李 鵬， 楊 洪， 馬 勤 江

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

我國(guó)是水資源相對(duì)短缺的國(guó)家，669個(gè)城市中的2/3缺水或嚴(yán)重缺水，湖泊水庫(kù)等水體受到的污染程度不容樂(lè)觀。隨著城市建設(shè)迅猛發(fā)展，淡水湖、塘等靜態(tài)水體資源受到不同程度的污染沖擊，各類污染物不斷被排入水體中引發(fā)一系列問(wèn)題，如水體中有機(jī)物、懸浮物、氮磷含量過(guò)高造成的水體黑臭、渾濁和發(fā)綠等問(wèn)題。新型光催化網(wǎng)水體凈化技術(shù)作為一種綠色環(huán)保技術(shù)，能夠高效利用太陽(yáng)能而不需要任何動(dòng)力裝置，既節(jié)能，又環(huán)保，在水體生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。闡述了新型光催化網(wǎng)水體凈化技術(shù)在湖塘靜態(tài)水體治理中的應(yīng)用過(guò)程。

2 傳統(tǒng)光催化技術(shù)的原理及存在的缺陷

2.1 傳統(tǒng)光催化技術(shù)的原理

傳統(tǒng)光催化技術(shù)自赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)到愛(ài)因斯坦提出光電效應(yīng)方程、再到滕島昭發(fā)現(xiàn)光電解水的現(xiàn)象并提出“本多-藤島效應(yīng)”，到如今已經(jīng)研究了130多年，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于空氣凈化、污水深度處理等領(lǐng)域。常規(guī)的光催化技術(shù)只有在紫外光的照射下才具有較高的催化效率，包括UV-H2O2、UV-O2、Photo-Fenton以及傳統(tǒng)TiO2光催化技術(shù)等工藝[1]。傳統(tǒng)光催化技術(shù)原理見(jiàn)圖1。

2.2 傳統(tǒng)光催化技術(shù)存在的缺陷

傳統(tǒng)光催化技術(shù)只能在紫外光的照射下發(fā)生作用。而傳統(tǒng)的光材料在日光利用效率、氮磷削減兩個(gè)方面還存在缺陷，因此，提高該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)用性必須進(jìn)行有針對(duì)性的技術(shù)開(kāi)發(fā)和升級(jí)。

圖1 傳統(tǒng)光催化技術(shù)原理圖

3 新型光催化網(wǎng)水體凈化技術(shù)的原理及優(yōu)點(diǎn)

3.1 技術(shù)原理

(1)新型光催化網(wǎng)水體凈化技術(shù)在可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)的光催化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中采用二維結(jié)構(gòu)可見(jiàn)光催化技術(shù)。新型光催化網(wǎng)基材由超細(xì)PP絲繩編制而成，再采用特殊工藝涂覆多層特殊材料，這些材料由光敏材料、載流子高效轉(zhuǎn)移石墨烯材料[2]和具有量子尺寸效應(yīng)的光催化材料組成，共同構(gòu)建了可見(jiàn)光紅外響應(yīng)的復(fù)合層狀光催化材料系統(tǒng)。新型光催化網(wǎng)水體凈化技術(shù)可以通過(guò)日光激發(fā)光敏材料，該材料體系能夠分解水制氧、產(chǎn)生氧化活性物質(zhì)，從而使水中溶解氧增加、阻礙厭氧菌分裂繁殖、催化降解有機(jī)污染物。新型光催化網(wǎng)水體凈化技術(shù)的工作原理見(jiàn)圖2。

圖2 新型光催化網(wǎng)水體凈化技術(shù)工作原理圖

(2)當(dāng)系統(tǒng)接收到日光照射時(shí)，可見(jiàn)光敏材料會(huì)迅速產(chǎn)生光生空穴(h+)與光生電子(e-)，二維材料可以抑制h+和e-的復(fù)合，h+與H2O反應(yīng)生成羥基自由基(·OH)，e-與O2反應(yīng)生成·O2-。而h+、·OH與·O2-統(tǒng)稱為活性氧物質(zhì)[3]，該活性氧物質(zhì)能氧化分解有機(jī)污染物、破壞細(xì)胞膜而達(dá)到殺菌的目的。光催化材料利用特殊工藝與光敏感材料進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，與局域表面等離子共振、提升材料體系的可見(jiàn)光響應(yīng)強(qiáng)度，新型光催化網(wǎng)可以在可見(jiàn)光條件下使有機(jī)污染物降解并提高其溶解氧，能夠恢復(fù)水體的自凈能力。

(3)新型光催化網(wǎng)水體凈化技術(shù)將石墨烯和多種納米材料進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，解決了常規(guī)技術(shù)中光生電子比較容易復(fù)位、利用效率低以及只能在紫外光的作用下發(fā)生催化效果的問(wèn)題[4]。該技術(shù)將光催化的效率提高了3倍以上，并將光譜的相應(yīng)范圍擴(kuò)展到可見(jiàn)光甚至近紅外光，實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光下即能實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)物光催化氧化降解，進(jìn)而大大提升了光催化效果。

(4)新型光催化網(wǎng)水體凈化技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，除了能解決凈化材料日光響應(yīng)問(wèn)題外，還提高了材料對(duì)水中氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的削減能力。通過(guò)涂覆催化材料的功能纖維與富集纖維表面的水體原位土著微生物結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了光催化削減有機(jī)物和生物凈化氮磷優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，逐步恢復(fù)水體生態(tài)的優(yōu)良環(huán)境，促進(jìn)水體生態(tài)系統(tǒng)良性發(fā)展。

3.2 技術(shù)特點(diǎn)

(1)利用太陽(yáng)能，節(jié)能環(huán)保。新型光催化網(wǎng)水體凈化系統(tǒng)不需要?jiǎng)恿ρb置，其利用太陽(yáng)光，不消耗其它動(dòng)能，節(jié)能環(huán)保。

(2)施工與維護(hù)簡(jiǎn)便。新型光催化網(wǎng)水體凈化技術(shù)施工簡(jiǎn)單、維護(hù)簡(jiǎn)便，可短時(shí)間快速布置于大面積水域。

(3)無(wú)二次污染，生態(tài)性強(qiáng)。 新型光催化網(wǎng)水體凈化材料自身不易消耗，耐受性強(qiáng)，生態(tài)性強(qiáng)，能有效改變水體中的藻類構(gòu)成，降低了水藻類生物量，能夠促進(jìn)水體生態(tài)系統(tǒng)向健康方向發(fā)展。

(4)引領(lǐng)水體生態(tài)，促進(jìn)水體生態(tài)自凈能力強(qiáng)。新型光催化網(wǎng)水體凈化技術(shù)能改善水體微環(huán)境，引導(dǎo)水體生態(tài)自主修復(fù)，能降低水體內(nèi)分泌干擾物、抗生素、藻毒素等微量有機(jī)物，恢復(fù)水體生態(tài)自潔凈能力。

(5)見(jiàn)效快。新型光催化網(wǎng)水體凈化技術(shù)降解有機(jī)污染物非?？欤?5～20 d即能使水質(zhì)發(fā)生明顯變化。

(6)穩(wěn)定持久，維護(hù)費(fèi)用低。新型光催化網(wǎng)水體凈化系統(tǒng)能長(zhǎng)效運(yùn)行，其建立后穩(wěn)定持久，耐污、耐候性強(qiáng)，抗雨能力強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)成本低。

(7)光敏材料使用時(shí)效長(zhǎng)。新型光催化網(wǎng)在待處理水體中浸泡一個(gè)月后其脫色降解效果下降幅度不超過(guò)10%。

(8)負(fù)載強(qiáng)度高。新型光催化網(wǎng)的牢固度通過(guò)涂層硬度測(cè)試，將材料負(fù)載于相同材質(zhì)平板上，采用鉛筆法測(cè)定其硬度，放入待處理水體中浸泡一個(gè)月后其硬度下降不超過(guò)1 H(ISO15184鉛筆試驗(yàn)淀定漆膜硬質(zhì)單位)。

3.3 創(chuàng)造性和先進(jìn)性

新型光催化網(wǎng)水體凈化技術(shù)的先進(jìn)性和創(chuàng)造性見(jiàn)表1。

表1 新型光催化網(wǎng)水體凈化技術(shù)先進(jìn)性和創(chuàng)造性匯總表

4 新型光催化網(wǎng)水體凈化技術(shù)的應(yīng)用路線

4.1 應(yīng)用領(lǐng)域

新型光催化網(wǎng)水體凈化技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)拸V，其主要用于因缺氧或少氧引起的生態(tài)變異、有毒有機(jī)物質(zhì)污染造成的黑臭水體治理，具體可應(yīng)用在：(1)利用新型光催化網(wǎng)水體凈化技術(shù)中的石墨烯光催化氧化原理治理被污染的黑臭河道、湖泊、港灣、水庫(kù)等一切水體。(2)工業(yè)VOC廢水凈化處理[5]。(3)土壤修復(fù)。(4)垃圾滲漏液達(dá)標(biāo)處理。(5)人工濕地有效固定植物根系。

4.2 技術(shù)路線

4.2.1 原位修復(fù)、生態(tài)治淤體系建設(shè)

為解決靜態(tài)水體內(nèi)源污染問(wèn)題，未采用清理靜態(tài)水體底部污泥的方式，而采用生態(tài)治淤方式原位消解底泥。運(yùn)用微生物、光催化網(wǎng)和水下森林“三位一體”的方式進(jìn)行原位修復(fù)底泥，有效降低了清淤成本且能保持長(zhǎng)效穩(wěn)定不釋放，最終確保水體不受污染。

4.2.2 采用沉水植物搭建水下森林生態(tài)系統(tǒng)

(1)提前采用人工干預(yù)建立“草型”生態(tài)系統(tǒng)，構(gòu)建水下森林。沉水植物是水體從浮游植物濁水態(tài)轉(zhuǎn)換為以大型植物為優(yōu)勢(shì)的清水態(tài)的關(guān)鍵，其能極大程度提高水體的透明度及感觀，同時(shí)又具有對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收及化感作用，對(duì)水體藻類具有抑制作用。

(2)沉水植物對(duì)水體中的氮、磷等污染物有較高的凈化率，可固定沉積物、減少再懸浮，降低水體內(nèi)源負(fù)荷以起到水質(zhì)凈化作用。

(3)沉水植物以選擇凈化能力強(qiáng)、景觀效果好、后期維護(hù)簡(jiǎn)便的矮生苦草為主，其不會(huì)長(zhǎng)出水面。

4.2.3 生物控藻構(gòu)建水生態(tài)系統(tǒng)

(1)水生動(dòng)物的選取。水生動(dòng)物可選取魚(yú)類、底棲動(dòng)物、蝦類及濾食性浮游動(dòng)物。

(2)水生動(dòng)物控藻原理。通過(guò)濾食浮游藻類，有效控制藍(lán)藻水華，再通過(guò)藻類營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)化N、P，最后以魚(yú)產(chǎn)量形式得到固定，進(jìn)而達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。同時(shí)配合沉水植物投放魚(yú)類、蝦類、貝類、螺類、蚌類以及浮游生物，完善水生態(tài)系統(tǒng)食物鏈結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)水體生物多樣化，提高水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.2.4 景觀系統(tǒng)的提升

(1)景觀效果的提升主要采用“種植平臺(tái)+花鏡水生植物”模式，用以消除硬質(zhì)垂直駁岸的負(fù)面影響。在靜態(tài)水體駁岸邊設(shè)計(jì)種植平臺(tái)，用植株高大、景觀效果好的水生植物遮擋駁岸。

(2)水生植物的選取及搭配應(yīng)結(jié)合靜態(tài)水體岸上景觀，在水中選擇浮葉植物，如荷花、睡蓮；對(duì)岸邊種植平臺(tái)選擇美人蕉、再力花、旱傘草、藍(lán)花草等易于成活與維護(hù)的水生植物以提升整體景觀效果。

4.3 實(shí)例

以深圳市龍崗區(qū)坂田街道楊美社區(qū)布龍路南側(cè)的楊美水塘靜態(tài)水體治理工程為例。

4.3.1 工程概況

楊美水塘的水體面積約為800 m2，四周為硬質(zhì)垂直駁岸，周邊綠化以芒果樹(shù)和榕樹(shù)為主，景觀單一。水中總磷TP、氨氮NH3-N、COD濃度分別為0.54 mg/L、12.65 mg/L、40.7 mg/L，屬于劣Ⅴ類水質(zhì)，現(xiàn)狀水體透明度≤10 cm、水體發(fā)黑發(fā)臭等問(wèn)題突出。楊美水塘整治前的水體狀況見(jiàn)圖3。楊美水塘西側(cè)岸邊修建有部分外圍截污措施，但仍存在少量餐飲廢水滲入水體等情況。

圖3 楊美水塘整治前的水體照片

4.3.2 工程目標(biāo)

(1)近期目標(biāo)：2個(gè)月內(nèi)水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到V類標(biāo)準(zhǔn)，透明度達(dá)到60 cm以上，4個(gè)月水體透明度達(dá)到120 cm以上。

(2)遠(yuǎn)期目標(biāo)：水體恢復(fù)自愈自凈功能并保持長(zhǎng)久穩(wěn)定，藻類不再爆發(fā)，透明度保持恒定。

4.3.3 工程特點(diǎn)

(1)點(diǎn)源污染多。楊美水塘周邊多為燒烤、農(nóng)家樂(lè)等餐飲，戶外攤位導(dǎo)致油污、生活垃圾較多，降雨后存在污染水體的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)水體藻類多。楊美水塘水體渾濁，垃圾漂浮多，水體已初期水華，藻類非常多，容易復(fù)發(fā)。

(3)內(nèi)源污染嚴(yán)重。楊美水塘底泥深厚，內(nèi)源污染嚴(yán)重。

4.3.4 問(wèn)題分析

(1)魚(yú)類的影響。①楊美水塘魚(yú)類單一且量大，羅非魚(yú)成群結(jié)隊(duì)覓食大幅度攪動(dòng)底泥，嚴(yán)重影響水體的透明度，同時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)失衡。②該魚(yú)種屬南方特色入侵物種，繁殖能力超強(qiáng)，徹底清理后不到2個(gè)月其又瘋狂占領(lǐng)水體。

(2)水體水華，藻類爆發(fā)。深圳全年普遍高溫，高溫藻類活性大增，光合作用強(qiáng)，藻類瘋狂爆發(fā)，死亡的藻類不斷釋放出有害物質(zhì)，導(dǎo)致水質(zhì)極差。

(3)內(nèi)源污染嚴(yán)重。①楊美水塘多年沉淀著大量樹(shù)葉、魚(yú)類尸體及周邊生活污水等，導(dǎo)致底泥淤積嚴(yán)重，內(nèi)源污染不斷釋放。②淤泥在高溫下消耗水體溶氧，而氧化分解、有機(jī)物源源不斷釋放到水體中導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化、透明度降低。

4.3.5 應(yīng)對(duì)措施

(1)近期采用人工捕撈羅非等魚(yú)種，遠(yuǎn)期投放肉食性魚(yú)類制衡，完善食物鏈。

(2)采用人工先處理污染源，遠(yuǎn)期構(gòu)建生物控藻系統(tǒng)，完善水體系統(tǒng)自凈。

(3)采用沉水植物構(gòu)建水下森林，利用沉水植物根系錨固并覆蓋底泥。

(4)有針對(duì)性地對(duì)楊美水塘排泄口和雨水匯入口進(jìn)行預(yù)處理。

4.3.6 施工方法及控制要點(diǎn)

(1)技術(shù)路線。①通過(guò)對(duì)施工方法及其他指標(biāo)進(jìn)行比選，該項(xiàng)目最終選擇“新型光催化網(wǎng)+水下森林”法，所取得的結(jié)果既有水下森林的景觀效果，也能解決單一生物法存在的短板。②采用以新型光催化網(wǎng)、水體生態(tài)系統(tǒng)食物鏈和水下森林技術(shù)為主，配套其他環(huán)境友好生態(tài)技術(shù)為輔的綜合治理技術(shù)，多管齊下，因地制宜，實(shí)現(xiàn)楊美水塘內(nèi)水體良性發(fā)展。

(2)施工步驟。施工準(zhǔn)備→種植平臺(tái)砌筑→生態(tài)治淤→根控器布置→沉水植物種植和新型光催化網(wǎng)安裝→水生動(dòng)物投放→挺水植物種植→施工完成。①種植平臺(tái)的砌筑。結(jié)合楊美水塘的周邊環(huán)境砌筑種植平臺(tái)，其外裝采用景觀置石，結(jié)構(gòu)采用磚砌，內(nèi)部就地取材直接利用水塘底泥填充。②生態(tài)治淤。采用微生物對(duì)底泥進(jìn)行分解，以避免后期青苔和藍(lán)藻爆發(fā)。③根控器的布置。針對(duì)部分根系蔓延性強(qiáng)的植物，先將根控器埋在楊美水塘底泥內(nèi)。④沉水植物的種植和新型光催化網(wǎng)的安裝。根據(jù)深圳龍崗區(qū)的氣候特點(diǎn)，沉水植物以矮生苦草為主。先進(jìn)行沉水植物的種植，再逐步進(jìn)水、但不能太快，水位到達(dá)設(shè)計(jì)位置后布置新型光催化網(wǎng)，最后再將水位抬升至楊美水塘的正常水位線。⑤水生動(dòng)物的投放。在沉水植物種植完成1個(gè)月后，待沉水植物生長(zhǎng)穩(wěn)定后先投放底棲動(dòng)物，然后投放魚(yú)類。⑥挺水植物的種植。待水位達(dá)到特定要求后，再種植平臺(tái)內(nèi)的挺水植物。

(3)施工控制要點(diǎn)。①魚(yú)類清除一定要徹底：先將水排干，再清除魚(yú)類。②避免交叉作業(yè)影響：先無(wú)水施工作業(yè)，后帶水施工作業(yè)、沉水植物在其他安裝分項(xiàng)工程完成后進(jìn)行。③沉水植物苗佳、種植規(guī)整：對(duì)沉水植物的高度統(tǒng)一選取10～15 cm，顏色翠綠、無(wú)蟲(chóng)害，種植區(qū)域不留空缺，種植一定要確保橫平豎直。④水位的控制一定要精準(zhǔn)：一切以沉水植物為核心，確保其成活率，初期水位以沒(méi)過(guò)植物10 cm為最佳，保持半個(gè)月至植物成型穩(wěn)定。期間如果有降雨，一定要及時(shí)抽排，嚴(yán)格控制水位。⑤水體透明度需保持一定水平：沉水植物種植后出現(xiàn)藻類爆發(fā)和SS增加時(shí)，一定要及時(shí)通過(guò)生物或物理藥劑消殺進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)安排維護(hù)管養(yǎng)人員定期管養(yǎng)、保潔，減少垃圾、落葉、沉水植物斷枝漂浮。

4.3.7 功效分析

(1)水體透明度。 新型光催化網(wǎng)水體凈化技術(shù)在該工程實(shí)施完3 d后水體顏色出現(xiàn)明顯變化，從原來(lái)的墨色變成灰綠色，其后的兩周時(shí)間水體持續(xù)變化，約三周時(shí)間后水體變得較為清澈，一個(gè)月后水體透明度從原來(lái)的≤10 cm變成≥120 cm，三個(gè)月后水體透明度持續(xù)穩(wěn)定在≥150 cm。楊美水塘水體治理后的水質(zhì)情況見(jiàn)圖4。

圖4 楊美水塘水體治理后的水質(zhì)情況

(2)水體溶解氧。新型光催化網(wǎng)的材料功能除了能直接氧化分解部分污染物外，還能顯著提高水體中的溶解氧。楊美水塘初始溶解氧幾乎接近0 mg/L，采用新型光催化網(wǎng)、水體凈化技術(shù)施工后3 d內(nèi)水體淺層溶解氧均提升至4 mg/L左右，一個(gè)月后淺層溶解氧達(dá)到10 mg/L以上。

(3)水體檢測(cè)指標(biāo)。新型光催化網(wǎng)水體凈化技術(shù)在該工程實(shí)施后，水塘內(nèi)的高錳酸鹽、COD、氨氮、總磷等指標(biāo)出現(xiàn)大幅度下降，水質(zhì)從原劣Ⅴ直至最終穩(wěn)定到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。水體淺層和深層平均值指標(biāo)的具體變化為：①高錳酸鹽指數(shù)從19 mg/L下降到3.8 mg/L。②COD濃度從40.7 mg/L下降到0 mg/L。③氨氮從12.65 mg/L下降到1 mg/L。④總氮從21.126 mg/L下降到1.2 mg/L。⑤總磷從0.54 mg/L下降到0.1 mg/L。⑥懸浮物從22.4 mg/L下降到7.2 mg/L。

4.4 推廣前景

我國(guó)水體污染的嚴(yán)峻形勢(shì)給推廣新型光催化網(wǎng)水體凈化技術(shù)提供了廣闊空間：

(1)河道水體污染治理的前景十分寬廣，河道水體的治理對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展能起到巨大的推動(dòng)作用。

(2)我國(guó)三大湖(洞庭湖、鄱陽(yáng)湖、太湖)、滇池、洪澤湖等湖泊的水體污染程度不容樂(lè)觀，急需治理。

(3)隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，淺水港灣等水體受到的污染將愈發(fā)嚴(yán)重。而淺海灘涂經(jīng)濟(jì)對(duì)沿海城市、農(nóng)村而言均十分重要，水體治理刻不容緩。

(4)內(nèi)陸咸水湖是我國(guó)鹽化工業(yè)的重要基地，近年來(lái)其污染亦較普遍。咸水湖的治理對(duì)我國(guó)整體經(jīng)濟(jì)至關(guān)重要。

(5)新型光催化網(wǎng)相比其他同類技術(shù)的光敏材料日光利用效率更高，其僅依靠自然光照射即能達(dá)到同等處理效果，從而為土壤、空氣治理提供了一種全新的革命性方案。

5 結(jié) 語(yǔ)

該工程應(yīng)用新型光催化網(wǎng)水體凈化技術(shù)取得的效果表明：采用該技術(shù)治理湖塘等靜態(tài)水體，能夠在短時(shí)間內(nèi)消除水體的黑臭，從而有效地治理已經(jīng)污染的水體，還原一個(gè)清潔和諧的自然生態(tài)環(huán)境。鑒于湖塘等靜態(tài)水體治理及城市黑臭水體的治理對(duì)改善居民生活環(huán)境、樹(shù)立良好的城市形象、實(shí)現(xiàn)城市水體的娛樂(lè)休閑功能具有重要的意義，因此，發(fā)展并應(yīng)用新型光催化網(wǎng)水體凈化技術(shù)成為必然。