城市黑臭水體成因及治理措施分析

文/中交四航局第七工程有限公司 徐平波

0 引言

21世紀(jì)以來，我國城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進(jìn)入高速發(fā)展期，城市河道污染形成的黑臭水體已成為城市發(fā)展亟待解決的問題。郝天文等[1]研究表明早期城市排水系統(tǒng)和污水處理系統(tǒng)存在設(shè)計缺陷和容量過小問題。胡洪營等[2]研究表明城市化、工業(yè)化使城市污水排放量不斷增加，城市排水系統(tǒng)處于混排及超負(fù)荷運轉(zhuǎn)狀態(tài)。陳國磊等[3]指出城市黑臭水體破壞了城市河道生態(tài)系統(tǒng)，給自然生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重污染，城市黑臭水體長期存在會引發(fā)大氣污染，嚴(yán)重影響城市周圍居民生活環(huán)境，給居民帶來健康隱患。城市黑臭水體是城鎮(zhèn)化建設(shè)及社會發(fā)展過程中不可忽視的環(huán)境及社會問題，國務(wù)院公布的《水污染防治行動計劃》表明生態(tài)文明建設(shè)是關(guān)系中華民族永續(xù)發(fā)展的根本大計，黑臭水體導(dǎo)致的環(huán)境惡化嚴(yán)重阻礙城市生態(tài)文明建設(shè)，進(jìn)而制約城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展[4]。

基于此，以深圳市寶安區(qū)全面消除黑臭水體工程為例，在分析城市黑臭水體根本成因基礎(chǔ)上，從工程應(yīng)用角度，通過建管納污、雨污分流、正本清源、動力補(bǔ)水及生態(tài)修復(fù)等切實可行的措施進(jìn)行全面治理，實現(xiàn)黑臭水體標(biāo)本兼治，長治久清，從根本上解決城市水環(huán)境問題，加強(qiáng)城市生態(tài)文明建設(shè)，落實以人為本的發(fā)展理念，為我國城市黑臭水體治理提供參考。

1 城市水體致黑致臭機(jī)理

1.1 城市黑臭水體定義及判別依據(jù)

城市黑臭水體是指城市建成區(qū)內(nèi)，呈現(xiàn)令人不悅的顏色和（或）散發(fā)令人不適氣味的水體統(tǒng)稱[5]。根據(jù)黑臭程度不同，可將黑臭水體分為“輕度黑臭”和“重度黑臭”兩級。黑臭水體分級指標(biāo)有4種：透明度、溶解氧、氧化還原電位、氨氮值。分級標(biāo)準(zhǔn)如表1所示，對水體取水檢測，如檢測指標(biāo)超過表1內(nèi)不黑不臭限值，即可定義為黑臭。

表1 城市黑臭水體污染程度分級標(biāo)準(zhǔn)

1.2 城市黑臭水體形成機(jī)理

城市黑臭水體有兩大特征：黑、臭。黑臭歸根結(jié)底是一種化學(xué)現(xiàn)象，水中有機(jī)物、無機(jī)物、金屬離子等在厭氧微生物作用下發(fā)生一系列復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)，形成黑色物質(zhì)及有刺激性氣味物質(zhì)，致水體黑臭。

1.2.1 致黑機(jī)理

孫韶玲[6]研究表明水體中形成的致黑物質(zhì)主要有兩種：固體形態(tài)懸浮黑色污染物及可溶性深色腐殖質(zhì)有機(jī)化合物。生活污水及廠房污水中含有大量Fe2+、Mn2+及硫化合物，水體缺氧時，含硫蛋白質(zhì)在厭氧微生物生化作用下產(chǎn)生S2-，S2-與Fe2+、Mn2+結(jié)合形成FeS及MnS，劉曉玲等[7]研究表明FeS、MnS被水體中腐殖酸及富里酸吸附絡(luò)合形成懸浮性黑色顆粒物，致水體變黑，是水體致黑關(guān)鍵物質(zhì)。河道污染物中可溶性帶色有機(jī)物通過累加作用，加重水體致黑程度。

1.2.2 致臭機(jī)理

導(dǎo)致水體惡臭八大物質(zhì)有：硫化氫、甲硫醇、甲硫醚、二硫化碳、二甲二硫、氨、三甲胺、苯乙烯，其中硫化物占5種，充分說明硫化物對水體惡臭具有顯著影響。

厭氧環(huán)境中，水解型厭氧菌先將大分子有機(jī)污染物水解成小分子有機(jī)物，硫酸鹽還原菌利用這些小分子有機(jī)物降解含硫有機(jī)污染物，在硫酸鹽還原菌及其他厭氧菌共同作用下，含硫有機(jī)物被分解，產(chǎn)生甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫醚、羰基硫、二硫化碳等致臭物質(zhì)，這些硫化物是水體致臭關(guān)鍵物質(zhì)。

水體中放線菌、真菌及部分藻類生長繁殖分解水體中有機(jī)污染物，代謝產(chǎn)生2-二甲基異茨醇及土臭素等致臭物質(zhì)，加大水體致臭程度。

2 城市黑臭水體成因

城市河道本身不生產(chǎn)致黑致臭物質(zhì)，其僅是黑臭水體的終端載體，通過對寶安區(qū)排水系統(tǒng)現(xiàn)狀調(diào)查研究可知，黑臭水體產(chǎn)生的根本原因如下。

1）城市排水系統(tǒng)現(xiàn)狀存在設(shè)計缺陷 排水管網(wǎng)將城市各小區(qū)、公園、公寓、寫字樓等排水源頭聯(lián)絡(luò)匯集，形成城市排水支流系統(tǒng)，其中雨水系統(tǒng)最后匯流至河道，形成水體終端。這些排水源頭或因設(shè)計缺陷，或因建成年代久遠(yuǎn)未徹底完成正本清源，廚衛(wèi)污水管、化糞池出水管等接入雨水系統(tǒng)直排入河，污染河道水體。

2）面源污染未納入排水系統(tǒng) 城市面源污染主要有地表徑流面源污染和點源污染。污染來源主要為路面沉積物、生產(chǎn)及清洗廢水、生活廢棄物。主要污染元素為：有機(jī)物、水體懸浮物、石油類和氮磷等。點源污染來源主要為老屋舊村、集貿(mào)市場、汽修街（含洗車）、食街等產(chǎn)生的污染物。這些面源及點源污染并未通過完善的排水系統(tǒng)進(jìn)行收集儲蓄、處理，直接通過地表徑流進(jìn)入周邊小微水體或雨水箱涵，最后流入城市河道，經(jīng)生物化學(xué)反應(yīng)形成黑臭水體。

3）城市主排水系統(tǒng)混流 部分城市干管排水系統(tǒng)為雨污合流系統(tǒng)，部分管網(wǎng)錯接，雨污混流進(jìn)入河道，污水入河形成黑臭水體。

4）河道內(nèi)源污染 上游排水系統(tǒng)未徹底完成雨污分流、正本清源及面源污染整治，夾帶大量泥沙、垃圾雜物及雨污混流水進(jìn)入城市河道，污染物及泥沙大量沉積，使河道水體越來越淺，水動力不足，最后喪失自我修復(fù)能力，無動力環(huán)境加快水體中的微生物和藻類殘體分解有機(jī)物及氨氮速度，加速溶解氧消耗，進(jìn)而導(dǎo)致水體復(fù)氧能力衰退，局部水域或水層虧氧問題嚴(yán)重，形成適宜藍(lán)綠藻快速繁殖的水體條件，增加水華暴發(fā)風(fēng)險，引發(fā)水質(zhì)惡化，導(dǎo)致水體黑臭。同時，底泥在高溫作用下，微生物厭氧反應(yīng)速度加快，底泥中的硫化物含量增加，向水體釋放硫化氫等惡臭物質(zhì)，進(jìn)一步加劇水體黑臭。河道底泥無法自我修復(fù)或通過水動力排出，停滯的黑臭底泥是導(dǎo)致城市水體黑臭的直接原因。

對寶安區(qū)某5條城市河道底泥取樣檢測，檢測數(shù)據(jù)如表2所示。5條河道底泥有機(jī)物及水分含量豐富，為水體黑臭生化反應(yīng)提供良好條件。此外，底泥中還含有多種金屬離子及有害重金屬離子，為重度污染。

表2 河道底泥各項檢測元素含量

3 城市黑臭水體治理措施

黑臭水體治理完成后河道水質(zhì)需達(dá)到景觀V類水體標(biāo)準(zhǔn)[8]，V類水體具體指標(biāo)如表3所示。

表3 地表水Ⅴ類水質(zhì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)限值

治理完成后，進(jìn)入至少3個月以上監(jiān)測期，監(jiān)測期內(nèi)定期取水樣進(jìn)行檢測，水樣中各項指標(biāo)均不得超過表3中所列限值，水體治理監(jiān)測考核為合格。

截至2019年底，寶安區(qū)61條黑臭水體全部治理完成，以氨氮值及溶解氧為主控指標(biāo)，通過治理前及治理后水質(zhì)檢測，得到如下氨氮值及溶解氧趨勢。

如圖1所示，黑臭水體治理前溶解氧范圍為0.010～1.200mg/L，氨氮值范圍在23.000～35.000mg/L，兩項指標(biāo)均大幅超過限值，治理后回到限值內(nèi)，治理完成初期接近限值，隨著時間推移數(shù)值逐漸遠(yuǎn)離限值，最后趨于穩(wěn)定，并維持在較高水平。檢測結(jié)果說明黑臭水體治理工作取得階段性成功。對黑臭水體治理過程綜合歸納，得出以下有效治理措施。

圖1 黑臭水體治理前后溶解氧及氨氮值檢測

3.1 正本清源

正本清源是徹底實施雨污分流、糾正污水錯排亂接的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。以社區(qū)、住宅小區(qū)或相對獨立的排水片區(qū)為單位，對片區(qū)內(nèi)雨污水系統(tǒng)進(jìn)行徹底改造，從源頭實現(xiàn)雨污分流。

1）推行雨污分流制 對實行合流制及存在錯接亂排情況的各社區(qū)、住宅小區(qū)等排水單元進(jìn)行系統(tǒng)更新整改，原有建筑合流系統(tǒng)改為污水系統(tǒng)，接入市政污水系統(tǒng)，新建1套雨水系統(tǒng)，將原合流系統(tǒng)中雨水剝離，接入市政雨水系統(tǒng)。如立管改造措施，原系統(tǒng)僅有1套合流制立管，屋面雨水與廚衛(wèi)污水經(jīng)過合流制立管進(jìn)入市政雨水系統(tǒng)，通過立管改造，增加1套獨立立管收集屋面雨水，原立管系統(tǒng)僅收集廚衛(wèi)污水，達(dá)到雨污分流目的。

2）增設(shè)環(huán)保雨水口 對傳統(tǒng)雨水口進(jìn)行改造，將其升級成為具有凈化收集能力的環(huán)保型雨水口。環(huán)保雨水口自身結(jié)構(gòu)對垃圾污染物進(jìn)行有效攔截、吸附、過濾和生化降解，達(dá)到對初期雨水有效除污凈化，可處理匯水面內(nèi)10mm的初期雨水，初期雨水的污染物去除率大于70%，經(jīng)過環(huán)保雨水口的地表徑流雨水污染指數(shù)大大降低，入河后形成黑臭水體的概率明顯減少。

3.2 重點面源污染整治

正本清源并不能完全阻止污水入河，面源污染是城市黑臭水體另一個主要來源，徹底進(jìn)行面源污染整治才能從根源上剝離污染源，解決黑臭問題。

1）老屋舊村整治 老屋舊村多為散排，可根據(jù)舊村規(guī)模大小新建雨污分流排水系統(tǒng)，收集生活污水及屋面雨水；根據(jù)老屋舊村內(nèi)樓棟數(shù)量，以1:3比例進(jìn)行化糞池補(bǔ)建，對損壞的化糞池進(jìn)行翻建，并對化糞池淤堵部分進(jìn)行清淤，最后將化糞池出水管統(tǒng)一接入市政干流污水系統(tǒng)，徹底剝離化糞池污水。

2）集貿(mào)市場及食街整治 針對無收集系統(tǒng)的污染點，統(tǒng)一新建污水收集系統(tǒng)，如餐飲店前設(shè)置隔油池，集貿(mào)市場根據(jù)攤位設(shè)置清洗池，收集系統(tǒng)出水管選擇合理路線接入市政污水系統(tǒng)；對臨時錯接亂排點進(jìn)行封堵，新增1條接駁系統(tǒng)，選擇合理路線接入市政污水系統(tǒng)。

3）汽修街整治 針對散排洗車點，設(shè)置沉砂池及收集系統(tǒng)，對洗車水進(jìn)行過濾和收集，除去泥沙及機(jī)油，選擇合理路線接入市政污水系統(tǒng)，消除洗車污水入河路徑。

3.3 主排水系統(tǒng)升級

1）針對合流管 新建1套排水系統(tǒng)，徹底剝離污水，讓污水回歸污水系統(tǒng)，實現(xiàn)雨污分流。

2）針對瓶頸管造成易澇情況 重新進(jìn)行流量計算，針對流量不足的現(xiàn)狀排水系統(tǒng)拆除重建，通過擴(kuò)大管徑進(jìn)行系統(tǒng)升級。

3）針對缺陷管 通過原位換管或非開挖管壁修復(fù)工藝對管道進(jìn)行修復(fù)，使其重新恢復(fù)100%使用功能。

3.4 河道清淤

河道清淤主要靠機(jī)械配合人工進(jìn)行。明河軟質(zhì)底段需分段設(shè)置圍堰及臨時導(dǎo)流措施，開挖淤泥至設(shè)計河床標(biāo)高位置。開挖時須考慮上下游流水標(biāo)高問題，避免出現(xiàn)倒坡現(xiàn)象，保證河道水動力條件，開挖深度根據(jù)取樣位置底泥檢測結(jié)果綜合考慮。明河硬質(zhì)河底及暗涵部分清淤需清至硬質(zhì)面并進(jìn)行沖洗，用吸污設(shè)備徹底清理流塑狀污泥。

從表3中底泥檢測結(jié)果可知，河道底泥含有毒重金屬離子，清理后不能直接棄置，需進(jìn)行處理。李志忠等[9]研究表明可設(shè)置底泥廠集中收集河道淤泥，并經(jīng)專業(yè)底泥處理設(shè)備分離出有害難降解物質(zhì)后再進(jìn)行翻曬，達(dá)到運輸及填埋標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)行外棄填埋。杭世等[10]研究表明如條件允許，可進(jìn)行污泥水泥窯協(xié)同處理，使污泥得到二次利用，達(dá)到清淤及資源再利用的雙贏效果。

3.5 河道補(bǔ)水

對寶安區(qū)某6.9km河道水體上下游高差進(jìn)行測量，高差為8.6m，平均坡度為1.25‰，上游無自來水水源，晴天無雨水排入河道，河道自身水動力不足，易形成局部無動力流灘涂、水潭，給水體至黑臭提供得天獨厚的條件，所以必須進(jìn)行補(bǔ)水。在源頭設(shè)置動力水源，根據(jù)河道容量情況進(jìn)行補(bǔ)水量控制，使整個河道水體流動，動力水的形成大大增強(qiáng)水體自我修復(fù)能力，有效破壞水體生化反應(yīng)環(huán)境。

本著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，節(jié)約用水原則，河道補(bǔ)水可采用污水處理廠處理后達(dá)到合格排放標(biāo)準(zhǔn)的中水，增設(shè)泵房設(shè)備，通過動力補(bǔ)水管道將中水泵送至補(bǔ)水點。補(bǔ)水管道設(shè)置閥門，根據(jù)河道補(bǔ)水量需求進(jìn)行補(bǔ)水調(diào)節(jié)，河道流水充足的雨水季節(jié)可暫停補(bǔ)水，旱季河道無流水，水動力不足時進(jìn)行補(bǔ)水，使水資源與生態(tài)環(huán)境科學(xué)協(xié)調(diào)發(fā)展。

3.6 生態(tài)修復(fù)

通過徹底切斷城市排水系統(tǒng)上游污水來源，進(jìn)行控源納污，完善系統(tǒng)雨污分流，采用河道補(bǔ)水措施，使城市黑臭水體得到根治。由于河道水體生態(tài)系統(tǒng)較弱，自我修復(fù)能力受限，因此需進(jìn)一步提升水體生態(tài)建設(shè)，讓水體達(dá)到長治久清的目的。

3.6.1 水體生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建

王興利等[11]研究表明耐污水生植物恢復(fù)是水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的關(guān)鍵，通過不同沉水植物空間搭配，構(gòu)建水下森林，形成城市水體生態(tài)系統(tǒng)。

沉水植物的選擇應(yīng)遵循以下原則：耐污能力強(qiáng)，可在惡劣污染環(huán)境中存活并形成固定群落；具有較好水質(zhì)改善能力，植物自身特性可高效凈水，改善水下光照條件，提高水體透明度和光補(bǔ)償深度；生存能力強(qiáng)，可高效繁殖，對透明度要求低，適合伴生植物生長，易形成群體。

藍(lán)于倩等[12]研究表明沉水植物應(yīng)根據(jù)城市水體所在地氣候條件進(jìn)行合理搭配?！爸钪参铩笨蛇x擇矮生苦藻、馬來眼子菜、貍尾藻、美人蕉等；“蔓狀植物”可選擇小茨藻、輪葉黑藻等；“草狀植物”可選擇黑藻、狼尾藻、斑葉芒、細(xì)葉芒等；“挺水綠冠”可選擇萬維莎、睡蓮、荷花等。

3.6.2 浮動濕地

對傳統(tǒng)人工濕地進(jìn)行全面提升，采用浮動濕地，貫徹海綿城市新思路。浮動濕地也稱浮式濕地，即在水體中搭建類似人工濕地的結(jié)構(gòu)，去除水體污染物并實現(xiàn)生態(tài)修復(fù)作用。浮動濕地主要組成架構(gòu)如圖2所示。

圖2 浮動濕地組成架構(gòu)示意

倪盈等[13]研究表明復(fù)合纖維浮動濕地可有效去除水體中有機(jī)物、氮、磷、重金屬等多種污染物質(zhì)，有效控藻，改善水體黑臭，適應(yīng)不同水利條件的穩(wěn)固要求，在不同水深水體下大面積穩(wěn)固布設(shè)，增加水體透明度，減少底泥，控制異味，修復(fù)水生態(tài)環(huán)境，快速構(gòu)建水生態(tài)景觀，提升環(huán)境效應(yīng)。浮動濕地基質(zhì)材料與根系形成的“海綿體”比表面積大，能吸附大量微生物，形成生物膜，達(dá)到高效處理水體污染的目的。且浮動濕地可營造較強(qiáng)的生態(tài)功能，為水生動物、兩棲動物、鳥類等提供生境平臺，形成以微生物為基礎(chǔ)的生物鏈，促進(jìn)水體生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)。

從寶安區(qū)黑臭水體治理結(jié)果來看，水體生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)及浮動濕地修復(fù)效果良好，水質(zhì)凈化速度快，持續(xù)時間久。為提高河道水體自凈效率，治理采用全自動微納米曝氣技術(shù)，實際效果并不明顯，因曝氣裝置影響水體范圍有限，不易固定，設(shè)備用電輸送困難，且費用昂貴，無論從經(jīng)濟(jì)性還是適用性來說，都與黑臭水體治理長效機(jī)制相悖，不建議采用。

4 結(jié)語

1）我國城市黑臭水體治理現(xiàn)狀不容樂觀，尤其是老屋舊村、城中村較多的城市，涉及遷改問題，治理難度高，經(jīng)濟(jì)壓力大，需國家及地方政府政策及財政支持，各方合力共同完成“長治久清”的治水目標(biāo)。

2）城市面源污染整治未達(dá)到橫向到邊、豎向到底的程度，控源納污未全覆蓋，排水源頭未完成正本清源，系統(tǒng)未徹底完成雨污分流，導(dǎo)致污水進(jìn)入雨水系統(tǒng)，是河道水體致黑致臭的根本原因。

3）深圳市寶安區(qū)黑臭水體治理達(dá)到既定目標(biāo)，說明上述治理措施具有可行性和參考性。

4）城市黑臭水體治理不能把重點放在黑臭水體終端治理層面，應(yīng)追根溯源，梳理整個城市上游排水系統(tǒng)缺陷，對排水系統(tǒng)源頭進(jìn)行控源納污，解決污染源頭，徹底完成雨污分流，永久消除黑臭。

5）黑臭水體治理是從水體源頭到終端一體化治理的系統(tǒng)工程，從正本清源、面源污染整治、控源納污、雨污分流、內(nèi)源消除、河道水動力提升到生態(tài)修復(fù)提升是城市黑臭水體治理不可或缺的閉合環(huán)節(jié)，各個環(huán)節(jié)在黑臭水體治理中起著承上啟下作用，缺一不可。各個環(huán)節(jié)都必須因地制宜，進(jìn)行全面徹底排查，以點帶面完善設(shè)計方案，百分百覆蓋所有污染源及雨污分流系統(tǒng)，合理選擇施工方案，進(jìn)而全面、徹底消除水體黑臭。