 的机关科研单位和新建生 活小区都要建市中水设施，从而使中水回用设施得到了较快发展，推动了 中水的回用。后来又逐渐扩大到缺水城市的各行各业，目前主要的再生利 用途径包括灌溉用水、工业用水、市政用水、环境用水、娱乐和景观用水、 生活杂用水及其他用水等。 目前，我国已经有一大批城市正在实施城市污水再生利用工程或列 入实旖讨划，一些城市拟建、在建污水处理厂已同时对污水的再生利用工 程进行了考虑。例如，高碑店污水处理厂冉生水利用i 。程于2 0 0 1 年3 月 实现全线贯通，成为我国最大的处理水资源化冉利用项目。再生水将作为 第二水源，服务j 二工_ p 、园林、环卫等行q k 每年将节约清洁水约l 亿 m 3 。该再生水利，日j 工程投资3 3 6 亿元，形成输水能力4 7 万m 3 d ，近期 实现3 0 万m 3 d ，其中每天有2 0 万m 3 送往高碑店湖作为补充水，同时供 北京市第热电，。冷却用水。此外，每天有l ( 】万m 3 送往水源六厂，经深 度处砰后，作为一业州水、侧林绿化和市政杂用水。 天津市从2 0 0 1 年起加入城f j 一水阿1 i 利川的范豳和规模。纪n ：子 o 水处理厂：级出水再生回用的梅汀居住区示范t 程、静海县农、【k 灌溉工 程、陈塘庄热电一冷去l j j t j 水1 + 程、 1 津河景观绿化网用工程，以及东郊污 水处理厂二级出水再生网用的程林苗圃一程、再生水冲洗车业等6 项大型 中水回用示范工程将陆续启动。正在实施的梅江小区中水工程每天可为小 区提供1 2 万m 3 的生活杂水。陈塘庄热电厂冷却用水工程拟建设8 0 0 0 m 3 d 的。 l 水厂，对纪庄子污水处理j 出水进行深度处理。卫津河景观绿化工程 设计在卫津河改造后注入纪庄子污水处理厂二级出水，沿岸建设中水站供 高校及居民区生活杂用水。程林苗圃目前的绿化面积是9 6 公顷，年用水 量5 0 万m 3 ，将利用东郊污水处理厂二级出水，通过1 万m 3 d 的中水厂 由管道输送至程林苗圃。 虽然我国在城市污水再生利用技术研究与工程实践方面取得了一定 的进展，但总的来说，城市污水再生利用规模较小，二级处理出水的深度 处理基本套用常规给水处理工岂，一般仅限j 二局部利用或处理，内部利 用，与当前城市污水再生利用的多儿化需求极不相称。城市污水再生利用 技术、经济和产业政策的滞后，丰闩关水质标准与工程技术规范体系的不完 善，极大地限制了城市污水再生年u ) f j 的发展。今后的总体发展将趋向1 二成 熟工艺技术的集成应j = l ；j 、工程建设与工程实施技术的开发、用水对象及其 水质要求的研究、用水水质的保障、用水用户的开发、大规模t 程设施的 建设与运行，以及政策、法规、标准和技术指南的研究编制。 1 2 城市污水处理及中水再生利用技术现状 1 2 1 城市污水处理技术概况4 目前，城市污水处理的l ：要对象是c o d 、b o d 5 、s s 和氮磷等茸养 物质。相应地，典型的城市污水处理l ：艺流程主要包括机械处理、生化处 理及污泥处理等工段。通常地，机械处理称为一级处理，牛化处理称为二 级处理，其b o d s 年| | s s 去除率刈达到9 0 9 8 。此外，处珲效果介f 一级和二二级处州之问的，一般称为姒化级处理、一级半处理或小完全：级 处理，主要有商负荷牛物处理法和化学法两大类，b o d 5 去除率4 5 7 5 。具有生物除磷脱氮功能的二级处理系统通常称为深度：级处理或强 化级处理，为了女除特定的物质，以达到1 1 水同用等目的，在二二级处婵 之后设冒的处理系统叫一：级处理，例如化学除磷，絮凝过滤，活性炭吸刚 等。- 一级机械处理工段包括格栅、沉砂池、仞沉池等构筑物，主要以去 除粗大颗粒和恳浮物为日的，处理的原理在于通过物理法实现固液分离， 将污染物从污水中分离，它是所有污水处理工艺流程必备工段( 尽管有些 工艺流程省去初沉池) ，城市污水一级处理b o d s 和s s 的典型去除率分 别为2 5 和5 0 。级处理强化方法主要有化学强化一级处理( c e p t ) 和生物强化一级处理，其中化学强化一级处理主要是通过投加混凝剂絮凝 吸附以强化污水净化效果，生物强化一级处理主要是利用微生物吸附絮凝 作用，快速去除水中污染物质，同时伴有占次要位置的生物氧化作用。与 常规一级处理相比，强化一级处理不仅使细悬浮颗粒( 2 0 万吨日) 使用，是国内外 广泛采用的城市污水处理工艺。 氧化沟、序批法( s b r ) 、一体化( u n i t a n k ) 都是属于低负荷污 水处理工艺，属于活性污泥法的派生t 艺类型。氧化沟的优点是工艺系统 简单，只用一台或几台曝气转刷或转碟以及沟彤的生物氧化池，具有出水 水质好、污泥产量低等优点：s b r 法是将一组活性污泥池分别在“进水一 曝气反应一沉淀一排水一排泥”的循耶顺序卜运行，以达到连续进水，连 续处理的| _ 二j 的。s b r 法的优点址每个r 弘池既r ，j 作为曝i 池又u j - 以作为扫c 淀池，在不同运行阶段中可以好氧、缺氧的状态运行，起到除碳和脱氮除 磷的作用。，由于多池组合及其运行条件的n j _ 变性，s b r 工艺可适h 于不同 水质及不同的处理要求。负荷变化范围较大。此类 ：艺比较适合规模鞍小 ( 2 0 万吨口) 、技术力量较薄弱的中小城市污水处理厂使用。 早期城市污水处理主要要求去除有机物，即b o d 和悬浮物，随着人 们环境保护意识的不断提高，近年米水体富营养化问题引起了人们普遍关 注，引起水体富营养化的氮磷污染物排放已建市了严格的标准。2 0 世纪 7 0 年代，科学家们基于在城市污水活性污泥法处理中，发现的活性污泥 过剩吸收氮的现象，开发了a o 工艺，即缺氧一好氧生物处理法。该t 艺利用缺氧条件卜，微生物利用化合态氧氧化有机碳的过程将硝酸盐还原 成氮气，从而达到脱氮的目的。在脱氮的同时由于利用了化合态的氧，所 以减少了后续好氧过程中氧化有机碳消耗的氧；在缺氧条件下一些颗粒性 的有机物，或大分子的有机物会发生水解，有利于后续好氧生物处理过程 对有机物的降解。凶此，a o 法不仅能脱氮，还可以在相同条件下起到节 能、改善处理效果和抑制丝状菌乍氏的作用。后来在o 工艺基础 i ， 又进，步开发了现在普遍使用的a 2 0 除磷脱氮经典1 ：艺。近年来，一方 面人们在采用氧化沟工艺、s b r 工艺及一体化法( u n l t a n k ) 处理城市 污水时，也利用上述原理，进行必要的改造，增加除磷脱氮的功能，使污 水处理工艺的除磷脱氮处理深度不断发展。另一方面，日本、瑞士、英国、 德国与荷兰等国相继开发了b a r d e n p h o 、p h e r e d o x 、u c t 、改良u c t 、v 碑 等强化生物脱氮除磷组合新工岂，使氮、磷去除率有明显的提高。 尽管如此，i 司内外经验表明，即使生物除磷系统效率很高，处理出水 中总磷浓度也难以达到o5 m g l 以下，为达到这严格标准，还必须见外 采用其它方法如投加化学药剂，通过化学混凝沉淀来达到【l 。”】。 此外，污水处理仅仅是通过生物降解转化作用和固液分离，使污水得 到净化，同时也将污染物富集到污泥中。级处理工段产生的初沉污泥、 ：级处理工段产生的剩余活性污泥以及二级处理工段产生的化学污泥巾 都含有人醚的有机物剃病麒体，阿日极易腐败发臭，从而造成j ? 次污染。 只有在污泥经过定的减容、减罱和稳定化尤害化处，e 并妥辩处置后，才 算消除污染的仟务真正完成。因此，污泥处理处胃是城市污水处理的重要 组成嗣；分。 、 1 2 2 城市污水化学强化一级处理技术及应用发展【i 7 ”j 化学强化一级处理( c e p t ，c h e m i c a l l ye n h a n c e dp r i m a r yt r e a t m e n t ) 可以说是老技术的新发展，化学强化一级处理( c e p t ) 技术与无机混凝 剂和有机高分了的应用发展密切相关。其具体原理是依据d l v o 理论， 通过铝盐、铁盐等无机混凝剂高价电解质对水中具相反电荷的胶体电荷中 和作用，降低水中胶体的电性，以减弱胶体颗粒问的静电排斥力，促使胶 体脱稳凝聚，实现固液分离。同时利用高分子有机絮凝剂很好的吸附架桥 功能，使已脱稳的凝聚颗粒，在合理动力学条件下快速形成大的絮体，此 后大絮体又碰撞吸附水中原生和次生的微细颗粒物( 1 0 um ) ，从而达 到更有效地脱除水中的s s 、c o d 和p 等污染物质。表14 列出了以污染 物去除百分率表征的化学强化一级处理与常规一级处理效果对比，从表 l4 可以看出与常规级处理相比，c e p t 法污染物脱除敏率提高约2 5 4 0 个百分点，近期投资环境效益较好。而且，c e p t 还具有以下优点： 能降低后续生物处理的负荷和能耗，从而降低整体r 程造价和运 行费用。 除磷效果明显优于a o 、a 2 o 生物除磷工艺，出水磷浓度可以达 到小j 二05 m g l 的排放要求。 表1 4 常规一级处理与化学强化一级处理污水处理效果对比 处理办法 s s ( )b o d ( )c o d ( 1 ( )细菌( )总磷( ) 常规一级处理5 ( 卜一7 02 5 _ 4 07 _ 一l l 化学强化一级处理8 0 _ 9 5 5 口一7 05 5 8 08 5 r 9 58 5 9 5 国外城市污水处理的历史一般从常规一级处理开始，继而逐步改造为 化学强化级处理，进入2 0 世纪7 0 年代后，二级城市污水处理厂迅速发 1 0 展并f 1 趋完善。但近1 0 年来化学强化一级处理又任许多1 1 日家受到重视。， 其r n 瑞典、挪威、芬兰等北欧国家中城镇i i 水处理j 人部分采用化学姒 化一级处理，以较低投资和运行费用达到或接近生化处理效果，尤其是磷 的去除率明显超过生化处理，达到9 0 以j 。e j 前，挪威有2 3 的城镇污 水采用c e p t 法处理。处理能力最大的o s l ow e s t 厂污水处理能力为 4 0 1 0 4 m 3 d 。 我国台湾、香港是研究和利用c e p t 法处理城镇污水的典型城市。香 港昂船洲污水处理j 是目前世界f ：最大的c e p t 污水处理厂，其处理能力 达4 98 m 3 s 。该厂于1 9 9 7 年建成投产，使用三氯化铁和少吊高分子聚合 物作混凝剂，s s 去除率达8 5 以上，b o d 去除率大于6 0 。 美国、加拿大等一些城市也采用c e p t 法处理城市污水，美同南加利 福尼哑四大污水处理j 原来采用传统一级处理工岂，后因人口快速增长和 工业发展，污水厂严重超负荷运转，1 9 8 5 年都改造为c e p t 法处理，通 过投加2 0 m g l 三氯化铁和约02 m g l 高分了聚合物，使处理效率大大提 高，s s 脱除率达8 5 ，b o d 脱除率增加到5 5 以上，磷去除率达到8 5 以上。此外，美国、欧洲不少：级污水处理厂内部都前置或后置c e p t 处 理以强化对磷处理效果。 1 2 3 城市污水处理中水再生利用技术发展 在城市污水再生利用技术研究方面，“八石”期间，建设部守项在青 岛进行了污水回用中试研究，- “七五”期间，国家将“水污染防治及城 市污水资源化”列为科技攻关项目，在天津等地开展了各种污水处理工艺 与回用途径的研究与探索；“八五”期间，国家进一步将“城市污水回 用”列入攻关课题，并在大连、北京、天津、泰安、太顾等城市开展了城 市污水回用于工业的研究和初步的j ：程实践，提供了5 套城市污水回用于 不同回用途径( 工q k 冷却与工艺过程、市政景观、化学工业、钢铁工业和 石化工业) 的成套工艺技术，取得了一定的成果。污水再生利用中的水质 净化、深度处理、水质稳定、管道设备防腐防垢、微生物污染等技术问题 在当时的技术经济水平上得到较全面的解决，一一些城市建立了污水再生利 用 稃。 由于污水成分的复杂性及川川水质的坚求1 i 州，污水心用工岂千菇：w 别，而且在实际污水处理中，往往由于单的某种水处理方法很难达到回 用水水质的要求，而必须采用多种污水处理技术的合理组合，目前，主璺 采用的组合工艺包括【”i ： ( 】) 传统高级处理组合丁岂 - 二级出永一砂滤一消毒 二级出水一混凝一沉淀一过滤一消毒 二级出水一混凝一沉淀一过滤一活性碳吸附一消毒 ( 2 ) 以膜分离为l ：的组合 艺 二级出水一混凝沉淀、砂滤一膜分离一消毒 二级出水一砂滤一微滤一纳滤一消毒 二级出水一臭氧一超滤或微滤一消毒 ( 3 ) 活性碳、滤膜分离为t 的组合l 艺 ：级出水一活性碳吸附或氧化铁微粒过滤一超滤或微滤一消 毒 二级出水一混凝沉淀、过滤一膜分离一活性碳吸附一消毒 二级出水一臭氧一生物活性碳过滤或微滤一消毒 二级出水一混凝沉淀一生物曝气( 生物活性碳) 一超滤一消 毒 以上组合工艺中，传统高级处理组合工艺主要通过砂滤、混凝沉淀、 活性碳吸附等传统方法去除：级生化处理厂未能除去的胶体物质、部分重 金属和有机污染物，并经消毒杀菌才达到相应的回用水质要求。 与之相比，新兴组合工艺则主要从超滤膜技术替代传统工艺中的沉 淀、过滤单元，并进一步将粉末活性碳( p a c ) 与超滤( u f ) 或微滤( m f ) 联用，组成吸刚一固液分离1 艺流程进行净水处理。目前，生物反应器和 膜分离有机结合为核心的膜生物反应器工艺已在欧洲、北美及亚洲一些国 家水处理中得到应用，并被视为一项有前途的废水回用处理系统。 1 3 磁种絮凝及高梯度磁分离在水处理中的应用 1 3 1 磁种絮凝技术在水处理中的应用现状 s i r o f l o c i 艺系磁种絮凝技术在给水处理应用的经典范例。浚工艺系 巾澳人利可f ! 国立研究组织( c s i r o ) 于1 9 7 0 年丌发，其t 艺原则流群如 图12 所示，该工艺的关键则在1 二利用不同p h 值下，微细磁铁矿颗粒( 磁 种) 表胁电性差异，实现水中胶体污染物强化絮凝团聚与磁种的再乍利用： 在p h 6 左右，磁铁矿表面呈阳性，荷正电，从而使水中呈阴性的有机羧 酸类分子粘附于它，并在外磁场作用下团聚长人，实现与水的分离，在 p h l 0 碱性条件下，磁铁矿表面呈阴性，与有机羧酸分子发生相斥，因此 磁分离得到的污泥用苛性钠调节p h 值至1 0 庀右，吸附在磁铁矿表而的 污染物发乍脱刚，再经另一磁体分离，即可实现磁铁矿回收与再生利用【3 ”。 s i r o f l o c 工艺在二卜世纪八十年代就用于给水处理，目前，全球有包括英 国约克郡水_ r 。在内近十家给水处理厂采用该1 二艺。表15 列出了采用 s i r o f l o c 工艺的几家给水处理厂概况 3 4 - 3 5 】。工、l p 实践证明，s i r o f l o c 工艺是 一独特的水处理技术，与传统给水处理工艺相比，它最显著的特点就是水 力停留时间短，处理能力大，对原水水质变化适应能力强。 p h 值调节絮凝剂 石灰氯气 冲洗水回流 图1 2 s ir o f l o e _ = t ：= 艺工艺原则流程图“ 1 3 表1 5 应j ；js i r o f l o c 。1 ”r 艺给水处删时概况 上j _ 名 b e l l b a y y o r k s h i r ek i u h e v l i n g e o r g et o w n ， s h i l f i e l ds o u t h k i l l h e v l i nc o u n t y ， 地理位置r o c h e r l e a y o r k s h i r eu k f e n n a n a g hn o r t h e r n t a s m a n i aa u s t r a l i a ni r e l a n d 处理能力2 0 m l d a v7 5 m l d a v 3 6 m l ，d a v 投资规模 l ln u l l i o n 5m i l l i o n 投产年份1 9 8 01 9 9 51 9 9 7 1 3 2 高梯度磁分离技术及其应用概况 高梯度磁分离( 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 n ，h g m s ) 系2 0 世 纪6 0 年代发展起来的1 种新型磁分离方法，它利用4 i 同磁性颗粒与磁场 中的过滤器内的填料介质( 一般为铁磁性金属纤维) 之间相互作用即 磁场力的作用大小不同，使铁磁性的纤维在磁场中形成一个磁场强度分布 不均匀的高梯度磁场区域，而使区域内磁性粒子为磁力所作用，从而使之 与非磁性颗粒分离i ”】。高梯度磁分离的技术核心是高梯度磁分选设备，矿 物加丁行业通称高梯度磁选机( h i g hg r a d i e n tm a g n e t i cs e p a r a t o r ， h g m s ) ，世界上第台高梯度磁选机系2 0 世纪6 0 年代末由美国麻省理 工人学流体实验室科姆教授研制成功口”，此后，钢毛类微型聚磁介质与铁 铠线圈相结合的k o l m m a r s t o n 工业型现代高梯度磁分离器一经出现，就 以体积小、效率高、结构简单、处理量大、维护容易、适应范围广等一系 列优点，使传统磁分离发生了重大变化。 高梯度磁分离首先f - 1 9 6 9 年在美| - i i 4 川于高岭土提纯，从中去除微米 级、哑微米级二氧化钛、三氧化j 铁等弱磁性杂质粒子f 2 “。此后，又推广 到煤的去硫、铝土矿、锡石矿、稀有金属矿除杂、弱磁性铁矿富集精选。 在实际应用中，人们借助于磁种技术，使高梯度磁分离范围从微细粒弱磁 性物料扩展到非磁性微细颗粒与离了 2 3 - 2 5 】，相应地，应用范围从矿物分选 加【扩展到环境治理与修复、废料处理乃至生物分子分离工程1 2 ”。 下面详细介绍h g m s 在水处理中的应用现状及发展。 1 3 3 高梯度磁分离技术在给水处理中的应用 国内哈尔滨建筑大学采金璞等自1 9 7 8 年以来，针对j 岛梯度磁分离在 给水处理中的应用进行r 系统研究，确立了基j ：高梯度磁分离的净水一l 。 艺，并将之应川到哈尔滨供水j 。、二厂及七厂4 净水处理阻”i ，常州f i f 臼来水公司也采用高梯度磁分离技术处理常州运河水，两者处理效果及主 要操作参数如表16 17 所示，南表1 6 可以看出经高梯度磁分离后i 口 水浊度、大肠杆菌、色度、耗氧量等指标均有明显的效果，次净化后， 重金属、酚可达到饮用水水质标准，溶解磷含量显著降低。 表1 6 高梯度磁分离用于水净化处理的主要操作参数 磁体投加量混凝剂投加量 单位磁场强度( t ) 滤速( m r a i n ) ( m g l )( n l g 几) 常州自来 水公司 2 0 0 4 0 0 5 1 2 02 - 0 4 3 5 哈尔滨水 3 0 - 1 0 03 0 6 000 8 0 1 225 45 表1 7 ( a ) 常州运河水与松花江水磁分离处理效果 水 项目浊度( 度)色度( 度) p h 耗氧量 源 ( r a g l ) 常 处理前 1 0 0 9l82 l67 2 ：| 【5 0 0 ， 运 处理后 9 55 696 82 水 松处理前 4 84 07 l80 8 花 处理后 l1 06 933 l 江 去除率( ) 9 797 55 9 水 嵌j 7 ( b )常州运河水与松花江水磁分离处理效果 水渊项1 1磷( m g l 。)铁( m g i ，)酚( m g i 。)锌t m g i )火肠菌群 常州 处理前 1 03o1 5 22987 22 3 8 0 0 0 运河处理后23 600 1 5o0 1 50 6 0 7 3 水去除率( )7 7l9 039 959 809 99 松化 处理前 0 407 2 00 0 200 l58 0 0 0 处理后 00 20 1 7 o0 0 2 3 江水 上除穿( )9 57 6 41 0 0 实际上，高梯度磁分离处理饮用水( 给水) 工艺和传统工艺相似，先 经过混凝反应和预沉淀，只是用高梯度磁分离取代砂滤与氯化消毒，其处 理费用与传统方法相当，但它具有以下优点： 处理速度快，处理量大。传统砂滤快速滤池滤速仪为8 1 2 m h ， 高梯度磁分离滤速则可达1 8 0 3 0 0 m h ，为传统滤池滤速的2 0 4 3 0 倍。 对磷、细菌等有良好去除效果，出水水质好，而且有阻垢、防垢 等特殊效果。高梯度磁分离技术利用磁场杀菌消毒，无需化学沉 淀，从而避免了二次污染问题，而目添加磁种可以使磷沉淀性能 大为改观，通过高梯度磁分离器后即可达到很高去除效果。因此， 出水水质好，一次净化即可达到饮用水标准。另外，水通过磁场 后有关物理化学性质例如电导率、表面张力、磁化率、p h 、化学 电位会发生质变，能防止其锅炉和热水管道结垢，而且对人、畜 和植物等会带来一定益处，并有利于预防疾病。 高梯度磁分离全套设备紧凑( 仅为传统系统的1 3 ) ，占地面积 少，且易于实现给水净化工艺一体化、自动化。 1 3 4 高梯度磁分离技术在工业废水处理中的应用 在工业水处理领域，高梯度磁分离技术最- 一应用实例是铡铁j 二业废水 处理【3 9 i 。由于钢铁工业废水中具有大量磁性微粒，可以直接采用h g m s 玄除，简单方便。表18 列出_ 厂相关文献报道的钢铁工业废水处理结果1 4 。 1 6 从表t 可以发现，对于f i 问废水成分，h g m s 都能箐降低悬浮物含错， l 叮u 过滤速度比传统工艺提两j 2 03 0 倍，柏j 、v 地，设备占地面积缩小 了2 3 4 5 。表19 列出了h g m s 处理钢铁轧钢废水的t 作参数 4 0 - 4 2 】， 我国宝钢即采用了高梯度磁滤处理轧钢废水。 高梯度磁过滤还可以 jf 发电厂及其它热电厂的蒸汽冷却循环水处 理，从中去除细粒铁磁性氧化物( f e 3 0 4 、y f e 2 0 3 和c t - - f e 2 0 3 ) 、铁磁性 或顺磁性放射性金属元素及化合物。西安热工研究所j i1 9 8 4 年研制出f g 一1 5 9 复合型高梯度电磁过滤器，对电厂蒸汽冷凝循环水中悬浮铁的去除 率达到8 0 以上，比传统电磁过滤器高出一倍左右，随后通过优化设计 二1 9 8 6 年又研制出工业型大容量f g - - 8 0 0 型高梯度电磁过滤器，它的磁 场强度由原来的01 2 5 t 提高到o2 5 0 t ，这样不仅提高了对悬浮物和油质物 的去除效率，而且对f e 3 0 4 、v f e 2 0 3 和a - - f e , 2 0 3 等微粒达到了深度分离， 其对调峰启动冷凝水的悬浮铁去除率达9 5 以上，机组正常运行时，f g - - 8 0 0 出水含铁量小于o 0 1 m g l ，从而大大改善了机炉内部的结垢状况， 延长了锅炉的酸洗周期，并确保机组安全经济运行，具有明显的经济效益。 加拿大原子能有限公司用高梯度磁分离器处理重水铀反应堆直流式次 冷却系统的冷却水，6 0 c o 和”c r 去除率达9 5 ，f e 和”z n 去除率为9 0 ，出口悬浮物浓度可降到o0 1 m g l 以下。而且高梯度磁分离器对高放 射剂量不敏感，十分适宜j 二在该环境中工作【”1 。 表1 8 钢铁t 业