浅谈石墨烯光催化氧化技术在黑臭河道治理中的应用

华 烨

(无锡市城市防洪工程管理处，江苏 无锡 214031)

城市黑臭水体是指城市建成区内，呈现令人不悦的颜色和(或)散发令人不适气味的水体的统称。“黑臭”被认为是一种水体中有机污染物厌气分解的生物化学现象，是水体有机物污染的极端现象。由于水体中有机污染物、氮磷富含量过多，造成水体缺氧、有机物腐败。长时间接触，对城市居民的健康及城市生态安全构成了极为严重的威胁[1]。根据住房和城乡建设部于2015年发布的《城市黑臭水体整治工作指南》，2020年底前，地级以上城市建成区黑臭水体均需控制在10%以内；到2030年，全国城市建成区黑臭水体总体得到消除。

1 项目概况

滨江路河位于江苏省江阴市利港镇滨江西路北侧，东西长约470.0m，南北宽14.0～35.0m，水域面积约10000m2，水深0.8～1.5m，底泥厚度20～60cm，水体流速小于0.1m/s。滨江路河下游经东龙港河、护厂河、窑港河汇入长江，有潮汐现象。治理前水体颜色发黑、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，水质浑浊，透明度不足30cm。滨江路河河岸为自然坡岸，河边的植物已被河水中的污染物染黑，河水中已没有高等水生植物，并不时漂有死鱼。河道的主要污染源为河东侧的一根管径为800mm的排污管，其污水来自附近的农贸市场及工厂；河西段南岸的一根管径为800mm的排污管，污水来自附近的汽修厂。

城市河道水质的恶化不仅损害了城市人居环境，也严重影响了城市形象。滨江路河的污染已严重影响到了周边百姓的日常生活和工作，近年来百姓反映强烈。利港街道决定于2017年12月至2018年12月对滨江路河进行整治。治理的主要目标：消除水体表观黑臭，治理区域无臭味散发。

2 石墨烯光催化氧化技术原理

滨江路河整治，主要采用先进的石墨烯光催化氧化技术结合生态修复技术。

石墨烯光催化氧化技术，2016年12月通过中国环境科学学会的环境科技成果鉴定，被评定为国内领先的环保技术，并被认定为“环境友好技术产品”[2]。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，在可见光下即能实现对有机物光催化氧化降解，大大提升了光催化的效果。该技术的催化氧化性能及反应速率大幅提高，氨氮(NH3-N)等污染物降解效果显著，可快速提升水中溶解氧(DO)浓度。使芳香烃类大分子有毒有害物质能迅速分解为易被水生生物消化吸收的小分子营养物质，从而去除水中的毒性有害物质，利于水生生物的成长，帮助水系统生态功能迅速恢复，对黑臭水体以及可生化性差的水体有良好的水质改善作用[3]。

图1 石墨烯光催化氧化技术原理

3 实施方案

3.1 治理措施

根据施工前对滨江路河的勘察及水质检测分析，各项数值均达到黑臭标准。在暂时不能完全截污的情况下，首先考虑对东、西侧排污口进行前置处理，消减污染物浓度、过滤悬浮物，尽可能降低整个河道的污染负荷；然后，采用石墨烯光催化氧化技术，在河道内布设光催化氧化网，降解河道内的有毒有害物质，消除黑臭，提升水中溶解氧浓度，改善整个水体环境。同时根据河道水体恢复情况，适时添加水生动植物，激活河道水体生态，恢复河道自净功能，施工流程见图2。

图2 施工流程

东侧排污口前置处理，主要是在污水口设置围挡，围挡主体填充具有吸附过滤作用的火山石、焦炭、沙袋，围挡内悬挂生物填料，并种植水生植物对污水进行初期过滤吸附。同时在围挡以西选定区域设置污水前置处理区，整个区域由初沉、好氧、厌氧、砾石区组成，尽可能消减污水中NH3-N、TP、COD等的浓度，污水经过处置再经由火山石、焦炭、沸石组成的生态透水坝溢流至光催化治理断面。

西侧排污口前置处理，主要是在排污口添加比表面积大、孔隙率高的天然材料进行初期过滤，减少油污和污水浓度。其次在入河口设置两道拦油索，拦油索内放置吸油毡，拦油和吸油装置定期维护更换。

3.2 安装过程

石墨烯光催化网施工方便，河面上的桥、闸、坝均可作为安装铺设的实施点。首先在实施点附件的岸上选择一处较为开阔的施工场地(约100m2)，由工人分组安装，分为支撑杆安装组、浮球配重块安装组、生物载体安装组、整体组合和河道铺设组。组装完成后在河道上游桥头放网顺流入水，光催化网在施工员牵引下顺流而下，同时用热镀锌钢管桩进行水面固定，详见图3。

图3 催化网安装示意图

4 治理效果分析

2018年1月20—23日，完成催化网的安装后，每月对河道进行DO、COD、NH3-N、TP、PH、ORP、透明度等水质指标的检测。本文选取较为重要且有代表意义的DO、COD、NH3-N、TP 4项指标进行分析，具体数值见表1。

表1 2018年1—11月DO、COD、NH3-N、TP检测值

将4项数据绘制点线表进行分析，可以看出水质变化趋势明显向好，特别是DO、NH3-N、TP改善幅度明显。DO值不到10天即恢复到初始值的1倍，平均可达到10倍多；NH3-N值与TP值11个月后基本稳定在初始值的1/10，趋势图具体见图4～图7。

图4 DO变化趋势

图5 COD变化趋势

图6 NH3-N变化趋势

相比传统工艺，石墨烯光催化氧化技术具有如下性能特点：系统无动力装置(仅需阳光直射)；施工及维护简便，可短时间快速布置于大面积水域；系统启动速度快，短期内就能使水质发生明显变化(最快1周左右即可见效)；耐污、耐候性强。

图7 DO变化趋势

5 结 语

随着国家对生态文明城市建设的日益重视，人民群众对水环境改善需求的日渐提高，要求我们在水环境综合整治中要大胆采用新技术、新工艺，石墨烯光催化氧化技术的出现，给治水人又多了一种选择。该技术的试验取得了良好的净化效果[4]，建议拓宽石墨烯光催化氧化网的使用范围，在通航河道改为侧面纵向布置，或部分可以移动；继续探索对湖泊、港湾、水库等大范围水体处理效果；改善悬浮系统，使网体能适应水位变化幅度较大的水域，保持网体在距水面以下10cm处的最佳位置；改进固定设施，使网体能抵制大风的侵扰，当水体具有中高流速时，固定设施确保牢靠[5]。