随着环保政策的日益严格和废水处理标准的提高，传统处理方法如物理法、化学法和生物法因处理效果有限、运行成本高及存在二次污染风险，已难以满足煤化工气化废水的处理要求。近年来，磁混凝技术凭借高效的处理能力及良好的适应性和灵活性，成为煤化工企业处理气化废水的新兴方案。磁混凝技术结合了磁场和混凝沉淀的原理，通过外加磁场增强悬浮颗粒的聚沉效果，特别是在去除气化废水中硅酸盐颗粒方面表现出高的沉降速度和去除效率。此外，磁混凝技术还具有占地面积小、投资成本低和操作简便等优点，非常适用于处理大规模废水。

本研究以宁夏某煤化工企业煤制油气化过程中产生的黑水为研究对象，采用磁混凝技术处理，以SiO2和悬浮物去除率为评价指标，系统分析了影响磁混凝效果的关键因素，主要涉及磁粉（Fe3O4）颗粒粒径和用量，除硅剂（MgO）、混凝剂（聚合硫酸铁PFS）、絮凝剂（阴离子型聚丙烯酰胺APAM）用量，药剂投加次序以及废水初始pH等。通过研究磁混凝技术对煤化工气化废水的处理效果，期望为煤化工企业污水处理厂的运营和改进提供相关技术支持。

1、试验部分

1.1 试验废水

试验所用废水来源于宁夏某煤化工企业煤气化过程中产生的黑水。表1为气化废水的实测指标及设计处理后水质。

1.2 仪器及试剂

仪器：紫外可见分光光度计（752N），上海精密科学仪器有限公司；控温多头磁力搅拌器（HJ-6），金坛市医疗仪器厂；pH仪（PHS-3C），上海仪电科学仪器有限公司。

试剂：磁粉（Fe3O4），工业级，国华智能制造（山东）有限公司；氧化镁（MgO），工业级，营口诚隆矿业有限公司；聚合硫酸铁（PFS），工业级，河南科诚环保科技有限公司；阴离子型聚丙烯酰胺（APAM），工业级，江苏富淼科技股份有限公司；盐酸，工业级，新疆中泰化学股份有限公司；氢氧化钠（NaOH），工业级，新疆中泰化学股份有限公司。

1.3 试验方法

在6个烧杯中分别加入500mL气化废水，首先加入磁粉（Fe3O4）并快速搅拌3min，然后加入除硅剂（MgO）继续快速搅拌3min，接着加入混凝剂（PFS）快速搅拌3min，最后加入絮凝剂（APAM）缓慢搅拌3min。搅拌完成后自然沉降30min，取上清液样本（距离液面以下2cm处），检测其中SiO2和悬浮物含量。

1）磁粉投加量影响试验。固定磁粉（Fe3O4）粒径200目、混凝剂（PFS）投加质量浓度150mg/L和絮凝剂（APAM）投加质量浓度1mg/L，调整磁粉投加质量浓度为0、50、100、150、200、250mg/L，探究磁粉投加量对气化废水磁混凝效果的影响。

2）磁粉粒径影响试验。固定磁粉（Fe3O4）投加量200mg/L、除硅剂（MgO）投加质量浓度150mg/L、混凝剂（PFS）投加质量浓度150mg/L、絮凝剂（APAM）投加质量浓度1mg/L，选择不同粒径（50、100、200、300、400、500目）的磁粉进行试验，探究磁粉粒径对气化废水磁混凝效果的影响。

3）除硅剂投加量影响试验。固定磁粉（Fe3O4）粒径200目、磁粉投加质量浓度200mg/L、混凝剂（PFS）投加质量浓度150mg/L、絮凝剂（APAM）投加质量浓度1mg/L，分别调整除硅剂（MgO）投加质量浓度为50、100、150、200、250、300mg/L，探究除硅剂投加量对气化废水磁混凝效果的影响。

4）混凝剂投加量影响试验。固定磁粉（Fe3O4）粒径200目、磁粉投加质量浓度200mg/L、除硅剂（MgO）投加质量浓度200mg/L、絮凝剂（APAM）投加质量浓度1mg/L，分别调整混凝剂（PFS）投加质量浓度为50、100、150、200、250、300mg/L，探究混凝剂投加量对气化废水磁混凝效果的影响。

5）絮凝剂投加量影响试验。固定磁粉（Fe3O4）粒径200目、磁粉投加质量浓度200mg/L、除硅剂（MgO）投加质量浓度200mg/L、混凝剂（PFS）投加质量浓度150mg/L，分别调整絮凝剂（APAM）的投加质量浓度为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0mg/L，探究絮凝剂投加量对气化废水磁混凝效果的影响。

6）废水初始pH影响试验。固定磁粉（Fe3O4）粒径200目、磁粉投加质量浓度200mg/L、除硅剂（MgO）投加质量浓度200mg/L、混凝剂（PFS）投加质量浓度150mg/L以及絮凝剂（APAM）投加质量浓度1.5mg/L，分别调整废水初始pH为5.0、6.0、7.0、8.0、9.0和10.0，探究废水初始pH对气化废水磁混凝效果的影响。

7）药剂投加顺序影响试验。固定气化废水初始pH9.0、磁粉（Fe3O4）粒径200目、磁粉投加质量浓度200mg/L、除硅剂（MgO）投加质量浓度200mg/L、混凝剂（PFS）投加质量浓度150mg/L、絮凝剂（APAM）投加质量浓度1.5mg/L，设置3种不同的药剂投加次序，分别为Fe3O4+MgO+PFS+APAM、MgO+PFS+Fe3O4+APAM和MgO+PFS+APAM+Fe3O4，探究药剂投加顺序对气化废水磁混凝效果的影响。

1.4 测定方法

SiO2的测定依据《二氧化硅（可溶性）的测定（硅钼黄分光光度法）》（SL91.1—1994）；悬浮物的测定依据《工业循环冷却水中悬浮固体的测定》（GB/T23838—2009）。

2、结果与讨论

2.1 磁粉投加量对磁混凝效果的影响

磁粉投加量对气化废水中SiO2和悬浮物去除效果的影响见图1。

从图1可以观察到，随磁粉投加量增加，气化废水中SiO2和悬浮物的去除率均呈逐步上升趋势。在未添加磁粉情况下，SiO2去除率为56.07%，悬浮物去除率为92.09%；当磁粉投加质量浓度在50~200mg/L区间内时，SiO2和悬浮物的去除率显著提升，其中SiO2去除率最高达到67.44%，悬浮物去除率最高达到96.92%；而当磁粉投加量进一步增大到250mg/L时，虽然SiO2和悬浮物的去除率仍有所提升，但增长速度明显变慢，此时SiO2去除率为67.96%，悬浮物去除率为97.01%，同比仅分别上升0.52%和0.09%。分析原因可能是过量的磁粉未能形成有效的磁絮体。综合考虑工程应用和经济效益等因素，推荐在磁混凝技术处理该煤化工气化废水时，将磁粉投加质量浓度控制在200mg/L为宜。

2.2 磁粉粒径对磁混凝效果的影响

磁粉粒径对气化废水中SiO2和悬浮物去除效果的影响见图2。

从图2可以观察到，磁粉粒径对气化废水中SiO2和悬浮物去除效果的影响存在差异。SiO2去除率随磁粉粒径增加呈现先增大后减小趋势，当磁粉粒径在50~200目时，SiO2去除率急速上升，最高可达90.70%；而当磁粉粒径进一步增大时，SiO2去除率开始缓慢下降。悬浮物去除率随磁粉粒径增加呈现逐渐下降趋势，当磁粉粒径在50~200目时，悬浮物去除率下降得相对缓慢；但当磁粉粒径进一步增大时，悬浮物去除率下降趋势显著。产生这一现象的原因可能是，当磁粉粒径较小时，其比表面积较大，SiO2更容易与带磁粉的除硅剂（MgO）结合，导致SiO2去除率迅速提高；而当磁粉粒径增大到一定程度后，悬浮物与磁粉之间的有效碰撞几率降低，致使磁混凝反应效果变差。此外，过小的磁粉粒径会造成磁粉间产生的惯性碰撞剪切力增加，进而对已经形成的致密絮状物造成破坏，导致悬浮物去除效果受到影响。因此，综合考虑以上原因，建议在实际应用磁混凝技术处理该煤化工气化废水时，将磁粉粒径控制在200目为宜。

2.3 除硅剂投加量对磁混凝效果的影响

除硅剂投加量对气化废水中SiO2和悬浮物去除效果的影响见图3。

从图3可以观察到，随除硅剂（MgO）投加质量浓度增加，气化废水中SiO2和悬浮物的去除效果呈现逐渐增大的趋势。在除硅剂投加质量浓度在50~200mg/L区间内时，污染物去除效果提升较快，其中SiO2去除率最高达到91.73%，悬浮物去除率最高为96.70%；而当除硅剂投加质量浓度超过200mg/L时，虽然SiO2和悬浮物去除率进一步提升，但提升幅度减小，当除硅剂投加质量浓度为300mg/L时，SiO2去除率为92.09%，悬浮物去除率为97.10%，同比分别上升0.36%和0.40%。除硅剂投加量的增加在一定程度上导致废水pH上升，在较高的pH条件下，废水中SiO2去除效果更显著。因此，从工程应用和经济效益角度考虑，推荐在实际应用磁混凝技术处理该煤化工气化废水时，将除硅剂（MgO）的投加质量浓度控制在200mg/L为宜。

2.4 混凝剂投加量对磁混凝效果的影响

混凝剂投加量对气化废水中SiO2和悬浮物去除效果的影响见图4。

从图4可以观察到，混凝剂（PFS）投加量对磁混凝处理气化废水中SiO2和悬浮物的效果显著。随混凝剂投加量增加，SiO2和悬浮物去除率均呈先急速增大后逐渐平缓的趋势，混凝剂投加质量浓度在50~150mg/L内时，污染物去除效果提升较明显，其中SiO2去除率最高达到91.73%，悬浮物去除率最高为96.70%；而当混凝剂投加量进一步增大时，虽然SiO2和悬浮物的去除率仍有所提升，但增长速度明显减缓。当混凝剂投加量为300mg/L时，SiO2去除率为92.30%，悬浮物去除率为96.90%，仅较混凝剂投加量为150mg/L时分别提高了0.57%和0.20%。这种现象的产生可以归因于混凝过程的物理和化学机制。当混凝剂投加量达到一定程度后，废水中的活性位点（即颗粒物表面的吸附位置）趋于饱和，此时继续增加混凝剂投加量，混凝剂分子之间可能会发生竞争或相互干扰，导致新加入的混凝剂不能有效地与颗粒物结合。此外，过量的混凝剂还可能导致溶液电性发生变化，影响混凝效果的进一步提升。因此，虽然增加混凝剂投加量可以在一定程度上提高对SiO2和悬浮物的去除率，但当投加量达到某个阈值后，污染物去除率提升有限。综合考虑工程应用和经济效益，建议在实际应用磁混凝技术处理该煤化工气化废水时，将混凝剂（PFS）的投加质量浓度控制在150mg/L为宜。

2.5 絮凝剂投加量对磁混凝效果的影响

絮凝剂投加量对气化废水中SiO2和悬浮物去除效果的影响见图5。

从图5可以观察到，絮凝剂（APAM）投加量对磁混凝处理气化废水中SiO2和悬浮物的效果有显著影响。随絮凝剂投加量增加，SiO2和悬浮物去除率呈现逐渐增大趋势。APAM投加质量浓度在0.5~1.5mg/L区间内时，污染物去除效果提升较明显，其中SiO2去除率最高达到93.28%，悬浮物去除率最高为97.58%；而当絮凝剂投加质量浓度超过1.5mg/L时，虽然SiO2和悬浮物去除率仍有所提升，但增长速度不大，当絮凝剂投加质量浓度为3.0mg/L时，SiO2去除率为93.90%，悬浮物去除率为97.98%，仅较投加质量浓度为1.5mg/L时分别提高了0.62%和0.40%。考虑工程应用和经济效益，建议在实际应用磁混凝技术处理该煤化工气化废水时，将絮凝剂（APAM）投加质量浓度控制在1.5mg/L为宜。

2.6 废水初始pH对磁混凝效果的影响

废水初始pH对气化废水中SiO2和悬浮物去除效果的影响见图6。

从图6可以观察到，初始pH对废水中SiO2和悬浮物去除效果的影响存在差异。SiO2去除率随初始pH升高呈现先上升后下降趋势，而悬浮物去除率呈现逐渐上升趋势。在初始pH为5.0~9.0时，SiO2去除率急速增大，最高达到96.38%，悬浮物去除率也呈急速上升趋势，最高达到98.29%；当初始pH进一步增大时，SiO2去除率开始缓慢下降，而悬浮物去除率缓慢上升。这表明SiO2的去除效果受初始pH影响较大，当初始pH过低时，硅酸盐溶解性下降，导致SiO2去除效果不佳；而当初始pH过高时，OH会竞争性抑制除硅剂（MgO）除硅，导致除硅效果变差。同时，混凝剂（PFS）的水解也受pH影响，pH下降抑制了混凝剂的水解，从而影响了混凝效果。因此，综合考虑各方面因素，建议在实际使用磁混凝技术处理该煤化工气化废水时，将初始pH控制在9.0为宜。考虑到实际操作中可能难以准确调整pH，故建议将初始pH调整区间设定为8.8~9.2。

2.7 药剂投加顺序对磁混凝效果的影响

药剂投加顺序对气化废水中SiO2和悬浮物去除效果的影响见表2。

表2结果显示，药剂投加顺序对SiO2和悬浮物的去除效果均有显著影响。其中，Fe3O4+MgO+PFS+APAM的投加顺序表现出最佳的污染物去除效果，对煤化工气化废水中SiO2和悬浮物的去除率分别为96.38%和98.29%。在废水中先加入磁粉（Fe3O4），能在搅拌条件下使其呈现悬浮状态，水中固体颗粒含量增加，提升了悬浮物和胶体颗粒与磁粉的碰撞几率，增加了悬浮物和胶体颗粒被磁粉吸附形成絮体的机会；随后加入除硅剂、混凝剂和絮凝剂，通过混凝反应的吸附电中和、网捕架桥作用，形成密实的磁絮体，这些絮体的密度更大，在重力作用下能快速沉降。若是中间加入磁粉，未参与反应的磁粉会增加剩余悬浮物数量；而最后加入磁粉，混凝反应已基本完成，磁粉与水体中悬浮颗粒和胶体颗粒的吸附凝聚主要在药剂加入的瞬间发生，错过了该时机，大部分磁粉未能有效参与混凝反应，因此对污染物的去除效果较差。综上，磁混凝反应药剂的最佳投加顺序为Fe3O4+MgO+PFS+APAM。

3、结论

经优化后，煤化工气化废水采用磁混凝技术处理的最佳条件确定为磁粉（Fe3O4）粒径200目、磁粉投加质量浓度200mg/L、除硅剂（MgO）投加质量浓度200mg/L、混凝剂（PFS）投加质量浓度150mg/L、絮凝剂（APAM）投加质量浓度1.5mg/L、初始pH9.0，药剂最佳投加顺序为Fe3O4+MgO+PFS+APAM。在最佳处理条件下，气化废水中SiO2的去除率可达96.38%，悬浮物去除率可达98.29%。