城市黑臭水體：汙染現狀、成因、評價方法、治理技術與對策

研究背景

隨著城市現代化、工業化的逐步發展，大量生活汙水及工業汙水向水體超負荷排放，水體自淨能力逐漸降低，有機汙染物大量排入，在好氧微生物的分解下，水體耗氧速率大於復氧速率，造成水體缺氧，有機物被厭氧分解，產生致黑致臭物質，最終導致水體黑臭。《城市黑臭水體工作指南》將城市黑臭水體定義為“城市建成區內的具有令人不悅的顏色或散發令人不適氣味的水體，並以百姓的感官判斷為主要依據”。城市黑臭水體不僅破壞河流生態系統、損害城市景觀，而且也會影響居民生活、危害人體健康，是目前較為突出的一種城市環境問題。

我國城市黑臭水體具有較為明顯的地域特徵（圖1），黑臭河道以“黑河騰衝線”為分界線，集中分佈於我國的東南部，並且其密集程度與經濟發展程度呈正相關，在環渤海經濟圈、長三角經濟圈、珠三角經濟圈分佈尤為顯著，特別是經濟發達且水系較多的中南地區和華東地區城市黑臭水體的佔比高達71%。早在1963年，上海蘇州河、黃浦江就被發現了黑臭現象，隨後是南京的秦淮河、蘇州的外城河和武漢的黃孝河等。截止2018年底，根據全國城市黑臭水體整治監督平臺顯示，全國已認定的城市黑臭水體數量總計為2100條，其中已完成治理1745個，治理中為264個，方案制定中為91個。但是，已經完成治理的河道若得不到長效維持，依然存在較高的水質再次惡化的風險，因此，我國城市黑臭水體的治理任務依然十分艱鉅。

圖1 黑臭河道區位分佈

一 摘 要

水體汙染嚴重製約著我國生態環境的可持續發展，水體黑臭是水體汙染的典型表現之一。通過對國內當前城市黑臭水體現狀進行調查、分析，概括總結了城市黑臭水體的主要汙染成因及致黑致臭機理，在對當前常用的城市黑臭水體的評價方法、治理技術調查分析的基礎上，重點剖析了城市黑臭水體治理技術的原理、優缺點及其適用性，最終從整治模式、公眾參與及長效管理等角度提出下一步的工作建議，為城市水環境的治理及水體生態維護提供決策依據。

二 城市黑臭水體成因及機理

1.城市黑臭水體汙染成因

1.1 有機汙染物高負荷排放

隨著城市化加快，生活汙水、工業廢水排放量日益遞增，而城市配套管網建設滯後，收集和處理汙水的效率較低，導致大量有機汙染物排入河流。有機物（如糖類、氨基酸、油脂、蛋白質等）分解，消耗大量的溶解氧（DO），致使厭氧微生物數量急劇增加，並釋放出大量有臭氣氣體（如H2S、NH3、CH4等），導致水體發黑發臭；且未經分解的有機物富集在水面形成一層有機物膜，破壞正常水-氣界面的交換，從而加劇水體發黑發臭。

1.2 底泥再懸浮

底泥是汙染物的重要集散地，但由於水體擾動，底泥中的汙染物會再次懸浮，對河流造成二次汙染。一方面，在一系列物理、化學和生物作用下，吸附在底泥顆粒上的汙染物與孔隙水發生交換，向上腹水釋放，導致水體中有機汙染物含量增加；另一方面，底泥是厭氧微生物活躍的重要場所，特別是藍藻和放線菌等微生物分解有機物質使底泥甲烷化、反硝化，致使底泥上浮和水體黑臭。而懸浮顆粒物含有的硫化亞鐵和硫化亞錳易被氧化，本身對水體起著致黑的主導作用。

1.3 河網水體流動性差

河網生態系統具有自我調節特點，對外界干擾有一定的抵抗和恢復能力，但很多河道存在曲折交錯、下游水位頂託等缺點，導致河網水動力條件差，不利於汙染物的遷移擴散。此外，河網資源人為過度開發，大量圍墾佔用河流兩岸灘地，修建水利工程，河道渠道化、硬質化等，導致河道系統生態環境異質性降低，汙染物積累，水體自淨能力減弱，生態系統退化，最終導致水體呈現黑臭現象。

1.4 水體熱汙染

溫度較高的工業高溫廢水、汙水處理廠退水以及生活汙水等排入河流，導致水體局部溫度升高，產生城市熱汙染現象，是導致城市水體黑臭的重要原因。水溫升高會使DO含量降低，也會加快微生物降解有機物質的速率，進一步降低水體DO濃度，釋放多種發臭物質。Wood等發現，當水溫<8℃和>35℃時，放線菌分解有機物產生致黑臭物質的過程受到抑制，河流一般不黑臭；但當水溫達到25℃時，放線菌最活躍，河流最易出現黑臭。

1.5 其它因素

水體中鐵錳的存在是主要的致黑因子，因此重金屬汙染是河流水體黑臭的重要原因。生活汙水中含氮磷有機物質緩慢好氧降解，也會導致DO降低、水質惡化、發黑發臭。此外，如航運汙染等，也是導致河流水體發黑發臭的重要因素。

2.致黑致臭機理分析

2.1 致黑機理

水體中的主要致黑物質包括吸附於懸浮顆粒上的不溶性黑色汙染物質，及可溶於水體的有色有機化合物（主要為腐殖質類有機物），致黑成分為FeS、MnS。在厭氧條件下，微生物可促進FeS、MnS的形成，其主要過程為：

微生物好氧分解有機物質，使水體呈缺氧環境，此時厭氧微生物的活動加速Fe3+還原為Fe2+；且隨著有機物濃度升高，鐵被還原的速度加快，水體變黑速度也顯著加快。當過量外源有機硫和硫酸鹽存在時，微生物可將一部分有機硫分解為無機硫化合物（以H2S為主），另一部分則沉積於底泥中，在放線菌等微生物的代謝作用下產生氣體，氣泡託浮黑色底泥顆粒物上浮，加速了水體的黑臭進程。

2.2 致臭機理

水體中主要的致臭物質為：揮發性有機硫化物、二甲基一硫、二甲基二硫、二甲基三硫及甲硫醇（MT）等。惡臭物質形成的過程主要為以下3方面：

1）CH4、H2S、NH3等小分子氣體。當水體處於重汙染水平時，有機物好氧分解造成水體嚴重缺氧，厭氧微生物大量生長，降解有機汙染物產生H2S、NH3、CH4等揮發性惡臭物質。在厭氧環境下，硫酸鹽還原菌利用有機汙染物作為電子供體，還原硫酸鹽生成H2S，具體反應如下：

2）水解型厭氧菌將大分子有機物分解為小分子有機物，在硫酸鹽還原菌及其它厭氧菌的共同作用下，利用小分子有機物分解含硫有機汙染物，產生揮發性有機硫化物（VOSCS），該有機硫化物主要包含：二硫化碳（C2S）、羰基硫（COS）、二甲基二硫醚（DMDS）、甲硫醚（DMS）、MT。水體中藍藻的分解也會產生大量揮發性有機硫化物，致使水體黑臭。藍藻體內含硫氨基酸約1%，大量死亡、分解後，產生高濃度含硫前驅物，在沉積物的強還原條件下，產生大量致黑臭物質。

3）土臭素：喬司脒和2-二甲基異茨醇（2-MBI）。在重汙染水體中，外源汙染物輸入量過剩，同時水體處於嚴重的缺氧狀態，水體中的真菌、放線菌、部分藻類大量繁殖，其新陳代謝過程中會分泌多種醇類異臭物質，如喬司脒和2-MBI，是導致水體發臭的主要臭味源之一。其發臭閾值分別是4，9 ng/L。此外，藻類裂解伴隨著β-紫羅蘭酮(醛)等致臭物質釋放，當其大量溢出，也會導致水體惡臭。

三 城市黑臭水體的評價方法

城市黑臭水體的評價方法目前沒有統一的標準，常用評價方法主要有物理評方法、化學評價法和生物評價法。

物理評價方法主要是通過人類感官對河道進行黑臭判斷，將水色分為4等級：黃/灰綠（無臭）、灰褐（微臭）、黑（臭）和深黑（惡臭），其中微臭為貼近水面有感覺，黑臭為站在河流旁有感覺，惡臭是距離河流1 m以外有感覺。該方法雖然直觀快速，但主觀性較強，結果不具統一參考性。

化學評價法包括單一指標法、綜合化學指標臨界法、黑臭指數（I）法、多元線性迴歸模型、綜合評價法、指南法等。

單一指標法常用的有3種：

1）DO指數法：當DO≤2.0 mg/L，汙染指數為1，表示黑臭；

2）色度（CH）表徵法，臨界值為21.5；

3）氧化還原電位（ORP）表徵法ORP

1）DO≤2 mg/L、CODCr≥15 mg/L、BOD5≥14 mg/L、NH4+-N≥8 mg/L、TP≥0.8 mg/L，水體發生黑臭；

2）厭氧條件且水深≥0.9 m，總有機碳≥150 mg/L，TN≥50 mg/L，Fe2+≥0.2 mg/L，溫度≥25 ℃，高汙染水體發生黑臭。

雖然單一指標法和綜合化學指標臨界法在實際應用中較為簡便快捷，但單指標和多指標有時都無法準確描述現狀，可靠性相對較低。

黑臭指數（I）法是通過構建綜合指標全面評價水體的黑臭程度，主要是建立黑臭水體主要環境因素和關鍵指標之間的關係方程。但由於不同流域河流存在較大差異，選擇的評價方程式不同，最終判別結果也存在較大差異。

多元非線性迴歸模型評價法是通過監測大量水質指標（如pH、DO、NH4+-N、TN、TP、PO43--P等）選取相關性較高的水質指標構建模型。能較全面、準確地預測水體的黑臭狀況，但在構建模型時需要監測大量水質指標，並進行篩選、比較、計算，過程較為複雜。

綜合評價法

指南法是《城市黑臭水體政治工作指南》中明確提出的城市建成區內水體黑臭評價的指標、指標閾值及評價原則。此方法雖然應用簡單、效果直觀，但並未明確黑臭水體的時間跨度，故無法界定黑臭水體的間接性黑臭類別和長期性的黑臭類別。

生物評價法主要通過生物毒性效應及水生生物種類及水質狀況的相關性進行評價，該方法能客觀對水質進行評價，但考慮不夠完善。目前，針對黑臭水體生物指標評價的研究數據量較少，需要以後進一步的研究探討。

四 城市黑臭水體治理技術集成

當前城市黑臭水體的治理遵循“控源截汙、內源清淤、水質提升、清水補給、生態恢復”的技術路線。在治理過程中，外源減排和內源清淤是基礎，水質淨化、清水補給是水質穩步提升的保證，生態恢復使城市黑臭水體的生態系統呈現一定的穩定性。

1.控源截汙技術

控源截汙是從源頭控制汙染源進入水體，是城市黑臭水體治理的基礎和前提，該工作主要包括截汙納管及水體面源汙染的控制。現階段對於控源截汙技術研究主要體現在：

1）構建適宜的排水體制和截留技術：通過關閉排汙口實現截斷汙染源，以達到削減排汙量，減少水體汙染物的目的。

2）分流制下初期雨水的處理技術：源頭減量，就地處理；收集調蓄處理；加強維護管理。

3）合流制溢流控制技術：主要從源頭控制、管道系統控制、儲存調蓄和末端處理等階段進行控制。

4）智能管網控制集成技術：通過設定管網優化目標，構建模型，根據不同需求，對城市水文、水質變化過程進行有效模擬，實現對城市排水系統的科學管理，比如蓄水處理與溢流模型（STORM）、雨洪管理模型（SWMM）、託普卡匹模型（TOPKAPI）等。

但目前很多城市管網設施自身存在設置不合理、建設標準高低不一、錯接或混接、運營維護不到位導致管道堵塞淤積等問題，使得“控源截汙”措施不能發揮出核心作用。

2.內源治理

底泥是水體汙染物的“匯”和“源”，想要實現對城市黑臭水體的有效治理需要對底泥進行疏浚修復。汙染底泥的處理技術具體包括原位處理和異位處理。

3.水質提升

3.1 原位曝氣

水體缺氧是城市黑臭水體最顯著的表現，因此保持水體耗氧/復氧平衡、增加水體DO含量是改善城市黑臭水體的首要工作。曝氣的作用主要有3種：

1）向水體中充入空氣或純氧提高水體DO含量，抑制厭氧微生物厭氧分解和藻類的生長，提高水生動物生存環境，恢復水體自淨能力；

2）改善水體和底泥氧化還原環境：在DO作用下，水中Fe2+在好氧微生物作用下氧化成Fe(OH)3沉澱附著在底泥表面，減少底泥再懸浮和汙染物擴散，同時Fe3+與底泥中PO43-結合降低TP含量；

3）增加水體的擾動，促進底泥中氨氮向水體擴散，降低底泥中氮含量，還能促進底泥微生物數量和多樣性的增加。

3.2 投加化學藥劑

化學藥劑修復技術是通過投加化學藥劑與受汙染沉積物之間的物理作用（一般為沉澱聚合）、化學反應（一般為氧化還原反應）等使沉積物中的有害物質減量，同時讓汙染物在底泥中脫離，轉變為低毒或者無毒的穩定化學形態。常用化學藥劑多為強化絮凝劑、化學殺藻劑、化學除磷劑和化學脫氮、沸石及改性過氧化鈣、氧化-載鈉改性材料、硝酸鈣材料等。

3.3 集成治理技術

內源汙染阻斷與黑臭快速消除技術是通過在河岸帶建立獨立的汙水處理系統，將部分河水從主河道內分流出來進行單獨處理，淨化後的水再返回河道，既可保證汙染河水得到充分有效的處理，也可保障河道原有各功能的作用。目前應用較為廣泛的集成治理技術有土地處理技術、生物處理技術和物理化學處理技術。土地處理技術是通過自由水面人工溼地系統、潛流式人工溼地系統及多級土壤滲濾系統淨化水質。生物處理技術是在反應器內安置填料和曝氣系統，通過填料表面生長的生物膜以及反應器內遊離的菌膠團共同對汙水進行淨化處理。物理化學處理技術常見應用為“超磁分離成套淨化設備”，是通過磁核、絮凝劑的物理絮凝作用，使水體中的汙染物形成以磁種為核的磁性微絮體，再經過永磁場將微絮體與水分離，從而實現水質淨化。多技術聯合應用具有更好的效果與應用前景，如高效絮凝生物澄清一體化汙水處理系統。

4.生態補水

生態補水是恢復水動力的一種重要方式，是通過水體置換，用清潔、低濃度營養的水更換富營養化的水，或增加進水量將水體原有的水沖刷出去，補充受損生態系統缺失的環境因子，改善、修復、恢復生態系統結構、功能及自我調節能力。根據《城市黑臭水體整治工作指南》，利用城市再生水、清潔地表水等實施“清水補給”，可以改善滯留、緩流水體的水動力，有效提高水體的流動性，是解決黑臭問題的適宜技術方法。其方法是將黑臭水體通過泵或其它方式輸送至汙水處理廠處理，然後將水質好的水引入汙染河道或以實現黑臭消除。但本方法的實施受到諸多條件的限制，且底泥汙染、外源汙染等也需要同步進行處理，否則將導致汙染擴散到更大的區域。雖然生態補水可稀釋水體，迅速降低汙染物濃度，增加水體DO和生物量，增加水體流動性，從而防止和預防水體富營養化或者發生黑臭現象，但不能從根本上解決汙染物對水生態環境破壞的問題。

5.生態治理技術

生態治理技術主要是通過創造適宜多種生物生息繁衍的環境，重建並恢復水生態系統，恢復水體生物多樣性，並充分利用生態系統的循環再生、自我修復等特點，實現水生態系統的良性循環，主要包括水生植物修復法、水生動物修復法、微生物修復法等。

5.1微生物修復法

微生物修復法是通過向水體投加微生物菌劑或激活微生物活性，形成明顯的優勢菌群，採用生物調控法，調控微生物與水環境其它生物之間的關係，以達到生態平衡，實現水質提升。常用的菌劑主要包括有機物降解細菌、硝化細菌、反硝化細菌和日本EM菌（有效微生物菌群），能夠高效去除水體中的氮磷營養鹽、重金屬及難降解有機汙染物，其作用機理是通過細胞分泌的胞外酶和胞內酶將複雜有機物分解為簡單無機物，並降解汙染物質消除毒性。Chai等綜合PHA強化脫氮微生物學機制、菌-藻競爭和協同作用，基於水體生態系統穩定性以及水體生態修復自淨理論研究出了水體微生物活化技術。但目前的生態修復技術存在應用技術單一或簡單疊加的情況，缺乏對水生植物生長控制性影響因子的深入研究，導致很多不確定因素，對生態系統穩定性產生不利影響。而且，水生動物如何與植物生態系統協調搭配仍是構建完整生態系統的一個難點。

5.2 水生植物修復法

水生植物修復法是應用水生植物的生態淨化作用，通過其在生長過程中吸收汙染水體和底泥中氮、磷等營養物質，同化成蛋白質和核酸等自身的結構組織物質，以去除水體中的氮、磷營養鹽；對於易於揮發的有機物（如三氯甲烷、四氯化碳及無機物汞），水生植物吸收後會通過蒸騰作用轉化為氣態物質釋放到大氣中；且在光合作用的下植物釋放O2固定CO2能夠改善水體缺氧狀態，緩解水體和底泥的黑臭現象。常素雲等研究了不同植物（狐尾藻、金魚藻、篦齒眼子菜等）的組配對水體淨化效果的影響，結果表明在香蒲與篦齒眼子菜的組配下NH3-N和TP的去除率分別達到了62.1%和83.9%。但是，水生植物的生長、繁殖、空間分佈受水體生境條件諸多因素的制約，修復週期長，對於應急性水質惡化和底泥汙染效果不明顯。因此應針對不同水體來探索水生植物恢復的限制因子，改善不利於植物生長的環境因子，為水生植物恢復創造良好的生境條件。

5.3 水生動物修復法

水生動物修復法是通過浮游動物、游泳動物和底棲動物吸食水體中的遊離細菌、浮游藻類、有機碎屑等，並定期對游泳動物和底棲動物進行打撈，有效減少水體的懸浮物，提高水體的透明度。常用的水生動物修復法包含經

五 城市黑臭水體整治的對策與建議

1.強化控源截汙，創新城市黑臭水體整治運作模式

儘管城市黑臭水體的治理已經採取了較多控源截汙措施，但仍存在著隱藏排汙口排汙、初期雨水直排入河、合流制管網的清汙混流及餐飲和洗車等汙水直排道路雨水口的現象，因此必須徹底切斷岸上汙染源，開展精細化的系統整治工作，建立河道水質不反彈的長效機制。

2.與海綿城市的建設進行結合

與海綿城市的建設進行結合，最大程度地發揮城市本身的作用。通過下滲減排、集蓄利用對排入河道的水體進行預處理，避免雨水以最短路徑直排入河，有效降低雨水徑流帶來的入河汙染量，並從建築小區、道路廣場等源頭控制入河汙染物總量，實現城市良性水文循環。

3.加強城市黑臭水體治理的公眾參度與公眾監督程度

公眾參與能夠有效推動城市黑臭水體的治理。在未來河道治理中，應該更加明確政府及社會各方的權力與責任，發揮各自職能優勢；加強政府和社會組織者間的互動與交流合作；加強公眾參與機制的運行和效果的評估工作。

4.已治理河道的長效管理措施

河道是避免城市黑臭水體治理反覆的關鍵。一方面，可建立水利部門、環保部門、市政部門等多部門的聯動管理機制，落實河道的專門管護責任單位及對應考核單位，養護與監管同時進行；另一方面，可建立城市黑臭水體治理綜合管理平臺，利用遙感監測系統及在線監測系統，精確監測水體水質，實現城市黑臭水體的長效綜合治理。

六 展 望

近年來，國內外學者在水體黑臭研究領域已做了廣泛研究，特別是在研究形成機理方面尤其對致黑微生物、致黑致臭汙染物以及治理修復技術方面做了大量的研究，並且針對不同區域河流的特徵設計相應的治理方案、建立相應的黑臭模型進行定量化研究，對各種現有的修復技術進行優化提升等。儘管如此，目前對城市黑臭水體形成機理的深層次研究相對較少，後續應進一步加強此方面的研究，明確城市黑臭水體產生的機理，也為其處置對策技術研究提供基礎；應加強對城市黑臭水體處理處置技術的研究，針對水體主要的致黑致臭因子，深入研究高效去除技術；應完善相關法律法規，落實管護責任單位，加強管理和監督，維護河流治理成效，從根本上解決城市黑臭水問題。

來源：馮強,易境,劉書敏,趙風斌,張傑,柴曉利.城市黑臭水體汙染現狀、治理技術與對策[J].環境工程.2020,38

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