0 引 言
河流污染是当前日益受到关注的环境问题之一[1-3]。城市受污染河流水体中存在大量污染物，使水体中溶解氧浓度降低甚至为0，导致河水黑臭，鱼虾绝迹，不仅失去了资源功能和使用价值，而且损害城市景观、影响城市的开发建设[4-5]。
城市黑臭河涌以有机污染物为主，水体中的有机物在分解过程中耗氧大于复氧，造成水体缺氧，厌氧微生物大量繁殖并分解有机物产生大量臭味气体如CH4、H2S、NH3等逸出水面进入大气，使水体发臭[6]；水体缺氧导致水中铁、锰等金属发生还原，与水中的硫形成FeS等在水体致黑作用中占主导作用[7-8]。
目前，国内外黑臭河流的治理与修复中最常用的方法主要有物理方法[9-12]、化学方法[13-16]和生物生态方法[17-21]。中山市火炬开发区河涌整治试验段为濠头涌、沙边涌、八公里河、张家边涌4条河涌。在河涌截污不完全，调水补水实施不彻底的背景条件下，以这4条重点黑臭河涌为研究对象，在其流域内选择了一段典型的污染形态水体进行修复研究。根据不同污染情况，对濠头涌和沙边涌试验段实施曝气复氧+高效絮凝剂+微生物原位修复技术，对张家边涌和八公里河试验段实施低强度长时间曝气+岸边生物浮床的组合生物修复技术来改善水体。通过观测治理前后各种水质理化指标与水体生物相指标的变化反映水质改善的程度，评判各种生物生态修复技术及工艺在污染治理上的成效。
1 研究区域概况
濠头涌试验段河道呈S状，全长约500 m，平均宽度12 m，平均水深1.5 m。试验段起始位置为一暗河出口，试验段全段流经人口密集区域，部分民居临河而建，试验段水体黑臭严重，鱼虾绝迹。
沙边涌试验段河道笔直，全长约1000 m，平均宽度10 m，平均水深1.2 m。试验段全段位于濠江路东侧，水体黑臭严重，垃圾漂浮物较多，鱼虾绝迹。
张家边涌试验段河道笔直，全长约500 m，宽约22 m，两岸为浆砌石档墙，堤岸设有观景平台。试验段西侧有一截污闸，主要用以拦截张家边社区居民生活污水。该段水体表观较好，有鱼虾等水生生物。
八公里河试验段河道笔直，全长约700 m，宽约25 m，两岸为浆砌石档墙，堤岸两边设有人行步道。试验段起始位置设有截污闸，主要用以拦截上游张家边社区居民生活污水，试验段南北两侧为工厂和居民区，下游与张家边涌相连通，该段水体表观较好，有鱼虾等水生生物存活。
2 研究方法
2.1 试验区域分析
濠头涌和沙边涌为火炬区西边的内河涌，主要接纳居住区生活废水和工业区污水排放。濠头涌、沙边涌试验段水体黑臭严重，流经区域为居民、工厂聚集区，且流经区域存在截污管网建设不完善等情况，水体流速相对缓慢。
张家边涌和八公里河试验段水体表观呈绿色，流经区域为中心城区，且流经河段附近均设置有截污闸，主要接纳沿途居住区居民生活污水和部分工业排水，河道断面较宽，水体流速较快。
2.2 试验材料与设备
试验材料：扎带，网绳，曝气管，PVC管，电缆，浮床，水生植物(狐尾藻、菖蒲、美人蕉、水竹芋、花叶芦竹等植物，15～20株/m2)，高效絮凝剂，生态修复液，生物诱导液，复合菌种等。其中，高效絮凝剂和复合微生物菌种购自北京某生物工程有限公司。
试验设备：推流曝气机、增氧喷泉、溶氧仪、等。
2.3 试验方法
通过一系列调研和预研究，确定对濠头涌和沙边涌试验段实施曝气复氧+高效絮凝剂+微生物原位修复技术，对张家边涌和八公里河试验段实施低强度长时间曝气+岸边生物浮床的组合生物修复技术来改善水体。以濠头涌为例，曝气复氧微生物水体净化系统如图1 所示，具体操作步骤见图1。
图1 濠头涌水体净化系统
Fig.1 Water purification system of Haotou River
在试验段上游安装1台推流曝气机进行强化活水，功率为2.0 kW，安装水深为0.6 m, 空气量为33 m3/h，增氧量约为3.4 kg/h；中下游安装2台增氧喷泉，功率为1.1 kW，水花直径为3～5 m，增氧量约为2.6 kg/h。絮凝剂与微生物药剂按水域面积确定投放量，分点投放。采用可移动式船型农用喷灌机对药剂进行投放，共设3个投药点，投药面积约6000 m2(其中长度500 m，宽12 m)。微生物菌剂用量为5 g/m2，生态修复液用量为10 g/m2，生物诱导液用量为10 g/m2，高效絮凝剂用量为3 g/m2。试验过程中，对河道持续曝气复氧，而微生物菌剂和絮凝剂只在第1天投加，试验过程中隔天取水样检测河道水质指标。
2.4 监测指标
研究河段范围内，河流主要污染源为生活污水。根据《城市黑臭水体工作指南》(2015年住建部发)和中山市河涌水质监测方案，确定监测项目为BOD5、COD、DO、TP和NH3-N。试验分析方法依据《水和废水监测分析方法》第4版具体如表1所示。
表1 检测项目和试验分析方法
Table 1 Tested indexes and analysis methods
监测项目分析方法BOD5稀释接种法(5日培养)COD重铬酸钾法DO溶解氧快速测定仪TP纳氏试剂分光光度法NH3-N钼酸铵分光光度法
2.5 布点与测定频率
沿黑臭水体每150～300 m间距设置1个检测点，每个水体的检测点不少于3个。取样点设置于水面下0.5 m处。间隔2日检测1次，每个点至少检测3次，对测定结果取平均值。
3 结果与分析
3.1 水体修复技术的选择
污染水体修复的实质是利用各种技术手段，消除水体中的有机、无机污染物，恢复水体生态，使其具备自净能力。按污染水体修复方式，大致可分为异位修复[22]和原位修复[23]，异位修复不适合大面积的水体，其成本较高，目前河道污染水体的治理一般采取原位修复方式。其中，河道曝气技术作为一种投资少、见效快的修复手段在国内外的应用己非常成熟[19]。针对城市河道水质恶化的现状，河道曝气增氧是一种行之有效的处理方法。另外，生物修复技术作为新兴技术，利用特定生物对水体中污染物的吸收、转化或降解，减缓或最终消除水体污染、恢复水体生态功能的生物措施，包括生物浮岛技术和投加菌种的微生物强化修复技术[21,24]。微生物菌剂净化技术实际上是外源微生物投放技术，已广泛应用于水产养殖、农业等领域。本研究根据试验前水质调查以及相关资料调查，选用北京某生物工程有限公司所培育生产的复合微生物菌剂。该菌剂具有高效清污作用，能快速降低BOD5、COD和TSS，对氮和磷有很强的去除能力。采用曝气充氧同时，利用复合微生物菌剂和高效絮凝剂进行絮凝清污，能在短时间内达到生物清淤，水体复氧改善水质的目的。
3.2 研究进程
本研究中，濠头涌和沙边涌截污管网建设不完善，水体流速缓慢，主要接纳上游居民生活污水，黑臭严重。若在该处建设拦水坝进行蓄水，则该段水体会有较长的停留时间，因此对该段采用曝气+高效絮凝剂+微生物原位修复技术；张家边涌和八公里河试验段水体表观呈绿色，水体流速较快，且均处于河段中部，河道断面较宽，且污染相对较轻。若采用微生物修复的方式，则耗时耗力，难以在短期内达到治理目标，因此对该段采用低强度长时间曝气+岸边生物浮床的组合生物修复技术。
3.3 水体DO的变化
在污染水体的生物修复中，DO是黑臭水体净化的重要指标。水体中DO主要取决于水体中藻类放氧量、大气复氧、水体有机污染物生化耗氧量、底泥耗氧量等因素。而水体的DO增加有助于河涌微生物区系由厌氧向好氧转化，好氧微生物区系的建立使河涌生态体系从低等向高等演替，并增加生物多样性，强化水体的自净能力。
由图2可以看出：自试验开始后，河涌水体DO指标明显改善。同时由于河涌水涨潮，外来污水大量流入，影响河涌DO，但总体DO呈不断提升趋势。试验1个月，河涌水体DO大幅度提升一段时间后呈现稳定趋势。试验后期，DO出现不稳定的情况，归因于试验期间为降雨天气。试验后期，沙边涌的 ρ(DO)由0.42 mg/L增加到1.82 mg/L，仍处于轻度黑臭状态。濠头涌的ρ(DO)由0.55 mg/L增加到2.02 mg/L，高于轻度黑臭指标数值2 mg/L，改善效果明显。
—沙边涌； 
—濠头涌； 
—八公里河； 
—张家边涌。
图2 河涌水体DO指标监测数据
Fig.2 Monitoring data of DO index in selected rivers
3.4 水体COD和BOD5的变化
由图3和图4可以看出：河涌试验段水体COD、BOD5明显降低，并随着时间推移，这一效果逐渐加强。河涌水体COD、BOD5变化趋势相同，推测与堰内外水体交换有关。试验后期，COD、BOD5浓度呈现部分上升趋势，推测与试验期间暴雨天气和涨潮有关。试验后期，沙边涌COD和BOD5的去除率分别为62.9%和69.5%，濠头涌COD和BOD5去除率分别为60.0%和60.8%，改善效果显著。八公里河和张家边涌由于原水质相对较好，COD和BOD5去除率均在30%左右。
—沙边涌； —濠头涌； —八公里河； —张家边涌。
图3 水体COD指标监测数据
Fig.3 Monitoring data of COD in the water bodies
—沙边涌； —濠头涌； —八公里河； —张家边涌。
图4 水体BOD5指标监测数据
Fig.4 Monitoring data of BOD5 in the water bodies
3.5 水体TP和NH3-N的变化
由图5和图6可以看出：河涌试验段水体TP、NH3-N明显降低，并随着时间推移，效果显著。河涌水体TP、NH3-N呈现出同步变化趋势，推测与涨潮有关。研究后期，TP、NH3-N呈现逐步上升趋势，推测与试验期间下雨有关。试验结束后，沙边涌、濠头涌的TP去除率分别为72.8%和43.6%，NH3-N去除率分别为71.5%和53.2%，整治效果明显。但濠头涌水体中ρ(NH3-N)仍达到13.8 mg/L，处于轻度黑臭状态。八公里河和张家边涌水体中TP值一直处于较低水平，NH3-N去除率分别为27.9%和60.9%。
—沙边涌； —濠头涌； —八公里河； —张家边涌。
图5 水体TP指标监测数据
Fig.5 Monitoring data of TP in the water bodies
—沙边涌； —濠头涌； —八公里河； —张家边涌。
图6 水体NH3-N指标监测数据
Fig.6 Monitoring data of NH3-N in the water bodies
3.6 治理效果及存在问题
以濠头涌和张家边涌为例，整治前和整治后如图7和图8所示。可知：采用推流曝气机、喷泉进行充氧，增氧效果明显。投加高效微生物菌剂配合曝气充氧，水体中BOD5、COD、TP、NH3-N去除率高，水体表观也逐渐转好。
图7 濠头涌整治前后对比
Fig.7 Comparison before and after regulation of Haotou River
图8 张家边涌整治前后对比
Fig.8 Comparison before and after regulation of Zhangjiabian River
通过采用曝气和生物技术对河涌水体进行净化，投加具有高效净化能力的微生物菌种。沙边涌、濠头涌的治理效果较为明显，群众调查的满意度较高。由于NH3-N消除需要微生物分解和水生植物吸收，需要2～4个月才能消除，整治后濠头涌的NH3-N数据显示其依然处于轻度黑臭状态，因此河涌的整治具有持久性。八公里河、张家边涌受潮汐影响较大，主要污染物为NH3-N，侧重于曝气净化以及小环境调节植物，既可以削减水体中的超标的氮、磷以及其他有机污染物，也可以提高植物的观赏性和水体的利用率。
试验效果受水体漂浮垃圾及沉底垃圾和河涌涨潮影响较大。水泵、射流曝气机等在设备开启过程中，均发生过被垃圾缠绕以及管道堵塞的情况，涨潮过程中，下游部分生活污水又重新进入试验段，导致水质黑臭难以进行稳定控制。因此，水面漂浮垃圾的打捞和控制试验段内的水位变化须作为河涌治理应重点关注的事项。
4 结 论
河涌治理必须因地制宜，因时制宜。治理方式要结合水环境特点，寻找清淤的长效机制，在河涌综合治理中应尽可能采用各种生态护坡，分析河涌污染根源，做好截污工作，加强污染源管网的收集，改善生态环境，实现生态治理。配合生态生物浮岛和生态修复液改善水质，吸收氮、磷等营养物质，遏制水华。另外，应对生态修复技术的组合应用及其成本效果和适用性等进行综合性总体研究。
[1] 中华人民共和国生态环境部. 2018中国生态环境公报[EB/OL]. http://www.mee.gov.cn/home/jrtt_1/201905/t20190529_704841.shtml. 2019-05-29.
[2] Wang X. Management of agricultural nonpoint source pollution in China: current status and challenges[J]. Water Science and Technology, 2006, 53(2):1-9.
[3] 曹晓燕. 小城镇水污染状况评价及污染控制对策探析[J]. 中国资源综合利用,2018, 36(9)：162-164.
[4] Mirian R C, Cesar A A, Patricia G, et al. Influence of water quality and habitat conditions on amphibian community metrics in rivers affected by urban activity[J]. Urban Ecosystems, 2019, 22 (4): 743-755.
[5] 李延单，保庆唐，文忠，等. 北京市典型城市河流(凉水河)沉积物耗氧污染特征[J]. 环境工程学报，2017，11(9)：5065-5070.
[6] 卢信，冯紫艳，商景阁，等. 不同有机基质诱发的水体黑臭及主要致臭物(VOSCs)产生机制研究[J]. 环境科学，2012，33(9)：3152-3159.
[7] 郭炜超，徐斌，王趁义，等. 黑臭河水体治理技术研究现状与进展[J]. 水处理技术，2018，44(8)：1-5.
[8] 李真，黄民生，何岩，等.铁和硫的形态转化与水体黑臭的关系[J].环境科学与技术，2010, 33(增刊1): 1-3.
[9] 张绍君，张锡辉. 纯氧曝气快速消除河流黑臭的工程性研究[J]. 中国给水排水，2015，31(7)：76-79.
[10] 汪建华，王文浩，何岩，等. 原位曝气修复黑臭河道底泥内源营养盐的示范工程效能分析[J]. 环境工程学报，2016，10(9)：685-691.
[11] Emre A, Charles S M. Allocation of supplementary aeration stations in the Chicago waterway system for dissolved oxygen improvement[J]. Journal of Environmental Management, 2011, 92(6): 1577-1583.
[12] 王少林. 城市黑臭水体整治中控源截污改善措施的思考[J]，净水技术，2017, 36(11): 1-6.
[13] 李亮，武成辉，陈涛，等.过氧化钙在城镇黑臭水体修复中的作用[J].化工进展，2016,35(增刊2):340-346.
[14] 宁梓洁,王鑫.黑臭水体治理技术研究进展[J].环境工程，2018,36(8):26-29,73.
[15] 李乾松，王庆国. 黑臭水体底泥原位治理技术研究[J].人民长江，2018，49(增刊2)：43-46.
[16] 周茂飞. 氧化剂联合生物促生剂与沉水植物修复黑臭河道底泥研究[D].南京：南京信息工程大学，2017.
[17] 许瑞，王胜楠，陈乐，等. 基于三维荧光光谱技术解析不同微生物法净化黑臭水体的效果[J]. 环境工程学报，2017,11(9)：5065-5070.
[18] 魏婕，蒋毓婷，李军，等. 微纳米气泡特征及其在环境治理中的应用[J].环境工程，2018,36(10):75-79.
[19] 肖羽堂，王艳杰，吴玉丽，等.好氧-富氧曝气生物处理在黑臭河涌原位修复中的应用[J].环境工程学报，2017,11(5)：2780-2784.
[20] 刘志刚，李东晓，戴志东，等.基于复合微生物菌剂的黑臭河道治理[J].科学技术与工程，2019,19(1):284-287.
[21] 陈鸣钊，冯骞，夏敏，等.采用盆景式增氧生态修复装置治理黑臭河道工程实例[J].环境工程，2015,33(增刊1):147-149.
[22] 焦燕，金文标，赵庆良，等.异位/原位联合生物修复技术处理受污染河水[J].中国给水排水，2011,27(11):59-62.
[23] 吴艳霞，杜海霞，吴慧芳，等.黑臭水体原位修复技术研究进展[J].人民珠江，2019(7):84-89.
[24] 李广胜，雷利荣.曝气复氧+微生物菌剂修复黑臭河道工程试验[J].环境工程，2018,36(4):34-36,169.