4 磁化用于有機(jī)廢水的處理

　　有機(jī)廢水處理是當(dāng)前污染治理的一個普遍問題，傳統(tǒng)方法有活性污泥法、生物膜法、厭氧反應(yīng)器法、氧化塘法等。前兩種方法是目前二級處理廠應(yīng)用最廣泛的方法，其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)比較成熟，運(yùn)行穩(wěn)定，出水可達(dá)允許排放標(biāo)準(zhǔn)，但缺點(diǎn)也很突出，基建投資大、運(yùn)行費(fèi)用高昂，尤其運(yùn)行費(fèi)之高，使許多單位望而生畏，無力負(fù)擔(dān)如此之高的運(yùn)行費(fèi)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(zāi)害，就是傳統(tǒng)污水處理模式費(fèi)用太高所帶來的直接后果。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展戰(zhàn)略，我國的國情要求我們必須開發(fā)一種投資少、效率高、運(yùn)行費(fèi)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(jù)磁化水能改變水的一些物理特性，改善生物機(jī)能、促進(jìn)生物生長、提高農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)產(chǎn)量和治療保健等經(jīng)驗(yàn)，開展磁化人工生態(tài)系統(tǒng)方法處理和利用有機(jī)廢水的研究，近10年的大量實(shí)驗(yàn)研究和初步應(yīng)用證明，這一方法是行之有效的，實(shí)際應(yīng)用是成功的，有必要廣泛推廣，并在實(shí)用中進(jìn)一步完善，以保持社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的良性循環(huán)。

　�。�1）去除COD的效應(yīng)與分析在水中有氧的情況下，通過改變磁感應(yīng)強(qiáng)度、水溫、磁化流速等對各種污水進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：水溫對污水瞬間通過磁化器直接去除COD沒有影響。磁化流速2.5m/ｓ時最好，這時對形成核磁共振比較有利，磁化去除COD的能力較強(qiáng)。常溫下磁化流速2.5m/ｓ左右，磁感應(yīng)強(qiáng)度0 .262～0 .315T下，上述各類污水的COD直接去除率平均醫(yī)院污水為2 5. 4%，印染廢水為21. 2 % ，城鎮(zhèn)污水為16.4% （磁化流速為2.5m/ｓ時為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、自來水和城鎮(zhèn)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(yīng)強(qiáng)度0 .315T，4組去離子水磁化前后的溶解氧濃度不變，磁處理對溶解氧無影響；5組自來水磁化后溶解氧略有降低，平均減少4. 1 % ；12組城鎮(zhèn)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(jī)物降解和溶解氧減少的現(xiàn)象，稱磁處理污水的直接效應(yīng)。這一作用并非水中微生物酶引起的有機(jī)物分解，也非磁化使水中有機(jī)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(jī)物氧化分解。這可從三個方面來分析：一是上述實(shí)驗(yàn)中，葡萄糖、水、淀粉水、氨水均為蒸餾水配制，其中沒有微生物，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(jī)物分子的化學(xué)鍵斷裂，需要消耗相當(dāng)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(yīng)強(qiáng)度所提供的能量很小，無法使化學(xué)鍵斷裂；最后，帕特羅夫的實(shí)驗(yàn)一定程度上證實(shí)了上述論斷，他使有溶解氧的水連續(xù)從感應(yīng)磁場中通過，水中則產(chǎn)生5×10-5%的h₂O₂ ，這是一種很強(qiáng)的氧化劑，可使水中的有機(jī)物直接氧化分解。另外，我們還做了對污水多次連續(xù)反復(fù)磁化的實(shí)驗(yàn)，可見隨著磁化次數(shù)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(yīng)用于實(shí)際時，應(yīng)使磁處理器間水流有一段時間的恢復(fù)過程。經(jīng)驗(yàn)表明，水力滯留時間約 2～ 3d以上為佳。

　　厭氧條件下磁化對提高水中有機(jī)物分解也有很好的效果，且更為顯著。我們?nèi)?4組城鎮(zhèn)生活污水做實(shí)驗(yàn)，溫度保持在40℃，最佳磁感應(yīng)強(qiáng)度仍為 0 .315～ 0 .368T，厭氧培養(yǎng)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(jī)理尚需進(jìn)一步研究。

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

　　（a）污水磁化具有很強(qiáng)的滅菌作用。磁感應(yīng)強(qiáng)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(xù)反復(fù)磁化，滅菌率則提高不大，說明有些種類的菌群能夠抵御磁場的作用，甚至激活其代謝能力，會更快地生長和降解有機(jī)物。磁化處理滅菌原因，可歸納為：一是在磁場的直接作用下，引起 BOD、COD降低，使異養(yǎng)微生物的能源和C素營養(yǎng)物質(zhì)減少，導(dǎo)致水體異養(yǎng)菌死亡速度大于增殖速度，于是出現(xiàn)負(fù)增長現(xiàn)象，二是磁場力直接作用于細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的水和酶，使酶鈍化或失活。而BOD數(shù)值的降低是細(xì)菌總數(shù)減少的反映，一方面在外加磁場直接作用下，BOD隨COD指標(biāo)的降低而降低，另一方面，在外加磁場作用下，水體中功能微生物 （以細(xì)菌為主 ）受到影響，一部分細(xì)菌適應(yīng)能力強(qiáng)，生命代謝活動不受到干擾，或者雖受到干擾但經(jīng)過一定時間后可以恢復(fù)到正常狀態(tài)，這部分細(xì)菌以更強(qiáng)的適應(yīng)能力生存下去，大部分細(xì)菌受到外界磁場作用下，由于體內(nèi)外水的理化性質(zhì)的變化 （如電導(dǎo)率、表面張力等 ）以及酶的鈍化、失活，不能適應(yīng)而發(fā)生死亡現(xiàn)象，功能細(xì)菌數(shù)目的急劇減少，造成了BOD指標(biāo)的降低，因此認(rèn)為磁處理后 BOD降低是水中細(xì)菌總數(shù)減少的反映。綜上所述，可以得出這樣一種認(rèn)識，外界磁場作用于微生物，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(dāng)磁場強(qiáng)度加大到2100 GS（4A）以上，可以使70 %以上的細(xì)菌死亡。施加磁場可以看作微生物生存環(huán)境的突發(fā)改變，能夠經(jīng)得起周圍環(huán)境及體內(nèi)離子、電子傳遞速度變化的細(xì)菌繼續(xù)生存下來并且維持正常的生命代謝活動，這部分細(xì)菌具有更強(qiáng)的適應(yīng)能力，或者說具有更強(qiáng)的生物活性。

　　（b）活性污泥磁化會明顯提高其活性，從而增強(qiáng)污水的處理效率。我們?nèi)?組活性污泥，在37℃恒溫下觀測不同磁強(qiáng)處理后的甲基蘭脫色時間，表明0.367T下脫色時間由無磁化的 2 9h減少至2 4h，污泥活性增強(qiáng)1 7% ，原因就在于磁化后生存下來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(biāo)準(zhǔn)溫度下培養(yǎng)，測得它們的BOD5，后者均比前者高，平均高13 % ，可見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(jī)物的降解。

　　（c）磁化使藻類光合作用大大增強(qiáng)，顯著地提高了水中的溶解氧。常溫下取2組同樣的污水實(shí)驗(yàn)，3天后磁化水中綠藻生長旺盛，非磁化水幾乎看不到藻類。另外，又取3組生活污水用明暗瓶對比實(shí)驗(yàn)磁處理對藻類產(chǎn)氧能力的影響，都表明磁感應(yīng)強(qiáng)度0.367T時污水的藻類產(chǎn)氧能力最高，比非磁化的平均高出1 .1倍，按藻類固炭生產(chǎn)力與產(chǎn)氧能力的關(guān)系推算，藻類的生產(chǎn)力也將提高1.1倍，這與農(nóng)業(yè)上磁化水使作物顯著增產(chǎn)和大大提高種子的發(fā)芽率的結(jié)論一致。其原因主要是：①磁化污水使有機(jī)物分解加快，為藻類生長提供了充足的Ｃ，N，p等營養(yǎng)物；②磁化使生物膜滲透性增加，給藻類吸收營養(yǎng)元素創(chuàng)造了有利條件；③磁化使水的透光性增強(qiáng)，為藻類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和有機(jī)物分解，二者相互促進(jìn)，導(dǎo)致有機(jī)廢水加速分解。

　�。╠）污水磁化可促進(jìn)高等水生生物生長，有利于污染物的去除。我們以泥鰍做實(shí)驗(yàn)，在 3個水桶（10L）中，1個未磁化，2個被磁化，磁強(qiáng)分別為 0 .03T和0 .25T，分別放養(yǎng)1 .5kg的泥鰍，其他條件相同，3個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(yàn)，表明未磁化水桶中放養(yǎng)的50條泥鰍到第5天時全部死去，磁化的水桶中的50條在第7天時還有23條存活下來。由于高等水生動物通過食物鏈?zhǔn)褂袡C(jī)物分解轉(zhuǎn)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(yǎng)有泥鰍的 2、3號水桶的COD去除率比無磁化、無泥鰍的提高2 0 % ），并使之以更高的速度轉(zhuǎn)化為對人類有用的產(chǎn)物，變廢為寶，防止了二次污染。

　�。�3）磁化人工生態(tài)系統(tǒng)方法凈化污水應(yīng)用實(shí)例1980年在原污水站基礎(chǔ)上，建成了一個磁化人工生態(tài)處理系統(tǒng)工程，主要由二級磁化和3個生態(tài)池組成。該處理系統(tǒng)有效占地面積770m2 ，平均日處理醫(yī)院生活污水和病房污水700t.污水直接排入預(yù)沉調(diào)節(jié)生態(tài)池，水力滯留時間約4. 0h，經(jīng)水泵提升和一級磁化，進(jìn)入放養(yǎng)大量魚類的生態(tài)轉(zhuǎn)化池，水力滯留2 .0～ 2 . 5d，再次磁化并自流到設(shè)有許多垂直生態(tài)濾管的金魚池，滯留時間 2.5～ 3.0d，通過生態(tài)濾管集中后排出，出水達(dá)三級地面水標(biāo)準(zhǔn)，供醫(yī)院綠化和清洗之用。該站運(yùn)用多年來，僅1994年在預(yù)沉池排過一次池污，且數(shù)量不多，足見污染物降解轉(zhuǎn)化率之高。該系統(tǒng)中：①預(yù)沉調(diào)節(jié)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等營養(yǎng)鹽 ；②生態(tài)轉(zhuǎn)化池，直徑25m，由中心園池、環(huán)形復(fù)氧溝、環(huán)形外池組成，接納來自預(yù)沉池并進(jìn)行一級磁化的污水，池中放養(yǎng)數(shù)萬尾羅非魚，吞食大量生長的菌、藻及原生動物，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(yǎng)約 6萬條金魚和布設(shè)許多生態(tài)濾管，接納中心園池流來并經(jīng)二級磁化的水流，繼續(xù)生態(tài)轉(zhuǎn)化后經(jīng)生態(tài)濾管過濾后排放，完成整個凈化過程。該系統(tǒng)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(tǒng)工程基建總投資 2 7萬元，折合日處理污水1t/d的基建投資單價(jià)為3 86元；年運(yùn)行費(fèi)用7500元，折合處理污水1t/d的年運(yùn)行單價(jià)1 0 .7元，遠(yuǎn)低于表 1所列的常規(guī)二級處理的投資單價(jià)和運(yùn)行單價(jià)。不僅如此，由于污水處理過程中的牛蛙、金魚、羅非魚、中藥材、葡萄等收入，每年還可收益1 .8萬元，比年運(yùn)行費(fèi)還多出1.0萬元，形成污水處理過程的負(fù)投入。該法由于生態(tài)處理中的磁化效應(yīng)，大大加速和提高了污染物轉(zhuǎn)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(yùn)行費(fèi)用低、無二次污染，并有一定產(chǎn)出收益的污水處理新途徑。

　　（4）結(jié)論磁處理廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、養(yǎng)殖、工業(yè)等諸多領(lǐng)域，尤其生命科學(xué)�；�于這些經(jīng)驗(yàn)，我們提出將磁處理技術(shù)與人工生態(tài)系統(tǒng)相結(jié)合應(yīng)用于有機(jī)廢水的凈化處理，并著重對磁處理問題開展了一系列的實(shí)驗(yàn)分析和實(shí)際應(yīng)用，從中獲得一些有益的認(rèn)識。

　�。╝ ）有機(jī)廢水磁處理，在水體有氧條件下，污水瞬間通過合適的磁場 （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(xù)反復(fù)磁化，每次的去除率會隨磁化次數(shù)急劇下降。實(shí)際應(yīng)用初步表明，磁處理器相隔的水力滯留時間以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(qiáng)氧化劑所致，并非生物酶作用或有機(jī)物分子結(jié)合鍵直接斷裂的結(jié)果。

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

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

　　（d）磁處理的污水，有利于菌藻系統(tǒng)生長和光合作用，可使水體產(chǎn)氧率和藻類 （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(tǒng)聯(lián)合使用，上述污水處理站就是這一結(jié)合的成功范例，處理效率高，運(yùn)行費(fèi)用低，污水資源化和變廢為寶，為可持續(xù)發(fā)展和推廣展示了廣闊的應(yīng)用前景。

　　5 磁化效應(yīng)在含酚廢水處理中的應(yīng)用

　　由于各工廠含酚廢水的具體生成過程千差萬別，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(yīng)地根據(jù)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(yīng)能夠改善混凝效果和促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，所以采取先將含酚廢水經(jīng)過微弱磁場的磁化后，再運(yùn)用絮凝氧化法進(jìn)行處理會提高其處理的效果。含酚廢水在經(jīng)過微弱磁場的磁化作用后，再運(yùn)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，而且隨著磁化條件的改變存在不同的變化規(guī)律。

　　主要結(jié)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(shù)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 3～ 4個磁化器即可。無論磁化與否，氧化去酚率均隨著氧化劑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(fèi)用，而不影響總處理效果。磁化效應(yīng)能夠改變水的微觀狀態(tài)和結(jié)構(gòu)從而影響其物理、化學(xué)性質(zhì)。在適當(dāng)?shù)臈l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)廢水處理過程相結(jié)合的新處理手段值得進(jìn)行研究和推廣應(yīng)用。

　　6 磁化在的Fe₃O₄吸附溶液中的鉻的應(yīng)用

　　關(guān)于Fe₃O₄吸附陰離子的機(jī)理已有研究，F(xiàn)e₃O₄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等溫式相類似的的函數(shù)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)置于磁場中，磁化Fe₃O₄粉末聚集在具有磁力線密度不等的磁束的磁性介質(zhì)附近，導(dǎo)致磁化的Fe₃O₄對Cr6+產(chǎn)生了磁力，通過提高磁場強(qiáng)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?yàn)楸晃�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強(qiáng)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，在磁場作用下，磁化的Fe₃O₄表面的吸附量是磁力和電性斥力作用的結(jié)果，并形成多分子吸附。

　　7 結(jié)論

　　通過以上的分析表明，磁化水技術(shù)不僅在水循環(huán)系統(tǒng)的除垢去垢領(lǐng)域有著重要的作用，而且磁場水處理技術(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，明顯好于沒有經(jīng)過磁化的廢水。這主要是因?yàn)榇呕�后的水性質(zhì)發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致了微生物生長條件，絮凝條件的變化。但并不是磁場強(qiáng)度越大效果越好，他們都有一個相對的高效范圍，其機(jī)理尚需進(jìn)一步研究。相信隨著對其不斷的研究，磁化水在廢水處理領(lǐng)域中必將具有更廣闊的應(yīng)用前景。