我國水質(zhì)污染的幾個前瞻性問題

我國水質(zhì)污染的幾個前瞻性問題摘要：我國天然水體的嚴重污染已受到普遍關注。當前水質(zhì)污染集中表現(xiàn)在富營養(yǎng)化和藻類繁生現(xiàn)象，其實質(zhì)是耗氧有機物及氮、磷化合物的生態(tài)環(huán)境效應。它們已成為我國環(huán)境保護的熱點甚至十分棘手的控制治理問題。

關鍵字：水質(zhì)污染我國天然水體的嚴重污染已受到普遍關注。當前水質(zhì)污染集中表現(xiàn)在富營養(yǎng)化和藻類繁生現(xiàn)象，其實質(zhì)是耗氧有機物及氮、磷化合物的生態(tài)環(huán)境效應。它們已成為我國環(huán)境保護的熱點甚至十分棘手的控制治理問題。實際上，這只是水體污染治理系列難題的初級遭遇，它在表觀上易于察覺而首先浮現(xiàn)出來，并為世界許多國家在20世紀初期已基本解決。水質(zhì)污染隨之出現(xiàn)的一些深層次的潛在問題，例如：有機有毒化學品、微界面顆粒物、水體污染沉積物等，已經(jīng)日益突現(xiàn)而成為現(xiàn)時國際上的環(huán)境熱點，尤其對于生活飲用水的水源保護及處理技術備受關注。這些水質(zhì)問題在我國目前尚被富營養(yǎng)化現(xiàn)象所掩蓋，仍停留在一些科學研究的實驗階段，還沒有真正提上環(huán)境保護和控制的主要日程。預計在不久時期后，富營養(yǎng)化問題有所緩解時，它們必然會突出地成為我國水環(huán)境和人體健康保護的迫切難題。解決水環(huán)境污染問題需要政策、經(jīng)濟和技術的多方面綜合防治，而更重要的是全社會公眾的深刻認識和實事求是的科學對策。及早提高對前瞻性問題的認識，進行適合我國國情的科技研究和擬定實用對策是十分必要的。本文僅對上述幾個有關的環(huán)境水質(zhì)學問題作一些介紹。1有機有毒化學品近代世界有機化學品的生產(chǎn)量逐年成直線上升，達到每年數(shù)億t之多，據(jù)統(tǒng)計，日常應用的就有70000多種，在工業(yè)化國家進入環(huán)境的化學品量相當于300g/(m2·a)，其中相當部分對生態(tài)和人類具有毒性。各類有機有毒化學品是當前國際上最關注的污染物，國外目前已注意到除致癌物外甚至包括神經(jīng)毒素、發(fā)育和生殖障害物，雌激素等化學品，近來歐洲的二惡因事件就是突出的例子。水質(zhì)標準相應也日益嚴格，檢測和處理都要求高新技術?；瘜W品的環(huán)境問題，我國雖然尚未完全提到主要日程上來，但已達到相當污染水平。在當前制定的環(huán)境優(yōu)先污染物中都是以有機有毒化學品為主要項目，例如：美國1977年制定的環(huán)境優(yōu)先污染物129種中有機有毒化學品就占114種，中國1989年制定的68種中有機有毒化學品占58種。其中主要包括單環(huán)多環(huán)芳烴、鹵代烴、苯及聯(lián)苯、硝基、酚類和各類農(nóng)藥、殺蟲劑等。目前國際上制定的水質(zhì)標準指標可在百項以上，多者可達數(shù)百項。我國新擬定88項，但受儀器水平所限，常行檢測不過數(shù)十項，許多有機有毒化學品尚未進入監(jiān)控范圍。有毒化學品的環(huán)境科技問題可以包括以下4個方面：（1）在環(huán)境中空間遷移和形態(tài)轉(zhuǎn)化，涉及化學熱力學、動力學和動態(tài)學。（2）對生物、生態(tài)系統(tǒng)、人體效應，涉及生物化學、化學生態(tài)學、生命化學、生態(tài)毒理學、人體化學與醫(yī)學。（3）環(huán)境現(xiàn)場與樣品的檢測、評價，涉及樣品采集學、痕量分析化學、儀器鑒定、模式計算。（4）生產(chǎn)與使用環(huán)境的控制、凈化和處置，涉及化工原理與工藝技術。由于有毒化學品的相當部分都吸附及結合在顆粒物表面或孔隙中，上述各方面又全涉及界面水質(zhì)過程。有機有毒化學品大多屬于難降解的持久性化合物，其凈化處理技術用生物氧化技術往往難以奏效。目前的發(fā)展趨勢是應用高級化學氧化法（AdvancedChemicalOxidationProcess）加以降解。這是利用現(xiàn)代的物理、化學催化氧化技術，強化有機物的降解過程，達到凈化除毒的效果。其作用機理實質(zhì)是充分利用產(chǎn)生大量羥基自由基的氧化過程。目前，提出的各種組合技術，例如：均相反應：O3/UV，H2O2/UV，超聲/UV，電子束，O3/H2O2，H2O2/Fe2+多相反應：半導體催化劑(TiO2)，電化學氧化，天然礦物催化劑輻射催化：電光，日光，射線，微波近年來，國外及我國對有機有毒物的催化氧化特別是多相界面催化氧化有大量研究成果，已經(jīng)逐步進入實用階段。對有機有毒物在光催化降解過程的途徑、中間形態(tài)、化學結構的降解規(guī)律(QSAR)、催化氧化動力學等均有深入研究。同時，對TiO2界面催化劑的改性和固化，礦物還原溶解中對有機物的光催化降解等都是研究熱點。2微界面顆粒物現(xiàn)代環(huán)境水質(zhì)學中，水體顆粒物的范疇除原來的0.45μ以上的礦物微粒外，已包括溶膠與高分子物質(zhì)在內(nèi)，即廣義定義為1nm以上的實體物質(zhì)。它們不但包括粘土礦物、金屬氫氧化物等無機物，也包括腐殖質(zhì)、高聚合物等有機物，還包括細菌、藻類等有生命物質(zhì)。水體顆粒物在環(huán)境污染中更重要的意義在于：微量痕量污染物的大部分都吸附在其表面上，發(fā)生各種表面轉(zhuǎn)化反應和生態(tài)效應，隨之遷移而歸宿于沉積物中，再釋放出來造成水體的二次微污染。因而，在水處理過程中顆粒物也是凈化的主要對象。飲用水標準對它的控制也日益嚴格，由過去的10mg/L逐步趨嚴到0.3mg/L甚至0.1mg/L(NTU)。這主要是由于其表面可吸附痕量有毒化學品、病毒及致癌物等。凈化去除顆粒物的過程如絮凝、過濾、氣浮、膜分離等，幾乎遍及所有給水與污水處理工藝（見下表）。水體顆粒物及其環(huán)環(huán)境水質(zhì)過程程表1顆粒物微污染物界面轉(zhuǎn)化遷移過程程水處理技術單元礦物微粒重金屬溶解、沉淀混合粘土礦物類金屬絡合、螯合沉淀金屬氫氧化物農(nóng)藥氧化、還原過濾腐殖質(zhì)有毒化學品催化、光解超濾聚合物有機酸堿吸附、解吸吸附動植纖維金屬有機物吸收、釋放絮凝有機殘渣病毒降解、富集氣浮藻類氮磷化合物凝聚、絮凝離子交換細菌、真菌表面活性劑滲透、過濾化學沉淀乳濁油滴放射性核素擴散、遷移濃縮脫水氣泡

沉積、蓄積生物氧化活性污泥

生物過濾顆粒物群體與水溶液組成微界面體系，上述各種過程包含了在表面上進行的配合、聚合、沉淀、多核物及簇生成、結晶、催化降解、覆蓋與架橋等多種化學反應，還包含著界面動力學、界面?zhèn)髻|(zhì)、流體中顆粒物的化學動態(tài)學、分形學等過程。正是這些反應和過程確定著水質(zhì)，近年研究表明，并非化學平衡而是界面反應速率才成為水質(zhì)化學組成的決定因素?？梢哉f微界面水質(zhì)過程中集中綜合了最活躍的前沿研究問題。與此同時，在微界面的形態(tài)結構研究中也應用了靜態(tài)和動態(tài)激光光散射、固態(tài)MASNMR、X-射線吸收光譜的EXAFS和XANES、原子力顯微鏡等現(xiàn)代界面微觀鑒定技術。微界面水質(zhì)過程理論的核心是表面配合反應與計算模式，它是由W.Stumm于70年代初期首先提出的，其基本觀點是可以把固/液界面吸附看作表面配位化學作用，應用溶液中化學平衡的類似方式，把固有常數(shù)加以電荷校正后作為條件平衡常數(shù)即可按質(zhì)量作用定律進行計算。這一理論和方法突破了把吸附現(xiàn)象主要作為物理過程，而定量規(guī)律用實驗數(shù)據(jù)擬合為等溫式描述的傳統(tǒng)方式。在以后的20多年來，經(jīng)過眾多學者的大量研究工作，表面配合理論與計算模式已經(jīng)發(fā)展成為相當完整的體系。先后提出了若干應用不同雙電層結構模型的計算方法及相應的FITEQL、MINEQL等計算機程序，推薦了各種實驗方法，求定了不少表面配合常數(shù)。并且，這一原理的應用從顆粒物中的氧化物、氫氧化物推廣到腐殖質(zhì)、蛋白質(zhì)等有機高分子物，從氫氧化物類礦物推廣到硫化物、碳酸鹽礦物，溶液溶質(zhì)從金屬離子推廣到各種陰離子和有機物，應用范圍從純?nèi)芤旱教烊凰臀鬯叭舾晒に囘^程?？傊?，表面配合理論已經(jīng)發(fā)展成為吸附和絮凝過程定量計算的重要概念和方法，特別在水體顆粒物和水質(zhì)微界面過程中得到廣泛應用。顆粒物的水質(zhì)處理技術一般是由絮凝過程及其后的分離過程組成。近代發(fā)展的有機高分子和無機高分子絮凝劑已經(jīng)成為系列產(chǎn)品。我國的無機高分子絮凝劑特別是復合絮凝劑的研制生產(chǎn)技術具有特色，相應的絮凝處理也有廣泛應用，適于充分發(fā)揮新型絮凝劑優(yōu)異性能的水處理工藝正在發(fā)展中。3水體污染沉積物河流、湖泊、水庫、海灣等水域受到嚴重污染后，大量污染物將由顆粒物吸附而蓄存在沉積物中。在適當條件下，它們會重新釋放出來，成為二次污染源。沉積物中的耗氧有機物、藻類殘體、氮、磷等可促成水體的富營養(yǎng)化、赤潮，重金屬、有毒化學品，細菌、病毒等會促成水體生態(tài)傷害和給水水源的微污染，成為給水處理的很大負擔。目前，水體污染沉積物的評估、處置、處理和恢復已日益成為世界上水環(huán)境凈化的難題。它們的形態(tài)及毒性鑒定，質(zhì)量評價和控制處置都涉及各門學科技術。在美國沉積物的污染和處置已經(jīng)成為當前的迫切難題，可以說是環(huán)境污染的第二次浪潮?？梢娨韵聝啥螆蟾妫涸谌绹S多水域污染沉積物都造成生態(tài)和人體健康的危機，沉積物成為污染物的儲存庫。魚類和底棲生物從它們富集有毒化合物傳送入食物鏈。污染物從沉積物進入魚、鳥和哺乳類動物體內(nèi)直到有毒水平。毒性效應包括神經(jīng)的、發(fā)育的和生殖的影響。美國已發(fā)生2100次事件聲稱魚類消費中的問題，許多次證實污染源來自沉積物,EPA調(diào)查了1372處沉積物質(zhì)量數(shù)據(jù)，證實有96處存在污染沉積物的惡化問題。（美國EPA污染沉積物戰(zhàn)略總報告1998,9）目前對河流、湖泊最大的威脅并不是某些有毒化學品和殘留的農(nóng)藥，而是進入水體的污染沉積物。它們成為潛在的殺手，堵塞水生動物的腮、窒息仔魚、傷害貝類和水生昆蟲、輸送和富集有毒化學品、污染水產(chǎn)食品、降低溶解氧量、破壞無數(shù)種群生態(tài)系統(tǒng)。（美國北卡羅來納州環(huán)境報告1998）美國由于污染源控制和富營養(yǎng)化問題已大部分解決，因而生態(tài)毒理問題突出。我國目前尚處于污染源治理和富營養(yǎng)化階段。實際上，水體富營養(yǎng)化的解決關鍵也仍與沉積物密切相關，繁生的藻類和氮、磷殘余物都蓄積在底部沉積物中。沉積物中的重金屬、有機有毒化學品則會長期蓄積。我國污染嚴重，河流、湖泊、海灣的污染沉積物巨量積累，將會成為21世紀的重大難題。目前，對污染沉積物的處置最常用的方法是挖掘清除，但這是工程量浩大、經(jīng)濟負擔很重的方式，而且如果措施不當反會造成污染擴散的后果。因此，在實施挖掘以前，必須對所在水域進行慎密的評估。對污染沉積物的潛在危害程度、需要清除的面積和深度、挖出污泥的處置和處理方法等確定合理的方案。此時，理應有評估的科學基準及法定標準作為依據(jù)，而這需要有科學的工作方法和程序。美國及歐洲已由眾多學者研究十幾年，至今，國際上還沒有制定出統(tǒng)一的標準方法，尚在研究發(fā)展中。污染沉積物質(zhì)量基準的擬定方法，目前最常用的是平衡分配法和三合一法，它們除利用現(xiàn)場或?qū)嶒炇业幕瘜W和生物測定數(shù)據(jù)外，都可應用表