4 磁化用于有机废水的处理
有机废水处理是当前污染治理的一个普遍问题，传统方法有活性污泥法、生物膜法、厌氧反应器法、氧化塘法等。前两种方法是目前二级处理厂应用最广泛的方法，其优点是技术比较成熟，运行稳定，出水可达允许排放标准，但缺点也很突出，基建投资大、运行费用高昂，尤其运行费之高，使许多单位望而生畏，无力负担如此之高的运行费用，因此，常常对污水不加处理而直接排入江河湖海。淮河流域1994年发生的流域性污染灾害，就是传统污水处理模式费用太高所带来的直接后果。为实现可持续性发展战略，我国的国情要求我们必须开发一种投资少、效率高、运行费用低的污水处理技术。针对这一实际，我们在90年代初，根据磁化水能改变水的一些物理特性，改善生物机能、促进生物生长、提高农业、水产产量和治疗保健等经验，开展磁化—人工生态系统方法处理和利用有机废水的研究，近10年的大量实验研究和初步应用证明，这一方法是行之有效的，实际应用是成功的，有必要广泛推广，并在实用中进一步完善，以保持社会经济可持续发展的良性循环。
（1）去除COD的效应与分析在水中有氧的情况下，通过改变磁感应强度、水温、磁化流速等对各种污水进行了一系列实验，结果表明：水温对污水瞬间通过磁化器直接去除COD没有影响。磁化流速2.5m/ｓ时最好，这时对形成核磁共振比较有利，磁化去除COD的能力较强。常温下磁化流速2.5m/ｓ左右，磁感应强度0 .262～0 .315T下，上述各类污水的COD直接去除率平均医院污水为2 5. 4%，印染废水为21. 2 % ，城镇污水为16.4% （磁化流速为2.5m/ｓ时为20.0 % ）、橡胶业废水为11.3 % ，造纸废水为8. 1% ，葡萄糖水为17.8% ，淀粉水为11 .1% ，氨水为8.1% .另外，为查明瞬间磁化直接使COD减少的原因，还对去离子水、自来水和城镇污水磁化前后的溶解氧进行测试。常温下磁化流速2.0m/ｓ，最佳磁感应强度0 .315T，4组去离子水磁化前后的溶解氧浓度不变，磁处理对溶解氧无影响；5组自来水磁化后溶解氧略有降低，平均减少4. 1 % ；12组城镇污水，磁化后溶解氧平均减少24. 7%.这种瞬间磁化使污水有机物降解和溶解氧减少的现象，称磁处理污水的直接效应。这一作用并非水中微生物酶引起的有机物分解，也非磁化使水中有机物分子的化学键断裂，而是磁处理引起核磁共振激活了水中的溶解氧，促使部分有机物氧化分解。这可从三个方面来分析：一是上述实验中，葡萄糖、水、淀粉水、氨水均为蒸馏水配制，其中没有微生物，显然瞬间磁化使污水COD降低并非微生物酶的作用；二是水和有机物分子的化学键断裂，需要消耗相当大的能量，如水分子的氢键断裂需 4～ 6千卡 /克分子的能量，如此之低的磁感应强度所提供的能量很小，无法使化学键断裂；最后，帕特罗夫的实验一定程度上证实了上述论断，他使有溶解氧的水连续从感应磁场中通过，水中则产生5×10-5%的h2Ｏ2 ，这是一种很强的氧化剂，可使水中的有机物直接氧化分解。另外，我们还做了对污水多次连续反复磁化的实验，可见随着磁化次数的增加，每次去除COD的比率急剧变小，并趋于水平。因此，将磁处理技术应用于实际时，应使磁处理器间水流有一段时间的恢复过程。经验表明，水力滞留时间约 2～ 3d以上为佳。
厌氧条件下磁化对提高水中有机物分解也有很好的效果，且更为显著。我们取 4组城镇生活污水做实验，温度保持在40℃，最佳磁感应强度仍为 0 .315～ 0 .368T，厌氧培养10d测试COD，表明磁化使COD的去除率提高21 %～2 8% ，平均为24.5% .其效果即使肉眼也能清楚看出，但机理尚需进一步研究。
（2）水磁处理生态效应及间接净化影响外加磁场对生物影响称生物磁效应，可分为生物分子效应、细胞效应、组织器官效应及整体效应，例如病毒为单纯的大分子微生物、细菌、真菌基本上为单细胞微生物、原生动物、高等生物为不同功能器官所构成，其组织器官又为细胞组成。污水中生物种类繁多，构造与功能各异，它们通过某一强度的磁场时，受到的影响也很不相同。从整体上说，有些被抑制，甚至死亡；有些被激活，加快新陈代谢和生长，间接上提高了净化污水的作用。对此，做了以下几个方面的系列实验和分析：
（a）污水磁化具有很强的灭菌作用。磁感应强度0.315～0 .420T下，磁化流速2 .0～2.5m/s，3组水样的情况基本一致，灭菌率为 74%～ 81 % .连续反复磁化，灭菌率则提高不大，说明有些种类的菌群能够抵御磁场的作用，甚至激活其代谢能力，会更快地生长和降解有机物。磁化处理灭菌原因，可归纳为：一是在磁场的直接作用下，引起 BOD、COD降低，使异养微生物的能源和C素营养物质减少，导致水体异养菌死亡速度大于增殖速度，于是出现负增长现象，二是磁场力直接作用于细菌细胞内的水和酶，使酶钝化或失活。而BOD数值的降低是细菌总数减少的反映，一方面在外加磁场直接作用下，BOD随COD指标的降低而降低，另一方面，在外加磁场作用下，水体中功能微生物 （以细菌为主 ）受到影响，一部分细菌适应能力强，生命代谢活动不受到干扰，或者虽受到干扰但经过一定时间后可以恢复到正常状态，这部分细菌以更强的适应能力生存下去，大部分细菌受到外界磁场作用下，由于体内外水的理化性质的变化 （如电导率、表面张力等 ）以及酶的钝化、失活，不能适应而发生死亡现象，功能细菌数目的急剧减少，造成了BOD指标的降低，因此认为磁处理后 BOD降低是水中细菌总数减少的反映。综上所述，可以得出这样一种认识，外界磁场作用于微生物，对微生物的影响存在有害的一面，也存在有利的一面。磁处理具有杀菌效果，当磁场强度加大到2100 GS（4A）以上，可以使70 %以上的细菌死亡。施加磁场可以看作微生物生存环境的突发改变，能够经得起周围环境及体内离子、电子传递速度变化的细菌继续生存下来并且维持正常的生命代谢活动，这部分细菌具有更强的适应能力，或者说具有更强的生物活性。
（b）活性污泥磁化会明显提高其活性，从而增强污水的处理效率。我们取7组活性污泥，在37℃恒温下观测不同磁强处理后的甲基兰脱色时间，表明0.367T下脱色时间由无磁化的 2 9h减少至2 4h，污泥活性增强1 7% ，原因就在于磁化后生存下来的微生物有更大的增殖和代谢能力。为证明这一论断，又取3组造纸中段废水稀释水样，分别在不磁化和磁化处理后标准温度下培养，测得它们的BOD5，后者均比前者高，平均高13 % ，可见磁处理既有灭菌作用，也有激活某些功能微生物的作用，并加速有机物的降解。
（c）磁化使藻类光合作用大大增强，显著地提高了水中的溶解氧。常温下取2组同样的污水实验，3天后磁化水中绿藻生长旺盛，非磁化水几乎看不到藻类。另外，又取3组生活污水用明暗瓶对比实验磁处理对藻类产氧能力的影响，都表明磁感应强度0.367T时污水的藻类产氧能力最高，比非磁化的平均高出1 .1倍，按藻类固炭生产力与产氧能力的关系推算，藻类的生产力也将提高1.1倍，这与农业上磁化水使作物显著增产和大大提高种子的发芽率的结论一致。其原因主要是：①磁化污水使有机物分解加快，为藻类生长提供了充足的Ｃ，N，p等营养物；②磁化使生物膜渗透性增加，给藻类吸收营养元素创造了有利条件；③磁化使水的透光性增强，为藻类光合作用提供了更好的光能。水中溶解氧的增加，又促进了水中微生物的生长和有机物分解，二者相互促进，导致有机废水加速分解。
（d）污水磁化可促进高等水生生物生长，有利于污染物的去除。我们以泥鳅做实验，在 3个水桶（10L）中，1个未磁化，2个被磁化，磁强分别为 0 .03T和0 .25T，分别放养1 .5kg的泥鳅，其他条件相同，3个月后所有磁化的水中泥鳅产量均高于未磁化的，平均产量提高1 5%～ 2 0 %.另外，还对泥鳅的耐污能力和同化COD进行实验，表明未磁化水桶中放养的50条泥鳅到第5天时全部死去，磁化的水桶中的50条在第7天时还有23条存活下来。由于高等水生动物通过食物链使有机物分解转化，间接上提高了污水的净化能力3组水样测定7天后的COD，表明被磁化且养有泥鳅的 2、3号水桶的COD去除率比无磁化、无泥鳅的提高2 0 % ），并使之以更高的速度转化为对人类有用的产物，变废为宝，防止了二次污染。
（3）磁化—人工生态系统方法净化污水应用实例1980年在原污水站基础上，建成了一个磁化—人工生态处理系统工程，主要由二级磁化和3个生态池组成。该处理系统有效占地面积770m2 ，平均日处理医院生活污水和病房污水700t.污水直接排入预沉调节生态池，水力滞留时间约4. 0h，经水泵提升和一级磁化，进入放养大量鱼类的生态转化池，水力滞留2 .0～ 2 . 5d，再次磁化并自流到设有许多垂直生态滤管的金鱼池，滞留时间 2.5～ 3.0d，通过生态滤管集中后排出，出水达三级地面水标准，供医院绿化和清洗之用。该站运用多年来，仅1994年在预沉池排过一次池污，且数量不多，足见污染物降解转化率之高。该系统中：①预沉调节生态池面积180m2 ，平均水深 1 . 1～ 2 .5m，为兼氧池，池面风眼莲覆盖，吸收污水分解的N，p等营养盐 ；②生态转化池，直径25m，由中心园池、环形复氧沟、环形外池组成，接纳来自预沉池并进行一级磁化的污水，池中放养数万尾罗非鱼，吞食大量生长的菌、藻及原生动物，使水体快速净化，并流入中心园池；③生态滤池100m2 ，平均水深 2 .3m，其中放养约 6万条金鱼和布设许多生态滤管，接纳中心园池流来并经二级磁化的水流，继续生态转化后经生态滤管过滤后排放，完成整个净化过程。该系统对BOD（Biological Oxygendemand），COD，N，p去除率全年平均分别为 89.9% ，87. 6 % ，6 9.6 %和73 .6 % .该系统工程基建总投资 2 7万元，折合日处理污水1t/d的基建投资单价为3 86元；年运行费用7500元，折合处理污水1t/d的年运行单价1 0 .7元，远低于表 1所列的常规二级处理的投资单价和运行单价。不仅如此，由于污水处理过程中的牛蛙、金鱼、罗非鱼、中药材、葡萄等收入，每年还可收益1 .8万元，比年运行费还多出1.0万元，形成污水处理过程的负投入。该法由于生态处理中的磁化效应，大大加速和提高了污染物转化速度和效率，且变废为宝，使之成为投资少、占地小、效率高、运行费用低、无二次污染，并有一定产出收益的污水处理新途径。
（4） 结论磁处理广泛应用于农业、医学、养殖、工业等诸多领域，尤其生命科学。基于这些经验，我们提出将磁处理技术与人工生态系统相结合应用于有机废水的净化处理，并着重对磁处理问题开展了一系列的实验分析和实际应用，从中获得一些有益的认识。
（a ）有机废水磁处理，在水体有氧条件下，污水瞬间通过合适的磁场 （0.315～0.368 T）后，视水质成分的差异，可直接去除COD8%～2 5% ，且不受水温影响，但连续反复磁化，每次的去除率会随磁化次数急剧下降。实际应用初步表明，磁处理器相隔的水力滞留时间以2～3d为宜。磁处理直接去除COD的原因，是污水被磁化中产生的h2O2等强氧化剂所致，并非生物酶作用或有机物分子结合键直接断裂的结果。
（b ）厌氧条件下，污水磁化对COD降解也很显著，实验表明，水温40℃在上述适宜磁场下，可使COD的去除率比不磁化的提高2 1 %～2 8% ，但其机理尚需进一步研究。
（c ）污水磁化，直接灭菌率可达 70 %～ 80 %（可能是形体很小的病毒、细菌等 ），但不能使所有的微生物死亡，尤其功能微生物，生存下来的还会被激活，以更大的活力提高污水净化能力 （初步实验约 1 7% ）。
（d）磁处理的污水，有利于菌藻系统生长和光合作用，可使水体产氧率和藻类 （绿藻 ）生产力增加一倍之多，从而促进生物链对污水的净化作用。
（e）磁处理宜与人工生态系统联合使用，上述污水处理站就是这一结合的成功范例，处理效率高，运行费用低，污水资源化和变废为宝，为可持续发展和推广展示了广阔的应用前景。
