纳米科技与生态景观协同治理农村污水探讨

王 怡,杨绍平,刘彦汐

(四川水利职业技术学院,四川 崇州 611231)

1 国内外研究现状

1.1 农村污水治理现状

近年来,水环境问题已成为全球需要面对的巨大难题之一,地球上的水总体积约有 13.86亿km3,其中,96.5%分布在海洋,淡水只占 2.6%,而农业领域需水量占总淡水使用量的 70%。随着我国新农村建设的不断加快,农村水环境问题也愈加凸显,据《中国城乡建设统计年鉴》统计,我国现有 1.9 万个镇,1 万个乡,250 万个自然村。但农村污水治理率到 2022 年不到 25%,远低于城市 96.8%的水平。同时,农村污水治理痛点十分明显：

(1)农村地形复杂,污染源分散,规模小且数量多,收集率较低,污水成分杂;

(2)现有的处理工艺和模式不符合农村实际;

(3)治理效率低且精度低、灵敏度低;

(4)运行难且建设成本高,吨水投资成本高;排水管网建设成本高且运行成本高。

乡村污水治理不能照搬城市污水治理的模式,宜采用小型化、生态化、原位化、分散化的污水治理模式。调研乡村污水治理情况：污水主要分成三类,第一类是生活污水,第二类是水产养殖污水,第三类是生产污水,且25%的农户不具备纳管条件;污水管网建设滞后;后期运营管理成本高。所以乡村污水的共同治理特点是必须解决污染源头,走分散处理、原位就地资源化的新路。孟祥芬[1]提出基于 A/O 工艺、SBR、生物接触氧化和 MBR 的一体化污水处理,并认为,此技术具有较高的脱氮效果,出水能稳定达标,但基建投资高于传统污水处理工艺,能耗高;肖炘圻等[2]采用 A2O 工艺处理农村污水,最终该工艺对 COD 的去除率为 8.39%、 NH4+-N的去除率为 88.36%、TN 的去除率为 80.16%和 TP 的去除率为 72.5%,最终水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》( GB 18918- 2002)。由于乡村地理位置的特殊性,无法建成统一的、规模化的污水处理模式,应采用植物修复技术,促进生物降解和吸附,达到净化污水降低污染负荷的目的。

1.2 新型纳米材料污水处理装置研发现状

Vieira et al[3]认为原位修复方法是基于不打扰污染场地土体和地下水的情况下对地下水污染进行修复的技术,而纳米零价铁具有较高的反应活性、较大的比表面积和较高的迁移能力,是常用的原位修复试剂;王雷磊等[4]人利用纳米材料的特殊性能,如巨大的比表面积、极大的梯度量,为水质监测与治理提供了新的可能,即利用纳米的自驱动性质进行水环境监测和修复等方面研究的进展;Orozco et al[5]认为利用人工合成的 PEDOT-Au纳米马达充当“人工鱼”来代替活体鱼进行水质监测是有效的水质监测办法,同时,其也认为当水体中含有重金属、农药等有毒物质的时候,酶活性会降低,以至于纳米马达驱动速度下降,该运动信息的变化状况可以间接地反映出水体中毒素的分布情况;Singh et al[6]研制了FLA-Pt Janus微马达,通过利用氨基荧光素与氯磷酸二乙酯反应产生荧光物质来检测水体中的沙林和神经毒剂。

2 纳米科技污水治理技术——精准治理农业污水的纳米机器人

基于纳米功能材料的自驱动特征在水质监测、水体修复上运用,研发的一种精准治理农业污水的纳米机器人。机器人的锥形头部由 Pt 催化层、Fe-Ni 磁性层、Ti 惰性层、Au 薄层构成的 4 层叠合结构,接枝不同的探针;左右两侧安装有轴测传感器;内部安装有多个管式微马达,管式微马达的管壁搭载过氧化氢酶;尾部呈螺旋状。搭载检测试剂,能够实现污水快速监测和修复;锥形头的后端处具有 Pt 催化层,过氧化氢燃料经管筒输送至 Pt 催化层后发生催化分解,催化分解后释放氧气和氢气时给锥形头形成自驱动;表面处设置有多个含有铂的齿轮并由柔性的铂-金-银-锡纳米线构成,其中,铂-金段负责催化,而金-银-锡段负责磁场驱动,使催化与磁驱动模式之间快速简单地切换;尾部装有氟碳乳液燃料,连接有喷气结构,喷气结构包括多个尾管,尾管内嵌有磁层,通过磁场控制尾管的摆动方向,从而控制纳米机器人前进的方向。

2.1 材料结构耦合 ——“吸附-催化降解”一体化

通过微纳合成技术,利用镍极高的活性常数,沉积“镍”——在外形、结构、动力间产生耦合作用,建立以镍为核心的“吸附-催化降解” PtFe3O4@C-Ni纳米复合功能材料,并利用材料的自驱动特性获得驱动力,不需要施加能量,实现在低雷诺数流场中快速运动,实现乡村污水原位治理、高吸附、高降解。

2.2 一体化精准纳米探针

头部官能团,根据不同的污水情况来接枝不同的探针完成不同农村水质的监测：修饰PEDOT-Au (生物酶),用于重金属和农药;修饰 Au/Ni/pt 枝链层,用于油性液体;修饰伴刀豆凝集素 A,用于大肠杆菌;修饰 Mg-Au Janu,用于有机物;修饰 Pt-Fe,用于氨氮含量高的养殖废水;修饰活性炭-Pt Janus,用于农药、重金属修复;修饰SiO2@rGO-Pt Janus,用于有机污染物修复等。根据不同的污水情况来选择不同的探针完成不同农村水质的修复,实现乡村污水高选择、高精准治理。

2.3 螺旋结构与磁性材料构建磁控旋涡式动态集群

尾部螺旋结构与螺旋电磁线圈形成强大的推动,通过控制磁场参数,提高物理场控制速度与精度。螺旋结构与磁性材料构建磁控旋涡式动态集群,通过磁场控制,使其在水中运动的速度能达到180 μm/s;通过磁场控制,实现污水定点定向处理,使其在较短时间内进行回收,实现乡村污水精细控制,高利用率。

3 以生态景观为导向的污水长效修复技术

用生态景观手法对水环境中的污染物进行二次处理,模拟自然格局,形成自然蜿蜒多变、多景观层次、多生态序列的生态净化单元,生态景观进一步吸附-分解污染物,实现区域生态全面提档升级,实现水环境长效保持。

3.1 模拟自然格局、构建生态循环

模拟自然格局,形成自然蜿蜒多变、多景观层次、多生态序列的立体结构景观和生态净化单元。充分利用生态系统中协同作用,通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对河水的高效净化,模拟和再现自然环境中污水是如何由浑变清的全过程,增加绿化面积和野生动物栖息地以利于生态环境建设。

3.2 发挥湿地植物净化作用

湿地系统由土壤和填料(如卵石等)混合组成填料床,雨水收集利用填料床尽可能截留雨水,就地下渗;其次,通过管、沟将多余的水资源集中吸纳、贮存;再次,在洪涝期超过土壤吸纳能力的雨水通过植物过滤后可以排放到湿地里,形成旱地、浅水区、深水区不同形式的生态系统。通过种植树木、灌木、花和草形成收集(含分流)、过滤、储存和释放(利用)为一体的低影响开发、可持续的生态系统。将“排放”转为“滞留”,使其能够“生态循环”和“再利用”。湿地多样的水域形式及多样的植物群落,为陆生动物、两栖动物、水生动物建立了良好的生态系统,对改善污染水体生态、恢复生态平衡具有重要的作用。实施分段植物群落配置。低断面以耐淹固土为主要目标,配置乡土耐淹植物,并采用生物篱网技术稳定护坡土壤。中断面根据水湿变化特点和光照条件,选择了耐水湿且具备一定耐旱能力的草本植物进行混种,为区域提供丰富生境走廊,从而保障植物群落的多样性与自我维持功能。高断面径流冲刷强和土壤蓄水保墒能力差,配置高度各异的草本植物,根系较深的物种加固护坡土壤,同时,利用土壤深层水分更显著地应对夏季高温干旱,形成层次丰富的植物群落,增强对降雨及径流的拦截能力。将湿地种植区分为蓄水区、缓冲区、边缘区。蓄水区植物物种耐淹能力和抗污染能力、净化能力要求最高,同时,要求在非雨季的干旱条件下也要有一定的耐旱能力。缓冲区有一定的蓄水容积,对植物的耐淹特性有一定的要求,同时,要求植物有一定的耐旱能力和抗雨水冲刷能力。边缘区无蓄水能力,植物物种需要有较强的耐旱能力。

4 创新点与治理效果

4.1 创新点

纳米科技与生态景观共力修复,不仅在低能耗的条件下实现污染物深度去除,实现尾水处理,降低运行成本,达到污水治理长效治理机制。同时,能持续消减水中污染物,提高水体透明度,并通过生态系统的“自组织”重建提高水体透明度、恢复浮游生物群落、恢复水体植被及鱼类群落;实现水生态系统从藻型浊水稳态向草型清水稳态转换;实现水质改善、生态修复、景观改善、水清岸绿的农村污水长效治理机制。

4.2 治理效果

治理前水质呈劣Ⅴ类,养殖等废水直接排入水中,导致COD、氨氮、磷等污染物超标且含大量的病原菌;整体水体呈黄绿色,透明度仅40 cm,水中生长有大量浮游藻类,局部有水华覆盖,植被衰退。治理时,使纳米材料与水体充分接触,高选择降解水中有机污染物,提升水体透明度,改善水体生境;生态景观进一步引导水生态自组织修复重建,水中微生物、底栖动物、植物及鱼类的逐步恢复,从而进一步使水质得到提升：COD从46 mg/L下降到19 mg/L,TP从0.08 mg/L下降到0.03 mg/L,TN从2.1 mg/L下降到0.8 mg/L,实现了水质指标和水生态的“双飞跃”;短期内改善水质指标,中长期生态恢复自愈自洁,最终形成水生态-水质提升的良性循环体系。

5 结论与展望

党的“十八大”以来提出构建生态文明社会,并随着乡村振兴战略的出台,农村水环境治理已成为乡村振兴的重要内容之一。农村污水 COD、BOD、TN 等较高,水质水量波动大,分布较为分散,污水排放量不规律、瞬时变化大。纳米科技与生态共力修复协同机制通过核心技术,解决了农村污水现有的治理痛点：纳米材料耦合结构——解决农村污水未建立高灵敏度响应、污染源分散、成份杂的痛点;一体化荧光传感探针——解决农村污水治理效率低、精度低的痛点;磁控旋涡式动态集群——解决农村污水治理时间长的痛点;协同修复机制解决处理模式不符合农村实际、缺乏长效机制、建设成本高的痛点。实现水生态系统从藻型浊水稳态向草型清水稳态转换,最终构筑了具备自净化能力的自然健康水生态系统。对比治理指标数据,水质已向Ⅱ类水转变,逐渐恢复水生态自组织重建。在“科技与自然共力修复”的作用下,利用纳米技术和生态自组织修复原则实现健康稳定水生态系统的集成技术,使原“藻型浊水稳态”系统平衡被打破,整体水生态系统向健康方向发展,最终构建具有稳定自净能力的长效机制。