城市河道黑臭评价模型及控制技术研究进展

肖靓 赵文涛 栾敬帅 李文强 杨殿海

摘要

针对当前城市河道污染问题尤其是水体黑臭现象较为突出的问题，分析了城市河道黑臭的原因，阐述了国内外各种河道黑臭评价模型的特点和实用性，并比较了控制黑臭水体的物理、化学、生物-生态修复等不同技术的特征及优缺点，为实践中的工艺的选择和优化提供了参考。

关键词 城市河道；黑臭成因；评价模型；控制技术

中图分类号 S181.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）26-09116-05

Review on Black-odor Prediction Models and Pollution Control Technology for Urban River

XIAO Liang， ZHAO Wen-tao et al

（State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse， College of Environmental Science and Engineering， Tongji University， Shanghai 200092）

Abstract According to the existing pollution problems of urban city， especially the black and odor problem， the causes of this problem were analyzed， and the features and practicability of various black-odor prediction models of urban river were expounded. Different pollution control technologies for this problem were compared， including the physical， chemical， bio-ecological restoration technology， which was supposed to provide the reference for process selection and optimization in practice.

Key words Urban river； Black-odor cause； Prediction model； Pollution control technology

城市河流是城市景观水体主要组成部分之一，不仅具有水土保持、贮水调洪和水质涵养等经济价值，同时也有美化城市景观和丰富城市文化内涵的生态价值和文化价值，已经成为诸多城市魅力的代言，如南京的秦淮河、北京的“六海”、成都的府南河、西安的护城河和合肥的南淝河等。然而随着城市化步伐的加快和工业化程度的提高，城市河流作为城市废水和生活污水的主要排污通道和场所，承受了过多的污染而导致水体发黑发臭^[1-2]。

水体黑臭是非常严重的水污染现象，毒害水中生物，使水生生物和水鸟等绝迹；破坏河流生态系统，使河流作为饮用、景观、游泳或养鱼等用途和价值被破坏；与此同时也给人类生活和身体健康造成严重危害^[1]，如水体黑臭会引起人类感官不适，严重时可导致厌食、恶心，甚至损害中枢神经和大脑皮层的兴奋和调节功能。目前，我国80%以上的城市河流受到污染，呈现出季节性或者常年性的黑臭现象^[3]，破坏了城市的美好形象，严重制约着我国城市的发展^[1]。

1 城市河流黑臭成因分析

“黑臭”是指水体视觉上呈黑色或泛黑色，嗅觉上会散发出刺激人的嗅觉器官并引起人不愉快或厌恶的气味。水体黑臭是一种生物化学现象^[2]。国内外众多研究表明，水体发生黑臭的机理与水体中有机物污染、悬浮颗粒、环境条件以及底泥污染等因素有关。

1.1 有机物污染

长期以来，城市污水的处理率一直很低，未经处理的工业废水和生活污水直接排入城市河道是导致有机污染严重、普遍出现水体黑臭现象的主要原因之一^[4]。有机污染物进入水体后，在耗氧微生物的作用下，消耗水中大量氧气，待水体氧气消耗殆尽，厌氧细菌将大量繁殖，产生大量致臭气体（如甲烷、硫化氢和氨等）逸出水面进入大气[1，5] 。此外，有机物分解产生的胺类、二甲基异莰醇、乔司眯（Geosmin）^[6-7]、硫醇和硫醚类化合物^[8]等物质也会导致水体发臭。同时，大多数有机污染物富集在水体表面形成的有机物膜会破坏正常水气界面交换，从而加剧了水体发黑发臭^[4]。

1.2 悬浮颗粒

国内外许多学者的研究认为，Fe和Mn 离子是导致水体发黑的主要原因。研究发现，当大量有机物等耗氧物质进入水体后，水体中的溶解氧持续降低，有机物分解出的H₂S在水体中电离成HS-、S2-，与水中的Fe、Mn等离子结合形成FeS、MnS 等金属硫化物的悬浮颗粒，从而导致水体颜色发黑^[9]。另外，腐殖质也可能会吸附这些悬浮颗粒形成络合物^[10]。

1.3 环境条件

环境条件包括气候、气压、水温、水速、径污比、溶氧都会对河流黑臭产生影响。水体一般在夏季呈现出显著的黑臭现象，而在冬季黑臭现象较低。其主要原因一方面是微生物的活动的频率与温度表现出显著的正相关性，另一方面是水体中的溶解氧含量随着温度的升高而降低，呈现显著的负相关性。国外很多研究皆指出，水体黑臭是由放线菌在有机污染物存在下所产生的乔司眯引起^[11-12]。而放线菌的代谢活动受环境温度影响很大。径污比就是径流量与排入河流中污水量的比值，河流的径污比越大，就表示河流稀釋能力越强，而其受污染的可能性和污染程度就越小；反之，河流污染严重，易发生黑臭现象。

1.4 底泥及其再悬浮作用

水体中的大量污染物沉淀后累积在河底中，底泥是排入河流中各种污染的主要归宿场所之一^[13]。一方面，研究指出城市河道底泥是水体重要的内源污染，底泥不断向上部水体释放有机物和无机盐，从而加剧河道耗氧速率^[14-15]；另一方面，底泥的再悬浮作用对水质产生污染。有机底泥是微生物繁殖的温床^[16-17]；而底泥中厌氧菌和放线菌的代谢作用使得底泥甲烷化、反硝化，是造成底泥上浮和水体黑臭的直接原因^[18]。

2 城市河流黑臭评价指标和模型研究

城市河道黑臭评价不仅可以起到河道黑臭预警的作用，有助于实时监控城市河道的黑臭状况，也为城市黑臭河道的整治工作提供了一定的理论依据。目前得到广泛关注的包括单因子评价法、综合污染指数法、矩阵运算分析法和人工神经网络评价法等等，几种评价模型的分析比较见表1。

2.1 单因子评价模型

单因子评价模型是指由污染指标构成的单个指数作为水体黑臭的评价指标。这种评价方法在早期评价黄浦江、苏州河等长江三角地区水系得到广泛应用，主要包括黄浦江黑臭单因子指数模型、苏州水网水质指标比值法和单因子水质标识指数。

黑臭单因子污染指数^[19]是上海自来水公司依据1963年以来对上海黄浦江水质黑臭的积累资料提出的，该模型计算方法：污染指数=氨氮实测值（mg/L）/（溶解氧饱和百分率+ 0.4）。根据这一模型，当污染指数≥5时，水体即为黑臭。1987年温灼如等根据苏州水网1984～1985年监测资料，分析了BOD与CODMn的关系，并提出水质指标比值法。水质指标比值I的计算方法^[20]：

I=BOD₅/CODMn。该方法将评价结果划分为3个区，分别为黑臭区、微黑臭区和非黑臭区。

BOD₅<16 mg/L，I<1.0

单因子水质评价指数是2005年徐祖信^[21]提出的。该评价方法可以完整标识水质评价指标的类别、水质数据、功能区目标值等重要信息。单因子水质指数P的计算方法：

P=X₁.X₂X₃。式中，X₁为第i项水质指标的类别；X₂为监测数据在X₁类水质变化区间内所处位置；X₃为水质类别与水体功能区类别的比较结果。

2.2 综合指数评价模型

综合指数评价是在单因子评价模型的基础上，运用算术平均、加权平均和指数等数学方法形成的评价方法。该方法考虑到多个因素的综合作用，使用多个指标或多个指数作为水体黑臭的评价指标，主要包括线性回归模型、多因子加权指数模型和综合水质标识指数。

2.2.1

多元线性或非线性回归模型。多元线性模型建立的基本方法就是将多个水质参数与黑臭指数（I）之间建立多元线性回归方程，从而预测水体黑臭程度，但是在模型建立中，研究人员采用了不同的水质指标和建模方法。

徐明德等总结了适合汾河太原城区段水体黑臭评价的黑臭模型，并提出了黑臭度（I）的概念。以监测数据为自变量，臭度（TO）和色度（COL）为因变量，利用MATLAB的系统工具箱拟合臭度、色度的多元线性回归模型，计算方法：

TO=4.306 6+1.017 1[CODCr ]+0.249 6[BOD₅]+0.901 7[NH₄+-N]-2.340 7[DO]+1.760 2 [H₂S]；

COL=8.314[Fe]+3.433[Mn]-2.30；

I=0.624[COL]+0.376TO。

依据上述模型可以定量描述汾河太原城区段的水体黑臭程度，确定总的黑臭指数范围为13.3～ 43.1。据黑臭指数及黑臭度的对应关系，确定黑臭度分级：I≤18，无黑臭；1842，重度黑臭^[22]。刘成等结合南宁市竹排冲河道水质监测断面数据，选取CODCr、DO和NH₄+-N及Fe、Mn等指标，建立了适合南宁市竹排冲河道水体黑臭的评价模型，计算方法^[23]：

I=0.050 3[CODCr]+0.257 6[NH₄+-N]-2.304 9[DO]+1.239 4[Fe]+ 2.770 0[Mn]+14.407 8。方宇翹等应用多因子系数，建立了水质黑臭指数关系式。经过实测，模型的正确率可达97%。根据这一模型，当黑臭指数I≥15时，水体出现黑臭。计算方法^[24]：

式中，X₁为河流总体的综合水质类别；X₂为综合水质在X₁类水质变化区间内所处位置；X₁.X₂由DO、CODMn、BOD₅、NH₃-N和TP 5项水质因子的单因子水质指数计算得到；X₃为参与综合水质评价的水质指标中，劣于水环境功能区目标的单项指标个数；X4为综合水质类别与水体功能区类别的比较结果。

2.2.3

乔司眯评价方程。乔司眯评价方程多见于国外一些研究报道。这些学者认为，乔司眯是引起水体黑臭的主要物质之一，通过预测乔司眯含量则可以定量表示水体的黑臭程度^[11]。评价模型建立过程中分析了pH、水温、浊度、DO、硝态氮、氨氮、总氮、总磷，以及叶绿素a、蓝细菌生物量、藻类生物量等大量水质参数，并进行筛选。美国^[26]和日本^[27]都有研究报道采用该方法评价水库或湖泊水体的黑臭程度。

2.3 矩阵运算评价法

矩阵运算分析法是基于矩阵运算形成的分析方法，主要包括模糊数学评价和灰色系统评价。模糊数学评价是将模糊数学的思想引入水质评价，通过对各污染物的超标情况进行加权，构造隶属函数和权重矩阵来进行水质评价，也称模糊综合评价法。贺玉龙等以涪江为例，建立了基于置信准则的模糊综合评价法，评价结果合理、可靠，能更准确地区分同一类别水质污染程度的差异^[28]。灰色系统评价是将水体作为一个灰色系统，构造白化函数和聚类矩阵，与模糊数学评价中的白化函数和聚类矩阵相类似，但两者计算权重的方法有所不同。前者是根据污染物超标情况进行加权，后者是根据水质类别确定相对应的各污染物权重。张冉等采用灰色聚类法对黄河入海口2004～2011年的水质进行评价与预测，用实际水质指标值检验其精度，取得了良好的效果^[29]。

2.4 人工神经网络评价法

误差反向传播神经网络（BP网络）是水质评价中最典型的人工神经网络评价方法。该方法的关键在于通过反复的正馈和反馈，对BP神经网络进行训练，使之得出与样本预期输出相符合的结果，进而应用该BP网络进行水质评价。目前该方法在国内外已经有了一些研究。苏彩虹等提出了一种结合人工蜂群算法的BP网络水质评价方法（ABC-BP），并以2000～2006年渭河监测断面的实测数据作为测试样本对其水质进行了评价，评价结果准确，并具有很强的稳定性^[30]。

3 河道黑臭控制技术

城市河道黑臭现象越来越普遍，对黑臭水体进行污染治理和有效控制迫在眉睫。要解决水体黑臭问题，既要控制好景观水体污染源，又要改善景观水体自身水质条件。国内外目前对城市景观黑臭水体的控制措施主要包括物理方法、化学方法和生物生态修复。物理法一般用于先期治理，投资较大；化学法具有反应迅速、见效快的特点，但容易引起二次污染；生物生态修复技术由于成本低、环境效益及修复效果良好，已经成为控制景观黑臭水体重要手段。

3.1 物理方法

河道黑臭控制的物理方法包括截污、清淤^[31]、调水^[32]和人工曝气^[33]。截污工程常以控制点源污染为主。清淤是通过干床清挖、船载抓斗清挖和水力冲挖等方式将污染物从水体中清除出去，从而削减底泥对上覆水体的污染，改善水质。研究指出，清淤可以使水体的有机质、总悬浮物以及水体透明度有明显下降^[34]。但受工程条件限制，不可能将全部污泥清掉，清淤后的底泥还可能造成二次污染，同时清淤会破坏底栖生境。此外，大规模的清淤需要大量的资金支持，被清除的污染底泥的最终处理也是亟待解决的问题。调水是通过水利设施（如闸门、泵站）的调控，引入清洁水源以改善河道水质。调水促进了污水的稀释，水体水动力条件得到改善，黑臭水体不易滞留，水体复氧量增加，有利于水体自净能力的提高。上海苏州河^[32]就曾启动引水冲污工程改善水质。人工曝气技术是根据水体缺氧的特点，人工向水体中充入空气（或氧气），加速水体复氧过程，以提高水体的溶解氧水平，恢复和增强水体中好氧微生物的活力，有效地改善或缓解黑臭现象。美国的Kissimmee河^[35]治理中利用曝气复氧装置，提高水中的溶解氧含量，有效地去控制了河道水体的黑臭。这项技术在我国河道黑臭治理中也应用广泛。周杰等对上海张家浜黑臭水体曝气复氧后，溶解氧基本维持在7 mg/L，CODCr、BOD₅、NH₄+-N和TP等指標皆维持较低水平^[36]。

3.2 化学方法

河道黑臭治理的化学方法主要包括化学氧化和化学沉淀等，目的在于去除水中悬浮物、溶解态磷和氮等污染物，提高水体透明度。所使用的化学药剂主要有铁盐和铝盐等混凝剂、双氧水等氧化剂以及生石灰等沉淀剂。2003年在上海苏州河3条支流投加改性硅藻土为混凝剂，发现污染河水水质对混凝效果有显著影响^[37]。化学药剂是否会改变河流生境，并对其生物生长和生态平衡造成的影响需进一步研究。

3.3 生物生态修复技术

生物生态修复技术是利用特定的生物吸收、转化、清除或降解水环境污染物，从而使受污染水体能够部分或完全地恢复到原初状态的生物措施^[28]。这种方法可以从根本上恢复河流系统的生态功能，是国内外近年来发展很快的一种技术，主要包括微生物强化技术、生物膜技术、生态浮床技术、人工湿地技术和生物生态组合技术。

3.3.1

微生物强化技术。水体污染环境中的有机物除小部分是通过物理、化学作用而被稀释、扩散、挥发及氧化、还原、中和而迁移转化外，主要是通过微生物的代谢活动进行降解转化。投加微生物促生剂法可以营养物质作为激活剂，刺激水体中原有的微生物生长代谢，加速河道修复。胡湛波等研究表明，在生物促生剂修复黑臭水体过程中，辅之以曝气可加快修复速度，且降低运行成本。试验结果表明，COD、NH₄+-N和TP去除率分别可达46.8%、98.7%和73.3%，底泥可削减5.49 cm，底泥有机质削减率达10.5%^[38]。Francesca等指出可通过创造特定的条件来刺激微生物的新陈代谢，促进底泥金属的转化与溶化速度^[39]。如刺激底泥中铁硫氧化细菌的代谢机制来修复重金属污染的底泥，也可直接向污染水体投加经过培养筛选的一种或多种微生物菌种。宋雅静等对投加本源微生物菌剂治理丰湖河污染进行了探讨和研究。结果表明，经过3次补菌后，上游至下游硐桥、久泰桥和益民水闸处 COD 的去除率分别达到52.7%、68.8%和61.6%，NH₄+-N和TP也有所去除；水色由深灰绿色转变为深绿色，浮油减少，臭味明显消除^[40]。

3.3.2

生物膜。生物膜技术是指使微生物群体附着于某些载体的表面形成生物膜，这些微生物通过与污水接触，能有效截留、吸附并降解污染物，从而使水体得到净化，生物膜法是天然河流中所发生的微生物降解过程的一种强化，主要有砾石接触氧化法、排水沟接触氧化法以及人工填料接触氧化等。曹文平等以竹丝作为填料而组建的接触氧化生物膜工艺对校园景观水体进行易位修复，研究表明，当进水CODMn、NH₄+-N和浊度分别为7.79～24.32 mg/L、1.36～11 mg/L和0.63～33.11 NTU的情况下，其去除率分别为10.57%～74.34%、83.33%～57.55%和20.01%～100%，且修复效果受运行工况影响不显著^[41]。金竹静等在滇池北岸重污染河道建设了生物接触氧化原位修复示范工程，采用仿生填料、人工接种菌群和曝气增氧组合技术，两年多的运行结果显示，工程对COD、BOD₅和TN的平均去除率分别达到40.1%、40.0%和13.5%；平均削减量分别为458.6、184.8和71.5 kg/d，出水透明度可达1 m以上^[42]。

3.3.3

生态浮床。生态浮床技术是运用无土栽培技术原理，以高分子材料为载体和基质，采用现代农艺和生态工程措施将原来只能在陆地种植的草本陆生植物种植到自然水域水面，并能取得与陆地种植相仿甚至更高的收获量与景观效果^[43]。目前，在国内已有很多生态浮床的示范性工程。段金程等选取漕桥河的支流庙尖浜作为试验河段，以睡莲、菖蒲和水芹作为微污染水体净化的浮床植物。结果显示，随浮床面积增加，菖蒲区对TN的去除率由8.6%增加到26.7%，TP的去除率由17.1%增加到58.2%，水芹区对TN和TP的去除率最高可达22.0%和28.0%^[44]。高阳俊等采用植物浮床和填料浮床组合而成的生态浮床系统治理滇池大清河。结果表明，组合生态浮床对水体中COD、TN和TP的面积污染负荷去除率分别为401.50、50.00和5.44 mg/（m2·d），年平均去除率分别为5.16%、4.2%和7.91%，水质得到明显改善^[45]。

3.3.4

人工湿地技术。人工湿地污水修复系统具有独特而复杂的净化机理，利用基质/微生物/植物复合生态系统的物理、化学和生物三重协调作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对景观水体的高效净化^[46]。水生植物在人工湿地污水处理系统中发挥着十分重要的作用，需要通过试验选择耐污性强、净化效果好、适宜其生存环境的植物种类，同时也要考虑植物物种间的搭配。加拿大^[47]潜流芦苇床湿地系统在植物生长旺季中的TN平均去除率为60%，TKN为53%，TP为73%，磷酸盐平均去除率为94%。德国^[48]利用水平流和垂直流湿地芦苇床系统处理黑臭水体，结果表明，超过90%的有机污染和氮磷等污染被去除。Shengbing He等采用了沸石、砾石以及粉煤灰为基质的人工湿地治理上海交大闵行校区富营养化河水，结果表明，该湿地系统成功去除有机物和氮磷，同时也降低了水中的臭味^[49]。

3.3.5

生物生态组合技术。

随着黑臭河道治理的研究和实践不断深入，研究者根据治理与修复需求对各种单项技术进行优化和筛选，并进行了集成，形成了组合技术。目前生物生态组合技术已成为国内外水体治理的主流思想。王磊等采用低溶解氧接触氧化/微曝氣/垂直流人工湿地的组合工艺对滇池污染河水进行处理。结果表明，在低溶解氧条件下，接触氧化反应器对SS、COD、NH₄+-N和TN的平均去除率分别为86.2%、57.4%、89.6%和40.6%。该组合工艺运行稳定，除污效率高，为黑臭水体的净化提供了一种新的方法^[50]。李捍东等采用了曝气/微生物/人工湿地组合工艺开展处理河北东部黑臭河水的中试研究，经过两个月的运行，出水水质达到了《地表水环境质量标准（GB3838-2002）》中的Ⅴ类水质标准^[51]。Lianpeng Sun等运用生态浮床外加人工曝气和投加反硝化菌的方法处理广州珠江河道，取得了良好的净化效果^[52]。高尚等采用集成生物接触氧化技术与人工湿地技术于一体的生物净化槽处理上海市中心城区黑臭河水，试验研究结果表明，水体的BOD₅、CODCr以及氮磷的去除率均达到30%左右^[53]。

3.4 几种河道黑臭控制技术对比分析

随着城市河道黑臭现象越来越普遍，人们对黑臭水体的污染治理也越来越关注。目前国内外对城市景观黑臭水体的控制措施主要包括物理方法、化学方法和生物生态修复，以及这3种控制措施的相互组合。各种控制措施的特点、分类以及工程应用实例见表2。

4 结语

城市河道受到日益严重的污染，水体黑臭的现象频繁出现，黑臭的产生机理、评价模型以及控制措施的研究迫在眉睫。近年来国内外学者在水体黑臭研究领域内做了不少的工作，在研究范围与深度方面均有所拓展。国内外学者提出了多种方法来建立河道黑臭评价模型，这为城市河道黑臭的研究提供了宝贵的理论和事实基础。虽然河道黑臭是由许多因素引起，不同地区、不同河流又具有不同的污染特性，但是各河道黑臭的机理却相似。因此建立一种可以应用于不同黑臭河道的评价模型才能使当前的河道黑臭评价工作取得突破。城市黑臭河道的治理是一个系统而又复杂的过程。在借鉴国外成功治理经验的基础上，做到因地制宜和因时制宜，不能完全依赖物理、化学处理这样瞬间见效快的方法，要在此基础上，强化生物生态修复措施；筛选出耐受性好、适应性强的物种，优化工艺组合参数，逐步完善生物生态技术，使黑臭河道修复可以长期持久地进行下去，达到最佳的效果，是适合我国黑臭河道的稳定有效的治理技术。

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