《磁化处理对污染水体耗氧特性影响的试验研究》
郭银松
摘要：阐述了磁化技术的研究、应用、发展和水磁化的基本理论。并以此理论和前人在诸领域研究及应用的成果为据，采用电磁装置，使不同浓度的城市污水通过不同的磁场强度进行处理，结果出现了水体重要的耗氧污染指标——生化需氧量（BOD）和化学需氧量（COD）不同程度的降低现象。由此初步判断，磁化处理可降低污水的耗氧污染负荷，改善水体的耗氧特性。污水处理与利用的方法可归纳为物理法、化学法、生物法等。按处理程度，一般可分为三级。一级处理又称预处理，即应用物理方法去除污水中的悬浮固体污染物（SS），使污水得到初步净化，此法可去除70%~80％的 SS ，使 BOD 降低25%~40%，但需一定的占地面积及机械设备投资；二级处理又称生物处理，即利用天然微生物的代谢作用，使可溶性及胶体的污染有机物矿化，一般可使90％的无毒有机物和90%~95％的 SS 去除，但对有毒有机物不易去除，同时剩余污泥难以处理；三级处理又称深度处理，即通过加入化学试剂，利用化学沉淀法、中和法、氧化还原法、电解法等进行污水处理，此法消耗试剂，易造成二次污染。这些方法在污水治理中均起了很大作用，但均不尽完善，目前污水治理中的关键是在应用诸多常规方法的基础上，探索开发高效、节能、操作管理方便、易于实现自动化的新技术和新方法磁场对水性质的影响，早在13世纪，物理学家格尔就注意到了磁化水的医疗作用；1913年德维尔阐述了用磁化水成功地治疗伤口和溃病的例子；1945年比利时的韦梅朗应用水的磁化处理，有效地减少了锅垢的形成，并获得了专利。直到后来前苏联科学家提出关于磁化处理影响锅垢的沉积与水的物理化学性质变化有联系的设想后，才引起我国科学家们应有的重视，并在50年代末研制成电磁防垢装置，而且很快在化学、矿山、冶金、建材、农业及医学等方面开辟了对磁化水研究和应用的广阔途径。尤其是近几年来，在医疗、保键、农业、生物等方面的应用研究增多，虽然缺乏充实的理论，但在实际应用中确实获得了良好的效果。基于前人对水磁化的实际研究和应用，证明水磁化后会引起一系列物理、化学性质的变化，工艺与生物过程指标也会随之变化，那么可以推断污水经磁化处理后，其耗氧特性及很多重要的污染指标均可能得到改善。目前磁化技术在水污染控制方面的应用，还仅局限于借助磁场力的作用去除废水中磁化悬浮物（如钢铁工业废水中的氧化铁及其它金属氧化物）和投加磁种及混凝剂以形成具有磁性复合絮体的非磁性悬浮物（如油污水中的石油烃类物质）方面·在应用磁化处理去除污水中的有机耗氧污染物质的试验研究方面，桂林南溪山医院污水生态处理系统，在通入生态滤池的污水出水管中安置永久性磁铁对污水进行磁化处理的尝试表明：磁化处理后与未处理前相比，明显消除了鱼类浮头和死亡的现象，而且磁化处理后的污水 BOD 和 COD 均有所降低·因此进一步探讨和研究污水磁化效应及机理，对开发污水处理的新技术有着重要的意义。污水磁化处理的理论基础：自然界的物质从磁性角度可分为强磁性、弱磁性和抗磁性·法拉弟注意到"磁性存在于一切物质之中，并与物质的化学成分及结构紧密联系"按照磁化学建立的水磁化理论，水磁化处理后其物理化学性质均可发生变化，这成为许多磁化技术研究和实际应用的基础。前人的研究成果证明了经磁化处理的水对光的吸收变化率为30%，磁光效应的变化为8%~20%，而且磁化处理对水的电导率、粘性、磁化率、介电常数、化学反应均有影响。这些现象均意味着经磁化处理后，纯水或含杂质的水的结构发生了变化，这些变化与原子核外电子层的激发和物质键的结构有关。还证明了磁化水能使锅垢分解，将试样煮沸后定期称重，发现锅垢重量减轻，而定期测定溶垢样的磁化水后发现透光率、pH值、硬度、电导率均高于非磁化水，说明磁化后垢的溶解速度加快。此现象可解释为溶液所含盐类能级有所改变，影响所生成的水垢晶形改变，不易作有序排列而生成硬垢；还可解释为水或溶液以一定流速通过磁场时，可引起电子的激发，影响析出沉淀的离子键，使所生成的沉淀强度降低，呈松散雪花状，与器壁结合力减弱，易随水流走。另外，磁化处理引起电子的激发和转移，从而影响多相系统相界面进行的电化学反应，在不同磁化条件下可使腐蚀加快或缓蚀·对天然水磁化处理后，可使澄清速度增加20%~90%,对 Fe ( OH )3、A1( OH )3凝聚速度可增加1.4倍。磁化处理对生物的各种异常效应，实质上也是对水的影响和对生物体化学物质的影响，而使生物行为发生强烈变化。综上所述，磁化理论迄今为止虽还未确定和形成，但在国内外多年诸多方面的研究和实际应用中，均获得了良好的效果。以此为据，采用磁化处理净化污水，设想经磁化处理后可引起耗氧有机物中的共价键变形，结构松弛、断裂成小分子有机物或矿质化，使部分固体悬浮物沉降性能增强，从而使水体的COD、BOD 等污染指标降低，使污染水体的耗氧特性得到改善，而且还可能会通过后期效应，提高生态系统的有利因素。这种方法不向水体投加特殊药剂，没有二次污染，具有巨大的经济和生态学意义。磁化设备的类型：磁化设备分永磁设备和电磁设备两类。永磁设备的磁场由永磁铁产生，电磁设备的磁场由直流电产生，电磁铁可安放在机体内或机体外，这些设备均有定型设计制造，并已在工农业生产及医学中得到应用。磁化处理对污水耗氧特性影响的试验：水体耗氧污染的危害及耗氧污染指标：随着社会的进步和生产的发展，除了工业废水排放量日益增多外，城市生活污水成为引起水环境恶化的另一重要污染源，其成分复杂，除了固体有机悬浮物杂质外，还富含胶体和高分子有机物及溶解性盐类、尿素及其它有机分解产物。这类污染物本身虽然无毒，但大量排入水体后的主要污染现象之一是在微生物的氧化分解时皆需消耗水中的溶解氧（DO），且耗氧量与有机物浓度成正比。若水中有机物浓度很高时，则大量消耗水中的DO使水体呈现厌氧状态，发生厌氧分解，产生H2S、CH4、NH3及有机酸、醇等物质，使水体发黑发臭，破坏水资源和水源，因此这类物质统称为耗氧污染物·废水的稳定，就是在处理过程中，使不稳定（可降解）的有机物转化为稳定物质，从而改善废水的耗氧性，使废水进入环境时，不再消耗环境中的氧，环境不再因缺氧而失去正常生态。因测定和正确识别水中各种有机物很困难，故目前城市污水和大多数有机废水最广泛使用的耗氧污染指标和净化度指标是能反映水体耗氧污染负荷的综合指标——生化需氧量（BOD）和化学需氧量（COD）。本次试验研究取城市污水或模拟城市污水，在实验室条件下，控制一定流速（1.39m/s），使污水样通过不同强度的磁场，并及时测定处理前后耗氧污染指标的变化。磁化处理对污水耗氧性影响的试验结果：BOD为20℃温度下，培养5日的耗氧量。随磁场强度变化的曲线看出，几种水样经磁化处理后，BOD均有较明显的下降趋势，且去除率并不随磁场强度的增加而增加，而呈现周期性的波动和多极值变化的趋势。连续对5种水样进行实验，均呈现出相同的规律。但由于影响水磁化处理的所有基本因素在实验中不够稳定，故使几组水样的测值重现性出现较大的波动。对CODcr的影响：一般生活污水中的BOD占 CODcr的70%~80%，生活污水可生化性高，如果其中含有过高的无机还原性物质，那么测定结果偏高，就不能代表有机物的真实含量，故应采用改良法测定 CODcr。5种不同浓度的水样经不同磁场强度磁化处理后，测得的 CODcr值均与BOD一样，呈现出相同的下降趋势，同样随磁场强度的变化呈现出周期性和多极值变化。磁化处理改善污水耗氧特性的机理：BOD与 CODcr均为反映水体耗氧污染的指标。BOD为好氧微生物以有机物作为呼吸基质，进行好氧分解代谢，使有机物稳定化过程中所消耗的氧量。 CODcr则指用K2Cr2O7强氧化剂氧化水中还原性物质（有机物及部分无机物）消耗氧化剂的量，换算成氧的mg / L量。二者呈正相关性污水经磁化处理使不稳定的有机物转化为稳定物质，从而改善了水体的耗氧特性，其使BOD5和 CODc ，降低的机制，可推测为以下3个方面的作用：（1）磁化处理，促进氧的溶解，增强水体的复氧能力，从而加速有机物的氧化分解；（2）磁化处理，强化生物效应，促进微生物的代谢，提高有机物的降解速率；（3）磁场力的作用，直接破坏有机物的共价键，使其转化为小分子的低能物质或无机化，从而减弱水体的耗氧性对以上推测的实验论证和理论分析如下：（1）实验结果证明，经不同磁场强度处理的污水及天然湖水，DO浓度均没有明显变化。同一种污水经不同磁场处理后，控制同一条件进行不同时间的充氧曝气，复氧能力也没有异常变化，因此，不可能是因促进氧的溶解和提高复氧能力而使污水耗氧性减弱。（2）磁化处理后加速了水体中微生物的代谢过程，导致耗氧性减弱，这也不大可能。尽管微生物有代谢活力强、繁殖速度快的特点，在温度、DO、EH、pH、营养物质等态因子均适合的条件下，10~20min可繁殖一代，完成全部的代谢过程，但在污水以平均1m/s 的速度通过磁化器的一瞬间，不可能产生这种神速的效应。因为不但没有看到有菌胶团形成的现象，而且以无菌水、纯试剂配制的模拟污水磁化测定结果与自然污水有同样规律，由此说明污水经磁化处理使耗氧性减弱的现象，不可能是微生物直接氧化分解作用的结果。（3）上述两点被否定后，试图解释磁化处理引起耗氧性减弱的原因，仍应从经磁化作用引起分子的物理化学性质的变化进行分析：其一是磁场同电场、辐射场一样，是客观存在的具高能量的物质，与磁化使锅垢结晶松散的道理一样，污水中的高分子有机物在磁场力的作用下，可引起共价键（C—C、C—N、C—H等）的变形、松弛、断裂，形成低能量的小分子碎片或部分无机化，从而使耗氧性降低；其二是磁化可引起电子的激发，改变物质的电荷和等电点、凝聚性，从而使部分污染物之间发生1+1=0的抵消效应或凝聚沉降效应，使污水耗氧性减弱，导致 CODcr与BOD较原水降低。结论：磁化处理在建材、农业及医学等方面已得到承认和正常利用。但在污水处理方面，尚处于刚刚提出和研究阶段。上述研究初步证明，磁化处理引起污水耗氧特性改善的现象，对强化污水净化过程有着重要的意义。设想将磁化处理作为城市污水一级处理的预处理，可使BOD和 COD 有所降低，减轻二级处理负荷；将磁化装置安装在氧化塘的进水口，可促进藻菌互生，提高氧化塘的净化能力。对改善水体耗氧特性且没有二次污染、设备操作简便、节约药剂和能源、节省人力物力而言，应该说是一种新颖理想的净化方法。但目前因为没有成熟的理论，而且对在研究过程中出现的诸多问题（如最佳磁性材料的选择、测定参数随磁场出现多极值变化及重现性、正负生物效应等）均还不能作出确切的解释，因此，要确定其效果和发展前景还须进行深入的、多方面的试验研究和实践检验。
