城市黑臭水体长效治理方法初探——以福州市茶亭河为例

陈龙照，罗晓华，赵思睿，林晓晖，沈开和，陈建民，陈宝明，程扬健，陈郑榕，赖正生

(1.中国冶金地质总局第二地质勘查院，福建 福州 350108；2.中源环净(福建)科技有限公司，福建 福州 350008；3.中国冶金地质总局二局，福建 福州 350108；4.福州大学 先进制造学院,福建 泉州 362200)

随着我国城镇化快速发展，城镇居民素质相对落后，城市黑臭水体问题日益严重，轻则破坏城市景观，重则影响居民日常生活，威胁居民的健康[1-3]。自2015年以来，国家发布一系列政策，投入大量的专项治理资金，高度重视黑臭水体治理。关于城市黑臭水体治理的方法很多，但大部分方法治理和维护费用高，长效治理困难[4-5]。福州是一座河网密布、沟汊纵横的城市，早在2009年，福州市制定了《福州市城区内河综合整治行动计划》，并按计划开展全市内河综合整治工作。至2014年，内河整治工作取得了一定的成效，但部分河道治理后仍出现返淤、返臭现象。2018年10月，福州市被国家3个部委评选为“2018年城市黑臭水体治理示范城市”。2019年出台了《福州市打好城市黑臭水体治理攻坚战实施方案》，进一步明确了福州市黑臭水体整治的目标和任务。纵观现在黑臭水体的治理技术，单一的物理、化学技术修复被广泛运用于治理黑臭水体，但仅采取截污控源、清淤疏浚、换水技术方案和手段，并没有对水体底泥内源进行全面、有效控制，不能提升水体自净能力，水体容易返淤、返臭，从而导致黑臭水体治理陷入反复治理的恶循环。本文以福州市茶亭河黑臭水体治理为例，探索城市黑臭水体的长效治理方法。

1 茶亭河概况及水质现状

茶亭河是流经闹市区的内河，沿岸为古老文化小食街和医院，建筑密集(图1)。

图1 茶亭河及周边环境示意Fig.1 Sketch map of the Chating River and its surroundings

茶亭河(B)由东西河(A)分支自北向南流动，全长约160 m，河床宽约6.5 m，水深1.5～2.0 m，是一条承载防汛和景观要求的河道。此次治理的茶亭河河道从东西河交叉处至茶中路桥，河道纳入沿河周边流入的雨水、生活污废水等，水源复杂，水质较差。河道驳岸缝隙多处存在因历史遗留的雨污混流渗漏，河道范围内几乎无任何动植物生存，水体黑臭，主要特征见表1。

表1 河道分段特征Tab.1 Channel segmentation characteristics

2 茶亭河黑臭原因分析

此次治理前，东西河及茶亭河已完成了沿河的截污纳管、驳岸修复和清淤疏浚等一系列工程。据地质勘察报告，河道清淤已达设计要求标高，河床沉淀淤积的浮泥仍有0.60～1.60 m。试水后不久河道出现返淤冒泡，继而又转为黑臭(图2)。

图2 茶亭河道治理前现状Fig.2 Current situation before treatment of the Chating River

通过底泥采样检测分析，茶亭河底泥的有害组分严重超标(表2)。

就茶亭河而言，前期治理底泥是采用石块挤淤的办法控制内源，由于石块间隙大，淤泥流动性和可塑性，下沉挤压石块，使大量的富含有机物和有毒有害物质、营养盐(表2)的淤泥沿着石块间隙上浮河床。在大量的厌氧生物菌(如真菌、革兰氏阴性菌群和放线菌)的作用下，大量消耗有限的水体溶解氧，改变了水体及其底泥的状态，使之处于长期的厌氧(还原)环境。旧河床滋生大量的厌氧微生物种群，分解大量的有机质污染物，产生了有毒有害气体,如硫化氢、氨态氮、甲烷及其臭味素等冒泡逸出污染空气，同时产生各种氨氮、磷等有机、无机营养盐和有害化合物溶解，造成河流水质下降、变黑变臭。因此，如果底泥未完全清除或做好有效控制，将无法实现黑臭水体长效治理。

3 黑臭水体治理

福州茶亭河上游东西河作为试验对象，治理方法主要包括治理前的准备工作、河床底泥的原位改性固化(阻隔病害底泥)、再造河床活性底泥(再造河床微生态系统)和铺设改性的天然矿石(保护活性层)[6-16]。

3.1 治理前准备工作

提前勘察现场，进行施工组织设计和工期安排，协调设备、材料场地和水、电接入工作。进行河床底部标高测量放样、河床淤泥分段取样检测，并做好人员、材料等的进场方面安排。对河床淤泥面层及两侧进行垃圾和杂物清理，底泥改性治理前进行河床杀毒灭菌。

3.2 河床底泥原位改性固化

底泥固化技术是将污染的底泥固定化稳定在特定的层位里，隔绝或最大限度地减少污染物质的释放。河床底泥原位改性固化可以有效地阻隔病害的底泥，控制底泥污染源，是黑臭水体长效治理的关键手段。世界上首例覆盖工程是1978年在美国实施的[2],随后日本、挪威以及加拿大等国相继实施了这一技术。国外原位覆盖技术已经在河道、近海岸、河口等区域广泛使用,我国原位覆盖技术还在探索、研究和小范围应用。

福州市内河黑臭水体治理中，部分河道应用了原位覆盖技术，选用的是河沙和砾石实施覆盖，覆盖初期有一定效果，能够较好地延缓底泥上泛造成对河水的污染。但是由于覆盖材料河沙渗透性好，砾石质量大，河道底泥有机物存量大，在覆盖层下厌氧环境分解有机物，尤其在高温天气，大量的微生物作用，产生有毒有害气体和污染物，随着气体上侵，反淤现象严重,再次变为黑臭(图2)。此次底泥原位固化技术是通过有胶凝性质的矿物质原料或加入特殊功能的矿物原料，经吸附、包裹、固化来稳定底泥中的营养盐、重金属和其他有机污染物，从而减少营养盐、重金属和其他污染物释放到水体中。河流底泥的改良不能仅考量整体的力学强度性质，还要考量其隔挡性、吸附和离子交换性、微生物的活性以及抗冲刷性(抗洪防汛要求)等，不但要隔绝稳定化下部底泥污染上泛，而且还要构建生化消减污染的反应场所和空间。因此，对于固化材料及其参与改良的集料，要求天然生态环保[1]。

从现场观察，河床上淤泥为深灰黑色，臭味刺鼻，踩踏下陷0.60～1.20 m，局部1.60 m，上部20～30 cm为液相，下部为塑相，液、塑相没有严格界限，渐变过渡。取样分析见表3。

表3 河道残存底泥基本物理性质指标Tab.3 Basic physical properties of remaining bottom mud in the river

与实验室内采用的疏浚污泥的物理性质指标对比，现场的残存底泥含水率高出疏浚淤泥几个百分点，液限和塑限有较大变化，粒度更细，有机物含量高。根据现场的工况，考虑底泥变化，对矿物质的粒度分布做了调整。残存底泥颗粒很细，主要成分多为黏土矿物，因此调整物料中激发剂和调理剂的比例，激发污泥有效活性物质，参与凝结固化稳定化。

利用福建省内功能性非金属矿物麦饭石矿为主要原料，加入部分钢渣来调理固化覆盖。研究开发的覆盖钝化调理剂(Md-1)，将河床底部烂泥混合覆盖(火山灰效应原理)钝化处理，河底淤泥改性钝化厚度为30 cm后形成钝化层，该层有效隔离了古老的、强污染的底泥，并且长期处于还原条件，使其稳定在底层。

黑臭水体治理关键技术如图3所示。

图3 黑臭水体治理关键技术Fig.3 Key technologies of black and odorous water treatment

3.3 再造河床活性底泥

再造河床活性底泥即进行河床底部良性微生态系统的恢复，使得治理后的河道实现良性的自净化生态系统。

根据设计的河床底标高，在钝化层面上铺设由数种与微生物有亲和性的天然矿物质组成的颗粒材料，该材料是经过有益菌(EM菌)活化改性的底泥改良剂(Md-2)。通过再造厚10 cm的河床活性底泥，在改性钝化的淤泥层上提供稳定的覆盖面，构建有益的水体微生物菌和水生植物生存繁衍的载体与场所，有效活化底泥，提高自净能力和控制内源污染释放，彻底解决河床淤泥返淤冒黑泡造成的水体污染现象。

3.4 铺设改性的天然矿石

采用天然块状麦饭石，在活性底泥河床面层铺设块状改性的麦饭石矿石，可以有效地保护再造河床活性底泥。同时，在水体流动过程中，既可以吸附水中的氨氮、磷及其他有机物和重金属，又可以不断释放出生物需要的常量元素，如K、Na、Ca、Mg、Al(OH)3、Fe(OH)等，起到净水的效果。其次，改性麦饭石还可为恢复生态造氧藻类植物提供载体，提高河道自净能力，同时提升河道景观。

4 水质长效治理效果分析

茶亭河底泥改性钝化处理后，现场实际状况表明：①河床底泥原位改性固化底泥钝化(覆盖)材料均能有效地控制原底泥中有机物向上覆水的释放，可有效提高内源污染控制，彻底解决现有河道底部淤泥反淤黑冒泡现象。②再造河床活性底泥能大大改善河床生态，创造水体好氧环境，持续生态的自然修复和恢复。③铺设改性的天然矿石提高河流水体自净能力,重建河道的生态平衡。

此次工程实施后，在2019年3—6月5次检测中(表4)，试验段河道溶解氧指标相对上游河道皆有所提升，6月比3月提升10.7%；水体氧化还原电位趋于稳定；氨氮浓度明显下降，6月比3月下降5.8%；基本治理了河道返淤、冒泡返臭问题。茶亭河中试溶解氧和氨氮指标对比如图4所示。

表4 茶亭河中试主要监测指标Tab.4 Main monitoring indicators of the Chating River pilot test

图4 茶亭河中试溶解氧和氨氮指标对比Fig.4 Comparison of dissolved oxygen and ammonia nitrogen indexes in the pilot test of Chating River

5 结论

通过茶亭河的治理研究表明，在完成河道截污纳管、驳岸修复和清淤疏浚等一系列工程的前提下，通过河床底泥的原位改性固化、再造河床活性底泥和铺设改性的天然矿石等技术手段,可以全面有效地控制水体底泥污染，重建河道的自净化生态系统，提升水体的自净能力，达到黑臭水体长效治理的目标。