石墨烯光催化網(wǎng)新技術在江陰市河道治理中的應用

金慶鋒，楊文革，李 雷

（1.江陰市璜土水利農(nóng)機管理服務站，江蘇 江陰 214445；2.江陰市重點水利工程管理處，江蘇 江陰 214431）

0 引言

隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，水污染越來越嚴重。改善水質的方法比較多，傳統(tǒng)的方法有控源截污、清淤疏浚、動力調水、種植挺水植物等。近年來隨著國民經(jīng)濟快速增長，利用上述方法對水環(huán)境改善的投入日益增多，并取得了較大進展，但水環(huán)境嚴峻形勢總體上仍沒有得到根本扭轉[1]。目前在治水領域內，新添了“石墨烯光催化網(wǎng)”技術，利用該技術對江陰市某黑臭河道水體進行了治理。

1 “石墨烯光催化網(wǎng)”技術簡介

1.1 材料組成

石墨烯光催化網(wǎng)是“具有可見光響應的異質間高效量子轉移技術”的具體應用[2]，它以聚丙烯纖維材料作為基材，其上通過獨特涂覆工藝負載多層特殊材料。這些材料由光敏材料、載流子高效轉移石墨烯材料和具有量子尺寸效益的光催化材料組成，共同構建可見光紅外響應的復合層狀光催化系統(tǒng)。它是多層復合材料，共分5層，最底層以聚丙烯纖維材料為基材，解決比表面積問題，第4層為中間保護層，第3層為日光響應層，進行高效光催化響應，第2層為量子過渡層，解決效率問題，最外層為量子尺寸效應光催化層，其中的量子尺寸材料解決負載牢度問題。

1.2 技術原理

“石墨烯光催化網(wǎng)”技術擺脫傳統(tǒng)光催化只能利用紫外光的使用局限，通過日光激發(fā)光敏材料，材料體系能夠分解水制氧、產(chǎn)生氧化活性物質，從而使水中溶解氧增加，阻礙厭氧菌分裂繁殖，催化降解有機污染物。當系統(tǒng)接收到日光照射時，可見光敏感材料會迅速產(chǎn)生光生空穴（h+）與光生電子（e-），二維材料可以抑制h+和 e-的復合，h+與H2O反應生成羥基自由基（.OH），e-與O2反應生成.O2-。而 h+、.OH與.O2-統(tǒng)稱為活性氧物質，該物質能氧化分解有機污染物，破壞細胞膜從而達到殺菌目的。光催化材料利用特定摻雜方法，與光敏感材料能隙匹配，加上局域表面等離子體共振，提升材料體系的可見光響應強度，這樣石墨烯光催化網(wǎng)可以在可見光條件下使有機污染物降解，并提高溶解氧，以恢復水體的自凈能力[3]。

2 應用實例

2.1 治理河道基本情況

江陰市某河道治理長度600 m，治理地段由北向南依次為北部橋→中部橋→南端，北部橋到中部橋長度300 m，河寬約12.0 m，中部橋到南端長度300 m，河寬約8.0 m。該河為農(nóng)村自然河道，水深1.5～2.5 m，試驗段水體相對封閉，水位變化幅度不大。整個河道水體黑臭，為劣Ⅴ類水。

2.2 治理規(guī)劃

治理總目標：消除水體黑臭，水體清澈，使水體具有自凈化能力。

實施方案：采用水中鋪設石墨烯光催化網(wǎng)的方法，對河道實施治理，在治理后期待水體黑臭現(xiàn)象消失后，人工介入水草、水生動物（魚）及生物蠅，加快提升水體的自凈化能力。計劃治理周期為60 d。通過檢測石墨烯光催化網(wǎng)使用前后水體中高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧、五日生化需氧量、懸浮物、總磷、總氮、濁度、懸浮物等指標的變化，結合人體對河道現(xiàn)場水體的感觀體驗，檢驗使用效果。

2.3 布網(wǎng)方案

單張的石墨烯光催化網(wǎng)寬度1.35 m，長度3.0 m，單張網(wǎng)通過聚乙烯繩縱向連接形成網(wǎng)帶。依據(jù)一般黑臭水體布網(wǎng)率約25%的要求，制訂河道布網(wǎng)方案：中部橋到南端河寬約8.0 m，布設2道網(wǎng)，中部橋到北部橋河寬約12.0 m，布設3道網(wǎng)。

2.4 前期準備工作

為使光照條件達到最佳及便于布網(wǎng)，清理治理河道范圍內的枯樹、河面漂浮物，浮萍等水生植物也應盡量打撈干凈。

2.5 鋪設要求

鋪設在河中的每道網(wǎng)由若干段網(wǎng)合成。一段網(wǎng)由網(wǎng)帶、懸浮系統(tǒng)及固定設施3部分組成，每段網(wǎng)長度一般為60 m～100 m。懸浮系統(tǒng)由支撐桿、浮球及配重組成，其作用是保證網(wǎng)帶距離水平面10 cm的最佳位置。石墨烯光催化網(wǎng)在鋪開狀態(tài)下不易固定成形，因此單張網(wǎng)有4根支撐桿作橫向支撐，支撐桿材質為玻璃纖維桿，直徑2 cm，長度比網(wǎng)帶略寬。每根支撐桿的2頭各設置1個浮球，下部系有搪瓷配重，各支撐桿端頭之間采用聚乙烯繩縱向連接，使一段網(wǎng)形成一個整體。固定設施布置在一段網(wǎng)的兩端，2端各打入1根熱鍍鋅鋼管樁，長度及直徑根據(jù)河道深度確定，鋼管樁左右設有固定裝置。從一段網(wǎng)的兩端伸出聚乙烯繩與鍍鋅鋼管樁相連接，繩長根據(jù)河面水位升降幅度而定，本河道水位變化幅度不大，繩長設定1 m。

石墨烯光催化網(wǎng)網(wǎng)帶、懸浮系統(tǒng)既可在工廠內、也可在現(xiàn)場組裝，本河道距工廠較近，采用現(xiàn)場組裝。固定設施工作在現(xiàn)場實施，使用玻璃鋼小船、橡皮艇等水上交通工具進行水上作業(yè)。

2.6 日常維護檢查

安排專人每天到現(xiàn)場察看，遇有大風、大雨等惡劣天氣時，加強巡查次數(shù)，巡查內容主要是檢查固定設施是否移位，網(wǎng)帶是否在水面最佳位置。發(fā)現(xiàn)偏差較大時，及時進行水上作業(yè)調整網(wǎng)體和配件。

2.7 使用效果分析

該河道從2016年10月16日開始布網(wǎng)，布網(wǎng)3天后水體顏色出現(xiàn)明顯變化，從原來的墨色變成灰綠色，第4天開始黑臭現(xiàn)象逐步消失。而后的2周水體持續(xù)變綠，約3周后水體變得較清澈。2016年11月20后人工介入水草、水生動物（魚）及生物蠅，提升水體的自凈化能力。

江陰市某檢測公司全程對水質進行了檢測，600 m河段選取了3個監(jiān)測斷面。原計劃治理周期為60 d，在第54 d時進行了最后的數(shù)據(jù)測定，檢測數(shù)據(jù)匯總如下表1[4]。臭水體治理中的應用，取得了預期效果。其主要優(yōu)點表現(xiàn)在以下方面：

（1）不動底泥，原位處理，減少人為對底泥的干擾，保留了后期水體長效凈化與恢復生態(tài)系統(tǒng)的生物種子庫。

（2）安裝迅速便捷，無需專業(yè)設備。

（3）運行簡單，無需投放生物菌種、化學藥劑，施工維護成本低，無需外加能源動力，只需陽光。

（4）日常維護檢查簡單，只需調整網(wǎng)體和配件即可。

（5）經(jīng)黑臭水體浸泡幾天后，白色網(wǎng)體表面雖包

表1 石墨烯光催化網(wǎng)使用前、使用后河道水質對比

研究表明，當溶解氧降低到2.0 mg/L時，水體將處于缺氧狀態(tài)；當溶解氧為3 mg/L～5 mg/L時，水體中有機污染物和氨氮含量一般會超過地表水Ⅴ類標準，呈現(xiàn)有色有味狀態(tài)，但有水生生物存在；當溶解氧大于6 mg/L時，水體處于有氧狀態(tài)，有機物降解和氨氧化速率顯著增加，水體開始具有自凈能力。該河道經(jīng)1個治理周期后，黑臭現(xiàn)象完全消失，水中平均溶解氧為13.5 mg/L，水體變清澈。

3 新技術應用小結

3.1 主要優(yōu)點

“石墨烯光催化網(wǎng)”新技術在江陰市某河道黑裹了一層污染物質，但光催化的效果仍然不受影響。

3.2 改進方向

通過本次應用，該技術還需作進一步改進探索：

（1）拓寬石墨烯光催化網(wǎng)的使用范圍，除通航河道及光照條件特別差的水體外，能對河道、湖泊、港灣、水庫等一切黑臭水體進行處理。

（2）改善懸浮系統(tǒng)，使網(wǎng)體能適應水位變化幅度較大的水域，保持網(wǎng)體在距水面以下10 cm處的最佳位置。改進固定設施，使網(wǎng)體能抵制大風的侵擾，當水體具有中高流速時，固定設施確保牢靠。

（3）提高網(wǎng)體布設機械化率，解放勞動力，能適應湖泊、水庫等大面積水體治理的需要。

4 結語

“石墨烯光催化網(wǎng)” 作為水體凈化新技術，能對黑臭水體進行原位處理，利用可見光分解水中的有毒物質，分解水制氧，增加水體含氧量，讓水體重新恢復自凈化能力；與其他治理技術兼容性較強，可單獨使用，也可在治理過程中配合適當?shù)乃鷳B(tài)修復技術。該技術在江陰市某黑臭河道內進行了具體應用，達到了預期效果，對今后河道黑臭水體治理起到了示范和借鑒作用，具有廣泛的應用前景。

參考文獻：

[1]劉占洲，周偉明 . 城市河道水質改善技術淺探[J] . 江蘇水利，2015（6）∶33-33 .

[2]江蘇省經(jīng)濟和信息委員會 . 新產(chǎn)品新技術鑒定驗收證書[R] . 2016 .

[3]中國環(huán)境科學學會 . 環(huán)?？萍汲晒b定證書[R] .2016 .

[4]江陰秋毫檢測有限公司 . 江陰市利港南段河水體檢測報告[R] . 2016 .