浅析国内黑臭水体修复方法进展

姚 航，胡真虎

(1.铜陵学院建筑工程学院，安徽铜陵 244061；2.合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽合肥 230009)

0 引言

城市化进程的不断加速，城市雨污设施建设的滞后，大量污染物直接排入河道中.水体中的COD、N、P等污染物浓度严重超标，水体出现了季节性或终年性黑臭现象，这类水体被称为黑臭水体[1].黑臭水体既影响了区域总体形象与居民生活质量，也对生态环境造成了严重破坏.黑臭水体的治理，成了当前生态环境治理的重要组成部分.据生态环境部官网显示：截至2019年底，全国295个地级及以上城市(不含州、盟)共有黑臭水体2 899个，其中已完成治理2 513个，治理中为556个，消除比例为72.1%.地域上总体呈现南多北少、东中部多、西部少的特点[2].文章梳理了我国城市黑臭水体的修复方法进展，重点概述了现阶段物理法、化学法、生物-生态法等常用的黑臭水体修复方法[3].

1 黑臭水体概述

1.1 黑臭水体的概念及分级

黑臭水体是指具有令人不悦的颜色(黑色或泛黑色)和(或)散发出令人不适气味(臭或恶臭)的水体的统称[4].当水体中的溶解氧浓度低于0.2 mg /L时，水体厌氧细菌的繁殖会加速，有机物在厌氧时分解产生大量的硫化氢、硫醚、氨氮、甲烷、硫醇、有机酸等制臭气体，导致水体发臭[5].根据黑臭水体的透明度、溶解氧、氧化还原电位、氨氮(NH3-N)浓度将黑臭水体分为“轻度黑臭”和“重度黑臭”两级[6].具体分级标准如下表1所示：

1.2 黑臭水体的成因

黑臭水体的形成是一个较为复杂的物理、生化过程.水体中厌氧微生物分解有机质产生大量的恶臭气体(NH3、H2S和CH4)逸出水面进入大气，同时水体中Fe、Mn元素与S元素生成FeS、MnS等硫化物，从而致使水体发黑发臭[7].黑臭水体的形成原因主要有以下几种：

1.2.1 有机物污染 城市生活污水中的油脂、糖类、氨基酸、蛋白质分解后产生的有机氮、有机碳及含磷化合物，降解过程会大量消耗水体中的溶解氧.导致水体中厌氧微生物迅速繁殖，致黑、致臭物质不断产生，致使水体渐渐出现黑臭现象[8].

1.2.2 底泥污染 底泥污染物主要包括有机物、重金属、氮和磷营养物质及其它有毒污染物.在缺氧条件下，底泥中的营养盐及有机物，经过厌氧发酵，产生了NH3、H2S、FeS、MnS等黑臭物质[9].此外，黑臭的底泥通过生物分解、悬浮、推移等形式加速了水体的二次污染.底泥中放线菌、水面蓝藻的代谢，加快了底泥的甲烷化、反硝化，造成底泥上浮，加剧了水体的黑臭程度[10].

1.2.3 水体热污染 工业冷却水、洗浴污水及污水厂退水是水体主要热污染源.水温升高，导致溶解氧含量急剧减少、厌氧微生物大量繁殖、水体中有机物的分解加速、水体蓝藻及致病微生物的繁衍，最终形成水体的黑臭状态.水温处于25 ℃时，放线菌的繁殖量达到最高，水体的黑臭也达到最大[11].

1.2.4 水动力不足 对河道、驳岸的硬质化处理，阻断了水体与土壤间的自然循环及渗透，水体自净能力降低，污染物不断积累，出现水体黑臭现象.此外，河流水量不足、水流不畅、河道两岸滩地围垦，也进一步导致了水体水动力不足，整个河道生态系统退化，最终呈现城市水体黑臭现象[12].

2 现阶段黑臭水体的修复技术

纵观我国黑臭水体修复技术进展情况，其修复技术线路图不外乎为物理、化学、生物-生态修复技术等[13].

2.1 物理修复技术

黑臭水体的物理修复技术包括：控源截污、截污清淤、调水和补水、曝气增氧等方法[14].

2.1.1 控源截污法 控源截污是从污染源上治理黑臭水体的重要措施[15].水体面源污染有：城市生产、生活污水，地表径流污染，农业、养殖业面源污染等.黑臭水体控源截污的主要措施有：加强城市排污管网及污水处理实施建设，实现市区工业、生活污水零排放；提升城市地下雨水泄洪量，降低地表径流污染的风险；控制氮、磷化肥的施用量；生畜、家禽排泄物沼气化.

2.1.2 截污清淤法 底泥疏浚集黑臭水体修复、水利兴修于一体.底泥疏浚可以永久性清除富含有机物、氮、磷的底泥，阻断黑臭水体的内在污染源，减少底泥对水体的二次污染，恢复水生生态系统.底泥疏浚前，应根据底泥分布情况及污染物的类型，形成环境风险评估报告，制定行之有效的底泥疏浚方案；底泥疏浚时，还应做好外源污染物的截除工作；最后，还需做好底泥安全处置及尾水处理工作.底泥疏浚技术的优点是：见效快，增强水体的过水能力，提高水体容量.缺点是：治理费用十分昂贵，对于河床中底泥清淤的准确度和精度的要求很高.目前，我国应用底泥疏浚修复城市黑臭水体代表性工程有：巢湖流域双桥河底泥疏浚工程[16]，南太子湖底泥疏浚工程[17]，合肥市南淝河底泥疏浚工程[18].

2.1.3 调水补水法 以工程或非工程技术为手段，将收集的雨水、污水厂再生水、江河湖泊水源引入被改善河道的水体中，提升和改善污染河道的水质，以达到黑臭水体的修复目的.调水、补水修复黑臭水体代表性工程有：利用雨水、再生水及松花江水源，对哈尔滨市雨源性河流何家沟实施综合补水，有效提升了何家沟河流的水质[19]；利用生态补水等综合整治措施，将青岛市中心城区的李村河打造成集休闲、健身、生态调节为一体的生态景观廊道[20]；利用巢湖水对合肥市滨湖新区的塘西河进行生态补水，既消除塘西河劣Ⅴ类水质，也减轻了巢湖的水质污染程度[21].

2.1.4 曝气增氧法 曝气增氧就是运用一些曝气设备将空气中的氧气强制溶解到黑臭水体中，快速氧化黑臭水体中的MnS及FeS等致黑臭物质.按氧源分可分为：纯氧曝气、空气曝气两种；按装置特征分可分为：纯氧微孔管曝气系统、纯氧混流增氧系统、鼓风机微孔布气管曝气系统、叶轮吸气推流式曝气器、水下射流曝气设备、叶轮式增氧机等[22].

曝气增氧法修复黑臭水体代表性工程有：天津宁河董庄深渠黑臭水体治理项目[23].南京市鼓楼区中心的清江北沟、清江南沟和清江沟黑臭水体的曝气增氧修复工程[24].

2.2 化学修复技术

利用化学药剂去除黑臭水体中的悬浮物、溶解磷、氮等污染物，叫化学修复技术.黑臭水体化学修复技术有：化学氧化、化学沉淀和化学絮凝等方法[25].化学氧化主要是通过高锰酸钾等强氧化剂，将黑臭水体中的污染物氧化分解为无害物质[26].化学氧化可去除黑臭水体中的铁、锰离子及嗅味物质，可控制水体中的贝类、藻类的生长[27].化学絮凝是指向黑臭水体中投加絮凝剂，使水中的悬浮物、溶质、胶体物发生絮凝沉淀，从而去除污染物.化学絮凝易造成二次污染，一般适用于紧急状况.牛美青[28]等利用硝酸钙可有效改善黑臭水体底泥污染物；董菊等[29]利用释氧剂ORC可改变底泥和水体的氧化、还原条件，对黑臭水体中致黑、致臭、有机物去除效果明显.秦晓振等[30]基于原位修复原则，利用石墨烯光催技术成功消除了黑臭水体.化学修复法有化学氧化、化学沉淀、化学絮凝等，主要优点是费用低，效率极高，短时间内有较好的修复效果.主要缺点是药品具有毒性，易造成水体二次污染.

2.3 生物-生态修复技术

生物-生态修复技术，因投资小、效果明显、而广泛应用于黑臭水体修复中[31].生物-生态法在净化、提升水质的同时，还能营造出色彩多样、水草摇曳的城市水体生态景观，广泛应用于黑臭水体修复及景观治理工程中[32].生物-生态修复技术主要包括：

2.3.1 植物修复法 芦苇、蒲草、茭白荀、莲、香蒲等挺水植物的茎、叶挺出水面，底泥中的根系分泌的微量元素与水体中的氮结合，可减少水体中的氮污染；菱、眼子菜、睡莲等浮水植物的叶片浮于水体表面，根系可深达水底土层，进行无氧呼吸，产生较多醇类物质.醇类物质的官能团会与水体中的磷分子发生自主结合,并形成多种羰基化合物；金鱼藻、苦草、黑藻、狐尾藻等沉水植物的花朵释放的藻类叶黄素，与水体中的污染性重金属发生复杂的化学反应,生成不具污染性的金属盐类物质,为其它植株的生长提供养料[33].植物根系吸收水体及底泥中的氮、磷、重金属离子等污染物质，经过同化、异化作用之后，将其转化为自身组分，并通过植物收割，去除污水中的营养元素[34].

2.3.2 微生物菌剂修复法 微生物菌剂是由单一菌株或复合微生物菌群制备而成，能够高效降解或矿化目标污染物[35].微生物菌剂对黑臭水体的净化是一种微生物的酶催化反应过程.微生物在其生长、繁殖过程中，从水体污染物中吸收营养物质及碳源物质.这些营养物质的吸收，又促进了微生物菌剂活性酶的产生，加速其对黑臭水体污染物、COD的分解.修复常州市新桥镇藻港河，按照50 L水添加0.45 kg复合微生物菌剂的比例，均匀泼洒在1 233 m3的水体中.每月投放一次，经过5个月的调试运行，河道水质明显改善.TP、NH3-N和COD的去除率分别达到84.4%、98.6%和65.3%，治理后的水质达到地表水Ⅳ类标准[36].

修复深圳市甘坑河时，采用梅花式接种法，将微生物菌剂分两次接入河流水体及底泥中.结果表明,第1次接种4 d后，水体中P和NH3-N等浓度下降，水质明显改善.第2次接种后，水体中的COD、TP和NH3-N的去除率分别保持在40%、30%和40%以上[37].采用自制的移动式微孔曝气复氧机及投加微生物菌剂法，修复位于北方某城市内的河道.该河道的黑臭水体及底泥得到明显修复，蓝藻爆发率也大大降低[38].

修复海口市桂林洋经济开发区的福创溪-大排沟黑臭水体时，河道清淤后，在水体中投入缓释包埋微生物固定化菌剂.在曝气量为0.8 kg·h-1条件下，经96 h处理后，NH3-N由16.72 mg·L-1降至0.84 mg·L-1：COD由141.53 mg·L-1降至41.83 mg·L-1，对黑臭水体中的NH3-N和COD有显著的去除效果[39].目前，用于黑臭水体治理的微生物菌剂有：美国F-F系列菌、日本EM有效微生物菌、PSB光合细菌[40].

2.3.3 生态护岸修复法 生态护岸实现了河岸基底与自然河床的相互渗透，为水生、湿生等岸栖生物提供良好的共生环境.生态护岸营造出良好的自然生态景观.生态护岸的类型有：石笼护岸、土工格栅石垫护岸、生态混凝土护岸、自嵌式生态砖植被护岸、净水箱护岸、生态袋护岸、种植槽护岸等[41].目前，我国生态护岸代表性工程有：扬州市高邮横泾河整治生态护岸工程[42]，福州市闽侯县荆溪河道整治生态护岸工程[43]，永定河北京段沙质河道生态护岸工程[44]，郑州市荥阳索河生态护岸工程.

2.3.4 生态浮岛修复法 将水生植物美人蕉、鸢尾、马尾草、水芹菜、菱角、茭白等，固定在浮网或浮板上形成的植物群落即生态浮岛.通过浮岛上植物根系及分泌的微生物对水体中的氮、磷等污染物进行吸收和降解，达到净化黑臭水体水质的目的[45].生态浮岛修复技术以操作简单、处理效果好、环境风险低等优点，在河湖污染修复中得到广泛关注[46].为了保持生态浮岛的整体稳定性，降低浮岛内植物个体的竞争性，单体面积通常不超过12 m2.生态浮岛分普通型和新型两种.新型生态浮岛(IEFI)增加了生物膜单元、耦合了其它材料和工艺，实现植物吸收、基质吸附和微生物降解协同作用.浙江省生态环境科学设计研究院孔令为研究发现：新型人工浮岛对TP、TN、NO3-N的去除率分别为94.55%、83.39%、81.50%[47]，去除效果明显高于普通浮岛(CFI).利用大浮萍植物为主的生态浮岛修复南京市秦淮区广洋中心河，试验水域面积约为250 m2,浮岛植物总覆盖面积接近30 m2.通过对治理后河道水质一年的监测数据显示：浮岛植物生长期间，周边水体溶解氧增加了57.5%，透明度增加了30.8%，氨氮消减了40.2%，总磷消减了28.9%[48].

2.4 三种修复技术对比

针对黑臭水体的不同修复技术，表2从技术特点、应用场景等方面对上述三种修复技术进行了对比分析.

表2 黑色水体修复技术对比Tab.2 Comparison of black water body restoration technologies

3 总结与展望

黑臭水体的存在，对周边景观环境及居民的身体健康造成不良影响，因此，对黑臭水体的治理与修复是各级政府的当务之急.目前，我国黑臭水体治理工作正处在关键期.黑臭水体的修复做到常态化、绿色化、生态化，综合利用“物理+化学+生物-生态”等黑臭水体的修复技术[49].同时，应做好重点污染源排放、管理工作，建立多部门联动工作制度，杜绝乱排乱放现象的存在，实现黑臭水体治理的长效管理机制，达到人与自然的和谐发展.