城市黑臭水體成因及治理措施分析

文/中交四航局第七工程有限公司 徐平波

0 引言

21世紀以來，我國城鎮化、工業化進入高速發展期，城市河道污染形成的黑臭水體已成為城市發展亟待解決的問題。郝天文等[1]研究表明早期城市排水系統和污水處理系統存在設計缺陷和容量過小問題。胡洪營等[2]研究表明城市化、工業化使城市污水排放量不斷增加，城市排水系統處于混排及超負荷運轉狀態。陳國磊等[3]指出城市黑臭水體破壞了城市河道生態系統，給自然生態環境帶來嚴重污染，城市黑臭水體長期存在會引發大氣污染，嚴重影響城市周圍居民生活環境，給居民帶來健康隱患。城市黑臭水體是城鎮化建設及社會發展過程中不可忽視的環境及社會問題，國務院公布的《水污染防治行動計劃》表明生態文明建設是關系中華民族永續發展的根本大計，黑臭水體導致的環境惡化嚴重阻礙城市生態文明建設，進而制約城市經濟發展[4]。

基于此，以深圳市寶安區全面消除黑臭水體工程為例，在分析城市黑臭水體根本成因基礎上，從工程應用角度，通過建管納污、雨污分流、正本清源、動力補水及生態修復等切實可行的措施進行全面治理，實現黑臭水體標本兼治，長治久清，從根本上解決城市水環境問題，加強城市生態文明建設，落實以人為本的發展理念，為我國城市黑臭水體治理提供參考。

1 城市水體致黑致臭機理

1.1 城市黑臭水體定義及判別依據

城市黑臭水體是指城市建成區內，呈現令人不悅的顏色和（或）散發令人不適氣味的水體統稱[5]。根據黑臭程度不同，可將黑臭水體分為“輕度黑臭”和“重度黑臭”兩級。黑臭水體分級指標有4種：透明度、溶解氧、氧化還原電位、氨氮值。分級標準如表1所示，對水體取水檢測，如檢測指標超過表1內不黑不臭限值，即可定義為黑臭。

表1 城市黑臭水體污染程度分級標準

1.2 城市黑臭水體形成機理

城市黑臭水體有兩大特征：黑、臭。黑臭歸根結底是一種化學現象，水中有機物、無機物、金屬離子等在厭氧微生物作用下發生一系列復雜的氧化還原反應，形成黑色物質及有刺激性氣味物質，致水體黑臭。

1.2.1 致黑機理

孫韶玲[6]研究表明水體中形成的致黑物質主要有兩種：固體形態懸浮黑色污染物及可溶性深色腐殖質有機化合物。生活污水及廠房污水中含有大量Fe2+、Mn2+及硫化合物，水體缺氧時，含硫蛋白質在厭氧微生物生化作用下產生S2-，S2-與Fe2+、Mn2+結合形成FeS及MnS，劉曉玲等[7]研究表明FeS、MnS被水體中腐殖酸及富里酸吸附絡合形成懸浮性黑色顆粒物，致水體變黑，是水體致黑關鍵物質。河道污染物中可溶性帶色有機物通過累加作用，加重水體致黑程度。

1.2.2 致臭機理

導致水體惡臭八大物質有：硫化氫、甲硫醇、甲硫醚、二硫化碳、二甲二硫、氨、三甲胺、苯乙烯，其中硫化物占5種，充分說明硫化物對水體惡臭具有顯著影響。

厭氧環境中，水解型厭氧菌先將大分子有機污染物水解成小分子有機物，硫酸鹽還原菌利用這些小分子有機物降解含硫有機污染物，在硫酸鹽還原菌及其他厭氧菌共同作用下，含硫有機物被分解，產生甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫醚、羰基硫、二硫化碳等致臭物質，這些硫化物是水體致臭關鍵物質。

水體中放線菌、真菌及部分藻類生長繁殖分解水體中有機污染物，代謝產生2-二甲基異茨醇及土臭素等致臭物質，加大水體致臭程度。

2 城市黑臭水體成因

城市河道本身不生產致黑致臭物質，其僅是黑臭水體的終端載體，通過對寶安區排水系統現狀調查研究可知，黑臭水體產生的根本原因如下。

1）城市排水系統現狀存在設計缺陷 排水管網將城市各小區、公園、公寓、寫字樓等排水源頭聯絡匯集，形成城市排水支流系統，其中雨水系統最后匯流至河道，形成水體終端。這些排水源頭或因設計缺陷，或因建成年代久遠未徹底完成正本清源，廚衛污水管、化糞池出水管等接入雨水系統直排入河，污染河道水體。

2）面源污染未納入排水系統 城市面源污染主要有地表徑流面源污染和點源污染。污染來源主要為路面沉積物、生產及清洗廢水、生活廢棄物。主要污染元素為：有機物、水體懸浮物、石油類和氮磷等。點源污染來源主要為老屋舊村、集貿市場、汽修街（含洗車）、食街等產生的污染物。這些面源及點源污染并未通過完善的排水系統進行收集儲蓄、處理，直接通過地表徑流進入周邊小微水體或雨水箱涵，最后流入城市河道，經生物化學反應形成黑臭水體。

3）城市主排水系統混流 部分城市干管排水系統為雨污合流系統，部分管網錯接，雨污混流進入河道，污水入河形成黑臭水體。

4）河道內源污染 上游排水系統未徹底完成雨污分流、正本清源及面源污染整治，夾帶大量泥沙、垃圾雜物及雨污混流水進入城市河道，污染物及泥沙大量沉積，使河道水體越來越淺，水動力不足，最后喪失自我修復能力，無動力環境加快水體中的微生物和藻類殘體分解有機物及氨氮速度，加速溶解氧消耗，進而導致水體復氧能力衰退，局部水域或水層虧氧問題嚴重，形成適宜藍綠藻快速繁殖的水體條件，增加水華暴發風險，引發水質惡化，導致水體黑臭。同時，底泥在高溫作用下，微生物厭氧反應速度加快，底泥中的硫化物含量增加，向水體釋放硫化氫等惡臭物質，進一步加劇水體黑臭。河道底泥無法自我修復或通過水動力排出，停滯的黑臭底泥是導致城市水體黑臭的直接原因。

對寶安區某5條城市河道底泥取樣檢測，檢測數據如表2所示。5條河道底泥有機物及水分含量豐富，為水體黑臭生化反應提供良好條件。此外，底泥中還含有多種金屬離子及有害重金屬離子，為重度污染。

表2 河道底泥各項檢測元素含量

3 城市黑臭水體治理措施

黑臭水體治理完成后河道水質需達到景觀V類水體標準[8]，V類水體具體指標如表3所示。

表3 地表水Ⅴ類水質指標標準限值

治理完成后，進入至少3個月以上監測期，監測期內定期取水樣進行檢測，水樣中各項指標均不得超過表3中所列限值，水體治理監測考核為合格。

截至2019年底，寶安區61條黑臭水體全部治理完成，以氨氮值及溶解氧為主控指標，通過治理前及治理后水質檢測，得到如下氨氮值及溶解氧趨勢。

如圖1所示，黑臭水體治理前溶解氧范圍為0.010～1.200mg/L，氨氮值范圍在23.000～35.000mg/L，兩項指標均大幅超過限值，治理后回到限值內，治理完成初期接近限值，隨著時間推移數值逐漸遠離限值，最后趨于穩定，并維持在較高水平。檢測結果說明黑臭水體治理工作取得階段性成功。對黑臭水體治理過程綜合歸納，得出以下有效治理措施。

圖1 黑臭水體治理前后溶解氧及氨氮值檢測

3.1 正本清源

正本清源是徹底實施雨污分流、糾正污水錯排亂接的基礎與關鍵。以社區、住宅小區或相對獨立的排水片區為單位，對片區內雨污水系統進行徹底改造，從源頭實現雨污分流。

1）推行雨污分流制 對實行合流制及存在錯接亂排情況的各社區、住宅小區等排水單元進行系統更新整改，原有建筑合流系統改為污水系統，接入市政污水系統，新建1套雨水系統，將原合流系統中雨水剝離，接入市政雨水系統。如立管改造措施，原系統僅有1套合流制立管，屋面雨水與廚衛污水經過合流制立管進入市政雨水系統，通過立管改造，增加1套獨立立管收集屋面雨水，原立管系統僅收集廚衛污水，達到雨污分流目的。

2）增設環保雨水口 對傳統雨水口進行改造，將其升級成為具有凈化收集能力的環保型雨水口。環保雨水口自身結構對垃圾污染物進行有效攔截、吸附、過濾和生化降解，達到對初期雨水有效除污凈化，可處理匯水面內10mm的初期雨水，初期雨水的污染物去除率大于70%，經過環保雨水口的地表徑流雨水污染指數大大降低，入河后形成黑臭水體的概率明顯減少。

3.2 重點面源污染整治

正本清源并不能完全阻止污水入河，面源污染是城市黑臭水體另一個主要來源，徹底進行面源污染整治才能從根源上剝離污染源，解決黑臭問題。

1）老屋舊村整治 老屋舊村多為散排，可根據舊村規模大小新建雨污分流排水系統，收集生活污水及屋面雨水；根據老屋舊村內樓棟數量，以1:3比例進行化糞池補建，對損壞的化糞池進行翻建，并對化糞池淤堵部分進行清淤，最后將化糞池出水管統一接入市政干流污水系統，徹底剝離化糞池污水。

2）集貿市場及食街整治 針對無收集系統的污染點，統一新建污水收集系統，如餐飲店前設置隔油池，集貿市場根據攤位設置清洗池，收集系統出水管選擇合理路線接入市政污水系統；對臨時錯接亂排點進行封堵，新增1條接駁系統，選擇合理路線接入市政污水系統。

3）汽修街整治 針對散排洗車點，設置沉砂池及收集系統，對洗車水進行過濾和收集，除去泥沙及機油，選擇合理路線接入市政污水系統，消除洗車污水入河路徑。

3.3 主排水系統升級

1）針對合流管 新建1套排水系統，徹底剝離污水，讓污水回歸污水系統，實現雨污分流。

2）針對瓶頸管造成易澇情況 重新進行流量計算，針對流量不足的現狀排水系統拆除重建，通過擴大管徑進行系統升級。

3）針對缺陷管 通過原位換管或非開挖管壁修復工藝對管道進行修復，使其重新恢復100%使用功能。

3.4 河道清淤

河道清淤主要靠機械配合人工進行。明河軟質底段需分段設置圍堰及臨時導流措施，開挖淤泥至設計河床標高位置。開挖時須考慮上下游流水標高問題，避免出現倒坡現象，保證河道水動力條件，開挖深度根據取樣位置底泥檢測結果綜合考慮。明河硬質河底及暗涵部分清淤需清至硬質面并進行沖洗，用吸污設備徹底清理流塑狀污泥。

從表3中底泥檢測結果可知，河道底泥含有毒重金屬離子，清理后不能直接棄置，需進行處理。李志忠等[9]研究表明可設置底泥廠集中收集河道淤泥，并經專業底泥處理設備分離出有害難降解物質后再進行翻曬，達到運輸及填埋標準后進行外棄填埋。杭世等[10]研究表明如條件允許，可進行污泥水泥窯協同處理，使污泥得到二次利用，達到清淤及資源再利用的雙贏效果。

3.5 河道補水

對寶安區某6.9km河道水體上下游高差進行測量，高差為8.6m，平均坡度為1.25‰，上游無自來水水源，晴天無雨水排入河道，河道自身水動力不足，易形成局部無動力流灘涂、水潭，給水體至黑臭提供得天獨厚的條件，所以必須進行補水。在源頭設置動力水源，根據河道容量情況進行補水量控制，使整個河道水體流動，動力水的形成大大增強水體自我修復能力，有效破壞水體生化反應環境。

本著可持續發展戰略，節約用水原則，河道補水可采用污水處理廠處理后達到合格排放標準的中水，增設泵房設備，通過動力補水管道將中水泵送至補水點。補水管道設置閥門，根據河道補水量需求進行補水調節，河道流水充足的雨水季節可暫停補水，旱季河道無流水，水動力不足時進行補水，使水資源與生態環境科學協調發展。

3.6 生態修復

通過徹底切斷城市排水系統上游污水來源，進行控源納污，完善系統雨污分流，采用河道補水措施，使城市黑臭水體得到根治。由于河道水體生態系統較弱，自我修復能力受限，因此需進一步提升水體生態建設，讓水體達到長治久清的目的。

3.6.1 水體生態系統構建

王興利等[11]研究表明耐污水生植物恢復是水生態系統修復的關鍵，通過不同沉水植物空間搭配，構建水下森林，形成城市水體生態系統。

沉水植物的選擇應遵循以下原則：耐污能力強，可在惡劣污染環境中存活并形成固定群落；具有較好水質改善能力，植物自身特性可高效凈水，改善水下光照條件，提高水體透明度和光補償深度；生存能力強，可高效繁殖，對透明度要求低，適合伴生植物生長，易形成群體。

藍于倩等[12]研究表明沉水植物應根據城市水體所在地氣候條件進行合理搭配?！爸钪参铩笨蛇x擇矮生苦藻、馬來眼子菜、貍尾藻、美人蕉等；“蔓狀植物”可選擇小茨藻、輪葉黑藻等；“草狀植物”可選擇黑藻、狼尾藻、斑葉芒、細葉芒等；“挺水綠冠”可選擇萬維莎、睡蓮、荷花等。

3.6.2 浮動濕地

對傳統人工濕地進行全面提升，采用浮動濕地，貫徹海綿城市新思路。浮動濕地也稱浮式濕地，即在水體中搭建類似人工濕地的結構，去除水體污染物并實現生態修復作用。浮動濕地主要組成架構如圖2所示。

圖2 浮動濕地組成架構示意

倪盈等[13]研究表明復合纖維浮動濕地可有效去除水體中有機物、氮、磷、重金屬等多種污染物質，有效控藻，改善水體黑臭，適應不同水利條件的穩固要求，在不同水深水體下大面積穩固布設，增加水體透明度，減少底泥，控制異味，修復水生態環境，快速構建水生態景觀，提升環境效應。浮動濕地基質材料與根系形成的“海綿體”比表面積大，能吸附大量微生物，形成生物膜，達到高效處理水體污染的目的。且浮動濕地可營造較強的生態功能，為水生動物、兩棲動物、鳥類等提供生境平臺，形成以微生物為基礎的生物鏈，促進水體生態系統的自我修復。

從寶安區黑臭水體治理結果來看，水體生態系統修復及浮動濕地修復效果良好，水質凈化速度快，持續時間久。為提高河道水體自凈效率，治理采用全自動微納米曝氣技術，實際效果并不明顯，因曝氣裝置影響水體范圍有限，不易固定，設備用電輸送困難，且費用昂貴，無論從經濟性還是適用性來說，都與黑臭水體治理長效機制相悖，不建議采用。

4 結語

1）我國城市黑臭水體治理現狀不容樂觀，尤其是老屋舊村、城中村較多的城市，涉及遷改問題，治理難度高，經濟壓力大，需國家及地方政府政策及財政支持，各方合力共同完成“長治久清”的治水目標。

2）城市面源污染整治未達到橫向到邊、豎向到底的程度，控源納污未全覆蓋，排水源頭未完成正本清源，系統未徹底完成雨污分流，導致污水進入雨水系統，是河道水體致黑致臭的根本原因。

3）深圳市寶安區黑臭水體治理達到既定目標，說明上述治理措施具有可行性和參考性。

4）城市黑臭水體治理不能把重點放在黑臭水體終端治理層面，應追根溯源，梳理整個城市上游排水系統缺陷，對排水系統源頭進行控源納污，解決污染源頭，徹底完成雨污分流，永久消除黑臭。

5）黑臭水體治理是從水體源頭到終端一體化治理的系統工程，從正本清源、面源污染整治、控源納污、雨污分流、內源消除、河道水動力提升到生態修復提升是城市黑臭水體治理不可或缺的閉合環節，各個環節在黑臭水體治理中起著承上啟下作用，缺一不可。各個環節都必須因地制宜，進行全面徹底排查，以點帶面完善設計方案，百分百覆蓋所有污染源及雨污分流系統，合理選擇施工方案，進而全面、徹底消除水體黑臭。