城市黑臭水体成因及治理措施分析

文/中交四航局第七工程有限公司 徐平波

0 引言

21世纪以来，我国城镇化、工业化进入高速发展期，城市河道污染形成的黑臭水体已成为城市发展亟待解决的问题。郝天文等[1]研究表明早期城市排水系统和污水处理系统存在设计缺陷和容量过小问题。胡洪营等[2]研究表明城市化、工业化使城市污水排放量不断增加，城市排水系统处于混排及超负荷运转状态。陈国磊等[3]指出城市黑臭水体破坏了城市河道生态系统，给自然生态环境带来严重污染，城市黑臭水体长期存在会引发大气污染，严重影响城市周围居民生活环境，给居民带来健康隐患。城市黑臭水体是城镇化建设及社会发展过程中不可忽视的环境及社会问题，国务院公布的《水污染防治行动计划》表明生态文明建设是关系中华民族永续发展的根本大计，黑臭水体导致的环境恶化严重阻碍城市生态文明建设，进而制约城市经济发展[4]。

基于此，以深圳市宝安区全面消除黑臭水体工程为例，在分析城市黑臭水体根本成因基础上，从工程应用角度，通过建管纳污、雨污分流、正本清源、动力补水及生态修复等切实可行的措施进行全面治理，实现黑臭水体标本兼治，长治久清，从根本上解决城市水环境问题，加强城市生态文明建设，落实以人为本的发展理念，为我国城市黑臭水体治理提供参考。

1 城市水体致黑致臭机理

1.1 城市黑臭水体定义及判别依据

城市黑臭水体是指城市建成区内，呈现令人不悦的颜色和（或）散发令人不适气味的水体统称[5]。根据黑臭程度不同，可将黑臭水体分为“轻度黑臭”和“重度黑臭”两级。黑臭水体分级指标有4种：透明度、溶解氧、氧化还原电位、氨氮值。分级标准如表1所示，对水体取水检测，如检测指标超过表1内不黑不臭限值，即可定义为黑臭。

表1 城市黑臭水体污染程度分级标准

1.2 城市黑臭水体形成机理

城市黑臭水体有两大特征：黑、臭。黑臭归根结底是一种化学现象，水中有机物、无机物、金属离子等在厌氧微生物作用下发生一系列复杂的氧化还原反应，形成黑色物质及有刺激性气味物质，致水体黑臭。

1.2.1 致黑机理

孙韶玲[6]研究表明水体中形成的致黑物质主要有两种：固体形态悬浮黑色污染物及可溶性深色腐殖质有机化合物。生活污水及厂房污水中含有大量Fe2+、Mn2+及硫化合物，水体缺氧时，含硫蛋白质在厌氧微生物生化作用下产生S2-，S2-与Fe2+、Mn2+结合形成FeS及MnS，刘晓玲等[7]研究表明FeS、MnS被水体中腐殖酸及富里酸吸附络合形成悬浮性黑色颗粒物，致水体变黑，是水体致黑关键物质。河道污染物中可溶性带色有机物通过累加作用，加重水体致黑程度。

1.2.2 致臭机理

导致水体恶臭八大物质有：硫化氢、甲硫醇、甲硫醚、二硫化碳、二甲二硫、氨、三甲胺、苯乙烯，其中硫化物占5种，充分说明硫化物对水体恶臭具有显著影响。

厌氧环境中，水解型厌氧菌先将大分子有机污染物水解成小分子有机物，硫酸盐还原菌利用这些小分子有机物降解含硫有机污染物，在硫酸盐还原菌及其他厌氧菌共同作用下，含硫有机物被分解，产生甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫醚、羰基硫、二硫化碳等致臭物质，这些硫化物是水体致臭关键物质。

水体中放线菌、真菌及部分藻类生长繁殖分解水体中有机污染物，代谢产生2-二甲基异茨醇及土臭素等致臭物质，加大水体致臭程度。

2 城市黑臭水体成因

城市河道本身不生产致黑致臭物质，其仅是黑臭水体的终端载体，通过对宝安区排水系统现状调查研究可知，黑臭水体产生的根本原因如下。

1）城市排水系统现状存在设计缺陷 排水管网将城市各小区、公园、公寓、写字楼等排水源头联络汇集，形成城市排水支流系统，其中雨水系统最后汇流至河道，形成水体终端。这些排水源头或因设计缺陷，或因建成年代久远未彻底完成正本清源，厨卫污水管、化粪池出水管等接入雨水系统直排入河，污染河道水体。

2）面源污染未纳入排水系统 城市面源污染主要有地表径流面源污染和点源污染。污染来源主要为路面沉积物、生产及清洗废水、生活废弃物。主要污染元素为：有机物、水体悬浮物、石油类和氮磷等。点源污染来源主要为老屋旧村、集贸市场、汽修街（含洗车）、食街等产生的污染物。这些面源及点源污染并未通过完善的排水系统进行收集储蓄、处理，直接通过地表径流进入周边小微水体或雨水箱涵，最后流入城市河道，经生物化学反应形成黑臭水体。

3）城市主排水系统混流 部分城市干管排水系统为雨污合流系统，部分管网错接，雨污混流进入河道，污水入河形成黑臭水体。

4）河道内源污染 上游排水系统未彻底完成雨污分流、正本清源及面源污染整治，夹带大量泥沙、垃圾杂物及雨污混流水进入城市河道，污染物及泥沙大量沉积，使河道水体越来越浅，水动力不足，最后丧失自我修复能力，无动力环境加快水体中的微生物和藻类残体分解有机物及氨氮速度，加速溶解氧消耗，进而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体条件，增加水华暴发风险，引发水质恶化，导致水体黑臭。同时，底泥在高温作用下，微生物厌氧反应速度加快，底泥中的硫化物含量增加，向水体释放硫化氢等恶臭物质，进一步加剧水体黑臭。河道底泥无法自我修复或通过水动力排出，停滞的黑臭底泥是导致城市水体黑臭的直接原因。

对宝安区某5条城市河道底泥取样检测，检测数据如表2所示。5条河道底泥有机物及水分含量丰富，为水体黑臭生化反应提供良好条件。此外，底泥中还含有多种金属离子及有害重金属离子，为重度污染。

表2 河道底泥各项检测元素含量

3 城市黑臭水体治理措施

黑臭水体治理完成后河道水质需达到景观V类水体标准[8]，V类水体具体指标如表3所示。

表3 地表水Ⅴ类水质指标标准限值

治理完成后，进入至少3个月以上监测期，监测期内定期取水样进行检测，水样中各项指标均不得超过表3中所列限值，水体治理监测考核为合格。

截至2019年底，宝安区61条黑臭水体全部治理完成，以氨氮值及溶解氧为主控指标，通过治理前及治理后水质检测，得到如下氨氮值及溶解氧趋势。

如图1所示，黑臭水体治理前溶解氧范围为0.010～1.200mg/L，氨氮值范围在23.000～35.000mg/L，两项指标均大幅超过限值，治理后回到限值内，治理完成初期接近限值，随着时间推移数值逐渐远离限值，最后趋于稳定，并维持在较高水平。检测结果说明黑臭水体治理工作取得阶段性成功。对黑臭水体治理过程综合归纳，得出以下有效治理措施。

图1 黑臭水体治理前后溶解氧及氨氮值检测

3.1 正本清源

正本清源是彻底实施雨污分流、纠正污水错排乱接的基础与关键。以社区、住宅小区或相对独立的排水片区为单位，对片区内雨污水系统进行彻底改造，从源头实现雨污分流。

1）推行雨污分流制 对实行合流制及存在错接乱排情况的各社区、住宅小区等排水单元进行系统更新整改，原有建筑合流系统改为污水系统，接入市政污水系统，新建1套雨水系统，将原合流系统中雨水剥离，接入市政雨水系统。如立管改造措施，原系统仅有1套合流制立管，屋面雨水与厨卫污水经过合流制立管进入市政雨水系统，通过立管改造，增加1套独立立管收集屋面雨水，原立管系统仅收集厨卫污水，达到雨污分流目的。

2）增设环保雨水口 对传统雨水口进行改造，将其升级成为具有净化收集能力的环保型雨水口。环保雨水口自身结构对垃圾污染物进行有效拦截、吸附、过滤和生化降解，达到对初期雨水有效除污净化，可处理汇水面内10mm的初期雨水，初期雨水的污染物去除率大于70%，经过环保雨水口的地表径流雨水污染指数大大降低，入河后形成黑臭水体的概率明显减少。

3.2 重点面源污染整治

正本清源并不能完全阻止污水入河，面源污染是城市黑臭水体另一个主要来源，彻底进行面源污染整治才能从根源上剥离污染源，解决黑臭问题。

1）老屋旧村整治 老屋旧村多为散排，可根据旧村规模大小新建雨污分流排水系统，收集生活污水及屋面雨水；根据老屋旧村内楼栋数量，以1:3比例进行化粪池补建，对损坏的化粪池进行翻建，并对化粪池淤堵部分进行清淤，最后将化粪池出水管统一接入市政干流污水系统，彻底剥离化粪池污水。

2）集贸市场及食街整治 针对无收集系统的污染点，统一新建污水收集系统，如餐饮店前设置隔油池，集贸市场根据摊位设置清洗池，收集系统出水管选择合理路线接入市政污水系统；对临时错接乱排点进行封堵，新增1条接驳系统，选择合理路线接入市政污水系统。

3）汽修街整治 针对散排洗车点，设置沉砂池及收集系统，对洗车水进行过滤和收集，除去泥沙及机油，选择合理路线接入市政污水系统，消除洗车污水入河路径。

3.3 主排水系统升级

1）针对合流管 新建1套排水系统，彻底剥离污水，让污水回归污水系统，实现雨污分流。

2）针对瓶颈管造成易涝情况 重新进行流量计算，针对流量不足的现状排水系统拆除重建，通过扩大管径进行系统升级。

3）针对缺陷管 通过原位换管或非开挖管壁修复工艺对管道进行修复，使其重新恢复100%使用功能。

3.4 河道清淤

河道清淤主要靠机械配合人工进行。明河软质底段需分段设置围堰及临时导流措施，开挖淤泥至设计河床标高位置。开挖时须考虑上下游流水标高问题，避免出现倒坡现象，保证河道水动力条件，开挖深度根据取样位置底泥检测结果综合考虑。明河硬质河底及暗涵部分清淤需清至硬质面并进行冲洗，用吸污设备彻底清理流塑状污泥。

从表3中底泥检测结果可知，河道底泥含有毒重金属离子，清理后不能直接弃置，需进行处理。李志忠等[9]研究表明可设置底泥厂集中收集河道淤泥，并经专业底泥处理设备分离出有害难降解物质后再进行翻晒，达到运输及填埋标准后进行外弃填埋。杭世等[10]研究表明如条件允许，可进行污泥水泥窑协同处理，使污泥得到二次利用，达到清淤及资源再利用的双赢效果。

3.5 河道补水

对宝安区某6.9km河道水体上下游高差进行测量，高差为8.6m，平均坡度为1.25‰，上游无自来水水源，晴天无雨水排入河道，河道自身水动力不足，易形成局部无动力流滩涂、水潭，给水体至黑臭提供得天独厚的条件，所以必须进行补水。在源头设置动力水源，根据河道容量情况进行补水量控制，使整个河道水体流动，动力水的形成大大增强水体自我修复能力，有效破坏水体生化反应环境。

本着可持续发展战略，节约用水原则，河道补水可采用污水处理厂处理后达到合格排放标准的中水，增设泵房设备，通过动力补水管道将中水泵送至补水点。补水管道设置阀门，根据河道补水量需求进行补水调节，河道流水充足的雨水季节可暂停补水，旱季河道无流水，水动力不足时进行补水，使水资源与生态环境科学协调发展。

3.6 生态修复

通过彻底切断城市排水系统上游污水来源，进行控源纳污，完善系统雨污分流，采用河道补水措施，使城市黑臭水体得到根治。由于河道水体生态系统较弱，自我修复能力受限，因此需进一步提升水体生态建设，让水体达到长治久清的目的。

3.6.1 水体生态系统构建

王兴利等[11]研究表明耐污水生植物恢复是水生态系统修复的关键，通过不同沉水植物空间搭配，构建水下森林，形成城市水体生态系统。

沉水植物的选择应遵循以下原则：耐污能力强，可在恶劣污染环境中存活并形成固定群落；具有较好水质改善能力，植物自身特性可高效净水，改善水下光照条件，提高水体透明度和光补偿深度；生存能力强，可高效繁殖，对透明度要求低，适合伴生植物生长，易形成群体。

蓝于倩等[12]研究表明沉水植物应根据城市水体所在地气候条件进行合理搭配。“支状植物”可选择矮生苦藻、马来眼子菜、狸尾藻、美人蕉等；“蔓状植物”可选择小茨藻、轮叶黑藻等；“草状植物”可选择黑藻、狼尾藻、斑叶芒、细叶芒等；“挺水绿冠”可选择万维莎、睡莲、荷花等。

3.6.2 浮动湿地

对传统人工湿地进行全面提升，采用浮动湿地，贯彻海绵城市新思路。浮动湿地也称浮式湿地，即在水体中搭建类似人工湿地的结构，去除水体污染物并实现生态修复作用。浮动湿地主要组成架构如图2所示。

图2 浮动湿地组成架构示意

倪盈等[13]研究表明复合纤维浮动湿地可有效去除水体中有机物、氮、磷、重金属等多种污染物质，有效控藻，改善水体黑臭，适应不同水利条件的稳固要求，在不同水深水体下大面积稳固布设，增加水体透明度，减少底泥，控制异味，修复水生态环境，快速构建水生态景观，提升环境效应。浮动湿地基质材料与根系形成的“海绵体”比表面积大，能吸附大量微生物，形成生物膜，达到高效处理水体污染的目的。且浮动湿地可营造较强的生态功能，为水生动物、两栖动物、鸟类等提供生境平台，形成以微生物为基础的生物链，促进水体生态系统的自我修复。

从宝安区黑臭水体治理结果来看，水体生态系统修复及浮动湿地修复效果良好，水质净化速度快，持续时间久。为提高河道水体自净效率，治理采用全自动微纳米曝气技术，实际效果并不明显，因曝气装置影响水体范围有限，不易固定，设备用电输送困难，且费用昂贵，无论从经济性还是适用性来说，都与黑臭水体治理长效机制相悖，不建议采用。

4 结语

1）我国城市黑臭水体治理现状不容乐观，尤其是老屋旧村、城中村较多的城市，涉及迁改问题，治理难度高，经济压力大，需国家及地方政府政策及财政支持，各方合力共同完成“长治久清”的治水目标。

2）城市面源污染整治未达到横向到边、竖向到底的程度，控源纳污未全覆盖，排水源头未完成正本清源，系统未彻底完成雨污分流，导致污水进入雨水系统，是河道水体致黑致臭的根本原因。

3）深圳市宝安区黑臭水体治理达到既定目标，说明上述治理措施具有可行性和参考性。

4）城市黑臭水体治理不能把重点放在黑臭水体终端治理层面，应追根溯源，梳理整个城市上游排水系统缺陷，对排水系统源头进行控源纳污，解决污染源头，彻底完成雨污分流，永久消除黑臭。

5）黑臭水体治理是从水体源头到终端一体化治理的系统工程，从正本清源、面源污染整治、控源纳污、雨污分流、内源消除、河道水动力提升到生态修复提升是城市黑臭水体治理不可或缺的闭合环节，各个环节在黑臭水体治理中起着承上启下作用，缺一不可。各个环节都必须因地制宜，进行全面彻底排查，以点带面完善设计方案，百分百覆盖所有污染源及雨污分流系统，合理选择施工方案，进而全面、彻底消除水体黑臭。