修復(fù)黑臭水體的SCEU 強化環(huán)保生態(tài)方法

李 維， 劉本洪 ， 劉 蕾， 張 怡， 楊 春， 唐 亞

（四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都610065）

快速的城市化、工業(yè)化使大量污水未經(jīng)處理排入河流，導(dǎo)致水質(zhì)嚴重惡化，河流出現(xiàn)季節(jié)性甚至終年黑臭現(xiàn)象［1］.水體黑臭的原因是大量污染物進入水體，消耗了大量溶解氧，使水體呈缺氧或厭氧狀態(tài)，在微生物的作用下，產(chǎn)生NH3、H2S、硫醚類化合物等致臭物質(zhì)以及FeS、MnS 等致黑物質(zhì).水體黑臭不僅使水生態(tài)系統(tǒng)中微生物、植物、動物大量死亡，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)嚴重失衡，還嚴重影響人們的日常生活.2007年，無錫貢湖因水體黑臭導(dǎo)致70%的水廠停工，約200萬人的生活飲用水無法得到保障［2］.

目前，全國認定的2 869個黑臭水體中已有2 313個黑臭水體完成整治［3］.根據(jù)“水十條”中2020 年將黑臭水體控制在10%的目標，我國正處于黑臭水體治理的攻堅階段，仍然有大量的黑臭水體需要進行治理.廣泛存在的黑臭水體帶來了嚴峻的環(huán)境問題、社會問題，而目前尚缺乏高效經(jīng)濟修復(fù)黑臭水體的技術(shù).

治理黑臭水體的方法有物理方法、化學(xué)方法和生物方法［4］.物理方法主要包括截污分流、底泥疏浚、曝氣復(fù)氧以及引水沖污等.化學(xué)方法主要通過向水體中添加絮凝劑或者氧化劑等化學(xué)藥劑，從而實現(xiàn)污染物的去除，該方法雖然能快速降低水質(zhì)指標，但是化學(xué)藥劑可能會對水生生物產(chǎn)生毒害作用.生物方法包括動物法、植物法和微生物法［5］.植物法在凈化水體時，還能起到美化環(huán)境的作用，但凈化效率受季節(jié)影響較大.微生物法因高效、無二次污染被廣泛使用.黑臭水體成因復(fù)雜，單一技術(shù)往往無法達到理想的效果，在實際應(yīng)用中往往采用組合技術(shù)治理黑臭水體.

本項目以位于四川省廣元市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)王家營工業(yè)園的王家溝黑臭水體為對象，運用SCEU強化環(huán)保生態(tài)方法對其進行修復(fù)，研究在不清淤疏浚的條件下，消除水體黑臭，恢復(fù)河流的自凈能力，使達標水質(zhì)得到長期保持.

1 材料和方法

1.1 治理河段介紹王家溝位于四川省廣元經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)王家營工業(yè)園.王家溝黑臭河道治理長度約為850 m，河道上下游的寬度約為31 m，中間逐漸變窄為25 m，蓄水量約為20 000 m3.王家溝的主要功能為泄洪，河道通過涵洞與嘉陵江相連，為嘉陵江的一條支流.

未修復(fù)前，王家溝河水呈黑色，散發(fā)刺鼻的臭味；雖為泄洪通道，但是由于日常行洪閥門關(guān)閉，河水流速緩慢，水動力條件差；河道兩岸和底部均硬質(zhì)化，為典型的三面光河流，河岸傾角為25° ～30°，無植被生長，河流生態(tài)系統(tǒng)被嚴重破壞.

2018 年3 月對治理前王家溝水質(zhì)進行檢測，整條河段均未達到地表水Ⅴ類水標準，屬于劣Ⅴ類水，檢測結(jié)果如表1.

表1 王家溝治理前水質(zhì)情況（2018 年3 月）Tab. 1 Water quality before treatment in Wangjiagou River（March，2018） mg/L

1.2 王家溝污染成因調(diào)查1）王家溝未進行有效截污.上游居民生活污水、畜禽養(yǎng)殖廢水、初期雨水均直接進入河內(nèi).王家溝所在的王家營工業(yè)園內(nèi)工礦企業(yè)廢水的跑冒滴漏也是造成王家溝黑臭的重要原因.

2）底泥污染嚴重.大量污染物在物理、化學(xué)、生物作用下沉積在水體底部，形成高負荷的內(nèi)源污染.底泥不斷向上覆水中釋放污染物，影響王家溝水質(zhì).

3）河流自凈能力差.王家溝為三面光河流，硬質(zhì)河岸不僅破壞了河岸生態(tài)系統(tǒng)，還阻斷了河流與土壤間的水力聯(lián)系，導(dǎo)致水環(huán)境容量減小，河流自我修復(fù)能力差.泄洪閥門關(guān)閉時，王家溝水體流動緩慢，水動力條件差，污染物無法及時被稀釋擴散，在河道滯留時間長.

1.3 修復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)的SCEU強化環(huán)保生態(tài)方法SCEU強化環(huán)保生態(tài)方法秉持“一水一策”的治水理念，不固化治水方案.根據(jù)王家溝污染原因，選取硬質(zhì)河堤駁岸生態(tài)重建、微生物菌劑與云膜擴繁系統(tǒng)、專用除磷方法、造流復(fù)氧系統(tǒng)、滴灌系統(tǒng)和太陽能光伏系統(tǒng)等6項技術(shù)用于黑臭水體治理，重建河流生態(tài)系統(tǒng)，促使水體恢復(fù)自凈能力，通過系統(tǒng)中的生產(chǎn)者、消費者、分解者對氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)的利用，降低水中污染物濃度，實現(xiàn)消除黑臭，改善水質(zhì)的目的.

1.3.1 硬質(zhì)河堤駁岸生態(tài)重建 選用質(zhì)量分數(shù)為30%的膨潤土和70%的腐熟污泥組成的護岸專用基料（表2）進行硬質(zhì)河岸的生態(tài)重建.該基料是利用《治理黑臭水體的護岸專用基料》專利技術(shù)［6］制備的.直接將其鋪設(shè)在硬質(zhì)河岸表面（水上和水下部分均進行鋪設(shè)），鋪設(shè)厚度為8 ～30 cm，因基料質(zhì)地輕，無需其他復(fù)雜的固定措施，從河岸頂部到底部，每隔2 m設(shè)置橫向格擋，防止基料滑落.在鋪設(shè)好的基料表面混播狗牙根、高羊茅、三葉草和百日菊等植物種子.

表2 在王家溝使用的護岸專用基料的理化性質(zhì)Tab. 2 Physical and chemical properties of substrate used on the banks of Wangjiagou River

由表2 可知，護岸專用基料陽離子交換量（CEC）高，對污染物的緩沖容量大；養(yǎng)分含量豐富，適宜植物、微生物生長，能快速恢復(fù)河岸植被，改善河流景觀.基料-植物-微生物組成的系統(tǒng)能夠通過吸附、過濾、微生物分解和植物吸收等作用凈化黑臭水體，同時能有效攔截面源污染.

1.3.2 微生物菌劑與云膜擴繁系統(tǒng) 從黑臭水體中提取分離能高效去除水中氮磷等污染物的土著微生物，用于制備微生物菌劑.土著微生物對水體環(huán)境適應(yīng)性比外源微生物更強，能更好地發(fā)揮降解污染物的作用.2018 年6 月下旬和2018 年7 月中旬，先后向王家溝黑臭水體施加總計10 t微生物菌劑，微生物菌劑直接施入河中，未利用其他機械設(shè)備.采用特殊材料作為微生物菌劑的填充載體構(gòu)成云膜，將其固著在水中，作為微生物的繁育場所，保證微生物的繁殖速率大于或等于其代謝死亡和流失的速率，確保微生物能持續(xù)發(fā)揮作用.

1.3.3 專用除磷方法 河段調(diào)試期間，直接向王家溝黑臭水體中施加1.5 t 專用除磷材料.該除磷材料利用《一種高效去除富營養(yǎng)水體中磷的方法》［7］專利技術(shù)制得.除磷材料的主要化學(xué)成分為氧化物，難溶于水、質(zhì)地輕，可長時間在水體中懸浮，高效持久地發(fā)揮除磷作用［8］.

1.3.4 造流復(fù)氧系統(tǒng) 在王家溝上游、中游和下游分別安裝了2 臺水車式增氧機，利用太陽能供電，對水體進行曝氣，每小時運行3 min.水車式增氧機的另一個重要功能是增加水體流動性，使大量的懸浮物在水流波動過程中相互碰撞凝結(jié)，增加顆粒質(zhì)量使其逐漸沉降.

1.3.5 滴灌系統(tǒng) 在王家溝兩岸安裝功率為3 kW的水泵2臺，在河岸鋪設(shè)相應(yīng)的滴灌管道，抽取河水進行滴灌，滿足河岸植物的水分需求，同時實現(xiàn)水下與水上部分護岸專用基料的氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)平衡調(diào)節(jié).

1.3.6 太陽能光伏系統(tǒng) 在王家溝中游河岸上安裝太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，功率為15 kW，配合PLC自動控制程序，實現(xiàn)滴灌系統(tǒng)、造流復(fù)氧系統(tǒng)等設(shè)備的自動運行，滿足增氧機和滴灌水泵的用電需求，降低系統(tǒng)運行成本.

1.4 水質(zhì)監(jiān)測2018 年3 月，在治理前對王家溝上、中、下游取水進行分析.2018 年6—11 月為現(xiàn)場實施、系統(tǒng)調(diào)試，直至水質(zhì)改善后進入初期維護階段.從2018 年6 月起，每月在上、中、下游取水樣1次，進行水質(zhì)分析.2018 年12 月至2019 年1 月，當(dāng)?shù)厥姓┕し鸥珊铀?，未能取水樣監(jiān)測.2019 年2月至2019 年9 月，對河段恢復(fù)監(jiān)測，進入后期維護階段，每3 個月取樣2 次.

監(jiān)測指標包括 TP、CODMn、TN、NH3- N.此 4個指標的測定方法分別如下：TP 用鉬酸銨分光光度法（GB11893—1989），CODMn用高錳酸鹽指數(shù)法（GB11892—1989），TN用堿性過硫酸鉀紫外分光光度法（HJ636—2012），NH3-N 用納氏試劑分光光度法（HJ535—2009）.

2 結(jié)果及分析

2.1 王家溝水質(zhì)變化2018年3月治理前，王家溝的上游、中游、下游的水質(zhì)均為劣Ⅴ類水，中游污染最嚴重（表1）.2018 年6 月，治理項目開始的第一個月，TP、TN、NH3-N、CODMn指標下降明顯，僅王家溝中游的TN為劣Ⅴ類.經(jīng)過2018 年6—7 月的施工調(diào)試，黑臭水體被破壞的生態(tài)系統(tǒng)快速恢復(fù)，生態(tài)系統(tǒng)各項功能增強，水體自凈能力不斷增強.2018 年8月，王家溝河段水質(zhì)達到地表水Ⅳ類水的標準.2018年9月，經(jīng)第三方現(xiàn)場水質(zhì)監(jiān)測驗收，在使用SCEU強化環(huán)保生態(tài)方法修復(fù)后，王家溝黑臭水體的水質(zhì)由劣Ⅴ類水變?yōu)榈乇硭纛愃?2018 年9 月至2019年9月，對王家溝后期維護過程中的水質(zhì)進行了連續(xù)監(jiān)測.監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：王家溝水質(zhì)穩(wěn)定，長期保持在地表水Ⅳ類水標準，有時可達地表水Ⅲ類水標準（圖1）.

圖1 王家溝水質(zhì)變化Fig. 1 Water quality change in Wangjiagou river

將2018 年8 月的監(jiān)測數(shù)據(jù)與治理前（2018年3 月）的數(shù)據(jù)進行對比分析，發(fā)現(xiàn)治理后，王家溝水質(zhì) TP、TN、NH3-N、CODMn等指標的去除率均非常高（表 3），TP、TN、NH3-N、CODMn的平均去除率分別達到 90. 33%、81. 35%、94.11%、84.48%.

表3 王家溝治理后水質(zhì)（2018 年8 月）Tab. 3 Water quality after treatment for Wangjiagou river（August，2018）

2.2 王家溝生態(tài)環(huán)境與感官變化王家溝治理前（圖2）河水呈黑色，散發(fā)惡臭，沿河兩岸均為硬質(zhì)河岸，無植被覆蓋，河流觀感差.經(jīng)治理后（圖3），河水變?yōu)闇\綠色，臭味消失，河岸被植物覆蓋，河岸生態(tài)景觀恢復(fù).

圖2 修復(fù)前的王家溝Fig. 2 Wangjiagou river before restoration

圖3 修復(fù)后的王家溝Fig. 3 Wangjiagou river after restoration

通過監(jiān)測底泥發(fā)現(xiàn)，SCEU 強化環(huán)保生態(tài)方法對底泥的消解效果顯著，在未清淤疏浚的情況下，項目實施1 a后，底泥的厚度削減了近50 cm，且底泥的顏色、氣味均得到明顯改善.觀察發(fā)現(xiàn)，河流修復(fù)后，吸引了許多鳥類來河邊覓食，還有野鴨在河岸筑巢，河流中魚類數(shù)量也大量增加，周邊居民紛紛來此垂釣休閑.河段整體呈現(xiàn)出全新的、生機勃勃的面貌，生物多樣性增加，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，水體生態(tài)功能快速恢復(fù)并保持強大.

3 討論

3.1 治理效果黑臭水體不僅導(dǎo)致水生生物大量死亡，還影響公眾身心健康，是當(dāng)前非常突出的水環(huán)境問題.本研究利用SCEU強化環(huán)保生態(tài)方法修復(fù)王家溝黑臭水體，3 個月時間內(nèi)，消除水體黑臭，使水質(zhì)由劣Ⅴ類水恢復(fù)至地表水Ⅳ類水，并且水質(zhì)在之后的一年時間，仍然保持穩(wěn)定.說明SCEU 強化環(huán)保生態(tài)方法對黑臭水體具有良好的修復(fù)效果，能實現(xiàn)治理后水質(zhì)長效保持，與目前一些組合修復(fù)技術(shù)相比，更能滿足黑臭水體長制久清的治理需求.梁灘河真武支流黑臭水體采用生態(tài)護岸、曝氣復(fù)氧、微生物菌劑和懸浮填料4 種技術(shù)進行為期2 個月的修復(fù)，對 CODMn、NH3-N 和 TP 的去除率僅為38%、16%和27%，且河岸上植物生長效果不好［9］.常德市穿紫河黑臭水體采取生態(tài)護岸、曝氣復(fù)氧以及生態(tài)浮床技術(shù)進行治理，雖然在河流景觀方面取得了不錯的修復(fù)效果，但是CODMn和TP 未實現(xiàn)全年達標，超標率為5.6%，NH3-N年平均質(zhì)量濃度高達5. 56 mg/L，水質(zhì)未能實現(xiàn)長期穩(wěn)定［10］.SCEU強化環(huán)保生態(tài)方法不僅實現(xiàn)了水中氮磷等污染物的高效去除，還采用對污染物緩沖能力非常強的護岸專用基料，替代傳統(tǒng)生態(tài)護岸中利用的普通土壤，增強了河流納污能力，使達標水質(zhì)長期穩(wěn)定，同時河流觀感提升，做到水質(zhì)指標和感官指標共同達標，市民認同度高，得到社會的廣泛認可.治理前的王家溝呈黑臭狀態(tài)，溶解氧低，不適宜魚類生存；治理后，水體溶解氧上升，河段魚類數(shù)量明顯增多，吸引許多人前來釣魚，且在鏡檢時發(fā)現(xiàn)了大量綠藻類微生物，生物多樣性明顯增加，河流生態(tài)系統(tǒng)更加穩(wěn)定.

3.2 強化的生態(tài)功能常規(guī)黑臭水體的生態(tài)修復(fù)技術(shù)主要包括微生物法、植物修復(fù)技術(shù)、人工濕地及生物操控等［11］，往往只依靠動物、植物或微生物中的一種或兩種消除水體中的氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)，方式單一，局限性大.SCEU強化環(huán)保生態(tài)方法通過生態(tài)重建硬質(zhì)堤岸，投加微生物菌劑等方式迅速重建河流的生態(tài)系統(tǒng)，充分利用生態(tài)系統(tǒng)中動物、植物、微生物對氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)進行吸收利用，從而降低其在水中的濃度，改善水質(zhì)，并且在硬質(zhì)河岸表面使用了大量能夠吸附交換水中污染物的護岸專用基料，增大河流的環(huán)境容量，河流耐沖擊負荷能力增強，有利于水質(zhì)保持穩(wěn)定.

研究發(fā)現(xiàn)通過魚類捕食的行為可以控制浮游生物數(shù)量，有利于水質(zhì)改善［12］.投放魚類治理富營養(yǎng)水體的方式已經(jīng)在滇池、巢湖以及辛安水庫等地進行應(yīng)用［13-14］，并且取得不錯的效果.王家溝在治理過程中并未投放魚苗，經(jīng)過治理后，數(shù)量顯著增加的魚類對水質(zhì)也具有一定的改善效果.由此可見，SCEU強化環(huán)保生態(tài)方法應(yīng)用后，水體生態(tài)系統(tǒng)中由生產(chǎn)者、消費者、分解者構(gòu)成的能量流動和物質(zhì)循環(huán)鏈快速恢復(fù)，充分發(fā)揮了每種生物在生態(tài)系統(tǒng)中的作用，同時發(fā)揮各種生物形成的生物鏈的系統(tǒng)功能，使水質(zhì)能長效保持.

3.3 經(jīng)濟適用性底泥作為黑臭水體的重要內(nèi)源污染物，在外界的干擾下，底泥再懸浮會向水體中釋放大量的污染物，引發(fā)水體黑臭［15］.清淤疏浚作為直接降低水中負荷的方式在黑臭水體治理項目中被廣泛使用，但清淤疏浚的過程不僅會使大量的污染物進入水體，還會破壞底棲生物的生存環(huán)境，導(dǎo)致生物多樣性降低［16］，引發(fā)新的生態(tài)環(huán)境問題，且清淤后底泥也存在難處理的問題. SCEU 強化環(huán)保生態(tài)方法在治理過程中不清淤疏浚，避免了疏浚帶來的一系列環(huán)境問題，而且減少了資金的投入.

硬質(zhì)河岸嚴重破壞了河流的自凈能力，但將硬質(zhì)河岸拆除完全恢復(fù)成自然河岸，會影響河岸的穩(wěn)定性，增加河岸垮塌的風(fēng)險，而黑臭水體多出現(xiàn)在人口密集的城市區(qū)域，因此，通過拆除硬質(zhì)河岸恢復(fù)河流的自凈能力是不現(xiàn)實的.本方法在不拆除硬質(zhì)河岸的情況下，采用護岸專用基料，建立比自然河岸凈化能力更強的生態(tài)護岸，同時恢復(fù)河岸的景觀，在進行治理時無需額外占地，僅在現(xiàn)有的硬質(zhì)河岸上進行處理，更適應(yīng)目前城市黑臭河道的治理需求.

SCEU強化環(huán)保生態(tài)方法使原本消耗巨大的治理工程變得簡化、經(jīng)濟，不需要大量的機械、人力和漫長的施工期.在后期維護上，因水生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)健康，水體自凈能力增強，維護時亦無需投入大量的人力，只需根據(jù)情況投入少量的微生物菌劑.

王家溝黑臭水體治理項目河流長850 m，寬25 ～31 m，采用SCEU強化環(huán)保生態(tài)方法的項目總投資為140 萬元，相比于目前常見的一些治理案例，該方法治理黑臭水體的成本顯著降低，且施工工期短，能夠很好地適應(yīng)社會和市場發(fā)展需要.

4 結(jié)論

本文分析了SCEU 強化環(huán)保生態(tài)方法對黑臭水體的水質(zhì)以及生態(tài)環(huán)境修復(fù)效果，得出以下結(jié)論：SCEU強化環(huán)保生態(tài)方法能夠快速消除水體黑臭，改善黑臭水體的水質(zhì)，對 TP、TN、NH3-N 以及CODMn有較好的去除效果.從長期的觀察結(jié)果來看，利用SCEU強化環(huán)保生態(tài)方法治理后的黑臭水體，水質(zhì)長期保持穩(wěn)定，河流景觀恢復(fù)，生物多樣性增加.SCEU強化環(huán)保生態(tài)方法無需清淤疏浚，以較低的成本實現(xiàn)了黑臭水體原位修復(fù)，為黑臭水體的治理提供一種高效經(jīng)濟的新方法.