納米科技與生態(tài)景觀協(xié)同治理農(nóng)村污水探討

王 怡,楊紹平,劉彥汐

(四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川 崇州 611231)

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 農(nóng)村污水治理現(xiàn)狀

近年來,水環(huán)境問題已成為全球需要面對的巨大難題之一,地球上的水總體積約有 13.86億km3,其中,96.5%分布在海洋,淡水只占 2.6%,而農(nóng)業(yè)領(lǐng)域需水量占總淡水使用量的 70%。隨著我國新農(nóng)村建設(shè)的不斷加快,農(nóng)村水環(huán)境問題也愈加凸顯,據(jù)《中國城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計年鑒》統(tǒng)計,我國現(xiàn)有 1.9 萬個鎮(zhèn),1 萬個鄉(xiāng),250 萬個自然村。但農(nóng)村污水治理率到 2022 年不到 25%,遠(yuǎn)低于城市 96.8%的水平。同時,農(nóng)村污水治理痛點十分明顯：

(1)農(nóng)村地形復(fù)雜,污染源分散,規(guī)模小且數(shù)量多,收集率較低,污水成分雜;

(2)現(xiàn)有的處理工藝和模式不符合農(nóng)村實際;

(3)治理效率低且精度低、靈敏度低;

(4)運行難且建設(shè)成本高,噸水投資成本高;排水管網(wǎng)建設(shè)成本高且運行成本高。

鄉(xiāng)村污水治理不能照搬城市污水治理的模式,宜采用小型化、生態(tài)化、原位化、分散化的污水治理模式。調(diào)研鄉(xiāng)村污水治理情況：污水主要分成三類,第一類是生活污水,第二類是水產(chǎn)養(yǎng)殖污水,第三類是生產(chǎn)污水,且25%的農(nóng)戶不具備納管條件;污水管網(wǎng)建設(shè)滯后;后期運營管理成本高。所以鄉(xiāng)村污水的共同治理特點是必須解決污染源頭,走分散處理、原位就地資源化的新路。孟祥芬[1]提出基于 A/O 工藝、SBR、生物接觸氧化和 MBR 的一體化污水處理,并認(rèn)為,此技術(shù)具有較高的脫氮效果,出水能穩(wěn)定達(dá)標(biāo),但基建投資高于傳統(tǒng)污水處理工藝,能耗高;肖炘圻等[2]采用 A2O 工藝處理農(nóng)村污水,最終該工藝對 COD 的去除率為 8.39%、 NH4+-N的去除率為 88.36%、TN 的去除率為 80.16%和 TP 的去除率為 72.5%,最終水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》( GB 18918- 2002)。由于鄉(xiāng)村地理位置的特殊性,無法建成統(tǒng)一的、規(guī)?；奈鬯幚砟Ｊ?應(yīng)采用植物修復(fù)技術(shù),促進(jìn)生物降解和吸附,達(dá)到凈化污水降低污染負(fù)荷的目的。

1.2 新型納米材料污水處理裝置研發(fā)現(xiàn)狀

Vieira et al[3]認(rèn)為原位修復(fù)方法是基于不打擾污染場地土體和地下水的情況下對地下水污染進(jìn)行修復(fù)的技術(shù),而納米零價鐵具有較高的反應(yīng)活性、較大的比表面積和較高的遷移能力,是常用的原位修復(fù)試劑;王雷磊等[4]人利用納米材料的特殊性能,如巨大的比表面積、極大的梯度量,為水質(zhì)監(jiān)測與治理提供了新的可能,即利用納米的自驅(qū)動性質(zhì)進(jìn)行水環(huán)境監(jiān)測和修復(fù)等方面研究的進(jìn)展;Orozco et al[5]認(rèn)為利用人工合成的 PEDOT-Au納米馬達(dá)充當(dāng)“人工魚”來代替活體魚進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測是有效的水質(zhì)監(jiān)測辦法,同時,其也認(rèn)為當(dāng)水體中含有重金屬、農(nóng)藥等有毒物質(zhì)的時候,酶活性會降低,以至于納米馬達(dá)驅(qū)動速度下降,該運動信息的變化狀況可以間接地反映出水體中毒素的分布情況;Singh et al[6]研制了FLA-Pt Janus微馬達(dá),通過利用氨基熒光素與氯磷酸二乙酯反應(yīng)產(chǎn)生熒光物質(zhì)來檢測水體中的沙林和神經(jīng)毒劑。

2 納米科技污水治理技術(shù)——精準(zhǔn)治理農(nóng)業(yè)污水的納米機器人

基于納米功能材料的自驅(qū)動特征在水質(zhì)監(jiān)測、水體修復(fù)上運用,研發(fā)的一種精準(zhǔn)治理農(nóng)業(yè)污水的納米機器人。機器人的錐形頭部由 Pt 催化層、Fe-Ni 磁性層、Ti 惰性層、Au 薄層構(gòu)成的 4 層疊合結(jié)構(gòu),接枝不同的探針;左右兩側(cè)安裝有軸測傳感器;內(nèi)部安裝有多個管式微馬達(dá),管式微馬達(dá)的管壁搭載過氧化氫酶;尾部呈螺旋狀。搭載檢測試劑,能夠?qū)崿F(xiàn)污水快速監(jiān)測和修復(fù);錐形頭的后端處具有 Pt 催化層,過氧化氫燃料經(jīng)管筒輸送至 Pt 催化層后發(fā)生催化分解,催化分解后釋放氧氣和氫氣時給錐形頭形成自驅(qū)動;表面處設(shè)置有多個含有鉑的齒輪并由柔性的鉑-金-銀-錫納米線構(gòu)成,其中,鉑-金段負(fù)責(zé)催化,而金-銀-錫段負(fù)責(zé)磁場驅(qū)動,使催化與磁驅(qū)動模式之間快速簡單地切換;尾部裝有氟碳乳液燃料,連接有噴氣結(jié)構(gòu),噴氣結(jié)構(gòu)包括多個尾管,尾管內(nèi)嵌有磁層,通過磁場控制尾管的擺動方向,從而控制納米機器人前進(jìn)的方向。

2.1 材料結(jié)構(gòu)耦合 ——“吸附-催化降解”一體化

通過微納合成技術(shù),利用鎳極高的活性常數(shù),沉積“鎳”——在外形、結(jié)構(gòu)、動力間產(chǎn)生耦合作用,建立以鎳為核心的“吸附-催化降解” PtFe3O4@C-Ni納米復(fù)合功能材料,并利用材料的自驅(qū)動特性獲得驅(qū)動力,不需要施加能量,實現(xiàn)在低雷諾數(shù)流場中快速運動,實現(xiàn)鄉(xiāng)村污水原位治理、高吸附、高降解。

2.2 一體化精準(zhǔn)納米探針

頭部官能團(tuán),根據(jù)不同的污水情況來接枝不同的探針完成不同農(nóng)村水質(zhì)的監(jiān)測：修飾PEDOT-Au (生物酶),用于重金屬和農(nóng)藥;修飾 Au/Ni/pt 枝鏈層,用于油性液體;修飾伴刀豆凝集素 A,用于大腸桿菌;修飾 Mg-Au Janu,用于有機物;修飾 Pt-Fe,用于氨氮含量高的養(yǎng)殖廢水;修飾活性炭-Pt Janus,用于農(nóng)藥、重金屬修復(fù);修飾SiO2@rGO-Pt Janus,用于有機污染物修復(fù)等。根據(jù)不同的污水情況來選擇不同的探針完成不同農(nóng)村水質(zhì)的修復(fù),實現(xiàn)鄉(xiāng)村污水高選擇、高精準(zhǔn)治理。

2.3 螺旋結(jié)構(gòu)與磁性材料構(gòu)建磁控旋渦式動態(tài)集群

尾部螺旋結(jié)構(gòu)與螺旋電磁線圈形成強大的推動,通過控制磁場參數(shù),提高物理場控制速度與精度。螺旋結(jié)構(gòu)與磁性材料構(gòu)建磁控旋渦式動態(tài)集群,通過磁場控制,使其在水中運動的速度能達(dá)到180 μm/s;通過磁場控制,實現(xiàn)污水定點定向處理,使其在較短時間內(nèi)進(jìn)行回收,實現(xiàn)鄉(xiāng)村污水精細(xì)控制,高利用率。

3 以生態(tài)景觀為導(dǎo)向的污水長效修復(fù)技術(shù)

用生態(tài)景觀手法對水環(huán)境中的污染物進(jìn)行二次處理,模擬自然格局,形成自然蜿蜒多變、多景觀層次、多生態(tài)序列的生態(tài)凈化單元,生態(tài)景觀進(jìn)一步吸附-分解污染物,實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)全面提檔升級,實現(xiàn)水環(huán)境長效保持。

3.1 模擬自然格局、構(gòu)建生態(tài)循環(huán)

模擬自然格局,形成自然蜿蜒多變、多景觀層次、多生態(tài)序列的立體結(jié)構(gòu)景觀和生態(tài)凈化單元。充分利用生態(tài)系統(tǒng)中協(xié)同作用,通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現(xiàn)對河水的高效凈化,模擬和再現(xiàn)自然環(huán)境中污水是如何由渾變清的全過程,增加綠化面積和野生動物棲息地以利于生態(tài)環(huán)境建設(shè)。

3.2 發(fā)揮濕地植物凈化作用

濕地系統(tǒng)由土壤和填料(如卵石等)混合組成填料床,雨水收集利用填料床盡可能截留雨水,就地下滲;其次,通過管、溝將多余的水資源集中吸納、貯存;再次,在洪澇期超過土壤吸納能力的雨水通過植物過濾后可以排放到濕地里,形成旱地、淺水區(qū)、深水區(qū)不同形式的生態(tài)系統(tǒng)。通過種植樹木、灌木、花和草形成收集(含分流)、過濾、儲存和釋放(利用)為一體的低影響開發(fā)、可持續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)。將“排放”轉(zhuǎn)為“滯留”,使其能夠“生態(tài)循環(huán)”和“再利用”。濕地多樣的水域形式及多樣的植物群落,為陸生動物、兩棲動物、水生動物建立了良好的生態(tài)系統(tǒng),對改善污染水體生態(tài)、恢復(fù)生態(tài)平衡具有重要的作用。實施分段植物群落配置。低斷面以耐淹固土為主要目標(biāo),配置鄉(xiāng)土耐淹植物,并采用生物籬網(wǎng)技術(shù)穩(wěn)定護(hù)坡土壤。中斷面根據(jù)水濕變化特點和光照條件,選擇了耐水濕且具備一定耐旱能力的草本植物進(jìn)行混種,為區(qū)域提供豐富生境走廊,從而保障植物群落的多樣性與自我維持功能。高斷面徑流沖刷強和土壤蓄水保墑能力差,配置高度各異的草本植物,根系較深的物種加固護(hù)坡土壤,同時,利用土壤深層水分更顯著地應(yīng)對夏季高溫干旱,形成層次豐富的植物群落,增強對降雨及徑流的攔截能力。將濕地種植區(qū)分為蓄水區(qū)、緩沖區(qū)、邊緣區(qū)。蓄水區(qū)植物物種耐淹能力和抗污染能力、凈化能力要求最高,同時,要求在非雨季的干旱條件下也要有一定的耐旱能力。緩沖區(qū)有一定的蓄水容積,對植物的耐淹特性有一定的要求,同時,要求植物有一定的耐旱能力和抗雨水沖刷能力。邊緣區(qū)無蓄水能力,植物物種需要有較強的耐旱能力。

4 創(chuàng)新點與治理效果

4.1 創(chuàng)新點

納米科技與生態(tài)景觀共力修復(fù),不僅在低能耗的條件下實現(xiàn)污染物深度去除,實現(xiàn)尾水處理,降低運行成本,達(dá)到污水治理長效治理機制。同時,能持續(xù)消減水中污染物,提高水體透明度,并通過生態(tài)系統(tǒng)的“自組織”重建提高水體透明度、恢復(fù)浮游生物群落、恢復(fù)水體植被及魚類群落;實現(xiàn)水生態(tài)系統(tǒng)從藻型濁水穩(wěn)態(tài)向草型清水穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換;實現(xiàn)水質(zhì)改善、生態(tài)修復(fù)、景觀改善、水清岸綠的農(nóng)村污水長效治理機制。

4.2 治理效果

治理前水質(zhì)呈劣Ⅴ類,養(yǎng)殖等廢水直接排入水中,導(dǎo)致COD、氨氮、磷等污染物超標(biāo)且含大量的病原菌;整體水體呈黃綠色,透明度僅40 cm,水中生長有大量浮游藻類,局部有水華覆蓋,植被衰退。治理時,使納米材料與水體充分接觸,高選擇降解水中有機污染物,提升水體透明度,改善水體生境;生態(tài)景觀進(jìn)一步引導(dǎo)水生態(tài)自組織修復(fù)重建,水中微生物、底棲動物、植物及魚類的逐步恢復(fù),從而進(jìn)一步使水質(zhì)得到提升：COD從46 mg/L下降到19 mg/L,TP從0.08 mg/L下降到0.03 mg/L,TN從2.1 mg/L下降到0.8 mg/L,實現(xiàn)了水質(zhì)指標(biāo)和水生態(tài)的“雙飛躍”;短期內(nèi)改善水質(zhì)指標(biāo),中長期生態(tài)恢復(fù)自愈自潔,最終形成水生態(tài)-水質(zhì)提升的良性循環(huán)體系。

5 結(jié)論與展望

黨的“十八大”以來提出構(gòu)建生態(tài)文明社會,并隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的出臺,農(nóng)村水環(huán)境治理已成為鄉(xiāng)村振興的重要內(nèi)容之一。農(nóng)村污水 COD、BOD、TN 等較高,水質(zhì)水量波動大,分布較為分散,污水排放量不規(guī)律、瞬時變化大。納米科技與生態(tài)共力修復(fù)協(xié)同機制通過核心技術(shù),解決了農(nóng)村污水現(xiàn)有的治理痛點：納米材料耦合結(jié)構(gòu)——解決農(nóng)村污水未建立高靈敏度響應(yīng)、污染源分散、成份雜的痛點;一體化熒光傳感探針——解決農(nóng)村污水治理效率低、精度低的痛點;磁控旋渦式動態(tài)集群——解決農(nóng)村污水治理時間長的痛點;協(xié)同修復(fù)機制解決處理模式不符合農(nóng)村實際、缺乏長效機制、建設(shè)成本高的痛點。實現(xiàn)水生態(tài)系統(tǒng)從藻型濁水穩(wěn)態(tài)向草型清水穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換,最終構(gòu)筑了具備自凈化能力的自然健康水生態(tài)系統(tǒng)。對比治理指標(biāo)數(shù)據(jù),水質(zhì)已向Ⅱ類水轉(zhuǎn)變,逐漸恢復(fù)水生態(tài)自組織重建。在“科技與自然共力修復(fù)”的作用下,利用納米技術(shù)和生態(tài)自組織修復(fù)原則實現(xiàn)健康穩(wěn)定水生態(tài)系統(tǒng)的集成技術(shù),使原“藻型濁水穩(wěn)態(tài)”系統(tǒng)平衡被打破,整體水生態(tài)系統(tǒng)向健康方向發(fā)展,最終構(gòu)建具有穩(wěn)定自凈能力的長效機制。