CN113683167B

CN113683167B - 基于低密度磁性粒子的磁混凝沉淀污水处理***及方法

Info

Publication number: CN113683167B
Application number: CN202111029021.2A
Authority: CN
Inventors: 郑碧娟; 赵皇; 周艳; 霍培书; 汤丁丁; 秦雄; 陈燕平; 刘军
Original assignee: China Construction Third Bureau Green Industry Investment Co Ltd
Current assignee: China Construction Third Bureau Green Industry Investment Co Ltd
Priority date: 2021-08-31
Filing date: 2021-08-31
Publication date: 2023-08-11
Anticipated expiration: 2041-08-31
Also published as: CN113683167A

Abstract

本发明提供了一种基于低密度磁性粒子的磁混凝沉淀污水处理***及方法。污水处理***包括加磁絮凝区、沉淀区和磁分离区，通过在加磁絮凝区添加粒径在100nm～20μm的低密度磁性粒子，一方面通过低密度磁性粒子自身的大比表面积吸附水中大分子污染物，另一方面，通过低密度和低硬度的磁性粒子吸附絮凝颗粒，加快絮体生长和沉淀速率，提高絮凝效果，并减小对设备的磨损；与此同时，在磁分离区添加粒径在50～500μm的大粒径磁粉，通过大粒径磁粉对低密度磁性粒子的吸附，提高低密度磁性粒子的分离回收效率。本发明适用于合流制溢流污染处理、初雨处理和污水深度处理。

Description

基于低密度磁性粒子的磁混凝沉淀污水处理***及方法

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，尤其涉及一种基于低密度磁性粒子的磁混凝沉淀污水处理***及方法。

背景技术

目前，在污水及雨水处理中常用的高效混凝沉淀工艺主要包括加砂高效沉淀池和加磁高效沉淀池工艺。加砂高效沉淀池是一种一级强化混凝沉淀处理工艺，主要特点是在絮凝区投加重质高密度的不溶介质颗粒（如细砂、石榴石、高岭土等），利用介质的重力沉降及载体的吸附作用加快絮体的“生长”及沉淀速度。加磁高效沉淀池的主要特点是通过投加高效可回收的磁粉来进一步强化整个***的絮凝效果和沉淀速度。磁加载絮凝技术具体是向污水中加入混凝剂、助凝剂和磁种，使污水中的杂质絮凝并与磁种结合形成磁泥；然后通过放置于污水内的磁性件对磁泥进行吸附，最后通过脱除装置将磁泥从磁性件上分离出来，以实现对污水的净化。

但是，当前这两类常用的高效沉淀池仍存在以下技术难点：一方面，砂砾和常规磁粉的硬度较大，在输送过程中对设备、管道具有高磨损性，易导致***设备、管道等发生磨损。另一方面，砂砾和磁粉的比重在4.8～5.1，远远高于普通絮凝沉淀的絮体，普通的搅拌器无法实现含有磁粉絮体在池体内的均匀混合。

例如专利CN105060434A公开了一种新型沉淀澄清池，包括加磁絮凝混合反应槽和沉淀槽，利用磁粉的磁性能将磁粉与污泥中的非磁性物质分离。但该方法采用的磁粉粒径仍较大，对污水处理设备的磨损问题仍未能得到解决。

有鉴于此，有必要设计一种改进的基于低密度磁性粒子的磁混凝沉淀污水处理***及方法，以解决上述问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于低密度磁性粒子的磁混凝沉淀污水处理***及方法。开发出小粒径、低密度纳微粒子磁性添加剂，显著降低介质的密度和硬度，有效解决常规加沙和加磁沉淀池的技术难点，显著增强适用性；与此同时，在磁分离设备中，添加少量大粒径磁粉，通过磁粉吸引磁性纳微粒子提高小粒径磁性粒子的分离回收效率。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种基于低密度磁性粒子的磁混凝沉淀污水处理***，包括加磁絮凝区、沉淀区和磁分离区，所述加磁絮凝区添加的磁性粒子为粒径在100nm～20µm的低密度磁性粒子，以提高絮凝效果；所述磁分离区添加有粒径在50～500μm的大粒径磁粉，通过所述大粒径磁粉吸附所述低密度磁性粒子提高介质回收效率。

作为本发明的进一步改进，所述低密度磁性粒子的密度为1.5～4.5g/cm³。

作为本发明的进一步改进，所述低密度磁性粒子为有机复合磁性粒子或者多孔或中空结构的磁性粒子。

作为本发明的进一步改进，所述低密度磁性粒子为多孔聚苯乙烯磁性微球或者多孔或中空结构的磁性水滑石。

作为本发明的进一步改进，所述多孔或中空结构是通过将包含磁性材料和聚苯乙烯的微球进行模板去除得到。

作为本发明的进一步改进，所述磁性材料为Fe、Co、Ni及其合金、含硼磁体、四氧化三铁或者铁氧体中的一种或多种。

作为本发明的进一步改进，所述低密度磁性粒子的粒径为100nm～10µm，所述大粒径磁粉的粒径为100～300µm。

一种基于低密度磁性粒子的磁混凝沉淀污水处理方法，采用以上任一项所述的污水处理***进行处理。

作为本发明的进一步改进，污水处理方法包括如下步骤：

S1.污水进入所述加磁絮凝区后，投加所述低密度磁性粒子和絮凝剂，进行缓慢絮凝；

S2.经步骤S1絮凝后的污水进入所述沉淀区，进行沉淀浓缩，收集澄清水，矾花堆积在沉淀池的下部，形成的污泥也在沉淀区底部浓缩；

S3.将沉淀区底部的污泥抽至所述磁分离区，投加所述大粒径磁粉进行磁泥分离。

作为本发明的进一步改进，所述低密度磁性粒子的添加量为0.5～5mg/L，所述大粒径磁粉的添加量为污泥的0.5～2wt%。

本发明的有益效果是：

1.本发明提供的基于低密度磁性粒子的磁混凝沉淀污水处理方法，在加磁絮凝区添加粒径在100nm～20µm的低密度磁性粒子，一方面通过低密度磁性粒子自身的大比表面积吸附水中大分子污染物，另一方面，通过低密度和低硬度的磁性粒子吸附絮凝颗粒，加快絮体生长和沉淀速率，提高絮凝效果，并减小对设备的磨损，可有效解决常规加沙和加磁沉淀池中砂砾和磁粉下沉过快，混合不均匀的问题。与此同时，在磁分离区添加粒径在50～500μm的大粒径磁粉，通过大粒径磁粉对低密度磁性粒子的吸附，提高低密度磁性粒子的分离回收效率。

2.本发明优选多孔或中空结构的磁性粒子，一方面，能够降低磁性材料的密度，从而降低下沉速率，充分发挥絮凝效果；另一方面，多孔或中空结构能够进一步增加磁性粒子的比表面积，从而提高对水中污染物的吸附。本发明仅通过对常规磁混凝沉淀***中磁种的粒径和密度进行控制，并在分离过程中搭配添加大粒径磁粉，就能够实现高效絮凝沉淀，并保证磁性粒子的高回收率，适用于合流制溢流污染处理、初雨处理和污水深度处理。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在具体实施例中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本发明提供的基于低密度磁性粒子的磁混凝沉淀污水处理***，包括加磁絮凝区、沉淀区和磁分离区，加磁絮凝区添加的磁性粒子为粒径在100nm～20µm的低密度磁性粒子，一方面通过低密度磁性粒子自身的大比表面积吸附水中大分子污染物，另一方面，通过低密度磁性粒子吸附絮凝颗粒，加快絮体生长和沉淀速率，提高絮凝效果，并通过降低硬度减小对设备的磨损；采用同时为了提高小粒径低密度磁性粒子的分离回收率，在磁分离区添加粒径在50～500μm的大粒径磁粉，通过大粒径磁粉对低密度磁性粒子的吸附，提高介质分离回收效率。

具体地，污水处理***的主要装置包括进水区、混凝区、絮凝区、沉淀浓缩区、出水区、污泥循环和排放***、浮渣去除设备以及磁分离设备。通过加药泵将低密度磁性粒子悬浮液加入到导流桶内。通过污泥泵将污泥浓缩区的浓缩污泥回流到反应区，进一步提高沉淀效率。

低密度磁性粒子优选密度为1.5～4.5g/cm³，粒径优选为100nm～10µm，更优选为200nm～5µm，大粒径磁粉的粒径优选为100～300µm。由于磁性材料的比值都较大，可通过将磁性材料与低比重的材料复合得到具有磁性的低密度粒子；或者通过煅烧或溶剂相分离法制备多孔或中空结构的磁性粒子（例如通过高温煅烧或者有机溶剂溶解去除有机相构建多孔或中空结构），以降低其密度和硬度，如此可有效解决常规加沙和加磁沉淀池中砂砾和磁粉下沉过快，混合不均匀的问题。

在一些实施方式中，低密度磁性粒子优选为多孔或中空结构的磁性水滑石。多孔或中空结构可通过将包含磁性材料和聚苯乙烯的微球进行高温煅烧得到，或者将包含磁性材料和醋酸丁酸纤维素的微球进行溶剂相分离得到。采用低密度、小粒径磁性水滑石作为促进絮凝的磁性添加剂，由于水滑石的层状结构以及层间阴离子特性，能够显著提高絮凝效果。

其中，磁性材料为磁性材料为Fe、Co、Ni及其合金、含硼磁体、四氧化三铁或者铁氧体中的一种或多种，铁氧体可选自锰锌铁氧体Mn-ZnFe₂O₄或镍锌铁氧体Ni-ZnFe₂O₄。

一种基于低密度磁性粒子的磁混凝沉淀污水处理方法，采用以上记载的污水处理***进行处理。污水处理方法包括如下步骤：

S1.污水进入加磁絮凝区后，投加低密度磁性粒子和絮凝剂，进行缓慢絮凝；

S2.经步骤S1絮凝后的污水进入沉淀区，进行沉淀浓缩，收集澄清水，矾花堆积在沉淀池的下部，形成的污泥也在沉淀区底部浓缩；

S3.将沉淀区底部的污泥抽至磁分离区，投加大粒径磁粉进行磁泥分离。

其中，低密度磁性粒子的添加量为0.5～5mg/L，大粒径磁粉的添加量为污泥的0.5～2wt%。

实施例1-5

一种基于低密度磁性粒子的磁混凝沉淀污水处理***和方法，通过添加低密度磁性粒子，其自身能够吸附水中大分子污染物和加快絮体生长，从而提高沉淀池的沉淀速率，并降低对设备的磨损。具体如下：

1）进水区

高效沉淀池每2座为1组。每座高效沉淀池进水口均可通过隔离闸板关闭。进水水质要求：SS：70～500mg/L；COD：100～400mg/L；TP≤4mg/L。

2）混凝区

每个高效沉淀池均设有2个混凝池。混凝单元为矩形结构，配有快速搅拌器，用于进水与混凝剂的快速混合。在混凝后，污水经由下溢通道进入高效沉淀池。混凝剂推荐使用聚合氯化铝，投加量（以Al₂O₃计）可取8.5～15mg/L；混凝时间≥2min；搅拌速度梯度G取250s^-1。

3）絮凝区

絮凝池池内装有导流桶将反应池分两部分，每部分的絮凝能量有所差别。导流桶内部絮凝速度快，由一个轴流叶轮进行搅拌，该叶轮使水流在反应器内循环流动。导流桶外壁和池壁间的推流状况导致慢速絮凝，保证了矾花的增大和密实。

通过加药泵将低密度磁性粒子悬浮液加入到导流桶内，在该搅拌区域内悬浮固体（矾花或沉淀物）的浓度维持在最佳水平。

机械絮凝通过絮凝搅拌器完成，该絮凝搅拌器配有变频器，可按水质和处理模式的情况确保优化絮凝所需的能耗供给。

磁性纳微粒子推荐使用粒径为100nm～20 µm左右的四氧化三锰，添加量可取0.5～5 mg/L。絮凝剂推荐使用聚丙烯酰胺，投加量（纯药剂）可取0.6～1.0 mg/L。在峰值流量下的絮凝时间≥6 min。

4）沉淀浓缩区

当进入面积较大的预沉区时矾花的移动速度放缓。这样可以避免造成矾花的破裂及避免涡流的形成，也使绝大部分的悬浮固体在该区沉淀并浓缩。泥斗设有锥状刮泥机。

在斜管沉淀区除去剩余的矾花。通过池内的流态设计使斜管区的配水均匀。避免水流短路，从而使得沉淀在最佳状态下完成。

澄清水由一个收集槽***收集。矾花堆积在沉淀池的下部，形成的污泥也在这部分区域浓缩。

浓缩区可分为两层：一层在锥形循环筒上面，一层在锥形循环筒下面。污泥浓缩主要在下层进行。

斜管区上升流速10～20 m/h；沉淀区上升流速8～16 m/h；污泥回流比1～3%；排泥浓度30～80 g/L；单池峰值排泥量约45 m³/h。

进一步优选地，通过污泥泵将污泥浓缩区的浓缩污泥回流到絮凝池反应区，进一步提高沉淀效率。

5）出水区

斜管上部设有澄清水收集槽，澄清水通过收集槽进入出水渠，汇集排放。出水水质要求：SS≤20mg/L；COD≤100mg/L；TP≤1mg/L。

6）污泥循环和排放***

污泥由浓缩区的底部抽出，部分回流至絮凝池，部分污泥根据泥位自动排出。

高效池内设置超声波泥位计，通过污泥排放泵控制池内的污泥量。浓缩污泥的含水率大约为92%～98%，由污泥排放泵送入污泥处理***进行处理。

7）浮渣去除设备

在沉淀区两侧设置撇渣器，间歇运行，以去除表面聚积的浮渣。

8）磁分离设备

小粒径的磁性纳微粒子添加剂介质回收较困难。因此，在磁分离过程中，额外添加少量大粒径磁粉，通过磁粉吸附磁性纳微粒子提高介质回收效率。磁粉投加量为0.5～2wt%。

表1实施例1-5污水处理数据

实施例	磁性纳微粒子粒径(µm)	磁粉投加量(wt%)	SS去除率(%)	COD去除率(%)	TP去除率(%)	磁性纳微粒子回收率(%)
							1	0.2	1.5	90.3	70.8	87.7	93.1
2	1	1.5	94.6	71.5	92.2	98.8
							3	10	1.5	87.7	68.5	89.6	99.3
4	1	0.5	75.2	56.3	70.3	95.3
							5	1	0	71.8	41.0	56.4	/

从表1可以看出，粒径1µm的磁性纳微粒子效果最佳。磁性纳微粒子粒径过小会导致回收率降低，污染物去除效率略有降低；磁性纳微粒子粒径过大不利于污染物去除。磁性纳微粒子的直径越大越有利于分离回收，而选用小粒径磁性纳微粒子时，若回收时不添加大粒径磁粉，则难以对其进行分离回收。

实施例6

一种基于低密度磁性粒子的磁混凝沉淀污水处理***和方法，与实施例2相比，不同之处在于，添加的磁性纳微粒子为中空结构的磁性微球，密度约为3.0g/cm³，将铁源在碱性环境下富集在多孔聚苯乙烯微球表面及内部，然后高温煅烧，得到多壳层中空FeO微球。其他与实施例2大致相同，在此不再赘述。

实施例7

一种基于低密度磁性粒子的磁混凝沉淀污水处理***和方法，与实施例2相比，不同之处在于，添加的磁性纳微粒子为多孔结构的四氧化三铁，密度约为3.1g/cm³，将四氧化三铁悬浮液与表面包覆醋酸丁酸纤维素的聚苯乙烯微球混合，然后通过丙酮溶解去除醋酸丁酸纤维素，得到多孔结构的四氧化三铁和聚苯乙烯复合微球。其他与实施例2大致相同，在此不再赘述。

实施例8

一种基于低密度磁性粒子的磁混凝沉淀污水处理***和方法，与实施例2相比，不同之处在于，添加的磁性纳微粒子为多孔结构的四氧化三铁与水滑石复合微球，密度约为3.2g/cm³，将四氧化三铁悬浮液与水滑石金属盐溶液混合，并添加少量醋酸丁酸纤维素溶液，通过共沉淀，得到复合微球，然后通过丙酮溶解去除醋酸丁酸纤维素，得到多孔结构的四氧化三铁与水滑石复合微球。其他与实施例2大致相同，在此不再赘述。

表2 实施例6-8污水处理数据

实施例	磁性纳微粒子粒径(µm)	磁粉投加量(wt%)	SS去除率(%)	COD去除率(%)	TP去除率(%)	磁性纳微粒子回收率(%)
							6	1	1.5	94.5	68.9	90.7	99.7
7	1	1.5	94.8	70.3	88.6	99.5
							8	1	1.5	96.5	75.5	98.2	99.9

从表2可以看出，四氧化三铁及其复合粒子的回收率较四氧化三锰更高。同为1µm粒径，四氧化三铁和聚苯乙烯复合微球的处理性能较四氧化三铁略有提升，四氧化三铁与水滑石复合微球对水中污染物的处理效果最佳，水滑石的阴离子交换能力增强了对TP的处理效果。

综上所述，本发明污水处理***和方法，通过在加磁絮凝区添加粒径在100nm～20µm的低密度磁性粒子，降低下沉速率，加快絮体生长和沉淀速率，提高絮凝效果，并减小对设备的磨损，可有效解决常规加沙和加磁沉淀池中砂砾和磁粉下沉过快，混合不均匀的问题。与此同时，在磁分离区添加粒径在50～500μm的大粒径磁粉，通过大粒径磁粉对低密度磁性粒子的吸附，保证低密度磁性粒子的分离回收率。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种基于低密度磁性粒子的磁混凝沉淀污水处理方法，其特征在于：采用基于低密度磁性粒子的磁混凝沉淀污水处理***进行处理，所述基于低密度磁性粒子的磁混凝沉淀污水处理***包括加磁絮凝区、沉淀区和磁分离区；所述加磁絮凝区添加的磁性粒子为粒径在200nm～5μm的低密度磁性粒子，所述低密度磁性粒子的添加量为0.5～5mg/L，以提高絮凝效果；所述磁分离区添加有粒径在100～300μm的大粒径磁粉，所述大粒径磁粉的添加量为污泥的0.5～2wt%，通过所述大粒径磁粉吸附所述低密度磁性粒子提高介质回收效率；

所述低密度磁性粒子的密度为1.5～4.5g/cm³;

所述低密度磁性粒子为多孔聚苯乙烯磁性微球或者多孔或中空结构的磁性水滑石；

所述污水处理方法，包括如下步骤∶

2.根据权利要求1所述的基于低密度磁性粒子的磁混凝沉淀污水处理方法，其特征在于，所述多孔聚苯乙烯磁性微球是通过将包含磁性材料和聚苯乙烯的微球进行模板去除得到。

3.根据权利要求2所述的基于低密度磁性粒子的磁混凝沉淀污水处理方法，其特征在于，所述磁性材料为Fe、Co、Ni及其合金、含硼磁体、四氧化三铁或者铁氧体中的一种或多种。