韩阳
身份证号码：23212619971229****
摘要：城市河道黑臭水体对市民生活有严重不良影响，黑臭水体形成复杂、治理难度大。本文通过分析黑臭水体的外源性及内源性成因，明确了黑臭水体来源与治理方向，通过对南湖水质污染成因的分析,针对性地采用污水截流、雨水收集处理系统、生态清淤、生态系统构建等技术措施,有效控制并削减了入湖污染物浓度,恢复了多样性生态系统,南湖水质得到明显改善。除此之外,南湖水环境的有效治理为其他城市封闭性黑臭水体治理提供了宝贵的研究思路和成功的借鉴。同时从控源截污、底泥修复、水体净化等方面研究了有效治理城市河道黑臭水体污染的技术，旨在进一步明确其治理策略，以期为有效治理提供参考。
关键词：城市河道；黑臭水体；环境污染；治理技术
一、影响城市河道水体环境的因素
1.1水体有机污染
随着城市经济的快速发展，城市居住人口增长过快，人口布局相对集中，城市污水处理能力往往不足，截污治污设施相对落后，加之城市地表径流污染负荷较大，故而造成大量有机污染物排入水体。有机污染物的分解过程消耗水体中的溶解氧，造成水体缺氧。而水体中的厌氧微生物在水体缺氧环境中大量繁殖，分解有机物产生大量致黑致臭物质，因此引发了水体黑臭。
1.2水体自身水源污染物质集中
一旦水体自净能力低于污染量，水体好氧微生物会迅速消耗，当低于每升2mg时，水体为厌氧环境，此时在厌氧非微生物作用下水体逐渐变得黑臭，有机物质被分解为甲烷、硫化氢、氨气等存在异味、容易挥发的气体与低碳脂肪酸、胺类物质等，另外，土臭素、异茨醇也会致使水体黑臭。
1.3水体热污染
电厂、大型工厂的集聚，加上对工厂污染物排放的监管存在疏漏就会使大量没经过处理的污水排放到河道中，因为工业废水的成分十分复杂，污染物浓度较高，本身就容易在排污口的周围出现大面积水体污染。而且随着温度的升高，这些水体中的放线菌的繁殖能力将大大提升，使有机物得到分解，从而引起水体黑臭问题。
1.4河道自净能力较差
河道水体在大量生活、工业垃圾和污水的侵蚀下已经遭到了严重的污染，而一旦水体环境发生污染就会扰动水生物的生长，使水生态平衡受到影响而失衡，水体自净能力急剧下降，从而使水体发臭发黑。此外，河道中的淤泥较重，河床被抬高使河水的流动能力下降，加上河道上本身就可能存在悬浮物，水动力较小，使河道自净能力变差。
1.5不流动和水温升高的影响
丧失生态功能的水体，往往流动性降低或完全消失，直接导致水体复氧能力衰退，局部水域或水层亏氧问题严重，形成适宜蓝绿藻快速繁殖的水动力条件，增加水华暴发风险。此外，水温的升高将加快水体中的微生物残体分解有机物的速度，加速溶解氧消耗，加剧水体黑臭。
二、城市河道黑臭水体污染治理技术
2.1控制外源性污染
该污染治理技术主要指在源头上防止污染物进入河道，即控源截污。该技术最为直接有效，是其他治理技术实现的基础与保障。从城市污水处理厂的角度看，污水处理厂污水处理效率低于污水排放，且城市基础设施布局不合理、建设标准不一致，错接、混接等问题严重，加上运营维护不科学、管道堵塞情况多，导致传统控制外源性污染的方法难以发挥作用。对此，想要充分实现控源截污，第一，应当建立健全城市针对工业企业、市民生活等废水排放管网系统，同时注重进行城市雨水、污水的分流改造，应当推动城市污水处理厂改造，提高其污水处理能力，满足当下污水处理要求，同时对其达标标准进行提升，以保证在实现对黑臭水体处理结束后，尾水能够为河道补水，继而提高水体流动性，促进水循环，对难以有效截留的污水，应当应用分散式处理设备加以处理；第二，注意合理高效处理与利用雨水，可结合城市区域低影响开发、雨水控制技术、雨水净化技术等处理径流内的污染物质，防止其进入河道，减轻治理压力。
2.2底泥疏浚治理技术
在河道中，最重要的一种污染物就是底泥，它是导致河道水体发生黑臭的最重要因素，底泥疏浚技术是清理底泥、疏通水道的一种极为重要的技术，底泥疏浚技术可以将河道中的底泥快速且永久性的去除，在河道治理中得到了十分广泛的应用。其主要的清理办法有水力冲挖、干床清挖等方式，通过这些方法能够将河道快速疏通，改善水力条件，将河道底部表层中的沉淀物去除，从而加速河道中水体的水循环，让水体有更好的自净能力。虽然底泥疏浚技术能够对水体黑臭治理起到一定的效果，但是清理出来的底泥中所含有的有机污染物及重金属离子却无法得到彻底处理。因此，为了避免产生二次污染，需要再次对底泥中有机污染物及重金属离子进行治理。
2.3生物-生态修复技术
生物修复指的是使用特殊的微生物分解水体中的有机物质，降低黑臭水体污染物含量，并对污染物进行处理，从而改善河道的整体环境。该方式在修复中对环境不会产生伤害，也不会出现二次污染问题，因此在河道黑臭水体中得到了广泛的应用。具体生物-生态修复技术有微生物强化、水生植物净化等。比如利用食藻虫控制引导水生态修复技术，构建生态共生系统，利用虫控藻和鱼食虫等构成生物链，发挥沉水植物对营养物质的吸收净化作用，从而可有效改善水生态环境。另外，太阳能生态浮岛、悬浮式生态坝等也是常见的生态修复净化技术。比如太阳能生态浮岛是指利用传统生物浮岛和太阳能微生物曝气系统，发挥植物、微生物与动物等多重水质净化作用，不仅治理效率高、效果好，而且对周围环境带来的影响较小。
2.4水体净化
水体净化主要包括水体富氧、水生植物种植、微生物群落恢复等技术。其中水体富氧是治理城市河道黑臭水体的重要方法，在黑臭水体形成原因之一是水体含氧量下降。在控制外源性与内源性污染的基础上，采取水体富氧治理方法十分重要。具体而言，可以应用曝气船、自然跌水等方法落实水体富氧。提高水体中含氧量，为水生动植物、微生物创造良好条件。水生植物种植也十分必要，水生植物有助于改良水系统。现阶段，水生植物种植方法有二，一是直接种植，二是间接种植。应当选择富集氮磷且耐水、观赏价值均较高的植物进行种植，同时加入微生物球吸附、讲解污染物质。直接种植可以选择沉水、浮水与挺水类植物。参照河道基底种植沉水植物，例如，黄丝草、伊乐草等；参照河道水质种植浮水植物，例如，水龙草、水葫芦等；参照河道水深种植挺水植物，例如，芦苇、菖蒲等。微生物群落有助于分解有机污染物质为无机物，加速水体循环。河道黑臭水体微生物群落通常很小，且类型单一，难以发挥分解功能，对此，应当向水体中投放微生物制剂，丰富微生物群落，提高水体分解效果。
三、水体污染成因分析
在进行水体治理前,首先是通过现场排查和相关资料调研,系统分析水质水量特征及污染物来源,在此基础上结合环境条件与控制目标,确定水体整治的技术路线。
3.1点源污染
我国城市水体普遍存在“下雨就黑”的问题,其根源是雨水从雨水排水口、合流排水口溢流造成了污染[2]。经现场勘查,南湖原状沿岸共有6个雨水排水口,其中,东边、南边小区较为密集,且各排水口均有少量污水汇入。通过对雨水口旱季污水量测算以及国家相关技术规则确定的污水污染物浓度参数,计算每年排入水体的污水污染物含量约为:CODCr=21.5t、NH3-N=2.92t、TN=3.65t、TP=0.26t。
3.2面源污染
南湖唯一的水源为降雨,汇水范围约为2.1km2,大部分为公园绿化,少部分为城市居住区,初期雨水所携带的污染富集,造成水环境恶化。根据汇水范围内降雨量及国家相关技术规则确定的污染物浓度参数,估算出地表雨水径流每年排入水体的污染物含量约为CODCr=46.6t、NH3-N=0.7t、TN=2.1t、TP=0.1t。
3.3内源污染
南湖水体不断容纳外界排入的各种污染物,以及动植物腐败后的大量沉积物,内源污染较为严重。经现场勘测,南岸底泥厚度约为40～50cm,中度黑臭,颜色偏深;黄山路侧的颜色偏黄,臭味明显。水体底泥成分检测如表1所示,底泥中氮磷及有机质含量高,清淤十分必要。
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3.4生态系统失衡
南湖水系水质为劣Ⅴ类,浮游植物密度达109ind./L,主要种类为水华微囊藻和铜绿微囊藻。蓝藻大面积暴发、水华现象严重,水体北侧藻类、水生动植物死亡后腐烂;水体水生植物系统单一,水体自我净化能力低;加上水体严重缺乏管理养护,水生态系统亟待完善,基本丧失了娱乐、生态功能,水体原状如图2所示。
四、治理措施
依据南湖原状条件,按照“源头减排、过程控制、系统治理”的治水理念,采用污水截流系统、雨水收集处理系统、生态清淤及水生生态净化系统等综合治理措施,以实现“改善水环境、修复水生态、涵养水资源、保障水安全”的多重目标。
4.1控源截污纳管
“黑臭在水里,根源在岸上,关键在排口”,截污纳管是水体治理最直接有效的工程措施。根据现场条件,沿南湖岸线铺设污水截流管,将黄山路南侧雨水口、玉兰大道及西侧雨水口、望江路雨水口、澜溪镇雨水口等旱季污水截流,通过污水泵站提升至香樟大道污水管,送入污水厂处理。经测算:旱季污水量为17.52m3/h,取截流倍数2,设置截污泵站的规模为1300m3/d。
4.2过程控制
对于径流污染,除了靠地面保洁外,更重要的是充分利用LID技术和海绵城市理念,从源头减少污染物量。因此,在南湖汇水范围内构建雨水收集处理系统,采用“沉淀沟—氧化塘—潜流湿地”组合模式(图1),在径流过程中控制初期雨水、冰雪融水、地表固体废弃物等入湖污染源。
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图1 雨水处理系统流程
(1)初级沉淀沟
根据南湖西侧地形及林间沟渠现状,修建旱溪式沉淀沟。在绿化较好及开阔地带采用植草浅沟,提高对初级雨水中悬浮物及泥沙颗粒的沉降作用。根据地形相应变化,植草浅沟设计深度为20～50cm,草本植物的栽培密度为150株/m2。在光照条件不适宜植物生长时,采用碎石沟渠,达到分流及过滤的功能。碎石粒径依据水流通路的不同设计不同粒径(d=20～40cm),进水前段设计大粒径(d=40cm),后端设计小粒径(d=20cm)。当雨水流经植草浅沟、碎石沟渠时,经过沉淀、过滤、渗透、植物吸收及生物降解等作用,可有效削减径流中的污染物,同时缓冲暴雨峰值流量。
(2)氧化塘
为了控制南湖汇水区域内地表径流雨水以及雨天溢流污水污染,项目设计6个氧化塘(图4),总面积为8144m2,其中,表流湿地带面积为1278m2,形成缓冲带,沉水植物净化区面积为6866m2。通过在氧化塘种植水生植物,在以太阳能为初始能量的推动下,利用生物氧化塘中多条食物链降解和转化水体中有机污染物。氧化塘形成的缓冲带,有效减缓了入湖水体流速,并对水体携带杂质有一定的削减作用。
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图2氧化塘水流示意图
(3)潜流湿地
因氧化塘不能充分处理排入南湖水体的污染物,在水量和水质负荷较大的玉兰大道及西侧雨水口和望江西路雨水口设置“氧化塘+潜流湿地”,对入湖水源进一步处理,减小南湖水体的自净压力。污水在潜流湿地床内部流动,利用填料表面生长的生物膜、丰富的根系及表层土和填料截流过滤等作用,提高其处理能力和效果;同时,利用植物根系的输氧作用,对悬浮物、有机物和重金属等也有较好的去除效果。
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图“氧化塘+潜流湿地”效果示意图
本案潜流湿地A设计面积为249m2,湿地B设计面积为211m2,湿地滤料设计深度为1.5m,滤料是粒径为5cm的滤石,滤料上覆土工布后覆20cm种植土。植物选择低矮品种的香菇草。潜流湿地建设采用Ф15cm木桩构成框体,湿地顶标高高于常水位20cm,内侧竹排的布设确保密排,禁止出现较大的空隙,并在滤料与竹排间铺设土工布。
4.3生态清淤
水体黑臭的另一原因是内源污染问题没有得到根治,没有建立起良性的生态系统,自净能力欠缺[4]。通过对南湖底泥污染物含量及底泥粒径检测分析得知:底泥中的碳氮磷等营养物质丰富,含量较高,土壤粒径具有垂直变化的特征,表层土壤粒径为0.005～0.01mm,中层为0.01～0.05mm,下层为0.05～0.15mm。为了清除底泥污染源及提供水生植物的生长基础环境,底泥清淤采取分层分段逐片进行开挖。根据水生植物的生长需求及水质需要,表层底泥氮磷等营养物质丰富,但颗粒小,结构松散易悬浮,会加速水体富营养化,选择清淤外运;中层底泥营养物质较丰富,但土壤粒径过小,不利于水生植物根部呼吸作用,因此,选择清淤至湖滨带与原状土混匀,用作周边绿化;下层土壤营养物质较少,土壤粒径大小适宜,采取沉水植物栽培的方式进行原位净化吸收。通过以上措施,基本实现了南湖底泥污染的内部吸收净化,有效保护了周边生态环境。
4.4水生态系统构建
新开挖的湖体缺乏完善生态系统所需的生物环境及营养级联关系,需要人工构建配合水系景观的净水水生态系统,运用生态操纵技术有效进行水质净化,并通过调整使生态系统长期保持稳定状态。本项目通过模拟自然水体的水生态系统组成,构建由生产者(水生植物)—消费者(水生动物)—分解者(微生物)组成的水生态系统,利用物质及能量的转换,削减污染水体中的营养盐,最终实现水体的净化。
4.5水生森林系统构建
(1)沉水植物净化系统
沉水植物是水体生物多样性赖以维持的基础,其所产生的环境效应是生态系统稳定和水环境质量改善的重要依据。考虑南湖公园的整体定位及水系特点,沉水植物选择净水能力强、景观效果好、维护简单的种类,栽植方式为群落形式。根据南湖水下地形设计及沉水植物等深线分布,将南湖分为浅水初步净化区及深水深度净化区。在浅水区域内设计景观效果好、净水能力强的矮生耐寒苦草;在深水区域内,选择刺苦草、轮叶黑藻、马来眼子菜、伊乐藻等,与浅水区水下草皮结合形成层次丰富的水下植物景观,为水生动物提供丰富的生境条件。通过计算,本案沉水植物设计面积为58025m2,种植分布区如图所示。
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(2)滨水景观净化系统
挺水植物具有很好的造景功能,同时对暴雨冲刷还具有拦截作用,起到进一步保障水质的作用。根据项目现状及功能定位,在东侧视线开敞区域设计精致型挺水植物,主要选择梭鱼草、水生美人蕉、旱伞草、泽泻及黄菖蒲,形成节奏明快、色彩艳丽的动感体验区;在西侧及南侧的林下半封闭区域设计野趣型挺水植物,主要选择常绿鸢尾、芦苇、水菖蒲,构建安静宜人的静态体验区。浮叶植物对于微气候具有明显的调节作用,因此,在南湖景观节点及视线焦点设计布置睡莲,营造层次丰富、色彩艳丽的水域景观。通过计算,本案滨水景观植物设计面积为4681m2。
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4.6水生动物系统构建
南湖水体氮磷含量丰富,易出现藻类大量繁殖的情况,在保护水生植物净水功能的前提下,为了完善水体中的食物链和食物网结构,科学放养滤食性鱼类、底栖动物和浮游生物,通过营养级联顶端控制蓝藻水华暴发和实现水质净化,构建水体微生态系统进行水质调控,提高水生生态系统的稳定性。本案在水体中选取放养一定种类和数量的肉食性鱼类和底栖动物,与水中的细菌、单细胞藻类和原生动物,构建水生动物生态系统,初步估算水生生物投放量如表1所示。根据南湖的水体现状,水生动物的放养将充分考虑水生动物物种的配置结构(时空结构和营养结构),科学合理地设计水生动物的放养模式(种类、数量、个体大小、食性、生活习性、放养季节、放养顺序等)。
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4.7微生物系统构建
南湖水体污染特性以NH3-N、硝酸盐氮及TN为主,通过激活水体中光合细菌、硝化细菌及反硝化细菌为主的土著微生物种群,吸收分解水中营养盐、有机物,进一步降解污染物。为了激活并引导土著微生物种群生长繁殖,在南湖水体中投放生态基,将原本存在于水体底泥、植物根系或悬浮于水中的微生物富集在生态基表面,使这些微生物找到更加适宜的居住空间,从而培养种类丰富、数量多的微生物。因此,在南湖不同水深区域设立了生物基点,生物基布置工程量如表2所示。
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五、治理效果
5.1水体自净能力提高
南湖水体通过水生森林净水系统、水生动物的放养、微生物系统的激活等措施,构建的水生态系统具有较好的污染负荷净化能力。经过对南湖水环境容量进行分析,并计算生态系统削减值、水环境容量值和南湖的年污染负荷入湖量(表),南湖经过生态系统修复后纳污能力大于污染负荷,可保持水体的水质及水景。
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5.2水体环境明显改善
通过污水截流、雨水净化处理、内源修复、水生森林系统、微生物生态系统等治理措施后,经连续水质监测数据显示(表),基本达到国家地表水环境质量标准(GB3838—2002)Ⅳ类标准,水体及周边环境得到了明显改善。
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结束语
我国大部分城市治理河流黑臭的技术和方法包括物理法、化学法和生物法，其中由于生物修复具有环境友好、生态节能等优点，在黑臭河流的治理中得到了广泛的应用。另外，在原有物理、化学和生物技术的基础发展、组合和延伸一系列新技术也有着广阔的发展前景。国内外对黑臭河流的治理研究已有了一定的成效，并且建立了相关的水质指数关系式以及预测模型。今后，黑臭河流的治理以及组合技术的推广将拥有更加广阔的前景。
参考文献：
[1]市黑臭水体整治思路、措施及典型案例分析[J].路金平.环境工程.2019(03)
[2]城市黑臭水体识别监测与治理技术研究现状及进展[J].高军.环境工程.2018(10)
[3]河道水体水质对底泥污染物释放的影响[J].吴海平.净水技术.2018(09)
[4]关于规范黑臭水体治理的全过程管理分析[J].祝宇.环境保护.2018(7)
[5]黑臭水体治理技术研究进展[J].宁梓鑫.环境工程.2018(08)