淺談石墨烯光催化氧化技術(shù)在黑臭河道治理中的應(yīng)用

華 燁

(無(wú)錫市城市防洪工程管理處，江蘇 無(wú)錫 214031)

城市黑臭水體是指城市建成區(qū)內(nèi)，呈現(xiàn)令人不悅的顏色和(或)散發(fā)令人不適氣味的水體的統(tǒng)稱?！昂诔簟北徽J(rèn)為是一種水體中有機(jī)污染物厭氣分解的生物化學(xué)現(xiàn)象，是水體有機(jī)物污染的極端現(xiàn)象。由于水體中有機(jī)污染物、氮磷富含量過(guò)多，造成水體缺氧、有機(jī)物腐敗。長(zhǎng)時(shí)間接觸，對(duì)城市居民的健康及城市生態(tài)安全構(gòu)成了極為嚴(yán)重的威脅[1]。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2015年發(fā)布的《城市黑臭水體整治工作指南》，2020年底前，地級(jí)以上城市建成區(qū)黑臭水體均需控制在10%以內(nèi)；到2030年，全國(guó)城市建成區(qū)黑臭水體總體得到消除。

1 項(xiàng)目概況

濱江路河位于江蘇省江陰市利港鎮(zhèn)濱江西路北側(cè)，東西長(zhǎng)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(jīng)東龍港河、護(hù)廠河、窯港河匯入長(zhǎng)江，有潮汐現(xiàn)象。治理前水體顏色發(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，水質(zhì)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(méi)有高等水生植物，并不時(shí)漂有死魚(yú)。河道的主要污染源為河?xùn)|側(cè)的一根管徑為800mm的排污管，其污水來(lái)自附近的農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)及工廠；河西段南岸的一根管徑為800mm的排污管，污水來(lái)自附近的汽修廠。

城市河道水質(zhì)的惡化不僅損害了城市人居環(huán)境，也嚴(yán)重影響了城市形象。濱江路河的污染已嚴(yán)重影響到了周邊百姓的日常生活和工作，近年來(lái)百姓反映強(qiáng)烈。利港街道決定于2017年12月至2018年12月對(duì)濱江路河進(jìn)行整治。治理的主要目標(biāo)：消除水體表觀黑臭，治理區(qū)域無(wú)臭味散發(fā)。

2 石墨烯光催化氧化技術(shù)原理

濱江路河整治，主要采用先進(jìn)的石墨烯光催化氧化技術(shù)結(jié)合生態(tài)修復(fù)技術(shù)。

石墨烯光催化氧化技術(shù)，2016年12月通過(guò)中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)的環(huán)境科技成果鑒定，被評(píng)定為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的環(huán)保技術(shù)，并被認(rèn)定為“環(huán)境友好技術(shù)產(chǎn)品”[2]。傳統(tǒng)光催化氧化技術(shù)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(shù)將石墨烯、納米氧化材料和量子級(jí)光敏材料有機(jī)結(jié)合，在可見(jiàn)光下即能實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)物光催化氧化降解，大大提升了光催化的效果。該技術(shù)的催化氧化性能及反應(yīng)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(zhì)能迅速分解為易被水生生物消化吸收的小分子營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從而去除水中的毒性有害物質(zhì)，利于水生生物的成長(zhǎng)，幫助水系統(tǒng)生態(tài)功能迅速恢復(fù)，對(duì)黑臭水體以及可生化性差的水體有良好的水質(zhì)改善作用[3]。

圖1 石墨烯光催化氧化技術(shù)原理

3 實(shí)施方案

3.1 治理措施

根據(jù)施工前對(duì)濱江路河的勘察及水質(zhì)檢測(cè)分析，各項(xiàng)數(shù)值均達(dá)到黑臭標(biāo)準(zhǔn)。在暫時(shí)不能完全截污的情況下，首先考慮對(duì)東、西側(cè)排污口進(jìn)行前置處理，消減污染物濃度、過(guò)濾懸浮物，盡可能降低整個(gè)河道的污染負(fù)荷；然后，采用石墨烯光催化氧化技術(shù)，在河道內(nèi)布設(shè)光催化氧化網(wǎng)，降解河道內(nèi)的有毒有害物質(zhì)，消除黑臭，提升水中溶解氧濃度，改善整個(gè)水體環(huán)境。同時(shí)根據(jù)河道水體恢復(fù)情況，適時(shí)添加水生動(dòng)植物，激活河道水體生態(tài)，恢復(fù)河道自凈功能，施工流程見(jiàn)圖2。

圖2 施工流程

東側(cè)排污口前置處理，主要是在污水口設(shè)置圍擋，圍擋主體填充具有吸附過(guò)濾作用的火山石、焦炭、沙袋，圍擋內(nèi)懸掛生物填料，并種植水生植物對(duì)污水進(jìn)行初期過(guò)濾吸附。同時(shí)在圍擋以西選定區(qū)域設(shè)置污水前置處理區(qū)，整個(gè)區(qū)域由初沉、好氧、厭氧、礫石區(qū)組成，盡可能消減污水中NH3-N、TP、COD等的濃度，污水經(jīng)過(guò)處置再經(jīng)由火山石、焦炭、沸石組成的生態(tài)透水壩溢流至光催化治理斷面。

西側(cè)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(jìn)行初期過(guò)濾，減少油污和污水濃度。其次在入河口設(shè)置兩道攔油索，攔油索內(nèi)放置吸油氈，攔油和吸油裝置定期維護(hù)更換。

3.2 安裝過(guò)程

石墨烯光催化網(wǎng)施工方便，河面上的橋、閘、壩均可作為安裝鋪設(shè)的實(shí)施點(diǎn)。首先在實(shí)施點(diǎn)附件的岸上選擇一處較為開(kāi)闊的施工場(chǎng)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(shè)組。組裝完成后在河道上游橋頭放網(wǎng)順流入水，光催化網(wǎng)在施工員牽引下順流而下，同時(shí)用熱鍍鋅鋼管樁進(jìn)行水面固定，詳見(jiàn)圖3。

圖3 催化網(wǎng)安裝示意圖

4 治理效果分析

2018年1月20—23日，完成催化網(wǎng)的安裝后，每月對(duì)河道進(jìn)行DO、COD、NH3-N、TP、PH、ORP、透明度等水質(zhì)指標(biāo)的檢測(cè)。本文選取較為重要且有代表意義的DO、COD、NH3-N、TP 4項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析，具體數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 2018年1—11月DO、COD、NH3-N、TP檢測(cè)值

將4項(xiàng)數(shù)據(jù)繪制點(diǎn)線表進(jìn)行分析，可以看出水質(zhì)變化趨勢(shì)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(fù)到初始值的1倍，平均可達(dá)到10倍多；NH3-N值與TP值11個(gè)月后基本穩(wěn)定在初始值的1/10，趨勢(shì)圖具體見(jiàn)圖4～圖7。

圖4 DO變化趨勢(shì)

圖5 COD變化趨勢(shì)

圖6 NH3-N變化趨勢(shì)

相比傳統(tǒng)工藝，石墨烯光催化氧化技術(shù)具有如下性能特點(diǎn)：系統(tǒng)無(wú)動(dòng)力裝置(僅需陽(yáng)光直射)；施工及維護(hù)簡(jiǎn)便，可短時(shí)間快速布置于大面積水域；系統(tǒng)啟動(dòng)速度快，短期內(nèi)就能使水質(zhì)發(fā)生明顯變化(最快1周左右即可見(jiàn)效)；耐污、耐候性強(qiáng)。

圖7 DO變化趨勢(shì)

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著國(guó)家對(duì)生態(tài)文明城市建設(shè)的日益重視，人民群眾對(duì)水環(huán)境改善需求的日漸提高，要求我們?cè)谒h(huán)境綜合整治中要大膽采用新技術(shù)、新工藝，石墨烯光催化氧化技術(shù)的出現(xiàn)，給治水人又多了一種選擇。該技術(shù)的試驗(yàn)取得了良好的凈化效果[4]，建議拓寬石墨烯光催化氧化網(wǎng)的使用范圍，在通航河道改為側(cè)面縱向布置，或部分可以移動(dòng)；繼續(xù)探索對(duì)湖泊、港灣、水庫(kù)等大范圍水體處理效果；改善懸浮系統(tǒng)，使網(wǎng)體能適應(yīng)水位變化幅度較大的水域，保持網(wǎng)體在距水面以下10cm處的最佳位置；改進(jìn)固定設(shè)施，使網(wǎng)體能抵制大風(fēng)的侵?jǐn)_，當(dāng)水體具有中高流速時(shí)，固定設(shè)施確保牢靠[5]。