淺談石墨烯光催化氧化技術在黑臭河道治理中的應用

華 燁

(無錫市城市防洪工程管理處，江蘇 無錫 214031)

城市黑臭水體是指城市建成區內，呈現令人不悅的顏色和(或)散發令人不適氣味的水體的統稱?！昂诔簟北徽J為是一種水體中有機污染物厭氣分解的生物化學現象，是水體有機物污染的極端現象。由于水體中有機污染物、氮磷富含量過多，造成水體缺氧、有機物腐敗。長時間接觸，對城市居民的健康及城市生態安全構成了極為嚴重的威脅[1]。根據住房和城鄉建設部于2015年發布的《城市黑臭水體整治工作指南》，2020年底前，地級以上城市建成區黑臭水體均需控制在10%以內；到2030年，全國城市建成區黑臭水體總體得到消除。

1 項目概況

濱江路河位于江蘇省江陰市利港鎮濱江西路北側，東西長約470.0m，南北寬14.0～35.0m，水域面積約10000m2，水深0.8～1.5m，底泥厚度20～60cm，水體流速小于0.1m/s。濱江路河下游經東龍港河、護廠河、窯港河匯入長江，有潮汐現象。治理前水體顏色發黑、發紅，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，水質渾濁，透明度不足30cm。濱江路河河岸為自然坡岸，河邊的植物已被河水中的污染物染黑，河水中已沒有高等水生植物，并不時漂有死魚。河道的主要污染源為河東側的一根管徑為800mm的排污管，其污水來自附近的農貿市場及工廠；河西段南岸的一根管徑為800mm的排污管，污水來自附近的汽修廠。

城市河道水質的惡化不僅損害了城市人居環境，也嚴重影響了城市形象。濱江路河的污染已嚴重影響到了周邊百姓的日常生活和工作，近年來百姓反映強烈。利港街道決定于2017年12月至2018年12月對濱江路河進行整治。治理的主要目標：消除水體表觀黑臭，治理區域無臭味散發。

2 石墨烯光催化氧化技術原理

濱江路河整治，主要采用先進的石墨烯光催化氧化技術結合生態修復技術。

石墨烯光催化氧化技術，2016年12月通過中國環境科學學會的環境科技成果鑒定，被評定為國內領先的環保技術，并被認定為“環境友好技術產品”[2]。傳統光催化氧化技術只能在紫外線光的照射下發生作用，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，在可見光下即能實現對有機物光催化氧化降解，大大提升了光催化的效果。該技術的催化氧化性能及反應速率大幅提高，氨氮(NH3-N)等污染物降解效果顯著，可快速提升水中溶解氧(DO)濃度。使芳香烴類大分子有毒有害物質能迅速分解為易被水生生物消化吸收的小分子營養物質，從而去除水中的毒性有害物質，利于水生生物的成長，幫助水系統生態功能迅速恢復，對黑臭水體以及可生化性差的水體有良好的水質改善作用[3]。

圖1 石墨烯光催化氧化技術原理

3 實施方案

3.1 治理措施

根據施工前對濱江路河的勘察及水質檢測分析，各項數值均達到黑臭標準。在暫時不能完全截污的情況下，首先考慮對東、西側排污口進行前置處理，消減污染物濃度、過濾懸浮物，盡可能降低整個河道的污染負荷；然后，采用石墨烯光催化氧化技術，在河道內布設光催化氧化網，降解河道內的有毒有害物質，消除黑臭，提升水中溶解氧濃度，改善整個水體環境。同時根據河道水體恢復情況，適時添加水生動植物，激活河道水體生態，恢復河道自凈功能，施工流程見圖2。

圖2 施工流程

東側排污口前置處理，主要是在污水口設置圍擋，圍擋主體填充具有吸附過濾作用的火山石、焦炭、沙袋，圍擋內懸掛生物填料，并種植水生植物對污水進行初期過濾吸附。同時在圍擋以西選定區域設置污水前置處理區，整個區域由初沉、好氧、厭氧、礫石區組成，盡可能消減污水中NH3-N、TP、COD等的濃度，污水經過處置再經由火山石、焦炭、沸石組成的生態透水壩溢流至光催化治理斷面。

西側排污口前置處理，主要是在排污口添加比表面積大、孔隙率高的天然材料進行初期過濾，減少油污和污水濃度。其次在入河口設置兩道攔油索，攔油索內放置吸油氈，攔油和吸油裝置定期維護更換。

3.2 安裝過程

石墨烯光催化網施工方便，河面上的橋、閘、壩均可作為安裝鋪設的實施點。首先在實施點附件的岸上選擇一處較為開闊的施工場地(約100m2)，由工人分組安裝，分為支撐桿安裝組、浮球配重塊安裝組、生物載體安裝組、整體組合和河道鋪設組。組裝完成后在河道上游橋頭放網順流入水，光催化網在施工員牽引下順流而下，同時用熱鍍鋅鋼管樁進行水面固定，詳見圖3。

圖3 催化網安裝示意圖

4 治理效果分析

2018年1月20—23日，完成催化網的安裝后，每月對河道進行DO、COD、NH3-N、TP、PH、ORP、透明度等水質指標的檢測。本文選取較為重要且有代表意義的DO、COD、NH3-N、TP 4項指標進行分析，具體數值見表1。

表1 2018年1—11月DO、COD、NH3-N、TP檢測值

將4項數據繪制點線表進行分析，可以看出水質變化趨勢明顯向好，特別是DO、NH3-N、TP改善幅度明顯。DO值不到10天即恢復到初始值的1倍，平均可達到10倍多；NH3-N值與TP值11個月后基本穩定在初始值的1/10，趨勢圖具體見圖4～圖7。

圖4 DO變化趨勢

圖5 COD變化趨勢

圖6 NH3-N變化趨勢

相比傳統工藝，石墨烯光催化氧化技術具有如下性能特點：系統無動力裝置(僅需陽光直射)；施工及維護簡便，可短時間快速布置于大面積水域；系統啟動速度快，短期內就能使水質發生明顯變化(最快1周左右即可見效)；耐污、耐候性強。

圖7 DO變化趨勢

5 結 語

隨著國家對生態文明城市建設的日益重視，人民群眾對水環境改善需求的日漸提高，要求我們在水環境綜合整治中要大膽采用新技術、新工藝，石墨烯光催化氧化技術的出現，給治水人又多了一種選擇。該技術的試驗取得了良好的凈化效果[4]，建議拓寬石墨烯光催化氧化網的使用范圍，在通航河道改為側面縱向布置，或部分可以移動；繼續探索對湖泊、港灣、水庫等大范圍水體處理效果；改善懸浮系統，使網體能適應水位變化幅度較大的水域，保持網體在距水面以下10cm處的最佳位置；改進固定設施，使網體能抵制大風的侵擾，當水體具有中高流速時，固定設施確保牢靠[5]。