城市黑臭水體污染控制與修復技術研究

夏 根

（濟南市市政工程設計研究院（集團）有限責任公司湖北分公司，湖北 武漢 430070）

引言

城市水體黑臭問題的普遍性和嚴重性，不僅令城市環(huán)境惡化，也對居民健康和城市可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)。黑臭水體不僅降低了城市水體的觀賞價值，還對水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生負面影響，威脅城市生活水源的安全。因此，深入研究城市黑臭水體的污染控制與修復技術，不僅對改善水體環(huán)境質(zhì)量具有現(xiàn)實意義，還有助于推動城市可持續(xù)發(fā)展的水資源管理。本研究的意義在于為城市黑臭水體的治理提供科學依據(jù)和技術支持。我們通過深入剖析黑臭水體的污染成因，提出采用多層次、多領域的技術手段，有望找到更為全面、高效的治理方案。

1 城市黑臭水體污染現(xiàn)狀

1.1 黑臭水體的主要污染物質(zhì)及其危害

城市黑臭水體問題嚴重影響著人們的生活和環(huán)境質(zhì)量。主要污染物質(zhì)包括廢水中的有機物及氮、磷等化學物質(zhì)，以及河流中的污泥和微生物等。這些物質(zhì)在水體中的堆積和分解，導致水體發(fā)出難聞的異味，形成了典型的黑臭現(xiàn)象。有機物分解產(chǎn)生硫化物和揮發(fā)性有機物，這些物質(zhì)不僅污染水體，還對周邊生態(tài)系統(tǒng)和人體健康造成巨大威脅[1]。此外，過量的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)會引發(fā)水體富營養(yǎng)化，導致藻類過度繁殖，形成赤潮，破壞水生態(tài)平衡。

1.2 黑臭水體的污染現(xiàn)狀及引發(fā)的問題

黑臭水體嚴重影響城市居民的生活品質(zhì)和環(huán)境衛(wèi)生。首先，水體污染直接威脅居民的飲水安全，是一個不可忽視的公共衛(wèi)生問題。其次，污染水體的異味擴散至周邊地區(qū)，對居民生活造成極大困擾，甚至引發(fā)不適和健康問題。此外，黑臭水體還影響城市景觀和旅游業(yè)的發(fā)展，對城市形象造成負面影響。問題的根本原因在于城市工業(yè)和生活廢水的不合理排放，以及水體治理的不足，這需要系統(tǒng)性的解決方案。

2 城市黑臭水體污染控制技術

2.1 污染源控制技術

2.1.1 工業(yè)廢水處理技術

工業(yè)廢水是城市黑臭水體的重要污染源之一。為有效控制工業(yè)廢水對水體的污染，采用先進的廢水處理技術至關重要。首先，物理化學處理是常見的手段之一，其通過沉淀、過濾、吸附等物理和化學過程，去除廢水中的懸浮物、重金屬、有機物等污染物質(zhì)。膜分離技術也被廣泛應用，如微濾、超濾、反滲透等，該技術能高效去除微粒和溶解物。此外，生物處理技術是一種環(huán)保而可持續(xù)的選擇，包括活性污泥法、生物濾池等，該技術通過微生物的代謝作用將有機物質(zhì)降解為無害的物質(zhì)[2]。

針對特定的工業(yè)廢水，定制化的處理方案也十分重要。例如，對于含有重金屬的廢水，可以采用化學沉淀、電解沉淀等技術，將重金屬沉淀成固體顆粒，達到去除的目的。綜合運用上述技術，能夠高效處理工業(yè)廢水，降低其對城市水體的負面影響。

2.1.2 生活污水治理技術

生活污水是城市黑臭水體污染的另一大來源，主要包括家庭、商業(yè)和公共設施產(chǎn)生的污水。為了控制生活污水對水體的污染，需要綜合運用多種治理技術。首先，采用傳統(tǒng)的污水處理工藝，包括格柵、沉砂池、調(diào)節(jié)池等，可以去除廢水中的大顆粒雜質(zhì)和泥沙。其次，采用生物處理技術，如活性污泥法、人工濕地等，可以通過微生物降解有機物，提高水質(zhì)的生態(tài)穩(wěn)定性。

生活污水中的營養(yǎng)物質(zhì)也是導致水體富營養(yǎng)化的關鍵因素。因此，采用生物除磷和除氮技術至關重要。生物除磷技術主要包括生物吸附、厭氧-好氧工藝等，能夠高效去除廢水中的磷。生物除氮技術則包括硝化反應、反硝化反應等，通過微生物的作用將氮轉(zhuǎn)化為氣體排放，達到除氮的目的。在生活污水治理中，還可以引入新型技術，如人工智能和大數(shù)據(jù)技術，通過監(jiān)測和調(diào)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對污水處理過程的精確控制，提高處理效率和水質(zhì)穩(wěn)定性。因此，綜合利用各種技術手段，能夠全面、高效地控制城市生活污水對水體的污染。

2.2 水質(zhì)改善技術

2.2.1 化學除藻技術

城市水體中藻類的過度繁殖是導致水體富營養(yǎng)化的一個主要因素，因而化學除藻技術在水質(zhì)改善中扮演著重要角色。其中，一種常見的方法是利用化學藥劑進行除藻。例如，采用銅離子和過氧化氫等具有氧化性的化學藥劑，能夠有效抑制藻類生長。銅離子可以破壞藻類的細胞膜，而過氧化氫則通過氧化反應破壞藻類細胞內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。這些化學物質(zhì)需要謹慎使用，過量投放會對水體生態(tài)系統(tǒng)造成負面影響。因此，科學合理的劑量控制和監(jiān)測是化學除藻技術的關鍵[3]。

2.2.2 生物治理技術

生物治理技術通過引入適應性強的生物群落，以降低水體中有害物質(zhì)的濃度，是一種環(huán)保且可持續(xù)的水質(zhì)改善方法。其中，水生植物是生物治理的重要組成部分。植物能夠吸收水中的營養(yǎng)物質(zhì)，減緩富營養(yǎng)化的過程，并通過其根系提供生境，促進有益微生物的繁殖，有助于提高水體的自凈能力。另外，一些具有特定降解能力的微生物，如硝化細菌和反硝化細菌，可以在水體中形成生物鏈，降解廢水中的氮和磷。

生物治理技術還包括建設人工濕地，人工濕地通過植物和微生物的協(xié)同作用，能夠有效去除水體中的污染物。植物的根系提供了一個良好的微生物生境，同時植物本身也能吸收水中的有機物和營養(yǎng)物質(zhì)。這種天然而有效的水體治理手段已在實際應用中取得了顯著成果。

2.2.3 生態(tài)修復技術

生態(tài)修復技術是通過調(diào)整和重建水體生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高水體的自凈能力，從而實現(xiàn)水質(zhì)改善的一種綜合性方法。其中，濕地生態(tài)修復是一種有效手段。濕地具有強大的自凈和凈化功能，能夠去除水體中的污染物質(zhì)，改善水體水質(zhì)。通過恢復濕地的生態(tài)系統(tǒng)，不僅可以提高水體的抗污染能力，還能提供鳥類和其他野生動植物的棲息地。生態(tài)修復還包括人工激濁和沉積物剖分等技術。人工激濁通過攪拌水體底部的沉積物，使其中的富營養(yǎng)物質(zhì)懸浮于水體中，增加其被微生物降解的可能性。沉積物剖分則通過物理或化學手段將底泥中的有機物質(zhì)分解為較小的顆粒，提高其降解速度。

2.3 環(huán)境監(jiān)測與預警系統(tǒng)

2.3.1 水質(zhì)監(jiān)測技術

水質(zhì)監(jiān)測技術在城市水體管理中發(fā)揮著至關重要的作用。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測主要依賴于采樣分析，但這種方式受限于采樣頻率和空間分布，難以全面、及時地反映水體變化，而現(xiàn)代水質(zhì)監(jiān)測技術已經(jīng)迎來了革命性的變革。

首先，遠程監(jiān)測技術通過在水體中部署各種傳感器，實現(xiàn)對水體參數(shù)的實時監(jiān)測。這些傳感器可以監(jiān)測水質(zhì)的各個方面，包括溫度、溶解氧、pH值、濁度等。通過遠程監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測數(shù)據(jù)可以實時傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，實現(xiàn)對水質(zhì)的全時段、全方位監(jiān)測。此外，利用物聯(lián)網(wǎng)技術，可以構(gòu)建智能水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)設備之間的互聯(lián)互通，提高監(jiān)測效率。其次，無人機技術也在水質(zhì)監(jiān)測中發(fā)揮著越來越重要的作用[4]。無人機搭載各種傳感器，可以在較大范圍內(nèi)進行低空、高分辨率的監(jiān)測。通過航拍技術，可以實時獲取水體表面的信息，包括藻類覆蓋情況、廢水排放口的位置等，為水質(zhì)監(jiān)測提供更為直觀和全面的數(shù)據(jù)支持。

2.3.2 預警系統(tǒng)建設

建設有效的水體環(huán)境預警系統(tǒng)對及時應對水質(zhì)問題至關重要。預警系統(tǒng)需要整合先進的監(jiān)測技術，結(jié)合數(shù)據(jù)分析和模型預測，以實現(xiàn)對水體狀況的準確評估。首先，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的水質(zhì)模型可以幫助建立水體污染的動態(tài)模型，預測未來的水質(zhì)趨勢。這種模型可以考慮水流、污染物擴散等多種因素，提高預警的準確性。其次，建設智能化的水質(zhì)預警系統(tǒng)，通過引入人工智能和大數(shù)據(jù)技術，可以對龐大的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時分析和處理。通過學習和模式識別，系統(tǒng)能夠識別異常情況，提前發(fā)現(xiàn)潛在的水質(zhì)問題。智能化的預警系統(tǒng)還可以通過與其他城市基礎設施系統(tǒng)的聯(lián)動，實現(xiàn)更加全面的城市水體管理。

3 城市黑臭水體修復技術研究

3.1 物理修復技術

3.1.1 底泥疏浚技術

底泥疏浚技術是城市黑臭水體修復的關鍵物理修復手段之一。底泥是水體底部積聚有機質(zhì)、沉淀物和富營養(yǎng)物質(zhì)的區(qū)域，對水體的黑臭問題有直接影響。底泥疏浚技術旨在通過有效手段清除或減少底泥的堆積，以提高水體的自凈能力。

機械疏浚是一種常用的底泥疏浚技術，該技術利用挖掘機、吸泥船等機械設備，對水體底部的底泥進行挖掘、抽取和搬運。這種方法適用于底泥堆積較為深厚的水體，可以快速而有效地去除底泥，恢復水體的深度和流暢度。機械疏浚的優(yōu)勢在于其高效性和適用范圍廣，但也需要注意對水體底部生態(tài)環(huán)境的影響。氣浮法也被應用于底泥疏浚，該法通過在水中注入氣泡，形成氣泡浮升的過程，使底泥中的顆粒懸浮到水面，然后通過分離設備進行去除。這種物理化學結(jié)合的方法既能有效疏浚底泥，又能同時去除水體中的懸浮顆粒，提高水質(zhì)。氣浮法尤其適用于底泥中含有大量懸浮物質(zhì)的情況，是一種高效而環(huán)保的技術手段。

3.1.2 水生植物收割技術

水生植物的過度繁茂是城市黑臭水體的常見問題，因此水生植物收割技術成為調(diào)控水體生態(tài)平衡的有效手段。水生植物收割旨在削減水體中的水生植物量，減少其對水體的富營養(yǎng)化影響，以及防止腐敗產(chǎn)物的堆積。機械收割是主要的水生植物收割技術之一。該法利用船載或陸地上的收割機械，對水體中的水生植物進行切割、收割。機械收割的過程可以高效而迅速地減少水生植物的覆蓋面積，防止其過度生長。這種技術適用于對水生植物進行大面積、快速地控制，但需要小心避免對水體底部生態(tài)環(huán)境造成額外影響。另外，生物控制是一種對生態(tài)更加友好的水生植物收割技術。

3.2 化學修復技術

3.2.1 氧化還原反應的原理及應用

氧化還原反應是一種常用于城市黑臭水體化學修復的技術，該技術通過引入氧化劑和還原劑，促進水中有機物的氧化分解。這一過程可以有效降解水體中的有機污染物，改善水體的氧化還原條件，減輕黑臭現(xiàn)象。

首先，氧化劑的應用是化學修復中的關鍵一環(huán)。例如，過氧化氫（H2O2）是一種常用的氧化劑，其在水體中分解為氧和水，在釋放氧氣的同時促使有機物發(fā)生氧化反應。這種反應有助于分解水體中的硫化物、揮發(fā)性有機物等，從而減輕水體的異味和黑臭現(xiàn)象。此外，高價鐵離子（Fe3+）也常用作氧化劑，通過與有機物發(fā)生氧化反應，進而改善水體質(zhì)量。其次，還原劑的引入對于氧化還原反應同樣至關重要。硫酸亞鐵（FeSO4）是一種常用的還原劑，它能夠還原水體中的氧化態(tài)氮、氧化態(tài)磷等物質(zhì)，降低水體中的營養(yǎng)鹽含量，減緩富營養(yǎng)化過程。通過調(diào)控氧化還原反應，可以有效改善水體的環(huán)境條件，減輕水體黑臭問題。

3.2.2 絮凝沉淀的原理及應用

絮凝沉淀是另一種重要的化學修復技術，主要通過絮凝劑使水中的懸浮顆粒聚集形成較大的絮凝體，從而達到沉淀的效果。這一技術能夠有效去除水體中的懸浮物、重金屬離子等，改善水體的透明度和清澈度。首先，絮凝劑的選擇是絮凝沉淀技術成功應用的關鍵，常見的絮凝劑包括硫酸鋁、聚合氯化鋁等。這些絮凝劑在加入水體后，能夠與水中的懸浮顆粒發(fā)生化學反應，形成較大的絮凝體。這些絮凝體通過相互作用，將分散在水中的微小顆粒迅速聚集成大的沉淀體，從而實現(xiàn)對懸浮物質(zhì)的有效沉淀。其次，絮凝沉淀技術可以針對不同水體問題進行調(diào)整。

3.3 生物修復技術

3.3.1 微生物強化技術

微生物強化技術是一種利用微生物的生物學活性來改善水體質(zhì)量的生物修復手段。在城市黑臭水體修復中，微生物扮演著關鍵角色，通過引入適應性強的微生物群落，可以有效分解有機物質(zhì)、去除營養(yǎng)鹽和提高水體自凈能力。首先，生物強化技術的核心是選擇適宜的微生物種類。針對黑臭水體中的不同污染物質(zhì)，可以選用具有特定代謝途徑的微生物。例如，采用硝化細菌和反硝化細菌可以降解水體中的氮物質(zhì)，而采用好氧微生物和厭氧微生物則可以協(xié)同降解有機廢物。此外，通過基因工程手段調(diào)整微生物的代謝途徑，可以提高其對特定污染物的降解效率。其次，微生物強化技術需要結(jié)合水體的實際情況進行調(diào)控。在引入微生物的過程中，需要注意微生物的適應性和穩(wěn)定性，以確保其在水體中長期生存。調(diào)控水體的環(huán)境條件，如氧氣濃度、溫度和pH值等[5]，也是微生物強化技術成功應用的關鍵。合理設計和操作生物強化系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對水體中多種有機和無機污染物的高效降解。

3.3.2 水生植物修復技術

水生植物修復技術是一種通過引入適宜的水生植物來改善水體質(zhì)量的生物修復手段。水生植物在水體中具有吸收養(yǎng)分、抑制藻類生長、提高水體透明度等作用，對黑臭水體的修復有顯著效果。

首先，水生植物通過其根系吸收水體中的營養(yǎng)物質(zhì)，包括氮、磷等，這有助于減緩富營養(yǎng)化過程，防止水體中的藻類過度繁殖，從而減輕黑臭現(xiàn)象。一些適應性強的水生植物，如莎草、蘆葦?shù)龋瑢Φ土椎奈漳芰^強，因此被廣泛應用于水體修復。其次，水生植物的生物量和生物多樣性對水體修復具有關鍵作用。通過引入多種水生植物，可以形成生態(tài)鏈，促進有益微生物的繁殖，提高水體的自凈能力。水生植物的葉片和莖秸在水體中形成的枯落物也可以作為底棲生物的棲息地，進一步促進水體生態(tài)系統(tǒng)的恢復。綜合運用微生物強化技術和水生植物修復技術，可以實現(xiàn)對城市黑臭水體的生物修復。這些生物修復手段不僅可以降解有機廢物、去除營養(yǎng)物質(zhì)，還能提高水體的生態(tài)穩(wěn)定性，為水體的可持續(xù)發(fā)展提供有力支持。

4 結(jié)論

綜上，城市黑臭水體污染控制與修復技術的研究在理論和實踐層面都取得了顯著進展。物理、化學和生物修復技術的綜合應用成為解決城市水體黑臭問題的有效途徑。通過物理手段如底泥疏浚和水生植物收割，水體淤積和富營養(yǎng)化得到了一定程度的緩解。同時，化學修復技術如氧化還原反應和絮凝沉淀，在降解有機物和去除懸浮顆粒方面展現(xiàn)出了巨大潛力。生物修復技術以微生物強化和水生植物修復為代表，通過調(diào)整水體中的微生物群落和植被結(jié)構(gòu)，提高水體的自凈能力。