黑臭水體生物與化學治理技術研究進展

薛宇宙　丁子墨　儲家越　王宣宣　劉情　馮夢茹

摘要：黑臭水體具有異味重、毒性強和處理難度大等特點，對生態系統和人體健康會成較大危害，但常規的處理方法存在工程量較大和降解污染物較慢等問題。為了高效、徹底地解決黑臭水體的污染問題，梳理了城市黑臭水體成因及現狀政策，總結了可使污染物轉化的微生物修復法和化學處理法的原理和優勢以及研究進展并分析了相關應用案例。結果表明：① 微生物修復法具有無二次污染，成本較低，適用性廣泛等優點，但處理效果容易受到外界因素（黑臭水體的濃度、溫度和鹽度等）影響，且前期培養馴化時間較長。② 化學處理法可使黑臭水體得到高效、深度地處理，尤其是在處理緊急污染事故情況下，但是治理費用高昂，同時易對環境產生二次污染。

關鍵詞：黑臭水體； 微生物修復； 化學處理； 治理案例

中圖法分類號：X52

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.12.016

文章編號：1006-0081（2023）12-0094-07

0引言

隨著中國工業化進程的加快，污水產生量和排放量不斷增加，隨之出現了環境基礎設施不足和轉載負荷增加、大量污水和垃圾直接倒入河流等問題，使水生態系統遭到極大破壞，產生黑臭水體。水體的黑臭導致水中不同微生物出現絕跡狀況，無法構成完整的生物群落，最終水體的生態系統整體呈現崩潰狀況。此外，黑臭還刺激人的感官，使人感到不愉快，消化功能減退，嚴重時還會影響人的內分泌系統和神經系統［1-2］。因此，急需找到高效、便捷的處理黑臭水體的方法，這是解決百姓反映強烈的水環境問題，也是“青山綠水就是金山銀山”生態文明理念的必然選擇，更是建設美麗中國的迫切要求。

針對常用處理黑臭水體方法中存在的問題，本文綜述了兩種可以將黑臭水體中污染物轉化的方法：① 通過向水體投加微生物菌劑或激活微生物活性，形成優勢菌群，調控微生物與水環境其他生物之間的關系，降解污染物，實現水質提升的微生物修復法［3-6］；② 通過投加化學藥劑與受污染沉積物之間的化學作用使沉積物中的有害物質減量，同時讓污染物在底泥中脫離或轉變為低毒或者無毒的穩定化學形態的化學處理法［7-9］。

1黑臭水體成因及現狀分析

1.1成因

黑臭水體是受到極端污染，顏色發黑、氣味發臭，生物難以存活的水體統稱。透明度（≥25 cm）、溶解氧（≥2 mg/L）、氨氮（≤15 mg/L）3項水質指標任意一項不達標即判定為黑臭水體。研究表明，導致水質變黑臭的關鍵原因是水體缺氧［10-12］。來自化工廠、養殖廠和塑料廠的企業廢水（有機物、氮、磷和金屬離子等污染物）的無序排放，引起水體耗氧物質超量存在，導致水體溶解氧濃度降低，致使污染物好氧降解減緩、生化反應不完全［13-15］；當水體轉化成缺氧狀態時，厭氧微生物大量繁殖，在分解污染物的同時產生硫化氫、氨、硫醇、甲烷等惡臭氣體逸出水面進入大氣，造成水體發臭［3，16-17］；金屬類如鐵錳等物質在厭氧狀態下會轉化為硫化鐵和硫化錳等致使水體變黑［18］。氣體逸出過程中污泥（有機物和氮、磷等污染物通常富集在底泥中）上升同樣會導致水體變黑，且未經分解的有機物富集在水面形成一層有機物膜，破壞正常水-氣界面的交換，從而加劇水體發黑發臭。

1.2現狀和政策

截至2016年2月，中國有黑臭水體的城市218座，其中河流1 595條，湖、塘266個。2022年1月，《農業農村污染治理攻堅戰行動方案（2021～2025年）》提出針對農村人居環境，要統籌農村黑臭水體整治與生活污水、垃圾、種植、養殖等污染治理；落實河長制，推進水體有效治理和管護；到2025年，基本消除較大面積農村黑臭水體。2022年3月，《深入打好城市黑臭水體治理攻堅戰實施方案》將治理范圍擴大到縣級城市，要求從加快城市黑臭水體排查、強化流域統籌治理、持續推進源頭污染治理、系統開展水系治理、建立健全長效機制、強化監督檢查等方面開展攻堅。2022年10月，黨的二十大報告指出，深入推進環境污染防治，持續深入打好藍天、碧水、凈土保衛戰，基本消除重污染天氣，基本消除城市黑臭水體，加強土壤污染源頭防控，提升環境基礎設施建設水平，推進城鄉人居環境整治。

2常用生態凈化技術

常用的生態凈化技術有：物理性控制（內源控制［10，19-20］和底泥疏浚［19，21-23］）和基礎性生態修復技術（岸帶修復［19-21］、人工濕地［24］和生態浮島［20，22-25］）等技術方法。

（1） 內源控制指在排放廢水過程中，進行打撈和清淤，防止過多的污染物被微生物分解形成黑臭水體。

（2） 底泥疏浚是在排放廢水過程中，分別對污染物進行打撈以及對河道中被污染的底泥進行清理，并轉移到其他位置再進行處理，是治理河道水體污染的主要措施，目的是防止過多的污染物被微生物分解形成黑臭水體。底泥疏浚技術的底泥資源化利用率低，疏浚工程實施后的疏浚底泥具有泥量大、含水率高、成分復雜等特點。

（3） 岸帶修復主要是修復河床和岸邊硬化的水體，防止污染物直接進入河流，減少對水質的污染。岸帶修復工作量大，工程垃圾處理成本高，生態岸帶植物的收割、處理和處置費用高、維護工作量較大。

（4） 人工濕地由人工建造并控制運行，將與沼澤地相似的池塘用于處理污染水體，由人工介質、水生植物和其他成分組成。人工濕地的占地面積較大，由于水生植物受季節影響而影響其修復效果。

（5） 生態浮島是指將水生植物種植在漂浮的人工浮板上，利用水生植物的根部與水體接觸，降解污染物，實現水體凈化，改善水質。生態浮島不易進行標準化的推廣和應用，其制作的施工周期較長且水生植物難以過冬。

這些技術的原理是利用土壤-微生物-植物生態系統，有效去除水中的有機物、氮、磷等污染物［26-28］。然而，源頭控制不能解決黑臭水體中污染物轉化的根本問題；底泥疏浚的效果評價一直存在較大的爭議，而且消耗成本高；生態凈化技術在實際處理時工程量較大且見效較慢。因此，需要尋找能夠轉化污染物的方法，以徹底地解決黑臭水體問題。

3污染物轉化方法

3.1微生物修復法

3.1.1原理和優勢

微生物修復法是通過向水體投加微生物菌劑或激活微生物活性，形成明顯的優勢菌群，調控微生物與水環境中其他生物之間的關系，使得微生物在黑臭水體中能繁殖生長，通過降解污染物實現有害有毒物質的轉化，從而實現水體凈化［29-31］。微生物修復法的優勢有：對環境友好，無二次污染，無需大型設備，成本較低，易培養、繁殖快，可以通過馴化的方式得到適應有毒廢水的菌群來降解目標污染物［4，32］。

3.1.2研究進展

微生物修復技術主要包括從其他活性污泥中分離出相應的優勢菌種進行修復；在黑臭水體中投放微生物營養物質或其他化學物質促進或刺激微生物的生長；通過利用黑臭水體或者其他典型污染物馴化的方式得到優勢菌種；直接在黑臭水體中投放經過實驗培養篩選的多種微生物菌種達到凈化污水的效果。例如，從活性污泥中分離出的混合營養硫化物氧化細菌中的副球菌屬、假單胞菌屬和假單胞菌對低溶解氧和高濃度有機物的環境具有較強的適應性，優化的混合營養硫化物氧化細菌添加劑具有良好的惡臭河流生物修復性能［33］；使用來自污水處理廠的二沉池污泥來處理黑臭沉積物，提高了沉積物處理氮和有機污染物的性能。這主要是因為污泥導致與硝化作用和硫代謝相關的微生物數量顯著增加，對于降解有機物和促進脫氮很重要［34］；從活性污泥中分離出3種細菌（銅綠假單胞菌、枯草芽孢桿菌和海水Dietzia maris），制備了可降解難降解有機物的分離菌株和四頭Scenedesmus quadrauda作為共固定化物種用于處理黑臭水體，在優化條件下，化學需氧量、氨氮、總氮和總磷以及有機物也都被顯著去除［35］。在黑臭水體中投加硝酸鹽對微生物進行馴化，篩選出相應的優勢菌種，利用混合菌種（自養反硝化菌和厭氧氨氧化菌）之間的耦合作用可以控制黑臭水體沉積物中的N/（S+Fe），從而凈化水體，其原理如圖1所示［5］；在黑臭水體中投加CaO₂能顯著提高黑臭景觀水中的溶解氧和氧化還原電位，明顯抑制沉積物中污染物的釋放，增加微生物菌株的多樣性。因此，通過添加CaO₂可以有效緩解景觀水體的黑臭現象［36］。利用特征污染物芘篩出廢水中的電纜細菌以及其他硫還原微生物來降解黑臭水體中的污染物，其原理如圖2所示［6］；通過馴化出適用于典型黑臭溪流的復雜微生物，監測了修復過程中的田間處理效果和微生物群落變化。處理后，總磷和氨污染物含量下降，溶解氧濃度提高［37］。混合菌種和固定化物種藻類制備出的凝膠珠［38］，對黑臭水體中的化學需氧量、氨氮、總氮和總磷等污染物均有明顯抑制效果。

此外，微生物修復技術還有生物膜技術［38］和基因工程技術［39］。生物膜技術是利用生物膜的過濾凈化機理，達到修復污染水體的效果。將微生物種類覆蓋在特定的載體表面而形成微生物膜，然后放入受污染的水中，當受污染水體中的污染物與微生物膜接觸時，微生物膜表面的微生物會吸收水體中的污染物，從而達到凈化水體的效果。生物膜法的典型流程中生物器可以是生物濾池、生物轉盤、曝氣生物濾池或厭氧生物濾池。該技術可應用于被高濃度有機廢水污染的水體和被有毒、有害以及難降解污染物污染的水修復。基因工程技術是以分子遺傳學為理論基礎，以分子生物學和微生物學的現代方法為手段，按照預先設計的藍圖，將不同來源的基因體外構建，然后倒入活細胞中，改變生物體原有的遺傳特征，獲得新品種，生產新產品。利用基因工程可以將水體內的生物細胞重新組合，使它們繁殖進化成新的菌株，增強微生物降解污染物的能力，從而獲得能夠有效發揮生物解毒和降毒功能的基因工程細菌，起到凈化的作用。

水體缺氧是黑臭水體的重要成因。通過向黑臭水體中充入空氣或氧氣，可以提高水中溶解氧的濃度，阻止厭氧反應，增強好氧微生物分解污染物。水中金屬離子在好氧微生物作用下可以形成沉淀，這些沉淀對水體中的磷有較好的吸附作用。此外，向水體中曝氣還可以增強水中氨氮污染物的擴散以及微生物氧化氨氮反應，從而降低水中氮含量，增強水體的自凈能力［40-41］。

3.1.3案例

目前已有微生物修復法處理黑臭水體的實際應用。例如，在處理北京市永引渠及昆玉河水華和底泥上浮等黑臭問題時，采用微生物和酶改善底泥厭氧狀況，加速微生物生長，藻類的過度生長也得到抑制，水質得到了明顯提升；利用液體微生物菌劑可以有效降低水中氮、磷含量、水體營養狀態指數，調節水生態系統平衡，解決了北京奧林匹克公園奧運龍形水系水體渾濁、藍綠藻爆發、黑苔等問題；利用載體顆粒將微生物沉降到底泥表面，以底質污染物和病原菌作為養分，對水體污染物進行分解，實現較高水流速下消除北京市涼水河鹿圈橋段水體黑臭和凈化水質的目的。

3.2化學處理法

3.2.1原理和優勢

化學處理法主要包括化學沉淀法［42］、混凝法［43］、氣浮法［44］和（高級）氧化法［45］。化學沉淀法是通過在廢水中加入可溶性化學試劑，與離子態的無機污染物發生化學反應，生成不溶性或難溶性化合物沉淀而凈化廢水的方法。由于沉淀劑和環境條件的影響，沉淀法的出水濃度往往不符合要求，需要進一步處理，產生的沉淀物必須經過良好的處理和處置，否則會造成二次污染。混凝法是指顆粒中較大的粗懸浮物可以通過自然沉淀去除，但較細的懸浮物，甚至一些有害的化學離子，尤其是膠體顆粒沉降非常緩慢，甚至可以在水中長時間保持分散懸浮狀態而不自然下沉，并且很難通過自然沉淀從水中分離和去除。混凝劑的原理是破壞這些細小顆粒的穩定性，使它們相互接觸并凝聚在一起，形成絮狀物，下沉分離來凈化廢水。氣浮處理方法是利用某些化合物在廢水中產生氣體的反應原理進行，反應生成的氣體在釋放過程中形成微小氣泡，或直接將空氣通向廢水，從水中析出細小氣泡成為載體，使廢水中的乳化油、微小懸浮顆粒等污染物黏附在氣泡上，隨氣泡漂浮到水面，形成泡沫-氣、水、顆粒三相混合體，并通過收集泡沫或浮渣達到分離雜質和凈化廢水的目的。化學氣浮法在選礦、醫藥和廢水處理工程中都有應用。高級氧化技術是利用強氧化性自由基降解有機污染物的技術，一般是指反應過程中涉及大量氧化性自由基的化學氧化技術。它基于使用催化劑、輻射，有時與氧化劑結合來產生高活性氧化性自由基，然后通過自由基和污染物的取代、電子轉移等，使污染物完全或接近完全礦化。該方法占地面積小，簡便易行，運行成本較低，可快速去除水中的污染物，尤其適用于突發性水體黑臭事件的應急處理。

3.2.2研究進展

常用的化學修復技術主要是高級氧化技術，包括高級氧化技術與其他技術（吸附和混凝等）來凈化黑臭水體。例如，CaO₂與亞鐵離子（Fe（Ⅱ））-檸檬酸輔助類Fenton系統可以消除黑色氣味，有效去除沉積物中的多環芳烴，自由基相關反應方程式見式（1）～（3）［46］；共存的腐植酸（HA）可以增強鐵還原過程中Fe（Ⅱ）的生成，并加速針鐵礦氧化還原過程中·OH的生成，在厭氧-好氧交替條件下產生強氧化性的羥基自由基對分解黑臭水中的有機污染物有明顯效果［47］；通過制備含有氧空位（OV）的化學物質，激活氧分子或化學氧化劑將活性氧物質（¹O₂、·OH和O₂^-·自由基）輸送到多相污染物（染料和Pb²⁺）中進行水質凈化［48］。直接使用NaClO，H₂O₂和KMnO₄等氧化劑可以實現對嚴重污染沉積物中黑臭物質的快速控制，NaClO和KMnO₄對去除Fe（Ⅱ）和酸揮發性硫化物是有效的［49］；過氧化鈣的強氧化性可以分解降解有機污染物，且可強化硝化反應，硝酸鈣可降解氨氮、硫化物、可溶性磷、重金屬及生物毒性［50］。相關專利利用絮凝法和高級氧化法（產生強氧化性的羥基自由基）來處理黑臭水體，協同采用活性炭和高鐵酸鉀，不僅能夠有效吸附黑臭水體中溶解性有機物，還可以去除化學需氧量和氨氮，降低濁度，該技術可操作性強，成本低，有利于實際應用［7，51］。高級氧化技術系統還被用于處理新型污染物（地高辛、甲基異冰片、苯并噻唑、硫醇和硫化物以及芳香族）和其他雜項T&O化合物［52］。

2CaO₂+2H₂O＝O₂+2Ca（OH）₂（1）

CaO₂+2H₂O＝H₂O₂+Ca（OH）₂（2）

Fe（Ⅱ）+H₂O₂·OH+OH-+Fe（Ⅲ）（3）

3.2.3案例

在處理北京市溫榆河黑水問題時采用絮凝沉淀設備并添加礦物絮凝劑，每天可以處理5 000 t黑水，懸浮物去除率達到90%，總磷去除率達到80%，COD去除率在50%以上。西湖的蝦龍圩河處理黑臭水體時采用人工曝氣、人工填料和投加制劑的綜合整治措施。其中，制劑投加分為底質改良劑和黑臭控制劑，底質改良劑主要成分為惰性材料（沸石粉等）、光合細菌、乳酸菌、枯草桿菌等，采用人工均勻潑灑；黑臭控制劑投加主要成分是增氧劑（過氧化鈣）、緩沖分散劑和惰性載體。經整治，水體黑臭現象消除，水質改善明顯，基本達到Ⅴ類水標準［53］。

4結語

微生物處理法可使黑臭水體中污染物轉化，具有無二次污染、成本較低、適用性廣泛等優點，被深入研究和普遍應用，但目前微生物法存在著處理效果容易受到外界因素（黑臭水體的濃度、溫度和鹽度等）影響，且前期培養馴化較長等問題，需要進一步處理。此外化學處理法同樣可使黑臭水體得到高效、深度的處理，尤其是在處理緊急污染事故情況下，但是化學處理的方法費用高，同時易對環境產生二次污染。因此尋找出一種高效、成本較低且處理效果穩定的綜合治理方法仍是當務之急。

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（編輯：李晗）

Research progress on biological and chemical conversion methods of pollutants in black and odorous water bodies

XUE Yuzhou，DING Zimo，CHU Jiayue，WANG Xuanxuan，LIU Qing，FENG Mengru

（School of Environmental and Surveying Engineering，Suzhou University，Suzhou 234000，China）

Abstract：Black and odorous water bodies have the characteristics of heavy odor，strong toxicity and high difficulty in treatment，which can cause great harm to ecosystems and human health.However，conventional treatment methods have problems such as large engineering quantities and slow degradation of pollutants.In order to efficiently and thoroughly solve the pollution problem of black and odorous water bodies，this paper summarized the causes and current policies of urban black and odorous water bodies，the principles and advantages of microbial remediation and chemical treatment methods that can convert pollutants，and analyzes the research progress and relevant application cases.The results showed that microbial treatment method had the advantages of non-secondary pollution，low cost，and wide applicability.However，there were issues with the treatment effect being easily affected by external factors such as concentration，temperature，and salinity of black and odorous water bodies，as well as the long period of cultivation and domestication in the early stage.The chemical treatment method can efficiently and deeply treat black and odorous water bodies，especially in the case of emergency pollution accidents.However，the treatment cost was high，and it was prone to cause secondary pollution to the environment.

Key words：black and odorous water； microbial remediation； chemical treatment； restoration cases