淺析國內黑臭水體修復方法進展

姚 航，胡真虎

(1.銅陵學院建筑工程學院，安徽銅陵 244061；2.合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院,安徽合肥 230009)

0 引言

城市化進程的不斷加速，城市雨污設施建設的滯后，大量污染物直接排入河道中.水體中的COD、N、P等污染物濃度嚴重超標，水體出現了季節(jié)性或終年性黑臭現象，這類水體被稱為黑臭水體[1].黑臭水體既影響了區(qū)域總體形象與居民生活質量，也對生態(tài)環(huán)境造成了嚴重破壞.黑臭水體的治理，成了當前生態(tài)環(huán)境治理的重要組成部分.據生態(tài)環(huán)境部官網顯示：截至2019年底，全國295個地級及以上城市(不含州、盟)共有黑臭水體2 899個，其中已完成治理2 513個，治理中為556個，消除比例為72.1%.地域上總體呈現南多北少、東中部多、西部少的特點[2].文章梳理了我國城市黑臭水體的修復方法進展，重點概述了現階段物理法、化學法、生物-生態(tài)法等常用的黑臭水體修復方法[3].

1 黑臭水體概述

1.1 黑臭水體的概念及分級

黑臭水體是指具有令人不悅的顏色(黑色或泛黑色)和(或)散發(fā)出令人不適氣味(臭或惡臭)的水體的統(tǒng)稱[4].當水體中的溶解氧濃度低于0.2 mg /L時，水體厭氧細菌的繁殖會加速，有機物在厭氧時分解產生大量的硫化氫、硫醚、氨氮、甲烷、硫醇、有機酸等制臭氣體，導致水體發(fā)臭[5].根據黑臭水體的透明度、溶解氧、氧化還原電位、氨氮(NH3-N)濃度將黑臭水體分為“輕度黑臭”和“重度黑臭”兩級[6].具體分級標準如下表1所示：

1.2 黑臭水體的成因

黑臭水體的形成是一個較為復雜的物理、生化過程.水體中厭氧微生物分解有機質產生大量的惡臭氣體(NH3、H2S和CH4)逸出水面進入大氣，同時水體中Fe、Mn元素與S元素生成FeS、MnS等硫化物，從而致使水體發(fā)黑發(fā)臭[7].黑臭水體的形成原因主要有以下幾種：

1.2.1 有機物污染 城市生活污水中的油脂、糖類、氨基酸、蛋白質分解后產生的有機氮、有機碳及含磷化合物，降解過程會大量消耗水體中的溶解氧.導致水體中厭氧微生物迅速繁殖，致黑、致臭物質不斷產生，致使水體漸漸出現黑臭現象[8].

1.2.2 底泥污染 底泥污染物主要包括有機物、重金屬、氮和磷營養(yǎng)物質及其它有毒污染物.在缺氧條件下，底泥中的營養(yǎng)鹽及有機物，經過厭氧發(fā)酵，產生了NH3、H2S、FeS、MnS等黑臭物質[9].此外，黑臭的底泥通過生物分解、懸浮、推移等形式加速了水體的二次污染.底泥中放線菌、水面藍藻的代謝，加快了底泥的甲烷化、反硝化，造成底泥上浮，加劇了水體的黑臭程度[10].

1.2.3 水體熱污染 工業(yè)冷卻水、洗浴污水及污水廠退水是水體主要熱污染源.水溫升高，導致溶解氧含量急劇減少、厭氧微生物大量繁殖、水體中有機物的分解加速、水體藍藻及致病微生物的繁衍，最終形成水體的黑臭狀態(tài).水溫處于25 ℃時，放線菌的繁殖量達到最高，水體的黑臭也達到最大[11].

1.2.4 水動力不足 對河道、駁岸的硬質化處理，阻斷了水體與土壤間的自然循環(huán)及滲透，水體自凈能力降低，污染物不斷積累，出現水體黑臭現象.此外，河流水量不足、水流不暢、河道兩岸灘地圍墾，也進一步導致了水體水動力不足，整個河道生態(tài)系統(tǒng)退化，最終呈現城市水體黑臭現象[12].

2 現階段黑臭水體的修復技術

縱觀我國黑臭水體修復技術進展情況，其修復技術線路圖不外乎為物理、化學、生物-生態(tài)修復技術等[13].

2.1 物理修復技術

黑臭水體的物理修復技術包括：控源截污、截污清淤、調水和補水、曝氣增氧等方法[14].

2.1.1 控源截污法 控源截污是從污染源上治理黑臭水體的重要措施[15].水體面源污染有：城市生產、生活污水，地表徑流污染，農業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)面源污染等.黑臭水體控源截污的主要措施有：加強城市排污管網及污水處理實施建設，實現市區(qū)工業(yè)、生活污水零排放；提升城市地下雨水泄洪量，降低地表徑流污染的風險；控制氮、磷化肥的施用量；生畜、家禽排泄物沼氣化.

2.1.2 截污清淤法 底泥疏浚集黑臭水體修復、水利興修于一體.底泥疏浚可以永久性清除富含有機物、氮、磷的底泥，阻斷黑臭水體的內在污染源，減少底泥對水體的二次污染，恢復水生生態(tài)系統(tǒng).底泥疏浚前，應根據底泥分布情況及污染物的類型，形成環(huán)境風險評估報告，制定行之有效的底泥疏浚方案；底泥疏浚時，還應做好外源污染物的截除工作；最后，還需做好底泥安全處置及尾水處理工作.底泥疏浚技術的優(yōu)點是：見效快，增強水體的過水能力，提高水體容量.缺點是：治理費用十分昂貴，對于河床中底泥清淤的準確度和精度的要求很高.目前，我國應用底泥疏浚修復城市黑臭水體代表性工程有：巢湖流域雙橋河底泥疏浚工程[16]，南太子湖底泥疏浚工程[17]，合肥市南淝河底泥疏浚工程[18].

2.1.3 調水補水法 以工程或非工程技術為手段，將收集的雨水、污水廠再生水、江河湖泊水源引入被改善河道的水體中，提升和改善污染河道的水質，以達到黑臭水體的修復目的.調水、補水修復黑臭水體代表性工程有：利用雨水、再生水及松花江水源，對哈爾濱市雨源性河流何家溝實施綜合補水，有效提升了何家溝河流的水質[19]；利用生態(tài)補水等綜合整治措施，將青島市中心城區(qū)的李村河打造成集休閑、健身、生態(tài)調節(jié)為一體的生態(tài)景觀廊道[20]；利用巢湖水對合肥市濱湖新區(qū)的塘西河進行生態(tài)補水，既消除塘西河劣Ⅴ類水質，也減輕了巢湖的水質污染程度[21].

2.1.4 曝氣增氧法 曝氣增氧就是運用一些曝氣設備將空氣中的氧氣強制溶解到黑臭水體中，快速氧化黑臭水體中的MnS及FeS等致黑臭物質.按氧源分可分為：純氧曝氣、空氣曝氣兩種；按裝置特征分可分為：純氧微孔管曝氣系統(tǒng)、純氧混流增氧系統(tǒng)、鼓風機微孔布氣管曝氣系統(tǒng)、葉輪吸氣推流式曝氣器、水下射流曝氣設備、葉輪式增氧機等[22].

曝氣增氧法修復黑臭水體代表性工程有：天津寧河董莊深渠黑臭水體治理項目[23].南京市鼓樓區(qū)中心的清江北溝、清江南溝和清江溝黑臭水體的曝氣增氧修復工程[24].

2.2 化學修復技術

利用化學藥劑去除黑臭水體中的懸浮物、溶解磷、氮等污染物，叫化學修復技術.黑臭水體化學修復技術有：化學氧化、化學沉淀和化學絮凝等方法[25].化學氧化主要是通過高錳酸鉀等強氧化劑，將黑臭水體中的污染物氧化分解為無害物質[26].化學氧化可去除黑臭水體中的鐵、錳離子及嗅味物質，可控制水體中的貝類、藻類的生長[27].化學絮凝是指向黑臭水體中投加絮凝劑，使水中的懸浮物、溶質、膠體物發(fā)生絮凝沉淀，從而去除污染物.化學絮凝易造成二次污染，一般適用于緊急狀況.牛美青[28]等利用硝酸鈣可有效改善黑臭水體底泥污染物；董菊等[29]利用釋氧劑ORC可改變底泥和水體的氧化、還原條件，對黑臭水體中致黑、致臭、有機物去除效果明顯.秦曉振等[30]基于原位修復原則，利用石墨烯光催技術成功消除了黑臭水體.化學修復法有化學氧化、化學沉淀、化學絮凝等，主要優(yōu)點是費用低，效率極高，短時間內有較好的修復效果.主要缺點是藥品具有毒性，易造成水體二次污染.

2.3 生物-生態(tài)修復技術

生物-生態(tài)修復技術，因投資小、效果明顯、而廣泛應用于黑臭水體修復中[31].生物-生態(tài)法在凈化、提升水質的同時，還能營造出色彩多樣、水草搖曳的城市水體生態(tài)景觀，廣泛應用于黑臭水體修復及景觀治理工程中[32].生物-生態(tài)修復技術主要包括：

2.3.1 植物修復法 蘆葦、蒲草、茭白荀、蓮、香蒲等挺水植物的莖、葉挺出水面，底泥中的根系分泌的微量元素與水體中的氮結合，可減少水體中的氮污染；菱、眼子菜、睡蓮等浮水植物的葉片浮于水體表面，根系可深達水底土層，進行無氧呼吸，產生較多醇類物質.醇類物質的官能團會與水體中的磷分子發(fā)生自主結合,并形成多種羰基化合物；金魚藻、苦草、黑藻、狐尾藻等沉水植物的花朵釋放的藻類葉黃素，與水體中的污染性重金屬發(fā)生復雜的化學反應,生成不具污染性的金屬鹽類物質,為其它植株的生長提供養(yǎng)料[33].植物根系吸收水體及底泥中的氮、磷、重金屬離子等污染物質，經過同化、異化作用之后，將其轉化為自身組分，并通過植物收割，去除污水中的營養(yǎng)元素[34].

2.3.2 微生物菌劑修復法 微生物菌劑是由單一菌株或復合微生物菌群制備而成，能夠高效降解或礦化目標污染物[35].微生物菌劑對黑臭水體的凈化是一種微生物的酶催化反應過程.微生物在其生長、繁殖過程中，從水體污染物中吸收營養(yǎng)物質及碳源物質.這些營養(yǎng)物質的吸收，又促進了微生物菌劑活性酶的產生，加速其對黑臭水體污染物、COD的分解.修復常州市新橋鎮(zhèn)藻港河，按照50 L水添加0.45 kg復合微生物菌劑的比例，均勻潑灑在1 233 m3的水體中.每月投放一次，經過5個月的調試運行，河道水質明顯改善.TP、NH3-N和COD的去除率分別達到84.4%、98.6%和65.3%，治理后的水質達到地表水Ⅳ類標準[36].

修復深圳市甘坑河時，采用梅花式接種法，將微生物菌劑分兩次接入河流水體及底泥中.結果表明,第1次接種4 d后，水體中P和NH3-N等濃度下降，水質明顯改善.第2次接種后，水體中的COD、TP和NH3-N的去除率分別保持在40%、30%和40%以上[37].采用自制的移動式微孔曝氣復氧機及投加微生物菌劑法，修復位于北方某城市內的河道.該河道的黑臭水體及底泥得到明顯修復，藍藻爆發(fā)率也大大降低[38].

修復海口市桂林洋經濟開發(fā)區(qū)的福創(chuàng)溪-大排溝黑臭水體時，河道清淤后，在水體中投入緩釋包埋微生物固定化菌劑.在曝氣量為0.8 kg·h-1條件下，經96 h處理后，NH3-N由16.72 mg·L-1降至0.84 mg·L-1：COD由141.53 mg·L-1降至41.83 mg·L-1，對黑臭水體中的NH3-N和COD有顯著的去除效果[39].目前，用于黑臭水體治理的微生物菌劑有：美國F-F系列菌、日本EM有效微生物菌、PSB光合細菌[40].

2.3.3 生態(tài)護岸修復法 生態(tài)護岸實現了河岸基底與自然河床的相互滲透，為水生、濕生等岸棲生物提供良好的共生環(huán)境.生態(tài)護岸營造出良好的自然生態(tài)景觀.生態(tài)護岸的類型有：石籠護岸、土工格柵石墊護岸、生態(tài)混凝土護岸、自嵌式生態(tài)磚植被護岸、凈水箱護岸、生態(tài)袋護岸、種植槽護岸等[41].目前，我國生態(tài)護岸代表性工程有：揚州市高郵橫涇河整治生態(tài)護岸工程[42]，福州市閩侯縣荊溪河道整治生態(tài)護岸工程[43]，永定河北京段沙質河道生態(tài)護岸工程[44]，鄭州市滎陽索河生態(tài)護岸工程.

2.3.4 生態(tài)浮島修復法 將水生植物美人蕉、鳶尾、馬尾草、水芹菜、菱角、茭白等，固定在浮網或浮板上形成的植物群落即生態(tài)浮島.通過浮島上植物根系及分泌的微生物對水體中的氮、磷等污染物進行吸收和降解，達到凈化黑臭水體水質的目的[45].生態(tài)浮島修復技術以操作簡單、處理效果好、環(huán)境風險低等優(yōu)點，在河湖污染修復中得到廣泛關注[46].為了保持生態(tài)浮島的整體穩(wěn)定性，降低浮島內植物個體的競爭性，單體面積通常不超過12 m2.生態(tài)浮島分普通型和新型兩種.新型生態(tài)浮島(IEFI)增加了生物膜單元、耦合了其它材料和工藝，實現植物吸收、基質吸附和微生物降解協同作用.浙江省生態(tài)環(huán)境科學設計研究院孔令為研究發(fā)現：新型人工浮島對TP、TN、NO3-N的去除率分別為94.55%、83.39%、81.50%[47]，去除效果明顯高于普通浮島(CFI).利用大浮萍植物為主的生態(tài)浮島修復南京市秦淮區(qū)廣洋中心河，試驗水域面積約為250 m2,浮島植物總覆蓋面積接近30 m2.通過對治理后河道水質一年的監(jiān)測數據顯示：浮島植物生長期間，周邊水體溶解氧增加了57.5%，透明度增加了30.8%，氨氮消減了40.2%，總磷消減了28.9%[48].

2.4 三種修復技術對比

針對黑臭水體的不同修復技術，表2從技術特點、應用場景等方面對上述三種修復技術進行了對比分析.

表2 黑色水體修復技術對比Tab.2 Comparison of black water body restoration technologies

3 總結與展望

黑臭水體的存在，對周邊景觀環(huán)境及居民的身體健康造成不良影響，因此，對黑臭水體的治理與修復是各級政府的當務之急.目前，我國黑臭水體治理工作正處在關鍵期.黑臭水體的修復做到常態(tài)化、綠色化、生態(tài)化，綜合利用“物理+化學+生物-生態(tài)”等黑臭水體的修復技術[49].同時，應做好重點污染源排放、管理工作，建立多部門聯動工作制度，杜絕亂排亂放現象的存在，實現黑臭水體治理的長效管理機制，達到人與自然的和諧發(fā)展.