水环境卫生

第四章水环境卫生 二 地球日 绿色生活宣言 中国行动地球日 是人类对地球母亲的忏悔日 让我们想一想 人类过度地消耗资源和污染环境 已经给地球造成了怎样的灾难 让我们想一想 我们每个人在这样的灾难中负有怎样不可推卸的责任 当脆弱的生态难以维系 人类的消费将如何持续 当地球母亲患了绝症 她的儿女又能生存多久 地球日 也是人类自身的拯救日 我们每个人都是环境灾难的制造者 也是环境灾难的受害者 更是环境灾难的治理者 每个人 都可以通过选择绿色的生活方式来参与环保 节约资源 减少污染 绿色消费 环保选购 重复使用 多次利用 垃圾分类 循环回收 救助物种 保护自然 中国 正以历史上最脆弱的生态系统 承受着历史上最多的人口和最大的发展压力 爱国的人们 让我们首先爱护这个民族赖以生存的根基 让我们从一点一滴的环保行为做起 谁说你不能拯救地球 一 水体的污染 自净和污染物的转归 各种水体的污染特点 水体是不是仅仅指水 水体水 包括其中的溶解物质 悬浮物质等 水生生物底质 底泥 这三者之间紧密联系并相互作用 共同影响着物质在水中迁移和转化 所以 应当把它们当作完整的生态系统来看待 统称为水体 在水污染的研究中区分 水 和 水体 的概念是很重要的 比如 重金属污染物从水中沉淀下来转移到底泥中 水中重金属的含量会降低 如果仅仅着眼于水 似乎没有受到污染 但是从水体的角度来看 底泥中重金属的含量比较高 说明该水体受到了较严重的污染 而且在某些情况下 比如暴风雨后 底泥中的重金属又可能重新回到水中 成为二次污染 所以 我们在研究水体污染 尤其是污染的防治时 既要研究水污染 同时也要研究底泥和水生生物体的污染 才能全面了解水环境的现状和变化发展趋势 由于水在河流 湖泊 水库 海洋和地层中的运动方式不同 环境条件也有差异 所以形成了各种水体的不同污染 自净特点 了解这些特点对评价和研究水污染是很重要的 河流污染的特点 河流的污染程度取决于河流的径污比 径污比 径流量和排入河流中的污水量的比值 河流的径污比大 稀释能力强 河流受污染的可能性和污染程度较小 污染物进入河流后 河水的混合能力很强 再加上受水流的推力 沿水流方向运动 所以如果上游遭受污染 下游很快就会受到影响 水体中的污染物往往是从高浓度向低浓度扩散的 中小河流 污染物可沿着纵向 横向 垂直方向扩散 污染不仅发生在排污口 甚至可影响下游几公里至几十公里 垂直方向的混合大都在排污口下几百m内完成 在排污口下游1 3km内横向也可充分混合 使污染物在整个断面呈较均匀的分布 大的江河 流量大 污水不易在全断面混合 只在岸边形成浓度较高的污染带 对下游地区造成局部的污染 因为河流一般水流较快 流量大 所以它的自净作用比湖泊 水库强 湖泊 水库污染的特点 水面宽阔 流速缓慢 沉淀作用强 稀释混合能力较差 水交换缓慢 污染物进入湖泊 水库后 容易被稀释混合而向下游输送呢 还是容易沉积入湖底呢 湖泊的相对封闭性使污染物容易沉积而长期停留在湖中 发生量和质的变化 湖泊的缓流水面使水的复氧作用降低 从而使湖水对有机物质的自净能力减弱 湖泊常接纳各种工业废水和生活污水 湖泊 水库污染的主要现象是水体富营养化 水体富营养化eutrophication 当湖泊 水库水接纳过多含磷 氮的污水时 可使藻类等浮游生物大量繁殖形成水体富营养化 由于占优势的浮游生物的颜色不同 水面往往呈现红色 绿色和蓝色等 这种情况出现在淡水中时称为水华 waterbloom 发生在海湾时称为赤潮 redtide 水华 赤潮 N P排入水体藻类繁殖 algalebloom redtide 需氧分解死亡消耗DO鱼类及水生生物死亡厌氧分解产生H2S释放N P藻类死亡残体沉入水底 代代沉积 湖泊逐渐变浅 直至成为沼泽 水体富营养化eutrophication 水体一旦出现富营养化的现象 即使切断了外界营养物质的来源 水体也难于自净和恢复到正常状态 所以 防止封闭型湖泊的水污染是控制富营养化形成的根本措施 对我国67个主要湖泊水质和富营养化现状的调查和评价结果得出 属 类水质的湖泊为5个 占调查湖泊数量的7 5 面积为1135 2km2 占调查湖泊总面积的6 1 属 类水质的湖泊有16个 占调查湖泊数量的23 9 面积为2154 5km2 占调查湖泊总面积的11 8 属 类水质的湖泊有18个 占调查湖泊数量的26 9 面积为10393 7km2 占调查湖泊总面积的55 6 属 类水质的11个 占调查湖泊数量的14 6 面积为4768 1km2 占调查湖泊总面积的25 6 属劣 类水质的湖泊有17个 占调查湖泊数量的25 3 面积为154 15km2 占调查湖泊总面积的0 9 大约有近20 的湖泊水质较好 类 有80 以上的湖泊受到污染 劣 类 表明当前我国湖泊水质污染的问题十分严峻 对67个主要湖泊富营养化评价结果看出 属贫营养湖泊数量为零 属中营养的湖泊为18个 占调查湖泊总数的26 9 面积为701311km2 占调查湖泊总面积的37 6 属富营养型的湖泊为49个 占调查湖泊数量的73 1 面积为11632 55km2 占调查湖泊总面积的62 4 也就是说 从湖泊数量上来看 有近3 4的湖泊已达富营养程度 所占的面积也接近总面积的2 3 表明当前我国湖泊富营养化问题十分突出 湖泊富营养化导致湖泊水体透明度降低 水生态系统发生退化 沉水植物消失 而代之以浮游植物蓝藻大肆繁殖使水质恶化 2009年 全海域共发现赤潮68次 累计面积约14100平方千米 与08年赤潮发现次数相同 赤潮累计面积基本持平 其中 500平方千米以上的大面积和较大面积赤潮6次 分别发生在渤海湾 长江口外浙江舟山北部 浙江中部渔山列岛与台州列岛海域和黄海的山东日照与海阳及乳山附近海域 累计面积9120平方千米 水体富营养化eutrophication的危害 在富营养化水体中藻类大量繁殖聚集在一起 浮在水面上可影响水体的感官性状 使水质出现异臭异味 藻类产生的黏液可附于水生动物的鳃上 影响其呼吸 导致水生动物窒息死亡 比如夜光藻对养殖鱼类的危害就很大 有的赤潮菌大量繁殖时分泌的有害物质比如硫化氢 氨等可破坏水体的生态环境 并可使其它水生生物中毒和生物群落的组成发生异常 水体富营养化eutrophication的危害 藻类大量繁殖死亡后 在细菌分解过程中不断消耗水中的溶解氧 使水中含氧量急剧下降 引起鱼虾贝类等水生动物因缺氧而死亡 如果使用富营养化的水体作为自来水水源的话 大量繁殖的藻类常常堵塞水厂的滤池 有些藻类能产生毒素 引起中毒甚至死亡 水体富营养化eutrophication的治理 治理过程存在一些误区 在认识上对湖泊富营养化治理的复杂性和长期性缺乏足够的认识 在行动上表现为急功近利 头疼治头脚疼医脚的倾向 总想在短期内就能使湖泊变清 我国湖泊富营养化的过程是伴随着经济快速发展 污染不断积累的过程而加剧的 对富营养化湖泊的治理也经历了十多年的探索 目前看来 过去对富营养化湖泊的治理过程存在一些误区 具体表现为仅考虑湖泊局部环境的治理而忽视流域整体的污水治理 或者仅强调湖泊外源排放而忽视对湖泊内源循环的研究 或者仅抓了对点源污染的治理而忽视了面源污染的作用 其结果是投入了大量人力 物力和财力对湖泊富营养化进行治理 到头来湖泊富营养化反而越来越严重 富营养化湖泊的治理和湖泊生态系统修复的国际经验 主要特征是首先对受污染的湖泊进行高强度的治污 投入大量的物力 财力 人力对湖泊流域的污水进行截流并统一进行处理 达标后排放入湖 湖泊的生态系统修复主要靠湖泊的自我调节机制自然修复 以欧洲的湖泊治理过程为代表 在20世纪70年代之前 欧洲的大多数湖泊富营养化也非常严重 从70年代开始 对富营养化湖泊及其流域进行截断污染源 污水管道化进行污水处理后再排入湖泊 经过20 30年的高强度治污 目前绝大多数湖泊从富营养化状态又恢复到贫营养状态 在此过程中积累了大量详尽的湖泊及其生态系统演变的监测资料 事实表明 生态系统的自然修复是恢复不到原点的 北美和日本湖泊富营养化治理和湖泊生态系统修复也同样是先从流域治污开始的 而人类对湖泊生态系统修复的目的是经过人工干预使湖泊尽快建立起适合湖泊水体状况的健康生态系统 而进一步促进湖泊环境的不断改善 我们必须对湖泊富营养化和治理过程有一个清醒的认识 借鉴国际先进经验 系统 全面考虑和规划湖泊富营养化的治理过程 在流域全面截污 高强度治污的基础上 对湖泊生态系统的修复进行人工干预 因势利导 科学地进行健康湖泊生态系统的修复 地下水污染的特点 由于上面覆盖着土壤和不透水层 所以能减少地下水被污染的机会 而且污染的进程也比较缓慢 因为地表以下地层复杂 地下水流动极其缓慢 溶解氧含量低 含微生物亦较少等原因 所以地下水一旦被污染后不容易查清污染来源和途径 水体自净作用较差 污染难以治理 所以 地下水污染治理一般需要十几年 甚至几十年的时间才能见效 受工业废水 生活污水污染的地下水 一般表现为钙盐 镁盐 氯化物 硝酸盐显著增加 其有毒污染物主要是苯酚 氰 汞 铬 砷 石油及其有机化合物 地下水中污染物的含量是不是一定低于地表水 一般情况是这样的 因为污染物在下渗的过程中不断被阻挡 截留 吸附 分解 但地下水中污染物的含量反映的是地表水前期的污染状况 如果地表水由于治理等措施使污染物含量减少时 有可能出现地下水中污染物含量高于地表水的情况 有机氯农药在很多地区就出现过地下水高于地表水的情况 海洋污染的特点 海洋的污染源多而复杂 各种各样的工业废水和生活污水通过江河水注入海洋 目前受污染最严重的是靠近工业发达地区的海域 海上航行的船只和大型油轮发生漏油事故 以及海上石油开采作业等均使海洋发生石油污染 大气污染物也可通过气流运行到海洋上空随雨水降入海洋 去年7月大连新港附近中石油一条输油管道起火爆炸 事故使大连附近海域至少50平方公里的海面被原油污染 4月20日 英国石油公司在墨西哥湾租用的一个钻井平台 瞬间发生爆炸 大量原油顷刻间侵入了墨西哥湾 造成非常严重的污染 海洋污染的持续性长 危害性也较大 污染物进入海洋后 很难再转移出去 不溶解和不易分解的污染物便在海洋中积累起来 或者被海洋生物所富集 海洋污染的污染范围大 世界各个海洋是互相沟通的 污染物在海洋中通过海水的流动 可以扩散到任何角落 水体污染的自净及其机制 水体污染的自净作用self purification 定义 水体受污染后 污染物在水体的物理 化学 生物学的作用下 使污染成分不断稀释 扩散 分解破坏或沉入水底 水中污染物的浓度逐渐降低 水质最终恢复到污染前的状况 影响因素 受纳水体的地形和水文条件 水中微生物的种类和数量 水温和复氧状况 风力 风向 水体紊流状况等 污染物的性质和浓度 废水进入水体后 污染和自净过程几乎同时开始 距排污口近的水域以污染过程为主 表现为水质恶化 形成严重污染区 在相邻的下游水域 自净过程有所加强 污染强度逐渐减弱 水质渐见好转 形成中度至轻度污染区域 在轻度污染水域下游 则以自净过程为主 有机物的自净过程 易被氧化的有机物进行的化学氧化分解 本阶段在污染物进入水体后数小时即完成 有机物在水中微生物作用下的生物化学氧化分解 本阶段持续时间的长短与水温 有机物浓度 微生物种类和数量等有关 一般要延续数日 含氮有机物的硝化过程 这个阶段最慢 一般要延续1个月左右 第一阶段 第二阶段 哪个指标能表示被生物化学氧化的有机物的量 BOD5 第三阶段 水体自净过程的特征 1 进入水体的污染物在自净过程中 总的趋势是浓度逐渐降低 2 大多数有毒污染物在物理 化学和生物学作用下转变为低毒或无毒的化学物 比如2 4 二恶英可在微生物的作用下 经过复杂的分解过程 最终形成无毒的二氧化碳 水和氯根 3 重金属污染物在溶解状态时可被吸附或转变成不溶性化合物沉淀至底泥或进入食物链中 可造成二次污染或对人体健康产生危害 4 复杂的有机物如碳水化合物 脂肪 蛋白质等 不论在水中溶解氧含量如何 都能被微生物利用和分解 先降解为较简单的有机物 再进一步分解为二氧化碳和水 水体自净的机制主要是一系列的物理 化学和生物学作用 各种作用可相互影响 同时发生并交互进行 6 在自净过程初期 水中溶解氧含量急剧降低 到达最低点后又缓慢上升 并逐渐恢复至正常水平 7 进入水体的大量污染物 如有毒性 则影响生物栖息 如生物不逃避就会中毒死亡 使水生生物物种和数量大为减少 随着自净过程的进行 污染物浓度降低 生物种群和数量逐渐回升 最后使生物分布趋于正常 水体自净的机制 5 不稳定的污染物在自净过程中转变成稳定的化合物 比如 氨转变为亚硝酸盐 后者再氧化成硝酸盐 一般情况下 自净的初始阶段是以物理和化学作用为主 后期主要是生物学作用为主 物理净化作用 主要是通过稀释 混合 吸附 沉淀等作用进行的 物理净化过程虽然只是改变了污染物的浓度分布 并不减少污染物的绝对量 但在很大程度上有助于后续的化学和生物学过程的进行 二次污染 污染物在重力的作用下沉降 逐渐沉积到水底 参与底泥的组成 水中污染物的浓度下降 但是底泥中污染物的浓度比较高 在某些情况下 比如当降雨时流量增大或其它原因搅动河底污泥 已经沉淀的污染物又可进入水层 造成水的二次污染 化学净化 由于进入水体的污染物与水中成分发生化学反应 致使污染物浓度降低或毒性消失的现象 包括污染物的分解和化合 氧化和还原 酸碱中和等作用 水体中酸性废水与碱性废水的相互中和 纯化学反应 在微生物的参与下完成的 水体中含氮有机物的硝化过程 光化学作用 发生光解反应和光氧化反应 氨基甲酸酯在天然水中通过氧化剂 如自由基 作用而形成光氧化产物 污染水体的氧化还原反应受水中溶解氧含量的影响 当水中溶解氧含量高时 氧化能力强 可使二价铁 锰分别氧化成三价铁或四价锰成为难溶性化合物而沉淀 当水中溶解氧浓度较低或缺氧时 氧化能力弱 此时铁 锰被还原为易于迁移的形态 在厌氧条件下汞的甲基化反应受阻 难以形成甲基汞 通过化学净化过程 污染物在水中的含量发生了改变 但要注意的是污染物在水中发生化学反应并不总是减毒 有时可能反而会使毒性增加 无机汞通过甲基化反应生成甲基汞 生物净化 在河流 湖泊 水库等水体中生存的细菌 真菌 藻类 水草 原生动物 贝类 昆虫幼虫 鱼类等生物 通过它们的代谢作用分解水中污染物 使其数量减少 直至消失 生物净化过程是地面水自净作用中最重要和最活跃的过程 是目前污水处理的重要技术手段 生物性降解 水中有机污染物在微生物作用下分解成无机物的过程 厌氧状态 当水中溶解氧浓度过低时 水体中有机物发生厌氧分解 产生硫化氢 甲烷等 水质变坏 呈黑色 并散发出臭气 含有硫 磷 氮 碳等有机污染物在溶解氧的参与下经需氧微生物氧化分解成简单 稳定的无机物 如二氧化碳 水 硫酸盐 硝酸盐和磷酸盐等 使水得以自净 有氧状态 微生物在分解有机物 消耗水中溶解氧的同时 空气中的氧可通过水面不断溶解 补充到水中 水生植物光合作用排出的氧也可补充水中的氧 水体的复氧过程 在有机物分解过程中 复氧和耗氧是同时进行的 水体中溶解氧的含量是耗氧与复氧两个过程共同作用的结果 溶解氧的动态变化反映了水体中有机物净化的程度 所以可以把溶解氧作为水体自净的标志 溶解氧的变化过程可以用氧垂曲线来表示 Cp是水中溶解氧的最低点 在此点之前 耗氧作用大于复氧作用 水中溶解氧浓度逐渐降低 水质逐渐恶化 此点之后复氧作用大于耗氧作用 溶解氧逐渐恢复 水质逐渐好转 水中一些特殊的微生物种群和高级水生植物 如浮萍 芦苇 凤眼莲等 鱼贝类等生物还能吸收并浓缩水中汞 镉 锌等重金属或生物难降解的人工合成有机物 使水逐步得到净化 比如芦苇能分解苯酚类 浮萍对镉具有很强的富集能力 其他的生物净化过程 随着污水进入水体的微生物 由于阳光紫外线照射 生物间的拮抗作用 以及不适宜的环境条件等的作用而逐渐死亡 致病微生物死亡更快 寄生虫卵进入水体后 除血吸虫卵 肺吸虫卵 姜片虫卵等能在水中孵化外 其它虫卵则沉入水底 逐渐死亡 水体污染物的转归 污染物在水体中的转归是指污染物在水环境中空间位置的移动 量 和存在形态的变化 质 此两种变化常常是互相联系的 污染物在水体中的转归主要有迁移和转化两种 迁移 污染物从某一地点转移到另一地点 从一种介质转移到另一介质的过程 污染物随水流向下游迁移的过程在重力作用下的沉降过程固体颗粒物和胶体物的吸附和凝聚过程水生生物的吸收 代谢以及食物链的传递过程 污染物在水中的迁移过程中 有三种介质是很重要的 水 沉积物 颗粒物 和生物体 水通常是基本介质 重金属和很多有机化合物常与悬浮颗粒和水底沉积物紧密结合 因而颗粒物常常是重金属和有机污染物的主要迁移介质 所以 这些物质在颗粒物和沉积物中的浓度常常比在水相中高得多 水环境中的生物体往往通过生物富集和生物放大作用而使某种元素或难分解化合物的含量大大高于水相中的浓度 某些生物不断从环境中摄取浓度极低的污染物 在体内逐渐聚集 使该物质在生物体内达到相当高 甚至引起其他生物 或人 中毒的浓度 生物放大作用biomagnification 由于各级生物个体的生物富集作用 使高位营业级生物体内污染物浓度大大高于低位营业级生物的现象 生物放大作用的最终结果是使高位营养级生物体内倒到很高浓度 可对最高位的人类健康