静态磁场强化活性污泥磁混凝的机制研究：Ramin's zone的发现与污泥沉降调控新策略

本研究针对活性污泥工艺(ASP)中污泥膨胀导致的沉降难题，创新性地采用静态磁场(SMFs)结合金属混凝剂调控污泥沉降性能。通过30分钟沉降实验(SV30)发现15 mT磁场作用下会形成暂态"Ramin's zone"，揭示了静电引力主导的污泥再沉降机制，为优化污泥体积指数(SVI)提供了物理-化学协同调控新思路。

　　

在污水处理领域，活性污泥工艺(Activated Sludge Process, ASP)长期面临污泥膨胀这一"顽疾"。当丝状菌过度繁殖时，污泥沉降性能恶化，导致二沉池中污泥难以有效分离——这不仅影响出水水质，更使污泥处理成本飙升至污水处理厂总运营费用的60%。传统化学混凝剂虽能改善沉降，但存在二次污染风险，而单纯依赖重力沉降又难以应对高SV₃₀(>200 mL/g)的膨胀污泥。正是在这样的背景下，Ramin Khoshniyat团队将目光投向了静态磁场(Static Magnetic Fields, SMFs)这一物理调控手段。

发表在《Microbial Cell Factories》的这项研究，首次揭示了SMFs作用下污泥沉降的微观机制。研究人员发现，当施加15 mT磁场时，沉降污泥表面会出现独特的凹凸不平现象——这与常规重力沉降形成的平滑表面截然不同。通过系列实验，团队证实这种现象源于磁场诱导形成的暂态过渡区"Ramin's zone"，该区域负电荷颗粒的静电排斥与上层正电荷的引力相互作用，最终导致污泥的再悬浮与再沉降。这一发现不仅解释了磁场强化沉降的物理机制，更为开发新型污泥调控技术提供了理论基石。

研究采用四个关键技术方法：(1)从伊朗Sanandaj污水处理厂CMAS工艺采集MLSS样本建立案例-对照研究；(2)通过直流电源构建15 mT SMFs实验系统；(3)采用SV₃₀和SVI定量评估沉降性能；(4)对比分析四种金属混凝剂(PACl、明矾、氯化铁、硫酸铁)在磁场中的协同效应。

材料与方法

研究团队在完全混合活性污泥(CMAS)系统中设置案例组(暴露于15 mT SMFs)和对照组。通过特制线圈产生均匀磁场，使用特斯拉计精确校准场强。SV₃₀测试采用1L量筒，严格控制在22.2±2.8°C环境温度下进行，同步监测pH(7.4±0.4)等参数。

结果与讨论

污泥沉降异常现象

图示显示，SMFs组(右)沉降污泥表面明显凹凸不平，SV₃₀值(500 mL)显著低于对照组(780 mL)。这种现象在所有金属混凝剂实验中均重复出现，证实磁场效应独立于化学混凝作用。

Ramin's zone形成机制

研究提出三阶段理论：(a)磁场使污泥颗粒定向排列，正负电荷分离；(b)沉降7分钟后形成富含负电荷的过渡区(Ramin's zone)；(c)静电引力使部分污泥沿管壁重新上浮。该过程可通过接地导线消除负电荷得到验证(图10)，直接证实静电作用是表面不平的关键成因。

多因素影响分析

研究量化了反应器直径、MLSS浓度(≥150 mg/L)、磁场强度等参数的影响。特别发现10.5cm直径量筒的沉降粗糙度比9.5cm降低23%，表明设备尺寸对现象观测具有显著干扰。

结论与意义

这项研究首次阐明SMFs改善污泥沉降的物理化学耦合机制：通过形成Ramin's zone这一暂态过渡区，磁场调控使污泥颗粒发生静电介导的定向运动。该发现突破传统重力沉降理论框架，为开发低能耗污泥处理工艺提供新思路——仅需0.0375 kWh电力即可实现SVI从358±25降至150 mL/g以下。团队建议后续研究可聚焦三点：优化磁场参数(>15 mT)以增强效应、开发磁场-混凝剂联用工艺、探索该现象在污泥脱水中的应用潜力。

这项来自伊朗库尔德斯坦医科大学的研究，不仅为污水处理厂应对污泥膨胀提供了创新解决方案，其揭示的"磁场-电荷-流体"相互作用机制，更为环境工程与胶体化学的交叉研究开辟了新方向。正如作者Glen T.Daigger教授指出："理解Ramin's zone的形成规律，可能帮助我们重新定义物理场强化废水处理的基本原理"。