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摘要：解决城市河流的污染、恢复河流的生态和社会功能问题是许多城市可持续发展过程中亟待解决的关键任务之一。本文基于众多学者在黑臭水体方面的研究基础，总结分析了城市黑臭河涌的形成机理，从外源减排、内源控制、水质净化、补水活水、生态恢复五方面阐述了城市黑臭河涌的主要治理对策，以期为我国正在开展的城市黑臭河涌治理提供一定的参考。
关键词：黑臭河涌，形成机理，治理对策，生态恢复
生态兴则文明兴，生态衰则文明衰。城市河流作为城市生态系统的重要组成部分，承载着水体循环、水质涵养、贮水调洪、调节城市气候等功能，是城市实现可持续发展的重要保障。然而，随着我国城市化进程的加快，城市污水排放量大幅增加，城市环境基础设施日渐不足，大量污水未经收集处理直接排入城市河涌，河道水质日趋恶化，城市黑臭水体已成为一种“城市病”。据统计，截至2016年2月16日，在全国295座地级及以上城市中，218座城市排查出黑臭水体，已认定的黑臭水体总数1861个。在排查上报的全部黑臭水体中，河流数量占比最高，共1595条，达85.7%，总长度约为5596km。
城市河流环境恶化对居民健康、城市景观以及城市生态安全构成了严重的威胁，如何尽快消除城市河流的黑臭问题已是刻不容缓。本文通过对国内外文献的搜集与整理，基于众多学者在黑臭水体方面的研究基础，试图对城市黑臭河涌的形成机理和治理对策加以总结，为我国城市黑臭河涌的治理与修复提供一定的参考依据。
1.黑臭河涌形成机理
“黑臭水体”是人们通过视觉和嗅觉对水体的一种综合感观，通常是指散发出刺鼻、恶心的气味，呈现黑色或泛黑色，生态功能丧失的水体（谢飞等2016）。水体产生黑臭是一个非常复杂的生化过程，受水体有机污染负荷、Fe和Mn金属污染、底泥污染和水动力条件等多种因素的影响。黑臭水体产生的根本原因是过量纳污导致水体氧气的过度消耗，本质是水体中各种污染物厌氧发酵导致的结果（胡洪营等2015）。
1.1 黑臭河涌污染源
1.1.1 有机污染物入河
工业废水、生活污水以及城市面源污染中的有机污染物流入河流是导致水体黑臭的主要原因之一。有机污染物主要包括有机碳污染源、有机氮污染物以及含磷化合物等，这些污染物在分解过程中消耗水体中大量的溶解氧，造成水体缺氧，厌氧微生物在缺氧、厌氧条件下大量繁殖并分解有机物产生大量致黑致臭物质，从而引起水体发黑发臭。大多数有机物富集在水体表面形成的有机物膜会破坏正常水气界面交换，从而加剧水体发黑发臭（徐敏等2015）。
1.1.2 底质污染与底泥再悬浮
底泥再悬浮是导致河涌黑臭的重要因素之一。当水体外源污染的现象短期内没有改观，经过长时间积累，部分污染物通过沉降作用进入到水体底泥中。沉积底泥在水力冲刷、人为扰动以及生物活动影响下产生悬浮，进而在一系列物理、化学、生物作用下，吸附在底泥颗粒上的污染物从底泥中释放，加剧水体有机污染负荷，造成二次污染；另外，底泥中存在的大量放线菌和蓝藻类微生物，其代谢作用使得底泥甲烷化、反硝化，导致底泥上浮、水体黑臭（Chen J等2010）。
1.1.3 水体热污染
城市生产、生活中往往会产生大量较高温度的工业冷却水、污水处理厂退水以及居民日常生活污水等排入城市河涌，导致局部甚至整个水体水温升高。在适宜的水温条件下，微生物大量繁殖、分解有机物，致使水体中溶解氧含量降低，同时释放各种黑臭物质。由于微生物的活动频率与温度表现出显著正相关性，水体中溶解氧含量随着温度的升高而降低，河涌黑臭现象往往夏季多于冬季，呈现出一定的季节性（肖靓等2014）。
1.2 水动力学条件
水动力学条件不足、水循环不畅也是引起河涌黑臭的原因之一，例如河道水量不足、流速低缓以及河道渠道化、硬质化等都有可能导致河涌黑臭。河流水流不畅或者滞流，直接导致水体复氧速率衰退，造成水体严重亏氧，从而引起水体水质恶化；水循环与水污染过程紧密相连，水体自然循环过程受阻会影响到污染物的形成、迁移、转换，甚至造成二次污染，降低水体自净能力。
1.3 黑臭河涌形成的化学机理
1.3.1 致黑机理
水体致黑原理主要为以下2种：一是以固态或吸附于悬浮颗粒上的形式存在于水体中的不溶性物质；另一是溶于水的带色腐殖质类有机化合物（于玉彬，黄勇2010）。应太林等对苏州河水体黑臭的研究表明，悬浮颗粒对水体致黑起到主导作用，悬浮颗粒中的腐殖酸和富里酸因吸附络合了Fe、Mn和S的化合物成为主要致黑物质，并证明了Fe2+在致黑方面的主导作用（应太林等1997）。卢信等通过试验研究发现，有机物只要达到一定负荷水平（1.0g?L-1）对水体均有致黑作用，含硫有机物相比不含硫有机物，能够在更短的时间内导致水体变黑，且水体颜色更深。因此，从致黑物质的元素形态组成方面主要指Fe、S及其化合物FeS（卢信等2012）。
1.3.2 致臭机理
根据产臭途径和致臭物质的不同，致臭机理大致分为以下3种：（1）H2S、NH3等小分子气体。在缺氧条件下，有机物厌氧分解产生CH4、H2S、NH3等具有异味的易挥发性气体，因而散发出臭味。（2）硫醚类化合物。李相力等研究发现，腐殖酸、富里酸的分解过程中在产生大量的游离氨臭气和大量具有相当臭味的硫醚类化合物等导致水体发臭（李相力等2003）。（3）乔司脒和2-二甲基异莰醇。当水体处于厌氧状态或营养盐含量相对较高时，放线菌、藻类和真菌的代谢过程中会分泌多种醇类异臭物质（Parinet J等2010）。
2.黑臭河涌治理对策
黑臭河涌治理技术体系可以分为外源减排技术、内源控制技术、水质净化技术、补水活水技术和生态恢复技术五大类，其中外源减排和内源控制是基础与前提，水质净化是阶段性手段，补水活水和生态恢复是长效保障措施。（胡洪营等2015）。
2.1 外源减排技术
2.1.1 截污纳管
针对城市水体沿岸污水排放口、分流制雨水管道初期雨水或旱流水排放口、合流制污水系统沿岸排放口等点源污染，通过建设和改造污水截流管线，将污水截流纳入污水收集和处理系统，从源头上削减污染物的直接排放。
截污纳管是黑臭河涌整治最直接有效的工程措施，也是采取其他技术措施的前提，但由于管道施工的难度和投资较大，往往需要较长的时间来完成。
2.1.2 直排污水原位处理
针对短时间内无法进行截流或在降雨条件下溢流直接排入水体的污水，可就近选取占地小或可移动的高效一级强化污水处理技术或工艺，在原位对污水或受污染的地表水进行处理，快速高效去除水中的悬浮物和有机污染物，避免污水直排对水体的污染。
该类技术实施周期短、见效快，不受污水管网建设的影响和限制，可在短期内控制外源污染，改善水质。
2.1.3 面源污染控制
面源污染物主要来源包括农业农村面源污染、雨水径流及干湿沉降三大部分。其中，农业农村面源污染物主要源自养殖业、种植业和村镇生活污水。雨水径流污染物按照有无雨水管网分为雨水管网初期雨水和无雨水管网地区的初雨径流。此外还包括直接进入河流水体的干湿沉降污染物。
面源污染控制技术应结合海绵城市建设统筹实施，包括绿色屋顶、雨水花园、植被浅沟等各种低影响开发（LID）技术，收集存蓄、水力旋流、快速过滤等初期雨水控制技术，测土配方施肥、水肥一体化等生态农业和科学施肥技术，以及模拟自然状态的生态护岸技术等。由于城市水体周边的垃圾等是面源污染物的重要来源，对于水体周边积存垃圾的清理也是面源污染控制的重要方面。
2.2 内源控制技术
2.2.1 清淤疏浚
底泥是河涌污染的内源，清淤疏浚技术可以将河床底泥中大量污染物迁移出水体，显著且快速地降低水体内源污染负荷，迅速增加河流水体容量和过水能力，是一项高效、新兴的河流污染源控制技术。
清淤疏浚包括机械清淤和水力清淤两种方式。在实施时，应做好底泥污染调查，选择合理的生态疏浚方式，对疏浚范围和深度精确控制，防止“过度疏浚”导致水生态破坏。同时，在疏浚过程中也要防止二次污染，做好疏浚底泥的安全处置。
2.2.2 水生生物残体清理
对于水生植物、季节性落叶和水华藻类等残体，应定期进行收割、打捞和清理，避免这些生物残体发生腐烂，进一步向水中释放污染物和消耗水体氧气。
2.3 水质净化技术
2.3.1 人工增氧
缺氧是黑臭水体的普遍特征，通过人工曝气充氧（通入空气、纯氧或臭氧等），提高水体溶解氧浓度和氧化还原电位，恢复和增强水体中好氧微生物的活力，将导致水体黑臭的还原性污染物氧化，缓解水体黑臭状况。一般分为固定式充氧站和移动式充氧平台。除了充氧外，还可以向水体中投加氧化性的化学药剂，包括双氧水、过氧化钙、硝酸钙等。王风贺等人研究了曝气增氧技术在城市黑臭河流水质改善中的应用，结果表明，太阳能曝气增氧技术不仅合理利用资源，而且可以改善水质，符合可持续发展的理念（王风贺等2012）。
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2.3.2 絮凝沉淀
絮凝沉淀技术是利用铁盐、钙盐、铝盐等净水剂使水体中的溶质、胶质或悬浮颗粒产生絮状沉淀而使污水达到净化的方法，是目前普遍采用的既经济又简便的水处理方法之一。净水剂按化合物的化学组成可分为无机、有机、微生物和复合混凝剂四大类。需要注意的是，该技术实施后，污染物只是沉降到水底，没有从水体中去除，有重新释放到水中的风险，人工投加化学处理药剂可能会对生态系统造成不利影响的累积，不是应该优先考虑使用的技术。
2.3.3 微生物强化净化
微生物强化净化技术是指通过技术措施加强微生物的降解作用，促进污染物的分解和转化，提升水体的自净能力。目前采用途径主要有两类：一是直接向黑臭河道投加微生物菌剂或酶制剂；二是直接向黑臭河道投加微生物促生剂，促进“土著”微生物的生长。该技术虽然对于水体水质净化具有一定的促进作用，但往往需要与曝气充氧等手段同时使用。上海市水务部门采用水底曝氧和投放微生物相结合的办法治理西双泾河道，实现全面消除黑臭（陈彬2006）。
2.3.4 人工湿地
人工湿地技术主要是利用土壤-微生物-植物生态系统对污染物进行综合净化，改善水体水质的技术。人工湿地治理黑臭水体的方式包括对黑臭水体的循环处理和对补充水（主要指再生水或雨水）的处理。HE Sheng- Bing等在对上海交大闵行校区富营养化河水进行治理时，采用了沸石、砾石以及粉煤灰为基质的人工湿地技术，结果表明，人工湿地技术不仅可以成功去除有机物、氮、磷，同时还可以降低河水中的氨臭味（HE Sheng-Bing等2007）。
2.3.5 生态浮岛
生态浮岛是一种经过人工设计建造、漂浮于水面上供动植物和微生物生长、繁衍、栖息的生物生态设施，通过应用物种间共生关系，充分利用水体空间生态位和营养生态位的原则，建立高效的人工生态系统以削减水体中的污染负荷。其优势在于：既消除污染物又恢复水生态环境，对 CODCr、BOD5、TN、TP和SS的去除率较高，增加水体透明度，运行能耗低。其劣势在于：浮床设施建设费用较高，工程完工后需撤走浮床。
2.3.6 稳定塘
稳定塘是一种人工强化措施与自然净化功能相结合的水质净化技术，如多水塘技术和水生植物塘技术等。用于黑臭河涌治理的稳定塘可以利用河道附近的洼地、鱼塘经适当改建而成；对于中小河流还可以直接在河道上筑坝拦水，成为河道滞留塘（或称前置库）。
2.4 补水活水技术
2.4.1 再生水补给
城市污水经深度净化处理达到再生水水质要求后，将其排入治理后的城市水体中，以增加水体量和减少水力停留时间。再生水作为城镇稳定的非常规水源，经济可行、潜力巨大，应优先考虑利用。
2.4.2 清水补给
引流清洁的地表水对治理对象水体进行补水，通过优化引水量、时机、频率和方式，控制水体水流流向、水量，促进污染物输移、扩散，改善水体生境。应就近选取清洁的地表水水源，充分利用现有水系河网的泵闸系统，以降低费用。此外，在调水的过程中要防止引入二次污染，同时关注水量的动态平衡，避免影响或破坏周边水体功能。
2.4.3 活水循环
通过设置提升泵站、水系合理联通、利用风力或太阳能等工程措施，采用内循环或外循环等技术提高水体流速，改善水动力学条件，以提高水体复氧能力和自净能力，改善水体水质。
2.5 生态恢复技术
2.5.1 水华藻类控制
随着城市黑臭河涌相应污染治理工程、措施的实施，河道水体污染负荷得到了大大消减、水体黑臭现象得到显著改善后，往往由于水中氮磷等营养盐浓度较高引起藻类爆发等富营养化次生问题，造成水质恶化、藻毒素问题和其他水生生物的大量死亡，继而导致黑臭复发。因此，黑臭水体治理后需要对水华藻类进行控制，实现水质的长效保持（胡洪营等2015）。
藻类生长控制技术包括各种物理、化学和生物技术。物理控制技术包括藻类直接收集和紫外线杀藻等，化学控制技术主要是投加化学药剂除藻，生物控制技术包括种植抑藻类水生植物或投放食藻鱼类等。应充分考虑投加化学药剂除藻带来的生态风险。
2.5.2 水生生物恢复
水生生物恢复包括水生植物和水生动物的恢复与系统构建。利用水生植物及其共生生物体系，可以持续去除城市水体中氮、磷、有机物、重金属等污染物，改善水体生态环境和景观。
水生植物主要为沉水植物、浮叶植物、漂浮植物和挺水植物，对河流黑臭具有明显净化作用的有水芹菜、香蒲、大藻、藻草、水葱、芦苇、美人蕉、旱伞草等（董哲仁等2012，井艳文等2003）。在选择植物类型时，要选择繁殖能力强、抗逆能力强、易栽培管理的水生植物物种，并综合考虑水质净化效果、景观提升效果与植物的气候适应性。此外，水生植物修复过程中还需注意预防外来物种入侵、水生植物腐烂二次污染等问题，必要时对生物安全性进行评估。
水生动物是生态净化系统完整性和多样性不可或缺的部分，通过合理生物操纵，可以适当保持水体中各种水生动物的种类、密度和配比，稳定生态净化系统，达到改善水质的目的。水生动物修复可采取种群恢复、种群控制、放流增殖等技术，首先选择修复土著水生昆虫、螺类、贝类、杂食性虾类和小型杂食性蟹类；待群落稳定后，引入本地食草性、杂食性和肉食性鱼类；可适时进行人工放流，调控水体水生动物群落结构。
2.5.3 河流形态改造
以往的水利工程经常从防洪排涝的工程角度着眼，缺少对河流生态系统重要性的认识，导致河流工程设计理念一直是河流直线化、河岸混凝土化、河深流速单一化，从而导致动植物栖息地丧失，水体景观恶化。一条健康的生态河流，在保障排涝行洪的基础上，河流形态应有直有弯、有宽有窄、有深有浅，具备上、中、下游的生境异质性、纵向的蜿蜒性、横断面形状多样性和岸坡物质的透水性和多孔性的特征，能为不同生物营造其生存繁衍所需的生境。同时，河流形态和水流多样性本身也是城市水景观的一个重要组成部分（谢飞等2016）。
3.结语
城市黑臭河涌的治理应“标本兼治以治本为主、短长期兼顾以长期为主”，最终应以恢复水生态系统功能为目标。城市黑臭河涌的治理复杂、艰巨，要从根本上保障治理河涌的长治久清，事先的成因分析和治理后的长效保持机制不容忽视。
黑臭河涌成因分析不仅要分析水质现状和污染源状况，还应掌握水体治理历程、周边环境特征和水文特征，明晰治理工作的重点和难点。
建立长效机制，保障城市河涌水质长效管理，不仅要建设专业化的水环境管理队伍，落实责任主体，完善考核机制，科学监测监控，强化部门协调，形成治水合力，同时还需要建立市场化模式，完善社会资本投融资机制体制，加强社会监督，实实在在把长效管理落实到位。
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论文作者:王和聪
论文发表刊物:《防护工程》2017年第15期
论文发表时间:2017/10/24
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