第一章 概论
第一节 严寒与寒冷地区水源水的特征与环境健康效应
一、严寒与寒冷地区界定
严寒与寒冷地区是一个综合概念，国内外学术界尚未明确定义，通常从季节温度、降雪到霜冻时间、纬度、植被等角度界定。基于水源水的温度在空间分布上与气温大体一致，本研究采用《民用建筑热工设计规范》（GB 50176—93）、《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ 26—2010）中气候区划的结果，其中，严寒地区的气候特征为累年最冷月平均温度≤-10℃或日平均温度≤5℃的天数≥145d，主要包括东北、内蒙古和新疆北部、西藏北部、青海等地区；寒冷地区的气候特征为最冷月平均温度0～10℃或日平均温度≤5℃的天数90～145d，主要包括北京、天津、河北、山东、山西、宁夏、陕西大部、辽宁南部、甘肃中东部、新疆南部、河南、安徽、江苏北部以及西藏南部等地区。
二、严寒与寒冷地区水源水特征
严寒与寒冷地区水源水受地理位置、气候、地形水文、土壤类型、经济发展等因素影响，水质呈现出低温低浊高色高氨氮的明显特征：
（1）冬季寒冷漫长，一般为4～6个月，自然气温低于0℃；江河水温0～1℃，浊度5～30NTU；水库底部水温2～4℃，浊度5～10NTU。
（2）寒地土壤多为黑土、黑钙土和草垫土（即广义黑土，其富含有机质），地表径流常穿梭于山区与丘陵地区，侵蚀程度高，易造成流域泥沙与面源污染；寒地水库及河流汇水区多分布在农牧业重点省份，特别是广大农村的生活垃圾、畜禽粪便、作物秸秆等固体废弃物，生活污水，化肥农药，以及水土流失等因素使寒地面源污染日趋严重，大量致色污染物腐殖酸与氨氮进入水体，其浓度高出一般水体3～6倍。
（3）面源污染冬季蓄积、春季释放；在冰封枯水期，河流流量明显减少，有机物降解速度缓慢、蓄积与迁移时间延长，同时冰层覆盖使有机物的光解能力明显降低，水体中溶解氧少，水生植物、低等的浮游生物尸体腐烂后不能及时降解，又形成新的腐殖酸，致使水体色度更加突出；冬季冰封水体底部缺氧形成还原环境，水体沉积物中的有机物在微生物的作用下被还原为氨氮，并释放至水中，使氨氮污染范围与强度不断增加。
三、严寒与寒冷地区水源水环境健康效应
（1）致色有机物腐殖酸的环境效应与健康效应：腐殖酸具有离子交换、螯合、吸附、凝聚、胶溶等功能，其含量过高时，则会影响水体的色度、气味、口感；腐殖酸易与水中常规金属离子发生络合而降低水体的矿化度，不利于对人体必要元素Ca、Mg、Mn等的吸附；腐殖酸易与液氯、漂白粉、次氯酸钠等消毒剂反应产生消毒副产物（DPBs），对人类健康具有致癌、致畸、致突变的潜在危害性；腐殖酸干扰人体对无机元素的吸收与代谢平衡，是大骨节病、黑脚病、克山病的诱因。在工艺运行过程中，腐殖酸易吸附在胶体与悬浮物（黏土、细菌、病毒、藻类等）的表面，增强颗粒物的负电性、稳定性和分散性，增加混凝剂用量，而这种条件下形成的矾花密度小、强度低（蓬松、易碎），沉淀效果差，从而增加滤池反冲洗次数、反冲洗水的耗水量；溶解性腐殖质浓度较高时，沉淀泥渣易腐化且难以脱水，清水池与配水管网也易造成二次污染。
（2）氨氮的环境效应与健康效应：水体中通常以无机氮为主，包括氨氮（游离态NH3—N、铵盐态
—N）与硝态氮
，其中
—N不稳定，易被还原为氨氮或氧化成硝酸盐氮，由环境中溶解氧确定。氨氮的危害表现如下：①氨氮进入水体后，容易成为生物的营养物质而诱发 “富营养化”[1，2]，造成水生态系统的紊乱，危害鱼类及其他水生生物的生存。②NH3—N与
之间存在化学平衡关系，随着温度与pH值的上升，平衡向NH3—N形式转移并以游离氮的形式存在，有刺激性气味，而且对鱼类及其他水生生物产生毒害作用。③氨氮在微生物的作用下发生硝化反应生成亚硝酸盐与硝酸盐，易使人体内正常的血红蛋白氧化成高铁血红蛋白，失去输送氧的能力，出现缺氧甚至窒息；亚硝酸盐及其衍生物亚硝胺对人体有强致癌作用，并能导致畸胎。④氨与氯气作用生成氯胺，影响氯化消毒处理的效果并增加水处理成本，氨也会与设备中的铜组分反应引起相关设备的腐蚀。
四、严寒与寒冷地区水源水净化影响因素
在饮用水净化处理中，寒地特有的低温低浊高色高氨氮水源水受以下因素影响较大：
（1）低温的影响：低温时水解反应速度降低，生成的CO2难以及时散出，导致水解不充分，使大量溶解气体吸附在絮体周围阻碍其沉降；低温时胶体Zeta电位高，胶体颗粒间排斥势能大，颗粒布朗运动动能比常温状态明显降低，黏滞系数增大，颗粒间碰撞机会减少，颗粒变得更加稳定且不易脱稳；低温时胶体溶剂化作用明显增强，颗粒周围水化膜相应增厚，此时颗粒表面黏附强度降低而不易凝聚，且水化膜内的水因黏度增大也会对颗粒间的结合强度产生影响，致使形成的颗粒密度小、强度低，絮体松散易破碎。
（2）低浊的影响：低温低浊水中微粒尺寸小且粒径分布均匀，具有动力稳定性与凝聚稳定性；浊度越低，水中微粒数目越少，粒子间碰撞机会就少，絮凝反应就越慢，形成的絮体细小，难以沉淀，且过滤时易穿透滤层；即便提高搅拌强度可增大颗粒碰撞几率，但水力剪切造成絮体减小的现象仍无法避免。
（3）高色的影响：致色天然有机物腐殖酸可吸附在胶体颗粒表面而形成有机保护膜，导致胶体表面电荷密度增加，阻碍胶体颗粒间进一步结合，从而对混凝效果产生一定程度的影响，需增加混凝剂投量；此外，有机保护膜易导致颗粒间双电层或空间位阻排斥，使低温低浊水逐渐形成相对稳定的物系，即便增加混凝剂投量，常规混凝沉淀技术对稳定低温低浊水的处理效果也不显著。
五、饮用水标准
2012年7月1日实施《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006），规定色度（钴色度单位）<15度。
世界各国在水质标准中对氨氮的浓度有不同的规定，现以国际上三种较权威的水质标准为例：世界卫生组织（WHO）的《饮用水水质准则》要求饮用水的氨氮不大于0.5mg/L；欧盟（EC）的《饮用水水质指令》要求饮用水的氨氮不大于0.05mg/L，最高不得超过0.5mg/L；美国环保局（USEPA）的《美国饮用水水质标准》虽没有对氨氮提出直接要求，但要求氨氮的转化物硝酸盐氮
浓度＜1mg/L。我国建设部2005年6月施行的《城市供水水质标准》（CJ/T 206—2005）规定饮用水中氨氮浓度<0.5mg/L。