我国黑臭水体的成因分析与综合治理技术

唐晶，庞维海，林常源，黄婧，解昊，廖勇

(1.江苏中车环保设备有限公司，江苏 常熟 215500；2.同济大学 环境科学与工程学院，上海 200092)

随着经济的持续发展及城市人口的不断增长，通过点源、城市与农村面源、水体内垃圾沉积物等产生的污染远远超过水体的自净容量，导致城市建成区或城郊结合部水体黑臭普遍存在。根据住建部和环保部联合于2016年2月5日公布的第一轮全国黑臭水体排查结果显示，仅有79座全国地级及以上城市没有发现黑臭水体；其余216座城市中，共排查出黑臭水体1 861个，有超过七成的城市存在黑臭水体。

为探究我国城市水体存在黑臭问题的原因，寻找改善水体质量的方法，本文从分析黑臭水体污染源出发，阐述黑臭水体治理的关键技术，结合我国城市黑臭水体治理工程实践，分析治理技术的综合利用效果，以期为我国城市黑臭水体治理提供技术支撑。

1 城市黑臭水体成因分析

黑臭水体一般指因过量纳污而导致溶解氧低于2.0 mg/L，进而发黑发臭的水体，其水质通常低于地表水环境质量标准V类水质标准，水体透明度低，呈现异样颜色。位于人口密集的城乡结合部、城市建成区及县城等区域内的水体多呈黑臭水体。

1.1 外源污染物的排放

外源污染是导致城镇水体黑臭的罪魁祸首，城市污水、工业废水、合流制溢流污水、村镇污水和地表径流等是外源污染的主要组成部分[1-3]。外源污染物的分解过程，会伴随着大量的溶解氧的消耗。当水体处于缺氧或厌氧状态后，厌氧微生物就会大量繁殖。厌氧微生物分解有机物，会产生大量致黑致臭物质，从而引起水体发黑发臭。

(1)城市污水。目前我国城市包括村镇都建设有污水处理厂，从处理水量来看很多城市的污水处理率都超过90%，但由于排水管网的设计、施工和运行维护问题，污水排放系统与雨水排放系统存在各种混接、乱接、错接现象，加上排水管道质量问题，导致排水管道变形、破损、反向坡降、堵塞、沉积、异物侵入，从而形成污水与地下水甚至河道水体的双向渗漏，很多城市产生的溶解性的污染负荷仅约50%被送至污水处理厂，其余污染物质通过各种途径进入到城市水体。另外，城市污水泵站溢流、污水处理厂事故排放、尾水排放标准不高等也向城市水体排放了大量污染物质。

(2)工业废水。工业废水指工业生产过程中排出的废水和废液，工业企业包括工业园区，因为工业用水的原因多数傍水体而建，如果污水收集不到位，加上厂区的径流污染和污水的不达标排放或蓄意偷排，都会给城市水体带来严重污染。

(3)合流制溢流污染。合流制排水系统目前基本都改为截流式合流制，但受投资和施工场地的局限性影响，很多合流制的截流系数并不高，甚至有些合流制排水系统截流系数n0=0，一旦下雨就会有溢流产生，合流制溢流污染往往同时含有平时阶段的管道沉积物、初期雨水的地表径流污染以及混接错接的污水污染。溢流污染往往是河道晴天不黑臭雨天黑臭的重要原因，合流制管道的溢流污水处理在黑臭河道治理中必须引起足够的重视。

(4)村镇生活污水。村镇生活污水是指村镇区域内家庭日常生活产生的综合性污水，包括小型加工业、服务业等排放的污水。这些污水往往被居民通过沟渠直接排放进入附近水体或者倾倒在地上，对周围水环境造成污染，甚至导致水体出现黑臭现象。

(5)径流污染。径流污染包括城镇和农村的地表径流带来的污染，流经城市的不同下垫面形成的径流，不仅带来了城市中的大气尘埃，而且冲刷着地表的污染物质，特别是晴天后降雨形成的初期径流，污染物质浓度堪比城市污水。降雨流经农村地区，因为农田施用的没有充分被农作物吸收利用的化肥和农药，包括畜牧家禽养殖区，产生的径流同样会给水体环境带来严重污染。

1.2 内源污染的释放

内源污染也是形成黑臭水体的另一个重要原因。内源污染一部分是水体本身不断衍生死亡的生物群落积累而成的有机物污染，另一部分是水中长期沉积底泥释放的污染物[4-7]。另外，沉积底泥的再悬浮会引起大量悬浮颗粒漂浮在水中，导致水体发黑、发臭。

水体表面或周边漂浮或堆放的垃圾，湖泊等大面积水体表面的降尘，以及水产养殖的饵料投放、代谢产物、抗生素等也可以算是内源污染的一部分。

1.3 水体的温度高梯度变化

因工业冷却水、污水处理厂尾水等不断排入城市水体，会导致水温升高，从而加快水体中的微生物和藻类残体分解有机物及氨氮速度，致使水体处于缺氧或者厌氧状态，并致使水体发黑发臭。受温度影响，夏季水体黑臭现象会比在冬季显著增多。这是因为温度越高，微生物的活动频率越高，水体中的溶解氧含量就越低。在25 ℃时，放线菌的繁殖量达到最高，水体的黑臭也最严重。同时，在较高水温下，硫酸盐还原菌活动频率加快，导致水体中更多的硫酸根被还原成硫化氢，从而使得水体发臭。污水源热泵在冬季会使排放污水的温度更低，会严重抑制排放区域的微生物活性和生态系统安全。

1.4 水动力学条件不足

流水不腐，户枢不蠹。水动力学条件不足、水循环不畅会使水体复氧能力衰退，局部水域氧亏严重，水体水华敏感性增强，导致水体出现黑臭现象[8-11]。当河道水量不足、流速低缓时，会导致污泥淤积，污水滞留，垃圾沉淀，水体复氧速率衰减，从而致使水体黑臭。

2 城市黑臭水体治理关键技术

城市黑臭水体的整治应按照“控源截污、内源治理；活水循环、清水补给；水质净化、生态修复”的基本技术路线具体实施。在此基础上，各地应结合本地的环境条件调查结果，系统分析黑臭水体污染成因并确定符合本地发展的水体整治和长效保持技术路线。

城市黑臭水体根据其污染特征大致可分为以下几种类型：①生态基流匮乏的黑臭河道；②未完全截污的黑臭河道；③雨污混流型黑臭河道；④封闭型黑臭水体，半封闭缓流型和滞留型黑臭河道。根据污染类型的不同，城市黑臭水体治理关键技术主要包括控源截污技术、清淤技术、活水技术、原位净化技术、异位净化技术、生物修复与景观建设技术等[12-15]。因为各个治理技术的特点不同，其限制性因素也不尽相同。控源截污技术工程量和一次性投资大，实施难度大，周期长，监管和维护难度大；清淤技术易对水底的生态系统造成破坏，并且底泥运输和处理处置难度较大，费用较高；在活水技术中，活水循环的工程建设实施难度大，因需要持续运行维护而导致成本较高，再生水补给源往往需要铺设管道，同时再生水水质会直接影响补水水体的水质；原位净化技术中，曝气复氧技术能耗较大、维护费用高、微孔曝气系统易堵塞，微生物菌剂技术以及微生物促生剂技术对生物多样性要求高，对于重度污染或缺乏优势种菌群的污染水体效果有限；异位净化技术管理复杂，污染严重的水体处理投资和运营费用较大，对环境条件的变化比较敏感；生物修复与景观建设技术需选择本土优势植物，同时做到净化、景观效果的协调性，同时存在如何与其他污水处理技术相组合等问题。

3 城市黑臭水体治理工程技术应用及效果分析

3.1 重力截污工程

在城市快速发展过程中，国内外均出现过水环境过负荷污染问题，在国际河流泰晤士河、莱茵河、塞纳河、清溪川等河流整治中，关键步骤是实施了直排河道的污水收集与处理，取得了良好的效果[16-18]。我国河流水体污染较为严重，一些城市河流甚至完全沦为纳污渠。在我国的黑臭河道治理中，实施截污工程后均取得了显著效果。比如，西安浐灞河下游段通过控制点源污染进行污水的集中处理达标排放，使河道水环境质量得到了明显的改善，云南省昆明市船房河在实施截污综合治理工程后水质明显好转，深圳河湾支流截污工程结合河道综合治理，在市政截污基础上，又进行了沿河截流系统的建设，以收集流域漏排污水及初期雨水，形成了污水管网排除和沿河溢流再收集相配套的一体化污水收集系统，对深圳河湾的水环境改善起到了明显效果，具体的治理效果见表1。

表1 部分城市河流截污情况及治理效果

3.2 清淤技术工程应用

针对污染底泥堆积较厚的重度黑臭水体，需要采用精确薄层生态疏浚技术，通过清淤能够大幅减少河道内源污染，为河道重建生态系统，恢复水质提供了条件[19-23]。底泥原位处理中底泥生物修复技术治理费用低，并且可以最大限度地降低污染物浓度，恢复受污染环境的生态功能。但是生物修复由于采用外源微生物，甚至基因工程菌，也存在一定生态风险。目前原位生物修复技术，在国内外河道治理中已广泛应用。

德国的Dagow湖和Globsow湖处理前磷释放量4～6 mg/(m2·d)，使用硝酸盐和铁复合物进行底泥处理试验后几乎无磷释放。贵阳市南明河实施了河道截污和清淤等工程项目，使得南明河基本消除了干流黑臭现象，市民对治理效果非常满意。除了河道的治理之外，广西省南宁市南湖、安徽巢湖和太湖、西安兴庆湖、南京玄武湖等也进行了底泥清淤疏浚工作，效果良好。

3.3 活水循环工程应用

活水循环的实现方式目前有两种：通过设置提升泵站、水系合理连通、利用风力或太阳能等方式，实现水体流动；通过闸坝改变入河支流水力学特性，使得水位和水量得到合理控制，水体的复氧作用提升，污染物的降解速率提高，从而使黑臭水体水质得到有效改善[24-27]。

3.4 清水补给工程应用

为有效改善黑臭水体的自净能力，使得水体中的污染物的扩散与稀释效果显著提升，可以切实开展综合调水和清水补给工程。在工程中，可利用清洁地表水、城市雨洪水、原有闸坝系统或城市再生水等清洁水体作为城市水体的补充水源，通过控制水体水流流向、水量，增加水体流动性和环境容量，在较短时间内改善水体水质。我国成功运用清水补给治理黑臭河道的工程案例及治理效果见表2[28-31]。

表2 清水补给工程实例

3.5 曝气富氧技术工程应用

曝气富氧技术可有效提升局部水体的溶解氧水平，并加大区域水体流动性，适用于截污整治后城市水体的水质保持[32-35]。

上世纪80年代在德国的Enscher河应用了德国Messer公司研发一种大阻力橡胶微孔布气管曝气系统，使该河逐渐恢复了生态。张明旭等人与德国MESSER集团合作，采用液氧罐和蒸发器等中试装置，可以有效提升水体溶解氧浓度至9.46 mg/L(10 ℃)，并同时降低水体的COD，降幅在19.5%～55.6%。BOD/COD值从0.46减小到0.40。1990年北京为了迎接亚运会，在对北京清河4 km范围的河道黑臭整治中采用了8台11 kW的美国Aire-O2叶轮吸气推流式曝气充氧装置。当年一个月的使用结果显示，水体的溶解氧从0提升至了5～7 mg/L，水体的黑臭得到明显的改善，约60% BOD5得到了去除，氨氮去除率为45%，CODCr的去除率达到80%。此外，在1987年和1988年，美国通过安装曝气设备有效地治理了美国密西西比河明尼苏达码头附近的黑臭河道。1994年，德国Berlin河采用了充氧能力为5 t O2/d的曝气复氧船，很大程度上改善了水体的黑臭现状。韩国曾在其境内的水萦江(suyong)河口釜山港湾采用了9台73.55 kW的曝气充氧设备，有效地改善了该区域内的水体水质，水体溶解氧水平提升，水体透明度得到明显改善、COD得到明显降低，水体臭味去除效果明显。

3.6 微生物菌剂及生物膜法工程应用

微生物投菌技术适用于所有受污染黑臭河水的原位修复，特别适应当下城市治理河道不能立刻实现彻底截污、修建污水处理厂的现状。同时在污染底泥的原位生物修复方面也可以推广及应用。在我国城市水环境治理中，应用的微生物制剂主要包括光合细菌(Photo-synthesis bacteria，PSB)、硝化细菌等，并取得了一定的治理效果[36-38]。

生物膜技术在中小河流黑臭水体净化方面具有净化效果好、便于管理等优点，可以有效去除微污染水体中的氨氮和有机物，大大改善水质，其技术分类及应用案例见表3。

表3 生物膜法的技术分类及应用案例

3.7 组合工艺技术应用

黑臭河道整治是一项复杂的系统工程，实际操作中往往需要多种技术的联合交错使用才能收到预期的效果。宁波市中塘河某支流经常呈严重的富营养化状态，少数时段甚至出现水华现象。在充分截污基础上，设置了净化浮岛、景观浮岛和生物栅等，具体流程见图1。通过近半年的运行，对河道水质的DO、COD、氨氮、TP、透明度等指标进行定期监测，发现在调试运行期间治理段河道DO值由初始的0 mg/L增加到2.2 mg/L，TP由初始的1.95 mg/L下降到0.26 mg/L，COD由初始的232 mg/L下降到38 mg/L，氨氮由初始的25 mg/L下降到1.8 mg/L，对TP、COD 和氨氮的去除率分别达到86.7%，83.6%和92.8%。

图1 中塘河支流治理流程图

上海市宝山区汇丰河雨污混排未能得到有效控制，导致夏季河道黑臭现象频发。根据河道不同河段周边环境、内源污染及外源污染的不同，进行多技术组合，工程平面布置见图2。

图2 汇丰河工程平面布置图

4 结语与展望

我国城市黑臭水体治理是一项集社会、环境和经济于一体的复杂系统工程，并制约着社会和经济的可持续发展，在分析了我国黑臭水体成因的基础上，结合国内外的黑臭水体治理的成功案例，阐述了黑臭水体治理的常用技术手段，因为外源污染是导致水体黑臭的重要原因，河道整治过程中一定要结合市政工程措施，做到污染物的彻底截流，减少入河污染。考虑到黑臭水体治理的长期性和复杂性，针对河道的具体特征和污染程度，在截污基础上一般需要多手段联用，而且每案不同，做到“一河一策”，同时需要注重采取措施的生态效应和景观效果，真正地实现城市水生态环境的改善，保障水环境安全，确保水体长治久清，实现“水清岸绿，鱼翔浅底”的美好愿景。