治污新材料：立体治水“标本兼治”

黄富强

面对不断恶化的水环境，治水常常陷入“治理—变好—反弹—再治理—再变好—再反弹”的怪圈。各地多年治水实践证明，截污、清淤和调水补水的“老三样”治理模式，无法根本解决水体污染、消除黑臭问题。今年，中国科学院上海硅酸盐研究所（以下简称“硅酸盐所”）研发出超级材料，已在全国多地黑臭水体中示范，同时研发出垂直布网、纳米曝气等新技术配套方案，有望从根子上消除污染。

主攻“最难降解污染物”

打赢黑臭水体污染防治攻坚战，核心是清除水体中各类有机污染物。硅酸盐所研发的超级材料——全太阳光谱增强的三维石墨烯管强化黑色二氧化钛，平铺在黑臭水体表面，由于处在水面与空气充分接触的富氧和强氧化区，因此可在太阳光照射下发生光催化反应，将水中“最难降解污染物（如多溴联苯醚、全氟辛酸即磺酸、消毒副产物等）”彻底降解为二氧化碳和水。该超级材料治理黑臭水体的原理就是“物理吸附+光化学催化降解”。三维石墨烯管负责快速吸附水体中“最难降解污染物”，黑色二氧化钛作为光催化剂，具有更强的光催化氧化能力，通过全光谱充分吸收，可将吸附上来的“最难降解污染物”快速降解为二氧化碳和水。

在近半年的规模化示范应用过程中，团队不断优化上述两大关键材料的性能指标：针对黑色二氧化钛，设计了新的反应设备，优化配方工艺，良品率达到99%以上，5次循环后的有机污染物降解速度提高了30%。针对三维石墨烯管，团队筛选了易于形成特定管孔结构的廉价天然有机原料。结合软硬模板的先进技术，优化出简单易行的二步法工艺，可制备出富含管孔、腔体的多级高比表面积三维石墨烯管，生产成本低于常见的市面活性炭，能高效吸附市面活性炭不擅长吸附的皮革、印染、造纸类有机污染物。

如何消灭污染物“主力部队”

最难降解的有机污染物在太阳光照射和空气接触最充分的水面，可以快速降解为二氧化碳和水，但污染物的“主力部队”仍然“游荡”在水体中。如何消灭这部分“有生污染势力”，团队提出了水面和截面立体治理新方案，通过在不同水深位置布设超级材料水下网带，实现立体治水。

立体治水新方案由多层次功能单元组成：第一功能单元是水面上的光催化带，瞄准“最难降解污染物”；第二功能单元是水下网带，位于水体中的这些网带，除掺杂超级材料外，还同时负载有人工选育的原生水体超强活性微生物，水下网带随水体截面梯度向下分布，可进行有氧和缺氧的有机物降解；第三功能单元是最底层光催化带，接近水底，这层网带负载有类似活性淤泥中的厌氧微生物，可进行氮氨总磷的降解。近期，团队正在收集并选育水体中优质“土著”微生物菌种，开展效果优化试验。

多措并举清除污染物“残余势力”

由于不同地区、不同环境中的黑臭水体其自然禀赋和污染形成机理各有不同，因此，治理方案需要灵活调整、对症下药，做好多种治水方法组合搭配，多措并举清除污染物“残余势力”，以期标本兼治。比如，充分曝气可在水体中产生一个个气泡，极速提高水体中氧气含量及溶氧效果，气泡在水里“畅游”直至破灭，此过程可与水体中残余有害有机物结合生成二氧化碳、氮气和水。传统曝气效率低、气泡大，污染物降解效果有限。日前，团队研发出肺膜融气微纳米曝气新技术，通过结合纳米微孔的负压进气，初步完成了纳米曝气的原型设备制备。再比如，具有绿化效果的水生植物可吸收水体中的碳、氮、磷，最大程度提升有机污染物的降解效率。速生类水生植物的长根须，可结合微生物的负载，携手高效降解含有多种有害化学成分的有机污染物。

除圍绕黑臭水体本身“做文章”外，团队还对水面、水中、水下各截面的污染物进行分层次、分功能单元处理。比如，团队“跳出圈外”，对河流入口截污、库区岸堤生态修复、水体底部淤泥治理、水生植物及岸边微生物降解提出了针对性辅助治水方案，以期多措并举根治黑臭水体污染顽疾。