磁分离技术在水处理工程中的应用工艺及发展趋势
摘要：本文介绍了磁分离技术的主要应用工艺，综述了各种工艺在处理各种废水时的应用现状。磁分离技术具有分离效率高、分离速度快、占地面积小等优点。磁分离技术与絮凝技术、磁种洗选回收技术、生化技术的结合，是目前污水处理中磁分离技术的发展方向，它大大扩展了磁分离技术的处理对象和应用领域。
关键词：高梯度磁过滤器 稀土磁盘 CoMagTM工艺 BioMagTM工艺 MagBRTM工艺 ReMagdiscTM工艺 磁性生物载体
一、引言
磁分离技术是借助磁场力的作用，对磁性不同的物质进行分离的一种物理分离方法。
磁分离技术可以说是一门比较古老、较成熟的技术，最早应用于选矿和瓷土工业。1845年，美国发表了工业磁选机的专利。磁分离技术作为有磁性差异的两种及多种物质的选别手段，在矿石的精选、煤的脱硫、玻璃及水泥等Ô;¬;料的除铁、高岭土的提纯、生物工程中的细胞分离、石化行业的催化剂回收等领域得到了广泛的应用[1-6]。
磁分离技术用于水处理工程，它又可以称得上是一门新兴技术。从上世纪60年代开始，苏联用磁凝聚法处理钢厂除尘废水，60年代末，美国MIT教授科姆发明高梯度磁过滤器，70年代美国应用磁絮凝法和高梯度磁分离法处理钢铁、食品、化工、造纸等废水。1974年瑞典开始用磁盘法处理轧钢废水，随后的75年日本开发盘式“两秒分离机”。我国从70年代中期到80年代初，将磁聚凝法、磁盘法、高梯度磁分离法用于炼钢、轧钢废水的处理。近年来，磁分离技术在电镀废水、含酚废水、湖泊水、食品发酵废水、市政废水、钢铁废水、厨房污水、屠宰废水、石油采出水等处理方面都取得了一定的研究成果，有的已经在实际废水处理中得到了很好的应用。本文主要介绍水处理工程中磁分离技术的应用工艺。
二、磁分离技术在水处理中的应用与研究情况
一项新技术、一种新设备的研发成功，必将带来大量的应用研究成果。同时，人们在设备的分离净化机理、如何提高设备的分离效率等方面也开展了大量的研究工作。
对水处理工程而言，由于磁分离技术仅仅是一种物理性质的固液分离手段，在实际应用时，很多场合都必须辅以其他相关技术，才能发挥很好的效果。下面，根据磁分离技术的特点，按照应用工艺的划分，对磁分离技术在水处理中的应用研究情况作一介绍。
1、处理富含磁性污染物的污水
无论是开发成功的高梯度磁过滤器还是各种圆盘式磁分离器，在水处理方面，它们的首选应用领域都是钢铁废水的处理。
钢铁热轧/连铸废水、冷轧乳化液等，其污染物98%以上都是强磁性物质，另外还含有部分油类和少量非磁性物质，非常适合用磁分离的方式净化。其工艺简单，占地面积小，处理效果好。图1为一种典型含磁性污染物废水处理工艺流程。
1977年，第一台工业性高梯度磁分离器在日本千叶川崎製鉄（株）投入使用，是HGMS在废水处理中的成功应用例子。处理对象是真空排气过程中的洗涤废水，SS的去除率达到80%，洗涤废水中的固体颗粒主要成分是氧化铁和氧化锰，粒径小于100μm，大部分在20μm以下。之后,日本的钢铁企业开始了大规模的应用,初期实际应用情况见表1。
国内钢铁行业开展应用和研究的单位主要有宝钢、上钢二厂、重钢六厂、南京钢厂、武汉钢院、长沙矿冶研究院等。
美国、日本及我国应用HGMS技术处理钢铁工业废水的报道较多，其应用结果见表2。
由于热轧废水水量巨大，含油多，用HGMS处理热轧废水的实例不是太多。而高炉、转炉除尘废水的磁性稍弱、废水中颗粒粒度细、不含油，所以HGMS大多应用于此类废水的处理，在实际运行中，一般还要投加一定量的絮凝剂，真正采用的工艺和处理含弱磁性颗粒的废水类似。
圆盘式磁分离器多用于处理大水量热轧废水。Per Hedvall报道用MAGNADISC处理轧钢废水，处理水量为45m3/h，当进口ss≤400mg/l时，出口ss＜70mg/l；当ss＜300mg/l时，出口ss＜50mg/l。当投加1～2mg/l高分子絮凝剂时，出口ss均能达到小于20mg/l的效果。
倪明亮、余大宏、龚健、钟威等分别报道了采用ReMagdiscTM磁盘处理轧钢废水的情况。处理水量500m3/h～9300m3/h，进口ss从150～350mg/l，在不投加任何絮凝剂的情况下，出水ss小于50mg/l；投加絮凝剂时，出水均达到小于20mg/l。张金阳报道了用ReMagdiscTM处理过滤器反洗水的情况，在ss高达1000～3000mg/l时，不加絮凝剂其处理效果也都大于90%。杨永乐报道了用稀土履带式磁分离器处理轧钢废水的结果。处理水量30m3/h时，ss的去除率可达95%以上。
在用HGMS和各种圆盘式磁分离器（MANADISC、2秒分离机、ReMagdiscTM）处理轧钢废水非常成熟的今天，仍有科研工作者在继续从事这方面的深入研究。张雪峰等近期报道了用高梯度磁场处理实验平台处理热轧废水，浊度可从111mg/l降到50mg/l以下，铁含量从161mg/l降低到20mg/l左右。
随着人们对设备和各种富含磁性污染物废水的深入研究， 用HGMS和各种磁盘对其处理的技术会日臻完善。
2、处理非磁性或弱磁性污染物污水
利用磁分离技术处理污水，其前提是污水中的颗粒需具有一定的磁性。对于非磁性或弱磁性污染物污水，一般通过投加磁种，然后利用絮凝技术使非磁性物质与磁种结合在一起，然后单独利用磁分离技术或絮凝沉降联合高梯度磁分离技术分离净化废水。这类技术被人们称为“磁种混凝磁分离”或者“磁加载磁分离”技术。
磁种接种技术在矿物磁选领域得到了深入的研究，用于分离不同磁性的矿物，科技人员合成了大量的可选择性的磁性载体。在废水处理领域，磁种没有选择性的要求，一般只要求其：①具有比较强的磁性；②易于回收重复利用。此类废水比较完善的常见的处理工艺流程如图2、图3所示。
两个工艺图的区别：由于ReMagdisc设备不存在反洗，所以可以去掉澄清池，属絮凝悬浮磁分离，磁絮凝体不需沉淀直接靠磁分离设备进行分离。而图2中，HGMS需要反洗，负荷不能过重，否则反洗频繁，故在前面设置澄清池为宜，工艺实为磁粉加载絮凝沉降，磁粉起的作用大部分是加速澄清的“配重”作用以及方便磁鼓回收的“磁种”作用，HGMS磁分离仅起保险过滤作用。工艺中HGMS过滤的来水是澄清池的上清液，所含的悬浮物为非磁性或弱磁性，建议用普通快速过滤器代替。
在磁种研制方面，国内郑学海等利用炼钢厂排放的烟尘和气溶胶凝聚物，研制的廉价磁种，其效果与商品磁粉相当，但价格仅为其1/20，用于有机废水、印染废水、含油废水、重金属废水等的处理。赵爱武利用粉煤灰中的“磁珠”作为磁种，采用高梯度磁分离器处理含磷废水，达到了以废治废的目的。
对于处理钢铁企业废水，可不考虑磁种的回收；对于非钢企业废水，可采用选矿行业的磁鼓回收磁种。
在应用方面，利用Fe3O4磁粉，采用2秒分离机和混凝技术处理玻璃研磨废水，ss去除率达到99%以上，还能同时去除Pb、F，COD以及BOD。郑必胜等将Fe2O3磁粉进行硅烷化处理，得到具有特殊吸附功能的磁粉，通过投加磁种用于强化处理糖蜜酒精废水。另外，郑必胜等还根据食品发酵废水的特征，采用磁种混凝和高梯度磁分离技术对其进行处理，处理后废水的浊度、色度和COD都大幅度降低。熊仁军等采用磁种絮凝£;¬;高梯度磁分离处理城镇污水，实验结果表明，该工艺对去除污水中的磷、重金属有特效，并能同时去除其中的COD Cr、BOD5、SS,出水水质达到或接近国家一级排放标准。
赵红花等利用磁絮凝法处理城市污水，实验表明悬浮颗粒在15min之内，ss去除率达到80%以上，可以显著减少沉淀池体积。青岛剑桥水务公司采用Comag技术，处理污水厂出水作为再生水原水使用，实验结果表明，在ss、TP指标方面都达到了较好效果。北京市政院开展的“高梯度磁分离水处理技术的研究”，通过在污渠水中投加磁铁粉和混凝剂，大大提高沉降速度，出水对总磷、色度、浊度、细菌等有明显改善，比传统方式有很大优势，目前正在进行深入研究。倪明亮等采用ReMagdiscTM工艺，对地下水进行处理，实验结果表明对水中的Fe2＋、SS的去除都具有显著效果。
采用磁种混凝磁分离技术或磁加载混凝沉降技术，还可以对湖泊水、江河水、厨房含油废水、含重金属废水、电厂冷凝水等进行处理，有着广阔的应用前景。
3、磁分离技术与生化技术的结合应用
城市污水中的污染物绝大部分是非磁性的，在其中加入磁种和适当的混凝剂，再通过高梯度磁分离器，能去除污水中的悬浮物、色度、浊度、磷酸盐、细菌等。美国麻省理工学院的研究者对城市污水投加Fe3O4和硫酸铝，进行高梯度磁分离处理，获得了良好的效果。但是，此种技术与混凝沉降没有实质区别，只不过是利用了磁分离来代替了沉降重力分离，对氨氮的去除率低。
为了更好地处理污水中的COD、BOD、氨氮、磷等污染物，只有将磁分离技术与现有的生物处理技术相结合，才可能达到比较好的效果。
（1）BioMag工艺
将CoMagTM工艺与活性污泥法结合，可以达到脱氮除磷的效果。该工艺的实质为生物处理加上加药化学除磷。除磷主要靠化学沉析及混凝磁分离来实现。
目前国内各设计单位在对城市污水处理选择处理方案时一般选择生物除磷脱氮工艺，对化学除磷一般不予考虑。因为较普遍的看法是：“生物法”工艺简单、运行成本低，污泥量少且易于处理；“化学法”则工艺复杂、运行成本高、污泥量多且难于处理。就一般的城市污水水质，按现在普遍采用的生物除磷脱氮工艺，实际很难达到GB8978£;¬;1996中的二级标准，更不用说一级标准了。所以采用BioMag工艺（加药化学除磷强化活性污泥法）处理城市污水有一定的价值。
由于ReMagdiscTM具有超大处理能力，可以用ReMagdisc稀土磁分离机替代图4中的澄清池和HGMS来实现相同的功能。
直接用CoMag加上活性污泥法形成的BiMagTM工艺，不宜用来处理大流量有机废水。大量的活性污泥用澄清池来沉淀，将使CoMagTM的技术优势丧失，导致配重快速沉淀效果变差，澄清池变大，除磷药剂量增加，HGMS反洗次数增加。所以我们认为BiMagTM工艺只适合较小水量的有机废水处理。
（2） MagBRTM工艺
MagBRTM工艺即磁生物反应器（Magnetic Bio-Reactor），它是以类似膜生物反应器（MBR）的Ô;¬;理构造的成套工艺技术，采用成熟的ReMagdiscTM超大流量稀土磁盘分离机（相当于MBR中的膜组件）和利用负载微生物磁种来实现其功能。磁生物反应器主要由磁组件和膜生物反应器两部分构成。
大量的微生物在生物反应器内与基质（废水中的可降解有机物等）充分接触，通过氧化分解作用进行新陈代谢以维持自身生长、繁殖，同时使有机污染物降解。磁组件通过磁分离作用对废水和污泥混合液进行固液分离。
①MagBRTM与MBR有如下类似的特点：
对含碳有机物的去除率高，一般大于90%；
污泥（F/M）负荷低；
所需水力停留时间（HRT）短，容积负荷率高；
抗冲击负荷能力强。
②MagBRTM与MBR的不同点：
MagBR对SS的去除率略低于MBR；
MagBR处理能力超大；
MagBR不存在MBR特有的膜污染问题；
MagBR的能耗低，处理量为1500m3/h（3.6×104m3/d)的设备总功率为4～6.2kW左右；
MagBR的生产成本远低于MBR的生产成本。
③MagBRTM工艺对污染物的去除特点：
第一，对含碳有机物的去除率高，一般大于90%；
由于磁盘的高效截留作用，绝大部分活性污泥都被截留在反应器内，使反应器内部的污泥浓度可达到较高水平，最高可达40～50g/l。大大降低了生物反应器内的污泥负荷，提高了MagBR对有机物的去除率。处理生活污水，COD平均去除率在94％以上，BOD的平均去除率在96%以上。
第二，对氨氮、TN的去除率高；
通过磁盘的分离作用，生物反应器中的水力停留时间（HRT）和污泥停留时间（SRT）是完全分开的，这样就可以使生长缓慢的微生物（如硝化菌）也能够在反应器中生存下来，保证了MagBR除具有高效降解有机物的作用外，还具有良好的硝化作用。处理生活污水，氨氮去除率在98%左右，出水氨氮可达低于1mg/l。
通过控制DO，可使MagBR对TN达到理想的去除效果。在DO浓度较低时，在菌胶团内部存在缺氧或厌氧区，为反硝化创造了条件。反硝化细菌利用硝态氮，将其还原成N2，完成对TN的去除。
④MagBR的缺点及解决方案
MagBR对TP的去除率不高。当采用A/O复合式MagBR时，对TP的去除率约为70%。
其解决方案是：投加化学除磷剂，在MagBR后续工艺中增加化学除磷工艺。
⑤典型应用工艺
图5中，虚线内为MagBR，后半部分为加药化学除磷单元，磁盘截留部分采用长周期排泥方式。一种变异的简化工艺如图6所示。
图5、图6所示工艺，其生物处理部分为传统活性污泥（磁性）、生物膜法两组生物反应器，简化工艺在生物处理的后段好氧段出口投加除磷药剂。
⑥负载微生物磁种（磁性生物载体）
在MagBR工艺中，不是直接采用投加磁粉来作为“磁种”，形成磁性菌胶团，而是采用为工艺研制的一种专门负载微生物用的磁种，也即磁性生物载体。这种磁性生物载体具有普通生物膜法中载体的性能，如多孔、吸附性能与生物挂膜性能优良、耐冲刷、对生物无毒性、比重略大于1，易于曝气形成流化态，同时还具有顺磁性，易于磁分离。使用磁性生物载体的比直接使用磁粉的，其生化处理效果更好。图7为研制的磁性生物载体，粒径规格按用途在0.3~0.8mm之间。
磁分离技术与生化技术的结合应用研究在国际、国内都还处于开始阶段，相信不久的将来，会有越来越多的成果出现并应用于有机废水处理领域。
三、结语
在水处理工程中，磁分离技术就其本质而言，只是一种物理性质的固液分离手段。磁分离设备的进步带动了相关的应用研究，磁分离技术与其他技术的结合，扩大了其在水处理工程的应用领域。
（1）磁分离设备主要为HGMS和圆盘式磁分离器两大类。HGMS以高梯度为特征，圆盘式磁分离器中的ReMagdiscTM以高场强为特征，都已发展成熟。超导磁分离机兼有二者特点，但实际应用还不成熟。
（2）ReMagdiscTM具有超大处理量、占地极小等特点，在圆盘式磁分离器一类中处于国际领先水平。
（3）磁种混凝磁分离工艺以及磁加载混凝沉降工艺在各类废水处理中得到了广泛应用。针对不同废水特点，研究找出适宜的工艺参数，其适用的废水种类会不断增加。
（4）BiMagTM工艺由于有澄清池存在，在接活性污泥法时，不能处理大水量，否则完全失去磁技术的优势；ReMagdiscTM工艺接（磁性）活性污泥法时，再加上磁性生物载体强化，完全可以去掉二沉池，并在生化部分减少污泥量，达到脱氮除磷的效果，可充分发挥磁技术的优势。
（5）磁分离技术与生物处理技术的结合，是水处理工程中磁技术应用的一个发展方向。
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