张东方，于 方，许艳平，胡继业，王 毅

(1. 中交四航工程研究院有限公司，广州 510230；2.中交四航局第七工程有限公司，广州 510230; 3. 中山大学 化学工程与技术学院，广东 珠海 519082)

前 言

随着城镇化进程发展，化工、制药、印染及生活产生的废水、废渣不断增加，而城市水体容量小，严重威胁了水环境的生态循环[1-2]。珠江三角区流域各城市水环境质量、水生态品质等问题突出，迫切需要对城市河涌黑臭水体与底泥治进行治理[3]。对城市河涌实施分流域、分区域、分阶段科学治理，首先要了解区域河涌黑臭水体及底泥的污染特点，针对其特殊性对症下药、科学治理[4-5]。

河涌水体黑臭主要是有机物的氧化分解使水体缺氧，厌氧生物降解过程生成硫化氢、胺、氨、硫醇等发臭物质，同时形成FeS、MnS等黑色物质，导致水体出现黑臭[6-7]。其中，水体氨氮含量超标是引发水质发臭的主要根源。为了降低氨氮指标，目前技术上比较成熟的方法有以吸附法、吹脱法、离子交换法等为代表的物理化学法[8]，以及以生物膜法、厌氧氨氧化法等为主的生化法。但是由于城市河涌黑臭水体中的氨氮含量高，游离氨(NH3) 和铵根离子(NH4+)两种介质分子量小、化学态稳定，并且河涌水体流动速度快，常规氨氮处理方法降解时间长、处理效率低，亟需一种更加高效的黑臭水体氨氮处理技术。电化学高级氧化技术是一种新型氧化处理技术，通过电化学反应产生具有强氧化性的中间产物如·OH、·Cl等来降解有机污染物，在氨氮降解上具有良好的应用前景[9]。

河涌黑臭水治理的一个重要方面是底泥的处理处置。河涌里受污染底泥会抑制水生植物生长，并且降低水体的溶解氧，底泥里腐质类有机质污染渗入水体也造成水体黑臭，因此有必要对底泥底积严重的河道进行清底治理[10]。目前河涌底泥处理主要采用疏浚清淤，单纯堆放方式处置，不仅浪费了大量的土地资源，而且底泥中的污染物质可能随着地表径流流入土壤及周围环境中，对堆放区周围的环境造成二次污染[11]。有必要针对疏浚底泥泥量大，组分复杂，含水率较高等特点，尝试开展疏浚底泥的资源化利用研究[12]。

本文选取深圳市前海铁石片区沿珠江典型河涌为对象，通过对河涌水体及底泥进行成分分析，研究沿江城市河涌现状及主要污染特征及治理技术，为城市河涌黑臭水整治及资源利用提供理论基础与技术储备。

1 材料与方法

1.1 样品采集

水质及底泥检测取样选取深圳前海铁石片区水环境综合整治项目——南昌涌、共乐涌和铁排河，水质取样点设置于水面下0.5 m，水深不足0.5 m时，应设置在水深的1/2处。底泥取样采用采样器在河涌采集0～10 cm表层底泥，进行底泥污染物的检测分析。深圳前海铁石片区水环境综合整治项目污染河涌的地理位置和水样、泥样品采集位点如图1所示。

图1 南昌涌、共乐涌和铁排河的地理位置Fig.1 The geographic location of Nanchang, Gongle and Tiepai rivers

1.2 仪器分析

依照《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)规定，水样的检测指标包括化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、氨氮、金属等共24项。参照土壤环境质量标准和CJ/T221-2005城市污水处理厂污泥检验方法，对取回泥样进行有机质含量、含水率、重金属离子等的检测，总结归纳各项指标的分布规律，掌握河涌黑臭水体底泥污染物的污染情况。

2 结果与讨论

2.1 河涌水质分析

对深圳前海铁石片区沿江河涌样品，进行污染水体的水质指标检测、无机盐定量分析和有机物定量分析[13]。图2为三条河涌现场水样表面图，如图所示铁排河水体较为浑浊，南昌涌较为清澈。表1为对应黑臭指标水样水质的检测及评级结果，三条河涌中主要污染指标是氨氮超标，尤其是铁排河水质污染最为严重。水质检测指标如表2显示，三条河涌的主要污染指标如总磷、总氮、氨氮、生化需氧量等均严重超标，而与之相对应的重金属离子如铜、锌、铬、汞等在水中含量较低，对水体黑臭影响较小。经过实地勘察发现，河涌两旁居民密度高，地下管道分类不清，生活污水等直接排放河道，因此综合以上分析可知，造成前海铁石片区河涌水质污染的主要来自生活污水。

图2 南昌涌、共乐涌和铁排河现场水样Fig.2 The water samples of Nanchang, Gongle and Tiepai rivers

表1 黑臭水质检测及评级结果Tab.1 The testing and rating result of three water samples

表2 水质检测结果Tab.2 The detailed testing results of three water samples

续表2

2.2 河涌底泥分析

表3 底泥含水率、有机质、pH全氮和总磷

表4 底泥中重金属含量(重金属质量/干底泥质量)

表5 烘干后底泥的化学成分

图3 底泥的X射线衍射图谱Fig.3 X-ray diffraction spectroscopy of sediment

参照《土壤环境质量农用地、建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618-2018及GB 36000-2018)中土壤环境质量标准和CJ/T221-2005城市污水处理厂污泥检验方法，对泥样进行有机质含量、含水率、pH值、总氮、总磷、重金属离子等的检测。深圳前海铁石片区疏浚底泥检测结果见表3至表5所示。三条河涌底泥均呈弱碱性，有机污染物含量少，重金属离子含量超出农业用地风险管制值，不能用于农业用地，可用于建设用地，其中铁排河底泥中六价铬离子超出建设用地二类筛选值，需要进一步处理方可使用。对河涌底泥烘干成分分析可知，底泥以氧化物为主，X射线衍射分析结果如图3所示疏浚底泥属于以SiO2为主的黏土质材料，主要由石英、白云母和黏土类矿物(伊利石、高岭石和蒙脱石)组成，复合建材标准[14]。

2.3 对策分析与资源利用

城市河涌黑臭水治理需要综合考量水质与底泥协同治理，根据以上分析可知该片区河涌底泥污染程度较低，河涌水体污染严重，水体的主要污染指标氨氮含量，在河涌治理方法上提供以下参考。

2.3.1 水质处理

水质污染源主要来自生活污水，需要进一步开展雨污分流，从源头消除污染物。对于目前现存河涌中黑臭水体，由于水体中含氧量较低，常规人工曝气及生物脱氮技术耗时长、效率低[15]，尝试采

图4 电化学氧化处理黑臭水试验装置Fig.4 The experiment apparatus for treating the black and smelly water by electro-chemical oxidation

用电化学氧化方法进行处理[16-17]。选用铁排河黑臭水体为试验样品，搭建电化学氧化处理装置(如图4所示)，试验参数如下：水样30L；氯化钠1g/L；直流电源电流密度20mA/cm2；通电时间1 h；阴极及阳极材料分别为石墨毡(30cm×10cm)及Ti/IrO2(10cm×10cm)[18]。试验完成之后每隔1h取样采用AQ3700比色计测试氨氮含量。结果如图5所示，在电氧化1个小时内，氨氮含量降低1/3，根据电氧化机理，阳极氧化产生氯气并溶于水将氨氮降解，初期溶于水的氯气及产生的次氯酸并不会在短期内与氨氮完全反应[19]，因此在通电结束之后溶液中仍存在大量氧化物，继续对水中氨氮进行降解，在静置一小时后，水中氨氮含量降低至6.5mg/L，已属于无黑臭水体。进一步静置两小时后，氨氮降至2 mg/L，氨氮降解率为93.3%，水质复合《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)所规定的V类水。

图5 铁排河水体氨氮含量随电氧化变化图Fig.5 The NH3-N content and optical images of the black and smelly water with increasing treating time of electro-chemical oxidation

2.3.2 底泥处理

由于底泥中有机物及重金属含量较低可考虑用作路基填筑材料，通过对底泥初步处理降低黑臭程度，再添加水泥、砂类土、石粉和建筑渣土等材料改善底泥性能。针对共乐涌有机质及氨氮含量高有可能对底泥利用产生不利影响，对底泥开展药剂处理试验。在10 g底泥中按照质量比10∶1底泥中投放试剂，混合搅拌15min。静置30min试验结果如图6所示，如图所示与空白样对比，处理后底泥由黑色转化为土黄色，通过对底泥渗水中氨氮和有机质含量检测发现，氨氮及有机质含量降低，渗水水质及底泥表面无异味，已具备进一步利用的条件。

图6 共乐涌底泥处理图Fig.6 The treatment of sediment in Gongle river

3 结 论

通过对深圳前海铁石片区沿江河涌黑臭水体及底泥的情况进行黑臭水体水质和底泥成分检测分析，并依据主要检测结果开展治理对策研究，结论如下：(1)铁石片区河涌水体水质较差，有机类污染物是致黑臭主要因素，其中氨氮含量严重超标，无机类污染物如重金属离子等含量较低对水质影响较小；(2)河涌底泥污染程度低，有机质及重金属含量均低于国标建设用地土壤限制值，经简单处理底泥异味即可优化改性作为使用性路基材料；(3)电化学氧化技术操作简单，降解速度快，对于重度黑臭水体中氨氮具有良好处理效果，为城市河涌黑臭水现场快速治理提供技术基础。