李 維， 劉本洪 ， 劉 蕾， 張 怡， 楊 春， 唐 亞

（四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都610065）

快速的城市化、工業(yè)化使大量污水未經(jīng)處理排入河流，導(dǎo)致水質(zhì)嚴(yán)重惡化，河流出現(xiàn)季節(jié)性甚至終年黑臭現(xiàn)象［1］.水體黑臭的原因是大量污染物進(jìn)入水體，消耗了大量溶解氧，使水體呈缺氧或厭氧狀態(tài)，在微生物的作用下，產(chǎn)生NH3、H2S、硫醚類化合物等致臭物質(zhì)以及FeS、MnS 等致黑物質(zhì).水體黑臭不僅使水生態(tài)系統(tǒng)中微生物、植物、動(dòng)物大量死亡，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重失衡，還嚴(yán)重影響人們的日常生活.2007年，無錫貢湖因水體黑臭導(dǎo)致70%的水廠停工，約200萬人的生活飲用水無法得到保障［2］.

目前，全國認(rèn)定的2 869個(gè)黑臭水體中已有2 313個(gè)黑臭水體完成整治［3］.根據(jù)“水十條”中2020 年將黑臭水體控制在10%的目標(biāo)，我國正處于黑臭水體治理的攻堅(jiān)階段，仍然有大量的黑臭水體需要進(jìn)行治理.廣泛存在的黑臭水體帶來了嚴(yán)峻的環(huán)境問題、社會(huì)問題，而目前尚缺乏高效經(jīng)濟(jì)修復(fù)黑臭水體的技術(shù).

治理黑臭水體的方法有物理方法、化學(xué)方法和生物方法［4］.物理方法主要包括截污分流、底泥疏浚、曝氣復(fù)氧以及引水沖污等.化學(xué)方法主要通過向水體中添加絮凝劑或者氧化劑等化學(xué)藥劑，從而實(shí)現(xiàn)污染物的去除，該方法雖然能快速降低水質(zhì)指標(biāo)，但是化學(xué)藥劑可能會(huì)對(duì)水生生物產(chǎn)生毒害作用.生物方法包括動(dòng)物法、植物法和微生物法［5］.植物法在凈化水體時(shí)，還能起到美化環(huán)境的作用，但凈化效率受季節(jié)影響較大.微生物法因高效、無二次污染被廣泛使用.黑臭水體成因復(fù)雜，單一技術(shù)往往無法達(dá)到理想的效果，在實(shí)際應(yīng)用中往往采用組合技術(shù)治理黑臭水體.

本項(xiàng)目以位于四川省廣元市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)王家營工業(yè)園的王家溝黑臭水體為對(duì)象，運(yùn)用SCEU強(qiáng)化環(huán)保生態(tài)方法對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，研究在不清淤疏浚的條件下，消除水體黑臭，恢復(fù)河流的自凈能力，使達(dá)標(biāo)水質(zhì)得到長期保持.

1 材料和方法

1.1 治理河段介紹王家溝位于四川省廣元經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)王家營工業(yè)園.王家溝黑臭河道治理長度約為850 m，河道上下游的寬度約為31 m，中間逐漸變窄為25 m，蓄水量約為20 000 m3.王家溝的主要功能為泄洪，河道通過涵洞與嘉陵江相連，為嘉陵江的一條支流.

未修復(fù)前，王家溝河水呈黑色，散發(fā)刺鼻的臭味；雖為泄洪通道，但是由于日常行洪閥門關(guān)閉，河水流速緩慢，水動(dòng)力條件差；河道兩岸和底部均硬質(zhì)化，為典型的三面光河流，河岸傾角為25° ～30°，無植被生長，河流生態(tài)系統(tǒng)被嚴(yán)重破壞.

2018 年3 月對(duì)治理前王家溝水質(zhì)進(jìn)行檢測，整條河段均未達(dá)到地表水Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，屬于劣Ⅴ類水，檢測結(jié)果如表1.

表1 王家溝治理前水質(zhì)情況（2018 年3 月）Tab. 1 Water quality before treatment in Wangjiagou River（March，2018） mg/L

1.2 王家溝污染成因調(diào)查1）王家溝未進(jìn)行有效截污.上游居民生活污水、畜禽養(yǎng)殖廢水、初期雨水均直接進(jìn)入河內(nèi).王家溝所在的王家營工業(yè)園內(nèi)工礦企業(yè)廢水的跑冒滴漏也是造成王家溝黑臭的重要原因.

2）底泥污染嚴(yán)重.大量污染物在物理、化學(xué)、生物作用下沉積在水體底部，形成高負(fù)荷的內(nèi)源污染.底泥不斷向上覆水中釋放污染物，影響王家溝水質(zhì).

3）河流自凈能力差.王家溝為三面光河流，硬質(zhì)河岸不僅破壞了河岸生態(tài)系統(tǒng)，還阻斷了河流與土壤間的水力聯(lián)系，導(dǎo)致水環(huán)境容量減小，河流自我修復(fù)能力差.泄洪閥門關(guān)閉時(shí)，王家溝水體流動(dòng)緩慢，水動(dòng)力條件差，污染物無法及時(shí)被稀釋擴(kuò)散，在河道滯留時(shí)間長.

1.3 修復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)的SCEU強(qiáng)化環(huán)保生態(tài)方法SCEU強(qiáng)化環(huán)保生態(tài)方法秉持“一水一策”的治水理念，不固化治水方案.根據(jù)王家溝污染原因，選取硬質(zhì)河堤駁岸生態(tài)重建、微生物菌劑與云膜擴(kuò)繁系統(tǒng)、專用除磷方法、造流復(fù)氧系統(tǒng)、滴灌系統(tǒng)和太陽能光伏系統(tǒng)等6項(xiàng)技術(shù)用于黑臭水體治理，重建河流生態(tài)系統(tǒng)，促使水體恢復(fù)自凈能力，通過系統(tǒng)中的生產(chǎn)者、消費(fèi)者、分解者對(duì)氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)的利用，降低水中污染物濃度，實(shí)現(xiàn)消除黑臭，改善水質(zhì)的目的.

1.3.1 硬質(zhì)河堤駁岸生態(tài)重建 選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的膨潤土和70%的腐熟污泥組成的護(hù)岸專用基料（表2）進(jìn)行硬質(zhì)河岸的生態(tài)重建.該基料是利用《治理黑臭水體的護(hù)岸專用基料》專利技術(shù)［6］制備的.直接將其鋪設(shè)在硬質(zhì)河岸表面（水上和水下部分均進(jìn)行鋪設(shè)），鋪設(shè)厚度為8 ～30 cm，因基料質(zhì)地輕，無需其他復(fù)雜的固定措施，從河岸頂部到底部，每隔2 m設(shè)置橫向格擋，防止基料滑落.在鋪設(shè)好的基料表面混播狗牙根、高羊茅、三葉草和百日菊等植物種子.

表2 在王家溝使用的護(hù)岸專用基料的理化性質(zhì)Tab. 2 Physical and chemical properties of substrate used on the banks of Wangjiagou River

由表2 可知，護(hù)岸專用基料陽離子交換量（CEC）高，對(duì)污染物的緩沖容量大；養(yǎng)分含量豐富，適宜植物、微生物生長，能快速恢復(fù)河岸植被，改善河流景觀.基料-植物-微生物組成的系統(tǒng)能夠通過吸附、過濾、微生物分解和植物吸收等作用凈化黑臭水體，同時(shí)能有效攔截面源污染.

1.3.2 微生物菌劑與云膜擴(kuò)繁系統(tǒng) 從黑臭水體中提取分離能高效去除水中氮磷等污染物的土著微生物，用于制備微生物菌劑.土著微生物對(duì)水體環(huán)境適應(yīng)性比外源微生物更強(qiáng)，能更好地發(fā)揮降解污染物的作用.2018 年6 月下旬和2018 年7 月中旬，先后向王家溝黑臭水體施加總計(jì)10 t微生物菌劑，微生物菌劑直接施入河中，未利用其他機(jī)械設(shè)備.采用特殊材料作為微生物菌劑的填充載體構(gòu)成云膜，將其固著在水中，作為微生物的繁育場所，保證微生物的繁殖速率大于或等于其代謝死亡和流失的速率，確保微生物能持續(xù)發(fā)揮作用.

1.3.3 專用除磷方法 河段調(diào)試期間，直接向王家溝黑臭水體中施加1.5 t 專用除磷材料.該除磷材料利用《一種高效去除富營養(yǎng)水體中磷的方法》［7］專利技術(shù)制得.除磷材料的主要化學(xué)成分為氧化物，難溶于水、質(zhì)地輕，可長時(shí)間在水體中懸浮，高效持久地發(fā)揮除磷作用［8］.

1.3.4 造流復(fù)氧系統(tǒng) 在王家溝上游、中游和下游分別安裝了2 臺(tái)水車式增氧機(jī)，利用太陽能供電，對(duì)水體進(jìn)行曝氣，每小時(shí)運(yùn)行3 min.水車式增氧機(jī)的另一個(gè)重要功能是增加水體流動(dòng)性，使大量的懸浮物在水流波動(dòng)過程中相互碰撞凝結(jié)，增加顆粒質(zhì)量使其逐漸沉降.

1.3.5 滴灌系統(tǒng) 在王家溝兩岸安裝功率為3 kW的水泵2臺(tái)，在河岸鋪設(shè)相應(yīng)的滴灌管道，抽取河水進(jìn)行滴灌，滿足河岸植物的水分需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)水下與水上部分護(hù)岸專用基料的氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)平衡調(diào)節(jié).

1.3.6 太陽能光伏系統(tǒng) 在王家溝中游河岸上安裝太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，功率為15 kW，配合PLC自動(dòng)控制程序，實(shí)現(xiàn)滴灌系統(tǒng)、造流復(fù)氧系統(tǒng)等設(shè)備的自動(dòng)運(yùn)行，滿足增氧機(jī)和滴灌水泵的用電需求，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本.

1.4 水質(zhì)監(jiān)測2018 年3 月，在治理前對(duì)王家溝上、中、下游取水進(jìn)行分析.2018 年6—11 月為現(xiàn)場實(shí)施、系統(tǒng)調(diào)試，直至水質(zhì)改善后進(jìn)入初期維護(hù)階段.從2018 年6 月起，每月在上、中、下游取水樣1次，進(jìn)行水質(zhì)分析.2018 年12 月至2019 年1 月，當(dāng)?shù)厥姓┕し鸥珊铀?，未能取水樣監(jiān)測.2019 年2月至2019 年9 月，對(duì)河段恢復(fù)監(jiān)測，進(jìn)入后期維護(hù)階段，每3 個(gè)月取樣2 次.

監(jiān)測指標(biāo)包括 TP、CODMn、TN、NH3- N.此 4個(gè)指標(biāo)的測定方法分別如下：TP 用鉬酸銨分光光度法（GB11893—1989），CODMn用高錳酸鹽指數(shù)法（GB11892—1989），TN用堿性過硫酸鉀紫外分光光度法（HJ636—2012），NH3-N 用納氏試劑分光光度法（HJ535—2009）.

2 結(jié)果及分析

2.1 王家溝水質(zhì)變化2018年3月治理前，王家溝的上游、中游、下游的水質(zhì)均為劣Ⅴ類水，中游污染最嚴(yán)重（表1）.2018 年6 月，治理項(xiàng)目開始的第一個(gè)月，TP、TN、NH3-N、CODMn指標(biāo)下降明顯，僅王家溝中游的TN為劣Ⅴ類.經(jīng)過2018 年6—7 月的施工調(diào)試，黑臭水體被破壞的生態(tài)系統(tǒng)快速恢復(fù)，生態(tài)系統(tǒng)各項(xiàng)功能增強(qiáng)，水體自凈能力不斷增強(qiáng).2018 年8月，王家溝河段水質(zhì)達(dá)到地表水Ⅳ類水的標(biāo)準(zhǔn).2018年9月，經(jīng)第三方現(xiàn)場水質(zhì)監(jiān)測驗(yàn)收，在使用SCEU強(qiáng)化環(huán)保生態(tài)方法修復(fù)后，王家溝黑臭水體的水質(zhì)由劣Ⅴ類水變?yōu)榈乇硭纛愃?2018 年9 月至2019年9月，對(duì)王家溝后期維護(hù)過程中的水質(zhì)進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測.監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：王家溝水質(zhì)穩(wěn)定，長期保持在地表水Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，有時(shí)可達(dá)地表水Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)（圖1）.

圖1 王家溝水質(zhì)變化Fig. 1 Water quality change in Wangjiagou river

將2018 年8 月的監(jiān)測數(shù)據(jù)與治理前（2018年3 月）的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)治理后，王家溝水質(zhì) TP、TN、NH3-N、CODMn等指標(biāo)的去除率均非常高（表 3），TP、TN、NH3-N、CODMn的平均去除率分別達(dá)到 90. 33%、81. 35%、94.11%、84.48%.

表3 王家溝治理后水質(zhì)（2018 年8 月）Tab. 3 Water quality after treatment for Wangjiagou river（August，2018）

2.2 王家溝生態(tài)環(huán)境與感官變化王家溝治理前（圖2）河水呈黑色，散發(fā)惡臭，沿河兩岸均為硬質(zhì)河岸，無植被覆蓋，河流觀感差.經(jīng)治理后（圖3），河水變?yōu)闇\綠色，臭味消失，河岸被植物覆蓋，河岸生態(tài)景觀恢復(fù).

圖2 修復(fù)前的王家溝Fig. 2 Wangjiagou river before restoration

圖3 修復(fù)后的王家溝Fig. 3 Wangjiagou river after restoration

通過監(jiān)測底泥發(fā)現(xiàn)，SCEU 強(qiáng)化環(huán)保生態(tài)方法對(duì)底泥的消解效果顯著，在未清淤疏浚的情況下，項(xiàng)目實(shí)施1 a后，底泥的厚度削減了近50 cm，且底泥的顏色、氣味均得到明顯改善.觀察發(fā)現(xiàn)，河流修復(fù)后，吸引了許多鳥類來河邊覓食，還有野鴨在河岸筑巢，河流中魚類數(shù)量也大量增加，周邊居民紛紛來此垂釣休閑.河段整體呈現(xiàn)出全新的、生機(jī)勃勃的面貌，生物多樣性增加，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，水體生態(tài)功能快速恢復(fù)并保持強(qiáng)大.

3 討論

3.1 治理效果黑臭水體不僅導(dǎo)致水生生物大量死亡，還影響公眾身心健康，是當(dāng)前非常突出的水環(huán)境問題.本研究利用SCEU強(qiáng)化環(huán)保生態(tài)方法修復(fù)王家溝黑臭水體，3 個(gè)月時(shí)間內(nèi)，消除水體黑臭，使水質(zhì)由劣Ⅴ類水恢復(fù)至地表水Ⅳ類水，并且水質(zhì)在之后的一年時(shí)間，仍然保持穩(wěn)定.說明SCEU 強(qiáng)化環(huán)保生態(tài)方法對(duì)黑臭水體具有良好的修復(fù)效果，能實(shí)現(xiàn)治理后水質(zhì)長效保持，與目前一些組合修復(fù)技術(shù)相比，更能滿足黑臭水體長制久清的治理需求.梁灘河真武支流黑臭水體采用生態(tài)護(hù)岸、曝氣復(fù)氧、微生物菌劑和懸浮填料4 種技術(shù)進(jìn)行為期2 個(gè)月的修復(fù)，對(duì) CODMn、NH3-N 和 TP 的去除率僅為38%、16%和27%，且河岸上植物生長效果不好［9］.常德市穿紫河黑臭水體采取生態(tài)護(hù)岸、曝氣復(fù)氧以及生態(tài)浮床技術(shù)進(jìn)行治理，雖然在河流景觀方面取得了不錯(cuò)的修復(fù)效果，但是CODMn和TP 未實(shí)現(xiàn)全年達(dá)標(biāo)，超標(biāo)率為5.6%，NH3-N年平均質(zhì)量濃度高達(dá)5. 56 mg/L，水質(zhì)未能實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定［10］.SCEU強(qiáng)化環(huán)保生態(tài)方法不僅實(shí)現(xiàn)了水中氮磷等污染物的高效去除，還采用對(duì)污染物緩沖能力非常強(qiáng)的護(hù)岸專用基料，替代傳統(tǒng)生態(tài)護(hù)岸中利用的普通土壤，增強(qiáng)了河流納污能力，使達(dá)標(biāo)水質(zhì)長期穩(wěn)定，同時(shí)河流觀感提升，做到水質(zhì)指標(biāo)和感官指標(biāo)共同達(dá)標(biāo)，市民認(rèn)同度高，得到社會(huì)的廣泛認(rèn)可.治理前的王家溝呈黑臭狀態(tài)，溶解氧低，不適宜魚類生存；治理后，水體溶解氧上升，河段魚類數(shù)量明顯增多，吸引許多人前來釣魚，且在鏡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)了大量綠藻類微生物，生物多樣性明顯增加，河流生態(tài)系統(tǒng)更加穩(wěn)定.

3.2 強(qiáng)化的生態(tài)功能常規(guī)黑臭水體的生態(tài)修復(fù)技術(shù)主要包括微生物法、植物修復(fù)技術(shù)、人工濕地及生物操控等［11］，往往只依靠動(dòng)物、植物或微生物中的一種或兩種消除水體中的氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)，方式單一，局限性大.SCEU強(qiáng)化環(huán)保生態(tài)方法通過生態(tài)重建硬質(zhì)堤岸，投加微生物菌劑等方式迅速重建河流的生態(tài)系統(tǒng)，充分利用生態(tài)系統(tǒng)中動(dòng)物、植物、微生物對(duì)氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行吸收利用，從而降低其在水中的濃度，改善水質(zhì)，并且在硬質(zhì)河岸表面使用了大量能夠吸附交換水中污染物的護(hù)岸專用基料，增大河流的環(huán)境容量，河流耐沖擊負(fù)荷能力增強(qiáng)，有利于水質(zhì)保持穩(wěn)定.

研究發(fā)現(xiàn)通過魚類捕食的行為可以控制浮游生物數(shù)量，有利于水質(zhì)改善［12］.投放魚類治理富營養(yǎng)水體的方式已經(jīng)在滇池、巢湖以及辛安水庫等地進(jìn)行應(yīng)用［13-14］，并且取得不錯(cuò)的效果.王家溝在治理過程中并未投放魚苗，經(jīng)過治理后，數(shù)量顯著增加的魚類對(duì)水質(zhì)也具有一定的改善效果.由此可見，SCEU強(qiáng)化環(huán)保生態(tài)方法應(yīng)用后，水體生態(tài)系統(tǒng)中由生產(chǎn)者、消費(fèi)者、分解者構(gòu)成的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)鏈快速恢復(fù)，充分發(fā)揮了每種生物在生態(tài)系統(tǒng)中的作用，同時(shí)發(fā)揮各種生物形成的生物鏈的系統(tǒng)功能，使水質(zhì)能長效保持.

3.3 經(jīng)濟(jì)適用性底泥作為黑臭水體的重要內(nèi)源污染物，在外界的干擾下，底泥再懸浮會(huì)向水體中釋放大量的污染物，引發(fā)水體黑臭［15］.清淤疏浚作為直接降低水中負(fù)荷的方式在黑臭水體治理項(xiàng)目中被廣泛使用，但清淤疏浚的過程不僅會(huì)使大量的污染物進(jìn)入水體，還會(huì)破壞底棲生物的生存環(huán)境，導(dǎo)致生物多樣性降低［16］，引發(fā)新的生態(tài)環(huán)境問題，且清淤后底泥也存在難處理的問題. SCEU 強(qiáng)化環(huán)保生態(tài)方法在治理過程中不清淤疏浚，避免了疏浚帶來的一系列環(huán)境問題，而且減少了資金的投入.

硬質(zhì)河岸嚴(yán)重破壞了河流的自凈能力，但將硬質(zhì)河岸拆除完全恢復(fù)成自然河岸，會(huì)影響河岸的穩(wěn)定性，增加河岸垮塌的風(fēng)險(xiǎn)，而黑臭水體多出現(xiàn)在人口密集的城市區(qū)域，因此，通過拆除硬質(zhì)河岸恢復(fù)河流的自凈能力是不現(xiàn)實(shí)的.本方法在不拆除硬質(zhì)河岸的情況下，采用護(hù)岸專用基料，建立比自然河岸凈化能力更強(qiáng)的生態(tài)護(hù)岸，同時(shí)恢復(fù)河岸的景觀，在進(jìn)行治理時(shí)無需額外占地，僅在現(xiàn)有的硬質(zhì)河岸上進(jìn)行處理，更適應(yīng)目前城市黑臭河道的治理需求.

SCEU強(qiáng)化環(huán)保生態(tài)方法使原本消耗巨大的治理工程變得簡化、經(jīng)濟(jì)，不需要大量的機(jī)械、人力和漫長的施工期.在后期維護(hù)上，因水生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)健康，水體自凈能力增強(qiáng)，維護(hù)時(shí)亦無需投入大量的人力，只需根據(jù)情況投入少量的微生物菌劑.

王家溝黑臭水體治理項(xiàng)目河流長850 m，寬25 ～31 m，采用SCEU強(qiáng)化環(huán)保生態(tài)方法的項(xiàng)目總投資為140 萬元，相比于目前常見的一些治理案例，該方法治理黑臭水體的成本顯著降低，且施工工期短，能夠很好地適應(yīng)社會(huì)和市場發(fā)展需要.

4 結(jié)論

本文分析了SCEU 強(qiáng)化環(huán)保生態(tài)方法對(duì)黑臭水體的水質(zhì)以及生態(tài)環(huán)境修復(fù)效果，得出以下結(jié)論：SCEU強(qiáng)化環(huán)保生態(tài)方法能夠快速消除水體黑臭，改善黑臭水體的水質(zhì)，對(duì) TP、TN、NH3-N 以及CODMn有較好的去除效果.從長期的觀察結(jié)果來看，利用SCEU強(qiáng)化環(huán)保生態(tài)方法治理后的黑臭水體，水質(zhì)長期保持穩(wěn)定，河流景觀恢復(fù)，生物多樣性增加.SCEU強(qiáng)化環(huán)保生態(tài)方法無需清淤疏浚，以較低的成本實(shí)現(xiàn)了黑臭水體原位修復(fù)，為黑臭水體的治理提供一種高效經(jīng)濟(jì)的新方法.