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摘要:黑臭水体是一个严重的城市水环境问题,对其治理迫在眉睫。分析了黑臭水体形成的主要原因,介绍了三种常见的黑臭水体治理方法:化学法、物理法和生物法,探讨了各方法在治理过程中存在的问题,并提出沉积型微生物燃料电池与其他技术耦合的方法将是未来城市黑臭水体治理的发展方向。
城市黑臭水体是百姓反映强烈的水环境问题,不仅损害了城市人居环境,也严重影响城市形象,对其治理迫在眉睫。2015年,国家颁布实施《水污染防治行动计划》(简称“水十条”),将城市黑臭水体纳入国家水治理体系范畴。“水十条”中明确提出,到2020年地级及以上城市建成区黑臭水体均控制在10%以内,到2030年城市建成区黑臭水体总体得到消除[1]。城市黑臭水体的治理具有十分重要的意义,国内外学者就此已开展了广泛的研究,提出多种技术措施。本文对当前城市黑臭水体的治理技术进行梳理,比较不同治理方法的优劣,对今后发展提出合理建议,为黑臭水体的有效治理提供理论参考。
1、黑臭水体形成的原因
城市水体发生黑臭的主要原因有三个方面:
(1)水中氧气的消耗:当大量外源性有机物进入城市水体时,水中的溶解氧(dissolved oxygen,DO)会因为有机质分解而被快速消耗。当DO下降到低水平时,大量有机物在厌氧菌的作用下进一步分解,产生硫化氢、胺、氨等致臭物质,使水体产生臭味[2,3]。
(2)内源污染:当水体发生污染后,污染物通过沉降或颗粒物吸附作用在底泥中累积,在厌氧条件下,底泥产生甲烷、硫化氢等难溶于水的气体,气体释放过程中携带污泥进入水相,使水体发黑[4,5,6]。此外,大量的营养物质会导致河道中藻类过量繁殖,这些藻类在死亡后分解矿化形成耗氧有机物和氨氮(NH3-N),产生极其强烈的腥臭味道。
(3)不流动和水温升高的影响:丧失生态功能的水体,往往流动性降低或完全消失,直接导致水体复氧能力衰退,局部水域或水层严重缺氧,形成适宜蓝绿藻快速繁殖的水动力条件,增加水华暴发风险,引发水体水质恶化。此外,水温的升高将加快水体中的微生物和藻类残体分解有机物及NH3-N的速度,加速DO消耗,加剧水体黑臭。
2、城市黑臭水体治理常用方法
目前,城市黑臭水体治理方法分为三种,分别是化学法、物理法和生物法。在选择处理处置方法时要因地制宜,保证一定的持久性、安全性和可靠性。
2.1 化学法
化学方法主要是将化学试剂投加到污染水体中,与其中的污染物发生化学反应,进行化学絮凝沉淀[7]或将污染物转化为无毒或毒性较小的物质[8]。常用的化学试剂包括化学絮凝剂铁盐、铝盐、氧化钙、双氧水等。徐垚等[9]将CaO2投加在黑臭水体中,可抑制内源磷的释放,加速底泥有机磷的矿化速度,同时可使黑臭水的pH和DO增加。鲁秀国等[10]以废弃的盐酸酸洗废液和硅酸钠为原料,制备出了聚硅酸氯化铁并用于黑臭水治理,实现了水体中59。1%的化学需氧量(COD)和92。5%的浊度去除。
黄敬东[11]采用向黑臭水体中添加自制固体絮凝剂的方法,水体COD去除达80。95%,总磷去除率达96。95%,去污效果显著。和丽萍[12]利用化学杀藻剂在滇池外草海约为1。0km2的开放性水域内开展了蓝藻清除试验,结果表明化学杀藻剂具有杀藻、抑藻、提高水体透明度的效果。总体而言,利用化学方法进行黑臭水体修复效果明显、操作简单、针对性强,但此方法不能从根本上解决问题,且有些化学试剂会对生物产生毒害作用,破坏水体生态平衡,引起二次污染。此方法一般作为辅助方法在黑臭水体治理的局部区域使用。
2.2 物理法
目前常用的物理治理法包括清淤、引水补水和曝气等方法。清淤是将黑臭水体里的污染物清理出去,能从本质上降低底泥对上覆水质的影响。但是,从实际情况来看,截污清淤不能解决污染问题。一方面,受条件限制,河道里的污泥无法完全清除,因此清淤后极易发生复黑臭现象;另一方面,清淤过程会带走大量土著微生物,破坏原有的生态平衡。除此之外,清淤成本高和清理出来底泥的处理处置都是需要解决的难题[13]。
引水补水是一种可以在一定时间内降低水体污染物浓度的黑臭水体治理方法。该方法通过将附近清洁的水源引入受污染的河流中来减缓藻类繁殖,恢复水体自净能力,补充水体中DO含量,适合用于流动性小、流动缓慢的小型景观水体[14]。卢萃云等[15]通过模拟河道反应器的实验发现,曝气充氧能够明显改善河道的水质状况,增加水体自净能力且不带来二次污染。物理法对黑臭水体的修复成效较高,但只能起到暂时性修复的效果,适宜作为黑臭水体治理的辅助手段在局部使用,不适宜大范围应用。
2.3 生物法
生物法作为解决环境污染的友好方法,近年来一直被广泛研究,其主要包括植物法、微生物法和生物膜技术等。藕翔等[16]选取美人蕉、凤眼莲、苦草三种水生植物对黑臭水体进行修复,三种植物单独使用均可实现水体COD、总氮、NH3-N和总磷的降低,并且几种水生植物搭配组合后净水效果会进一步提升。肖羽堂等[17]利用复合菌群修复广东南海某黑臭河涌,水体的COD、NH3-N和总磷的浓度显著下降,去除率分别达到75%,80%和76%,实现河涌自净能力的提高。吴霞等[18]采用梅花式接种法将本源微生物菌剂接入黑臭河道,实现水体DO浓度提升至2。0mg/L以上,COD、总磷和NH3-N的去除率分别保持在40%,30%和40%以上的效果。
尹莉等[19]考察了固化工程菌对黑臭水体的修复效果,结果表明加入菌种后水体黑臭现象得到消除,水中的COD、总磷和NH3-N去除效率高达93。38%,100%和45。49%。董甜甜等[20]用枯草芽孢杆菌固定生物膜技术在曝气条件下对黑臭河水进行处理,在处理10天后,黑臭河水中COD、浊度、NH3-N和总磷的去除率分别达76%,94%、99%和79%。生物法一般不需大规模的土建,成本较低,对城市环境影响较小,而且可以帮助恢复城市水体的景观功能,满足我国现阶段可持续发展的理念,具有很大的可行性。因此,开发高效的生物治理方法用于城市黑臭水体治理具有重要意义。
3、城市黑臭水体治理的发展趋势
由于物理法和化学法存在较明显的局限性,在目前城市黑臭水体的治理中宜作为辅助方法在局部使用。常用的生物法一般采用引入外源性植物或微生物的方法进行修复,方法较为简单,处理成本相对较低,但并不能完全消除水体中的污染物,此外,修复过程中引入的外来微生物/植物由于缺少竞争可能会成为优势种,从而导致土著微生物/植物的活性和生物量降低,从而破坏原生境。因此,利用土著微生物/植物进行原位生态修复的技术成为黑臭水体治理发展的新趋势。
3.1 生物促生技术
水体中一般都存在有自净功能的微生物,水体污染后,此类微生物的活性下降,生物量减少,因而无法有效进行水体自净。生物促生技术是通过向污染水体中投放生物促进剂,促进土著微生物的繁殖,提高其活性,从而达到去除污染物的目的。张秀芝等[21]用固体生物促生剂对天津某黑臭河道的河水进行治理,结果显示,在无曝气情况下,添加固体生物促进剂可以有效去除水体中的污染物,治理后的水质达到国家标准Ⅳ类水的要求。高艳[22]利用间歇曝气与生物促生剂相辅助的技术进行黑臭水的净化,结果表明联合治理可有效去除水体中的COD、NH3-N、总磷,水质明显改善。生物促生剂用于黑臭水体治理,通过刺激土著微生物的生长繁殖,可有效去除水体中的有机污染物,环境友好,但成本较高,推广难度较大。
3.2 沉积型微生物燃料电池技术
沉积型微生物燃料电池(SMFC)是一种可将阳极区沉积物中的有机质直接转化为电能的新型水生态修复技术。SMFC一般由阴极、阳极以及外电路构成。阳极发生的是厌氧反应,产电微生物在厌氧或缺氧条件下氧化底物中的有机质转变为二氧化碳、质子氢和电子;质子氢通过扩散、电子通过外电路到达阴极后和阴极表面的氧气结合发生好氧反应产生水,从而完成整个化学反应。SMFC整个过程的产物为二氧化碳和水,不会产生二次污染,且在这个过程中还可以回收利用部分电能,实现污染物的资源化处理处置。黑臭水体底部为完全厌氧或缺氧环境,可以满足SMFC阳极工作需求;黑臭水体上部或表层中有一定量的DO,可以满足SMFC阴极工作要求,因此用SMFC进行黑臭水体的原位修复具有可行性。该方法不需要向环境中投加生物或化学制剂,而是通过对原生态中土著微生物定向驯化达到产电的目的,避免二次污染,具有环保性和安全性。
目前,已有学者对SMFC用于河湖黑臭水体生态修复展开了卓有成效的研究工作,如:Kabutey等[23]研制了一种新型浮式水生植物植入式单室SMFC,用于除去城市河流沉积物中的污染物并能生物发电,实验表明总COD、硝酸盐和硫酸盐的去除率高,最大电压输出量为0。56±0。26V,最大功率密度为24。7%。李秀芬[24,25,26,27]团队利用SMFC对太湖底泥进行生态修复,研究表明SMFC运行前后,太湖底泥中的有机质明显下降,总磷、总氮去除效果明显。张太平[28,29,30]团队利用黑臭底泥作为SMFC接种物结合植物进行河流底泥修复,将植物引入SMFC后,铵态氮含量、硝态氮含量、总磷含量等明显降低,可以有效地修复底泥。
由于SMFC独特的结构特点,该技术特别适合与其他技术联用进行城市黑臭水体治理。李雪等[31]构筑的人工湿地-MFC耦合系统实现了净化污水的同时产生电能,系统COD去除率最大可达89。4%。夏世斌等[32]构建的直接产电型垂直流人工湿地新装置实现了污水COD51。6%和总氮70%以上的去除效率。将SMFC技术和其他技术耦合用于黑臭水体治理,不仅可以有效修复水体生态,具有安全性、持久性和可靠性,而且还可以产生新的清洁能源,是一种高效清洁环保的新技术。
4、结语
城市黑臭水体治理作为一项复杂的市政工程,需要多学科、多领域共同合作,进行全面综合治理。目前城市黑臭水体治理工作已从局部治理转向全流域系统治理,从单一的处理技术转变为多元治理技术相结合。通过分析城市黑臭水体形成的原因及对比现有的修复技术及新型修复技术,可以看出多技术联用是未来城市黑臭水体修复的发展方向,且SMFC技术在黑臭水体修复中具有较广阔的发展前景。
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