秦曉振 許雯佳

（江陰雙良石墨烯光催化技術有限公司 江蘇江陰 214443）

引言

城市水體是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有水體循環(huán)、水土保持、水質涵養(yǎng)、調節(jié)溫濕度、改善城市氣候等多種功能。但是由于目前我國“新型城鎮(zhèn)化建設”的快速發(fā)展，城市的水環(huán)境質量受到嚴重威脅。許多城市的內河水質越來越差，甚至發(fā)黑發(fā)臭，嚴重影響了城市環(huán)境和居民的生活質量。根據(jù)2015 年8 月，住房和城鄉(xiāng)建設部發(fā)布的《城市黑臭水體整治工作指南》：明確黑臭水體范圍為城市建成區(qū)內的水體，也就是居民身邊的黑臭水體；從“黑”和“臭”兩個方面界定，即呈現(xiàn)令人不悅的顏色和（或）散發(fā)令人不適氣味的水體，以百姓的感觀判斷為主要依據(jù)。黑臭河道的特征表現(xiàn)為水體有異味，水生生物生存適應性降低，只有少量耐污種存在，生態(tài)系統(tǒng)結構和功能嚴重退化甚至喪失。據(jù)分析，黑臭水體的成因大致為：一是污水直排，二是雨污合流制管網(wǎng)的溢流污染，三是生態(tài)破壞造成河道失去自凈能力。目前全國興起了黑臭水體治理的熱潮，但是有些缺乏科學、系統(tǒng)的治理路線，陷入“頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳”的誤區(qū)；有些注重單一技術，忽視采用集成技術進行綜合治理；有些污染源治理與生態(tài)治理不同步，事倍功半；有些過度強調生態(tài)與景觀，忽視自然生境的構建。本文以黑臭水體江陰濱江路河為例，探索石墨烯光催化技術在黑臭水體治理實際成效及工程經驗，期望為我國黑臭水體的整治提供新技術、新思路。

1 治理河道概況

1.1 基本概況

濱江路河位于無錫市江陰市利港鎮(zhèn)濱江西路北，在華英重工設備有限公司西側。濱江路河呈東西走向，東西長約為470m，南北寬14～35m，總面積約10000m2，水深0.8～1.5m，底泥厚度約20～60cm，流速小于0.1m/s。該河北岸為農田，南岸為省道，交通流量大，導致河面降塵較多。下游經東龍港河、護廠河、窯港河匯入長江，有潮汐現(xiàn)象。

1.2 水環(huán)境的特征及問題

經現(xiàn)場踏勘及調查，濱江路河的水環(huán)境主要存在以下特征：（1）水體顏色發(fā)黑、發(fā)紅，有濃烈的臭味，水體表面漂有大量油污以及因厭氧漂浮在水面的黑泥；（2）水體渾濁，透明度不足30cm。

濱江路河主要存在以下問題：（1）點源污染未完全截污。晴天，河東側、南岸兩處排口有污水入河現(xiàn)象，導致排口附近水體顏色發(fā)黑，氣味較重。（2）生態(tài)系統(tǒng)不健全甚至缺失。該河河岸雖為自然坡岸，但污染嚴重毒性較高的河水已不合適植物生長，幾處零星植物已被河水中所帶污染物染黑，勘察中未發(fā)現(xiàn)河水中有高等水生植物，且河中漂有死魚。（3）面源污染嚴重。路邊集聚的大量灰塵、顆粒物隨降雨進入河道，導致水體濁度高，透明度低。

2 治理水質目標及方案

2.1 治理水質目標

水質目標：通過治理使濱江路河消除黑臭現(xiàn)象，使得水體的富營養(yǎng)化得到顯著遏制，恢復河道內生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)河道水清、魚游、岸綠的環(huán)境目標。

2.2 設計方案

本次研究河道主要對于470m 的河道展開治理截污，通過在河道內布網(wǎng)在水下10cm 處，運用長寬各3.5m 和1.35m 的網(wǎng)，共計20 張網(wǎng)運用聚乙烯繩子連接網(wǎng)，標記紅色浮標。分別設置河道個方向監(jiān)測斷面，對水體中的氧、氨氮、總磷、高錳酸鹽等指標進行記錄。

3 技術簡介

當受到能量大于或等于TiO2禁帶寬度（3.2eV）的光子照射時，TiO2中處于價帶的電子被激發(fā)躍遷到導帶上形成強還原性的導帶電子（e-），同時在價帶上產生一個強氧化性的價帶空穴（h+）。電子和空穴或直接和吸附在TiO2表面的有機物反應，或與水分子和溶解氧發(fā)生一系列反應，生成強氧化性的·OH、·，上述反應可描述如下：

傳統(tǒng)光催化氧化技術只能在紫外線光的照射下發(fā)生作用。石墨烯光催化氧化技術將石墨烯、納米氧化材料和量子級光敏材料有機結合，實現(xiàn)了可見光下即能實現(xiàn)對有機物光催化氧化降解，大大的提升了光催化的效果。石墨烯光催化技術工作原理如下圖所示。

圖1 石墨烯光催化原理圖

鋪設在水體中的石墨烯光催化網(wǎng)，持續(xù)的吸收太陽光提升對污染水體治理至關重要的溶解氧（DO）含量，啟動水體生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生一種向健康生態(tài)系統(tǒng)轉化的根本變化：

一方面，溶解氧提升過程能直接加速將大分子有機物質的氧化分解，將其降解為小分子物質，促使其向無機物轉化；

另一方面，氧化還原電位升高促進好氧細菌和其它功能菌種群的自然擴增，繼而將小分子有機物質轉化成二氧化碳，加速含氮有機化合物的硝化-反硝化過程，分解為氮氣逸出水體，于無聲中增加了自然界的物質循環(huán)。

更重要的是，水體中溶解氧含量的提升促進所有含氧生物的生存和繁衍，使因污染而活性低下的水體恢復生機，好氧的高等植物、浮游動物、底棲生物、魚類組成的食物鏈不斷消化、轉化掉水體內的營養(yǎng)物質和有機碎屑，提高透明度，逐步降低水體中的污染負荷，促進物質循環(huán)，漸次達到生態(tài)功能的恢復、自凈能力的恢復和水質的持續(xù)好轉。

（1）對COD 去除機理：將含碳有機物轉化為二氧化碳和水。

（2）對氨氮去除機理，將氨氮轉化為氮氣。

（3）對總磷去除機理

將有機磷轉化為無機磷和小分子的磷，使之易于被微生物和植物等吸收，從而達到降解總磷的效果。

（4）對總氮去除機理

4 治理效果分析及評價

4.1 治理前后照片對比分析

經過十個月治理，水體前后變化照片如下圖2 和圖3 所示。

圖2 治理前照片

從圖可以看出，治理前期發(fā)現(xiàn)水體顏色呈黑紅色，水面油污聚集，且散發(fā)重度惡臭，且表面存在大量黑色底泥上翻，水體渾濁并且水質的指標較差。

圖3 治理后水體照片

從照片可以看出，治理后，有水體感官有了非常明顯的改善，對提升水體的溶解氧、降低氨氮、COD 等各項指標均有效改善均達到Ⅳ類以上，獲得了較好的水生態(tài)恢復成效，出現(xiàn)大量水生動植物，明顯提升了水體的感官效果。也吸引了周邊群眾游玩、垂釣，也得到了當?shù)卣畽C構的認可與贊揚。

4.2 理化指標分析與評價

溶解氧變化曲線圖4 所示。

圖4 溶解氧變化曲線圖

分析曲線數(shù)據(jù)變化可以看出，經過十個月的治理，溶解氧上升趨勢明顯，說明光催化產生的氧氣對溶解的提升起到積極作用。

圖5 COD 變化曲線

分析曲線數(shù)據(jù)變化可以看出，經過十個月的治理，COD 呈下降趨勢，治理過程中由于降雨等原因，短時間上升，但經過光催化降解，COD 又逐漸下降。

圖6 氨氮變化曲線

分析曲線數(shù)據(jù)變化可以看出，經過十個月的治理，氨氮從18.54mg/l 下降到3.44mg/l，下降了81.4%。

圖7 總磷變化曲線

分析曲線數(shù)據(jù)變化可以看出，經過十個月的治理，總磷從1.731mg/l 下降到0.299mg/l，下降了82.7%。

綜合分析，治理后氨氮、化學需氧量、總磷含量低于治理前；溶解氧含量明顯高于治理前；透明度明顯提高，綜合分析，通過石墨烯光催技術的治理，河道水質改善明顯。

5 結論與建議

5.1 結論

通過光催化技術在黑臭水體濱江路河治理，分析濱江路河治理區(qū)域各項指標，證明已經消除黑臭。在夏季天氣逐漸熱時藍藻等浮游植物的增加，使得水中的氨氮、總磷、COD 等指標反復升降，后經過光催化治理后再次逐漸下降。這一情況也反應了光催化網(wǎng)能夠達到快速增氧，對有毒的有機物快速降解，構建生態(tài)系統(tǒng)重新恢復了水體的自動凈化功能，整體來講也對黑臭水體達到了本次消除目標。

5.2 建議

目前，多數(shù)科研人員力求對光催化水質凈化技術加大研發(fā)投入，分別以材料、工藝、應用等多方面均作出全面研究，包括了催化機理、新型工藝、典型污染物降解效果、生物協(xié)同功效、不同地區(qū)不同類型水體凈化效果、特殊場合技術應用開發(fā)等多項研究。其中趙煥新[4]等人在研究中，分析了石墨烯/TiO2材料能夠處于可見光的照射情況下，光催化亞基藍達到降解活性的效果。商希禮[5]通過展開對石墨烯復合材料的模擬研究，運用于制藥廢水處理試驗，經試驗結果證實在0.5h 的試驗反應時間，便已經完成了催化氧化降解處理，達到了效果最優(yōu)化獲得85.27%的模擬廢水降解率[6]。目前在石墨烯光催化技術領域的種類還尚且單一，也并未有豐富系統(tǒng)的研究說明最終污染物的去除效率[7]。在本次研究中結合了濱江路河布網(wǎng)段的黑臭水體運用石墨烯光催化技術治理，發(fā)現(xiàn)取得良好效果，見效時間較快雖在溫暖天氣有所反復，但是總體來講，光催化技術對治理黑臭河道有極大作用。

結語

目前在石墨烯光催化技術領域的種類還尚且單一，也并未有豐富系統(tǒng)的研究說明 最終污染物的去除效率。在本次研究中結合了濱江路河布網(wǎng)段的黑臭水體運用石墨烯光 催化技術治理，發(fā)現(xiàn)取得良好效果，見效時間較快雖在溫暖天氣有所反復，但是總體來 講，光催化技術對治理黑臭河道有極大作用。