磁場(chǎng)強(qiáng)化絮凝工藝處理農(nóng)業(yè)面源污水試驗(yàn)

趙 瑾，曹軍瑞，姜天翔，馬宇輝

(自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所, 天津 300192)

近年來，我國(guó)對(duì)工業(yè)廢水和生活污水的點(diǎn)源污染防治工作取得了較好的成效，面源污染問題一直是治理的難點(diǎn)與關(guān)鍵。面源污染是指大氣、地表、土壤中的污染物通過降雨、地表徑流進(jìn)入海灣、河流、湖泊等受納水體，導(dǎo)致水體被污染的現(xiàn)象。在面源污染中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人類活動(dòng)引起的農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)水體的危害程度最大，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的生活垃圾、畜禽糞便、廢棄物等亂排以及化肥、農(nóng)藥的不當(dāng)施用，造成泥土、氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽、農(nóng)藥及其他有機(jī)、無機(jī)污染物進(jìn)入水體，使水體富營(yíng)養(yǎng)化，研究表明，農(nóng)業(yè)面源污染已成為我國(guó)流域水污染的主要原因。

與點(diǎn)源污染不同，農(nóng)業(yè)面源污染發(fā)生位置分散、隨機(jī)性大、隱蔽性強(qiáng)，污染成因更加復(fù)雜，監(jiān)測(cè)難度大[1-2]，給治理增加了難度。磁場(chǎng)強(qiáng)化絮凝[3-4]是近年來發(fā)展起來的新興技術(shù)，通過向水體中同時(shí)投加絮凝劑和磁種，使懸浮顆粒與磁種相結(jié)合，凝聚形成具有磁核的復(fù)合絮體。傳統(tǒng)絮凝工藝中，絮體僅靠自身重力沉降，分離速度緩慢，磁場(chǎng)強(qiáng)化絮凝技術(shù)使磁絮體高效沉降，實(shí)現(xiàn)固液快速分離，具有操作簡(jiǎn)單、占地面積小、效率高、磁種可回收利用、經(jīng)濟(jì)適用等優(yōu)勢(shì)。

目前，磁場(chǎng)強(qiáng)化絮凝技術(shù)已廣泛用于治理工業(yè)廢水、礦山廢水等[5-7]，對(duì)于處理農(nóng)業(yè)污水的報(bào)道并不多。此外，現(xiàn)有的磁場(chǎng)強(qiáng)化絮凝工藝大多采用絮凝劑與磁種分開投加的方式，這種方式對(duì)反應(yīng)條件的要求較為苛刻，且難以保證磁絮凝效果[8-9]。為此，本研究以磁鐵礦粉、聚合氯化鋁(PAC)、陽離子型聚丙烯酰胺(PAM)為主要原料，制備出集絮凝功能與磁性于一體的磁性復(fù)合絮凝劑，完成了磁絮凝反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)考察了磁性絮凝劑投加量、pH、磁場(chǎng)強(qiáng)度及攪拌強(qiáng)度等條件對(duì)農(nóng)業(yè)面源污水磁絮凝效率的影響作用，分析了Zeta電位、FI指數(shù)、分形維數(shù)等絮凝特征，并借助三維熒光光譜技術(shù)探究磁性絮凝劑對(duì)有機(jī)物(DOM)的去除作用機(jī)制，以期為磁場(chǎng)強(qiáng)化絮凝技術(shù)處理農(nóng)業(yè)面源污水的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 儀器與材料

儀器：TA6-2型程控混凝試驗(yàn)攪拌儀，武漢恒嶺科技有限公司；PHS-3C pH計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司；VSM振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)，英國(guó)NANOMAGNETICS公司；2100Q濁度儀，美國(guó)哈希公司；DR2 800分光光度計(jì)，美國(guó)哈希公司；BSA822電子天平，德國(guó)賽多利斯公司；iPDA300型絮凝度測(cè)定儀，EcoNovel公司；Nano ZSP Zeta電位儀，英國(guó)Malvern公司；ECLIPSE 80i顯微鏡，日本Nikon公司。

試劑：重鉻酸鉀、鄰菲羅啉、硫酸亞鐵、硫酸銀、硫酸汞、過硫酸鉀、氫氧化鈉、鹽酸、硫酸、硝酸鉀、磷酸二氫鉀、鉬酸銨、酒石酸銻鉀、抗壞血酸，均為分析純；陽離子型聚丙烯酰胺PAM，分析純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%，任丘市金譽(yù)化工有限公司；磁鐵礦粉，主要成分為Fe3O4，鐵含量為65%，溫州精成化工有限公司；聚合氯化鋁PAC，工業(yè)級(jí)，重慶藍(lán)潔自來水材料有限公司。

1.2 試驗(yàn)水質(zhì)

試驗(yàn)用水為渤海地區(qū)某廠畜禽養(yǎng)殖廢水，水溫為17.2～26.0 ℃，渾濁度為3.8～10.4 NTU，pH值為7.4～8.1，CODCr為56.6～206.5 mg/L，TN為12.64～26.05 mg/L，TP為3.64～8.05 mg/L。

1.3 磁性絮凝劑的制備

稱取適量PAC溶于水，在50～60 ℃、攪拌狀態(tài)下投加一定量PAM，攪拌2 h至完全溶解，滴加2 mol/L NaOH溶液，攪拌至溶液pH值為9.0，制備PAC-PAM非磁性絮凝劑。將磁鐵礦粉按照一定比例投入PAC-PAM絮凝劑中，攪拌2 h，制備Fe3O4含量為10%的磁性絮凝劑。

1.4 試驗(yàn)與分析方法

磁場(chǎng)強(qiáng)化絮凝試驗(yàn)：水樣與絮凝劑在反應(yīng)器內(nèi)充分混合，在磁場(chǎng)的作用下進(jìn)行磁絮凝反應(yīng)，先以200 r/min快速攪拌2 min，再以60 r/min慢速攪拌10 min，使污染物顆粒脫穩(wěn)、凝聚形成絮體。絮體沉淀從底部的排泥口排出，上清液從頂部的排水口排出，測(cè)定上清液的渾濁度、CODCr、TN、TP。反應(yīng)器可同時(shí)滿足磁絮凝和固液分離的要求,試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental Installation

三維熒光光譜試驗(yàn)：氙燈為150 W，光電倍增管電壓為400 V時(shí)，掃描速度為12 000 nm/min。將原水水樣稀釋3倍，掃描磁絮凝前后的水樣在激發(fā)光波長(zhǎng)為200～450 nm、發(fā)射光波長(zhǎng)為200～550 nm的三維熒光光譜。

二維分形維數(shù)D2試驗(yàn)：利用顯微鏡通過CCD攝像頭對(duì)磁絮體進(jìn)行拍攝，通過圖像處理分析系統(tǒng)對(duì)絮體投影面積、外徑、直徑、周長(zhǎng)等特征進(jìn)行分析，利用絮體面積與最大長(zhǎng)軸長(zhǎng)度的函數(shù)關(guān)系計(jì)算出二維分形維數(shù)D2，如式(1)[10]。

lnA=D2lnL+lnα

(1)

其中：A——單個(gè)絮體的投影面積，m2；

L——絮體的最大長(zhǎng)度，m；

D2——絮體的二維分形維數(shù)；

α——比例常數(shù)。

FI指數(shù)試驗(yàn)：在磁絮凝過程中，采用光散射絮凝度測(cè)定儀測(cè)定絮體FI指數(shù)(flocculation index)的變化情況。FI指數(shù)可監(jiān)測(cè)絮體顆粒的凝聚狀態(tài)及其變化規(guī)劃，通過檢測(cè)絮體的透光強(qiáng)度、脈動(dòng)波動(dòng)值等，將脈動(dòng)信號(hào)電壓值與透過光強(qiáng)電壓值的比值R作為有效輸出值，即FI指數(shù)。在FI曲線中，曲線的上升斜率代表絮體的生成速率，曲線穩(wěn)定后的FI值代表絮體尺寸，F(xiàn)I值的波動(dòng)程度代表絮體尺寸大小的差異。

檢測(cè)方法：渾濁度采用儀器法；CODCr采用重鉻酸鉀法；TN采用堿性過硫酸鉀紫外分光光度法；TP采用過硫酸鉀鉬銻抗分光光度法。

2 結(jié)果與討論

2.1 絮凝劑投加量對(duì)絮凝效率的影響

為了研究磁場(chǎng)強(qiáng)化絮凝對(duì)農(nóng)業(yè)面源污水的作用效果，在pH值為6.0、磁粉粒徑為70～120 μm、磁場(chǎng)強(qiáng)度為150 mT、沉淀時(shí)間為20 min條件下，分別采用非磁性絮凝劑與磁性絮凝劑進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)投加量為10 mg/L時(shí)，非磁性絮凝劑對(duì)渾濁度、CODCr、TN、TP的去除率分別為69.1%、59.3%、34.5%、78.3%，磁性絮凝劑對(duì)渾濁度、CODCr、TN、TP的去除率分別為85.6%、72.8%、37.2%、81.6%，磁性絮凝劑的絮凝效果均優(yōu)于非磁性絮凝劑。分析其原因：一方面，磁性絮凝劑會(huì)降低污染物表面的負(fù)電荷，使污染物脫穩(wěn)，促使顆?？焖傩纬纱判躞w；另一方面，磁性絮凝劑之間會(huì)發(fā)生渦旋效應(yīng)[11]，其產(chǎn)生的離心慣性力與剪切力是污染物顆粒之間發(fā)生接觸碰撞的主導(dǎo)動(dòng)力，有效促進(jìn)了絮凝過程。此外，磁性顆粒的磁引力可作為絮凝核心，形成的絮體表面電位更低，對(duì)污染物的電中和能力更強(qiáng)。在不同投加量下，磁性絮凝劑對(duì)渾濁度、CODCr、TN、TP的最高去除率分別為92.8%、86.2%、45.3%、90.4%。當(dāng)投加量由5 mg/L增加至15 mg/L時(shí)，渾濁度、CODCr、TN、TP的去除率逐漸增大，這是由于PAC通過電中和作用與帶負(fù)電的污染物發(fā)生反應(yīng)，PAM通過吸附架橋作用促使形成尺寸更大、結(jié)構(gòu)更密實(shí)的絮體。在本試驗(yàn)條件下，非磁性絮凝劑對(duì)渾濁度、CODCr、TN、TP的最高去除率分別為87.2%、72.2%、40.7%、85.5%，磁性絮凝劑對(duì)渾濁度、CODCr、TN、TP的最高去除率分別為92.8%、86.2%、45.3%、90.4%。當(dāng)投加量繼續(xù)增加至20 mg/L時(shí)，渾濁度、TP的去除率不再增加，CODCr、TN的去除率有下降的趨勢(shì)，此時(shí)過量的絮凝劑會(huì)使已脫穩(wěn)的絮體再次脫穩(wěn)。因此，本試驗(yàn)最適宜的磁性絮凝劑投加量為15 mg/L。

圖2 投加量對(duì)磁絮凝效果的影響 (a)渾濁度；(b)CODCr；(c)TN；(d)TPFig.2 Effect of Dosage on Magnetic Flocculation (a) Turbidity; (b) CODCr; (c) TN; (d) TP

2.2 有機(jī)物的三維熒光光譜分析

通過三維熒光光譜檢測(cè)有機(jī)物中腐植酸、蛋白質(zhì)、微生物代謝產(chǎn)物等的激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)的變化規(guī)律，可用來分析不同組分有機(jī)物中的熒光信息，從而定性或定量分析有機(jī)物特性[12]。為了進(jìn)一步考察磁絮凝對(duì)有機(jī)物中不同成分的去除效果，選取了pH值為6.0、磁粉粒徑為70～120 μm、磁性絮凝劑投加量為15 mg/L、磁場(chǎng)強(qiáng)度為150 mT、沉淀時(shí)間為20 min條件下的水樣，對(duì)比測(cè)定了磁絮凝前后有機(jī)物的三維熒光光譜。研究表明，三維熒光光譜可分成4個(gè)區(qū)，Ⅰ區(qū)為芳香族蛋白類、Ⅱ區(qū)為紫外區(qū)富里酸類、Ⅲ區(qū)為可見區(qū)腐植酸類、Ⅳ區(qū)為溶解性微生物代謝產(chǎn)物，其中，Ⅰ區(qū)和Ⅳ區(qū)為蛋白類有機(jī)物，Ⅱ區(qū)和Ⅲ為腐植類有機(jī)物[13]。如圖3和表1所示，原水在Ⅰ區(qū)的峰值激發(fā)波長(zhǎng)/發(fā)射波長(zhǎng)(λEx/Em)為230/342，熒光峰的響應(yīng)強(qiáng)度較強(qiáng)，峰值強(qiáng)度為1 037，這是因?yàn)檗r(nóng)業(yè)受到了人類生產(chǎn)與生活的嚴(yán)重污染。磁絮凝對(duì)芳香族蛋白類有機(jī)物的去除效率較強(qiáng)，絮凝后Ⅰ區(qū)的熒光峰峰值降至523。在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)也有熒光峰帶，分別代表著富里酸、可見區(qū)腐植酸及溶解性微生物代謝產(chǎn)物，但無法看到完整的峰形，這是由于受到了Ⅰ區(qū)高強(qiáng)度熒光峰的掩蔽。經(jīng)電磁場(chǎng)強(qiáng)化絮凝處理后，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)的熒光峰強(qiáng)度均明顯減弱，說明磁絮凝對(duì)腐植類有機(jī)物和溶解性微生物代謝物具有一定的去除效果。

圖3 有機(jī)物的三維熒光光譜Fig.3 3D-EEM Contour of Organic Matter

表1 有機(jī)物熒光峰的位置與強(qiáng)度Tab.1 Position and Strength of Fluorescence Peak of Organic Compounds

2.3 磁粉粒徑對(duì)絮凝效率的影響

磁粉粒徑對(duì)于絮體成核起著關(guān)鍵作用，在pH值為6.0、磁性絮凝劑投加量為15 mg/L、磁場(chǎng)強(qiáng)度為150 mT、沉淀時(shí)間為20 min條件下，研究了磁粉粒徑對(duì)絮凝效率的影響，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)磁粉粒徑為70～120 μm時(shí)，適中的粒徑較易成核，通過吸附脫穩(wěn)的污染物形成磁性復(fù)合絮體達(dá)到去除污染物的目的，絮凝效率較高；當(dāng)磁粉粒徑為120～200 μm時(shí)，對(duì)渾濁度、CODCr、TN、TP的去除率分別為82.4%、74.7%、35.5%、81.5%，絮凝效率較低，這是由于較大的磁粉粒徑導(dǎo)致絮體成核困難，對(duì)污染物的絮凝作用不夠徹底；當(dāng)磁粉粒徑為30～70 μm時(shí)，較小的粒徑雖然易成核，但較弱的磁力導(dǎo)致形成的磁性復(fù)合絮體不夠密實(shí)，絮凝效果也不夠理想。因此，適宜的磁粉粒徑為70～120 μm。

圖4 磁粉粒徑對(duì)磁絮凝效果的影響Fig.4 Effect of Diameter of Magnetic Particles on Magnetic Flocculation

2.4 pH對(duì)絮凝效率的影響

pH影響絮凝劑的水解聚合形態(tài)，水解產(chǎn)物及形態(tài)的不同，對(duì)農(nóng)業(yè)面源污水的磁絮凝機(jī)理也不同，因此，考察了pH對(duì)絮凝效率的影響作用。圖5為磁性絮凝劑投加量為15 mg/L、磁粉粒徑為70～120 μm、磁場(chǎng)強(qiáng)度為120 mT、沉淀時(shí)間為20 min時(shí)，非磁性絮凝劑、磁性絮凝劑在不同pH條件下對(duì)各污染物的去除效率。由圖5可知，當(dāng)pH值小于4.0時(shí)，非磁性絮凝劑、磁性絮凝劑對(duì)渾濁度、CODCr、TN、TP的去除率均較低，這是因?yàn)镻AC水解后主要以Al3+形式存在，不存在吸附架橋作用；當(dāng)pH值為6.0時(shí)，非磁性絮凝劑對(duì)渾濁度、CODCr、TN、TP的去除率分別為89.9%、82.3%、48.9%、88.9%，磁性絮凝劑對(duì)渾濁度、CODCr、TN、TP的去除率分別為93.8%、91.4%、62.4%、92.4%；pH值在4.0～8.0時(shí)，非磁性絮凝劑、磁性絮凝劑對(duì)污染物均有較高的絮凝效率，這是因?yàn)樾跄齽┧馍蒣Al6(OH)14]4+、[Al8(OH)15]3+、[Al13(OH)34]5+等多種帶正電荷的高價(jià)態(tài)氫氧化鋁聚合物，對(duì)帶負(fù)電荷的腐植酸、富里酸等有機(jī)物的電中和作用明顯，促使顆粒物凝聚并沉淀[14-15]；當(dāng)pH值大于8.0時(shí)，水體中OH-濃度較高，氫氧化鋁聚合物會(huì)與OH-發(fā)生反應(yīng)，減弱對(duì)有機(jī)物的電中和作用，因此，非磁性絮凝劑、磁性絮凝劑對(duì)污染物的去除率有所下降。試驗(yàn)結(jié)果顯示：在不同pH范圍下，磁性絮凝劑比非磁性絮凝劑的絮凝效果更好，對(duì)pH的應(yīng)用范圍更廣，可能是由于陽離子PAM的引入不僅增強(qiáng)了復(fù)合絮凝劑的電中和能力，其高分子鏈結(jié)構(gòu)還可在絮體之間形成架橋作用。

圖5 pH對(duì)絮凝效率的影響 (a)渾濁度；(b)CODCr；(c)TN；(d)TPFig.5 Effect of pH Value on Magnetic Flocculation (a) Turbidity; (b) CODCr; (c) TN; (d) TP

2.5 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)Zeta電位的影響

Zeta電位與膠體的穩(wěn)定程度密切相關(guān)，可作為膠體之間相互作用力強(qiáng)度的度量，因此，分別測(cè)定了無磁場(chǎng)與不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下水體Zeta電位的變化規(guī)律。圖6為磁性絮凝劑投加量為15 mg/L、磁粉粒徑為70～120 μm、pH值為6.0條件下，磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)Zeta電位的影響。由圖6可知，無磁場(chǎng)的水體Zeta電位最小，經(jīng)不同強(qiáng)度磁場(chǎng)作用后的Zeta電位均有所增加，這是因?yàn)榇艌?chǎng)的作用改變了水分子的物理化學(xué)特性，從而改變絮凝劑的水解條件，此時(shí)電中和作用起主要作用，可減少膠體所帶的負(fù)電荷量，使Zeta電位升高。此外，磁場(chǎng)作用還增強(qiáng)了帶電膠體的布朗運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，并通過壓縮雙電層降低了顆粒之間的靜電斥力，使膠體顆粒之間快速發(fā)生吸附作用，加快了膠體凝聚和沉淀速度，提高了磁絮凝效率。隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，Zeta電位的增長(zhǎng)程度越大，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度由120 mT增長(zhǎng)至210 mT時(shí)，Zeta電位由-10.2 mV增長(zhǎng)至-4.2 mV，越接近于0。當(dāng)Zeta電位為0即等電點(diǎn)時(shí)，膠體顆粒間的排斥力最小，穩(wěn)定性也最差，更易發(fā)生聚集現(xiàn)象，由此可知，磁場(chǎng)有效提高了絮凝效率。

圖6 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)Zeta電位的影響Fig.6 Effect of Magnetic Field Strength on Zeta Potential

2.6 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)沉降效能的影響

為了探究磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)沉降效能的影響作用，分析了不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下絮體沉降速度的變化規(guī)律。圖7為磁性絮凝劑投加量為15 mg/L、磁粉粒徑為70～120 μm、pH值為6.0、沉淀時(shí)間為20 min條件下，絮體沉降速度的變化情況。由圖7可知，當(dāng)沒有磁場(chǎng)時(shí)，絮體受到重力的作用進(jìn)行自由沉降，沉降速度較慢，絮體高度較高。在有磁場(chǎng)的作用下，由于絮體受到方向向下的磁力大于重力，絮體的沉降速度很大程度提高，絮體被壓縮得更加密實(shí)，且在初始階段沉降速度最快；當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為120、150、180 mT時(shí)，沉降20 min的絮體高度分別為134.8、93.7、71.2 mm，絮體高度隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而降低。這是由于磁場(chǎng)能減少污染物的電荷量，從而減小絮體之間的排斥力，磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，污染物之間的凝聚力越大，沉降速度逐漸增大，形成的絮體更加緊實(shí)，減少了絮體沉積物的厚度。此外，磁場(chǎng)作用越強(qiáng)，磁絮凝效果越好，絮體沉積物中的自由水由于受到磁力的擠壓而被排出，體積也有所減小。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度繼續(xù)增大至210 mT時(shí)，沉降20 min的絮體高度為64.2 mm，此時(shí)絮體高度變化不再明顯，絮體的密實(shí)程度達(dá)到最大，從節(jié)能角度，本試驗(yàn)的最適宜磁場(chǎng)強(qiáng)度為180 mT。

圖7 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)沉降效能的影響Fig.7 Effect of Magnetic Field Strength on Settlement Efficiency

2.7 攪拌速度對(duì) FI指數(shù)的影響

通過光散射絮凝度測(cè)定儀監(jiān)測(cè)懸浮顆粒的脈動(dòng)變化規(guī)律，可分析檢測(cè)絮體的聚集程度與粒徑變化[16]，即FI指數(shù)。攪拌速度對(duì)于絮體特性起著關(guān)鍵作用，絮凝劑在快速攪拌的作用下迅速擴(kuò)散并發(fā)生水解，生成的微絮體在慢速攪拌的作用下發(fā)生有效碰撞，通過吸附架橋作用生成尺寸更大的絮體，因此，本試驗(yàn)分析了磁絮凝在不同攪拌速度下絮體的FI指數(shù)變化規(guī)律。圖8為磁性絮凝劑投加量為15 mg/L、磁粉粒徑為70～120 μm、pH值為6.0、磁場(chǎng)強(qiáng)度為150 mT條件下，絮體的FI指數(shù)隨反應(yīng)時(shí)間的變化情況。隨著快攪速度的增高，絮體的FI指數(shù)逐漸增大，快攪速度的增加使絮凝劑的水解過程更加徹底，顆粒物逐漸脫穩(wěn)并形成微絮體。當(dāng)慢攪速度由40 r/min增長(zhǎng)至80 r/min時(shí)，絮體的FI指數(shù)逐漸增大，這是因?yàn)槁龜囁俣鹊奶岣咴龃罅诵躞w之間的碰撞概率，促進(jìn)了絮體的凝聚過程；當(dāng)慢攪速度由80 r/min增長(zhǎng)至100 r/min時(shí)，絮體的FI指數(shù)有所減小，過大的剪切力不僅減少了絮體之間的碰撞幾率，還使凝聚的絮體發(fā)生破碎。此外，隨著攪拌時(shí)間的延長(zhǎng)，F(xiàn)I指數(shù)很快趨于穩(wěn)定，絮體生長(zhǎng)速度很快，這是由于磁粉的引入增加了廢水中懸浮顆粒的數(shù)量，從而增大了顆粒物之間的碰撞概率，帶電荷污染物在磁場(chǎng)的作用下，能夠快速凝聚成磁絮體。因此，磁絮凝技術(shù)可有效減少攪拌時(shí)間，降低運(yùn)行成本。

圖8 攪拌速度對(duì)絮凝效率的影響Fig.8 Effect of Mixing Speed on Flocculation Efficiency

2.8 磁絮凝對(duì)分形維數(shù)的影響

分形維數(shù)是表征絮體分形特征的關(guān)鍵參數(shù)之一，能夠描述絮體的不規(guī)則性、復(fù)雜性及空間結(jié)構(gòu)填充度，采用圖像處理與軟件結(jié)合的方式對(duì)磁絮體的分形維數(shù)進(jìn)行測(cè)定，研究認(rèn)為，分形維數(shù)越大，絮體結(jié)構(gòu)越密實(shí)，孔隙率越低，且在2.0以內(nèi)具有明顯的分形特征[17]。由圖9和圖10可知，隨著攪拌時(shí)間的增加，非磁性絮體和磁性絮體在二維拓?fù)淇臻g的分形維數(shù)均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。當(dāng)攪拌時(shí)間由3 min延長(zhǎng)至9 min時(shí)，非磁性絮體的分形維數(shù)D2由0.381 4增長(zhǎng)至1.209 8，磁性絮體的分形維數(shù)D2由0.430 7增長(zhǎng)至1.551 9，這是因?yàn)樾跄齽┰诳焖贁嚢锠顟B(tài)下發(fā)生水解，此時(shí)絮體小而松散，隨著慢速攪拌的進(jìn)行，微小絮體顆粒之間發(fā)生相互碰撞，形成大尺寸的絮體，絮體結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，抗剪切力更強(qiáng)；當(dāng)攪拌時(shí)間由9 min延長(zhǎng)至11 min時(shí)，絮體的分形維數(shù)雖然仍在增加，但增長(zhǎng)幅度有所減弱，此時(shí)絮體結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定。在相同反應(yīng)時(shí)間條件下，磁絮體的分形維數(shù)D2均大于非磁性絮凝劑形成的絮體，說明磁粉的加入增強(qiáng)了絮體之間的磁引力，提高了絮體的密實(shí)度，有效改善了絮體的結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了絮體的快速沉降。

圖9 不同反應(yīng)時(shí)間下的分形維數(shù)Fig.9 Fractal Dimension under Varied Reaction Time

圖10 分形維數(shù)隨反應(yīng)時(shí)間的變化規(guī)律Fig.10 Change Rule of Fractal Dimension with Reaction Time

3 結(jié)論

(1)磁場(chǎng)強(qiáng)化了絮凝效果，磁性絮凝劑對(duì)渾濁度、CODCr、TN、TP均有較好的絮凝效果，可有效去除有機(jī)物中的腐植類有機(jī)物和溶解性微生物代謝物。磁性絮凝劑對(duì)pH的應(yīng)用范圍較廣，磁場(chǎng)的作用減少了膠體所帶的負(fù)電荷量，提高了Zeta電位值，越接近于0。

(2)在磁場(chǎng)的作用下，絮體的沉降速度有很大程度的提高，磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，絮體沉降速度越大，絮體沉積物中的自由水由于受到磁力的擠壓而被排出，因此，體積也有所減小。

(3)絮體的FI指數(shù)隨著快攪速度的增高而增大，磁場(chǎng)強(qiáng)化絮凝技術(shù)可減少反應(yīng)時(shí)間，降低運(yùn)行成本。磁絮體的分形維數(shù)D2均大于非磁性絮凝劑形成的絮體，磁粉的加入增強(qiáng)了絮體之間的磁引力，提高了絮體的密實(shí)度，有效改善了絮體的結(jié)構(gòu)。

(4)磁性絮凝劑對(duì)農(nóng)業(yè)面源污水中渾濁度、CODCr、TN、TP的絮凝效果均優(yōu)于非磁性絮凝劑，經(jīng)磁場(chǎng)強(qiáng)化絮凝處理后，出水水質(zhì)CODCr、TN、TP指標(biāo)均滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

(5)采用磁場(chǎng)強(qiáng)化絮凝工藝處理農(nóng)業(yè)面源污水，只需對(duì)現(xiàn)有絮凝設(shè)備進(jìn)行改造，基建成本低。磁場(chǎng)強(qiáng)化絮凝工藝通過磁場(chǎng)作用壓縮污泥，降低了污泥含水率和產(chǎn)生量，縮短了處理時(shí)間，減少了污泥處置成本。此外，通過采用廉價(jià)原料制備磁粉，如粉煤灰、煉鋼爐渣等工業(yè)廢渣，可以進(jìn)一步降低成本。