磁加載磁分離工藝處理地下水效果研究

譚鈺

（朝陽市環(huán)境監(jiān)測站，遼寧朝陽 122000）

1 概述

磁加載磁分離方法主要是利用絮凝技術(shù)使非磁性雜質(zhì)與磁種結(jié)合在一起，在沉降池中實現(xiàn)大部分雜質(zhì)加速沉降，然后具有一定磁性的小部分雜質(zhì)通過高梯度磁場進(jìn)行分離，保證高精度過濾效果。處理系統(tǒng)主要由混合罐、澄清罐、磁鼓分離器、高梯度磁過濾器和藥劑投加裝置等設(shè)備組成。具體是在混合罐的來水中投放絮凝劑、助凝劑，破壞水中膠體顆粒的穩(wěn)定狀態(tài)，通過膠體間以及和其他微粒間的相互碰撞和聚集，從而形成易于從水中分離的絮狀物質(zhì)。這部分懸浮固體首先吸附在投放的磁鐵粉加載物上，在錐形底的澄清罐中通過重力作用從水中沉淀分離；然后經(jīng)過磁過濾器，在外加磁場作用下，磁性介質(zhì)表面產(chǎn)生高梯度磁場，捕集去除水中的懸浮固體顆粒；沉淀物通過磁鼓分離器將磁粉和污泥分離，磁粉回收到混合池再利用，分離后的污泥外運處理。

肇東一聯(lián)水質(zhì)站投產(chǎn)于2004年，設(shè)計處理量500m/d，處理工藝為曝氣-錳砂除鐵-精濾兩級，出水指標(biāo)為“3.2”標(biāo)準(zhǔn)。采用的地下水源處于貧水區(qū)域，目前地下水水質(zhì)與投產(chǎn)初期相比，發(fā)生了較大變化，主要表現(xiàn)在鐵和懸浮物含量大幅增加，地下水中平均鐵含量由投產(chǎn)初期的6.8mg/L增加到現(xiàn)在的33.1mg/L，懸浮物由11.3mg/L增加到182.0mg/L。該處理工藝抗沖擊性差，來水進(jìn)入處理裝置后，對濾料和過濾設(shè)備污染嚴(yán)重，濾料和濾芯沾有大量黃褐色垢質(zhì)，加大反沖洗的水量和時間也無法將水垢去除；從而縮短了設(shè)備使用壽命，增加了生產(chǎn)運行成本和管理維護(hù)強度，影響了常規(guī)水質(zhì)處理工藝的穩(wěn)定運行。水質(zhì)情況調(diào)查表1所示。

2 油田地下水處理相關(guān)技術(shù)

目前，油田地下水水質(zhì)處理基本采用粗濾、精細(xì)過濾工藝，分離原理為孔隙截留過濾，此種過濾方式由于工藝特點決定，對需處理水質(zhì)具有一定要求，在滿足條件下，處理效果較好，反之會影響穩(wěn)定運行。從地下水特性看，其初始懸浮固體含量較低，處理難度較小，兩級或三級工藝處理后水質(zhì)均可達(dá)到注入水質(zhì)要求，技術(shù)相對成熟。對于含有較高懸浮雜質(zhì)的地下水，一般采取多級過濾或混凝沉淀與過濾相結(jié)合方式，處理后水質(zhì)雖然也可達(dá)到注入水質(zhì)要求，但處理工藝較為復(fù)雜，現(xiàn)場應(yīng)用管理點多?？傮w來看，油田現(xiàn)使用的過濾技術(shù)在地下水處理方面可以達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。但對于處理高懸浮雜質(zhì)地下水時，應(yīng)研究在技術(shù)經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)管理方面均適合油田地下水處理技術(shù)。

從沉降過濾分離速度來看，能否實現(xiàn)高效率關(guān)鍵在于改變水中雜質(zhì)的沉降分離特性。具有此特點的磁分離技術(shù)顯示了較好的效果，磁分離技術(shù)有分離效率高、分離速度快、占地面積小、抗沖擊性強等優(yōu)點，以往應(yīng)用在鋼鐵行業(yè)富含磁性污染物的廢水處理領(lǐng)域，技術(shù)較為成熟，近年來，在城市污水、湖泊水、油田采出水等非磁性或弱磁性污染物水處理方面也取得了一定的研究成果。磁分離技術(shù)主要有磁盤法、高梯度磁分離法。磁盤法是借助磁盤的磁力將水中的磁性懸浮顆粒吸著在緩慢轉(zhuǎn)動的磁盤上，隨著磁盤的轉(zhuǎn)動，將泥渣帶出水面，經(jīng)刮泥板除去，盤面又進(jìn)入水中，重新吸著水中的顆粒，如此周而復(fù)始，此技術(shù)不存在反洗，在刮泥方面尚需改進(jìn)，出水精度有待提高。高梯度磁分離器以高飽和磁密不銹鋼聚磁鋼毛為介質(zhì)，當(dāng)水中的污染物對鋼毛的磁力作用大于其粘性阻力和重力作用時，污染物被截留在鋼毛介質(zhì)上，在切斷磁路后，磁力消失，被鋼毛介質(zhì)捕集到的污染物用水反沖洗下來，從而達(dá)到從水中去除污染物的目的。與盤式磁分離器相比，存在反洗，納污能力低，但分離效率高。在磁分離方式的選用上需要根據(jù)處理水質(zhì)要求，選擇適合的磁分離技術(shù)。

表1 水質(zhì)情況調(diào)查

表2 測試數(shù)據(jù)

3 試驗方法

3.1 室內(nèi)實驗

（1）磁粉的篩選和用量確定。磁粉有國產(chǎn)和進(jìn)口兩種。國產(chǎn)的磁粉四氧化三鐵的含量較進(jìn)口的含量低，而且顆粒不均勻、含雜質(zhì)多，在磁鼓的分離中效果差，消耗高，不宜磁過濾系統(tǒng)使用。而進(jìn)口磁粉雖然價格略高，但顆粒均勻，磁鼓的分離效果好，消耗也比國產(chǎn)磁粉小，因此磁粉消耗而造成的運行成本并不比國產(chǎn)磁粉高。因而，磁過濾系統(tǒng)選用進(jìn)口磁粉較為適宜。（2）絮凝劑加藥量的確定。絮凝劑為聚合氯化鋁，加藥范圍選擇在70、60、50、40、30、20ppm，絮凝劑分別以10ppm為一個濃度梯度進(jìn)行用量調(diào)整，比較在各個加藥量下的出水濁度，（3）助凝劑加藥量的確定助凝劑為聚丙烯酰胺，加藥范圍選擇6、5、4、3、2、1ppm，助凝劑分別以1ppm為一個濃度梯度進(jìn)行用量調(diào)整，比較在各個加藥量下的出水濁度，

3.2 現(xiàn)場試驗

根據(jù)初步確定的磁分離處理工藝和室內(nèi)實驗結(jié)果，制作裝置并在肇東一聯(lián)水質(zhì)站進(jìn)行現(xiàn)場試驗。根據(jù)肇東一聯(lián)水質(zhì)情況，考慮到地下水中二價鐵對水質(zhì)的影響，試驗裝置進(jìn)水為曝氣除鐵后的地下水，進(jìn)出水水質(zhì)：進(jìn)水懸浮物固體含量≤500mg/L，出水懸浮物固體含量≤3.0mg/L、懸浮物粒徑中值≤2.0μm。在室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，初步確定絮凝劑投加量為30mg/L，助凝劑投加量為2mg/L，磁粉量為4g/L。裝置工藝參數(shù)為：混合時間3分鐘、沉降時間5分鐘。另外，現(xiàn)場試驗對其他室內(nèi)實驗不能確定的運行參數(shù)進(jìn)行了確定，如磁分離器沖洗時間間隔、沖洗時間、磁性絮團(tuán)循環(huán)量和污泥外排量等。磁過濾器反沖參數(shù)的確定：磁過濾器作為一種過濾設(shè)備，需要進(jìn)行定時反沖以避免堵塞，以達(dá)到過濾目的。在處理其它領(lǐng)域高懸浮雜質(zhì)水質(zhì)時，懸浮固體含量約4000mg/L，為了實現(xiàn)過濾器不堵塞及快速回收磁粉，磁過濾器需要頻繁沖洗，通常1小時沖洗一次，每次沖洗時間15秒。由于肇東一聯(lián)水中懸浮物含量相對低，反沖時間確定延長為3小時，每次沖洗15秒。

4 試驗結(jié)果及討論

4.1 磁粉的篩選和用量確定

磁粉有國產(chǎn)和進(jìn)口兩種。國產(chǎn)的磁粉四氧化三鐵的含量較進(jìn)口的含量低，而且顆粒不均勻、含雜質(zhì)多，在磁鼓的分離中效果差，消耗高，不宜磁過濾系統(tǒng)使用。而進(jìn)口磁粉雖然價格略高，但顆粒均勻，磁鼓的分離效果好，消耗也比國產(chǎn)磁粉小，因此磁粉消耗而造成的運行成本并不比國產(chǎn)磁粉高。因而，磁過濾系統(tǒng)選用進(jìn)口磁粉較為適宜。

磁粉的作用主要為加快絮凝團(tuán)的沉淀速度。磁粉使用量主要是通過在不同磁粉使用量情況下，以絮凝團(tuán)的沉淀速度來確定。實驗在3到8克/升的用量范圍進(jìn)行測試沉降時間。測試數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2中可以看出，磁粉量在3克/升時，沉淀速度最慢。4到5克/升時，速度變化不大，6克/升和8克/升時，沉淀速度有明顯提高。但磁粉量高，容易造成污泥管線堵塞和加速設(shè)備的磨損?？紤]到沉淀池的停留時間5分鐘的工藝參數(shù)，4到5克/升磁粉量的沉降速度完全可以實現(xiàn)沉降目的，而又不堵塞污泥管線，延長設(shè)備使用壽命。為此選擇4克/升磁粉量為實際運行參數(shù)。

4.2 絮凝劑加藥量的確定

絮凝劑為聚合氯化鋁，加藥范圍選擇在70、60、50、40、30、20ppm，絮凝劑分別以10ppm為一個濃度梯度進(jìn)行用量調(diào)整，比較在各個加藥量下的出水濁度，絮凝劑加藥量如表3所示。

通過實驗看出，絮凝劑加藥量在70到30ppm范圍內(nèi)，出水濁度的變化不大，都在3.0.ONTU左右。而低于30ppm，出水濁度大幅提高?？紤]到加藥成本，確定30ppm為絮凝劑最佳加藥量。

4.3 助凝劑加藥量的確定

助凝劑為聚丙烯酰胺，加藥范圍選擇6、5、4、3、2、1ppm，助凝劑分別以1ppm為一個濃度梯度進(jìn)行用量調(diào)整，比較在各個加藥量下的出水濁度，助凝劑加藥量其結(jié)果如表4所示。

通過實驗看出，助凝劑加藥量在5到2ppm范圍內(nèi)，出水濁度的變化不大，都在2.9NTU左右。而低于2ppm，或者高于5ppm，出水濁度大幅提高?？紤]到加藥成本，確定2ppm為助凝劑最佳加藥量。

5 現(xiàn)場試驗情況

根據(jù)初步確定的磁分離處理工藝和室內(nèi)實驗結(jié)果，制作裝置并在肇東一聯(lián)水質(zhì)站進(jìn)行現(xiàn)場試驗。根據(jù)肇東一聯(lián)水質(zhì)情況，考慮到地下水中二價鐵對水質(zhì)的影響，試驗裝置進(jìn)水為曝氣除鐵后的地下水，進(jìn)出水水質(zhì)：進(jìn)水懸浮物固體含量≤500mg/L，出水懸浮物固體含量≤3.0mg/L、懸浮物粒徑中值≤2.0μm。在室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，初步確定絮凝劑投加量為30mg/L，助凝劑投加量為2mg/L，磁粉量為4g/L。裝置工藝參數(shù)為：混合時間3分鐘、沉降時間5分鐘。另外，現(xiàn)場試驗對其他室內(nèi)實驗不能確定的運行參數(shù)進(jìn)行了確定，如磁分離器沖洗時間間隔、沖洗時間、磁性絮團(tuán)循環(huán)量和污泥外排量等。

表3 絮凝劑加藥量

表4 助凝劑加藥量

表5 水質(zhì)化驗數(shù)據(jù)表

磁過濾器反沖參數(shù)的確定：磁過濾器作為一種過濾設(shè)備，需要進(jìn)行定時反沖以避免堵塞，以達(dá)到過濾目的。在處理其它領(lǐng)域高懸浮雜質(zhì)水質(zhì)時，懸浮固體含量約4000mg/L，為了實現(xiàn)過濾器不堵塞及快速回收磁粉，磁過濾器需要頻繁沖洗，通常1小時沖洗一次，每次沖洗時間15秒。由于肇東一聯(lián)水中懸浮物含量相對低，反沖時間確定延長為3小時，每次沖洗15秒。

污泥外排量的確定：處理肇東一聯(lián)含鐵地下水，污泥外排量主要決定于懸浮物含量和含鐵量、加入的藥劑形成的絮凝劑的量，以及污泥的含水率。外排污泥量主要通過沉淀池的出水水質(zhì)和沉淀池底部的污泥厚度來決定。借鑒其他領(lǐng)域經(jīng)驗，確定污泥外排量為處理量的1%，實際運行中沉淀池出水水質(zhì)良好、沉淀池污泥層界面清晰、高度穩(wěn)定，而且，可以保證污泥管線的流速，不易造成堵塞。

磁性絮團(tuán)循環(huán)量的確定：磁性絮團(tuán)循環(huán)對絮凝速度和絮凝團(tuán)大小可以起到一定的作用。理論上講，磁性絮團(tuán)量越大越好，此時絮體碰撞幾率加大，絮凝速度快，絮體體積大，沉降速度快。但磁性絮團(tuán)循環(huán)量過大，會造成混合池和沉淀池的額外負(fù)擔(dān)。在借鑒其他領(lǐng)域經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，經(jīng)試驗，確定磁性絮團(tuán)循環(huán)量為處理量的3%，實際運行中效果較好。過濾裝置工藝設(shè)備現(xiàn)場圖1所示，水質(zhì)化驗數(shù)據(jù)表5所示，過濾裝置進(jìn)出口水質(zhì)變化曲線圖2所示，過濾裝置進(jìn)出口水質(zhì)處理圖3所示：

圖1 過濾裝置工藝設(shè)備現(xiàn)場圖

圖2 過濾裝置進(jìn)出口水質(zhì)變化曲線圖

圖3 過濾裝置進(jìn)出口水質(zhì)處理

由化驗數(shù)據(jù)可以看出，過濾裝置進(jìn)水懸浮物固體含量平均值為115.8mg/L的情況下，出水水質(zhì)為：懸浮物固體含量平均值為2.1mg/L；懸浮物粒徑中值平均值為1.6μm。出水水質(zhì)較為穩(wěn)定，達(dá)到了油田注水要求的“3.2”指標(biāo)。

6 結(jié)語

（1）磁加載磁分離技術(shù)是處理高懸浮雜質(zhì)地下水的一種有效手段，應(yīng)用此工藝對地下水處理后，出水指標(biāo)達(dá)到了低滲透油田注入水要求指標(biāo)，與常規(guī)過濾工藝相比，可以簡化處理流程，具有占地面積小、運行成本低的優(yōu)勢，較為適合油田注入水處理應(yīng)用。（2）磁分離技術(shù)首次在大慶油田地下水處理中應(yīng)用，現(xiàn)場試驗運行時間較短，其性能穩(wěn)定性仍需觀察驗證，在技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上進(jìn)一步綜合評價。