解析城市黑臭河道快速处理技术研究
慧聪水工业网 在城市的形成和发展过程中，城市河流作为重要的资源和环境载体，关系到城市的生存，制约着城市的发展，是影响城市风格和美化环境的重要因素。城市河流不仅提供水源、交通航运、防洪排涝等，还可以调节气候、削减污染等生态环境效应，社会效益不可估量。但人们随意排放污水，城市河道逐渐成为污水管道，城市河道黑臭严重，极大影响了河流生态健康，因此研究一种高效、生态、广普、低毒、持续的快速削减河流有机污染技术，改变河流污染状况，才可以更好地促进社会发展和生态环境建设。
1.城市河道有机污染的快速削减技术研究
从物理、化学、生物法三个方面分析，物理法中可有效去除水体黑臭的方法分别有人工曝气、底泥疏浚等;化学法强化混凝去除水中有机污染物质;生物法包括微生物强化技术、生物膜法等。
1.1物理法
物理法常用于早期治理，污染源单一、水量多的河道，可在河道内原位处理。物理法虽然高效，但只能暂时去除水体污染，对突发性、截污难度大的河道污染有很好的处理效果。
(1)人工曝气
河水自净能力与溶解氧浓度有关，当河流受到污染，过剩的有机物厌氧分解，导致黑臭物质突增。人工曝气利用天然河道就地处理污水，在氧传递、迁移、扩散过程中使河道从单纯的大气复氧过渡到主动复氧，有毒污染物被大量降解，水体黑臭减少，藻类也开始生长，生态系统逐渐恢复。人工曝气作为一种投资少、见效快且无二次污染的河流污染治理技术。
气体的转移是人工曝气系统技术的重点，曝气系统通过气体扩散至气液面或溶解气体透过半渗透膜两种方式转移氧到缺氧水体，由机房、空气扩散器和相关管道组成的曝气装置，通常气液面由搅拌或涡流形成，或者分布器和多孔材料释放气体，其中微孔还可以减少挥发性有机物剥离和曝气过程中的热损失，常见的曝气系统装置有纯氧增氧系统、鼓风机-微孔布气管曝气系统、叶轮吸气推流式曝气器、水下射流曝气等。河道人工曝气技术按照建立模式不同有固定式充氧站和移动式充氧平台两种形式。固定式充氧站一般是固定曝气装置，在河段上定点曝气增氧。移动式充氧平台则是在河段上安装类似曝气船的可自由移动的曝气增氧设施。在1980年英国有关部门向河流中放置30t/d曝气船，平均每天有5~7t的纯氧溶于河水中，高效地解决河流急剧缺氧的现状。
(2)底泥疏浚
被污染河流河床、湖泊毒害有机物不断积累，有外界影响时，底泥大量溶出污染有机物，河流水质被严重污染。研究表明，底泥的有效治理直接影响河道治理效果，底泥疏浚通过人工机械的方法对底泥负荷较大、污染严重的河段、湖泊进行清淤，快速转移大量营养盐、难降解有害化学品及细菌的表层沉积物，水体自净能力逐渐恢复。
河道和湖库疏浚已有大规模的使用，国外的生态疏浚主要是去除河流、浅水湖库和港湾的重金属及多氯联苯(polychlorinatedbiphenyls，PCBs)等持久性有机污染物，如美国对伊利湖和安大略湖南部进行了局部或大规模的底泥疏浚工程，快速的减少湖泊的黑臭。
在疏浚实施过程中，疏浚过程的外界干扰颗粒再悬浮程度和污染物的释放量。HyötyläinenT,OikariA等通过模拟试验，预测底泥疏浚潜在的释放风险，试验按照不同的土水比配制了7种沉积物和湖水悬浊液，土水比越大水中多环芳烃浓度越高，结果表明再悬浮程度越大，污染物解吸量就越多。
疏挖形式对底泥疏浚也有很大影响。螺旋式环保绞刀的疏浚船，疏挖精度达5cm，有效的防止污染扩散，底泥释放速率较低，适应不同土质，效率高、能耗低，得到国内外最为广泛应用。排干式疏浚精度大、污泥的残留率高，疏浚质量难以保证。
水体中底泥污染物成分变化大且厚度不均，考虑到湖泥层保护层和污染泥的处置量及处理成本，施工精度一般在5~10cm之间。疏挖的底泥可用泥泵推送到远处堆积区。Flint等人使用标准化的沉积物净化底泥，评估疏浚对浮游初级生产力的影响，结果表明疏浚底泥浓度过大会影响藻类光合作用，同时也会影响沉积物释放的可溶解成分的生物利用率。
不论疏浚方式如何，底泥疏浚虽通过转移快速削减了持久性的有机污染物含量，但不能长效控制水体污染有机物，底栖生物种类、生物量不断减少，有的河流污染比处理前还严重。
1.2化学法
(1)强化混凝
化学法常见的有强化混凝、药剂杀藻、活性炭等，其中强化混凝法被美国环保局推荐为最佳去除有机物的方法。自然水体存在的混凝现象对水质转变有十分显著的影响。水体颗粒物及溶解性的毒害物质通过自然混凝沉淀、迁移、转化，逐渐恢复水体健康。混凝过程分为压缩双层、吸附电中和、吸附架桥和沉淀物网捕4种。
通过增加混凝剂的投加量来提高有机物去除率的方法即强化混凝技术，相对常规混凝不同，强化混凝可高效地去除有机物污染物、浊度。引起水体黑臭原因分别有腐殖质、硫化铁胶体和悬浮颗粒等。混凝剂通过中和带负电腐殖质，吸附架桥、共沉淀作用，有效去除水中有机物污染和黑臭现象。
不同的化学混凝剂，胶体脱稳、凝聚或絮凝方式也不同。常见的絮凝剂分为无机、有机高分子、表面活性剂三种，如聚丙烯胺、聚合氯化铝(PolyaluminiumChloride，PAC)。氯化镁较少使用，主要是因为可能引入杂质，但可添加助凝剂石灰、卤素等很好地去除镁离子，并促进混凝沉淀。聚合氯化铝在工业中常用作表面活性剂、润滑剂等，在水处理混凝去除浊度和可溶有机物。往往阳离子水解盐比铝盐或铁盐更有效。因为胶体在自然水体以负电荷的形式存在。强化混凝沉淀能够有效移除有机污染物，但混凝效果与有机物分子量有关，常用于富营养化水体，急性有机物污染，高效且短期效果明显，但混凝剂增加底泥负荷，且不利于生态修复，也易破坏原有的生态系统，适用于水质和水量经常发生变化的河道。
IWW和NGK通过实验室和小试实验用混凝工艺处理鲁尔区河，结果显示河流的恢复率高达96.6%。Konieczny等通过混凝方法处理污染河流，并且对比使用三种混凝剂FeCl3，Fe2(SO4)3和Al2(SO4)3的处理效果，结果显示在超滤前投加混凝剂可极大地提高有机物去除率，而且混凝剂的选择对有机物去除率也有很大的影响，混凝去除率对比分别为Al2(SO4)3>Fe2(SO4)3>FeCl3。
(2)药剂杀藻
当水体富营养时，藻类大量繁殖代谢产生嗅味导致水体黑臭严重。藻类是典型的氯化消毒副产物前驱物质，所以控制藻菌可使用杀菌灭藻剂。化学杀菌剂除藻快速高效，但除微囊藻外，其他生物副作用较大且会加速释放藻毒素，造成二次污染也破坏了生态平衡。
杀菌剂除藻又分氧化型和非氧化型，氧化剂杀菌剂中，液氯最为普遍，次氯酸钠、二氯或三氯异氰尿酸等也有使用。非氧化型杀菌剂主要是金属化合物及重金属制剂，例如铜、汞、锡、铬酸盐等。这些会对鱼类水草等产生一定程度伤害有致死致癌作用，只能作为应急处理。马军等通过高锰酸盐复合药剂预处理藻污染水体，结果显示高锰酸盐复合药剂极大地提高了除藻效率，降低了紫外吸光度。
1.3生物法
生物法主要依靠细菌、真菌以及细胞游离酶、高等植物自然代谢降解环境污染物，通过修复强化生态系统，是环境污染治理不可缺少的方法。较之传统的物理、化学方法，生物法有着显著优点，污染物不转移，运用于河道污染治理当中可高效、经济地控制环境、健康风险。
1.4微生物强化技术
微生物强化技术广泛运用于各大自然水体、水处理厂、污泥池等，处理方法多种多样，按处理位置可分为原位和异位两种方式，本文主要是介绍强化技术的原位处理。在污染水体中，人为投加的高效微生物/酶制剂或加强微生物生存环境技术(生物共代谢基质及辅助营养物质)，促进土著微生物生长代谢，高效分解水体中的污染物，使得水体生态恢复。
(1)微生物菌剂法
微生物菌剂指通过一系列的驯化、筛选、诱变和基因重组等技术而制得的高效降解有机污染的微生物。当原处理系统中存在少量高效菌种，再投加高效菌种后，微生物驯化的时间大大缩短，因为水体生态系统内的竞争与环境风险降低，河流也可长效保持生态健康。
微生物在污染水体中分别以游离态和附着在载体上形成高效生物膜的形式降解有机污染，可分为土著微生物、外来微生物和基因工程菌等，其中土著微生物菌剂恢复水生态系统的效率最佳和净化效果持续性更好。在河流治理中微生物菌剂种类有多种，如有效微生物菌群(Effectivemicroorganism，EM)技术、甲壳素包裹微生物菌剂、液可清等。
任河山等以pH为7.0，温度30oC，培养微生物菌株去除酚废水，废水经过72h后酚去除率高达99.96%，对含酚废水有较好的处理效果。庄景等通过采用梅花接种的方式将微生物菌剂接入无锡市浒溪河污染水体，结果显示河道溶解氧提升到2mg/L，CODMn、TP和NH3-N降解率分别为43%、56%和58%，治理黑臭河流效果明显。潘涌璋等利用微生物菌剂处理白云人工湖，在投加菌剂第9天后，COD去除率高达64%，12天后氨氮去除率达97%，10天后浊度去除率达98%。
微生物菌剂能够快速治理河道有机污染，减少底泥负荷，操作简便，大部分国外的微生物产品被运用到河道污染治理当中，但当环境中的河流微生物充足时，再添加过量的微生物菌剂处理河流污染效率也不高。
(2)酶制剂法
微生物菌剂在生物修复中，因河水的流动性，以及水生态体系内、土著微生物与外源微生物间的竞争、拮抗等关系，导致微生物菌剂持续净化效果不佳。酶制剂通过催化降解河道有机污染，并且消除或者转移这些可能的限制作用，加强水体生物降解效果。
酶处理河流污染通过激活土著微生物，有效激发水体生态的内循环供氧机制，促使水体中溶解氧的自然恢复，水体自净能力增强，实现从受损生态系统向良性生态系统的演替。
酶是具有催化降解功能的生物大分子，根据国际标准，酶可划分为氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂解酶、异构酶、合成酶，按照不同化学组成可分为蛋白类酶、核酸类酶。与非催化剂相比，具有专一性强，作用条件温和、效率高等特点。在污染控制中，它无明显的环境健康遗传毒性，属于易生物降解性型环境友好物质，不会引入外来微生物，无二次污染或污染物转移，在环保领域广泛应用。适用于突发河道有机污染如高油脂类的工业废水、生活污水、人工合成有机物、大分子聚合物。一般可使用冻干的酶粉催化降解有机污染物，从而净化水体。GoelR等在间歇式反应处理污水时中投加酶碱性磷酸酶、酸性磷酸酶、葡糖苷酶、蛋白酶、脱氢酶等，在观察到酶的活性的同时，水体TOC也降解了90%。
酶催化活性受底物浓度、生物量影响，当底物浓度过高时，酶反应速度受到抑制反而下降，且单一酶稳定性差，降解物质少，为了克服单一酶不足，复合酶、固定化酶等改造酶制剂逐渐出现。固定化酶指酶与载体结合，以水不容状态催化降解水体污染当废水中含有淀粉、蛋白质、脂肪等有机污染物时，均可在有氧和无氧状态下利用固定化淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶处理。含酚废水也可以运用固定氧化酶进行处理。含有硝酸盐、亚硝酸盐等废水同样也可采用固定化硝酸还原酶、亚硝酸还原酶和一氧化氮还原酶处理。
复合酶主要由多种酶类组成，表面活性剂作为溶剂，形成液体复合酶制剂，可催化降解多种物质且高效。LealMCMR等人通过投加从固态发酵得到的酶制剂预处理乳制品厂废水，水解14小时后反应出水COD降低了90%。通过添加蛋白质、无机营养物等构成生物促生剂，不仅降低降解成本也大大增加了微生物新陈代谢和提高微生物酶活性，快速降解污染物，促进黑臭水体恢复好氧状态，在城市河道污染治理当中得到广泛的应用。胡湛波等对南宁市竹排冲河流生态修复，在添加酶制剂后COD先升高后降低，在60天后COD去除率达42.6%，对比实验，曝气和促生剂同时作用效果最佳，COD、氨氮、总磷的去除效率分别为46.8%、98.7%和73.37%，底泥有机质也削减了10.5%。
1.5生物膜法
河流、湖泊、湿地等自然水体本身存在由多种微生物构成的生物膜，生物膜法则是对河流生物过程的强化，生物膜附着在天然河床，或者附着在人工投加滤料或细菌絮凝颗粒，再加上生物膜表面的原生动物，可迅速降解高浓度有机物。河水流过生物膜时，物理电荷、化学氢键吸附、生物胞外酶吸附[71]污染物进入膜内部，微生物分泌的酵素和生物胞外酶共同降解污染物，新陈代谢后直接排出生物膜外。
生物膜分为好氧、厌氧，好氧生物膜法可高效处理有机污染。生物膜中的细菌世代生长的时间较长能够持续降解河流中的有机污染物。好氧生物膜一般控制在0.09~0.13mm的薄层范围内。膜载体分为固体载体、悬浮颗粒载体。固体载体适用于小河流，悬浮载体适用于大河流和湖泊，既可以补充源头截污不完全，又可以减轻末端治理压力。
吴永红等通过生物膜结合人工水草藻净化武汉市汉阳区月湖湖水，布设过人工水草的湖水藻类生长明显抑制，11天后透明度由6cm提高到62cm，CODMn、总磷、总氮和氨氮的削减率分别为92.89%、49.25%、94.97%和70.15%。生物膜易受溶解氧、营养物的浓度、微生物源、温度、pH等因素影响，适用于受有机物及氨氮轻度污染水体。
2.小结
城市河道污染严重影响城市生态环境建设，不仅需有高效、生态的方法治理河道污染，处理后的河流也需要长效管理。生物处理技术环境协调性好且河流可长效保持生态健康。微生物菌剂、生物酶等在大量污染河流治理中已有部分应用，但考虑到水体的流动性和微生物等对水质变化敏感度，推广运用还需更多研究。越来越多的治理方法不局限于单一的方法，各种方法相互结合治理效率远高于传统方法，多种方式的组合处理河流污染并长效维持生态健康也需进一步的研究。
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