城市黑臭水體污染分析及治理技術研究

文_李傳鎮 劉娜 江蘇河湖環境科學研究院有限公司

由于全球工業化和城市化進程日新月異，大量未經處理的生活污水和工業廢水直接排放到城市河流中，從而導致河水質量明顯下降。在某些情況下，重度污染的河流甚至表現出季節性和常年性的水體黑臭味，這不僅導致水資源減少，而且對人類健康構成威脅，阻礙城市生態建設和可持續的城市經濟發展。

我國有超過80%的城市河流正遭受污染，其中大部分已變成黑臭的河流。黑色臭味的水體是由于水體中存在過多的化學需氧量（COD），氮（N）和其他污染物而造成的，這些污染物有可能導致水體缺氧并破壞有機物，從而導致嚴重的有機污染。由于厭氧微生物的分解，有機物質會產生刺激性氣體，例如硫化氫、甲烷和氨，這些氣體可能會從水表面釋放出來。帶負電的硫化物懸浮膠體（例如FeS和MnS）使水體變黑和變臭。黑臭水體的處理主要分為物理方法、化學方法和生物方法。物理方法是指市政工程方法，如控制源截流，泥沙疏、曝氣復氧、輸水等；化學方法包括中和、沉淀、絮凝等；生物修復方法主要包括微生物修復和植物修復。

1 黑臭水體產生機制

持續排放到河流及其支流的有機污染物被認為是造成水質差的最重要原因之一。鑒于城市建設項目的快速發展和人口激增至數百萬，空間人口已變得集中，當地的污水收集設施無法處理過量的生活污水。此外，地表徑流日益嚴重的污染負荷導致大量有機污染物排入河體中。有機污染物主要包括有機碳源（例如COD、BOD5和有機氮）及其化合物（例如銨態氮化合物和含磷化合物），這些化合物源自廢水中糖類，脂質和氨基酸的分解產物，而且，降解過程消耗了水體中大量的DO。同時，聚集在水面上的有機物會形成破壞空氣界面交換的膜。

此外，作為導致水體變黑并散發出惡臭的重要污染因子，沉積物的再懸浮使污染物被沉積物吸收，從而導致水體與孔隙水之間的交換。然后，該過程將許多類型的污染物排放到河中。與以前相比，水變得越來越黑，臭味也越來越大。許多沉積物為放線菌和藍細菌等微生物提供了適宜的生存環境，這兩種微生物使沉積物進行甲烷化和反硝化，從而惡化了水體的狀況。通常，有機物是導致河水體變成黑臭水的致命影響因素。

2 黑臭水體治理技術

有試驗研究曝氣與生物膜技術相結合對黑臭河中氮素轉化的影響，結果表明，通氣能在一定程度上提高被污染黑臭河流的溶解氧含量，對所有形式的氮的轉化和微生物活性都有顯著影響。特別是在恢復河流水質方面，泥沙曝氣優于水曝氣。對于嚴重污染的城市河流，復氧能力是有效應用生物修復的前提。在曝氣的基礎上，生物膜技術可以明顯去除水體中的NH4-N和TN。一方面，就時間和空間而言，生物膜系統具有生物脫氮的有利條件；另一方面，生物膜引發硝化和反硝化作用，可以加速N2的生成并從水體逸出。

關于生物膜內部的物質循環，生物膜的群落結構和功能以及影響生物群落的物理、化學和生物學因素，仍需要進行更深入的研究。總體而言，采用合理的程序，將沉積物曝氣與生物膜技術相結合，可以明顯改善黑臭城市河流的修復效果和穩定性，對嚴重的城市河流具有重要意義。

與許多傳統技術方法相比，生物修復是一種低成本的方法，目前正在廣泛研究各種應用，包括利用微生物修復沉積物。人工水生植物（AAP）由于其成本低，比其他方法造成的二次污染少且對環境安全，因此在水環境保護和恢復領域通常被認為是一種生物生態恢復技術。

AAP技術起源于日本，最早在污水處理領域使用。后來，在流域建立了人工水生細繩，以改善廣島福山的水質。經過4年的觀察，結果顯示BOD和SS的平均去除率分別為31.8%和18.5%。1993年，日本廣島縣福山市的排水溝還配備了細繩生物填料。結果表明，COD的去除率為2%～32%，BOD的去除率為11%～46%，SS的去除率為16%～53%。

我國已經在利用生物碳帶技術進行了廢水凈化方面的實驗，并實現了污染物的有效去除。有學者比較了人造水墊和碳纖維載體對水質的影響，發現透明度對前一種處理有更快的改善。為了改善水質，在漢陽市的一個湖中建立了多環AAP系列，導致處理后CODMn和Chl-a明顯下降。

迄今為止，大多數研究都集中在系統中采用的不同水力停留時間（HRT），體積載荷和載體體積比的凈化效率上，但是，對其他條件如AAP的長度和pH值非常有限。黑臭河已成為一個突出的環境問題，特別是對于發展中國家而言。一項實驗室以確定人工水生植物（AAP）的最佳操作參數，為其在黑臭味河流中的應用提供了理論和科學依據。在具有不同AAP長度和pH的系統中測量了化學需氧量（COD）和氨氮（NH4+-N）。24d后，APP對COD和NH4+-N的最佳去除效率分別為100cm的90.07%和82.40%，pH值8.0～9.0的90.70%和91.90%。高通量測序分析表明，APP的相對豐度黃桿菌在50cm處為7.80%，而在100 cm處該比例增加到29.30%。pH8.0～9.0相對于pH 6.0～7.0而言，隨著長度的增加，微生物的豐度不斷提高，不動桿菌的比例明顯增加。結果表明，在人工濕地中，AAP對COD和NH4+-N的平均去除效率分別為27.75%和14.34%。因此，AAP有利于細菌的生長，可用于處理黑臭河。

為了控制受嚴重污染的有機沉積物、營養物、硫化物和重金屬污染的沉積物的黑臭味，有學者提出了一種創新的原位沉積物修復方法，建立一條20m的河流沉積物和水通道，模擬珠江三角洲地區不規則的半日潮汐河。

首先，在低潮時期，通過曝氣沉淀物將沉淀物懸浮到上層水中，硫化物在其中被氧化。然后添加化學藥品（磷酸鹽和石灰）以穩定重金屬并沉降懸浮的沉積物。曝氣處理結束后，將硝酸鈣直接注入沉積物中以防止硫化物再生。最后，培養并馴化了一個厚度為4cm的本地活性污泥層，通過該污泥層在好氧條件下對表層沉積物和上覆水中的有機物進行了生物降解。

結果表明：①采用原位沉積物曝氣，使沉積物中硫化物的95.7%被氧化，氣味消失。②穩定化處理后，沉積物中銅、鉛、鋅的釋放量減少了80%～95%，而總磷的穩定度達到了90%。此外，處理過的沉積物中的硫化物濃度保持低于15mg/kg達6個月。③本機細菌的活性污泥層具有較高的生物降解能力，上覆水中BOD5、NH4+-N和TP的去除率分別達到89.2%、92%和71%。此外，該層使表面沉積物的顏色從黑色變為淺棕色，這表明黑臭問題得到了很好的解決。

此外，考慮到河流污染的普遍性、分散性和難于集中性，近年來生物修復技術因其具有就地處理、修復時間短、處理效果好、處理成本低等優點而得到廣泛應用。由于植物修復的時間長、效果慢，以及氣候條件的重大影響，因此一般不采用此方法。

根據傳統的微生物處理，將外部細菌或生長促進劑直接噴入水中。然而，缺點是微生物很容易被水流去除，這導致富集效果不太明顯。生物膜方法為微生物創造了穩定的生活環境，并防止了微生物的損失。此外，它具有豐富的微生物種類，高活性，穩定的處理效果，強大的抗沖擊能力以及簡單的日常操作管理，這為其在河流處理中的應用提供了廣闊的前景。

人工曝氣技術依靠多種不同的人工增強曝氣方法向水中注入空氣或氧氣，并且可以：①在短時間內氧化諸如H2S和FeS等黑色臭味物質。②增強河水湍流，加速水的再氧化。③抑制藻類的生長。④將大量有毒污染物降解或轉化為無毒形式，有利于恢復生態平衡。

3 結語

河道中嚴重的黑臭現象對城市居民的生活和城市的生態環境產生了非常不利的影響，大大降低了環境質量。城市黑臭水體情況日益顯著，危害很大。因此，必須充分注意科學合理的處理方法，以改善城市的整體環境質量。

對于黑臭水體的處理，目前使用的主要方法包括化學添加、人工曝氣、綜合處理和其他處理方法。將來，黑臭水體的處理也將主要針對化學、微生物、材料等，尤其是對氧化性物質和水的再氧化的研究。如果能夠促進水體的再氧化并充分氧化，其中包含硫，鐵和各種有機化合物，那么水體的黑臭現象將得到有效控制，我國水體的黑臭問題將得到大大改善。