黑臭水體治理專(zhuān)題—城市水環(huán)境整治水體修復技術(shù)的發(fā)展與實(shí)踐

我國城市河流有90%左右受到污染，出現水體滯流、多處于厭氧狀態(tài)、復氧能力差、淤積嚴重、透明度低、甚至發(fā)生黑臭等現象。由于城市水體污染負荷遠遠超過(guò)城市有限受納水體的環(huán)境容量和自?xún)裟芰Γ瑢е潞铀�中COD、NH3—N等污染物嚴重超標，水生生態(tài)系統結構破壞，生物多樣性銳減，城市水體的生態(tài)功能和使用功能日益衰退，水體修復和水生態(tài)功能恢復的難度明顯加大，城市河流水環(huán)境生態(tài)系統處于失衡狀態(tài)。同時(shí)，城市污水中氮磷污染物未經(jīng)有效去除，又成為城市水體發(fā)生富營(yíng)養化的重要誘因，造成水體生態(tài)功能的衰退甚至喪失，水生生態(tài)環(huán)境的破壞已經(jīng)成為城市生態(tài)文明建設的主要障礙。“有水皆污”、“河道黑臭”已經(jīng)成為許多城市面臨亟待解決的環(huán)境頑疾。城市水環(huán)境綜合整治和水體修復技術(shù)是破解上述難題的有效方法，國家重大水專(zhuān)項城市主題在“十一五”期間重點(diǎn)針對城市水體修復技術(shù)開(kāi)展了研究集成和示范應用，突破了44項關(guān)鍵技術(shù)，建立了25項示范工程，取得了良好的效果，為我國水體修復積累了技術(shù)集成方案和工程實(shí)踐經(jīng)驗。

1、城市水體修復的科學(xué)原理與技術(shù)思路

城市水體修復技術(shù)是指根據生態(tài)學(xué)和環(huán)境學(xué)的原理，綜合運用水生生物和微生物的方法，使污染水體得到改善或恢復所采用的技術(shù)。其特點(diǎn)是充分發(fā)揮現有水環(huán)境工程的作用，綜合利用流域內的濕地、灘涂、水塘、堤坡及水生生物等自然資源及人工合成材料，對城市水域自恢復能力和自?xún)裟芰�進(jìn)行強化恢復或提升。

生態(tài)修復是相對于生態(tài)破壞而言的，生態(tài)破壞就是生態(tài)系統結構和功能的破壞，因而生態(tài)修復就是恢復生態(tài)系統合理的結構、高效的功能和協(xié)調的關(guān)系，就是重建受損生態(tài)系統的功能以及相關(guān)的物理、化學(xué)和生物特性。其本質(zhì)是恢復系統的必要功能并使系統達到自我維持的狀態(tài)。修復的目的就是要再現一個(gè)自然的、能自我調節的生態(tài)系統，使它與它所在的生態(tài)景觀(guān)形成一個(gè)完整的統一體。

但要將一個(gè)受損的生態(tài)系統的結構與功能恢復到受損前的水平是一項艱巨、困難和漫長(cháng)的工作。從一定意義上講，修復又可定義為使受損的生態(tài)系統的結構與功能最大限度地接近受損前的水平。就是針對具體受損的生態(tài)系統，找出目前環(huán)境條件的限制性因素，根據生態(tài)工程學(xué)原理，對該系統實(shí)施種群組建或重建，恢復其原有的生物多樣性，使其達到具備自我維持與自我調節的能力。因此，要從生態(tài)、社會(huì )需求出發(fā)，實(shí)現生態(tài)修復所期望達到的生態(tài)-社會(huì )-經(jīng)濟效益；恢復能夠達到上述效益的生態(tài)系統的結構和功能;通過(guò)對系統物理、化學(xué)、生物甚至社會(huì )文化要素的控制，帶動(dòng)生態(tài)系統的恢復，達到自我維持的狀態(tài)。

基于上述原理，城市水體修復的總體技術(shù)思路為：控源為本，調配優(yōu)先，多元為輔，強化應急，景觀(guān)共建。

控源為本：城市水體的水質(zhì)改善應以污染源控制為根本，控源以水環(huán)境容量為目標，在此基礎上實(shí)現水體收納污染負荷的總量和濃度控制。

調控優(yōu)先：大多數城市水體最主要的問(wèn)題是由于生態(tài)基流不足而引起的水流緩滯，導致水體的自?xún)裟芰ν嘶�甚至喪失，進(jìn)而引發(fā)一系列的水環(huán)境問(wèn)題。因而水質(zhì)改善最有效的方法就是通過(guò)水系調配或是引入其他水源（例如滿(mǎn)足補水水質(zhì)要求的再生水和城市雨水徑流），改善水動(dòng)力流態(tài)，實(shí)現水體的良性循環(huán)。

多元輔助：在實(shí)現控源和調配目標的基礎上，可以通過(guò)多元生態(tài)系統構建、河水充氧、底質(zhì)控制等輔助技術(shù)促進(jìn)和提升水質(zhì)改善和生態(tài)修復的效果。

強化應急：人工強化處理方法是針對河水（包括循環(huán)和旁路）的人工處理技術(shù)，通常投資和成本較高，一般常用于需要緊急應對的場(chǎng)合（例如污染事故，黑臭河道等）。

景觀(guān)共建：城市水體大多具有一定城市景觀(guān)功能，在采用生態(tài)處理技術(shù)時(shí)，可考慮與景觀(guān)建設相結合，起到良好的感官效果。

2、水體修復技術(shù)的研究進(jìn)展

城市水體修復技術(shù)按照治理對象可以分為河道底質(zhì)改善、河道生態(tài)修復、河流水動(dòng)力調控和河水強化處理等4類(lèi)技術(shù)，整體技術(shù)體系構成如圖1所示。

2.1、城市河流水動(dòng)力調控技術(shù)

自然狀況下，河流具有一定的自?xún)裟芰Γ�水體中的溶解氧足以滿(mǎn)足自?xún)暨^(guò)程中微生物分解有機物需要的氧量。但是當水體受到嚴重污染或超負荷污染時(shí)，過(guò)量的有機物排入水中，大氣復氧不能及時(shí)補充消耗的溶解氧，溶解氧含量大幅降低，出現缺氧或無(wú)氧的河段，從而威脅好氧生物的生存。另外，水體中溶解氧過(guò)低，導致厭氧細菌繁殖，形成厭氧分解，產(chǎn)生甲烷、硫化氫等氣體，發(fā)生黑臭問(wèn)題。此時(shí)，必須采取必要的措施以改善水質(zhì)。該類(lèi)技術(shù)包括水量水質(zhì)調配和曝氣復氧，見(jiàn)圖2。

在污染嚴重的水體中，單靠自然復氧作用，河水的自?xún)暨^(guò)程非常緩慢。故需要采用人工曝氣彌補自然復氧的不足。河道人工曝氣技術(shù)作為一種投資少、見(jiàn)效快、無(wú)二次污染的河流污染治理技術(shù)在很多場(chǎng)合被優(yōu)先采用。河道人工曝氣技術(shù)能在較短的時(shí)間內提高水體的溶解氧水平，增強水體的凈化功能，消除黑臭，減少水體污染負荷，促進(jìn)河流生態(tài)系統的恢復；另外，河道曝氣技術(shù)因地制宜，占地面積相對較小，投資省、運行成本低，對周?chē)�環(huán)境無(wú)不良影響，如果與綜合利用相結合，還可實(shí)現環(huán)境效益與經(jīng)濟效益的統一，有利于工程的長(cháng)效管理。但是要真正發(fā)揮河流水體人工曝氣復氧技術(shù)的實(shí)際效益，還必須制訂應用該技術(shù)的具體方案，得出可行的增氧量、曝氣方式、季節最優(yōu)化組合，并充分考慮城市景觀(guān)和經(jīng)濟性原則。常用曝氣技術(shù)特點(diǎn)見(jiàn)表1。

2.2、城市河道底質(zhì)改善技術(shù)

在城市河道中，底泥是陸源性入河污染物（營(yíng)養物、重金屬、有機毒物等）的主要蓄積場(chǎng)所。在不同的環(huán)境影響（溫度、風(fēng)浪和溶氧等）條件下，底泥既可以?xún)艋�湖泊水體，也可以因富含污染物而成為潛在的內源性污染源污染水體，增加上層水體污染負荷。底質(zhì)改善技術(shù)則是有效遏制這類(lèi)內源污染物釋放的有效手段，常用的有底質(zhì)清淤及原位修復技術(shù)、景觀(guān)河道生態(tài)修復型底泥疏竣與處理處置技術(shù)等。

（1）底質(zhì)清淤及原位修復技術(shù)。

底泥生態(tài)清淤采用生態(tài)清淤工程將污染最重、釋放量最大的上層污染底泥依據環(huán)保要求移出水體，避免因河流、湖泊內的底泥釋放和動(dòng)力作用下的再懸浮和溶出后可能造成的河水富營(yíng)養化和藻類(lèi)產(chǎn)生和發(fā)展問(wèn)題，從而達到控制底泥釋放二次污染的目的。它是控制內源污染效果較為明顯的工程技術(shù)措施之一。

在采用原位修復技術(shù)，利用研發(fā)的環(huán)境友好型雙固定化功能載體及篩選的具有高效凈化性能的功能生物，通過(guò)河道底質(zhì)良性生境的構建、定向強化凈化及底質(zhì)基質(zhì)促進(jìn)劑的使用，進(jìn)行污染底質(zhì)原位生態(tài)固化－覆蓋聯(lián)合修復。

（2）景觀(guān)河道生態(tài)修復型底泥疏竣與處理處置技術(shù)。

底泥也是水生態(tài)系統重要的環(huán)境要素之一，其理化特性直接影響水生態(tài)系統的結構與功能；可以考慮河湖底泥疏浚與底棲生態(tài)重建的優(yōu)化協(xié)同，避免過(guò)量疏浚造成的河湖底泥生態(tài)支持力下降、疏浚底泥易地處理的環(huán)境和經(jīng)濟成本問(wèn)題，發(fā)展可實(shí)施精準疏浚的河湖底泥生態(tài)修復型疏浚技術(shù)。

（3）底質(zhì)基改造與污染生態(tài)修復技術(shù)。

從單一的清淤、硬底化、引水沖污、曝氣增氧等治理技術(shù)研究轉為對多項治理技術(shù)的集成應用研究，以降低河道治理的投資、運行成本和保證持續穩定的治理效果。對底泥治理技術(shù)的研究和應用表明，相對于物理、化學(xué)修復，對目前以有機物含量高、Eh偏低的重污染為特點(diǎn)的城市河道底泥，在改善基底理化環(huán)境基礎上，采用生物修復，特別是植物修復方法可能更加適宜。

（4）疏浚底泥與處理處置技術(shù)。

根據疏浚底泥自然沉降速率設計水力疏浚底泥排泥場(chǎng)，避免水力清淤污泥隨自然澄清液回流再次排入水體。針對清淤污泥，開(kāi)發(fā)了高效脫水以及制建材、制陶粒等資源化利用技術(shù)，實(shí)現了疏浚底泥的可持續管理。

（5）底泥污染抑制劑技術(shù)。

針對底泥在厭氧條件下釋放污染物導致水體水質(zhì)惡化的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出具有強氧化作用、高效釋氧作用、物理阻隔作用和化學(xué)固化作用等的底質(zhì)抑制劑（材料），對抑制黑臭、應對突發(fā)污染事故等具有顯著(zhù)、快速的控制效果。

2.3、城市河道生態(tài)修復技術(shù)

（1）復合型生態(tài)浮島水質(zhì)改善技術(shù)。

以水生植物的優(yōu)選和可修復水體生物多樣性的生態(tài)草植入為主要組成部分，對氮、磷營(yíng)養物和有機物等均有一定的去除效果，可改善水體水質(zhì)，提高水體透明度，控制水體富營(yíng)養化（減緩藻類(lèi)的增長(cháng)速率、減弱藻類(lèi)暴發(fā)程度），減少以再生水為補給水源的景觀(guān)水體換水頻率。無(wú)外部水源補充條件下，夏季可延緩藻類(lèi)暴發(fā)時(shí)間1~2d，暴發(fā)峰值也可降低約30％。該技術(shù)尤其適合北方地區以再生水為主要補給水源的滯流/緩流景觀(guān)水體水質(zhì)的保持與改善。

（2）多級復合流人工濕地異位修復技術(shù)。

通過(guò)多級復合流人工濕地的構建，解決了傳統人工濕地的運行效果不穩定、脫氮效果一般、填料易堵及冬季處理效果差等多項難題，使其出水主要水質(zhì)指標穩定達到地表水Ⅳ類(lèi)標準。該技術(shù)對COD、總氮、總磷具有較好去除效果，在進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大，水質(zhì)較差的條件下，出水水質(zhì)仍可穩定達到地表水Ⅳ類(lèi)要求，多級潛流濕地示范工程在穩定運行階段對COD、TN和TP的去除率可達到70%~90%。該技術(shù)主要用于景觀(guān)水體的水質(zhì)改善及長(cháng)期保持，適用于征地方便的地區。

（3）城市黑臭河道原位生態(tài)凈化集成技術(shù)。

包括底泥污染控釋與底質(zhì)生境改善、黑臭河水生物柵凈化與控藻、黑臭河水生態(tài)接觸氧化等。形成了城市黑臭河道原位生態(tài)凈化集成技術(shù)體系，將浮船式增氧機作為混凝藥劑的投加、溶解、攪拌、反應的動(dòng)力設備，從而把增氧和混凝有效地結合起來(lái)；科學(xué)控制增氧機與生態(tài)浮床之間的距離，消除增氧機對生態(tài)浮床上植物生長(cháng)及其凈化污染物的負面影響；利用生態(tài)浮床水下部分的接觸沉淀和物理吸附作用，促進(jìn)化學(xué)混凝后水體的加速和穩定澄清，防止增氧機工作及水流攪動(dòng)引起的絮體再懸浮，保障工程效果的長(cháng)效性。按該方法設計的技術(shù)系統具有集成化程度高、投資和能耗低、易于操作、便于管護、快速長(cháng)效等優(yōu)點(diǎn)。

（4）景觀(guān)河道生態(tài)攔截與旁道濾床技術(shù)。

生態(tài)濾床是在自然濕地結構與功能的基礎上通過(guò)人工設計的污水處理生態(tài)工程技術(shù)，利用系統中的基質(zhì)、水生植物、微生物的物理、化學(xué)、生物三重協(xié)同作用，來(lái)實(shí)現對污染物的高效降解，以達到凈化水質(zhì)的目的，具有投資少、運行維護費用低、管理簡(jiǎn)單、景觀(guān)生態(tài)相容性好、自然社會(huì )效益好等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應用于處理各類(lèi)型污水。

生態(tài)濾床一般通過(guò)旁河的形式，將河水引入濾床中，系統內填充具有脫氮除磷功能較強，且比表面積大的多孔介質(zhì)，使其具備了良好的水力學(xué)性能，能較好地截留河水中的顆粒物。通過(guò)植物選擇、碳源調控、溶解氧調控、前置或后置強化除磷等手段，提高其脫氮除磷效率。

（5）生態(tài)護坡技術(shù)。

生態(tài)護坡工程是一項建立在可靠的土壤工程基礎上的生物工程，是實(shí)現穩定邊坡、減少水土流失和改善棲息地生態(tài)等功能的集成工程技術(shù)。其目的是為了重建受破壞的河岸生態(tài)系統，恢復固坡、截污等生態(tài)功能。

2.4、城市河水強化處理技術(shù)

（1）城市河湖水系原位強化處理關(guān)鍵技術(shù)。

開(kāi)發(fā)緩流水體強化循環(huán)流動(dòng)和生物接觸氧化技術(shù)，強化水體流動(dòng)，削減水中污染物和營(yíng)養鹽含量，改善水質(zhì)。提出了不同流速對常見(jiàn)水華藻類(lèi)和混合藻類(lèi)的影響，并提出了水華控制流速；對不同填料進(jìn)行了接觸氧化試驗，篩選了最佳填料，對主要污染物的去除效果進(jìn)行了研究，主要污染物去除率為葉綠素40%、COD50%、TN20%、TP40%、NH3_N60%。

（2）河道水體側溝強化治理集成技術(shù)。

針對生活污水、含有大量的工業(yè)廢水、難以生物降解成分含量高、底泥污染嚴重、河道水體黑臭、油類(lèi)物質(zhì)濃度偏高現象顯著(zhù)等，提出以側溝化學(xué)絮凝（即一級強化處理）和接觸氧化修復相結合的方式，對黑臭水體進(jìn)行處理，可有效抑制黑臭現象。

（3）景觀(guān)水體化學(xué)-微生物-水生植物復合強化凈化與藻類(lèi)過(guò)度生長(cháng)控制技術(shù)。

針對景觀(guān)河道水體自?xún)裟芰Σ睢⒏粻I(yíng)養化現象嚴重、藻類(lèi)過(guò)度生長(cháng)等現狀，通過(guò)微生物、化學(xué)、水生植物復合強化集成技術(shù)進(jìn)行水質(zhì)凈化及控制的原位修復技術(shù)研究，已研發(fā)出“改善景觀(guān)水體水質(zhì)的藥劑投加方法及設備”和“富營(yíng)養化水體治理的方法和設備”，可有效改善水體富營(yíng)養化狀態(tài)。

（4）污水處理廠(chǎng)尾水人工濕地深度處理技術(shù)。

技術(shù)從工藝創(chuàng )新、碳源補充、填料選擇、防堵塞等研究，保證反硝化反應的順利進(jìn)行必須有充足的碳源提供，添加PHA聚羥基脂肪酸酯、PBS聚丁二酸丁二醇酯等五種有機物作為碳源，研究了各種碳源的反硝化速率以及硝酸鹽氮的去除情況，得到麥稈、PBS和PHA添加后出水符合一級A的標準；在城市污水處理廠(chǎng)尾水達到一級A標準時(shí)，出水水質(zhì)可達到：COD為18~32mg/L，氨氮低于0.5mg/L，總氮為1.5~3.5mg/L，總磷為0.1~0.3mg/L，除總氮偶爾較高外，達到地表水體V類(lèi)標準。

（5）污水處理廠(chǎng)尾水多點(diǎn)放流生態(tài)攔截技術(shù)。

選取最優(yōu)填料組合，通過(guò)生態(tài)攔截填料的攔截吸附降低尾水中的污染負荷，尾水長(cháng)期流過(guò)填料后填料表面的生物膜可以進(jìn)一步降解尾水中的污染物質(zhì)。污水處理廠(chǎng)尾水排放后由大阻力配水系統將尾水均勻分布到第一級生態(tài)填料區上，經(jīng)過(guò)底部布水廊道升流至第二級生態(tài)填料區，通過(guò)二級填料的尾水最終通過(guò)生態(tài)透水磚實(shí)現污水處理廠(chǎng)尾水深度凈化后的分散排放。該方法可有效降低污水處理廠(chǎng)尾水排放對河流水質(zhì)產(chǎn)生的不利影響。

3、城市水體修復技術(shù)的實(shí)踐與成效

3.1城市水體修復技術(shù)的應用

水專(zhuān)項城市主題“十一五”期間建立了示范工程25項，修復城市河流超過(guò)50km，水體總面積超過(guò)7km2，所涉及的流域分布以及所應用的關(guān)鍵技術(shù)類(lèi)型分布如圖3所示。

3.2城市水體修復技術(shù)應用效果

（1）太湖流域示范區主要水質(zhì)指標提高一個(gè)等級，滿(mǎn)足V類(lèi)水標準。水體黑臭現象消除，水質(zhì)好轉，COD、氨氮、總氮、總磷均有明顯降低，溶解氧有所提高。生態(tài)修復時(shí)氮、磷的年去除能力分別達到0.1kg/m2和0.02kg/m2。水生生物中浮游植物多樣性及清潔水體指示種增加，浮游動(dòng)物由原生動(dòng)物為主轉為輪蟲(chóng)為主,魚(yú)類(lèi)、底棲生物數量明顯增多。

黑臭河道治理效果：溶解氧由0.5mg/L提高至6mg/L(平均)，濁度下降80%，總磷下降60%，COD和氨氮去除50%~60%，氧化還原電位、透明度大幅提高，黑臭得以遏制，原本爆發(fā)性生長(cháng)的藻類(lèi)得到有效控制。

（2）海河流域示范區水質(zhì)均滿(mǎn)足IV類(lèi)水體標準，水體臭味消失、透明度明顯改善，河道浮萍及藻類(lèi)生長(cháng)得到有效抑制，沉水植物開(kāi)始自我恢復，示范段河道內水生動(dòng)物（如魚(yú)類(lèi)、底棲動(dòng)物）數量也明顯增多。

示范工程中集成了噴泉曝氣、潛流濕地及其他幾項關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現了各單項技術(shù)的優(yōu)勢互補。經(jīng)過(guò)實(shí)際運行，對COD、TN、TP年均去除率分別可達80%、90%和75%左右，出水水質(zhì)達到了地表水Ⅳ類(lèi)要求，優(yōu)勢顯著(zhù)。

（3）三峽庫區示范區污染物減排量（COD）約占2010年三峽庫區重慶段城鎮污染物排放量的15.1%。庫區內城市水體水質(zhì)提升了一個(gè)等級，基本達到了水體功能水質(zhì)要求，水系基本暢通，流速提高近一倍，消除黑臭，與修復前水體表面較臟亂現象對比，修復后，水體清澈，表面無(wú)污物。

（4）巢湖流域示范區水質(zhì)達地表Ⅳ~(yú)V類(lèi)標準，水生濕生植物種類(lèi)由14種增加到60種，浮游藻類(lèi)多樣性增加，原生動(dòng)物的生物量和密度都明顯高于恢復前，底棲動(dòng)物種類(lèi)數量也有較大提升，水生態(tài)系統結構和功能逐漸得到恢復。

水體COD、TN和TP分別下降了49.4%、7.5%和66.8%，經(jīng)過(guò)生態(tài)工程凈化，COD、TN和TP的去除率分別為22.4%，50.4%和39.1%，水質(zhì)提高一個(gè)等級。

（5）溫州九山外河、溫州山下河、南寧可利江河道、南寧心圩江河道、昆明盤(pán)龍江示范河段徹底消除了黑臭，主要指標達到V類(lèi)水標準要求；揚州鴻泰支河、曲江湖、南京江心洲、內秦淮河中段等輕度污染景觀(guān)水體修復，主要水質(zhì)指標達到IV類(lèi)，常規污染物削減率平均達到30%。

4、展望

發(fā)達國家城市河流治理已經(jīng)完成了由污染治理到水體修復的過(guò)程，水環(huán)境得到較好的改善，萊茵河、泰晤士河的治理就是成功的案例。近年來(lái)，先進(jìn)國家在河流水污染治理技術(shù)方面，已由單純的“污染控制”技術(shù)發(fā)展為“水生態(tài)的修復與恢復”，實(shí)現由以“水污染控制”為目標向以“流域水生態(tài)系統健康保護”為目標的轉變。陸續開(kāi)展了生態(tài)河床、生態(tài)堤岸等生態(tài)恢復技術(shù)研究工作，如日本的多木川、淀川等多條河流的生態(tài)修復，取得了良好的生態(tài)效益和環(huán)境效益。在技術(shù)體系上，河流的水質(zhì)改善技術(shù)總體上呈現出多元化、集成化和系統化的發(fā)展趨勢，主要是從流域污染特點(diǎn)出發(fā)，以流域為尺度構建水污染控制和水環(huán)境改善的技術(shù)體系，從而達到了流域水環(huán)境質(zhì)量改善的最終目的。

我國城市水體修復技術(shù)在“十一五”期間得到了全面的發(fā)展和應用，也取得了較好的治理效果，但是還未根本解決城市水體污染問(wèn)題。在后續的集成應用和工程實(shí)踐中，應遵循“控源為本，調配優(yōu)先，多元為輔，強化應急，景觀(guān)共建”的技術(shù)思路，進(jìn)一步加強對水體修復技術(shù)的綜合集成和組合應用，強調協(xié)同控制作用，注重水體修復工程的運行管理和長(cháng)效機制，必將推動(dòng)我國城市水環(huán)境的改善和水生態(tài)文明的建設進(jìn)入良性循環(huán)的軌道。