我國(guó)黑臭水體形成機(jī)理及治理技術(shù)研究

（中鐵十一局集團(tuán)第五工程有限公司，重慶 400037）

在我國(guó)，城市生活污水的產(chǎn)生量隨著城市化的快速發(fā)展呈現(xiàn)出不斷增加的態(tài)勢(shì)，大量污水非法不合理排放直接造成城市水體水質(zhì)嚴(yán)重惡化，引發(fā)黑臭?！昂诔簟笔菍?duì)受污染水體的感官描述，指水體因惡臭而變黑，影響居民正常生活、河流生態(tài)系統(tǒng)和城市面貌。河流黑臭現(xiàn)象在很多國(guó)家均有發(fā)生。例如，韓國(guó)首爾的清溪，德國(guó)北萊茵-威斯特法倫的埃姆舍爾河，法國(guó)巴黎的塞納河和奧地利維也納的多瑙河[1]，這些地方都曾出現(xiàn)過嚴(yán)重的水體黑臭問題。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)有1 861處黑臭水體，重度污染水體占比更是達(dá)到35%。水體黑臭已經(jīng)成為我國(guó)城市的流行病，成為我國(guó)城市亟須解決的嚴(yán)重環(huán)境問題[2]。本文的目的是介紹黑臭水體，闡述導(dǎo)致黑臭水體形成的關(guān)鍵機(jī)理，總結(jié)緩解或消除黑臭水體的策略。

1 黑臭水體形成機(jī)理

1.1 水體發(fā)黑形成機(jī)理

水體發(fā)黑的一個(gè)重要原因是金屬硫化物的沉淀。研究發(fā)現(xiàn)，沉積物釋放的重金屬離子能夠?qū)е滤w變黑。在水體變黑時(shí)，硫化物濃度隨之增加，與Fe2+或Mn2+結(jié)合，形成黑色金屬硫化物（FeS，MnS）等物質(zhì)，導(dǎo)致水體發(fā)黑。其次，溶解性有機(jī)質(zhì)（DOM）被研究發(fā)現(xiàn)是水體發(fā)黑的重要參與物。Duan等[3]發(fā)現(xiàn)水生植物降解會(huì)產(chǎn)生CDOM，導(dǎo)致水體因浮游植物生物量的積累而變綠，使水體呈現(xiàn)黑色。CDOM能夠吸收紫外光和可見光，其由持久的光學(xué)活性大分子物質(zhì)組成，如氨基酸、腐殖酸和芳香蛋白。非CDOM是由較小且易降解的分子組成，如糖和羧酸。He等[4]發(fā)現(xiàn)FeS的濃度與水色的變化沒有顯著相關(guān)性，影響水色的物質(zhì)在DOM降解過程中產(chǎn)生。在DOM降解過程中，非CDOM首先被微生物消耗，導(dǎo)致水體中CDOM的相對(duì)濃度增加，形成黑色（或棕色）。CDOM的主要成分從腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樯彼岷头枷阕宓鞍踪|(zhì)，增強(qiáng)紫外光吸收，進(jìn)一步加劇水體發(fā)黑。

1.2 水體發(fā)臭形成機(jī)理

硫是形成有氣味化合物的最重要元素之一。硫化還原細(xì)菌通過異化硫酸鹽還原進(jìn)行呼吸，產(chǎn)生硫離子和硫化氫形式的還原硫。硫化氫是一種具有高濃度氣味的物質(zhì)，在水體發(fā)臭的形成中具有很大貢獻(xiàn)。甲氧基芳香族化合物可以為硫化物提供甲基，形成甲硫醇或二甲基硫醚。揮發(fā)性有機(jī)硫化物（甲硫醇、二甲基硫醚、二甲基二硫和三硫化二甲基）在臭氣形成中起主要作用。研究表明，含硫有機(jī)物和含硫有機(jī)物的微生物降解可能是水體中產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)硫化物的兩個(gè)主要機(jī)制。含硫有機(jī)化合物主要在藍(lán)藻和沉水植物的死亡和腐爛過程中釋放[5]。例如，二甲基磺基丙酸鹽是從藻類中提取的，會(huì)導(dǎo)致海洋表層水中二甲基硫醚的形成。異養(yǎng)微生物能將有機(jī)硫轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性有機(jī)硫化物，在藍(lán)藻分解過程中發(fā)揮重要作用。硫化還原菌可以將硫酸鹽還原為硫化物，硫化物可以轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性有機(jī)硫化物。在硫酸鹽轉(zhuǎn)化為有機(jī)硫化物的生態(tài)系統(tǒng)中，硫循環(huán)主要依賴于光合微生物硫酸鹽的吸收和還原。含硫氨基酸和蛋白質(zhì)可作為形成揮發(fā)性有機(jī)硫化物的前體，如甲硫醇、二甲基硫醚和二甲基二硫，其由含硫氨基酸的微生物分解產(chǎn)生。

2 黑臭水體治理

黑臭水體已經(jīng)嚴(yán)重影響居民生活和城市發(fā)展。針對(duì)我國(guó)的實(shí)際情況，制定合理有效的消除水體黑臭現(xiàn)象的措施十分必要。目前，治理黑臭水體的技術(shù)主要分為四大類，即物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)和生物-生態(tài)修復(fù)。

2.1 物理修復(fù)

物理修復(fù)技術(shù)主要包括底泥疏浚、人工曝氣和水循環(huán)。疏浚是底泥的一種遷地處理技術(shù)，底泥是內(nèi)源污染的重要來源。底泥疏浚能夠有效解決河道內(nèi)源污染問題，可以增加河流的自凈能力和防洪行道功能。研究表明，冬季對(duì)底泥疏?？梢愿行б种坪诔羲w的形成，由于冬季水體中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較低并且微生物代謝活性較低，可以限制沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放。底泥疏浚存在缺陷，例如，投資成本高，難以把控處理的精度，易造成二次污染。

溶解氧濃度低是黑臭水體的一個(gè)關(guān)鍵特征，通過人工曝氣技術(shù)提高溶解氧濃度，有利于增強(qiáng)水體的自凈能力，恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)。研究表明，深度和間歇性曝氣可以有效降低上覆水中的COD、NH4+-N和TN濃度。沉積物中的TOC和TN分別從2.83 g/kg降至1.29 g/kg和1.20 g/kg降至0.18 g/kg[6]。人工曝氣的主要局限性在于難以平衡經(jīng)濟(jì)成本和效率和處理底泥，不能單獨(dú)解決黑臭水體問題。人工曝氣通常與生態(tài)修復(fù)方法相結(jié)合，采用多種物理和生物技術(shù)去除污染物。水循環(huán)能夠人工改造原有水體，構(gòu)建水循環(huán)機(jī)制，改善水力條件。

2.2 化學(xué)修復(fù)

化學(xué)方法主要包括強(qiáng)化絮凝、化學(xué)氧化和化學(xué)沉淀?；瘜W(xué)藥劑主要包括無機(jī)混凝劑（如鐵和鋁鹽）、氧化劑（如過氧化氫和過氧化鈣）和沉淀劑（如生石灰）。這些方法主要通過去除懸浮物、溶解磷和氮等目標(biāo)污染物提高水的透明度。Pan等[7]對(duì)鋁鹽和鈣鹽進(jìn)行了改性并用于污染河流修復(fù)，取得了良好效果。反硝化與還原的無機(jī)硫化合物的氧化偶聯(lián)，是一種可以抑制臭味形成的新方法。硝酸鹽可以作為電子受體，通過自養(yǎng)反硝化物種，如硝酸還原硫氧化細(xì)菌（N-SOB）脫氮硫桿菌和反硝化細(xì)菌，促進(jìn)酸化揮發(fā)性硫化物（AVS）的氧化。Liu等[8]用硝酸（CaCO3）處理黑臭河流沉積物，發(fā)現(xiàn)CaCO3可有效降低TOC、含硅有機(jī)物和多環(huán)芳烴（PAHs），與無CaCO3對(duì)照組相比，去除率分別提高47.25%、46.73%和35.25%。

2.3 生物修復(fù)

生物修復(fù)是指生物吸收、轉(zhuǎn)化、去除或降解環(huán)境污染物，使受污染的環(huán)境部分或完全恢復(fù)原狀的生物措施。這些處理技術(shù)主要包括微生物強(qiáng)化技術(shù)、聯(lián)合人工浮島/人工濕地技術(shù)和基質(zhì)/填料強(qiáng)化凈化技術(shù)。Gao等[9]人成功研發(fā)出了HP-RPe-3復(fù)合微生物制劑（國(guó)家專利號(hào)：2017114193785），通過利用菌劑降解水體和沉積物中的NH4+-N，成功治理了黑臭水體，水生植物已被用于人工浮島和人工濕地工程。Huang和Lv等[10]評(píng)估了類似的技術(shù)，研究了基于水生植物自然凈化的植物修復(fù)方法，有效減少了污染物和營(yíng)養(yǎng)物。

2.4 生物-生態(tài)修復(fù)

由于黑臭水體問題復(fù)雜，單一的治理措施難以達(dá)到理想的修復(fù)效果。應(yīng)根據(jù)不同水體的具體情況，將各種處理技術(shù)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)各自的優(yōu)勢(shì)。與物理和化學(xué)技術(shù)相比，生物修復(fù)和生態(tài)修復(fù)技術(shù)更具經(jīng)濟(jì)可行性和環(huán)境友好性。生物生態(tài)工程修復(fù)技術(shù)包括自然景觀與人文景觀的協(xié)調(diào)、人工調(diào)控輔助水生動(dòng)物的自然恢復(fù)、底棲生物和浮游生物的恢復(fù)、沉水植物為主的水生植物的恢復(fù)、河流緩沖帶與生態(tài)護(hù)坡等。生物生態(tài)工程修復(fù)技術(shù)的目的是將環(huán)境工程與生態(tài)工程原理相結(jié)合，創(chuàng)造良好的生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)水體向良性生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化，使自然景觀元素（如水體和河岸）得到改善，提高景觀的審美價(jià)值。生物-生態(tài)工程修復(fù)技術(shù)和組合式處理技術(shù)具有較好的污染物去除效果。

3 結(jié)語

本文著重討論黑臭水體形成的相關(guān)機(jī)理以及目前可用的處理方法與技術(shù)。水體發(fā)黑主要是由于金屬硫化物的存在，如FeS和MnS，臭味的形成主要是由揮發(fā)性有機(jī)硫化物、硫化氫和各種藻類代謝物引起的。一系列復(fù)雜的生物地球化學(xué)循環(huán)與能夠?qū)е滤w黑臭的各種元素有關(guān)，目前應(yīng)用最廣泛的處理技術(shù)是生物修復(fù)和生態(tài)修復(fù)技術(shù)。

黑臭水體是水污染的典型結(jié)果，在發(fā)展中國(guó)家普遍存在，迫切需要減少污染和更有效的處理系統(tǒng)。在治理方案上，廣泛采用污染控制和底泥內(nèi)疏浚，采取了內(nèi)外污染源控制措施。處理方案產(chǎn)生了一系列的效果，但無法阻止黑臭水體的再次出現(xiàn)，因此，防止黑臭復(fù)發(fā)尤為重要。完善城市規(guī)劃，例如城市污水處理廠的設(shè)計(jì)和改造，對(duì)于預(yù)防黑臭水體的發(fā)生至關(guān)重要。需要制定有效的政策和制度，例如，實(shí)施和完善“河長(zhǎng)制”，制定更詳細(xì)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，例如制定黑臭水體的具體標(biāo)準(zhǔn)。