基于调控掺杂纳米金刚石薄膜电极组合系统的“协同超净化水体-底泥共治技术”
来源项目
国家自然科学重点基金项目（项目批准号50730008，项目题目：场效应纳米器件中表面/界面的行为与控制，执行年限2008,01-2011.12）
技术分类
水污染防治-河湖流域
适用对象及范围
技术是一种水体和底泥原位治理修复技术，适用于开放式接触阳光和一定停留时间的水域，比如湖泊、水库、河道等。治理水体，从几十万平米到几十平方公里。技术可以单独发挥作用，也可以作为系统工艺的其中一环。
解决的难点问题
利用气相等离子技术解决了结构掺杂调控纳米金刚石薄膜生产过程中的大尺寸衬底与均匀性挑战、增强界面附着力、避免薄膜出现空洞缺陷等问题。以泡沫镍金属材料为基质，以高纯气体为原料，调控掺杂制备纳米金刚石薄膜半导体和表面与氢原子结合（氢端基金刚石），使其导带底位于真空电子能级以上约0.8-1.3eV的位置，具有负电子亲和势特性。以结构掺杂调制的纳米金刚石材料为核心的电极装置，利用材料的负电子亲和势性能，在弱电场的驱动下向水中释放大量游离电子（动能近似为零，势能为自由电子能级）。掺杂调控通过纳米晶粒尺寸效应、晶界重构、缺陷工程、能带裁剪、界面优化等协同机制，使纳米金刚石薄膜的NEA特性从理论优势转...
基本原理
系统浸没于水中，在低压电场的驱动下，负亲和势表面的大量电子释放到水中，将水体中络合物离散为纳米点，纳米点高效吸收太阳光光子发生光解和光催化反应。同时，底泥中的有机污染物也会逐渐离散，释放出厌氧菌产生的臭气，水中的活性氧逐渐渗透到底泥内部，部分有机污染物也成为水生动植物的饵料。最终，通过游离电子与阳光协同作用，提升溶解氧浓度，降解水体和底泥中有机污染物，激活土著菌群活性，恢复流域生态环境。
技术描述（创新点及优势）
（1）面积大：通过合理装置布置，实现大流域治理；（2）环境优：无需添加化学药剂，无二次污染，激活土著菌群，恢复水体自净能力；（3）费用省：省空间省人力，无需清淤即可治理内源污染，装置安装方便，能耗低，100W功率；（4）见效快：水质达标较快，一般1～3个月提升一个水质等级，6～9个月底泥污染实现降解。
技术推广应用情况
迄今为止，本技术已经实施了近百个水环境治理项目，实际案例证明，本技术是一项符合国家美丽河湖政策、可以实现水和底泥共治、流域性生态修复技术。已经完成项目，初步包括：湖泊治理：大庆大明湖（2平方公里），河北衡水湖湾区（3平方公里），异龙湖（36平方公里）等；水源地：四川某水源地（水库）等；湿地修复：白洋淀尾水渠大清河生态修复等；蓝藻抑制：苏州元荡蓝藻治理（2平方公里），太湖十八弯蓝藻治理（2平方公里）等；黑臭河道治理：惠南镇园西小河，湖北汉川黑臭河道治理（5公里）等；流域河道：淮北新北沱河断面达标项目，浙江某河道断面达标项目（20km/Ⅲ类水），安徽滁州清流河等。本技术为开放式水域的河湖生态整理治理修复，提供了一种周期短、治根本的技术路线。治理过程中，将装置安装于水体之中，没有添加任何化学药剂或者菌剂，因此，不会产生二次污染，可以在较短时间内，实现治理水域的水体和底泥共治，激活土著菌群，构建生物多样性，恢复河湖生态。
应用案例名称
滁州市清流河水质改善项目
案例地址
安徽省滁州市南谯区
案例规模
河道总长8km，河宽50-100m；确保治理区域河道水质，达到地表Ⅲ类水。
项目投运时间
2023-08-01
验收情况
2024年8月5日，项目顺利验收。
工艺流程
本项目在河道中安装16组装置，装置安装没过水面以下，漂浮于水体之中，装置功率100w以下。在外部电流的导入下，外部导线自由电子，通过负电子亲和势性能的薄膜，逐步扩散到水体之中，自由电子动能为零，势能高。这种自由电子可以将水体和底泥的有机络合物进一步离散，形成尺寸较小的纳米点，同时也会将水分团簇变小，水体溶解氧提升。尺寸变小的纳米点逐步上浮于水面，当免费的太阳光能照射到水体表面的纳米点时，光子能量将纳米点汽化分解，一部分污染物转变为二氧化碳、氮气等离开水面，同时，氧气留在水体之中。随着有机物的逐步减少，以及溶解氧的提升，生境逐步改善，有一部分有机物，也会成为生态构建过程中的饵料。实现项目区域的水和底泥共治，流域生态修复。
本项目中的装置功率100W，运行电压小于36V，运行电流0-6A。地表水体或者微污染水体，污染浓度较低，装置低电流运行；污染较重水体或者治理底泥时，装置较高电流运行，确保更多自由电子进入水体之中。装置尺寸1.0m*1.0m*1.2m，安装于水面20cm以下，悬浮于水体之中，不能接触底泥。
装置治理范围：河道装置上下游200m，湖泊装置半径200-300m水体。河道项目有一定流速时，装置安装位置往上游倾斜，确保自由电子流入下游治理区域，发挥作用。
污染防治效果和达标情况
本项目，在8km河道区域，安装16组装置，每组装置1立方大小。装置安装一个月后，河道水质由地表Ⅳ水，逐步提升到Ⅲ类水，后续项目周期内，稳定维持在地表Ⅲ类水，达到业主考核要求。同时，项目治理周期内，河道透明度提升为60cm，相比于其他河道，项目治理范围内，也没有爆发蓝藻堆积以及异味产生。河道底泥也得到治理，由黑色向自然土壤颜色改变，河道两岸的生物多样性增多，小鱼、小虾爆发，新的鸟类物种在岸边栖息。项目实施后，即满足了生态环境部的考核水质要求，同时也成为老百姓钓鱼、亲子游玩场所，实现了让鸟儿自己飞过来、让鱼儿自己游过来的生态修复目标，具有非常显著的环境效益和社会效益。
二次污染治理情况
项目实施，没有带来二次污染，实现了流域河道生态环境修复，符合美丽河湖建设要求。
碳排放情况
本项目装备安装简单，无需大型安装装备，周期快。同时，河道水质从四类提升至三类，构建了复合生态系统，生态系统的修复会带来显著碳汇增量。水质改善后，河道内浮游植物、水生维管束植物（如芦苇、菖蒲）的生长环境优化，通过光合作用吸收CO₂，提升河道的然净化能力，从源头上降低了碳排放。
能源、资源节约和综合利用情况
本技术在净化水质、底泥治理和蓝藻抑制方面，具有减排方面的显著效益。初步估算，每组装置1年用电0.05kw*24h*360d/年=438度。1度电耗标准煤0.4kg，产生二氧化碳0.997kg。净化水质的节能减排方面，与传统的、清淤、除藻技术相比，本技术装置使用过程中，1套装置可节电（包括净化水体和清淤2方面）12701+6738=19439度，相应节煤7776kg、减排19381kg。
投资费用
项目投资约800万元。以技术服务模式进行，确保河道考核段的水质达到治理要求，治理过程中的装置使用数量、安装运维、人员费用均由企业承担。
运行费用
装置主要是将自由电子释放到水体之中，降解污染物的能量来自于免费的太阳光清洁能源。装置日常工作能耗较低，装置功率100w，实际日常工作功率50w左右，每组装置每天消耗不到1度电。
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