中國水質(zhì)污染的幾個前瞻性問題

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我國天然水體的嚴(yán)重污染已受到普遍關(guān)注。當(dāng)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(jī)物及氮、磷化合物的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。它們已成為我國環(huán)境保護(hù)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(jì)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(jī)有毒化學(xué)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(hù)及處理技術(shù)備受關(guān)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(xué)研究的實驗階段，還沒有真正提上環(huán)境保護(hù)和控制的主要日程。預(yù)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(hù)的迫切難題。解決水環(huán)境污染問題需要政策、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的多方面綜合防治，而更重要的是全社會公眾的深刻認(rèn)識和實事求是的科學(xué)對策。及早提高對前瞻性問題的認(rèn)識，進(jìn)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(guān)的環(huán)境水質(zhì)學(xué)問題作一些介紹。

　　1有機(jī)有毒化學(xué)品

　　近代世界有機(jī)化學(xué)品的生產(chǎn)量逐年成直線上升，達(dá)到每年數(shù)億t之多，據(jù)統(tǒng)計，日常應(yīng)用的就有70000多種，在工業(yè)化國家進(jìn)入環(huán)境的化學(xué)品量相當(dāng)于300g/（㎡·a），其中相當(dāng)部分對生態(tài)和人類具有毒性。各類有機(jī)有毒化學(xué)品是當(dāng)前國際上最關(guān)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(xué)品，近來歐洲的二惡因事件就是突出的例子。水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)也日益嚴(yán)格，檢測和處理都要求高新技術(shù)?；瘜W(xué)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(dá)到相當(dāng)污染水平。

　　在當(dāng)前制定的環(huán)境優(yōu)先污染物中都是以有機(jī)有毒化學(xué)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(jī)有毒化學(xué)品就占114種，中國1989年制定的68種中有機(jī)有毒化學(xué)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(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)可在百項以上，多者可達(dá)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(jī)有毒化學(xué)品尚未進(jìn)入監(jiān)控范圍。

　　有毒化學(xué)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(xué)熱力學(xué)、動力學(xué)和動態(tài)學(xué)。（2）對生物、生態(tài)系統(tǒng)、人體效應(yīng)，涉及生物化學(xué)、化學(xué)生態(tài)學(xué)、生命化學(xué)、生態(tài)毒理學(xué)、人體化學(xué)與醫(yī)學(xué)。（3）環(huán)境現(xiàn)場與樣品的檢測、評價，涉及樣品采集學(xué)、痕量分析化學(xué)、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(shù)。由于有毒化學(xué)品的相當(dāng)部分都吸附及結(jié)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(jī)有毒化學(xué)品大多屬于難降解的持久性化合物，其凈化處理技術(shù)用生物氧化技術(shù)往往難以奏效。目前的發(fā)展趨勢是應(yīng)用高級化學(xué)氧化法（Advanced Chemical Oxidation Process）加以降解。這是利用現(xiàn)代的物理、化學(xué)催化氧化技術(shù)，強(qiáng)化有機(jī)物的降解過程，達(dá)到凈化除毒的效果。其作用機(jī)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(shù)，例如：

　　均相反應(yīng)：O₃/UV，H₂O₂/UV，超聲/UV，電子束，O₃/H₂O₂，H₂O₂/Fe²⁺

　　多相反應(yīng)：半導(dǎo)體催化劑（TiO₂），電化學(xué)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(jī)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(jìn)入實用階段。對有機(jī)有毒物在光催化降解過程的途徑、中間形態(tài)、化學(xué)結(jié)構(gòu)的降解規(guī)律（QSAR）、催化氧化動力學(xué)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(jī)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(xué)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(jī)物，也包括腐殖質(zhì)、高聚合物等有機(jī)物，還包括細(xì)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(yīng)和生態(tài)效應(yīng)，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(biāo)準(zhǔn)對它的控制也日益嚴(yán)格，由過去的10mg/L逐步趨嚴(yán)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(xué)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)境水質(zhì)過程　　　　　 表 1 顆粒物 微污染物 界面轉(zhuǎn)化遷移過程 水處理技術(shù)單元 礦物微粒 重金屬 溶解、沉淀 混合 粘土礦物 類金屬 絡(luò)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(xué)品 催化、光解 超濾 聚合物 有機(jī)酸堿 吸附、解吸 吸附 動植纖維 金屬有機(jī)物 吸收、釋放 絮凝 有機(jī)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(xì)菌、真菌 表面活性劑 滲透、過濾 化學(xué)沉淀 乳濁油滴 放射性核素 擴(kuò)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(jìn)行的配合、聚合、沉淀、多核物及簇生成、結(jié)晶、催化降解、覆蓋與架橋等多種化學(xué)反應(yīng)，還包含著界面動力學(xué)、界面?zhèn)髻|(zhì)、流體中顆粒物的化學(xué)動態(tài)學(xué)、分形學(xué)等過程。正是這些反應(yīng)和過程確定著水質(zhì)，近年研究表明，并非化學(xué)平衡而是界面反應(yīng)速率才成為水質(zhì)化學(xué)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(jié)構(gòu)研究中也應(yīng)用了靜態(tài)和動態(tài)激光光散射、固態(tài)MAS NMR、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(shù)。

　　微界面水質(zhì)過程理論的核心是表面配合反應(yīng)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(xué)作用，應(yīng)用溶液中化學(xué)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(jìn)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(xué)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(dāng)完整的體系。先后提出了若干應(yīng)用不同雙電層結(jié)構(gòu)模型的計算方法及相應(yīng)的FITEQL、MINEQL等計算機(jī)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(yīng)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(jī)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(jī)物，應(yīng)用范圍從純?nèi)芤旱教烊凰臀鬯叭舾晒に囘^程。總之，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(yīng)用。

　　顆粒物的水質(zhì)處理技術(shù)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(jī)高分子和無機(jī)高分子絮凝劑已經(jīng)成為系列產(chǎn)品。我國的無機(jī)高分子絮凝劑特別是復(fù)合絮凝劑的研制生產(chǎn)技術(shù)具有特色，相應(yīng)的絮凝處理也有廣泛應(yīng)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(yán)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(dāng)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(jī)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(xué)品，細(xì)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(fù)擔(dān)。目前，水體污染沉積物的評估、處置、處理和恢復(fù)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(xué)科技術(shù)。

　　在美國沉積物的污染和處置已經(jīng)成為當(dāng)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?/p>

　　在全美國許多水域污染沉積物都造成生態(tài)和人體健康的危機(jī)，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(jìn)入魚、鳥和哺乳類動物體內(nèi)直到有毒水平。毒性效應(yīng)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(xué)品和殘留的農(nóng)藥，而是進(jìn)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(xué)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(guān)鍵也仍與沉積物密切相關(guān)，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(jī)有毒化學(xué)品則會長期蓄積。我國污染嚴(yán)重，河流、湖泊、海灣的污染沉積物巨量積累，將會成為21世紀(jì)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(jì)負(fù)擔(dān)很重的方式，而且如果措施不當(dāng)反會造成污染擴(kuò)散的后果。因此，在實施挖掘以前，必須對所在水域進(jìn)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(yīng)有評估的科學(xué)基準(zhǔn)及法定標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)，而這需要有科學(xué)的工作方法和程序。美國及歐洲已由眾多學(xué)者研究十幾年，至今，國際上還沒有制定出統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)方法，尚在研究發(fā)展中。

　　污染沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)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(xué)和生物測定數(shù)據(jù)外，都可應(yīng)用表面配位理論和模式處理界面吸附過程。

　　三合一法（Triad）是把化學(xué)、毒性、生態(tài)3方面的實測和計算數(shù)據(jù)加以綜合，得到污染沉積物的質(zhì)量基準(zhǔn)，其需要數(shù)據(jù)和求定程序更為復(fù)雜。特別是痕量污染物的含量及毒性的鑒定和底棲生物的群落結(jié)構(gòu)變化，需要進(jìn)行大量精細(xì)工作。

　　挖掘出的污泥必須處置得當(dāng)才能防止擴(kuò)散污染，進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)處理提取或固定常是必要的。

　　在水域中不作挖掘而在現(xiàn)場加以固定或掩蓋也是研究中的方法，各種無機(jī)和有機(jī)的固定劑、掩蔽劑、覆蓋材料也在發(fā)展中。