磁效应强化活性污泥法的研究进展

广东化工 2013年第1期· 62 · 第40卷总第243期

磁效应强化活性污泥法的研究进展

樊杰

(武汉科技大学城市建设学院，湖北武汉 430065)

[摘要]磁效应早期仅用于无线电领域，随着学科交叉不断加大，磁技术在工业废水、生活污水处理中得到了发展。日本宇都宫大学率先开始了磁性活性污泥法的研究，国内也进行了大量研究。论述了磁效应强化活性污泥法的基本原理、应用、对污泥活性和沉降性能的影响，并作出了展望。

[关键词]磁强化；活性污泥；污水处理

[中图分类号]X703 [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2013)01-0062-02

Progress on Enhanced Activated Sludge Process by Magnetic Effect

Fan Jie

(College of Urban Construction, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430065, China) Abstract: Magnetic effect was originally used in wireless. With the constantly increasing interdisciplinary development, it was extended to industry and domestic wastewater treatment. Utsunomiya University began first study of magnetic activated sludge process which also developed in China. The paper introduced principle and application of magnetic activated sludge, and its effect on sludge activity and settling performance. Future application in wastewater treatment was prospected.

Keywords: magnetic enhancement；activated sludge；wastewater treatment

活性污泥法存在污泥膨胀、污泥浓度难以提高的局限性，加之制药、化工、印染、造纸等工业废水的无规律排放，活性污泥对冲击负荷和毒物的耐受能力较差。近年来，磁技术被用来改进传统活性污泥法，通过加入磁粉(Fe3O4)和外加磁场对活性污泥进行驯化，本身不带磁性的活性污泥变成了磁性活性污泥。研究发现其可以大幅度削减BOD、SS负荷，明显改善污泥絮体结构和沉降性能，克服污泥膨胀，提高污泥浓度。生物磁学作为一种新技术和一种边缘科学兴起，生物磁学认为一切物体都具有或强或弱的磁性，生物磁性与生物特性之间又相互联系、相互影响。磁技术的引入为污水生物处理提供了新思路。

1 磁效应的产生方式

微生物在磁场作用下所表现出的一些特性变化即为微生物磁效应[1]。

1.1 投加磁粉

产生磁效应的方法之一是直接在活性污泥中加入磁化氧化铁Fe3O4，Fe3O4是最常见的铁磁性材料，比重很大(5.2~5.6 g/cm3)，为使其充分悬浮易于与污泥接触，磁粉粒度越细越好，一般采用微米或纳米级，磁粉具有很大的表面积和表面自由能，能够直接吸附污水中的污染物，磁粉的等电点为pH=6.4~7.2[2]，容易和活性污泥中菌胶团结合。磁粉投加量存在最佳点，任月明[3]等发现投加量为1.2 mmol/L时COD去除率最高，增加投加量去除率反而降低，并且运行30 d后磁粉部分失效，此时应补加一定量的磁粉。

1.2 外加磁场

第二种产生磁效应的方式是在反应器外部固定永久磁铁，引入恒定磁场。磁场位型分为相斥和相吸两种。

2 磁效应强化活性污泥法的应用

研究者们研究了磁效应对COD、氨氮、总凯氏氮、乳化油去除的影响，在生活污水、淀粉废水、屠宰废水、餐饮废水中均有应用。Agnieszka[4]在磁场强化生物法处理废水的试验中，其中一个的污泥回流管上安装一对永磁体将流体周期性暴露在40 mT永磁场中，另一个不加磁，作为非磁性系统。磁场并没有对COD 的去除产生明显的影响，但对氮化合物的转化却有非常明显的提高，特别是凯氏氮的转化率。任月明等[5]采用纳米磁粉生物法与磁分离技术结合处理淀粉废水，对COD、NH4+和TN去除率分别提高10 %、9.3 %和8.4 %。刘爱萍等[6]在MBR中加入磁粉，膜通量下降速度低于普通絮状活性污泥MBR。张密林等[7]利用纳米磁粉磁化细菌生物法来处理屠宰污水，提高了生物法对污水的处理效果。孙水裕等[8]利用磁粉强化污泥处理餐饮废水，磁粉的加入增加了活性污泥的比重，使污泥絮体的结构紧密，缩短了泥水分离时间，沉降速度提升，油脂的去除率、COD Cr去除和上清液透光率都优于传统活性污泥法。贺玉龙[9]在磁粉投加量为100 mg/L时取得最佳工况，此工况下磁粉活性污泥法的基质降解符合一级反应规律。王朝宇[10]以超微磁性Fe3O4粒子及活性炭吸附的活性污泥制备固定化微球用于污水处理，证明其用于处理生活污水是可行和有效的。

3 对污泥活性的影响

磁效应对微生物的生长、耗氧速率、酶的活性均产生影响。王祥三[11]研究发现磁场能够改变细菌细胞超微结构，磁场内的细菌细胞的线粒体数目明显增加，而且线粒体内的嵴也增加，因此可为细胞的呼吸、氧化还原提供足够的场所。栗杰[12]发现100 mT 场强会对放线菌和真菌表现出正效应，而对细菌的生长显示出抑制作用。酒井保藏[13]研究发现在磁化活性污泥中，污泥的增殖和自身消化相抵消，从而抑制了污泥的增殖，有可能是零剩余污泥。在日本的污水处理厂有未排泥连续运行2年的成功先例。磁场对硝化反应有着明显的促进作用，而对反硝化菌的生长则表现出了一定的负效应[14]。

酶的主要成分是C、H、O、Cl、S和微量的过渡金属原子，过渡金属原子在许多情况下呈现顺磁特性，磁场通过影响生物体的顺磁原子从而影响酶的活性。从生物磁学观点看，自由基带有电荷，显示磁性和电性，因此磁场会影响自由基的活动。代科林[15]研究发现，投加磁粉后，磁性污泥耗氧速率OUR值呈波动变

化。磁粉投加量由0增加到1.5 g，脱氢酶活性一直呈现增加趋势，再增加磁粉投加量脱氢酶活性提高幅度略有下降。王强[16]发现磁场强度和磁作用方式均对好氧反硝化功能菌的生理特性产生影响。当外加磁场强度为150 mT时，硝氮去除率、脱氢酶活性较未加磁场时分别提高了7.2 %和2.38倍；在30~90 mT之间，磁场对氨氮的去除有促进作用，氨氮在60 mT时去除效果最佳，当磁场强度大于90 mT时对氨氮的去除起负效应。

微生物细胞膜上存在蛋白质通道。外部电磁场对穿过通道的离子施以电场力和洛仑兹力的作用，能够影响带电离子(钾离子、钠离子、氯离子等)对生物膜的渗透交换能力，进而增大水中的矿物溶解度、影响生物体内的代谢作用、生化过程和膜电位变化、增加水分子自由基(它携带水中的氧分子)；从另一个角度来讲，它可以增加整个系统的溶氧量[17]。张凡[18]的实验研究表明在磁效应的作用下，水的渗透压和水中溶解氧浓度上升，使物质传递扩散的速率加快，同时也有利于微生物对氧的吸收利用。

4 对污泥絮体结构和沉降性能的影响

磁粉的加入，使相对松散的活性污泥转变成絮凝性能好、结构紧密的污泥颗粒，沉降性能大大改善。磁粉的加入降低了活性污泥表面能，使活性污泥中的间歇水和表面水释放出来成为自由水，从而提高活性污泥的可脱水程度。李帅[19]进行的磁场对污泥沉降影响的数理统计分析表明，磁场对污泥沉降性能有影响，平行磁化的影响大于垂直磁化的影响，平行磁化中磁场强度越大，对污泥沉降性能的影响越大，而垂直磁化对污泥的沉降性能影响并不明显。周正[20]以吸附量和比吸附量作为污泥对葡萄糖吸附性

[收稿日期] 2012-12-03

[作者简介] 樊杰(1981-)，女，湖北宜昌人，博士，讲师，主要研究方向为水污染控制。