2水体污染与自净

2水体污染与自净2.1水体污染及其危害水体污染是指排入水体的污染物在数量上超过该物质在水体中的本底含量和水体的环境容量，从而导致水的物理、化学及微生物性质发生变化，使水体固有的生态系统和功能受到破坏。造成水体污染的原因主要有：点源污染与面源污染(或称非点源污染)两类。点源污染来自未经妥善处理的城市污水(生活污水与工业废水)集中排入水体。面源污染来自：农田肥料、农药以及城市地面的污染物，随雨水径流进入水体；随大气扩散的有毒有害物质，由于重力沉降或降雨过程，进入水体。2.1.1水体的物理性污染及危害水体的物理性污染是指水温、色度、臭味、悬浮物及泡沫等。这类污染易被人们感官所觉察，并给人们感官不悦。P13-142.1.2无机物污染及危害1.酸、碱及无机盐污染工业废水排放的酸、碱，以及降雨淋洗受污染空气中的SO2，NOx所产生的酸雨，都会使水体受到酸、碱污染。酸、碱进人水体后，互相中和产生无机盐类。同时又会与水体存在的地表矿物质如石灰石、白云石、硅石以及游离二氧化碳中和反应，产生无机盐类。故水体的酸、碱污染往往伴随无机盐污染。酸、碱污染可能使水体的pH值发生变化，微生物生长受到抑制，水体的自净能力受到影响。渔业水体的pH值规定不得低于6或高于9.2，超过此限值时，鱼类的生殖率下降甚至死亡。农业灌溉用水的pH值为5.5—8.5。无机盐污染使水体硬度增加，造成的危害与前述溶解性固体相同。2.氮、磷的污染氮、磷属于植物营养物质，随污水排入水体后，会产生一系列的转化过程。(1)含氮化合物的转化含氮化合物在水体中的转化可分为两个阶段；第一阶段为含氮有机物如蛋白质、多肽、氨基酸和尿素转化为无机氨氮，称为氨化过程；第二阶段是氨氮转化为亚硝酸盐与硝酸盐称为硝化过程。两阶段转化反应都在微生物作用下完成。以蛋白质的转化为例：(2)磷化合物的转化水体中的磷可分为有机磷与无机磷两大类。有机磷多以葡萄糖-6-磷酸，2-磷酸-甘油酸及磷肌酸等形式存在，大多呈胶体和颗粒状。可溶性有机磷只占30％左右。无机磷几乎都是以可溶性磷酸盐形式存在，包括：正磷酸盐(磷酸根)PO43-，磷酸盐PO3-，磷酸氢盐HPO42-，磷酸二氢盐H2PO4-以及聚合磷酸盐如焦磷酸盐P2O74-，三磷酸盐P3O105-等。水体中的可溶性磷很容易与Ca2+，Fe3+，Al3+等离子生成难溶性沉淀物沉积于水体底部成为底泥。沉积物中的磷，通过水流的湍流扩散再度稀释到上层水体中，或者当沉积物中的可溶性磷大大超过水体中的磷的浓度时，则可能重新释放到水体中。所有含磷化合物都是首先转化成正磷酸盐PO43-后，再测定PO43-的含量，其结果即总磷，以PO43-浓度表示。(3)氮、磷污染与水体的富营养化富营养化是湖泊分类和演化的一种概念，是湖泊水体老化的自然现象。湖泊由贫营养湖演变成富营养湖，进而发展成沼泽地和旱地，在自然条件下，这一历程需几万年至几十万年。但如受氮、磷等植物营养性物质污染后，可以使富营养化进程大大地加速。这种演变同样可发生在近海、水库甚至水流速度较缓慢的江河。如1998午4月福建、广东、香港沿海，武汉市东湖，同年2月湖北省汉江段等，都由于水体受到氮、磷等植物营养物质的污染，使夜光藻、蓝藻类铜锈囊藻及有毒棵甲藻疯长。呈胶质状藻类覆盖水面，色呈暗红，故称“赤潮”(或称“水华”)3.硫酸盐与硫化物污染水体中的硫酸盐以SO42-浓度表示。饮用水中含少量硫酸盐对人体无甚影响，但越过250mg/L后，会引起腹泻。如果水体缺氧，则SO42-在反硫化菌的作用下产生反硫化反应：4.氯化物污染水体受氯化物污染后，无机盐含量往往也高，水味变咸，对金属管道与设备有腐蚀作用且不适宜作为灌溉用水。5.重金属污染(1)汞(Hg)污染(2)镉(Cd)污染(3)铬(Cr)污染(4)铅(Pb)污染(5)其他重金属污染锌、铜、钴、镍、锡等重金属离子，对人体也有一定的毒害作用。2.1.3有机物污染及危害P19-201.油脂类污染2.酚污染3.表面活性剂污染2.1.4病原微生物污染及危害P202.2水体自净的基本规律2.2.1水体的自净作用污染物随污水排入水体后，经过物理的、化学的与生物化学的作用，使污染的浓度降低或总星减少，受污染的水体部分地或完全地恢复原状，这种现象称为水体自净或水体净化。水体所具备的这种能力称为水体自净能力或自净容量。若污染物的数量超过水体的自净能力，就会导致水体污染。水体自净过程非常复杂，按机理可分为3类：①物理净化作用：水体中的污染物通过稀释、混合、沉淀与挥发，使浓度降低，但总量不减；②化学净化作用：水体中的污染物通过氧化还原、酸碱反应、分解合成、吸附凝聚(属物理化学作用)等过程，使存在形态发生变化及浓度降低，但总量不减；②生物化学净化作用：水体中的污染物通过水生生物特别是微生物的生命活动，使其存在形态发生变化，有机物无机化，有害物无害化，浓度降低，总量减少。可见，生物化学净化作用是水体自净的主要原因。1.物理净化作用物理净化作用见闻2—3所示。(1)稀释污水排入水体后，在流动的过程中，逐渐和水体水相混合，使污染物的浓度不断降低的过程称为稀释。在下流某个断面处污水与河水完全混合，该断面称为完全混合断面(见图2—3，B——B断面)；大江大河的河床宽阔，污水与河水不易达到完全混合，而只能与一部分河水相混合，并在排污口的一侧形成长度与宽度都较稳定的污染带。2.化学净化作用（1)氯化还原氧化还原是水体化学净化的主要作用。水体中的溶解氧可与某些污染物产生氧化反应。如铁、锰等重金属离子可以被氧化成难溶性的氢氧化铁、氢氧化锰而沉淀。硫离子可被氧化成硫酸根随水流迁移。还原反应则多在微生物的作用下进行，如硝酸盐在水体缺氧条件下，由反硝化菌的作用还原成氮(N2)而被去除。(2)酸碱反应水体中存在的地表矿物质(如石灰石、白云石、硅石)以及游离二氧化碳、碳酸系碱度等，对排入的酸、碱有一定的缓冲能力，使水体的pH值维持稳定。当排入的酸、碱量超过缓冲能力后，水体的pH值就会发生变化。若变成偏碱性水体，会引起某些物质的逆向反应，例如已沉淀于底泥中的三价铬、硫化砷(AsS，As2S3)等，可分别被氧化成六价格(K2CrO4)、硫代亚砷酸(AsS33+)而重新溶解；若变成偏酸性水体，上述反应逆向进行。(3)吸附与凝聚属于物理化学作用。产生这种净化作用的原因在于天然水中存在着大量具有很大表面能并带电荷的胶体微粒。胶体微粒有使能量变为最小及同性相斥、异性相吸的物理现象，它们将吸附和凝聚水体中各种阴、阳离子，然后扩散或沉降，达到净化的目的。3.生物化学净化作用图2-4为水体生物化学净化过程示意图。2.2.2与2.2.3水体水质基本模型与应用P24-372.2.4河流氧垂曲线方程——菲里普斯(Phelps)方程有机物质排入河流后，可被水中微生物氧化分解，同时消耗水中的溶解氧(DO)。所以，受有机物污染的河流，水中溶解氧的含量受有机物的降解过程控制。溶解氧含量是使河流生态系统保持平衡的主要因素之一。溶解氧的急剧降低甚至消失，会影响水体生态系统平衡和渔业资源，当DO＜1mg/L时，大多数鱼类便窒息而死，因此研究DO的变化规律具有重要的实际意义。1.氧垂曲线2.3氧垂曲线方程——菲里普斯方程的建立与应用P37-412.2.5湖泊、水库水体水质模型湖泊、水库水体的主要污染源有：点源污染(生活污水、工业废水集中排人)；非点源污染(雨水径流、农田灌溉水的回流等)；大气降尘等。湖泊、水库内的水流主要是：河流入流口附近；大量污水排放口附近；风生流、异重流(由温度差、密度差引起)；人类活动，(如行船，灌溉抽水)造成的紊流。故湖泊、水库的水体运动与自净规律十分复杂。根据湖泊、水库的大小与水文条件不同，污水排人后，与湖水的混合情况可分为：完全混合型(即污水与湖水可完全混合)，面积较小、水深较浅的湖泊存在这种可能；非完全混合型，面积较大、水深较深的湖泊存在这种情况。2.3水环境保护水环境保护有量和质两个方面。以水质保护为主，合理利用水资源，通过规划提出各种措施与途径，使水体不受污染，以保证水资源的正常用途，满足水体主要功能对水质的要求。2.3.1水体水质评价通过对水体的水质评价能够判明水体被污染的程度，为制定水体的综合防治方案提供科学依据。水质评价是根据监测取得的大量资料，对水体的水质所作出的综合性的定量评价。水质评价的主要目的是：①对不同地区各个时期水质的变化趋势进行分析；②分析对工农业生产和生态系统的影响；③分析对人体健康的影响。单项污染指标的具体浓度值，仅能反映这项指标的瞬间水质状况，而不能反映由多种污染物共同排放所形成的复杂水质状况。故应采用综合指数对各种污染物的共同影响进行评价。评价又可分为现状评价和预断评价。1.现状评价目前常用的水质评价方法有：综合污染指数(K)法和水质质量系数(P)法。(1)综合污染指数(K)法综合污染指数(K)法是表示各种污染物对水体综合污染程度的一种数量指标，计算式为：(2)水质质设系数(P)法水质质量系数(P)法的计算式为：2.预断评价预断评价是指人类活动对水质可能产生的影响进行预先的断定和评价。在建立新的工业基地时必须进行这工作。预断评价又分为一般评价和目标评价。一般评价是查明工业建设地区的环境现状、自净能力和环境容量，并以此作根据布置该地区的工业布局。目标评价系指估算生产污水的水量、水质及对环境可能产生的影响。2.3.2水环境容量水环境容量的定义是：在满足水环境质量标推的条件下，水体所能接纳的最大允许污染物负荷量，又称水体纳污能力。2.3.3我国水环境法规与标准1.我国的环境保护立法我国自1979年颁布《中华人民共和国环境保护法(试行)》，并于1989午12月26日经第七届全国人民代表大会常务委员会通过《中华人民共和同环境保护法》以来，环境保护立法工作有很大进展，国家制定了预防为主防治结合，污染者出资治理和强化环境管理的三大政策。颁布了28件环境法规和70余件环境规章，地方性环境法规达900余件，制定了375项环境标淮，确定了环境影响评价、城市环境综合整治定量考核、污染物总量控制等有效的环境管理制度，基本形成了符合国情的环境政策、法律、标准和管理体系。我国环境保护的法律体系可分为纵向体系与横向体系两项。(1)我国环境保护法律的纵向体系我国环境保护文法，从纵向分，共有6个层次，即环境保护根本法层次，基本法层次，单行法层次，行政法规层次，部门规章层次和地方性法规(规章)层次，见框图2—23。(2)我国环境保护立法的横向体系我国环境保护方法的横向体系，涉及给水排水的法律、法规，见框图2—24。2.我国水环境标准随着我国环境保护立法工作的不断完善，有关部门与地方制定了较详细的水环境标准，供规划、设计、管理、监测部门遵循。已有的水环境标推有：(1)水环境质量标准我国已有的水环境质量标准计有：《地面水环境质量标准》(GB3838—88)，《渔业水质标准》(GBll607—89)，《景观娱乐用水水质标推》(GBl2941—91)，《农出灌溉水质标准》(GB5084—92)(2)污水排放标准水体是国家的宝贵资源，必须严格保护，免受污染。因此当污水需要排入水体时，应处理到允许排入水体的程度。故我国有关部门，以水资源的科学理论为指导，以生态标准、经济可能、社会要求三者并重，综合平衡，全面规划，充分考虑可持续发展，有重点、有步骤地控制污染源，保护水体。为此而制定了污水的各种排放标淮、可分为一般排放标准与行业排放标准两类。一般排放标准有《工业“三废”排放试行标准》(GBJ4—73)，《污水综合排放标准》(GB8978-96)，《农用污泥中染物控制标准》(GB4284—84)等。2.4污水处理基本方法与系统污水处理的基本方法，就是采用各种技术与手段，将污水中所含的污染物质分离去除、回收利用，或将其转化为无害物质，使水得到净化。2.4.1按原理分类现代污水处理技术，按原理可分为物理处理法，化学处理法和生物化学处理法3类。1.物理处理法：利用物理作用分离污水中呈悬浮状态的固体污染物质。方法有：筛滤法，沉淀法，上浮法，气浮法，过滤法和反渗透法等