城市河道黑臭評價模型及控制技術研究進展

肖靚 趙文濤 欒敬帥 李文強 楊殿海

摘要

針對當前城市河道污染問題尤其是水體黑臭現象較為突出的問題，分析了城市河道黑臭的原因，闡述了國內外各種河道黑臭評價模型的特點和實用性，并比較了控制黑臭水體的物理、化學、生物-生態修復等不同技術的特征及優缺點，為實踐中的工藝的選擇和優化提供了參考。

關鍵詞 城市河道；黑臭成因；評價模型；控制技術

中圖分類號 S181.3 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）26-09116-05

Review on Black-odor Prediction Models and Pollution Control Technology for Urban River

XIAO Liang， ZHAO Wen-tao et al

（State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse， College of Environmental Science and Engineering， Tongji University， Shanghai 200092）

Abstract According to the existing pollution problems of urban city， especially the black and odor problem， the causes of this problem were analyzed， and the features and practicability of various black-odor prediction models of urban river were expounded. Different pollution control technologies for this problem were compared， including the physical， chemical， bio-ecological restoration technology， which was supposed to provide the reference for process selection and optimization in practice.

Key words Urban river； Black-odor cause； Prediction model； Pollution control technology

城市河流是城市景觀水體主要組成部分之一，不僅具有水土保持、貯水調洪和水質涵養等經濟價值，同時也有美化城市景觀和豐富城市文化內涵的生態價值和文化價值，已經成為諸多城市魅力的代言，如南京的秦淮河、北京的“六海”、成都的府南河、西安的護城河和合肥的南淝河等。然而隨著城市化步伐的加快和工業化程度的提高，城市河流作為城市廢水和生活污水的主要排污通道和場所，承受了過多的污染而導致水體發黑發臭^[1-2]。

水體黑臭是非常嚴重的水污染現象，毒害水中生物，使水生生物和水鳥等絕跡；破壞河流生態系統，使河流作為飲用、景觀、游泳或養魚等用途和價值被破壞；與此同時也給人類生活和身體健康造成嚴重危害^[1]，如水體黑臭會引起人類感官不適，嚴重時可導致厭食、惡心，甚至損害中樞神經和大腦皮層的興奮和調節功能。目前，我國80%以上的城市河流受到污染，呈現出季節性或者常年性的黑臭現象^[3]，破壞了城市的美好形象，嚴重制約著我國城市的發展^[1]。

1 城市河流黑臭成因分析

“黑臭”是指水體視覺上呈黑色或泛黑色，嗅覺上會散發出刺激人的嗅覺器官并引起人不愉快或厭惡的氣味。水體黑臭是一種生物化學現象^[2]。國內外眾多研究表明，水體發生黑臭的機理與水體中有機物污染、懸浮顆粒、環境條件以及底泥污染等因素有關。

1.1 有機物污染

長期以來，城市污水的處理率一直很低，未經處理的工業廢水和生活污水直接排入城市河道是導致有機污染嚴重、普遍出現水體黑臭現象的主要原因之一^[4]。有機污染物進入水體后，在耗氧微生物的作用下，消耗水中大量氧氣，待水體氧氣消耗殆盡，厭氧細菌將大量繁殖，產生大量致臭氣體（如甲烷、硫化氫和氨等）逸出水面進入大氣[1，5] 。此外，有機物分解產生的胺類、二甲基異莰醇、喬司瞇（Geosmin）^[6-7]、硫醇和硫醚類化合物^[8]等物質也會導致水體發臭。同時，大多數有機污染物富集在水體表面形成的有機物膜會破壞正常水氣界面交換，從而加劇了水體發黑發臭^[4]。

1.2 懸浮顆粒

國內外許多學者的研究認為，Fe和Mn 離子是導致水體發黑的主要原因。研究發現，當大量有機物等耗氧物質進入水體后，水體中的溶解氧持續降低，有機物分解出的H₂S在水體中電離成HS-、S2-，與水中的Fe、Mn等離子結合形成FeS、MnS 等金屬硫化物的懸浮顆粒，從而導致水體顏色發黑^[9]。另外，腐殖質也可能會吸附這些懸浮顆粒形成絡合物^[10]。

1.3 環境條件

環境條件包括氣候、氣壓、水溫、水速、徑污比、溶氧都會對河流黑臭產生影響。水體一般在夏季呈現出顯著的黑臭現象，而在冬季黑臭現象較低。其主要原因一方面是微生物的活動的頻率與溫度表現出顯著的正相關性，另一方面是水體中的溶解氧含量隨著溫度的升高而降低，呈現顯著的負相關性。國外很多研究皆指出，水體黑臭是由放線菌在有機污染物存在下所產生的喬司瞇引起^[11-12]。而放線菌的代謝活動受環境溫度影響很大。徑污比就是徑流量與排入河流中污水量的比值，河流的徑污比越大，就表示河流稀釋能力越強，而其受污染的可能性和污染程度就越小；反之，河流污染嚴重，易發生黑臭現象。

1.4 底泥及其再懸浮作用

水體中的大量污染物沉淀后累積在河底中，底泥是排入河流中各種污染的主要歸宿場所之一^[13]。一方面，研究指出城市河道底泥是水體重要的內源污染，底泥不斷向上部水體釋放有機物和無機鹽，從而加劇河道耗氧速率^[14-15]；另一方面，底泥的再懸浮作用對水質產生污染。有機底泥是微生物繁殖的溫床^[16-17]；而底泥中厭氧菌和放線菌的代謝作用使得底泥甲烷化、反硝化，是造成底泥上浮和水體黑臭的直接原因^[18]。

2 城市河流黑臭評價指標和模型研究

城市河道黑臭評價不僅可以起到河道黑臭預警的作用，有助于實時監控城市河道的黑臭狀況，也為城市黑臭河道的整治工作提供了一定的理論依據。目前得到廣泛關注的包括單因子評價法、綜合污染指數法、矩陣運算分析法和人工神經網絡評價法等等，幾種評價模型的分析比較見表1。

2.1 單因子評價模型

單因子評價模型是指由污染指標構成的單個指數作為水體黑臭的評價指標。這種評價方法在早期評價黃浦江、蘇州河等長江三角地區水系得到廣泛應用，主要包括黃浦江黑臭單因子指數模型、蘇州水網水質指標比值法和單因子水質標識指數。

黑臭單因子污染指數^[19]是上海自來水公司依據1963年以來對上海黃浦江水質黑臭的積累資料提出的，該模型計算方法：污染指數=氨氮實測值（mg/L）/（溶解氧飽和百分率+ 0.4）。根據這一模型，當污染指數≥5時，水體即為黑臭。1987年溫灼如等根據蘇州水網1984～1985年監測資料，分析了BOD與CODMn的關系，并提出水質指標比值法。水質指標比值I的計算方法^[20]：

I=BOD₅/CODMn。該方法將評價結果劃分為3個區，分別為黑臭區、微黑臭區和非黑臭區。

BOD₅<16 mg/L，I<1.0

單因子水質評價指數是2005年徐祖信^[21]提出的。該評價方法可以完整標識水質評價指標的類別、水質數據、功能區目標值等重要信息。單因子水質指數P的計算方法：

P=X₁.X₂X₃。式中，X₁為第i項水質指標的類別；X₂為監測數據在X₁類水質變化區間內所處位置；X₃為水質類別與水體功能區類別的比較結果。

2.2 綜合指數評價模型

綜合指數評價是在單因子評價模型的基礎上，運用算術平均、加權平均和指數等數學方法形成的評價方法。該方法考慮到多個因素的綜合作用，使用多個指標或多個指數作為水體黑臭的評價指標，主要包括線性回歸模型、多因子加權指數模型和綜合水質標識指數。

2.2.1

多元線性或非線性回歸模型。多元線性模型建立的基本方法就是將多個水質參數與黑臭指數（I）之間建立多元線性回歸方程，從而預測水體黑臭程度，但是在模型建立中，研究人員采用了不同的水質指標和建模方法。

徐明德等總結了適合汾河太原城區段水體黑臭評價的黑臭模型，并提出了黑臭度（I）的概念。以監測數據為自變量，臭度（TO）和色度（COL）為因變量，利用MATLAB的系統工具箱擬合臭度、色度的多元線性回歸模型，計算方法：

TO=4.306 6+1.017 1[CODCr ]+0.249 6[BOD₅]+0.901 7[NH₄+-N]-2.340 7[DO]+1.760 2 [H₂S]；

COL=8.314[Fe]+3.433[Mn]-2.30；

I=0.624[COL]+0.376TO。

依據上述模型可以定量描述汾河太原城區段的水體黑臭程度，確定總的黑臭指數范圍為13.3～ 43.1。據黑臭指數及黑臭度的對應關系，確定黑臭度分級：I≤18，無黑臭；1842，重度黑臭^[22]。劉成等結合南寧市竹排沖河道水質監測斷面數據，選取CODCr、DO和NH₄+-N及Fe、Mn等指標，建立了適合南寧市竹排沖河道水體黑臭的評價模型，計算方法^[23]：

I=0.050 3[CODCr]+0.257 6[NH₄+-N]-2.304 9[DO]+1.239 4[Fe]+ 2.770 0[Mn]+14.407 8。方宇翹等應用多因子系數，建立了水質黑臭指數關系式。經過實測，模型的正確率可達97%。根據這一模型，當黑臭指數I≥15時，水體出現黑臭。計算方法^[24]：

式中，X₁為河流總體的綜合水質類別；X₂為綜合水質在X₁類水質變化區間內所處位置；X₁.X₂由DO、CODMn、BOD₅、NH₃-N和TP 5項水質因子的單因子水質指數計算得到；X₃為參與綜合水質評價的水質指標中，劣于水環境功能區目標的單項指標個數；X4為綜合水質類別與水體功能區類別的比較結果。

2.2.3

喬司瞇評價方程。喬司瞇評價方程多見于國外一些研究報道。這些學者認為，喬司瞇是引起水體黑臭的主要物質之一，通過預測喬司瞇含量則可以定量表示水體的黑臭程度^[11]。評價模型建立過程中分析了pH、水溫、濁度、DO、硝態氮、氨氮、總氮、總磷，以及葉綠素a、藍細菌生物量、藻類生物量等大量水質參數，并進行篩選。美國^[26]和日本^[27]都有研究報道采用該方法評價水庫或湖泊水體的黑臭程度。

2.3 矩陣運算評價法

矩陣運算分析法是基于矩陣運算形成的分析方法，主要包括模糊數學評價和灰色系統評價。模糊數學評價是將模糊數學的思想引入水質評價，通過對各污染物的超標情況進行加權，構造隸屬函數和權重矩陣來進行水質評價，也稱模糊綜合評價法。賀玉龍等以涪江為例，建立了基于置信準則的模糊綜合評價法，評價結果合理、可靠，能更準確地區分同一類別水質污染程度的差異^[28]。灰色系統評價是將水體作為一個灰色系統，構造白化函數和聚類矩陣，與模糊數學評價中的白化函數和聚類矩陣相類似，但兩者計算權重的方法有所不同。前者是根據污染物超標情況進行加權，后者是根據水質類別確定相對應的各污染物權重。張冉等采用灰色聚類法對黃河入海口2004～2011年的水質進行評價與預測，用實際水質指標值檢驗其精度，取得了良好的效果^[29]。

2.4 人工神經網絡評價法

誤差反向傳播神經網絡（BP網絡）是水質評價中最典型的人工神經網絡評價方法。該方法的關鍵在于通過反復的正饋和反饋，對BP神經網絡進行訓練，使之得出與樣本預期輸出相符合的結果，進而應用該BP網絡進行水質評價。目前該方法在國內外已經有了一些研究。蘇彩虹等提出了一種結合人工蜂群算法的BP網絡水質評價方法（ABC-BP），并以2000～2006年渭河監測斷面的實測數據作為測試樣本對其水質進行了評價，評價結果準確，并具有很強的穩定性^[30]。

3 河道黑臭控制技術

城市河道黑臭現象越來越普遍，對黑臭水體進行污染治理和有效控制迫在眉睫。要解決水體黑臭問題，既要控制好景觀水體污染源，又要改善景觀水體自身水質條件。國內外目前對城市景觀黑臭水體的控制措施主要包括物理方法、化學方法和生物生態修復。物理法一般用于先期治理，投資較大；化學法具有反應迅速、見效快的特點，但容易引起二次污染；生物生態修復技術由于成本低、環境效益及修復效果良好，已經成為控制景觀黑臭水體重要手段。

3.1 物理方法

河道黑臭控制的物理方法包括截污、清淤^[31]、調水^[32]和人工曝氣^[33]。截污工程常以控制點源污染為主。清淤是通過干床清挖、船載抓斗清挖和水力沖挖等方式將污染物從水體中清除出去，從而削減底泥對上覆水體的污染，改善水質。研究指出，清淤可以使水體的有機質、總懸浮物以及水體透明度有明顯下降^[34]。但受工程條件限制，不可能將全部污泥清掉，清淤后的底泥還可能造成二次污染，同時清淤會破壞底棲生境。此外，大規模的清淤需要大量的資金支持，被清除的污染底泥的最終處理也是亟待解決的問題。調水是通過水利設施（如閘門、泵站）的調控，引入清潔水源以改善河道水質。調水促進了污水的稀釋，水體水動力條件得到改善，黑臭水體不易滯留，水體復氧量增加，有利于水體自凈能力的提高。上海蘇州河^[32]就曾啟動引水沖污工程改善水質。人工曝氣技術是根據水體缺氧的特點，人工向水體中充入空氣（或氧氣），加速水體復氧過程，以提高水體的溶解氧水平，恢復和增強水體中好氧微生物的活力，有效地改善或緩解黑臭現象。美國的Kissimmee河^[35]治理中利用曝氣復氧裝置，提高水中的溶解氧含量，有效地去控制了河道水體的黑臭。這項技術在我國河道黑臭治理中也應用廣泛。周杰等對上海張家浜黑臭水體曝氣復氧后，溶解氧基本維持在7 mg/L，CODCr、BOD₅、NH₄+-N和TP等指標皆維持較低水平^[36]。

3.2 化學方法

河道黑臭治理的化學方法主要包括化學氧化和化學沉淀等，目的在于去除水中懸浮物、溶解態磷和氮等污染物，提高水體透明度。所使用的化學藥劑主要有鐵鹽和鋁鹽等混凝劑、雙氧水等氧化劑以及生石灰等沉淀劑。2003年在上海蘇州河3條支流投加改性硅藻土為混凝劑，發現污染河水水質對混凝效果有顯著影響^[37]。化學藥劑是否會改變河流生境，并對其生物生長和生態平衡造成的影響需進一步研究。

3.3 生物生態修復技術

生物生態修復技術是利用特定的生物吸收、轉化、清除或降解水環境污染物，從而使受污染水體能夠部分或完全地恢復到原初狀態的生物措施^[28]。這種方法可以從根本上恢復河流系統的生態功能，是國內外近年來發展很快的一種技術，主要包括微生物強化技術、生物膜技術、生態浮床技術、人工濕地技術和生物生態組合技術。

3.3.1

微生物強化技術。水體污染環境中的有機物除小部分是通過物理、化學作用而被稀釋、擴散、揮發及氧化、還原、中和而遷移轉化外，主要是通過微生物的代謝活動進行降解轉化。投加微生物促生劑法可以營養物質作為激活劑，刺激水體中原有的微生物生長代謝，加速河道修復。胡湛波等研究表明，在生物促生劑修復黑臭水體過程中，輔之以曝氣可加快修復速度，且降低運行成本。試驗結果表明，COD、NH₄+-N和TP去除率分別可達46.8%、98.7%和73.3%，底泥可削減5.49 cm，底泥有機質削減率達10.5%^[38]。Francesca等指出可通過創造特定的條件來刺激微生物的新陳代謝，促進底泥金屬的轉化與溶化速度^[39]。如刺激底泥中鐵硫氧化細菌的代謝機制來修復重金屬污染的底泥，也可直接向污染水體投加經過培養篩選的一種或多種微生物菌種。宋雅靜等對投加本源微生物菌劑治理豐湖河污染進行了探討和研究。結果表明，經過3次補菌后，上游至下游硐橋、久泰橋和益民水閘處 COD 的去除率分別達到52.7%、68.8%和61.6%，NH₄+-N和TP也有所去除；水色由深灰綠色轉變為深綠色，浮油減少，臭味明顯消除^[40]。

3.3.2

生物膜。生物膜技術是指使微生物群體附著于某些載體的表面形成生物膜，這些微生物通過與污水接觸，能有效截留、吸附并降解污染物，從而使水體得到凈化，生物膜法是天然河流中所發生的微生物降解過程的一種強化，主要有礫石接觸氧化法、排水溝接觸氧化法以及人工填料接觸氧化等。曹文平等以竹絲作為填料而組建的接觸氧化生物膜工藝對校園景觀水體進行易位修復，研究表明，當進水CODMn、NH₄+-N和濁度分別為7.79～24.32 mg/L、1.36～11 mg/L和0.63～33.11 NTU的情況下，其去除率分別為10.57%～74.34%、83.33%～57.55%和20.01%～100%，且修復效果受運行工況影響不顯著^[41]。金竹靜等在滇池北岸重污染河道建設了生物接觸氧化原位修復示范工程，采用仿生填料、人工接種菌群和曝氣增氧組合技術，兩年多的運行結果顯示，工程對COD、BOD₅和TN的平均去除率分別達到40.1%、40.0%和13.5%；平均削減量分別為458.6、184.8和71.5 kg/d，出水透明度可達1 m以上^[42]。

3.3.3

生態浮床。生態浮床技術是運用無土栽培技術原理，以高分子材料為載體和基質，采用現代農藝和生態工程措施將原來只能在陸地種植的草本陸生植物種植到自然水域水面，并能取得與陸地種植相仿甚至更高的收獲量與景觀效果^[43]。目前，在國內已有很多生態浮床的示范性工程。段金程等選取漕橋河的支流廟尖浜作為試驗河段，以睡蓮、菖蒲和水芹作為微污染水體凈化的浮床植物。結果顯示，隨浮床面積增加，菖蒲區對TN的去除率由8.6%增加到26.7%，TP的去除率由17.1%增加到58.2%，水芹區對TN和TP的去除率最高可達22.0%和28.0%^[44]。高陽俊等采用植物浮床和填料浮床組合而成的生態浮床系統治理滇池大清河。結果表明，組合生態浮床對水體中COD、TN和TP的面積污染負荷去除率分別為401.50、50.00和5.44 mg/（m2·d），年平均去除率分別為5.16%、4.2%和7.91%，水質得到明顯改善^[45]。

3.3.4

人工濕地技術。人工濕地污水修復系統具有獨特而復雜的凈化機理，利用基質/微生物/植物復合生態系統的物理、化學和生物三重協調作用，通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現對景觀水體的高效凈化^[46]。水生植物在人工濕地污水處理系統中發揮著十分重要的作用，需要通過試驗選擇耐污性強、凈化效果好、適宜其生存環境的植物種類，同時也要考慮植物物種間的搭配。加拿大^[47]潛流蘆葦床濕地系統在植物生長旺季中的TN平均去除率為60%，TKN為53%，TP為73%，磷酸鹽平均去除率為94%。德國^[48]利用水平流和垂直流濕地蘆葦床系統處理黑臭水體，結果表明，超過90%的有機污染和氮磷等污染被去除。Shengbing He等采用了沸石、礫石以及粉煤灰為基質的人工濕地治理上海交大閔行校區富營養化河水，結果表明，該濕地系統成功去除有機物和氮磷，同時也降低了水中的臭味^[49]。

3.3.5

生物生態組合技術。

隨著黑臭河道治理的研究和實踐不斷深入，研究者根據治理與修復需求對各種單項技術進行優化和篩選，并進行了集成，形成了組合技術。目前生物生態組合技術已成為國內外水體治理的主流思想。王磊等采用低溶解氧接觸氧化/微曝氣/垂直流人工濕地的組合工藝對滇池污染河水進行處理。結果表明，在低溶解氧條件下，接觸氧化反應器對SS、COD、NH₄+-N和TN的平均去除率分別為86.2%、57.4%、89.6%和40.6%。該組合工藝運行穩定，除污效率高，為黑臭水體的凈化提供了一種新的方法^[50]。李捍東等采用了曝氣/微生物/人工濕地組合工藝開展處理河北東部黑臭河水的中試研究，經過兩個月的運行，出水水質達到了《地表水環境質量標準（GB3838-2002）》中的Ⅴ類水質標準^[51]。Lianpeng Sun等運用生態浮床外加人工曝氣和投加反硝化菌的方法處理廣州珠江河道，取得了良好的凈化效果^[52]。高尚等采用集成生物接觸氧化技術與人工濕地技術于一體的生物凈化槽處理上海市中心城區黑臭河水，試驗研究結果表明，水體的BOD₅、CODCr以及氮磷的去除率均達到30%左右^[53]。

3.4 幾種河道黑臭控制技術對比分析

隨著城市河道黑臭現象越來越普遍，人們對黑臭水體的污染治理也越來越關注。目前國內外對城市景觀黑臭水體的控制措施主要包括物理方法、化學方法和生物生態修復，以及這3種控制措施的相互組合。各種控制措施的特點、分類以及工程應用實例見表2。

4 結語

城市河道受到日益嚴重的污染，水體黑臭的現象頻繁出現，黑臭的產生機理、評價模型以及控制措施的研究迫在眉睫。近年來國內外學者在水體黑臭研究領域內做了不少的工作，在研究范圍與深度方面均有所拓展。國內外學者提出了多種方法來建立河道黑臭評價模型，這為城市河道黑臭的研究提供了寶貴的理論和事實基礎。雖然河道黑臭是由許多因素引起，不同地區、不同河流又具有不同的污染特性，但是各河道黑臭的機理卻相似。因此建立一種可以應用于不同黑臭河道的評價模型才能使當前的河道黑臭評價工作取得突破。城市黑臭河道的治理是一個系統而又復雜的過程。在借鑒國外成功治理經驗的基礎上，做到因地制宜和因時制宜，不能完全依賴物理、化學處理這樣瞬間見效快的方法，要在此基礎上，強化生物生態修復措施；篩選出耐受性好、適應性強的物種，優化工藝組合參數，逐步完善生物生態技術，使黑臭河道修復可以長期持久地進行下去，達到最佳的效果，是適合我國黑臭河道的穩定有效的治理技術。

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