一种高通量磁性固液分离装置及其用于净化废水中磁性颗粒物的方法与流程

本发明涉及一种固液分离装置，特别涉及一种高通量磁性固液分离设备及其在净化废水中磁性颗粒物中的应用方法，属于污水资源综合利用技术领域。

背景技术：

自从2007年国家发改委提出节能减排的法案以后，越来越多的人们提出了节能减排的金点子。加上近年来频频发生的自然灾害和气候变化大的现象，国家又于2008年提出了“低碳”的概念，到了今年也越来越多的人宣扬低碳生活了。随着经济的快速发展，我国的城市污水和工业废水的处理率也在逐年地提高，同时也伴随着处理污废水中也产生了大量的污泥，据了解，2009年，我国城镇污水处理厂统计有1992座，全年污水处理量达280亿m3，相比“十五”初期增加一倍，产生含水率80％的污泥约2005万吨。

水处理过程中必然面临固液高效分离问题，传统的固液分离技术主要集中在过滤、压滤、重力沉降等方面。首先对于过滤技术，工业上基本使用圆盘过滤机，利用真空使固液分离，形成滤饼，滤液循环再用，但是其对于粘性物料脱水效果差。沉降技术应用范围广，在选矿厂、水厂中随处可见，如各式各样的沉淀池、澄清池、浓缩池等。沉降过程以及所用的设备比较简单，使得重力沉降在各种固液分离技术中最便宜。有些难于过滤的物料能够借助沉降法有效地分离，但是其分离效率低、占地面积大，对于超细颗粒处理效果不理想。而干燥分离技术多用于寒冷地区的精矿脱水，以防冻车。筛分分离技术主要应用于大块物料的脱水。传统的固液分离技术虽然对世界各国的工矿业发展起过非常重要的作用，但是时代的发展要求有更为先进、更为精确的固液分离技术应用于现代工矿企业、乃至家庭生活中。

水处理固体悬浮物具有固体含量低、粒度细、比重低等特点，传统的固液分离难以达到理想效果。磁分离技术是借助磁场力的作用，对磁性不同的物质进行分离的一种物理分离方法。磁分离技术可以说是一门比较古老、较成熟的技术，最早应用于选矿和瓷土工业。1845年，美国发表了工业磁选机的专利。磁分离技术作为有磁性差异的两种及多种物质的选别手段，在矿石的精选、煤的脱硫、玻璃及水泥等的除铁、高岭土的提纯、生物工程中的细胞分离、石化行业的催化剂回收等领域得到了广泛的应用[1-6]。磁分离技术用于水处理工程，它又可以称得上是一门新兴技术。从上世纪60年代开始，苏联用磁凝聚法处理钢厂除尘废水，60年代末，美国MIT教授科姆发明高梯度磁过滤器，70年代美国应用磁絮凝法和高梯度磁分离法处理钢铁、食品、化工、造纸等废水。1974年瑞典开始用磁盘法处理轧钢废水，随后的75年日本开发盘式“两秒分离机”。我国从70年代中期到80年代初，将磁聚凝法、磁盘法、高梯度磁分离法用于炼钢、轧钢废水的处理。近年来，磁分离技术在电镀废水、含酚废水、湖泊水、食品发酵废水、市政废水、钢铁废水、厨房污水、屠宰废水、石油采出水等处理方面都取得了一定的研究成果，有的已经在实际废水处理中得到了很好的应用。

利用磁分离技术处理污水，其前提是污水中的颗粒需具有一定的磁性。对于非磁性或弱磁性污染物污水，一般通过投加磁种，然后利用絮凝技术使非磁性物质与磁种结合在一起，然后单独利用磁分离技术或絮凝沉降联合高梯度磁分离技术分离净化废水。这类技术被人们称为“磁种混凝磁分离”或者“磁加载磁分离”技术。磁种接种技术在矿物磁选领域得到了深入的研究，用于分离不同磁性的矿物，科技人员合成了大量的可选择性的磁性载体。在废水处理领域，磁种没有选择性的要求，一般只要求其：①具有比较强的磁性；②易于回收重复利用。在应用方面，利用Fe₃O₄磁粉，采用2秒分离机和混凝技术处理玻璃研磨废水，ss去除率达到99％以上，还能同时去除Pb、F，COD以及BOD。郑必胜等将Fe₂O₃磁粉进行硅烷化处理，得到具有特殊吸附功能的磁粉，通过投加磁种用于强化处理糖蜜酒精废水。另外，郑必胜等还根据食品发酵废水的特征，采用磁种混凝和高梯度磁分离技术对其进行处理，处理后废水的浊度、色度和COD都大幅度降低。熊仁军等采用磁种絮凝高梯度磁分离处理城镇污水，实验结果表明，该工艺对去除污水中的磷、重金属有特效，并能同时去除其中的COD Cr、BOD、SS，出水水质达到或接近国家一级排放标准。赵红花等利用磁絮凝法处理城市污水，实验表明悬浮颗粒在15min之内，ss去除率达到80％以上，可以显著减少沉淀池体积。青岛剑桥水务公司采用Comag技术，处理污水厂出水作为再生水原水使用，实验结果表明，在ss、TP指标方面都达到了较好效果。北京市政院开展的“高梯度磁分离水处理技术的研究”，通过在污渠水中投加磁铁粉和混凝剂，大大提高沉降速度，出水对总磷、色度、浊度、细菌等有明显改善，比传统方式有很大优势，目前正在进行深入研究。采用磁种混凝磁分离技术或磁加载混凝沉降技术，还可以对湖泊水、江河水、厨房含油废水、含重金属废水、电厂冷凝水等进行处理，有着广阔的应用前景。

近二十年来，高梯度磁过滤技术的研究十分活跃，已用于解决许多环境和工业问题，例如：核反应堆冷却水的过滤、水中磷酸盐的脱除、赤铁矿和铬铁矿粉及超细粉末的回收，废水中金属的脱除等。磁分离设备的进步带动了相关的应用研究，磁分离技术与其他技术的结合，扩大了其在水处理工程的应用领域。磁分离设备主要为HGMS和圆盘式磁分离器两大类。HGMS以高梯度为特征，圆盘式磁分离器中的ReMagdiscTM以高场强为特征，都已发展成熟。超导磁分离机兼有二者特点，但实际应用还不成熟。自20世纪60年代末Kolm等成功研发第1台高梯度磁选实验装置以来，高梯度磁选机的研发得到了迅速发展。目前，国内外已研制了多种高梯度磁选机，如Sala型高梯度磁选机、VMS型高梯度磁选机、仿琼斯SHP系列湿式强磁选机、Slon型脉动高梯度立环磁选机、SSS-Ⅱ双频脉冲双立环高梯度磁选机、DMG型立环脉动高梯度磁选机，这些高梯度磁选机均为电磁磁系，因而结构复杂、造价高、能耗大。随着高性能稀土永磁材料的发展和超导技术的进步以及节能的需要，高梯度磁选机在磁系选择上尝试使用永磁体和超导体，如铁轮式永磁高梯度磁选机、CRIMM型双箱往复式永磁高梯度磁选机和超导高梯度磁选机。

高梯度磁选机的强磁场依赖于磁性介质，磁性介质的密布限制了分选空间。对于电磁高梯度磁选机其较高的磁场对应较高的能耗，同时其空间小易堵塞，严重限制了其处理能力。因此，如何改善高梯度磁选机的结构、提高处理能力、降低能耗，对于解决我国乃至世界水处理问题具有重大意义。

技术实现要素：

针对现有技术中高梯度磁选机使用在固液分离技术存在在能耗高、成本高、效率低等缺陷，本发明的目的是在于提供一种能快速、高效，低成本实现固液分离的高通量磁性固液分离装置，该装置可以实现液固的连续分离，操作方便，有利于工业应用。

本发明的另一个目的是在于提供一种高通量磁性固液分离装置在净化废水中磁性颗粒物中的应用方法，能够能快速、高效，低成本实现固液分离，且过程简单、操作方便，满足工业化生产。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种高通量磁性固液分离装置，该装置包括激磁系统和离心分选系统；所述离心分选系统主体为倒置圆台型且具有内腔和外腔双层结构的分选腔；所述分选腔顶部设有给料口和净化水出口，底部设有磁性物料出口和传动装置；所述分选腔的内腔侧壁内表面设有磁介质；所述激磁系统包括至少两组激磁器，所述激磁器包括激磁线圈、磁轭和磁极组合套件；所述激磁器均匀分布在分选腔的外腔外部侧面。

优选的方案，所述分选腔的内腔和外腔侧壁的倾斜角均为10°～30°。将分选腔的内腔和外腔侧壁设置一定的倾斜角，一方面是采用倾角设计使磁场强度由上往下依次加强，有利于轴向梯度磁场的设置；另一方面有利于磁性颗粒物组分沿分选腔内腔侧壁在重力、离心力和磁力作用下向下运动，顺利从排料口排出。

较优选的方案，所述分选腔的内腔和外腔侧壁与激磁器的磁极断面平行设置。

较优选的方案，所述磁极断面呈梯形，且下部比上部要宽。磁极的设置能保证分选腔下部产生磁场强度高于上部产生的磁场，有利于轴向梯度磁场的设置。

优选的方案，所述的磁性介质呈棒状，其垂直于分选腔的内腔侧壁内表面设置。

优选的方案，所述磁性介质的长度为分选腔的内腔内径的1/8～1/12，截面半径不大于5.5mm。

优选的方案，沿分选腔底部至顶部，内腔侧壁内表面的上下相邻的磁性介质不设置在分选腔的同一轴向截面上。上下相邻的磁性介质交叉设置，有利于磁性介质与磁性颗粒的充分接触，使颗粒物其在离心力和磁力作用下沿分选腔内腔侧壁快速下沉。

较优选的方案，所述磁性介质包括纯铁、低碳钢、铁素体导磁不锈钢、铁钴不锈钢中至少一种。

较优选的方案，所述传动装置包括传动轴和电机，所述传动轴一端与电机连接，另一端与分选腔的内腔底部中心固定连接。

本发明还提供了所述高通量磁性固液分离装置用于净化废水中磁性颗粒物的方法，将废水物料从磁性固液分离装置的给料口进入分选腔内腔，开启传动装置使分选腔内腔转动，同时开启激磁器产生梯度磁场，磁性颗粒物在离心力和磁力作用下沿分选腔内腔侧壁下沉，从磁性物料出口排出，净化水在离心力作用下从净化水出口涌出，实现废水中磁性颗粒物分离。

优选的方案，所述梯度磁场强度为0.05T～1.5T。

较优选的方案，所述分选腔的内腔旋转速度为500r/min～1500r/min。

本发明的技术方案通过在废水物料加入磁性晶种，使固体悬浮物吸附在磁性晶种表面，从而使废水中的固体悬浮物形成具有磁性的颗粒物，可以采用本发明的高通量磁性固液分离装置进行固液分离。

本发明的高通量磁性固液分离装置的设计原理完美结合了梯度磁场原理和离心分离原理：分选腔通过高速旋转能使固体颗粒组分在离心力作用下向分选腔内壁富集，并在自身作用力下沿分选腔内壁向下运动；而在径向方向上，在磁极作用下，磁场强度从分选腔中心向分选腔侧壁方向依次增强，且沿分选腔顶部至分选腔底部依次增强，固体组分在分选腔内壁附近区域受磁力较强，压缩固体组分，同时及时从分选腔底部排出，充分利用了离心力和磁力，扩大了传统高梯度磁选机分选腔体积，并减少了磁性介质密度，增加了磁选机通量，从而极大地提高处理能力。

本发明的技术方案中污水可以为市政污水、工业污水等，一般包含固体磁性颗粒悬浮物的废水都能采用本发明的高通量磁性固液分离装置进行净化处理。

相对现有技术，本发明的技术方案带来的有益效果：

1、本发明的高通量磁性固液分离装置将高梯度磁场、离心力场和重力场有机结合，能够使废水中磁性颗粒物的快速、高效沉降，有效实现含磁性颗粒物杂质废水液固分离。磁性固液分离装置在废水固液分离过程中使磁性固体颗粒同时受到离心力和磁力，径向离心力和磁力使其在径向方向向分选腔内腔内壁运动，同时固体颗粒在其自身重力作用和轴向离心力及磁力作用下，在垂直方向向下运动，实现了固体颗粒的快速、高效沉降。本发明的高通量磁性固液分离装置通过离心力场与高梯度磁场结合，弥补了现有的高梯度分选系统分选空间有限、能耗高等问题，实现了超细固体悬浮物的高效固液分离。

2、本发明的高通量磁性固液分离装置仅包括一个单一的分选腔，且在分选腔内能实现各种粒级的颗粒物同时分离，装置设置简单，能快速、高效，低成本实现污水中固体颗粒的高效净化。克服了现有的磁场固液分离装置的缺陷，(如CN103846159A)，其固液分离装置分选腔分区设置，装置复杂化，且在分离固体颗粒过程中需分级处理，效率低，

3、本发明的高通量磁性固液分离装置处理废水过程中可以连续操作，过程简单、操作方便，满足工业化生产。

附图说明

【图1】为本发明的高通量磁性固液分离装置截面简图；

【图2】为磁介质在分选腔内腔侧壁内表面的排布简图；

其中，1磁介质，2为给料口，3为分选腔内腔，4为净化水出口，5为激磁线圈，6为磁极，7为磁轭，8为磁性物料出口，9为传动装置；10为分选腔外腔，11为分选腔内腔侧壁。

具体实施方式

以下实施例旨在进一步说明本发明内容，而不是限制本发明权利要求的保护范围。

以下实施例中涉及的高通量磁性固液分离装置如图1所示。高通量磁性固液分离装置主体包括激磁系统和离心分选系统。所述离心分选系统主体为倒置圆台型，且具有内腔和外腔双层结构的分选腔，分选腔包括内腔3和外腔11；所述分选腔外腔顶部设有给料口2和净化水出口4。给料口一般设置为倒圆锥形，设置在分选腔外腔顶部的中央位置，上口宽下口窄，有利于废水物料连续添加，净化水出口设置的分选腔外腔顶部的给料口四周，可以设置一个或多个。分选腔外腔顶底部设有磁性物料出口8，磁性物料出口可以为一个或多个，其设置在分选腔外腔顶底部的周边。分选腔内腔顶部及底部设有与分选腔外腔相应的给料口和净化水出口及磁性物料出口等，使废水物料顺利进出分选腔内腔。分选腔侧壁内表面设有磁介质1，磁介质呈棒状，其排布方式如图2所示，磁性介质垂直于分选腔的内腔侧壁内表面设置，沿分选腔底部至顶部，内腔侧壁内表面的上下相邻的磁性介质不设置在分选腔的同一轴向截面上，呈交叉方式排布。磁性介质的长度为分选腔的内腔内径的1/10，截面半径不大于5.5mm。所述分选腔底部设有传动装置9，传动装置包括电机和传动轴，传动轴一端与电机连接，传动轴另一端穿过分选腔外腔与分选腔内腔底部中央固定连接，通过电机转动可以带动分选腔内腔转动，而外腔与传动轴之间活动连接，活动连接部位采用现有密封方法密封。所述激磁系统包括至少两组激磁器，所述激磁器包括激磁线圈5、磁轭7和磁极6组合套件。所述激磁器均匀分布在所述分选腔外腔外部侧面，激磁器与所述分选腔外腔外部侧面固定设置；形成的梯度磁场强度为0.05T～1.5T。

本发明的高通量磁性固液分离装置处理含磁性颗粒物废水的过程：废水从给料口进入分选腔内腔，分选腔内腔进行高速旋转，同时激磁系统产生高梯度磁场，废水中的磁性颗粒物在离心力和磁力作用下在径向方向向分选腔内腔的内壁运动，在重力作用和离心力作用下在垂直方向向下运动，快速沉降，从分选腔下部磁性物料出口排出，净化水在离心力作用下从上部净化水出口排出，从而实现固液高效分离。

实施例1

利用本发明高通量磁性固液分离装置及方法处理广西某市政污水，其固体悬浮物含量为159mg/L，向污水中加入磁种1g/L，然后用强氧化钠调节pH为8.5，并加入絮凝剂非离子型聚丙烯酰胺5mg/L，开启固液分离设备，磁场强度为12000GS，转速为1000r/min，将污水由进料口加入分选腔，固体组分由出料口排除，清液由净化水出口排出，固体组分含水量55-60％，清液固体悬浮物含量小于10mg/L。

实施例2

利用本发明高通量磁性固液分离装置及方法处理淀粉厂含磷淀粉废水，其固体悬浮物含量为2020mg/L，总磷158mg/L，向污水中加入磁赤铁矿5g/L，然后用强氧化钠调节pH为9.3，先加入絮凝剂聚合硫酸铁10mg/L，再加入絮凝剂非离子型聚丙烯酰胺5mg/L，开启固液分离设备，磁场强度为15000GS，转速为1200r/min，将污水由进料口加入分选腔，固体组分由出料口排除，清液由净化水出口排出，固体组分含水量42-48％，清液固体悬浮物含量小于10mg/L，总磷小于5mg/L。