黑臭水体生物与化学治理技术研究进展

薛宇宙　丁子墨　储家越　王宣宣　刘情　冯梦茹

摘要：黑臭水体具有异味重、毒性强和处理难度大等特点，对生态系统和人体健康会成较大危害，但常规的处理方法存在工程量较大和降解污染物较慢等问题。为了高效、彻底地解决黑臭水体的污染问题，梳理了城市黑臭水体成因及现状政策，总结了可使污染物转化的微生物修复法和化学处理法的原理和优势以及研究进展并分析了相关应用案例。结果表明：① 微生物修复法具有无二次污染，成本较低，适用性广泛等优点，但处理效果容易受到外界因素（黑臭水体的浓度、温度和盐度等）影响，且前期培养驯化时间较长。② 化学处理法可使黑臭水体得到高效、深度地处理，尤其是在处理紧急污染事故情况下，但是治理费用高昂，同时易对环境产生二次污染。

关键词：黑臭水体； 微生物修复； 化学处理； 治理案例

中图法分类号：X52

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.12.016

文章编号：1006-0081（2023）12-0094-07

0引言

随着中国工业化进程的加快，污水产生量和排放量不断增加，随之出现了环境基础设施不足和转载负荷增加、大量污水和垃圾直接倒入河流等问题，使水生态系统遭到极大破坏，产生黑臭水体。水体的黑臭导致水中不同微生物出现绝迹状况，无法构成完整的生物群落，最终水体的生态系统整体呈现崩溃状况。此外，黑臭还刺激人的感官，使人感到不愉快，消化功能减退，严重时还会影响人的内分泌系统和神经系统［1-2］。因此，急需找到高效、便捷的处理黑臭水体的方法，这是解决百姓反映强烈的水环境问题，也是“青山绿水就是金山银山”生态文明理念的必然选择，更是建设美丽中国的迫切要求。

针对常用处理黑臭水体方法中存在的问题，本文综述了两种可以将黑臭水体中污染物转化的方法：① 通过向水体投加微生物菌剂或激活微生物活性，形成优势菌群，调控微生物与水环境其他生物之间的关系，降解污染物，实现水质提升的微生物修复法［3-6］；② 通过投加化学药剂与受污染沉积物之间的化学作用使沉积物中的有害物质减量，同时让污染物在底泥中脱离或转变为低毒或者无毒的稳定化学形态的化学处理法［7-9］。

1黑臭水体成因及现状分析

1.1成因

黑臭水体是受到极端污染，颜色发黑、气味发臭，生物难以存活的水体统称。透明度（≥25 cm）、溶解氧（≥2 mg/L）、氨氮（≤15 mg/L）3项水质指标任意一项不达标即判定为黑臭水体。研究表明，导致水质变黑臭的关键原因是水体缺氧［10-12］。来自化工厂、养殖厂和塑料厂的企业废水（有机物、氮、磷和金属离子等污染物）的无序排放，引起水体耗氧物质超量存在，导致水体溶解氧浓度降低，致使污染物好氧降解减缓、生化反应不完全［13-15］；当水体转化成缺氧状态时，厌氧微生物大量繁殖，在分解污染物的同时产生硫化氢、氨、硫醇、甲烷等恶臭气体逸出水面进入大气，造成水体发臭［3，16-17］；金属类如铁锰等物质在厌氧状态下会转化为硫化铁和硫化锰等致使水体变黑［18］。气体逸出过程中污泥（有机物和氮、磷等污染物通常富集在底泥中）上升同样会导致水体变黑，且未经分解的有机物富集在水面形成一层有机物膜，破坏正常水-气界面的交换，从而加剧水体发黑发臭。

1.2现状和政策

截至2016年2月，中国有黑臭水体的城市218座，其中河流1 595条，湖、塘266个。2022年1月，《农业农村污染治理攻坚战行动方案（2021～2025年）》提出针对农村人居环境，要统筹农村黑臭水体整治与生活污水、垃圾、种植、养殖等污染治理；落实河长制，推进水体有效治理和管护；到2025年，基本消除较大面积农村黑臭水体。2022年3月，《深入打好城市黑臭水体治理攻坚战实施方案》将治理范围扩大到县级城市，要求从加快城市黑臭水体排查、强化流域统筹治理、持续推进源头污染治理、系统开展水系治理、建立健全长效机制、强化监督检查等方面开展攻坚。2022年10月，党的二十大报告指出，深入推进环境污染防治，持续深入打好蓝天、碧水、净土保卫战，基本消除重污染天气，基本消除城市黑臭水体，加强土壤污染源头防控，提升环境基礎设施建设水平，推进城乡人居环境整治。

2常用生态净化技术

常用的生态净化技术有：物理性控制（内源控制［10，19-20］和底泥疏浚［19，21-23］）和基础性生态修复技术（岸带修复［19-21］、人工湿地［24］和生态浮岛［20，22-25］）等技术方法。

（1） 内源控制指在排放废水过程中，进行打捞和清淤，防止过多的污染物被微生物分解形成黑臭水体。

（2） 底泥疏浚是在排放废水过程中，分别对污染物进行打捞以及对河道中被污染的底泥进行清理，并转移到其他位置再进行处理，是治理河道水体污染的主要措施，目的是防止过多的污染物被微生物分解形成黑臭水体。底泥疏浚技术的底泥资源化利用率低，疏浚工程实施后的疏浚底泥具有泥量大、含水率高、成分复杂等特点。

（3） 岸带修复主要是修复河床和岸边硬化的水体，防止污染物直接进入河流，减少对水质的污染。岸带修复工作量大，工程垃圾处理成本高，生态岸带植物的收割、处理和处置费用高、维护工作量较大。

（4） 人工湿地由人工建造并控制运行，将与沼泽地相似的池塘用于处理污染水体，由人工介质、水生植物和其他成分组成。人工湿地的占地面积较大，由于水生植物受季节影响而影响其修复效果。

（5） 生态浮岛是指将水生植物种植在漂浮的人工浮板上，利用水生植物的根部与水体接触，降解污染物，实现水体净化，改善水质。生态浮岛不易进行标准化的推广和应用，其制作的施工周期较长且水生植物难以过冬。

这些技术的原理是利用土壤-微生物-植物生态系统，有效去除水中的有机物、氮、磷等污染物［26-28］。然而，源头控制不能解决黑臭水体中污染物转化的根本问题；底泥疏浚的效果评价一直存在较大的争议，而且消耗成本高；生态净化技术在实际处理时工程量较大且见效较慢。因此，需要寻找能够转化污染物的方法，以彻底地解决黑臭水体问题。

3污染物转化方法

3.1微生物修复法

3.1.1原理和优势

微生物修复法是通过向水体投加微生物菌剂或激活微生物活性，形成明显的优势菌群，调控微生物与水环境中其他生物之间的关系，使得微生物在黑臭水体中能繁殖生长，通过降解污染物实现有害有毒物质的转化，从而实现水体净化［29-31］。微生物修复法的优势有：对环境友好，无二次污染，无需大型设备，成本较低，易培养、繁殖快，可以通过驯化的方式得到适应有毒废水的菌群来降解目标污染物［4，32］。

3.1.2研究进展

微生物修复技术主要包括从其他活性污泥中分离出相应的优势菌种进行修复；在黑臭水体中投放微生物营养物质或其他化学物质促进或刺激微生物的生长；通过利用黑臭水体或者其他典型污染物驯化的方式得到优势菌种；直接在黑臭水体中投放经过实验培养筛选的多种微生物菌种达到净化污水的效果。例如，从活性污泥中分离出的混合营养硫化物氧化细菌中的副球菌属、假单胞菌属和假单胞菌对低溶解氧和高浓度有机物的环境具有较强的适应性，优化的混合营养硫化物氧化细菌添加剂具有良好的恶臭河流生物修复性能［33］；使用来自污水处理厂的二沉池污泥来处理黑臭沉积物，提高了沉积物处理氮和有机污染物的性能。这主要是因为污泥导致与硝化作用和硫代谢相关的微生物数量显著增加，对于降解有机物和促进脱氮很重要［34］；从活性污泥中分离出3种细菌（铜绿假单胞菌、枯草芽孢杆菌和海水Dietzia maris），制备了可降解难降解有机物的分离菌株和四头Scenedesmus quadrauda作为共固定化物种用于处理黑臭水体，在优化条件下，化学需氧量、氨氮、总氮和总磷以及有机物也都被显著去除［35］。在黑臭水体中投加硝酸盐对微生物进行驯化，筛选出相应的优势菌种，利用混合菌种（自养反硝化菌和厌氧氨氧化菌）之间的耦合作用可以控制黑臭水体沉积物中的N/（S+Fe），从而净化水体，其原理如图1所示［5］；在黑臭水体中投加CaO₂能显著提高黑臭景观水中的溶解氧和氧化还原电位，明显抑制沉积物中污染物的释放，增加微生物菌株的多样性。因此，通过添加CaO₂可以有效缓解景观水体的黑臭现象［36］。利用特征污染物芘筛出废水中的电缆细菌以及其他硫还原微生物来降解黑臭水体中的污染物，其原理如图2所示［6］；通过驯化出适用于典型黑臭溪流的复杂微生物，监测了修复过程中的田间处理效果和微生物群落变化。处理后，总磷和氨污染物含量下降，溶解氧浓度提高［37］。混合菌种和固定化物种藻类制备出的凝胶珠［38］，对黑臭水体中的化学需氧量、氨氮、总氮和总磷等污染物均有明显抑制效果。

此外，微生物修复技术还有生物膜技术［38］和基因工程技术［39］。生物膜技术是利用生物膜的过滤净化机理，达到修复污染水体的效果。将微生物种类覆盖在特定的载体表面而形成微生物膜，然后放入受污染的水中，当受污染水体中的污染物与微生物膜接触时，微生物膜表面的微生物会吸收水体中的污染物，从而达到净化水体的效果。生物膜法的典型流程中生物器可以是生物滤池、生物转盘、曝气生物滤池或厌氧生物滤池。该技术可应用于被高浓度有机废水污染的水体和被有毒、有害以及难降解污染物污染的水修复。基因工程技术是以分子遗传学为理论基础，以分子生物学和微生物学的现代方法为手段，按照预先设计的蓝图，将不同来源的基因体外构建，然后倒入活细胞中，改变生物体原有的遗传特征，获得新品种，生产新产品。利用基因工程可以将水体内的生物细胞重新组合，使它们繁殖进化成新的菌株，增强微生物降解污染物的能力，从而获得能够有效发挥生物解毒和降毒功能的基因工程细菌，起到净化的作用。

水体缺氧是黑臭水体的重要成因。通过向黑臭水体中充入空气或氧气，可以提高水中溶解氧的浓度，阻止厌氧反应，增强好氧微生物分解污染物。水中金属离子在好氧微生物作用下可以形成沉淀，这些沉淀对水体中的磷有较好的吸附作用。此外，向水体中曝气还可以增强水中氨氮污染物的扩散以及微生物氧化氨氮反应，从而降低水中氮含量，增强水体的自净能力［40-41］。

3.1.3案例

目前已有微生物修复法处理黑臭水体的实际应用。例如，在处理北京市永引渠及昆玉河水华和底泥上浮等黑臭问题时，采用微生物和酶改善底泥厌氧状况，加速微生物生长，藻类的过度生长也得到抑制，水质得到了明显提升；利用液体微生物菌剂可以有效降低水中氮、磷含量、水体营养状态指数，调节水生态系统平衡，解决了北京奥林匹克公园奥运龙形水系水体浑浊、蓝绿藻爆发、黑苔等问题；利用载体颗粒将微生物沉降到底泥表面，以底质污染物和病原菌作为养分，对水体污染物进行分解，实现较高水流速下消除北京市凉水河鹿圈桥段水体黑臭和净化水质的目的。

3.2化学处理法

3.2.1原理和优势

化学处理法主要包括化学沉淀法［42］、混凝法［43］、气浮法［44］和（高级）氧化法［45］。化学沉淀法是通过在废水中加入可溶性化学试剂，与离子态的无机污染物发生化学反应，生成不溶性或难溶性化合物沉淀而净化废水的方法。由于沉淀剂和环境条件的影响，沉淀法的出水浓度往往不符合要求，需要进一步处理，产生的沉淀物必须经过良好的处理和处置，否则会造成二次污染。混凝法是指颗粒中较大的粗悬浮物可以通过自然沉淀去除，但较细的悬浮物，甚至一些有害的化学离子，尤其是胶体颗粒沉降非常缓慢，甚至可以在水中长时间保持分散悬浮状态而不自然下沉，并且很難通过自然沉淀从水中分离和去除。混凝剂的原理是破坏这些细小颗粒的稳定性，使它们相互接触并凝聚在一起，形成絮状物，下沉分离来净化废水。气浮处理方法是利用某些化合物在废水中产生气体的反应原理进行，反应生成的气体在释放过程中形成微小气泡，或直接将空气通向废水，从水中析出细小气泡成为载体，使废水中的乳化油、微小悬浮颗粒等污染物黏附在气泡上，随气泡漂浮到水面，形成泡沫-气、水、颗粒三相混合体，并通过收集泡沫或浮渣达到分离杂质和净化废水的目的。化学气浮法在选矿、医药和废水处理工程中都有应用。高级氧化技术是利用强氧化性自由基降解有机污染物的技术，一般是指反应过程中涉及大量氧化性自由基的化学氧化技术。它基于使用催化剂、辐射，有时与氧化剂结合来产生高活性氧化性自由基，然后通过自由基和污染物的取代、电子转移等，使污染物完全或接近完全矿化。该方法占地面积小，简便易行，运行成本较低，可快速去除水中的污染物，尤其适用于突发性水体黑臭事件的应急处理。

3.2.2研究进展

常用的化学修复技术主要是高级氧化技术，包括高级氧化技术与其他技术（吸附和混凝等）来净化黑臭水体。例如，CaO₂与亚铁离子（Fe（Ⅱ））-柠檬酸辅助类Fenton系统可以消除黑色气味，有效去除沉积物中的多环芳烃，自由基相关反应方程式见式（1）～（3）［46］；共存的腐植酸（HA）可以增强铁还原过程中Fe（Ⅱ）的生成，并加速针铁矿氧化还原过程中·OH的生成，在厌氧-好氧交替条件下产生强氧化性的羟基自由基对分解黑臭水中的有机污染物有明显效果［47］；通过制备含有氧空位（OV）的化学物质，激活氧分子或化学氧化剂将活性氧物质（¹O₂、·OH和O₂^-·自由基）输送到多相污染物（染料和Pb²⁺）中进行水质净化［48］。直接使用NaClO，H₂O₂和KMnO₄等氧化剂可以实现对严重污染沉积物中黑臭物质的快速控制，NaClO和KMnO₄对去除Fe（Ⅱ）和酸挥发性硫化物是有效的［49］；过氧化钙的强氧化性可以分解降解有机污染物，且可强化硝化反应，硝酸钙可降解氨氮、硫化物、可溶性磷、重金属及生物毒性［50］。相关专利利用絮凝法和高级氧化法（产生强氧化性的羟基自由基）来处理黑臭水体，协同采用活性炭和高铁酸钾，不仅能够有效吸附黑臭水体中溶解性有机物，还可以去除化学需氧量和氨氮，降低浊度，该技术可操作性强，成本低，有利于实际应用［7，51］。高级氧化技术系统还被用于处理新型污染物（地高辛、甲基异冰片、苯并噻唑、硫醇和硫化物以及芳香族）和其他杂项T&O化合物［52］。

2CaO₂+2H₂O＝O₂+2Ca（OH）₂（1）

CaO₂+2H₂O＝H₂O₂+Ca（OH）₂（2）

Fe（Ⅱ）+H₂O₂·OH+OH-+Fe（Ⅲ）（3）

3.2.3案例

在处理北京市温榆河黑水问题时采用絮凝沉淀设备并添加矿物絮凝剂，每天可以处理5 000 t黑水，悬浮物去除率达到90%，总磷去除率达到80%，COD去除率在50%以上。西湖的虾龙圩河处理黑臭水体时采用人工曝气、人工填料和投加制剂的综合整治措施。其中，制剂投加分为底质改良剂和黑臭控制剂，底质改良剂主要成分为惰性材料（沸石粉等）、光合细菌、乳酸菌、枯草杆菌等，采用人工均匀泼洒；黑臭控制剂投加主要成分是增氧剂（过氧化钙）、缓冲分散剂和惰性载体。经整治，水体黑臭現象消除，水质改善明显，基本达到Ⅴ类水标准［53］。

4结语

微生物处理法可使黑臭水体中污染物转化，具有无二次污染、成本较低、适用性广泛等优点，被深入研究和普遍应用，但目前微生物法存在着处理效果容易受到外界因素（黑臭水体的浓度、温度和盐度等）影响，且前期培养驯化较长等问题，需要进一步处理。此外化学处理法同样可使黑臭水体得到高效、深度的处理，尤其是在处理紧急污染事故情况下，但是化学处理的方法费用高，同时易对环境产生二次污染。因此寻找出一种高效、成本较低且处理效果稳定的综合治理方法仍是当务之急。

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（编辑：李晗）

Research progress on biological and chemical conversion methods of pollutants in black and odorous water bodies

XUE Yuzhou，DING Zimo，CHU Jiayue，WANG Xuanxuan，LIU Qing，FENG Mengru

（School of Environmental and Surveying Engineering，Suzhou University，Suzhou 234000，China）

Abstract：Black and odorous water bodies have the characteristics of heavy odor，strong toxicity and high difficulty in treatment，which can cause great harm to ecosystems and human health.However，conventional treatment methods have problems such as large engineering quantities and slow degradation of pollutants.In order to efficiently and thoroughly solve the pollution problem of black and odorous water bodies，this paper summarized the causes and current policies of urban black and odorous water bodies，the principles and advantages of microbial remediation and chemical treatment methods that can convert pollutants，and analyzes the research progress and relevant application cases.The results showed that microbial treatment method had the advantages of non-secondary pollution，low cost，and wide applicability.However，there were issues with the treatment effect being easily affected by external factors such as concentration，temperature，and salinity of black and odorous water bodies，as well as the long period of cultivation and domestication in the early stage.The chemical treatment method can efficiently and deeply treat black and odorous water bodies，especially in the case of emergency pollution accidents.However，the treatment cost was high，and it was prone to cause secondary pollution to the environment.

Key words：black and odorous water； microbial remediation； chemical treatment； restoration cases