2.1　治理原理

2.1.1　物理法

2.1.1.1　內(nèi)源清理技術(shù)

內(nèi)源清理主要分為底泥疏浚法、引水稀釋法等方法。底泥疏浚法,可以通過(guò)使用機(jī)械或者人工作業(yè)方式,對(duì)城市內(nèi)河底的厚度在1.3~2.5m之間呈黑色,以黏土質(zhì)和細(xì)粉砂質(zhì)的顆粒物為主,平均粒徑在5~11μm之間,有機(jī)質(zhì)含量較高,有明顯臭味的嚴(yán)重污染層?黑色粉砂黏質(zhì)泥層進(jìn)行治理。引水稀釋法,主要通過(guò)外來(lái)補(bǔ)水,向水系能輸入達(dá)標(biāo)活水,使水體逐漸發(fā)生良性循環(huán)。但由于水中微生物對(duì)環(huán)境較敏感,該法的應(yīng)用不可忽視掉對(duì)原有水質(zhì)的保護(hù)。

2.1.1.2　外源截?cái)嗉夹g(shù)

目前,黑臭水治理外源截?cái)嗉夹g(shù)是黑臭水體整治最直接有效的工程措施。該技術(shù)通過(guò)沿河沿湖鋪設(shè)污水截流管線,對(duì)老舊城區(qū)的雨污合流制管網(wǎng),應(yīng)沿河岸或湖岸布置溢流控制裝置,將污水截流并納入城市污水收集和處理系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)考慮溢流裝置排出口和接納水體水位的標(biāo)高,并設(shè)置止回裝置,防止暴雨時(shí)倒灌。通過(guò)正本清源、干支管網(wǎng)完善、雨污分流、初雨及面源治理、清淤疏浚、截流處理等措施,實(shí)現(xiàn)污水、雨水、初雨水的三水分離。

(1)控源截污　控源截污能夠有效控制水體黑臭污染。控制污染源頭的污水排水,截住溢流污水,是污水治理的難點(diǎn)和重點(diǎn)。姚學(xué)同等針對(duì)受點(diǎn)源、面源污染的城市河道,通過(guò)采取截污納管與人工濕地相結(jié)合的凈化處理方法來(lái)改善水質(zhì),工程設(shè)計(jì)的截污能力和人工濕地處理能力分別為1.02×10⁴m³·d^-1和3.5×10⁴m³·d^-1,人工濕地的占有面積45hm²,經(jīng)過(guò)截污與人工濕地共同作用后,水質(zhì)凈化目標(biāo)基本實(shí)現(xiàn),水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)的Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)人工曝氣　人工曝氣的原理是通過(guò)向水體中曝氣,增加水中溶解氧的含量,提高水體自凈能力。張紹君系統(tǒng)分析了通過(guò)利用快速純氧曝氣的工藝治理東莞河道黑臭的工程效果,經(jīng)過(guò)連續(xù)的工程實(shí)驗(yàn)研究和連續(xù)運(yùn)行結(jié)果表明,純氧曝氣能夠迅速大幅度地提高河流的DO質(zhì)量濃度,當(dāng)DO質(zhì)量濃度達(dá)到20mg·L^-1以上時(shí),河道水體的色度可降低至原來(lái)的1/20以下,并且臭閾值能穩(wěn)定在5以下,此數(shù)值已達(dá)到了一般景觀水體的色度和嗅味標(biāo)準(zhǔn)。德國(guó)的埃姆舍爾河、英國(guó)的泰晤士河和澳大利亞的天鵝河在治理的過(guò)程中都曾使用過(guò)人工曝氣增氧技術(shù)作為短期內(nèi)迅速改善河流水質(zhì)的重要手段。隨著技術(shù)的發(fā)展,人工曝氣方法治理河道也出現(xiàn)了一些問(wèn)題:設(shè)備耗電費(fèi)用高、噪聲大等,對(duì)長(zhǎng)期受嚴(yán)重污染的水體修復(fù)效率低。因此,人工曝氣不能作為一種單一長(zhǎng)期的治理手段,需輔助其他修復(fù)方法協(xié)同使用。

(3)底泥疏浚　底泥疏浚是一種利用人力或機(jī)械適當(dāng)清除底泥表層,以達(dá)到減少底泥內(nèi)源污染的有效方法。鐘繼承等通過(guò)為期1年的底泥疏浚對(duì)河道內(nèi)源中磷的釋放控制效果試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),疏浚底泥表層30cm左右能夠有效地去除沉積物中磷的含量與孔隙水中?P的含量。底泥疏浚是一項(xiàng)耗資巨大的工程項(xiàng)目,目前的發(fā)展趨勢(shì)是采用生態(tài)清淤的方式來(lái)替代工程疏浚,這樣對(duì)水體生態(tài)環(huán)境破壞較小,另外清淤后的污泥處置也是目前面臨的一大難題。

(4)引調(diào)水工程　引調(diào)水工程法是一種通過(guò)采取引調(diào)水的方式稀釋水體中污染物,加速水體流動(dòng)以增強(qiáng)水體富氧功能達(dá)到降低污染物濃度的工程手段。黃永福等在污水量預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)福州市內(nèi)河不同的引水沖污規(guī)模方案進(jìn)行比較得出:當(dāng)引水量達(dá)到30~40m³·s^-1時(shí),水體的黑臭指數(shù)為3.01~5.09,表明引調(diào)水工程措施能夠改善水體黑臭問(wèn)題。但引水工程也有很大的局限性:要有臨近的引調(diào)水水源,易造成河道下游的污染,長(zhǎng)期使用要耗費(fèi)大量的能源。如采用就地雨水池蓄水釋污,可有效避免以上局限性。

(5)吸附法　吸附法的原理是利用具有多孔、高比表面積、特殊官能團(tuán)或具有活性吸附點(diǎn)位的吸附劑,對(duì)水體中的一種或多種組分進(jìn)行吸附的方法。目前在黑臭水體的治理中,常用的吸附劑有黏土礦物、方解石、沸石、爐渣、植物纖維、土壤等。其中,黏土礦物是一類在自然界分布廣泛的非金屬礦藏資源,其多孔、比表面積大的特性決定了它優(yōu)良的吸附性能,主要包括蒙脫石、凹凸棒、高嶺石、氧化鐵礦物等。而蒙脫石、凹凸棒是2∶1型硅酸鹽黏土礦物,其陽(yáng)離子常存在同晶置換,進(jìn)而導(dǎo)致表面電荷不平衡,與被吸附物質(zhì)結(jié)合,達(dá)到吸附除磷的目的。方解石是一種天然的碳酸鈣,磷酸鹽可吸附在其表面,進(jìn)而結(jié)晶、沉淀,形成永久性固態(tài)磷,對(duì)底泥中的磷酸鹽有良好的吸附效果。沸石具有獨(dú)特的孔結(jié)構(gòu)、離子交換性和吸附分離性,因此具有很大的吸附能力。農(nóng)業(yè)廢棄物棕櫚殼制成的活性炭,可生物降解,吸附效果好,可去除水體中高達(dá)97%的磷,但成本較高,難以再生。為提高官能團(tuán)活性,充分?jǐn)U展比表面積,打開內(nèi)部孔道,在實(shí)驗(yàn)或?qū)嶋H應(yīng)用中常通過(guò)化學(xué)方法對(duì)天然催化劑進(jìn)行改性,從而優(yōu)化其吸附性能。一些研究發(fā)現(xiàn),將沸石和方解石復(fù)合覆蓋可有效控制底泥和磷的釋放,用CaCl₂預(yù)處理過(guò)的沸石和方解石混合物覆蓋效率更高。為進(jìn)一步降低治理成本,實(shí)現(xiàn)資源化再利用,一些研究將河道底泥進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室處理和改性后,對(duì)黑臭河道中的磷具有較好的吸附能力。陳星等用河底泥作為吸附劑,并進(jìn)一步對(duì)其分別通過(guò)氧化、載鈉以及氧化?載鈉相結(jié)合三種方法進(jìn)行改性,并以原始底泥和3種改性底泥作為吸附材料,對(duì)水體中磷的吸收效果進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果顯示,載鈉、氧化和氧化?載鈉的最大吸附量分別為0.83mg·g^-1、1.03mg·g^-1和1.42mg·g^-1,其中氧化?載鈉改性底泥對(duì)磷的吸附效果最高可達(dá)94.7%。

2.1.2　化學(xué)法

化學(xué)方法是一種通過(guò)向污染水體投加具有絮凝、氧化、沉淀作用的化學(xué)藥劑使水體凈化的方法。常用的化學(xué)藥劑主要有3種:Fe鹽和Al鹽等混凝劑、H₂O₂等氧化劑、生石灰等沉淀劑。陳靜等通過(guò)滇池治理實(shí)驗(yàn)表明,聚合鐵和聚合鋁這兩種化學(xué)絮凝劑能在短時(shí)間內(nèi)迅速改善水質(zhì),但持續(xù)時(shí)間只有2天,費(fèi)用高達(dá)0.2元·m^-3,且產(chǎn)生不易沉降的絮體,導(dǎo)致二次污染。Nyk?nen Anne等在芬蘭通過(guò)向發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的水塘中投加顆粒狀的CaO₂,經(jīng)過(guò)5~7個(gè)月的觀察發(fā)現(xiàn),DO的含量和沉積物中好氧細(xì)菌數(shù)量增加,沉積物中有機(jī)質(zhì)的含量降低。雖然化學(xué)法用來(lái)應(yīng)急治理黑臭水體的效果比較好,但化學(xué)藥劑的投加會(huì)對(duì)河流生態(tài)環(huán)境和生物生長(zhǎng)帶來(lái)二次污染,因此,化學(xué)法不能作為水體長(zhǎng)期治理的方法。

(1)Fe鹽和Al鹽等混凝劑　化學(xué)絮凝是通過(guò)向水中投加絮凝劑,破壞膠體顆粒的穩(wěn)定性,把膠體凝聚成大的團(tuán)狀物質(zhì),利用捕掃、沉淀等作用將水中污染物去除的方法。常用的絮凝劑主要分為無(wú)機(jī)絮凝劑、有機(jī)絮凝劑和有機(jī)?無(wú)機(jī)復(fù)合絮凝劑等幾種類型。雖然化學(xué)絮凝法可以較快地使水體中的懸浮物質(zhì)與膠體物質(zhì)得到去除,凈化水質(zhì),但是沒(méi)有從根本上減少污染物,只是把污染物由水中遷移到了底泥中。雖然短期內(nèi)效果很好,但是長(zhǎng)期來(lái)看,存在很大隱患。絮凝作用持續(xù)時(shí)間較短,過(guò)一段時(shí)間河流黑臭問(wèn)題會(huì)再次出現(xiàn)。孫從軍等以改性硅藻土為混凝劑在蘇州河進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),僅靠強(qiáng)化混凝工藝并不能滿足要求。

(2)H₂O₂、臭氧、氯氣、過(guò)氧化物等氧化劑

① 氯化。氯化技術(shù)是指向水中投加氯或含氯化物以達(dá)到氧化水體中氨氮的目的。次氯酸鈉具有強(qiáng)氧化性、無(wú)氯氣外泄的危險(xiǎn)、反應(yīng)副產(chǎn)物少等優(yōu)點(diǎn),在富營(yíng)養(yǎng)化水體和黑臭河道的治理中有一定的應(yīng)用。李凱等向含氨氮的水體中加入氯與氨氮的量比為1.7的次氯酸鈉,可將水中的氨氮轉(zhuǎn)化成氨氣。但氨氮去除率受pH影響較大,且污染越嚴(yán)重的水體需投加的試劑越多,處理成本也增大。

② 臭氧氧化。臭氧氧化對(duì)于去除有機(jī)污染物具有良好的效果,魯秀國(guó)等用臭氧氧化的方法去除黑臭水中的COD_Cr,當(dāng)臭氧投加量為92~150mg·L^-1,pH為7~10時(shí),對(duì)COD_Cr的去除效果最好,去除率達(dá)到了40%左右。但當(dāng)臭氧達(dá)到一定濃度時(shí),會(huì)分解細(xì)胞壁,改變細(xì)胞的通透性,從而對(duì)水體中的部分微生物產(chǎn)生不利影響。因此,在實(shí)際應(yīng)用中盡可能使臭氧發(fā)揮出最大的效果,同時(shí)讓其對(duì)微生物的不利影響降至最低,成為臭氧氧化的一大難題。陶巍等將不同濃度的臭氧水應(yīng)用于黑臭水體的治理中,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在臭氧質(zhì)量濃度為9mg·L^-1時(shí)對(duì)亞硝酸鹽去除率可達(dá)93.4%,對(duì)水中DO質(zhì)量濃度有明顯的提升,并確定投加濃度閾值在3mg·L^-1下,能保證水體中絕大多數(shù)土著微生物正常的生命活動(dòng),同時(shí)使浮游植物多樣性指數(shù)大幅提高。

③ Fenton氧化。Fenton氧化是將含F(xiàn)e²⁺的催化劑與H₂O₂反應(yīng)產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化性·OH自由基,使大分子難降解的有機(jī)化合物完全礦化成二氧化碳和水,進(jìn)而去除水中難降解有機(jī)物。實(shí)驗(yàn)顯示,Fenton氧化對(duì)藻類大量繁殖形成的黑臭水體治理方面具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。陳正勇等將Fenton試劑投加到富營(yíng)養(yǎng)化黑臭水體中,發(fā)現(xiàn)90min后水體的臭味可完全去除,水體的色度和濁度去除率分別可達(dá)93.11%和73.3%,溶解氧水平也有明顯的提高,水體pH可維持在7左右,最重要的是,通過(guò)魚的毒理實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)Fenton試劑對(duì)水生生物無(wú)毒,對(duì)水體的生態(tài)環(huán)境表現(xiàn)友好。

④ 過(guò)氧化物。楊華等通過(guò)投加工業(yè)品化學(xué)藥劑CaO₂的不同規(guī)模試驗(yàn),考察了化學(xué)藥劑的種類、投加濃度和投加方式對(duì)城市黑臭河流水質(zhì)的改善效果,以期為城市黑臭河流的水質(zhì)修復(fù)提供技術(shù)支持。a.投加CaO₂能快速提高水體DO含量,同時(shí)降低水體中的總磷含量。b.由于在開放流動(dòng)水體中存在氧的流失,投加CaO₂后水體中DO含量維持時(shí)間較短,僅能維持1d。c.對(duì)不同人工增氧方式適用性的初步分析表明,投加CaO₂適于在相對(duì)封閉、靜止的污染水體中使用,在開放流動(dòng)的城市黑臭河流治理中需慎重使用。

單獨(dú)投加大量氧化劑可能存在氧化速率太快,破壞水生生態(tài)系統(tǒng)等不利影響,費(fèi)用低、應(yīng)用性強(qiáng)、環(huán)境友好且具有良好效果的緩釋型氧化劑的研制,已成為化學(xué)氧化法處理黑臭水體的一大熱門研究方向。過(guò)氧化鈣(CaO₂)作為良好的釋氧化合物(Oxygen Release Compounds,ORC),能與水反應(yīng)并緩慢地釋放氧氣,對(duì)底泥和上覆水的溶解氧水平的提升均具有較好的效果。張啟超等在沉積物?水界面處散點(diǎn)注射過(guò)氧化鈣,水體中溶解氧濃度,隨CaO₂濃度的增加而增加,對(duì)上覆水中磷濃度最大削減量可達(dá)到98%。Wen?Huai Wang等在黑臭水體中加入過(guò)氧化鈣發(fā)現(xiàn),可以提高水中的溶解氧和氧化還原電位,從而有效改善缺氧環(huán)境,CaO₂還降低了上覆水中濁度的60.54%,間隙水中的總化學(xué)需氧量(TCOD_Cr)的47.02%和S^2-的70.37%。由于黑臭水體的底泥和上覆水在環(huán)境因素的影響下,存在著吸收與釋放的動(dòng)態(tài)平衡,因此底泥中污染物的抑制對(duì)黑臭水體的治理也至關(guān)重要。Jing Zhou等將過(guò)氧化鈣、凈水污泥和水泥以5∶3∶2的比例混合得到一種改良的過(guò)氧化鈣材料ACPM,實(shí)驗(yàn)表明,ACPM對(duì)底泥中的磷有永久埋藏的作用。在單一的緩釋氧化劑的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改良得到的復(fù)合釋氧劑,對(duì)黑臭水體的治理效果更佳。李亮等在固化溫度為100℃,CaO₂與沸石的質(zhì)量比為1∶1,Na?A質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí),制備復(fù)合釋氧劑,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,ORC對(duì)黑臭水體理化指標(biāo)的改善、底泥磷釋放的抑制均有作用效果,水體中TP和COD_Cr的含量分別下降90.11%和63%,具有良好的修復(fù)效果。黃靖宇等以火山渣為填充材料,過(guò)氧化鈣為氧源,聚乙烯醇為包埋劑制備緩釋氧材料,黑臭水體中溶解氧水平得到提高,上覆水COD_Cr濃度在第19天達(dá)到最大去除率,總磷的最高去除率達(dá)到95%以上。

(3)沉淀/鈍化劑　楚廣等化學(xué)沉淀法去除水中的氨氮的原理為將Na₃PO₄作為源,將MgSO₄作為Mg²⁺源加入含有氨氮的黑臭水體中,使其與水中的銨根離子發(fā)生下列反應(yīng):

Mg²⁺+++6H₂OMgNH₄PO₄·6H₂O

在反應(yīng)過(guò)程中生成的MgNH₄PO₄·6H₂O俗稱鳥糞石,可以作緩釋肥(SRFS),因此化學(xué)沉淀法在脫除氨氮的同時(shí)還能將廢物進(jìn)行利用。

(4)結(jié)論

① 化學(xué)沉淀法對(duì)不同濃度的氨氮廢水具有良好的適應(yīng)性,尤其處理高濃度氨氮廢水時(shí)具有較高的氨氮去除率。

② 化學(xué)沉淀法處理氨氮廢水尤其是高濃度的氨氮廢水時(shí)的最佳反應(yīng)條件為:pH在9.0~10.5之間,反應(yīng)時(shí)間為20min,反應(yīng)溫度為常溫,沉淀劑添加比例n(P)∶n(Mg)∶n(N)=1.2∶1.2∶1或1.2∶1.1∶1。

2.1.3　生物生態(tài)法

生物生態(tài)法又被稱為生態(tài)修復(fù)技術(shù),其利用自然界的力量,通過(guò)生物作用將水體生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài),具有可持續(xù)性。其中,生態(tài)修復(fù)技術(shù)分為水生植物修復(fù)技術(shù)、微生物修復(fù)技術(shù)、生態(tài)岸帶修復(fù)技術(shù)等。

(1)水生植物修復(fù)技術(shù)　水生植物修復(fù)技術(shù)是利用植物來(lái)處理黑臭水體,是目前比較常用的一種方法。該方法不僅能夠處理好水質(zhì),還能夠美化環(huán)境,常用的水生植物有浮萍、水蓮等。生態(tài)島和人工濕地是水生植物修復(fù)技術(shù)的兩種典型代表,生態(tài)島通常構(gòu)建于河道中,在載體上培養(yǎng)植物。生態(tài)島能夠作為綠化景觀和生物棲息場(chǎng)所,能夠增加生物的多樣性。作為另一種生態(tài)修復(fù)方法,人工濕地利用植物的吸收和降解功能對(duì)黑臭水體進(jìn)行凈化。大量實(shí)踐證明,水生植物能夠吸收大量的有害物質(zhì),作為其生長(zhǎng)發(fā)育所需的物質(zhì),一舉兩得。但是,植物修復(fù)技術(shù)存在不足之處,植物具有生長(zhǎng)周期,冬季時(shí)植物生長(zhǎng)緩慢,植物修復(fù)技術(shù)效果差。

(2)微生物修復(fù)技術(shù)　微生物修復(fù)技術(shù)利用微生物的新陳代謝能力來(lái)處理水體中的污染物,是一種環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的處理方法。其主要通過(guò)在水體中培養(yǎng)微生物來(lái)對(duì)受污染水體進(jìn)行修復(fù)。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有豐富的經(jīng)驗(yàn),但是微生物容易受到外界影響而死亡,其活性也容易受到溫度等外界條件的影響。微生物修復(fù)技術(shù)對(duì)水體中總氮、總磷具有良好的去除效果,與其他方法相比,該技術(shù)成本較低,但是微生物具有特定性,需要前期培養(yǎng)馴化。近年來(lái)出現(xiàn)了許多微生物修復(fù)技術(shù)與其他技術(shù)聯(lián)用的方法,取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果。

(3)生態(tài)岸帶修復(fù)技術(shù)　生態(tài)岸帶修復(fù)技術(shù)在處理黑臭水體方面具有良好的效果,其利用河岸兩旁的植物來(lái)截留污染物,改善水體質(zhì)量。在海綿城市建設(shè)中,生態(tài)岸帶可以促進(jìn)水體循環(huán),為其他生物提供棲息地,提高生態(tài)系統(tǒng)的多樣性。水體經(jīng)生態(tài)岸帶修復(fù)技術(shù)處理后,污染物含量明顯減少,有害微生物也基本得到消除。城鄉(xiāng)結(jié)合部建立生態(tài)岸帶,可以有效減少污染物的注入量,美化水環(huán)境,增強(qiáng)生物多樣性,提升水質(zhì)。

生物生態(tài)法是一種利用生物(包括動(dòng)物、植物和微生物)重新構(gòu)建水生態(tài)系統(tǒng),旨在恢復(fù)水體自凈能力、經(jīng)濟(jì)可行、長(zhǎng)效的治理水體黑臭的方法。主要包括微生物技術(shù)、生物膜技術(shù)、植物凈化技術(shù)和生態(tài)岸帶修復(fù)技術(shù)。