磁化-武汉工商学院

磁化-光合细菌耦合磁种絮凝-高梯度磁分离模块化装置处理印染废水设计吴士筠,孙育平，王亚琦，张华丽 （武汉长江工商学院工学院，湖北 武汉）摘 要：为响应国家“十二五”期间的节能减排工作，我们通过试验，设计了一套磁化技术-固定化光合细菌复合系统结合磁种絮凝-高梯度磁分离装置，目的是为了解决纺织工业染料废水处理进程中，减轻产生的印染废水对水体的污染影响。同时，这种装置，能降低现有污水处理设备的能耗和物耗，实现企业自身节能减排目标。关键词：光合细菌；磁化；磁分离；模块化 中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：2044/ZY（2013）02-0000-00整体装置为磁化、光合细菌复合菌生化处理、絮凝及磁分离、活性炭过滤四部分组成。基本设计思路为印染废水通过磁场经磁化后，再通过复合光合细菌生化反应池，经反应后再投加磁种和絮凝剂，再通过石英砂柱和可调磁场强度的永磁体组成的磁分离主体装置，在磁场和过滤填充材料的双重分离作用下，使得污水中的磁性和非磁性污染物都得到分离截留，最终废水通过颗粒活性炭过滤以达到深层净化水质的目的。该整套装置模块设计简单灵活，创新之处在于模块化的设计，几大模块的优点：第一，采用瞬间过磁技术，使废水磁化，改变物理化学性质，提高废水的可生化性，设备体积小、结构简单、维护容易、费用低、占地少、且无二次污染；第二，采用钕铁硼强磁材料替代电磁体，避免了电磁铁带来的耗能高、易烧毁等问题；第三，光合细菌固定化处理进行，并且联用厌氧菌和光合细菌复合菌处理印染废水，提高处理污水效率，可循环回收利用，减少了运行中的物耗；第四，高梯度磁分离设备采用分层反冲洗技术，冲洗石英砂滤层中回收磁种，浸泡冲洗活性炭颗粒层恢复吸附力，从而提高使用寿命，减少运行成本的目的；第五，制备新型羧甲基壳聚糖铁()配合物有机高分子絮凝剂，联用磁种共同絮凝，便宜高效，且不产生二次污染；第六，它是一项无污染、施工方便、成本低廉的技术,可在各个污水处理领域具有广泛的适用性和推广价值。可根据废水水质情况选择适当的生物菌种，磁种絮凝和磁分离工艺，即对相应的功能模块进行调整；同时运行维护成本低，易于实现自动化程度高的废水处理一体化装置。一、研制背景及意义（一）背景介绍基金项目：武汉长江工商学院大学生创新项目，项目编号“S”, “S”。作者简介：吴士筠（1959-），女，武汉长江工商学院高级实验师，学士。研究方向：生物工程； 孙育平（1980-），男，武汉长江工商学院环保工程师，硕士。研究方向：有机废水处理。印染工业是环境污染中及其严重的产业之一。染料工业废水中含有多种具有生物毒性或“三致”性有机物。据报道：水环境中偶氮染料，如酸性黑52，直接红81等对淡水中微生物群具有毒性，引起淡水水生生态系统微生物的减少，同时造成水体透光率降低，导致水体生态系统的破坏。染料废水有机物成分复杂浓度大、废水量大、色度高、毒性大，同时其排放的间歇性、多变性增加了处理的难度。因此，染料废水是一类成分复杂难降解的废水，很难用单一的模式法等，但都存在各自的优缺点。目前处理印染废水方法有物理法、化学法、物理化学法以及物化-生化组合法1。磁场是一种具有特殊能量的场，水通过磁场经磁化后，水的密度、渗透压、溶解力，水与固体界面的接触电位差都发生改变，研究表明，磁处理作用对水体的理化性质有一定的改变作用，适当强度的磁处理对污染水体的溶解氧、COD、BOD等具有一个瞬间的降低效果。同时适当强度的磁处理对微生物、藻类等的生长有一定的促进作用。由于磁技术有以上诸多优点，并且对微生物有着促进作用，使得磁技术结合微生物处理污水成为一个重要的方向。光合细菌是一类以光作为能源、能在厌氧光照下利用自然界中的有机物、硫化物、氨等作为供氢体兼碳源进行光合作用的微生物，广泛分布于自然界的土壤、水田、沼泽、湖泊、江海等处。光合细菌的菌体以有机酸、氨基酸、氨和糖类等有机物和硫化氢作为供氧体，通过光合磷酸化获得能量，在水中光照条件下可直接利用降解有机质和硫化氢并使自身得以增殖，同时达到净化了水体的目的。因此，在利用光合细菌处理印染废水时，不仅可以高效处理COD,BOD，而且还可以处理其染料，是废水处理中的新宠。磁种絮凝高梯度磁分离是一门新兴的水处理技术，利用废水中杂质颗粒的磁性进行分离；对于水中非磁性或弱磁性的颗粒利用磁性接种技术可使它们具有磁性，在磁场和过滤填充材料的双重分离作用下，从而将废水中污染物分离截留达到净化水质的目的。整套装置由絮凝、磁分离、活性炭过滤三部分组成，磁种以废治废，原料来源丰富，廉价高效，并可反复使用；可调永磁体一次性投入，无需能耗。（二）研究的意义：本研究的方法为物理化学-生化组合法，进行模块化组合，可以对不同性质的污水有针对性的调整。本研究将微生物处理技术中引入磁场，利用磁场对微生物产生正的磁生物效应来提高生化反应速率。其次将微生物（光合细菌）固定化，有利于循环利用和提高生化效率；再次利用磁种絮凝高梯度磁分离处理技术，将废水中杂质颗粒的磁性进行分离，对于水中非磁性或弱磁性的颗粒利用磁性接种技术可使它们具有磁性，在磁场和过滤填充材料的双重分离作用下，从而将废水中污染物分离截留达到净化水质的目的。整套装置由磁化、固定化光合细菌生化处理、絮凝及磁分离、活二、二、设计方案该实验装置模块系统由以下几部分组成：磁化模块：采用钕铁硼强永磁材料，不需耗电，对废水进行活化；光合细菌复合菌生化处理模块：使用厌氧菌（采集于某印染厂厌氧池）挂膜后的生物带和固定化光合细菌（自行购买驯化）复合来生化处理污染物，在有光照缺氧的环境中能进行光合作用，适应环境能力强，繁殖快；絮凝及磁分离模块：絮凝剂是自制新型羧甲基壳聚糖铁()配合物有机高分子絮凝剂，具有投加量少、产生的絮体大、沉降速度快、处理效果好特点；投加磁种进行高梯度分离，以废治废，原料来源丰富，廉价高效，并可反复使用；可调永磁体一次性投入，无需能耗；活性炭过滤模块：石英砂、活性炭等滤材价格便宜，使用周期长，处理量大，可重复进行反冲洗而循环利用。整体装置的工艺路线和运行参数对废水的适应能力强，易于操作维护，能耗极低，有一定的经济环境效益；针对不同性质和类型的废水，可以对相应的模块进行调整，可以做到有的放矢，为实现低成本、高效率、稳定可靠的污水处理提供新思路和方法。（一）设计原理1.磁处理有机废水原理：水通过磁场经磁化后，在流经磁场时吸收了能量，分子中的电子从位能较低的轨道跃移到位能较高的轨道，物质向激发态靠近，使水的密度、渗透压、溶解力，水与固体界面的接触电位差都发生改变；有机污水经磁场处理后溶解氧浓度有所降低，有助于厌氧反应；水经磁场磁化后，pH值增大，厌氧体系较不易发生酸化，为提高水解发酵阶段的速率创造了必要的条件；磁场对水系统的作用具有明显的记忆效应，即当撤掉外磁场后，水系统的物理化学性质能保持数小时或数天。有机废水经过一定强度的磁场后，废水的物理化学性质会发生变化。磁化技术可提高废水的可生化性，通过改变磁感应强度、水温、磁化流速，可以去除COD、氨氮、总磷。利用磁场对微生物的正生物效应，驯化和激活微生物降解有机污染物质的能力2、3。2.复合型光合细菌处理印染废水原理：光合细菌在厌氧光照的条件下,可进行光合磷酸化和光氧化还原反应,迅速利用低分子有机物.利用光合细菌处理有机污水具有工艺设备简单、能耗低、菌体能综合利用和不造成二次污染等优点4、5。将光合细菌法与活性污泥法结合组成的复合光合细菌徽生物菌群，对不同有机废水进行阵解试验结果表明：复合光合菌群具有单一方法处理有机废水的优点。复合菌群比普通活性污泥的比降解效果高出18-39，在复合菌群的微生物组成中，多样性指数高于普通活性污泥且光台细菌的优势明显。3.磁种絮凝与磁分离原理：磁种絮凝：对非磁性颗粒，采用磁种絮凝技术，投加磁种如铁粉、磁铁矿、赤铁矿微粒等，增加体系的磁化率进行化学絮凝，生成磁性絮凝体。这种经过特殊处理过的磁性种子投入之后，在废水中起着“核心”作用，使废水中的杂质与磁种之间通过离子或分子之间的亲和作用，吸附在磁种上，从而强化分离效果得以分离6、7。磁分离过滤：对于具有磁性的污染物，当污水通过强力磁场时，磁场的切割变化使带电荷微粒的等电位点被破坏，使得悬浮颗粒物静电斥力减少而凝聚在一起形成较大的颗粒，然后通过高梯度磁场快速地除去除水中的污染物。至于更小的微粒，则在通过磁性过滤材料时，被捕捉、磁过滤、感应磁吸附、静电吸附去除。磁分离技术主要利用磁力效应，磁分离柱内填充经过加热蒸发法改性的石英砂，即是在石英砂滤料的表面通过化学反应涂附一层铁氧化物改性剂，将铁氧化物的吸附性能与石英砂的机械强度大，质轻、化学性质稳定等性能结合在一起，以提高其截污能力，乃至提高滤料对某些特殊物质的吸附能力等，达到滤除污水中剩余SS的效果，进而降低水中的COD。（二）处理工艺1.固定化光合细菌制备和新型羧甲基壳聚糖铁()配合物制备工艺 光合细菌的固定化采用凝胶包埋法。制备的菌液与载体混合固定成球，使用前活化24h。羧甲基壳聚糖是一种新型的高分子絮凝剂，同无机絮凝剂相比，具有投加量少，沉降速度快，效果好和污泥脱水性能好等特点8。为了使羧甲基壳聚糖能更高效的进行高梯度的磁分离，利用氯化铁对其进行改性，生成的羧甲基壳聚糖铁()配合物不仅具备原有的优点，还能更好的与磁种进行耦合，从而提高高梯度的磁分离的效果9、10。2.磁种的添加和回收技术本试验选用的磁种是化学纯的Fe3O4，含量大于98%，粒径主要集中在2-10m之间，0-11m占90%；采用化学与物理相结合的方法再生磁种，即先用NaOH调节从高梯度磁分离装置冲洗下来的含磁性絮团溶液的pH值，然后通过机械搅拌产生的剪切力将磁种与絮团分开，再经过永磁体进行磁分离，实现磁种的回收11-13。磁种再生的主要影响因素有溶液的pH值、搅拌速度和搅拌时间。实验结果表明，在pH值为9-10，搅拌转速400r/min，搅拌时间为10min的条件下，磁铁将磁种从污泥中吸附出来，用清洁水清洗，磁种再生回收率达90%以上，再生磁种的回用效果与原磁种相当。3.本方案模块化装置整体工艺流程印染废水经磁化模块活化后，进入光合细菌复合菌生化处理模块，经处理后进行调节池，调至合适pH值，加磁种和絮凝剂后搅拌，再利用磁场进行高梯度磁分离，最后经活性炭过滤后清洁回用或排放。如图1所示。图1 处理工艺流程图三、装置流程及处理效果 印染污水进入预处理池，通过格栅拦截大颗粒污染物，在蠕动泵作用下，进入磁化模块活化，以1.5m/s的流速切割磁场24次（磁场强度为350mT）。磁化后的废水进入光合细菌复合菌生化处理模块（复合光合细菌反应池），在光照和搅拌的条件下，污水进行厌氧光合反应2d；处理后废水进入絮凝及磁分离模块，投加磁粉用量300mg/L，搅拌3min，再投加自制新型絮凝剂CMCTS-Fe 40mg/L和助凝剂PAC 80 mg/L，搅拌3min；再通过磁场强度0.3T，流速150m/h通过改性石英砂分离柱；最后经活性炭深度净化后可达到国家一级排放标准。此模块流程图见图3。此模块内污水在1号初沉池经过调整pH6静置后，颗粒杂质从排泥孔排出，部分上清液越过挡板进入2号混凝池，投加磁粉用量300mg/L，搅拌3min，再投加自制新型絮凝剂CMCTS-Fe 40mg/L和助凝剂PAC 80 mg/L，搅拌3min，混匀后通过泵4(a)进入磁分离装置，在强磁场的作用下先通过改性石英砂层，磁滤分离截流其中的污物和磁种，再进过活性炭颗粒层深层进化。如果一次循环出水效果不能达到预期效果，再进过泵4 (b)回流到2号池，循环处理直到水质达到排放标准，最后打开底部的磁种回收与排泥口，分离回收磁种。2号池设计的俯视图如图3所示，利用隔板将结构和工作流程相同箱体分开成两边，当一边箱体处理污水的间隙另一箱体混凝或反冲洗排泥，实现整个工艺的连续操作，提高效率，加大处理量。图2 总体装置流程图图3 絮凝及磁分离模块流程图原印染废水COD为2105mg/L，经生化池处理后COD去除率为71.21%，再经过磁种絮凝高梯度磁分离处理后，整体COD去、去除率为96.19%，最终色度去除率为98.99%，净化出水COD80.70mg/L（未经活性炭深度处理），颜色澄清，无异味。四、 环境经济损益分析本方案环境经济损益分析见表1。表1 环境经济损益分析表项目目前所用常规方法本方案所用方法分析结果是否对环境有利环境损益分析电磁铁钕铁硼强永磁材料永磁铁不需耗电，有利于节能减排是无机絮凝剂羧甲基壳聚糖铁()配合物有机高分子絮凝剂有机高分子絮凝剂易分解，且分解产物对无害是活性污泥法复合型固定化光合细菌产泥量少，减少对后续处理的压力是砂滤池过滤高梯度磁分离分离效果好，经反冲洗可重复使用是经济损益分析本方案磁种易再生，不需投加化学药剂，消除二次污染；处理成本低，采用永磁体做磁分离器无需电耗；羧甲基壳聚糖铁()配合物有机高分子絮凝剂用量少；复合型固定化光合细菌可重复使用。经初步核算，每吨染料废水处理成本可控制在0.7元。五、创新点及应用（一）采用了模块化装置的设计，可以根据不同污水类型和性质做相应的模块调整，更有针对性和效率。（二）采用瞬间过磁技术，使废水磁化，改变物理化学性质，提高废水的可生化性，设备体积小、结构简单、维护容易、费用低、占地少、且无二次污染。（三）采用钕铁硼强磁材料替代电磁体，避免了电磁铁带来的耗能高、易烧毁等问题。（四）光合细菌固定化处理进行，并且联用厌氧菌和光合细菌复合菌处理印染废水，提高处理污水效率，可循环回收利用，减少了运行中的物耗。（五）高梯度磁分离设备采用分层反冲洗技术，冲洗石英砂滤层中回收磁种，浸泡冲洗活性炭颗粒层恢复吸附力，从而提高使用寿命，减少运行成本的目的。（六）制备新型羧甲基壳聚糖铁()配合物有机高分子絮凝剂，联用磁种共同絮凝，便宜高效，且不产生二次污染。这是一种新型的物化-生化法水处理技术，将两种处理方法有效的结合起来，并进行了模块化的设计，工艺优良，处理污水的潜力巨大。本作品所用材料，不会对环境造成“二次污染”，且耗电小，物耗少。模块化设计、便于维护管理和有针对性调整运行参数和方式等优势。适用于印染、化工、制药、医药中间体、染料、染料中间体、农药、造纸、食品、造纸等行业的高COD浓度、高色度、难生物降解有机废水处理工程。经济、社会和环境效益显著，实现企业自身节能减排目标，响应国家“十二五”期间的节能减排工作指标。参考文献：1谢磊，杨润昌，胡勇有PSB在有机废水处理中的应用J环境污染与防治2000，22（4）.2皮科武磁效应在水处理中的应用研究 J 环境科学与技术，2003，26(增刊).3杨昌柱，王敏，濮文虹.磁技术在废水处理中的应用J.化工环保，2004，24(06).4严艳林 磁化水对细菌生长的影响 长江职工大学学报，2003；6（20）.