Sachverhalt:
A. Das Bezirksgericht Bülach sprach X._ am 15. April 2009 schuldig der einfachen Körperverletzung, der mehrfachen Drohung und der Tätlichkeiten. Es widerrief die bedingte Geldstrafe von 30 Tagessätzen zu Fr. 90.--, welche die Staatsanwaltschaft Zürich-Unterland am 27. April 2007 ausgesprochen hatte, und bestrafte ihn mit einer Freiheitsstrafe von 6 Monaten und mit einer Busse von Fr. 300.-- als Gesamtstrafe. Zudem ordnete es eine stationäre therapeutische Massnahme an (Art. 59 StGB).
Eine Berufung von X._ - beschränkt auf die Massnahme - wies das Obergericht des Kantons Zürich am 15. Dezember 2009 ab.
B. X._ führt Beschwerde in Strafsachen und beantragt zur Hauptsache, der angefochtene Entscheid sei aufzuheben, und anstelle der stationären sei eine ambulante Massnahme anzuordnen.
Erwägungen:
1. 1.1 Der Beschwerdeführer macht geltend, der Gutachter habe bei ihm für den Tatzeitpunkt eine wahnhafte Störung (ICD-10 F.22.0) diagnostiziert, die sich vor allem darin äussere, dass er seine Ehefrau des Fremdgehens verdächtige, von der Existenz eines Nebenbuhlers überzeugt sei sowie davon, dass jemand in seine Wohnung eingedrungen sei und Manipulationen am Computer vorgenommen habe. Der Bericht der Klinik Rheinau (in der Folge "Bericht" genannt) hingegen spreche nur von einer vermutlich wahnhaften Störung. Allfällige weitere wahnbedingte Symptome würden weder vom Gutachter noch von den behandelnden Ärzten vorgebracht, weshalb für den Tatzeitpunkt lediglich der Eifersuchtswahn gegenüber der Ehefrau als Tatursache gelten könne.
Im Ergänzungsgutachten werde die ursprüngliche Diagnose als weiterhin gültig erachtet. "Hinsichtlich des Umstandes, dass der Beschwerdeführer nach über 16 Monaten Untersuchungs- und Sicherheitshaft (einschliesslich eines einleitenden dreiwöchigen Aufenthalts in der Klinik Hard in Embrach sowie eines anderthalbmonatigen Aufenthalts in der Sicherheitsabteilung der Klinik Rheinau) aufgrund des rigorosen Freiheitsentzugs weder paranoide Verhaltensweisen noch wahnhafte Erlebniswelten seine Ehefrau betreffend in irgendeiner Form zu äussern in der Lage war und tatsächlich auch in keiner Weise gegenüber irgend jemandem äusserte, erweist sich diese Beurteilung als absolut haltlos". Ausserdem spreche der Bericht explizit von "paranoiden Erlebnisinhalten in der Vergangenheit" sowie von einer weitestgehenden Zurückbildung der Wahnsymptome aufgrund neuroleptischer Medikation und Alkohol- bzw. Drogenabstinenz. Selbst der Gutachter habe eingestehen müssen, dass die diagnostizierte wahnhafte Störung (viel) weniger zutage getreten sei als bei der ersten Begutachtung.
Die vorinstanzliche Annahme, beim Beschwerdeführer bestehe eine noch andauernde schwere psychische Störung, sei willkürlich (Art. 9 BV) und bundesrechtswidrig (Art. 59 Abs. 1 i.V.m. Art. 56 Abs. 1 lit. c StGB; Beschwerdeschrift, S. 5 ff. Ziff. 9).
Beim Beschwerdeführer bestehe vielmehr eine ausgeprägte Suchtproblematik. Er habe nämlich zugegeben, während längerer Zeit vor seiner Verhaftung exzessiv Kokain konsumiert zu haben. Im Bericht werde - obschon die Verfasser vom Kokainkonsum keine Kenntnis gehabt hätten - hervorgehoben, der zentrale Inhalt der Behandlung sollte zunächst eine Suchttherapie sein. Mit der Kokainsucht und der damit verbundenen schwerwiegenden Persönlichkeitsstörungen bzw. Symptomen wie paranoides, paranoid-halluzinatorisches und aggressives Verhalten lasse sich schlüssig begründen, dass der Beschwerdeführer eine starke psychische Veränderung im Sinne eines Eifersuchtswahns und einer gesteigerten Unruhe an den Tag gelegt habe, welche schliesslich zur Tatbegehung geführt habe. Indem die Vorinstanz unter diesen Umständen trotzdem die unsichere und unschlüssige Beurteilung des Gutachters unkritisch übernehme, es sei prioritär die paranoide Störung zu fokussieren und allfällige Suchtneigungen lediglich mitzuberücksichtigen, sei ihr Entscheid offensichtlich unhaltbar. Angesichts der zentralen Suchtproblematik fehle es an einem Tatbestandsmerkmal für eine Einweisung des Beschwerdeführers gestützt auf Art. 59 StGB (Beschwerdeschrift, S. 7 ff. Ziff. 10).
1.2 Zum Verhältnis wahnhafte Störungen und Substanzmissbrauch führt der Gutachter unter anderem aus, ein grosser Teil der chronischen Kokainkonsumenten erlebe meist nur während Stunden anhaltende, paranoide oder paranoid-halluzinatorische Episoden. Es könne aber auch eine substanzinduzierte psychotische Störung auftreten, die symptomatisch zwar identisch sei mit einer wahnhaften Störung, deren Symptome jedoch in der Regel nach dem Absetzen der Substanz abklängen. Chronischer Kokainkonsum könne schliesslich die Krankheit "wahnhafte Störung" auslösen. Dabei handle es sich nicht "nur" um eine kokaininduzierte Psychose, sondern um eine durch das Kokain ausgelöste, aber eigengesetzlich verlaufende wahnhafte Störung, bei welcher die Symptomatik das Absetzen des Kokains überdauere. Beim Beschwerdeführer sei die wahnhafte Störung zu ausgeprägt und anhaltend-stabil, auch nach Absetzen des Kokains in der lange dauernden Untersuchungshaft (Ergänzungsgutachten, S. 16 f.).
1.3 Dass in der Untersuchungshaft - als der Beschwerdeführer keinen Zugang zu Kokain mehr hatte - auch seine wahnhaften Störungen abgeklungen wären, behauptet er selbst nicht. Ebensowenig beanstandet er die erwähnten Unterscheidungen des Gutachters bezüglich wahnhafter Störungen und Substanzmissbrauch. Das eine oder andere hätte er aber darlegen müssen, um den Willkürvorwurf zu begründen. Angesichts der gutachterlichen Ausführungen durfte die Vorinstanz willkürfrei annehmen, der Beschwerdeführer leide an einer eigengesetzlich verlaufenden wahnhaften Störung, selbst wenn diese vom (angeblichen) chronischen Kokainkonsum herrührte.
Dass der Bericht von paranoiden Erlebnisinhalten "in der Vergangenheit" spricht und der Gutachter festhält, bei der neuerlichen Untersuchung sei die diagnostizierte wahnhafte Störung (viel) weniger zutage getreten, bedeutet nicht zwingend, der Beschwerdeführer sei psychisch nicht schwer gestört. Dazu hätte er darlegen müssen, weshalb nicht die neuroleptische Medikation sowie die Alkohol- bzw. Drogenabstinenz die Wahnsymptome in den Hintergrund gedrängt haben sollen.
Schliesslich ist auch der Willkürvorwurf ungerechtfertigt, die Vorinstanz habe eine fragwürdige, unsichere und unschlüssige psychiatrische Beurteilung adaptiert. Da die wahnhafte Störung des Beschwerdeführers allenfalls durch den (angeblichen) Kokainkonsum ausgelöst worden ist, erscheinen die Differenzialdiagnosen "kokaininduzierte wahnhafte Störung" und "durch chronischen Kokainkonsum ausgelöste wahnhafte Störung" nur folgerichtig. Dass diese Differenzialdiagnosen nicht bereits im Rahmen des ursprünglichen Gutachtens abgeklärt wurden, hat sich der Beschwerdeführer selbst zuzuschreiben. Davon berichtete er nämlich erst später.
Damit erweisen sich die Rügen als unbegründet, die Vorinstanz habe Beweise willkürlich gewürdigt und die stationäre Massnahme zu Unrecht auf Art. 59 StGB gestützt.
2. Der Beschwerdeführer rügt, die Anordnung einer stationären Massnahme sei nicht verhältnismässig. Insoweit kann auf die zutreffenden Ausführungen der Vorinstanz verwiesen werden (angefochtener Entscheid S. 20 ff. Ziff. 35 ff.).
Was der Beschwerdeführer dagegen vorbringt, ist nicht stichhaltig, weil er vom verbindlich festgestellten Sachverhalt abweicht. Hier ist lediglich hervorzuheben, dass der Gutachter im Anschluss an die detaillierte Abklärung der Diagnose (u.a. auch Absetzversuch der Neuroleptika) empfiehlt, den Beschwerdeführer in der stationären Massnahme soweit vorzubereiten, dass diese in eine ambulante überführt werden könne. Bei dieser stufenweisen Resozialisierung sei der Kontakt mit der realen Welt sehr wichtig, wobei der Beschwerdeführer jedoch zu Beginn möglichst intensiv betreut werden müsse (Zusatzgutachten, S. 18 f.). Damit ist auch dem wiederholt vorgetragenen Argument die Spitze gebrochen, der Beschwerdeführer könne nur in Freiheit beweisen, dass er sich künftig wohl verhalten werde. Dasselbe gilt hinsichtlich des Freiheitsentzugs.
3. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist.
Der Beschwerdeführer stellt ein Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege. Da seine Begehren von vornherein aussichtslos erschienen, ist das Gesuch abzuweisen (Art. 64 Abs. 1 BGG). Folglich wird er kostenpflichtig (Art. 66 Abs. 1 BGG). Bei der Bemessung der Kosten ist jedoch seinen finanziellen Verhältnissen Rechnung zu tragen.
Das Gesuch um Entzug der aufschiebenden Wirkung ist nicht nachvollziehbar (Art. 46 Abs. 1 lit. c BGG) und gegenstandslos.
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
2. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege wird abgewiesen.
3. Die Gerichtskosten von Fr. 1'600.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, I. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 31. Mai 2010
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Der Gerichtsschreiber:
Favre Borner