如何保證飲用水的生物穩(wěn)定性一直是水處理研究的熱點。常用的消毒處理并不能滅活所有微生物,且消毒過程中產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物還會給人體帶來更大的危害。而減少水中營養(yǎng)源的方法相對綠色安全,其中,可同化有機碳(AOC)已被廣泛用作水質(zhì)生物穩(wěn)定性的評價指標(biāo),但常規(guī)工藝對AOC的去除效果很難實現(xiàn)飲用水的生物穩(wěn)定。除碳元素外,磷也是微生物生長所需的重要元素,而且與AOC相比,磷更容易被去除,磷污染源也相對可控,因此除磷可能是實現(xiàn)水質(zhì)生物穩(wěn)定的更有效途徑。除AOC和磷外,水中殘留的腐殖酸也會造成管網(wǎng)中微生物的再生長。腐殖酸不僅可被氧化劑分解為小分子有機物,增加AOC含量,而且經(jīng)本文驗證,腐殖酸本身還可直接作為營養(yǎng)源促進微生物生長。腐殖酸的強絡(luò)合能力還可使它結(jié)合其他營養(yǎng)源而成為滋養(yǎng)微生物的溫床,影響磷對微生物生長的控制效果。因此在去除水中磷的同時,也應(yīng)盡量降低腐殖酸的殘留量。本文首先通過考察AOC、磷酸鹽與細菌總數(shù)之間的關(guān)系,明確了AOC和磷酸鹽對細菌生長繁殖的促進能力,并給出了實現(xiàn)水質(zhì)生物穩(wěn)定的AOC含量、磷含量和水齡的建議值。結(jié)果發(fā)現(xiàn)磷酸鹽比AOC更容易促進細菌的生長繁殖,去除磷比去除AOC更容易實現(xiàn)水質(zhì)生物穩(wěn)定。為了實現(xiàn)水質(zhì)生物穩(wěn)定,需將磷含量控制在至少3μg P/L以下。而為了滿足生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中細菌總數(shù)100CFU/mL的要求,則需將水中的磷完全去除,此時,若水齡≤4 d,則可將對出水AOC含量的要求放寬至300μg C/L,若出廠水可在1 d內(nèi)送達用戶端,AOC的限值則可放寬至500μg C/L,大大降低了對AOC的去除要求。此外,本文還初步探討了腐殖酸對細菌生長的促進作用,結(jié)果表明腐殖酸可直接作為營養(yǎng)源被細菌利用進行生長繁殖,當(dāng)磷酸鹽和腐殖酸共存時,細菌生長繁殖的能力大大增加。為了保證“磷斷糧”法能夠有效實現(xiàn)水質(zhì)生物穩(wěn)定,不僅需要有效去除水中的磷,還應(yīng)盡量降低出水中腐殖酸的殘留量。前人制備的La(OH)_3/聚丙烯腈纖維(LPNFs)可通過去除水中的磷控制微生物的生長,為了保證“磷斷糧”法能夠有效實現(xiàn)水質(zhì)生物穩(wěn)定,需進一步提高吸附劑的磷吸附容量使其能夠?qū)⑺械牧兹コ敛荒軝z出,同時還需降低水中腐殖酸的含量,因此本文對LPNFs進行了碳化處理,制得了嵌鑭碳纖維(LCNFs)鑭/碳復(fù)合吸附劑。LCNFs對磷的吸附容量為20.2 mg P/g,高于LPNFs,并且在碳組分物理吸附和鑭組分絡(luò)合的共同作用下,LCNFs還可吸附去除水中的腐殖酸。當(dāng)腐殖酸和磷酸鹽共存時,由于鑭基化合物對磷具有高選擇性,LCNFs仍能將100μg P/L的磷降至ICP-MS檢出限(0.6μg/L)以下,同時還可去除56.7~74.4%的腐殖酸,對LCNFs處理后的水樣進行控菌研究,發(fā)現(xiàn)其生物穩(wěn)定性較未經(jīng)處理的水樣有顯著提高。但磷和腐殖酸的共存會干擾彼此的去除效果,而且LCNFs的磷吸附容量仍較低,不能長期使用,磷和腐殖酸的去除時間長,不能適應(yīng)水廠的生產(chǎn)要求。為了提高吸附劑對磷的吸附容量,本文對La-MOF進行了無機化處理,制得了無機鑭基化合物吸附劑(LMC),使其具有微/納米二級結(jié)構(gòu),可提供豐富的吸附點位和孔隙結(jié)構(gòu),從而使其獲得了118.7 mg P/g的磷吸附容量,同時還可減弱磷和腐殖酸共存時二者對彼此去除效果的干擾,LMC可在50 min內(nèi)將100μg P/L的磷去除至檢出限以下,在60 min時去除43.5~65.4%的腐殖酸,相較于LCNFs縮短了去除時間。為了節(jié)約成本,適應(yīng)水處理工程需求,需在保證吸附去除效果的基礎(chǔ)上進一步縮短去除時間,為此,本文以La-MOF為鑭源,采用葡萄糖水熱法制備了具有豐富C-La微界面且在水中易于沉降分離的碳包覆鑭納米棒材料(C-LM)。C-La微界面可提供豐富的吸附點位,使C-LM具有54.4 mg P/g的磷吸附容量,還大大降低了磷和腐殖酸對彼此去除效果的影響。此外,C-La微界面還可產(chǎn)生毛細作用,使磷和腐殖酸快速到達吸附點位,縮短處理時間。當(dāng)腐殖酸和磷酸鹽共存時,C-LM在10 min內(nèi)即可將水中的磷去除至檢出限以下,同時獲得腐殖酸去除平衡,此時的腐殖酸去除率大于70%,優(yōu)于LMC和LCNF。LCNFs、LMC和C-LM三種鑭基吸附劑均可將水中低濃度的磷降至檢出限以下,同時降低腐殖酸殘留量,進而提高水質(zhì)生物穩(wěn)定性。其中LMC的磷吸附容量最高,可長期使用,減少吸附劑再生及更換頻率。而C-LM的去除時間最短,可減少水力停留時間。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TU991.2
【部分圖文】：

第 4 章 嵌鑭碳纖維制備及其除磷控菌效能的研究對鑭納米顆起到限制作用，防止鑭納米顆粒在碳化時發(fā)生團聚[122]，從而使得鑭納米顆粒均勻分布于碳纖維中。但鑭基化合物在 LCNFs 中的形貌與其在 LPNF中的不同。在 LCNFs 中鑭基化合物是以納米顆粒的形式存在的，而在 LPNFs 中鑭基化合物是以納米棒的形式存在的，這是由 LCNFs 和 LPNFs 的納米纖維直徑不同造成的。由于制備 LCNFs 的聚丙烯腈（PAN）使用量為 7 wt%，較 LPNF（5 wt%）的高，因此 LCNFs 前體（La(NO3)3/PAN-7）的纖維直徑會比 LPNFs 前體（La(NO3)3/PAN-5）的粗[116, 123]，可由 LCNFs 與 LPNFs 的直徑對比間接得證。由圖 4-2 可知，LCNFs 的平均直徑為 290 nm，碳化過程會使纖維變細，因此，LCNFs 碳化前的纖維直徑大于 290 nm，從而大于 LPNFs 的纖維直徑（185 nm）[116]。在鑭固定過程中，NaOH 的傳質(zhì)速率在較粗的聚丙烯腈纖維中會有所下降，因此若要形成鑭納米棒結(jié)構(gòu)需要延長 La(NO3)3/PAN-7 在 NaOH 溶液中的浸泡時間。但鑭基化合物在纖維中的形貌對磷酸鹽的吸附幾乎沒有影響[122]，因此嵌入鑭納米顆粒的碳纖維仍可用于研究磷酸鹽去除特性。

表明了鑭化合物對 PO3-4具有強結(jié)合作用，在吸附磷過程中，碳纖維限制了磷在纖維內(nèi)部的生長，從而使被吸附的磷逐漸向纖維外部生長，形成了刺狀結(jié)構(gòu)。4000 3200 2400 1600 800吸附磷后的LCNFs透過率%()波數(shù) (cm-1)6415540591LCNFs圖 4-9 LCNFs 吸附磷前后的紅外圖譜Fig.4-9 FT-IR spectra of the LCNFs before and after adsorption of phosphatea b

LCNFs 是在碳纖維的物理吸附和鑭絡(luò)合的共同作用下的。表 4-3 CNFs 和 LCNFs 的表面及孔結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 4-3 Surface and pore parameters of CNFs and LCNFsBET 比表面積 (m2/g) 總孔容積(cm3/g) 微孔容積(cm3/g) 27.1 0.016 0.011 41.8 0.034 0.013 腐殖酸前后的表征纖維在宏觀上是黑色，在吸附褐色的腐殖酸后，碳纖維顏聚丙烯腈纖維是白色，吸附腐殖酸后可以很容易的看出變酸后的 PNFs 和 LPNFs 進行了拍照，觀察二者的顏色變化s 吸附腐殖酸后的顏色仍為白色，這與未吸附前的材料顏乎沒有吸附到 PNFs 上，恰好印證了 PNFs 對腐殖酸的零吸附腐殖酸后，其顏色由白色變?yōu)榕c腐殖酸的顏色相同的吸附了腐殖酸，即使經(jīng)過三次水洗后，褐色仍然存在且腐殖酸與 LPNFs 之間存在強結(jié)合作用。bac
【參考文獻】

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本文編號：2861438