磁種絮凝技術(shù)在水處理中的研究進(jìn)展

柴社居，莊國(guó)鋒，尼亞瓊

(黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江　哈爾濱　150022)

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磁種絮凝技術(shù)在水處理中的研究進(jìn)展

柴社居，莊國(guó)鋒，尼亞瓊

(黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150022)

綜觀近幾年磁種絮凝技術(shù)在水處理中的研究，著重介紹了常用磁種的分類，主要包括：天然磁種、人工磁種、生物磁種和磁流體；根據(jù)磁種分類，概述了4種常用磁種絮凝技術(shù)的研究進(jìn)展，同時(shí)，對(duì)磁種絮凝技術(shù)在水處理中的今后研究趨勢(shì)進(jìn)行了探討，并得出了一些結(jié)論：磁種絮凝技術(shù)在水處理過程中：(1)方法簡(jiǎn)單易行、處理效果明顯且成本相對(duì)較低；(2)磁種的選擇至關(guān)重要；(3) 藥劑的選取不同會(huì)使沉降最終結(jié)果差異很大。

磁種；水處理；絮凝；研究進(jìn)展

水資源是人類生存重要的資源，良好的水質(zhì)是人類生存和社會(huì)發(fā)展的必需保障。工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢水通常成分比較復(fù)雜，能夠?qū)Νh(huán)境造成嚴(yán)重的污染，所以必須要經(jīng)過凈化處理才能排放或者重新利用。常規(guī)的污水處理主要是通過吸附、萃取、精餾、絮凝沉降、過濾等方法[1]來實(shí)現(xiàn)，但這些方法通常成本比較高而且效率較低。

隨著磁分離技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，越來越多的學(xué)者發(fā)現(xiàn)磁種絮凝技術(shù)不但可以強(qiáng)化污水處理的效果，而且加快其分離效率可以降低處理成本，相對(duì)于傳統(tǒng)的水處理技術(shù)來說，磁分離技術(shù)的優(yōu)勢(shì)十分明顯。然而許多污染物本身并不具有磁性，并不適合直接采取磁分離的方法來處理，為了使不具有磁性的污染物帶有磁性，這時(shí)就可以利用磁種絮凝技術(shù)對(duì)污水進(jìn)行處理。將磁種和污染物進(jìn)行混合，再結(jié)合絮凝劑的使用將他們絮凝成團(tuán)，這樣就可以形成磁性的聚合體，然后再通過磁分離技術(shù)將磁性聚合體去除，這就可以達(dá)到污水凈化處理的目的。磁種絮凝技術(shù)可以清潔高效的處理不具有磁性的污水，而且磁種可以被回收進(jìn)行反復(fù)利用[2]，作為潔凈、節(jié)能和環(huán)保的新技術(shù)，磁種絮凝技術(shù)在水處理領(lǐng)域中越來越受到重視，已經(jīng)在一些工業(yè)廢水和生活污水的處理中被成功應(yīng)用。

1　常用磁種的分類

在利用磁種絮凝技術(shù)處理污水時(shí)，磁種的使用是其關(guān)鍵所在。磁種的選擇主要考慮到磁種的性質(zhì)、磁種的配置成本、磁種回收難度、磁種與污染物的相互作用等因素。降低成本，增強(qiáng)污水的處理效果一直是研究的重點(diǎn)。就目前研究的現(xiàn)狀來看可以根據(jù)磁種的性質(zhì)分為四類：天然磁種、改性磁種、生物磁種和磁流體。

(1)天然磁種

天然磁種的主要成分來源于自然界中天然存在的磁性物質(zhì)，或者是工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的磁性廢棄物。一般情況下天然磁種不需要經(jīng)過特殊的物理化學(xué)處理，通常在保證一定濃度和粒度的條件下就可以直接使用。這類磁種的主要優(yōu)點(diǎn)是成本低，來源廣泛。

(2) 改性磁種

為了使磁種具有更好的吸附能力，有更廣的應(yīng)用范圍，學(xué)者們對(duì)一些天然磁種進(jìn)行了改性處理。改性磁種研究的主要方向是利用絮凝劑或者特定污染物的吸附劑對(duì)天然磁種進(jìn)行處理，使磁種的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生一定的變化，最終增強(qiáng)磁種的除污性能。

(3) 生物磁種

目前應(yīng)用的生物磁種主要是以趨磁細(xì)菌為主體。趨磁細(xì)菌能在細(xì)胞內(nèi)合成尺寸非常小的單磁軸級(jí)磁小體，目前的研究發(fā)現(xiàn)：磁小體主要由鐵的氧化物和硫化物兩種物質(zhì)構(gòu)成。在外加磁場(chǎng)作用下，趨磁細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)方向可以隨著其極性的改變而變化，這就為磁場(chǎng)的應(yīng)用提供了前提。趨磁細(xì)菌可以被動(dòng)吸附和主動(dòng)吸收水中的重金屬離子，這種性質(zhì)是趨磁細(xì)菌可以凈化污水的關(guān)鍵所在[3]。

(4) 磁流體

磁流體是由0.1～100 nm導(dǎo)體材料、載體和分散劑融合在一起而形成的膠體，是前沿的納米技術(shù)之一。大多數(shù)磁流體中的磁性粒子主要是以Fe3O4為主。由于磁流體需要有一定的穩(wěn)定性，所以對(duì)磁性粒子細(xì)度要求較高，通常只能通過化學(xué)方法制備。

2　磁種絮凝技術(shù)的研究進(jìn)展

2.1天然磁種

磁鐵礦粉是應(yīng)用最為廣泛的磁種之一，在磁種絮凝的研究中對(duì)污水處理都有著很好的效果。劉吉生等[4]在城市污水的除磷研究中，將純度大于98%的磁鐵礦作為磁種，并結(jié)合混凝劑硫酸鋁和助凝劑PAM的添加，可以使污水中磷的去除率達(dá)到98.35%。呂玉庭等[5]將天然的磁鐵礦粉作為磁種，在外加磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.25 T時(shí)，會(huì)使煤泥水的沉降速度增快45.99%，而上清液的濁度減小了49.33%。黃自立等[6]在磁種絮凝法處理含鋅廢水的研究中將磁鐵礦作為磁種，在陽離子型PAM絮凝劑的作用下，可以使其上清液中鋅離子的濃度減少到0.83 mg/L，當(dāng)廢水中磁種受到的重力與磁力方向相同時(shí)污水中污染物的沉降速度加快。董戰(zhàn)洪等[7]在礦井污水的處理中也用到了磁種絮凝分離技術(shù)，所用磁種中Fe3O4的含量大于95%，粒徑小于44 μm 的Fe3O4超過了80%，磁種絮凝技術(shù)的應(yīng)用減少了整個(gè)污水處理工藝的時(shí)間，同時(shí)也減少了設(shè)備的使用面積，節(jié)約了用水，運(yùn)行也十分穩(wěn)定。

除了磁鐵礦以外，許多學(xué)者對(duì)一些成本低，磁性相對(duì)較低的磁種也進(jìn)行了研究。鋼鐵廠排放的煙塵和氣溶膠聚合物經(jīng)過布袋收集后，發(fā)現(xiàn)這些顆粒粒度在0.5 μm左右，而且?guī)в写判?，用這些回收的物質(zhì)作為磁種配合絮凝劑PAC的使用，在磁場(chǎng)的作用下可以有效的清潔污染的河水[8]。汪松美等[9]使用鎮(zhèn)江某地的微砂作為研究使用的磁種，這種磁種Fe3O4的含量為10%左右，在磁種絮凝的工藝研究中添加微砂磁種量300 mg/L，PAC投加量為100 mg/L，廢水的pH調(diào)節(jié)為6，磁場(chǎng)強(qiáng)度為400 mT時(shí)，污水中TSS、COD、TP的去除率分別為93.66%、74.29%和89.10%。王貴龍[10-11]從粉煤灰中分選回收磁種，在對(duì)多種工業(yè)廢水的高梯度磁絮凝實(shí)驗(yàn)中都得到了很好的效果，其中磷的去除率可以達(dá)到90%以上。鋼渣作為一種產(chǎn)量大、利用率低、具有良好磁性的廢棄物也開始被研究人員引入到廉價(jià)磁種的研究之中，這項(xiàng)研究可以達(dá)到以廢治廢的目的[12]。

2.2改性磁種

由前面研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)研究是以Fe3O4磁種為主體，進(jìn)行改性處理的。李建軍等[13]在利用共沉淀法制備Fe3O4的過程中加入陽離子型的PAM，使得最終制備的磁種中均勻的分布著粒徑均勻的PAM，在外加磁場(chǎng)的情況下Fe3O4磁種的絮凝沉降能力大大增強(qiáng)，煤泥水的沉降速度明顯加快。王文娟等[14]將Fe3O4作為核心以SiO2作為殼合成了納米磁種，并利用沉積沉淀法將ZrO2包裹到磁種表面，發(fā)現(xiàn)覆蓋ZrO2后的磁種對(duì)水中磷酸鹽具有非常好的吸附性能。曹雨平等[15]利用乙醇和硬脂酸對(duì)Fe3O4磁種表面經(jīng)行表面有機(jī)改性處理，改性后的磁種可以將油污染深井地下水的除油率提升到96.7%。

近年來，一些研究也開始將改性磁種應(yīng)用于污水中微生物的處理。Jiang等[16]將納米Fe3O4與聚合氯化鋁進(jìn)行復(fù)配，將改性后的磁種用于處理銅綠微囊藻。Liu等[17]用核聚糖對(duì)Fe3O4進(jìn)行表面修飾，制備的磁種可以去除水中的藻類。

2.3生物磁種

劉珺等[18]在利用趨磁細(xì)菌吸附Cu2+，Zn2+的研究中發(fā)現(xiàn)：在pH=5、溫度為室溫、吸附時(shí)間為2 h、趨磁細(xì)菌濃度為80 g/L條件下，其夠獲得最佳的吸附效果。宋慧平等[19]經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)趨磁細(xì)菌吸附Cr的最佳條件為：pH=9，溫度為室溫，微生物含量為4 g/L，吸附時(shí)間為5 min，吸附率最高可以達(dá)到99.7%。舒浩華等[20]對(duì)趨磁細(xì)菌處理含鎳廢水也進(jìn)行了探討，得到的最佳吸附條件是：pH=5，趨磁細(xì)菌用量為80 g/L，并且發(fā)現(xiàn)在磁場(chǎng)強(qiáng)度為100 Gs時(shí)吸附率很高，超過100 Gs之后吸附效率沒有明顯的提高。

2.4磁流體

早在20世紀(jì)90年代，科研工作者就開始利用磁流體處理工業(yè)廢水，經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)取得了許多成果。劉峰等[21]利用磁流體吸附廢水中的Cr，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)在最佳條件下，可以使水中的Cr低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。胡君等[22]利用化學(xué)共沉淀法制備了磁流體，然后用添加劑聚乙二醇對(duì)其包裹，當(dāng)pH=11、聚乙二醇用量為2.75 g時(shí)，可以使印染廢水的色度和COD去除率達(dá)到95%和79%。趙靜等[23]在處理印染廢水時(shí)使用的磁流體是通過醇-水共熱法制備的，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)表面活性劑用量是亞鐵量的0.16倍時(shí)，pH為11時(shí)COD降低最多，處理效果最好。

3　磁種絮凝技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

近年來，磁種絮凝技術(shù)對(duì)工業(yè)水處理的研究已取得突出結(jié)果，且部分已運(yùn)用到工業(yè)生產(chǎn)的污水處理，其對(duì)污水的濁度、有機(jī)物及金屬離子有較好的去除效果，故今后可能發(fā)展的趨勢(shì)有：

(1) 隨著磁種絮凝技術(shù)的不斷突破發(fā)展，磁種絮凝技術(shù)與其他技術(shù)的聯(lián)合使用處理廢水將是其必然發(fā)展趨勢(shì)，會(huì)對(duì)水處理的工業(yè)發(fā)展起到高效、高能推進(jìn)的作用。

(2) 在工業(yè)及生活應(yīng)用中，養(yǎng)殖廢水的“三高”污染及粉煤灰對(duì)環(huán)境的污染已日益嚴(yán)重，鑒于磁種絮凝技術(shù)的眾多優(yōu)點(diǎn)，擴(kuò)大其對(duì)排量大、污染重的養(yǎng)殖廢水的處理及對(duì)煤泥水的處理將具有較好的可行性和經(jīng)濟(jì)效益，也是磁種絮凝技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

(3) 雖然磁種絮凝技術(shù)已開始在一些工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用，對(duì)其作用機(jī)理有了一定的探討，但對(duì)其作用機(jī)理的解釋仍不夠完善，不夠系統(tǒng)，大多數(shù)都是在特定的實(shí)驗(yàn)條件下完成的。所以，在動(dòng)態(tài)、非特定條件下，對(duì)機(jī)理的探討將是以后研究的重點(diǎn)所在。

(4) 在磁種絮凝技術(shù)的發(fā)展過程中，高效磁種的研究具有很大的發(fā)展空間，易吸附，易再生的磁種將會(huì)大大增強(qiáng)磁分離技術(shù)的適應(yīng)能力；磁種絮凝技術(shù)在水處理過程中添加不同的藥劑會(huì)具有不同的加藥制度，故加強(qiáng)此方面的研究具有一定的意義。

4　結(jié)　論

(1) 磁種絮凝技術(shù)是一項(xiàng)先進(jìn)的水處理技術(shù)，此技術(shù)結(jié)合了絮凝劑和凝聚劑的使用，會(huì)加快污水的沉降速度，提高污水處理的效率，同時(shí)，其處理方法簡(jiǎn)單易行、處理效果明顯且成本相對(duì)較低。因此，磁種絮凝技術(shù)的應(yīng)用將越來越廣泛，必將在我國(guó)水處理領(lǐng)域發(fā)揮極大的作用。

(2) 磁種絮凝技術(shù)在水處理中磁種的選擇至關(guān)重要。在選取時(shí)既要考慮磁種的成本、來源和對(duì)水處理的效果，同時(shí)也要考慮磁種的配制和研發(fā)，另外，研制具有選擇性吸附的磁種會(huì)使某些含有多組分復(fù)雜混合物的污水凈化成為可能。

(3) 在磁種絮凝技術(shù)對(duì)水處理的過程中，藥劑的選取不同會(huì)使沉降最終結(jié)果差異很大。選擇合適的絮凝劑是磁種絮凝的關(guān)鍵所在。但是由于磁種和磁場(chǎng)的介入，對(duì)加藥制度會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

[1]王軍,陳衛(wèi)東,賈紹義,等.磁化技術(shù)在化工領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].化學(xué)工業(yè)與工程,2000, 17(3):177-183.

[2]國(guó)繼征,王金和,趙星.礦井超磁分離水體凈化技術(shù)與應(yīng)用[J].煤礦機(jī)電,2011,2011(3): 87-89.

[3]劉珺,周培國(guó).趨磁細(xì)菌應(yīng)用于重金屬廢水處理的研究進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué),2008,21(6):60-66.

[4]劉吉生,黃自立,肖文松,等.城市污水磁化絮凝-高梯度磁分離除磷研究[J].礦業(yè)工程,2003,23(5):24-23.

[5]呂玉庭,趙麗穎,楊強(qiáng).磁種絮凝對(duì)煤泥水沉降效果的影響[J].黑龍江科技大學(xué)學(xué)報(bào),2014,24(2):153-156.

[6]黃自立,陳治華,夏明輝,等.磁種絮凝-磁分離法處理含鋅廢水的研究[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào),2010,33(3):323-326.

[7]董戰(zhàn)武,任衛(wèi)艮,崔榮,等.磁種微絮凝強(qiáng)磁分離凈化技術(shù)在礦井污水處理中的設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].煤炭工程,2013(12):22-24.

[8]潘涌璋,梁瑛瑜.磁種-磁濾技術(shù)處理污染河水的試驗(yàn)研究[J].四川環(huán)境,2005,24(2):15-17.

[9]汪松美,段明飛,解清杰,等.微砂-磁沉降快速除污工藝試驗(yàn)研究[J].環(huán)境工程,2012,30(5):35-38.

[10]王貴龍.回收粉煤灰中磁珠處理含磷廢水[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2003,31(1):54-55.

[11]王貴龍.回收粉煤灰磁珠在廢水處理中的應(yīng)用[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2004,5(3):88-89.

[12]汪玉嬌,高國(guó)才,郭華.磁分離技術(shù)在水處理中的研究現(xiàn)狀及開發(fā)鋼渣磁種的可行性[J].冶金設(shè)備:2014(S1):109-111.

[13]李建軍,朱金波,李蒙蒙,等.磁性絮凝劑的原位共沉淀合成及其在煤泥水處理中的應(yīng)用[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,40(11):1712-1716.

[14]王文娟,張海鵬,韓玉香,等.磁性Fe3O4@SiO2@ZrO2對(duì)水中磷酸鹽的吸附研究[J].無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào),2014,30(12):2726-2732.

[15]曹雨平,鄧陽清,劉延凱.改性磁種-活性炭工藝處理油污染深井地下水[J].環(huán)境污染與防治,2011,33(5):79-86.

[16]Chen Jiang, Ren Wang, Wei Ma. The effect of magnetic nanoparticles on Microcystis aeruginosa removal by a composite coagulant[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspecta,2010,369(1-3):260-267.

[17]Dan Liu, Fengting Li, Bingru Zhang. Removal of algal blooms in freshwater using magnetic polymer[J]. Water Science and Technology,2009,59(6):1085-1091.

[18]劉珺,周培國(guó),張齊生.趨磁細(xì)菌處理含Cu2+,Zn2+廢水的應(yīng)用研究[J].環(huán)境科技,2013,26(4):20-24.

[19]宋慧平,李鑫鋼,孫津生,等.生物磁分離新技術(shù)處理含鉻廢水最佳條件的研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2007,1(10):22-26.

[20]舒浩華,王艷紅,孫津生,等.趨磁性細(xì)菌-磁場(chǎng)處理含鎳廢水的研究[J].離子交換與吸附,2005,21(4):265-269.

[21]劉峰,羅新.磁流體對(duì)工業(yè)廢水中Cr(VI)的吸附[J].大連大學(xué)學(xué)報(bào),2008,29(3):119-123.

[22]胡君,顧平道.處理印染廢水用低成本磁流體的制備[J].工業(yè)安全與保護(hù),2010,36(5):14-15.

[23]趙靜,劉勇鍵.磁流體在印染廢水處理中的應(yīng)用研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2008,33(5):118-120.

Research Progress on Magnetic Seeds Flocculating Technology in Water Treatment

CHAI She-ju, ZHUANG Guo-feng, NI Ya-qiong

(College of Mining Engineering, Heilongjiang University of Science and Technology,HeilongjiangHarbin150022,China)

Throughout the research of magnetic seeds flocculating technology in water treatment in recent years, the classification of magnetic seeds was emphatically introduced, including the natural, the artificial, the biological and the magnetic fluids. According to the classification of magnetic seeds, the current research progress on the four kinds of natural magnetic seeds was summarized and the trend of this technology in water treatment was discussed. Some conclusions were drawn: in the process of magnetic seeds flocculating technology in water treatment, the method was simple, the effect was good and the cost was low, the choice of the classification of magnetic seeds was essential, with the difference of the additives, the difference of the results was very obvious.

magnetic seeds; water treatment; flocculating; the research progress

柴社居(1991-)，男，碩士，專業(yè)方向：潔凈煤技術(shù)。

X751

A

1001-9677(2016)016-0047-03