黑臭河道綜合治理技術研究及工程應用進展

戴天驕，賈建娜，張凱磊

(1.天津大學 環境科學與工程學院,天津 300072；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所 水路交通環境保護技術交通行業重點實驗室，天津 300456)

據統計，我國80%以上的城市河道呈現不同程度的黑臭現象，其中大部分河道表現為季節性和常年性黑臭[1]，尤其是在經濟和人口活動密集的河流湖泊附近，如京津冀、長江三角洲、珠江三角洲等地區都存在著較為嚴重的水環境問題[2]。《水污染防治行動計劃》明確了我國水環境保護近期(2020年)目標為水環境質量階段性改善，地級及以上城市建成區黑臭水體控制在10%以內，中期(2030年)目標為水環境質量總體改善，水生態系統功能初步恢復，遠期(2050年)目標為生態系統實現良性循環[3]。控制城市河道水體污染，整治河道黑臭，恢復河流的生態和社會功能仍是我國可持續發展過程中亟待解決的關鍵任務之一[1-2，4-5]。整治城市黑臭河道，改善城市水環境質量，對保障城市人居健康、促進社會和諧與經濟持續發展及保障城市生態安全具有極其重要的現實意義。

本文結合國內外河道治理工程及治理技術的經驗，總結當前城市黑臭河道污染治理技術體系總結，以期為我國城市河道污染深化治理及水環境質量提升和功能恢復提供借鑒。

1 黑臭成因

近年來，隨著我國經濟發展和城市化進程突飛猛進，很多地區的環境承載力已達到或者接近上限。環保治理力度跟不上城建發展的規模和速度，各種污染源直排或隨雨水徑流進入城市內河，造成污染負荷突破河道承載能力，導致水體發黑發臭[4]。城市河道黑臭主要由過量納污導致的水體供氧和耗氧失衡，有機物腐敗造成。Lazaro提出河道黑臭的生物化學機理，即污染物在缺氧或厭氧條件下轉化并產生氨氮、硫化氫、揮發性有機酸等惡臭物質，同時水中鐵錳等重金屬被還原，產生FeS、MnS等黑色物質[5]。據《全國環境統計公報》(2018年)顯示，當前全國地表水污染問題極為嚴峻，海河劣Ⅴ類斷面比例達32.9%，同時，遼河和黃河污染程度也不容忽視，劣Ⅴ類斷面比例分別為18.9%和16.1%。國家重點評價的41個湖(庫)中，Ⅳ類及以上水質的湖(庫)占比高達75.6%，中度富營養化比例達到48.7%[6]。同時，河道水環境治理面臨處理存量污染和控制增量污染的多重壓力，長期以來涉水排污企業在我國經濟總量中所占比重較大，從而加大了河道治理難度[2]。

2 國外黑臭河道治理研究及典型案例

萊茵河是歐洲第三大河，20世紀50年代初到60年代末萊茵河流域各國經濟高速發展，大批能源、化工、冶煉企業工業廢水排入河道，導致水質急劇惡化，被冠以“歐洲下水道”的惡名。萊茵河治理采取以截污控源與生態系統治理相結合的技術手段。通過調研確定優先治理的污染物質清單，采取建立污水、垃圾處理廠等完善的環保設施手段解決企業排污。同時實施恢復河流自然生態的措施: 拆除水泥護坡改為生態護坡，對部分改彎取直的人工河段重新恢復其自然河道等[7]。萊茵河于1995年開始重返清澈，平均治理成本為2.5歐元/m3[8]。

泰晤士河是橫貫英國的母親河，20 世紀 50 年代，隨著工業革命的興起及兩岸居住人口的激增，大量工業廢水和生活污水直排河道，導致水體呈現厭氧狀態，水中溶解氧含量幾乎為零。泰晤士河治理采取水環境治理與水環境管理相結合的策略，針對生活污水及工業廢水直排，全流域建設污水處理廠470 余座，日處理能力為360萬m3/d，幾乎與給水量相等。同時成立了跨地區的泰晤士綜合治理委員會和泰晤士水務公司，對泰晤士河流域進行統一規劃與管理[9]。

清溪川是首爾最大的城市內河。20世紀50年代中期，大量生活污水直排導致河道迅速被污染，因經濟條件限制，曾采取高架道路覆蓋河道，并被認為是破壞首爾城市形象的根源[10]。清溪川治理采取截污控源與清水補給相結合的技術路線，新建污水處理凈化系統，對各類污水源進行徹底截污，同時抽取經凈化后的漢江河水、地下水或雨水及再生水等3種水源向清溪川補水，以維持河道生態基流[11]。

城市工業、生活及農業面源的污染物排放量迅速增加，導致日本東京市內隅田川的水質惡化。其治理采取底泥疏浚與環境調水相結合的方式，隅田川曾于1958年清除河床底泥400余萬m3，同時進行引水和調水，利用清潔的水使河道中污染物快速的稀釋、擴散、遷移，這兩項舉措使隅田川水質得到較快地恢復[12]。

國外河道治理持續了近半個世紀的時間，其技術路線以截污控源為基礎，實施水資源、水環境、水生態系統綜合治理。目前發達國家水環境治理理念已由污染控制發展為水生態的恢復與修復，實現了從傳統單一流域水環境質量改善轉變為以恢復河道生態系統多樣性為目標的可持續性綜合治理[13]。早在1938年，德國學者 Seifert首次提出 “親自然河流治理”理念，指出河道治理在滿足水安全等功能基礎上，還需近自然化。1950年，德國正式創立“近自然河流治理工程學”，提出河道治理應尊重生態系統，維持生態平衡。隨后，Schlueter、Bidner、Holzmann、Rossoll及Pabst等學者分別提出河道生態治理理論，1992 年,Hohmann提出近自然河流治理應減輕人為活動對河流的干擾, 維護河流生態多樣性及生態系統平衡，并逐漸恢復其自然狀況。近年來，國外河道整治工程注重河道生態系統和諧,并已形成河道生態治理理論, 如德國的“河流生態自然工法”, 美國的“自然河道設計技術”，澳大利亞的“綠植被技術”，日本的“近自然工事”等。

3 黑臭河道綜合治理技術

城市河道的治理遵循“外源減排、內源清淤、水質凈化、清水補給、生態恢復”的技術路線。其中外源減排和內源清淤是基礎與前提，以污染物削減為根本，最大限度地減少污染物入河量。水質凈化是階段性手段，借鑒污水處理工程技術，對已污染水體進行處理以改善水質，主要包括就地治理及旁路治理技術。水動力改善技術和生態恢復是長效保障措施，通過優化調控河流環境流量實施生態凈化，恢復河道自凈能力，實現 “增容強凈”。

3.1 控源截污技術

控源截污是河道整治的關鍵工程，是從根本上改善水質的必要工程。河道的污染源包括內源污染和外源污染兩種，其中內源污染一般來自底泥；外源污染包括點源污染及面源污染。

3.1.1 點源污染治理

點源污染主要指因市政管網建設落后，導致生活、工業污水及合流制污水直排入河[5]。城市建成區是污水直排的重點區域，對于缺乏完善污水收集系統的水體，通過新建、改造水體沿岸污水收集管道，將污水截流納入污水處理系統，從源頭上削減污染物的直接排放。

基于我國城市排水現狀，合流制與分流制排水系統將長期并存。對于分流制污水管網系統，實施系統建設及集散建設結合的治理措施。對河道周邊污水管網進行統一梳理，從整體水系角度考慮實施上下游污水管網建設工程。同時，對于管網難以建設區域，應調整規劃，進行分散式就地處理，其處理后的污水作為水體的補水水源。老舊城區多采用截流式合流制的方式，合流制排水系統的截流污水不宜直接采用重力管道接入分流制排水系統，宜有防止分流制污水倒流進合流制系統的措施。同時應采取防止河水水位較高導致截流井河水倒流的措施及設置初雨雨水調蓄池等，以進一步提升控源截污效果[14-16]。

3.1.2 面源污染治理

面源污染自20世紀70年代被提出，對水體污染所占比重隨著對點源污染的大力治理呈上升趨勢，主要分為城市和農業面源污染兩大類[17]。面源污染已成為美國水環境污染的第一因素, 占比達60%[18]。長期以來,我國對于面源污染尚未給予足夠的重視。城市面源污染是指在降水條件下,雨水和徑流沖刷城市地面,使溶解的或固體污染物從非特定的地點匯入受納水體，引起的水體污染[17]。

美國對面源污染控制提出了“最佳管理措施(Best Management Practices，BMPs)方案”，是目前最為系統和全面，應用也最廣泛的面源治理方案。我國于20 世紀80 年代初開始對北京的城市徑流污染進行研究,目前仍處于起步階段。控制污染較重的初期雨水徑流可有效降低城市面源污染負荷。城市面源污染控制采取“源頭減負-過程生態攔截-末端消納凈化”的全過程控制[19-20]。城市河流周邊地區綠地、道路、岸坡等不同源頭的降雨徑流的控制技術措施主要為城市低影響開發(如海綿城市)技術，包括下凹式綠地、透水鋪裝、緩沖帶、生態護岸等。過程及終端控制措施主要有: 路邊的植被淺溝、植被截污帶、雨水沉淀池、合流制溢流污水的沉淀凈化、氧化塘與濕地系統等[20]。實施中可因地制宜,將城市天然洼地、池塘、公園水池等改建為雨水調節池,利用天然水渠和人工濕地,建立林草緩沖帶。

據《第一次全國污染源普查公報》，農業污染源總磷、總氮排放量分別占全國排放總量的67%和57%。農業面源污染已成為我國流域性水體污染的重要來源。國內外學者在農業面源污染的治理措施方面提出：農田休耕計劃，設立綜合草/樹過濾帶，控制排水與地下灌溉，濕地凈化系統等措施[21-23]。據美國BMPs方案，農業面源治理應采取非工程措施和工程措施相結合,其中非工程措施包括制度、教育和污染物預防措施等，如實施化肥農藥減量增效，劃定畜禽禁養區、對禁養區內的畜禽養殖企業依法關閉或搬遷等。

3.1.3 內源污染治理

內源污染主要來自常年淤積的底泥，其污染物主要是硫化物、氨氮、有機物和低價金屬[24]，未處理的污染底泥將對上覆水體產生持續性污染，且在水力沖擊、微生物活動及季節氣溫變化等條件下將二次釋放到水體中。尤為嚴重的是淤泥中重金屬元素，會通過生物食物鏈和生物富集作用對人體健康造成嚴重威脅[25]。底泥的結構形態在本質上屬于高含水率的固體廢物，具有污染成分復雜、運輸難度大，處理困難等處理難點。

目前，底泥處理修復的方式可歸納為原位修復技術和異位修復技術。底泥異位修復指底泥疏浚后再進行異地處理，常用的疏浚方式分為帶水疏浚和干式疏浚。帶水疏浚無需排空水體，不受季節等外界環境因素影響，但清淤厚度和淤泥量不易控制。干式疏浚即將水體完全排空后再進行清淤處理，可有效控制清淤深度和清淤量，但對水體正常的水文環境產生不利影響[24]。異位修復方式可直接大幅度削減底泥對上覆水體污染的貢獻率，但易造成對水體原有生態平衡的破壞[26]。底泥的原位修復處理按照反應機理的屬性分類，可分為物理修復技術、化學修復技術和生物修復技術三類。物理修復即掩蔽遮蓋，將穩定的未污染的材料，如泥沙、土工布或一些人工合成材料以覆蓋一層或多層的方式架設在污染底泥層之上，隔離開泥水交互界面[27]。但掩蔽遮蓋的修復方式所需工程量極大，且增加底泥厚度，改變了原水體的生態環境。化學修復技術是通過向底泥中投加化學藥劑，通過改變污染物的釋放性能或直接與化學藥劑產生氧化還原、鈍化等化學反應，使沉積物中的污染物質得到去除或穩定化[28]。生物修復技術是利用微生物、水生植物和動物的本身的生長增殖等代謝活動，消耗降解水體中的污染物質。生物修復不會破壞原有生物群落系統平衡且效果持續效果較長[29]。

3.2 水質凈化技術

水質凈化是黑臭河道治理工程中的階段性措施，借鑒污水處理技術，采取工程措施改善水質。根據水文水質特征、治理目標及治理階段，針對性的選擇水質凈化技術。城市水體的水質凈化技術主要包括：人工曝氣充氧、絮凝沉淀技術、生態浮島、就地處理技術及旁路治理技術等。

人工曝氣充氧技術通過人工強化向水體中通入空氣、純氧或臭氧等，提高水體溶解氧濃度和氧化還原電位，緩解水體黑臭狀況[1]。絮凝沉淀技術是指向城市污染河流的水體中投加鐵鹽、鈣鹽、鋁鹽等藥劑，使污染物形成不溶性固體沉淀至河床底泥中[30]。生態浮島是一種經過人工設計建造、漂浮于水面上供動植物和微生物生長、繁衍、棲息的生物生態設施，通過植物根部的吸收、吸附作用和生態系統的攝食降解機理, 削減水體中的氮、磷及有機物質，實現水質凈化[31]。對于近期污水暫不具備接入市政污水管網條件的，宜在排水口附近采用就地處理技術，削減進入水體的污染物[32]。河道的旁路治理技術主要包括人工濕地技術與穩定塘技術等。旁路人工濕地指在河道堤岸帶現有洼地、溝渠或池塘等天然地形的基礎上構建的人工濕地生態系統。針對河道水質波動較大且河岸地理環境相對復雜等特點，人工濕地技術具有運行費用低，維護管理簡單和對周邊環境影響小等優點[33]。穩定塘是一種人工強化措施與自然凈化功能相結合的水質凈化技術，如多水塘技術和水生植物塘技術等，通過微生物的代謝活動和生物間的綜合作用降解有機污染物[34-35]。

3.3 水動力改善技術

對于納污負荷高、水動力不足、環境容量低的城市黑臭河道，采用水動力改善技術，借助清水補給，稀釋黑臭河道中污染物的濃度，同時加強污染物的擴散、凈化和輸出，提高水體復氧能力和自凈能力，改善水體水質。可用于河流補水的水資源主要包括：環境配水水源、節水水源、過境水水源及非常規再生水源。利用城市再生水、城市雨洪水清潔地表水等作為城市水體的補充水源，增加水體流動性和環境容量。韓國清溪川、法國巴黎塞納河及奧地利維也納多瑙河治理工程中均采用補水工程。我國昆明市同心河黑臭河道治理、奧林匹克森林公園龍形水系水質改善工程中均利用再生水或中水補水工程[36]。

3.4 生態修復技術

生態修復是指利用特定的生物吸收、轉化、清除或降解環境污染物，提高水體自身的凈化能力，構建穩定的生態系統，是水質長效改善和保持不可缺少的措施，旨在使受損生態系統的結構和功能恢復到受干擾前的自然狀況。具有安全穩定、工程造價及運行成本低廉、可與景觀改善相結合等特點。從20世紀70年代始,對河流生態系統進行綜合修復成為一種先進的治河理念。截至2004年底，美國共有37 000多個河流生態保護和修復項目，平均年投入超過10億美元。我國對河流生態修復的研究始于1990年代，至2005年開始，進入快速發展階段，已先后啟動無錫、武漢等14個不同類型水生態系統的保護與修復試點[37]。

水生態修復主要技術措施包括微生物強化凈化、水生生物群落修復技術、緩沖區修復、與生境修復等。微生物強化凈化技術實際上是外源微生物投放技術，向水體中添加一定量的微生物制劑，加速水體中污染物降解。目前應用較為成熟的微生物制劑主要包括：美國的 Clear-Flo系列菌劑、MO(Liquid live microorganisms)生物活性液、有效微生物菌群(Effective microorganism，EM)及中國的光合細菌(Photo-synthesisbacteria，PSB)硝化細菌等[38]。上海西雙涇河道黑臭河道治理工程中應用水底曝氧和投放微生物相結合，基本實現全面消除黑臭[37]。水生生物群落修復技術是以人工和生物調控結合的方式,通過引種移植和生物操縱等技術措施，實現水生生物系統重建，主要包括水生植物的種植及水生動物群落重建。水生高等植物能利用其發達的根系從水體和底泥中吸收利用大量的氮磷營養鹽，具有清淤固沙、凈化水質和克制藻類大量繁殖等生態學效應。目前應用最多的是水葫蘆、荷花、菖蒲和蘆葦等水生高等植物[1]。濾食性水生動物群落重建的主要目的是通過增加消費者規模，加快消耗生產者的速度，減少藻類的瘋長而抑制水華。濾食性水生生物包括魚類和貝類等，魚類主要是鰱、鳙等，可吞食大量藻類和浮游動物。河流與緩沖區河漫灘之間的水文連通性對水體生物多樣性具有關鍵性影響，緩沖區修復具有削減洪水及污染物沉淀、凈化及截留暴雨徑流等功能[39]。生境修復技術通過恢復河流彎曲、生態護坡改造等措施恢復河流自然形態；通過生態丁壩構建、淺灘深潭構建、人工產卵場再造等措施實現不同環境棲息地的重構。其中淺灘-深塘結構的再造有助于植被的良好發育和構建多樣性的生物棲息地, 還可營造天然的河流景觀；在德國、日本和我國等地河道生態修復工程中均有較好應用[40]。

4 黑臭河道綜合治理技術選擇

黑臭河道產生原因較為復雜，治理效果影響因素眾多，治理難度較大。通過一定的工程措施在短時間內可以達到去除黑臭的目的，但黑臭河道治理的難點在于治理后的水質保持，確保黑臭不再反彈。在目前很多黑臭河道的治理案例中，存在因不重視水質的長期保持而出現水體反復黑臭的現象。因此，黑臭水體治理技術的選擇應堅持“因地制宜、綜合措施、統籌管理、長效運行”的原則，根據水體黑臭成因不同、受污染狀況的不同，治理階段的不同，合理地選擇治理技術路線。

根據污染程度與治理目標的不同，黑臭河道治理可分為快速治理、水質凈化、水質保持3個階段。在快速治理階段應采取快速有效的措施消除黑臭、改善水質。主要采取新建截污管道減少污染物排放、投加絮凝劑、底泥疏浚、直排污水原位處理、補水活水等措施。經過快速治理階段后，河道水質得到一定程度改善，需要采取水質凈化措施進一步提高河道水質，主要采取人工曝氣充氧、建設植物塘、生態浮島、種植水生植物、投加改良劑和氮磷控制劑等。水質保持階段主要為了避免水體反復黑臭、水質再次惡化等現象，此階段可采取的措施有：水動力保持措施，提高水體流速、提高水體自凈能力；水華藻類控制措施、水生植物恢復措施，控制藻類生長，改善水體生態環境及水體環境容量。

在黑臭河道的治理過程中除采取相應的工程措施外，也要加強對黑臭水體治理的維護與管理，確保治理工程高效、有序的進行，避免水體反復黑臭現象，保證河道水質長效改善。

5 黑臭河道治理技術展望

隨著相關技術領域的發展，黑臭河道治理技術出現了部分新技術。包括：污染源控制技術、生態修復技術、生態疏浚技術、外源調水新技術及相關監管技術等方面。

在點源治理方面，以應用真空收集截污技術、氮磷及有價物質回收利用技術、難降解工業廢水高級氧化技術等高效脫氮、脫碳、除磷及資源、能源化先導技術為主。在面源治理方面，主要包括集成應用城市面源綜合協同控制技術，初期雨水、地表漫流截流與污染控制技術等。在內源治理方面，以研發應用新材料與制劑為主，如氧化劑、覆蓋劑、生物抑制劑、環境友好生態覆蓋劑等。在生態修復方面，以應用原位水質改善及生物生態恢復技術為主，如復合酶原位生態凈化、高效復合微生物菌劑、土著微生物擴增及生物促生、生物操縱技術等。在生態疏浚技術方面，主要以控制疏浚精度、高濃度疏浚技術、疏浚過程中細顆粒懸浮的控制、疏浚后新生界面層的生物活化問題，以及疏浚堆場設計、余水處理、底泥資源化利用等技術的研究為主。外源調水主要以調水過程中沉降泥沙、懸浮顆粒控制技術及區域水系調水過程中水溫水質相應調控技術的研究為主。

6 建議

黑臭河道治理是一個復雜的系統工程，在治理思路上，需實現由“重技術投入、重末端治理”向“技術與機制建設并重、末端治理與源頭治理共舉”的轉變。目前黑臭河道治理已取得初步成效，但仍然任重道遠，仍需加強以下幾方面的技術思路的轉變：(1)黑臭河道治理需綜合考慮城市水系統的建設、區域水循環體系的構建和水生態安全功能的健全三方面。按照“外源減排、內源控制、水質凈化、補水活水、生態恢復”的技術路線，制訂綜合治理技術方案。(2)對于完善流域水環境管理體制與部門協作機制，構建流域水污染防治的跨部門合作機制應予以重視。建立長效運管機制，明確已建黑臭河道治理工程的運營責任主體，確保工程既定目標的如期實現。提高公眾參與的透明度，完善水環境狀況通報制度。(3)建立“關鍵污染因子識別—治理目標確定—綜合治理規劃制定—工程措施實施—適應性管理(包括環境監測、效果評估、河流管理)—調整(包括重新識別關鍵污染因子、重新確定治理目標、調整規劃與實施方案)”的循環負反饋調節機制，最終實現河流生態系統達到穩定趨好的狀態。