城市黑臭水体污染分析及治理技术研究

文_李传镇 刘娜 江苏河湖环境科学研究院有限公司

由于全球工业化和城市化进程日新月异，大量未经处理的生活污水和工业废水直接排放到城市河流中，从而导致河水质量明显下降。在某些情况下，重度污染的河流甚至表现出季节性和常年性的水体黑臭味，这不仅导致水资源减少，而且对人类健康构成威胁，阻碍城市生态建设和可持续的城市经济发展。

我国有超过80%的城市河流正遭受污染，其中大部分已变成黑臭的河流。黑色臭味的水体是由于水体中存在过多的化学需氧量（COD），氮（N）和其他污染物而造成的，这些污染物有可能导致水体缺氧并破坏有机物，从而导致严重的有机污染。由于厌氧微生物的分解，有机物质会产生刺激性气体，例如硫化氢、甲烷和氨，这些气体可能会从水表面释放出来。带负电的硫化物悬浮胶体（例如FeS和MnS）使水体变黑和变臭。黑臭水体的处理主要分为物理方法、化学方法和生物方法。物理方法是指市政工程方法，如控制源截流，泥沙疏、曝气复氧、输水等；化学方法包括中和、沉淀、絮凝等；生物修复方法主要包括微生物修复和植物修复。

1 黑臭水体产生机制

持续排放到河流及其支流的有机污染物被认为是造成水质差的最重要原因之一。鉴于城市建设项目的快速发展和人口激增至数百万，空间人口已变得集中，当地的污水收集设施无法处理过量的生活污水。此外，地表径流日益严重的污染负荷导致大量有机污染物排入河体中。有机污染物主要包括有机碳源（例如COD、BOD5和有机氮）及其化合物（例如铵态氮化合物和含磷化合物），这些化合物源自废水中糖类，脂质和氨基酸的分解产物，而且，降解过程消耗了水体中大量的DO。同时，聚集在水面上的有机物会形成破坏空气界面交换的膜。

此外，作为导致水体变黑并散发出恶臭的重要污染因子，沉积物的再悬浮使污染物被沉积物吸收，从而导致水体与孔隙水之间的交换。然后，该过程将许多类型的污染物排放到河中。与以前相比，水变得越来越黑，臭味也越来越大。许多沉积物为放线菌和蓝细菌等微生物提供了适宜的生存环境，这两种微生物使沉积物进行甲烷化和反硝化，从而恶化了水体的状况。通常，有机物是导致河水体变成黑臭水的致命影响因素。

2 黑臭水体治理技术

有试验研究曝气与生物膜技术相结合对黑臭河中氮素转化的影响，结果表明，通气能在一定程度上提高被污染黑臭河流的溶解氧含量，对所有形式的氮的转化和微生物活性都有显着影响。特别是在恢复河流水质方面，泥沙曝气优于水曝气。对于严重污染的城市河流，复氧能力是有效应用生物修复的前提。在曝气的基础上，生物膜技术可以明显去除水体中的NH4-N和TN。一方面，就时间和空间而言，生物膜系统具有生物脱氮的有利条件；另一方面，生物膜引发硝化和反硝化作用，可以加速N2的生成并从水体逸出。

关于生物膜内部的物质循环，生物膜的群落结构和功能以及影响生物群落的物理、化学和生物学因素，仍需要进行更深入的研究。总体而言，采用合理的程序，将沉积物曝气与生物膜技术相结合，可以明显改善黑臭城市河流的修复效果和稳定性，对严重的城市河流具有重要意义。

与许多传统技术方法相比，生物修复是一种低成本的方法，目前正在广泛研究各种应用，包括利用微生物修复沉积物。人工水生植物（AAP）由于其成本低，比其他方法造成的二次污染少且对环境安全，因此在水环境保护和恢复领域通常被认为是一种生物生态恢复技术。

AAP技术起源于日本，最早在污水处理领域使用。后来，在流域建立了人工水生细绳，以改善广岛福山的水质。经过4年的观察，结果显示BOD和SS的平均去除率分别为31.8%和18.5%。1993年，日本广岛县福山市的排水沟还配备了细绳生物填料。结果表明，COD的去除率为2%～32%，BOD的去除率为11%～46%，SS的去除率为16%～53%。

我国已经在利用生物碳带技术进行了废水净化方面的实验，并实现了污染物的有效去除。有学者比较了人造水垫和碳纤维载体对水质的影响，发现透明度对前一种处理有更快的改善。为了改善水质，在汉阳市的一个湖中建立了多环AAP系列，导致处理后CODMn和Chl-a明显下降。

迄今为止，大多数研究都集中在系统中采用的不同水力停留时间（HRT），体积载荷和载体体积比的净化效率上，但是，对其他条件如AAP的长度和pH值非常有限。黑臭河已成为一个突出的环境问题，特别是对于发展中国家而言。一项实验室以确定人工水生植物（AAP）的最佳操作参数，为其在黑臭味河流中的应用提供了理论和科学依据。在具有不同AAP长度和pH的系统中测量了化学需氧量（COD）和氨氮（NH4+-N）。24d后，APP对COD和NH4+-N的最佳去除效率分别为100cm的90.07%和82.40%，pH值8.0～9.0的90.70%和91.90%。高通量测序分析表明，APP的相对丰度黄杆菌在50cm处为7.80%，而在100 cm处该比例增加到29.30%。pH8.0～9.0相对于pH 6.0～7.0而言，随着长度的增加，微生物的丰度不断提高，不动杆菌的比例明显增加。结果表明，在人工湿地中，AAP对COD和NH4+-N的平均去除效率分别为27.75%和14.34%。因此，AAP有利于细菌的生长，可用于处理黑臭河。

为了控制受严重污染的有机沉积物、营养物、硫化物和重金属污染的沉积物的黑臭味，有学者提出了一种创新的原位沉积物修复方法，建立一条20m的河流沉积物和水通道，模拟珠江三角洲地区不规则的半日潮汐河。

首先，在低潮时期，通过曝气沉淀物将沉淀物悬浮到上层水中，硫化物在其中被氧化。然后添加化学药品（磷酸盐和石灰）以稳定重金属并沉降悬浮的沉积物。曝气处理结束后，将硝酸钙直接注入沉积物中以防止硫化物再生。最后，培养并驯化了一个厚度为4cm的本地活性污泥层，通过该污泥层在好氧条件下对表层沉积物和上覆水中的有机物进行了生物降解。

结果表明：①采用原位沉积物曝气，使沉积物中硫化物的95.7%被氧化，气味消失。②稳定化处理后，沉积物中铜、铅、锌的释放量减少了80%～95%，而总磷的稳定度达到了90%。此外，处理过的沉积物中的硫化物浓度保持低于15mg/kg达6个月。③本机细菌的活性污泥层具有较高的生物降解能力，上覆水中BOD5、NH4+-N和TP的去除率分别达到89.2%、92%和71%。此外，该层使表面沉积物的颜色从黑色变为浅棕色，这表明黑臭问题得到了很好的解决。

此外，考虑到河流污染的普遍性、分散性和难于集中性，近年来生物修复技术因其具有就地处理、修复时间短、处理效果好、处理成本低等优点而得到广泛应用。由于植物修复的时间长、效果慢，以及气候条件的重大影响，因此一般不采用此方法。

根据传统的微生物处理，将外部细菌或生长促进剂直接喷入水中。然而，缺点是微生物很容易被水流去除，这导致富集效果不太明显。生物膜方法为微生物创造了稳定的生活环境，并防止了微生物的损失。此外，它具有丰富的微生物种类，高活性，稳定的处理效果，强大的抗冲击能力以及简单的日常操作管理，这为其在河流处理中的应用提供了广阔的前景。

人工曝气技术依靠多种不同的人工增强曝气方法向水中注入空气或氧气，并且可以：①在短时间内氧化诸如H2S和FeS等黑色臭味物质。②增强河水湍流，加速水的再氧化。③抑制藻类的生长。④将大量有毒污染物降解或转化为无毒形式，有利于恢复生态平衡。

3 结语

河道中严重的黑臭现象对城市居民的生活和城市的生态环境产生了非常不利的影响，大大降低了环境质量。城市黑臭水体情况日益显著，危害很大。因此，必须充分注意科学合理的处理方法，以改善城市的整体环境质量。

对于黑臭水体的处理，目前使用的主要方法包括化学添加、人工曝气、综合处理和其他处理方法。将来，黑臭水体的处理也将主要针对化学、微生物、材料等，尤其是对氧化性物质和水的再氧化的研究。如果能够促进水体的再氧化并充分氧化，其中包含硫，铁和各种有机化合物，那么水体的黑臭现象将得到有效控制，我国水体的黑臭问题将得到大大改善。