淺析國(guó)內(nèi)黑臭水體修復(fù)方法進(jìn)展

姚 航，胡真虎

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

0 引言

城市化進(jìn)程的不斷加速，城市雨污設(shè)施建設(shè)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(yán)重超標(biāo)，水體出現(xiàn)了季節(jié)性或終年性黑臭現(xiàn)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(zhì)量，也對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞.黑臭水體的治理，成了當(dāng)前生態(tài)環(huán)境治理的重要組成部分.據(jù)生態(tài)環(huán)境部官網(wǎng)顯示：截至2019年底，全國(guó)295個(gè)地級(jí)及以上城市(不含州、盟)共有黑臭水體2 899個(gè)，其中已完成治理2 513個(gè)，治理中為556個(gè)，消除比例為72.1%.地域上總體呈現(xiàn)南多北少、東中部多、西部少的特點(diǎn)[2].文章梳理了我國(guó)城市黑臭水體的修復(fù)方法進(jìn)展，重點(diǎn)概述了現(xiàn)階段物理法、化學(xué)法、生物-生態(tài)法等常用的黑臭水體修復(fù)方法[3].

1 黑臭水體概述

1.1 黑臭水體的概念及分級(jí)

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(dāng)水體中的溶解氧濃度低于0.2 mg /L時(shí)，水體厭氧細(xì)菌的繁殖會(huì)加速，有機(jī)物在厭氧時(shí)分解產(chǎn)生大量的硫化氫、硫醚、氨氮、甲烷、硫醇、有機(jī)酸等制臭氣體，導(dǎo)致水體發(fā)臭[5].根據(jù)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(jí)[6].具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)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(gè)較為復(fù)雜的物理、生化過(guò)程.水體中厭氧微生物分解有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生大量的惡臭氣體(NH3、H2S和CH4)逸出水面進(jìn)入大氣，同時(shí)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(jī)物污染 城市生活污水中的油脂、糖類、氨基酸、蛋白質(zhì)分解后產(chǎn)生的有機(jī)氮、有機(jī)碳及含磷化合物，降解過(guò)程會(huì)大量消耗水體中的溶解氧.導(dǎo)致水體中厭氧微生物迅速繁殖，致黑、致臭物質(zhì)不斷產(chǎn)生，致使水體漸漸出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象[8].

1.2.2 底泥污染 底泥污染物主要包括有機(jī)物、重金屬、氮和磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及其它有毒污染物.在缺氧條件下，底泥中的營(yíng)養(yǎng)鹽及有機(jī)物，經(jīng)過(guò)厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生了NH3、H2S、FeS、MnS等黑臭物質(zhì)[9].此外，黑臭的底泥通過(guò)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(lán)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(dǎo)致溶解氧含量急劇減少、厭氧微生物大量繁殖、水體中有機(jī)物的分解加速、水體藍(lán)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(shí)，放線菌的繁殖量達(dá)到最高，水體的黑臭也達(dá)到最大[11].

1.2.4 水動(dòng)力不足 對(duì)河道、駁岸的硬質(zhì)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(xiàn)水體黑臭現(xiàn)象.此外，河流水量不足、水流不暢、河道兩岸灘地圍墾，也進(jìn)一步導(dǎo)致了水體水動(dòng)力不足，整個(gè)河道生態(tài)系統(tǒng)退化，最終呈現(xiàn)城市水體黑臭現(xiàn)象[12].

2 現(xiàn)階段黑臭水體的修復(fù)技術(shù)

縱觀我國(guó)黑臭水體修復(fù)技術(shù)進(jìn)展情況，其修復(fù)技術(shù)線路圖不外乎為物理、化學(xué)、生物-生態(tài)修復(fù)技術(shù)等[13].

2.1 物理修復(fù)技術(shù)

黑臭水體的物理修復(fù)技術(shù)包括：控源截污、截污清淤、調(diào)水和補(bǔ)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(chǎn)、生活污水，地表徑流污染，農(nóng)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(qiáng)城市排污管網(wǎng)及污水處理實(shí)施建設(shè)，實(shí)現(xiàn)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(fēng)險(xiǎn)；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(fù)、水利興修于一體.底泥疏浚可以永久性清除富含有機(jī)物、氮、磷的底泥，阻斷黑臭水體的內(nèi)在污染源，減少底泥對(duì)水體的二次污染，恢復(fù)水生生態(tài)系統(tǒng).底泥疏浚前，應(yīng)根據(jù)底泥分布情況及污染物的類型，形成環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告，制定行之有效的底泥疏浚方案；底泥疏浚時(shí)，還應(yīng)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(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：見(jiàn)效快，增強(qiáng)水體的過(guò)水能力，提高水體容量.缺點(diǎn)是：治理費(fèi)用十分昂貴，對(duì)于河床中底泥清淤的準(zhǔn)確度和精度的要求很高.目前，我國(guó)應(yīng)用底泥疏浚修復(fù)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(diào)水補(bǔ)水法 以工程或非工程技術(shù)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(zhì)，以達(dá)到黑臭水體的修復(fù)目的.調(diào)水、補(bǔ)水修復(fù)黑臭水體代表性工程有：利用雨水、再生水及松花江水源，對(duì)哈爾濱市雨源性河流何家溝實(shí)施綜合補(bǔ)水，有效提升了何家溝河流的水質(zhì)[19]；利用生態(tài)補(bǔ)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(diào)節(jié)為一體的生態(tài)景觀廊道[20]；利用巢湖水對(duì)合肥市濱湖新區(qū)的塘西河進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水，既消除塘西河劣Ⅴ類水質(zhì)，也減輕了巢湖的水質(zhì)污染程度[21].

2.1.4 曝氣增氧法 曝氣增氧就是運(yùn)用一些曝氣設(shè)備將空氣中的氧氣強(qiáng)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(zhì).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(fēng)機(jī)微孔布?xì)夤芷貧庀到y(tǒng)、葉輪吸氣推流式曝氣器、水下射流曝氣設(shè)備、葉輪式增氧機(jī)等[22].

曝氣增氧法修復(fù)黑臭水體代表性工程有：天津?qū)幒佣f深渠黑臭水體治理項(xiàng)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(fù)工程[24].

2.2 化學(xué)修復(fù)技術(shù)

利用化學(xué)藥劑去除黑臭水體中的懸浮物、溶解磷、氮等污染物，叫化學(xué)修復(fù)技術(shù).黑臭水體化學(xué)修復(fù)技術(shù)有：化學(xué)氧化、化學(xué)沉淀和化學(xué)絮凝等方法[25].化學(xué)氧化主要是通過(guò)高錳酸鉀等強(qiáng)氧化劑，將黑臭水體中的污染物氧化分解為無(wú)害物質(zhì)[26].化學(xué)氧化可去除黑臭水體中的鐵、錳離子及嗅味物質(zhì)，可控制水體中的貝類、藻類的生長(zhǎng)[27].化學(xué)絮凝是指向黑臭水體中投加絮凝劑，使水中的懸浮物、溶質(zhì)、膠體物發(fā)生絮凝沉淀，從而去除污染物.化學(xué)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(duì)黑臭水體中致黑、致臭、有機(jī)物去除效果明顯.秦曉振等[30]基于原位修復(fù)原則，利用石墨烯光催技術(shù)成功消除了黑臭水體.化學(xué)修復(fù)法有化學(xué)氧化、化學(xué)沉淀、化學(xué)絮凝等，主要優(yōu)點(diǎn)是費(fèi)用低，效率極高，短時(shí)間內(nèi)有較好的修復(fù)效果.主要缺點(diǎn)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(fù)技術(shù)

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

2.3.1 植物修復(fù)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(jié)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(dá)水底土層，進(jìn)行無(wú)氧呼吸，產(chǎn)生較多醇類物質(zhì).醇類物質(zhì)的官能團(tuán)會(huì)與水體中的磷分子發(fā)生自主結(jié)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(fù)雜的化學(xué)反應(yīng),生成不具污染性的金屬鹽類物質(zhì),為其它植株的生長(zhǎng)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(zhì)，經(jīng)過(guò)同化、異化作用之后，將其轉(zhuǎn)化為自身組分，并通過(guò)植物收割，去除污水中的營(yíng)養(yǎng)元素[34].

2.3.2 微生物菌劑修復(fù)法 微生物菌劑是由單一菌株或復(fù)合微生物菌群制備而成，能夠高效降解或礦化目標(biāo)污染物[35].微生物菌劑對(duì)黑臭水體的凈化是一種微生物的酶催化反應(yīng)過(guò)程.微生物在其生長(zhǎng)、繁殖過(guò)程中，從水體污染物中吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及碳源物質(zhì).這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，又促進(jìn)了微生物菌劑活性酶的產(chǎn)生，加速其對(duì)黑臭水體污染物、COD的分解.修復(fù)常州市新橋鎮(zhèn)藻港河，按照50 L水添加0.45 kg復(fù)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(jīng)過(guò)5個(gè)月的調(diào)試運(yùn)行，河道水質(zhì)明顯改善.TP、NH3-N和COD的去除率分別達(dá)到84.4%、98.6%和65.3%，治理后的水質(zhì)達(dá)到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)[36].

修復(fù)深圳市甘坑河時(shí)，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(jié)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(zhì)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(dòng)式微孔曝氣復(fù)氧機(jī)及投加微生物菌劑法，修復(fù)位于北方某城市內(nèi)的河道.該河道的黑臭水體及底泥得到明顯修復(fù)，藍(lán)藻爆發(fā)率也大大降低[38].

修復(fù)海口市桂林洋經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的福創(chuàng)溪-大排溝黑臭水體時(shí)，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(jīng)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(duì)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(guó)F-F系列菌、日本EM有效微生物菌、PSB光合細(xì)菌[40].

2.3.3 生態(tài)護(hù)岸修復(fù)法 生態(tài)護(hù)岸實(shí)現(xiàn)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(hù)岸營(yíng)造出良好的自然生態(tài)景觀.生態(tài)護(hù)岸的類型有：石籠護(hù)岸、土工格柵石墊護(hù)岸、生態(tài)混凝土護(hù)岸、自嵌式生態(tài)磚植被護(hù)岸、凈水箱護(hù)岸、生態(tài)袋護(hù)岸、種植槽護(hù)岸等[41].目前，我國(guó)生態(tài)護(hù)岸代表性工程有：揚(yáng)州市高郵橫涇河整治生態(tài)護(hù)岸工程[42]，福州市閩侯縣荊溪河道整治生態(tài)護(hù)岸工程[43]，永定河北京段沙質(zhì)河道生態(tài)護(hù)岸工程[44]，鄭州市滎陽(yáng)索河生態(tài)護(hù)岸工程.

2.3.4 生態(tài)浮島修復(fù)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(wǎng)或浮板上形成的植物群落即生態(tài)浮島.通過(guò)浮島上植物根系及分泌的微生物對(duì)水體中的氮、磷等污染物進(jìn)行吸收和降解，達(dá)到凈化黑臭水體水質(zhì)的目的[45].生態(tài)浮島修復(fù)技術(shù)以操作簡(jiǎn)單、處理效果好、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)低等優(yōu)點(diǎn)，在河湖污染修復(fù)中得到廣泛關(guān)注[46].為了保持生態(tài)浮島的整體穩(wěn)定性，降低浮島內(nèi)植物個(gè)體的競(jìng)爭(zhēng)性，單體面積通常不超過(guò)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(shí)現(xiàn)植物吸收、基質(zhì)吸附和微生物降解協(xié)同作用.浙江省生態(tài)環(huán)境科學(xué)設(shè)計(jì)研究院孔令為研究發(fā)現(xiàn)：新型人工浮島對(duì)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(fù)南京市秦淮區(qū)廣洋中心河，試驗(yàn)水域面積約為250 m2,浮島植物總覆蓋面積接近30 m2.通過(guò)對(duì)治理后河道水質(zhì)一年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：浮島植物生長(zhǎng)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(fù)技術(shù)對(duì)比

針對(duì)黑臭水體的不同修復(fù)技術(shù)，表2從技術(shù)特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)景等方面對(duì)上述三種修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析.

表2 黑色水體修復(fù)技術(shù)對(duì)比Tab.2 Comparison of black water body restoration technologies

3 總結(jié)與展望

黑臭水體的存在，對(duì)周邊景觀環(huán)境及居民的身體健康造成不良影響，因此，對(duì)黑臭水體的治理與修復(fù)是各級(jí)政府的當(dāng)務(wù)之急.目前，我國(guó)黑臭水體治理工作正處在關(guān)鍵期.黑臭水體的修復(fù)做到常態(tài)化、綠色化、生態(tài)化，綜合利用“物理+化學(xué)+生物-生態(tài)”等黑臭水體的修復(fù)技術(shù)[49].同時(shí)，應(yīng)做好重點(diǎn)污染源排放、管理工作，建立多部門聯(lián)動(dòng)工作制度，杜絕亂排亂放現(xiàn)象的存在，實(shí)現(xiàn)黑臭水體治理的長(zhǎng)效管理機(jī)制，達(dá)到人與自然的和諧發(fā)展.