我國(guó)城市黑臭水體成因及治理研究

仇振杰，孫夢(mèng)瑩

(湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 益陽(yáng) 413000)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，工業(yè)污水和生活廢水的排放日益激增﹒水資源公報(bào)研究指出，1998―2017 年，我國(guó)的廢污水排放量由593 億t 增長(zhǎng)至756 億t[1-2]﹒同時(shí)，水污染控制和防治意識(shí)與措施相對(duì)滯后，水體中化學(xué)需氧量COD、氮磷等物質(zhì)濃度超標(biāo)，水體富營(yíng)養(yǎng)化程度嚴(yán)重，水體溶解氧濃度持續(xù)降低，厭氧微生物大肆繁殖，進(jìn)而產(chǎn)生甲烷、硫化氫、氨氣等惡臭氣體，出現(xiàn)水體黑臭的現(xiàn)象[3-4]﹒

隨著近年來(lái)政府和民眾對(duì)水生態(tài)文明建設(shè)的重視，尤其在國(guó)家頒布“水十條”以及推行“河長(zhǎng)制”后，城市黑臭水體治理已成為國(guó)家重點(diǎn)實(shí)施戰(zhàn)略，計(jì)劃至2020 年，城市黑臭水體控制在10%以內(nèi)，到2030 年，全國(guó)城市建成區(qū)黑臭水體總體得到消除[5]﹒與此同時(shí)，黑臭水體治理的技術(shù)和措施不斷革新和涌現(xiàn)，例如水體凈化技術(shù)、河岸帶生態(tài)修復(fù)、河道工程整治等，并在短期內(nèi)取得 了一定成效，但城市化發(fā)展是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，黑臭水體治理的長(zhǎng)期成效還有待檢驗(yàn)，基于長(zhǎng)效機(jī)制的黑臭水體治理的技術(shù)還有待發(fā)展﹒

本文綜述了近20 年來(lái)我國(guó)城市黑臭水體形成原因與機(jī)理，整理了黑臭水體治理技術(shù)的研究進(jìn)展，探討了黑臭水體治理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，旨在為城市黑臭水體治理提供一定參考﹒

1 我國(guó)城市黑臭水體現(xiàn)狀及危害

據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部統(tǒng)計(jì)，截至2018 年11 月，全國(guó)70%以上的城市存在黑臭水體，且總數(shù)已達(dá) 2 100 條，其中重度污染水體占比為33.5%[6]﹒中南和華東地區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)且水系充沛，其黑臭水體數(shù)量最多，分別為778 和709 條，占全國(guó)總黑臭水體的37%和34%；與東南地區(qū)相比，西北地區(qū)黑臭水體數(shù)量較少，為63 條，但作為“三江源”的寧夏仍有26 條，這表明城市黑臭水體治理仍任重道遠(yuǎn)，對(duì)水體的監(jiān)測(cè)仍需長(zhǎng)期堅(jiān)持﹒城市黑臭水體除污染水質(zhì)、散發(fā)惡臭外[7-9]，其滋生的微生物還會(huì)導(dǎo)致黑臭水體周邊空氣污染，甚至引發(fā)個(gè)體疾病或傳染性疾病爆發(fā)[10]﹒劉建福等[11]研究了黑臭水體的離岸距離、污染類型與人群健康風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系，結(jié)果指出城市黑臭水體離岸200 m 范圍內(nèi)空氣污染主要以細(xì)菌和真菌為主，且隨離岸距離減小，細(xì)菌濃度增加，人體健康風(fēng)險(xiǎn)增加﹒巨天珍等[12]研究了周邊地貌類型與黑臭水土微生物污染的關(guān)系，結(jié)果表明水泥地由于缺少植被對(duì)空氣微生物的抑制作用，空氣微生物污染較嚴(yán)重；而采用喬、灌、草空間配置的綠地系統(tǒng)具有較好地殺菌效果，降低了空氣污染造成的健康風(fēng)險(xiǎn)﹒盡管不少學(xué)者研究了黑臭水體對(duì)空氣污染的影響，但仍缺乏對(duì)黑臭水體引起空氣污染，造成人群健康風(fēng)險(xiǎn)的定量性研究﹒

2 城市黑臭水體成因與機(jī)理

2.1 水體外源污染

污染物直接排入是導(dǎo)致黑臭水體的主要原 因﹒張勇等[13]調(diào)查分析了1985―2005 年中國(guó)城鄉(xiāng)飲用水源污染事件，指出工業(yè)污水和化學(xué)藥品是水源污染的主要污染物[14]﹒此外，隨著城市的快速發(fā)展，由降水沖刷地面進(jìn)入水體的污染物不斷增加[15]﹒與此同時(shí)，城市生活污水排放數(shù)量日益激增，但處理數(shù)量與質(zhì)量增長(zhǎng)平緩，尤其在城市近郊農(nóng)村，排水和污水處理系統(tǒng)極不完善，且水污染類型繁雜，污染源分散[8]﹒外源性污染物進(jìn)入水體大量消耗溶解氧，造成缺氧環(huán)境，而污染物中的有機(jī)部分在厭氧微生物作用下被分解，產(chǎn)生致黑致臭物質(zhì)(硫化鐵、硫化錳、硫化氫、氨、胺類、硫醚等)，進(jìn)而引起水體黑臭[3,7]﹒

2.2 水體內(nèi)源污染

與外源性污染物相比，內(nèi)源污染致黑臭機(jī)理為：河道底層淤泥在酸性還原條件下分解產(chǎn)生甲烷、硫化氫等難溶于水的氣體，氣體在上升過(guò)程中攜帶污泥懸浮于水中致水體發(fā)黑；此外，藍(lán)藻和放線菌通過(guò)呼吸作用將河床淤泥反硝化、甲烷化致水體發(fā)臭[3,16-17]﹒

2.3 水循環(huán)不暢與水溫升高

與污染物分解從本源上導(dǎo)致水體黑臭不同，水循環(huán)不暢與水溫升高加速了水體污染物致黑致臭的生化進(jìn)程﹒Hishida 等[18]和張敏等[19]研究指出河道淤積，水流緩慢，水力條件不足，會(huì)引起水體中藻類大量繁殖，進(jìn)而導(dǎo)致水體黑臭﹒水溫持續(xù)升高則是另一個(gè)加速水體黑臭的原因﹒王逢武等[3]研究指出水溫的升高會(huì)加快水體中微生物和藻類殘?bào)w對(duì)有機(jī)物和氨氮的分解速率，進(jìn)而加速消耗溶解氧含量，加劇水體黑臭﹒

3 城市黑臭水體治理路線和方法

針對(duì)城市黑臭水體的成因，其治理的方法主要分為物理、化學(xué)和生物生態(tài)方法[7]﹒

3.1 物理方法

治理城市黑臭水體的物理方法主要有控源截污、底泥疏浚、河道曝氣增氧以及活水循環(huán)與清水補(bǔ)給等[7,20]﹒

控源截污是指采用工程措施對(duì)水體污染源進(jìn)行截留﹒控源截污的設(shè)置在實(shí)際操作中仍存在較多改進(jìn)的方面﹒阮仁良等[21]調(diào)查研究表明，在做截污納管的設(shè)計(jì)方案之前，要做好黑臭河道兩側(cè)排水戶和道路兩旁污水管的分布；鄒偉國(guó)[22]通過(guò)對(duì)實(shí)際工程的調(diào)查分析提出了進(jìn)一步提升控源截污效果的措施，包括設(shè)置初期雨水調(diào)節(jié)池、采用污水收集新技術(shù)等﹒

底泥疏浚是指通過(guò)機(jī)械抽取河底沉積的污染物或?qū)⑺鸥蛇M(jìn)行底泥清除以及環(huán)保疏浚、生態(tài)疏浚等[23]﹒不同的清淤方式對(duì)水環(huán)境的影響不同，涉及到河道環(huán)境和水動(dòng)力學(xué)條件，因此需要綜合考慮各方面因素，在工程實(shí)踐中兼顧生態(tài)、物質(zhì)平衡[24]﹒此外，有研究表明，底泥疏浚還應(yīng)重點(diǎn)考慮污泥的堆放與處置[25]，且在冬季進(jìn)行效果較好，風(fēng)險(xiǎn)較小[26]﹒

河道曝氣增氧主要包括機(jī)械曝氣、工程跌水、噴泉、射流等方式﹒曝氣增氧能夠短時(shí)較大幅度提高水體溶解氧含量和氧化還原電位，防止厭氧微生物分解污染物，減緩磷素的釋放[27]，同時(shí)促進(jìn)黑臭物質(zhì)氧化，進(jìn)而改善水質(zhì)﹒通過(guò)對(duì)實(shí)際工程的調(diào)查和分析，不少學(xué)者指出間歇或連續(xù)的曝氣方式以及在上腹水還是在底泥曝氣，其對(duì)污染物的消減效果不同，還有待進(jìn)一步研究；此外單獨(dú)使用曝氣增氧只能緩解黑臭現(xiàn)象，缺乏長(zhǎng)效機(jī)制，建議結(jié)合化學(xué)物質(zhì)如CaO2使用，提高處理效果[28-29]﹒

活水循環(huán)與清水補(bǔ)給是指將附近的清潔水源或污染負(fù)荷較低的再生水引入黑臭水體，對(duì)污染物進(jìn)行稀釋，降低污染物濃度[7]﹒這種稀釋作用可以增強(qiáng)水體流動(dòng)性，提高河流中溶解氧的含量，減緩水體中藻類生長(zhǎng)，緩解水土黑臭現(xiàn)象，但缺乏長(zhǎng)期作用[20]，且其成本較高，操作復(fù)雜，一般適用于納污負(fù)荷高，水動(dòng)力不足的小型景觀水體﹒

3.2 化學(xué)方法

治理城市黑臭水體的化學(xué)方法主要是向水體投放混凝劑(Fe 鹽、Al 鹽等(化學(xué)混凝))、氧化劑(H2O2等(化學(xué)氧化))和沉淀劑(CaO 等(化學(xué)沉淀))，使其與水體溶解態(tài)磷酸鹽產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成沉淀，進(jìn)而去除水中懸浮物，改善水質(zhì)[30]﹒化學(xué)混凝等方法處理黑臭水體效率高，結(jié)果明顯，其使用的藥品劑量大，成本高，且產(chǎn)生的沉淀仍然滯留在水底，污染物有重新被釋放進(jìn)入水體的風(fēng)險(xiǎn)[20]﹒采用化學(xué)方法處理黑臭水體，還需評(píng)估和避免化學(xué)藥劑對(duì)土著生物和生態(tài)系統(tǒng)造成二次污染的風(fēng)險(xiǎn)，因此一般不建議采用化學(xué)方法對(duì)黑臭水體進(jìn)行處理[31]﹒

3.3 生物生態(tài)方法

生物生態(tài)方法治理黑臭水體是指通過(guò)動(dòng)物、植物和微生物來(lái)重新構(gòu)建水體生態(tài)系統(tǒng)，從而恢復(fù)水體自凈能力﹒這是因?yàn)閯?dòng)物、植物和微生物的生命活動(dòng)或分泌物能夠參與水體有機(jī)質(zhì)、懸浮物和氮磷等養(yǎng)分物質(zhì)的降解、吸附、轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過(guò)程﹒一般情況下，應(yīng)用微生物進(jìn)行黑臭水體治理較多，例如，對(duì)氮素的去除通過(guò)氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌及反硝化細(xì)菌的作用，實(shí)現(xiàn)水體中氮素的生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程，并最終使水體中過(guò)量的氮素以氣態(tài)的形式逸出水體；此外常用的微生物菌種還有枯草芽孢桿菌(其胞外酶分解有機(jī)質(zhì))、蠟樣芽胞桿菌(降解石油烴類)、光合細(xì)菌(分解有機(jī)物、硫化物、氨等)等﹒與物理和化學(xué)方法相比，生物生態(tài)方法更具安全和長(zhǎng)效性﹒根據(jù)生物生態(tài)方法的應(yīng)用方式主要分為微生物強(qiáng)化凈化技術(shù)、生物膜技術(shù)、人工濕地、生態(tài)浮島、生態(tài)岸帶修復(fù)、水生植物塘等﹒

微生物強(qiáng)化凈化技術(shù)是指利用微生物菌劑和促生劑促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)，強(qiáng)化其降解能力，增加其對(duì)有機(jī)污染物的分解作用，提高水體的自凈能力﹒張宗陽(yáng)等[32]采用優(yōu)勢(shì)復(fù)合菌劑對(duì)黑臭水體進(jìn)行處理，結(jié)果表明COD、氨氮和總磷的去除率分別達(dá)到67.83%，70.29%和70.59%﹒盡管如此，微生物菌劑具有專一性，前期馴化培養(yǎng)耗時(shí)較長(zhǎng)，其生存條件要求較為苛刻﹒

生物膜技術(shù)是指微生物以卵石、陶粒、纖維等為載體形成生物膜，利用其新陳代謝功能對(duì)污染物進(jìn)行截留、吸附和降解[33]﹒生物膜能夠影響水體中營(yíng)養(yǎng)鹽的遷移轉(zhuǎn)化和污染物的消納，并對(duì)磷等污染物具有較強(qiáng)的富集和固持能力[34]﹒董甜甜等[35]以生物陶粒為載體，利用枯草芽孢桿菌固定生物膜技術(shù)開(kāi)展黑臭河水凈化研究，結(jié)果表明在曝氣條件下固定生物膜參與處理10 d 后，對(duì)黑臭河水中COD、濁度、NH3-N 和TP 的去除率顯著高于未曝氣條件下﹒盡管如此，在重污染黑臭水體中，有機(jī)荷載過(guò)高，生物膜易壞死脫落[4]，因此，生物膜技術(shù)常用于低濃度污水凈化和生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)[36]﹒

人工濕地是一種異位生態(tài)處理方式，通過(guò)人工建造濕地系統(tǒng)，利用濕地自然生態(tài)系統(tǒng)中物理、化學(xué)和生物過(guò)程的優(yōu)化協(xié)同作用對(duì)污水進(jìn)行截留、凈化﹒李真等[37]以水生植物梭魚(yú)草作為濕地植物，新型填料蜂巢石作為濕地填料，構(gòu)建了凈化黑臭水體的垂直流人工濕地，并將其應(yīng)用于黑臭水體除磷的中試研究，結(jié)果表明，人工濕地的TP 去除率為58.13%～83.25%，且TP 去除率的變化趨勢(shì)與氣溫變化趨勢(shì)相一致﹒CUI 等[38]研究表明，復(fù)合垂直人工濕地對(duì)黑臭水體具有較好的修復(fù)效果，且與土壤脲酶和磷酸酶活性有關(guān)﹒人工濕地結(jié)合其他凈化措施能夠更有效地去除污染物﹒高尚等[39]將人工濕地技術(shù)與生物接觸氧化法相組合處理黑臭水體，結(jié)果表明BOD5，CODCr，NH3-N 和TP 的平均去除率分別為37.0%，34.8%，34.7%和26.7%，去除率均高于單一的人工濕地﹒

生態(tài)浮島是一種原位修復(fù)技術(shù)，以高分子材料為載體，將具有水體凈化功能的植物用無(wú)土栽培技術(shù)種植于黑臭水體中﹒生物浮島充分發(fā)揮了以水生植物群落為中心，微生物和水生動(dòng)物為輔助的水生生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)功能﹒吳小慧等[40]采用梯級(jí)設(shè)置生態(tài)浮島處理黑臭水體，結(jié)果表明，水體溶解氧濃度平均提高了132.6%，黑臭河水中NH3-N，TP 和CODCr平均去除率分別為45.8%，50.2%和37.9%﹒相似的結(jié)論也在徐歡等[41]研究中得到﹒

3.4 海綿城市建設(shè)技術(shù)與黑臭水體治理

隨著城鎮(zhèn)化持續(xù)推進(jìn)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，城市居住生活中，水資源短缺、水環(huán)境污染和水生態(tài)退化問(wèn)題日趨嚴(yán)重﹒海綿城市建設(shè)已成為解決城市水問(wèn)題的重要舉措﹒海綿城市建設(shè)秉持生態(tài)環(huán)境保護(hù)宗旨，保證城市排水、防澇，統(tǒng)籌安排自然降水、地表水、地下水，實(shí)現(xiàn)水資源高效利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)﹒其中，海綿城市建設(shè)在時(shí)空布局方面的理念內(nèi)涵與黑臭水體成因的時(shí)空分布契合，可將海綿城市建設(shè)的彈性空間擴(kuò)展為生態(tài)空間，修復(fù)城市水生態(tài)環(huán)境﹒王巧等[42]在度假區(qū)水專項(xiàng)設(shè)計(jì)中將排水集雨的場(chǎng)地改為人工濕地，有效凈化了污水，延長(zhǎng)了場(chǎng)地內(nèi)地表徑流形成時(shí)間，同時(shí)人工濕地與假山、園林等景觀有機(jī)鏈接，改善了人們居住環(huán)境﹒此外，在河道治理和黑臭水體修復(fù)應(yīng)用中，不少學(xué)者將海綿城市建設(shè)理念融入實(shí)際工程，如常德市啟動(dòng)內(nèi)河水系駁岸景觀綠地建設(shè)替代硬化河岸，不僅有效提升了防洪性能，還保護(hù)了河岸生物多樣性，提高了水土自凈能力，實(shí)現(xiàn)了水生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)[43]﹒

4 結(jié)論與建議

隨著城市發(fā)展和人們文化水平的持續(xù)提高，城市黑臭水體已得到了越來(lái)越多的關(guān)注，不少學(xué)者針對(duì)城市黑臭水體的成因和治理措施開(kāi)展了廣泛研究﹒導(dǎo)致黑臭水體形成的原因主要為污染物輸入和不利于污染物擴(kuò)散的條件﹒因此，隨著城市功能的日趨完善，黑臭水體會(huì)向環(huán)保意識(shí)淡薄和排污條件落后的城市近郊和農(nóng)村轉(zhuǎn)移﹒此外，黑臭水體治理修復(fù)非一朝一夕所能完成，其引起空氣污染造成人群健康風(fēng)險(xiǎn)以及對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響還需進(jìn)一步研究﹒與物理和化學(xué)方面治理方法相比，黑臭水體的生物生態(tài)治理方法去污強(qiáng)、綠化美觀、無(wú)二次污染，具有較好的發(fā)展前景，但是仍需結(jié)合其他輔助措施，研究新材料、新方法提高治理效率，降低治理成本﹒

總之，城市黑臭水體治理是一個(gè)復(fù)雜、系統(tǒng)的綜合工程，不同城市的黑臭水體成因機(jī)制與所處生態(tài)環(huán)境條件均不同﹒因此，黑臭水體治理技術(shù)和方案的選擇應(yīng)“因地制宜”﹒針對(duì)黑臭水體變化及其治理技術(shù)的發(fā)展，提出以下建議供參考﹒

1)嚴(yán)格立法，強(qiáng)化執(zhí)法力度；提高非城市人群環(huán)保意識(shí)；改建和完善非城市地區(qū)污染處理和排放設(shè)施﹒

2)改革創(chuàng)新新材料、新方法，優(yōu)化治理方法組合，提高治理效率，降低治理成本﹒

3)黑臭水體治理和修復(fù)是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，須建立長(zhǎng)期完整的監(jiān)測(cè)和管理機(jī)制﹒