基于納米材料的水質監測技術與城市污水治理研究

摘要：隨著科技進步，納米材料在水質監測領域的應用日益廣泛，其在城市污水治理中發揮重要作用。詳細闡述納米材料在水質監測中的基本原理及其在城市污水治理中的應用，包括對監測效率和精度的提升、污水處理效果的改善以及對環保目標的支持，同時探討基于納米材料的水質監測城市污水治理中的發展趨勢，為我國城市污水處理提供高效、綠色的技術路徑。

關鍵詞：納米材料；水質監測；城市污水治理；環境監測；污染控制

中圖分類號：X703 文獻標志碼：A 文章編號：1008-9500（2025）02-0-03

Research on Water Quality Monitoring Technology and Urban Sewage Treatment Based on Nanomaterials

JI Xueliang， LIN Cong， LIANG Feifei， ZHAO Xiaoxu， FENG Jingxuan

（Jining Hydrological Center， Jining 272000， China）

Abstract： With the advancement of technology， the application of nanomaterials in water quality monitoring is becoming increasingly widespread， and they play an important role in urban sewage treatment. Elaborate on the basic principles of nanomaterials in water quality monitoring and their application in urban sewage treatment， including the improvement of monitoring efficiency and accuracy， the enhancement of sewage treatment effectiveness， and support for environmental protection goals. At the same time， explore the development trend of nanomaterials based water quality monitoring in urban sewage treatment， and provide an efficient and green technological path for urban sewage treatment in China.

Keywords： nanomaterials; water quality monitoring; urban sewage treatment; environmental monitoring; pollution control

隨著城市化進程的加速，城市污水排放量逐年增加，水質污染問題日益嚴峻，傳統的水質監測方法存在監測周期長、靈敏度低、操作復雜等不足，難以滿足當前城市污水治理的迫切需求。納米材料因其獨特的物理、化學性質，以及極高的比表面積和表面能，能夠高效吸附和富集水中的污染物，同時借助特定的表面修飾和改性，可實現對特定污染物的選擇性檢測。因此，基于納米材料的水質監測技術應運而生，為城市污水治理提供新的解決方案[1]。

1 納米材料在水質監測中的基本原理

納米材料是指至少在一維尺度上處于納米尺寸（1～100 nm）的材料，獨特的物理、化學和生物特性使其在多個領域展現出廣泛的應用潛力。例如，石墨烯納米片因其出色的導電性和機械強度，能夠在電化學傳感器中高靈敏度檢測重金屬離子；量子點在特定波長下具有熒光特性，可用于熒光探針技術，精確識別有機污染物。納米材料在水質監測中的作用機制主要包括吸附、催化和傳感3個方面。

首先，在吸附方面，納米材料如磁性納米顆粒能夠通過靜電作用、范德華力等快速吸附重金屬離子和有機污染物，吸附效率可達90%以上。例如，Fe3O4納米顆粒在pH值為6～8的條件下，對Pb2+的吸附容量可達150 mg/g。

其次，在催化方面，納米材料如TiO2納米管陣列通過光催化降解有機污染物，降解速率常數可達0.1 min-1，顯著提升水質凈化效果。

最后，在傳感方面，納米材料如金納米顆粒修飾的電極在電化學傳感器中，通過電化學信號的變化實現對Hg2+的痕量檢測，檢測限低至1×10-11。納米材料的復合技術如Ag/GO納米復合材料，結合銀納米顆粒的抗菌性和石墨烯的高導電性，在多功能傳感器中實現對多種污染物的同步監測，響應時間縮短至秒級，極大提升水質監測的實時性和可靠性[2]。

2 基于納米材料的水質監測技術對城市污水治理的影響

2.1 對水質監測效率和精度的提升

納米材料在水質監測中顯著提升效率和精度。例如，金屬有機框架（Metal organic Framework，MOFs）由于其可調節孔隙結構和高比表面積，被廣泛應用于光學和電化學傳感器，實現對水中微量污染物的快速檢測，其檢出限也較低。納米材料的表面修飾技術借助引入特定官能團，增強對特定污染物的選擇性和親和力，進一步提高監測的準確性[3]。

2.2 對城市污水處理效果的改善

納米材料在城市污水處理中的效果改善體現在其高效的吸附和催化降解能力。磁性納米顆粒如Fe3O4因其快速吸附特性，能有效去除水中的重金屬離子和有機污染物；TiO2納米管陣列借助光催化作用降解有機污染物，顯著提升水質凈化效果。基于納米材料水質監測技術的應用不僅提高污水處理效率，而且能夠降低二次污染的風險，為城市污水處理提供更為環保和經濟的解決方案。

3 納米材料水質監測技術在城市污水治理中的具體應用

3.1 重金屬離子檢測

納米材料在重金屬離子檢測技術方面有著獨特的應用。例如，金納米粒子具有獨特的光學性質，在與特定重金屬離子結合時會發生顏色變化，這一特性可用于定性檢測。根據研究，當汞離子存在時，金納米粒子會從紅色變為藍色，顏色變化肉眼可辨，檢測限能達到1×10-11的超低水平。同時，碳納米管在重金屬離子檢測中有重要應用，具有比表面積大和電學性能良好特點，通過化學修飾后的碳納米管制成的電極，對鉛離子的檢測靈敏度極高，在特定電解液中，鉛離子濃度與電極電流響應呈線性關系，檢測范圍可達1×10-10～1×10-7，且線性相關系數在0.99以上。納米復合材料同樣發揮著重要作用，如石墨烯-硫化物納米復合材料在檢測鎘離子時表現出優異的性能，檢測精度可達5×10-10以內，并且響應時間在5 min以內，滿足快速檢測的要求[4]。

3.2 有機污染物檢測

在有機污染物檢測領域，納米材料的技術應用多種多樣。量子點是其中重要的一種，量子點具有獨特的熒光發射特性。以硫化鎘量子點為例，其發射波長與粒徑相關，借助調整粒徑可實現對不同有機污染物的特異性檢測。在檢測多環芳烴時，硫化鎘量子點的熒光強度隨著多環芳烴濃度的增加而發生規律性變化，檢出限可低至1×10-9。MOFs在有機污染物檢測方面也展現出強大的能力，高度有序的孔道結構和可調節的孔徑能夠對不同體積的有機污染物分子進行選擇性吸附和檢測。例如，基于鋅的MOFs材料，在檢測苯系物時，其吸附容量在100 mg/g以上，同時檢測精度能達1×10-10級別。納米酶也是新興的檢測技術材料，納米酶模擬天然酶的活性中心，在檢測有機農藥殘留方面效果顯著。例如，鐵氧化物納米酶，在檢測有機磷農藥時，根據底物的水解速率與農藥濃度的關系，可精確檢測出5×10-11以下的有機磷農藥。

3.3 微生物檢測

納米材料在微生物檢測技術中扮演著重要角色。

一是納米銀材料。納米銀是一種常見的用于微生物檢測的納米材料，具有抗菌性。納米銀抗菌機制與微生物細胞膜的相互作用有關，當微生物存在時，納米銀會與其發生作用，導致微生物的代謝發生變化，通過分析微生物代謝產物或者納米銀本身性質的改變，來實現微生物的檢測。例如，在檢測大腸桿菌時，納米銀會降低大腸桿菌的呼吸鏈相關酶活性，檢測酶活性的變化可間接檢測大腸桿菌的存在，檢出限為10 CFU/mL。

二是磁性納米粒子。在微生物檢測中也有獨特的應用，磁性納米粒子可與微生物特異性結合，然后通過外加磁場進行分離和富集，便于后續的檢測。例如，磁性氧化鐵納米粒子在檢測金黃色葡萄球菌時，能快速將金黃色葡萄球菌從復雜的樣品中分離出來，再結合熒光標記技術進行標記，檢出限可低至1 CFU/mL。

三是納米光子學材料。該類材料基于微生物與光的相互作用，如利用表面等離子體共振效應制成的傳感器，在檢測酵母菌時，可實現對微生物的實時檢測，響應時間在10 min以內，檢測精度達1 CFU/mL。

3.4 城市污水處理

納米材料在城市污水處理技術中有著廣泛的應用。

納米二氧化鈦在光催化處理污水方面表現卓越，在紫外線照射下，納米二氧化鈦能夠產生具有強氧化性的羥基自由基，自由基能夠將污水中的有機污染物分解為二氧化碳和水。在實際的城市污水處理廠中，當使用納米二氧化鈦處理有機物濃度在100～500 mg/L的污水時，經過1～2 h的處理，有機物的去除率可達80%以上。

納米零價鐵也是一種有效的污水處理材料，具有很強的還原性，能將污水中的重金屬離子還原為低價態，降低其毒性并便于后續的去除。例如，在處理含鉻污水時，納米零價鐵能夠將Cr6+還原為Cr3+，反應速率常數可達0.05 min-1，處理后的污水中鉻離子濃度可降低至1×10-10以下。

膜技術結合納米材料也是城市污水處理的一種創新方法。例如，納米纖維膜具有孔徑小、比表面積大的特點，在處理污水時，對懸浮物和大分子有機物的截留率可達95%以上，同時其抗污染性能強，使用壽命長，能夠降低污水處理的成本[5]。

4 城市污水治理中基于納米材料的水質監測技術發展趨勢

4.1 納米傳感器的微型化與集成化

納米傳感器朝著微型化與集成化的方向快速發展，以適應城市污水治理中對高精度、高靈敏度監測的需求。微型化技術大幅縮減納米傳感器體積，如基于碳納米管的微型電化學傳感器，其尺寸已可縮小至微米級別，同時保持對重金屬離子的高靈敏度檢測，檢出限低至納克級別。集成化方面，將多個納米傳感器單元集成至單一芯片上，形成多功能傳感器陣列，能同時監測水中多種污染物，如重金屬、有機污染物及微生物。

4.2 智能化與自動化監測系統

智能化與自動化監測系統的發展，為城市污水治理提供高效、實時的解決方案。借助集成物聯網技術，納米傳感器能夠實時傳輸監測數據至云端平臺，利用大數據分析算法，自動分析水質變化趨勢，并預測潛在污染事件。例如，基于機器學習算法的自動監測系統，能根據歷史數據訓練模型，識別不同污染物濃度變化模式，當水質異常時，該系統能立即發出預警，并推薦相應的處理措施。自動化監測系統的另一大優勢在于其遠程操控能力，操作人員可通過手機或計算機遠程調整傳感器參數，實現精準監測，同時結合無人機巡檢技術，可監測人工難以到達區域的水質情況，進一步拓寬監測范圍，提高監測效率。

4.3 多功能復合納米材料的發展

多功能復合納米材料是水質監測領域的創新方向，將多種功能集于一體，實現高效、精準的水質監測。例如：結合磁性納米顆粒的吸附能力與量子點的熒光特性，開發出既能快速吸附污染物又能熒光標記的復合納米材料，同時能提高監測靈敏度并簡化操作步驟；多功能復合材料是納米酶與MOFs的復合，利用納米酶的催化活性與MOFs的選擇性吸附，實現對特定污染物的快速檢測與去除。這類復合材料在復雜水質環境中展現出優異的穩定性和抗干擾能力。

5 結論

納米材料在水質監測與城市污水治理中展現出巨大潛力，具有高比表面積、獨特的光學和電學性質等特性，為實現高效、精準的水質監測和污水處理提供有力支持。未來，隨著納米傳感器的微型化與集成化、智能化與自動化監測系統以及多功能復合納米材料的不斷發展，納米材料在城市污水治理中的應用將更加廣泛和深入，有望為城市水環境的改善和可持續發展提供更加高效、綠色的技術解決方案。

參考文獻

1 郭晨夫.基于碳納米管的龍形水系水質監測傳感器制造的基礎研究[J].現代工業經濟和信息化，2022（9）：93-96.

2 周曉麗，趙小娜，劉賢偉.基于局域等離子體納米材料的水環境中重金屬離子可視化監測[J].環境化學，2020（3）：12.

3 蒙政成，冼 萍，黃付平，等.NCMBR工藝在工業園區污水處理工程中的應用[J].中國給水排水，2020，36（8）：88-91.

4 楊 碩，余薇薇，楊 倫，等.納米零價鐵降解水中17β-雌二醇的作用機制[J].化工進展，2020（9）：3826-3834.

5 王 璐，楊明強，郭偉忠.物理-生態復合修復技術在黑臭河道治理中的應用[J].水資源開發與管理，2020（7）：1-6.

收稿日期：2024-12-30

作者簡介：紀學良（1987—），男，山東濟寧人，碩士，助理工程師。研究方向：水文與水資源工程。