城市黑臭水体成因及整治技术分析

左思敏，荆肇乾，陶梦妮，王印，陶正凯

(南京林业大学 土木工程学院， 江苏 南京 210037)

城市黑臭水体的产生主要是由于生活污水、工业废水、生活垃圾随意排放，产生大量的污染物质，超出水体自净能力和环境容量。这些污染物被微生物降解，消耗大量氧气使得水体缺氧或厌氧，从而产生黑臭。水中不同的厌氧微生物繁殖，导致水中有机物腐烂直至发酵，产生氨、硫化氢、甲烷等气体并散发出气味[1]。在水体缺氧的情况下Fe、Mn元素被还原，并且与水中的硫生成金属硫化物的悬浮颗粒，如FeS、MnS等[2-3]，引起水体发黑。

城市黑臭水体不仅对自然环境产生危害，还降低人们的生活环境质量。黑臭水体的存在污染了空气质量，破坏了城市的面貌，影响了各种生物的生存。水体发黑发臭还严重干扰了城市居民的生活环境，影响人们的身心健康及生活质量。因此城市黑臭水体的有效整治刻不容缓。

1 黑臭水体的判定依据

根据黑臭程度的不同，将黑臭水体分为两级，包括“轻度黑臭”和“重度黑臭”，评价指标包括透明度、溶解氧(DO)、氧化还原电位(ORP)和氨氮(NH4+-N)，见表1。

表1 城市黑臭水体污染程度分级标准[4]Table 1 Classification standard for pollution degree of urban black and foul water

目前，大多以水质化学指标和人类感官指标作为城市黑臭水体的评价指标，虽然它在某种程度上能够反映水体的黑臭情况，但是还不够完善。需要与实际情况相结合，增加水体水生生物指标来进一步判别黑臭水体，例如可以通过采集黑臭水体中的大型底栖动物、鱼类和浮游动植物等进行指标计算[5]。这是由于水体的状况与水生生物的种类和分布有着较大的关联性，水生生物系统会随着水体黑臭的程度而改变。但是目前关于此类生物指标判别标准的研究还较为缺乏，需要进一步的研究。

2 黑臭水体成因分析

2.1 外源污染严重

没有市政雨污水管网系统的地区，雨水和污水均通过岸边的沟渠以及排口直排入水体，导致排污量增大，进而超过了水体的自净能力。一些老旧城区依然存在雨污合流的情况，使得合流管道中的污水直接排入水体中。对于新建设的城区，尽管多数都规划设计并实施了雨污分流系统，但系统仍旧不完善甚至存在重大缺陷，例如部分小区内建设了雨污分流系统，但是出小区后存在雨污混接以及与市政管网错接的问题[6]。此外大部分地区缺乏初期雨水截留系统，大部分面源污染直接进入水体，造成水体污染[7]；不少垃圾直接堆放在水体岸边从而加剧了水质的恶化。而且部分地区存在商业、工业废水等直接排放或者混接进入雨水管道，缺乏相应的污染控制手段以及处理设备。

2.2 水系不畅通

部分河道的上游没有水源，河道与河道之间没有形成有效水力连通。上游河道没有成形，出现断头河的现象，水流不畅。当水系不畅或者流速较低的时候，水体的复氧能力降低，水质恶化。大部分河道缺少引补水通道，只能通过区域范围内的雨水和污水补充河道，水动力不足，其自净能力随之降低，加之河道周边部分空间被侵占，周边垃圾入河加剧了水环境的恶化[8]。

2.3 内源污染难根除

底泥能给微生物生长繁殖提供良好的栖身场所，在放线菌等微生物的代谢作用下，底泥会发生甲烷化以及反硝化等一系列反应，气体上浮因而带动底泥上浮，造成水体的二次污染[9]。此外，城市雨污管道中沉积物的存在同样不可忽视，不仅降低了管道的排水能力，严重时可以堵塞管道甚至影响整个排水系统的运行。内源污染进入水体后难以根除，且存在累积效应，在长时间下对水质造成严重的影响。

2.4 护岸加重生态脆弱

城市水体对于雨水和防洪排涝起着极为重要的作用，是汛期城市安全排水的主力军。所以在城市河道的建设中过分注重防洪排涝等功能，建设硬质护岸，将河道设计成相对封闭的系统，使得河道与生态系统相隔离，导致城市河道的生态环境受到了一定程度上的破坏。硬质护岸基本上使用混凝土和浆砌块石等材料，隔绝了水体与外界之间的联系，降低了水体的自净能力和生态系统的恢复能力[10]。此外河流生物多样性较低以及生态系统退化，使得河道内动植物相应减少，从而丧失一定的水体自净能力。

2.5 维护管理水平低

企业与市民环保意识的薄弱以及管理部门运行管理不到位的行为对黑臭水体的形成有一定的影响。环保意识薄弱体现在水体边随意堆放的垃圾，随意乱排的污废水，违规禽畜的养殖户等[11]。这些现象的存在同时也从另一面反映出监管不到位。水体管理涉及到水利、水环境、水文水资源等多个部门，各部门对自己所管理的任务尚不清晰，管理机制不够完善，同时对水体没有进行长期有效的监控，从而加剧了黑臭水体的产生[12]。

3 黑臭水体整治中存在的问题

3.1 黑臭原因不清楚

部分城市距2020年底前完成黑臭水体数量控制在10%以内的治理目标有不小差距，任务十分艰巨，因此不少城市在整治过程中存在着急功近利的心态。希望在较短的时间内完成目标任务，而没有彻底系统地调查水体黑臭真正的原因。城市黑臭水体有复杂的成因和众多的影响因素[13]，在整治黑臭水体之前，只是粗略地调查了一些水质现状以及排口等表面上的情况，而水体黑臭的真实原因没有能全面地调查清楚。较为系统确切的做法是，应该从水体汇水区的尺度进行系统地排查，调查出进入水体的污染源种类和水体自身的内源污染、水生态本底以及整体水系情况等[14]。如果水体黑臭的原因调查不彻底，会导致后续水体治理工作针对性不足，难以根本上解决黑臭问题。

3.2 控源截污不到位

我国经济发展迅速，但是基础设施的建设却跟不上发展的步伐[15]。控源截污问题其一体现在不完善的排水管网运维机制，许多城市排水管网的管理依旧侧重于应急抢险，常常忽略排水管网的日常维护管理，其行为治标不治本；其二体现在突出的合流制溢流污染问题，在截流倍数较小的情况下，当超出合流制排水系统排水能力的时候，此时就会发生合流制管道溢流的问题。其三体现在污水收集及处理能力不足，在某些地区污水收集不全面，导致部分污水和大量污染物进入水体；处理设施不够完善，造成收集来的污水不能得到及时有效的处理，尾水污染严重。

3.3 管理机制不完善

我国众多河流中有多数河流都存在跨省、跨地区、跨流域的污染问题，这就需要健全的跨流域协调机制以及完善的制度化设计等[16]，比如说各河流以各自的环境容量制定污染物排放量的机制；各区域负责加强监控各自水域的排放情况和水体的变化情况；加强水利、水环境、水文水资源等部门对水体进行统一协调的管理等。目前的黑臭水体整治多由一个部门牵头，工程实施过程中及建成后，往往缺少系统协调的管理，工程整治效果难以维持。

4 黑臭水体整治技术

城市黑臭水体整治技术应该结合水体污染特征因地制宜地选择，处理技术要保证一定的持久性，安全性和可靠性[17]。

4.1 物理处理技术

4.1.1 控源截污技术 控源截污技术主要包括两项技术，即截污纳管和城市面源污染控制。截污纳管指将污水截流纳入污水截污收集管系统，从而进行集中处理。它是对源头污染进行严格控制，是黑臭水体整治的根本措施。它通过完善城市雨污管网体系，即铺设污水截流管线、沟渠等，并合理设置提升泵站，将污水截流纳入城市管网收集系统，最终进入城市污水处理厂。但是管网的构建工程量大，地下管道破损具有隐蔽性的缺点，可以结合近远期规划进行建设工作[18]。

面源污染控制是通过控制雨水径流中的污染物含量，从而降低水体的外源污染负荷。由于海绵城市与黑臭水体的整治技术在面源污染控制中有些许相似之处，因此可以将海绵城市“慢排缓释”和黑臭水体“源头控制”的整治概念相结合，把70%的雨水污染留在源头。可以通过增加截留井和调蓄池，建立雨水收集系统，实现初期雨水全收集，并且可以利用植物的吸附，砂滤层的过滤来净化初期雨水，同时可以结合低影响开发技术进行治理，如采用渗透铺装、雨水花园和植被浅沟等。通过研究表明，低影响开发雨水系统能够相应地降低水体的污染负荷，其悬浮物的去除率可达到40%～60%[19]。澳门与珠海交汇处的鸭涌河工程项目有一个地下式雨水站，将污泥出水的含水率降低到80%以下，并且还可有效去除水体中的SS、COD、BOD5和TP[20]。

4.1.2 内源控制技术 内源污染就是水体“内部”的污染物，主要通过底泥疏浚的方式达到。底泥疏浚就是去除河底受到污染的淤泥，从而减少污染物负荷[21]。但是在进行底泥疏浚作业的同时，有可能会使底泥中沉积的污染物、微生物以及河底生物带到水体中去，破坏原本平衡的生态系统，进而不乏出现新的问题[22]。昆山市古仙江、庙湾江、花园河内源治理时生态清淤量达到21 094 m3[23]，有效削减了河道的内源污染。

4.1.3 增气曝气技术 通过向水体中充入氧气来增加水体复氧的速度，从而增加水体中溶解氧含量，同时使好氧微生物活力增强，水体中致黑污染物负荷减少，使河流得到净化[24]。一般分为固定式充氧站(鼓风曝气，机械曝气)和移动式充氧平台(曝气船)。张绍君等[25]采用纯氧曝气技术对东莞市石碣镇中心河进行试验，结果表明，河水色度可降到15～20，嗅阈值降到5，并且达到景观水体水质标准。王美丽等[26]研究了曝气对黑臭水体污染物释放的影响，研究表明，曝气加快了底泥污染物释放的速度，并且随着水体中DO量的增加，水体污染物浓度迅速下降。

4.1.4 补水活水技术 将洁净水源补充到黑臭水体中以增加河道的生态水量，从而使得河道中的污染物稀释分解。此技术还改善了河流的水利条件进而使水体的环境容量增大。此外还可以加强水体自身循环，在水动力条件较差的河段，可增加水流速度，增强水体复氧的能力，从而达到改善水质的目的。在使用该技术的时候一般选取中水或雨水以避免干净水源的过度浪费。此外还可以抽取其它水质条件比较良好的地表水[27]。

4.2 化学处理技术

通过投加化学试剂来对水体中的污染物进行絮凝[28]、氧化和沉淀作用以提高水体的透明度。使用的化学试剂包括氧化剂H2O2、CaO2等、化学絮凝剂Al盐、Fe盐等、化学沉淀剂CaO等。徐垚等[29]以注射、覆盖、混匀3种方式将CaO2投加在底泥中，研究其对内源磷的释放影响，结果表明，CaO2使有机磷的矿化速度提高，同时注射方式抑制了底泥内源磷的释放。鲁秀国等[30]通过自制聚硅酸氯化铁(PFSC)研究其在黑臭水体中的应用，结果表明，当PFSC的投加量为600 mg/L，黑臭水体pH值为8.4时处理效果最好，水体中COD和浊度去除率分别达到59.1%和92.5%。总的来说，化学处理技术可以在短时间中将水质的污染迅速降低，对感官感受有较大的改善，具有较明显的整治效果。但是此方法不能从根本上解决水体黑臭的问题，并且容易引发二次污染。

4.3 生物生态处理技术

4.3.1 人工湿地 人工湿地是通过在河道种植沉水、挺水、浮水植物等措施，利用基质-微生物-植物生态系统去除水体中污染物的一种技术[31]。它具有独特的优势，即能够在不需要能源投入的前提下得到优质出水，可以有效改善河流水体环境，同时可以降低运行费用[32]。在黑臭水体建造人工湿地，不仅可以改善水质还具有景观效益[33]。但是人工湿地占地面积大，在冬季寒冷时期其处理效率有所降低，同时在此时期要及时地收割植物残体，以防植物残体发生腐烂后会向水中释放污染物和耗费水体氧气。但是季节性生物残体和水面漂浮物的清洁成本相对较高，并且难以进行后期维护。林少华等[34]研究发现，人工湿地和生态沟渠对水体中氮磷等污染物具有良好的降解作用。李真等[35]研究了垂直流人工湿地对黑臭水体中磷的去除效果，结果表明，磷去除可达到58.13%～83.25%；但在夏季水温较高时，去除率较高；在冬季水温较低时，去除率低，且若植物枯萎后不及时处理易造成二次污染。

4.3.2 生态浮床 生态浮床即人工浮岛，是一种利用微生物-水生动物-水生植物组成的以水生植物群落为核心的水生生态系统，能够充分发挥水生生态系统自我修复功能[36]。其优点有：经济实用，可有效处理氨氮和有机物，可改善动植物生长环境，恢复自然生态平衡等。姬芬等[37]研究了立体生态浮床的运行效果，结果表明，浮床在一年的试验周期后依旧有良好的状态，对污染物TN和NH4+-N的去除效果较好，去除率分别高达94.2%和93.0%。

4.3.4 生物膜技术 生物膜由大量微生物菌落及其代谢产物等附着的填料形成，用于处理污水。生物膜的特点主要有：有机物去除效率高、高负荷工作、污泥量少等。董甜甜等[40]对固定生物膜技术处理黑臭河水进行了研究，结果表明，固定生物膜在未曝气条件下处理20 d对COD、浊度、NH4+-N和TP去除率分别为42.36%,79.29%,96.44%和85.04%。

4.3.5 生物生态组合工艺技术 在实际黑臭水体的处理过程中，可选择其中一种技术，或将两种甚至多种技术组合应用来达到最优化的处理效果。郭炜超等[41]研究了一种结合了生态沉床和人工湿地优点的基质级配方式对生态介质箱修复黑臭水体的效果进行比较，结果表明，随着修复时间的增长，不同级配方式的生态介质箱对各污染物的去除率均有所提高，其中对总氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、总磷(TP)和CODMn的最高去除率分别为69.07%,87.34%,66.95%和89.3%。李婧等[42]采用生态砾石床和植物碎石床组合技术对城市黑臭水体治理进行研究，结果表明，该组合技术对黑臭水体的去污效果比较明显；当原水COD≤60 mg/L、NH4+-N≤3.0 mg/L时，该组合技术对COD、氨氮的平均去除率分别为47%和50%。

5 结论与思考

城市黑臭水体是亟待解决的水污染问题之一，其存在判别标准多样，成因复杂，整治效果难以持久等问题。因此，针对黑臭水体整治的发展提出了以下几点思考：(1)黑臭水体大多以水质化学指标和人类感官指标为判别标准，但还不够完善，需要进一步加强对水生生物指标判别的研究。(2)对黑臭水体进行整治时需要找准其形成的主要原因，从源头治理。(3)黑臭水体在整治的过程中，注重外源和内源污染控制的同时，需确定针对性较强的整治方案，可以通过物理、化学和生物生态整治技术分析，必要时采取组合工艺技术对其进行水体修复。(4)需要对水体进行合理有效的长效管理，杜绝水体返黑、水质反复恶化的现象。