1.2　水體污染與自凈

1.2.1　水體的無機物污染及其危害有哪些？

無機污染是各種有害的金屬、鹽類、酸、堿性物質及無機懸浮物等。

污水的一個重要指標是pH值。適宜于生物生存的pH值范圍往往是非常狹小，并且也是很敏感的。污水的pH值過高或過低，還會影響生化處理的進行，或使受納水體變質。酸性污水能夠腐蝕排水管道及處理設施與設備，如不經中和處理直接排放到水體中去，還會對漁業生產帶來危害，當pH值小于5時，就能使一般的魚類死亡。

污水中的氮可分為有機氮和無機氮兩大類。有機氮，如蛋白質、氨基酸、尿素、尿酸、偶氮染料等物質中所含的氮；無機氮，有氨氮、亞硝酸氮和硝酸氮。亞硝酸氮不穩定，它可還原成NH3或氧化成硝酸氮。

污水中的有機氮與無機氮的總和稱為總氮。有機氮可通過氨化作用轉化為氨氮，氨氮在氧存在的條件下先氧化成亞硝酸氮，然后再進一步氧化成硝酸氮，與此同時要消耗掉氨氮重量4.57倍的氧，因此水中氨氮濃度較高時極易引起水體黑臭。水體中氨氮超過1mg/L時，即會使水生物的血液結合氧的能力降低；超過3mg/L時，可在24～96h內使金魚、鳊魚死亡。亞硝酸與氨作用生成的亞硝酸銨有致癌、致畸胎作用。亞硝酸氮對動物的毒性較強，作用機理主要是使血液輸送氧氣的能力下降，亞硝酸氮能促使血液中的血紅蛋白轉化為高鐵血紅蛋白，失去和氧結合的能力，從而造成缺氧死亡。硝酸鹽在人體內也可被還原為亞硝酸鹽。

磷的化合物對藻類及其他微生物也是非常重要的，過量的磷化合物會促進有害藻類的繁殖。藻類的死亡分解會消耗水中大量的溶解氧。過多的藻類會使水產生臭味，使水質惡化而無法飲用。污水中常見磷的形式為正磷酸、多聚磷酸鹽及有機磷等化合物。

硫化合物水體中常含有硫酸鹽，它在厭氧菌的作用下還原成硫化物及硫化氫，產生的硫化氫可能在被生物所氧化而成硫酸，造成對水管的腐蝕，當硫化物濃度大于200mg/L時，還會導致生化過程的失敗。

其他有毒有害的無機化合物。一般認為，銅、鉛、鉻、汞、砷、氟、氰等化合物對水體及水生物均有一定毒性。

水中常含有溶解的空氣，其中溶解氧濃度越高，表示水質越好。

在一般的污水中，特別是腐化的水中常存在硫化氫及甲烷氣體。

1.2.2　水體的有機物污染及其危害有哪些？

有機物污染主要來源于食物、植物、糞便、動物尸體中的有機成分以及其他人工合成的有機物。有機污染物大量消耗水中的溶解氧，危及魚類的生存。導致水中缺氧而使需氧微生物死亡。這類微生物能夠分解有機質，維持水體的自凈功能。它們死亡的后果是：水體發黑，變臭，毒素積累，傷害人畜。隨著工農業的迅猛發展，產生了大量含有復雜有機物組分的污水，一些高穩定的有機合成化合物，如多氯聯苯、有機氯農藥等也污染水質，造成很大的危害。這些物質也是經過食物鏈的富集，最后進入人體，引起慢性中毒。如滴滴涕的慢性中毒能影響神經系統，破壞肝功能，造成生理障礙，甚至可能影響生殖和遺傳，產生怪胎和引起癌癥等。因此在當前水體污染問題中，以有機物污染的矛盾最為突出。

1.2.3　水體的病原微生物污染及其危害有哪些？

生活污水、醫院污水以及屠宰肉類加工等污水，含有各類病毒、細菌、寄生蟲等病原微生物，流入水體會傳播各種疾病。如受到生活性和病原菌污染而引起霍亂、傷寒、脊髓灰質炎、甲型病毒性肝炎等，它們通過水傳播而暴發流行傳染病，危害大且持續時間長。在19世紀和20世紀前期發生過幾次嚴重事件。如泰晤士河在1836～1886年間，由于河水被污染，曾給倫敦帶來四次霍亂流行，僅1849年一次就死亡14000人。德國漢堡1892年因飲用水中含有傳染病菌，使16000人得病，9000人死亡。1970年伏爾加河口的城市阿斯特拉罕暴發霍亂病，其主要原因之一就是伏爾加河水質受到污染。1998年我國上海地區也暴發過因食用受到水污染的毛蚶而得甲型肝炎的事件，傳染面積廣，受害人多，僅上海一地就有30多萬人感染，影響極大。

1.2.4　什么是水體的自凈作用？

水體自凈的定義有廣義與狹義兩種：廣義的定義指受污染的水體，經過水中物理、化學與生物作用，使污染物濃度降低，并恢復到污染前的水平；狹義的定義指水體中的微生物氧化分解有機物而使得水體得以凈化的過程。

污染物投入水體后，使水環境受到污染。污水排入水體后，一方面對水體產生污染，另一方面水體本身有一定的凈化污水的能力，即經過水體的物理、化學與生物的作用，使污水中污染物的濃度得以降低，經過一段時間后，水體往往能恢復到受污染前的狀態，并在微生物的作用下進行分解，從而使水體由不潔恢復為清潔，這一過程稱為水體的自凈過程。

有機污染物的自凈過程一般分為三個階段。第一階段是易被氧化的有機物所進行的化學氧化分解。該階段在污染物進入水體以后數小時之內即可完成。第二階段是有機物在水中微生物作用下的生物化學氧化分解。該階段持續時間的長短隨水溫、有機物濃度、微生物種類與數量等而不同。一般要延續數天，但被生物化學氧化的物質一般在5d內可全部完成。第三階段是含氮有機物的硝化過程。這個過程最慢，一般要延續一個月左右。

1.2.5　河流的氧垂曲線方程是什么？

需氧污染物排入水體后即發生生物化學分解作用，在分解過程中消耗水中的溶解氧。溶解氧的變化狀況反映了水體中有機污染物凈化的過程，因而可把溶解氧作為水體自凈的標志。

如果以河流流程作為橫坐標，溶解氧濃度作為縱坐標，在坐標紙上標繪曲線，將得到以下垂形曲線，常稱氧垂曲線（圖1-1），最低點稱臨界點Cp。在一維河流和不考慮擴散的情況下，河流中的可生物降解有機物和溶解氧的變化可以用S-P（Streeter-Phelps）公式模擬。

圖1-1反映了耗氧和復氧的關系。圖1-1中a為有機物分解的耗氧曲線，b為水體復氧曲線，c為氧垂曲線，最低點Cp為最大缺氧點。若Cp點的溶解氧量大于有關規定的量，從溶解氧的角度看，說明污水的排放未超過水體的自凈能力。若排入有機污染物過多，超過水體的自凈能力，則Cp點低于規定的最低溶解氧含量，甚至在排放點下的某一段會出現無氧狀態，此時氧垂曲線中斷，說明水體已經污染。在無氧情況下，水中有機物因厭氧微生物作用進行厭氧分解，產生硫化氫、甲烷等，水質變壞，腐化發臭。

氧垂曲線上，溶解氧變化規律反映河段對有機污染的自凈過程。這一問題的研究，對評價水污染程度，了解污染物對水產資源的危害和利用水體自凈能力，都有重要意義。

1.2.6　水體的熱污染是什么？

水體熱污染是指水體受人工排放熱量影響所致的水體溫度升高。大量熱能排入水體，使水中溶解氧減少，并促使水生植物繁殖，魚類的生存條件變壞，生態環境惡化。水溫高還會使氰化物、重金屬離子等污染物的毒性增強。

熱污染主要來源于發電廠和其他工業的冷卻水。造成熱污染最根本的原因是能源未能被最有效、最合理地利用。如發電廠燃料中只有1/3熱能轉化為電能，其余2/3則流失于大氣或冷卻水中。

水體熱污染危害主要表現有：

（1）影響水生生物的生長

水溫升高，影響魚類生存。在高溫條件時，魚在熱應力的作用下發育受阻，嚴重時，導致死亡；水溫升高，降低了水生動物的抵抗力，破壞了水生動物的正常生存環境。

（2）導致水中溶解氧降低

水溫較高時，由亨利定律可知，水中溶解氧濃度降低，如水溫在0℃、20℃、30℃時，溶解氧分別為14.62mg/L、9.17mg/L、7.63mg/L；與此同時，魚及水中動物代謝加快，對溶解氧的需求增加，此時溶解氧的減少，勢必對魚類及其他動物的生存形成更大的威脅。

（3）藻類和湖草大量繁殖

水溫升高時，藻類與湖草大量繁殖，消耗了水中的溶解氧，同時，藻類種群也將發生改變。在具有正常混合藻類種的河流中，在20℃時硅藻占優勢；在30℃時綠藻占優勢；在35～40℃時藍藻占優勢。藍藻占優勢時，則發生水污染，即水華，所以，熱污染會加速富營養化進程。藍藻可引起水體味道異常，并能分泌一種藻毒素，是一種致癌物質。如太湖、巢湖等嚴重的水污染事件多是藍藻暴發引起的。

（4）導致水體中化學反應加快

水溫每升高10℃，化學反應速率可加快一倍。

1.2.7　水體污染對健康的影響是什么？

水體污染的危害是多方面的，對人體健康也具有直接和間接的影響。

（1）引起急性和慢性中毒

水體受有毒有害化學物質污染后，通過飲水或食物鏈便可能造成中毒。水俁病、痛痛病是由水體污染引起的。

（2）致癌作用

某些有致癌作用的化學物質如砷、鉻、鎳、鈹、苯胺、苯并[a]芘和其他多環芳烴、鹵代烴污染水體后，可被水體中的懸浮物、底泥吸附，也可在水生生物體內積累，長期飲用含有這類物質的水，或食用體內蓄積有這類物質的生物（如魚類）就可能誘發癌癥。

（3）以水為媒介的傳染病

人畜糞便等生物污染物污染水體，可能引起細菌性腸道傳染病如傷寒、痢疾、腸炎、霍亂等；腸道內常見病毒如脊髓灰質類病毒、柯薩奇病毒、傳染性肝炎病毒等，皆可通過水體污染傳播而引起相應的傳染病。1989年上海的“甲肝事件”，就是由水體污染引起的。在發展中國家，每年約有6000萬人死于腹瀉，其中大部分是兒童。

（4）間接影響

水體污染后，常可引起水的感官性狀指標惡化，如某些污染物在一定濃度下，對人的健康雖無直接危害，但可使水發生異臭、異色，呈現泡沫和油膜等現象，妨礙水體的正常利用；銅、鋅、鎳等物質在一定濃度下能抑制微生物的生長和繁殖，從而影響水中有機物的分解和生物氧化，使水體自凈能力下降，生態系統惡化。

1.2.8　主要水體污染物的影響是怎樣的？

水體中存在有若干污染物，對人體器官造成較大影響的污染物主要有：

①鉛　對腎臟、神經系統造成危害，對兒童具高毒性，已被證實致癌性。

②鎘　對腎臟有急性傷害。

③砷　具有致癌性，對皮膚、神經系統等造成危害。

④汞　對人體的傷害極大，主要傷害器官為腎臟、中樞神經系統。

⑤硒　高濃度會危害肌肉及神經系統。

⑥亞硝酸鹽　具致癌性，可造成心血管方面疾病，對嬰兒的影響最為明顯（藍嬰癥）。

⑦總三鹵甲烷　具致癌性，以氯仿對健康的影響最大，致癌方面最常見的是膀胱癌。

⑧三氯乙烯（有機物）吸入過多會降低中樞神經、心臟功能，長期暴露對肝臟有害。

⑨四氯化碳（有機物）具致癌性，對人體健康有廣泛影響，對肝臟、腎臟功能影響極大。