我国城市黑臭水体成因及治理研究

仇振杰，孙梦莹

(湖南城市学院 土木工程学院，湖南 益阳 413000)

随着我国经济的高速发展和城市化进程的快速推进，工业污水和生活废水的排放日益激增﹒水资源公报研究指出，1998―2017 年，我国的废污水排放量由593 亿t 增长至756 亿t[1-2]﹒同时，水污染控制和防治意识与措施相对滞后，水体中化学需氧量COD、氮磷等物质浓度超标，水体富营养化程度严重，水体溶解氧浓度持续降低，厌氧微生物大肆繁殖，进而产生甲烷、硫化氢、氨气等恶臭气体，出现水体黑臭的现象[3-4]﹒

随着近年来政府和民众对水生态文明建设的重视，尤其在国家颁布“水十条”以及推行“河长制”后，城市黑臭水体治理已成为国家重点实施战略，计划至2020 年，城市黑臭水体控制在10%以内，到2030 年，全国城市建成区黑臭水体总体得到消除[5]﹒与此同时，黑臭水体治理的技术和措施不断革新和涌现，例如水体净化技术、河岸带生态修复、河道工程整治等，并在短期内取得 了一定成效，但城市化发展是一个长期的过程，黑臭水体治理的长期成效还有待检验，基于长效机制的黑臭水体治理的技术还有待发展﹒

本文综述了近20 年来我国城市黑臭水体形成原因与机理，整理了黑臭水体治理技术的研究进展，探讨了黑臭水体治理技术的发展趋势，旨在为城市黑臭水体治理提供一定参考﹒

1 我国城市黑臭水体现状及危害

据住房和城乡建设部统计，截至2018 年11 月，全国70%以上的城市存在黑臭水体，且总数已达 2 100 条，其中重度污染水体占比为33.5%[6]﹒中南和华东地区，经济发达且水系充沛，其黑臭水体数量最多，分别为778 和709 条，占全国总黑臭水体的37%和34%；与东南地区相比，西北地区黑臭水体数量较少，为63 条，但作为“三江源”的宁夏仍有26 条，这表明城市黑臭水体治理仍任重道远，对水体的监测仍需长期坚持﹒城市黑臭水体除污染水质、散发恶臭外[7-9]，其滋生的微生物还会导致黑臭水体周边空气污染，甚至引发个体疾病或传染性疾病爆发[10]﹒刘建福等[11]研究了黑臭水体的离岸距离、污染类型与人群健康风险的关系，结果指出城市黑臭水体离岸200 m 范围内空气污染主要以细菌和真菌为主，且随离岸距离减小，细菌浓度增加，人体健康风险增加﹒巨天珍等[12]研究了周边地貌类型与黑臭水土微生物污染的关系，结果表明水泥地由于缺少植被对空气微生物的抑制作用，空气微生物污染较严重；而采用乔、灌、草空间配置的绿地系统具有较好地杀菌效果，降低了空气污染造成的健康风险﹒尽管不少学者研究了黑臭水体对空气污染的影响，但仍缺乏对黑臭水体引起空气污染，造成人群健康风险的定量性研究﹒

2 城市黑臭水体成因与机理

2.1 水体外源污染

污染物直接排入是导致黑臭水体的主要原 因﹒张勇等[13]调查分析了1985―2005 年中国城乡饮用水源污染事件，指出工业污水和化学药品是水源污染的主要污染物[14]﹒此外，随着城市的快速发展，由降水冲刷地面进入水体的污染物不断增加[15]﹒与此同时，城市生活污水排放数量日益激增，但处理数量与质量增长平缓，尤其在城市近郊农村，排水和污水处理系统极不完善，且水污染类型繁杂，污染源分散[8]﹒外源性污染物进入水体大量消耗溶解氧，造成缺氧环境，而污染物中的有机部分在厌氧微生物作用下被分解，产生致黑致臭物质(硫化铁、硫化锰、硫化氢、氨、胺类、硫醚等)，进而引起水体黑臭[3,7]﹒

2.2 水体内源污染

与外源性污染物相比，内源污染致黑臭机理为：河道底层淤泥在酸性还原条件下分解产生甲烷、硫化氢等难溶于水的气体，气体在上升过程中携带污泥悬浮于水中致水体发黑；此外，蓝藻和放线菌通过呼吸作用将河床淤泥反硝化、甲烷化致水体发臭[3,16-17]﹒

2.3 水循环不畅与水温升高

与污染物分解从本源上导致水体黑臭不同，水循环不畅与水温升高加速了水体污染物致黑致臭的生化进程﹒Hishida 等[18]和张敏等[19]研究指出河道淤积，水流缓慢，水力条件不足，会引起水体中藻类大量繁殖，进而导致水体黑臭﹒水温持续升高则是另一个加速水体黑臭的原因﹒王逢武等[3]研究指出水温的升高会加快水体中微生物和藻类残体对有机物和氨氮的分解速率，进而加速消耗溶解氧含量，加剧水体黑臭﹒

3 城市黑臭水体治理路线和方法

针对城市黑臭水体的成因，其治理的方法主要分为物理、化学和生物生态方法[7]﹒

3.1 物理方法

治理城市黑臭水体的物理方法主要有控源截污、底泥疏浚、河道曝气增氧以及活水循环与清水补给等[7,20]﹒

控源截污是指采用工程措施对水体污染源进行截留﹒控源截污的设置在实际操作中仍存在较多改进的方面﹒阮仁良等[21]调查研究表明，在做截污纳管的设计方案之前，要做好黑臭河道两侧排水户和道路两旁污水管的分布；邹伟国[22]通过对实际工程的调查分析提出了进一步提升控源截污效果的措施，包括设置初期雨水调节池、采用污水收集新技术等﹒

底泥疏浚是指通过机械抽取河底沉积的污染物或将水排干进行底泥清除以及环保疏浚、生态疏浚等[23]﹒不同的清淤方式对水环境的影响不同，涉及到河道环境和水动力学条件，因此需要综合考虑各方面因素，在工程实践中兼顾生态、物质平衡[24]﹒此外，有研究表明，底泥疏浚还应重点考虑污泥的堆放与处置[25]，且在冬季进行效果较好，风险较小[26]﹒

河道曝气增氧主要包括机械曝气、工程跌水、喷泉、射流等方式﹒曝气增氧能够短时较大幅度提高水体溶解氧含量和氧化还原电位，防止厌氧微生物分解污染物，减缓磷素的释放[27]，同时促进黑臭物质氧化，进而改善水质﹒通过对实际工程的调查和分析，不少学者指出间歇或连续的曝气方式以及在上腹水还是在底泥曝气，其对污染物的消减效果不同，还有待进一步研究；此外单独使用曝气增氧只能缓解黑臭现象，缺乏长效机制，建议结合化学物质如CaO2使用，提高处理效果[28-29]﹒

活水循环与清水补给是指将附近的清洁水源或污染负荷较低的再生水引入黑臭水体，对污染物进行稀释，降低污染物浓度[7]﹒这种稀释作用可以增强水体流动性，提高河流中溶解氧的含量，减缓水体中藻类生长，缓解水土黑臭现象，但缺乏长期作用[20]，且其成本较高，操作复杂，一般适用于纳污负荷高，水动力不足的小型景观水体﹒

3.2 化学方法

治理城市黑臭水体的化学方法主要是向水体投放混凝剂(Fe 盐、Al 盐等(化学混凝))、氧化剂(H2O2等(化学氧化))和沉淀剂(CaO 等(化学沉淀))，使其与水体溶解态磷酸盐产生化学反应生成沉淀，进而去除水中悬浮物，改善水质[30]﹒化学混凝等方法处理黑臭水体效率高，结果明显，其使用的药品剂量大，成本高，且产生的沉淀仍然滞留在水底，污染物有重新被释放进入水体的风险[20]﹒采用化学方法处理黑臭水体，还需评估和避免化学药剂对土著生物和生态系统造成二次污染的风险，因此一般不建议采用化学方法对黑臭水体进行处理[31]﹒

3.3 生物生态方法

生物生态方法治理黑臭水体是指通过动物、植物和微生物来重新构建水体生态系统，从而恢复水体自净能力﹒这是因为动物、植物和微生物的生命活动或分泌物能够参与水体有机质、悬浮物和氮磷等养分物质的降解、吸附、转化和转移过程﹒一般情况下，应用微生物进行黑臭水体治理较多，例如，对氮素的去除通过氨化细菌、硝化细菌及反硝化细菌的作用，实现水体中氮素的生物地球化学循环过程，并最终使水体中过量的氮素以气态的形式逸出水体；此外常用的微生物菌种还有枯草芽孢杆菌(其胞外酶分解有机质)、蜡样芽胞杆菌(降解石油烃类)、光合细菌(分解有机物、硫化物、氨等)等﹒与物理和化学方法相比，生物生态方法更具安全和长效性﹒根据生物生态方法的应用方式主要分为微生物强化净化技术、生物膜技术、人工湿地、生态浮岛、生态岸带修复、水生植物塘等﹒

微生物强化净化技术是指利用微生物菌剂和促生剂促进微生物的生长，强化其降解能力，增加其对有机污染物的分解作用，提高水体的自净能力﹒张宗阳等[32]采用优势复合菌剂对黑臭水体进行处理，结果表明COD、氨氮和总磷的去除率分别达到67.83%，70.29%和70.59%﹒尽管如此，微生物菌剂具有专一性，前期驯化培养耗时较长，其生存条件要求较为苛刻﹒

生物膜技术是指微生物以卵石、陶粒、纤维等为载体形成生物膜，利用其新陈代谢功能对污染物进行截留、吸附和降解[33]﹒生物膜能够影响水体中营养盐的迁移转化和污染物的消纳，并对磷等污染物具有较强的富集和固持能力[34]﹒董甜甜等[35]以生物陶粒为载体，利用枯草芽孢杆菌固定生物膜技术开展黑臭河水净化研究，结果表明在曝气条件下固定生物膜参与处理10 d 后，对黑臭河水中COD、浊度、NH3-N 和TP 的去除率显著高于未曝气条件下﹒尽管如此，在重污染黑臭水体中，有机荷载过高，生物膜易坏死脱落[4]，因此，生物膜技术常用于低浓度污水净化和生态系统修复[36]﹒

人工湿地是一种异位生态处理方式，通过人工建造湿地系统，利用湿地自然生态系统中物理、化学和生物过程的优化协同作用对污水进行截留、净化﹒李真等[37]以水生植物梭鱼草作为湿地植物，新型填料蜂巢石作为湿地填料，构建了净化黑臭水体的垂直流人工湿地，并将其应用于黑臭水体除磷的中试研究，结果表明，人工湿地的TP 去除率为58.13%～83.25%，且TP 去除率的变化趋势与气温变化趋势相一致﹒CUI 等[38]研究表明，复合垂直人工湿地对黑臭水体具有较好的修复效果，且与土壤脲酶和磷酸酶活性有关﹒人工湿地结合其他净化措施能够更有效地去除污染物﹒高尚等[39]将人工湿地技术与生物接触氧化法相组合处理黑臭水体，结果表明BOD5，CODCr，NH3-N 和TP 的平均去除率分别为37.0%，34.8%，34.7%和26.7%，去除率均高于单一的人工湿地﹒

生态浮岛是一种原位修复技术，以高分子材料为载体，将具有水体净化功能的植物用无土栽培技术种植于黑臭水体中﹒生物浮岛充分发挥了以水生植物群落为中心，微生物和水生动物为辅助的水生生态系统的自我修复功能﹒吴小慧等[40]采用梯级设置生态浮岛处理黑臭水体，结果表明，水体溶解氧浓度平均提高了132.6%，黑臭河水中NH3-N，TP 和CODCr平均去除率分别为45.8%，50.2%和37.9%﹒相似的结论也在徐欢等[41]研究中得到﹒

3.4 海绵城市建设技术与黑臭水体治理

随着城镇化持续推进，社会经济飞速发展，城市居住生活中，水资源短缺、水环境污染和水生态退化问题日趋严重﹒海绵城市建设已成为解决城市水问题的重要举措﹒海绵城市建设秉持生态环境保护宗旨，保证城市排水、防涝，统筹安排自然降水、地表水、地下水，实现水资源高效利用和生态环境保护﹒其中，海绵城市建设在时空布局方面的理念内涵与黑臭水体成因的时空分布契合，可将海绵城市建设的弹性空间扩展为生态空间，修复城市水生态环境﹒王巧等[42]在度假区水专项设计中将排水集雨的场地改为人工湿地，有效净化了污水，延长了场地内地表径流形成时间，同时人工湿地与假山、园林等景观有机链接，改善了人们居住环境﹒此外，在河道治理和黑臭水体修复应用中，不少学者将海绵城市建设理念融入实际工程，如常德市启动内河水系驳岸景观绿地建设替代硬化河岸，不仅有效提升了防洪性能，还保护了河岸生物多样性，提高了水土自净能力，实现了水生态系统的良性循环[43]﹒

4 结论与建议

随着城市发展和人们文化水平的持续提高，城市黑臭水体已得到了越来越多的关注，不少学者针对城市黑臭水体的成因和治理措施开展了广泛研究﹒导致黑臭水体形成的原因主要为污染物输入和不利于污染物扩散的条件﹒因此，随着城市功能的日趋完善，黑臭水体会向环保意识淡薄和排污条件落后的城市近郊和农村转移﹒此外，黑臭水体治理修复非一朝一夕所能完成，其引起空气污染造成人群健康风险以及对生态环境的影响还需进一步研究﹒与物理和化学方面治理方法相比，黑臭水体的生物生态治理方法去污强、绿化美观、无二次污染，具有较好的发展前景，但是仍需结合其他辅助措施，研究新材料、新方法提高治理效率，降低治理成本﹒

总之，城市黑臭水体治理是一个复杂、系统的综合工程，不同城市的黑臭水体成因机制与所处生态环境条件均不同﹒因此，黑臭水体治理技术和方案的选择应“因地制宜”﹒针对黑臭水体变化及其治理技术的发展，提出以下建议供参考﹒

1)严格立法，强化执法力度；提高非城市人群环保意识；改建和完善非城市地区污染处理和排放设施﹒

2)改革创新新材料、新方法，优化治理方法组合，提高治理效率，降低治理成本﹒

3)黑臭水体治理和修复是一个长期过程，须建立长期完整的监测和管理机制﹒