新型光催化網水體凈化技術在湖塘靜態水體治理中的應用

李 鵬， 楊 洪， 馬 勤 江

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

我國是水資源相對短缺的國家，669個城市中的2/3缺水或嚴重缺水，湖泊水庫等水體受到的污染程度不容樂觀。隨著城市建設迅猛發展，淡水湖、塘等靜態水體資源受到不同程度的污染沖擊，各類污染物不斷被排入水體中引發一系列問題，如水體中有機物、懸浮物、氮磷含量過高造成的水體黑臭、渾濁和發綠等問題。新型光催化網水體凈化技術作為一種綠色環保技術，能夠高效利用太陽能而不需要任何動力裝置，既節能，又環保，在水體生態修復領域具有良好的應用前景。闡述了新型光催化網水體凈化技術在湖塘靜態水體治理中的應用過程。

2 傳統光催化技術的原理及存在的缺陷

2.1 傳統光催化技術的原理

傳統光催化技術自赫茲發現光電效應到愛因斯坦提出光電效應方程、再到滕島昭發現光電解水的現象并提出“本多-藤島效應”，到如今已經研究了130多年，該技術已廣泛應用于空氣凈化、污水深度處理等領域。常規的光催化技術只有在紫外光的照射下才具有較高的催化效率，包括UV-H2O2、UV-O2、Photo-Fenton以及傳統TiO2光催化技術等工藝[1]。傳統光催化技術原理見圖1。

2.2 傳統光催化技術存在的缺陷

傳統光催化技術只能在紫外光的照射下發生作用。而傳統的光材料在日光利用效率、氮磷削減兩個方面還存在缺陷，因此，提高該項技術的實用性必須進行有針對性的技術開發和升級。

圖1 傳統光催化技術原理圖

3 新型光催化網水體凈化技術的原理及優點

3.1 技術原理

(1)新型光催化網水體凈化技術在可見光驅動的光催化系統開發中采用二維結構可見光催化技術。新型光催化網基材由超細PP絲繩編制而成，再采用特殊工藝涂覆多層特殊材料，這些材料由光敏材料、載流子高效轉移石墨烯材料[2]和具有量子尺寸效應的光催化材料組成，共同構建了可見光紅外響應的復合層狀光催化材料系統。新型光催化網水體凈化技術可以通過日光激發光敏材料，該材料體系能夠分解水制氧、產生氧化活性物質，從而使水中溶解氧增加、阻礙厭氧菌分裂繁殖、催化降解有機污染物。新型光催化網水體凈化技術的工作原理見圖2。

圖2 新型光催化網水體凈化技術工作原理圖

(2)當系統接收到日光照射時，可見光敏材料會迅速產生光生空穴(h+)與光生電子(e-)，二維材料可以抑制h+和e-的復合，h+與H2O反應生成羥基自由基(·OH)，e-與O2反應生成·O2-。而h+、·OH與·O2-統稱為活性氧物質[3]，該活性氧物質能氧化分解有機污染物、破壞細胞膜而達到殺菌的目的。光催化材料利用特殊工藝與光敏感材料進行有機結合，與局域表面等離子共振、提升材料體系的可見光響應強度，新型光催化網可以在可見光條件下使有機污染物降解并提高其溶解氧，能夠恢復水體的自凈能力。

(3)新型光催化網水體凈化技術將石墨烯和多種納米材料進行有機結合，解決了常規技術中光生電子比較容易復位、利用效率低以及只能在紫外光的作用下發生催化效果的問題[4]。該技術將光催化的效率提高了3倍以上，并將光譜的相應范圍擴展到可見光甚至近紅外光，實現了可見光下即能實現對有機物光催化氧化降解，進而大大提升了光催化效果。

(4)新型光催化網水體凈化技術在實際應用時，除了能解決凈化材料日光響應問題外，還提高了材料對水中氮磷等營養物質的削減能力。通過涂覆催化材料的功能纖維與富集纖維表面的水體原位土著微生物結合，實現了光催化削減有機物和生物凈化氮磷優勢互補，逐步恢復水體生態的優良環境，促進水體生態系統良性發展。

3.2 技術特點

(1)利用太陽能，節能環保。新型光催化網水體凈化系統不需要動力裝置，其利用太陽光，不消耗其它動能，節能環保。

(2)施工與維護簡便。新型光催化網水體凈化技術施工簡單、維護簡便，可短時間快速布置于大面積水域。

(3)無二次污染，生態性強。 新型光催化網水體凈化材料自身不易消耗，耐受性強，生態性強，能有效改變水體中的藻類構成，降低了水藻類生物量，能夠促進水體生態系統向健康方向發展。

(4)引領水體生態，促進水體生態自凈能力強。新型光催化網水體凈化技術能改善水體微環境，引導水體生態自主修復，能降低水體內分泌干擾物、抗生素、藻毒素等微量有機物，恢復水體生態自潔凈能力。

(5)見效快。新型光催化網水體凈化技術降解有機污染物非常快，15～20 d即能使水質發生明顯變化。

(6)穩定持久，維護費用低。新型光催化網水體凈化系統能長效運行，其建立后穩定持久，耐污、耐候性強，抗雨能力強，使用壽命長，維護成本低。

(7)光敏材料使用時效長。新型光催化網在待處理水體中浸泡一個月后其脫色降解效果下降幅度不超過10%。

(8)負載強度高。新型光催化網的牢固度通過涂層硬度測試，將材料負載于相同材質平板上，采用鉛筆法測定其硬度，放入待處理水體中浸泡一個月后其硬度下降不超過1 H(ISO15184鉛筆試驗淀定漆膜硬質單位)。

3.3 創造性和先進性

新型光催化網水體凈化技術的先進性和創造性見表1。

表1 新型光催化網水體凈化技術先進性和創造性匯總表

4 新型光催化網水體凈化技術的應用路線

4.1 應用領域

新型光催化網水體凈化技術應用領域寬廣，其主要用于因缺氧或少氧引起的生態變異、有毒有機物質污染造成的黑臭水體治理，具體可應用在：(1)利用新型光催化網水體凈化技術中的石墨烯光催化氧化原理治理被污染的黑臭河道、湖泊、港灣、水庫等一切水體。(2)工業VOC廢水凈化處理[5]。(3)土壤修復。(4)垃圾滲漏液達標處理。(5)人工濕地有效固定植物根系。

4.2 技術路線

4.2.1 原位修復、生態治淤體系建設

為解決靜態水體內源污染問題，未采用清理靜態水體底部污泥的方式，而采用生態治淤方式原位消解底泥。運用微生物、光催化網和水下森林“三位一體”的方式進行原位修復底泥，有效降低了清淤成本且能保持長效穩定不釋放，最終確保水體不受污染。

4.2.2 采用沉水植物搭建水下森林生態系統

(1)提前采用人工干預建立“草型”生態系統，構建水下森林。沉水植物是水體從浮游植物濁水態轉換為以大型植物為優勢的清水態的關鍵，其能極大程度提高水體的透明度及感觀，同時又具有對營養鹽的吸收及化感作用，對水體藻類具有抑制作用。

(2)沉水植物對水體中的氮、磷等污染物有較高的凈化率，可固定沉積物、減少再懸浮，降低水體內源負荷以起到水質凈化作用。

(3)沉水植物以選擇凈化能力強、景觀效果好、后期維護簡便的矮生苦草為主，其不會長出水面。

4.2.3 生物控藻構建水生態系統

(1)水生動物的選取。水生動物可選取魚類、底棲動物、蝦類及濾食性浮游動物。

(2)水生動物控藻原理。通過濾食浮游藻類，有效控制藍藻水華，再通過藻類營養轉化N、P，最后以魚產量形式得到固定，進而達到凈化水質的目的。同時配合沉水植物投放魚類、蝦類、貝類、螺類、蚌類以及浮游生物，完善水生態系統食物鏈結構以實現水體生物多樣化，提高水生態系統的穩定性。

4.2.4 景觀系統的提升

(1)景觀效果的提升主要采用“種植平臺+花鏡水生植物”模式，用以消除硬質垂直駁岸的負面影響。在靜態水體駁岸邊設計種植平臺，用植株高大、景觀效果好的水生植物遮擋駁岸。

(2)水生植物的選取及搭配應結合靜態水體岸上景觀，在水中選擇浮葉植物，如荷花、睡蓮；對岸邊種植平臺選擇美人蕉、再力花、旱傘草、藍花草等易于成活與維護的水生植物以提升整體景觀效果。

4.3 實例

以深圳市龍崗區坂田街道楊美社區布龍路南側的楊美水塘靜態水體治理工程為例。

4.3.1 工程概況

楊美水塘的水體面積約為800 m2，四周為硬質垂直駁岸，周邊綠化以芒果樹和榕樹為主，景觀單一。水中總磷TP、氨氮NH3-N、COD濃度分別為0.54 mg/L、12.65 mg/L、40.7 mg/L，屬于劣Ⅴ類水質，現狀水體透明度≤10 cm、水體發黑發臭等問題突出。楊美水塘整治前的水體狀況見圖3。楊美水塘西側岸邊修建有部分外圍截污措施，但仍存在少量餐飲廢水滲入水體等情況。

圖3 楊美水塘整治前的水體照片

4.3.2 工程目標

(1)近期目標：2個月內水質指標達到V類標準，透明度達到60 cm以上，4個月水體透明度達到120 cm以上。

(2)遠期目標：水體恢復自愈自凈功能并保持長久穩定，藻類不再爆發，透明度保持恒定。

4.3.3 工程特點

(1)點源污染多。楊美水塘周邊多為燒烤、農家樂等餐飲，戶外攤位導致油污、生活垃圾較多，降雨后存在污染水體的風險。

(2)水體藻類多。楊美水塘水體渾濁，垃圾漂浮多，水體已初期水華，藻類非常多，容易復發。

(3)內源污染嚴重。楊美水塘底泥深厚，內源污染嚴重。

4.3.4 問題分析

(1)魚類的影響。①楊美水塘魚類單一且量大，羅非魚成群結隊覓食大幅度攪動底泥，嚴重影響水體的透明度，同時導致系統失衡。②該魚種屬南方特色入侵物種，繁殖能力超強，徹底清理后不到2個月其又瘋狂占領水體。

(2)水體水華，藻類爆發。深圳全年普遍高溫，高溫藻類活性大增，光合作用強，藻類瘋狂爆發，死亡的藻類不斷釋放出有害物質，導致水質極差。

(3)內源污染嚴重。①楊美水塘多年沉淀著大量樹葉、魚類尸體及周邊生活污水等，導致底泥淤積嚴重，內源污染不斷釋放。②淤泥在高溫下消耗水體溶氧，而氧化分解、有機物源源不斷釋放到水體中導致水體富營養化、透明度降低。

4.3.5 應對措施

(1)近期采用人工捕撈羅非等魚種，遠期投放肉食性魚類制衡，完善食物鏈。

(2)采用人工先處理污染源，遠期構建生物控藻系統，完善水體系統自凈。

(3)采用沉水植物構建水下森林，利用沉水植物根系錨固并覆蓋底泥。

(4)有針對性地對楊美水塘排泄口和雨水匯入口進行預處理。

4.3.6 施工方法及控制要點

(1)技術路線。①通過對施工方法及其他指標進行比選，該項目最終選擇“新型光催化網+水下森林”法，所取得的結果既有水下森林的景觀效果，也能解決單一生物法存在的短板。②采用以新型光催化網、水體生態系統食物鏈和水下森林技術為主，配套其他環境友好生態技術為輔的綜合治理技術，多管齊下，因地制宜，實現楊美水塘內水體良性發展。

(2)施工步驟。施工準備→種植平臺砌筑→生態治淤→根控器布置→沉水植物種植和新型光催化網安裝→水生動物投放→挺水植物種植→施工完成。①種植平臺的砌筑。結合楊美水塘的周邊環境砌筑種植平臺，其外裝采用景觀置石，結構采用磚砌，內部就地取材直接利用水塘底泥填充。②生態治淤。采用微生物對底泥進行分解，以避免后期青苔和藍藻爆發。③根控器的布置。針對部分根系蔓延性強的植物，先將根控器埋在楊美水塘底泥內。④沉水植物的種植和新型光催化網的安裝。根據深圳龍崗區的氣候特點，沉水植物以矮生苦草為主。先進行沉水植物的種植，再逐步進水、但不能太快，水位到達設計位置后布置新型光催化網，最后再將水位抬升至楊美水塘的正常水位線。⑤水生動物的投放。在沉水植物種植完成1個月后，待沉水植物生長穩定后先投放底棲動物，然后投放魚類。⑥挺水植物的種植。待水位達到特定要求后，再種植平臺內的挺水植物。

(3)施工控制要點。①魚類清除一定要徹底：先將水排干，再清除魚類。②避免交叉作業影響：先無水施工作業，后帶水施工作業、沉水植物在其他安裝分項工程完成后進行。③沉水植物苗佳、種植規整：對沉水植物的高度統一選取10～15 cm，顏色翠綠、無蟲害，種植區域不留空缺，種植一定要確保橫平豎直。④水位的控制一定要精準：一切以沉水植物為核心，確保其成活率，初期水位以沒過植物10 cm為最佳，保持半個月至植物成型穩定。期間如果有降雨，一定要及時抽排，嚴格控制水位。⑤水體透明度需保持一定水平：沉水植物種植后出現藻類爆發和SS增加時，一定要及時通過生物或物理藥劑消殺進行調節，同時安排維護管養人員定期管養、保潔，減少垃圾、落葉、沉水植物斷枝漂浮。

4.3.7 功效分析

(1)水體透明度。 新型光催化網水體凈化技術在該工程實施完3 d后水體顏色出現明顯變化，從原來的墨色變成灰綠色，其后的兩周時間水體持續變化，約三周時間后水體變得較為清澈，一個月后水體透明度從原來的≤10 cm變成≥120 cm，三個月后水體透明度持續穩定在≥150 cm。楊美水塘水體治理后的水質情況見圖4。

圖4 楊美水塘水體治理后的水質情況

(2)水體溶解氧。新型光催化網的材料功能除了能直接氧化分解部分污染物外，還能顯著提高水體中的溶解氧。楊美水塘初始溶解氧幾乎接近0 mg/L，采用新型光催化網、水體凈化技術施工后3 d內水體淺層溶解氧均提升至4 mg/L左右，一個月后淺層溶解氧達到10 mg/L以上。

(3)水體檢測指標。新型光催化網水體凈化技術在該工程實施后，水塘內的高錳酸鹽、COD、氨氮、總磷等指標出現大幅度下降，水質從原劣Ⅴ直至最終穩定到Ⅳ類水標準。水體淺層和深層平均值指標的具體變化為：①高錳酸鹽指數從19 mg/L下降到3.8 mg/L。②COD濃度從40.7 mg/L下降到0 mg/L。③氨氮從12.65 mg/L下降到1 mg/L。④總氮從21.126 mg/L下降到1.2 mg/L。⑤總磷從0.54 mg/L下降到0.1 mg/L。⑥懸浮物從22.4 mg/L下降到7.2 mg/L。

4.4 推廣前景

我國水體污染的嚴峻形勢給推廣新型光催化網水體凈化技術提供了廣闊空間：

(1)河道水體污染治理的前景十分寬廣，河道水體的治理對國民經濟發展能起到巨大的推動作用。

(2)我國三大湖(洞庭湖、鄱陽湖、太湖)、滇池、洪澤湖等湖泊的水體污染程度不容樂觀，急需治理。

(3)隨著經濟快速發展，淺水港灣等水體受到的污染將愈發嚴重。而淺海灘涂經濟對沿海城市、農村而言均十分重要，水體治理刻不容緩。

(4)內陸咸水湖是我國鹽化工業的重要基地，近年來其污染亦較普遍。咸水湖的治理對我國整體經濟至關重要。

(5)新型光催化網相比其他同類技術的光敏材料日光利用效率更高，其僅依靠自然光照射即能達到同等處理效果，從而為土壤、空氣治理提供了一種全新的革命性方案。

5 結 語

該工程應用新型光催化網水體凈化技術取得的效果表明：采用該技術治理湖塘等靜態水體，能夠在短時間內消除水體的黑臭，從而有效地治理已經污染的水體，還原一個清潔和諧的自然生態環境。鑒于湖塘等靜態水體治理及城市黑臭水體的治理對改善居民生活環境、樹立良好的城市形象、實現城市水體的娛樂休閑功能具有重要的意義，因此，發展并應用新型光催化網水體凈化技術成為必然。