石墨烯光催化技术在黑臭水体治理中的应用——以江阴滨江路河为例

秦晓振 许雯佳

（江阴双良石墨烯光催化技术有限公司 江苏江阴 214443）

引言

城市水体是城市生态系统的重要组成部分，具有水体循环、水土保持、水质涵养、调节温湿度、改善城市气候等多种功能。但是由于目前我国“新型城镇化建设”的快速发展，城市的水环境质量受到严重威胁。许多城市的内河水质越来越差，甚至发黑发臭，严重影响了城市环境和居民的生活质量。根据2015 年8 月，住房和城乡建设部发布的《城市黑臭水体整治工作指南》：明确黑臭水体范围为城市建成区内的水体，也就是居民身边的黑臭水体；从“黑”和“臭”两个方面界定，即呈现令人不悦的颜色和（或）散发令人不适气味的水体，以百姓的感观判断为主要依据。黑臭河道的特征表现为水体有异味，水生生物生存适应性降低，只有少量耐污种存在，生态系统结构和功能严重退化甚至丧失。据分析，黑臭水体的成因大致为：一是污水直排，二是雨污合流制管网的溢流污染，三是生态破坏造成河道失去自净能力。目前全国兴起了黑臭水体治理的热潮，但是有些缺乏科学、系统的治理路线，陷入“头痛医头，脚痛医脚”的误区；有些注重单一技术，忽视采用集成技术进行综合治理；有些污染源治理与生态治理不同步，事倍功半；有些过度强调生态与景观，忽视自然生境的构建。本文以黑臭水体江阴滨江路河为例，探索石墨烯光催化技术在黑臭水体治理实际成效及工程经验，期望为我国黑臭水体的整治提供新技术、新思路。

1 治理河道概况

1.1 基本概况

滨江路河位于无锡市江阴市利港镇滨江西路北，在华英重工设备有限公司西侧。滨江路河呈东西走向，东西长约为470m，南北宽14～35m，总面积约10000m2，水深0.8～1.5m，底泥厚度约20～60cm，流速小于0.1m/s。该河北岸为农田，南岸为省道，交通流量大，导致河面降尘较多。下游经东龙港河、护厂河、窑港河汇入长江，有潮汐现象。

1.2 水环境的特征及问题

经现场踏勘及调查，滨江路河的水环境主要存在以下特征：（1）水体颜色发黑、发红，有浓烈的臭味，水体表面漂有大量油污以及因厌氧漂浮在水面的黑泥；（2）水体浑浊，透明度不足30cm。

滨江路河主要存在以下问题：（1）点源污染未完全截污。晴天，河东侧、南岸两处排口有污水入河现象，导致排口附近水体颜色发黑，气味较重。（2）生态系统不健全甚至缺失。该河河岸虽为自然坡岸，但污染严重毒性较高的河水已不合适植物生长，几处零星植物已被河水中所带污染物染黑，勘察中未发现河水中有高等水生植物，且河中漂有死鱼。（3）面源污染严重。路边集聚的大量灰尘、颗粒物随降雨进入河道，导致水体浊度高，透明度低。

2 治理水质目标及方案

2.1 治理水质目标

水质目标：通过治理使滨江路河消除黑臭现象，使得水体的富营养化得到显著遏制，恢复河道内生态环境，实现河道水清、鱼游、岸绿的环境目标。

2.2 设计方案

本次研究河道主要对于470m 的河道展开治理截污，通过在河道内布网在水下10cm 处，运用长宽各3.5m 和1.35m 的网，共计20 张网运用聚乙烯绳子连接网，标记红色浮标。分别设置河道个方向监测断面，对水体中的氧、氨氮、总磷、高锰酸盐等指标进行记录。

3 技术简介

当受到能量大于或等于TiO2禁带宽度（3.2eV）的光子照射时，TiO2中处于价带的电子被激发跃迁到导带上形成强还原性的导带电子（e-），同时在价带上产生一个强氧化性的价带空穴（h+）。电子和空穴或直接和吸附在TiO2表面的有机物反应，或与水分子和溶解氧发生一系列反应，生成强氧化性的·OH、·，上述反应可描述如下：

传统光催化氧化技术只能在紫外线光的照射下发生作用。石墨烯光催化氧化技术将石墨烯、纳米氧化材料和量子级光敏材料有机结合，实现了可见光下即能实现对有机物光催化氧化降解，大大的提升了光催化的效果。石墨烯光催化技术工作原理如下图所示。

图1 石墨烯光催化原理图

铺设在水体中的石墨烯光催化网，持续的吸收太阳光提升对污染水体治理至关重要的溶解氧（DO）含量，启动水体生态系统发生一种向健康生态系统转化的根本变化：

一方面，溶解氧提升过程能直接加速将大分子有机物质的氧化分解，将其降解为小分子物质，促使其向无机物转化；

另一方面，氧化还原电位升高促进好氧细菌和其它功能菌种群的自然扩增，继而将小分子有机物质转化成二氧化碳，加速含氮有机化合物的硝化-反硝化过程，分解为氮气逸出水体，于无声中增加了自然界的物质循环。

更重要的是，水体中溶解氧含量的提升促进所有含氧生物的生存和繁衍，使因污染而活性低下的水体恢复生机，好氧的高等植物、浮游动物、底栖生物、鱼类组成的食物链不断消化、转化掉水体内的营养物质和有机碎屑，提高透明度，逐步降低水体中的污染负荷，促进物质循环，渐次达到生态功能的恢复、自净能力的恢复和水质的持续好转。

（1）对COD 去除机理：将含碳有机物转化为二氧化碳和水。

（2）对氨氮去除机理，将氨氮转化为氮气。

（3）对总磷去除机理

将有机磷转化为无机磷和小分子的磷，使之易于被微生物和植物等吸收，从而达到降解总磷的效果。

（4）对总氮去除机理

4 治理效果分析及评价

4.1 治理前后照片对比分析

经过十个月治理，水体前后变化照片如下图2 和图3 所示。

图2 治理前照片

从图可以看出，治理前期发现水体颜色呈黑红色，水面油污聚集，且散发重度恶臭，且表面存在大量黑色底泥上翻，水体浑浊并且水质的指标较差。

图3 治理后水体照片

从照片可以看出，治理后，有水体感官有了非常明显的改善，对提升水体的溶解氧、降低氨氮、COD 等各项指标均有效改善均达到Ⅳ类以上，获得了较好的水生态恢复成效，出现大量水生动植物，明显提升了水体的感官效果。也吸引了周边群众游玩、垂钓，也得到了当地政府机构的认可与赞扬。

4.2 理化指标分析与评价

溶解氧变化曲线图4 所示。

图4 溶解氧变化曲线图

分析曲线数据变化可以看出，经过十个月的治理，溶解氧上升趋势明显，说明光催化产生的氧气对溶解的提升起到积极作用。

图5 COD 变化曲线

分析曲线数据变化可以看出，经过十个月的治理，COD 呈下降趋势，治理过程中由于降雨等原因，短时间上升，但经过光催化降解，COD 又逐渐下降。

图6 氨氮变化曲线

分析曲线数据变化可以看出，经过十个月的治理，氨氮从18.54mg/l 下降到3.44mg/l，下降了81.4%。

图7 总磷变化曲线

分析曲线数据变化可以看出，经过十个月的治理，总磷从1.731mg/l 下降到0.299mg/l，下降了82.7%。

综合分析，治理后氨氮、化学需氧量、总磷含量低于治理前；溶解氧含量明显高于治理前；透明度明显提高，综合分析，通过石墨烯光催技术的治理，河道水质改善明显。

5 结论与建议

5.1 结论

通过光催化技术在黑臭水体滨江路河治理，分析滨江路河治理区域各项指标，证明已经消除黑臭。在夏季天气逐渐热时蓝藻等浮游植物的增加，使得水中的氨氮、总磷、COD 等指标反复升降，后经过光催化治理后再次逐渐下降。这一情况也反应了光催化网能够达到快速增氧，对有毒的有机物快速降解，构建生态系统重新恢复了水体的自动净化功能，整体来讲也对黑臭水体达到了本次消除目标。

5.2 建议

目前，多数科研人员力求对光催化水质净化技术加大研发投入，分别以材料、工艺、应用等多方面均作出全面研究，包括了催化机理、新型工艺、典型污染物降解效果、生物协同功效、不同地区不同类型水体净化效果、特殊场合技术应用开发等多项研究。其中赵焕新[4]等人在研究中，分析了石墨烯/TiO2材料能够处于可见光的照射情况下，光催化亚基蓝达到降解活性的效果。商希礼[5]通过展开对石墨烯复合材料的模拟研究，运用于制药废水处理试验，经试验结果证实在0.5h 的试验反应时间，便已经完成了催化氧化降解处理，达到了效果最优化获得85.27%的模拟废水降解率[6]。目前在石墨烯光催化技术领域的种类还尚且单一，也并未有丰富系统的研究说明最终污染物的去除效率[7]。在本次研究中结合了滨江路河布网段的黑臭水体运用石墨烯光催化技术治理，发现取得良好效果，见效时间较快虽在温暖天气有所反复，但是总体来讲，光催化技术对治理黑臭河道有极大作用。

结语

目前在石墨烯光催化技术领域的种类还尚且单一，也并未有丰富系统的研究说明 最终污染物的去除效率。在本次研究中结合了滨江路河布网段的黑臭水体运用石墨烯光 催化技术治理，发现取得良好效果，见效时间较快虽在温暖天气有所反复，但是总体来 讲，光催化技术对治理黑臭河道有极大作用。