治污新材料：立體治水“標本兼治”

黃富強

面對不斷惡化的水環(huán)境，治水常常陷入“治理—變好—反彈—再治理—再變好—再反彈”的怪圈。各地多年治水實踐證明，截污、清淤和調(diào)水補水的“老三樣”治理模式，無法根本解決水體污染、消除黑臭問題。今年，中國科學院上海硅酸鹽研究所（以下簡稱“硅酸鹽所”）研發(fā)出超級材料，已在全國多地黑臭水體中示范，同時研發(fā)出垂直布網(wǎng)、納米曝氣等新技術配套方案，有望從根子上消除污染。

主攻“最難降解污染物”

打贏黑臭水體污染防治攻堅戰(zhàn)，核心是清除水體中各類有機污染物。硅酸鹽所研發(fā)的超級材料——全太陽光譜增強的三維石墨烯管強化黑色二氧化鈦，平鋪在黑臭水體表面，由于處在水面與空氣充分接觸的富氧和強氧化區(qū)，因此可在太陽光照射下發(fā)生光催化反應，將水中“最難降解污染物（如多溴聯(lián)苯醚、全氟辛酸即磺酸、消毒副產(chǎn)物等）”徹底降解為二氧化碳和水。該超級材料治理黑臭水體的原理就是“物理吸附+光化學催化降解”。三維石墨烯管負責快速吸附水體中“最難降解污染物”，黑色二氧化鈦作為光催化劑，具有更強的光催化氧化能力，通過全光譜充分吸收，可將吸附上來的“最難降解污染物”快速降解為二氧化碳和水。

在近半年的規(guī)模化示范應用過程中，團隊不斷優(yōu)化上述兩大關鍵材料的性能指標：針對黑色二氧化鈦，設計了新的反應設備，優(yōu)化配方工藝，良品率達到99%以上，5次循環(huán)后的有機污染物降解速度提高了30%。針對三維石墨烯管，團隊篩選了易于形成特定管孔結構的廉價天然有機原料。結合軟硬模板的先進技術，優(yōu)化出簡單易行的二步法工藝，可制備出富含管孔、腔體的多級高比表面積三維石墨烯管，生產(chǎn)成本低于常見的市面活性炭，能高效吸附市面活性炭不擅長吸附的皮革、印染、造紙類有機污染物。

如何消滅污染物“主力部隊”

最難降解的有機污染物在太陽光照射和空氣接觸最充分的水面，可以快速降解為二氧化碳和水，但污染物的“主力部隊”仍然“游蕩”在水體中。如何消滅這部分“有生污染勢力”，團隊提出了水面和截面立體治理新方案，通過在不同水深位置布設超級材料水下網(wǎng)帶，實現(xiàn)立體治水。

立體治水新方案由多層次功能單元組成：第一功能單元是水面上的光催化帶，瞄準“最難降解污染物”；第二功能單元是水下網(wǎng)帶，位于水體中的這些網(wǎng)帶，除摻雜超級材料外，還同時負載有人工選育的原生水體超強活性微生物，水下網(wǎng)帶隨水體截面梯度向下分布，可進行有氧和缺氧的有機物降解；第三功能單元是最底層光催化帶，接近水底，這層網(wǎng)帶負載有類似活性淤泥中的厭氧微生物，可進行氮氨總磷的降解。近期，團隊正在收集并選育水體中優(yōu)質(zhì)“土著”微生物菌種，開展效果優(yōu)化試驗。

多措并舉清除污染物“殘余勢力”

由于不同地區(qū)、不同環(huán)境中的黑臭水體其自然稟賦和污染形成機理各有不同，因此，治理方案需要靈活調(diào)整、對癥下藥，做好多種治水方法組合搭配，多措并舉清除污染物“殘余勢力”，以期標本兼治。比如，充分曝氣可在水體中產(chǎn)生一個個氣泡，極速提高水體中氧氣含量及溶氧效果，氣泡在水里“暢游”直至破滅，此過程可與水體中殘余有害有機物結合生成二氧化碳、氮氣和水。傳統(tǒng)曝氣效率低、氣泡大，污染物降解效果有限。日前，團隊研發(fā)出肺膜融氣微納米曝氣新技術，通過結合納米微孔的負壓進氣，初步完成了納米曝氣的原型設備制備。再比如，具有綠化效果的水生植物可吸收水體中的碳、氮、磷，最大程度提升有機污染物的降解效率。速生類水生植物的長根須，可結合微生物的負載，攜手高效降解含有多種有害化學成分的有機污染物。

除圍繞黑臭水體本身“做文章”外，團隊還對水面、水中、水下各截面的污染物進行分層次、分功能單元處理。比如，團隊“跳出圈外”，對河流入口截污、庫區(qū)岸堤生態(tài)修復、水體底部淤泥治理、水生植物及岸邊微生物降解提出了針對性輔助治水方案，以期多措并舉根治黑臭水體污染頑疾。