修復黑臭水體的SCEU 強化環保生態方法

李 維， 劉本洪 ， 劉 蕾， 張 怡， 楊 春， 唐 亞

（四川大學建筑與環境學院，四川成都610065）

快速的城市化、工業化使大量污水未經處理排入河流，導致水質嚴重惡化，河流出現季節性甚至終年黑臭現象［1］.水體黑臭的原因是大量污染物進入水體，消耗了大量溶解氧，使水體呈缺氧或厭氧狀態，在微生物的作用下，產生NH3、H2S、硫醚類化合物等致臭物質以及FeS、MnS 等致黑物質.水體黑臭不僅使水生態系統中微生物、植物、動物大量死亡，生態系統結構嚴重失衡，還嚴重影響人們的日常生活.2007年，無錫貢湖因水體黑臭導致70%的水廠停工，約200萬人的生活飲用水無法得到保障［2］.

目前，全國認定的2 869個黑臭水體中已有2 313個黑臭水體完成整治［3］.根據“水十條”中2020 年將黑臭水體控制在10%的目標，我國正處于黑臭水體治理的攻堅階段，仍然有大量的黑臭水體需要進行治理.廣泛存在的黑臭水體帶來了嚴峻的環境問題、社會問題，而目前尚缺乏高效經濟修復黑臭水體的技術.

治理黑臭水體的方法有物理方法、化學方法和生物方法［4］.物理方法主要包括截污分流、底泥疏浚、曝氣復氧以及引水沖污等.化學方法主要通過向水體中添加絮凝劑或者氧化劑等化學藥劑，從而實現污染物的去除，該方法雖然能快速降低水質指標，但是化學藥劑可能會對水生生物產生毒害作用.生物方法包括動物法、植物法和微生物法［5］.植物法在凈化水體時，還能起到美化環境的作用，但凈化效率受季節影響較大.微生物法因高效、無二次污染被廣泛使用.黑臭水體成因復雜，單一技術往往無法達到理想的效果，在實際應用中往往采用組合技術治理黑臭水體.

本項目以位于四川省廣元市經濟技術開發區王家營工業園的王家溝黑臭水體為對象，運用SCEU強化環保生態方法對其進行修復，研究在不清淤疏浚的條件下，消除水體黑臭，恢復河流的自凈能力，使達標水質得到長期保持.

1 材料和方法

1.1 治理河段介紹王家溝位于四川省廣元經濟技術開發區王家營工業園.王家溝黑臭河道治理長度約為850 m，河道上下游的寬度約為31 m，中間逐漸變窄為25 m，蓄水量約為20 000 m3.王家溝的主要功能為泄洪，河道通過涵洞與嘉陵江相連，為嘉陵江的一條支流.

未修復前，王家溝河水呈黑色，散發刺鼻的臭味；雖為泄洪通道，但是由于日常行洪閥門關閉，河水流速緩慢，水動力條件差；河道兩岸和底部均硬質化，為典型的三面光河流，河岸傾角為25° ～30°，無植被生長，河流生態系統被嚴重破壞.

2018 年3 月對治理前王家溝水質進行檢測，整條河段均未達到地表水Ⅴ類水標準，屬于劣Ⅴ類水，檢測結果如表1.

表1 王家溝治理前水質情況（2018 年3 月）Tab. 1 Water quality before treatment in Wangjiagou River（March，2018） mg/L

1.2 王家溝污染成因調查1）王家溝未進行有效截污.上游居民生活污水、畜禽養殖廢水、初期雨水均直接進入河內.王家溝所在的王家營工業園內工礦企業廢水的跑冒滴漏也是造成王家溝黑臭的重要原因.

2）底泥污染嚴重.大量污染物在物理、化學、生物作用下沉積在水體底部，形成高負荷的內源污染.底泥不斷向上覆水中釋放污染物，影響王家溝水質.

3）河流自凈能力差.王家溝為三面光河流，硬質河岸不僅破壞了河岸生態系統，還阻斷了河流與土壤間的水力聯系，導致水環境容量減小，河流自我修復能力差.泄洪閥門關閉時，王家溝水體流動緩慢，水動力條件差，污染物無法及時被稀釋擴散，在河道滯留時間長.

1.3 修復河流生態系統的SCEU強化環保生態方法SCEU強化環保生態方法秉持“一水一策”的治水理念，不固化治水方案.根據王家溝污染原因，選取硬質河堤駁岸生態重建、微生物菌劑與云膜擴繁系統、專用除磷方法、造流復氧系統、滴灌系統和太陽能光伏系統等6項技術用于黑臭水體治理，重建河流生態系統，促使水體恢復自凈能力，通過系統中的生產者、消費者、分解者對氮磷等營養物質的利用，降低水中污染物濃度，實現消除黑臭，改善水質的目的.

1.3.1 硬質河堤駁岸生態重建 選用質量分數為30%的膨潤土和70%的腐熟污泥組成的護岸專用基料（表2）進行硬質河岸的生態重建.該基料是利用《治理黑臭水體的護岸專用基料》專利技術［6］制備的.直接將其鋪設在硬質河岸表面（水上和水下部分均進行鋪設），鋪設厚度為8 ～30 cm，因基料質地輕，無需其他復雜的固定措施，從河岸頂部到底部，每隔2 m設置橫向格擋，防止基料滑落.在鋪設好的基料表面混播狗牙根、高羊茅、三葉草和百日菊等植物種子.

表2 在王家溝使用的護岸專用基料的理化性質Tab. 2 Physical and chemical properties of substrate used on the banks of Wangjiagou River

由表2 可知，護岸專用基料陽離子交換量（CEC）高，對污染物的緩沖容量大；養分含量豐富，適宜植物、微生物生長，能快速恢復河岸植被，改善河流景觀.基料-植物-微生物組成的系統能夠通過吸附、過濾、微生物分解和植物吸收等作用凈化黑臭水體，同時能有效攔截面源污染.

1.3.2 微生物菌劑與云膜擴繁系統 從黑臭水體中提取分離能高效去除水中氮磷等污染物的土著微生物，用于制備微生物菌劑.土著微生物對水體環境適應性比外源微生物更強，能更好地發揮降解污染物的作用.2018 年6 月下旬和2018 年7 月中旬，先后向王家溝黑臭水體施加總計10 t微生物菌劑，微生物菌劑直接施入河中，未利用其他機械設備.采用特殊材料作為微生物菌劑的填充載體構成云膜，將其固著在水中，作為微生物的繁育場所，保證微生物的繁殖速率大于或等于其代謝死亡和流失的速率，確保微生物能持續發揮作用.

1.3.3 專用除磷方法 河段調試期間，直接向王家溝黑臭水體中施加1.5 t 專用除磷材料.該除磷材料利用《一種高效去除富營養水體中磷的方法》［7］專利技術制得.除磷材料的主要化學成分為氧化物，難溶于水、質地輕，可長時間在水體中懸浮，高效持久地發揮除磷作用［8］.

1.3.4 造流復氧系統 在王家溝上游、中游和下游分別安裝了2 臺水車式增氧機，利用太陽能供電，對水體進行曝氣，每小時運行3 min.水車式增氧機的另一個重要功能是增加水體流動性，使大量的懸浮物在水流波動過程中相互碰撞凝結，增加顆粒質量使其逐漸沉降.

1.3.5 滴灌系統 在王家溝兩岸安裝功率為3 kW的水泵2臺，在河岸鋪設相應的滴灌管道，抽取河水進行滴灌，滿足河岸植物的水分需求，同時實現水下與水上部分護岸專用基料的氮磷等營養物質平衡調節.

1.3.6 太陽能光伏系統 在王家溝中游河岸上安裝太陽能光伏發電系統，功率為15 kW，配合PLC自動控制程序，實現滴灌系統、造流復氧系統等設備的自動運行，滿足增氧機和滴灌水泵的用電需求，降低系統運行成本.

1.4 水質監測2018 年3 月，在治理前對王家溝上、中、下游取水進行分析.2018 年6—11 月為現場實施、系統調試，直至水質改善后進入初期維護階段.從2018 年6 月起，每月在上、中、下游取水樣1次，進行水質分析.2018 年12 月至2019 年1 月，當地市政施工放干河水，未能取水樣監測.2019 年2月至2019 年9 月，對河段恢復監測，進入后期維護階段，每3 個月取樣2 次.

監測指標包括 TP、CODMn、TN、NH3- N.此 4個指標的測定方法分別如下：TP 用鉬酸銨分光光度法（GB11893—1989），CODMn用高錳酸鹽指數法（GB11892—1989），TN用堿性過硫酸鉀紫外分光光度法（HJ636—2012），NH3-N 用納氏試劑分光光度法（HJ535—2009）.

2 結果及分析

2.1 王家溝水質變化2018年3月治理前，王家溝的上游、中游、下游的水質均為劣Ⅴ類水，中游污染最嚴重（表1）.2018 年6 月，治理項目開始的第一個月，TP、TN、NH3-N、CODMn指標下降明顯，僅王家溝中游的TN為劣Ⅴ類.經過2018 年6—7 月的施工調試，黑臭水體被破壞的生態系統快速恢復，生態系統各項功能增強，水體自凈能力不斷增強.2018 年8月，王家溝河段水質達到地表水Ⅳ類水的標準.2018年9月，經第三方現場水質監測驗收，在使用SCEU強化環保生態方法修復后，王家溝黑臭水體的水質由劣Ⅴ類水變為地表水Ⅳ類水.2018 年9 月至2019年9月，對王家溝后期維護過程中的水質進行了連續監測.監測數據表明：王家溝水質穩定，長期保持在地表水Ⅳ類水標準，有時可達地表水Ⅲ類水標準（圖1）.

圖1 王家溝水質變化Fig. 1 Water quality change in Wangjiagou river

將2018 年8 月的監測數據與治理前（2018年3 月）的數據進行對比分析，發現治理后，王家溝水質 TP、TN、NH3-N、CODMn等指標的去除率均非常高（表 3），TP、TN、NH3-N、CODMn的平均去除率分別達到 90. 33%、81. 35%、94.11%、84.48%.

表3 王家溝治理后水質（2018 年8 月）Tab. 3 Water quality after treatment for Wangjiagou river（August，2018）

2.2 王家溝生態環境與感官變化王家溝治理前（圖2）河水呈黑色，散發惡臭，沿河兩岸均為硬質河岸，無植被覆蓋，河流觀感差.經治理后（圖3），河水變為淺綠色，臭味消失，河岸被植物覆蓋，河岸生態景觀恢復.

圖2 修復前的王家溝Fig. 2 Wangjiagou river before restoration

圖3 修復后的王家溝Fig. 3 Wangjiagou river after restoration

通過監測底泥發現，SCEU 強化環保生態方法對底泥的消解效果顯著，在未清淤疏浚的情況下，項目實施1 a后，底泥的厚度削減了近50 cm，且底泥的顏色、氣味均得到明顯改善.觀察發現，河流修復后，吸引了許多鳥類來河邊覓食，還有野鴨在河岸筑巢，河流中魚類數量也大量增加，周邊居民紛紛來此垂釣休閑.河段整體呈現出全新的、生機勃勃的面貌，生物多樣性增加，生態系統結構穩定，水體生態功能快速恢復并保持強大.

3 討論

3.1 治理效果黑臭水體不僅導致水生生物大量死亡，還影響公眾身心健康，是當前非常突出的水環境問題.本研究利用SCEU強化環保生態方法修復王家溝黑臭水體，3 個月時間內，消除水體黑臭，使水質由劣Ⅴ類水恢復至地表水Ⅳ類水，并且水質在之后的一年時間，仍然保持穩定.說明SCEU 強化環保生態方法對黑臭水體具有良好的修復效果，能實現治理后水質長效保持，與目前一些組合修復技術相比，更能滿足黑臭水體長制久清的治理需求.梁灘河真武支流黑臭水體采用生態護岸、曝氣復氧、微生物菌劑和懸浮填料4 種技術進行為期2 個月的修復，對 CODMn、NH3-N 和 TP 的去除率僅為38%、16%和27%，且河岸上植物生長效果不好［9］.常德市穿紫河黑臭水體采取生態護岸、曝氣復氧以及生態浮床技術進行治理，雖然在河流景觀方面取得了不錯的修復效果，但是CODMn和TP 未實現全年達標，超標率為5.6%，NH3-N年平均質量濃度高達5. 56 mg/L，水質未能實現長期穩定［10］.SCEU強化環保生態方法不僅實現了水中氮磷等污染物的高效去除，還采用對污染物緩沖能力非常強的護岸專用基料，替代傳統生態護岸中利用的普通土壤，增強了河流納污能力，使達標水質長期穩定，同時河流觀感提升，做到水質指標和感官指標共同達標，市民認同度高，得到社會的廣泛認可.治理前的王家溝呈黑臭狀態，溶解氧低，不適宜魚類生存；治理后，水體溶解氧上升，河段魚類數量明顯增多，吸引許多人前來釣魚，且在鏡檢時發現了大量綠藻類微生物，生物多樣性明顯增加，河流生態系統更加穩定.

3.2 強化的生態功能常規黑臭水體的生態修復技術主要包括微生物法、植物修復技術、人工濕地及生物操控等［11］，往往只依靠動物、植物或微生物中的一種或兩種消除水體中的氮磷等營養物質，方式單一，局限性大.SCEU強化環保生態方法通過生態重建硬質堤岸，投加微生物菌劑等方式迅速重建河流的生態系統，充分利用生態系統中動物、植物、微生物對氮磷等營養物質進行吸收利用，從而降低其在水中的濃度，改善水質，并且在硬質河岸表面使用了大量能夠吸附交換水中污染物的護岸專用基料，增大河流的環境容量，河流耐沖擊負荷能力增強，有利于水質保持穩定.

研究發現通過魚類捕食的行為可以控制浮游生物數量，有利于水質改善［12］.投放魚類治理富營養水體的方式已經在滇池、巢湖以及辛安水庫等地進行應用［13-14］，并且取得不錯的效果.王家溝在治理過程中并未投放魚苗，經過治理后，數量顯著增加的魚類對水質也具有一定的改善效果.由此可見，SCEU強化環保生態方法應用后，水體生態系統中由生產者、消費者、分解者構成的能量流動和物質循環鏈快速恢復，充分發揮了每種生物在生態系統中的作用，同時發揮各種生物形成的生物鏈的系統功能，使水質能長效保持.

3.3 經濟適用性底泥作為黑臭水體的重要內源污染物，在外界的干擾下，底泥再懸浮會向水體中釋放大量的污染物，引發水體黑臭［15］.清淤疏浚作為直接降低水中負荷的方式在黑臭水體治理項目中被廣泛使用，但清淤疏浚的過程不僅會使大量的污染物進入水體，還會破壞底棲生物的生存環境，導致生物多樣性降低［16］，引發新的生態環境問題，且清淤后底泥也存在難處理的問題. SCEU 強化環保生態方法在治理過程中不清淤疏浚，避免了疏浚帶來的一系列環境問題，而且減少了資金的投入.

硬質河岸嚴重破壞了河流的自凈能力，但將硬質河岸拆除完全恢復成自然河岸，會影響河岸的穩定性，增加河岸垮塌的風險，而黑臭水體多出現在人口密集的城市區域，因此，通過拆除硬質河岸恢復河流的自凈能力是不現實的.本方法在不拆除硬質河岸的情況下，采用護岸專用基料，建立比自然河岸凈化能力更強的生態護岸，同時恢復河岸的景觀，在進行治理時無需額外占地，僅在現有的硬質河岸上進行處理，更適應目前城市黑臭河道的治理需求.

SCEU強化環保生態方法使原本消耗巨大的治理工程變得簡化、經濟，不需要大量的機械、人力和漫長的施工期.在后期維護上，因水生態系統恢復健康，水體自凈能力增強，維護時亦無需投入大量的人力，只需根據情況投入少量的微生物菌劑.

王家溝黑臭水體治理項目河流長850 m，寬25 ～31 m，采用SCEU強化環保生態方法的項目總投資為140 萬元，相比于目前常見的一些治理案例，該方法治理黑臭水體的成本顯著降低，且施工工期短，能夠很好地適應社會和市場發展需要.

4 結論

本文分析了SCEU 強化環保生態方法對黑臭水體的水質以及生態環境修復效果，得出以下結論：SCEU強化環保生態方法能夠快速消除水體黑臭，改善黑臭水體的水質，對 TP、TN、NH3-N 以及CODMn有較好的去除效果.從長期的觀察結果來看，利用SCEU強化環保生態方法治理后的黑臭水體，水質長期保持穩定，河流景觀恢復，生物多樣性增加.SCEU強化環保生態方法無需清淤疏浚，以較低的成本實現了黑臭水體原位修復，為黑臭水體的治理提供一種高效經濟的新方法.