我国黑臭水体的形成机制与治理策略研究*

蒲云辉，唐嘉陵，徐 青，李 玫，潘声旺

(成都大学建筑与土木工程学院，四川 成都 610106)

随着我国城市化进程的快速推进，大量污染物集中产生和排放。未经处理或未达标的生活污水、工业废水等进入河流，使污染物不断累积，溶解氧含量下降，化学需氧量和氮、磷等污染物浓度升高，水体水质恶化[1-2]。黑臭是水体受到严重污染表现出的一种极端现象，不但破坏城市景观，还会使水体丧失生态功能，危害人体健康[3]。根据水体特征指标(透明度、溶解氧、氧化还原电位和氨氮)的量级可将污染水体分为轻度黑臭和重度黑臭两类。到目前为止，我国黑臭水体数量已接近2000余个。2015年我国颁布的《水污染防治行动计划》中提出了城市黑臭水体分期整治的实施方案，并要求到2030年基本消除城市黑臭水体。由此可见，我国黑臭水体治理工作的严峻性和紧迫性。

1 黒臭水体的现状与成因

1.1 我国黑臭水体的现状

据统计，2016年我国黑臭水体数量约为1861个，其中分布在华南、华中及华东地区的黑臭水体数量占总量的70%左右。到2019年9月，黑臭水体数量增加至2100个[4]。如图1所示，大部分城市已经完成黑臭水体的治理，但安徽、广东仍然有分别69和41条黑臭水体未完成，湖南(33条)、河南(31条)和吉林(27条)紧随其后。到目前为止(2020年4月)，已经达到2869个，其中已完成2313个，仍有556个正在治理进行中，即仍然有接近20%左右的水体还未治理完成。此外，已治理的水体返黑返臭现象依然存在，城市水质改善的任务依然较重。

图1 我国各省黒臭水体数量分布情况

1.2 水体黑臭的成因

1.2.1 外源污染

过量外源有机污染物进入水体，致使异养型微生物及藻类等大量增殖，水体中溶解氧降低并转变为缺氧或厌氧状态。随后，水体中的物质经过一系列物化和生化反应产生致黑致臭物质，并最终导致水体发黑发臭[5]。氮、磷等营养元素进入水体后，自养型藻类等大量增殖并覆盖水面，抑制水体复氧过程[6]。藻类残体被厌氧微生物分解将释放大量致黑致臭物质。进入水体的铁、锰等污染物与硫化物结合形成黑色难溶物质，导致水体发黑。外源污染源可分为点源和面源两类，是引起水体黑臭的根本原因。

1.2.2 内源污染

水中的有机污染物、藻类及植物残体等通过沉淀、吸附及生化反应过程等转移至底泥中，当遇到水力冲刷、人为扰动或环境变化时，污染物从底泥中释放出来并造成水质恶化，这也是水体黑臭的重要原因[7]。

1.2.3 其它因素

由于人为过度开发水体资源，大量围垦占用河流两岸滩地，修建水利工程，河道渠道化、硬质化等，导致河道水体流动性变差，水体自净能力减弱，生态系统退化，并最终引起水体黑臭。此外，热污染是水体黑臭的重要原因[8]。水温升高导致溶解氧降低，底泥中吸附的金属离子大量释放使水体黑臭现象加重[8]。

2 黑臭水体形成的机理

水体的致黑致臭过程是物理、化学及生物学多个反应共同作用的结果。不同的物质组分、环境因子、水力条件及微生物种类引起的水体黒臭机理存在差异。但主要的致黑致臭(图2所示)过程以及相关微生物的作用(表1所示)已基本明确[4,9]。

2.1 致黑机理

水体中主要的致黑物质包括吸附于悬浮颗粒上的不溶性黑色污染物质(FeS、MnS)，以及可溶于水体的有色有机物。在厌氧条件下，微生物可促进FeS、MnS的生成，其主要过程如下：

含硫蛋白质→H2S+NH3+有机酸

Fe2++S2-→FeS↓

Mn2++S2-→MnS↓

图2 水体致黑(a)和致臭(b)的机理

如图2a所示，微生物分解水体中的有机物将消耗其中的溶解氧。当耗氧速率超过复氧速率时，就会导致水体缺氧。在厌氧环境中，经过物化反应及微生物作用，水体中的Fe3+被还原为Fe2+，硫酸盐则被转化为硫化氢或S2-，同时底泥中的含铁、锰及含硫化合物释放至上层水体，生成FeS及MnS等主要致黑物质。另外，由于水体底部缺氧，厌氧微生物利用有机物产生气体(CH4、CO2、H2S等)，气泡促使黑色底泥上浮，从而加速水体的黑臭进程。藻类细胞残体及植物残体等在厌氧条件下被转化为腐殖质等致黑物质。同时腐殖质能促进Fe3+转化为Fe2+，进而加速水体变黑。

2.2 致臭机理

黑臭水体中主要的致臭物质为挥发性有机硫化物、硫化氢(H2S)、胺类以及其他挥发性恶臭物质(如土腥素、2-甲基异茨醇、β-环柠檬醛、β-紫罗酮等)，形成机理如图2b所示。

(1)硫化氢(H2S)、氨(NH3)等小分子气体。当水体处于重污染水平时，有机物好氧分解造成水体严重缺氧，厌氧微生物大量生长并降解有机污染物，产生H2S、NH3等臭味物质。反应机理如下：

有机物→蛋白质、氨基酸→有机酸+H2S↑+NH3↑+ CO2↑+H2O+CH4↑

(2)厌氧条件下，大分子有机物被微生物水解转化为小分子有机物，而后在硫酸盐还原菌及其它厌氧菌将含硫有机污染物转化为挥发性有机硫化物如二硫化碳(C2S)、羰基硫(COS)、二甲基二硫醚(DMDS)、甲硫醚(DMS)、甲硫醇(MT)。除外源含硫有机物外，水体中的蓝藻及植物残体也是有机硫化物的主要贡献者，是导致水体恶臭物质的重要原因。

(3)其他恶臭物质。在重污染水体中，外源污染物大量输入导致水体处于严重缺氧，水体中的细菌、真菌、藻类等大量繁殖并在代谢过程中分泌多种醇类等致臭物质。此外，藻类细胞降解过程中释放的β-紫罗酮(醛)等致臭物质也会引起水体恶臭。

表1 黒臭水体中主要涉及的微生物

3 城市黑臭水体的治理技术

整治城市黑臭水体应遵循“适用性、综合性、经济性、长效性和安全性”等原则进行技术选择，并按照“控源截污、内源治理；活水循环、清水补给；水质净化、生态修复”的基本技术路线进行实施。控源截污和内源治理技术是黑臭水体治理的基础，水质净化、清水补给是水体水质提升的基本保证，生态恢复是城市水体功能恢复和长效保持的重要举措。

3.1 控源截污技术

控源截污主要从源头减少污染物进入水体的可能性，是城市黑臭水体整治的基础，主要包括截污纳管和面源污染控制两个方面。截污纳管主要通过铺设污水截流管线，收集污水并将其引入城市处理系统，从而减少污染物进入水体[5]。但该技术的工程量较大、投资较高，且工程实施周期长。面源污染控制可采用雨水控制与净化技术以及生态护岸隔离或阻断技术实现污染物的削减和控制。

3.2 内源治理技术

底泥是黑臭水体的重要污染源，常采用原位处理和异位处理两种方式进行。原位处理是采用物理、化学和生物学的方法，将污染物固定于污泥中或直接转化去除，防止污染物进入水体。物理修复通常采用原位覆盖法阻隔底泥的再悬浮和扩散；化学修复是向水体中投入特定的化学药剂(混凝剂、氧化剂、吸附剂等)，通过一系列氧化还原、吸附、沉淀等过程使污染物在底泥中保持稳定[5,10]；生物修复是利用生物的代谢作用降低污染物质的含量。异位处理是将底泥移出水体并单独进行处置。尽管该方法相对成熟，但疏浚底泥的工程量较大，易对土壤和周边环境造成二次污染，且可能对河道底部和水体生态系统造成严重破坏，引发新的生态问题[5]。

3.3 生态补水

利用天然水或再生水补充污染水体，使其恢复生态功能及自净能力，从而缓解水体污染。《城市黑臭水体整治工作指南》指出利用城市再生水、清洁地表水等实施生态补水可有效提高水体的流动性，明显改善水质，是快速解决水体黑臭问题的方法之一。尽管该方法可稀释受污水体，降低污染物浓度，增加水体溶解氧和生物量，但并不能从根本上解决污染物对水生态环境破坏的问题[11]。

3.4 生态修复及净化技术

生态修复与净化技术主要通过恢复生物多样性，重构完整的生态系统，并充分利用各组分的功能实现水生态系统的良性循环[1,11]。根据作用主体可将其分为水生植物修复法、水生动物修复法和微生物修复法等。但这些修复方法常被综合运用于人工湿地、生态浮岛、稳定塘和生态护坡等。生态修复常与城市景观构造相结合，实现污染控制和城市生态建设协同实施。利用生态修复技术提升水体自净能力，完善水生态功能，是水质长效保持的关键措施。

4 我国城市黑臭水体整治的对策与建议

4.1 探明黑臭水体的形成机理，明确治理对象

尽管研究者已对水体黑臭的形成原因与机理进行了大量研究，但水体致黑致臭过程仍不清楚。另外，由于水体黑臭与河流状态、水力条件及环境条件等关系密切，以致水体黑臭的成因存在差异。因此识别水体致黑致臭物质，解析水体黑臭恶化的相关机理是实施黑臭水体整治的重要前提。

4.2 优化黑臭水体治理技术

黑臭水体的治理是一个多元的系统工程，采用单一的治理技术往往难以达到理想的效果。因此需要多种技术优化组合、协同进行。采用物理、化学和生物法协同治理的案例较多，效果也较为明显，但需进行经济-环境效益评价。采用生态修复技术时应从城市发展规划、水生态建设及生态保护等角度综合考量，因地制宜。强化“一河一策”制度，建立治理成果长效保障措施。此外，还应加大资金的投入力度，完善水环境保护的管理和运营模式，推动环保产业进入良性循环。

4.3 完善管理机制，鼓励公众参与

完善管理流程，明确责任主体是保持治理成果的长效机制。可建立涉及水利、市政及环保部门等多机构的联动管理机制，落实河道的管护及考核单位，将水体养护与监管同时进行。建立城市黑臭水体治理综合管理平台，凭借遥感及在线监测系统，精确追踪水体水质变化，实现水体黑臭治理效果的长效保持。公众参与有助于推动黑臭水体的治理，应加强政府和社会组织者间的互动与交流合作，强化公众参与机制的运行和效果评估工作。

5 结 语

我国黑臭水体数量巨大，整治时间紧任务重。尽管国内外学者对水体致黑致臭机理进行了探索并以此提出了相应的治理和修复措施，但水体黑臭的相关研究仍有待深入。应进一步从环境影响因子、物化过程、生物学机制角度研究水体黑臭的形成过程及演变机制。针对不同的水体特征，推演其黑臭的本质，进而提出针对性的整治措施；应加强对城市黑臭水体治理技术的研究，针对水体主要的致黑致臭因子，积极采用多种组合技术进行治理，避免水体返黑返臭；将水体治理与城市生态环境建设相结合，形成经济-环境-效益可持续的整治技术体系；应完善相关法律法规，实行责任制，加强管理和监督，维护河流治理成效。