1 黑臭水體的定義和等級劃分
所謂“黑臭”，是指在視覺上河流水體因污染而產生的明顯異常顏色（通常是黑色或泛黑色），同時產生在嗅覺上引起人們感覺不適甚至厭惡的氣味，是水體感官性污染最常見的一種現象。
目前，由住建部負責編制的《城市黑臭水體整治工作指南》（以下簡稱《指南》），已經對城市黑臭水體給出了明確定義: 城市黑臭水體是指城市建成區內，呈現令人不悅的顏色和(或)散發令人不適氣味的水體的統稱。
《指南》對黑臭水體等級進行了以下明確劃分:
輕度黑臭
透明度低于25cm、溶解氧低于2mg/L、氧化還原電位-200~50mV，氨氮指標不高于8mg/L。
重度黑臭
透明度低于10cm、溶解氧低于0.2mg/L、氧化還原電位低于-200mV、氨氮指標高于15mg/L。
劃分等級的目的是為城市黑臭水體整治優先順序以及年度計劃制訂提供參考，同時也為整治效果評估提供重要依據。
2 黑臭水體形成的原因
在不同區域和環境內，產生水體黑臭的最初原因各不一樣。但水體一旦黑臭，可以肯定是由以下原因所造成: 在水體底部已經累積了一層黑色腐敗淤泥。
這些淤泥主要是由各種有機物質下沉，與其他各種無機物質一起形成混合污泥。主要物質是岸邊掉入水體的樹葉和腐敗死亡的水藻, 各種污水和混合污水流入并攜帶泥沙和糞漿物質進入水體等。這些淤泥的產量和組成成分與周圍水體環境有很大關系。
通常情況下，河流湖泊底部總會有一些有機淤泥，這是不能避免的。但淤泥累積到一定厚度，就很快會產生以下黑色水體:
- 在靜止或流速緩慢的河體內，在營養物質濃度很高情況下會在底部形成消化污泥層
- 在厭氧情況下，有機物質通過生物化學轉化過程，會產生 NH3, H2S，硫醇和硫醚等揮發性臭味物質
水體中的鐵、錳等重金屬離子在厭氧狀態下被還原，與水中的硫離子結合形成硫化鐵、硫化錳等黑色沉淀物質。在金屬硫化物的作用下，與水體底部的泥土顆粒和懸浮物質混合在一起，形成灰色或黑色淤泥。
因此，河床底部有機污泥的沉積和厭氧發酵是水體黑臭的直接原因，其總體生化反應過程如下:
2C13H25O7N3S (有機物)+ 12H2O ? 13CO2 +13CH4 + 6NH3 ↑+ 2H2S↑
圖1 河道水體黑臭的直接原因是NH3和H2S
2.1 黑臭水體內產生H2S的生化機理
黑臭水體內的H2S產量或者臭味程度直接和以下污泥性質有關：
- 淤泥層厚度
- 淤泥層內的有機物質含量
- 淤泥層內有機物質中的高蛋白含量
夏季，在黑臭水體0.5m 深度處，通常溶解氧濃度小于0.5 mg/L。隨著深度變大，溶解氧濃度幾乎為零。在這種厭氧狀態下，河床底部便開始發酵過程，其中H2S氣體主要是通過降解含有蛋白質的有機物質, 準確地說是含硫氨基酸(半胱氨酸和甲硫氨酸)。而在城市黑臭水體內，根據周圍環境不同，隨污水或雨污混合污水排入水體的，還會有以下固體物質:
1. 尿酸和糞便物質中的有機含硫物質
2. 食品垃圾、肉類餐廚垃圾、屠宰場、洗滌劑、化妝品中的蛋白物質
這些含硫有機物質是形成硫化氫的基礎物質。此時主要是由脫硫細菌來完成這一生物脫硫過程。脫硫細菌生命力十分頑強，當水體內缺氧和溫度升高時，反而容易生長繁殖。特別是在夏季和暖和區域，如果氧氣被快速消耗，脫硫細菌就會產生有毒的腐蝕性硫化氫氣體。圖2 顯示了水體內含硫有機化合物分步形成硫化氫氣體的具體化學過程。
脫硫細菌的特點描述如下:
- 在水體內到處存在
- 耐鹽
- 生存區域: pH 5~9.5; 5~75°C
- 當氧氣含量很低時不會死亡, 只是失活
- 代謝產物H2S 濃度最大可達2000mg/L
- 有利的氧化還原電勢: -150~-200mV (H2S-產生時會降低至-250mV)
圖2 在脫硫細菌作用下的生物脫硫過程
H2S 氣體含有典型的臭雞蛋味道，但如果有時和其他臭氣物質相結合時，典型的H2S味道消失，會使得污水衍生出其他類型的惡臭。
2.2 黑臭水體中H2S 濃度對人體的影響
硫化氫是一種十分有毒的氣體，即使將硫化氫濃度稀釋100 000 倍, 也就是說100L空氣中含有1 ppmH2S時，人們還是能夠嗅出。但在濃度很高的情況下，硫化氫具有麻醉人體嗅覺受體的性質，人類鼻子反而不能嗅出，此時會對人造成致死危害。麻醉人體嗅覺的濃度閾值大約是在250~300 ppm H2S濃度范圍(見表1)。
表1 有害物質硫化氫(H2S)在不同濃度情況下對人體的影響
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濃度/ppm |
癥狀 |
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0.05~ 0.1 |
嗅覺閾值(因人而異) |
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0.2 |
惱人的臭味 |
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5 |
最大工作崗位允許的濃度 (MAK，5 mL/m3 = ppm = 7 mg/m3) |
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10 |
較長時間接觸(幾個小時)會導致眼粘膜瘙癢 |
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20 |
不堪忍受，長時間接觸后眼角膜會損傷 |
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100 |
顯著減弱嗅覺， 眼粘膜和呼吸道粘膜瘙癢，咳嗽 |
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200 |
難聞的味道，頭痛，呼吸困難，惡心 |
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> 500 |
沒有嗅覺 |
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> 1000 |
沒有嗅覺，抽筋，失去知覺 (幾分鐘內就會產生生命危險) |
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> 5000 |
沒有嗅覺, 抽筋，失去知覺 (幾秒鐘內就會死亡) |
在通常情況下，黑臭水體所產生的臭味濃度是0.01~2 ppm 。即使在濃度很低的情況下，如果嗅覺長期接觸H2S，也會導致人體乏困, 沒有胃口, 頭痛, 易怒，記憶力衰退和注意力不集中。
2.3 其他因素對黑臭水體的影響
一年四季的環境條件變化會導致溫度、太陽日照強度和水體的循環混合/滯流狀態改變。此時，以下非生物因素會對河流湖泊水生動植物有影響：
§ 溶解氧含量。 溶解氧在水中的含量和溫度有關。隨著水溫上升，溶解氧在水中的含量也相應下降。
§ 溫度。水體內的溫度分層會導致液體上下環流。
§ 各種鹽類物質濃度。 例如，氮磷含量。
隨著水中溫度上升和溶解性物質濃度上升(例如，有機物質和污水), 水中氧氣的溶解性能就會下降。
在水體內吸附的氧氣，即溶解性氧氣(DO- dissolved oxygen)對水體內生物耗氧代謝過程十分重要。這部分氧氣可被水生生物直接利用。因為生物有機物質的降解代謝，在污染水體內經常會出現 "缺氧"狀態。
溫度對水體的影響主要也是通過水體內的溶解氧含量來實現：一年四季河流湖泊水體內的溫度和營養物質不是均勻分布。在不同的季節時間內，水體內形成不同的溫度層。尤其是對于一些較深的湖泊生態系統來說，這一溫度分層具有十分重要意義, 這是因為在不同溫度下水的密度不一樣，會導致水體循環流動，溫度，營養物質濃度和溶解氧重新分布(見表2)。
表2 在靜止流動的河流或湖泊內，一年四季中水體循環流動情況
從表2可以看出，只有在春秋季節，水體內因為溫差原因會產生環流混合，導致溶解氧和營養物質均勻分布。在夏季，太陽可強烈加熱水體表面。表水層加熱后會擴展體積, 也就是說密度變小。但在底部靜水層的溫度一般是4℃, 水體密度最大。整個水體處于滯流狀態，表水層的溶解氧不會循環混合到達底部區域。
夏季，因為水體內含有很多營養物質可以加速水生植物生長，產生較多的氧氣。但另一方面，以下原因可能導致污染水體處于缺氧或厭氧狀態：
§ 水溫較高，溶解氧飽和濃度相應降低
§ 營養物質過剩, 會導致植物密度過大，光線無法透射水面底下較深部位，導致植物死亡，并在底部區域進行生物降解。這一分解過程需要消耗很多氧氣 (好氧分解)
以上物理生化過程為水體底部區域的厭氧細菌生長和有機物厭氧發酵提供了良好條件。 因此，黑臭事件最容易產生在夏季夜晚。
3 黑臭水體的控制方法
如果需要完全修復河流的生態環境，治理黑臭水體的主要處理方案是采用以下措施來實現:
- 外源阻斷。 完善污水截留收集系統, 建造雨水或混合污水調蓄池。
- 內源控制。 清淤疏浚。
- 水質凈化。 曝氣充氧，提高水體溶解氧濃度和氧化還原電位，緩解水體黑臭狀況。
控源截污是城市根治黑臭水體的前提條件。如果只是靠一次淤泥清理來完全恢復健康河流的生態環境是不可能的。黑臭水體在清淤之后，始終會有以下污染物質過量進入河流：
- 市政污水和各種工業廢水直接排入
- 在降雨事件時，雨污混合污水攜帶泥沙和糞漿物質進入
但是必須指出，因為目前我國市政污水處理廠的設計規范是按旱季流量放大1.3倍的規模進行實施建造，在發生降雨事件時，總是有相當一部分混合污水不能進入市政污水處理廠處理，而是溢流進入受納水體。
實際情況是在中國許多城市，因為土地和資金有限，很難進行下水道管網的改造和建造大量雨水調蓄裝置，一般也只能通過以下方式來阻止水體黑臭現象的產生：
- 截留收集高濃度廢水，防止高濃度有機廢水(尤其是來自食品街、屠宰場和食品工業的高濃度有機廢水)直接進入河流
- 對當地的黑臭水體進行調查，確定在水體內產生黑臭現象時的最小淤泥層厚度
- 對河道底部淤泥進行定期清淤處理
- 對抽吸排出的淤泥按當地法規進行相應的處理處置
通過定期清淤處理，可以有效控制水體內有機淤泥的厚度，擴大水深并快速有效降低有害物質的濃度，同時抑制產生H2S，消除黑色水體，為河流湖泊內動植物提供較好的生活條件。
4 黑臭淤泥的成分分析和清淤總量統計
為了確定清淤工程和后續污泥處理處置的費用，必須事先對黑臭水體內的沉積淤泥進行抽吸總量估算和淤泥成分分析：
§ 通過取樣確定河流水深和泥層厚度，計算確定需要抽吸排出的污泥總量和所需要的總體工程預算費用。
§ 取樣和分析污泥成分，了解沉積淤泥固含量，淤泥內有機物質含量和泥沙含量(泥沙內各種顆粒度分布曲線)。通過這些參數，可以大致估算污泥濃縮和/或脫水處理后可以獲得的污泥含固量，從而估算污泥運輸和污泥脫水所需要的工程預算費用。
§ 取樣和分析污泥成分，了解沉積淤泥內石塊木條、大型塑料和金屬部件等的含量。根據這些物質的含量和狀態，確定清淤工作的具體措施和方法。
§ 取樣和分析污泥成分，了解沉積淤泥內各種重金屬含量和有害有機物含量，從而確定污泥的處置途徑，特別是在污泥進行農用或土地利用時必須了解這些參數。
以德國柏林市內某湖泊為例，來說明清淤之前的準備工作。
現狀分析
在一年之內，湖泊水深從大約 4.0 m 縮小至大約 2.5 m。仔細觀察水體表面，可以看見氣泡上升，說明沉積污泥已經產生厭氧發酵過程。污泥含有各種類型有機和無機污染物質，根據德國固廢垃圾法律規定，屬于固廢危險垃圾。對此湖泊的主要危害是來自污泥中的高濃度有機污染物質。在此湖泊水深 2.0 m 以下區域，幾乎全年沒有溶解氧。魚類生活受到危害或根本無法生存。此湖泊生態平衡受到極大影響和損害。在夏季有時甚至會出現大量藻類繁殖并導致魚類死亡。
處理要求
通過清淤處理，可以消除產生厭氧狀態的根源，大幅降低水體內有機物質和氮磷營養物質的含量，并為湖泊的進一步生態修復提供良好基礎。
圖3 在湖泊池塘內每隔20m網格點進行淤泥厚度測試，確定沉積污泥厚度，同時取樣分析
測試取樣
為了消除黑臭水體，必須定期測試確定河道內沉積淤泥的厚度。這樣可以確定，何時進行底泥抽吸處理。為了準確說明淤泥抽吸時間和抽吸容積，有必要對水體內污泥料位進行測定。
多數情況下，采用手動測試方法來確定沉積淤泥層厚度：
污泥料位測試儀由三段有機玻璃管道組成，總長3~5m。管徑50mm,管道底部配置一個球閥和閥門控制導桿。料位測試具體操作方法如下：
§ 先測試管道下部的底閥打開，然后緩慢下沉至河道底部。隨著污泥在測試管內上升，可將管內空氣向上排出，同時在水體內不會產生湍流現象。
§ 一旦測試管道達到河底，可通過導桿將底部球閥關閉。此時閱讀水深刻度。
§ 然后將測試管道從水體內垂直取出，并在有機玻璃管道上閱讀淤泥層厚度。
根據多年的工作經驗，如果泥層厚度超過水深 50% 時或者污泥料位超過 100cm時，建議可進行清淤抽吸工作。
通過對此湖泊內污泥測試確定平均淤泥厚度 150cm，并通過取樣分析知道，淤泥中含有較高的有機物質含量，是形成沼氣、 NH3和H2S的主要原因，必須采取相應措施，清理清除 25000m3 淤泥。
5 黑臭淤泥的清理方法
在進行清淤過程中，傳統方法是抽干河道，采用挖土機進行轉運，但會帶來以下缺點：
- 對周圍環境產生臭味干擾和道路污染
- 對水體植物生態會產生破壞
- 人工量和能耗較大
替代方法是采用生態清淤方法，即采用現代化的淤泥抽吸裝置(清淤機器人)，可在岸邊遙控操作，對河體內直接進行淤泥抽吸，淤泥清理過程中不會或只是產生極少量臭味，對周圍植物生態體系不會造成破壞。在通常情況下，整個清淤過程只需一個人工。
圖4 遙控清淤裝置(清淤機器人)
遙控吸泥裝置的工作原理：
吸泥深度最大可至7m，即使因為多年礦化沉積變硬之后的污泥也可以被松化處理，被運輸污泥的固含量最高可達約8%~10%DS。
通過三個浮筒可以保證底泥抽吸裝置浮在水面之上。四臺分別驅動控制螺旋葉的驅動電機可以確保靈活運行，可以到達池塘內各個區域。運輸軟管可以被吸泥機攜帶移動。
在抽吸處理底泥時，吸泥清理耙下沉，螺桿開始運轉，污泥抽吸清理開始。一臺運輸能力為40 ~120 m3/h 的轉子泵開始抽吸污泥/水混合物，并通過柔性管道泵送至岸上池塘之內，也可以在那里進行后續污泥處理處置。
底泥抽吸裝置可進行遙控操作，對以下設備功能進行控制：
- 各種更改和移動方向的部件
- 運輸泵的開/關控制
- 清理耙的升/降控制
- 運輸螺桿的開/關控制
- 平衡浮桶的操作
吸泥裝置KLAWA的主要技術參數
外形尺寸(長度 × 高度)：大約 6080mm x 2415 mm
重量： 大約2600 kg
額定電流：32 A
功率：16 kW
運輸能力：40~120m3/h (如果需更大處理能力時請和供貨商聯系定制)
與傳統清淤設備相比較，這一裝置具有以下特點:
- 清淤裝置體積較小，運輸投運十分方便
- 清淤時水體不需要抽水排放
- 清淤時不會散發臭味
- 通過柔和抽吸方式，不會產生湍流，因此在對河道、湖泊作業時不會污染接受水體或附近水域
在對公園湖泊、城內河流和大型養魚池塘進行清淤時不會影響水體內動植物生活和岸邊生態環境。
6 黑臭淤泥的后處理處置方法
清淤裝置主體是一個可移動的浮舟，配置一套可升降的吸附設備。下沉深度可達7m，可將多年沉積結塊的污泥擊松并運送抽出。這一裝置可以用于清除水面漂浮物和抽吸底部淤泥，裝置可以遙控300m控制操作。
通過一根漂浮在湖面上壓力管道，可將厭氧污泥/水混合物泵送至岸邊收集裝置，并進行濃縮處理。濃縮處理后的厭氧污泥可通過罐車或柱塞泵運輸至后續污泥處理工段或處置場所，根據當地的市政污泥法規，進行相應的處理處置。為了對河道淤泥進行有效的后續處理處置，可根據現場情況，分別采用以下方式進行污泥濃縮或脫水處理。
方案1: 污泥干化床或污泥蘆葦床
優點：毋需投資脫水設備和投加絮凝藥劑，缺點：需要大量土地面積。
主要處理過程如下:
灌料。淤泥被泵送至污泥排水床內. 根據污泥性質 (DS-固含量) 可以設計污泥干化床的面積。
脫水。經過儲存處理之后，污泥固含量可以到達 40%~60%DS，即與原來稀漿污泥相比，污泥體積大幅下降。
后處置。固體物質存留在污泥干化床內，可對這些污泥進行填埋或農用等后處置。
圖5 污泥蘆葦床的結構
方案2: 脫水袋 Geotube（土工管袋脫水技術）
優點：投資設備較低，缺點：需要投加絮凝藥劑和一定的土地面積。
主要處理過程如下：
灌料。污泥被泵送布袋內。在此過程中投加絮凝劑, 使污泥能夠結塊并將水快速分離。
脫水。干凈的水從布袋流出。大約 99% 的固體物質被截留, 而過濾液體被收集并返送回河流湖泊。
后處置。固體物質被截留在布袋內, 污泥體積最小程度最大可達90%。當布袋被充滿之后, 可連同布袋一起被填埋處理或者將污泥挖出，進行后續土地利用。
圖6 土工管袋脫水技術
方案3: 移動型機械脫水裝置
優點：污泥脫水效率很高，占地面積很小；缺點：設備投資費用較高，需要投加絮凝藥劑。此時可以采用常規的脫水裝置，例如螺壓脫水機或板框脫水機。脫水后的污泥，可以根據當地法規分別進行填埋處置或土地利用。
圖7 螺壓污泥濃縮脫水一體化裝置
7 總結
產生黑臭水體的主要原因是在靜止或流動緩慢的湖泊或河流底部沉積大量高濃度有機淤泥和有害營養物質，形成黑臭水體的主要機理是底部沉積淤泥在厭氧發酵時產生H2S有毒氣體和硫化物黑色物質。
如果要在短時間內快速消除沉積淤泥和其中所含大量營養物質，則采用定期生態清淤方式是目前解決我國黑臭水體問題的一條經濟有效和可實施的技術途徑。
通過定期采用機械方法抽吸厭氧清淤和水體表面的水藻/樹葉，可在不影響周圍環境和水體生態環境情況下，有效阻止厭氧發酵。此外，通過生態清淤并輔助曝氣處理等措施，還可以達到以下目的：
- 擴展增加河道湖泊的容積，提高城市抗洪能力
- 抑制硫化氫和其他臭味物質的產生
- 促進水生植物，魚類和底棲動物的生長
- 阻止夏天藍藻暴發，防止魚類死亡
在選擇淤泥清理裝置時，推薦采用運輸方便、人工費用較少的設備和生態清淤方式。通過了解產生黑臭水體的淤泥層高度，及時定期抽吸排出，可以確保城市內不產生黑臭現象。此外，在進行黑臭水體處理的同時，還必須根據當地情況和法規選擇合適的污泥處理處置途徑。
來源：中國給水排水
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