（环境科学专业论文）重金属污染物在常规工艺的净化模型及健康风险研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 重金属超标时，应优先考虑通过调控常规处理单元的工艺参数使浊度和重 金属均达标的处理方案，若调控工艺参数不能消除出水的健康风险时，要 考虑设置后序深度处理单元。 关键词：重金属污染物，常规水处理，表面络合，净化模型，健康风险评价 n 太原理上人学硕士研究生学位论文 r e s e a r c ho nm o d e lo fh e a v ym e t a l p o l l u t a n tp u l u f i c a t io na n dh e a it hl u s k o fp u l u f i e d ，a t e ri nc o n v e n t i o n a lp r o c e s s a b s t r a c t w i t ht h eh i g h s p e e de c o n o m i cd e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y , p l e n t yo f i n d u s t r i a lw a s t ew a t e ra n dd o m e s t i cw a t e rh a sd r a i n e dt ot h ea q u e o u ss y s t e m w i t h o u tt r e a t m e n t ，w h i c h p o l l u t e dt h ew a t e rs o u r c e s ，e s p e c i a l l yt h es u r f a c e w a t e rs o u r c e s af l o o do fp o l l u t a n t sa r es t i l lo nt h ew a yt ot h ea q u e o u ss y s t e m w h i c ho fc o u r s ec a u s et h ep o l l u t e dc o n d i t i o nb a dt ow o r s e a tt h es a m e t i m e , w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y ，t h ew a t e rs o u r c eo fd i s p a t c h i n go f c r o s s - d r a i n a g ea r e ah a sb e c o m em o r ea n dm o r e ，a n ds u d d e n h a p p e n e dp o l l u t i o n e v e n t sh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yc o m m o nw i t ht h ea c c i d e n to fi n d u s t r i a lp r o d u c t a n do t h e rr e a s o n s t h e r e f o r e ，t h eq u a l i t yo fw a t e rs o u r c e si st h r e a t e n e ds e v e r e l y a tt h es a m et i m e ，w i t ht h el i v i n gs t a n d a r da d v a n c i n g ，p e o p l ed e m a n dm o r e a n dm o r ea b o u tt h ew a t e rq u a l i t y s ot h en u m b e ro ft h ei n d i c e so fw a t e rq u a l i t y i sg e t t i n gb i g g e ra n dt h el i m i tv a l u eo fe v e r ye n t r yi sb e c o m i n gm o r ea n d m o r e s t r i c t c o n v e n t i o n a ld r i n k i n gw a t e rt r e a t i n gp r o c e s ss t i l lp r e v a i l si nc h i n a i ti s p o s s i b l e t h a tt h e r ea r es t i l ls o m ed e l e t e r i o u sm a t e r i a l sa f t e rc o n v e n t i o n a l d r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n t ，w h i c hc a nn o tm e e tt h en e wq u a l i t yo fw a t e rs t a n d a r d b a s e do nt h em a s sc o n s e r v a t i o n p r i n c i p l e ，t h e f o r e c a s t e dm o d e l so f 1 1 1 s u s p e n dg r a i ni nt h ec o n v e n t i o n a ld r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n th a v eb e e nc o n c l u d e d ； a l s o ，t h em o d e lo fh e a v ym e t a lp o l l u t a n tp u r i f i c a t i o nb yc o n v e n t i o n a lp r o c e s s w e r ee s t a b l i s h e da c c o r d i n gt os u p e r f i c i a lc o m p l e x a t i o n ( a d s o r p t i o n ) t h e o r ya n d m a s sc o n s e r v a t i o np r i n c i p l e ，a n dt h ea n a l y s i sa b o u th e a l t hr i s ko fh e a v ym e t a l p o l l u t a n ti np u r i f i e dw a t e rb yc o n v e n t i o n a lp r o c e s sw e r ed o n e ，t h ec o n t r o l l i n g m e t h o do fc r a f ta d j u s t st or e d u c i n gt h eh e a l t hr i s kw e r ec a r r i e do u t ，a n dt h e s e l e c t i o np r i n c i p l eo ft h ep u r i f i c a t i o np r o c e s sw h i c hb a s e do nt h eh e a l t hr i s ki n f o u n d a t i o no ft h ee s t a b l i s h e dm o d e lw e r ep r o p o s e d t h er e s e a r c hs h o w st h a th e a v ym e t a lp o l l u t a n tc a nb e p u r i f i e dp a r t l yb yt h e c o n v e n t i o n a lp r o c e s s ，b u th e a l t hr i s ks t i l le x i s t sw h e nt h e p a r a m e t e r so f c o n v e n t i o n a lc r a f tc a nn o tb es u i t a b l ef o ri t so fp u r i f i c a t i o no fh e a v ym e t a l l i c p o l l u t a n t ，t h i sh e a l t hr i s kc a nb er e d u c e de f f i c i e n t l yb yt h em e t h o d sj u s tl i k et h a t a d j u s t i n gt h ev a l u eo fp hr e a s o n a b l y ，c h a n g i n gt h ek i n d sa n df o r m u l a t i o n so f c o a g u l a n t ，a n dr e g u l a t i n gt h ef i l t r a t i o nr a t e ，e t c t h ep u r i f i c a t i o np r o j e c tt om a k e t u r b i d i t ya n dh e a v ym e t a lp o l l u t a n tt oa c h i e v et h es t a n d a r ds y n c h r o n o u s l yb y a d j u s t i n gt h ep a r a m e t e r so fc o n v e n t i o n a lc r a f ts h o u l db ea d o p t e df i r s t l y , a n d d e p t ht r e a t m e n ts h o u l db ec o n s i d e ri fh e a l t hr i s kw o u l dn o tb ea v o i db ya d j u s t t h ep a r a m e t e r so fc o n v e n t i o n a lc r a f t ，w h e nr a ww a t e ri sp o l l u t e db y h e a v ym e t a l p o l l u t a n t k e yw o r d s ：h e a v ym e t a l p o l l u t a n t ，c o n v e n t i o n a lp r o c e s s ，s u r f a c e c o m p l e x a t i o n ，p u r i f i c a t i o nm o d e l ，h e a l t hr i s ka s s e s s m e n t i v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：塑墼日期： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；。学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：互塑日期： y 舌6 ； 导师签名：j 半址日期：一 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章文献综述 1 1 饮用水处理所面临的挑战 当前，饮用水处理面临着巨大的挑战：一方面是随着经济的发展，饮用水水源地水 质逐步恶化；另一方面是随着生活水平的日益提高，人们对饮用水水质要求也不断提高， 饮用水水质标准的指标数目不断增加，而且限值也越来越严格。 1 1 1 我国饮用水水源的特点 1 1 1 1 我国饮用水水源水质概况 我国幅员辽阔，资源丰富，地面江河、湖泊纵横交错，是世界第六大水资源占有国， 但是由于人口众多、水资源的空间、时间分布不均等因素，水资源人均占有量仅为世界 人均占有量的1 4 。而且水资源存在着洪涝灾害、干旱缺水和水环境恶化等问题，特别 是水环境恶化和水污染问题尤为严重。近二十年以来，随着改革开放的深入，我国现代 化建设的步伐不断加快，国家的综合实力、人民的生活水平以及城市面貌都有了很大的 提高，与此同时，大量工业生活废水未经处理便排入河流湖泊，使得地表水源受到了严 重污染，出现了有机物含量增多、n h 4 - n 浓度高、重金属污染加剧，水体有异味、色 度增高和藻类大量繁殖等诸多问题，特别是氮磷含量的增高，使得水中藻类大量繁殖， 影响到水体与大气正常的氧气交换，加之死亡的藻类分解消耗大量的氧气，造成水体溶 解氧迅速下降，使得水源水质日趋恶化。据中国环境状况公报，2 0 0 3 年度七大水系4 0 7 个重点监测断面中，3 8 1 1 的断面满足i i i i i 类水质要求，3 2 1 2 的断面属、v 类水 质，2 9 1 7 的断面属劣v 类水质。其中七大水系干流的1 1 8 个国控断面中，i i i l 类水 质断面占5 3 1 4 ，i v 、v 类水质断面占3 7 1 3 ，劣v 类水质断面占9 1 3 ，海河水系 污染尤为严重，劣v 类水质断面占5 0 以上1 1 1 。在文酬2 】对全国7 0 0 余条河流约1 0 万 公里河长展开的水资源质量调查中，有8 2 的河流受到不同程度的污染，有4 2 的城 市饮用水源受到严重污染，农村有7 0 的饮用水不符合卫生标准，1 0 6 的河流污染严 重已不能用于灌溉。而我国的江南水乡，今天几乎没有一条河不受污染。由于水源状况 的不断恶化，造成许多地区取水困难，地方病区域扩大i 引。江南水乡尚且为此，在水资 太原理工人学硕士研究生学位论文 源比较缺乏的西北、华西地区，水资源污染更为严重。 地下水方面，从2 0 0 0 年我国对地下水资源质量评价状况看，在全国进行地下水水 质评价的1 9 9 6 万k i n 2 的面积中，i 类和i i 类水质的面积仅为4 9 8 ，i i i 类区面积占评 价面积的3 5 5 3 ，地下水、v 类的面积占总评价面积的5 9 4 9 。从地下水水质状况 的空间分布来看，经济社会强度大、人1 ：3 密集、天然本底水质较差的地区地下水水质也 较差。其中太湖、辽河、海河、淮河、西北诸河、东南诸河、松花江、黄河、长江和珠 江区，、v 类水质所占面积较高，其主要污染因子为总硬度、氨氮、矿化度、锰、铁、 氟化物、亚硝酸盐和高锰酸盐指数等1 4 】o 同时，我国地下水质重金属污染也不容忽视，据地质矿产部资料，全国地下水水质 超标( 类水质标准) 面积大于2 0 0 k m 2 的有4 8 2 。其中主要污染物为重金属( 如六 价铬，汞等) 、有机物、氨氮、硝酸盐等。如西安市地下水六价铬，超过地下水i 类标 准的面积达5 2 8 k m 2 ，贵州市地下水铅、锌等检测率高达6 0 一7 0 【5 1 。 1 1 1 2 跨流域水源增多 广义地说，为了补偿缺水( 或引出多余的水) 而更有效更完全地利用水资源，从任 何一个水源( 河流、水库、湖泊、海湾、河口) 取水并沿着河槽、管道、隧道，送给用 户就叫做水资源区域再分配，为此兴建的工程叫做“调水工程 ；而在两个或多个流域 之间开挖管道或隧道，利用自流或抽水等方式，把一个流域的水输送到另一个流域或若 干个流域，或者把若干个流域的水输送到一个流域，被称为“跨流域调水 ，为此所兴 建的工程叫做“跨流域调水工程1 6 】，。调水是解决水资源时空分布不均的最重要、最有 效的方式。数千年来，自从河流和湖泊被用于灌溉、供水和航运以来，人类就实现了径 流的再分配。随着时间的推移，调水工程越来越复杂了，具有越来越多的综合特性，调 水量越来越大，输水的距离也越来越长。 我国是人均水资源十分短缺的国家，而且南方水多，北方水少，汛期降雨集中，非 汛期干旱少雨。我国北方的黄河、淮河、海河流域工农业发达，人口稠密，而人均占有 的水资源仅为5 0 0 立方米( 每年) ，是全国人均值的1 5 ，世界人均值的1 2 0 。随着这一 地区经济、社会的发展，人口的膨胀，对水的需求量不断增加，使得水资源供需矛盾日 益尖锐。目前我国黄淮海地区许多河流断流，湖泊水库干涸，地下水位大幅度下降，愈 演愈烈的水荒已经严重制约了当地经济和社会的发展并引起生态环境的恶化，为了改善 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 水资源的供需条件，改善生态环境，打开制约经济和社会可持续发展的“瓶颈”，需得 实施水的调度。我国实施的南水北调工程因此应运而生。为了减少费用，长距离输水多 采用渠道输水。因此，调水过程易受时空、地理环境及人类活动( 如降雨、冬季输水冰 情、洪水灾害、水质污染、输供水调控与防洪减灾等) 的影响，尤其存在于环境系统中 的大量的不确定性、非线性等复杂因素加大了输水途中水源水质污染。 1 1 1 3 水源地突发性水污染事件增多 突发性水污染事件是一种环境灾害，是指由于自然灾害、机械故障、人为因素及其 它不确定因素所引发的，固定或移动的潜在污染源偏离正常运作状况突然排放污染物， 经过各种途径进入水体，从而造成水环境污染的事件。突发性水污染事件与长期污染导 致的危害事件的最显著区别就在于，它的污染物的流失方式是随机而且突然泄漏、排放 的。 一般而言，突发性水污染事件主要是影响河流生态系统，此外陆地生态系统，河滩、 河床及湿地也经常会受到不同程度的间接影响。污染事件造成的直接社会损失主要表现 为水源停止供水，下游渔场减产，沿岸旅游景观破坏等。污染事件中污染物的释放量与 观察到的后果之间并不存在简单的相关性，就一起具体的突发性水污染事件而言，事件 的环境效应是由污染物质的性质和水环境条件共同决定的。从短期看，环境效应通常是 污染物质的毒性对水中生物体造成的直接损害，从长期看，污染物质的致癌性、累积性 将对包括人类在内的生物体健康构成威胁。 水源地突发性污水污染事件是指在规定的水源保护区域或邻近水域范围内，由于事 故突发性的污染物质泄漏、排放，造成水源地水质瞬间严重恶化，并对取水口产生严重 威胁的污染事件。对大多数的城市水源地而言，对取水口有突发性污染威胁的潜在风险 源主要有以下七种： 工业污染源； 废水处理厂； 危险品仓库与废物填埋厂； 装卸码头； 航运、陆运移动源； 农业污染源； 潮汛和水灾引起的大面积非点源污染。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 上述这些风险源所引发的突发性污染事件，通常是由于操作失误、机械失效或自然 异常等原因，致使有毒、有害污染物质通过液相流入的途径进入水环境，形成对水源取 水口的威胁：也有少数是通过爆炸、扩散、空气传输、降雨冲刷和沉降综合作用以固态 或液相进入水体。 中国是一个水资源贫乏的国家，从水源地的设置看，国内城市基本是以地表水供水 为主，地下水供水为辅，据中国水资源公报( 2 0 0 统计，地表水源供水量占总供水 量的8 1 2 ，地下水源供水量占1 8 5 。对于绝大多数以地表水为主要水源的城市来说， 由突发性水污染事件造成的水源污染问题已显得越来越突出。 同时，我国对紧急重大灾害预警及应急措施认识不足，起步较晚。现阶段关于环境 应急及预警管理相关的仅有：1 9 8 7 年国家环保局制定的报告环境污染与破坏事故的 暂行办法、1 9 9 7 年国家环保局公布的关于水污染事故适用法律问题的批复和关 于水污染事故行政处罚问题的复函、2 0 0 0 年国家环保总局制定的关于切实加强重大 环境污染、生态破坏事故和突发事件报告工作的通知、以及2 0 0 3 年5 月国家环保总局 发行的环境应急手册。城市供水管理体系不完备，应对突发事故的能力较弱。 根据文献 r l 对于国内2 0 年来报导的主要水源地突发性污染事件进行分析，可以得 到以下几点结论： 突发污染事件数量日益增多，水源地环境风险不断加大； 运输事故和企业事故性排放是两种主要的风险事件类型； 泄漏排放物质主要为各类油品和化学品； 事件造成的直接后果之一就是威胁城市供水系统。 其中大型污染事件甚至可能导致大面积、长时间的停水( 如“沱江污染事件”、“松 花江污染事件”等) ，严重影响了城市的正常运转。就目前的国内状况来看，水源地突 发性污染问题己经具有相当的普遍性，应当引起足够的重视。 1 1 2 我国饮用水水质标准及其发展 我国政府解放以来多次发布和修订了饮用水卫生标准。1 9 5 5 年5 月卫生部发布在 北京、天津、上海、旅顺等1 2 个城市试行的自来水水质暂行标准。这是新中国成立 后最早的一部管理生活饮用水的技术法规。随后，于1 9 5 6 年1 2 月1 日实施了由国家建 设委员会和卫生部共同审查的饮用水水质标准( 草案) 。该标准是在自来水水质暂 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 行标准经过试行，总结各地经验和意见的基础上，参考国外有关标准而制定的。该标 准中仅列入了色、嗅和味、p h 、细菌总数、大肠菌类数、总硬度、铅、砷、氟化物、 铜、锌、余氯、酚、总铁、有害物和放射性物质等1 5 项指标。同年1 2 月2 8 日两部委 又共同审查了集中式生活饮用水水源选择及水质评价暂行规则，自1 9 5 7 年4 月1 日 起试行，本规则具体规定了水源选择和水质评价的原则以及水样采集和检验要求。 生活饮用水卫生规程是1 9 5 9 年8 月3 1 日由建筑工程部和卫生部批准发布的， 自1 9 5 9 年1 1 月1 日起实施，该规程是对饮用水水质标准和集中式生活饮用水水 源选择及水质评价暂行规则进行修订，并将其合并而成的，水质指标亦由1 5 项增加 为1 7 项，增加了浑浊度和水中不得含有肉眼可见的水生生物及令人嫌恶的物质的规定。 生活饮用水卫生标准( 试行) ( t j 2 0 7 6 ) 由国家建设委员会和卫生部批准，自 1 9 7 6 年1 2 月1 日起试行。该标准是在1 9 5 9 年颁发的生活饮用水卫生规程的基础 上修订而成的，共分五章，水质检测项目为2 3 项，增加了锰、阴离子合成洗涤剂、氰 化物、硒、汞、铬，但是缺少了有害物和放射性物质的规定。 生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 8 5 ) 在1 9 8 5 年8 月1 6 日由卫生部批准并发布， 白1 9 8 6 年1 0 月1 日起实施。此次卫生标准修订的主要目标是适当地提高对饮用水水质 的要求，加强饮用水水质的管理和反应国内外最新研究成果。此次修订是在原标准的基 础上，参考世界卫生组织( w h o ) 的饮用水水质准则和美国e p a 的一级饮水水质 规定和二级饮水水质规定编制而成的，水质标准由2 3 项增加为3 5 项，增加了硫 酸盐、氯化物、溶解性总固体、银、硝酸盐、氯仿、四氯化碳、苯并花、滴滴涕、总射 线放射性指标，特别是首次列入了与人体健康有关的有机化合物标准限值和放射性指标 的参考水平。 自1 9 8 5 年发布生活饮用水卫生标准以后，在长达1 6 年中从未进行修订。随着 经济和工农业的迅速发展，化学物质对水的污染越来越引起政府和广大居民的关注。据 报道，在水中检出的化学物质达2 0 0 0 多种，从饮用水中鉴定出的化学物质也有数百种 之多，主要是有机化合物，该标准仅列入3 5 项水质指标，显然已经不能满足实际需求， 迫切需要进行修订，并增加新的内容。 在这种环境下，卫生部于2 0 0 0 年初组织有关专家制定生活饮用水卫生规范，并 于2 0 0 1 年6 月7 日正是发布生活饮用水卫生规范( 卫法监发1 2 0 0 1 1 6 1 号) ，自2 0 0 1 年9 月1 日起实施。该规范以生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 8 5 ) 为基础，尽量与 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 世界接轨，综合国际上有关的调查报告以及研究论文和专著编辑而成，更科学地体现了 人们对环境中有害物质的认识。明确了“生活饮用水”、“集中式供水 、“自建集中式供 水 和“二次供水”的定义，增加了“生活饮用水水质卫生要求部分，从水的感官性 状、微生物学安全性以及防止急慢性中毒和其它健康危害三个方面提出了对生活饮用水 水质的基本要求。该规范总的检验项目为9 6 项，分为常规检验项目( 3 4 项) 和非常规 检验项目( 6 2 项) ，对部分指标提出更严格的要求，在常规检验项目中增加了耗氧量、 铝和粪大肠菌群三项指标，对微生物指标中的游离余氯增加了“适用于加氯消毒”的提 法。考虑到可行性，将总口、卢射线放射性指标由0 1 a q l 改为0 5 b q l i 引。 2 0 0 6 年生活饮用水卫生标准进行了第一次全面修订和完善。该标准由卫生部 下属的中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所负责起草，参加起草的单位包 括水利部下属的中国水利水电科学研究院、国家环境保护总局环境标准研究所以及与建 设部有关的中国城镇供水排水协会等，体现了涉水部门的共同参与。 修订后的新标准( g b 5 7 4 9 - - 2 0 0 6 ) 规定了生活饮用水水质卫生要求、生活饮用水 水源水质卫生要求、集中式供水单位卫生要求、二次供水卫生要求、涉及生活饮用水卫 生安全产品卫生要求、水质监测和水质检验方法等，删除了水源选择和水源卫生防护两 部分内容，简化了供水部门的水质检测规定，部分内容列入生活饮用水集中式供水单 位卫生规范，放宽了对农村小型集中式供水和分散式供水的1 4 项水质指标限值，其中 微生物指标1 项、毒理指标3 项感官性状和一般化学指标1 0 项。新标准的主要变化有： 水质检测指标由原来的3 5 项增至1 0 6 项，修订8 项，增加7 1 项，其中水质常规指标为 3 8 项，消毒剂常规指标为4 项，非常规指标为6 4 项。 微生物学指标由2 项增至6 项，增加了大肠埃希氏菌、耐热大肠菌群、贾第鞭 毛虫和隐孢子虫等项，修订了总大肠菌群指标。 饮用水消毒剂由1 项增至4 项，增加了一氯胺、臭氧、二氧化氯等3 项指标。 毒理学指标中，无机化合物由1 0 项增至2 1 项，增加了溴酸盐、亚氯酸盐、氯 酸盐、锑、钡、铍硼、铝、镍、铊、氯化氰等指标；修订了砷、镉、铅、硝酸盐的限值； 有机化合物由5 项增至5 3 项，增加了甲醛、三卤甲烷、二氯甲烷、三溴甲烷、1 ，2 一 二氯乙烷、1 ，1 ，1 一三氯乙烷、一氯二溴甲烷、二氯一溴甲烷、环氧氯丙烷、氯乙烯、 1 ，1 一二氯乙烯、1 ，2 一二氯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯、六氯丁二烯、二氯乙酸、三 氯乙酸、三氯乙醛、2 ，4 ，6 一三氯酚、苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯、氯苯、1 ， 6 太原理工人学硕士研究生学位论文 2 一二氯苯、1 ，4 一二氯苯、三氯苯、邻苯二甲酸二( 2 一乙基己基) 酯、丙烯酰胺、微 囊藻毒素一u 之、灭草松、百菌清、溴氰菊酯、乐果、2 ，4 一滴、七氯、六氯苯、林丹、 马拉硫磷、对硫磷、甲基对硫磷、五氯酚、莠去津、吠喃丹、毒死蜱、敌敌畏、草甘膦 等3 8 项；修订了四氯化碳的限值。 感官性状和一般理化指标由1 5 项增加至2 0 项，增加了耗氧量、氨氮、硫化物、 钠、铝等5 项指标，修订了浑浊度指标。 放射性指标中，修订了总a 放射性指标。 对于以往污染小的清洁水源，水处理的主要任务是去除水中浊度和细菌病毒。但目 前我国水源水质污染主要是有机物污染，因此新标准中新增的毒性指标更多关注于此。 加氯消毒是我国城市供水传统的主流消毒方式，研究表明加氯消毒方式会对水质安全造 成负面影响。因此，新标准在水处理工艺上重新考虑加氯消毒方式对供水安全的影响， 并增加了与此相关的检测项目。 由于检测手段还不能完全跟上，所以新标准中有些水质指标( 如贾第鞭毛虫、隐孢 子虫、三卤甲烷、微囊藻毒素一u 之等4 项指标) 将分段实施。2 0 0 8 年7 月1 日后统一 执行新标准。 总而言之，源水水质的不断恶化、跨流域水源的增多、水源地突发性事件的增多及 水质标准的越来越严格给城市供水安全带来了越来越大的压力，迫切要求各水厂重新审 视自身的供水能力，不断改善水处理工艺，加强运行管理，制定应急措施，确保城市供 水系统的供水安全。 1 2 课题的提出及研究内容 1 2 1 课题的提出 随着社会的发展，人们的生活生活水平的日益提高，对饮用水与人体健康的关系的 研究也不断深入。2 0 世纪7 0 年代以来，随着气相色谱仪质谱仪和电子计算机联合检 测分析技术的应用与相关科学的进步，人类对水源及饮用水中有机物的分类检出与研究 其对人体健康的影响成为可能。同时，重金属污染物与人体健康的关系的研究也逐渐深 入：铅是对健康有害的金属，铅毒性的程度随水的特性与生物的种类而异。儿童、婴儿 及胎儿对环境中的铅较成人敏感。当饮水中的铅含量为0 1 m g l 时，可引起儿童血铅浓 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 度超标【9 j 。铅可在人体内蓄积，主要毒性为贫血、神经机能失调和肾损伤；镉进入人体 后可蓄积于肝、肾组织中，造成各脏器组织的损害，并导致骨质疏松和骨质软化，日本 的“骨痛病”就与水源受电镀废水污染，镉含量超标有关；铬也是一种有毒的金属元素， 居民长期饮用被铬污染的井水，发生口角糜烂、腹泻、腹痛和消化道机能紊乱等病症。 铬的毒性与其存在的状态有极大的关系，六价铬具有强烈的毒性，己确认为是致癌物， 与之相比，三价铬的毒性就要小的多；银在人体内沉着，引起皮肤、眼睛和粘膜永久性 的蓝灰色。银一旦被吸收，就长期保留在组织特别是皮肤中，不能通过平常渠道排除或 降低，并且由于水中如果含银，它可以与烹调食物中的含硫组分结合，提高吸收率，所 以饮水中银的浓度不可超出0 0 5 m g i j 9 1 ；水中的汞能引起“水俣病”，这种病1 9 5 6 年 发生在日本熊本县棉湾地区，是一种中枢神经受损害的中毒症。重症临床表现为：口唇 周围和肢端出现神经麻木，中心性视野狭窄、听觉和语言受障碍、运动失调，但慢性潜 在性患者并不完全具备上述症状。据日本环境厅资料，该病被确认受害人数1 0 0 0 余人， 死亡2 0 0 余人。研究表明，这种病是由于工厂排出含汞的废水造成的。废水中的甲基汞 和被微生物作用甲基化的无机汞，在水中被鱼类吸人体内，使鱼体含汞达2 0 鸪0 p p m ， 甚至更高，大量吃这种鱼的居民即可患此病。 我国水体重金属污染问题十分突出，江河湖库底质的污染率高达8 0 1 1 1 0 l 。2 0 0 3 年黄河、淮河、松花江、辽河等十大流域的流域片重金属超标断面的污染程度均为超v 类【1 1 】。2 0 0 4 年太湖底泥中总铜、总铅、总镉含量均处于轻度污染水平【1 2 1 。黄浦江干流 表层沉积物中c d 超背景值2 倍、p b 超1 倍，h g 含量明显增加；苏州河中p b 全部超标、 c d 为7 5 超标、h g 为6 2 5 超标【”j 。城市河流有3 5 1 1 的河段出现总汞超过地表水 l l l 类水体标准，1 8 4 6 的河段面总镉超过1 i i 类水体标准，2 5 的河段有总铅的超标样 本出现1 1 4 l 。 同时，海洋水体的重金属污染也不容忽视。由长江、珠江、黄河等河流携带入海的 重金属污染物总量约为3 4 万t ，对海洋水体的污染危害巨大。全国近岸海域海水采样 品中铅的超标率达6 2 9 ，最大值超一类海水标准4 9 o 倍，铜的超标率为2 5 9 ，汞和 镉的含量也有超标现象1 1 5 1 。大连湾6 0 测站沉积物的镉含量超标，锦州湾部分测站排 污v i 邻近海域沉积物锌、镉、铅的含量超过第三类海洋沉积物质量标准【1 6 】。 国外同样存在水体重金属污染问题，如波兰由采矿和冶炼废物导致约5 0 的地表水 达不到水质三级标准。据t h o r n t o n 报道，英国威尔士南部港口城市斯旺西作为世界金 8 太原理： 人学硕士研究生学位论文 属熔炼工业中心，导致了水环境c u 、z n 、p b 、c d 等重金属污染。w e b e r 报道，如今， 美国大约有1 5 0 0 0 家公司从事电镀和金属磨光，这些公司直接或问接地排放工业废水， 造成了水环境的重金属污染1 17 1 。而重金属污染又容易在生物链中富集和扩大，并且毒性 较大，因此水中重金属污染问题已经严重危害到生态环境和人类的生命健康。 新的饮用水水质标准对金属污染也有所修改，在饮用水水质标准毒理学指标中，金 属污染物增加了锑、钡、铍、硼、铝、镍、铊、等指标，修订了砷、镉、铅、的限值。 但是随着我国经济的持续高速发展，许多生产废水和生活污水未经处理直接进入水体， 对地表水源造成了极大的危害，水源水质也因此急剧下降。大量的污染物通过不同的方 式进入水体，饮用水水源受到日益严重的污染，这已成为当前水处理行业中的一大焦点。 不仅如此，引发重金属水体污染事件也是时有发生。据中国水污染事件纪实报导：北江 是珠江三大支流之一，也是广东各市的重要饮用水源。2 0 0 5 年1 2 月1 5 日，北江韶关 段出现严重镉污染，高桥断面检测到镉浓度超标1 2 倍多。韶关地处北江上游，一旦发 生污染将直接影响下游城市数千万群众的饮水安全。经调查发现，此次北江韶关段镉污 染事故，是由韶关冶炼厂在设备检修期间超标排放含镉废水所致，是一次山企业违法超 标排污导致的严重环境污染事故。2 0 0 6 年9 月8 日，湖南省岳阳县城饮用水源地新墙 河发生水污染事件，砷超标1 0 倍左右，8 万居民的饮用水安全受到威胁和影响。最终 经核查发现，污染发生的原因为河流上游3 家化工厂的工业污水“日常性排放”，致使 大量高浓度含砷废水流入新墙河。这些事件不但给当地生产、生活造成了诸多的不便， 而且使江水的水质遭受了严重污染，给当地的使用者造成了潜在的危害。 水源污染和饮用水水质标准修订之间的矛盾，必须由相应的水处理技术来解决。当 前，我国饮用水处理工艺大多以常规处理工艺为主，但是面对水源水的污染现状及人们 对饮用水质的更高要求，在现行的净水厂常规水处理技术处理后的水中有可能仍然含有 某些有毒有害物质。就水处理技术来说，学者多研究饮用水的强化混凝技术【1 8 2 5 1 ，饮 用水的深度处理技术【2 6 - 3 4 ，事实上，常规净水工艺在去除浊度的同时，也会去除部分 其它污染物，通过调控有利于同时去除浊度和其它污染物的综合工艺参数，也可能使出 水水质达到标准，至少可减轻后序深度处理单元的负荷。因此，对于受污染的原水有两 种处理方案，即调控综合工艺参数或设置后序深度处理单元。本文以重金属污染物为研 究对象，依据表面络合( 吸附) 理论及物料衡算原理，推导了其在常规净水工艺中的去 除模型，以此反映重金属离子经常规处理后的出水浓度与工艺参数间的关系；为评估调 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 控工艺参数对重金属污染物的去除效果，决策处理方案，引入健康风险评价机制。 1 2 2 课题的研究内容及创新点 随着我国经济的持续发展，环境污染的问题日益严重，在此情况下，我国城镇居民 主要死因、疾病已由过去的传染性疾病为主，转变为非传染性疾病占主导地位。近年来 脑血管疾病、恶性肿瘤和呼吸系统疾病的死亡率呈明显上升趋势。全国每年新发脑血管 疾病病人1 5 0 万，死亡1 0 0 万；恶性肿瘤病人1 6 0 万，死亡1 3 0 万，目前不少人认为， 人类9 0 的癌症系化学致癌物引起1 3 5 1 。而这些化学致癌物中重金属物质占有一部分， 其进入人体最重要的途径之一就是饮用。因此，随着生活水平的提高，饮用水处理技术 日益受到关注，但是，根据我国的国情和实际情况，常规水处理工艺仍是主要的水处理 工艺。面对水源水的污染现状及人们对饮用水质的更高要求，常规水处理技术处理后的 水中有可能仍然含有某些有毒有害物质，无法满足新的饮用水水质标准。对于水体中突 发的重金属污染事件，在经过每一个水处理单元以后，水里含有的重金属污染物浓度还 有多大? 如何使水中的重金属污染物浓度在常规水处理工艺的基础上达到最小? 准确 的对这些问题进行预测，不但有利于净水厂进行优化水质处理，而且还能有效的减小由 此引起的健康风险。 本文根据我国水处理的现状，在常规水处理工艺的基础上，基于物料衡算，建立了 悬浮物的去除模型；同时基于表面络合( 吸附) 理论及物料衡算原理建立了重金属污染物 在常规净水工艺单元的去除模型。并以此为基础分析了常规净水工艺处理重金属污染物 时可能存在的健康风险，提出了减少健康风险的工艺调控方法及以健康风险为基础的净 水工艺选择原则。 本课题的创新点主要表现在以下方面： 1 在常规水处理工艺的基础上，基于物料衡算，建立了悬浮物的去除模型；同时基 于表面络合( 吸附) 理论及物料衡算原理建立了重金属污染物在常规净水工艺单元的去 除模型，以此预测了净水厂原水污染事故时出水重金属浓度的变化情况，并利用风险评 价理论对出水水质进行健康风险评价。 2 在模型的基础上，提出了在常规水处理工艺内部自行消减风险的方法，如合理调 整p h 值、改变药剂种类和配比、调整滤池滤速等净水工艺参数可有效地减小因原水波 动而引起重金属污染物的风险。当原水重金属超标时，应优先考虑通过调控常规处理单 1 0 太原理上人学硕士研究生学位论文 元的工艺参数使浊度和重金属均达标的处理方案，若调控工艺参数不能消除出水的健康 风险时，要考虑设置后序深度处理单元。这对净水厂改进方法，提高出水水质，有一定 的借鉴意义。 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章我国；争水厂的运行管理状况 水厂的一个特点就是全年2 4 小时都不断供给合格的饮用水。因此，流程的设计首 先要满足这一条要求。这包括下面一些内容： 1 在属于同一级单元处理方法的一组设备中，必须考虑它们能够轮流停产，以便进 行维修，甚至改建。在其中的一个或几个设备停产期问，其余的设备仍然能够供给相应 时间的水质合格的用水量。这个要求有两方面体现出来，一方面是流程中每一级的处理 设备至少要两套。另一方面是关键性的处理设备，要额外加一套备用的。例如对消毒设 备就要求增加一套备用的。 2 流程中必须按运行或维修，甚至水厂发展的需要，设足够的水流控制阀门或闸门， 按控制水质和水量的需要设必需的量水设备和监测措施。 3 把人工操作和自动化程度的要求结合在流程内。 4 供水量很大的水厂，由于水流条件很难控制，消耗药剂量大，动力机电设备庞大， 在处理过程每个环节出现事故的可能性l g d , 厂就大的多。水处理流程也就相应的要采取 较多的防止出现事故的措施，或者没有在事故发生时的应急流程。 5 水厂中要不断处置水处理过程中每天排除的污泥。污泥的处置也是水处理流程中 的一个内容。供水量很大的工厂，污泥量也很大，处置很难，而厂址有时还会增添处置 困难的程度。 上述所提出的各种因素都是属于正常的水源条件下，水处理的流程设计所考虑的问 题，另一个问题涉及水源，由于工业生产中的事故或其它原因使水源受到严重的污染， 甚至发生迫使关闭水源的情况。这是现代水处理工程设计中出现的一个难题。同时也是 设计中必须考虑的一个新问题。 2 1 净水厂常用的水处理工艺 根据原水使用要求，往往将几种处理方法联合使用，构成一个处理流程，以使出水 水质达到相应的处理标准。城市净水厂运行流程一般有以下几种模式：即常规水处理工 艺、强化常规水处理工艺和微污染水的处理工艺。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 1 常规水处理工艺 所谓“常规水处理 包含有两层含义。其一是被处理的原水在水温、浊度以及污 染物含量方面均在常见的范围内；另一层含义是指所采用的处理工艺仅限于混凝、沉淀、 过滤和消毒1 3 6 】。因此，常规水处理工艺指对一般浊度的原水采用混凝、沉淀、过滤和消 毒的净水过程，以去除浊度、色度和细菌、病毒为主的处理工艺。尽管常规水处理工艺 有其一定的局限性，但仍然是给水处理中最常用和最基本的处理方法。 根据原水水质的不同，常规水处理可以采用以下工艺流程。 1 只用消毒处理的简单工艺 消毒剂 原水出水 图2 - 1 只用消毒的水处理流程 f i g2 - 1w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s so fo n l y u s i n gd i s i n f e c t i o n 对于水质优良的地下水，如果各项指标( 除细菌外) 均符合出水水质要求时，可只 采用消毒的处理工艺。 2 采用慢滤池处理工艺【蚓 原水 消毒剂 出水 图2 - 2 采用慢滤池的水处理流程 f i g2 - 2w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s so fu s i n gs l o wf i l t e rb a s i n 慢滤池是应用多孔介质进行水处理的最早形式，1 9 世纪早期即在英国被采用，目 前仍是伦敦供水中的主要部分。 随着快滤池的出现，慢滤池逐步被取代，目前以很少应用。 1 9 8 0 年左右美国对慢滤池的应用重新引起关注，美国环境保护局对慢滤池开展了 研究。研究重新确定，在推荐的滤速和合适的介质及原水水质条件下，慢滤池能生产出 低浊的出水和有效的去除微生物。 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 9 8 9 年美国环保局通过地表水处理法规，慢滤池作为4 个基本处理流程之一被 列入。由于慢滤池出水水质优良和运行管理简易，更适于小城镇的应用。 采用慢滤池时，应对原水水质进行详细分析。我国当前对慢滤池以基本无应用。 3 直接过滤处理工艺冈 混凝剂消毒剂 原出水 图2 - 3 直接过滤的水处理流程 f i g2 - 3w a m r 缸e a t m e n tp r o c e 豁o fd i r e c tf i l t r a f i o n 当原水浊度经常在1 5 n t u 以下，再高不超过2 5 n t u ，色度不超过2 0 度时，可以 在过滤前省去沉淀工艺而采用直接过滤的方法，由于直接过滤不需要形成重力分离所需 的足够大的絮凝体，因此，其药耗较低。 由于直接过滤截留的悬浮物质数量较一般滤池数量较多，因此，滤层的选择应注意 具有较大的含污能