石墨烯光催化技術在黑臭水體治理中的應用
——以江陰濱江路河為例

秦曉振 許雯佳

（江陰雙良石墨烯光催化技術有限公司 江蘇江陰 214443）

引言

城市水體是城市生態系統的重要組成部分，具有水體循環、水土保持、水質涵養、調節溫濕度、改善城市氣候等多種功能。但是由于目前我國“新型城鎮化建設”的快速發展，城市的水環境質量受到嚴重威脅。許多城市的內河水質越來越差，甚至發黑發臭，嚴重影響了城市環境和居民的生活質量。根據2015 年8 月，住房和城鄉建設部發布的《城市黑臭水體整治工作指南》：明確黑臭水體范圍為城市建成區內的水體，也就是居民身邊的黑臭水體；從“黑”和“臭”兩個方面界定，即呈現令人不悅的顏色和（或）散發令人不適氣味的水體，以百姓的感觀判斷為主要依據。黑臭河道的特征表現為水體有異味，水生生物生存適應性降低，只有少量耐污種存在，生態系統結構和功能嚴重退化甚至喪失。據分析，黑臭水體的成因大致為：一是污水直排，二是雨污合流制管網的溢流污染，三是生態破壞造成河道失去自凈能力。目前全國興起了黑臭水體治理的熱潮，但是有些缺乏科學、系統的治理路線，陷入“頭痛醫頭，腳痛醫腳”的誤區；有些注重單一技術，忽視采用集成技術進行綜合治理；有些污染源治理與生態治理不同步，事倍功半；有些過度強調生態與景觀，忽視自然生境的構建。本文以黑臭水體江陰濱江路河為例，探索石墨烯光催化技術在黑臭水體治理實際成效及工程經驗，期望為我國黑臭水體的整治提供新技術、新思路。

1 治理河道概況

1.1 基本概況

濱江路河位于無錫市江陰市利港鎮濱江西路北，在華英重工設備有限公司西側。濱江路河呈東西走向，東西長約為470m，南北寬14～35m，總面積約10000m2，水深0.8～1.5m，底泥厚度約20～60cm，流速小于0.1m/s。該河北岸為農田，南岸為省道，交通流量大，導致河面降塵較多。下游經東龍港河、護廠河、窯港河匯入長江，有潮汐現象。

1.2 水環境的特征及問題

經現場踏勘及調查，濱江路河的水環境主要存在以下特征：（1）水體顏色發黑、發紅，有濃烈的臭味，水體表面漂有大量油污以及因厭氧漂浮在水面的黑泥；（2）水體渾濁，透明度不足30cm。

濱江路河主要存在以下問題：（1）點源污染未完全截污。晴天，河東側、南岸兩處排口有污水入河現象，導致排口附近水體顏色發黑，氣味較重。（2）生態系統不健全甚至缺失。該河河岸雖為自然坡岸，但污染嚴重毒性較高的河水已不合適植物生長，幾處零星植物已被河水中所帶污染物染黑，勘察中未發現河水中有高等水生植物，且河中漂有死魚。（3）面源污染嚴重。路邊集聚的大量灰塵、顆粒物隨降雨進入河道，導致水體濁度高，透明度低。

2 治理水質目標及方案

2.1 治理水質目標

水質目標：通過治理使濱江路河消除黑臭現象，使得水體的富營養化得到顯著遏制，恢復河道內生態環境，實現河道水清、魚游、岸綠的環境目標。

2.2 設計方案

本次研究河道主要對于470m 的河道展開治理截污，通過在河道內布網在水下10cm 處，運用長寬各3.5m 和1.35m 的網，共計20 張網運用聚乙烯繩子連接網，標記紅色浮標。分別設置河道個方向監測斷面，對水體中的氧、氨氮、總磷、高錳酸鹽等指標進行記錄。

3 技術簡介

當受到能量大于或等于TiO2禁帶寬度（3.2eV）的光子照射時，TiO2中處于價帶的電子被激發躍遷到導帶上形成強還原性的導帶電子（e-），同時在價帶上產生一個強氧化性的價帶空穴（h+）。電子和空穴或直接和吸附在TiO2表面的有機物反應，或與水分子和溶解氧發生一系列反應，生成強氧化性的·OH、·，上述反應可描述如下：

傳統光催化氧化技術只能在紫外線光的照射下發生作用。石墨烯光催化氧化技術將石墨烯、納米氧化材料和量子級光敏材料有機結合，實現了可見光下即能實現對有機物光催化氧化降解，大大的提升了光催化的效果。石墨烯光催化技術工作原理如下圖所示。

圖1 石墨烯光催化原理圖

鋪設在水體中的石墨烯光催化網，持續的吸收太陽光提升對污染水體治理至關重要的溶解氧（DO）含量，啟動水體生態系統發生一種向健康生態系統轉化的根本變化：

一方面，溶解氧提升過程能直接加速將大分子有機物質的氧化分解，將其降解為小分子物質，促使其向無機物轉化；

另一方面，氧化還原電位升高促進好氧細菌和其它功能菌種群的自然擴增，繼而將小分子有機物質轉化成二氧化碳，加速含氮有機化合物的硝化-反硝化過程，分解為氮氣逸出水體，于無聲中增加了自然界的物質循環。

更重要的是，水體中溶解氧含量的提升促進所有含氧生物的生存和繁衍，使因污染而活性低下的水體恢復生機，好氧的高等植物、浮游動物、底棲生物、魚類組成的食物鏈不斷消化、轉化掉水體內的營養物質和有機碎屑，提高透明度，逐步降低水體中的污染負荷，促進物質循環，漸次達到生態功能的恢復、自凈能力的恢復和水質的持續好轉。

（1）對COD 去除機理：將含碳有機物轉化為二氧化碳和水。

（2）對氨氮去除機理，將氨氮轉化為氮氣。

（3）對總磷去除機理

將有機磷轉化為無機磷和小分子的磷，使之易于被微生物和植物等吸收，從而達到降解總磷的效果。

（4）對總氮去除機理

4 治理效果分析及評價

4.1 治理前后照片對比分析

經過十個月治理，水體前后變化照片如下圖2 和圖3 所示。

圖2 治理前照片

從圖可以看出，治理前期發現水體顏色呈黑紅色，水面油污聚集，且散發重度惡臭，且表面存在大量黑色底泥上翻，水體渾濁并且水質的指標較差。

圖3 治理后水體照片

從照片可以看出，治理后，有水體感官有了非常明顯的改善，對提升水體的溶解氧、降低氨氮、COD 等各項指標均有效改善均達到Ⅳ類以上，獲得了較好的水生態恢復成效，出現大量水生動植物，明顯提升了水體的感官效果。也吸引了周邊群眾游玩、垂釣，也得到了當地政府機構的認可與贊揚。

4.2 理化指標分析與評價

溶解氧變化曲線圖4 所示。

圖4 溶解氧變化曲線圖

分析曲線數據變化可以看出，經過十個月的治理，溶解氧上升趨勢明顯，說明光催化產生的氧氣對溶解的提升起到積極作用。

圖5 COD 變化曲線

分析曲線數據變化可以看出，經過十個月的治理，COD 呈下降趨勢，治理過程中由于降雨等原因，短時間上升，但經過光催化降解，COD 又逐漸下降。

圖6 氨氮變化曲線

分析曲線數據變化可以看出，經過十個月的治理，氨氮從18.54mg/l 下降到3.44mg/l，下降了81.4%。

圖7 總磷變化曲線

分析曲線數據變化可以看出，經過十個月的治理，總磷從1.731mg/l 下降到0.299mg/l，下降了82.7%。

綜合分析，治理后氨氮、化學需氧量、總磷含量低于治理前；溶解氧含量明顯高于治理前；透明度明顯提高，綜合分析，通過石墨烯光催技術的治理，河道水質改善明顯。

5 結論與建議

5.1 結論

通過光催化技術在黑臭水體濱江路河治理，分析濱江路河治理區域各項指標，證明已經消除黑臭。在夏季天氣逐漸熱時藍藻等浮游植物的增加，使得水中的氨氮、總磷、COD 等指標反復升降，后經過光催化治理后再次逐漸下降。這一情況也反應了光催化網能夠達到快速增氧，對有毒的有機物快速降解，構建生態系統重新恢復了水體的自動凈化功能，整體來講也對黑臭水體達到了本次消除目標。

5.2 建議

目前，多數科研人員力求對光催化水質凈化技術加大研發投入，分別以材料、工藝、應用等多方面均作出全面研究，包括了催化機理、新型工藝、典型污染物降解效果、生物協同功效、不同地區不同類型水體凈化效果、特殊場合技術應用開發等多項研究。其中趙煥新[4]等人在研究中，分析了石墨烯/TiO2材料能夠處于可見光的照射情況下，光催化亞基藍達到降解活性的效果。商希禮[5]通過展開對石墨烯復合材料的模擬研究，運用于制藥廢水處理試驗，經試驗結果證實在0.5h 的試驗反應時間，便已經完成了催化氧化降解處理，達到了效果最優化獲得85.27%的模擬廢水降解率[6]。目前在石墨烯光催化技術領域的種類還尚且單一，也并未有豐富系統的研究說明最終污染物的去除效率[7]。在本次研究中結合了濱江路河布網段的黑臭水體運用石墨烯光催化技術治理，發現取得良好效果，見效時間較快雖在溫暖天氣有所反復，但是總體來講，光催化技術對治理黑臭河道有極大作用。

結語

目前在石墨烯光催化技術領域的種類還尚且單一，也并未有豐富系統的研究說明 最終污染物的去除效率。在本次研究中結合了濱江路河布網段的黑臭水體運用石墨烯光 催化技術治理，發現取得良好效果，見效時間較快雖在溫暖天氣有所反復，但是總體來 講，光催化技術對治理黑臭河道有極大作用。