基本介紹
- 中文名：水污染物
- 外文名：water pollutant
- 學科：環境科學
- 定義：指使水質惡化的污染物質
簡介,背景知識,污染類型,耗氧污染物,植物營養物,有毒污染物,石油類污染物,放射性污染物,熱污染,酸、鹼、鹽無機污染物,水污染物的遷移轉化,對流與擴散,物理化學過程動力學,吸附－解吸,沉澱與再懸浮,有機污水生化反應,微生物生長動力學,其他過程,水污染物總量控制,污染物入河控制,總量分配,總量控制的優點,
簡介
水污染物是指使水質惡化的污染物質。系水中的鹽分、微量元素或放射性物質濃度超出臨界值，使水體的物理、化學性質或生物群落組成發生變化。影響水體的污染物種類繁多，大致可以從物理、化學、生物等方面將其劃分為幾類。物理方面主要是影響水體的顏色、濁度、溫度、懸浮物含量和放射性水平等的污染物；化學方面主要是排入水體的各種化學物質，包括有無機無毒物質（酸、鹼、無機鹽類等）、無機有毒物質（重金屬、氰化物、氟化物等）、耗氧有機物及有機有毒物質（酚類化合物、有機農藥、多環芳烴、多氯聯苯、洗滌劑等）；生物方面主要包括污水排放中的細菌、病毒、原生動物、寄生蠕蟲及藻類大量繁殖等。
背景知識
水污染是指人類活動排放的污染物進入水體，其數量超過了誰提的自淨能力，使水和水質的理化特性和水環境中的生物特性、組成等發生改變，從而影響水的使用價值，造成水質惡化，乃至危害人體健康或破壞生態環境的現象。
污染類型
水體污染物包括持久性污染物（重金屬、有毒有害易長期積累的有機物等）、非持久性污染物（一般有機污染）、酸鹼污染（pH）、熱污染、懸浮物、植物營養物、放射性物質、石油類、病原體等。
耗氧污染物
在生活污水、食品加工和造紙等工業廢水中，含有碳水化合物、蛋白質、油脂、木質素等有機物質。這些物質以懸浮或溶解狀態存在於污水中，可通過微生物的生物化學作用而分解。在其分解過程中需要消耗氧氣，因而被稱為耗氧污染物。這種污染物可造成水中溶解氧減少，影響魚類和其他水生生物的生長。水中溶解氧耗盡後，有機物進行厭氧分解，產生硫化氫、氨和硫醇等難聞氣味，使水質進一步惡化。
植物營養物
植物營養物主要指氮、磷等能刺激藻類及水草生長、干擾水質淨化，使BOD5升高的物質。水體中營養物質過量所造成的"富營養化"對於湖泊及流動緩慢的水體所造成的危害已成為水源保護的嚴重問題。
富營養化(eutrophication)是指在人類活動的影響下，生物所需的氮、磷等營養物質大量進入湖泊、河口、海灣等緩流水體，引起藻類及其他浮游生物迅速繁殖，水體溶解氧量下降，水質惡化，魚類及其他生物大量死亡的現象。在自然條件下，湖泊也會從貧營養狀態過渡到富營養狀態，沉積物不斷增多，先變為沼澤，後變為陸地。這種自然過程非常緩慢，常需幾千年甚至上萬年。而人為排放含營養物質的工業廢水和生活污水所引起的水體富營養化現象，可以在短期內出現。
植物營養物質的來源廣、數量大，有生活污水(有機質、洗滌劑)、農業(化肥、農家肥)、工業廢水、垃圾等。每人每天帶進污水中的氮約50g。生活污水中的磷主要來源於洗滌廢水，而施入農田的化肥有50%～80%流入江河、湖海和地下水體中。
藻類及其他浮游生物殘體在腐爛過程中，又把生物所需的氮、磷等營養物質釋放到水中，供新的一代藻類等生物利用。因此，水體富營養化後，即使切斷外界營養物質的來源，也很難自淨和恢復到正常水平。水體富養化嚴重時，湖泊可被某些繁生植物及其殘骸淤塞，成為沼澤甚至乾地。局部海區可變成"死海"，或出現"赤潮"現象。
常用氮、磷含量，生產率(O2)及葉綠素-α作為水體富營養化程度的指標。防治富營養化，必須控制進入水體的氮、磷含量。
有毒污染物
有毒污染物指的是進入生物體後累積到一定數量能使體液和組織發生生化和生理功能的變化，引起暫時或持久的病理狀態，甚至危及生命的物質。如重金屬和難分解的有機污染物等。污染物的毒性與攝入機體內的數量有密切關係。同一污染物的毒性也與它的存在形態有密切關係。價態或形態不同，其毒性可以有很大的差異。如Cr(Ⅵ)的毒性比Cr(Ⅲ)大；As(Ⅲ)的毒性比As(Ⅴ)大；甲基汞的毒性比無機汞大得多。另外污染物的毒性還與若干綜合效應有密切關係。從傳統毒理學來看，有毒污染物對生物的綜合效應有三種：
(1)相加作用，即兩種以上毒物共存時，其總效果大致是各成分效果之和。
(2)協同作用，即兩種以上毒物共存時，一種成分能促進另一種成分毒性急劇增加。如銅、鋅共存時，其毒性為它們單獨存在時的8倍。
(3)拮抗作用，兩種以上的毒物共存時，其毒性可以抵消一部分或大部分。如鋅可以抑制鎘的毒性；又如在一定條件下硒對汞能產生拮抗作用。總之，除考慮有毒污染物的含量外，還須考慮它的存在形態和綜合效應，這樣才能全面深入地了解污染物對水質及人體健康的影響。
石油類污染物
石油污染是水體污染的重要類型之一，特別在河口、近海水域更為突出。
石油是烷烴、烯烴和芳香烴的混合物，進入水體後的危害是多方面的。如在水上形成油膜，能阻礙水體復氧作用，油類粘附在魚鰓上，可使魚窒息；粘附在藻類、浮游生物上，可使它們死亡。油類會抑制水鳥產卵和孵化，嚴重時使鳥類大量死亡。石油污染還能使水產品質量降低。
放射性污染物
放射性污染是放射性物質進入水體後造成的。放射性污染物主要來源於核動力工廠排出的冷卻水，向海洋投棄的放射性廢物，核爆炸降落到水體的散落物，核動力船舶事故泄漏的核燃料；開採、提煉和使用放射性物質時，如果處理不當，也會造成放射性污染。水體中的放射性污染物可以附著在生物體表面，也可以進入生物體蓄積起來，還可通過食物鏈對人產生內照射。
熱污染
熱污染是一種能量污染，它是工礦企業向水體排放高溫廢水造成的。一些熱電廠及各種工業過程中的冷卻水，若不採取措施，直接排放到水體中，均可使水溫升高，水中化學反應、生化反應的速度隨之加快，使某些有毒物質(如氰化物、重金屬離子等)的毒性提高，溶解氧減少，影響魚類的生存和繁殖，加速某些細菌的繁殖，助長水草叢生，厭氣發酵，惡臭。
魚類生長都有一個最佳的水溫區間。水溫過高或過低都不適合魚類生長，甚至會導致死亡。不同魚類對水溫的適應性也是不同的。如熱帶魚適於15～32℃，溫帶魚適於10～22℃，寒帶魚適於2～10℃的範圍。又如鱒魚雖在24℃的水中生活，但其繁殖溫度則要低於14℃。一般水生生物能夠生活的水溫上限是33～35℃。
酸、鹼、鹽無機污染物
各種酸、鹼、鹽等無機物進入水體(酸、鹼中和生成鹽，它們與水體中某些礦物相互作用產生某些鹽類)，使淡水資源的礦化度提高，影響各種用水水質。鹽污染主要來自生活污水和工礦廢水以及某些工業廢渣。另外，由於酸雨規模日益擴大，造成土壤酸化、地下水礦化度增高。
水體中無機鹽增加能提高水的滲透壓，對淡水生物、植物生長產生不良影響。在鹽鹼化地區，地面水、地下水中的鹽將對土壤質量產生更大影響。
水污染物的遷移轉化
水質模型的目的是模擬污染物濃度在環境中的變化過程，這種過程包括物理、化學和生物過程，其中物理過程主要表現在對流、擴散和彌散等；化學過程主要表現於物質由於化學反應在水體中的變化規律；生物過程則是在微生物的作用下而產生的變化過程。主要控制因素是污染性質、環境因素和排放的方式方法。所以有必要在這裡介紹污染物的基本轉化規律和機理。
對流與擴散
對於溶解性和懸浮性的污染物質，其物理過程主要有對流和擴散兩種基本方式。對流指的是由於含有污染物的水體運動而產生的遷移過程；而擴散是指由於水體中污染物遷移所產生濃度梯度的非平流轉移過程，這種過程是由於布朗寧（BROWNIAN）運動而引起物質分子的隨機運動，或由於湍流而引起的分子級遷移過程。
物理化學過程動力學
(a)零級反應：零級反應的反應速率與反應濃度無關，當方程中的指數v和w為零時。
(b)一級反應：一級反應速率與反應物濃度成正比
(c)二級反應：典型的二級反應式有兩種形式
吸附－解吸
水中溶解的污染物或膠狀物，當與懸浮於水中的泥沙等固相物質接觸時，會被吸附在泥沙表面，並在適宜的條件下隨泥沙一起沉入水低,使水的污染濃度降低，起到淨化作用。另外，河流的底岸也有吸附作用.與之相反，被吸附的污染物,當水流條件(如濃度、流速、pH、溫度等)改變時，也可能從吸附面上解脫一部分又進入水中，使水的污染濃度增加。前者稱吸附，後者稱解吸。大量研究表明：吸附能力遠遠大於解吸能力，常可大過幾個數量級。因此，吸附—解析的總趨勢是使水體溶解的污染物濃度降低。
沉澱與再懸浮
水中懸浮的有機物微粒和吸附有機物的泥沙，當流速減緩時，可能出現沉澱，使水體淨化；當流速變大時，沉積為底泥的有機物可能被沖刷再浮於水中，使污染濃度增大。在水質模型中考慮這種影響，一般有兩種途徑：一是按照河流動力學原理，先計算河段的沖淤過程，然後再考慮泥沙對污染物的吸附-解吸作用，進一步算出有機物的沉澱與再懸浮。這種方法考慮因素全面，計算精度較高，但這種方法比較複雜，需要資料多，工作量大，僅當沉澱與再懸浮作用很重要時才採用。另一種方法，是採用下面的簡單公式估計沉浮作用引起的有機物濃度變化。
有機污水生化反應
(a)碳化過程
在水環境中，有機物在耗氧條件下，好氧性細菌對碳化合物氧化分解，使有機物產生生化降解過程。反應速度按一級動力學公式描述，即反應速度與剩餘有機物的濃度成正比。
(b)硝化過程
在水中，氨氮和亞硝酸鹽氮在亞硝化菌和硝化菌作用下，被氧化成硝酸鹽氮的過程。
(c)厭氧過程
當水體中有機物(主要指耗氧有機物)含量超過一定限度時，從大氣供給的氧滿足不了耗氧的要求，水體便成為厭氧狀態。這時有機物開始腐敗，並有氣泡冒出水面(主要是CH4、H2S、H2等氣體)，發出難聞的氣味。在這種條件下，引起激烈的酸性發酵，其pH在短時間內降低到5.0~6.0的範圍。在這個發酵階段，主要是碳水化合物被分解，然後是蛋白質被分解，有機酸和含氮的有機化合物開始分解，並生成氮、胺、碳酸鹽及少量的碳酸氣、甲烷、氫、氮等氣體。與此同時，還產生硫化氫。
微生物生長動力學
微生物生長動力學過程要比化學反應過程更複雜。幸運的是，微生物的重要一類—細菌，能用簡單的方法來描述，這些適合修正的動力學也可以用於描述藻類的生長。對藻類，其基本關係是基質濃度和生長速率。
其他過程
(a)揮發過程
在氣液界面，物質的交換的另外一種重要過程是揮發。對於許多物質，揮發作用是一個重要的過程。當溶質的化學勢降低之後就會發生溶質從液相向氣相的揮發過程。
(b)光解過程
許多化學物質在水體中在波長大約290nm處具有光解作用。
水污染物總量控制
水污染物總量控制是國外20世紀70年代初期發展起來的一種比較先進的水環境保護管理方法，指根據一個流域、地區或區域的自然環境、社會經濟發展狀況和水體自淨能力，依據環境質量標準，控制污染源的排污總量，把污染物負荷總量控制在自然環境承受能力內。總量控制是制定將污染物排放總量控制在水功能區承受極限內的合理治污方案的依據，是實施容量總量控制、目標總量控制和行業總量控制的前提。
我國的水環境管理是以對污染源排污口排出的污染物進行濃度控制開始的。隨著環境管理工作的深入，環保部門逐步認識到僅對污染源實行排放濃度控制，很難達到改善環境質量的目的。在對污染物實行排放濃度控制的同時，對污染物排放總量進行控制，才能有效地控制和消除水污染。
污染物總量控制實施
污染物入河控制
污染物入河控制量是指根據流域水體的納污能力和污染物入河量，綜合考慮流域水體狀況、當地技術經濟條件和社會發展狀況，確定污染物進入水功能區的最大數量。污染物入河控制量是進行功能區水質管理的依據。制定入河控制量時，應考慮水功能區的水質狀況、水資源可利用量、經濟社會發展現狀、未來人口增長和經濟社會發展對水資源的需求等。一般情況下，對經濟欠發達、水資源豐富、現狀水質良好的地區，污染物入河控制量可適當放寬，但不得超過水功能區的納污能力．按國家規定應予關停的企業可不再分配其排放控制量．根據產業布局應予限產或限制發展的企業，在分配排放控制量時也應予以相應的限制。
水體納污能力指水體在設計水文、規定環境保護目標和排污口位置條件下，所能容納的最大污染物量．水體納污能力是排污總量控制的基礎，其定量評價對有效保護水資源具有重要的現實意義。
將水功能區污染物入河量與入河控制量相比較，如果污染物入河量超過入河控制量，其差值即為該水功能區的污染物入河削減量．科學合理地削減污染物是實施水污染物總量控制的關鍵．依據流域水體污染現狀，針對控制因子，以水功能區超標污染因子的水體納污能力為依據，結合計算單元經濟社會現狀及規划水平年流域的水質保護目標給出污染物削減分配量。
總量分配
總量分配是總量控制的核心。當水功能區或控制單元的允許排污總量和削減量確定後，可以由多種總量分配方案使之滿足總量削減目標．科學合理地將污染物排放控制總量分配到每個污染源，是總量控制方法的核心．
總量分配按分配受體的不同分為流域總量分配和污染源總量分配2類．流域總量分配是將污染物排放總量自流域、行政區等可實施總量目標的實體，分配到獨立的行政區或流域的支流、子流域、排放口．污染源總量分配是指將污染物排放總量分配到各污染源，污染源有排污屬性，要通過規範自身的排污行為進行總量控制。
結合流域水質規劃目標及水體納污能力，對以水系總量控制為基礎計算出的污染物削減量一般採用等比例分配、定額達標、績效分配、層次分析、投標博弈、單目標最佳化和多目標最佳化分配等方法將削減量分配到計算單元中，實現水功能區水質達標。
總量控制的優點
實施主要污染物排放總量控制，發揮水體納污能力巨觀調算作用，有利於改善水環境質量，促進資源節約、產業結構最佳化、技術進步和污染治理水平，推動流域經濟成長方式的轉變．污染物排放總量控制通過對某一區域排入水體的污染物數量加以限制，在環境質量要求與技術經濟條件之間尋求最佳結合點，實現水功能區水環境質量改善。
1）總量控制通過控制整個水域內所有污染源的污染物排放限額，從總體上實現對排放到水體中的污染物的總量限制，使該區域受納水體的水質濃度達到規定的水質標準。
2）總量控制充分考慮到同一水功能區內的區域差別，做到高保護目標區域水質高要求，低保護目標低要求，整體考慮，分段控制，有利於總量控制區域內水質分級規劃目標的實現。
3）總量控制可清楚反映水體在滿足特定功能的前提下，污染物允許排放量與水質目標的回響關係。
4）總量控制不僅考慮污染物的排放濃度，也考慮污染物的量，可避免企業對廢水進行稀釋以求達標的現象．同時，總量控制強化了法律手段，凡超過限定排污指標排放的或不能達到限期治理要求的都要負法律責任，用法律手段保護水環境。
5）總量控制引入了系統最佳化與整體協調思想，將整個水功能區水體作為一個系統進行研究和保護，使水體在滿足水質目標前提下的污染物允許排放量最大。
