易 洋，陳立（通信作者），唐珍建，任成全

（中建環(huán)能科技股份有限公司 四川 成都 610045）

0 引言

磁混凝沉淀技術(shù)與高密沉淀技術(shù)的基本原理相同，磁混凝沉淀技術(shù)相對高密沉淀的差異和優(yōu)勢均在于“加入比重大的磁介質(zhì)作為載體，極大加強其重力沉降性”，那么磁介質(zhì)作為磁混凝技術(shù)實施的重要載體［1］，其特性參數(shù)就直接決定了該工藝的技術(shù)可行性。 磁混凝沉淀技術(shù)工程化應(yīng)用至今，其工藝應(yīng)用參數(shù)和磁介質(zhì)粒徑特性都處于定性階段，只能通過現(xiàn)象解釋問題。 鑒于此，研究人員基于對磁混凝沉淀技術(shù)近10 年的研究和工程化應(yīng)用的經(jīng)驗，對該技術(shù)包括磁泥比和系統(tǒng)含固量等工藝應(yīng)用參數(shù)以及磁介質(zhì)粒徑特性進行定量化。

1 磁混凝工藝應(yīng)用參數(shù)

1.1 磁泥比

磁泥比是指系統(tǒng)中磁介質(zhì)與污泥之間的質(zhì)量比例，理論上磁泥比越大越好，因為磁泥比越大，絮團密度越大，沉降速度就越高，但是磁泥比過高，排出相同的尾泥對應(yīng)需要提供更大流量的剩余磁泥，增加了磁回收機的工作負荷，同時降低了系統(tǒng)抗沖擊能力。

1.1.1 研究方法

將系統(tǒng)含固量控制在4 000 mg/L 左右，在最佳攪拌條件下，采用直接觀測沉降界面法考察磁泥比分別為0 ∶1、0.5 ∶1、1.0 ∶1、1.5 ∶1、2.0 ∶1、2.5 ∶1、3.0 ∶1、3.5 ∶1、4.0 ∶1、4.5 ∶1 時的沉降速度。 其測試方法為：取容量為1 L 的透明玻璃量筒，清洗干凈后烤干，取1 L 不同磁泥比的系統(tǒng)漿料，直接倒入量筒，觀測量筒內(nèi)物料群的沉降高度，記錄不同沉降時間點的物料群沉降高度，并計算出沉降速度。

1.1.2 最佳磁泥比范圍的確定

磁泥比與沉降速度關(guān)系曲線如圖1 所示。

圖1 不同磁泥比條件下的沉降速度

由圖1 可以看出：隨著磁泥比增加，沉淀速度隨著增加，但高于2.0 ∶1 時，沉降速度增加明顯減弱，尤其是高于3.5 ∶1 之后，增速更加放緩，如果繼續(xù)提高磁泥比，不但會降低污泥的回流量，影響藥劑的再利用，增加藥劑耗量，還會增加磁介質(zhì)的耗量，從而增加運行成本。

1.2 系統(tǒng)含固量

系統(tǒng)含固量對于磁混凝水處理技術(shù)而言，是一個至關(guān)重要的影響因素，可以直接決定該工藝混絮凝效果和運行成本。 調(diào)節(jié)系統(tǒng)含固量的方法主要是通過調(diào)節(jié)回流磁泥和剩余磁泥的流量來實現(xiàn)：系統(tǒng)含固量偏高時，可以通過降低回流磁泥的流量，提高剩余磁泥的流量，來降低系統(tǒng)含固量；系統(tǒng)含固量偏低時，可以通過提高回流磁泥的流量，降低剩余磁泥的流量，來提高系統(tǒng)含固量。

1.3 研究方法

以相同磁泥比為基準(zhǔn)值，分別設(shè)置不同的磁泥比下回流磁泥流量為：1 000 mL/h、1 500 mL/h、2 000 mL/h、2 500 mL/h、3 000 mL/h、3 500 mL/h、4 000 mL/h、4 500 mL/h、5 000 mL/h、6 000 mL/h、7 500 mL/h，測量系統(tǒng)的含固量變化情況。 從實驗結(jié)果可知：當(dāng)磁泥比小于2.0 ∶1 時，回流磁泥流量對系統(tǒng)含固量有較大的影響；當(dāng)磁泥比大于3.5 ∶1 時，回流磁泥流量對系統(tǒng)含固量的影響較小。 因此，最佳磁泥比區(qū)間應(yīng)設(shè)定在2.0 ∶1 ～3.5 ∶1。 磁泥濃度是衡量磁泥回收率的重要指標(biāo)之一，也是評價磁泥回收效率的一個重要參數(shù)。 磁泥濃度越高，磁泥回收率越低。 磁泥濃度通常被表示為單位體積內(nèi)的磁泥含量，即g/L 或mg/L。 磁泥回收率是指系統(tǒng)中磁泥的總重量占磁泥總量的比例，反映著磁泥回收的效果。 磁泥回收率越高，說明磁泥回收效果越好。 磁泥回收率通常被表示為百分之幾［2-3］。 因此，研究磁混凝工藝應(yīng)用參數(shù)時，僅以G值與GT 值作為混凝攪拌控制指標(biāo)，而引入包含絮凝體的大小、密度等信息的“分形維數(shù)”（df）［4］這一概念，作為混凝效果控制指標(biāo)，其變化可以反映絮凝體的在一定攪拌條件下的形成過程及規(guī)律。 分形維數(shù)通過計算絮凝體的投影面積與最大周長之間的函數(shù)關(guān)系來確定：

式（1）中：A—為絮凝體的投影面；

L—為投影的最大周長；

α—為比例常數(shù)；

df—為絮凝體的二維分形維數(shù)。

用大肚移液管取出少量按特定條件混凝后的懸濁液，置于載玻片上（取樣不宜過多，以便清晰觀測絮體圖像），在顯微鏡下觀測，并在連接于電子顯微鏡攝像鏡頭及視頻影像捕捉器的電子計算機上進行圖像處理，測量出不同絮體的A和L，再根據(jù)lnA和lnL的直線關(guān)系作圖，就可以得到分形維數(shù)。 一個樣本（一張載玻片）上可以采集若干絮團的圖像，每一個絮團有一個對應(yīng)的A和L值，進而可得到lnA和lnL，因此一個樣本可以得到若干個對應(yīng)的數(shù)值點，通過Excel 處理數(shù)據(jù)，可得到擬合直線，其斜率就是分形維數(shù)df。 每組平行試驗得到的dfA和dfB就是兩個分形維數(shù)，求其均值作為該組試驗的分形維數(shù)df。

2 實驗結(jié)果分析

從實驗結(jié)果來看，當(dāng)磁泥比小于2.0 ∶1 時，系統(tǒng)的含固量較低，絮團較小且分散性強；當(dāng)磁泥比大于3.5 ∶1時，系統(tǒng)的含固量較高，絮團較大且聚集性較強。 這說明磁泥比對系統(tǒng)的含固量具有明顯的調(diào)控作用。 此外，在相同磁泥比下，加入不同的磁粒徑，也會改變絮團形態(tài)。

2.1 磁泥比與絮團形態(tài)的關(guān)系

磁泥比是磁混合物中磁顆粒數(shù)量與非磁顆粒數(shù)量的比例，它決定了磁混合物中的磁化強度和磁化方向。 由于磁泥比的不同，所以磁混合物中磁粒子間的距離也會有所不同，這會影響到磁混合物內(nèi)部的磁場分布情況。 在磁泥比較大的情況下，磁粒子間距較遠，磁化力相對較弱；而在磁泥比較小時，磁粒子間距越近，磁化力越大。 因此，磁泥比越高，絮團的凝聚度越差，形狀越扁平；反之則相反。

2.2 最佳系統(tǒng)含固量范圍的確定

為尋求磁混凝工藝最佳的系統(tǒng)含固量，以合流制市政污水治理工程為具體研究對象，在最優(yōu)工藝條件下，采取絮凝池中水樣代表系統(tǒng)含固量，檢測和計算其中絮團的分形維數(shù)，從而建立系統(tǒng)含固量-df 曲線，加以確定系統(tǒng)含固量的最佳范圍。 在最佳工藝條件下，絮凝池中含固量-df 曲線如圖2 所示。

由圖2 可以看出：系統(tǒng)中含固量逐步由1 000 mg/L增加到3 000 mg/L，df 值呈增大趨勢，混凝效果逐漸提高，究其原因，主要體現(xiàn)在4 個方面：（1）隨著含固量增加，絮體體積增大，絮體內(nèi)部的空隙度減??；（2）隨著含固量增加，絮體表面積減少，絮體對流場的干擾作用增強；（3）隨著含固量增加，絮體的運動受阻程度加大，絮體的運動速率減慢。 （4）磁泥比。 磁泥比是指磁化材料的含量與磁化介質(zhì)的比例，它決定了磁化材料在水中的分布情況以及磁化介質(zhì)的使用壽命，磁泥比越高，磁化物質(zhì)在水中分散得越多，磁化介質(zhì)的使用壽命也就更短；反之則相反。 磁泥比的選擇應(yīng)考慮以下5 個方面的問題：（1）磁化材料的性質(zhì)；（2）磁化介質(zhì)的性能；（3）磁化材料的成本；（4）磁化介質(zhì)的耐久性；（5）磁化材料的使用方式。 磁泥比的最佳選擇，由于磁泥比的影響較大，需要根據(jù)實際情況進行調(diào)整，一般來說，磁泥比應(yīng)該保持在2.5 ∶1 左右，這樣既能夠保證絮體的良好形成，又不會使磁化介質(zhì)的使用壽命縮短。 此外，磁泥比過高會導(dǎo)致絮體過于細小，難以被分離；磁泥比過低會影響絮體的形成質(zhì)量。 因此，磁泥比的選擇要結(jié)合具體情況進行判斷。

而當(dāng)系統(tǒng)含固量高于6 000 mg/L 時，df 值反而呈下降趨勢，且系統(tǒng)含固量增加越多，df 值下降越厲害，混凝效果逐漸變差，且會導(dǎo)致沉淀池含固量偏高，沉淀池出水“跑絮”，影響出水水質(zhì)，且降低系統(tǒng)的抗沖擊能力。

2.3 磁混凝工藝應(yīng)用參數(shù)的確認(rèn)

通過上述研究，磁介質(zhì)混凝沉淀水處理技術(shù)水處理系統(tǒng)最佳系統(tǒng)含固量為3 000～6 000 mg/L；最佳系統(tǒng)磁泥比為2.0 ∶1～3.5 ∶1，在此條件下，可提高藥劑的利用率和系統(tǒng)抗沖擊能力，實現(xiàn)系統(tǒng)運行條件“定量化”和智能化。

3 磁介質(zhì)物理特性

磁介質(zhì)作為磁介質(zhì)混凝沉淀水處理技術(shù)實施的重要載體，其物理特性就直接決定了該工藝的技術(shù)經(jīng)濟可行性。 磁介質(zhì)為四氧化三鐵（Fe3O4），是一種具有鐵磁性的黑色晶體，又被稱為磁鐵、磁石、吸鐵石等［5］，在磁場中向兩級定向移動，同時具有能量。 磁介質(zhì)物理特性主要包括粒徑分布、磁性物含量和水分含量。 很顯然，磁介質(zhì)的磁性物含量越高越好，水分越低越好，那么磁介質(zhì)粒徑就是關(guān)鍵：一方面，如果僅僅根據(jù)混絮凝原理，磁介質(zhì)的粒徑越小越好，這樣磁介質(zhì)具有足夠大的比表面積，以便與藥劑充分反應(yīng)。 另一方面，前面確定的混凝方式和常用加載沉淀混凝攪拌強度條件下，磁介質(zhì)過粗，容易沉積甚至板結(jié)于反應(yīng)池池底中，影響磁介質(zhì)的使用效率。

3.1 研究方法

由于采取的試樣為漿料，包含有絮凝劑，所以所采用的篩分方法為濕法篩分。 篩分時先在盆內(nèi)盛放適量的清水（至少能夠淹沒篩面），將安裝有振動裝置的0.25 mm的篩子放入盆內(nèi)，再把漿料試樣倒入細篩，打開振動裝置的開關(guān)，篩子的振動使液體來回通過孔篩，以松散物料層，打碎團聚的顆粒，并使小于0.25 mm 的顆粒進入水溶液中。 經(jīng)過一段時間后將篩子連同篩上物料移到另一個清水盆內(nèi)，繼續(xù)篩分，如此反復(fù)進行，直到通過篩孔的顆粒數(shù)減少到與顆?？倲?shù)相比可以忽略不計的程度為止。 篩分結(jié)束后將篩下物（-0.25 mm）烘干稱重。

取一定質(zhì)量-0.25 mm 物質(zhì)，配置成濃度為15%的漿料，先經(jīng)過實驗室XCRS-74 型滾筒磁選機（激磁電流為3.5 A）粗選得到粗磁介質(zhì)，再采用CXG-90A 型磁選管提純，磁選管的激磁電流為2.5 A，得到純磁介質(zhì)。

3.2 磁介質(zhì)粒徑上限的確認(rèn)

以絮凝池池底沉積的磁介質(zhì)粒徑為上限，取自絮凝反應(yīng)池池底沉積物試樣進行磁性物提純。 所得純磁介質(zhì)篩析結(jié)果如圖3 所示。

圖3 絮凝反應(yīng)池池底沉積物篩析結(jié)果

如圖3 所示各試樣粒度分析結(jié)果可以看出，沉積于反應(yīng)池池底的磁介質(zhì)絕大部分（92.79%）集中在＋100 目粒徑范圍內(nèi)，這部分磁介質(zhì)含量過高嚴(yán)重影響磁介質(zhì)的使用效率和磁介質(zhì)混凝沉淀水處理技術(shù)使用的經(jīng)濟性。

3.3 磁介質(zhì)粒徑下限的確認(rèn)

以磁回收機尾泥中流失的磁介質(zhì)粒徑為下限，取磁回收機尾泥試樣進行磁性物提純，所得純磁介質(zhì)篩析結(jié)果如圖4 所示。

圖4 磁回收機尾泥篩析結(jié)果

如圖4 所示各試樣粒度分析結(jié)果可以看出，磁回收機尾泥中帶出的磁介質(zhì)絕大部分（88.99%）集中在-500 目范圍內(nèi)，這部分磁介質(zhì)含量過高同樣會嚴(yán)重影響磁介質(zhì)的使用效率和磁介質(zhì)混凝沉淀水處理技術(shù)使用的經(jīng)濟性。

3.4 磁介質(zhì)粒徑范圍的確認(rèn)

通過上述磁介質(zhì)粒徑上限和磁介質(zhì)粒徑下限的研究，確定磁介質(zhì)混凝沉淀水處理技術(shù)用磁介質(zhì)適用粒徑范圍為100～500 目之間。 在此粒徑范圍內(nèi)，磁介質(zhì)回收率和循環(huán)利用率均處于最優(yōu)狀態(tài)。 同時結(jié)合磁介質(zhì)生產(chǎn)用棒磨機出料粒徑呈正態(tài)分布的特點，研究人員篩析不同粒徑組成的棒磨磁介質(zhì)，確定＋100 目和-500 目兩種粒級顆粒質(zhì)量之和最小的磁介質(zhì)為磁介質(zhì)混凝沉淀水處理技術(shù)用磁介質(zhì)最佳粒徑范圍。 篩析結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同粒徑組成的棒磨磁介質(zhì)篩析結(jié)果

結(jié)合市場調(diào)研，確定磁介質(zhì)物理特性為：粒徑范圍為-150 目占70%～80%，水分含量＜3%，磁性物含量≥98%。工程應(yīng)用證明，在此物理特性條件下的磁介質(zhì)，回收率可達99.2%，可有效減少非磁性物質(zhì)的含量，降低運行成本。

4 結(jié)論與建議

（1）磁介質(zhì)混凝沉淀水處理技術(shù)工程化應(yīng)用至今，其工藝應(yīng)用參數(shù)和磁介質(zhì)粒徑特性都處于定性階段，尚未實現(xiàn)運行參數(shù)定量化，只能通過現(xiàn)象解釋問題。

（2）磁介質(zhì)混凝沉淀水處理系統(tǒng)最佳系統(tǒng)磁泥比為2.0 ∶1～3.5 ∶1；最佳系統(tǒng)含固量為3 000 ～6 000 mg/L，在此條件下，可提高藥劑的利用率和系統(tǒng)抗沖擊能力，實現(xiàn)系統(tǒng)運行條件“定量化”和智能化。

（3）確定磁介質(zhì)最佳粒徑范圍為-150 目占70%～80%。 工程應(yīng)用證明，在此粒徑范圍的磁介質(zhì)，正常運行狀態(tài)下磁介質(zhì)回收率可達99.2%，有效降低運行成本。