城市黑臭水体成因及修复治理技术的研究

胡增宝 （安徽建筑大学 环境与能源工程学院，安徽 合肥 230601）

由于城镇化的飞速发展，城市基础建设不足，大量污水排放至城市水体，出现水体黑臭的现象[1]。水体黑臭不但使水体自净能力退化，而且散发的臭味给人带来极差的感官体验，甚至影响人们的正常生活，大大影响城市环境。目前，全国范围内对黑臭水体的形成机理、理化分析和修复技术已有诸多的研究，并在促进水体自净方面有较大的突破，但依旧存在一定的不足，如底泥无法完全处理、无法满足长期水质要求等。故本文对黑臭水体的成因、机理以及修复方法进行概括，重点阐述生物修复法在黑臭水体中的应用。

1 黑臭成因

1.1 外源污染的影响

外源污染主要指有机物、氮、磷以及部分Fe、Mn等污染物进入水体后，微生物对其进行氧化分解时水中溶解氧消耗速度大于其恢复速度，导致水中溶解氧含量减少，使水体处于厌氧和缺氧状态[1]。此时，厌氧微生物菌的繁殖促进污染物厌氧分解，产生的S2-与Fe2+、Fe3+、Mn2+结合产生致黑物质附着于悬浮物上，其次产生H2S、N2等气体使水体散发异味[3]。

1.2 内源污染的影响

由于底泥中有机物、氨氮、磷以及重金属等远高于上覆水体中的浓度，主要集中于0～80cm，在底泥和上覆水之间存在有机物、氮、磷等物质交换和能量交换的动态平衡。当水体遇到暴雨或者人为干扰，底泥中的污染物通过去吸附、溶解和生物分解过程进入上覆水体中，造成二次污染。王育来[4]等研究表明，底泥的表面沉积物中离子交换态氮（IEF-N）含量越多则释放到水体中溶解有机氮（DON）含量也越多。

1.3 水体动力不足和热污染

城镇水体多呈流速慢、河道弯曲，这种特性导致水体动力不足，易产生垃圾、污泥等固体的滞留和淤积。日积月累，不但降低水体循环能力导致自净能力减弱，而且影响河道的排涝能力，使城市在雨季易出现城市内涝等现象。

温度较高的工业废水和生活污水排入城市水体，造成微生物活动频繁，使水中溶解氧减少，造成水体黑臭[3]。

2 安徽省黑臭水体现状

安徽省设区市建成区共有黑臭水体226个。截至2018年底，已完成整治198条，黑臭水体消除比例为87.6%，合肥市、池州市、宣城市基本完成黑臭水体治理任务。计划到2020年底，设区市建成区黑臭水体基本消除，建立城市黑臭水体治理长效机制。由于治理后的黑臭水体受温度以及水体周围环境影响较大，管理监测不当易出现返黑返臭现象，芜湖市已完成整治的46条黑臭水体中有15条出现返黑返臭现象。

安徽省北为广阔平原、南部为丘陵山脉，南北地形相差较大，所以南北黑臭水体治理方法有所不同。总体以“控源截污、内源治理、生态修复、补水活水、长效治理”的有效途径为主，实施黑臭水体整治工程。

3 常见黑臭水体治理方法

3.1 物理方法

3.1.1 调水冲污

通过水体置换，用清洁干净、低营养的水体更换受污染水体，亦或增加河道的进水量将原受污染水体冲刷出去。调水冲污主要是通过稀释水体中污染物并增加水体流动性，达到降低有机物、氮、磷等浓度。此方法适用于面积较小的水库、湖泊，会造成污染物转移。水体流动主要通过分散作用降低黑臭水体中有机污染物及Fe2+、S2-浓度，流速增加对降低黑臭水体边缘较大区域的污染效果明显[5]。

3.1.2 控制截污

通过控制或者清除污染源达到截断污染水体的目的。由于城市建成区的地下管线复杂、地面建筑拥挤、路面狭窄，城市建成区完全雨污分流工程难以实施[6]。控制截污时不但需要将原有排污口关闭，还需要对水体附近垃圾堆放点及时处理，并在河道两侧敷设截污管道，对初期雨水进行收集处理。此方法适用于城市河道、湖泊等，但是工程量大且实施周期长，资金耗费高。

3.1.3 清淤疏浚

将黑臭水体中受污染的底泥、垃圾、生物残渣等沉积物进行清除，以达到减弱水体受内源污染的影响。底泥疏浚主要有以下3种方法[7]：①机械直接抽取水体底部含有污染物的沉积物；②将水体中上覆水排干后再进行底泥清除；③环保清淤。在进行清淤时注意控制清淤深度，保护下层底泥不受破坏，避免破坏原生态系统的完整。清淤疏浚方法适用于所有水体，但是会造成污染物的转移，易造成水体二次污染。

3.1.4 增氧曝气

通过曝气设备将空气或氧气引入水体，有机械曝气、跌水、喷泉、射流等形式。此方法建设成本低，短时间内可大幅提高水体的DO（溶解氧）含量，从而促进水中的有机物分解且适用于大多数水体，但是需要消耗大量能源且不利于上覆水中悬浮物沉积。增氧曝气对治理黑臭水体的效果与曝气方式、曝气量、曝气温度、曝气位置均有关系[8]。Liu Zhu[9]等发现将污染水体复悬浮后曝气沉降，可促进水体中污染物分解，并有效降低底泥厚度。

3.2 化学药剂

使用化学氧化剂（H2O2、CaO2等）、化学絮凝剂（Al盐、Fe盐等）、化学沉淀剂（CaO等），促进水体中污染物氧化并增加水体中DO含量，絮凝、沉淀上覆水体中悬浮有机物污染物，提高水体透明度。CaO2在黑臭水体中主要发生下列反应：

2CaO2+2H2O=2Ca(OH)2+O2↑

CaO2+2H2O=Ca(OH)2+H2O2

反应方程式表明化学氧化剂在反应中即向水体供氧气，增加水体DO的浓度，且产生强氧化剂H2O2，进一步促进水体中难分解有机物的氧化[10]。

翟永清[11]等在实验室条件下，通过硫酸亚铁（FeSO4）催化—过氧化钙（CaO2）氧化对染料废水进行处理，表明染料脱色率达到100%，COD去除率到达90%以上，Cd2+、Pb2+、Cu2+、Mn2+、AsO2-等重金属去除率可达到99.9%。徐垚[12]等将CaO2以注射、覆盖、混匀3种方式投加在底泥中，结果表明CaO2加快了有机磷的矿化速度使内源磷持留能力增强，且注射方式对底泥内源磷释放具有抑制作用。徐斌[13]等将CaO2和MgO2进行对比，发现CaO2释氧效率更高，对氮磷去除效果更好。鲁秀国[14]等自制聚硅酸氯化铁（PFSC）试验中，当PFSC的投加量为600ml/L，黑臭水体PH值为8.4时絮凝效果最好，水体中COD去除率达到59.1%，浊度去除率达到92.5%。诸多研究表明，化学药剂可在短期内对水体中COD、TP及浊度达到高效去除，但在实际水体处理中无法对黑臭水体底泥进行有效改善，无法用做长期持续治理的方法。化学药剂的使用会增加水体中的污泥量，有毒污泥处理不当会造成二次污染。

3.3 生物修复法

生物修复是通过特定的微生物、植物等在好氧或厌氧条件下加速对水体中污染物的自然降解，使污染物不对水体环境造成破坏。

3.3.1 微生物制剂修复技术

向污水中投加对污染物具有较强降解能力的微生物菌或促进土著微生物生长药剂，以增强水体中微生物的生长与代谢，达到对底泥原位修复的作用。该技术治理效果显著、反应过程稳定且操作简单，但需要根据水质变化对微生物菌种类和投加量进行调整，适用于流动缓慢的水体。微生物制剂主要以乳酸菌、丝状菌等组成。杜聪[15]等研究表明微生物制剂对黑臭水体的上覆水和底泥有显著的处理效果，上覆水中的COD、TN、NH3+-N去除率均达到85%以上，底泥厚度平均下降1.4cm。尹莉[16]等利用硝化菌、反硝化菌、除磷菌、COD降解菌等制备固定复合菌，并与液态菌、粉状菌进行黑臭水体处理对比，结果证实固定复合菌的处理效果更好，且氨氮的去除率可达到97%。

3.3.2 水生植物修复技术

人工湿地和生态浮岛均是通过水生植物分解和吸收污水中污染物，达到净化水体的技术。人工湿地主要通过基质截留吸附、水生植物根系吸收、微生物降解协同作用去除水体中有机物和氮磷[16]。生态浮岛是在基质或者载体上无土培养水生植物对污染水体进行净化。李真[17]等研究表明，垂直流人工湿地对黑臭水体中磷去除可达到58.13%～83.25%，且当填料中Fe3+含量增加时，去除效果更好。但是水生植物对黑臭水体中污染物去除随季节变化大。夏季水体温度较高时，去除率较高；冬季水体温度较低时，去除率低且枯萎后的植物不及时处理，易造成二次污染。

3.3.3 生物膜技术

生物膜技术是目前使用比较广泛的生物修复技术，主要是由填料上附着大量微生物菌落及其代谢产物等形成的生物膜净化污水。生物膜具有有机物去除效率高、高负荷工作、污泥量少等特点。在实际应用中，填料挂膜情况和水力停留时间主要决定生物膜处理效果。最新的研究表明，碳素纤维生态草作为填料效果好于阿科蔓，对COD的去除达到76.31%，对NH3-N的去除可达到76.68%[18]。

3.4 组合工艺法

由于单种处理方法受环境影响较大、需要根据水质不同变化药剂投加量、无法标本根治黑臭水体等原因。目前，多种工艺相组合成为黑臭水体治理的新的方向。金承翔[19]等用曝气充氧+微生物+水生植物+生物促升剂技术修复黑臭水体，COD去除率可达80%左右，BOD和NH3+-N的去除率达到90%以上。段云霞[20]等通过控源截污+曝气充氧+微生物治理+生态浮床+补水活水以及投放水生动物等工艺组合，处理后的水质可达到V类地表水指标。

4 结语

城市黑臭水体是目前环境污染中重点突出的问题，各个地区的黑臭水体因污染源不同，水体中污染物的种类、比例也不尽相同。针对各地的黑臭水体应因地制宜，并结合当地的海绵城市建设合理控制截污处理初期雨水，禁止点源污染排放，再选取适宜的治理修复方法对水体进行修复，防止水体二次污染，避免返黑返臭，加强监管力度保证黑臭水体治理工程长期有效进行。