黑臭河道综合治理技术研究及工程应用进展

戴天骄，贾建娜，张凯磊

(1.天津大学 环境科学与工程学院,天津 300072；2.交通运输部天津水运工程科学研究所 水路交通环境保护技术交通行业重点实验室，天津 300456)

据统计，我国80%以上的城市河道呈现不同程度的黑臭现象，其中大部分河道表现为季节性和常年性黑臭[1]，尤其是在经济和人口活动密集的河流湖泊附近，如京津冀、长江三角洲、珠江三角洲等地区都存在着较为严重的水环境问题[2]。《水污染防治行动计划》明确了我国水环境保护近期(2020年)目标为水环境质量阶段性改善，地级及以上城市建成区黑臭水体控制在10%以内，中期(2030年)目标为水环境质量总体改善，水生态系统功能初步恢复，远期(2050年)目标为生态系统实现良性循环[3]。控制城市河道水体污染，整治河道黑臭，恢复河流的生态和社会功能仍是我国可持续发展过程中亟待解决的关键任务之一[1-2，4-5]。整治城市黑臭河道，改善城市水环境质量，对保障城市人居健康、促进社会和谐与经济持续发展及保障城市生态安全具有极其重要的现实意义。

本文结合国内外河道治理工程及治理技术的经验，总结当前城市黑臭河道污染治理技术体系总结，以期为我国城市河道污染深化治理及水环境质量提升和功能恢复提供借鉴。

1 黑臭成因

近年来，随着我国经济发展和城市化进程突飞猛进，很多地区的环境承载力已达到或者接近上限。环保治理力度跟不上城建发展的规模和速度，各种污染源直排或随雨水径流进入城市内河，造成污染负荷突破河道承载能力，导致水体发黑发臭[4]。城市河道黑臭主要由过量纳污导致的水体供氧和耗氧失衡，有机物腐败造成。Lazaro提出河道黑臭的生物化学机理，即污染物在缺氧或厌氧条件下转化并产生氨氮、硫化氢、挥发性有机酸等恶臭物质，同时水中铁锰等重金属被还原，产生FeS、MnS等黑色物质[5]。据《全国环境统计公报》(2018年)显示，当前全国地表水污染问题极为严峻，海河劣Ⅴ类断面比例达32.9%，同时，辽河和黄河污染程度也不容忽视，劣Ⅴ类断面比例分别为18.9%和16.1%。国家重点评价的41个湖(库)中，Ⅳ类及以上水质的湖(库)占比高达75.6%，中度富营养化比例达到48.7%[6]。同时，河道水环境治理面临处理存量污染和控制增量污染的多重压力，长期以来涉水排污企业在我国经济总量中所占比重较大，从而加大了河道治理难度[2]。

2 国外黑臭河道治理研究及典型案例

莱茵河是欧洲第三大河，20世纪50年代初到60年代末莱茵河流域各国经济高速发展，大批能源、化工、冶炼企业工业废水排入河道，导致水质急剧恶化，被冠以“欧洲下水道”的恶名。莱茵河治理采取以截污控源与生态系统治理相结合的技术手段。通过调研确定优先治理的污染物质清单，采取建立污水、垃圾处理厂等完善的环保设施手段解决企业排污。同时实施恢复河流自然生态的措施: 拆除水泥护坡改为生态护坡，对部分改弯取直的人工河段重新恢复其自然河道等[7]。莱茵河于1995年开始重返清澈，平均治理成本为2.5欧元/m3[8]。

泰晤士河是横贯英国的母亲河，20 世纪 50 年代，随着工业革命的兴起及两岸居住人口的激增，大量工业废水和生活污水直排河道，导致水体呈现厌氧状态，水中溶解氧含量几乎为零。泰晤士河治理采取水环境治理与水环境管理相结合的策略，针对生活污水及工业废水直排，全流域建设污水处理厂470 余座，日处理能力为360万m3/d，几乎与给水量相等。同时成立了跨地区的泰晤士综合治理委员会和泰晤士水务公司，对泰晤士河流域进行统一规划与管理[9]。

清溪川是首尔最大的城市内河。20世纪50年代中期，大量生活污水直排导致河道迅速被污染，因经济条件限制，曾采取高架道路覆盖河道，并被认为是破坏首尔城市形象的根源[10]。清溪川治理采取截污控源与清水补给相结合的技术路线，新建污水处理净化系统，对各类污水源进行彻底截污，同时抽取经净化后的汉江河水、地下水或雨水及再生水等3种水源向清溪川补水，以维持河道生态基流[11]。

城市工业、生活及农业面源的污染物排放量迅速增加，导致日本东京市内隅田川的水质恶化。其治理采取底泥疏浚与环境调水相结合的方式，隅田川曾于1958年清除河床底泥400余万m3，同时进行引水和调水，利用清洁的水使河道中污染物快速的稀释、扩散、迁移，这两项举措使隅田川水质得到较快地恢复[12]。

国外河道治理持续了近半个世纪的时间，其技术路线以截污控源为基础，实施水资源、水环境、水生态系统综合治理。目前发达国家水环境治理理念已由污染控制发展为水生态的恢复与修复，实现了从传统单一流域水环境质量改善转变为以恢复河道生态系统多样性为目标的可持续性综合治理[13]。早在1938年，德国学者 Seifert首次提出 “亲自然河流治理”理念，指出河道治理在满足水安全等功能基础上，还需近自然化。1950年，德国正式创立“近自然河流治理工程学”，提出河道治理应尊重生态系统，维持生态平衡。随后，Schlueter、Bidner、Holzmann、Rossoll及Pabst等学者分别提出河道生态治理理论，1992 年,Hohmann提出近自然河流治理应减轻人为活动对河流的干扰, 维护河流生态多样性及生态系统平衡，并逐渐恢复其自然状况。近年来，国外河道整治工程注重河道生态系统和谐,并已形成河道生态治理理论, 如德国的“河流生态自然工法”, 美国的“自然河道设计技术”，澳大利亚的“绿植被技术”，日本的“近自然工事”等。

3 黑臭河道综合治理技术

城市河道的治理遵循“外源减排、内源清淤、水质净化、清水补给、生态恢复”的技术路线。其中外源减排和内源清淤是基础与前提，以污染物削减为根本，最大限度地减少污染物入河量。水质净化是阶段性手段，借鉴污水处理工程技术，对已污染水体进行处理以改善水质，主要包括就地治理及旁路治理技术。水动力改善技术和生态恢复是长效保障措施，通过优化调控河流环境流量实施生态净化，恢复河道自净能力，实现 “增容强净”。

3.1 控源截污技术

控源截污是河道整治的关键工程，是从根本上改善水质的必要工程。河道的污染源包括内源污染和外源污染两种，其中内源污染一般来自底泥；外源污染包括点源污染及面源污染。

3.1.1 点源污染治理

点源污染主要指因市政管网建设落后，导致生活、工业污水及合流制污水直排入河[5]。城市建成区是污水直排的重点区域，对于缺乏完善污水收集系统的水体，通过新建、改造水体沿岸污水收集管道，将污水截流纳入污水处理系统，从源头上削减污染物的直接排放。

基于我国城市排水现状，合流制与分流制排水系统将长期并存。对于分流制污水管网系统，实施系统建设及集散建设结合的治理措施。对河道周边污水管网进行统一梳理，从整体水系角度考虑实施上下游污水管网建设工程。同时，对于管网难以建设区域，应调整规划，进行分散式就地处理，其处理后的污水作为水体的补水水源。老旧城区多采用截流式合流制的方式，合流制排水系统的截流污水不宜直接采用重力管道接入分流制排水系统，宜有防止分流制污水倒流进合流制系统的措施。同时应采取防止河水水位较高导致截流井河水倒流的措施及设置初雨雨水调蓄池等，以进一步提升控源截污效果[14-16]。

3.1.2 面源污染治理

面源污染自20世纪70年代被提出，对水体污染所占比重随着对点源污染的大力治理呈上升趋势，主要分为城市和农业面源污染两大类[17]。面源污染已成为美国水环境污染的第一因素, 占比达60%[18]。长期以来,我国对于面源污染尚未给予足够的重视。城市面源污染是指在降水条件下,雨水和径流冲刷城市地面,使溶解的或固体污染物从非特定的地点汇入受纳水体，引起的水体污染[17]。

美国对面源污染控制提出了“最佳管理措施(Best Management Practices，BMPs)方案”，是目前最为系统和全面，应用也最广泛的面源治理方案。我国于20 世纪80 年代初开始对北京的城市径流污染进行研究,目前仍处于起步阶段。控制污染较重的初期雨水径流可有效降低城市面源污染负荷。城市面源污染控制采取“源头减负-过程生态拦截-末端消纳净化”的全过程控制[19-20]。城市河流周边地区绿地、道路、岸坡等不同源头的降雨径流的控制技术措施主要为城市低影响开发(如海绵城市)技术，包括下凹式绿地、透水铺装、缓冲带、生态护岸等。过程及终端控制措施主要有: 路边的植被浅沟、植被截污带、雨水沉淀池、合流制溢流污水的沉淀净化、氧化塘与湿地系统等[20]。实施中可因地制宜,将城市天然洼地、池塘、公园水池等改建为雨水调节池,利用天然水渠和人工湿地,建立林草缓冲带。

据《第一次全国污染源普查公报》，农业污染源总磷、总氮排放量分别占全国排放总量的67%和57%。农业面源污染已成为我国流域性水体污染的重要来源。国内外学者在农业面源污染的治理措施方面提出：农田休耕计划，设立综合草/树过滤带，控制排水与地下灌溉，湿地净化系统等措施[21-23]。据美国BMPs方案，农业面源治理应采取非工程措施和工程措施相结合,其中非工程措施包括制度、教育和污染物预防措施等，如实施化肥农药减量增效，划定畜禽禁养区、对禁养区内的畜禽养殖企业依法关闭或搬迁等。

3.1.3 内源污染治理

内源污染主要来自常年淤积的底泥，其污染物主要是硫化物、氨氮、有机物和低价金属[24]，未处理的污染底泥将对上覆水体产生持续性污染，且在水力冲击、微生物活动及季节气温变化等条件下将二次释放到水体中。尤为严重的是淤泥中重金属元素，会通过生物食物链和生物富集作用对人体健康造成严重威胁[25]。底泥的结构形态在本质上属于高含水率的固体废物，具有污染成分复杂、运输难度大，处理困难等处理难点。

目前，底泥处理修复的方式可归纳为原位修复技术和异位修复技术。底泥异位修复指底泥疏浚后再进行异地处理，常用的疏浚方式分为带水疏浚和干式疏浚。带水疏浚无需排空水体，不受季节等外界环境因素影响，但清淤厚度和淤泥量不易控制。干式疏浚即将水体完全排空后再进行清淤处理，可有效控制清淤深度和清淤量，但对水体正常的水文环境产生不利影响[24]。异位修复方式可直接大幅度削减底泥对上覆水体污染的贡献率，但易造成对水体原有生态平衡的破坏[26]。底泥的原位修复处理按照反应机理的属性分类，可分为物理修复技术、化学修复技术和生物修复技术三类。物理修复即掩蔽遮盖，将稳定的未污染的材料，如泥沙、土工布或一些人工合成材料以覆盖一层或多层的方式架设在污染底泥层之上，隔离开泥水交互界面[27]。但掩蔽遮盖的修复方式所需工程量极大，且增加底泥厚度，改变了原水体的生态环境。化学修复技术是通过向底泥中投加化学药剂，通过改变污染物的释放性能或直接与化学药剂产生氧化还原、钝化等化学反应，使沉积物中的污染物质得到去除或稳定化[28]。生物修复技术是利用微生物、水生植物和动物的本身的生长增殖等代谢活动，消耗降解水体中的污染物质。生物修复不会破坏原有生物群落系统平衡且效果持续效果较长[29]。

3.2 水质净化技术

水质净化是黑臭河道治理工程中的阶段性措施，借鉴污水处理技术，采取工程措施改善水质。根据水文水质特征、治理目标及治理阶段，针对性的选择水质净化技术。城市水体的水质净化技术主要包括：人工曝气充氧、絮凝沉淀技术、生态浮岛、就地处理技术及旁路治理技术等。

人工曝气充氧技术通过人工强化向水体中通入空气、纯氧或臭氧等，提高水体溶解氧浓度和氧化还原电位，缓解水体黑臭状况[1]。絮凝沉淀技术是指向城市污染河流的水体中投加铁盐、钙盐、铝盐等药剂，使污染物形成不溶性固体沉淀至河床底泥中[30]。生态浮岛是一种经过人工设计建造、漂浮于水面上供动植物和微生物生长、繁衍、栖息的生物生态设施，通过植物根部的吸收、吸附作用和生态系统的摄食降解机理, 削减水体中的氮、磷及有机物质，实现水质净化[31]。对于近期污水暂不具备接入市政污水管网条件的，宜在排水口附近采用就地处理技术，削减进入水体的污染物[32]。河道的旁路治理技术主要包括人工湿地技术与稳定塘技术等。旁路人工湿地指在河道堤岸带现有洼地、沟渠或池塘等天然地形的基础上构建的人工湿地生态系统。针对河道水质波动较大且河岸地理环境相对复杂等特点，人工湿地技术具有运行费用低，维护管理简单和对周边环境影响小等优点[33]。稳定塘是一种人工强化措施与自然净化功能相结合的水质净化技术，如多水塘技术和水生植物塘技术等，通过微生物的代谢活动和生物间的综合作用降解有机污染物[34-35]。

3.3 水动力改善技术

对于纳污负荷高、水动力不足、环境容量低的城市黑臭河道，采用水动力改善技术，借助清水补给，稀释黑臭河道中污染物的浓度，同时加强污染物的扩散、净化和输出，提高水体复氧能力和自净能力，改善水体水质。可用于河流补水的水资源主要包括：环境配水水源、节水水源、过境水水源及非常规再生水源。利用城市再生水、城市雨洪水清洁地表水等作为城市水体的补充水源，增加水体流动性和环境容量。韩国清溪川、法国巴黎塞纳河及奥地利维也纳多瑙河治理工程中均采用补水工程。我国昆明市同心河黑臭河道治理、奥林匹克森林公园龙形水系水质改善工程中均利用再生水或中水补水工程[36]。

3.4 生态修复技术

生态修复是指利用特定的生物吸收、转化、清除或降解环境污染物，提高水体自身的净化能力，构建稳定的生态系统，是水质长效改善和保持不可缺少的措施，旨在使受损生态系统的结构和功能恢复到受干扰前的自然状况。具有安全稳定、工程造价及运行成本低廉、可与景观改善相结合等特点。从20世纪70年代始,对河流生态系统进行综合修复成为一种先进的治河理念。截至2004年底，美国共有37 000多个河流生态保护和修复项目，平均年投入超过10亿美元。我国对河流生态修复的研究始于1990年代，至2005年开始，进入快速发展阶段，已先后启动无锡、武汉等14个不同类型水生态系统的保护与修复试点[37]。

水生态修复主要技术措施包括微生物强化净化、水生生物群落修复技术、缓冲区修复、与生境修复等。微生物强化净化技术实际上是外源微生物投放技术，向水体中添加一定量的微生物制剂，加速水体中污染物降解。目前应用较为成熟的微生物制剂主要包括：美国的 Clear-Flo系列菌剂、MO(Liquid live microorganisms)生物活性液、有效微生物菌群(Effective microorganism，EM)及中国的光合细菌(Photo-synthesisbacteria，PSB)硝化细菌等[38]。上海西双泾河道黑臭河道治理工程中应用水底曝氧和投放微生物相结合，基本实现全面消除黑臭[37]。水生生物群落修复技术是以人工和生物调控结合的方式,通过引种移植和生物操纵等技术措施，实现水生生物系统重建，主要包括水生植物的种植及水生动物群落重建。水生高等植物能利用其发达的根系从水体和底泥中吸收利用大量的氮磷营养盐，具有清淤固沙、净化水质和克制藻类大量繁殖等生态学效应。目前应用最多的是水葫芦、荷花、菖蒲和芦苇等水生高等植物[1]。滤食性水生动物群落重建的主要目的是通过增加消费者规模，加快消耗生产者的速度，减少藻类的疯长而抑制水华。滤食性水生生物包括鱼类和贝类等，鱼类主要是鲢、鳙等，可吞食大量藻类和浮游动物。河流与缓冲区河漫滩之间的水文连通性对水体生物多样性具有关键性影响，缓冲区修复具有削减洪水及污染物沉淀、净化及截留暴雨径流等功能[39]。生境修复技术通过恢复河流弯曲、生态护坡改造等措施恢复河流自然形态；通过生态丁坝构建、浅滩深潭构建、人工产卵场再造等措施实现不同环境栖息地的重构。其中浅滩-深塘结构的再造有助于植被的良好发育和构建多样性的生物栖息地, 还可营造天然的河流景观；在德国、日本和我国等地河道生态修复工程中均有较好应用[40]。

4 黑臭河道综合治理技术选择

黑臭河道产生原因较为复杂，治理效果影响因素众多，治理难度较大。通过一定的工程措施在短时间内可以达到去除黑臭的目的，但黑臭河道治理的难点在于治理后的水质保持，确保黑臭不再反弹。在目前很多黑臭河道的治理案例中，存在因不重视水质的长期保持而出现水体反复黑臭的现象。因此，黑臭水体治理技术的选择应坚持“因地制宜、综合措施、统筹管理、长效运行”的原则，根据水体黑臭成因不同、受污染状况的不同，治理阶段的不同，合理地选择治理技术路线。

根据污染程度与治理目标的不同，黑臭河道治理可分为快速治理、水质净化、水质保持3个阶段。在快速治理阶段应采取快速有效的措施消除黑臭、改善水质。主要采取新建截污管道减少污染物排放、投加絮凝剂、底泥疏浚、直排污水原位处理、补水活水等措施。经过快速治理阶段后，河道水质得到一定程度改善，需要采取水质净化措施进一步提高河道水质，主要采取人工曝气充氧、建设植物塘、生态浮岛、种植水生植物、投加改良剂和氮磷控制剂等。水质保持阶段主要为了避免水体反复黑臭、水质再次恶化等现象，此阶段可采取的措施有：水动力保持措施，提高水体流速、提高水体自净能力；水华藻类控制措施、水生植物恢复措施，控制藻类生长，改善水体生态环境及水体环境容量。

在黑臭河道的治理过程中除采取相应的工程措施外，也要加强对黑臭水体治理的维护与管理，确保治理工程高效、有序的进行，避免水体反复黑臭现象，保证河道水质长效改善。

5 黑臭河道治理技术展望

随着相关技术领域的发展，黑臭河道治理技术出现了部分新技术。包括：污染源控制技术、生态修复技术、生态疏浚技术、外源调水新技术及相关监管技术等方面。

在点源治理方面，以应用真空收集截污技术、氮磷及有价物质回收利用技术、难降解工业废水高级氧化技术等高效脱氮、脱碳、除磷及资源、能源化先导技术为主。在面源治理方面，主要包括集成应用城市面源综合协同控制技术，初期雨水、地表漫流截流与污染控制技术等。在内源治理方面，以研发应用新材料与制剂为主，如氧化剂、覆盖剂、生物抑制剂、环境友好生态覆盖剂等。在生态修复方面，以应用原位水质改善及生物生态恢复技术为主，如复合酶原位生态净化、高效复合微生物菌剂、土著微生物扩增及生物促生、生物操纵技术等。在生态疏浚技术方面，主要以控制疏浚精度、高浓度疏浚技术、疏浚过程中细颗粒悬浮的控制、疏浚后新生界面层的生物活化问题，以及疏浚堆场设计、余水处理、底泥资源化利用等技术的研究为主。外源调水主要以调水过程中沉降泥沙、悬浮颗粒控制技术及区域水系调水过程中水温水质相应调控技术的研究为主。

6 建议

黑臭河道治理是一个复杂的系统工程，在治理思路上，需实现由“重技术投入、重末端治理”向“技术与机制建设并重、末端治理与源头治理共举”的转变。目前黑臭河道治理已取得初步成效，但仍然任重道远，仍需加强以下几方面的技术思路的转变：(1)黑臭河道治理需综合考虑城市水系统的建设、区域水循环体系的构建和水生态安全功能的健全三方面。按照“外源减排、内源控制、水质净化、补水活水、生态恢复”的技术路线，制订综合治理技术方案。(2)对于完善流域水环境管理体制与部门协作机制，构建流域水污染防治的跨部门合作机制应予以重视。建立长效运管机制，明确已建黑臭河道治理工程的运营责任主体，确保工程既定目标的如期实现。提高公众参与的透明度，完善水环境状况通报制度。(3)建立“关键污染因子识别—治理目标确定—综合治理规划制定—工程措施实施—适应性管理(包括环境监测、效果评估、河流管理)—调整(包括重新识别关键污染因子、重新确定治理目标、调整规划与实施方案)”的循环负反馈调节机制，最终实现河流生态系统达到稳定趋好的状态。