我國(guó)黑臭水體的形成機(jī)制與治理策略研究*

蒲云輝，唐嘉陵，徐 青，李 玫，潘聲旺

(成都大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，四川 成都 610106)

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，大量污染物集中產(chǎn)生和排放。未經(jīng)處理或未達(dá)標(biāo)的生活污水、工業(yè)廢水等進(jìn)入河流，使污染物不斷累積，溶解氧含量下降，化學(xué)需氧量和氮、磷等污染物濃度升高，水體水質(zhì)惡化[1-2]。黑臭是水體受到嚴(yán)重污染表現(xiàn)出的一種極端現(xiàn)象，不但破壞城市景觀，還會(huì)使水體喪失生態(tài)功能，危害人體健康[3]。根據(jù)水體特征指標(biāo)(透明度、溶解氧、氧化還原電位和氨氮)的量級(jí)可將污染水體分為輕度黑臭和重度黑臭兩類。到目前為止，我國(guó)黑臭水體數(shù)量已接近2000余個(gè)。2015年我國(guó)頒布的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》中提出了城市黑臭水體分期整治的實(shí)施方案，并要求到2030年基本消除城市黑臭水體。由此可見(jiàn)，我國(guó)黑臭水體治理工作的嚴(yán)峻性和緊迫性。

1 黒臭水體的現(xiàn)狀與成因

1.1 我國(guó)黑臭水體的現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年我國(guó)黑臭水體數(shù)量約為1861個(gè)，其中分布在華南、華中及華東地區(qū)的黑臭水體數(shù)量占總量的70%左右。到2019年9月，黑臭水體數(shù)量增加至2100個(gè)[4]。如圖1所示，大部分城市已經(jīng)完成黑臭水體的治理，但安徽、廣東仍然有分別69和41條黑臭水體未完成，湖南(33條)、河南(31條)和吉林(27條)緊隨其后。到目前為止(2020年4月)，已經(jīng)達(dá)到2869個(gè)，其中已完成2313個(gè)，仍有556個(gè)正在治理進(jìn)行中，即仍然有接近20%左右的水體還未治理完成。此外，已治理的水體返黑返臭現(xiàn)象依然存在，城市水質(zhì)改善的任務(wù)依然較重。

圖1 我國(guó)各省黒臭水體數(shù)量分布情況

1.2 水體黑臭的成因

1.2.1 外源污染

過(guò)量外源有機(jī)污染物進(jìn)入水體，致使異養(yǎng)型微生物及藻類等大量增殖，水體中溶解氧降低并轉(zhuǎn)變?yōu)槿毖趸騾捬鯛顟B(tài)。隨后，水體中的物質(zhì)經(jīng)過(guò)一系列物化和生化反應(yīng)產(chǎn)生致黑致臭物質(zhì)，并最終導(dǎo)致水體發(fā)黑發(fā)臭[5]。氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)入水體后，自養(yǎng)型藻類等大量增殖并覆蓋水面，抑制水體復(fù)氧過(guò)程[6]。藻類殘?bào)w被厭氧微生物分解將釋放大量致黑致臭物質(zhì)。進(jìn)入水體的鐵、錳等污染物與硫化物結(jié)合形成黑色難溶物質(zhì)，導(dǎo)致水體發(fā)黑。外源污染源可分為點(diǎn)源和面源兩類，是引起水體黑臭的根本原因。

1.2.2 內(nèi)源污染

水中的有機(jī)污染物、藻類及植物殘?bào)w等通過(guò)沉淀、吸附及生化反應(yīng)過(guò)程等轉(zhuǎn)移至底泥中，當(dāng)遇到水力沖刷、人為擾動(dòng)或環(huán)境變化時(shí)，污染物從底泥中釋放出來(lái)并造成水質(zhì)惡化，這也是水體黑臭的重要原因[7]。

1.2.3 其它因素

由于人為過(guò)度開(kāi)發(fā)水體資源，大量圍墾占用河流兩岸灘地，修建水利工程，河道渠道化、硬質(zhì)化等，導(dǎo)致河道水體流動(dòng)性變差，水體自凈能力減弱，生態(tài)系統(tǒng)退化，并最終引起水體黑臭。此外，熱污染是水體黑臭的重要原因[8]。水溫升高導(dǎo)致溶解氧降低，底泥中吸附的金屬離子大量釋放使水體黑臭現(xiàn)象加重[8]。

2 黑臭水體形成的機(jī)理

水體的致黑致臭過(guò)程是物理、化學(xué)及生物學(xué)多個(gè)反應(yīng)共同作用的結(jié)果。不同的物質(zhì)組分、環(huán)境因子、水力條件及微生物種類引起的水體黒臭機(jī)理存在差異。但主要的致黑致臭(圖2所示)過(guò)程以及相關(guān)微生物的作用(表1所示)已基本明確[4,9]。

2.1 致黑機(jī)理

水體中主要的致黑物質(zhì)包括吸附于懸浮顆粒上的不溶性黑色污染物質(zhì)(FeS、MnS)，以及可溶于水體的有色有機(jī)物。在厭氧條件下，微生物可促進(jìn)FeS、MnS的生成，其主要過(guò)程如下：

含硫蛋白質(zhì)→H2S+NH3+有機(jī)酸

Fe2++S2-→FeS↓

Mn2++S2-→MnS↓

圖2 水體致黑(a)和致臭(b)的機(jī)理

如圖2a所示，微生物分解水體中的有機(jī)物將消耗其中的溶解氧。當(dāng)耗氧速率超過(guò)復(fù)氧速率時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致水體缺氧。在厭氧環(huán)境中，經(jīng)過(guò)物化反應(yīng)及微生物作用，水體中的Fe3+被還原為Fe2+，硫酸鹽則被轉(zhuǎn)化為硫化氫或S2-，同時(shí)底泥中的含鐵、錳及含硫化合物釋放至上層水體，生成FeS及MnS等主要致黑物質(zhì)。另外，由于水體底部缺氧，厭氧微生物利用有機(jī)物產(chǎn)生氣體(CH4、CO2、H2S等)，氣泡促使黑色底泥上浮，從而加速水體的黑臭進(jìn)程。藻類細(xì)胞殘?bào)w及植物殘?bào)w等在厭氧條件下被轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)等致黑物質(zhì)。同時(shí)腐殖質(zhì)能促進(jìn)Fe3+轉(zhuǎn)化為Fe2+，進(jìn)而加速水體變黑。

2.2 致臭機(jī)理

黑臭水體中主要的致臭物質(zhì)為揮發(fā)性有機(jī)硫化物、硫化氫(H2S)、胺類以及其他揮發(fā)性惡臭物質(zhì)(如土腥素、2-甲基異茨醇、β-環(huán)檸檬醛、β-紫羅酮等)，形成機(jī)理如圖2b所示。

(1)硫化氫(H2S)、氨(NH3)等小分子氣體。當(dāng)水體處于重污染水平時(shí)，有機(jī)物好氧分解造成水體嚴(yán)重缺氧，厭氧微生物大量生長(zhǎng)并降解有機(jī)污染物，產(chǎn)生H2S、NH3等臭味物質(zhì)。反應(yīng)機(jī)理如下：

有機(jī)物→蛋白質(zhì)、氨基酸→有機(jī)酸+H2S↑+NH3↑+ CO2↑+H2O+CH4↑

(2)厭氧條件下，大分子有機(jī)物被微生物水解轉(zhuǎn)化為小分子有機(jī)物，而后在硫酸鹽還原菌及其它厭氧菌將含硫有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性有機(jī)硫化物如二硫化碳(C2S)、羰基硫(COS)、二甲基二硫醚(DMDS)、甲硫醚(DMS)、甲硫醇(MT)。除外源含硫有機(jī)物外，水體中的藍(lán)藻及植物殘?bào)w也是有機(jī)硫化物的主要貢獻(xiàn)者，是導(dǎo)致水體惡臭物質(zhì)的重要原因。

(3)其他惡臭物質(zhì)。在重污染水體中，外源污染物大量輸入導(dǎo)致水體處于嚴(yán)重缺氧，水體中的細(xì)菌、真菌、藻類等大量繁殖并在代謝過(guò)程中分泌多種醇類等致臭物質(zhì)。此外，藻類細(xì)胞降解過(guò)程中釋放的β-紫羅酮(醛)等致臭物質(zhì)也會(huì)引起水體惡臭。

表1 黒臭水體中主要涉及的微生物

3 城市黑臭水體的治理技術(shù)

整治城市黑臭水體應(yīng)遵循“適用性、綜合性、經(jīng)濟(jì)性、長(zhǎng)效性和安全性”等原則進(jìn)行技術(shù)選擇，并按照“控源截污、內(nèi)源治理；活水循環(huán)、清水補(bǔ)給；水質(zhì)凈化、生態(tài)修復(fù)”的基本技術(shù)路線進(jìn)行實(shí)施。控源截污和內(nèi)源治理技術(shù)是黑臭水體治理的基礎(chǔ)，水質(zhì)凈化、清水補(bǔ)給是水體水質(zhì)提升的基本保證，生態(tài)恢復(fù)是城市水體功能恢復(fù)和長(zhǎng)效保持的重要舉措。

3.1 控源截污技術(shù)

控源截污主要從源頭減少污染物進(jìn)入水體的可能性，是城市黑臭水體整治的基礎(chǔ)，主要包括截污納管和面源污染控制兩個(gè)方面。截污納管主要通過(guò)鋪設(shè)污水截流管線，收集污水并將其引入城市處理系統(tǒng)，從而減少污染物進(jìn)入水體[5]。但該技術(shù)的工程量較大、投資較高，且工程實(shí)施周期長(zhǎng)。面源污染控制可采用雨水控制與凈化技術(shù)以及生態(tài)護(hù)岸隔離或阻斷技術(shù)實(shí)現(xiàn)污染物的削減和控制。

3.2 內(nèi)源治理技術(shù)

底泥是黑臭水體的重要污染源，常采用原位處理和異位處理兩種方式進(jìn)行。原位處理是采用物理、化學(xué)和生物學(xué)的方法，將污染物固定于污泥中或直接轉(zhuǎn)化去除，防止污染物進(jìn)入水體。物理修復(fù)通常采用原位覆蓋法阻隔底泥的再懸浮和擴(kuò)散；化學(xué)修復(fù)是向水體中投入特定的化學(xué)藥劑(混凝劑、氧化劑、吸附劑等)，通過(guò)一系列氧化還原、吸附、沉淀等過(guò)程使污染物在底泥中保持穩(wěn)定[5,10]；生物修復(fù)是利用生物的代謝作用降低污染物質(zhì)的含量。異位處理是將底泥移出水體并單獨(dú)進(jìn)行處置。盡管該方法相對(duì)成熟，但疏浚底泥的工程量較大，易對(duì)土壤和周邊環(huán)境造成二次污染，且可能對(duì)河道底部和水體生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重破壞，引發(fā)新的生態(tài)問(wèn)題[5]。

3.3 生態(tài)補(bǔ)水

利用天然水或再生水補(bǔ)充污染水體，使其恢復(fù)生態(tài)功能及自凈能力，從而緩解水體污染。《城市黑臭水體整治工作指南》指出利用城市再生水、清潔地表水等實(shí)施生態(tài)補(bǔ)水可有效提高水體的流動(dòng)性，明顯改善水質(zhì)，是快速解決水體黑臭問(wèn)題的方法之一。盡管該方法可稀釋受污水體，降低污染物濃度，增加水體溶解氧和生物量，但并不能從根本上解決污染物對(duì)水生態(tài)環(huán)境破壞的問(wèn)題[11]。

3.4 生態(tài)修復(fù)及凈化技術(shù)

生態(tài)修復(fù)與凈化技術(shù)主要通過(guò)恢復(fù)生物多樣性，重構(gòu)完整的生態(tài)系統(tǒng)，并充分利用各組分的功能實(shí)現(xiàn)水生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)[1,11]。根據(jù)作用主體可將其分為水生植物修復(fù)法、水生動(dòng)物修復(fù)法和微生物修復(fù)法等。但這些修復(fù)方法常被綜合運(yùn)用于人工濕地、生態(tài)浮島、穩(wěn)定塘和生態(tài)護(hù)坡等。生態(tài)修復(fù)常與城市景觀構(gòu)造相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)污染控制和城市生態(tài)建設(shè)協(xié)同實(shí)施。利用生態(tài)修復(fù)技術(shù)提升水體自凈能力，完善水生態(tài)功能，是水質(zhì)長(zhǎng)效保持的關(guān)鍵措施。

4 我國(guó)城市黑臭水體整治的對(duì)策與建議

4.1 探明黑臭水體的形成機(jī)理，明確治理對(duì)象

盡管研究者已對(duì)水體黑臭的形成原因與機(jī)理進(jìn)行了大量研究，但水體致黑致臭過(guò)程仍不清楚。另外，由于水體黑臭與河流狀態(tài)、水力條件及環(huán)境條件等關(guān)系密切，以致水體黑臭的成因存在差異。因此識(shí)別水體致黑致臭物質(zhì)，解析水體黑臭惡化的相關(guān)機(jī)理是實(shí)施黑臭水體整治的重要前提。

4.2 優(yōu)化黑臭水體治理技術(shù)

黑臭水體的治理是一個(gè)多元的系統(tǒng)工程，采用單一的治理技術(shù)往往難以達(dá)到理想的效果。因此需要多種技術(shù)優(yōu)化組合、協(xié)同進(jìn)行。采用物理、化學(xué)和生物法協(xié)同治理的案例較多，效果也較為明顯，但需進(jìn)行經(jīng)濟(jì)-環(huán)境效益評(píng)價(jià)。采用生態(tài)修復(fù)技術(shù)時(shí)應(yīng)從城市發(fā)展規(guī)劃、水生態(tài)建設(shè)及生態(tài)保護(hù)等角度綜合考量，因地制宜。強(qiáng)化“一河一策”制度，建立治理成果長(zhǎng)效保障措施。此外，還應(yīng)加大資金的投入力度，完善水環(huán)境保護(hù)的管理和運(yùn)營(yíng)模式，推動(dòng)環(huán)保產(chǎn)業(yè)進(jìn)入良性循環(huán)。

4.3 完善管理機(jī)制，鼓勵(lì)公眾參與

完善管理流程，明確責(zé)任主體是保持治理成果的長(zhǎng)效機(jī)制。可建立涉及水利、市政及環(huán)保部門(mén)等多機(jī)構(gòu)的聯(lián)動(dòng)管理機(jī)制，落實(shí)河道的管護(hù)及考核單位，將水體養(yǎng)護(hù)與監(jiān)管同時(shí)進(jìn)行。建立城市黑臭水體治理綜合管理平臺(tái)，憑借遙感及在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，精確追蹤水體水質(zhì)變化，實(shí)現(xiàn)水體黑臭治理效果的長(zhǎng)效保持。公眾參與有助于推動(dòng)黑臭水體的治理，應(yīng)加強(qiáng)政府和社會(huì)組織者間的互動(dòng)與交流合作，強(qiáng)化公眾參與機(jī)制的運(yùn)行和效果評(píng)估工作。

5 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)黑臭水體數(shù)量巨大，整治時(shí)間緊任務(wù)重。盡管?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水體致黑致臭機(jī)理進(jìn)行了探索并以此提出了相應(yīng)的治理和修復(fù)措施，但水體黑臭的相關(guān)研究仍有待深入。應(yīng)進(jìn)一步從環(huán)境影響因子、物化過(guò)程、生物學(xué)機(jī)制角度研究水體黑臭的形成過(guò)程及演變機(jī)制。針對(duì)不同的水體特征，推演其黑臭的本質(zhì)，進(jìn)而提出針對(duì)性的整治措施；應(yīng)加強(qiáng)對(duì)城市黑臭水體治理技術(shù)的研究，針對(duì)水體主要的致黑致臭因子，積極采用多種組合技術(shù)進(jìn)行治理，避免水體返黑返臭；將水體治理與城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)相結(jié)合，形成經(jīng)濟(jì)-環(huán)境-效益可持續(xù)的整治技術(shù)體系；應(yīng)完善相關(guān)法律法規(guī)，實(shí)行責(zé)任制，加強(qiáng)管理和監(jiān)督，維護(hù)河流治理成效。