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地球上的水源水环境(二)

作者:欧保环境发表时间:2023-04-29浏览量:1626

地表水环境包括河流、湖泊、水库、海洋、池塘、沼泽、冰川等,地下水环境包括泉水、浅层地下水、深层地下水等。水环境是构成环境的基本要素之一,是人类社会赖以生存和发展的重要场所,也是受人类干扰和破坏最严重的领域。水环境的污染和破坏已成为当今世界主要的环境问题之一。



四、水源的污染

(一)水源污染及主要污染物  

1.污染的来源  

(1)工业废水

工业废水是水源最重要的污染源。工业废水量大、面广、含污染物多,成分复杂,有些成分在水中不易净化,处理也困难。此外,食品加工、制糖、酿造厂等废水含有大量有机物,而屠宰场、制革厂、生物制品厂废水则还可能含有病原体。  

(2)生活污水

居民在生活中产生的污水,包括洗涤衣物、厨房、洗漱沐浴、厕所等排出污水。其中 99%以上为水,固体物质小于1%,且多为无毒物质。生活污水中含有有机物如蛋白质、脂肪、糖、尿素、合成洗涤剂等,无机物氮、硫、磷、钾、硫酸盐、氯化物、泥沙等。此外,还含有多种微生物,每毫升污水中含细菌达几百万个,还可能含有肠道致病菌、肠道病毒、结核杆菌和各种寄生虫卵。

(3)农牧业污水

农业上最大量是灌溉,尤其是以农业为主的国家如印度农业用水量占总用水量 95.5%,美国为 44%,我国为 73%。农业用水除蒸发外,有10-40%渗入地下或流入江河。由于农田施肥、施放农药以及用污水灌溉,在回流水中可以含有化肥、农药、矿物质、有害物质与病原体,并可富集或附着于农作物上,通过食物链对人体健康产生危害。畜牧用污水在畜牧发达国家其量也是很大的,据国外资料,牧畜产生的污水浓度比人的生活污水大,生化需氧量大 5 倍,总氮量大 7 倍,总固体量大 10 倍。

 (4) 其它随大气扩散的有毒有害物质通过重力沉降和降雨过程等途径污染水源。生活垃圾、工业固体废弃物直接排入江河及其在堆放时雨水淋洗或渗出液都可污染地面水或地下水。

清洁小流域 

 

2.主要污染物

水中污染物种类很多,按其性质可分为物理性污染物、化学性污染物和生物性污染物。


(1)化学性污染物  

①无机污染物:主要有酸、碱、无机盐类和有毒物质如重金属汞、镉、铅、铬及砷、钡、钒,其他如氟化物等,酸碱可改变水的 pH 值,破坏自然缓冲作用,杀灭或抑制水中细菌与微生物,妨碍水的自净及腐蚀管道。钙、镁盐类可增加水的硬度,有毒物质中重金属毒性强,微量即可引起中毒;可通过食物链富集;多有蓄积性,易造成慢性中毒,发病潜伏期长,治疗困难;污染环境后不易去除,因此对人体危害较大。  

②有机污染物:水中有机物很多,在全世界水中测出 2221 种有机化合物,有机物污染物大致可分为:有机有毒物质:主要有农药、多氯联苯、多环芳烃、二恶英。有些有机有毒物质,毒性大,能引起慢性中毒或致癌,在环境中不易降解

需氧污染物:水受生活污水、食品饮料、屠宰、造纸等废水污染后,污水中所含的碳水化合物、蛋白质、脂肪、木质素等有机化合物在微生物作用下进行需氧分解,因此这些有机污染物称为需氧污染物。需氧污染物过多,可使水中溶解氧减少,影响鱼类和其他水生物生长,如溶解氧消耗尽,有机物只能进行厌氧分解,产生臭气,使水质恶化。

植物营养物质:包括氮、磷及其他一些植物生长、发育所需的物质。这些物质有利于植物的生长,但过多时能使水源过营养化而使水质恶化。植物营养物质主要来自工业、农业废水及生活污水。其中化肥是一个重要来源,另一部分随农田排水和地面径流流入地面水和渗入地下水。目前大量使用的合成洗涤剂含有大量三聚磷酸盐,使生活污水中也含有磷。

油类:水源受石油污染日益增多,石油开采、炼制、储运和使用过程中及石油化工、机械制造工业都可排出废油和含油废水。石油及其油类制品比水轻又不溶于水,在水面形成薄膜,妨碍水从空气中摄取氧气,造成水中溶解氧减少,产生恶臭,降低水质。油膜还可堵塞鱼的鱼鳃及对其他水生动物、水鸟产生有害影响,并可使鱼和水带有油臭味。石油及其制品中含有多环芳烃,通过水生生物富集,进入人体而对人体健康造成威胁。  

类雌激素污染物:近年发现具有激素效应的化学物质——已造成环境的广泛污染。国内已有少量研究发现水源水与自来水中存在类雌激素物质。国外许多研究发现,目前日益突出的人类生殖系统及内分泌系统功能障碍如男性精子数减少、儿童性早熟、生殖器官发育畸型,生殖系统及内分泌系统肿瘤如乳腺癌、卵巢癌、前列腺癌、睾丸癌等发病率的增加及高发年龄的提前都有可能与环境中类雌激素类物质增多有关。环境类激素污染问题已引起国内外学者与政府的关注。

 

(2)物理性污染物  

① 放射性物质

大多数水在自然状态下都含有微量的放射性物质。上世纪中叶由于核工业的发展,使环境的放射性水平增高,并使地面水和地下水受到污染。这些物质半减期长,可通过食物链富集,随水和食物进入人体,能在一定部位积累,可引起遗传变异或癌症。  

② 热污染

火力发电站、核电站及其他工业产生的热废水污染江河、湖泊,可使水温升高,溶解氧减少,鱼发育受到阻碍,甚至死亡,亦可使水中存在某些有毒物质如氯化钾、异狄氏剂的毒性增加以及加剧富营养化作用。  

(3)生物性污染物  

致病微生物、寄生虫、某些生物进入水内,或某些藻类大量繁殖,使水质恶化,直接或间接影响人类健康或渔业生产。生物性污染物多来源于生活污水和某些工业废水,其中最危险的是来自人粪便的病原体(见下表)。


 生态清洁小流域

较重要的病原体有以下几种:  

沙门氏菌属:是引起介水传染病较多见的菌属。沙门氏病患者的粪便、医院污水、家畜家禽粪便、屠宰场污水都含有沙门氏菌。流行区域主要在农村,患者多为青少年。多数为井水污染,其次为河水、沟水、渠水污染,由集中式给水引起流行偶见,多为饮水未消毒。

志贺氏菌属:一般只存在于菌痢患者及短时带菌者粪便中,甚少见于家禽家畜粪便中,主要通过食物和接触而传染。也可通过水而传播,但在污水与水中检出率较低。

霍乱弧菌:是经水传播的主要传染病,霍乱弧菌在水中生存受理化、生物影响因素较大,据观察可从一小时至13 天。  

急性腹泻大肠杆菌:分为致病性大肠杆菌、肠产毒性大肠杆菌和肠侵袭性大肠杆菌三种。能引起胃肠炎和腹泻,发病多为幼儿,特别是婴儿,家畜如猪、牛亦发现有带菌。德国汉堡六十年代地面水检出率为 0.1%,井水为 0.4%。

结核杆菌:可经水而传播,但较少见,且潜伏期至少 4-6 周,不易查明是否与水有关。医院、牛圈、肉类加工厂污水可能检出人或牛型结核杆菌。曾发现未处理污水内含结核杆菌 1000-15000 个/100ml。结核杆菌在污水中可生存数日,特别是患者的痰。据报道含结核杆菌污水储存 124 日后,以豚鼠作试验仍有毒性。

钩端螺旋体:感染的家禽羊、猪、马、牛,如鼠、袋鼠、狐狸、鹿都可由尿排出钩端螺旋体污染土壤和水源。流动慢的小河、水渠、小湖、游泳池适于其生存。被家畜尿污染的土壤,在 15 日后仍可检出钩端螺旋体,雨水流经土壤,在 24日仍可从雨水中检出钩端螺旋体。在水中存活时间受水的污染程度、水温、pH值、盐分等因素影响而有不同。  

病毒:主要是指与人类疾病有关的病毒。从人粪中已发现有 120 个病毒种型。总称肠道内病毒。包括肠道和非肠道病毒。肠道病毒又包括脊髓灰质炎、埃可、柯萨奇、甲型肝炎病毒。此外还有诺瓦克、轮状、呼肠孤、腺及细小病毒,动物粪便也可含有病毒,但是否能经水传染与人还需研究。病毒在各种水源中都有检出,在世界河流中发现病毒的水样为 9-63%,在各国饮水中检出病毒为 2-56%。自来水中病毒浓度为 1PFU/60L-1PFU/L。病毒在水中存活时间受很多因素影响,一般水处理工艺不能将病毒完全去除,对氯的抵抗力较细菌大等原因,水中病毒是个值得注意的问题。

寄生原虫及蠕虫:可以通过饮用或接触污染的水或食用污水灌溉的蔬菜等途径而传播。水中藻类污染:水中藻类种类繁多,以蓝藻对人类的影响最大。其中微囊藻属、鱼腥藻属、束丝藻属和颤藻属为常见对生物有潜在危害性藻类。许多藻类能产生肝毒素(微囊藻属)或神经毒素。近年来有不少关于人类饮用或接触藻类污染水体引起皮炎、结膜炎、鼻炎和胃肠炎的报道。水体富营养化可使水中藻类大量繁殖,引起水质恶化,水中大量生物死亡,给人类的生产生活带来严重损失。

3.水源受有机物污染的指标  

水源受生活污水和工业废水污染,有机物浓度是个重要指标,由于有机物的组成比较复杂,分别测定各个有机物是十分困难的,通常采用下面一些指标来相对说明有机物污染情况。

(1) 氮化合物:含氮的有机物如人畜粪便中所含的蛋白质进入水中后,在氨化细菌,一般是好氧性细菌和真菌作用下,经细菌分泌的蛋白质分解酶将蛋白质水解产生氨基酸,再通过脱氨基作用形成氨和有机酸。氨在好氧的条件下经亚硝酸菌氧化生成亚硝酸盐,亚硝酸盐再被硝酸菌氧化为硝酸盐。从有机性氮逐步分解为无机性氮的过程称为有机物无机化。这一过程对水的自净和污水处理都有重大卫生意义。在含氮有机物氧化分解过程中,随同进入到水中的肠道微生物亦逐渐死灭,水则由污染而趋于自净,因此测定含氮有机物在不同氧化分解阶段产物,可作为了解水源水质的动态变化,判断水源污染和自净情况的重要指标。地面水与地下水中氮化合物主要来源于人畜粪便污水、农田排出水、地面径流、动植物残骸中的有机物,但也可能来自矿物质(盐类)  

①有机氮与蛋白氮:有机氮是指有机性含氮物质总量。蛋白性氮是有机物中蛋白质分解的初步产物,即用碱性高锰酸钾能氧化成为氨氮的有机含氮物质,为有机氮一个组成部分。水源水中蛋白性氮的含量很少,清洁地面水多不超过 0.1mg/L,深层地下水不含有蛋白性氮。水源水中蛋白性氮增高,表示新近受到有机物污染。  

氨氮:通常清洁的水不含氨氮或含量甚微。水中氨氮主要来自有机物的分解,尤其是人畜粪尿等动物性有机物,如人每日排泄物中含尿素 30g,其中含氮14g。水中氨氮也可因工农业废水污染而增高。由污染而引起氨氮的升高表明水质是不安全的。除污染以外,水中氨氮的升高还可以由于其他原因,如深层地下水中含有硫化氢或亚铁盐可将水中的硝酸盐还原为氨,接近地面土壤中的亚硝酸盐和硝酸盐在微生物作用下也可还原成氨,使浅层地下水中含有氨。由于大气污染,也可使雨水尤其是城市的雨水中含氨,有时高达 5mg/L。森林沼泽中有时也含有较高的氨,可能与水中含有大量植物有关,使用铵明矾净水时,亦能使水中氨升高。由于这些原因在水中出现的氨氮,在卫生学上意义不大。氨氮本身对人体健康无大影响,但水中氨氮较高时,可使水有臭味,氨氮升高说明水受到有机物新近污染,也可能有病原体随同有机物进入水内,因此水是不安全的,但要注意区分氨氮的来源。水中氨氮没有一定标准,但有的国家或地区也订有标准。一般水源水中氨氮超过 0.5-1mg/L 可认为是严重污染,饮用水则不超过 0.02mg/L。  

③亚硝酸盐氮:清洁水中不含有亚硝酸盐氮或含量极微。亚硝酸盐氮是含氮物质氧化过程的中间产物很不稳定。水中亚硝酸盐氮除来自污染以外,在深层地下水中也可由于硝酸盐还原而来,雨水中特别是电雷后,亚硝酸盐氮可高达1mg/L 以上。  

水中微量亚硝酸盐氮对人体并无大影响。动物慢性中毒试验,以 1mg/kg 剂量饮用 6 个月有某些生化变化,无作用剂量为 0.1mg/kg。然以水中亚硝酸盐氮的含量,难以在人体蓄积到这样的浓度。但由于亚硝酸盐是一种致突变物,水中亚硝酸盐还是越低越好。水中亚硝酸盐氮的存在表示有机物分解还在进行,水中微生物仍很活跃,致病菌可能仍未死亡,这种水仍是不安全的。一般水源中亚硝酸盐氮大于 0.03-0.1mg/L 认为是受到有机物严重污染。我国有的地区规定饮水中亚硝酸盐氮不得超过 0.002mg/L。但有的国家标准却订得较低如荷兰为 0.1mg/L,瑞典为 0.02mg/L。  

④硝酸盐氮:地面水中硝酸盐氮含量不高,一般在 1mg/L 左右。地下水由于地质原因,有的很低,而高的可达 100mg/L 以上,硝酸盐氮除由于有机物氧化分解而来外,工农业废水的污染,特别是人工化肥的广泛使用,致很多水源受到污染,而使硝酸盐氮增高。硝酸盐氮是有机物无机化的最后产物,它的存在表示无机化过程已完成,此时随同有机物进入水中的致病菌经过水的自净作用也多已死灭。因此水中只有硝酸盐氮时,说明水的污染已经过去,水已达到自净。硝酸盐氮对人体健康的影响见饮用水水质。水源水中硝酸盐氮多少才能说明受过污染,并无固定数据,一般可根据其动态变化或与当地水源一般含量作比较来大致确定。  

测定水中各种氮化合物,不但可以了解水是否受到有机物污染,还可以大致判断污染的时间,污染的程度和污染的趋势。氮化合物在水中出现往往不止一项,有时两项,而且经常是三项,可根据它们出现配合的情况和含量进行综合评价(见下表)。在分析评价时还必须注意排除污染外的其他来源,并尽可能结合其他污染指标如氯化物、耗氧量、微生等综合分析。


 水源地 


(2)化学耗氧量(COD) 水中有机物很多,测定方法比较复杂,因此多用间接方法如耗氧量来推测水中有机物含量。耗氧量是指一升水中的还原物质在一定条件下被氧化时消耗氧的毫克数。通常用高锰酸钾作氧化剂,但因高锰酸钾氧化能力较弱,且只能测定含碳的有机物,水中存在的亚硝酸盐、亚铁盐也能消耗高锰酸钾,因此耗氧量不能表示水中有机物的真实含量,而只有相对意义。耗氧量越高表示水中有机物越多,但评价时应结合其他指标。清洁的地面水耗氧量多不超过 2-4mg/L。地下水常在 2mg/L 以下,深井水多在 1mg/L 以下,沼泽水则可达10mg/L 以上。

(3)生化需氧量(BOD) 水中有机物被需氧生物氧化时需要消耗氧气。水样在一定条件下,于一定时间内(一般采用 5 日,20℃)进行需氧生物氧化所消耗的溶解氧量称为生化需氧量。水中有机物越多,生化需氧量就越高。在一定温度范围内,温度越高,完成生物氧化过程就越快。一般以温度 20℃为标准温度,在此温度下,有机物要 20 天才能完全氧化分解。因时间过长,在实际工作中都以 5天作为标准时间,为维持水中一定的溶解氧,保持水的自净作用,限制有机物对水源排放,了解水受有机物污染情况,生化需氧量是一个重要指标。  

清洁水的生化需氧量一般都在 3mg/L 以下。我国长江、黄河水系清洁断面水质和嫩江源头水均低于 3mg/L,我国规定地面水水质卫生要求生化需氧量不超过3-4mg/L,工业废水最高容许排放浓度为 60mg/L。  

(4)溶解氧(DO) 水源水与空气接触过程中,空气中的氧可溶解于水内成为溶解氧,水生植物尤其是藻类。由于光合作用能使水中溶解氧增多,水中溶解氧含量与空气分压,大气压力和水温有密切关系,一般温度越高,水中溶解氧越低,在 101KPa(760mmHg)大气压力下,空气中含氧 20.9%时,氧在淡水中的溶解度如下表。

 

 氧在淡水中的溶解度

 

在清洁的地面水中溶解氧一般接近饱和。当水受有机物污染,溶解氧可显著降低,污染严重时,有机物被微生物氧化分解将水中溶解氧耗尽,厌氧菌繁殖发育,有机物进行厌气分解,水质恶化而变黑发臭。水受还原性物质污染时,也可使消耗水中溶解氧。鱼类等水生生物的生存与溶解氧关系密切,当溶解氧降到3mg/L 或以下时,就不能维持鱼类良好生长,甚至窒息死亡。溶解氧 4mg/L 是保证多数鱼种鱼群生存的最低浓度,溶解氧的测定,对了解地面水源的污染和自净有重要意义。测定一条河流不同地段的溶解氧可了解不同地段水的自净速度。

  我国南方河流溶解氧一般高于 6mg/L,北方河流溶解氧较高。我国地面水水质卫生要求溶解氧不低于 4mg/L。  

4.我国水污染情况  

据 1998 年中国环境情况公报,全国大江大河均受到不同程度的污染,并呈发展趋势,工业发达城市(镇)附近水域的污染尤为突出。在七大水系和太湖、巢湖和滇池的断面监测结果,符合《地面水环境质量标准》1、2 类的占 36.2%,符合 3 类标准占 6.7%,属于 4、5 类以下的占 63.1%。污染类型为有机污染,主要污染物为氨氮、高锰酸钾指数(耗氧量)和挥发酚、石油。  

由于城市地下水超采,大部分城市和地区直地下水水位下降,形成不同规模直地下水降落漏斗,如苏州、无锡和常州地下水降落形成的漏斗面积超过5000KM2 ;地下水超采还带来城市地面下降和海水倒灌,如珠海由于地下水水位降低造成海水倒灌,使饮用水含盐量大幅超标。

5.水体富营养化

主要指水流缓慢、更新期长的地表水体,接纳大量氮、磷植物营养素引起的藻类等浮游生物急剧增殖的水体污染。自然界湖泊也存在富营养化现象,由贫营养-富营养-沼泽-干地,但变化速率很慢;而人为污染所致的富营养化,速率很快。特别在海湾地区出现富营养化。在水温、盐度、日照、降雨等合适的水文和气象条件下,细胞中含有红色色素的甲藻或者其它浮游生物大量繁殖,并在上升流的影响下聚积而出现,海洋学家称为“赤潮”。营养污染物质的来源是广泛而大量的。有生活污水(有机质、洗涤剂)、农业(化肥、农家肥)、工业废水、垃圾等。每人每天带进污水中的氮约为 0.11 磅;近十年来由于洗涤剂的大量使用,生活污水中的磷 30-50%(英国)、36%(前西德)、50-75%(美国)是来自洗涤废水。工业固氮量 1963 年约为 3000 万吨;1972 年世界磷肥产量为 2109 万吨。除以工业“三废”形式进入环境外,主要通过使用,流失到环境中来。一般被植物吸收的量约为施用量的 20%一 50%,即有 50%一 80%的化肥流入江河湖海和地下水体之中。


 工业污水中所含植物营养素

 

水体富营养化显著的危害是:

①促使湖泊老化;

②破坏水产资源。已阐明的赤潮生物毒素之一的房蛤毒素[Cl0Hl7N7O4] 2+ 是一种神经毒素,家兔静脉注射致死剂量为 3—4 微克/公斤(体重),小鼠最低致死剂量为 8—10 微克/公斤(体重),在水中可使鱼类等水生动物中毒病变和死亡。

③危害水源,硝酸盐、亚硝酸盐对人、畜有害。尤其对婴儿、胎儿可导致变性血红蛋白增高,丧失输氧能力。正常值为 1—2%,高达 10%时出现临床症状,达 30—40%时出现缺氧症状,达 50一 70%时发生死亡。另外, 它们又是强致癌物亚硝胺的前身物,因此受到重视。不少国家饮水卫生标准规定,硝酸盐氮、亚硝酸盐氮总计不得超过 10mg/L。

防治富营养化的途径是:

①合理使用化肥,防止流失;

②降低工业废水 N、P的排放量;

③粪便等有机废弃物中N、P可考虑制造沼气后作有机肥;

④生活污水可先进行污水灌溉或污水养殖水生植物吸收氮、磷;

⑤地下肥水不宜饮用,可代部分肥料用于灌溉,防止新肥水产生;

⑥在湖泊、海湾及饮用地下水源带进行监测、预报。

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