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论水污染成因、危害、预防和净水技术
岩土工程1班

摘要：随着经济发展和社会进步，水污染问题日趋严重，严重危害了自然的平衡发展和人的 健康。本文拟从水污染的成因和危害出发，提出了如何预防水污染。并简单的介绍了新世纪阶段下的一些净水技术。

关键词：水污染 ; 危害 ; 净水技术; 预防措施

地球上水储量是丰富的, 共有14. 5 亿km3 之多。但是其中海水占了97. 2%, 陆地淡水仅占2. 8%, 而与人类生活最密切的江河、淡水湖和浅层地下水等淡水, 又仅占淡水储量的0. 34%。更令人担扰的是, 这数量极有限的淡水, 正越来越多地受到污染。据统计, 全世界有半数以上的国家和地区缺乏饮用水, 特别是经济欠发达的第三世界国家, 目前已有70%, 即17 亿人喝不上清洁水, 世界已有将近80%人口受到水荒的威胁。我国人均淡水为世界人均水平的1/ 4, 属于缺水国家。全国已有300 多个城市缺水, 29% 的人正在饮用不良水, 其中有7 000 万人正在饮用高氟水。每年因缺水而造成的经济损失达100 多亿元, 因水污染而造成的经济损失高达400 多亿元。
我国水资源有几个特点: 一是全国降水在空间和时间的分布上极不平衡, 南方水多, 北方水少, 差别悬殊, 历史上水旱灾害极为频繁; 二是北方有的地区人均占有水资源相当于世界上最干旱的国家, 水丰富的南方却常常发生季节性干旱, 使依赖水灌溉的主要农作物水稻及一些经济作物用水困难; 三是污水排放量大、处理率低, 全国年排污水363 亿t, 其中80%未经处理, 使江河湖海和地下水严重污染, 水质性缺水现象越来越严重; 四是缺乏科学的用水定额和管理, 生产耗水量大, 水的浪费相当普遍, 全国工业用水重复利用率仅有45%, 万元工业产值耗水量远远高于工业发达国家, 农业灌溉有效利用率一般只有25%~ 40%。所以, 水的问题在我国是很严峻的。
当水中的有害物质超出水体的自净能力, 就发生了污染。这些有害物质包括农药、重金属及其化学物质, 有机和无机化学物质, 致病微生物, 油类物质, 植物营养物, 各种废弃物和放射性物质等。水污染的来源主要是未加处理的工业废水、生活废水和医院污水。
一、 水污染的成因
造成水体污染的因素是多方面的, 如向水体排放未经妥善处理的城市污水和工业废水; 施用的化肥、农药及城市地面的污染物被水冲刷而进入水体; 随大气扩散的有毒物质通过重力沉降或降水过程而进入水体等。主要表现在以下几个方面。
1.1城市化造成的水污染
在城市地区, 大部分土地被屋顶、道路、停车场所覆盖, 地面渗透性很差。雨水落到地面上通常被土壤吸收, 有些被植物吸收, 有些渗入地下, 有些则流入地表水中。所以城市化建设改变了下垫面的性质。下雨时, 雨水遇到渗透性很差的地面, 迫使它四处横流, 在雨水横流过程中带走了大量的城市污染物。通常这些雨水不经任何处理, 直接通过城市的排水管道排放到当地的河流中。这样就有许多负效应产生。首先, 它污染了接收雨水的河流、溪流或湖泊。有研究发现, 城市径流中含有高浓度的铜、铅和锌, 足以杀死许多种鱼和无脊椎水生动物, 暴雨也是有毒金属、氯化有机化合物和悬浮固体的主要载体; 其次, 城市径流往往突涌而至, 不像土壤和植物的缓慢滤流, 水的力量会冲刷溪流河床, 破坏水生环境; 再次, 因为所有的暴雨水都以这种高速率被导入当地河流, 旱季就没有存水慢慢渗入溪流和河流中, 可能会造成溪流完全干枯和河流水面大幅度下降, 这对水生环境也有破坏作用。
1.2工业造成的水污染
工业废水和城市污水一样, 也含有悬浮固体、各类有机物、重金属。如果不经处理直接排放到水中, 它们会污染河流与湖泊, 耗尽水中的氧, 威胁人类的健康。随着采矿和工业活动的增加, 重金属的生产和使用也有了很大的增加, 导致了湖泊与河流产生严重重金属污染。同时采矿业酸性废水的排放, 也会产生污染。
二、 水污染的危害
2.1水污染对人体健康的危害
人体在新陈代谢过程中, 通过饮水和食物, 把水中的各种元素通过消化道带入人体的各个部分。当水中缺乏某些或某种人体生命过程所必需的元素时, 就会影响人体健康。当水中含有有害物质时, 对人体的危害更大。致癌物质可以通过人食用受污染的食物( 粮食、蔬菜、鱼肉等) , 带入人体,还可以通过饮水进入人体。据调查, 饮用受污染水的人, 患肝癌和胃癌等癌症的发病率, 要比饮用清洁水的高出61. 5%左右。当含有汞、镉等元素的污水排入河流和湖泊时, 水生植物就把汞、镉等元素吸收和富集起来, 鱼吃水生植物后, 又在其体内进一步富集, 人吃了中毒的鱼后, 汞、镉等元素在人体内富集, 使人体患病而死亡。
2.2 水污染对水生生物的危害
水中生活着各种各样的水生动物和植物。生物与水、生物与生物之间进行着复杂的物质和能量的交换, 从数量上保持着一种动态的平衡关系。但在人类活动的影响下, 这种平衡遭到了破坏。当人类向水中排放污染物时, 一些有益的水生生物会中毒死亡, 而一些耐污的水生生物会加剧繁殖, 大量消耗溶解在水中的氧气, 使有益的水生生物因缺氧被迫迁栖他处, 或者死亡。特别是有些有毒元素, 既难溶于水又易在生物体内累积, 对人类造成极大的伤害。如汞在水中的含量是很低的, 但在水生生物体内的含量却很高, 在鱼体内的含量又高得出奇。假定水体中汞的浓度为1, 水生生物中的底栖生物( 指生活在水体底泥中的小生物) 体内汞的浓度为700, 而鱼体内汞的浓度高达860。由此可见, 当水体被污染后, 一方面导致生物与水、生物与生物之间的平衡受到破坏,另一方面一些有毒物质不断转移和富集, 最后危及人类自身的健康和生命。
2.3 水污染对工农业生产的危害
工农业生产不仅需要有足够的水量, 而且对水质也有一定的要求。否则, 对生产会造成很大的损失, 特别是工农业生产过程中使用了被污染的水后, 对人类有极大的危害。一是使工业设备受到破坏, 严重影响产品质量; 二是使土壤的化学成分改变, 肥力下降, 导致农作物减产和严重污染; 三是使城市增加生活用水和工业用水的污水处理费用。
三、 水污染的预防措施
3.1城市化水污染的预防措施
(1)生态系统恢复。城市河流的恢复对预防城市化水污染有着至关重要的作用, 恢复河流两岸植被覆盖、漫滩、湿地, 可使沉积物和营养物流入河流之前就将它们滤出, 可以改善水质; 湿地可以控制洪涝, 吸收污染物将净化的水释放入地下水和溪流, 并为野生动物提供避难所; 林地可以再补充地下水并形成野生动力生活环境。
(2)减少和延缓径流。改变地表性质增加降雨入渗率是减少地表径流的有效措施之一。采取在平坦的屋顶上建造屋顶花园或铺设薄草皮, 在较坚实的屋顶上利用容器里种植乔灌木、花或蔬菜, 在承重结构外侧边缘沿线铺设苗床, 以达到减少暴雨径流量的目的。在城区交通流量少的道路或停车场等区域, 可用多孔砖取代水泥或沥青地面, 让雨水渗透到下面的土壤中,减少径流量。实践证明, 多孔铺筑地面能去除雨水中80% ~ 100% 的悬浮固体、20% ~ 70% 的营养物和15% ~ 80%的金属; 在停车场边缘建造植物缓冲带, 以吸收部分雨水, 滤出悬浮固体、有机物质和金属; 有粗砂或砾石的排水沟也能用来延缓径流, 并进行一定程度的水处理。有条件的城市建造雨水滞洪地或湿地,以延缓径流并去除污染物。
(3)宣传教育。通过宣传教育公众的方式减少人为污染物的使用和排放。如减少清洁剂、漂白剂等化学品的使用量或改用无毒清洁产品, 少用或不用草坪和花园化学品。将危险废物如涂料、机油和溶剂送往处理场而不是将它们直接冲入下水道。在排水道旁印
刷某种标志, 如鱼的标志, 提醒公众注意环境保护。用这种方法减少非点源污染花钱少, 最有效。
3.2 工业化水污染的预防措施
(1)就地处理。城市污水来自千家万户和千百家不同工厂的混合废物的混合体, 设计清除污水中所在污染物的处理流程是非常困难的, 只有知道废水的组成才能设计特定的处理流程来清除污染物。
(2) 源头控制和废物减量。无论是就地处理还是在城市污水处理厂进行处理, 从废水中去除污染物, 常常是大量使用化学品和能源, 去污原料只用一次就被扔掉了, 这不仅花钱多, 而且本身就是一种浪费。所以, 采取从源头就防止污染物的产生, 比在制造过程末端来控制污染物意义和效益更大。可通过重新制定产品配方以减少有毒成分的数量、改革工艺和重新设计设备以便减少浪费、回收利用废物等方法预防污染。
3.3 农业化水污染的防治措施
(1)减少土壤侵蚀。从根本上讲, 减少土壤侵蚀的关键是改善土壤性质。定期施用农家肥就能将有机质返还给土壤并提高土壤肥力, 提高土壤团粒结构, 另采用沿自然等高线耕作、减少耕作和保留作物残茬的技术减少土壤侵蚀, 还可通过改变土地用途种植永久性植被的办法来减少土壤侵蚀。
(2)减少化肥径流和硝酸盐沥滤。要做到科学施肥。使养分施用率与作物需要相匹配很重要, 如使用缓释化肥可以减少浪费; 施用时间与作物的速生期和开花期吻合, 尽可能使养分全部被作物利用, 同时不在暴雨前施肥; 覆盖作物和轮作可以最大限度减少硝酸盐沥滤并改善土壤结构; 采用先进的灌水技术, 更均匀更有效的灌溉, 可以最大限度地减少硝酸盐的损失。
(3)减少农药径流的。害虫防治农药的喷撒应在达到危险程度时以较少的药量对其加以控制, 而不要等到害虫大爆发后再施以大药量; 间种不同作物和轮作有助于预防害虫的集结, 可用捕食性昆虫或寄生虫来降低害虫的程度; 施用农药要选择合适的天气条件最大限度地减少风吹撒, 要正确贮存和混合农药以避免溢漏或泄漏。通过采用这些方法, 可使农民的农药使用量减少一半。
四、 净水技术
4.1 臭氧活性炭联用处理技术
自1970 年后加氯副产物如THM 问题的突现,臭氧的使用逐渐受到重视,尤其是一些欧洲国家如法国、德国、荷兰等国使用臭氧作为消毒剂增加很快或用以脱色,去除水中的铁和锰,此外对去除水中藻类的效果也优于氯,因氯虽有杀死藻类的功能,但氯却无法完全氧化藻体被破坏释放出的有机物,故可能生成氯化有机物,而臭氧因有极强的氧化能力可将其完全氧化。
此外臭氧对脱臭和脱味也有很好效果,特别是藻类或放线菌以及代谢或死亡之后释放的不饱和化合物可立即被氧化。
但使用臭氧时也应注意其可能产生的副作用:如原水中含Br - ,则可被氧化生成毒性较大的溴酸盐,目前WHO 饮水标准极限含量为25μg/ L ,美国EPA 规定为10μg/ L ;臭氧发生场合的臭氧含量应控制在011 mg/ L 以下,并与暴露时间有关。
臭氧处理后常可与活性炭相结合,有时也可称生物活性炭,原水中如有某些臭氧无法降解的惰性有机物如某些农药,则可经活性炭作用加以去除,以保证水质的安全性,因此臭氧活性炭联用技术在欧洲和日本均有较多的应用。如德国大多数城市自来水厂均采用臭氧2活性炭联用技术,日本大阪地区以富营养化的琵琶湖为水源的自来水厂、东京都以江沪川为水源的全町净水厂为了去除藻类所产生的异臭味均采用了臭氧活性炭技术以提高原有传统净水技术的效果。这一趋势仍将继续,当然活性炭技术
4.2 微生物处理技术
当饮用水水源受到生活污水和农业污水如禽畜废水污染时,常含有高浓度的氨氮和溶解性有机物,氨氮会引起沉淀池、砂滤池表面藻类生长,而且因硝化作用导致滤床底部厌氧现象,致使铁再溶解发生“红水”问题。过去水厂常以预加氯法来氧化氨氮, 但自从THM问题呈现后,预加氯不仅增加氯与有机物接触机会,而且因预加氯可将有机物氧化成极性和溶解性较高的有机物而降低它在传统处理方法中的去除率,同时因整个流程中都会有余氯,故处理系统中生物作用被削弱,而且生物氧化原先是对溶解性有机物很有效的一种处理技术。因此目前国际上逐渐取得共识,那就是:加氯可保留作为消毒剂,但并非作为氧化剂,故应设法取消预加氯,以促进整个流程中各单元的生物活性。利用生物硝化方式以去除氨氮,如氨氮浓度过高时,可考虑在传统处理前另设一生物反应器专为硝化用。
这种生物处理方式取代预加氯来氧化氨氮还有一个优点,即可以增加清水水质的生物稳定性。
基于管网内余氯会与有机物质继续反应生成消毒副产物,而且余氯高对水的味道带来负面影响,因此欧洲一些国家并不以在管网内维持余氯的方式来保障输配水过程中的水质安全,而是降低清水中微生物可利用的基质,例如荷兰要求可同化有机碳(assimilable organic carbon ,AOC) 的质量浓度< 10μg/ L 。
总之,因预加氯会将水中有机物氧化成小分子因而会降低水质的生物稳定性,而生物处理则是降低水中生物可利用有机物质的有效方法之一。因而人们倾向于采用微生物处理的方法。当然在生物处理过程中,微生物是否会释放出某些对人体有害的物质,也是研究人员和公众关心的问题之一,这有待进一步研究。
4.3 点水处理技术
在使用水的场所,直接处理所需饮用的水,应是最符合处理效率高且成本低的解决饮用水污染的一个方向。这种使用点的处理技术称为POU(point ofusers) 技术, 以区别于原先的进入点(point of en2trance ,POE) 处理技术。因为一般家庭中只有不到10 %的水真正用于饮用和烹调,因此只处理这部分水有它的合理性。除非有严重的微生物污染或VOCs 污染源,那么才需考虑处理全部用水即POE处理。
在选择POU 处理时要注意:
(1) 首先找出水源的污染源。如铅、氟、石棉、铝、病毒或硝酸盐和农药等,尽可能取得供水单位的水质全面分析报告以发现已测出的污染源。一般说在人口密集区、农业区和工业中心附近的地面水,是污染较严重的水,尤其在环保政策和措施不够落实以及对各种污染源缺乏足够的高效处理技术时,往往形成对人们健康的威胁。
(2) 在了解面临的污染源后按需要寻找有效的去除方法和技术。可供选择的有活性炭吸附、膜分离技术、臭氧或紫外线等。有时还需要将几种结合起来,其中活性炭在POU 处理中应用较为广泛,因为它同时可以改善水的口味。
4.4 膜分离技术
应用于饮用水处理的膜分离技术可分成电渗析(ED) 、反渗透(RO) 、纳滤(NF) 、超滤(UF) 和微滤(MF) 等5 类。,除ED 以电位差为驱动力进行分离外,其余几类则以压力差为驱动力,其中MF 及UF因孔径较大以去除水中一些悬浮固体及胶体物为主,NF 和RO 因孔径小则以去除水中溶解物包括盐类、硬度、溶解性有机物为主,有的膜材料因对细菌、原虫孢子等均有截流能力,故同时具有消毒功能。
五、 结语
随着人们对生活质量要求日益提高,人们对饮用水水质的要求也日益提高,但随着水污染的加剧,良好的水源更难寻求,为此对水处理工作者提出了更大的挑战。由于不同地区、不同水源面临的水污染问题有所差异,而水质不同应采取不同的净水技术,因此加强对水质污染的调查研究极为重要,如有可能应制作我国不同地区的水质分布图,作为今后制订净水治污方案的参考。
建议加强对近几年国内外突现的新污染问题的调查研究。如环境激素污染的调查和评估,有条件的地方还应开展这方面的流行病学和毒理学研究,以及在这些工作基础上制订防范对策。过去水处理工作者比较重视单一净水技术的研究和应用,而今后应加强净水技术的综合集成研究。即运用现有的各种相关水处理技术并加以优化组合,这就需要加强与水处理有关的不同专业、不同学科之间的合作。例如与毒理学协作,以确认水中某些微量物质是否造成对健康的影响;又如与微生物学合作,建立新的微生物指数以监控水质等。
重视膜分离技术在水处理中应用的研究,开发分离性能更好、能源消耗更低、不易被污垢堵塞的膜分离材料以及高效价廉的膜分离组件和装置,以推动我国水处理事业的发展。
另外，搞好水污染的防治, 提供充足的水资源, 是提高人们生活质量和发展经济的必然要求, 也是构建和谐社会的必然要求。既需要不断提高科学技术水平, 逐步减少对水资源的依赖程度, 提高污水处理能力, 还需要人们注重节约, 减少污染排放, 更需要动用法律、经济等社会调控手段和政府的总体经济规划能力, 从而构建全社会和谐发展环境, 最终实现人们的生活质量稳步提高的目的。
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