4 磁化用于有機廢水的處理

　　有機廢水處理是當前污染治理的一個(gè)普遍問(wèn)題，傳統方法有活性污泥法、生物膜法、厭氧反應器法、氧化塘法等。前兩種方法是目前二級處理廠(chǎng)應用最廣泛的方法，其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)比較成熟，運行穩定，出水可達允許排放標準，但缺點(diǎn)也很突出，基建投資大、運行費用高昂，尤其運行費之高，使許多單位望而生畏，無(wú)力負擔如此之高的運行費用，因此，常常對污水不加處理而直接排入江河湖海�；春恿饔�1994年發(fā)生的流域性污染災害，就是傳統污水處理模式費用太高所帶來(lái)的直接后果。為實(shí)現可持續性發(fā)展戰略，我國的國情要求我們必須開(kāi)發(fā)一種投資少、效率高、運行費用低的污水處理技術(shù)。針對這一實(shí)際，我們在90年代初，根據磁化水能改變水的一些物理特性，改善生物機能、促進(jìn)生物生長(cháng)、提高農業(yè)、水產(chǎn)產(chǎn)量和治療保健等經(jīng)驗，開(kāi)展磁化人工生態(tài)系統方法處理和利用有機廢水的研究，近10年的大量實(shí)驗研究和初步應用證明，這一方法是行之有效的，實(shí)際應用是成功的，有必要廣泛推廣，并在實(shí)用中進(jìn)一步完善，以保持社會(huì )經(jīng)濟可持續發(fā)展的良性循環(huán)。

　�。�1）去除COD的效應與分析在水中有氧的情況下，通過(guò)改變磁感應強度、水溫、磁化流速等對各種污水進(jìn)行了一系列實(shí)驗，結果表明：水溫對污水瞬間通過(guò)磁化器直接去除COD沒(méi)有影響。磁化流速2.5m/ｓ時(shí)最好，這時(shí)對形成核磁共振比較有利，磁化去除COD的能力較強。常溫下磁化流速2.5m/ｓ左右，磁感應強度0 .262～0 .315T下，上述各類(lèi)污水的COD直接去除率平均醫院污水為2 5. 4%，印染廢水為21. 2 % ，城鎮污水為16.4% （磁化流速為2.5m/ｓ時(shí)為20.0 % ）、橡膠業(yè)廢水為11.3 % ，造紙廢水為8. 1% ，葡萄糖水為17.8% ，淀粉水為11 .1% ，氨水為8.1% .另外，為查明瞬間磁化直接使COD減少的原因，還對去離子水、自來(lái)水和城鎮污水磁化前后的溶解氧進(jìn)行測試。常溫下磁化流速2.0m/ｓ，最佳磁感應強度0 .315T，4組去離子水磁化前后的溶解氧濃度不變，磁處理對溶解氧無(wú)影響；5組自來(lái)水磁化后溶解氧略有降低，平均減少4. 1 % ；12組城鎮污水，磁化后溶解氧平均減少24. 7%.這種瞬間磁化使污水有機物降解和溶解氧減少的現象，稱(chēng)磁處理污水的直接效應。這一作用并非水中微生物酶引起的有機物分解，也非磁化使水中有機物分子的化學(xué)鍵斷裂，而是磁處理引起核磁共振激活了水中的溶解氧，促使部分有機物氧化分解。這可從三個(gè)方面來(lái)分析：一是上述實(shí)驗中，葡萄糖、水、淀粉水、氨水均為蒸餾水配制，其中沒(méi)有微生物，顯然瞬間磁化使污水COD降低并非微生物酶的作用；二是水和有機物分子的化學(xué)鍵斷裂，需要消耗相當大的能量，如水分子的氫鍵斷裂需 4～ 6千卡 /克分子的能量，如此之低的磁感應強度所提供的能量很小，無(wú)法使化學(xué)鍵斷裂；最后，帕特羅夫的實(shí)驗一定程度上證實(shí)了上述論斷，他使有溶解氧的水連續從感應磁場(chǎng)中通過(guò)，水中則產(chǎn)生5×10-5%的h₂O₂ ，這是一種很強的氧化劑，可使水中的有機物直接氧化分解。另外，我們還做了對污水多次連續反復磁化的實(shí)驗，可見(jiàn)隨著(zhù)磁化次數的增加，每次去除COD的比率急劇變小，并趨于水平。因此，將磁處理技術(shù)應用于實(shí)際時(shí)，應使磁處理器間水流有一段時(shí)間的恢復過(guò)程。經(jīng)驗表明，水力滯留時(shí)間約 2～ 3d以上為佳。

　　厭氧條件下磁化對提高水中有機物分解也有很好的效果，且更為顯著(zhù)。我們取 4組城鎮生活污水做實(shí)驗，溫度保持在40℃，最佳磁感應強度仍為 0 .315～ 0 .368T，厭氧培養10d測試COD，表明磁化使COD的去除率提高21 %～2 8% ，平均為24.5% .其效果即使肉眼也能清楚看出，但機理尚需進(jìn)一步研究。

　�。�2）水磁處理生態(tài)效應及間接凈化影響外加磁場(chǎng)對生物影響稱(chēng)生物磁效應，可分為生物分子效應、細胞效應、組織器官效應及整體效應，例如病毒為單純的大分子微生物、細菌、真菌基本上為單細胞微生物、原生動(dòng)物、高等生物為不同功能器官所構成，其組織器官又為細胞組成。污水中生物種類(lèi)繁多，構造與功能各異，它們通過(guò)某一強度的磁場(chǎng)時(shí)，受到的影響也很不相同。從整體上說(shuō)，有些被抑制，甚至死亡；有些被激活，加快新陳代謝和生長(cháng)，間接上提高了凈化污水的作用。對此，做了以下幾個(gè)方面的系列實(shí)驗和分析：

　�。╝）污水磁化具有很強的滅菌作用。磁感應強度0.315～0 .420T下，磁化流速2 .0～2.5m/s，3組水樣的情況基本一致，滅菌率為 74%～ 81 % .連續反復磁化，滅菌率則提高不大，說(shuō)明有些種類(lèi)的菌群能夠抵御磁場(chǎng)的作用，甚至激活其代謝能力，會(huì )更快地生長(cháng)和降解有機物。磁化處理滅菌原因，可歸納為：一是在磁場(chǎng)的直接作用下，引起 BOD、COD降低，使異養微生物的能源和C素營(yíng)養物質(zhì)減少，導致水體異養菌死亡速度大于增殖速度，于是出現負增長(cháng)現象，二是磁場(chǎng)力直接作用于細菌細胞內的水和酶，使酶鈍化或失活。而B(niǎo)OD數值的降低是細菌總數減少的反映，一方面在外加磁場(chǎng)直接作用下，BOD隨COD指標的降低而降低，另一方面，在外加磁場(chǎng)作用下，水體中功能微生物 （以細菌為主 ）受到影響，一部分細菌適應能力強，生命代謝活動(dòng)不受到干擾，或者雖受到干擾但經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后可以恢復到正常狀態(tài)，這部分細菌以更強的適應能力生存下去，大部分細菌受到外界磁場(chǎng)作用下，由于體內外水的理化性質(zhì)的變化 （如電導率、表面張力等 ）以及酶的鈍化、失活，不能適應而發(fā)生死亡現象，功能細菌數目的急劇減少，造成了BOD指標的降低，因此認為磁處理后 BOD降低是水中細菌總數減少的反映。綜上所述，可以得出這樣一種認識，外界磁場(chǎng)作用于微生物，對微生物的影響存在有害的一面，也存在有利的一面。磁處理具有殺菌效果，當磁場(chǎng)強度加大到2100 GS（4A）以上，可以使70 %以上的細菌死亡。施加磁場(chǎng)可以看作微生物生存環(huán)境的突發(fā)改變，能夠經(jīng)得起周?chē)�環(huán)境及體內離子、電子傳遞速度變化的細菌繼續生存下來(lái)并且維持正常的生命代謝活動(dòng)，這部分細菌具有更強的適應能力，或者說(shuō)具有更強的生物活性。

　�。╞）活性污泥磁化會(huì )明顯提高其活性，從而增強污水的處理效率。我們取7組活性污泥，在37℃恒溫下觀(guān)測不同磁強處理后的甲基蘭脫色時(shí)間，表明0.367T下脫色時(shí)間由無(wú)磁化的 2 9h減少至2 4h，污泥活性增強1 7% ，原因就在于磁化后生存下來(lái)的微生物有更大的增殖和代謝能力。為證明這一論斷，又取3組造紙中段廢水稀釋水樣，分別在不磁化和磁化處理后標準溫度下培養，測得它們的BOD5，后者均比前者高，平均高13 % ，可見(jiàn)磁處理既有滅菌作用，也有激活某些功能微生物的作用，并加速有機物的降解。

　�。╟）磁化使藻類(lèi)光合作用大大增強，顯著(zhù)地提高了水中的溶解氧。常溫下取2組同樣的污水實(shí)驗，3天后磁化水中綠藻生長(cháng)旺盛，非磁化水幾乎看不到藻類(lèi)。另外，又取3組生活污水用明暗瓶對比實(shí)驗磁處理對藻類(lèi)產(chǎn)氧能力的影響，都表明磁感應強度0.367T時(shí)污水的藻類(lèi)產(chǎn)氧能力最高，比非磁化的平均高出1 .1倍，按藻類(lèi)固炭生產(chǎn)力與產(chǎn)氧能力的關(guān)系推算，藻類(lèi)的生產(chǎn)力也將提高1.1倍，這與農業(yè)上磁化水使作物顯著(zhù)增產(chǎn)和大大提高種子的發(fā)芽率的結論一致。其原因主要是：①磁化污水使有機物分解加快，為藻類(lèi)生長(cháng)提供了充足的Ｃ，N，p等營(yíng)養物；②磁化使生物膜滲透性增加，給藻類(lèi)吸收營(yíng)養元素創(chuàng )造了有利條件；③磁化使水的透光性增強，為藻類(lèi)光合作用提供了更好的光能。水中溶解氧的增加，又促進(jìn)了水中微生物的生長(cháng)和有機物分解，二者相互促進(jìn)，導致有機廢水加速分解。

　�。╠）污水磁化可促進(jìn)高等水生生物生長(cháng)，有利于污染物的去除。我們以泥鰍做實(shí)驗，在 3個(gè)水桶（10L）中，1個(gè)未磁化，2個(gè)被磁化，磁強分別為 0 .03T和0 .25T，分別放養1 .5kg的泥鰍，其他條件相同，3個(gè)月后所有磁化的水中泥鰍產(chǎn)量均高于未磁化的，平均產(chǎn)量提高1 5%～ 2 0 %.另外，還對泥鰍的耐污能力和同化COD進(jìn)行實(shí)驗，表明未磁化水桶中放養的50條泥鰍到第5天時(shí)全部死去，磁化的水桶中的50條在第7天時(shí)還有23條存活下來(lái)。由于高等水生動(dòng)物通過(guò)食物鏈使有機物分解轉化，間接上提高了污水的凈化能力3組水樣測定7天后的COD，表明被磁化且養有泥鰍的 2、3號水桶的COD去除率比無(wú)磁化、無(wú)泥鰍的提高2 0 % ），并使之以更高的速度轉化為對人類(lèi)有用的產(chǎn)物，變廢為寶，防止了二次污染。

　�。�3）磁化人工生態(tài)系統方法凈化污水應用實(shí)例1980年在原污水站基礎上，建成了一個(gè)磁化人工生態(tài)處理系統工程，主要由二級磁化和3個(gè)生態(tài)池組成。該處理系統有效占地面積770m2 ，平均日處理醫院生活污水和病房污水700t.污水直接排入預沉調節生態(tài)池，水力滯留時(shí)間約4. 0h，經(jīng)水泵提升和一級磁化，進(jìn)入放養大量魚(yú)類(lèi)的生態(tài)轉化池，水力滯留2 .0～ 2 . 5d，再次磁化并自流到設有許多垂直生態(tài)濾管的金魚(yú)池，滯留時(shí)間 2.5～ 3.0d，通過(guò)生態(tài)濾管集中后排出，出水達三級地面水標準，供醫院綠化和清洗之用。該站運用多年來(lái)，僅1994年在預沉池排過(guò)一次池污，且數量不多，足見(jiàn)污染物降解轉化率之高。該系統中：①預沉調節生態(tài)池面積180m² ，平均水深 1 . 1～ 2 .5m，為兼氧池，池面風(fēng)眼蓮覆蓋，吸收污水分解的N，p等營(yíng)養鹽 ；②生態(tài)轉化池，直徑25m，由中心園池、環(huán)形復氧溝、環(huán)形外池組成，接納來(lái)自預沉池并進(jìn)行一級磁化的污水，池中放養數萬(wàn)尾羅非魚(yú)，吞食大量生長(cháng)的菌、藻及原生動(dòng)物，使水體快速凈化，并流入中心園池；③生態(tài)濾池100m² ，平均水深 2 .3m，其中放養約 6萬(wàn)條金魚(yú)和布設許多生態(tài)濾管，接納中心園池流來(lái)并經(jīng)二級磁化的水流，繼續生態(tài)轉化后經(jīng)生態(tài)濾管過(guò)濾后排放，完成整個(gè)凈化過(guò)程。該系統對BOD（Biological Oxygendemand），COD，N，p去除率全年平均分別為 89.9% ，87. 6 % ，6 9.6 %和73 .6 % .該系統工程基建總投資 2 7萬(wàn)元，折合日處理污水1t/d的基建投資單價(jià)為3 86元；年運行費用7500元，折合處理污水1t/d的年運行單價(jià)1 0 .7元，遠低于表 1所列的常規二級處理的投資單價(jià)和運行單價(jià)。不僅如此，由于污水處理過(guò)程中的牛蛙、金魚(yú)、羅非魚(yú)、中藥材、葡萄等收入，每年還可收益1 .8萬(wàn)元，比年運行費還多出1.0萬(wàn)元，形成污水處理過(guò)程的負投入。該法由于生態(tài)處理中的磁化效應，大大加速和提高了污染物轉化速度和效率，且變廢為寶，使之成為投資少、占地小、效率高、運行費用低、無(wú)二次污染，并有一定產(chǎn)出收益的污水處理新途徑。

　�。�4）結論磁處理廣泛應用于農業(yè)、醫學(xué)、養殖、工業(yè)等諸多領(lǐng)域，尤其生命科學(xué)�；�于這些經(jīng)驗，我們提出將磁處理技術(shù)與人工生態(tài)系統相結合應用于有機廢水的凈化處理，并著(zhù)重對磁處理問(wèn)題開(kāi)展了一系列的實(shí)驗分析和實(shí)際應用，從中獲得一些有益的認識。

　�。╝ ）有機廢水磁處理，在水體有氧條件下，污水瞬間通過(guò)合適的磁場(chǎng) （0.315～0.368 T）后，視水質(zhì)成分的差異，可直接去除COD8%～2 5% ，且不受水溫影響，但連續反復磁化，每次的去除率會(huì )隨磁化次數急劇下降。實(shí)際應用初步表明，磁處理器相隔的水力滯留時(shí)間以2～3d為宜。磁處理直接去除COD的原因，是污水被磁化中產(chǎn)生的H₂O₂等強氧化劑所致，并非生物酶作用或有機物分子結合鍵直接斷裂的結果。

　�。╞ ）厭氧條件下，污水磁化對COD降解也很顯著(zhù)，實(shí)驗表明，水溫40℃在上述適宜磁場(chǎng)下，可使COD的去除率比不磁化的提高2 1 %～2 8% ，但其機理尚需進(jìn)一步研究。

　�。╟）污水磁化，直接滅菌率可達 70 %～ 80 %（可能是形體很小的病毒、細菌等 ），但不能使所有的微生物死亡，尤其功能微生物，生存下來(lái)的還會(huì )被激活，以更大的活力提高污水凈化能力 （初步實(shí)驗約 1 7% ）。

　�。╠）磁處理的污水，有利于菌藻系統生長(cháng)和光合作用，可使水體產(chǎn)氧率和藻類(lèi) （綠藻 ）生產(chǎn)力增加一倍之多，從而促進(jìn)生物鏈對污水的凈化作用。

　�。╡）磁處理宜與人工生態(tài)系統聯(lián)合使用，上述污水處理站就是這一結合的成功范例，處理效率高，運行費用低，污水資源化和變廢為寶，為可持續發(fā)展和推廣展示了廣闊的應用前景。

　　5 磁化效應在含酚廢水處理中的應用

　　由于各工廠(chǎng)含酚廢水的具體生成過(guò)程千差萬(wàn)別，其組成和性質(zhì)各不相同，并非任一處理方法都適用，需相應地根據實(shí)際情況尋求和采取有效的治理方法和技術(shù)。由于磁化效應能夠改善混凝效果和促進(jìn)化學(xué)反應，所以采取先將含酚廢水經(jīng)過(guò)微弱磁場(chǎng)的磁化后，再運用絮凝氧化法進(jìn)行處理會(huì )提高其處理的效果。含酚廢水在經(jīng)過(guò)微弱磁場(chǎng)的磁化作用后，再運用絮凝氧化法處理，處理效果與未經(jīng)磁化的廢水相比略有差別，而且隨著(zhù)磁化條件的改變存在不同的變化規律。

　　主要結論有：廢水經(jīng)磁化后，與未經(jīng)磁化相比絮凝效果和氧化處理大都有不同程度的提高。相對而言，較小的磁化流量對提高絮凝沉淀處理效果有利，而較大的磁化流速有利于獲得較高的氧化去酚率。增加廢水的磁化次數能夠使絮凝去酚率略有提高，對氧化去酚率的增加不很明顯。一般地可使廢水經(jīng)過(guò) 3～ 4個(gè)磁化器即可。無(wú)論磁化與否，氧化去酚率均隨著(zhù)氧化劑ClO₂使用量的增加而提高。但廢水比較高的流速經(jīng)磁化后，在相同的氧化量條件下，其氧化去酚率均比未磁化的要高。這有利于減少氧化劑消耗量和處理費用，而不影響總處理效果。磁化效應能夠改變水的微觀(guān)狀態(tài)和結構從而影響其物理、化學(xué)性質(zhì)。在適當的條件下可以明顯改善污水的處理效果。因此將磁化技術(shù)和工業(yè)廢水處理過(guò)程相結合的新處理手段值得進(jìn)行研究和推廣應用。

　　6 磁化在的Fe₃O₄吸附溶液中的鉻的應用

　　關(guān)于Fe₃O₄吸附陰離子的機理已有研究，Fe₃O₄在水中由于水解呈正電性，對陰離子的的吸附平衡可以用形式與Langmuir等溫式相類(lèi)似的的函數關(guān)系式描述，但吸附很難得到最大值。將Fe₃O₄粉末和磁性介質(zhì)置于磁場(chǎng)中，磁化Fe₃O₄粉末聚集在具有磁力線(xiàn)密度不等的磁束的磁性介質(zhì)附近，導致磁化的Fe₃O₄對Cr6+產(chǎn)生了磁力，通過(guò)提高磁場(chǎng)強度，增大Fe₃O₄的磁力，從而增加對Cr6+吸附量。但另一方面，在磁化Fe₃O₄的表面吸附量的增加，因為被吸附的粒子電性相同，斥力增大，抵消了一部分磁力，造成了在較小的磁場(chǎng)強度下，吸附質(zhì)增大到一定程度后，吸附量反而下降。由此可見(jiàn)，在磁場(chǎng)作用下，磁化的Fe₃O₄表面的吸附量是磁力和電性斥力作用的結果，并形成多分子吸附。

　　7 結論

　　通過(guò)以上的分析表明，磁化水技術(shù)不僅在水循環(huán)系統的除垢去垢領(lǐng)域有著(zhù)重要的作用，而且磁場(chǎng)水處理技術(shù)還在廢水處理方面有很好的效用，廢水經(jīng)過(guò)磁化后再進(jìn)行生物和物理方法進(jìn)行處理得到的效果，明顯好于沒(méi)有經(jīng)過(guò)磁化的廢水。這主要是因為磁化后的水性質(zhì)發(fā)生了變化，從而導致了微生物生長(cháng)條件，絮凝條件的變化。但并不是磁場(chǎng)強度越大效果越好，他們都有一個(gè)相對的高效范圍，其機理尚需進(jìn)一步研究。相信隨著(zhù)對其不斷的研究，磁化水在廢水處理領(lǐng)域中必將具有更廣闊的應用前景。