国内城市黑臭水体内源污染治理技术研究进展

2020-02-24贺珊珊蔡世颜刘向荣万年红

净水技术 2020年2期

孙健，曾磊，贺珊珊，蔡世颜，刘向荣，万年红

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430010)

随着我国社会经济的快速发展和城镇化进程的加速，城镇规模和人口不断增加，人类生产和生活污水排放量日益增大，进入水体的污染物浓度超过水体自净能力。好氧微生物通过新陈代谢作用消耗水体中氧气，使水体处于缺氧或厌氧状态，此时大量繁殖的厌氧微生物与有机物发生腐败、分解和发酵等反应，产生有机硫化物、氨氮和甲烷等14 000多种致臭气体[1]；同时水体中铁、锰等重金属被还原，与硫离子结合形成FeS、MnS等黑色沉淀使水体变黑[2]。另外，城市水体流动性差，水动力不足，导致水环境恶化，污染物积累，水体黑臭状况加重[3]。

根据黑臭程度不同，《城市黑臭水体整治工作指南》将城市黑臭水体分为“轻度黑臭”和“重度黑臭”两级(表1)[4]。

表1 城市黑臭水体污染程度分级标准Tab.1 Pollution Criteria for Classification of Urban Black and Odorous Water Body

注：*为水深不足25 cm时，该指标按水深的40%取值

截至2016年12月，全国295个地级以上城市中，70%以上的城市存在黑臭水体，黑臭水体总认定数已达2 100个[5]。黑臭水体的存在不仅给人们带来了恶劣的感官刺激，也直接对人们的饮水、用水安全构成了严重的威胁。

目前，治理城市黑臭水体主要包括物理治理技术、化学治理技术以及生物生态治理技术。黑臭水体治理虽然广泛运用3种治理技术，但各自都有不同的优缺点，单独运用某种技术可能不会保证其长久有效性。因此，多种技术联合运用于黑臭河道的治理取得了较好的效果[6-8]。其中，黑臭内源治理是基础措施[9]。

1 内源污染的形成及危害

外来污染物进入水体后经过长期的积累、沉淀和固化以及水体中死亡生物体的沉降，积于水底底泥，形成内源污染源。底泥中含有大量的有机物和氮磷营养盐，它们在一定条件下会从底泥中释放出来，对水体水质造成二次污染，严重影响了城市水体环境，加大了水体黑臭程度[10]。

2 内源污染治理技术

目前，黑臭水体底泥的治理方法分为异位和原位两大类技术。

2.1 异位治理技术

异位治理技术以底泥清淤最为典型。底泥清淤是去除底泥中有害物质的最快速简便的方法。其原理是通过采取人工、机械的方法移除水体底部污泥，以削减累积在底部的氮、磷、有机物等污染物质，从而增加河道水体容量和降低内源污染，改善水体水质。工程上，一般在当底泥中污染物浓度超出本底值3～5倍且潜在危害人类及水生生态系统的情况下，优选进行清淤异位治理技术[11]。目前，底泥清淤包括3种方法：干水作业、带水作业、环保清淤。不同清淤方式对水环境的影响不同[12]。其中，环保清淤是带水作业的一种特殊方式，主要清除水底表层20～40 cm的淤泥层，在施工工程中注重保护物种和生物多样性，且为后续生态修复工程创造较好的基底条件。根据污染源和底泥的厚度，可将河道底泥从上到下分为浮泥层、淤泥层和老土层[13]。为保证河流生态系统的完整性，底泥清淤通常是清除浮泥层和淤泥层的底泥，保留老土层底泥。

江苏省滆湖北部区通过底泥疏浚后，与未疏浚区域相比，疏浚区TN、TP和有机质的平均含量减少了51.4%、51.2%和72.0%，浮游植物密度和生物量分别减少了19.8%～28.1%和 19.5%～50.2%[14]；江苏省太湖东部湖区通过底泥疏浚工程措施，表层沉积物中营养物质得到有效去除，底泥重金属含量及潜在生态风险明显降低。但对不同类型湖区而言，底泥疏浚对水质和生物群落结构的影响存在明显差异[15]；在实施环保疏浚后，江苏蠡湖表层沉积物中有机质、TN和TP含量分别下降了51.48%、2.52%和77.39%，为水生植物生态修复营造了良好的生长环境[16]。

虽然底泥疏浚能快速转移部分污染物，但存在一些不足。比如底泥清淤花费巨大，滇池一期二期工程总计投资为4.275×108元[17]；底泥清淤会对水底生态系统造成破坏，具体表现为水生植物和底栖动物种类、丰富度与生物量的减少等方面；同时，表层污染物在施工过程中通过扰动扩散作用对周边水体产生不利影响，浙江省宁波市对月湖进行底泥清淤一段时间后，儿童公园附近水域TN浓度上升150.0%，TP浓度上升13.5%[18]；此外，被清淤的底泥具有量大、含水率高及污染物成分复杂等特点，容易给环境带来二次污染[19]。

2.2 原位治理技术

原位治理技术是指原位保留底泥，采取工程措施阻止或削弱底泥中污染物进入上覆水体。与底泥清淤异位治理技术相比，其具有对底泥扰动小、可避免底泥清淤过程中底泥再悬浮对水体的污染等特点。

2.2.1 底泥覆盖

底泥覆盖是通过在污染底泥上部铺设一层或多层材料，隔断底泥与上覆水，达到阻止或减弱底泥中污染物释放的效果。常用的覆盖材料包括天然材料(如细沙、红土，方解石和石英砂等)[20-21]及改性矿石[22-23]。在工程上，一般采用表层倾倒和表层撒布等方式，将覆盖材料铺设在底泥上，但使用时需考虑一些条件：(1)水体的外污染源已经得到控制；(2)底泥污染物具备低毒性和低迁移率时才能考虑此技术；(3)覆盖材料现成易得；(4)水体流速较缓；(5)覆盖后不会影响现今或将来的建设和水路使用。

利用河道中粗糙沙砾对华盛顿塔科马航道中含PAHS、苯酚等有机物的底泥进行原位覆盖工程，10年的监测表明未见污染物迁移[24]；利用红壤，原位覆盖成都清水河黑臭底泥，抑制底泥中氮、磷污染物的释放，发现60 d后上覆水中TN、氨氮、TP和SRP的释放抑制率分别为77%、63%、60%和65%[25-26]；郭赟等[27]对太湖流域梁塘河进行底泥原位活性覆盖实验室模拟研究，发现通过方解石+沸石组合覆盖，底泥中TN和TP的平均释放抑制率为60%，达到稳定削减氮磷释放量的目的。

底泥原位覆盖能够适用于多种污染底泥，具有环境潜在危害小等优点，但存在一些不足和局限。一方面，覆盖工程量大，投加覆盖材料会减少水体库容，改变湖底坡度；另一方面，底泥原位覆盖并没有将水体中的污染源清除，仍存在污染物释放到水体的风险[11,28]。

2.2.2 投加化学药剂

投加的化学药剂通过与沉积物中的污染物发生氧化、还原、沉淀、水解、络合、聚合等反应，降低底泥中污染物含量或转化低毒甚至无毒形态。目前，常用的化学药剂有铝盐、铁盐、生石灰、Ca(NO3)2、CaO2、H2O2和KMnO4等。其中，铝盐、铁盐、生石灰投入水体后，铝离子、铁离子和钙离子3种金属离子通过在底泥表面形成活性层，与底泥中的磷反应形成沉淀，减少甚至抑制向水体扩散的磷含量[11]。Ca(NO3)2中的钙离子能与底泥中的磷酸盐反应形成稳定的钙结合态磷，减弱了底泥中磷的释放。张华俊等[29]向黑臭水体中投放硝酸钙，与空白组相比，有效降低了上覆水中TP的含量。CaO2的强氧化性能改变重金属的形态，其强碱性能与重金属发生化学沉淀，二者可共同降低沉积物中重金属污染风险。王熙等[30]在试验中通过向黑臭水体投加CaO2，泥-水界面处的亚铁离子含量降低了21.22%。同时，CaO2具有缓释氧气的功能，能强化底泥微生物新陈代谢的能力，促进微生物对黑臭底泥的修复[31]。H2O2和KMnO4可通过强氧化性提高底泥的氧化还原电位，减少硫化物的酸挥发性，有效改善底泥黑臭[32]。

然而，投放化学药剂会带来一些风险。首先，化学药剂可能增加水体毒性。研究发现，向水体中投加铝盐后，当水体中铝浓度超过2 μmol/L时，对鱼类存在潜在毒性风险[33]。其次，化学药剂的投放可能造成污染物的异常释放和稳态变化，容易改变水体中的生物和生态环境。因此，投放化学药剂一般用于应急处理情况。

2.2.3 微生物修复

作为生态系统中的分解者，微生物通过代谢等作用将水体中的污染物进行削减。通过向黑臭水体底泥中投加治污高效菌，原位降解底泥中的有机污染物，重建严重受损的底端生物链，加速底泥的矿化进程，底泥被分解转换和传递，底泥中有机物含量减少，体积和厚度也随之降低和减少。

微生物处理技术具有较好的处理效果、资金消耗较少、耗能较低以及后期运行成本低廉等特点。另外，该技术无需向污染水体投放药剂，无二次污染风险。然而，目前利用微生物菌剂对黑臭底泥的治理还处于实验室和中试水平。如吴光前等[34]利用微生物制剂(主要成分：硝化细菌、杆菌、放线菌、真菌、丝状菌)处理南京林业大学校内紫湖溪黑臭河水中的厌氧底泥，结果显示底泥厚度由0.1 m减少为0.02 m，底泥CODCr由26 640 mg/kg降至1 843 mg/kg。涂玮灵等[35]向南宁市朝阳溪黑臭底泥中投加0.5 g/m3的反硝化细菌制剂，6周后，底泥厚度得到有效降低，有机质降解率和生物降解能力得到显著提高。姚宸朕等[36]采用固定化微生物技术(主要包括乳酸菌、酵母菌群、光合菌群、Gram阳性杆菌群、硝化菌群)修复西安市某黑臭河道，3个月后黑臭底泥的厚度减少50%左右，底泥颜色从黑色变成土黄色，底泥的生化降解能力增强。因此，今后的工作应加强工程水平的研究。

除直接投加微生物外，还可通过向底泥投加生物促生剂以刺激底泥中土著微生物的生长繁殖，加快微生物对污染物的降解速率。定期通过向受污染底泥中注入生物促进剂进行修复，能够使底泥中原有异养菌的数量由105个/g(以干泥计)提高到106个/g(以干泥计)，且反硫化细菌数量大大减少[37]。

2.2.4 底泥曝气

广州郭村涌黑臭河道治理示范工程通过底泥曝气有效氧化底泥中的硫化物，且运行1月后对其去除率达到了86.3%～92.1%，臭味基本被消除[39]；许宽等[40]研究底泥曝气对南京九乡河黑臭底泥氮形态的影响，发现在pH值=7的条件下，底泥曝气对上覆水、间隙水和底泥中氨氮的去除率分别为94.31%、84.07%和68.29%；曝气装置安装位置不同其处理效果存在不同，王美丽[41]分别将曝气头放置于底泥下方5 cm及15 cm处进行曝气，发现深度越大底泥中溶解氧含量下降越慢，处理效果越好。

虽然大量试验表明底泥曝气能有效改善黑臭水体污染情况，但鉴于曝气耗能高、处理不彻底以及受设备限制等因素，在实践中底泥曝气很少得到应用[38]。