磁活性污泥法在污水处理中的应用

目前， 活性污泥法仍是污水处理的主要方法， 并在世界各国得到了广泛的应用。但活性污泥法存 在着对水质变化和冲击负荷适应性较弱、易发生污 泥膨胀、基建和运行费用较高、占地面积大、剩余污 泥产量大等缺点。针对活性污泥法的这些缺点和不 足， 国内外很多学者和工程技术人员对活性污泥法 进行了很多改良， 比如生物反应池内投加填料提高 抗冲击负荷能力、设置生物选择器控制污泥膨胀、 采用膜生物反应器提高污泥浓度从而提高反应器 容积负荷等。

早在 20 世纪 70 年代， 磁技术就开始用于水处 理领域。经过 20 多年的发展， 磁技术已囊括磁分 离、磁回收、磁生物等多个技术分支。磁技术的处理对象已从处理磁性污染物废水扩大到处理非磁性 污染物废水， 并逐步扩展到水环境污染治理的各个 领域， 形成了较完整的工艺技术及磁技术理论体 系[7]。在电镀废水、含酚废水、地表水、印染废水、含 油废水、钢铁废水和城市污水处理厂二级出水处理 方面[8-13]取得相当的成果。其中磁活性污泥法是一种 新型的污水生物处理技术， 具有广阔的应用前景。

1 磁活性污泥法技术原理

磁活性污泥法 （the magnetic activated sludge process，MAS） 是传统活性污泥工艺的一种改良。通 过在活性污泥污水处理工艺中投加磁粉（主要是 Fe3O4）和少量混凝剂， 混凝剂的吸附架桥作用使活 性污泥絮体吸附结合到磁粉表面， 使絮体结构更加 密实， 污泥沉降性能大大提高， 提高反应池内生物 量， 提高污染物去除效果。磁种通过磁鼓分离器回 收循环使用。磁种的引入大大减小了生物反应 器占地面积、提高了处理负荷、改善了脱氮除磷效果、有效控制丝状菌污泥膨胀、降低剩余污泥产量。

投加的磁粉有两个作用：

（1） 作为载体， 提供微 生物附着生长的场所， 因而可以提高反应器内污泥 浓度， 提高系统的容积负荷， 减少反应器占地面积；

（2） 作为活性污泥絮体的核心， 混凝剂的吸附架桥 作用使活性污泥絮体粘附到磁粉颗粒上， 絮体结构 更加密实， 同时磁粉的密度大（5.2～5.6 g／cm3），使得 污泥沉降性能大大提高， 能够缩短沉淀时间， 减小 沉淀池体积。投加的混凝剂同时具有吸附结合活性 污泥和化学除磷的作用。

传统活性污泥法受二沉池污泥沉降分离能力的 限制，曝气池污泥浓度低（一般在 3 000～4 000 mg／L） 反应器容积负荷低，系统占地面积大[14]。而磁活性污 泥法由于磁粉的引入， 大大提高了反应器内生物量， 混合液悬浮固体浓度（MLSS） 可达 8 000～10 000 mg／ L，可以大大提高反应器容积负荷， 相应减少反应器 占地面积， 提高处理效率。

活性污泥法会产生大量剩余污泥，且污泥处理处 置的投资约占污水处理厂总投资的 20 %~ 50 %， 已成为活性污泥法的固有缺陷。Suwa 等、Arnot 和Howell研究认为， 在生物处理工艺中保持高污泥 浓度， 会影响细胞代谢机理和细菌生长， 从而降低 污泥产量。污泥浓度的提高会导致混合液沉淀性能 变差， 泥水分离效果不好。膜生物反应器（MBR） 通 过膜分离作用实现泥水分离， 不受沉淀池沉淀性能 的限制， 因而可以在系统内保持高污泥浓度， 实现 了高污泥浓度低负荷条件下污泥产率的降低。磁 活性污泥法由于磁粉的引入， 大大提高了污泥的沉 降性能， 在沉淀时间较短的情况下， 仍然实现了很 好的泥水分离效果。因此能在系统内保持较高污泥 浓度， 从而减少剩余污泥产量， 相应的降低了污泥处理与处置的费用， 实现了与膜生物反应器类似的 效果。

污泥膨胀问题是传统活性污泥法的另一主要 缺陷。磁活性污泥法中投加的磁粉大大提高了菌胶 团的密度， 使其沉降性得到很好的改善， 且抑制了 丝状菌的生长繁殖， 从而有效地控制污泥膨胀。

2 磁活性污泥法工艺技术的研究进 展

日本学者 Yasuzo Sakai 等[19-21]对磁活性污泥法 进行了一些深入研究： 通过补充磁粉（磁性污泥） 而获得的高浓度活性污泥用来处理模拟废水， 通过磁分离与重力沉降的联合处理来防止磁性污泥 的流失。30 d 后，CODCr 去除率和出水悬浮固体分别 保持在 85 %～94 % 和 5～24 mg／L。与此同时， 曝气 池混合液悬浮固体浓度表观不变， 没有剩余污泥 的产生；在一个间歇曝气（非曝气／曝气为 40 min／ 20 min） 的 SBR 小试反应器中加入磁粉， 处理模拟废水 ，在 CODCr 负荷和 TKN 负荷分别为 0.92 g

CODCr／（L ·d） 、0.10g TKN／（L · d） 条件下， 对 CODCr 和 TKN 的去除率分别达到了 92 %和 89 %； 在一个 间歇曝气（非曝气／曝气为 90 min／30 min） 的 SBR 小试反应器中加入磁粉， 处理挤奶厅废水， COD 和 NH4+-N 去除率分别达到 91 %和 99 %， 曝气／非曝 气循环周期为 30 min／90 min 时， 出水 NO3–N 浓度 接近零， 几乎实现完全反硝化， 同时没有剩余污泥 的排放。

美国剑桥水技术（Cambridge Water Technology） 应用磁活性污泥技术， 研究开发了新型污水处理工 艺——BiomagTM 工艺。BiomagTM 工艺所需的占 地面积相对常规生化系统较小， 经 BioMag 工艺处 理过的水， 其悬浮物、生化需氧量、氮和磷的浓度都 比较低。在抗冲击负荷、控制污泥膨胀、提高有机负 荷方面， 较传统活性污泥法有较大优势。

美国剑桥 水技术在美国麻省 Sturbridge 市进行了 BioMag 工 艺全规模试验。实验表明， BiomagTM 工艺能显著提高 处理能力〔从 0.155 MGD（百万加仑每天） 提高到 0.336 MGD〕，MLSS 高达 12 000 mg／L（同时 SVI= 40） ，出水 TSS 小于 10 mg／L、BOD 接近 0 mg／L、 NTU 小于 1 mg／L、氨氮接近 0 mg／L、TN 小于 10 mg／L、 TP 小于 0.1 mg／L。实验认为， 与膜生物反应器技术 相比， BioMag 工艺是成本更低且处理效果较好的优 化升级工艺。BioMag 工艺有着更为简易的控制系 统； 且在施工安装和运行期间， 分期扩建更为简易国内一些学者和工程技术人员也开展了一些 磁活性污泥法的研究。

活性污泥中投 加适量磁性粉末（Fe3O4），通过与普通活性污泥法平 行试验比较。试验结果表明投加磁粉活性污泥法， COD 去除能力提高 15 %， 脱氮效果更优， 承受毒物 的能力更强， 处理后的流出液透光率明显优于普通 活性污泥法。污泥絮体结构紧密， 沉降分离效果好， 可大幅度提高曝气池污泥浓度和难降解污染物降 解菌和硝化细菌的比例。刘爱萍等[23]以人工合成模 拟废水为处理对象， 在膜生物反应器（MBR） 中培养 磁种好氧颗粒污泥， 并考察其对膜污染的影响。试 验结果表明， 在磁种好氧颗粒污泥和反应器流态的 共同作用下， 磁种好氧颗粒污泥 MBR 的膜通量下 降速度低于普通絮状活性污泥 MBR 的膜通量下降 速度， 同时磁种好氧颗粒污泥粒径平均为 1.7 mm， 沉降速度为 30～91 m／h（沉降速度随粒径的增大而增大） 。

3 磁活性污泥法存在的问题与优化 策略

目前，磁活性污泥法还存在一些问题， 主要有 一下几个方面：

（1） 磁粉密度较大， 因而需要较大的 搅拌速度和曝气量， 运行能耗会相应增加；

（2） 对于 具有脱氮除磷的活性污泥工艺， 曝气量的增加会提高曝气池DO值， 过高的曝气池混合液 DO 值通过 污泥回流和混合液回流回流到缺氧池与厌氧池， 会 破坏厌氧与缺氧环境， 影响脱氮除磷效果；

（3） 若磁 粉分离效果不好，会增加磁粉的流失率， 从而增加运行费用；

（4） 磁粉的投加会加速机械设备的磨损， 因此需要通过长期运行来评价磨损程度。

针对以上问题的一些优化策略：

（1） 曝气池增 加搅拌或水下推进器等设备实现磁粉的悬浮， 可以 降低曝气量， 从而降低曝气池混合液 DO 值， 从而降 低回流对厌氧缺氧环境的影响， 同时降低部分曝气 能耗；

（2） 选用分离效果较好的设备， 提高磁粉的回收率；

（3） 对磁粉进行一些改性处理， 或选用粒径较小的磁粉颗粒，降低机械设备的磨损速率。

4 结论与展望

结合磁活性污泥法的特点，可以认为该技术适用于需要更大处理能力或者需要提高有机污染物 去除能力的传统活性污泥法处理厂的升级改造。磁 活性污泥法是成本较低且处理效果较好的优化升 级工艺， 并且不需要额外增加构筑物。另外，也可以 做成一体化设备， 用于季节性废水的处理， 具有机 动灵活的特点。然而， 作为一种新型污水处理技术， 也存在着需要加大曝气量而增加运行费用、如何提 高磁粉回收率、设法降低机械磨损程度等问题。开 展磁活性污泥法技术研究无疑具有重要的意义， 磁 活性污泥法必将在我国的污水处理领域发挥重要作用。