我國黑臭水體的成因分析與綜合治理技術

唐晶，龐維海，林常源，黃婧，解昊，廖勇

(1.江蘇中車環(huán)保設備有限公司，江蘇 常熟 215500；2.同濟大學 環(huán)境科學與工程學院，上海 200092)

隨著經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展及城市人口的不斷增長，通過點源、城市與農(nóng)村面源、水體內(nèi)垃圾沉積物等產(chǎn)生的污染遠遠超過水體的自凈容量，導致城市建成區(qū)或城郊結合部水體黑臭普遍存在。根據(jù)住建部和環(huán)保部聯(lián)合于2016年2月5日公布的第一輪全國黑臭水體排查結果顯示，僅有79座全國地級及以上城市沒有發(fā)現(xiàn)黑臭水體；其余216座城市中，共排查出黑臭水體1 861個，有超過七成的城市存在黑臭水體。

為探究我國城市水體存在黑臭問題的原因，尋找改善水體質量的方法，本文從分析黑臭水體污染源出發(fā)，闡述黑臭水體治理的關鍵技術，結合我國城市黑臭水體治理工程實踐，分析治理技術的綜合利用效果，以期為我國城市黑臭水體治理提供技術支撐。

1 城市黑臭水體成因分析

黑臭水體一般指因過量納污而導致溶解氧低于2.0 mg/L，進而發(fā)黑發(fā)臭的水體，其水質通常低于地表水環(huán)境質量標準V類水質標準，水體透明度低，呈現(xiàn)異樣顏色。位于人口密集的城鄉(xiāng)結合部、城市建成區(qū)及縣城等區(qū)域內(nèi)的水體多呈黑臭水體。

1.1 外源污染物的排放

外源污染是導致城鎮(zhèn)水體黑臭的罪魁禍首，城市污水、工業(yè)廢水、合流制溢流污水、村鎮(zhèn)污水和地表徑流等是外源污染的主要組成部分[1-3]。外源污染物的分解過程，會伴隨著大量的溶解氧的消耗。當水體處于缺氧或厭氧狀態(tài)后，厭氧微生物就會大量繁殖。厭氧微生物分解有機物，會產(chǎn)生大量致黑致臭物質，從而引起水體發(fā)黑發(fā)臭。

(1)城市污水。目前我國城市包括村鎮(zhèn)都建設有污水處理廠，從處理水量來看很多城市的污水處理率都超過90%，但由于排水管網(wǎng)的設計、施工和運行維護問題，污水排放系統(tǒng)與雨水排放系統(tǒng)存在各種混接、亂接、錯接現(xiàn)象，加上排水管道質量問題，導致排水管道變形、破損、反向坡降、堵塞、沉積、異物侵入，從而形成污水與地下水甚至河道水體的雙向滲漏，很多城市產(chǎn)生的溶解性的污染負荷僅約50%被送至污水處理廠，其余污染物質通過各種途徑進入到城市水體。另外，城市污水泵站溢流、污水處理廠事故排放、尾水排放標準不高等也向城市水體排放了大量污染物質。

(2)工業(yè)廢水。工業(yè)廢水指工業(yè)生產(chǎn)過程中排出的廢水和廢液，工業(yè)企業(yè)包括工業(yè)園區(qū)，因為工業(yè)用水的原因多數(shù)傍水體而建，如果污水收集不到位，加上廠區(qū)的徑流污染和污水的不達標排放或蓄意偷排，都會給城市水體帶來嚴重污染。

(3)合流制溢流污染。合流制排水系統(tǒng)目前基本都改為截流式合流制，但受投資和施工場地的局限性影響，很多合流制的截流系數(shù)并不高，甚至有些合流制排水系統(tǒng)截流系數(shù)n0=0，一旦下雨就會有溢流產(chǎn)生，合流制溢流污染往往同時含有平時階段的管道沉積物、初期雨水的地表徑流污染以及混接錯接的污水污染。溢流污染往往是河道晴天不黑臭雨天黑臭的重要原因，合流制管道的溢流污水處理在黑臭河道治理中必須引起足夠的重視。

(4)村鎮(zhèn)生活污水。村鎮(zhèn)生活污水是指村鎮(zhèn)區(qū)域內(nèi)家庭日常生活產(chǎn)生的綜合性污水，包括小型加工業(yè)、服務業(yè)等排放的污水。這些污水往往被居民通過溝渠直接排放進入附近水體或者傾倒在地上，對周圍水環(huán)境造成污染，甚至導致水體出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象。

(5)徑流污染。徑流污染包括城鎮(zhèn)和農(nóng)村的地表徑流帶來的污染，流經(jīng)城市的不同下墊面形成的徑流，不僅帶來了城市中的大氣塵埃，而且沖刷著地表的污染物質，特別是晴天后降雨形成的初期徑流，污染物質濃度堪比城市污水。降雨流經(jīng)農(nóng)村地區(qū)，因為農(nóng)田施用的沒有充分被農(nóng)作物吸收利用的化肥和農(nóng)藥，包括畜牧家禽養(yǎng)殖區(qū)，產(chǎn)生的徑流同樣會給水體環(huán)境帶來嚴重污染。

1.2 內(nèi)源污染的釋放

內(nèi)源污染也是形成黑臭水體的另一個重要原因。內(nèi)源污染一部分是水體本身不斷衍生死亡的生物群落積累而成的有機物污染，另一部分是水中長期沉積底泥釋放的污染物[4-7]。另外，沉積底泥的再懸浮會引起大量懸浮顆粒漂浮在水中，導致水體發(fā)黑、發(fā)臭。

水體表面或周邊漂浮或堆放的垃圾，湖泊等大面積水體表面的降塵，以及水產(chǎn)養(yǎng)殖的餌料投放、代謝產(chǎn)物、抗生素等也可以算是內(nèi)源污染的一部分。

1.3 水體的溫度高梯度變化

因工業(yè)冷卻水、污水處理廠尾水等不斷排入城市水體，會導致水溫升高，從而加快水體中的微生物和藻類殘體分解有機物及氨氮速度，致使水體處于缺氧或者厭氧狀態(tài)，并致使水體發(fā)黑發(fā)臭。受溫度影響，夏季水體黑臭現(xiàn)象會比在冬季顯著增多。這是因為溫度越高，微生物的活動頻率越高，水體中的溶解氧含量就越低。在25 ℃時，放線菌的繁殖量達到最高，水體的黑臭也最嚴重。同時，在較高水溫下，硫酸鹽還原菌活動頻率加快，導致水體中更多的硫酸根被還原成硫化氫，從而使得水體發(fā)臭。污水源熱泵在冬季會使排放污水的溫度更低，會嚴重抑制排放區(qū)域的微生物活性和生態(tài)系統(tǒng)安全。

1.4 水動力學條件不足

流水不腐，戶樞不蠹。水動力學條件不足、水循環(huán)不暢會使水體復氧能力衰退，局部水域氧虧嚴重，水體水華敏感性增強，導致水體出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象[8-11]。當河道水量不足、流速低緩時，會導致污泥淤積，污水滯留，垃圾沉淀，水體復氧速率衰減，從而致使水體黑臭。

2 城市黑臭水體治理關鍵技術

城市黑臭水體的整治應按照“控源截污、內(nèi)源治理；活水循環(huán)、清水補給；水質凈化、生態(tài)修復”的基本技術路線具體實施。在此基礎上，各地應結合本地的環(huán)境條件調查結果，系統(tǒng)分析黑臭水體污染成因并確定符合本地發(fā)展的水體整治和長效保持技術路線。

城市黑臭水體根據(jù)其污染特征大致可分為以下幾種類型：①生態(tài)基流匱乏的黑臭河道；②未完全截污的黑臭河道；③雨污混流型黑臭河道；④封閉型黑臭水體，半封閉緩流型和滯留型黑臭河道。根據(jù)污染類型的不同，城市黑臭水體治理關鍵技術主要包括控源截污技術、清淤技術、活水技術、原位凈化技術、異位凈化技術、生物修復與景觀建設技術等[12-15]。因為各個治理技術的特點不同，其限制性因素也不盡相同?？卦唇匚奂夹g工程量和一次性投資大，實施難度大，周期長，監(jiān)管和維護難度大；清淤技術易對水底的生態(tài)系統(tǒng)造成破壞，并且底泥運輸和處理處置難度較大，費用較高；在活水技術中，活水循環(huán)的工程建設實施難度大，因需要持續(xù)運行維護而導致成本較高，再生水補給源往往需要鋪設管道，同時再生水水質會直接影響補水水體的水質；原位凈化技術中，曝氣復氧技術能耗較大、維護費用高、微孔曝氣系統(tǒng)易堵塞，微生物菌劑技術以及微生物促生劑技術對生物多樣性要求高，對于重度污染或缺乏優(yōu)勢種菌群的污染水體效果有限；異位凈化技術管理復雜，污染嚴重的水體處理投資和運營費用較大，對環(huán)境條件的變化比較敏感；生物修復與景觀建設技術需選擇本土優(yōu)勢植物，同時做到凈化、景觀效果的協(xié)調性，同時存在如何與其他污水處理技術相組合等問題。

3 城市黑臭水體治理工程技術應用及效果分析

3.1 重力截污工程

在城市快速發(fā)展過程中，國內(nèi)外均出現(xiàn)過水環(huán)境過負荷污染問題，在國際河流泰晤士河、萊茵河、塞納河、清溪川等河流整治中，關鍵步驟是實施了直排河道的污水收集與處理，取得了良好的效果[16-18]。我國河流水體污染較為嚴重，一些城市河流甚至完全淪為納污渠。在我國的黑臭河道治理中，實施截污工程后均取得了顯著效果。比如，西安浐灞河下游段通過控制點源污染進行污水的集中處理達標排放，使河道水環(huán)境質量得到了明顯的改善，云南省昆明市船房河在實施截污綜合治理工程后水質明顯好轉，深圳河灣支流截污工程結合河道綜合治理，在市政截污基礎上，又進行了沿河截流系統(tǒng)的建設，以收集流域漏排污水及初期雨水，形成了污水管網(wǎng)排除和沿河溢流再收集相配套的一體化污水收集系統(tǒng)，對深圳河灣的水環(huán)境改善起到了明顯效果，具體的治理效果見表1。

表1 部分城市河流截污情況及治理效果

3.2 清淤技術工程應用

針對污染底泥堆積較厚的重度黑臭水體，需要采用精確薄層生態(tài)疏浚技術，通過清淤能夠大幅減少河道內(nèi)源污染，為河道重建生態(tài)系統(tǒng)，恢復水質提供了條件[19-23]。底泥原位處理中底泥生物修復技術治理費用低，并且可以最大限度地降低污染物濃度，恢復受污染環(huán)境的生態(tài)功能。但是生物修復由于采用外源微生物，甚至基因工程菌，也存在一定生態(tài)風險。目前原位生物修復技術，在國內(nèi)外河道治理中已廣泛應用。

德國的Dagow湖和Globsow湖處理前磷釋放量4～6 mg/(m2·d)，使用硝酸鹽和鐵復合物進行底泥處理試驗后幾乎無磷釋放。貴陽市南明河實施了河道截污和清淤等工程項目，使得南明河基本消除了干流黑臭現(xiàn)象，市民對治理效果非常滿意。除了河道的治理之外，廣西省南寧市南湖、安徽巢湖和太湖、西安興慶湖、南京玄武湖等也進行了底泥清淤疏浚工作，效果良好。

3.3 活水循環(huán)工程應用

活水循環(huán)的實現(xiàn)方式目前有兩種：通過設置提升泵站、水系合理連通、利用風力或太陽能等方式，實現(xiàn)水體流動；通過閘壩改變?nèi)牒又Я魉W特性，使得水位和水量得到合理控制，水體的復氧作用提升，污染物的降解速率提高，從而使黑臭水體水質得到有效改善[24-27]。

3.4 清水補給工程應用

為有效改善黑臭水體的自凈能力，使得水體中的污染物的擴散與稀釋效果顯著提升，可以切實開展綜合調水和清水補給工程。在工程中，可利用清潔地表水、城市雨洪水、原有閘壩系統(tǒng)或城市再生水等清潔水體作為城市水體的補充水源，通過控制水體水流流向、水量，增加水體流動性和環(huán)境容量，在較短時間內(nèi)改善水體水質。我國成功運用清水補給治理黑臭河道的工程案例及治理效果見表2[28-31]。

表2 清水補給工程實例

3.5 曝氣富氧技術工程應用

曝氣富氧技術可有效提升局部水體的溶解氧水平，并加大區(qū)域水體流動性，適用于截污整治后城市水體的水質保持[32-35]。

上世紀80年代在德國的Enscher河應用了德國Messer公司研發(fā)一種大阻力橡膠微孔布氣管曝氣系統(tǒng)，使該河逐漸恢復了生態(tài)。張明旭等人與德國MESSER集團合作，采用液氧罐和蒸發(fā)器等中試裝置，可以有效提升水體溶解氧濃度至9.46 mg/L(10 ℃)，并同時降低水體的COD，降幅在19.5%～55.6%。BOD/COD值從0.46減小到0.40。1990年北京為了迎接亞運會，在對北京清河4 km范圍的河道黑臭整治中采用了8臺11 kW的美國Aire-O2葉輪吸氣推流式曝氣充氧裝置。當年一個月的使用結果顯示，水體的溶解氧從0提升至了5～7 mg/L，水體的黑臭得到明顯的改善，約60% BOD5得到了去除，氨氮去除率為45%，CODCr的去除率達到80%。此外，在1987年和1988年，美國通過安裝曝氣設備有效地治理了美國密西西比河明尼蘇達碼頭附近的黑臭河道。1994年，德國Berlin河采用了充氧能力為5 t O2/d的曝氣復氧船，很大程度上改善了水體的黑臭現(xiàn)狀。韓國曾在其境內(nèi)的水縈江(suyong)河口釜山港灣采用了9臺73.55 kW的曝氣充氧設備，有效地改善了該區(qū)域內(nèi)的水體水質，水體溶解氧水平提升，水體透明度得到明顯改善、COD得到明顯降低，水體臭味去除效果明顯。

3.6 微生物菌劑及生物膜法工程應用

微生物投菌技術適用于所有受污染黑臭河水的原位修復，特別適應當下城市治理河道不能立刻實現(xiàn)徹底截污、修建污水處理廠的現(xiàn)狀。同時在污染底泥的原位生物修復方面也可以推廣及應用。在我國城市水環(huán)境治理中，應用的微生物制劑主要包括光合細菌(Photo-synthesis bacteria，PSB)、硝化細菌等，并取得了一定的治理效果[36-38]。

生物膜技術在中小河流黑臭水體凈化方面具有凈化效果好、便于管理等優(yōu)點，可以有效去除微污染水體中的氨氮和有機物，大大改善水質，其技術分類及應用案例見表3。

表3 生物膜法的技術分類及應用案例

3.7 組合工藝技術應用

黑臭河道整治是一項復雜的系統(tǒng)工程，實際操作中往往需要多種技術的聯(lián)合交錯使用才能收到預期的效果。寧波市中塘河某支流經(jīng)常呈嚴重的富營養(yǎng)化狀態(tài)，少數(shù)時段甚至出現(xiàn)水華現(xiàn)象。在充分截污基礎上，設置了凈化浮島、景觀浮島和生物柵等，具體流程見圖1。通過近半年的運行，對河道水質的DO、COD、氨氮、TP、透明度等指標進行定期監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)在調試運行期間治理段河道DO值由初始的0 mg/L增加到2.2 mg/L，TP由初始的1.95 mg/L下降到0.26 mg/L，COD由初始的232 mg/L下降到38 mg/L，氨氮由初始的25 mg/L下降到1.8 mg/L，對TP、COD 和氨氮的去除率分別達到86.7%，83.6%和92.8%。

圖1 中塘河支流治理流程圖

上海市寶山區(qū)匯豐河雨污混排未能得到有效控制，導致夏季河道黑臭現(xiàn)象頻發(fā)。根據(jù)河道不同河段周邊環(huán)境、內(nèi)源污染及外源污染的不同，進行多技術組合，工程平面布置見圖2。

圖2 匯豐河工程平面布置圖

4 結語與展望

我國城市黑臭水體治理是一項集社會、環(huán)境和經(jīng)濟于一體的復雜系統(tǒng)工程，并制約著社會和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，在分析了我國黑臭水體成因的基礎上，結合國內(nèi)外的黑臭水體治理的成功案例，闡述了黑臭水體治理的常用技術手段，因為外源污染是導致水體黑臭的重要原因，河道整治過程中一定要結合市政工程措施，做到污染物的徹底截流，減少入河污染?？紤]到黑臭水體治理的長期性和復雜性，針對河道的具體特征和污染程度，在截污基礎上一般需要多手段聯(lián)用，而且每案不同，做到“一河一策”，同時需要注重采取措施的生態(tài)效應和景觀效果，真正地實現(xiàn)城市水生態(tài)環(huán)境的改善，保障水環(huán)境安全，確保水體長治久清，實現(xiàn)“水清岸綠，魚翔淺底”的美好愿景。