磁流体力学协同作用增强了混凝效果：旨在形成抗剪切絮体，以提升水质并减少污泥产生

张正刚|曾波|王蓓|王淼奎|王刚|李一轩|李宝拉里|李玉英|王宗华|王景龙|严璐

中国南阳师范学院水资源与现代农业学院，环境影响评估信用平台，南阳473061

摘要

大多数关于磁凝聚（MC）的研究采用静态沉淀法（在沉淀过程中，水箱内没有进水/出水，因此没有水力剪切）。然而，工程实践中几乎 exclusively 采用动态沉淀法（连续的进水/出水导致水力剪切），这使得基于静态沉淀的研究结果难以直接应用于实际。本研究开发了一种结合动态沉淀和磁场调节的连续流磁凝聚工艺。在静态和动态条件下，分别比较了无磁场的磁凝聚（MC-NM）和有磁场的磁凝聚（MC-M）与传统凝聚（CC）的效果。在动态条件下，MC-NM 的表现明显优于 CC：浊度去除率提高了 17.55%（而 CC 仅提高了 2.81%），中值絮体尺寸（D₅₀）增加了 29.63 微米（CC 为 27.49 微米），絮体抗剪切能力提高了 18.67%（CC 为 22.37%），污泥沉降比降低了 9.84%（CC 为 -6.94%）。在磁场与磁杯距离为 8 厘米的情况下，MC-M 在动态条件下达到了最佳性能，出水浊度为 0.99 NTU，最大 D₅₀ 为 102.46 微米（表明可能形成了链状絮体）。多模态表征（傅里叶变换红外光谱、X 射线衍射、X 射线光电子能谱和能量分散 X 射线扫描电子显微镜）表明可能形成了磁核壳结构絮体。振动样品磁强测量显示磁颗粒具有优异的重复使用性，使用后饱和磁化强度仅损失了 7.09%。研究结果表明，由于水力-磁场的协同作用，MC-NM 在动态条件下的性能优于 CC，它形成了更抗剪切、沉降更快的絮体，并减少了污泥产量。这些发现为设计紧凑型、减少污泥产生的磁凝聚系统提供了理论指导。

引言

凝聚过程是水处理中最广泛使用的技术之一，它在去除悬浮固体、胶体颗粒和某些溶解有机物质方面表现出高效 [1]、[2]、[3]、[4]。然而，传统凝聚（CC）产生的絮体结构松散且沉降速度慢，需要较大的沉淀池，从而导致占地面积和建设成本增加。这些固有的局限性严重限制了 CC 在土地资源有限的地区的应用 [4]、[5]、[6]、[7]、[8]。

为了解决这些问题，磁凝聚（MC）作为一种有前景的技术替代方案应运而生。该方法利用磁颗粒（MPs，例如 Fe₃O₄）作为成核点和加重剂 [9]、[10]、[11]、[12]。利用其高密度和大比表面积，磁颗粒不仅显著加快了絮体沉降速度，还促进了更密实絮体的形成，提高了整体污染物去除效率 [13]、[14]、[15]。性能提升通常归因于多种协同机制，包括磁成核、电荷中和、吸附桥接和扫掠絮凝 [13]、[16]、[17]。

然而，目前的研究主要基于理想化的静态沉淀实验，这与实际工程系统中的动态水力条件（如连续流动、剪切力和湍流）存在根本差异 [18]、[19]。这种静态测试协议无法充分再现真实水力环境对絮体形成、生长、破碎和潜在再悬浮的影响，从而限制了研究结果在现实工程实践中的应用 [20]、[21]、[22]。此外，尽管许多先前的研究在沉淀阶段施加了外部磁场以加速沉淀，但在动态水力条件下（例如在混合或絮凝过程中）磁颗粒（MPs）与施加磁场之间的潜在协同作用仍未被充分探索。大多数现有的技术发展都集中在不将磁场整合到凝聚或絮凝阶段的磁凝聚上，忽略了磁-水力协同作用这一重要方面 [23]、[24]、[25]。

为了解决这些研究空白，本研究设计了一系列系统的比较水处理实验，包括静态沉淀下的传统凝聚（CC-S）、无磁场下的磁凝聚（MC-NM-S）、有磁场下的磁凝聚（MC-M-S）、动态沉淀下的传统凝聚（CC-D）、无磁场下的磁凝聚（MC-NM-D）以及有磁场下的磁凝聚（MC-M-D）。系统地研究了每种系统的处理效果和絮体特性。

本研究旨在阐明磁颗粒（MPs）和施加磁场在凝聚过程中影响污染物去除和絮体形成的基本机制，特别关注动态水力条件下的协同效应，这是以往研究中较少涉及的方面。通过系统比较六种凝聚模式（静态与动态，有/无施加磁场），研究了水力剪切和磁力如何共同影响絮体的稳定性和沉降性，评估了磁凝聚在真实水力条件下的有效性，量化了减少污泥的潜力，并评估了磁颗粒的重复使用性。研究结果有望为设计紧凑型、高效且减少污泥产生的磁凝聚系统提供设计指导，并为下一代凝聚技术指明方向。

章节摘录

原水和材料

本研究使用的原水来自南阳师范学院的人工湖。其关键参数范围如下：浊度 4–9 NTU；化学需氧量（COD）17–30 mg/L；pH 值 6.1–8.7。每个实验组或梯度均使用同一批水样进行测试，以确保组内比较结果的一致性。所使用的化学物质和材料包括混凝剂（聚铝

通过磁颗粒静态吸附进行水处理的效果

图 1A 展示了磁颗粒大小和剂量对通过磁颗粒静态吸附去除湖水浊度的影响。随着磁颗粒剂量的增加，使用 0.01 微米磁颗粒处理后的水浊度持续上升（从 5.80 NTU 上升到 8.63 NTU），这可能是由于细小磁颗粒的沉降性能较差。对于 0.1 微米的磁颗粒，浊度在 5.51 到 6.16 NTU 之间波动，没有明显趋势。相比之下，10 微米和 75 微米的磁颗粒在初期浊度下降后有所上升。总体而言，10 微米的磁颗粒表现出最佳效果

结论

本研究系统地阐明了水力条件在磁凝聚（MC）中的关键作用，并揭示了一个重要的性能悖论：MC 相对于传统凝聚（CC）的优越性并非固有，而只有在动态沉淀条件下才能完全体现。在动态沉淀条件下，MC 的性能显著优于 CC，浊度去除效率（TRE）提高了 17.55%，中值絮体尺寸（D₅₀）增加了 29.63 微米，抗剪切能力（SR）

CRediT 作者贡献声明

张正刚：概念构思、研究设计、数据分析、可视化、初稿撰写。曾波：方法论、软件应用、验证、审稿与编辑。王蓓：方法论、软件应用、验证、审稿与编辑。王淼奎：资源协调、研究实施、项目管理。王刚：资源协调、监督。李一轩：资源协调、研究实施、项目管理。李宝拉里：概念构思、监督、审稿与编辑。李玉英：

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了 河南省科技研究项目 [项目编号 252102520061、252102111030 和 252300420868]、国家自然科学基金 [项目编号 52200052 和 42507558]、海外专家学科创新中心 [项目编号 D23015]、南阳师范学院 [项目编号 2024ZX020 和 2024CX038]、河南省科技创新领军人才计划 [项目编号 的支持