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

李 鵬， 楊 洪， 馬 勤 江

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

我國是水資源相對短缺的國家，669個(gè)城市中的2/3缺水或嚴(yán)重缺水，湖泊水庫等水體受到的污染程度不容樂觀。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)一系列問題，如水體中有機(jī)物、懸浮物、氮磷含量過高造成的水體黑臭、渾濁和發(fā)綠等問題。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)，能夠高效利用太陽能而不需要任何動力裝置，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)行有針對性的技術(shù)開發(fā)和升級。

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)在可見光驅(qū)動的光催化系統(tǒng)開發(fā)中采用二維結(jié)構(gòu)可見光催化技術(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)，可見光敏材料會迅速產(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(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光響應(yīng)強(qiáng)度，新型光催化網(wǎng)可以在可見光條件下使有機(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)展到可見光甚至近紅外光，實(shí)現(xiàn)了可見光下即能實(shí)現(xiàn)對有機(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)問題外，還提高了材料對水中氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)的削減能力。通過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)利用太陽能，節(jié)能環(huán)保。新型光催化網(wǎng)水體凈化系統(tǒng)不需要動力裝置，其利用太陽光，不消耗其它動能，節(jié)能環(huán)保。

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

(3)無二次污染，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，維護(hù)成本低。

(7)光敏材料使用時(shí)效長。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10%。

(8)負(fù)載強(qiáng)度高。新型光催化網(wǎng)的牢固度通過涂層硬度測試，將材料負(fù)載于相同材質(zhì)平板上，采用鉛筆法測定其硬度，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)又具有對營養(yǎng)鹽的吸收及化感作用，對水體藻類具有抑制作用。

(2)沉水植物對水體中的氮、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)簡便的矮生苦草為主，其不會長出水面。

4.2.3 生物控藻構(gòu)建水生態(tài)系統(tǒng)

(1)水生動物的選取。水生動物可選取魚類、底棲動物、蝦類及濾食性浮游動物。

(2)水生動物控藻原理。通過濾食浮游藻類，有效控制藍(lán)藻水華，再通過藻類營養(yǎng)轉(zhuǎn)化N、P，最后以魚產(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+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，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；對岸邊種植平臺選擇美人蕉、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，周邊綠化以芒果樹和榕樹為主，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)臭等問題突出。楊美水塘整治前的水體狀況見圖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 問題分析

(1)魚類的影響。①楊美水塘魚類單一且量大，羅非魚成群結(jié)隊(duì)覓食大幅度攪動底泥，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葉、魚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)致水體富營養(yǎng)化、透明度降低。

4.3.5 應(yīng)對措施

(1)近期采用人工捕撈羅非等魚種，遠(yuǎn)期投放肉食性魚類制衡，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)有針對性地對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通過對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→水生動物投放→挺水植物種植→施工完成。①種植平臺的砌筑。結(jié)合楊美水塘的周邊環(huán)境砌筑種植平臺，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，待沉水植物生長穩(wěn)定后先投放底棲動物，然后投放魚類。⑥挺水植物的種植。待水位達(dá)到特定要求后，再種植平臺內(nèi)的挺水植物。

(3)施工控制要點(diǎn)。①魚類清除一定要徹底：先將水排干，再清除魚類。②避免交叉作業(yè)影響：先無水施工作業(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：對沉水植物的高度統(tǒng)一選取10～15 cm，顏色翠綠、無蟲害，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，初期水位以沒過植物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

我國水體污染的嚴(yán)峻形勢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，河道水體的治理對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展能起到巨大的推動作用。

(2)我國三大湖(洞庭湖、鄱陽湖、太湖)、滇池、洪澤湖等湖泊的水體污染程度不容樂觀，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)陸咸水湖是我國鹽化工業(yè)的重要基地，近年來其污染亦較普遍。咸水湖的治理對我國整體經(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

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改善居民生活環(huán)境、樹立良好的城市形象、實(shí)現(xiàn)城市水體的娛樂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。