城市黑臭水體成因及修復(fù)治理技術(shù)的研究

胡增寶 （安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

由于城鎮(zhèn)化的飛速發(fā)展，城市基礎(chǔ)建設(shè)不足，大量污水排放至城市水體，出現(xiàn)水體黑臭的現(xiàn)象[1]。水體黑臭不但使水體自凈能力退化，而且散發(fā)的臭味給人帶來極差的感官體驗(yàn)，甚至影響人們的正常生活，大大影響城市環(huán)境。目前，全國范圍內(nèi)對(duì)黑臭水體的形成機(jī)理、理化分析和修復(fù)技術(shù)已有諸多的研究，并在促進(jìn)水體自凈方面有較大的突破，但依舊存在一定的不足，如底泥無法完全處理、無法滿足長期水質(zhì)要求等。故本文對(duì)黑臭水體的成因、機(jī)理以及修復(fù)方法進(jìn)行概括，重點(diǎn)闡述生物修復(fù)法在黑臭水體中的應(yīng)用。

1 黑臭成因

1.1 外源污染的影響

外源污染主要指有機(jī)物、氮、磷以及部分Fe、Mn等污染物進(jìn)入水體后，微生物對(duì)其進(jìn)行氧化分解時(shí)水中溶解氧消耗速度大于其恢復(fù)速度，導(dǎo)致水中溶解氧含量減少，使水體處于厭氧和缺氧狀態(tài)[1]。此時(shí)，厭氧微生物菌的繁殖促進(jìn)污染物厭氧分解，產(chǎn)生的S2-與Fe2+、Fe3+、Mn2+結(jié)合產(chǎn)生致黑物質(zhì)附著于懸浮物上，其次產(chǎn)生H2S、N2等氣體使水體散發(fā)異味[3]。

1.2 內(nèi)源污染的影響

由于底泥中有機(jī)物、氨氮、磷以及重金屬等遠(yuǎn)高于上覆水體中的濃度，主要集中于0～80cm，在底泥和上覆水之間存在有機(jī)物、氮、磷等物質(zhì)交換和能量交換的動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)水體遇到暴雨或者人為干擾，底泥中的污染物通過去吸附、溶解和生物分解過程進(jìn)入上覆水體中，造成二次污染。王育來[4]等研究表明，底泥的表面沉積物中離子交換態(tài)氮（IEF-N）含量越多則釋放到水體中溶解有機(jī)氮（DON）含量也越多。

1.3 水體動(dòng)力不足和熱污染

城鎮(zhèn)水體多呈流速慢、河道彎曲，這種特性導(dǎo)致水體動(dòng)力不足，易產(chǎn)生垃圾、污泥等固體的滯留和淤積。日積月累，不但降低水體循環(huán)能力導(dǎo)致自凈能力減弱，而且影響河道的排澇能力，使城市在雨季易出現(xiàn)城市內(nèi)澇等現(xiàn)象。

溫度較高的工業(yè)廢水和生活污水排入城市水體，造成微生物活動(dòng)頻繁，使水中溶解氧減少，造成水體黑臭[3]。

2 安徽省黑臭水體現(xiàn)狀

安徽省設(shè)區(qū)市建成區(qū)共有黑臭水體226個(gè)。截至2018年底，已完成整治198條，黑臭水體消除比例為87.6%，合肥市、池州市、宣城市基本完成黑臭水體治理任務(wù)。計(jì)劃到2020年底，設(shè)區(qū)市建成區(qū)黑臭水體基本消除，建立城市黑臭水體治理長效機(jī)制。由于治理后的黑臭水體受溫度以及水體周圍環(huán)境影響較大，管理監(jiān)測(cè)不當(dāng)易出現(xiàn)返黑返臭現(xiàn)象，蕪湖市已完成整治的46條黑臭水體中有15條出現(xiàn)返黑返臭現(xiàn)象。

安徽省北為廣闊平原、南部為丘陵山脈，南北地形相差較大，所以南北黑臭水體治理方法有所不同?？傮w以“控源截污、內(nèi)源治理、生態(tài)修復(fù)、補(bǔ)水活水、長效治理”的有效途徑為主，實(shí)施黑臭水體整治工程。

3 常見黑臭水體治理方法

3.1 物理方法

3.1.1 調(diào)水沖污

通過水體置換，用清潔干凈、低營養(yǎng)的水體更換受污染水體，亦或增加河道的進(jìn)水量將原受污染水體沖刷出去。調(diào)水沖污主要是通過稀釋水體中污染物并增加水體流動(dòng)性，達(dá)到降低有機(jī)物、氮、磷等濃度。此方法適用于面積較小的水庫、湖泊，會(huì)造成污染物轉(zhuǎn)移。水體流動(dòng)主要通過分散作用降低黑臭水體中有機(jī)污染物及Fe2+、S2-濃度，流速增加對(duì)降低黑臭水體邊緣較大區(qū)域的污染效果明顯[5]。

3.1.2 控制截污

通過控制或者清除污染源達(dá)到截?cái)辔廴舅w的目的。由于城市建成區(qū)的地下管線復(fù)雜、地面建筑擁擠、路面狹窄，城市建成區(qū)完全雨污分流工程難以實(shí)施[6]?？刂平匚蹠r(shí)不但需要將原有排污口關(guān)閉，還需要對(duì)水體附近垃圾堆放點(diǎn)及時(shí)處理，并在河道兩側(cè)敷設(shè)截污管道，對(duì)初期雨水進(jìn)行收集處理。此方法適用于城市河道、湖泊等，但是工程量大且實(shí)施周期長，資金耗費(fèi)高。

3.1.3 清淤疏浚

將黑臭水體中受污染的底泥、垃圾、生物殘?jiān)瘸练e物進(jìn)行清除，以達(dá)到減弱水體受內(nèi)源污染的影響。底泥疏浚主要有以下3種方法[7]：①機(jī)械直接抽取水體底部含有污染物的沉積物；②將水體中上覆水排干后再進(jìn)行底泥清除；③環(huán)保清淤。在進(jìn)行清淤時(shí)注意控制清淤深度，保護(hù)下層底泥不受破壞，避免破壞原生態(tài)系統(tǒng)的完整。清淤疏浚方法適用于所有水體，但是會(huì)造成污染物的轉(zhuǎn)移，易造成水體二次污染。

3.1.4 增氧曝氣

通過曝氣設(shè)備將空氣或氧氣引入水體，有機(jī)械曝氣、跌水、噴泉、射流等形式。此方法建設(shè)成本低，短時(shí)間內(nèi)可大幅提高水體的DO（溶解氧）含量，從而促進(jìn)水中的有機(jī)物分解且適用于大多數(shù)水體，但是需要消耗大量能源且不利于上覆水中懸浮物沉積。增氧曝氣對(duì)治理黑臭水體的效果與曝氣方式、曝氣量、曝氣溫度、曝氣位置均有關(guān)系[8]。Liu Zhu[9]等發(fā)現(xiàn)將污染水體復(fù)懸浮后曝氣沉降，可促進(jìn)水體中污染物分解，并有效降低底泥厚度。

3.2 化學(xué)藥劑

使用化學(xué)氧化劑（H2O2、CaO2等）、化學(xué)絮凝劑（Al鹽、Fe鹽等）、化學(xué)沉淀劑（CaO等），促進(jìn)水體中污染物氧化并增加水體中DO含量，絮凝、沉淀上覆水體中懸浮有機(jī)物污染物，提高水體透明度。CaO2在黑臭水體中主要發(fā)生下列反應(yīng)：

2CaO2+2H2O=2Ca(OH)2+O2↑

CaO2+2H2O=Ca(OH)2+H2O2

反應(yīng)方程式表明化學(xué)氧化劑在反應(yīng)中即向水體供氧氣，增加水體DO的濃度，且產(chǎn)生強(qiáng)氧化劑H2O2，進(jìn)一步促進(jìn)水體中難分解有機(jī)物的氧化[10]。

翟永清[11]等在實(shí)驗(yàn)室條件下，通過硫酸亞鐵（FeSO4）催化—過氧化鈣（CaO2）氧化對(duì)染料廢水進(jìn)行處理，表明染料脫色率達(dá)到100%，COD去除率到達(dá)90%以上，Cd2+、Pb2+、Cu2+、Mn2+、AsO2-等重金屬去除率可達(dá)到99.9%。徐垚[12]等將CaO2以注射、覆蓋、混勻3種方式投加在底泥中，結(jié)果表明CaO2加快了有機(jī)磷的礦化速度使內(nèi)源磷持留能力增強(qiáng)，且注射方式對(duì)底泥內(nèi)源磷釋放具有抑制作用。徐斌[13]等將CaO2和MgO2進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)CaO2釋氧效率更高，對(duì)氮磷去除效果更好。魯秀國[14]等自制聚硅酸氯化鐵（PFSC）試驗(yàn)中，當(dāng)PFSC的投加量為600ml/L，黑臭水體PH值為8.4時(shí)絮凝效果最好，水體中COD去除率達(dá)到59.1%，濁度去除率達(dá)到92.5%。諸多研究表明，化學(xué)藥劑可在短期內(nèi)對(duì)水體中COD、TP及濁度達(dá)到高效去除，但在實(shí)際水體處理中無法對(duì)黑臭水體底泥進(jìn)行有效改善，無法用做長期持續(xù)治理的方法。化學(xué)藥劑的使用會(huì)增加水體中的污泥量，有毒污泥處理不當(dāng)會(huì)造成二次污染。

3.3 生物修復(fù)法

生物修復(fù)是通過特定的微生物、植物等在好氧或厭氧條件下加速對(duì)水體中污染物的自然降解，使污染物不對(duì)水體環(huán)境造成破壞。

3.3.1 微生物制劑修復(fù)技術(shù)

向污水中投加對(duì)污染物具有較強(qiáng)降解能力的微生物菌或促進(jìn)土著微生物生長藥劑，以增強(qiáng)水體中微生物的生長與代謝，達(dá)到對(duì)底泥原位修復(fù)的作用。該技術(shù)治理效果顯著、反應(yīng)過程穩(wěn)定且操作簡單，但需要根據(jù)水質(zhì)變化對(duì)微生物菌種類和投加量進(jìn)行調(diào)整，適用于流動(dòng)緩慢的水體。微生物制劑主要以乳酸菌、絲狀菌等組成。杜聰[15]等研究表明微生物制劑對(duì)黑臭水體的上覆水和底泥有顯著的處理效果，上覆水中的COD、TN、NH3+-N去除率均達(dá)到85%以上，底泥厚度平均下降1.4cm。尹莉[16]等利用硝化菌、反硝化菌、除磷菌、COD降解菌等制備固定復(fù)合菌，并與液態(tài)菌、粉狀菌進(jìn)行黑臭水體處理對(duì)比，結(jié)果證實(shí)固定復(fù)合菌的處理效果更好，且氨氮的去除率可達(dá)到97%。

3.3.2 水生植物修復(fù)技術(shù)

人工濕地和生態(tài)浮島均是通過水生植物分解和吸收污水中污染物，達(dá)到凈化水體的技術(shù)。人工濕地主要通過基質(zhì)截留吸附、水生植物根系吸收、微生物降解協(xié)同作用去除水體中有機(jī)物和氮磷[16]。生態(tài)浮島是在基質(zhì)或者載體上無土培養(yǎng)水生植物對(duì)污染水體進(jìn)行凈化。李真[17]等研究表明，垂直流人工濕地對(duì)黑臭水體中磷去除可達(dá)到58.13%～83.25%，且當(dāng)填料中Fe3+含量增加時(shí)，去除效果更好。但是水生植物對(duì)黑臭水體中污染物去除隨季節(jié)變化大。夏季水體溫度較高時(shí)，去除率較高；冬季水體溫度較低時(shí)，去除率低且枯萎后的植物不及時(shí)處理，易造成二次污染。

3.3.3 生物膜技術(shù)

生物膜技術(shù)是目前使用比較廣泛的生物修復(fù)技術(shù)，主要是由填料上附著大量微生物菌落及其代謝產(chǎn)物等形成的生物膜凈化污水。生物膜具有有機(jī)物去除效率高、高負(fù)荷工作、污泥量少等特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，填料掛膜情況和水力停留時(shí)間主要決定生物膜處理效果。最新的研究表明，碳素纖維生態(tài)草作為填料效果好于阿科蔓，對(duì)COD的去除達(dá)到76.31%，對(duì)NH3-N的去除可達(dá)到76.68%[18]。

3.4 組合工藝法

由于單種處理方法受環(huán)境影響較大、需要根據(jù)水質(zhì)不同變化藥劑投加量、無法標(biāo)本根治黑臭水體等原因。目前，多種工藝相組合成為黑臭水體治理的新的方向。金承翔[19]等用曝氣充氧+微生物+水生植物+生物促升劑技術(shù)修復(fù)黑臭水體，COD去除率可達(dá)80%左右，BOD和NH3+-N的去除率達(dá)到90%以上。段云霞[20]等通過控源截污+曝氣充氧+微生物治理+生態(tài)浮床+補(bǔ)水活水以及投放水生動(dòng)物等工藝組合，處理后的水質(zhì)可達(dá)到V類地表水指標(biāo)。

4 結(jié)語

城市黑臭水體是目前環(huán)境污染中重點(diǎn)突出的問題，各個(gè)地區(qū)的黑臭水體因污染源不同，水體中污染物的種類、比例也不盡相同。針對(duì)各地的黑臭水體應(yīng)因地制宜，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐暮＞d城市建設(shè)合理控制截污處理初期雨水，禁止點(diǎn)源污染排放，再選取適宜的治理修復(fù)方法對(duì)水體進(jìn)行修復(fù)，防止水體二次污染，避免返黑返臭，加強(qiáng)監(jiān)管力度保證黑臭水體治理工程長期有效進(jìn)行。