我國黑臭水體形成機理及治理技術研究

（中鐵十一局集團第五工程有限公司，重慶 400037）

在我國，城市生活污水的產生量隨著城市化的快速發展呈現出不斷增加的態勢，大量污水非法不合理排放直接造成城市水體水質嚴重惡化，引發黑臭。“黑臭”是對受污染水體的感官描述，指水體因惡臭而變黑，影響居民正常生活、河流生態系統和城市面貌。河流黑臭現象在很多國家均有發生。例如，韓國首爾的清溪，德國北萊茵-威斯特法倫的埃姆舍爾河，法國巴黎的塞納河和奧地利維也納的多瑙河[1]，這些地方都曾出現過嚴重的水體黑臭問題。相關數據顯示，我國有1 861處黑臭水體，重度污染水體占比更是達到35%。水體黑臭已經成為我國城市的流行病，成為我國城市亟須解決的嚴重環境問題[2]。本文的目的是介紹黑臭水體，闡述導致黑臭水體形成的關鍵機理，總結緩解或消除黑臭水體的策略。

1 黑臭水體形成機理

1.1 水體發黑形成機理

水體發黑的一個重要原因是金屬硫化物的沉淀。研究發現，沉積物釋放的重金屬離子能夠導致水體變黑。在水體變黑時，硫化物濃度隨之增加，與Fe2+或Mn2+結合，形成黑色金屬硫化物（FeS，MnS）等物質，導致水體發黑。其次，溶解性有機質（DOM）被研究發現是水體發黑的重要參與物。Duan等[3]發現水生植物降解會產生CDOM，導致水體因浮游植物生物量的積累而變綠，使水體呈現黑色。CDOM能夠吸收紫外光和可見光，其由持久的光學活性大分子物質組成，如氨基酸、腐殖酸和芳香蛋白。非CDOM是由較小且易降解的分子組成，如糖和羧酸。He等[4]發現FeS的濃度與水色的變化沒有顯著相關性，影響水色的物質在DOM降解過程中產生。在DOM降解過程中，非CDOM首先被微生物消耗，導致水體中CDOM的相對濃度增加，形成黑色（或棕色）。CDOM的主要成分從腐殖質轉變為色氨酸和芳香族蛋白質，增強紫外光吸收，進一步加劇水體發黑。

1.2 水體發臭形成機理

硫是形成有氣味化合物的最重要元素之一。硫化還原細菌通過異化硫酸鹽還原進行呼吸，產生硫離子和硫化氫形式的還原硫。硫化氫是一種具有高濃度氣味的物質，在水體發臭的形成中具有很大貢獻。甲氧基芳香族化合物可以為硫化物提供甲基，形成甲硫醇或二甲基硫醚。揮發性有機硫化物（甲硫醇、二甲基硫醚、二甲基二硫和三硫化二甲基）在臭氣形成中起主要作用。研究表明，含硫有機物和含硫有機物的微生物降解可能是水體中產生揮發性有機硫化物的兩個主要機制。含硫有機化合物主要在藍藻和沉水植物的死亡和腐爛過程中釋放[5]。例如，二甲基磺基丙酸鹽是從藻類中提取的，會導致海洋表層水中二甲基硫醚的形成。異養微生物能將有機硫轉化為揮發性有機硫化物，在藍藻分解過程中發揮重要作用。硫化還原菌可以將硫酸鹽還原為硫化物，硫化物可以轉化為揮發性有機硫化物。在硫酸鹽轉化為有機硫化物的生態系統中，硫循環主要依賴于光合微生物硫酸鹽的吸收和還原。含硫氨基酸和蛋白質可作為形成揮發性有機硫化物的前體，如甲硫醇、二甲基硫醚和二甲基二硫，其由含硫氨基酸的微生物分解產生。

2 黑臭水體治理

黑臭水體已經嚴重影響居民生活和城市發展。針對我國的實際情況，制定合理有效的消除水體黑臭現象的措施十分必要。目前，治理黑臭水體的技術主要分為四大類，即物理修復、化學修復、生物修復和生物-生態修復。

2.1 物理修復

物理修復技術主要包括底泥疏浚、人工曝氣和水循環。疏浚是底泥的一種遷地處理技術，底泥是內源污染的重要來源。底泥疏浚能夠有效解決河道內源污染問題，可以增加河流的自凈能力和防洪行道功能。研究表明，冬季對底泥疏浚可以更有效抑制黑臭水體的形成，由于冬季水體中營養鹽濃度較低并且微生物代謝活性較低，可以限制沉積物中營養鹽的釋放。底泥疏浚存在缺陷，例如，投資成本高，難以把控處理的精度，易造成二次污染。

溶解氧濃度低是黑臭水體的一個關鍵特征，通過人工曝氣技術提高溶解氧濃度，有利于增強水體的自凈能力，恢復生態系統。研究表明，深度和間歇性曝氣可以有效降低上覆水中的COD、NH4+-N和TN濃度。沉積物中的TOC和TN分別從2.83 g/kg降至1.29 g/kg和1.20 g/kg降至0.18 g/kg[6]。人工曝氣的主要局限性在于難以平衡經濟成本和效率和處理底泥，不能單獨解決黑臭水體問題。人工曝氣通常與生態修復方法相結合，采用多種物理和生物技術去除污染物。水循環能夠人工改造原有水體，構建水循環機制，改善水力條件。

2.2 化學修復

化學方法主要包括強化絮凝、化學氧化和化學沉淀。化學藥劑主要包括無機混凝劑（如鐵和鋁鹽）、氧化劑（如過氧化氫和過氧化鈣）和沉淀劑（如生石灰）。這些方法主要通過去除懸浮物、溶解磷和氮等目標污染物提高水的透明度。Pan等[7]對鋁鹽和鈣鹽進行了改性并用于污染河流修復，取得了良好效果。反硝化與還原的無機硫化合物的氧化偶聯，是一種可以抑制臭味形成的新方法。硝酸鹽可以作為電子受體，通過自養反硝化物種，如硝酸還原硫氧化細菌（N-SOB）脫氮硫桿菌和反硝化細菌，促進酸化揮發性硫化物（AVS）的氧化。Liu等[8]用硝酸（CaCO3）處理黑臭河流沉積物，發現CaCO3可有效降低TOC、含硅有機物和多環芳烴（PAHs），與無CaCO3對照組相比，去除率分別提高47.25%、46.73%和35.25%。

2.3 生物修復

生物修復是指生物吸收、轉化、去除或降解環境污染物，使受污染的環境部分或完全恢復原狀的生物措施。這些處理技術主要包括微生物強化技術、聯合人工浮島/人工濕地技術和基質/填料強化凈化技術。Gao等[9]人成功研發出了HP-RPe-3復合微生物制劑（國家專利號：2017114193785），通過利用菌劑降解水體和沉積物中的NH4+-N，成功治理了黑臭水體，水生植物已被用于人工浮島和人工濕地工程。Huang和Lv等[10]評估了類似的技術，研究了基于水生植物自然凈化的植物修復方法，有效減少了污染物和營養物。

2.4 生物-生態修復

由于黑臭水體問題復雜，單一的治理措施難以達到理想的修復效果。應根據不同水體的具體情況，將各種處理技術結合起來，實現各自的優勢。與物理和化學技術相比，生物修復和生態修復技術更具經濟可行性和環境友好性。生物生態工程修復技術包括自然景觀與人文景觀的協調、人工調控輔助水生動物的自然恢復、底棲生物和浮游生物的恢復、沉水植物為主的水生植物的恢復、河流緩沖帶與生態護坡等。生物生態工程修復技術的目的是將環境工程與生態工程原理相結合，創造良好的生態環境，促進水體向良性生態系統轉化，使自然景觀元素（如水體和河岸）得到改善，提高景觀的審美價值。生物-生態工程修復技術和組合式處理技術具有較好的污染物去除效果。

3 結語

本文著重討論黑臭水體形成的相關機理以及目前可用的處理方法與技術。水體發黑主要是由于金屬硫化物的存在，如FeS和MnS，臭味的形成主要是由揮發性有機硫化物、硫化氫和各種藻類代謝物引起的。一系列復雜的生物地球化學循環與能夠導致水體黑臭的各種元素有關，目前應用最廣泛的處理技術是生物修復和生態修復技術。

黑臭水體是水污染的典型結果，在發展中國家普遍存在，迫切需要減少污染和更有效的處理系統。在治理方案上，廣泛采用污染控制和底泥內疏浚，采取了內外污染源控制措施。處理方案產生了一系列的效果，但無法阻止黑臭水體的再次出現，因此，防止黑臭復發尤為重要。完善城市規劃，例如城市污水處理廠的設計和改造，對于預防黑臭水體的發生至關重要。需要制定有效的政策和制度，例如，實施和完善“河長制”，制定更詳細的水質標準，例如制定黑臭水體的具體標準。