随着我国社会经济的快速发展，环境污染问题日益突显。大量未经处理或处理不达标的生活污水、工业废水、农村污水以及生活垃圾等直接排入河道，造成水体溶解氧不足、有机质超标等富营养化问题，甚至引发部分河流出现季节性或者常年性的黑臭现象^[1,2]。在黑臭水体中，不仅水生动植物难以生存，其散发的臭气还会造成大气污染，若长期得不到有效治理甚至会污染地下水，对人体健康造成威胁。根据国务院正式发布的《水污染防治行动计划》（简称“水十条”）要求，到2020年地级及以上城市建成区黑臭水体均控制在10%以内，到2030年城市建成区黑臭水体总体得到消除^[3]。城市黑臭水体的整治应以“控源截污、内源治理、活水循环、清水补给、水质净化、生态修复”为基本技术路线^[4]。

Z河属于城市内河，受既有街区的影响，不便使用大型器械。其治理方案采取应以原位生态修复为主，将河道治理与生态景观修复相结合的方式。因此，本项目在采取控源截污措施的基础上，以微曝气系统+微生物活化技术为主，侧线生物处理系统为辅的方案进行治理，可在较短时间改善河道水质，提高溶解氧浓度和透明度，该项目的实施为城市内河黑臭水体的治理提供经验借鉴。

Z河由上游明渠和西南支渠2条河道组成。上游明渠全长约3.9km，河道宽度为8～100m，水域面积约23hm²。其污染来源主要是沿线居民生活区的生活污水以及西南支渠汇入水。西南支渠上游段为地下暗渠，中途有截污泵站，下游为地上明渠，长约500m，宽约8m，汇入上游明渠，汇入处有泄洪闸门。受潮汐影响，Z河涨潮时水深可达4.7m，退潮时水深为3m。

如图1所示，本次上游明渠需治理河段全长约1.2km，宽约8～22m，平均水深约为2.5m。西南支渠治理河段全长约0.5km，宽约8m，平均水深约为2m（图中序号标注为取样点位置）。经现场调研，河道沿岸多处垃圾堆积，大量居民生活污水未经处理直接排入河道，造成严重污染；部分河道流量严重不足，河床积淤严重，河水流动性差；水体溶解氧含量低，河水发黑发臭，河道水体中基本无鱼虾等水生生物活动，无沉水植物生长；两岸驳岸均已硬化，仅能防护堤岸土壤流失，不利于微生物、生水植物依附生长形成自然净化系统。

Z河的主要污染源为生活污水排放，对沿线的7个取样点进行采样，治理前水质调查情况见表1。该段水质整体较差，有机物含量严重超标，为劣Ⅴ类水体。

根据《城市黑臭水体整治工作指南》^[9]中明确提出的城市黑臭水体评价指标，包括透明度、溶解氧、氧化还原电位以及氨氮4项水质指标，污染程度分级标准如表2所示，通过对比治理前河道水质与分级标准可知，Z河河道水质各项指标达到重度黑臭级别，治理刻不容缓。

一般而言，河道的污染源分为外源污染和内源污染^[5]。外源污染主要是生活污水、工业废水等点源污染以及农业排水、降雨等面源污染。内源污染主要来自河道底泥沉积物营养物质的释放。就Z河而言，其污染来源主要有：

(1）生活污水：Z河为城市内河，河道周边主要为居民生活区，部分区域污水收集系统不完善，污水收集率低，大量未经处理的生活污水直接排入河道；周边的小型工厂、作坊等也存在污水直接排河的现象，导致河道过量纳污，水体氮磷等污染物严重超标。

(2）雨水收集系统不完善：西南支渠上游设置的卧倒门式系统截污和河道沿途的驳岸均存在泄漏现象，对河道造成了较大程度的污染。另外，周边生活区和生产区混杂，城市雨水收集系统建设不完善，大量面源污染物随雨水带入河道，造成严重污染。

(3）河底积淤：Z河水体流速缓慢，污染物沉积在河底形成厚厚的淤泥，底泥中含有大量的氮磷、重金属等营养盐以及难降解有机物等污染物^[6]。这些耗氧性污染物大量消耗水体中的溶解氧，当溶解氧不足时，底泥中的微生物对水体中有机污染物进行厌氧转化的过程中会产生大量硫化氢、硫醇、氨和胺等具有恶臭的气态污染物；同时，产生的甲烷、硫化氢等难溶于水的气体在上升过程中携带淤泥进入水相或水体吸附黑色FeS和MnS等金属硫化物的悬浮颗粒，这些是导致河道感官上黑臭的重要原因^[7,8]。

Z河黑臭水体治理工程的主要目标是消除水体黑臭，使河面整洁、卫生，满足2030年底消除黑臭的国家要求，其主要水质指标参数：DO≥2 mg/L,NH₃-N≤8 mg/L,ORP≥50 mV，透明度≥25cm。其措施具体包括以下3方面：

(1）水质改善：通过采用清淤、截污、生态处理等工程措施，削减入河的COD、NH₃-N、磷等污染物总量，工程实施后河道水体消除黑臭现象。治理后主要水质指标达到表2中要求。

(2）水生态系统恢复：通过河道水生态修复与重建，使整个河道生态系统重新构建，水体自净能力提升，为中心城区水环境整治工程建设提供示范。

(3）景观提升：以生态自然为原则，利用河流沿岸现有的植被，将其改造为生态廊道、休闲廊道、活力廊道、景观廊道。

黑臭水体的治理可分为物理、化学和生态法等方式。物理法能够快速有效地对黑臭水体进行短期控制，但不能从根本上解决黑臭问题。化学法短期内见效快，但成本较高且容易产生二次污染。生态修复法是一种充分利用水体自净能力的低成本、长周期、治根本的治理技术，主要包括生态工程修复、微生物强化以及植物净化等技术，但操作难度大。由于单一的治理方法无法有效实现黑臭水体的治理，因而需在物理化学方法的基础上，结合生态修复法，构建健康完整的水生态系统，有利于从根本上恢复水体的生态健康，实现受污染水体的长制久清。

综合考虑Z河治理河段水质现状、治理成本和处理效果等因素，本研究采用微纳米曝气（MAT）+微生物活化（IMA）技术，同时辅以侧线生物处理系统治理Z河水体。

为有效解决Z河的水环境污染问题，选择比较有代表性的西南支渠进行中试试验，探索Z河治理的技术路线，验证关键技术的应用可行性。

本次中试采用微纳米曝气（MAT）+微生物活化（IMA）技术。微纳米曝气系统采用超高压气水混合方法，在超饱和状态下产生大量微米、亚微米级氧气泡，具有消除有机物污染和黑臭的作用^[10]。该工艺的核心在于增加水体溶解氧含量，激活本土好氧微生物菌群，利用微生物活动快速降解或转移水体中的污染物，且能在短时间内见效，使水体能恢复自净能力和使用功能^[11,12]。微生物活化系统的原理是基于改性悬浮填料，结合传统水体净化的生物膜技术，激活水体中有益于污染物去除的本土优势菌种，使之不断大量繁殖，利用水体持续的微循环，提高水体自净能力，达到水体原位生态修复的目的。该技术已应用于沈阳北陵公园水体修复项目^[13]。

西南支渠主要污染物浓度较高，河道溶解氧低，水体感官效果极差。试验段的5个试验点的初始COD浓度均在100mg/L左右，最高的达到了120mg/L。氨氮浓度也远高于消除黑臭水体的水质标准，试点的初始氨氮浓度为15～30mg/L。经过一段时间的人工充氧之后，河道水体整体摆脱厌氧状态，溶解氧含量从低于0.2mg/L上升到最高8.17mg/L，最低值达到0.76mg/L的状态，河道沿程溶解氧变化如图2所示。连续监测4个多月后，COD浓度由起初的120 mg/L降至30 mg/L，氨氮由30mg/L左右降至14mg/L，去除率分别为76.66%和53.33%（见图3）。溶解氧含量提升、有机物浓度降低之后河道感官有了很大的改善，透明度也显著提高，整条河道透明度均超过25cm，水质情况得到了很大的改善。

结果证实微纳米曝气（MAT）+微生物活化（IMA）技术措施可有效降低河道的污染物浓度，在重度污染区先通过增氧改善溶解氧浓度，可保证IMA等生态措施更好地发挥作用。

依据Z河流域概况、水质特征及污染物来源特征，结合水体黑臭治理技术控源截污、内源治理、清水补给、生态修复原则，提出图4技术路线。

由于城市污水收集系统不完善，截污闸门存在一定程度的泄露问题，部分区域雨污分流存在漏接、错接现象，造成污水直排入Z河。经现场调研，考虑通过截污闸门改造、管道修复、截污工程设计、内源治理等措施进行污染防治。

本地区降雨量丰富，旧城区大多采用合流制排水体制，考虑设置截流管，截流倍数取n₀=2。将西南支渠原有钢坝闸进行更换，设置一体化泵站（50m³/h），截流污水经提升后排入现状DN300污水管。同时，于上游明渠现状漏接雨水排放口处设置手电两用铸铁镶铜闸门井6座，河底新敷设截污管道，管径DN400，截流污水通过一体化提升泵站（150m³/h）排入旁路处理设备进行净化。

为消除内源污染，快速达到治理要求，前期采用现场适应性强、施工速度快的干式和半干式清淤方式进行清淤，后期维护定期采用环保型绞吸式清淤船进行机械清淤，淤泥外运经离心脱水处理后作为绿化覆盖土改良土壤。此外，对沿岸垃圾进行清理清运，并在河道上游设置沉砂池，用于山洪沉砂，减少河道淤泥程度，延长河道清淤周期。

夏季Z河河道污染负荷较高、溶解氧消耗速率快，为达到治理目标，在外源污染源得到控制的保证下，较短时间改善河道水质，提高溶解氧浓度和透明度，实施MAT+IMA技术。通过MAT系统充氧，受污染的河道水体溶解氧可大幅提高，去除部分有机物。再经IMA系统，在缺氧和好氧交替环境中，通过经微生物活性剂激活后的本土功能微生物的代谢作用，水体中的有机物、氮和磷等污染物得到进一步去除，实现水体的原位修复，其净化机制见图5。

结合Z河情况，上游明渠治理河段约1.2km，区间间隔约160m设置7台MAT+IMA系统，西南支渠治理河段约0.5km，区间间隔约250m设置2台MAT+IMA系统，每台曝气系统安装3个微纳米曝气头，以确保满足河道需氧要求，动力负荷分别在2.5kW和1kW左右。IMA反应器分为缺氧区（缺氧区内设置搅拌混合装置）和好氧区（好氧区内设置空气曝气系统进行微量曝气），缺氧区投加微生物活性剂，增强水体系统的生物活性和功能性，好氧区设置聚氨酯悬浮填料，以提高微生物量。预期系统运行1个月后，水体黑臭现象可消除，蓝藻消失，透明度大幅度提高。为确保治理河段的溶解氧水平，实际使用时，视河道的溶解氧水平而定，当溶解氧水平处于较低水平时，可以选择性开启微纳米曝气系统。

根据检测结果，上游明渠和西南支渠的水域水量为5.56万m³，以30天为一周期，设置1座旁路处理工程，处理能力为2 400m³/d。综合Z河治理河段水质现状、治理成本和处理效果等因素，旁路处理采用富酶活性填料生化处理工艺（MBBR），设计进水指标为COD≤60mg/L，氨氮≤15mg/L，主要出水水质指标应优于《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅴ类水标准，COD≤40mg/L，氨氮≤2mg/L，处理后的尾水作为河道补水或景观用水。

上游明渠采取潮汐补水方式，西南支渠采取补水管补水方式，补水规模0.3m³/s。取水泵站规模0.3m³/s，采用一体式泵站；取水管道采用自流式布置，管径DN800，长度约400 m。补水管道沿河底敷设，管径DN500，长度约900m。

景观作为生态调节的重要环节，具有雨水调蓄、面源污染净化及生态系统完善的功能。Z河综合治理景观设计将结合水环境治理工程，以河道两岸绿地为基础，打造一处集休闲、生态、安全为一体的河滨带状公园。本次改造用地总面积为1.8hm²，通过主题设计，充分利用现有空间与现有景观，设置生态停车场、景观坐凳，增加休闲小广场、亲水平台、生态浮岛等，打造特色公园，增加景观吸引力，并满足居民休闲娱乐的需求。经过改造，河道沿线景观面积为1.8hm²，绿化面积为0.7hm²，绿地率接近40%。

将PLC自控系统、视频监控系统、云端智慧管理系统、水务数学模型进行联网组成一套完整的智慧管理系统，控制室设置在中央控制室，智慧管理软件平台部署在云端。其中，监控对象分布在沿河约方圆2km范围内，中控室布置在河道岔道处，距离中控室距离约为600 m处设有3个远程I/O站。为实现在线实时监测水质，配置5套水污染监测站，在线检测水质并实时发送数据至PLC中控系统和智慧管理平台。

试验结果证实微纳米曝气（MAT）+微生物活化系统（IMA）技术措施可有效降低河道的污染物浓度，通过对5个试验点的监测，微纳米曝气（MAT）可有效增加黑臭水体中的溶解氧浓度，再通过微生物活化系统（IMA）技术，能有效降低水中COD浓度和氨氮浓度，去除率分别达到76.66%和53.33%，增加水体的透明度，使黑臭水体水质得到改善。

该工程实例方案整体采用控源截污、内源治理、清水补给、生态修复等综合治理措施，通过治理方法对比及中试试验，确定采用微纳米曝气系统（MAT）+微生物活化系统（IMA）对Z河的黑臭水体进行治理。该工程整体运行费用较低，处理效果稳定，具有工程化应用推广的可能性，为后续类似黑臭水体治理和日常维护管理提供科学依据和实施经验。

工程实施后，必须加强后期运行维护管理，尤其要注意重建后水生态系统的维护，加大力度解决河道污水达标排放的问题，确保水体长制久清。