1.2 水体污染与自净
1.2.1 水体的无机物污染及其危害有哪些？
无机污染是各种有害的金属、盐类、酸、碱性物质及无机悬浮物等。
污水的一个重要指标是pH值。适宜于生物生存的pH值范围往往非常狭小，并且生物对pH值也是很敏感的。污水的pH值过高或过低，还会影响生化处理的进行，或使受纳水体变质。酸性污水能够腐蚀排水管道及处理设施与设备，如不经中和处理直接排放到水体中，还会对渔业生产带来危害，当pH值小于 5 时，就能使一般的鱼类死亡。
污水中的氮可分为有机氮和无机氮两大类。有机氮，包括蛋白质、氨基酸、尿素、尿酸、偶氮染料等物质中所含的氮；无机氮，包括氨氮、亚硝酸氮和硝酸氮。亚硝酸氮不稳定，可还原成NH3或氧化成硝酸氮。
污水中的有机氮与无机氮总称为总氮。有机氮可通过氨化作用转化为氨氮，氨氮在氧存在的条件下先氧化成亚硝酸氮，然后再进一步氧化成硝酸氮，与此同时要消耗掉氨氮重量4.57倍的氧，因此水中氨氮浓度较高时极易引起水体黑臭。水体中氨氮超过1mg/L时，会使水生物的血液结合氧的能力降低；超过3mg/L时，可在24～96h内使金鱼、鳊鱼死亡。亚硝酸与氨作用生成的亚硝酸铵有致癌、致畸胎作用。亚硝酸氮对动物的毒性较强，作用机理主要是使血液输送氧气的能力下降，亚硝酸氮能促使血液中的血红蛋白转化为高铁血红蛋白，失去和氧结合的能力，从而造成缺氧死亡。硝酸盐在人体内也可被还原为亚硝酸盐。
磷的化合物对藻类及其他微生物也是非常重要的，过量的磷化合物会促进有害藻类的繁殖。藻类的死亡分解会消耗水中大量的溶解氧。过多的藻类会使水产生臭味，使水质恶化而无法饮用。污水中常见磷的形式为正磷酸、多聚磷酸盐及有机磷等化合物。
硫化合物水体中常含有硫酸盐，它在厌氧菌的作用下还原成硫化物及硫化氢，产生的硫化氢可能在被生物所氧化而成硫酸，造成对水管的腐蚀，当硫化物浓度大于200mg/L时，还会导致生化过程的失败。
其他有毒有害的无机化合物。一般认为，铜、铅、铬、汞、砷、氟、氰等化合物对水体及水生物均有一定毒性。
水中常含有溶解的空气，其中溶解氧浓度越高，表示水质越好。
在一般的污水中，特别是腐化的水中常存在硫化氢及甲烷气体。
1.2.2 水体的有机物污染及其危害有哪些？
有机物污染主要来源于食物、植物、粪便、动物尸体中的有机成分以及其他人工合成的有机物。有机污染物大量消耗水中的溶解氧，危及鱼类的生存。导致水中缺氧而使需氧微生物死亡。这类微生物能够分解有机质，维持水体的自净功能。它们死亡的后果是：水体发黑，变臭，毒素积累，伤害人畜。随着工农业的迅猛发展，产生了大量含有复杂有机物组分的污水，一些高稳定的有机合成化合物，如多氯联苯、有机氯农药等也污染水质，造成很大的危害。这些物质也是经过食物链的富集，最后进入人体，引起慢性中毒。如滴滴涕的慢性中毒能影响神经系统，破坏肝功能，造成生理障碍，甚至可能影响生殖和遗传，产生怪胎和引起癌症等。因此在当前水体污染问题中，以有机物污染的矛盾最为突出。
1.2.3 水体的病原微生物污染及其危害有哪些？
生活污水、医院污水以及屠宰肉类加工等污水，含有各类病毒、细菌、寄生虫等病原微生物，流入水体会传播各种疾病。如受到生活性和病原菌污染而引起霍乱、伤寒、脊髓灰质炎、甲型病毒性肝炎等，它们通过水传播而暴发流行传染病，危害大且持续时间长。在19世纪和20世纪前期发生过几次严重事件。如泰晤士河在1836～1886年间，由于河水被污染，曾给伦敦带来四次霍乱流行，仅1849年一次就死亡14000人。德国汉堡1892年因饮用水中含有传染病菌，使16000人得病，9000人死亡。1970年伏尔加河口的城市阿斯特拉罕暴发霍乱病，其主要原因之一就是伏尔加河水质受到污染。1988年我国上海地区也暴发过因食用受到水污染的毛蚶而得甲型肝炎的事件，传染面积广，受害人多，仅上海一地就有30多万人感染，影响极大。
1.2.4 水中污染物对水体的影响是什么？
（1）消耗水中溶解的氧气，危及鱼类的生存
水中污染物存在时，可导致水中缺氧，致使需要氧气生存的微生物因缺氧而死亡，而正是这些需氧微生物能够分解有机质，维持着河流水体的自我净化能力。需要氧气生存的微生物死亡的后果是：河流、溪流发黑，变臭，毒素积累，伤害人畜。
（2）有机和无机化学药品
化学药品等污染主要存在于化工、造纸、制革、建筑装修、干洗等行业中使用的生产原料和辅料中，这些化学物质在生产过程中直接或间接地排放到水体中，对水体造成污染。在这些化学物品中农用杀虫剂、除草剂等的污染尤其严重。绝大部分有机化学药品有毒性，它们进入江河湖泊会毒害或毒死水中生物，破坏生态环境。一些有机化学药品会积累在水生生物体内，致使人食用后中毒。被有机化学药品污染的水难以得到净化，人类的饮水安全和健康会受到威胁。
（3）磷
含磷洗衣粉、磷氮化肥的大量施用后排出的污水可导致水中藻类疯长。因为磷是所有的生物生长所需的重要元素。人类排放的含磷污水进入湖泊之后，会使湖中的藻类获得丰富的营养而急剧增长（称为水体富营养化），导致湖中细菌大量繁殖。疯长的藻类越长越厚，且有一部分被压在了水面之下，因很难见阳光得不到氧气补充而死亡。湖底的细菌以死亡藻类作为营养，迅速增殖，大量增殖的细菌消耗了水中的氧气，使湖水变得缺氧，致使依赖氧气生存的鱼类死亡，随后细菌也会因缺氧而死亡，最终使湖泊老化、死亡。
（4）石油化工洗涤剂
家庭和餐馆使用的餐具洗涤剂类物质，大多数都是石油化工的产品，此类物质难以生物降解，可生化性较低，排入河流中不仅会严重污染水体，而且会积累在水生生物体内，人食用后会出现中毒现象。
（5）重金属（汞、铅、镉、镍、硒、砷、钻、铊、铋、钒、金、铂、银等）
采矿和冶炼过程中，工业废弃物、制革废水、纺织厂废水、生活垃圾（如电池，化妆品）废弃物中含有重金属，对人、畜有直接的生理毒性。用含有重金属的水来灌溉农作物，可使作物受到重金属污染，致使农产品有毒性；而沉积在河底、海湾等水体流域的重金属，通过水生植物和水生生物进入食物链，经鱼类等水生生物进入人体，间接地对人体造成危害。
（6）酸类（如硫酸）
煤矿、其他金属（铜、铅、锌等）矿山开采过程中，会不同程度地排放废弃物和含酸废水，或化工厂在生产过程中向河流中排放酸性废水，会毒害水中植物和生物，引起鱼类和其他水中生物死亡，严重破坏河流、池塘和湖泊的生态系统。
（7）油类物质
水上机动交通运输工具。油船泄漏等行为会向水体泄漏油类物质，从而破坏水生生物的生态环境，使渔业减产，污染水产食品，危及人的健康。海洋上油船的泄漏会造成大批海洋动物（鱼虾、海鸟、海狮等）死亡。主要危害在于油类物质覆盖在水面上，致使水体无法复氧。
1.2.5 河流中溶解氧变化表征了什么？
溶解氧（Dissoved Oxygen，DO）是表征水体中氧的浓度的参数。水中溶解氧的多少是表征水体自净能力的一个指标，也可间接地表征污染物在水体中的含量，即水体的污染程度。溶解氧高有利于对水体中各类污染物的降解，从而使水体较快地得以净化；反之，溶解氧低，水体中污染物降解较缓慢。
1.2.6 黑臭水体的治理技术有哪些？
目前，国内外针对黑臭水体的治理遵循的思路是“控源—净化—修复”。黑臭水体的治理技术分为4种。
（1）清游疏浚技术
清游疏浚是清除内源、控制水体污染的有效措施之一。其方法主要有2种：
①抽干湖河水后，清除底部淤泥（干式清淤），如上海市丽娃河就用的干床冲挖清游疏浚工艺；
②用机械直接从水中清除游泥（湿式清淤），常用的工具是挖泥船。
干式清淤是指抽干城市黑臭水，使水体底泥裸露出来，使用水力冲挖的方式对淤泥进行清理。干式清淤具有清淤浓度高、清淤速度快、清淤较为彻底的优点，但也存在破坏水体原有生态，产生二次污染的缺点。在实际施工中，干式清淤一般使用在城市箱涵清淤、明渠清淤、小型湖泊清淤，清淤设备操作简单，转运方便快捷，黑臭水体治理效果明显。
湿式清淤主要是通过水力清淤设备进行黑臭水体治理。水力清淤设备通过利用高压水枪冲刷河床中的淤泥，形成一定浓度的淤泥，然后通过泥浆泵的绞吸、抽吸等作用将悬浮起来的淤泥吸入并通过管道排出。水力式挖泥船主要有绞吸式、耙吸式、斗轮式、吸扬式等。湿法作业的应用范围较广，江河湖库都可应用。
清流疏浚能相对快速地改善水质，但因具有一定的生态风险性，国内外对此多持慎重态度，故在底泥疏浚前应开展环境影响评价，对可能造成的环境影响提出相应对策。
（2）截污纳管技术
截污纳管是从源头上消减污染物的排放量。通过建设和改造位于河道两侧的截污管道，将污水产生单位产生的污水，就近接入敷设在城镇道路下的污水管道系统中，转输至城镇污水处理厂进行集中处理，阻止污水进入河流。
（3）曝气增氧技术
缺氧是黑臭水体的普遍特征。恢复水体耗氧复氧平衡、提高水体溶解氧浓度是水环境治理和水生态恢复的首要前提。曝气增氧是水体增氧的主要方法，能快速提高水体溶解氧，并兼有造流、净化抑藻和底泥修复作用。德国萨尔河、英国泰晤士河、中国的苏州河及温瑞塘河等许多河段治理中都使用了曝气增氧的技术。
（4）清水补水技术
环境调水目的在于改善水体水质，提高水资源的利用价值和水环境的承载力，主要应用于纳污负荷高、水动力不足、环境容量低的城市河湖和水网。上海市开展苏州河环境调水研究和试验己有20余年历史，取得了良好的效果；2005年7月22日，南京市秦淮河管理处启动了秦淮河环境调水工程，结果表明，在建立的模型指导下，不同水量方案均有利于整个流域的生态环境向好发展，水质质量不断改善。
1.2.7 水体的自净作用是什么？
水体自净的定义有广义与狭义两种：广义的定义指受污染的水体，经过水中物理、化学与生物作用，使污染物浓度降低，并恢复到污染前的水平；狭义的定义指水体中的微生物氧化分解有机物而使得水体得以净化的过程。
污染物投入水体后，使水环境受到污染。污水排入水体后，一方面对水体产生污染，另一方面水体本身有一定的净化污水的能力，即经过水体的物理、化学与生物的作用，使污水中污染物的浓度得以降低，经过一段时间后，水体往往能恢复到受污染前的状态，并在微生物的作用下进行分解，从而使水体由不洁恢复为清洁，这一过程称为水体的自净过程。
有机污染物的自净过程一般分为3个阶段。
①第一阶段是易被氧化的有机物所进行的化学氧化分解。该阶段在污染物进入水体以后数小时之内即可完成。
②第二阶段是有机物在水中微生物作用下的生物化学氧化分解。该阶段持续时间的长短随水温、有机物浓度、微生物种类与数量等而不同。一般要延续数天，但被生物化学氧化的物质一般在5d内可全部完成。
③第三阶段是含氮有机物的硝化过程。这个过程最慢，一般要延续1个月左右。
1.2.8 河流的氧垂曲线方程是什么？
需氧污染物排入水体后即发生生物化学分解作用，在分解过程中消耗水中的溶解氧。溶解氧的变化状况反映了水体中有机污染物净化的过程，因而可把溶解氧作为水体自净的标志。
如果以河流流程作为横坐标，溶解氧浓度作为纵坐标，在坐标纸上标绘曲线，将得到以下垂形曲线，常称氧垂曲线（见图1-1），最低点称临界点Cp。在一维河流和不考虑扩散的情况下，河流中的可生物降解有机物和溶解氧的变化可以用S-P （Streeter Phelps）公式模拟。
图1-1 氧垂曲线
图1-1反映了耗氧和复氧的关系。图1-1中a为有机物分解的耗氧曲线，b为水体复氧曲线，c为氧垂曲线，最低点Cp为最大缺氧点。若Cp点的溶解氧量大于有关规定的量，从溶解氧的角度看，说明污水的排放未超过水体的自净能力。若排入有机污染物过多，超过水体的自净能力，则Cp点低于规定的最低溶解氧含量，甚至在排放点下的某一段会出现无氧状态，此时氧垂曲线中断，说明水体已经污染。在无氧情况下，水中有机物因厌氧微生物作用进行厌氧分解，产生硫化氢、甲烷等，水质变坏，腐化发臭。
氧垂曲线上，溶解氧变化规律反映河段对有机污染的自净过程。这一问题的研究，对评价水污染程度，了解污染物对水产资源的危害和利用水体自净能力都有重要意义。
1.2.9 水体的热污染是什么？
水体热污染是指水体受人工排放热量影响所致的水体温度升高。大量热能排入水体，使水中溶解氧减少，并促使水生植物繁殖，鱼类的生存条件变坏，生态环境恶化。水温高还会使氰化物、重金属离子等污染物的毒性增强。
热污染主要来源于发电厂和其他工业的冷却水。造成热污染最根本的原因是能源未能被最有效、最合理地利用。如发电厂燃料中只有1/3热能转化为电能，其余2/3则流失于大气或冷却水中。
水体热污染危害主要表现如下。
（1）影响水生生物的生长
水温升高，影响鱼类生存。在高温条件时，鱼在热应力的作用下发育受阻，严重时，导致死亡；水温升高，降低了水生动物的抵抗力，破坏了水生动物的正常生存环境。
（2）导致水中溶解氧降低
水温较高时，由亨利定律可知，水中溶解氧浓度降低，如水温在 0℃、20℃、30℃时，溶解氧分别为14.62mg/L、9.17mg/L、7.63mg/L；与此同时，鱼及水中动物代谢加快，对溶解氧的需求增加，此时溶解氧的减少，势必对鱼类及其他动物的生存形成更大的威胁。
（3）藻类和湖草大量繁殖
水温升高时，藻类与湖草大量繁殖，消耗了水中的溶解氧，同时，藻类种群也将发生改变。在具有正常混合藻类种的河流中，在20℃时硅藻占优势；在30℃时绿藻占优势；在35～40℃时蓝藻占优势。蓝藻占优势时，则发生水污染，即水华，所以，热污染会加速富营养化进程。蓝藻可引起水体味道异常，并能分泌一种藻毒素，是一种致癌物质。如太湖、巢湖等严重的水污染事件多是蓝藻暴发引起的。
（4）导致水体中化学反应加快
水温每升高10℃，化学反应速率可加快一倍。
1.2.10 水体污染对健康的影响是什么？
水体污染的危害是多方面的，对人体健康也具有直接和间接的影响。
（1）引起急性和慢性中毒
水体受有毒有害化学物质污染后，通过饮水或食物链便可能造成中毒。水俣病、痛痛病是由水体污染引起的。
（2）致癌作用
某些有致癌作用的化学物质如砷、铬、镍、铍、苯胺、苯并[a]芘和其他多环芳烃、卤代烃污染水体后，可被水体中的悬浮物、底泥吸附，也可在水生生物体内积累，长期饮用含有这类物质的水，或食用体内蓄积有这类物质的生物（如鱼类）就可能诱发癌症。
（3）以水为媒介的传染病
人畜粪便等生物污染物污染水体，可能引起细菌性肠道传染病如伤寒、痢疾、肠炎、霍乱等；肠道内常见病毒如脊髓灰质类病毒、柯萨奇病毒、传染性肝炎病毒等，皆可通过水体污染传播而引起相应的传染病。在发展中国家，每年约有6000万人死于腹泻，其中大部分是儿童。
（4）间接影响
水体污染后，常可引起水的感官性状指标恶化，如某些污染物在一定浓度下，对人的健康虽无直接危害，但可使水发生异臭、异色，呈现泡沫和油膜等现象，妨碍水体的正常利用；铜、锌、镍等物质在一定浓度下能抑制微生物的生长和繁殖，从而影响水中有机物的分解和生物氧化，使水体自净能力下降，生态系统恶化。