治污新材料:立体治水“标本兼治”

来源:旗帜网  2018年12月10日14:48

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。

除围绕黑臭水体本身“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。(中国科学院上海硅酸盐研究所首席研究员 黄富强)

(责编:马媛、张莉)