城市黑臭水體治理技術及其發(fā)展趨勢

楊傳忠，牛瑞勝，廖慶花，郭倩倩，王杰

（華夏碧水環(huán)?？萍加邢薰?，河南 鄭州450008）

城市水體是城市生態(tài)系統(tǒng)的一個重要組成部分，具有水體循環(huán)、防洪排澇、改善城市氣候等多種功能，是城市的綠色可持續(xù)發(fā)展的重要保障。近年來，隨著城鎮(zhèn)化進程的加快，污水排放量不斷增加，導致河水COD，N，P 等有機質以及Fe，Mn 等有害金屬濃度超標，超出河水的自凈能力，造成城市水體水質日益惡化[1]。目前黑臭水體已成為我國大部分城市水環(huán)境普遍存在的問題。

基于國內外黑臭水體的研究，結合具體案例，對城市黑臭水體的治理方法進行了概括，并對未來城市黑臭水體治理技術的發(fā)展方向進行了論述與展望。

1 黑臭水體污染治理現(xiàn)狀

黑臭水體不僅影響市容市貌，甚至危害居民的身心健康，已經成為制約我國經濟發(fā)展，影響我國城市形象以及生態(tài)安全的重大問題。近年來，我國在黑臭水體治理方面出臺了許多政策法規(guī)，但由于水體黑臭問題由來已久，存量較大，其治理困難，并且已恢復生態(tài)功能的水體的保持，防止黑臭問題反彈，也是黑臭水體治理的一個巨大考驗。目前，我國黑臭水體的治理已取得積極成效，2018年我國各省市黑臭水體數(shù)量及完成情況如圖1，2019年我國黑臭水體治理將進入攻堅階段。

圖1 我國黑臭水體治理現(xiàn)狀

2 黑臭水體治理技術

2.1 評價指標

根據《城市黑臭水體整治工作指南》，城市黑臭水體的評價指標包括：氧化還原電位（ORP）、透明度、溶解氧（Do）、氨氮（NH3-N），其污染程度分級標準見表1。

表1 城市黑臭水體污染程度分級標準

2.2 黑臭水體治理技術

目前針對黑臭水體的治理技術可簡單劃分為物理法、化學法、生物生態(tài)修復法。

2.2.1 物理治理技術

水體黑臭的本質是污染物濃度超出水體的自凈能力。物理法是根據污染物的來源，或調動其他水域水體參與等采取的一系列措施，例如截污清淤、人工曝氣增氧、調水稀釋等，能夠實現(xiàn)大面積削減水體污染物。

曝氣充氧技術是指在適當位置對河道水體進行人工曝氣充氧，使有機質氧化明顯，進而消除黑臭現(xiàn)象，具有投資少、見效快等優(yōu)點。趙振等[2]提出了一種低強度曝氣的方法修復黑臭水體，與間歇曝氣、連續(xù)曝氣相比，NH3-N 去除率在90%以上時，低強度曝氣能耗僅為連續(xù)曝氣的10%，間歇曝氣的25%，證明了低強度曝氣的技術可行性。曝氣充氧技術提高了河水的可生化性，促進有機質的氧化降解，然而這一技術并不能徹底解決水體的黑臭問題，將曝氣充氧技術與其他方法聯(lián)用可取得較好效果。劉蘭等[3]實驗發(fā)現(xiàn)，單獨曝氣作用下，黑臭水體的濁度，COD，BOD5，NH3-N 及TP的去除率分別達50%，45%，50%，30%，90%左右，將曝氣充氧技術和化學氧化法聯(lián)合應用，水體濁度，COD，BOD5，NH3-N 及TP 的去除率分別達到95%，85%，90%，85%，90%左右，且常規(guī)指標均能達到V 類水體水質標準，與單獨曝氣相比，凈化效果顯著提升。

此外，底泥疏浚法治理黑臭水體也有很好的效果，隨著輕質疏浚材料的發(fā)展，以及科學疏浚清淤方法的完善，疏浚對水體產生的二次污染影響越來越小。然而底泥疏浚技術能否從根本上治理黑臭水體、改善水環(huán)境仍存在很大爭議。

引水稀釋法是通過稀釋污染物，利用水的動力強化修復黑臭水體。這一方法有一定的局限性，并且調水過程中原有水質的保養(yǎng)也是不可忽視的問題。水中的微生物對外界環(huán)境較為敏感，如何在調水過程中保持跟原有水體相差無幾的環(huán)境條件，也制約了引水稀釋法發(fā)展的可操作性。物理治理技術優(yōu)缺點概括見表2。

表2 物理治理技術優(yōu)缺點概括

2.2.2 化學治理技術

化學治理技術是向黑臭水體中投加化學藥劑，化學藥劑與水體中的污染物發(fā)生混凝、絮凝或化學沉淀等反應，使得污染物從水體中分離，或氧化降解成無毒的物質?；瘜W治理技術可以在較短時間內快速降低水體污染物含量，治理效果顯著。常用的化學藥劑主要包括石灰、Ca（OH）2、過氧化鈣（CaO2）等。李亮等[4]研究了CaO2在黑臭水體中的應用，發(fā)現(xiàn)CaO2能促進微生物對腐殖質膠體的降解及水體氧化還原電位提高，使S2-氧化為SO42-，從而減少嗅味化合物的生成，有效抑制河道水體發(fā)臭。同時CaO2還能通過促進生物降解及強化化學沉淀的方式，去除水體中的N，P 元素。有研究發(fā)現(xiàn)CaO2對于黑臭水體中的有機污染物[5]、重金屬離子如As5+，F(xiàn)e2+，Mn2+等也具有較好的修復作用。但是單純的化學治理技術同樣不能保持水體水質的長期穩(wěn)定，容易造成黑臭問題反彈，并且化學藥劑費用高，同時外來化學物質可能會對水環(huán)境造成二次生態(tài)污染，不能從根本上治理污染，恢復水體的生態(tài)功能，因此大多用于黑臭水體嚴重的小型封閉水體[6]。

2.2.3 生物生態(tài)治理技術

黑臭水體治理的最終目的是修復水體的生態(tài)環(huán)境，恢復水體原有的功能面貌。生物生態(tài)治理技術是利用微生物、植物等的新陳代謝作用對水體中的有機物，N 和P 等污染物進行轉移、轉化和降解，進而改善水體水質，同時構建具有完整營養(yǎng)結構的水生生態(tài)系統(tǒng)，從根本上恢復水體功能，是近年來國內外發(fā)展較快的一種水體治理技術，具有安全持久、穩(wěn)定有效、綠化環(huán)境、改善景觀等優(yōu)點。

現(xiàn)階段的生物生態(tài)治理技術大致分為以下3 個方向。

2.2.3.1 微生物修復技術

微生物修復技術目前主要有兩種途徑：（1）向黑臭水體中投加微生物制劑或酶制劑；（2）投加由多種可降解污染物的酶以及促進微生物生長的維生素、微量元素、有機酸等組成的生物激活制劑。

微生物修復技術具有條件溫和、過程穩(wěn)定、操作簡單等優(yōu)點，與其他方法聯(lián)用時凈化效果明顯。於建明等[7]根據寧波市中塘河支流黑臭水體溶解氧含量低、土著生物少、底質污染嚴重等的污染現(xiàn)狀，設計人工曝氣充氧、種植水生植物、構建水生微生物種群等措施對該水體進行深度治理，有效地去除了水體中的有機物、NH3-N 和TP 等污染物，同時增加了水體溶解氧量及透明度。微生物繁殖速度快，培養(yǎng)周期短，并且能降解環(huán)境中大部分有機物，其治理范圍廣，有利于水體水質保持穩(wěn)定，然而微生物修復法易受環(huán)境因素，如溫度、pH 值和Do 等的影響，其治理效果一般，并且外來菌種易與水體中的土著微生物存在生存競爭，導致土著微生物活性及生物量降低，進而影響水體修復效果。

2.2.3.2 生物膜法

生物膜技術是將附著微生物的薄膜投加到黑臭水體當中，是一種“附著生長型”污水處理方法，例如礫石接觸氧化法、排水溝（渠）的接觸氧化法等。生物膜上的微生物群在與污水接觸過程中，通過截留、吸附、降解等多種手段去除水體污染物，改善黑臭水體水質。微生物薄膜與單獨的微生物個體相比，接觸面積大，且微生物濃度高，處理效率高，對水質與水量變化有著很強的適應能力，近年來，生物膜技術日益受到重視。高尚等[8]運用生物膜法與人工濕地技術聯(lián)用的生物凈化槽修復上海市普陀區(qū)黑臭水體，試驗結果表明，生物凈化槽對BOD5，CODCr，NH3-N 和TP 的平均去除率分別為37.0%，34.8%，34.7%，26.7%，能夠較好地實現(xiàn)黑臭水體的生態(tài)修復。

2.2.3.3 水生植物凈化技術

水生植物凈化技術不僅能改善水質條件，同時具有景觀效果，是近年來黑臭水體治理中應用較多的生態(tài)治理技術[9]。水生植物吸收水體中的污染物作為營養(yǎng)物質，并降解為無害的物質，同時增加水體溶解氧，并且植物發(fā)達的根系具有巨大的截污能力，水生植物能與根系周圍繁殖的好氧細菌形成生物過濾體系，進一步凈化水體。常用的植物凈化技術包括人工濕地、氧化塘、生態(tài)浮床等。蔡佩英等[10]研究了9 種常見的水生植物對模擬污水中N 和P 的凈化效果，結果表明，9 種水生植物對NH3-N、總N、總P 的去除率效果較好，鳳眼蓮、空心蓮子草、茭白對N 和P 有較好的去除效果。

人工濕地凈化技術是將污水引至人工建造的濕地上，在填料上種植篩選出的植物，從而形成一個獨特的動植物生態(tài)環(huán)境，利用植物的根系及其周圍的土壤微生物聯(lián)合對污水進行凈化，污水流經濕地時，污染物被填料及植物根系阻擋攔截，通過生物膜的新陳代謝作用被去除[9]。人工濕地對COD 和BOD 有較高的去除率，吸附率大多在80%～90%，人工濕地凈化城市污水的研究表明[11]，進水濃度較低的情況下，人工濕地對BOD5的去除率可達85%～95%，對COD 的去除率達80%，SS 小于20 mg/L。

生物氧化塘是一種利用微生物與藻類兩種生物間的協(xié)同作用處理污水的自然生態(tài)系統(tǒng)，是黑臭水體治理的有效預處理措施。具有基建投資少、耗能小、處理費用低、運行管理簡單、占地面積小等優(yōu)點[12]。江棟等[13]利用氧化塘修復廣東古廖涌水體時發(fā)現(xiàn)黑臭水體在氧化塘出水口形成由魚類、藻類、浮游動物、原生動物組成的復雜生態(tài)系統(tǒng)，CODcr 去除率在50%以上，NH3-N，TN，TP 的去除率分別在40%，35%，40%以上。然而生物氧化塘的凈化效果易受溫度、光照、進水性質、降雨量等環(huán)境因素的影響，其應用范圍有一定的局限性。

生物生態(tài)治理技術優(yōu)缺點概括見表3。

3 黑臭水體治理技術發(fā)展趨勢

城市黑臭水體的治理是一個綜合且復雜的系統(tǒng)工程，影響因素眾多，治理難度極大，實際治理中還存在較多問題，為保證城市水體的長治久清，需探索更好的綜合治理措施。

3.1 加強污染源控制

控制污染源是治理黑臭水體的前提，經城市管網收集的生活污水、工業(yè)廢水的高效脫氮、除磷、除碳技術將是城市黑臭水體的一個發(fā)展方向，并且如何有效利用截流控污、城市地表徑流，從而加強污染面源控制，將是黑臭水體治理的發(fā)展趨勢。

3.2 探索更好的治理技術組合

各種技術都有其處理對象以及適用范圍。不同的污染水體有其自身的特性及環(huán)境條件，系統(tǒng)、客觀地分析各種技術的適用條件，結合黑臭水體的成因、水質特征，將各種治理技術組合，優(yōu)選綜合治理方案，以發(fā)揮治理技術的最佳利用價值。

表3 生物生態(tài)治理技術優(yōu)缺點概括

3.3 改善生物生態(tài)技術

生物生態(tài)治理方法效果顯著、經濟高效、過程穩(wěn)定，能從根本上治理黑臭水體污染。但實際應用中發(fā)現(xiàn)，微生物生長周期長，適應能力差；植物容易受氣候、病蟲害的影響，在實際治理過程中難以實現(xiàn)穩(wěn)定控制。因此，生物生態(tài)治理技術需要進一步優(yōu)化，提高微生物、植物的適應性，通過植物組合等降低對氣候的要求，減少對環(huán)境條件的依賴，將是下一步的研究重點。

4 結語

近年來，我國對黑臭水體的治理力度逐漸加大，城市黑臭水體得到很大程度的改善，但治理過程中仍存在許多問題，并且黑臭水體的污染由來已久，其成因復雜，污染性質各異，因此治理過程中需結合當?shù)氐乃|特征及水體狀態(tài)，選擇適宜的治理技術措施，爭取利用較低的成本，達到最好的治理效果。