原子力显微镜在环境样品研究与表征中的应用与展望

简要阐述了原子力显微镜仪器操作原理及最新成像技术发展情况;结合作者近期的研究工作,从环境微生物界面观察与表征、腐殖酸在微界面上的聚集行为观测、无机高分子絮凝剂的界面形貌及行为观察以及膜材料表面结构观测与表征等4个方面对原子力显微镜在环境领域内的应用情况作了概括介绍．最后,对原子力显微镜在环境微界面研究与表征中的应用前景进行了展望。     

微涡旋絮凝-逆流气浮-纳滤集成工艺去除水中腐殖酸的研究之二——以聚合氯化铁(PFC)为絮凝剂

试验研究了微涡旋絮凝-逆流气浮-纳滤集成工艺去除水中腐殖酸的工艺特征和效果.试验结果表明,微涡旋絮凝-逆流气浮工艺去除水中腐殖酸时,在聚合氯化铁(PFC)的最佳投药点0.62 mmol·L-1(Fe3 )下,出水水质符合纳滤膜系统预处理单元的要求,而且该工艺需要PFC絮凝剂的量较低.该预处理系统与纳滤系统组合的集成工艺可以使水中的腐殖酸有机物浓度大大降低,且含TQ56-36FC型纳滤膜的流程1比含M-N1812A型纳滤膜的流程2效果好.前者出水的TOC值可达0.48 mg·L-1,CODMn值为0.64～0.69mg·L-1,UV254值为0,且有95%以上的脱盐率.后者出水的TOC值为0.61～1.00mg·L-1,CODMn值为0.72～0.97mg·L-1,UV254值为0～0.0109,脱盐率很低.另外,尽管保安过滤/活性炭预处理有利于纳滤膜出水水质的提高,但活性炭柱的存在也降低了纳滤膜对有机物的去除率.动态实验结果表明,该集成工艺在本试验中运行周期为72h.水中颗粒物粒度分布表明,原水、絮凝后和气浮出水中颗粒物粒度分布的中位直径(d50)分别为2～5 μm、21 μm和16μm;经过保安过滤器或保安过滤器/活性炭柱,水样中的颗粒物的d50为0到几个μm;经过纳滤膜后,出水基本无颗粒物.初步研究表明,微涡旋絮凝过程中投药量对絮体的分形维数有着显著影响.     

活性炭物化性质对吸附天然水体中有机污染物的影响

研究了天然水体条件下2种合成有机污染物(SOC)甲基对硫磷(MP)和三氯乙烯(TCE)以及天然有机物(NOM)在5种粉末活性炭(PAC)上的吸附特性.在对活性炭的物化特性进行全面表征的基础上,利用相关分析方法揭示了PAC的物理和化学性质对天然水体中SOC类小分子有机污染物吸附的影响;并利用高效体积排阻色谱法(HPSEC...     

白洋淀典型区域清淤前后沉积物的氮磷扩散通量研究

清淤是治理湖泊内源污染、控制水体富营养化的一项重要措施.本文对白洋淀示范工程区清淤前后沉积物的上覆水与间隙水中氮磷的含量与扩散通量进行了研究,评估清淤示范工程对白洋淀内源氮磷污染负荷的控制效果.结果表明：清淤前,南刘庄和采蒲台示范区沉积物的表层间隙水中氨氮（NH₄⁺-N）浓度分别为0.31~8.93、0.25~5.64 mg·L^-1,磷酸盐（PO₄^3-）浓度分别为0.03~1.61、0.01~0.07 mg·L^-1,由于表层间隙水中NH₄⁺-N、PO₄^3-浓度较高,导致沉积物-水界面氮磷的扩散通量较高.南刘庄和采蒲台示范区沉积物-水界面NH₄⁺-N平均扩散通量分别为3.17、2.72 mg·m^-2·d^-1,PO₄^3-平均扩散通量分别为0.071、0.018 mg·m^-2·d^-1,表明NH₄⁺-N与PO₄^3-的潜在内源释放风险很高.清淤后,示范区表层间隙水中NH₄⁺-N与PO₄^3-浓度有明显的下降趋势,南刘庄和采蒲台示范区沉积物表层间隙水中NH₄⁺-N浓度分别为0.19~5.50、0.43~4.33 mg·L^-1,PO₄^3-浓度分别为0~0.07、0~0.03 mg·L^-1.南刘庄和采蒲台示范区沉积物-水界面NH₄⁺-N平均扩散通量分别为0.752、0.747 mg·m^-2·d^-1,PO₄^3-平均扩散通量分别为0.011、0.003 mg·m^-2·d^-1,可见清淤后NH₄⁺-N与PO₄^3-的潜在释放风险显著降低.由此充分说明,清淤工程有效地控制了白洋淀沉积物的内源氮磷污染负荷.     

不同混凝剂处理松花江低温水

东北松花江地区冬季有将近6个月的冰封期,低温季节水源水处理难度大。为了保证东北地区冬季饮用水供应,研究几种混凝剂在处理冬季松花江低温水时的混凝效果。实验结果表明,NPAC1和NPAC2水解产物中具有较高的Alb和Alc成分,拥有较高的电中和、吸附和网捕卷扫性能,高效聚铝铁(PAF)水解产物Fe(OH)3具有比表面积大、吸附架桥作用较强的优点。这3种混凝剂无论是在控制出水浊度还是在对水体有机物去除能力方面均优于目前水厂所使用的PAC和聚合氯化铝铁(水厂PAF);NPAC2的投加量达到50 mg/L时,出水浊度达到最优;当混凝剂投加量达到50 mg/L时,NPAC1的浊度去除率逐渐超过NPAC2,剩余浊度低于3.0 NTU;NPAC1、NPAC2和PAF 3种混凝剂对有机物的去除能力大致相当,当混凝剂投加量为50 mg/L时,这3种混凝剂处理后的水的UV254的值均低于0.06,而水厂使用的2种混凝剂处理后的水的UV254仍高于0.1;结合其对浊度去除的情况,可以判断55 mg/L的投药量为NPAC1的最优投药点,PAF的最佳投药量为65 mg/L;投加适量的粉末活性碳可以有效地提高氨氮的去除率,当粉末活性炭的投加量为30 mg/L时,氨氮的去除率基本达到最大(51.27%)。表面负荷对混凝效果具有重要的影响,合理降低沉淀池的表面负荷对于提高出水水质具有重要作用。     

活性炭吸附和两级Fenton氧化组合工艺处理高盐对氨基苯酚生产废水

采用活性炭吸附和两级Fenton氧化组合工艺对高盐度对氨基苯酚生产废水进行了处理实验研究。结果表明,p H值对活性炭去除有机物的影响较小。当活性炭投加量为4 g/L时,TOC去除率61%。分级加药可以有效提高Fenton氧化对有机物的去除效率。在温度为25℃、p H为3、30%H2O2投加量为3%(V/V)、Fe2+/H2O2摩尔比为0.05时,两级Fenton氧化处理后,出水TOC降至150 mg/L以下。此外,Fenton氧化后形成氢氧化铁污泥颗粒粒径为4.5μm,经过聚丙烯酰胺(PAM)絮凝之后,污泥的粒径明显增加,过滤特性改善。PAM絮凝效果依赖于溶液的p H值,当p H超过10后会失去作用,故在使用过程中需要严格控制溶液的p H值。     

粉末活性炭粒径对水中菲吸附动力学的影响效应研究

以菲为目标污染物,研究了粉末活性炭(PAC)在微尺度(1～ 100.Μm)下的粒径效应对多环芳烃吸附性能的影响.实验中按照中值粒径将研磨后得到的粉末活性炭划分为:PAC-1 (19 μm)、PAC-2(46μm)、PAC-3(76 μm).通过比表面积及孔隙度自动分析仪、原位拉曼光谱、扫描电镜等手段对PAC物化性质进行表征,发现粒径减小使PAC的BET比表面积和总孔容增加了10％ ～20％左右,而对PAC表面化学性质的影响较小.PAC的粒径分布对其吸附性能有显著影响,这种影响主要体现为吸附速率成倍的增加,其次是吸附容量有30％ ～36％的增幅.分别用3种动力学模型对吸附过程进行拟合,结果表明,伪二级动力学方程的拟合程度最高,PAC-1有最大的吸附速率常数k,并且随着粒径的减小,k值逐渐增大.     

原水性质对新型含Ca2+复合混凝剂混凝过程的影响

为了提高水处理效率,保证出水水质,需要开发新型高效混凝剂.本实验采用经过Ca2+改性的混凝剂针对不同水样进行混凝实验,考察了浊度、有机物去除、余铝和形成絮体性质.结果表明在纯颗粒物体系中,PACl(聚合氯化铝)和Al Cl3中加入的Ca2+对于浊度去除率无明显影响,在低投加量下能够有效降低沉后水中余铝浓度,Al Cl3做混凝剂,投加量0.10mmol·L~(-1)时,沉后水余铝浓度从0.15 mg·L~(-1)降低到0.10 mg·L~(-1).在腐殖酸体系中,混凝剂中的钙离子可明显降低腐殖酸分子的负电荷,降低沉后水余铝浓度以及增大絮体粒径.对于腐殖酸与蛋白质体系,当投加量为0.16 mmol·L~(-1)时,使用含有Ca2+的PACl做混凝剂时,钙离子的存在使得平衡时絮体粒径增加了大约50μm,可明显改善絮体的沉降性.碱性条件(pH=8.5)下改性混凝剂沉后水中DOC浓度降低0.2~0.6 mg·L~(-1),余铝降低0.4~0.7 mg·L~(-1).酸性条件(pH=5.5)下改性混凝剂沉后水DOC、余铝浓度无明显变化.     

臭氧对有机物混凝的影响

采用PDA(Photometric Disperse Analysis)和有机物表观分子量分级、有机物化学极性分级技术从絮体形成过程、絮体表现、有机物分子水平变化等方面研究了臭氧预氧化对混凝过程的影响;并对比了不同混凝剂在预臭氧条件下的混凝过程和效率.结果表明:臭氧预氧化对混凝过程有复杂的影响,其剂量和水体有机物特征决定了其对混凝的整体影响效果.有机物分级显示,臭氧化对有机物结构有重要影响,导致有机物极性、亲水性组分含量大幅提高(36.7%),小分子量组分(<10×10³)大幅增高(100%左右);但总的DOC去除率不高(3.28%).对PACl而言,在中、低剂量(O₃/TOC<0.7)下,臭氧对絮体形成过程影响较小,但对絮体沉降性和浊度去除已经有阻碍作用.在中、高剂量下(O₃/TOC>0.7),对絮体形成有显著滞后,浊度、有机物去除效率下降.AlCl₃对臭氧化作用反应敏感,臭氧化在试验剂量条件下,对絮体形成和浊度、有机物去除都有明显的阻碍作用.     

滦河水体溶解性有机物的综合分级表征及其混凝去除过程

天然水体溶解性有机物(DOM)是微污染物的潜在载体,是消毒副产物的主要前驱物,自身又可能成为微污染物,因此研究其内在特性和去除机理有着重要的基础性科学意义.本研究综合利用化学、物理分级方法(即树脂和超滤分级法),对中国北方典型饮用水源--滦河水体的DOM进行全面分级表征.此水体DOM基本化学分级特征是憎水酸(HoA)、亲水性物质(HiM)含量较高,且具有季节稳定性;其物理分级特征是分子量＜1 kDa及3 kDa～10 kDa的组分含量较高,也表现出一定的时间稳定性.选用工业聚合铝(PAC)研究此DOM的基本混凝特征和内在混凝机理,结果表明,强憎水部分HoA及3 kDa～10 kDa间的有机物较易被去除,而较大分子量范围10 kDa～30 kDa间的有机物去除率较低,说明混凝过程中此DOM的物理性质不起主要作用,而化学性质更为重要.特别对DOM各组分作进一步(结合)分级研究,发现HoA主要在＞10 kDa范围.＜1 kDa的有机物中主要为HiM,但其中还含有HoA和弱憎水酸(WHoA),这使特定条件下部分＜1 kDa有机物被混凝去除成为可能.另外,HoA中按分子量大小仍可分为易去除和难去除部分,但分布不连续,易去除部分在3 kDa～10 kDa和＞30 kDa区间,而其10 kDa～30 kDa部分较难去除,说明可能存在其他结构性影响因素,值得深入研究.