我國黑臭水體的形成機制與治理策略研究*

蒲云輝，唐嘉陵，徐 青，李 玫，潘聲旺

(成都大學建筑與土木工程學院，四川 成都 610106)

隨著我國城市化進程的快速推進，大量污染物集中產生和排放。未經處理或未達標的生活污水、工業廢水等進入河流，使污染物不斷累積，溶解氧含量下降，化學需氧量和氮、磷等污染物濃度升高，水體水質惡化[1-2]。黑臭是水體受到嚴重污染表現出的一種極端現象，不但破壞城市景觀，還會使水體喪失生態功能，危害人體健康[3]。根據水體特征指標(透明度、溶解氧、氧化還原電位和氨氮)的量級可將污染水體分為輕度黑臭和重度黑臭兩類。到目前為止，我國黑臭水體數量已接近2000余個。2015年我國頒布的《水污染防治行動計劃》中提出了城市黑臭水體分期整治的實施方案，并要求到2030年基本消除城市黑臭水體。由此可見，我國黑臭水體治理工作的嚴峻性和緊迫性。

1 黒臭水體的現狀與成因

1.1 我國黑臭水體的現狀

據統計，2016年我國黑臭水體數量約為1861個，其中分布在華南、華中及華東地區的黑臭水體數量占總量的70%左右。到2019年9月，黑臭水體數量增加至2100個[4]。如圖1所示，大部分城市已經完成黑臭水體的治理，但安徽、廣東仍然有分別69和41條黑臭水體未完成，湖南(33條)、河南(31條)和吉林(27條)緊隨其后。到目前為止(2020年4月)，已經達到2869個，其中已完成2313個，仍有556個正在治理進行中，即仍然有接近20%左右的水體還未治理完成。此外，已治理的水體返黑返臭現象依然存在，城市水質改善的任務依然較重。

圖1 我國各省黒臭水體數量分布情況

1.2 水體黑臭的成因

1.2.1 外源污染

過量外源有機污染物進入水體，致使異養型微生物及藻類等大量增殖，水體中溶解氧降低并轉變為缺氧或厭氧狀態。隨后，水體中的物質經過一系列物化和生化反應產生致黑致臭物質，并最終導致水體發黑發臭[5]。氮、磷等營養元素進入水體后，自養型藻類等大量增殖并覆蓋水面，抑制水體復氧過程[6]。藻類殘體被厭氧微生物分解將釋放大量致黑致臭物質。進入水體的鐵、錳等污染物與硫化物結合形成黑色難溶物質，導致水體發黑。外源污染源可分為點源和面源兩類，是引起水體黑臭的根本原因。

1.2.2 內源污染

水中的有機污染物、藻類及植物殘體等通過沉淀、吸附及生化反應過程等轉移至底泥中，當遇到水力沖刷、人為擾動或環境變化時，污染物從底泥中釋放出來并造成水質惡化，這也是水體黑臭的重要原因[7]。

1.2.3 其它因素

由于人為過度開發水體資源，大量圍墾占用河流兩岸灘地，修建水利工程，河道渠道化、硬質化等，導致河道水體流動性變差，水體自凈能力減弱，生態系統退化，并最終引起水體黑臭。此外，熱污染是水體黑臭的重要原因[8]。水溫升高導致溶解氧降低，底泥中吸附的金屬離子大量釋放使水體黑臭現象加重[8]。

2 黑臭水體形成的機理

水體的致黑致臭過程是物理、化學及生物學多個反應共同作用的結果。不同的物質組分、環境因子、水力條件及微生物種類引起的水體黒臭機理存在差異。但主要的致黑致臭(圖2所示)過程以及相關微生物的作用(表1所示)已基本明確[4,9]。

2.1 致黑機理

水體中主要的致黑物質包括吸附于懸浮顆粒上的不溶性黑色污染物質(FeS、MnS)，以及可溶于水體的有色有機物。在厭氧條件下，微生物可促進FeS、MnS的生成，其主要過程如下：

含硫蛋白質→H2S+NH3+有機酸

Fe2++S2-→FeS↓

Mn2++S2-→MnS↓

圖2 水體致黑(a)和致臭(b)的機理

如圖2a所示，微生物分解水體中的有機物將消耗其中的溶解氧。當耗氧速率超過復氧速率時，就會導致水體缺氧。在厭氧環境中，經過物化反應及微生物作用，水體中的Fe3+被還原為Fe2+，硫酸鹽則被轉化為硫化氫或S2-，同時底泥中的含鐵、錳及含硫化合物釋放至上層水體，生成FeS及MnS等主要致黑物質。另外，由于水體底部缺氧，厭氧微生物利用有機物產生氣體(CH4、CO2、H2S等)，氣泡促使黑色底泥上浮，從而加速水體的黑臭進程。藻類細胞殘體及植物殘體等在厭氧條件下被轉化為腐殖質等致黑物質。同時腐殖質能促進Fe3+轉化為Fe2+，進而加速水體變黑。

2.2 致臭機理

黑臭水體中主要的致臭物質為揮發性有機硫化物、硫化氫(H2S)、胺類以及其他揮發性惡臭物質(如土腥素、2-甲基異茨醇、β-環檸檬醛、β-紫羅酮等)，形成機理如圖2b所示。

(1)硫化氫(H2S)、氨(NH3)等小分子氣體。當水體處于重污染水平時，有機物好氧分解造成水體嚴重缺氧，厭氧微生物大量生長并降解有機污染物，產生H2S、NH3等臭味物質。反應機理如下：

有機物→蛋白質、氨基酸→有機酸+H2S↑+NH3↑+ CO2↑+H2O+CH4↑

(2)厭氧條件下，大分子有機物被微生物水解轉化為小分子有機物，而后在硫酸鹽還原菌及其它厭氧菌將含硫有機污染物轉化為揮發性有機硫化物如二硫化碳(C2S)、羰基硫(COS)、二甲基二硫醚(DMDS)、甲硫醚(DMS)、甲硫醇(MT)。除外源含硫有機物外，水體中的藍藻及植物殘體也是有機硫化物的主要貢獻者，是導致水體惡臭物質的重要原因。

(3)其他惡臭物質。在重污染水體中，外源污染物大量輸入導致水體處于嚴重缺氧，水體中的細菌、真菌、藻類等大量繁殖并在代謝過程中分泌多種醇類等致臭物質。此外，藻類細胞降解過程中釋放的β-紫羅酮(醛)等致臭物質也會引起水體惡臭。

表1 黒臭水體中主要涉及的微生物

3 城市黑臭水體的治理技術

整治城市黑臭水體應遵循“適用性、綜合性、經濟性、長效性和安全性”等原則進行技術選擇，并按照“控源截污、內源治理；活水循環、清水補給；水質凈化、生態修復”的基本技術路線進行實施。控源截污和內源治理技術是黑臭水體治理的基礎，水質凈化、清水補給是水體水質提升的基本保證，生態恢復是城市水體功能恢復和長效保持的重要舉措。

3.1 控源截污技術

控源截污主要從源頭減少污染物進入水體的可能性，是城市黑臭水體整治的基礎，主要包括截污納管和面源污染控制兩個方面。截污納管主要通過鋪設污水截流管線，收集污水并將其引入城市處理系統，從而減少污染物進入水體[5]。但該技術的工程量較大、投資較高，且工程實施周期長。面源污染控制可采用雨水控制與凈化技術以及生態護岸隔離或阻斷技術實現污染物的削減和控制。

3.2 內源治理技術

底泥是黑臭水體的重要污染源，常采用原位處理和異位處理兩種方式進行。原位處理是采用物理、化學和生物學的方法，將污染物固定于污泥中或直接轉化去除，防止污染物進入水體。物理修復通常采用原位覆蓋法阻隔底泥的再懸浮和擴散；化學修復是向水體中投入特定的化學藥劑(混凝劑、氧化劑、吸附劑等)，通過一系列氧化還原、吸附、沉淀等過程使污染物在底泥中保持穩定[5,10]；生物修復是利用生物的代謝作用降低污染物質的含量。異位處理是將底泥移出水體并單獨進行處置。盡管該方法相對成熟，但疏浚底泥的工程量較大，易對土壤和周邊環境造成二次污染，且可能對河道底部和水體生態系統造成嚴重破壞，引發新的生態問題[5]。

3.3 生態補水

利用天然水或再生水補充污染水體，使其恢復生態功能及自凈能力，從而緩解水體污染。《城市黑臭水體整治工作指南》指出利用城市再生水、清潔地表水等實施生態補水可有效提高水體的流動性，明顯改善水質，是快速解決水體黑臭問題的方法之一。盡管該方法可稀釋受污水體，降低污染物濃度，增加水體溶解氧和生物量，但并不能從根本上解決污染物對水生態環境破壞的問題[11]。

3.4 生態修復及凈化技術

生態修復與凈化技術主要通過恢復生物多樣性，重構完整的生態系統，并充分利用各組分的功能實現水生態系統的良性循環[1,11]。根據作用主體可將其分為水生植物修復法、水生動物修復法和微生物修復法等。但這些修復方法常被綜合運用于人工濕地、生態浮島、穩定塘和生態護坡等。生態修復常與城市景觀構造相結合，實現污染控制和城市生態建設協同實施。利用生態修復技術提升水體自凈能力，完善水生態功能，是水質長效保持的關鍵措施。

4 我國城市黑臭水體整治的對策與建議

4.1 探明黑臭水體的形成機理，明確治理對象

盡管研究者已對水體黑臭的形成原因與機理進行了大量研究，但水體致黑致臭過程仍不清楚。另外，由于水體黑臭與河流狀態、水力條件及環境條件等關系密切，以致水體黑臭的成因存在差異。因此識別水體致黑致臭物質，解析水體黑臭惡化的相關機理是實施黑臭水體整治的重要前提。

4.2 優化黑臭水體治理技術

黑臭水體的治理是一個多元的系統工程，采用單一的治理技術往往難以達到理想的效果。因此需要多種技術優化組合、協同進行。采用物理、化學和生物法協同治理的案例較多，效果也較為明顯，但需進行經濟-環境效益評價。采用生態修復技術時應從城市發展規劃、水生態建設及生態保護等角度綜合考量，因地制宜。強化“一河一策”制度，建立治理成果長效保障措施。此外，還應加大資金的投入力度，完善水環境保護的管理和運營模式，推動環保產業進入良性循環。

4.3 完善管理機制，鼓勵公眾參與

完善管理流程，明確責任主體是保持治理成果的長效機制。可建立涉及水利、市政及環保部門等多機構的聯動管理機制，落實河道的管護及考核單位，將水體養護與監管同時進行。建立城市黑臭水體治理綜合管理平臺，憑借遙感及在線監測系統，精確追蹤水體水質變化，實現水體黑臭治理效果的長效保持。公眾參與有助于推動黑臭水體的治理，應加強政府和社會組織者間的互動與交流合作，強化公眾參與機制的運行和效果評估工作。

5 結 語

我國黑臭水體數量巨大，整治時間緊任務重。盡管國內外學者對水體致黑致臭機理進行了探索并以此提出了相應的治理和修復措施，但水體黑臭的相關研究仍有待深入。應進一步從環境影響因子、物化過程、生物學機制角度研究水體黑臭的形成過程及演變機制。針對不同的水體特征，推演其黑臭的本質，進而提出針對性的整治措施；應加強對城市黑臭水體治理技術的研究，針對水體主要的致黑致臭因子，積極采用多種組合技術進行治理，避免水體返黑返臭；將水體治理與城市生態環境建設相結合，形成經濟-環境-效益可持續的整治技術體系；應完善相關法律法規，實行責任制，加強管理和監督，維護河流治理成效。