层状外延生长（LPE）制备镧系金属有机框架（Lanthanide-MOF）/纤维素纸用于可视化传感与选择性染料去除

《Polymers》：LPE-Grown Lanthanide-MOF/Cellulose Paper for Visual Sensing and Selective Dye Removal

　　

湖泊与水库水源水的藻华应急处置需要能在原水条件变化时仍保持有效的混凝剂。研究人员比较了聚合氯化铝（PAC）与壳聚糖（CTS）在杨库水库旱季和雨季采集原水中的处理表现。烧杯试验（Jar tests）在3~15 mg/L试剂质量投加量范围内评价了藻密度、藻生物量以及氮磷组分。处理表现存在季节差异。雨季平均藻密度去除率与可溶性活性磷（SRP）去除率分别为63.12%和68.51%，并观察到表观NH4+-N浓度下降70.05%。由于溶解无机氮归宿未厘清，该NH4+-N下降不应解释为直接混凝去除。旱季原水藻密度更高且SRP/TP比更高。PAC在两季间藻生物量去除较稳定且除磷更强，CTS对原水基质季节变化更敏感。上述发现支持按季节初步筛选混凝剂，同时强调在全规模应用前需开展残铝、中试和工艺机制验证。

研究背景方面，湖库水源在中国城市供水系统中十分重要。近年来受农业面源污染与生活污水排放影响，部分水源出现富营养化，氮磷浓度升高并偶发藻华。干旱季节水量减少、水力停留时间延长，更易出现藻类过度增殖，藻密度可达10⁷ cells/L。藻类会增加常规水处理负荷，部分藻种还会释放藻毒素威胁供水安全。当藻华超出常规工艺处理能力时，强化混凝是最常用的应急处置策略之一。混凝可通过电荷中和、吸附架桥和网捕絮凝去除悬浮颗粒与部分污染物。聚合氯化铝（PAC，polyaluminum chloride）因絮体形成快、pH适应广而被广泛使用，但会带来出水中残留铝与铝污泥处置难题。壳聚糖（CTS，chitosan）是可降解天然高分子，分子链上氨基质子化后带正电，可通过电荷中和与吸附架桥去除藻类和部分污染物，但其混凝表现受温度、pH和有机物浓度影响明显。已有研究多聚焦单一混凝剂或PAC-CTS复合体系在特定水质下的优化，少有研究用真实水库水在旱雨两季直接比较PAC与CTS。因此，研究人员以南京江宁杨库水库为对象，检验原水基质季节变化是否会改变两种混凝剂的相对表现，为库水应急处理的季节性初步筛选提供依据。

主要技术方法方面，研究人员于2024年旱季2—4月与雨季6—8月在杨库水库设4个采样点，每点3次独立采样，4℃避光运回实验室并于24小时内完成试验。采用多工位磁力搅拌器进行烧杯试验，原水1 L中分别投加PAC或CTS，投加量梯度为3、6、9、12、15 mg/L，先300 r/min快混3分钟，再100 r/min慢混12分钟，静沉30分钟后取上清液。藻密度用显微镜400×计数20个视野并按细胞数换算cells/L，藻生物量按细胞体积与生物量转换系数估算；氮磷指标中总磷（TP）用过硫酸钾消解钼酸铵分光光度法，SRP用钼锑分光光度法，总氮（TN）用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，氨氮（NH₄⁺-N）用纳氏试剂法，硝酸氮（NO₃^?-N）用紫外分光光度法，亚硝酸氮（NO₂^?-N）用N-（1-萘基）乙二胺分光光度法；溶氧与pH用现场仪器测定。数据统计用R软件，采用Welch t检验、独立两样本t检验与配对t检验。

3.1 旱雨季原水水质特征

研究人员通过比较旱季与雨季原水指标发现，旱季平均藻密度17.96×10⁶ cells/L，湿季7.33×10⁶ cells/L，旱季显著更高；旱季藻生物量4.91 mg/L，湿季2.49 mg/L。氮方面，旱季TN、NO₃^?-N、NO₂^?-N、NH₄⁺-N均高于湿季，TN差异显著。磷方面，旱季TP 0.14 mg/L、SRP 0.042 mg/L，湿季TP 0.066 mg/L、SRP 0.0063 mg/L；旱季SRP/TP为0.30，湿季为0.095，说明旱季可直接被藻利用的磷比例更高，这与旱季藻密度更高相一致。

3.2 PAC与CTS对除藻的影响

研究人员通过两季烧杯试验比较除藻表现发现，湿季PAC平均藻密度去除74.57%、藻生物量去除73.96%，CTS分别为51.67%和65.74%；旱季PAC藻密度去除48.42%、藻生物量去除71.63%，CTS分别为27.07%和24.95%。结论是PAC跨季藻生物量去除稳定，依靠铝羟基聚合物电荷中和与氢氧化铝絮体网捕；CTS湿季尚可且不引入铝，但旱季因藻负荷与基质变化性能明显下降，说明CTS对原水矩阵更敏感。

3.3 PAC与CTS对污染物去除的影响

研究人员分析氮磷去除发现，湿季TN、NH₄⁺-N去除高于旱季，但NO₃^?-N两季去除均低于25%，NH₄⁺-N湿季表观下降70.05%不能视为直接混凝去除。磷方面，湿季TP去除33.06%、SRP去除68.51%，旱季TP去除30.40%、SRP去除20.80%；PAC湿季SRP去除达82.81%，显著高于CTS，因其具有铝系沉淀与水解产物吸附路径，而未改性CTS缺乏金属-磷酸盐沉淀路径。剂量响应上，PAC在9~12 mg/L对SRP去除高，15 mg/L旱季TP去除提升；CTS在部分剂量下对TN、NO₂^?-N有去除潜力，但过量可能出现胶体再稳定。

讨论部分总结，研究人员指出PAC适合作为跨季除藻除磷的稳健无机混凝剂，CTS具有不引入铝、可生物降解的潜在优势，但旱季单独使用受限，未来可探索PAC-CTS复合体系以降低铝投加量。残铝、污泥性质、连续流中试与成本分析尚未开展，因此当前结果只能用于季节性初步筛选，不能直接外推全规模饮用水工艺。

结论部分翻译如下：

本研究使用旱季和雨季采集的真实水库水比较PAC与CTS，显示出明显的季节相关混凝性能差异。在所测烧杯试验条件下，PAC维持较稳定的藻生物量去除并表现出更高除磷能力，而CTS对原水基质的季节变化更敏感。CTS在雨季部分指标上仍有较好表现且不作为混凝组分引入铝，但未测定残金属性能。所观察的剂量响应模式可为季节性混凝剂初步筛选提供依据，但不应解释为直接的全规模投量建议。尤其未测定残留铝，不能仅因除磷需要而增加PAC投量；NH₄⁺-N、NO₂^?-N与NO₃^?-N的表观下降也不应解释为直接混凝去除，因为本研究设计未厘清这些溶解氮组分的归宿。本研究为基于季节采样的实验室烧杯筛选，其性能与剂量响应需在连续流中试下验证后方可考虑全规模饮用水应用。未来应评估PAC-CTS复合混凝，判断能否在维持除藻除磷的同时降低PAC需求与铝输入；并在旱雨两季开展连续流中试，综合评估残铝、污泥特性、药剂消耗、运行稳定性与处理成本。