废水高梯度磁分离处理法

利用磁场中磁化基质的感应磁场和高梯度磁场所产生的磁力从废水中分离出颗粒状污染物或提取有用物质的方法。

根据磁场产生的方式,磁分离器可分为永磁分离器、电磁分离器两类;按液流工作方式,每类又有间歇式和连续式之分。永磁分离器所能达到的磁场强度和梯度一般较低,而且磁场强度不能调变,应用范围受到限制。电磁分离器因为在60年代末H.H.科尔姆改用纤维状铁磁性不锈钢毛作基质材料,磁场梯度大大提高,分离能力明显增强而得到普遍重视。70年代以来,磁分离技术的理论研究和应用试验十分活跃,进展较快。在美、日等国用于净化工业废水和电站冷凝循环水的高磁处理装置已正式投产。中国于1978年开始将高磁分离技术纳入水处理研究计划,已在饮用水净化、工业废水处理等试验研究中取得一定成果。

高梯度磁分离器由轭铁、电磁线圈和装填不锈钢毛的分离容器组成(图1)。通电时,电磁线圈产生电磁场,流过分离器的废水中的颗粒物在磁场中受到磁力的作用,被基质──钢毛捕获。磁力愈强,捕获颗粒物的可能性愈大。在理论上,颗粒物所受的磁力(Fm)同磁场强度(H)、磁场梯度(dH/dx)和颗粒物的磁化率(x)和体积(V)等呈正相关关系:

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因此,在磁场强度相同的情况下,高梯度磁分离器的分离能力比常规磁分离器要高,梯度越高,分离能力越强。

所谓磁场梯度是指单位距离内磁场强度的变化。在一定的磁场强度下,梯度的高低同基质的磁化强度、形状、直径、填装率等有关。纤维状不锈钢毛基质磁化强度高,锐边多,直径小,填装率低(4~6%),梯度可高达1000高斯/微米,是普通的小铁球、齿板、钢针等基质所不能比拟的。所以,采用钢毛基质的高梯度磁分离器可以分离一般磁分离器不能分离的磁化率低、体积小的弱磁性细颗粒物。此外,钢毛基质还具有一定的物理和化学稳定性,矫顽力小,捕集点多,过水性能好,是目前公认的最好基质材料。

作用在磁场中磁性颗粒物上的力除磁力外,还有与磁力相斥的重力、水流拖力、摩擦力、惯性力和分子间力等。磁力必须大于各斥力之和,否则不能把颗粒物从水中分离出来。处理工艺、水质、分离设备不同,各种斥力的影响也不同。在水处理工艺中,水流拖力影响最大。而在一定水质条件下,水流拖力主要取决于水流速度,流速越大,颗粒物越易漂走。但在高梯度磁分离器中颗粒物受到的水流拖力远比磁力为小,因此颗粒物在比一般沉淀法和过滤法高数十倍乃至上百倍的流速下仍能被有效地分离出来。这是高梯度磁分离的主要优点之一。

废水中的铁磁性和顺磁性污染物如铁和锰、钴、镍、铬等金属氧化物可直接被磁分离器分离。如用电磁式高梯度磁分离器能有效地处理含强磁性和顺磁性悬浮物的高炉煤气洗涤废水。在磁场强度和流速分别为5千高斯和1.3米/分或10千高斯和3.4米/分的条件下,悬浮固体去除率大于99%。日处理能力57000米3的高磁处理系统,如在磁体内腔直径为3米,工作磁场强度为2千高斯,流速为 2.5米/分,进水悬浮物浓度为2000~3000毫克/升,过滤时间为10分钟,冲洗时间为3分钟等条件下工作,出水悬浮物浓度可降为 5~15毫克/升。而弱磁性或反磁性的污染物则必须通过接种磁种,投加混凝剂,使磁种和污染物形成具有磁性的混凝体,才能被基质捕获,得到分离。分离工艺流程如图2。在进水投加磁种(一般是四氧化三铁)和混凝剂,废水经混合反应后,按规定流速流经分离器。为延长基质的工作时间,防止堵塞,要进行大颗粒污染物的预分离。基质吸附饱和后消磁反冲洗以气水混合反冲洗效果较好,也可用水或非水冲洗。反冲洗出来的混合物直接回用或经机械、水力或磁性分离,磁种可重复使用,污泥则另行处理。磁种使用多次后,表面结垢,活性降低,应用机械或化学方法再生。

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磁种作为磁性媒介,磁化强度要高,矫顽力要小;作为混凝颗粒,粒度一般不应大于320目,这对低浊度水的处理是十分重要的。磁种还可以作为混凝时的晶核,缩短反应时间,又可作为某些污染物的吸附表面,促进共沉淀,这在大量使用时必须考虑。

混凝效果对高梯度磁分离有重要影响。只有使包括磁种在内的所有污染物凝聚,才能使非磁性污染物如石棉纤维、大多数重金属、放射性物质、油类、病毒、藻类、磷酸盐等得以有效地分离,去除浊度、 色度、BOD(生化需氧量)和 COD(化学需氧量)等。如用投加磁种和混凝剂的高磁分离技术能有效地处理生活污水、有机废水(如造纸废水、屠宰废水、印染废水)和受污染的河水等。有代表性的去除率为:BOD60~90%,COD80~90%,细菌99%以上,浊度75~95%,色度90%以上,磷酸盐85~97%。

高梯度磁分离技术用于处理废水中磁性物质,具有工艺简便、设备紧凑、效率高、速度快、成本低等优点。但用于处理非磁性物质,由于增加了接种混凝和磁种分离、再生等操作而使工艺复杂化,成本也相应提高。

电磁高梯度磁分离器的发展方向是研究磁种的分离、再生和循环使用技术;研究减少电耗和提高处理效率的合理处理系统和流程等。超导磁分离器耗电少、磁体体积比具有相同磁场强度和有效孔径的常规磁体小得多,已引起人们的极大兴趣,但目前仍处于试验研究阶段。